基于PLC和LED的景观照明控制系统设计.pdf

题题 中 英文 中 英文 目目 基于基于 PLCPLC 和和 LEDLED 的景观照明控制系统设计的景观照明控制系统设计 Design of the LED Landscape Lighting Control System based on PLC 作者姓名作者姓名 李素兵 二 一三年三月 电子与通信工程 提交论文日期提交论文日期 楼顺天 教授 郝保安 研高 代号代号 分 类 号分 类 号 学号学号 密级密级 1070110701 TM923 41TM923 41 公开公开 10754902591075490259 U D C 编号编号 学校指导教师姓名职称学校指导教师姓名职称 工程领域工程领域 企业指导教师姓名职称企业指导教师姓名职称 论文类型论文类型 应用技术基础 西安电子科技大学西安电子科技大学 学位论文独创性 或创新性 声明学位论文独创性 或创新性 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切的法律责任 本人签名 日期 西安电子科技大学西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校有权保 留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内 容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本人保证 毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在 年解密后适用本授权书 本人签名 日期 导师签名 日期 摘要 随着我国城市化进程加快 景观照明行业进入了前所未有的发展高峰期 近 几年 LED 技术取得了突破式发展 在色度方面已实现了可见光波段的所有颜色 并成为改变全球照明业格局的新兴光源 电力线载波 PLC 通信作为信息传输 媒介的一种通信方式 其稳定的应用条件和良好的应用前景以及潜在的巨大市场 已被人们所关注 论文基于 PLC 技术设计了采用 LED 的景观照明控制系统 论文简要介绍了 PLC 技术和 PLC 调制解调模块的硬件结构 讨论了将上位 机命令通过 PLC 总线下达到 PLC 主动板设计问题 重点设计了综合 PLC 技术与 PWM 调光技术的 RGB 驱动板 实现了 RGB LED 灯的调光控制 着重编写了 RGB 驱动板软件 包括 PLC 侦听 PLC 数据发送 接收 色彩调度 色彩方案下载 色彩同步 在线测试等模块 并编写了上位机的景观照明控制系统软件 论文工 作实现了景观照明控制系统的四大功能 1 按照色彩方案自动运行 2 通过 上位机下载色彩方案 更换景观照明效果 3 通过上位机在线测试 RGB LED 灯的效果 4 实现多个 RGB 驱动板的同步运行 呈现一致的景观照明效果 论文设计的景观照明控制系统通过了实验室测试 并在多个用户手中进行应 用测试 结果表明 景观照明控制系统设计思路新颖 即插即用 稳定可靠 关键词 PLC 彩色 LED 景观照明 PWM 调光 Abstract With the accelerated process of urbanization in China the Landscape lighting industry has entered into an unprecedented peak period of development In recent years LED technology has made a breakthrough development LED has achieved all of the colors of the visible light band and changed the pattern of the global lighting industry as a new light source Additionally PLC Power Line Carrier communication technology has been concerned due to it s stable conditions of applicaton and a good prospect as well as a potentially huge market This paper designs a LED landscape lighting control system based on PLC technology The paper briefly describes the PLC technology and the hardware structure of PLC modem module discusses how to send the command form PC to PLC initiative board through PLC bus foucses on designing the RGB driver which combines the PLC technology and PWM dimming technology and complements RGB LED dimming control Furthermore the software of the RGB driver is designed The driver contains these modules PLC signal listener PLC data send receive color dispatching color scheme downloading color synchronizing on line testing etc A software running on the PC for the landscape lighting control system is also designed The paper achieves the following four functions a executing the color scheme automatically b downloading the color scheme to the system form the PC to change the lighting style c testing the RGB LED lighting effect using the PC d synchronizing multiply RGB drivers for showing a consistent effect of landscape lighting The system designed in this paper has passed the laboratory test and some users application test It turned out that the system is innovative plug and play stable and reliable Key words PLC LED Landscape lighting PWM dimming 目录 第一章 绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 电力线载波通信技术发展与现状 2 1 2 1 电力线载波通信技术的发展历程 3 1 2 2 国内外电力线载波通信的发展现状 3 1 3 LED 光源简介 4 1 4 论文主要内容 5 第二章 景观照明控制系统基础 7 2 1 电力线载波调制技术 7 2 1 1 正交频分多址复用技术 7 2 1 2 扩频通信技术 8 2 1 3 直接序列扩频通信技术 9 2 2 功率因数校正技术 10 2 3 景观照明控制器的主要模块 12 2 3 1 微控制器 C8051F314 12 2 3 2 载波检测芯片 MC3361 13 2 3 3 调光控制芯片 PT4115 14 2 3 4 有源功率因数校正芯片 NCP1606 15 2 4 本章小结 16 第三章 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 17 3 1 PLC 调制解调模块设计 17 3 1 1 PLC 调制解调模块发送通道设计 18 3 1 2 PLC 调制解调模块接收通道设计 20 3 1 3 PLC 调制解调模块软件设计 20 3 2 PLC 主动板设计 22 3 3 RGB 驱动板设计 25 3 3 1 单级 PFC 反激式驱动电源设计 25 3 3 2 PWM 调光电路设计 29 3 3 3 RGB 驱动板软件设计 30 3 4 景观照明控制系统软件设计 39 3 4 1 端口设置模块设计 41 3 4 2 在线测试模块设计 41 3 4 3 色彩方案下载模块设计 43 3 5 系统测试 45 3 6 本章小结 46 第四章 总结与展望 47 致谢 49 参考文献 51 在读期间研究成果 53 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着城市功能的日益完善和人民生活质量的提高 在建设灯光夜景 勾勒城 市第二风景线 不断优化市民的夜生活环境 提高城市夜间景观照明质量等方面 已备受重视 LED 是一种发光的半导体元件 被公认是 21 世纪最具发展前景的高 技术产品之一 在引发照明革命的同时 也为推动节能减排 环境保护做出了重 大贡献 随着政府的大力推广和全球产业梯次转移 未来的景观照明 将是 LED 翩翩起舞的世代 随着城市基础设施建设规模的不断扩大 城市景观照明建设得 到了飞速发展 LED 景观照明将沿着多学科交叉融合的大道 朝着艺术化 智能 化 人性化的方向快速发展 景观照明控制系统可以充分体现 LED 应用于景观照明的优势 将 LED 具有的 色彩表现力 变光变色极强等特性淋漓尽致地发挥出来 让 LED 灯呈现出亦真亦 幻 精彩多姿的绮丽景象 让景观照明设计师的设计思想得到最真实的呈现 配 合适当的控制策略 按照环境整体要求 对 LED 进行编程控制 通过 LED 色彩的 协调 即可产生整体的艺术景观效果 由于景观照明设施大多在户外 智能控制 与监管相结合的景观控制系统更符合现代人的需求 目前大多智能控制采用无线 技术 无线技术除了产生电磁污染之外 此技术应用到像家庭环境等 墙多 的 地方 无线传输质量将会受到严重的影响 因此 这就给电力线载波技术带来了 新的舞台 近年来中 低压电力载波通信技术已经获得突破性进展 其应用也已经进入人 们的生活中 并存在巨大的潜在的应用领域和市场空间 随着电力线载波的带宽 不断拓宽 数字化处理技术不断进步 无论在国内还是国外都已经引起众多行业 的广泛关注 1 论文设计的基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统主要由 RGB 驱动板 PLC 主动板和上位机构成 通过上位机对景观照明控制系统进行以下操作 在线测试 开灯 关灯 设定彩色等 下载色彩编码方案 景观照明控制系统的结构框图 如图 1 1 所示 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统的特点有 1 基于 PLC 通信技术 无需额外布线或增加无线设备 就可以安装和使 用的景观照明系统 2 采用 PLC 技术 免受外界信号干扰 也不会对其它用电设备产生影响 3 整套景观照明系统采用交流 220V 供电 无需额外电源设备 4 每个 RBG 驱动板的实际功率小于 10W 节能效果明显 2 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 5 实现 LED 灯色彩渐变控制 正常运行时 两种色彩之间的过渡平稳 不闪烁 6 用户可以自行更换 色彩编码方案 而且整套系统只需一次下载就可 以完成 7 具有在线测试功能 使用户可以自行测试 RGB LED 灯的色彩是否正 常 调试结束后转入正常工作 无需重新启动 8 用户可以根据需要自行添加 RGB 控制板 没有数量限制 也不需要进 行设置 可以实现即插即用 9 多个 RGB 控制板自行同步 达到色彩一致的目的 即使各个 RGB 控 制板的供电时间不同 系统也能方便地进行同步 10 多套景观照明系统之间具有良好隔离 相互之间不会产生影响 上位机 PLC主动板 Power Line RS 232 VGVRVB G PWMG B PWMB R PWMR PLC调制解调器 RGB 驱动板 图 1 1 景观照明控制系统结构框图 1 2 电力线载波通信技术发展与现状 电力线载波 Power Line Carrier PLC 通信 是利用电力线 380 220V 低压 配电线 10KV 中压电力线或 35KV 及以上高压电力线 作为信息传输媒介进行数 据传输的一种通信方式 2 PLC 是电力系统特有的通信方式 最大特点是不需 要重新架设网络 只要有电线 就能进行数据传递 3 电力系统网络四通八达 而低压电力线深入千家万户 构成最普及的网 络 利用它进行数据通信 传递各种信息 省工 省钱 维护简单 无疑有 着美好前景 4 低压电力载波通信的独特优势 稳定的使用条件和良好的应用前 景以及潜在的巨大市场已为世人所关注 同时也成为世界各大公司和研究单位争 相研究的热点 5 目前的应用领域主要集中在家庭智能化 公用设施智能化 如远 程抄表系统 路灯远程监控系统 照明控制系统等 以及工业智能化 如各类设 第一章 绪论 3 备的数据采集 1 2 1 电力线载波通信技术的发展历程 PLC 技术出现于上世纪二十年代初期 其发展经历了从模拟到数字的发展过 程 1930 年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹 载波系统 RCS 系统 该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备 的管理 高压 PLC 技术主要应用于地 市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大 用户的调度通信 远动及综合自动化的通道使用 在我国 40 年代时已有日本生 产的载波机在东北运行 作为长距离电力调度的通信手段 从 50 60 年代 我国 开始研制自己的电力线载波机 随着我国模拟电力线载波机技术日渐成熟 70 年 代出现了第一代载波机 以 ZDD 12 ZJ 5 ZBD 3 机型为代表 6 到 80 年代中期 以小型化 多功能化为特点的第二代载波机问世 第三代又称为数字化电力线载 波机 于 90 年代中期研制完成 由此开始 电力线载波业界进入了载波机的数字 化革命阶段 7 中压电力线载波的应用在国外自 50 年代开始 主要应用于中压电力网络的负 荷控制领域 大多为低速率 单数据传输 无法大规模的应用电力线载波通信技 术 在 80 年代后期 国内大多是使用小型化的电力线载波机来进行点对点的通信 也有少数使用窄带调频方式的载波机 但使用范围受到很大的限制 8 随着 10KV 电力线通信的发展 到 90 年代末时 载波通信设备种类也变得丰富 调制方式也 在原来的基础上开发了先进的扩频调制方式 目前在国内使用的 10KV 电力线数 据传输设备中 使用最多的还是窄带调制设备 与中 高压电力线的载波通信不同 低压配电网是直接面向用户的 在 90 年 代后期之前主要使用的是采用调频或调幅制式的载波电话机 用于近距离的拨号 通话 到 2000 年前后 国内开始大范围开展低压电力线载波应用技术的研究 低 压电力线载波通信已从传统的频带传输发展到了扩频通信 SSC 技术 正交频分 多址复用 OFDM 技术 9 1 2 2 国内外电力线载波通信的发展现状 在国外 早在 1990 年英国的 Norweb 通讯公司就已经开始对电力线载波通信 急速进行了研究 到 1998 年成功地进行了利用传统的输电线路进行 Internet 接入 的实验 美国佛罗里达州的英特伦公司开发的通过电线上网的新产品已于 2001 年 6 月在美国上市 新技术利用变压器将高速的电信网联接到高压电线网上 由于它 使用了特殊的转接器 所以音频信号和资料就可以转换至高压电线网上 再经由 4 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 输电线路传送到每个用户 2000 年 4 月由英特尔 思科 松下 惠普和夏普等 13 家公司组成了 家庭插电联盟 HomePlug Powerline Alliance HPA 家庭插电联 盟致力于创建统一的家用电线网络通信标准 并发布了该标准的第一个版本 Home Plug 1 0 与此同时 电力线载波通信专用芯片的传输速率指标不断被提升 2002 年 全球电力线载波通信专用芯片的最大物理层 PHY 速率为 14Mbit s 传输 速率为 5 8Mbit s 2006 年 全球电力线载波通信专用芯片的最大物理层速率提升 至 200Mbit s 传输速率到 70 100Mbit s 对比国外 我国在高速 PLC 研究和推广方面着手研究较晚 从英国公司研究 出高速 PLC 技术以后 我国研究机构也开始研究高速 PLC 并取得了一定的成果 2002 年 沈阳供电公司和中国电力科学研究院共同承担的 低压配电网复合通信 方式研究 科研项目接受验收 该项目的完成 说明了我国基本掌握了高速电力 线通信的核心技术 具备了研制和生产实用的高速电力线通信设备的能力 自 1997 年中国电力科学研究院开始研究 PLC 技术 主要对我国低压配电网传 输特性和参数展开研究 中国电力科学研究院采用国外芯片先后研究出传输速率 为 2 14 45 200Mbps 的低压 PLC 产品以及 14 45Mbps 的中压 PLC 产品 2000 年开始引进国外的 PLC 芯片 开发出了 2Mbps 的样机 2001 年 福建省电力公司 科技部研究利用传输速率为 10Mbps 的电力线载波模块控制家用电器 主要用于实 现控制空调 家用热水器等家用电器的开启 2003 年我国成功研制出了 EPLC 45M 和 EPLC 14M 系统 10 与国外相比 我国低压电力网络的信道特性十分复杂 19 近几年 针对载波 芯片的研制以及国内配电网的信道特性进行调制技术的研究 已取得了一定的成 绩 但是当前国内在电力线通信领域的政策 法律 法规还不健全 如何利用庞 大的电力网络实现高带宽低压电力线载波通信 仍需要投入大量的人力 资金和 时间来研究和探索 11 1 3 LED 光源简介 发光二极管 Light Emitting Diode LED 是一种能够将电能转化为可见光的 固态半导体器件 它可以直接把电转化为光 相比传统的照明产品 LED 具有体 积小 寿命长 光效高 辐射低与功耗低 坚固耐用等特点 1962 年 香槟大学城的 NickHolonyak 发明了第一粒红色 LED 这是继爱迪生 发明电灯之后最重要的灯光科技飞跃 随着人们对半导体发光材料研究不断深入 氮化物晶体和荧光粉等新材料不断被开发出来 LED 制造工艺也愈加先进 使发 光效率提高了近 1000 倍 各种色彩的 LED 实现了超高亮度 其色度也已经实现 了可见光波段的所有颜色 第一章 绪论 5 传统上 LED 调光主要有模拟调光和数字调光两种方案 模拟调光控制方法 又称为线性 LED 调光控制法 在模拟调光控制下 通过调节 LED 的正向电流来实 现LED的调光控制 调光范围可达10 1 数字调光即PWM Pulse width Modulation 调光 采用大于 100Hz 的工作频率 以脉宽调制的方法改变 LED 驱动电流的脉宽 占空比来实现 LED 的调光控制 主要是利用 PWM 信号控制 LED 驱动功率开关的 开通和关断的时间比来调节 LED 的平均输出电流 从而实现对 LED 的调光控制 采用 PWM 调光控制方法 调光比范围可达 3000 1 LED 的出现打破了对传统光源设计的方法和思路 目前的两种最新设计理念 分别是情景照明和情调照明 情景照明以场所为出发点 目的是营造一种漂亮 绚丽的光照环境 以此来烘托场景效果 情调照明是以人的情感为出发点 是一 种可以满足人的精神需求的照明方式 从某种意义上说 情调照明包涵情景照明 情调照明强调环保节能 健康 智能化 人性化 情调照明设计理念的提出为 LED 景观照明的发展奠定了基础 本文中选用封装为 5050 的 RGB LED 其内置相互对立的红色 LED R 绿 色 LED G 和蓝色 LED B R G B 产生的红 绿 蓝三种颜色为 RGB LED 实现各种色彩提供基础 其中红色 LED 的供电范围是 2 2V 2 6V 绿色 LED 的供 电范围是 3 2V 3 6V 蓝色 LED 的供电范围是 3 2V 3 6V 三个内置 LED 的工作 电流都是 25mA 1 4 论文主要内容 如 1 1 所述 论文所介绍的基于 PLC 和 LED 景观照明控制系统具有其他景观 照明系统所不具备的特点 其最大的特点是采用 PLC 通信技术和 PWM 调光方案 论文首先介绍了电力线载波调制技术以及景观照明控制系统的基础知识 其次对 系统的各个模块的软硬件设计做了详细的介绍 论文具体结构如下 第一章为绪论 主要介绍了研究基于 PLC 和 LED 景观照明控制系统的背景和 意义 以及电力线载波通信技术的发展历程和现状 最后介绍了系统的主要控制 对象 LED 光源 第二章主要介绍系统的基础知识 介绍了电力线载波调制技术 尤其是论文 采用的直接序列扩频通信技术 其次简单介绍了系统中的各个模块的主要芯片等 内容 第三章介绍基于 PLC 与 LED 的景观照明控制系统 分别对 PLC 调制解调模 块的硬件和软件设计 PLC 主动板的设计 RGB 驱动器的软硬件设计和景观照明 控制系统软件设计做了介绍 并对系统测试做了简要说明 第四章总结了论文的研究成果 给出了未来工作的方向 第二章 景观照明控制系统基础 7 第二章 景观照明控制系统基础 2 1 电力线载波调制技术 景观照明控制系统以 220V 低压电力线作为传输信道 PLC 信道模块是该系 统的神经 低压电力线是一种非均匀分布的传输线 起初只是用来传输电能 不 同于传统的通信传输介质如双绞线 同轴电缆 光纤等 其缺点主要表现为 1 负荷情况复杂 2 此信道属于事变系统 而且存在多径效应 3 存在各种干 扰和噪声 4 信号衰减大 15 另一方面是采用合适的调制技术或中继技术 传统的低压电力线载波通信调制方式分为幅值键控 Amplitude Shift Keying ASK 频率监控 Frequency Shift Keying FSK 相位键控 Phase Shift Keying PSK 22 在此基础上 又派生出了最小移频键控 Minimum Shift Keying MSK 差分移相键控 Differential Phase Shift Keying DPSK 和四相移相键控 为了提 高通信的可靠性和有效性 一方面可以辅助性地采取一些措施 如增加发射信号 功率 提高接收设备灵敏度以及采用合适的耦合电路及新的信号检测方法 Quadriphase shift Keying QPSK 正交幅度调制 Quadrature amplitude modulation QAM 等 随着人们对低压载波通信质量要求的不断提高和配电网 结构的日益复杂 去噪能力不强的传统调制方式越来越不适应现代高速率 大容 量的要求 扩频通信技术与正交频分多址复用 OFDM 技术的应用 解决了长 期以来制约着低压电力线通信发展的噪声问题 2 1 1 正交频分多址复用技术 正交频分多址复用 OFDM 技术 是先把一组高速传输的串行数据流转化 为低速的并行数据流 再将这些并行数据调制成相互正交的子载波然后进行传输 设原信号的带宽为B 码元速率为R OFDM 技术将原信号分解成M个子信号 分解后码元的速率为R M 然后用M个子信号分别调制M个相互正交的子载波 进行信息传递 OFDM 技术具有以下特点 16 1 OFDM 技术可以有效地对抗传播所造成的符号间干扰 2 OFDM 系统可以有效对抗窄带干扰 3 在变化相对较慢的信道上 OFDM 系统可以根据每个子载波的信噪比 来优化分配各自传送的信息比特 从而提高了系统传输信息的容量 4 由于多路子载波能同时互不干扰地传送信息 因此可以从整体上大大 8 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 地提高通信速率 5 由于每个子信号的传输速率是原信号的1 M 因此可以很好地抑制因 延迟 多径干扰带来的误码 从而提高通信质量 此外 OFDM 技术把频率选择性衰落引起的突发性误码分散到互不相关的子 信道上 从而变为随机性误码 由此可以利用一般的技术有效恢复所传信息 但 是 OFDM 系统的高速率和良好性能是以提高系统复杂度为代价获得的 OFDM 技术的基础是各个子载波必须满足频率正交性的特点 如果正交性恶化 整个系 统的性能会严重下降 即产生 OFDM 系统所特有的通道间串扰 2 1 2 扩频通信技术 扩频通信 Spread Spectrum SS 技术是将信息频带展宽 使其在更宽的频 带内传输 收信端对接收到的扩频信号加以处理恢复原始信息带宽的一种技术 扩频通信的理论基础是香农 Shannon 定理和B A柯捷尔尼科夫的抗干扰理论 18 香农定理的表达式为 2 log 1 P CW N 2 1 式 2 1 中 为 C 信道容量 P 为信号功率 W 为信号频带宽度 N 为噪声 功率 式 2 1 说明在保持 C 不变时 信号带宽 W 和 2 log 1 P N 是成反比的 换句话说 如果增加信道的宽度 就可以在较低的信噪比下用相同的信息率来传 输信息 甚至当信号被噪声湮没时 只要有足够的信号带宽 也可以保持可靠的 通信 因此 当信噪比太小以至于不能保证通信质量时 常采用扩展频谱来提高 信道容量 以改善通信质量 这就是所谓的用带宽换功率的措施 柯捷尔尼科夫公式为 eo Pf E N 2 2 式 2 2 中 e P为误码率 E 为信号能量 o N为噪声功率谱密度 因为信 号功率P E T T为信号持续时间 噪声功率 o N WN W 为传输信号带宽 信息带宽 F 1 T 则式 2 2 可化为 e PPW PfTWf NNF 2 3 式 2 3 说明 带宽和信噪比可以互换 即用增加带宽的方法来换取信噪比 在扩频通信中 W F是处理增益 其值越大 P NWF 越大 误码率 越低 通信的可靠性越好 所以 用信息带宽的几百倍甚至千倍的带宽信号进行 信息传输 即可保证在很强干扰条件下安全的通信 这就是扩频通信技术的基本 第二章 景观照明控制系统基础 9 思想及理论依据 扩频通信技术是将待传送的信息数据实现扩展频谱后传输 再经过相关处理 恢复成窄带后解调数据 因此具有伪随机编码 扩展序列 Spread Sequence 调 制和信号相关处理两大特点 就是这两大特点 使扩频通信技术有许多优点 如 抗干扰能力强 信号功率频谱密度低 有利于信号屏蔽 可多址复用和任意选址 抗衰落能力强 信息传输可靠性高等 12 20 扩频通信技术有效地解决了强干扰环 境中的通信问题 已成为电力线载波的主要通信方式并得到了广泛的应用 2 1 3 直接序列扩频通信技术 根据扩展频谱方式的不同 扩频通信系统可分为 1 直接序列扩频通信系 统 Direct Sequence Spread Spectrum DSSS 2 跳频扩频系统 Frequency Hopping Spread Spectrum FHSS 3 跳时扩频系统 Time Hopping Spread Spectrum THSS 4 线性调频系统 Chirp 5 上述各种基本方式的组合 如 FH DS DS TH 等 13 17 其中 线性调频通信系统和直接序列扩频通信系统在 目前低压电力线扩频通信系统中的应用较为广泛 14 本系统中采用 DSSS 技术实 现电力线载波通信的调制解调 直接序列扩频技术是利用 10 个以上的 chips 来代表原来的 0 或 1 位 使得原来功率较高 频率较窄的信号转换成具有低功率 较宽频率的信号 直接 序列扩频技术需要构造一种扩频码序列 直接利用具有高码率的扩频码序列在发 射端扩展信号的频谱 而在接收端 用相同的扩频码序列去进行解码 把扩展宽 的扩频信号还原成原来的信号 它具有抗干扰性强 隐蔽性好 易于实现码分多 址 CDMA 抗多径干扰等优点 直接序列扩频通信速率能够实现 2M 8M 11M 无需申请频率资源 建网简单 网络性能好 论文中构造的扩频码序列为 16 位 即每一位发送的数字采用两个字节代替 选用 758BH 表示 0 0A74H 表示 1 它们之间具有最大差异 将它们表示 成二进制数可以验证这一点 如图 2 1 所示 758BH 0A74H 011100 00000 0000 0000 11 11 1111 11110 图 2 1 758BH 和 0A74H 的二进制数 10 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 2 2 功率因数校正技术 在交流电路中 电压与电流之间的相位差 的余弦称为功率因数 Power Factor PF 输入的交流电源经整流和滤波后 非线性负载使得输入电流波形畸 变 如图 2 2 a 所示 输入电流呈脉冲波形并且含有大量的谐波分量 使得功 率因数极低 给电力系统带来了严重的谐波污染 干扰其他用电设备 为此 国 际电工委员会早在 90 年代初就制定了 IEC61000 3 2 标准 严格限定设备的功率 因数必须接近于 1 图 2 2 中 a 图为不带 PFC 的开关电源的输入特性图 b 图为带 PFC 的开关特性图 图 2 2 a 不带 PFC 的开关电源的输入特性 图 2 2 b 带 PFC 的开关电源的输入特性 第二章 景观照明控制系统基础 11 提高功率因数主要有两个途径 一是使输入电流和输入电压同相位 二是使 输入电流正弦化 功率因数校正 Power Factor Correction PFC 技术 既可以 使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形 又可以使输入电流波形呈纯正 弦波 此时整流器负载可等效为纯电阻 根据对输入电流控制的原理不同 PFC 技术可以分为临界导电模式 CRM 不连续导电模式 DCM 和连续导电模式 CCM 等 论文中应用安森美公司生产的 CRM 功率因数控制器 NCP1606 系列 芯片 最早期的功率因数校正技术是采用电阻 电容 电感和二极管等器件构成无 源网络 用以平滑输入电流 降低其幅值 达到抑制输入电流畸变的目的 无源 功率因数校正技术主要优点是简单 成本低 EMI 小 可靠性高等 其缺点是难 以实现较高的功率因数 实际中谐波电流的抑制也不理想 有源功率因数校正 APFC 技术是在整流桥和负载之间接入一个 DC DC 开 关变换器 应用电压电流反馈技术使输入端电流波形跟随输入端电压波形 达到 提高功率因数的目的 由于在此电路中使用了有源器件 所以称为有源功率因数 校正电路 APFC 电路按其主电路的形式分为 反激式 Flyback APFC 降压式 APFC 升压式 APFC 升 降压式 APFC 其中反激式 APFC 输出与输入隔离 输出电压既安全又能实现低压输出 适用于输出功率为 5 150W 的场合 两级 PFC 技术是由两个相互独立的转换器分别实现对输入电流进行整形和 对输出电压进行调节的功能 其具有以下优点 电流的总谐波失真 THD 小于 5 PF 可以达到 0 99 以上 输入电压范围宽 PFC 级输出电压恒定 保持时间 长 适合于各种功率应用范围等 但是两级 PFC 至少需要二个开关管和二套控制 电路 增加了电源的成本和设计复杂度 在小功率 300W 以下的应用中没有竞争 力 单级 PFC 与两级 PFC 相比只有一个开关管和一套控制电路 降低了电源的 成本 同时减小了其体积 使其在产品中具有很强的竞争力 在所有 PFC 转换器 中 瞬态输入功率在一个交流周期里的是变化着的 而后级 DC DC 电路输出功 率是恒定的 故在所有 PFC 电路中都必须设计一个大的储能电容来存储能量 不 同于两级 PFC 单级 PFC 的转换器只能够调节输出电压的值 不能调节输出储能 电容上的电压 VC 故 VC 不是一个恒定值 因此单级 PFC 转换器的 VC 随输入 电压和负载的变化而变化 导致了单级 PFC 的性能 PF 和 THD 差于两级 PFC 系统要求 LED 驱动器具有 适用于低功率应用 同时实现 PFC 和对输出电 压进行调节的功能 要求满足 IEC61000 3 2 标准 根据此要求 选取单级 PFC 反激式开关电源作为 LED 驱动电源 单级 PFC 反激式电源具有结构简单 体积 小 成本低 易于实现多路输出等优点 因此成为 LED 驱动电源的理想选择 12 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 2 3 景观照明控制器的主要模块 2 3 1 微控制器 C8051F314 论文中微控制器选用 Silicon 公司生产的 C8051F314 单片机 它具有片内上 电复位 时钟振荡器 看门狗定时器和 VDD 电压监视器 是完全集成的混合信 号片上系统型微控制器 Micro Control Unit MCU 芯片 其主要特性为 23 流水线结构 高速的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 与 8051 兼容 两线的非侵入式全速在系统调试接口 可编程的内部振荡器 最大 25MHz 8KB FLASH 存储器 可在系统编程 片内 RAM 达 1280 字节 增强型 UART 接口 硬件实现的 SMBus I2C 接口和增强型 SPI 接口 四个通用 16 位定时器 五个可编程计数器 定时器阵列 PCA 可用于输入捕捉 输出比较模块和 看门狗定时器 两个可编程电压比较器 29 个通用数字 I O 端口 允许 5V 输入 此外 C8051F314 的 FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力 可用于非 易失性数据存储 并允许现场更新 8051 固件 用户软件能完全控制所有外设 可 以关断任何一个或所有外设以节省功耗 C8051F314 可在工业温度范围 45 到 85 内用 2 7V 3 6V 的电压工作 I O 端口 RST 和 JTAG 引脚都允许 5V 的 输入信号电压 微控制器 C8051F314 具有片内 Silicon Labs 二线 C2 开发接口 此接口允 许对安装在实际应用系统上的微控制器进行全速的在系统调试 且是非侵入式的 调试过程中 C2 接口支持修改和观察存储器或寄存器 支持程序中的单步执行 运行 断点和停机等相关命令 当使用 C2 接口进行在系统调试时 所有模拟和 数字外设都可以实现全功能运行 C2 接口的两个引脚可以与用户设计的引脚功能 共享同一引脚 使得在系统调试功能不会占用引脚资源 论文中 C8051F314 采用 LQFP 32 封装 引脚说明如下 1 电源引脚 VDD 3 3V 电源端 GND 接地端 2 I O 引脚 模拟和数字资源可以通过 29 个 I O 引脚被使用 每个引脚 都可以被定义为通用 I O 或模拟输入 端口引脚被组织为 3 个 8 位口和 1 个 5 位 口 其中 P0 0 P2 3 可以被分配给内部数字资源 通过使用优先权开关译码器 设计者可以完全控制数字功能的引脚分配 只受 I O 引脚数的限制 实现资源的 第二章 景观照明控制系统基础 13 灵活分配 不论交叉开关的设置如何 I O 引脚的状态总是可以被读到相应的端 口锁存器 3 控制信号引脚 RST 复位输入端 提供了使用外部电路强制 MCU 进入复位状态的手段 在 RST 引脚上加一个低电平有效信号将导致 MCU 进入复 位状态 C2CK C2 接口的时钟信号 C2D C2 开发接口的双向数据信号 4 振荡器引脚 外部时钟输入 XTAL1 该引脚是外部晶体或陶瓷谐振 器电路的反馈输入 外部时钟输出 XTAL2 该引脚是陶瓷谐振器或晶体的激励 F 驱动器 2 3 2 载波检测芯片 MC3361 低功耗窄带调频 中频 芯片 MC336 是 MOTOROLA 公司设计用于调频双 转换通信的设备 其内部含有振荡器 混频器 音频放大器 调频限幅中频放大 器 检波器 滤波放大器 扫描控制和带延迟的静噪触发以及开关电路 该芯片 的特点有 工作电源电压范围低 VCC min 2 5V 功耗低 当 VCC 4 0V 时 ICC 4 0mA 灵敏度高 3dB 限幅灵敏度的典型值为 2 0 V 外围元件少等 论文中采用双列直插 16 脚塑料封装 DIP16 MC3361 的内部逻辑框图和引脚功 能分别如图 2 3 和表 2 1 所示 16151413121110 345678 9 12 检波器 振荡器 混频器 带滞后的静噪触发器 中频放大器 滤波放大器 音 频 放 大 器 Vcc GND 图 2 3 MC3361 内部逻辑框图 表 2 1 MC3361 引脚功能 引脚号 引脚名称 功能描述 引脚号 引脚名称 功能描述 1 OSC1 振荡回路 9 VOD 音频率输出端 2 OSC2 振荡回路 10 Fin 滤波器输入 3 MIXo 混频输出 11 Fo 滤波器输出 4 VCC 电源 12 MUTin 静噪输入 14 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 5 IN IF 中频同相输入 13 Voc 扫描控制输出 6 IN IF 中频反相输入 14 MUTSW 静噪开关 7 OUTIF 中频放大输出 15 GND 地 8 DET FM 检波回路 16 MIXin 混频输入 2 3 3 调光控制芯片 PT4115 PT4115 是一款 LED 恒流驱动芯片 工作在电感电流连续导通模式 用于驱 动一颗或多颗串联 LED PT4115 输入电压范围是 6V 30V 可以通过采样电阻调 节输出电流 最大可达 1 2A 通过采用不同的输入电压和相应的外部元器件 可 以驱动最大数十瓦的 LED 如图 2 4 所示的 PT4115 内部结构图 芯片内部集成 了功率开关 芯片采用输入电压高端电流采样来设置 LED 平均电流 通过 DIM 引脚的输入信号进行模拟调光或者很宽占空比范围的 PWM 调光 当 DIM 引脚电 压低于 0 3V 时 功率开关管关断 PT4115 进入待机状态 此时的工作电流极低 PT4115 的管脚描述如表 2 2 所示 表 2 2 PT4115 的引脚描述 引脚号 引脚名称 功能描述 1 SW 芯片内置开关的漏端 2 GND 信号地 3 DIM 开关使能 模拟和 PWM 调光端 4 CSN 电流采样端 采样电阻接在 CSN 和 VIN 之间 5 VIN 电源输入端 必须就近连接旁路电路 6 Exposed PAD 散热端 内部接地 贴在 PCB 板上减小热阻 PT4115 和电感 电流采样电阻形成了一个能够自振荡的连续电流模式降压型 恒流 LED 控制器 VIN 引脚上电时 电感和电流采样电阻的初始电流为 0 LED 输出电流也为 0 此时 PT4115 内部的 CS 比较器输出为高 功率开关管导通 SW 引脚的电位为低 电流从引脚 VIN 流到引脚 GND 通过电感 电流采样电阻 LED 以及内部功率开关管 并在采样电阻上产生一个为 VCSN的压差 电流上升 的斜率是由输入电压 电感值和 LED 的压降决定的 当 VIN VCSN 115mV 时 PT4115 内部的 CS 比较器输出为低 功率开关管关断 电流以另一个斜率通过电 感 电流采样电阻 LED 和肖特基二极管 当 VIN VCSN 85mV 时 功率开关 管重新被打开 因此 LED 上的平均电流如式 2 1 所示 第二章 景观照明控制系统基础 15 0 0850 115 0 1 2 OUT IRs Rs 2 1 PT4115 可以在 DIM 管脚加 PWM 信号进行调光 DIM 管脚电压低于 0 3V时 关断 LED电流 高于 2 5V时 全部打开 LED 电流 PWM 调光的频率范围从 100Hz 到 20kHz 以上 DIM 引脚在正常工作时可以浮空 当直流电压 VDIM在 0 5 2 5V 之间 可以实现调光 当直流电压 VDIM高于 2 5V 输出 LED 电流保持恒定 并 由 0 1 Rs 决定 PT4115 内部结构如图 2 4 所示 CS比较器 欠压锁定比较器 参考源 DIM缓冲区 门 驱 动 器 校准器 VIN CSN DIM SW GND 图 2 4 PT4115 内部结构 2 3 4 有源功率因数校正芯片 NCP1606 安森美公司生产的有源功率因数校正芯片 NCP1606 系列是为电子镇流器中 预先转换器 交流电适配器 平板电视以及其他低到中等容量 约达 300W 离 线转换器的应用所设计的临界导通模式 CRM 功率因数控制器 芯片集成了的 过压保护功能 内置了欠压保护 NCP1606 完全兼容当前市场上标准器件引脚设 计 可选择直接替代其他同类芯片 其中 NCP1606B 通过采用更小过压保护电流 和更低的电流检测测临界值进实现更低的功耗 根据系统的需要 论文中选择 DIP 8 封装的 NCP1606B 芯片 芯片 NCP1606 内部集成有基准电压源 启动定时器 误差放大器 模拟乘法 器 电流检测放大器 MOSFET 驱动器以及保护电路等 30 NCP1606 的管脚描述 如表 2 3 所示 16 基于 PLC 和 LED 的景观照明控制系统设计 表 2 3 NCP1606 的引脚描述 引脚号 引脚名称 功能描述 1 FB 内部误差放大器的反相输入端 对输出电压分压后反馈到该引脚 用 于输出电压过压和欠压的保护 2 Control 内部误差放大器的输出端 与负反馈电路组成补偿网络 提高电压控 制环路的稳定性 以获得高功率因数和较低的总谐波失真 3 Ct MOSFET 导通时间调节引脚 内部电流源对 Ct 引脚外接电容进行充 放电 与误差放大器模块输出进行比较来控制功率开关管在一周期内 的导通时间 4 CS MOSFET 漏极电流监测引脚 通过采样电阻监测流过开关管的电流 当电压超过内部设定门限值时 芯片将关断驱动信号 通过改变采样 电阻可以改变流过开关管的最大电流 5 ZCD 在临街导通模式下通过辅助级线圈电压检测零电流点 6 GND 地 7 Drive 外部 MOSFET 开关管驱动信号 内部使用图腾式输出驱动电路 可 以提供 500mA 的输出电流和 800mA 的吸收电流 8 VCC 芯片电源引脚 电源引脚具备高压启动功能 和较低的关断电压 具 有 10 3 20V 的工作电压范围 2 4 本章小结 本章首先介绍了电力线载波调制技术 为后文设计 PLC 调制解调模块打下了 基础 其次分别介绍了微控制器 C8051