电力线载波通信在智能小区的研究与实现.doc

电力线载波通信在智能小区的研究与实现A Design of Power Line Carrier Modem专业班级：学生姓名：指导教师：学 院：2016年6月摘 要 随着社会进步和科技发展，住宅小区智能化已经成为建设趋势和人们的生活品质追求。目前，电力线载波通信技术相对成熟、基本覆盖新建小区、建设成本较低，是实现小区智能化的最佳途径。本文对运用电力信道技术影响最为突出的噪声特性和衰减特性进行了分析，论证选择合适的调制方式；分析FSK调制电力线通信系统性能，设计调制解调器，提升抗干扰能力、传输距离和传输速率；根据 Visual Basic 6.0设计了智能小区中心管理软件,以此对小区内各部分进行远程控制和管理,同时实现对小区信息的收集、整理和存储。在此基础上，对智能小区进行通信测试与分析，验证了调制解调器和软件的可靠性，论证了电力线载波通信在实现住宅小区智能化当中的可行性。 关键词：智能小区；电力线载波通信；电力线信道分析；调制解调器；Visual Basic 6.0ABSTRACTWith the progress of society and the development of science and technology, the intelligent residential district has become the trend of construction and the pursuit of peoples quality of life. At present, the power line carrier communication technology is relatively mature, the basic coverage of the New District, the construction cost is low, is the best way to achieve intelligent community. In this paper the use of power line channel technology influence the outstanding characteristics of noise and attenuation characteristics are analyzed, argument to select the suitable modulation; FSK modulation for power line communication system performance analysis, modem design to enhance the anti-interference ability, transmission distance and transmission rate; according to Visual Basic 6.0 to design the intelligent community management center system, in order to on the part of residential were remote control and management, and achieve the area of information collecting, sorting and storage. On this basis, the intelligent community for communication testing and analysis, verify the reliability of the modem and software, demonstrated the feasibility of power line carrier communication in the realization of intelligent residential quarters. Key Words：Intelligent Community ，Power line carrier communication，Power line channel analysis ，Modem ，Visual Basic 6.0目 录1 绪论1.1 课题背景1.1.1 电力线载波通信的概述1.1.2 电力线载波通信的特点1.1.3 国内外电力线载波通信现状1.1.4 电力线载波技术在智能小区的应用概述1.2 论文主要内容及结构安排1.2.1 论文主要内容1.2.2 结构安排2 电力线信道分析及调制解调方式的选择2.1 电力线信道噪声分析2.2 电力线信道衰减分析2.3 系统方案的论证设计2.3.1 电力线信道结果分析2.3.2 选择合适的调制方式3基于电力线载波智能小区调制解调器的设计3.1 频移键控FSK3.2 FSK调制电力线系统性能分析3.2.1 电力线通信系统模型3.2.2 FSK调制电力线通信系统性能分析3.3 调制解调器电路设计3.3.1 智能模块中SC1128与微处理器的接口电路3.3.2 智能模块中模拟量输入输出电路的设计3.3.3 主控制模块中的串行通信接口电路设计3.3.4 跨越变压器问题的解决方案4 基于电力线载波智能小区软件设计4.1 电力线载波通信系统程序流程图4.2 电力线载波通信协议4.3 小区管理中心上位机系统软件的研究与探讨5智能小区通信测试及分析6.总结与展望参考文献251 绪论1.1 课题背景1.1.1 电力线载波通信的概述电力线载波通信是一种通信方式，依靠电力线进行数据传递或语音通话的一种通信方式。电力线通信技术就是把信息转变为高频信号，加载至电流中，用电力线进行传输，至接收端将信号通过调制解调器从电流中分离出来，传输到计算机之类的智能终端，以此实现信息传递。早期的电力线载波通信（PLC）技术是“脉冲控制”通信系统，它主要用于路灯及负荷控制，提供单向通信，并且速率非常低。二十世纪五十年代，人们首要研究电力载波线路的特征，其频率规模在5kHz500kHz，并且开拓了电力系统调度通信及普遍运用电力线载波机。进入二十世纪九十年代，国外开始重点研究中低压电力载波线路的特点，其频率范围为2MHz80MHz，同时开拓了具有实用性的PLC制品及系统。虽然电力载波线路并非完美通信媒介，但是鉴于电力载波线路通信技术的不停发展，以及调制技术的发展，PLC的实用性成为可能。目前，多种高速PLC产品得到了广泛应用。尤其是在智能家居、家庭联网、高速Internet接入等方面。1.1.2 电力线载波通信的特点电力载波线路上有高压大电流流过，载波通信装置只有接入安全有效率的设备才可以与电力载波线路连接。这些耦合设备不仅要令载波信号高效传输，还不能够影响工频电流的传递，另外还要可以方便区分载波信号和工频电流。与此同时耦合设备还要防范工频高压、大电流流过对设备的破坏，保证安全可靠。因此电力载波线路通信要装有独特的耦合设备。电力线路本身的高频特性、避免50Hz工频谐波的干扰等原因决定了电力载波线路能采用的频谱，因此线路的频谱安排具有特殊性。考虑到调度通信的需求，电力系统一直主要根据发电厂、变电站等同一根母线上不同方向的电力载波线路，设立电力载波来组织各个走向的通信。电力载波线路通信大范围使用单路载波设备，这是因为电力载波线路采用频带的限制、通信方向的不集中。就算是在特殊的时候，必须采用多路载波，也不会有很多路。电力载波线上存在非常大的电磁干扰，这是因为电晕等干扰导致的，为了达到必要的信噪比，电力线载波必须有极高的发信功率。在电力线信号传输的时候，不能够令0.3kHz3.4kHz的语音直接在电力载波线路上传送，直接进行语音通信是不允许的。只有当频带达到40kHz及其之上的时候才可以进行电力载波线路通信。这是因为50Hz的波将会受到剧烈的干扰。1.1.3 国内外电力线载波通信现状 北美电力公司早在二十世纪就已开始使用PLC技术，它具有低速率、低频率和异步传输等性能。PLC技术的应用实现了诸多功能，如包含路灯运行、电机控制在内的电力线载波远程控制和语音传递等功能。虽然这些年随着“last mile”宽带接入的要求日益增长，PLC技术改善了仅作为电力系统的一种控制器具的局限，走向了无边的广大市场，成为了拥有强大市场竞争力和很大潜能的一种宽带接入方式。但是在十五年前，PLC应用技术仍集中在设备保护与监控、用电荷重控制、供配电管理、电力载波线路自动抄表等方面。 现在，电力线载波研究主要包含了信道传输性能、信道噪声性能、信道调制、信道电磁匹配兼容性能等方面。在美国，户内组网和户外接入方案是电力线载波通信公司发展的两大方向，用其来研究电力线载波通信的解决方案。户内组网方案是在商业楼宇或住宅楼内组建内部局域网LAN，它以户内低压电力线和电源插销为节点和输送媒介，解决了“last mile”问题，它是低压的解决方案。另一种方案是室外连接方案，它是以宽带等现有通信方法接到变电所，再到下级每个低压变压器，是从中压到低压的方案。当前电力线载波通信在家庭、办公等方面得到了普遍使用。它通过多个Modem组成内部网络，并且同时可以共享无线局域网、外部ADSL等宽带接入。电力线高速接入除了主要应用在欧洲和美国外，在多个国家已有几百个网络。1.1.4 电力线载波技术在智能小区的应用概述 国外在研究实现小区智能化中，采用的传输介质有以太网，有线电视网，专用网络等。但这些系统并不适用我国，他们有的设备价格较高，有的需要重新布线，有的还需使用国外芯片，研究推广价值不大。而电网普及面广，电力线通信有较强的可靠性，从技术和成本来看，是实现小区智能化比较好的方式。特别是对于建成的小区，不用重新布线，节省开支。 采用电力线载波通信，利用家庭网关连接家庭内部网络和小区管理中心，实现住宅小区智能化，可达到防盗报警、火灾自动探测报警、煤气泄漏自动探测报警、紧急求助、 水电气暖气表远程自动抄收. 小区内部电子公告、家庭上网、照明控制系统、家用电器控制、家庭信息的查询和控制等功能。1.2 论文主要内容及结构安排1.2.1 论文主要内容 众所周知，我国电网系统和国外电网的情况有很大不同，因此国内电力线载波通信的研究与国外还有较大距离，如果只是从国外引入电力线通信芯片是无法适应我国实际情况的。当然也不排除在特定的情况下，通过选择合适的PLC芯片，电力线载波通信是可以实现的，这也需要设计符合实际情况的耦合接口。对于任一种通信方式，都具有发射端和接收端，其作用各不相同。电力线通信也不例外，在其发射端，基带通过某种调制方式调制，转换成一种适宜在信道中传输的信号，该信号再经过放大，通过电力线耦合接口，最终被发射到电网系统中。而在其接收端，来自电网的调制信号被耦合接口接收，经过滤波、放大等处理，最终被送入到解调器输出。电力线调制解调设计原理如图1-1所示，虽然电力线通信模块一端发射信号，另一端接收信号，但是在实际设计中，两端的硬件实现方式是相同的，这是因为我们将发射端和接收端集成，通过硬件来转换工作模式。电力线接收机计算机及终端设备控制器放大/滤波接口接口滤波/放大解调器控制器串口串口调制器计算机和终端设备发射机 图1-1 电力线调制解调设计原理框图该论文的重点是调制解调器的设计。调制解调器在电力线通信中起到至关重要的作用，因为它决定了传输速率和通信模式，滤波和耦合接口的设计将影响到通信成功与否及其通信质量。电力线载波通信的调制方式为频移键控（FSK），调制解调器核心器件选择AM7910芯片。1.2.2 结构安排 第一章重点说明了电力载波线路的概述、特点及国内外的研究情况，介绍了该内容在智能小区的应用。第二章从噪声干扰和信道衰减两方面研究了户内电力载波线路信道特性。研究的办法是在讨论、理解国内外现有的信道研究、剖析、建模的内容上，与实际需求相结合，提出了户内近距离的电力线调制和解调方案。 第三章详尽说明了FSK调制方式，设计了电力载波线通信调制解调器。 第四章在介绍电力线载波通信系统程序流程图、通信协议的基础上，对小区管理中心的上位机系统软件进行了探讨。 第五章主要对智能小区通信进行了测试分析，验证其可靠性。第六章对电力载波线路在智能小区的应用进行总结展望。2 电力线信道分析及调制解调方式的选择 在电力线通信技术研究中，电力线信道分析是极其重要的一部分，它是其他各种研究的基础，只有先对电力线信道进行分析，才能进行其他电力线通信研究。电力线信道分析的目的是找到最佳的调制解调方式，适应电力线的各种需要。2.1 电力线信道噪声分析电网系统中正在工作的各种用电设备产生电力线信道的噪声。大量资料表明，电力线信道的噪声不仅随时间、地点的不同而变化，还与人类的各种活动有关。幅度满足高斯分布，功率谱密度分布均匀的噪声称为高斯白噪声。低压电力线的传输网络结构复杂，连接的负载很多并且变化多端，因而将其简单归结为加性高斯白噪声是不准确的，它的噪声非常复杂。电力线信道噪声包括有色背景噪声、窄带噪声、随机脉冲噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声等五大类。有一种的功率谱密度对比较低，且随频率发生变化，这是有色背景噪声。窄带噪声是一种幅度调制的正弦信号，它由无线电广播发射而引起。到达时间具有随机性的一种噪声，持续时间从几s到几ms不等的为随机脉冲噪声，偶尔背景噪声的功率谱密度低于它的50dB。与工频同步的周期性脉冲噪声的产生首要是由于二极管整流器件，脉冲重复频率是工频或工频整数倍。与工频异步的周期性脉冲噪声基本是由电脑显示屏或电视干扰产生，重复频率与扫描频率同步。其中，有色背景噪声和窄带噪声可归为背景噪声，因为其幅度均方根值随时间变化很慢；随机脉冲噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声的幅度均方根值随时间变化很快，因此可归为脉冲噪声。背景噪声和脉冲噪声构成电力线噪声。2.2 电力线信道衰减分析耦合衰减和线路衰减是在低压电力线传输的时候，由不同原因产生的两种衰减。其中发射端和接收端同电力载波线路电阻电抗不匹配导致了耦合衰减，而接入节点过多、电力线网络过于复杂等都能造成线路衰减。电力线信道的衰减分析应从各个不同的方面进行分析。因为一旦电力线具有了多径信道特征，信号必将会多径传播，从而产生衰减，此外中高压电力线中，造成信号衰减的原因还有其本身的辐射、电磁干扰和热损失等；以及信号在传播中具有延时衰减；电力系统中的一些用电设备也有可能会造成信号衰减。连接点处两种介质具有不同的特征阻抗时，信号传输到此处必将发生反射。而电力线网络存在很多阻抗不连续点，这是因为存在很多分支，发射端发射出的信号，在电力线上传播时不能直接被送到接收端，而在不连续点处发生反射，发射信号受到反射波的影响，从而频率发生选择性衰减。阻抗不连续是由多径传输导致的。2.3 系统方案的论证设计2.3.1 电力线信道结果分析通过前面对电力线信道的噪声分析和衰减分析，以及对信号的主要影响因数分析，我们不难得出，通信条件较为恶劣的是室内电力线信道。电力线信道中的噪声是电力线信道的一个重要特性，随着负载变化而变化，情况复杂，噪声对信号能产生严重的干扰，因为它具有范围广能量大等特点。因此滤波器在接收端是必不可少的，用来对接收的信号进行滤波，另外为了提高信噪比、增强其抗干扰能力，还有对发射端的信号进行编码处理。电力线信道还有另外一个重要特性，就是信道衰减。电力线通信不应该作为远距离传输方式，因为它的衰减随传输距离增大而增大，但是电力线通信在近距离和窄带通信方面具有明显的优势。因此在调制方式的挑选上，一定要达到抗干扰和抗衰落的性能要求。2.3.2 选择合适的调制方式幅度键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK是数字调制中最根本的调制方式。为了进行调制方式的挑选，我们需要将2ASK、2FSK、2DPSK调制系统进行对比，基本涉及误码率、频带宽度、信道敏感性、设备复杂度等方面。误码率是判定数据在规定时间内数据传输准确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数100%。在2ASK、2FSK、2DPSK调制系统中，误码率和输入信噪比存在某种关系，设误码率为，信噪比为r。下表即为二进制数字调制系统误码率公式表：表2-1 二进制数字调制系统误码率公式表名称与r的关系相干2ASK=相干2FSK=相干2PSK=从表中数据我们不难得出，在抗加性高斯白噪声方面，相干2ASK性能最差，相干2PSK性能最好，相干2FSK性能居中。频带宽度是传播模拟信号时的信号最高频率与最低频率之差，保证某种发射信息的速度和品质所需占用的频带宽度的允许值。在频带宽度角度讲，2FSK是不合适的，因为在码元宽度为时，它的频带宽度近似为 ，而2ASK系统和2PSK系统的为2/。在上述两个方面的考虑以外，还应该值得我们更加注意信道的敏感性问题。在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输出信号的幅度有关。因此，它不随信道特性的变化而变化。这时，接收机容易保持在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为A/2，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度A将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。从设备复杂性角度来说，三种系统发送端设备相差无几，接收端复杂度同调制解调方式密切相关，在同一种调制方式中，在进行相干解调时，2PSK系统的设备最复杂，2FSK较复杂，2ASK最简单。综合总结以上四个方面来考虑，FSK调制方式最为合适，所以我们将采用FSK的调制方式进行设计。3 电力线载波调制解调器的设计上一章分析了室内电力线的信道特性。虽然实际情况中电力线信道条件较差，但是采用合理的调制解调方式、恰当的电路设计，在一定距离还是可以达到通信的目的。在上一章对信道分析的基础上，本章详细介绍基于FSK调制方式的电力线载波通信调制解调器的设计。3.1 频移键控FSK频移键控（FSK）是在信号传递中采用的比较早的一种调制方式，最普遍的是使用两个频率来承载二进制1和0的双频FSK系统，即根据数据的值（0或1）将载波的频率得以调制。比如与二进制0的载波频率相对应的是F1，而与二进制1的载波频率相对应的为F2。从技术上的方面来看，FSK可分为两个类别，即为非相干的FSK和相干的FSK 。FSK信号波形图和参数说明如下图所示。图3-1 FSK信号波形图元素长度（ms）图3-2 FSK参数说明|F2-F1|=波特率*偏差；中心频率=(F1+F2)/2；波特率=1/元素长度；FSK信号可以表示为 （3-1）和为振荡器的初相，和是其两个频率。3.2 FSK调制电力线系统性能分析 因为该项目的设计是采用FSK调制的，所以首先应分析该调制方式的电力载波线路通信系统的性能。3.2.1 电力线通信系统模型由前文可知，发射机、接收机、电子负载、电力线等共同组成了电力载波线路通信系统，通常来讲我们所说的接口是一个耦合变压器的次级，它连接着调制解调器。图3-3 电力线通信等效电路图 设n表示耦合变压器的转换比率，和是等效的阻抗和感抗，他们可以分别写成： （3-2） （3-3） 这里Rs 和Rp是变压器次级和主级的直流阻抗；和分别是变压器两级的感抗。图中C1和C2是调制解调器耦合电容，和是变压器的等效电路元件，和是电力线路的等效元件。等效电路图中的 ABCD 参数计算如下： （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） （3-9） （3-10）在(3-10)式中 （3-11）Zi(s)和Zo(s)分别是等效电力线通信网络的输入和输出阻抗；是电压传输函 数，它可以用来计算源端与负载端之间由电路引入的损失，这种损失可以表示成、，这里的是整个网络在输入端的可用功率，按最大功率转换原则，可写成： （3-12）是消耗在负载阻抗ZL上的功率： （3-13）整个网络在输入端与输出端之间的功率损失按(3-14)式计算： （3-14） （3-15）传输函数Av(s)的系数如下： （3-16） （3-17） （3-18） （3-19） （3-20） （3-21） （3-22）按照通常的电力线通信调制解调器设计，这里的可以写成： （3-23）下面是不同情况下系统功率的损失示意图。 功率损失（dB）频率（kHz）图3-4 功率损失与载波频率关系示意图上图说明系统功率损失随载波频率的上升而变大，这与上一章分析传输线特性有相同的结果（通常设计的窄带电力线通信频率一般选95kHz200kHz）。功率损失（dB）f=200KHzf=150KHzf=100KHzf=50KHz负载阻抗（ohm）图3-5 功率损失与负载阻抗关系示意图上图说明，系统功率损失随负载阻抗的增加而减小。负载阻抗越大，功率损失越小。负载阻抗减小，则说明线路中接入用电设备多，那么线路分枝多，信号被反射、吸收就多，因此功率损失大。功率损失（dB）图3-6 功率损失与传输距离关系示意图上图说明，传输距离越大，功率损失也随之增大。3.2.2 FSK调制电力线通信系统性能分析连续FSK调制，误码率 （3-24）其中， （3-25）式中，N为噪声功率、C为载波功率、是波特率、为噪声宽带。 （3-26）这里的 是在信道热噪声下的载波与噪声的比率，是载波与第k个干扰之比。通常连接到电力线上的用电设备是电力线通信系统主要的干扰源，如日光灯整流器、荧光灯、灯光亮度调节器、电动机、显示器、计算机、电扇等。常规的通信系统中，信号幅度都是比较高的，因此热噪声并不会真正使PLC性能下降。如果忽略FSK性能分析中的热噪声影响，则可得到： （3-27）误码率参考文献根据以上分析，给出了采用FSK调制的电力线通信性能分析示意图，说明了误码率与载波频率、通信距离及电力线负载阻抗的关系，如图3-7、3-8、3-9所示。从中我们可以发现误码率随载波频率的增大而升高，随通信距离的增大而加大，随着负载阻抗的增大而减小。载波频率（kHz）图3-7 误码率与载波频率关系示意图上图为误码率有载波频率的关系，误码率随载波频率的增加而增加。误码率 通信距离（m）图3-8 误码率与通信距离关系示意图上图为误码率与通信距离的关系，误码率岁通信距离的增加而增加。负载阻抗（欧）误码率图3-9 误码率与负载阻抗关系示意图上图为误码率有负载阻抗的关系，误码率随负载阻抗的增加而减小。3.3调制解调器电路设计3.3.1 智能模块中SC1128与微处理器的接口电路微处理器通信和SC1128中的36脚、37脚和38脚相接，36脚是收发控制端，0是接收，1是发射；37脚在发射和接受同步之后产生的同步脉冲信号，频率是随着工作主时钟和周波的变化而变化；38脚是输出发送和接收的数据。微处理器对SC1128内部SRAM的读写是通过39、40和41脚完成，39脚LINE是串行数据的输入输出端；40脚SETCLK是同步时钟的同步输入端；41脚CS是片选输入端29。智能模块中的微处理器是采用ATMEL公司研制的89S51芯片。它是一款性能高而功耗低的8位CMOS微处理器，与MSC-51系列的微处理器能够兼容，内部的FLASH ROM是4K字节，RAM是128字节，定时器/计数器2个，中断源5个，还有看门狗定时器，全双工串行口。SC1128与单片机的接线图如图3-1030。图3-10SC1128与AT89S51的接线图 单片机的Pl.5与SC1128收发控制端的36脚相接，起到控制收发状态的作用，36脚在低电平时为接收，高电平时为发送。单片机的P3.2（外部中断0）与SC1l28的同步脉冲端37脚相接，37脚在发送和接受同步后会产生同步脉冲信号，从而引起单片机执行中断，执行中断它的服务程序。单片机的Pl.7与SC1128发送/接收数据端38脚相接，起到传输收发的数据位的作用。只要通过改变Pl.5电平高低，就可以控制单片机处于电力线数据的接收或发送状态，具体的收发工作可通过中断服务程序来读写PI.7上的数据而完成。单片机的P1.2与SC1128串行数据的输入输出端LINE（39脚）相接；P1.3与SC1128设置时钟输入端的SETCLK（40脚）相接；P1.4与SC1128片选能端CS（41脚）相接。单片机通过控制39脚、40脚、41脚，实现对SC1128内部SRAM以及寄存器的读写，并设置工作参数。3.3.2 智能模块中模拟量输入输出电路的设计 智能模块中的模拟量输入电路如图3-11，0-5V标准信号由传感器传出，经过运放LM358组成的电压跟随器，最后经过AD转换并传给单片机处理。 图3-11模拟信号输入电路运算放大器LM358的输入阻抗很大，近似于在传感器和AD转换器之间开路，并有电压跟随作用，从而可以保证输入电压的准确性，还可以为AD转换器输入端保证有足够的驱动电流。如果直接将传感器电压加到AD转换器输入端，并没有电压跟随器，则导致输出电压发生变化，测量不够精准。AD转换器采用的是美国TI公司研制的10位串行AD转换器TLC1549，技术相对成熟，具有自动采样、保持电路和片内系统时钟。采用串行方式，导致它只有8个管脚，仅需三条线与单片机相接即可，操作简单，所占用的空间也非常少。只要在工作温度范围内，它的转换时间只需21微秒，采样和输出数据时间为10个脉冲，输出数据与数据采样可以同时完成，使得转换速率很高，转换精度也非常高。它的高电压参考端REF+与电源相接，低电压参考端REF-与地相接，片选端（5脚）与单片机P2.4相接，数据输出端（6脚）与单片机P2.3相接，时钟端（7脚）与单片机P2.2相接。图3-12模拟量输出电路图智能模块中的模拟量输出电路如图3-12所示。P0口输出的数字量由常用的8位DA转换器DAC0832转换成电流信号后，再由12脚Iout2输出，尔后电流信号通过运放LM358和反馈电阻R9转换成电压信号并输出，反馈电阻R9可据情调节阻值，从而获得最佳输出电压范围。3.3.3 主控制模块中的串行通信接口电路设计图3-13主模块串行通信接口电路家庭网关既可联接家庭内部网络和小区电网二者，也可通过RS232通信交换信息，联接家庭电脑和Internet二者。家庭网关串口采用的RS232协议规定：处于+3V+15V之间，任意电平是逻辑“0”电平；处于-3V-15 V之间，任意电平是逻辑“1”电平。而单片机采用TTL或CMOS电平，与家庭网关串口进行通信时，必须进行电平转换。电平转换工作由接口模块通过MAXIM公司的双RS232发送/接收器MAX232芯片完成。该芯片功耗低，采取单电源。单片机与MAX232接线电路图如图3-13。内部电源转换通过MAX232外围4个电解电容E5、E6、E7和E8完成，电容值均为10uF /16V。MAX232的其中4个引脚R1OUT、T1IN和R2OUT、T2IN，分别是两对TTL/CMOS的收发引脚；另外4个引脚R1IN、T1OUT和R2IN、T2OUT，则分别是两对RS-232C电平的收发引脚。因此，可将T1IN与单片机的串行发送脚TXD相接，T1OUT与计家庭网关串口0的RXD脚相接；R1OUT与单片机的串行接收端RXD相接，R1IN与家庭网关串口0的TXD相接。图中DB9代表的是家庭网关串行口0。此方案也能够用于小区管理中心的主控制模块与小区服务器之间的通信。 3.3.4 跨越变压器问题的解决方案若小区由一台电压器供电，处于同一个变压器范围内的电力线载波通信技术已经趋于成熟，实现起来比较简单。若小区逐步扩大或多个小区之间联网，电力线通信网则可能在多台变压器下工作，而变压器对载波信号存有阻隔作用，信号在技术上能够成功跨越变压器成为一个需要解决的问题。这解决这一问题，业内也曾提出几种解决办法，比较多的是在线路上设置阻波器和滤波器等设备，使信号经过这些设备后跨越变压器。而使用阻波器与滤波器，实际上就是一种模拟电路的解决方案，必定会造成信号失真，影响整体效果。也有的提出在变压器处使用无线信号，但这会造成信号丢失，而且成本会大幅增加，不利于推广。 综合以上因素，设想建立数字中继器，如图3-14所示。 图3-14 数字中继器方框图 数字中继器有三部分组成，分别为耦合模块、信号处理模块和调制解调模块。耦合模块采用电源耦合电路、信号耦合电路这两种。信号处理模块有带通滤波电路和信号放大电路二种。调制解调模块由调制解调芯片、SC1128以及外围电路三部分组成，起到信号的还原、校正、调制、解调等功能。 数字中继器主要可以达到2个目的：其一，通过变压器一侧把电力线上的信号提取出来，依次经过信号处理模块、调制解调模块，从而使信号解调、校正、放大，然后从另一侧调制传输，信号则可成功跨越变压器；其二，可有效解决电力线存在噪声干扰、信号衰减等缺点，大幅度提高电力线远距离通信的可靠性。综上所述，数字中继器既可以使信号成功跨越变压器，也可以使信号还原放大，提高电力线的传输距离。4 基于电力线载波智能小区软件设计4.1 电力线载波通信系统程序流程图当系统启动时，程序完成初始化后便自动进入从电力线接收数据的状态，开始检测载波信号的有无及正确与否。如果检测到载波信号且正确，则系统进入载波接收中断程序，开始接收从电力线上传来的数据；如果一开始没有载波信号，则系统开始检测串口，判断串口是否有数据传送过来，则系统重新进入检测状态，重新开始检测电力线，进入新一轮循环。流程图如图4-1所示。为了避免串口同时处于接收与发送状态，造成数据冲突，程序中是以状态字的查询以及中断的设置来完成。图4-1 电力线载波通信系统流程图4.2 电力线载波通信协议电力线路的首要作用并非是用来传送信号的，因此在数据的传送过程之中，其信道的特征极其复杂。因此为了改善这种情况，我们普遍上使用中继、选频通信等方式。传送信号的时候，频率选择性极度消耗，这能够通过选频通信来避免，而中继通信多用于长距离传输。物理层，应用层，数据链路层为通信协议的参考模型，每层内都可以进行信息的传输，这需要通过确定的数据结构和接口函数得以实现，每层之间具有独立性。协议中最为重要的是物理层，它在通信过程中是必不可少的，它的最主要作用就是建立信道。数据链路层是为了强化上一层，也起着至关重要的作用。地址定义分配、应用类型定义、消息处理都是应用层可以实现的功能。传输信号的根本单元是帧。几个字节可以构成一个域，六个域可以组成一个帧，分别为控制域、标志域、数据长度域、数据域、帧结束域、帧信息纵向校验域。起始域控制域二级功能代码中继板地址地址域数据位1,2通信频率CRC校验结束域图4-2 命令帧格式命令帧格式如上图所示，低位最先传输，每字符根据由小到大顺序排列。起始域标志着一帧信息的开始，其值为68H=01101000B。控制域的控制字格式如图4-3所示。D7D6D5D4D3D2D1D0数据帧类型传输方向子站要求访问位中继级数一级功能代码图4-3 控制字格式其中，D7表示主站与子站通信的方式，分直接通信与中继通信。D7=0表示直接通信；D7=l表示中继通信。D6D5=00表示报文是由主站向子站传输；D6D5=01表示报文是由子站向主站传输；D6D5=10表示报文是由主站向中继站传输；D6D5=11表示报文是由主站向子站广播传输。D4仅在子站向主站或中继站发送帧时有效，D4=1表示子站希望向主站传送1级数据。本规约中，D3D2为两位二进制表示，最大级数为3级。D1D0=00表示一级用户数据，如变位信息：DID0=01表示二级用户数据。二级功能代码，根据DIJT7212000配电网自动化系统远方终端的基本功能要求制定，分为一级用户数据和二级用户数据。中继板地址，本规约试用平台的通信子站同时作为中继通信的中继站，该中继板地址与其作为通信子站的编号一致。地址域，规