电力线载波通信控制系统设计.doc

分类号 分类号 TP273 U D C D10621 408 2010 1257 0 密密 级 公级 公 开开 编编 号 号 2006071022 电力线载波通信控制系统设计电力线载波通信控制系统设计 电力线载波通信控制系统设计电力线载波通信控制系统设计 摘摘 要要 电力线载波通信技术出现于20世纪20年代初期 电力线载波是电力系统特有 的 基本的通信方式 电力线载波通信是指利用已有的电力网 通过载波调制 方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术 目前可用来传输电话 远程数据 和远方保护等信号 是确保电网安全 优质 经济运行 实现调度自动化和管理 现代化的重要通信方式之一 它以电力线路为传输通道 具有通道可靠性高 投 资少见效快 与电网建设同步等优点 本文介绍了在低压配电线上用无线专用芯片nRF401实现数据的传输 采用 电力线载波形式 设计出了一个家电网络控制系统 对家电网络进行远程集中 控制 可以对多路家用电器的运行情况进行实时监测和控制 并分析了电力线 通信的通道特性及其干扰 结合电力通信的特点提出了解决办法 实验数据表明 系统通信状况良好 可实现对家用电器的可靠控制稳定 成本低 具有一定的实用价值和应用前景 关键词关键词 电力线载波 家电网络 芯片nRF401 电力通信 Design of Power Line Carrier Communication Control System Abstract The technology of power line carrier telecommunication was came forth in 1920s The signal carrier of power line is a peculiar basic communication technology of the power system In the power line carrier communication the analog or digital signal is transmitted by power line in high speed It can be used to transfer the signals of telephone remote data and remote protection It is to ensure that the network safety high quality and economic operation realizing the modernization management dispatching automation and an important means of communication Transferring in power line the power line carrier telecommunication have advantages of high reliability quick effect in less investment and with power grid construction synchronization etc The paper introduces a data transfer system on the low voltage power line by using a special chip nRF401 wireless carrier It adopts power line carrier form design a household appliance network control system of remote control network for road the operation situation of household appliances real time monitoring and control The paper analyzed the channel characteristics of the PLC communication and put forwards solutions for the disturbance The experiment results show that system can work well and control appliance effectively The system has low cost stable perform ance and a wide application prospect Key words power line carrier PLC household appliances network nRF401 power communication 目目 录录 论文总页数 31 页 1 引言 1 1 1 电力线载波通信的广泛应用 1 1 1 1 电力线载波通信的背景 发展和应用 1 1 1 2 电力线载波通信的优点 1 1 1 3 电力线载波通信存在的问题 2 1 2 课题论述 2 1 2 1 课题研究的背景 2 1 2 2 课题研究的目的和意义 3 1 3 家用电力线载波通信的现状研究 3 1 3 1 国外研究现状 3 1 3 2 国内研究现状 5 2 电力线载波通信技术 6 2 1 电力线载波通信的基本工作原理 6 2 2 调制解调技术 6 3 系统构建与总体设计 7 3 1 系统设计要求 7 3 2 系统构建 7 3 3 系统方案设计 8 3 3 1 系统通信方案设计 8 3 3 2 控制系统方案设计 8 3 3 3 显示系统方案设计 9 4 系统硬件设计 9 4 1 方案介绍 9 4 2 电力线载波通信主控电路设计 11 4 2 1 设计总模块介绍 11 4 22 模块功能介绍 13 4 3 电力线载波通信受控电路设计 16 5 系统的软件设计 17 5 1 软件的整体设计 17 5 1 1 系统软件实现原理 17 5 1 2 系统程序总体设计 17 5 2 主控电路软件程序模块化设计 19 5 2 1 初始化模块 19 5 2 2 按键检测模块和数据处理模块 20 5 2 3 延时处理模块 21 5 2 4 中断检测模块 21 5 2 5 显示模块 22 5 3 受控电路软件程序模块化设计 23 6 系统调试与误差分析 23 6 1 系统调试 23 6 1 1 硬件调试 23 6 1 2 软件调试 24 6 1 3 系统综合调试 24 6 2 误差分析处理 24 6 2 1 误差分析 25 6 2 2 误差处理 25 结 论 26 参考文献 27 致 谢 28 附 录 30 第 1 页 共 31 页 1 1 引言引言 1 11 1 电力线载波通信的广泛应用电力线载波通信的广泛应用 1 1 11 1 1 电力线载波通信的背景 发展和应用电力线载波通信的背景 发展和应用 电力线载波通信技术 英文简称PLCC Power Line Carrier Communication 或PLC Power Line Communication 是指利用电力线网络作 为传输媒介 实现数据传递和信息交换的一种技术 自20世纪20年代以来 电 力线载波通信在电力系统得到了广泛的应用 伴随着现代通信技术的迅猛发展 电力线载波通信技术以其独有的优势和潜力 始终占据着通信市场的较大份额 特别是近年来 低压电网的载波通信技术又出现了新的研究热潮 该技术是电 力系统特有的一种通信技术 它将载有信息的高频信号加载到电力线上 用电 力线进行数据传输 然后通过专用电力线调制解调器将高频信号从电力线上分 离出来 传送到终端设备 1 1 21 1 2 电力线载波通信的优点电力线载波通信的优点 电力线载波通信技术的优势主要表现在 1 电力线载波通信距离长 不受地形 地貌的影响 投资小 施工期短 设备简单 实现成本低 电力线网四通八达 遍布城乡 覆盖范围广 充分利 用现有低压电力线基础设施 无需重新架设线路 是一种 No New Wires 技 术 节约有线资源 避免了因布线而对公共设施和建筑物的损坏 节省了人力 物力 2 是家居自动化的有效手段和生力军 通过遍布各个房间电源插座 即 插即用 可实现智能家电联网 享用数字化家庭的舒适和便利 通过网关可实 现与外部联网 为用户提供高速因特网访问服务 话音服务 从而为用户上网 和打电话增加了新的选择 有利于其它电信服务商改善服务 降低价格 如图1 所示 第 2 页 共 31 页 图1 家用电力线通信控制图 3 利用PLC的永久在线连接构建的防火 防盗 防有毒气体泄漏等保安 监控系统 让上班族高枕无忧 构建的医疗急救系统 让家有老人 孩子和病 人的家庭倍感放心 利用PLC也可提供独立的数字化社区服务和电子商务 实 现家庭办公和远程家电控制 基于PLC的远程自动读水 电 气表系统 节省 了人力 物力 也方便了用户 4 载波通信的传输介质是电力导线 是高电压高机械强度的优良导体 抗破坏能力强 稳定可靠的电力线路使得通信线路很少因线路故障而中断 1 1 31 1 3 电力线载波通信存在的问题电力线载波通信存在的问题 虽然利用电力线载波通信可以大量减少投资和对线路的维护成本 但须提 高载波通信的信息传输速率 降低误码率 实现信息传输网络化等 但在干扰 严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事 如何选择调制解凋方式及 采用何种通信协议 应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上 低压电 力线载波通道的传输特性的特点是 具有时变性 衰减较大 尤其是电力负载 为容性时 对载波通信信号近似短路 各种干扰噪声复杂等 1 由于低压电力网上的负载不断切除 投入 电器的开 关等随机事件 的影响 使表现出来的信道特性具有很强的时变性 在1S内某一频率的信号衰 耗变化可达到20dB 因此不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号 同时 在1S内信噪比的变化也可达到l0dB左右 2 信号衰减低压电力线一般由铜或其他电的良导体加工而成 其本身的 阻抗很小 视导线的电导率和截面积不同而不同 对不同频率的信号 其阻抗 略有变化且相对稳定 因此 电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因 3 干扰噪声对于低压电力网的干扰特性 人们分别对不同的地域 城市 第 3 页 共 31 页 工业区 乡村 做了大量试验 结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波 电路作为低压电力线的基本参考模型 以上参考国外的最新资料介绍了低压电力线的传输特性 由于中国电器上 网的电磁兼容性没有欧美控制严格 因此中国电力网的干扰要比欧美严重得多 电力线的通信环境也更加恶劣 1 21 2 课题论述课题论述 1 2 11 2 1 课题研究的背景课题研究的背景 在各种各样的信息传递和交换方式中 利用 电 来传递信息数据 是一 种最有效的传输方式 在所有电通信方式中 电力网是人户拥有率绝对第一的 物理网络 而它现有的功能仅仅是传输电能 如何利用网络资源潜力 在不影 响传输电能的基础上 实现窄带或宽带通信 使之成为继电信 电话 无线通 信 卫星通信之后的又一通信网 是多年来国内外科技人员研究的重大目标 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高 随着计算机技术 通信技术 网络技术的快速发展 消费电子产品正逐渐与计算机 通信技术密切结合在起 成为目前所统称的3C产品 越来越多的家庭拥有更多的家用电器 由于家庭的 家用电器增多 不但使家庭的耗电量增加 而且过多的开关 遥控器使得人们 在使用这些电器时增添了许多麻烦 如需要记住各个墙上开关对应的电器 开 关和家用电器分布不合理增加控制操作的复杂性 很多家用电器有遥控器 当 想使用遥控器操作家电时 经常没法很快寻找到遥控器进行控制等等 因此如 何能够有效的控制家用各种设备 照明系统 安防系统 智能家电等 引起越 来越多关注 目前已有的信号传输控制技术主要采用以下几种传输方式 双绞线传输 电力线传输 蓝牙等无线传输 双绞线传输价格低 运行可靠 但是需要重新 布线 电力线传输不需要铺设附加线路 使用简单 但由于国内外电力线信道 特性的差别 干扰大以及阻抗匹配不稳定 传输稳定性受到影响 蓝牙传输 可移动性佳 使用便利 但蓝牙协议尚未彻底规范 通讯距离比较短 同时成 本居高不下 针对以上情况 采用低成本的传输介质 低压电力线 并专门 设计通信协议 设计了家电遥控系统 这种基于家庭电力线网络的系统方便 经济 只要在家电与电力线之间放置一个受控节点 就能实现遥控 1 1 2 21 2 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 家用电力线载波控制系统是当今世界流行的家庭家电 安防等家用控制系 统 因此电力线载波通信技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景 这个系 第 4 页 共 31 页 统主要针对家庭家电的快速 准确控制 本课题的现实意义在于 1 当家里的家电控制开关排线已经固定之后 可以使用较少元器件进行 组装控制 而不用另外布线 减少花费 2 可以 即插即用 安装时间很短 3 集中控制可以减少分布操作的复杂性 4 可以即时关闭或调节家用电器 减少家庭在电能方面的消耗 5 甚至即使没人在家 也可以通过远程电力线载波通信系统控制家里的 家用电器 6 电力线作为通信信道 几乎不需要维护或维护量极小 7 可以实现较长距离传递 1 31 3 家用电力线载波通信的现状研究家用电力线载波通信的现状研究 1 3 11 3 1 国外研究现状国外研究现状 20世纪20年代以来 电力线载波通信经历了高压电网CFT carrier frequency transmission 技术 中低压网RCS技术 集成模块化技术的艰难发展 历程 随着Internet互联网的发展 应用电力线分布网和户内电网的宽带接入技 术在20世纪90年代开始兴起 这一时期 开始提出低压电力线载波通信概念 并进行可行性研究 最早提出低压电力线载波通信概念并进行可行性研究的是英国曼彻斯特的 一家地区性供电公司 NORWEB公司 NORWEB公司在1990年就开始研究 电力线通信技术 1992 1993年完成世界上首次配电网上的25个终端用户的电 话与数据通信试验 1997年10月与加拿大Nortel公司联合宣布解决了电力线通信 的抗干扰问题 1998年夏天 NORWEB公司在低压配电网上开发出2MHz带宽 内传输速率为1Mbps的系统 利用了该公司新开发的数字电力线载波技术 DPL Digital Power Line 数字电力线 从而将四通八达的电力线转化为信息 高速公路 1993年 英国SWEB公司成功地在一地区性有限遥测系统 RMS 中采用中 低压配电网进行两路数字载波通信 将已有的水 电表计与电能表 计连接起来 能提供包括水 天然气 电能的自动抄表等功能 在德国 RWE集团从1997年开始与瑞士的Ascom公司合作开发PLC技术 2000年5月开始进行200户参与的现场试验 2001年7月开展了RWE PowerNet PLC高速上网 RWE Power School PLC学校联网 和RWE eHome 智能建筑遥控与自动化 三项业务 德国也是世界上第一个允许PLC 进入商业化运行的国家 在美国 电力系统通信是 信息高速公路计划 的一个重要组成部分 第 5 页 共 31 页 Intellon公司于2000年发布的报告称 其PowerPacket Technology信号传输速率已 达14Mbps 美国的Inari公司也是较早宣布在电力线上实现10Mbps传输速率的公 司之一 它是第一个将电力线网络解决方案走向市场的公司 并开发了其特有 的Plug in协议 2005年8月初 Intellon公司为摩托罗拉低压电力线宽带提供 HomePlug技术作为解决方案 2005年8月底 Intellon公司又投资2450万美元用 于开发新一代的电力通信芯片 在韩国 Xeline公司在2001年3月推出了PLC产品解决最后一公里接入 家 庭网络应用解决方案 在韩国汉城建立了与互联网相连接的示范点 实现了同 步互联网接人的家庭联网 文件共享和MP3音乐播送 至2006年 产品传输速 率从1Mbps达到32Mbps 其它 还有许多的国家的研究机构也对此投入了大量的精力 研制出了不 少电力线通信产品 如以色列的Itran公司 瑞士的Ascom公司 德国的Polytrax 公司 西班牙的DS2公司等 产品的传输速率也从1Mbps到24Mbps 甚至 45Mbps 为了推动电力线数据传输技术的研究及应用 国际上又相继成立了多个 PLC相关组织 其中最有影响力的是由美国 3com Cisco Compaq Enikia Intel Intellon Motorola 日本Panasonic 美 国Diamond Texas Instruments等13家公司联合组建的家庭插电联 HPA Homeplug Powerline Alliance 该团体选用美国Intellon公司的技术作为统 一技术标准的原型 致力于实现在家庭及其它接入网中使用电力线传输信息的 网络技术规格标准化工作 目前 已有90家公司参与该组织标准的制定工作 2001年 HPA发布了其标准的第1个版本Home Plug Specification 1 0 将数据传 输速率定为14Mbps 另外的组织还有电力线通信论坛PLC Forum PALAS Powerline as an Alternative Local Access OPERA以及日本的 ECHONET 电力线通信论坛PLC Forum由 Alcatel Aseom Cisco Enikia Nortel PolyTrax等公司于2000年在瑞士成立 包括来自各大洲的成员 国内的中国电力科学研究院是该组织中惟一的中国会 员 论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商 客户 研究人员以及政府机 构提供一个平台 促进他们交流和丰富有关PLC的知识 与HPA偏重于室内联 网不同 PLC Forum侧重于接入部分 他们使用不同的频段 PLC Forum不制定 标准 但致力于将会员的提议提交给国际标准化组织 并通过努力 使其成为 标准 PALAS将目标定位于为高速PLC市场上的潜在用户开发一套完整的 商 业化的测试服务工具包 ECHONET是由日本60家有关企业设立的联合机构 电力线载波通信设备开发会 研究用电力线作通信线路的技术 第 6 页 共 31 页 OPERA Open PLC European Research Alliance 成立时间不长 是由欧盟资助 并由DS2等多个欧洲研究机构及厂商组成的组织 其主要目的是开发下一代用 于本地接入的高速PLCC技术 2007年 OPERA宣布 欧盟批准资助推动低成 本的宽带电力线通信应用 为新一代电力通信综合网络技术提供有力支持 另 外 IPv6与电力线子载波通信技术融合的研究也开始兴起 欧盟共同投资制定 一个称之为 6 POWER 的战略计划 研究在电力线上运行IPv6和有关协议的 可能性 同时 国际上积极开展电力载波通信与其他通信方式的无缝连接技术 2 1 3 21 3 2 国内研究现状国内研究现状 我国研究PLC技术起步较晚 但发展速度较快 五六十年代 我国开始研 制自己的ZDD 1型电力线载波机 七十年代时期 我国模拟电力线载波机技术 已趋成熟 当时以ZDD 12 ZJ 5 ZBD 3机型为代表 在技术指标上得到了较 大的提高 并成为我国应用时间最长的主流机型 八十年代中期 电力线载波 技术开始了单片机和集成化的革命 产生了小型化 多功能的载波机 到了九十年代中期 以SNC 5电力线载波机为代表 在国内首次采用 DSP 数字信号处理 技术 对载波机音频至中频部分的信号进行处理 实现 了软件调制 滤波 限幅和自动增益控制 到了九十年代末期 采用新西兰生 产的M340数据复接器 目前国内已有自主知识产权的同类产品 结合电力线 载波机的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世 这一成果提高了载 波机的通信容量 从根本上初步解决了载波机通信容量小的技术 瓶颈 问题 为电力线载波市场带来了空前的机遇 我国大规模开展用户配电网载波应用技术是在2000年左右 目前在自动集 抄系统中采用的载波通信方式有扩频 窄带调频或调相 在使用的设备中 以 窄带调制类型的设备为多数 其主要原因是其成本低廉 而电力线上网的应用 由于要求的速率至少达到512Kb s 10Mb s 所以均采用扩频通信式 当前国内PLCC互联网接入技术尚在试验阶段 作为自动集抄系统通道的载 波应用目前已能够组网通信 完成数据抄收功能 但是由于用户电网的某些时 变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上还未得到根本解决 因此还存在 着抄表的 盲区 问题 这一问题目前一直阻碍电力线载波通信技术在该系统 中的应用 3 2 2 电力线载波通信技术电力线载波通信技术 2 12 1 电力线载波通信的基本工作原理电力线载波通信的基本工作原理 第 7 页 共 31 页 电力线载波通信基本原理 主控端发出命令 通过调制解调器调制变换成 适合电力线传输的高频信号 经耦合电路耦合发送至电力线上 沿着电力线向 受控端传输 经过受控端的耦合电路耦合接受 调制解调器解调 由CPU确定 主控端控制命令 然后执行命令 2 22 2 调制解调技术调制解调技术 目前 采用的窄带调制解调技术主要有 1 ASK幅移键控 在该调制技术中 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 但传输中 必须使用功率效率低的RF放大器 用功率效率高的非线性放大器会导致已滤除 的边瓣再生 造成严重的相邻信道干扰 使线性调制得到的频谱效率全部丢失 2 PSK相移键控 该方式通过调制载波的相位来传输数据 也是一种线 性调制技术 同样存在边瓣再生的问题 特别在发生相位突变时 包络不恒定 而导致在通过带限信道后频谱发生扩散 3 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 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 它可以使用功率效率高的C类放 大器 而不会使发送信号占用的频谱增大 带外辐射低 接收机设计简单 不 过其占用带宽比线性调制大 4 MSK最小频移键控 它是一种特殊的连续相位的频移键控 它是恒 包络技术的代表 不仅具有包络恒定 能量集中等优点 而且具有频谱利用率 高 误码率低 自同步等性能 这种调制技术在无线领域得到了较好的运用 但其传统的实现方法较为复杂 4 3 3 系统构建与总体设系统构建与总体设计计 3 13 1 系统设计要求系统设计要求 家用电力线载波通信控制系统分为主控系统和受控系统 每个系统主要有 三个子系统组成 控制系统 调制解调系统 耦合系统 本设计主要完成的功 能是 1 能够在电力线上传输载波信号 主控系统控制受控系统的灯亮度的等 级在2级以上 2 能够发送数据 并在受控端显示 3 在电力线上传输的距离大于1米 第 8 页 共 31 页 3 23 2 系统构建系统构建 按照系统设计要求 家用电力线载波通信控制系统由硬件和软件两部分组 成 系统设计采用模块化思想 主控系统硬件结构分为三个主要模块 主控控 制模块 调制模块 耦合模块 受控系统硬件结构分为四个模块 受控控制模 块 解调模块 耦合模块 工作显示模块 软件部分对不同功能模块的程序进 行分别编程 便于调试和移植 根据设计思路 其结构框图如图2所示 主控电路主控电路调制解调器调制解调器耦合电路耦合电路 220v 交流电交流电 耦合电路耦合电路调制解调器调制解调器受控电路受控电路 220 交流电转 换 5V 直流电 220 交流电转 换 5V 直流电 显示模块显示模块 图2 工作原理图 各系统所完成的具体功能如下 1 主控系统 本系统由微机器为控制核心 控制整个系统运行 发出控 制受控系统的信号 2 受控系统 本系统由微机器为控制核心 接收主控系统发出的命令 控制本系统的工作显示模块执行主控系统的命令 3 33 3 系统方案设计系统方案设计 3 3 13 3 1 系统通信方案设计系统通信方案设计 本系统采用FSK频移键控调制解调技术 因为其它窄带调制解调技术各自 拥有难以调和的缺陷 采用FSK技术可以较容易在电力线上实现 而且现在市 场上很多调制解调器都是基于FSK技术研制的 成本较低 基于其它技术的调 第 9 页 共 31 页 制解调器成本较高而且电路搭建较复杂 所以不为本设计所采用 3 3 23 3 2 控制系统方案设计控制系统方案设计 本系统采用基于单片机处理方式控制 单片机的种类比较多 AT89C52 单 片机应用于很多领域 其性能的优越 操作简单 成本低廉为许多人所称赞 AT89C52 是一个 8k 字节可编程 FPEPROM 的高性能微控制器 具有内存较大 功能强 抗干扰能力强 软硬件资源都比较丰富等特点 其外围接口电路简单 而且它经过多年的发展 技术也相当成熟 它与工业标准 MCS 51 的指令和引 脚兼容 因而是一种功能强大的微控制器 它对很多嵌入式控制应用提供了一 个高度灵活有效的解决方案 3 3 33 3 3 显示系统方案设计显示系统方案设计 显示器是一个典型的输出设备 而且其应用是极为广泛的 几乎所有的电 子产品都要使用显示器 其差别仅在于显示器的结构类型不同而已 最简单的 显示器可以使LED发光二极管 设计简单 易于安装 综合课题的实际要求 成本以及考虑单片机的接口资源本设计选用两个LED发光二极管 两个小灯泡 和两个4位数码管作显示器 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 4 14 1 方案介绍方案介绍 方案一 本设计首先选择的调制解调器是 MSM7512B 芯片 是日本 OKI 公司 生产的调制解调器芯片 它采用 FSK 半双工调制方式 符合 Itu TV 23 标准 单电源 3 5v 工作 低功耗 典型值仅 25mW 稳定性好 具有片内回音 消除 信号放大 带通滤波 调制解调的功能 使得外围电路可以变得简单 芯片的内部结构如图 3 所示 第 10 页 共 31 页 图3 MSM7512B芯片内部结构 芯片连接交流电的耦合电路部分如图4所示 图4 耦合电路 输出转换电平 VAOL VAO R2 R1 输入转换电平 VAI VAIL R4 R3 但是在其后的硬件组装测试中出现了问题 就是发送信号可以耦合发送交 流电上 但是无法从交流电上耦合接收信号 虽然我们调节发送转换电平达到 最大 但是还是无法接收信号 所以选择方案二 方案二 本设计选用的芯片是nRF401 nRF401是应用广泛的超高频单片无 线收发器 它不仅用于远程监测控制 自动化仪器仪表记录 交通管理 遥测 和无线通讯等生产科研领域 还可用于安全报警 玩具和家居智能化等日常生 活领域 其主要特点如下 1 FSK制式调制 具有良好抗干扰性能 2 与控制器连接时 仅需要少量外部元器件 能直接嵌入各类系统 3 使用方便 不需要预安装或预定义 第 11 页 共 31 页 4 系统接口简单 数据不需要编码 无命令方式 5 数据传输速率较快 达20Kb 秒 6 有二个数据收发通道 频率分别为433 92MHz和434 33MHz 7 电源允许波动范围较宽 在2 7V一5 25V之间 8 功耗较低 接收电流 250 A 发送电流 8mA 9 具有待机模式 省电又高效 芯片的内部结构如图5所示 图5 NRF401芯片内部结构 在nRF401内部结构中 LNA是低噪声放大器 当nRF401工作在接收方式时 它接收来自天线的RF信号 然后通过DEM解调后从DOUT端输往控制器 从而 实现无线接收数据 PA是功率放大器 当nRF401工作在发送方式时 来自DIN 端的准备以无线方式输出的数据经调制后通过PA成为RF信号 然后在天线上发 射 从而实现无线发送数据 DIN和DOUT可以连接到控制器的位数据输入 输 出端 例如RxD和TxD等 nRF401频率源由来自OSC的基频通过PLL和VCO频率 合成器产生 晶体谐振频率取4 0MHz 合成环形滤波器外接 VCO外接电感可 选22nH nRF401有接收 发送和待机三种工作方式 图5所示的TXEN CS和PWR UP三个输入信号控制不同的功能 1 接收 发送方式切换 控制器通过改变TXEN实现接收 发送方式切换 TXEN 1为发送方式 TXEN 0为接收方式 当从接收切换到发送时 控制器送到DIN的待发送数据至 少在TXEN从 0 到 1 lms后才有效 当从发送切换到接收时 至少在 TXEN从 1 到 0 3ms后 控制器才能从DOUT接收到准确数据 2 通道选择 CS用于选择不同通道 当CS 0时 选择工作频率为433 92MHz的1号通道 当CS 1时 选择工作频率为434 33MHz的2号通道 3 待机方式到接收 发送切换 待机方式是芯片在非工作状态时的省电模式 它通过清除PWR UP PWR UP 0 实现 第 12 页 共 31 页 4 24 2 电力线载波通信主控电路设计电力线载波通信主控电路设计 4 2 14 2 1 设计总模块介绍设计总模块介绍 主控电路要完成以下任务 1 调节控制信号 2 显示控制信号 3 发送控制信号 主控电路可细分为几个模块 电源整流模块 控制模块 显示模块 按键 控制模块 发送模块 耦合模块 主控电路图由图6 7所示 图6 控制显示电路图 第 13 页 共 31 页 图7 发送电路图 4 224 22 模块功能介绍模块功能介绍 电源整流模块 该模块外接12V交流电 通过D1 D2 D3 D4组成的一个整 流电桥 整流电桥的作用就是进行交直流转换 所以在VCC接通12V交流电后可 通过整流桥变成 12V直流电 C1 C2 C3和C13 C14可以滤掉高低频 保证电 路的稳定 LM7805芯片的作用是稳定输出5V电压 为其它芯片和电路供电 当 正常供电的时候 LED3发光二极管正常发光 电路如图8所示 图8 整流电路 1 控制模块 控制模块的CPU是AT89C52芯片 图9所示该模块主要由 AT89C52芯片 晶振电路和复位电路组成 其它管脚连接外接电路 第 14 页 共 31 页 图9 控制模块 1 晶振电路 作用是为 AT89C52 芯片提供 12MHz 的时钟 在 AT89C52 芯片 18 19 管脚连接一个 12MHZ 晶振 另外两个旁路电容 C27 C28 的作用是起频 率微调作用 让电路更容易起振 而且两者必须相等 2 复位电路 作用是让 AT89C52 芯片程序复位重新运行 手动复位需要人为在 复位输入段 RST 上加入高电平 本设计采用的方法是在 RST 端和正电源 5V 之间 接一个按钮 当人为按下按钮式 则 VCC 的 5V 电平会直接加到 RST 端 即使 人的动作很快也会使按钮保持接通数十毫秒 所以可以保证满足复位时间的要 求 2 显示模块 作用是显示控制命令 图10显示该模块主要是由一个四位 LED共阴数码管 排形电阻组成 数码管连接在AT89C52芯片的P0口 因为P0口 内部没有上拉电阻 输出驱动电路工作于开漏状态 所以必须在外面加上一个 上拉电阻才能让数码管正常显示 AT89C52芯片的P0中的8个端口是段选线 根 据段选线的变化输出不同的数据 字母 P1 0 P1 3是位选线 哪个位选线输出 低电平就选择哪位数码管显示 因为只有一组八位输出 为了让四位数码管同 时显示 本设计采用动态扫描法 第 15 页 共 31 页 图10 显示模块 3 按键控制模块 模块作用是选择发送信号 由图11可以看到 按键控 制模块采用4 4行列式键盘 可以显示数字0 9和字母A F 由AT89C52芯片的 P2 4 P2 7管脚组成行线 有P2 0 P2 3管脚组成列线 通过 行扫描 来确定 是否有按键按下以及被按按键所在的行 列位置 可以得出相应数值 该数值 就是控制命令 图11 按键控制模块 4 发送模块 由图12可见 nRF401芯片上ANT1 ANT2端口是发送接收端 第 16 页 共 31 页 口 一般连接天线 本设计为电力线载波通信 所以发送接收端口需要接到电 力线 接口外的电容 电感作用是为了滤掉高低频信号 在N2端口外接一个高 频耐压电容 电容的大小根据所在环境的复杂程度改变 电容接口的另一端连 接电力线即可在电力线上进行载波通信 图12 信号发送接收电路 5 耦合模块 耦合模块起隔离载波发送 接收模块和220V交流强电信号 的作用 能防止电力线上的浪涌或冲击电流等高能量信号损坏载波发送 接收 模块 本设计采用单相 地耦合电路 如图13所示 这种方式选择三相配电线中的一相或两相线 路作为高频载波信号的传输通道 在配电网中常 选用单相 地的方式 这种信号耦合的特点是 信号源 载波通信设备 以并联的方式接在耦合相 线和地线 在中压配网中为大地 低压电网为零 线 之间 高频载波信号以共模方式传输 共模 式电容耦合的优点主要有 1 信号传输效率较高 2 工频电流通过耦合电容器时电压降很大 因 此结合设备可以简单一些 耦合器件使用较少 可以降低系统的造价 减少安装 维护的工作量 图13 单相 地耦合电 路 这种耦合方式在实际应用中使用较多 4 34 3 电力线载波通信受控电路设计电力线载波通信受控电路设计 受控电路要完成以下任务 1 接收控制信号 第 17 页 共 31 页 2 显示控制信号 受控电路可分为几个模块 电源整流模块 控制模块 显示模块 接收模 块 灯泡显示模块 电源整流模块 作用是将12V交流电转换成 5V直流稳压电源供电路和芯片 正常工作 控制模块 作用是执行主控电路发出的命令 显示模块 作用是显示主控电路发出的命令 接收模块 作用是接收主控电路发出的命令 其中受控电路中的电源整流模块 控制模块 接收模块与主控电路中的电 源整流模块 控制模块 发送模块从电路结构上看是一样的 而且受控电路的 显示模块中数码管的连接也是和主控电路一样的 受控电路和主控电路在硬件 上最主要的不同在于受控模块中多了灯泡显示模块 如图14所示 该模块的作用是显示主制电路发出的2级控制命令 其实现是通过AT89C52 芯片的P3 7和P3 6管脚分别输出不同占空比的方波来控制灯泡的亮度 借用两 个三极管 使输出功率加大 可以给大灯泡供电 图14 灯泡显示模块 5 5 系统的软件设计系统的软件设计 5 15 1 软件的整体设计软件的整体设计 软件设计采用汇编语言编程 运用模块化程序设计思想 对不同功能模块 的程序进行分别编程 以便移植或调用 这样使软件层次结构清晰 有利于软 件的调试修改 第 18 页 共 31 页 5 1 15 1 1 系统软件实现原理系统软件实现原理 按照本系统的要求 主控电路发出一个命令 受控电路收到后判断该信号 是否正确 如果正确执行该命令 数值显示 主控电路按下一个按键后 向受控电路发出相应的信号 当受 控电路接收到该信号 与列表对比 如果符合任意一项即显示相应数值 灯泡亮度调节 主控电路按下一个按键后 向受控电路发出相应的信号 当受控电路接收到该信号 判断是否正确 如正确即发出相应的方波 通过方 波占空比的不同来控制灯泡的亮度 5 1 25 1 2 系统程序总体设计系统程序总体设计 电力线载波通信控制系统软件部分采用模块化设计思想 将系统分为主程 序 初始化处理模块 中断检测模块 数据处理模块 按键检测模块 延时模 块和显示模块 图15为主控电路系统程序结构图 图15 主控电路系统程序结构框图 受控电路系统程序结构图比主控电路的少了按键检测模块 发送中断模块 变为接受中断模块 根据主控电路系统结构框图 得到系统的实现流程图 如图16所示 第 19 页 共 31 页 图16 主控电路系统流程图 根据受控电路系统结构框图 得到系统的实现流程图 如图17所示 第 20 页 共 31 页 图17 受控电路系统流程图 5 25 2 主控电路软件程序模块化设计主控电路软件程序模块化设计 5 2 15 2 1 初始化模块初始化模块 初始化模块的作用是使各个芯片开始正常工作 其中AT89C52芯片中T0工作 方式为2 时间到后自动重载 此时T0控制芯片串行通信的波特率 给TH0 TL0 赋值0XE8 即串行通信波特率为20Kb s 允许串行通信中断 串行通信工作方 式为方式1 是10位异步收发 nRF401芯片控制器通过改变TXEN实现接收 发 送方式切换 TXEN 1为发送方式 CS用于选择不同通道 当CS 0时 选择工 作频率为433 92MHz的1号通道 具体设置如下 TMOD 0X20 TH0 0XE8 TL0 0XE8 定时器0工作方式2 EA 1 ES 1 允许串行通信中断 SM0 0 SM1 1 串行通信方式2 如 图18所示 第 21 页 共 31 页 图18 初始化流程图 5 2 25 2 2 按键检测模块和数据处理模块按键检测模块和数据处理模块 本设计受控电路共采用了16个按键开关 当相应按键被按下的时候 软件 会检测到是哪个按键按下 显示并发送相对应的数据 如图19所示 第 22 页 共 31 页 图19 按键检测模块流程图 5 2 35 2 3 延时处理模块延时处理模块 1 10ms 延时程序处理 在按键检测过程中 每次按键按下都需要进行 10ms 延时以达到消抖的目 的 2 1ms 延时程序处理 在 4 位 7 段数码管显示过程中 个十百千四位循环显示 显示每一位之后 都需要进行 1ms 的延时再显示下一位 以达到消除拖影的目的 5 2 45 2 4 中断检测模块中断检测模块 当数据发送完毕的时候 TI 1 启动中断检测模块 此时将TI清零即可 如图20所示 第 23 页 共 31 页 图20 中断流程图 5 2 55 2 5 显示模块显示模块 显示模块的功能是显示控制命令 数据分别发送到四个LED数码管上 利用 延时模块可以同时让四个LED数码管显示 消除拖影 如图21所示 图21 显示模块流程图 第 24 页 共 31 页 5 35 3 受控电路软件程序模块化设计受控电路软件程序模块化设计 受控电路软件程序模块其实大体上与主控电路软件程序模块一样 因为采 样电路模块基本一样 所以程序也基本一样 程序只需要更改发送接收的使能 端值 最大区别在于 受控电路软件程序模块没有按键检测模块 显示模块显 示的是接收到的数据 而且比主控电路多了一个灯泡控制模块 如图22所示 图22 灯泡亮度软件控制模块 6 6 系统调试与误差分析系统调试与误差分析 6 16 1 系统调试系统调试 6 1 16 1 1 硬件调试硬件调试 1 电源模块调试 本设计采用12V交流电 整流桥和7895芯片构成的电 源电路 12V交流电是由12V稳压电源提供 当通上电时 电源显示LED发光二极 管正常发亮 说明电源模块工作正常 2 单片机系统调试 本设计采用的主控芯片为AT89C52 其调试必须借 助软件一起进行调试 先载入一个产生100HZ 1V方波的程序 输出口为P1 0端 口 在P1 0口用示波器进行观察 如能观察到方波信号 且周期一致时模块正 常工作 3 发送和接收模块调试 采用模块化调试方法 其调试必须借助软件一 起进行调试 当通电开机时主控电路简单发送一个相应数据到受控电路 如果 可以正常显示 说明通信成功 第 25 页 共 31 页 4 显示模块调试 当以上调试全部完成的时候 可以向单片机载入简单 的显示程序 从0 9 A F测试 如果全部通过可以正常使用 6 1 26 1 2 软件调试软件调试 1 主程序调试 在程序编辑器中完成主程序和各子程序的编写 在 KEIL 中运行 当运行通过 说明程序在逻辑和格式上正确 同时在 protues 上 仿真各个硬件模块 当可以实现软件模块功能后说明程序正确 2 按键检测模块调试 在保存主程序的基础上 删除其他模块程序 结 合 protues 进行调试 发现当按键开关按下的时候 相应的指示灯发光 说明该 模块程序正确 3 显示模块调试 按照按键检测模块的调试方法 删除其他模块程序 结合 protues 进行调试 其余各脚全部选通 6 1 36 1 3 系统综合调试系统综合调试 在硬件和软件各个单独模块调试完成后进行综合调试 将硬件各模块焊接 起来构成完整的硬件系统 将完整的软件程序下载到单片机AT89C52中 按要求 进行电力线通信 最后测试成功 6 26 2 误差分析处理误差分析处理 当进行电力线载波通信控制的时候 我们发现并不是每次控制都能成功 具体测试数据如表1所示 表1 结果 测试项目 成功次数失败次数 数值正确显示82 灯泡正确显示73 从实际操作我们可知 主控电路一共发送20次信号 但是成功接收只有15 次 我们排除主控和受控电路硬件或软件发生的错误 最后锁定是电力线出现 的干扰使得通信信号无法或失真发送到接收端 而接收端没有接到或无法识别 通信信号 当主控端发送信号到受控端成功显示控制信号之间有一段时间差 本设计 的时差大概在0 8秒 经过分析得知 主受控电路元件之间传输和处理数据需要 一定得时间 而且当通信信道发生干扰时 会使得信号传输收到干扰 接收方 不能以最快的速度接收处理数据 解决的最好方法是 第 26 页 共 31 页 1 选择性能良好的元器件 这样可以使数据处理的速度有一定提升 2 在电力线载波通信设备旁边尽量不要频繁的接入或切出电器设备 这 样可以减少电力线上干扰的出现 6 2 16 2 1 误差分析误差分析 我们通过对电力线载波通信的信道特性分析得知 低压电力线是给用电设 备传送50Hz电能的 本身不是为通信设计的 因此其特性在很多方面难以直接 满足载波通信的要求 低压电力线信道的通信环境恶劣 存在变化的阻抗 不 可预测的噪声干扰 强烈的信号衰减 这些都是由信道本身的特性决定的 因 此 需要对信道特性进行详细的分析 1 阻抗特性分析 由于电网上有大量的电力负载和电力设备 如无功补偿电容等 随机的接 入 切出 这些设备对载波信号的衰减非常严重 其高频等效阻抗变化范围很 大 有时小于0 1欧姆 有时候突然增大到几十欧姆 这就使其信号衰减值严重 时会达到100dB以上 很难做到阻抗的匹配 因此 在设计载波通信