CEBus电力线通信模块在智能小区中的应用

电力线通信(PowerLine Communication，PLC)是指建立在电力输送网基础上的、实现电力通信网络内部各节点之间以及与其他通信网络之间通信的系统^［1］。近几年，与电信网及有线电视网相比，电力线通信网以其资源广阔、与家庭结合紧密等优势日益引起人们的关注，并得到快速发展。PLC的应用已不限于简单的点对点的传输，欧美一些国家正研究其在智能化小区及接入网方面的应用，这是信息网络的发展和信息家电出现的必然趋势。专用通讯模块的设计决定了这些功能是否能高质量、低成本地实现，以及系统的安全性能和电力线高压危险的防护。

1　基于Chirps的扩频载波通讯技术和CEBus协议
1.1　基于Chirps的扩频载波技术
　　对电力线这一强背景噪声的信道，数据传输的一种有效手段就是扩频(Spread Spectrum，SS)技术。扩频技术就是用伪随机码将载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带低功率谱密度的信号来发送。这样，在接收端使用恰当的手段就可以将信号提取出来，从而减少噪声对信号的影响，保证了电力线网络上的可靠通信。
　　如图1所示，宽带线性调频利用一组扫描频率作为载体，信号占用的频带宽度远远大于信息带宽，可获得很大的扩频增益。

　　该扫描频率是一系列短促的、可自同步的连续脉冲，又称作“chirps”，每个chirps一般持续100μs，他代表了最基本的单位通信符号时间(UST)。他可通过不同的UST组合来实现数据传输，其最大速率为10 kb/s。按照CEBus标准，这些信号频率覆盖了100～400 kHz的带宽。在Intellon公司的SSCP300芯片中，扫描总是以200 kHz的频率开始和结束，也就是说：400 kHz和100 kHz的频率总是在每一个chirps的中间，这样做的优点是便于进行扫描信号的谐波抑制，并使数据传输中位与位之间的过渡变得比较平滑^［2］。另外，此种chirps波形具有很强的独立性。
1.2　CEBus协议简介
　　 CEBus是专门为家用电子产品通讯而制定的协议标准，又称作FLA－600协议^[3]。美国电子工业协会(Electronicw Industry Association,EIA)联合其他厂商，在1989年制定出一套家庭自动化控制规格的初步草案并在1992年发布，命名为CEBus(Consumer Electronic Bus)，目标是建立一个针对家用电子产品的开放性协议；开发一套通用的、廉价的、与制造厂家无关的通讯方法；允许用户以很小的代价实现在系统中加入新的家电产品；减少家用电子产品设备功能的冗余。1997年，CEBus的EIA－600正式成为美国ANSI标准。
　　如图2所示，CEBus采用简化的OSI模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。物理层使用7种不同媒介，包括电力线、双绞线、同轴电缆等，可以满足不同应用场合需要。CEBus的网络完全面向报文分组(packet)，使用载波侦听多路访问和冲突检测协议(CSMA)。采用“公共应用语言”(Common Application Language，CAL)，设备之间可以互相访问，从而知道一个设备所有的资源，工作状态，并可控制该设备。

1.3　SSCP300电力线网络接口控制器简介
　　Intellon公司的SSCP300电力线网络接口控制器是一种与CEBus总线兼容、高度集成的电力线网络信号收发控制器。他利用传输稳定可靠、通信保密程度高的扩频载波技术，通过CRC校验，来实现网络信息的安全传递。SSCP300提供了数据链接层(DLL)的控制逻辑，符合EIA－600标 准的通道访问及通信服务，基于chirps的扩频载波技术的电力线信号收发器，信号调整电路以及同数据处理及控制部分联接的SPI(SerialPeripheralInterface)接口电路。

2　基于扩频载波技术的CEBus通讯模块的典型应用
2.1　硬件设计
　　应用这种基于扩频载波技术的CEBus通讯芯片SSCP300组成的通讯模块如图3所示。

　　通讯模块由3部分构成：第1部分为微控制器，用于P300的通信及执行特殊工作；第2部分为P300，他提供数据链路功能和物理层的协议服务；第3部分为电力线模拟功能，包括将信号耦合到媒体上，放大发送信号以及对输入信号的滤波。
2.2　仿真研究
　　2.2.1　输入滤波器
　　电力线上的干扰很大也很不确定，需要一个带通滤波器，仅将带宽100～400 kHz的信号送入P300的输入端^［2］。由模拟带通滤波器的传递函数及相关设计参考，构造出了如图4所示的无源六级LC滤波器。

　　 对该带通滤波器进行性能仿真得到如图5所示仿真结果。

　　在频率从100～400 kHz变化时，增益的绝对值与带外信号相比非常小，且变化不大，而带外信号在40 kHz和1．0 MHz时衰减就已达30分贝。仿真结果表明了采用该带通滤波器能够达到预期的效果。
　　 2.2.2　输出电路
　　从P300输出的信号幅度小、驱动能力弱而且还有高次谐波分量，因此在输出端必须经过滤波和放大。图6和图7是输出滤波和放大电路及其伯德图。

　　根据CEBus要求，输出电压幅度必须达到10 V，因此必须把P300的输出信号放大才能耦合到电力线，本模块中采用了一个运放构成的跟随器驱动SSCP111芯片(包含在图3所示的输出电路中)。SSCP111是Intellon公司生产8的媒介接口芯片。由于模块与220 V电力线相连，各种保护电路必不可少。除高压脉冲会破坏器件外，刚接通电源时，若电力线刚好处于电压最大值，会有300 V的高压直接作用于变压器两端，瞬间电流达到一个相当尖锐的脉冲，在脉冲出现后1μs仍有几十伏的电压，足以烧坏SSCP111，因此需要两个肖特基二极管将电压钳位在额定范围内，电感的作用是阻断窄高压脉冲。

3　在家庭网络电力线通信中的应用
3.1　CEBus模块软件设计
　　该模块中，由于at89c52单片机没有提供专用的SPI接口，只有通过其P1口的5根口线及INT1引脚模拟SPI的工作。需要特别注意的一点是，由于单片机使用P1口线进行时序的模拟操作，而串口操作又是单片机读写数据中较为稳定的一种通讯方式，因此进行时序操作时必然非常严格。　　
　　将P300的通讯模式设为数据链路模式(DLL)，工作过程是：
　　(1)初始化P300，包括：复位、片选、用Layer_＿Management_＿Write命令向Layer_＿Config_＿Info数据结构写入节点信息，得到确认后完成初始化。
　　(2)按照时序发送数据，发送完成后，INT信号会变低，并且进入中断程序的相应部分判断通讯是否成功。
　　(3)有数据输入时，INT信号也会变低，可由此进入中断处理程序，用命令取回数据。
　　(4)标志位处理子程序的功能是根据Interface_＿Flag数据结构中各标志位状态来判定系统的通讯状态，进行进一步操作。
3.2　系统原理图
　　 如图8所示，该通讯模块可与各种智能家电一起构成 家庭智能网络，方便人们的生活。

　　每个单元都包含一个CEBus通讯模块，可通过软件写入该电器的识别信息。主控单元微处理器与PC机相连，提供以下功能：
　　(1)接受来自PC机的数据。
　　(2)识别来自不同电器的地址信息。
　　(3)按照CEBus协议完成交换数据的协议转换。
　　(4)把从受控电器传来的数据返回PC机。
　　受控单元CEBus模块的功能：
　　(1)接受来自主控机的信号。
　　(2)对信号进行CRC校验，发现有误要求重发。
　　(3)对正确接受的信号进行协议转换送回家电。
　　(4)返回给主控单元一个成功接受信息。

4　结语
　　由于这种模块采用了扩频载波技术，将其应用在通讯距离不超过50 m的家庭网络中，取得了良好的效果。但其主体通信芯片P300的通讯速率并不高，为10 kb/s，因此这种模块不适合应用在通讯量较大的场合。