电力线通信测试系统设计与实现.doc

华北电力大学本科毕业设计（论文）电力线通信测试系统设计与实现基于FSK调制解调方式摘要电力线载波通信是利用现有的电力线网络进行信息传输的一种通信方式，利用电力线载波通信可以大大地减少线路投资和对线路的维护成本。利用电力线来实现数据通信对电力自动化及公用通信等具有重要的实际意义。随着电力载波技术的不断发展，电力线载波通信的优势越加明显。由于电力线载波信道的传输特性具有时变性、衰减较大、各种干扰噪声复杂等特点，所以为了在干扰严重的电力线上实现可靠的数据通信，必须慎重选择合适的调制解调方式、采用的通信协议以及性能良好的外围接口电路。本文根据电力线信道的大量实测数据，在实验室搭建了电力线通信的模拟测试系统。本文设计了基于微处理器LPC2214和FSK载波芯片的电力线通信测试系统。在不同传输衰减和噪声的情况下，对发送和接收系统滤波、放大、解调等电路的性能进行了充分的测试，并提出了电路的改进意见。中压电力线通信的现场测试表明，该系统能较为充分全面的模拟现场的实际情况，能够为通信系统的设计和改进提供有力的指导。关键词： 电力线通信；LPC2214；FSK；DESIGN AND IMPLEMENTATION OF POWER LINE COMMUNICATION TEST SYSTEMBASED ON FSK MODULATION AND DEMODULATION AbstractPower Line Communication is a way to communicate in the use of the existing electric power network to transmit information. Power line carrier communication can greatly reduce the investment and maintenance costs on the line. And using power line to realize data transmission has its actual meaning in power automation and public communication. With the development of the power line carrier communication，the advantage of it is more obvious。As the power line carrier channel with time-varying transmission characteristics, great attenuation and variety of interference characteristics, so in order to achieve reliable data communication on power line, we must carefully select the appropriate modulation and demodulation method, the communication protocol and find the peripheral interface circuit with good performance. Based on the large number of experimental data of the power line channel，this paper builds a power line communication simulation test system.This thesis designed the power line test system on the basis of microcontroller LPC2214 and carrier chip using FSK modulation and did enough testing about sending and receiving system filtering, amplification, demodulation and other circuit performance with different attenuation and noise during transmission, and made some improvements on circuit. The field test of medium voltage power line communication shows that the system can fully simulate the actual situation and provide strong guidance for the design of communication system. Keywords: Power Line Communication; LPC2214; FSKII华北电力大学本科毕业设计（论文）目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题背景11.2电力线载波通信技术11.2.1电力线载波通信技术发展11.2.2窄带调制解调技术21.3电力线载波通信调制解调芯片21.4本文主要研究内容32硬件系统设计42.1系统总体设计42.2主要器件42.2.1微控制器42.2.2电力线载波芯片52.3硬件电路设计62.3.1ARM7主控制器单元62.3.2调制解调单元82.3.3外围模拟电路单元93软件设计133.1软件调试环境133.1.1ADS1.2集成开发环境133.1.2JTAG调试软件133.2发送板程序设计133.3接收板程序设计163.4CPLD逻辑模块设计184系统测试224.1测试方法224.2外围模拟电路测试224.2.1放大模块测试224.2.2滤波模块测试244.3通信特性测试294.4现场测试304.5本章小结31结论32参考文献33附录34致谢35华北电力大学本科毕业设计（论文）1绪论1.1课题背景电力线载波(Power Line Carrier，PLC)通信是利用现有的电力线网络作为信息传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的一种特殊通信方式。最大特点是不需要重新架设通信网络，其充分利用了原有的遍布全国各地的电力线，所以大大节约了人力和物力资源，是一种高效节约的数据通信方式。电力线载波通信以微电子技术为基础，有机地结合了计算机网络和载波技术。系统涉及软硬件可靠性、数据流安排、噪声处理、抗干扰、容错技术、通信质量等诸多方面1。但由于电力线信道具有高噪声、高衰减、信号畸变大的特点，而且在不同的建筑物内，不同的应用场合，不同时间段，电力线通信的性能差别很大。即使在同一地点，每天在不同的时段，通信效果都不一样。因此要可靠地实现电力线载波通信，必须对电力线的通信特性进行充分有效的研究23。本课题设计的电力线通信测试系统通过对电力线通信的噪声、衰减特性的研究，研究电力线通信特性，同时选择与其相匹配的外围模拟电路，以提高电力线载波通信的质量，实现高速的PLC通信。1.2电力线载波通信技术1.2.1电力线载波通信技术发展由于电力线载波通信可以利用遍布各地的电力线作为通信传输媒介，具有研发成本低、维护方便、可以大大减少通信成本的优点，所以近些年来发展迅速。并随着国内外调制解调技术的不断完善和载波芯片的不断更新发展，电力线载波技术在各方面有着越来越广泛的应用。电力线载波通信的应用已经从原来单纯的电力调度逐步扩展到更高层次的小水电控制、配电自动化、楼宇自动化、图像传输、系统监控、远方抄表、继电保护、数据采集等方面。电力线通信的电压应用等级也从原来单一的高电压逐步扩展到中压和低压。随着10KV通信线路需求的不断增长，我国已经出现了多种载波通信设备。目前在国内正在使用的10KV电力线数据通信设备中，使用最广泛的还是窄带调制设备。为了更好的了解中压载波的线路通道状况和其信号可能对高压载波信号产生的干扰，近年来，国内专家们开展了对10kV电力线的信道噪声和衰减传输模型的研究工作，但现阶段还仍处于研究阶段，暂时还没有得到实用性的成果。中压电力线载波通信技术，指应用于10kV电压等级的电力线载波通信技术。由于其通信信道具有高噪声、阻抗衰减复杂等特点，其载波线路通信状况比较差，主要传输配电网自动化信息和大用户抄表信息45。1.2.2窄带调制解调技术1）FSK频移键控FSK（Frequency-shift keying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来比较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。FSK频移键控通过2个不同的载波代表二进制数据中的2种状态，来完成数据的调制，它属于非线性调制。同时，在FSK调制中，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的，所以它也是一种恒包络调制。它可以使用功率较高的C类放大器，而不会使发送信号占用的频谱增大，另外，FSK调制带外辐射低，接收设计比较简单。不过其占用带宽比线性调制大6。2）PSK相移键控PSK相移键控也是一种线性调制技术，是通过将载波的相位按基带脉冲来改变的一种数字调制方式，在信号调制中也存在着边瓣再生的问题，特别是在发生相位突变时，由于包络不恒定，信号在通过带限信道后频谱可能会发生扩散。3）ASK幅移键控ASK幅移键控调制技术是数字调制中出现最早的，也是最简单的，传输信号的幅度随调制数字信号的变化而变化，属于线性调制技术。这种调制方案有较好的频谱效率，但在抗噪声的能力上不是很好，而且在传输中必须使用效率较低的RF放大器，在用功率效率高的非线性放大器会导致严重的相邻信道干扰78。1.3电力线载波通信调制解调芯片载波芯片选用的是某款半双工同步、异步FSK(频移键控）调制解调器，是为电力线载波通讯设计的专用调制解调芯片。它专为电力线路通信网络应用，有一个单一的供电电压，集成了一个线性驱动器和两个5V和3.3V的线性稳压器。设备的运行是由可以通过同步串行接口编程的内部寄存器控制的。额外的功能有：作为看门狗、时钟输出，输出电压和电流控制，序言检测，超时和波特率控制。在通信中具有8个可编程发送频率，即：60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz，可编程波特速率最高为4800bit/s，同时具有UART/SPI主接口，内部集成了线路驱动器和5V、3.3V两个线性调整器，电流高达50mA，数字电压为3.3V和5.0V，具有非常低的功耗，静态电流5mA。在控制方面，载波芯片工作通过内部寄存器控制和同步串行接口来编程9。1.4本文主要研究内容本文基于电力线载波通信的基本原理，以ARM7为微处理器，利用载波芯片组建了电力线载波通信的发送和接收模块，构建了一个电力线通信的测试系统。通过该测试系统，可以模拟电力线通信，并研究电力线通信的特点以及外围接口电路的传输性能。并研究了电力线接口电路，对电力线通信中相关的特性进行了相关测试。并通过模拟电力线通信，对电力线接口电路中的外围电路，如放大、滤波等模拟模块进行了相关的测试和分析。在前人工作的基础上，对电力线通信特性有了一定的了解。作者基于电力线载波通信的基本原理主要进行了如下几个方面的工作：1）通信测试板的系统硬件设计根据电力线通信的通信特性来选择微处理器、载波芯片以及合适的外围硬件电路。2）通信测试板的系统软件设计通过编程，实现独立的发送板和接收板，从而实现一个电力线通信测试系统。3）系统测试研究如何通过选择良好的外围模拟电路来改善通信质量，研究电力线通信的通信特性。2硬件系统设计2.1系统总体设计基于电力线载波通信的电力线通信测试系统的系统结构框图如图2-1所示。通信总体上可以分为两个过程，一个是发送过程，一个是接收过程。载波通信通过发送端发送调制信号经由通信信道传至接收端解调出信号完成一次通信。为了实现对电力线通信的测试，必须构建一个完整的通信系统。根据电力线通信的基本原理，设计出了电力线通信测试系统的整体的系统结构，如图2-1所示。电力线载波通信模块包括以下几部分：微控制器部分、信号处理部分（调制解调）、电力线接口部分10。系统结构框图如图2-1所示。图2-1系统结构框图整个系统可以分为两个大模块，一个是发送模块，一个是接收模块。1）发送模块：通信设备（如PC机）通过UART串口将数据传送给微控制器，微控制器通过SPI通信将数据发送给电力线载波芯片，电力线载波芯片对信号进行调制，然后调制信号通过外围的接口电路耦合到电力线上进行传输。2）接收模块：电力线上传输的信号经过外围的电力线接口电路传递给电力线载波芯片，电力线通信芯片对信号进行解调，将模拟信号还原为数字信号，载波芯片通过SPI通信将数据传送给微控制器，微控制器对数据进行相应的处理后通过UART串口返回给通信设备（如PC机）有用的信息。2.2主要器件2.2.1微控制器微控制器是整个通信过程的核心控制设备，它负责整个系统中任务的协调与调度，是决定通信速率和质量的重要因素。根据电力线载波通信的通信过程，综合考虑各种微控制器的成本和基本运算能力，我们选择了广州周立功公司生产的ARM7系列的微控制器LPC2214，LPC2214微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有128/256K字节嵌入式的Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速机构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，具有高性能和低功耗的特性。ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。由于使用了流水线技术，处理和存储器系统的所有部分都可以连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出，所以大大提高了运算速度。足以满足我们对运算能力的需求11。2.2.2电力线载波芯片在电力线通信中，载波芯片通过对信号进行调制和解调，实现信号在电力线上的传输，从而实现发送端和接收端的通信。为了实现高效的电力线载波通信，必须根据电力线通信网络自身特点来合理的选择合适的调制解调方式，进而选择优质高效的调制解调芯片12。我国可使用的电力线载波modem芯片及模块可分调频和多频或者分为宽带调制和窄带调制，我们选择了基于窄带载波FSK通信方式的载波芯片13。1）载波芯片简述载波芯片选用的是一款半双工同步/异步FSK调制解调器芯片。它专为低压电力线通信网络传输而设计，很好地克服了低压电力线载波传输中存在的信号衰减大、时变性大、噪声影响等诸多不利因素。它由单一供电电压供电（7.512.5V），内部集成了一个线性驱动器和两个5V和3.3V的线性稳压器。设备的运行可以通过串行通信接口对内部寄存器进行编程控制。其工作方式是半双工的，具有两种工作模式：发送模式和接收模式。它内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过SPI串口与微控制器进行方便的通信。它又是同步的，在与微控制器进行通信时，载波芯片作为主机，微控制器作为从机，载波信号内部产生同步时钟信号，控制数据的发送和接收。因此，在使用中编程简单、比较小型、开发运用起来比较简单方便。另外，载波芯片内部具有电压自动控制和电流自动控制功能，只要通过耦合变压器等很少的部件就可以直接将输出信号加载到电力线上，所以实现起来比较容易。2）载波芯片内部结构该芯片是一款集成度很高的电力线载波芯片，是单芯片MODEM，采用尺寸很小的28引脚封装。其引脚封装如图2-2所示。图2-2 载波芯片引脚封装图主控制器通过串口与载波芯片进行通信，由主控制器通过对载波芯片的控制寄存器进行读写操作来控制载波芯片对信号的调制和解调。其主要控制引脚有RxD、TxD、RxTx和REG_DATA，由主控制器控制这几个引脚的电平值，从而控制载波芯片的工作模式（发送模式和接收模式），以及主控制器和载波芯片的通信模式，和载波芯片的总线访问模式（异步和同步）。2.3硬件电路设计根据通信测试版的系统工作原理，通信测试板分为两个独立的电路板，一个是发送板，负责接收PC机的数据，并将数据经过载波芯片调制后，将调制信号经过自行设计的衰减系统并加上噪声再发送至接收板的载波接收端；一个是接收板，负责接收电力线传来的数据，经过载波芯片解调后再传给PC机。发送板和接收板的系统都是由三个模块构成的，分别是：ARM7主控制器单元、调制解调单元和外围模拟电路单元。2.3.1ARM7主控制器单元微控制器单元选用了LPC2214作为主控制器，用来控制电力线载波数据的发送和接收，是整个通信系统的控制核心。LPC2214作为主控制器，要从PC机接收要发送的数据，根据系统要实现的功能，该模块主要用到的器件主要有LPC2214、CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件、复位芯片CAT1025、JTAG下载口、电源芯片、串行接口等。1）电源模块硬件中需要供电的芯片主要有LPC2214、载波芯片、运算放大器OP37、OPA548，供电电压分别为3.3V、正负12V、正负24V等。图2-3电源模块原理图2）CPLD模块CPLD是一种很灵活的数字集成电路，能够根据用户需求自行构建各种各样的逻辑功能。具有运用灵活、集成度高、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低等特点，很适合用在系统控制中，便于系统扩展和控制。为了便于LPC2214对整个系统发送和接收的控制，我们在主控制器模块增加了一个CPLD（复杂可编程逻辑器件）。CPLD中可以根据系统需要写入不同的逻辑模块来实现LPC2214对电力线载波芯片的编程和控制，是连接LPC2214和载波芯片的纽带。同时也可以控制拨码开关、LED指示灯等外围器件。CPLD与LPC2214和载波芯片的连接框图如图2-4所示。图2-4CPLD与LPC2214和载波芯片的连接框图2.3.2调制解调单元调制解调单元主要由电力线载波芯片组成，在发送板中，负责接收微处理器LPC2214通过串行接口传来的数据，并将数据进行调制，通过电力线接口耦合到电力线上进行传输；在接收板，负责从电力线上采集数据并进行解调，并将有用信息通过串行接口传回给微处理器1213。调制解调模块主要原理图如图2-5所示。图2-5调制解调模块原理图载波芯片通过一个串行接口与微控制器交换数据。控制数据交换和传输的引脚主要有REG_DATA、RxTx、RxD、TxD和CLR/T等。其中REG_DATA和RxTx线控制数据传输，RxD，TxD和CLR/T线控制数据交换。调制解调模块有四种工作模式，分别为：数据接收、数据发送、控制寄存器读、控制寄存器写。表2-1描述了载波芯片数据和控制寄存器的存取配置信息表2-1载波芯片数据和控制寄存器存取位配置REG_DATARxTx数据接收00数据发送01控制寄存器读11控制寄存器写102.3.3外围模拟电路单元在电力线载波通信中，其本身线路上具有衰减性、时变性、噪声干扰复杂等特点。对于电力线上的噪声特性，阻抗变化及信号衰减情况等都很难找到一个较为明确的数学解析式或数学模型来加以描述，这些特性对通信系统的设计都提出了较高的要求，也是严重影响通信质量的重要技术障碍。所以为了提高电力线载波通信的质量，必须在系统中加入合理的电力线接口电路，能够滤除信号中夹杂的噪声和伪信号，对信号进行提纯，降低信号在传输中的误码率，并提高信号的传输效率，并将信号完整的耦合到电力线上去。为了实现高效的电力线载波通信，在选用性能良好的载波调制解调模块的前提下，必须选用相匹配的电力线接口电路。其外围模拟电路结构框图如图2-6所示。图2-6外围模拟电路结构框图发送板：信号从调制解调模块载波芯片的Tx端输出后，为了提高信号的幅度和发送功率，使信号在电力线上有较强的传输能力，我们加入了一个电压放大模块和一个功率放大模块。接收板：由于在信号传输中难免会夹杂各种噪声，从电力线上传来的信号经过耦合电路后经过一个滤波电路和信号放大电路，然后进入调制解调模块中载波芯片的Rx引脚。由于该系统是一个电力线通信测试系统，除了研究电力线通信本身的特点以外，还要研究外围的模拟电路对通信效果的影响。为了更好的对外围的模拟电路如放大、滤波等模拟模块进行更好的检测和研究，我们把每个模拟电路模块都规划成一个独立的模拟模块，可以通过排针嵌入到通信测试板的主板中，这样就可以方便的更换不同的模拟电路，并对通信效果进行测试和比较。1）电压放大电路信号在电力线上的传输过程中，由于电力线本身的衰减特性，传输的信号在传输过程中，必然会有一定的衰减，而载波芯片的载波接收端的接收灵敏度是一定的，为了中和信号在传输过程中的衰减，提高载波接收端的信号幅度，需在信号的发送端增加一个放大模块，通过放大信号的电压，来提高信号传输的能力。同时在信号接收端，为了提高调制解调模块中接收到的信号的幅度，也需增加一个放大电路模块，以促进信号的正确接收14。运算放大器是一种通用电子器件，是一种有源放大器，应用比较广泛，在使用运放中主要考虑的参数有：放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、信噪比、非线性失真系数、最大不失真输出电压、最大输出功率与效率、增益带宽积和转换速率等。该放大电路选用了基于集成运放OP-37的反向比例放大电路，OP-37采用双电源12V供电。图2-7为电压放大电路电路图。图2-7电压放大电路将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器就处在负反馈组态下，假设其开环增益为无限大，所以运算放大器的输入端为虚接地，根据运算放大器的反向比例放大原理，计算该放大电路的放大倍数即增益A如下。 （2-1）其中 （2-2） （2-3）2）功率放大电路功率放大器是在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。在发射装备中，发射机的前级的发射信号功率比较小，需要经过一系列的功率放大器，获得足够的发送功率，发送到电力线上，从而在保持信号不失真的前提下完成更远距离的传送。选择功率放大器的时候要考虑到的主要技术指标有信噪比等。信噪比是指输出信号中有用信号和噪声信号的比值，比值越大表明噪声在信号中占用的分量越少，即信号越干净。放大系统结构框图如图2-8所示。图2-8放大系统结构框图由于通信中具有8个可编程发送频率，即：60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz，所以通信中的频率在60132kHz，所以需要一个高频功率放大器。高频放大器用于发射级的末级，将高频已调制信号进行功率放大，以满足发送功率的要求。图2-9功率放大器原理图图2-9为功率放大器原理图，虽然载波芯片已经自带了一个功率放大电路，但是为了更好的提高信号的发送功率，在硬件设计中还是增加了一个功率放大模块。该功率放大电路选用了集成芯片OPA548。OPA548是一种低成本、高电压大电流运算放大器，能够驱动各式各样的负载，并输出高电流和高电压。在电路设计中，功率放大器的放大倍数是可以控制的，可以通过跳线帽短接不同的位置来选择不同的放大倍数，以更方便的测试功率放大效果。由于在功率放大电路中，在放大电路工作时，晶体管常常工作在极限应用状态，因此必须要考虑必要的散热措施和过电流、过电压保护措施。所以在硬件设计中加入了一个引脚来控制功率放大器是否工作。OPA548有一个E/S（使能/状态）引脚，这个引脚的输入能有效的关闭输出以有效的断开负载，同时也可以减少静止电流以节约用电。同时，E/S引脚可以监控并控制是否热关机。在硬件设计中，这个引脚为CtlT2，由主控制器ARM在编程中控制其电平高低，在信号发送时，CtlT2为低电平，使能OPA548，开启功率放大电路，没有信号发送时，CtlT2为高电平，关闭OPA548，关闭功率放大器，以减少产生的热量，减少功率消耗，以防功率放大器过热以致烧坏，同时，还可以节约能量，减少不必要的电能消耗，从而提高工作效率。3）滤波电路在电力线通信中，在信号的接收端，接收板从电力线上接收到的信号中会夹杂着来自电网中的各种噪声和二次谐波等。为了滤除来自电力线上的噪声，净化接收数据，需将信号经过滤波后再经过放大电路，然后再加载到载波芯片的输入端，经过滤波、放大后的信号再经过调制解调模块解调，数据的接收正确率会大大的提高，可以减少信号在电力线传输过程中噪声及各种干扰对其的影响。滤波器按照其采用的元器件可以分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器：由无源器件（电阻和电容）和有源器件（如集成运算放大电路）构成。在有源滤波器中，由于使用的集成运放的输入阻抗和开环增益都很高，而输出阻抗比较低，所以在通带内的信号不会有能量损耗，而且有源滤波器还能对信号有一定的放大和缓冲作用。但由于集成运放的带宽有限，所以受带宽限制，有源滤波器的工作频率很难做得很高，并不适合高频率波。而且在应用中，需要直流电源供电，有额外的电能消耗，滤波效率不高。无源滤波器：仅由无源器件（电阻、电感和电容）组成的滤波器，主要根据电容和电感的电抗都会随着频率的变化而变化来构成。无源滤波器的组成元件和电路结构都比较简单，且都是无源器件，所以在使用中不需要直流电源供电。比较容易实现，可靠性较高。但是信号通过无源滤波器后会有能量损耗，信号幅度会有所降低，在使用中负载效应比较明显，但需要注意的是，在使用电感元件时容易产生电磁感应，所以不适用于低频应用。由于无源滤波器适合高频使用，该系统的通信频率为60132kHz，使用无源滤波器滤波比较适合15。3软件设计3.1软件调试环境3.1.1ADS1.2集成开发环境由于系统中的用到的微控制器芯片是ARM7系列的LPC2214，所以我们选用了ADS1.2集成开发环境。ADS1.2是一个使用方便的集成开发环境，全称是ARM Developer Suite v1.2。它是由ARM公司提供的专门的用于ARM相关应用开发的综合性软件。无论在功能还是在易用性上都比SDT有提高，是一款功能强大又易于使用的开发工具，便于程序的编程和调试。ADS囊括了一系列的应用，并有相关的文档和实例的支撑。使用者可以利用它来编写和调试各种基于ARM家族RISE处理器的应用。可以用ADS来开发、编译、调试用各种编程语言包括C、C+和ARM汇编语言编写的程序。ADS自带的调试器本身是一个软件，用户通过这个软件使用debug agent可以对包含有调试信息的，正在运行的可执行代码进行各种调试操作，比如变量的查看和断电的控制等。利用ADS软件开发平台，建立新工程、编译和链接工程、以及程序代码调试都是比较简单容易的。3.1.2JTAG调试软件JTAG是英文“Joint Test Action Group（联合测试行为组织）”的词头字母的简写，是一款简单易用的调试代理软件。H-JTAG 包括两个工具软件：H-JTAG SERVER和H-FLASHER。其中，H-JTAG SERVER实现调试代理的功能，而H-FLASHER则实现了FLASH烧写的功能。JTAG仿真器是H-JTAG团队开发的一款自主原创的ARM仿真套件，支持所有基于ARM7和ARM9的芯片的调试，并且支持大多数主流的ARM调试软件，如我们使用的ADS软件开发环境，能够很好的和ADS配合工作。使用ADS集成开发环境和H-JTAG辅助调试软件，能够为用户搭建一个简单易用的ARM调试开发平台，便于开发和调试。3.2发送板程序设计发送板通过UART串口接收电脑主机的数据，LPC2214通过SPI口将数据传递给载波芯片，载波芯片对信号进行调制后，将数字信号转化为模拟信号，通过电力线发送给接收板。根据发送板要实现的功能，进行程序的编写。发送板程序主要流程如图3-1所示。图3-1发送板程序流程图1）系统初始化在系统初始化中，要完成的初始化只要有SPI通信配置、UART串口配置、中断初始化。SPI通信配置：由于载波芯片的控制寄存器在异步模式下不可访问，所以选择载波芯片工作在同步模式下。在同步模式下，载波模块总是通信的控制端，也就是在与主机的SPI通信中，载波芯片作为SPI通信的主机，ARM作为从机，由载波芯片的CLR/T线提供通信时钟参考。LPC2214有两个SPI口，系统中选用了SPI0来进行通信。UART通信配置：主要配置UART串口的串口波特率、串口模式、字长等，选用LPC2214的UART1。中断配置：配置所有中断为IRQ中断，配置程序中主要用到的中断，如SPI中断、UART中断、Eint0外部中断，设置各个中断的中断向量号、中断向量地址，并使能这些中断。2）初始化载波芯片及数据发送 载波芯片的初始化，是通过主控制器LPC2114用SPI串口读写载波芯片的控制寄存器来实现的。通过写它的控制寄存器相应的位来控制通信中的帧长度、帧头、波特率等。在程序编写中设置了很多标志位，通过这些标志位来判断程序运行状态，并可以方便的进行工作模式之间的转换。其初始化过程及数据发送过程如图3-2所示。图3-2 载波模块初始化及数据发送流程图3）UART串口数据传递为了实现发送板和接收板之间的通信，以完成一个完整的电力线载波通信，必须由PC机通过UART串口发给ARM7主控制器一些数据。主控制器将这些数据进行相应处理后，通过SPI串行通信发送给载波芯片，载波芯片将数据在FSK调制器里进行解调后，将信号发送出去，经过外围的模拟电路后，发送到接收端。其数据流向如图3-3所示。为了实现数据通信中的对数据的校验，在UART串口中断函数中，对发送的数据增加了一位校验位，采用异或校验，以方便在接收板程序中实现对接收数据的校验。图3-3数据流向图3.3接收板程序设计接收板作为电力线通信的接收端，负责从电力线上接收数据，并将接收到的信号经过解调，得到有用的数据传递给PC机。接收板程序流程图如图3-4所示。图3-4接收板程序流程图1） 系统初始化由于通信测试板的发送板和接收板的硬件电路是完全相同的，不同的只是ST7540的工作模式。所以发送板和接收板的系统初始化是一样的，主要进行的初始化操作有：SPI通信配置、UART串口配置、中断初始化。2） 初始化载波芯片及数据接收主控制器通过SPI口向载波芯片的控制寄存器写数据，实现对载波芯片的基本配置。在对载波芯片做好配置后，为了实现接收板对电力线传来的数据的接收，必须配置载波芯片为接收模式。在设置为接收模式后，载波芯片会不断检测RX引脚是否有载波输入，当检测到有载波输入后，则进行载波接收，并相继完成数据的解调操作。载波芯片初始化及数据接收流程图如图3-5所示。图3-5载波芯片初始化及数据接收流程图3） 数据接收校验为了确保通信质量，检测接收端收到的数据是否与发送端发送的数据一致，我们在接收板的程序中对接收到的数据进行校验，并通过LED指示灯进行显示。当数据校验正确时，LED闪烁，表示接收到的字符串与发送的字符串完全一致；当数据校验不正确时，LED灯不亮，表示接收到的字符串中出现了错误字符。通过观察校验指示灯的闪烁情况，也可以很直观的看出当时的接收板和发送板的通信状况。校验规则采用异或校验，分别对接收到的数据，从第一位开始异或上后一位得到CRC，得到的数值CRC再异或上后一位，依次类推，直到异或到实际发送数据的最后一位，最终得到CRC值，将CRC与接收到的发送板发来的数据的最后一位校验位比较，如果一致，则表示接收到的数据完全正确，如果不一致，则表示数据在传输过程中由于噪声、干扰等影响发生了错误。4） 向PC机返回数据接收率和数据接收正确率为了实现通信测试板的测试功能，能够更明确的知道在不同通信状况下的通信质量，同时反映不同外围模拟模块对电力线通信的影响，在程序设计中，增加了主控制器向PC机返回数据接收个数和数据校验正确个数的模块。LPC2214通过计时，将在一固定时间段（如50秒）内，接收板的载波模块接收到的数据个数，以及通过数据校验，校验正确的个数，然后将接收数据数和数据校验正确数通过UART串口发送到PC机上的串口调试助手上显示。通过比较不同通信状况下的数据接收率和数据校验正确率，就可以比较各自的通信质量和效率。如固定时间为50秒，即每五十秒UART串口向PC机返回一次数据，当发送端串口调试助手的发送时间间隔定为500毫秒时，则在这一段时间内，如果通信状况良好，发送端发送的数据，接收端全部接收且全部校验正确，则数据接收个数为100，即每包数据有100个，十六进制表示为0x64，数据校验正确的个数也为100。如果通信状况不是很好，如果噪声比较大，或是在电力线信道传输过程中，信号衰减较大，则数据接收个数和数据校验正确个数都可能会相应的减少，从而可以通过比较这两个返回的值，来比较通信效果。3.4CPLD逻辑模块设计CPLD（复杂可编程逻辑器件），可以利用集成软件开发平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现相应的功能。在设计的系统中，我们的一些功能就是通过在CPLD中烧写原理图来实现的。CPLD应用起来非常方便，便于我们对设计方案的不断改进。比如系统程序设计中，拨码开关部分、校验指示灯部分都是在设计中根据实际需要增加的，所以，这个CPLD逻辑模块可以让我们在不改变硬件设计的条件下，对设计方案不断改进和完善。其中，在CPLD复杂可编程逻辑器件中，我们实现的功能主要有：一个八进制计数器，用来产生Eint0外部中断；各种校验指示灯，如发送、接收、校验指示灯等；拨码开关部分，通过与主控制器相配合，控制系统中相应的参数；必要的硬件连接。1）引脚连接在硬件设计中，LPC2214的很多引脚是和CPLD的引脚直接相连的，同样ST7540的一些输入输出以及一些控制引脚都是与CPLD的引脚直接相连的，所以为了实现主控制器与调制解调模块的通信，必须通过在CPLD中烧写电路原理图，来实现正确的载波芯片和LPC2214的引脚连接。为了实现主控制器LPC2214和载波芯片的SPI通信，必须将LPC2214的SPI接口与调制解调芯片的输入输出引脚连接起来。LPC2214的SPI0的主要引脚有：MOSI0（主机输出/从机输入数据线）、MISO0（主机输引脚入/从机输出数据线）、SSEL0（从机选择线）、SCK0（串行时钟线）。由这四根线来控制主控制器与载波模块的通信。如图3-6中所示。图3-6CPLD引脚连接2）八进制计数器图3-7CPLD引脚连接和内部计数器如图3-7所示，在逻辑模块中写入了一个八进制计数器模块。该模块的计数控制引脚是SPI通信中的时钟引脚，即连接在一起的载波芯片的CLR/T引脚和LPC2214的SSEL0引脚。在主控制器与载波芯片SPI通信中，LPC2214每发送八个比特即一个字节，会产生一个外部中断，在ARM程序中，进入这个外部中断后，会执行一系列操作，包括对载波芯片的配置，通过SPI通信接口向载波芯片的控制寄存器写入配置信息来对载波芯片进行初始化配置。在程序设计中，数据的发送也是在外部中断Eint0中实现的。3）拨码开关部分为了更好的测试在电力线通信中不同通信频率的通信状况以及发送字符长度对电力线通信是否有影响，我们希望在通信中能够适时的改变通信频率和发送字节长度。我们使用的载波芯片具有8个可编程发送频率，由于电力线通信信道中存在不同的噪声和干扰，在不同的频率下，电力线信道上，不同频率下，噪声和干扰以及衰减对信号的影响都是有差异的，所以选择效率高的通信频率也是非常重要的。另外，我们通过改变发送字节长度，比较通信效果，以判断发送字节长度对通信效果是否有影响。通信频率和发送字节长度的改变都是通过外围的拨码开关实现的。拨码开关的引脚端是和CPLD直接相连的，为了能够让主控制器来读取拨码开关的键值以控制通信频率和发送字节长度，需在CPLD中写入相应的逻辑模块，通过改变拨码开关的状态来改变程序中相应的变量。拨码开关的连接如图3-8所示。图3-8CPLD中拨码开关连接图由于载波芯片有八个可用的通信频率，所以选用三位拨码开关来控制通信频率，一共有八种情况，分别为：60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz。发送字节长度控制在4字节到32字节，一共有八种字节长度，分别为：4字节、8字节、12字节、16字节、20字节、24字节、28字节、32字节。在通信过程中，可以通过改变各位拨码开关的值（OFF或是ON），来改变通信中的发送频率、接收频率和通信中发送和接收的字节长度。需要注意的是，在发送板和接收板的通信中，必须使接收板和发送板的通信频率和发送、接收字节长度的设置相同，才能实现发送板和接收板的正常通信。4）指示灯CPLD中的指示灯模块主要有数据发送指示灯、数据接收指示灯、数据校验正确指示灯。在通信过程中，为了检验发送板发送数据和接收板接收数据是否正常，增加了数据发送和数据接收的指示灯。数据每发送一次，发送指示灯就会亮一下，接收板每收到一次数据，接收指示灯就会亮一下。为了更直观的了解当时最基本的通信状况，了解数据接收的正确率和误码率，设计中添加了一个数据接收校验指示灯。当接收到数据后，如果全部校验正确，则指示灯会闪一下，这样，就可以根据接收指示灯和校验指示灯的闪烁情况来大致简单的了解一下当时的通信状况。4系统测试4.1测试方法通信测试板主要分为两个板，一个是发送板，负责发送数据，一个是接收板，负责接收数据。通过对发送板和接收板之间的通信状况的测试，来比较不同外围模拟电路的效果。在硬件设计中，每一个外围模拟电路如放大、滤波模块等，都是独立的，便于比较不同模拟电路对通信状况的影响。由于测试工作主要是在实验室内完成的，并且受实验室条件的限制，并不能完全模拟电力线载波通信的真实过程，只是尽可能的模拟电力线通信状况。在通信测试板在实验室的测试过程中，并不能把信号真正的耦合到电力线上，对于电力线上存在的噪声，我们利用信号发生器给发送板和接收板的通信过程中加上噪声；对于电力线上对信号的衰减作用，我们在信号传输过程中增加了一个可调的衰减模块16，通过实验条件模拟电力线通信中的噪声和衰减。测试仪器主要有：模拟选频表、电子示波器、信号发生器等。4.2外围模拟电路测试4.2.1放大模块测试由于电力线信道具有衰减性，并且载波芯片有接收灵敏度限制，所以在信号的发送端必须具有较高的发送幅度和发送功率，以提高信号的发送能力，能够抵消在电力线信道中传输的衰减，使载波芯片能正确解调出数据。电压放大电路主要保证电路中有足够的增益，并且具有较低的失真，以推动功放。功率放大电路主要是提供较大的电流转化即放大功率以带动负载17。1）放大电路的性能指标本文设计的放大电路模块包括电压放大和功率放大，为了在放大信号的同时，尽可能的提高信噪比，电压放大电路和功率放大电路必须配合使用。在选用运算放大芯片时，主要考虑的因素有增益带宽积和压摆率。增益带宽积（GBP）是有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积，是表征放大器性能的一项重要指标。对于一个运算放大器，它的增益带宽积是一定的。 (4-1)压摆率（SR）是指单位时间内（一般用微秒）器件输出电压值的可改变的范围，对于运算放大器，压摆率表示运算放大器的输出电压的转换效率，反映了一个运算放大器在速度方面的指标。压摆率的数学定义为： （4-2）其中，f为最大频率，一般认为是带宽；Vpk是放大输出信号的最大峰值；压摆率主要表征大信号放大时的带宽问题。功率放大电路中，选用OPA548，OPA548是一种低成本、高电压大电流运算放大器。OPA548的增益带宽宽积为1MHz，压摆率为10V/us。由于在发送板与接收板的通信中，最高通信频率为132.5kHz。功率放大器的增益G代入（4-1）得到G为7.5倍，所以功率放大电路的最大增益为7.5倍。功率放大器输出信号的最大峰值为Vpk，代入（4-2）得到Vpk为12V，功率放大器的最大输出峰值为12V，可以满足通信要求。电压放大电路中，可以选择的运算放大器有OP27、OP37等，其中OP37的性能优于OP27，但同时价格也较高。OP27的增益带宽积为8MHz，压摆率为2.8V/us，OP37的增益带宽积为63MHz，压摆率为17V/us，相对于OP37的放大能力和转换速率都有很大提高。经过计算在通信频率为132.5kHz时，OP27的最大放大增益为60倍，放大输出信号的最大峰值为3.4V；OP37的最大放大增益为475.5倍，放大输出信号的最大峰值为20.4V。如果载波芯片调制出的信号的幅度为200mV，则通过放大电路后，若要得到的信号的幅度为12V，则电压放大和功率放大的总体放大增益为60倍。而OP27的放大增益为60倍，放大信号的最大输出峰值只有3.4V，放大能力较弱，跟功率放大电路不能很好的配合，所以选择OP37作