MI200E-AP-Note-V1.5.doc

Power Line Transceiver MI200E Application Note V1.5MI200E低压电力线载波通信芯片应用笔记 Revision HistoryVersion #AuthorA. Description Of ChangeB. Summary of ReviewIssued By/Date1.1Pengsi.XuInitial Draft 2007-3-151.2Pengsi.XuTransmit Circuit / Oscillator Frequency change2008-3-191.3Pengsi.XuMI200E PCB layout2008-11-141.4Pengsi.Xu2009-6-261.5KelvenVersion Modification2010-2-25目录 1概述42性能参数53硬件设计63.1 典型应用原理图63.2 电源电路83.3 电力线耦合电路93.4 发送滤波器103.5 接收滤波器123.6 SPI接口133.7 复位电路133.8 晶振电路143.9 过零检测143.10 发送/接收波形153.11 PCB 设计174软件设计214.1 寄存器设置214.2 主程序设计224.3 初始化设置234.4 发送程序244.5 接收程序264.6 其他271 概述MI200E是一款针对低压电力线环境优化设计的高性能通信芯片。内部集成了诸如多阶开关电容滤波器，高效数字放大器， CRC-16硬件校验等多种电路。由于MI200E是一款数模混合芯片，因此在进行软硬件设计时都必须遵循一定的准则。在进行外围电路设计时，在电源电路，耦合电路与信号滤波电路的参数设定与器件选择，PCB设计上都必须仔细考虑。而在进行软件开发时，如何正确设置MI200E的寄存器，才能让通信可靠，也是需加以注意的。为了缩短用户的产品开发周期，同时更好地发挥MI200E优秀的通信性能，本文将从硬件设计与软件设计两方面入手，详细说明如何来设计一个典型的基于MI200E的通信方案。2 性能参数MI200E的性能参数见表1，并请参考MI200E的数据手册。SymbolParameterTest Conditions/CommentsMin.Typ.Max.UnitAVDD,DVDD电源电压4.55.05.5VAIDD模拟电源电流发送和接收模式4.04.55.0mADIDD数字电源电流接收模式4.05.06.0mA发送模式（空载）607080mADigital I/OVIH输入逻辑高电平2.0VVIL输入逻辑低电平0.8VVOH输出逻辑高电平IOH = 2mA4.5VVOL输出逻辑低电平IOL = 2mA0.4VOscillatorVIHXXTAL1输入逻辑高电平外部时钟3.0VVILXXTAL1输入逻辑低电平外部时钟2.0VDCXTAL时钟占空比外部时钟2080%Xtal晶振频率12MHzTCLOCK晶振周期83.33nsXtalESR晶振内阻100OhmXtalCL晶振外接电容2233pFReceiverVIN输入灵敏度(普通模式)24mVRMS输入灵敏度)高灵敏模式)500VRMSVIN最大不失真输入信号1.82VRMSRIN输入阻抗6080100K表 1：MI200E性能参数表注：(AVDD=DVDD=+5V, PGND=AGND=DGND=0V, -40Tamb+85, 特殊指定除外)3 硬件设计3.1 典型应用原理图图1为MI200E的典型应用原理图。图 1：典型应用原理图MI200E的外围电路可分为： 电源电路 电力线耦合电路 发送滤波电路 接收滤波电路 SPI接口电路 复位电路 晶振电路 过零电路由于MI200E集成了如数字功放、带通滤波器等电路。外围电路简单，元器件清单见表2。序号数量名称详细描述建议采购厂家15R1332R2333R3334R4335R53361R868072R1010K8R1210K92R302.2M10R312.2M111R342.2M121R3510D 681（压敏电阻）131R370142R822.2M15R832.2M162C422pF17C522pF184C8100nF19C9100nF20C10100nF21C11100nF221C610nF231C2710nF(CBB电容) Panasonic241C3047nF(CBB电容)Panasonic251C31220nF/275V（安规电容）261C3222nF271C3310F281C34470nF(CBB电容)Panasonic291C3510F301D1P6KE6.8CA311D2P6KE10CA321L4100HTDK(TSL0808系列)331L6珠式滤波器120 Ohm100Mhz 1.5A341L7珠式滤波器120 Ohm100Mhz 1.5A351L810HTDK(TSL0808系列)351L2470H（色码电感）361Y212MHz371U3NTJD4401ON Semiconductor（安森美）381T1MR191913-6P-A上海迈融电子科技有限公司表 2: 元器件清单3.2 电源电路MI200E的电源部分引脚如下:l DVDDDGND（数字电源）l AVDDAGND（模拟电源）l PGND（功率地）供电回路原理图见图2。在芯片的实际应用中，这三组电源均使用单5V供电，PGND和DGND采用一点接地，DGND和AGND经过0欧姆电阻（R37）连接，DVDD和AVDD经过磁珠（L7）和退耦电容（C9与C32并联）形成的LC退耦电路连接。Vref（第22脚）为内部参考电压，其主要作用是产生一个AVDD/2的稳定电压，供芯片内部的运放使用。Vref需要经过C10与C33并联退耦到AGND。DVDD加上一个滤波电容(C8)。功率电源(PVDD)和数字电源(DVDD)在芯片内部分开，但在管脚上和数字电源邦定到一起。图2注：由于MI200E具有较高的接收灵敏度，因此在电源的设计时应尽可能地降低电源纹波幅度。电源噪声将影响整体通信效果。3.3 电力线耦合电路MI200E的发送、接收均采用差分方式，通过信号耦合变压器，在电力线上接收或发送信号。MI200E的电力线耦合电路如图3所示。推荐使用的器件参数如下：R34：2.2 MR35：10D 681（压敏电阻）C31：根据不同载波频率，做相应调整，见表3。L6： 磁珠D1：P6KE6.8CAD2：P6KE10CA在T1的初级与次级，都需加上一个TVS保护管，避免在线路上有高压脉冲冲击时损坏后端器件。信号耦合变压器T1建议采用19:13 的匝数比，MXO-2000 材料。图 33.4 发送滤波器MI200E的外围发送滤波器由一级简单的LC带通滤波器组成。LC的参数根据所选的载波频率的不同需要做调整。电路图见图4。对应不同的载波频率，LC参数如表3所示。应注意L4/L8 选取内阻小的型号（EV-board4.1上L4/L8的ESR小于0.2，Q值大于18）。C30/C34均会对带通滤波器的特性起到较大的影响，应选用误差小于10%的聚酯或聚丙烯电容。图 4载波频率LC参数C30L457.6KHz47nF120H76.8KHz47nF100H115.2KHz33nF68H表3：发送滤波电路参数发送信号测试频谱见图5。图 5经测试后，输出频谱完全满足相关EMI标准。3.5 接收滤波器MI200E的接收滤波电路如图6所示。同样对于不同的载波频率，电路参数也需做相应的调整，来取得更好的通信效果。对应不同载波频率的LC参数见表5。 图 6载波频率参数R8C32C27L257.6KHz47022nF47nF150 uH76.8KHz68022nF10nF470 uH115.2KHz47022nF33nF68uH表5：接收滤波电路参数3.6 SPI接口MI200E与主控端（通常MCU）的数据交换通过SPI（Serial Peripheral Interface）实现。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，简单而高效，最高速率可达几Mbps，并且能够与主流MCU实现简单良好的联接。其接口电路如图7。图中的匹配电阻R1R5推荐使用33。SPI接口读写时序请参考MI200E Datasheet.图 73.7 复位电路主控端通过对MI200E复位引脚的电平控制来对内部寄存器进行复位，低电平时内部寄存器进行复位操作，复位之后应延时50毫秒，等待MI200E内部电路进入稳定工作状态，再对内部寄存器进行操作（如读写寄存器），以保证可靠读写寄存器。MI200E的复位时序见图8。图 83.8 晶振电路 MI200E的晶振频率为12MHz。既可以独立使用(图9)，也可以与主控MCU共用晶振（图10）。图 9（独立晶振方式） 图 10（共用晶振方式）3.9 过零检测MI200E的过零检测电路如图11所示。R82/R83/R30/R31为2.2M。图 113.10 发送/接收波形观察MI200E发送或接收的波形时，可按图12所示接入示波器。图 12图13是以76.8k/1600bps发送时的波形.图 13图14是以76.8k/1600bps的接收波形.图 143.11 PCB 设计3.12MI200E的模拟输入输出（包括交流检测的 AC+/AC-，信号输入 RAI+/RAI-以及功率输出 PA/PB）均为差分形式，所以 MI200E具有较强的在板抗干扰能力，一个普通的 PCB设计就能够让 MI200E发挥出较好的抗干扰特性。 MI200E的 PCB设计需注意以下事项：1 模拟地和数字地/功率地的分隔；2 电源 AC侧和直流侧的隔离；3 其它数字部分（如 MCU等应用电路）本身的布线。图15至图22为EV-board 4.1*的PCB版图。仅供用户参考。图15 MI200E 外围电路顶层元件图图16 MI200E 外围电路底层元件图图17 MI200E 外围电路顶层走线图18 MI200E 外围电路底层走线图19 EV board V4.1顶层元件图图20 EV board V4.1底层元件图图21 EV board V4.1顶层走线图图22 EV board V4.1底层走线图4 软件设计4.1 寄存器设置MI200E的内部寄存器如表5，表6所示。更详细的寄存器说明参见MI200E数据手册。Register NameW/RPower On ValueDefault ValueRegister AddressDescriptionRDMRR0xff0x81读模式寄存器WRMRW0x01写模式寄存器RDSRR0x000x82读状态寄存器WRSRW0x02写状态寄存器RDRRR0x000x83读接收模式寄存器RDARR0xff0xff0x87读模拟信号处理配置寄存器WRARW0x07写模拟信号处理配置寄存器WRACDW0x000x0a配置发送帧头延时寄存器WRTDRW0x000x0b配置接收帧头延时寄存器WRTH0W0x660x580x0c配置载波检测门限寄存器 (帧同步之前)WRTH1W0x500x0a0x0d配置载波检测门限寄存器 (帧同步之后)WR_F1FREW0x000x660x10配置第一级BPF中心频点WR_F1QW0x000x880x11配置第一级BPF Q值WR_F2FREW0x000x660x12配置第二级BPF中心频点WR_F2QW0x000x880x13配置第二级BPF Q值WR_F3FREW0x000x660x14配置第三级BPF中心频点WR_F3QW0x000x880x15配置第三级BPF Q值RD_CRC_HR0x000xa8读取发送时CRC16高位RD_CRC_LR0x000xa9读取发送时CRC16低位表5: MI200E 控制寄存器列表Register NameW/RPower On ValueDefault ValueRegister AddressDescriptionRDRB0R0x000x84读接收数据寄存器WRTB0W0x04写发送数据寄存器表6: MI200E 数据寄存器列表4.2 主程序设计MI200E建议采用中断方式来进行数据的收发。建议设定一个35ms的中断，用作对MI200E的内部寄存器进行查询。主程序设计流程见图23。图 234.3 初始化设置MI200E的初始化包含：MI200E的复位，低电平有效。MI200E通信参数的配置。图 244.4 发送程序MI200E在发送时的数据包结构如图25所示。图 25MI200E每隔10ms进行一次数据发送，从Byte 1Byte 4固定使用200bps进行数据发送。(为了能稳定建立起数据通信,使用较低的速率)。起始的4个Byte中包含引导码、后续发送采用的波特率以及数据长度。在发送完这4个Byte后，客户可改变发送波特率（重新配置模式寄存器）。在使用1600bps的速率情况下，每隔10ms,将发送出1个Word(2 Bytes)的数据。Byte 4中SS1:0两位表示从后续Byte5开始发送数据所采用的波特率。SS1:0两位与发送Byte5之前写入模式配置寄存器 (0x01)中的bit3:2数据相一致。由于Byte 4中pkg_length占用了6个bits，因此每一个数据包的用户数据长度不应超过63个Word(126 Bytes)。请注意在进行pkg_length的计算时单位为Word，计算范围除了用户数据长度，还需要加上1个Word，即最后的CRC 16校验结果。在发送完引导码(Byte 1Byte 2)之后，即状态读寄存器(0x82)的最高位TI标志位由0变为1时，应对状态写寄存器(0x02)中的Bit 1：CRC标志位清零。从Byte 4Byte N的数据都需要进行CRC 16的校验(硬件自动完成)。在发送完Byte N后，需将CRC 16的校验结果从MI200E中读出,并依次发送。每次发送数据前都需要对状态读寄存器(0x82)的最高位(TI)进行查询，只有在TI标志位由0变为1时，才能将数据配置进MI200E的发送数据寄存器(0x04)。注：MI200E芯片对发送数据的配置时间有较为严格的要求。当状态读寄存器(0x82)的最高位TI标志位由0变为1后，MCU 必需准确及时对发送数据进行配置(3ms)，否则会导致错误。MI200E的发送流程如图26所示。图264.5 接收程序MI200E处在接收状态时，需要反复查询状态寄存器(0x82)的Carr/Frame/RI标志位。当Carr/Frame标志位被硬件置1后，先读取接收模式寄存器(0x83)，取出package信息(波特率与数据长度)。然后按照取得的数据长度进行接收(每读取一个Word的数据之前都需要查询RI/Carr/Frame标志位，只有在RI/Carr/Frame标志位都被硬件置1的情况下，再读取MI200E中的接收数据寄存器中的数据)。在读取完所有的数据(