基于低压电力线的智能载波模块的设计

1 引言
    低压电力线载波通信（Power Line Communication）是指利用已有的低压电力线网络作 为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术[1]。低压电力线载波通信这种传输信道分 布广泛、无需另建、即插即用、移动方便的特点对于满足人们的需求具有很强的吸引力， 该技术现在正日益引起人们的关注。
    在中国，即使欧美国家成熟的低压电力线通信产品在我国的使用效果却很不理想，甚 至不能使用。因此，低压电力线智能载波模块的设计目的就是研制一种性价比较高的载波 通信模块，选择适当的调制解调技术，进行数据准确、稳定和长距离的传输。
    2 低压电力线智能载波模块的设计
    2.1 整体设计方案
    低压电力线智能载波模块的主要功能是：外部控制系统把要传送的数据通过标准的 UART、I2C 或SPI 串行接口传送给P89LPC932，再通过微控制器和调制电路部分把数据调 制到低压电力线上；同时，把低压电力线上所调制的数据通过解调电路部分解调出来并通 过P89LPC932 标准的UART、I2C 或SPI 串行接口把低压电力线上的数据传送给外部控制 系统以进行相应的处理。其模块整体结构框图如图1 所示[2]。该设计以PHILIPS 公司生产 的一款8 位单片机P89LPC932 为控制器，以性价比高的模拟、数字电子器件和一些电容电 阻构成相位检测电路和调制解调电路。

    2.2 相位脉冲调制解调法原理
    相位脉冲调制解调法原理[3-4]就是在正弦低压电力线每个周期的固定相位处加一瞬时的 零脉冲信号。当在正弦交流电一个周期中调制信号的时候，在固定相位点就会产生一个瞬 时零脉冲。当正弦交流电一个周期中没有调制信号的时候，不出现瞬时零脉冲，因此，用 有没有瞬时零脉冲来识别低压电力线上载有的“1”、“0”信号。
    2.3 系统的硬件设计
    2.3.1 微控制器的选型
    本设计中选择 PHILIPS 公司生产的一款8 位单片机P89LPC932 微控制器[5]，P89LPC932 是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合。其主要的特性有： 在同一时钟频率下，其速度为标准 80C51 器件的6 倍，只需要较低的时钟频率即可达到同 样的性能，降低了功耗和EMI；增强型UART，400kHz 字节方式I2C 通信端口，SPI 通信 端口；可配置的片内振荡器及其频率范围和RC 振荡器选项；可编程的I/O 口输出模式：准 双向口，开漏输出，推挽和仅为输入功能。
    2.3.2 相位检测电路的设计
    本系统所设计的相位检测电路，即是在正弦交流电固定的相位点，使相位检测电路产 生具有一定占空比的方波信号，由此方波给P89LPC932 提供50Hz 的外部中断信号，相位 检测电路硬件原理图如图2 所示：

    图中，N 点接220V 交流电的零线，A 点接220V 交流电的火线，同时作为系统的模拟 地COM 端。R3 和R4 通过串联接法构成通路，由分压公式可知，B 点的电压为6V。即电 压比较器U3A 的反向输入端被钳位于6V，N 点和A 点通过电阻R1，R2 和电容C1 也形成 回路，由电路原理可知，在电压比较器U3A 的同向输入端处形成和工频交流电同频率但幅 值降低的正弦交流电，当电压比较器U3A 的同向输入端电压高于反向输入端电压6V 时， 电压比较器U3A 的输出端输出10V 的高电平信号，当电压比较器U3A 的同向输入端电压 低于反向输入端电压6V 时，电压比较器U3A 的输出端输出0V 的低电平信号。因此，得到一定占空比的方波信号，作为P89LPC932 的外部中断输入信号。经计算可知，方波信号高 电平持续的时间为12ms，低电平持续的时间为8ms。
    2.3.2 信号调制电路的设计
    信号调制电路的功能主要是在 P89LPC932 接受到外部中断输入信号后，完成微控制器 所发送数据在低压电力线上的调制工作，从而实现数据在电力线上的传送。信号调制电路 硬件原理图如图3 所示。

    图中，E 点是P89LPC932 进行信号调制的数据输入端，在传输一位数据“0”时，E 点 一直为幅值为10V 的高电平信号，此时，电压比较器U2C 的两个输入端为高电平状态，输 出端为低电平状态，大功率三极管T 的基极和发射极之间没有电压差，T 不导通，因而没 有零脉冲信号调制到低压电力线上；在传输一位数据“1”时，E 点出现一个持续时间很短 的低电平信号，（这个低电平信号的脉宽由R7、C4 和数据调制程序共同决定）。由于电容 C4 两端的电压不能突变，电压比较器U2C 的两个输入端出现一个零脉冲信号，输出端出现 一个脉宽相等幅值为10V 的脉冲信号，三极管T 基极和发射极之间出现电压差，三极管T 导通，从而使正弦交流电的火线和零线瞬时导通，在电力线上出现一个零脉冲信号。
    2.3.2 信号解调电路的设计
    信号解调电路的功能主要是把低压电力线上调制的信号从电力线上解调出来，发送给P89LPC932，供微控制器进行相应的处理。其硬件原理图如图4 所示：

    图中，N 点为低压电力线的零线。电容C5 起到低频滤波的作用。电力线上调制的信号从N 进入解调电路。电阻R8、R9 构成分压电路，可知F 点电压直流分量为：

    设计中，选取适当的电阻值，取 3.7 FV = V 。电容C5 和电阻R9 也构成分压电路，使R9 两端的正弦交流电电压幅值小于3.7V。保证电力线上传输一位数据“0”时电压比较器U3B 同向输入端电压一直高于反向输入端电压，G 点的输出一直为零。当电力线上传输一位数据“1”时，在正弦交流电6V 相位处出现零脉冲信号，因此在电压比较器U3B 同向输入端 将会瞬时产生一个幅值低于信号地的电压脉冲，使得电压比较器U3B 输出端产生一个脉冲 信号，经与非门的反向在G 点产生一个幅值为10V 的脉冲信号，经过光耦的隔离作用输入 给微控制器。
    3 系统的软件设计
    本软件采用模块化,结构化设计方案。主程序负责各功能寄存器初始化、等待发送数据 等功能。中断处理程序负责接受外部输入的数据、通过电力线发送和接受数据等功能。
    3.1 改进的Modbus协议介绍
    软件设计的一个重点是低压电力线智能载波模块通讯协议的制定。在本设计中，采用 改进的Modbus协议。其是由Modbus协议的ASCII传输模式和RTU传输模式融合改进而来。 此协议实现主载波模块对从载波模块的读和写操作。其帧格式分别如下：
    3.1 载波数据发送和接收的软件设计
    载波数据的发送和接收是在在微控制器P89LPC932外部中断子程序中实现的。其程序流程图如5所示：

    图5 载波数据发送和接收子程序流程图

    4 结 论
    本文详细的介绍了一款自主研究与设计的基于低压电力线的智能载波模块，通过数字示波器的实际测试及实验室内的现场调试，本设计能够可靠的通过低压电力线传送数据，传输距离1000m 左右，传送距离远，抗干扰能力强，可以广泛的运用于电力线抄表、路灯控制、楼宇自动化等多种场合