电力线载波通信实验平台设计

范 迪, 陈之坤, 娄 猛, 吕常智, 张玉萍

(山东科技大学 电子通信与物理学院, 山东 青岛 266590)

在电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、自动化、电气工程等电类的专业中,通信实验是一个重要的实验教学内容[1]，所涉及的内容主要有串行异步、红外、以太网、CAN、232、485、Modbus、Profibus、ZigBee、WiFi、2.4G等。电力线载波通信(power line communication,PLC)是以电力线作为传输媒介,通过载波方式进行数据传输和信息交换的一种通信方式[2],在路灯控制系统、远程自动抄表、园区节能管控等方面有着广泛应用[3-5]。然而，作为一种不需要专用传输媒介的通信方式[6],在本科专业的实验教学中尚缺少电力线载波通信实验平台。为此,课程组带领学生设计了一个电力线载波通信实验平台[7]。该平台不仅涉及电力线载波通信的原理,还融合了电子、电路、单片机、接口、C语言等方面的技术,对学生是个很大的锻炼。基于此平台,课程组还设计了实验项目,先后数届学生在此平台上进行了电力线载波通信实验,了解了这种通信技术的特点,拓展了知识面,锻炼了实践能力[8-9]。

1 实验平台硬件设计

1.1 系统框图和工作原理

实验平台包括接收端和发送端两部分(见图1)。发送端和接收端硬件电路基本相同,只是在软件上,接收端具有开关输入功能,发送端具有控制输出功能。

图1 实验平台整体结构

发送端CPU由输入接口读取开关输入量,编码后发送给载波通信模块调制,之后由耦合电路传送到电力线上。接收端通过耦合电路接收载波信号,载波通信模块对之解调后传送给单片机处理,最终显示在LED显示器。

1.2 主控模块硬件设计

主控模块是以单片机AT89S52为核心[10],外加复位、时钟等组成,如图2所示。单片机AT89S52主要负责协调整个通信系统的工作,包括采集端口信息,控制载波的收发、数据显示和输出控制信号等。

图2 主控模块电路

1.3 载波通信模块及其外围电路设计

载波通信模块主要由主控电路、发送/接收电路组成。

在发送时,主控电路与CPU进行串口通信,接收其拟发送的数据后,对之进行调制后发送给载波发送模块,经由耦合电路发送到电力线上。接收时,耦合电路从电力线上获取载波信号,发送给载波接收电路进行滤波,主控模块对之进行解调并通过串口把数据发送给实验平台CPU。

主控电路采用深圳瑞斯康公司的RISE3501芯片,其电路如图3所示。RISE3501符合EIA-709.1和EIA-709.2标准规范,内核为FR8052,其内部集成了Packet Assembly、脉冲整型滤波器(pulse shaping filter)、BPSK调制、数字滤波器(digital filter)以及DAC (digital to analog converter)[11]。外围电路主要有时钟电路、复位电路和指示灯电路。载波频率可被配置131.579 kHz、105.263 kHz、86.207 kHz、72.993 kHz,默认的载波频率以及载波速率分别为131.579 kHz和5.48245 kbit/s。RISE3501电力线数据通信速率可达11 kbit/s[12]。

1.4 收发电路设计

载波发送电路如图4所示,其主要功能是把RISE3501输出的模拟信号进行功率放大和滤波后经由信号耦合电路耦合到电力线上。载波发送电路的工作电压为15 V,RISE3501输出信号电平约1.34 Vpp,发送电路空载下的输出可达10 Vpp,实际输出信号幅值会随负载变化而变化[13]。

图3 RISE3501及其外围电路

图4 载波发送电路

载波接收电路如图5所示,它接收来自电力线的符合EIA-709.2协议的载波信号,对之进行滤波和自动增益控制后传送至RISE3501。其中三阶带通无源滤波器可滤除载波频段以外的信号。自动增益控制可根据信号的大小自动调节增益,当信号过大时,在CAGC控制下可对信号进行20 dB的信号衰减[14]。

图5 载波接收电路

1.5 耦合电路设计

耦合电路(见图6)要实现电力线与平台电路部分的“一通一断”作用,即畅通载波信号,阻断工频交流电[15]。

耦合电路的输入端串接高压电容通过高频载波信号,利用1∶1的耦合线圈把载波信号感应到弱电侧,起隔离高压作用。其中瞬变二极管的作用是防止快速冲击,保护后端电路。

图6 耦合电路

2 实验平台软件设计

平台软件分为发送端和接收端两部分。接收端软件如图7所示,主要实现模块初始化、开关量扫描、发送数据和显示等。发送端软件如图8所示,主要实现模块配置初始化、读取数据、显示、输出控制信号等功能。

图7 接收端主程序流程图

图8 发送端主程序流程图

3 基于平台的实验内容设计

3.1 主要功能电路的仿真

对实验平台中的关键电路进行仿真实验,使学生掌握电路原理及电路分析方法、熟练使用仿真工具。

耦合电路、载波收发电路是实验平台最主要的部分。该实验过程是先让学生学习电路原理和各器件、模块的功能,再利用Multisim平台进行仿真,通过分析仿真结果理解电路的原理[16]。图9是主要电路的仿真结果。

图9 主要电路仿真结果(输入50 Hz交流信号)

3.2 部分模块调试

利用示波器及软件调试工具,对载波收发模块涉及的软硬件电路进行调试或测试,使学生理解调试方法和过程,有针对性地强化掌握核心模块的工作原理。图10是实测收发信号波形,左图是发送波形,右图是接收波形。

图10 实测收发信号波形

此外,还通过串口调试助手,让学生在线完成对载波模块的配置,借此使学生掌握载波芯片的硬件接口及使用方法。

3.3 实地整机实验

在实验楼及周边选择了6个实验点,借助电力线进行双向通信,实验点间的通信测试情况如图11所示。实验点⑤设在学院楼的外部,①—⑤、④—⑤间通信测试时通信介质采用的长230 m的电缆。测试时,发送端发送数据上千次,接收端接收数据的成功率在99%以上。通过实地实验,学生对电力线载波通信的原理、优势和接线问题有了深刻的认识。

图11 实验点间的通信情况

4 结语

电力线载波通信是一种比较独特的通信方式。基于电力线载波通信实验平台和3个层次的实验内容,形成了从部分到整体、从虚拟到真实、从原理到实物的环环相扣、步步递进的实验过程,使学生在实验过程中熟练掌握软件编程、电路仿真、电路设计和制作等方面的知识和技能。