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电力载波芯片ST7538及其应用 摘要：介绍一种最新推出的电力载波调制解调器芯片ST7538的基本原理，给出ST7538的主要控制电路和接口电路，讨论应用该芯片后些注意事项。 关键词：电力载波通信 ST7538 家庭网络 工业网络利用电力线作为通信介质的电力载波通信，具有极大的方便性、免维护性、即插即用等优点，在很多情况下是人们首选的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在电力载波芯片ST7536、ST7537基础上推出的又一款半双工、同步/异步FSK（调频）调制解调器芯片。该芯片是为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的，与ST7536和ST7537相比，主要具有以下特点：*有8个工作频段，即：60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz；*内部集成电力线驱动接口，并且提供电压控制和电流控制；*内部集成+5V线性电源，可对外提供100mA电流；*可编程通信速率高达4800bps；*提供过零检测功能；*具有看门狗功能；*集成了一个片内运算放大器；*内部含有一个具有可校验和的、24位可编程控制寄存器；*采用TQFP44封装。可以看出，ST7538是一款功能强大的、单芯片电力线调制解调器。图11 ST7538工作原理ST7538是采用FSK调制技术的高集成度电力载波芯片。内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中。ST7538还提供了看门狗、过零检测、运算放大器、时钟输出、超时溢出输出、+5V电源和+5V电源状态输出等，大大减少了ST7538应用电路的外围器件数量。此外，该芯片符合欧洲CENELEC（EN50065-1）和美国FCC标准。图1为ST7538内部原理框图。1.1 发送数据当RxTx为低时，ST7538处于发送数据状态。待发数据从TxD脚进入ST7538，时钟上升沿时被采样，并送入FSK调制器调制。调制频率由控制寄存器bit0bit2决定，速率由控制寄存器bit3bit4决定。调制信号经D/A变化、滤波和自动电平控制电路（ALC），再通过差分放大器输同到电力线。当打开时间溢出功能，且发送数据时间超过1s或3s时，TOUT变为高电平，同时发送状态自动转为接收状态。这样可以避免信道长时间被某一节点（ST7538）点用。1.2 接收数据当RxTx为高时，ST7538处于接收数据状态。信号由模拟输入端RAI脚进入ST7538，经过一个带宽10kHz的带通滤波器，送入一个带有自动增益AGC的放大器。该滤波器可以通过控制寄存器bit23置零取消滤波功能。自动增益放大器可以根据电力线的信号强度自动调整。为提高信噪比，经过放大器的信号送入一个以通信频率为中心点、带宽为6kHz的窄带滤波器。此信号再经过解调、滤波和锁相，变成串行数字信号，输出给出ST7538相连的微处理器。 可以通过使控制器的bit22置位，使ST7538处于高灵敏度接收状态。1.3 工作模式选择通过微处理器与ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T，可以实现微控制器与ST7538的数据交换。ST7538的工作模式，由REG_DATA和RxTx的状态决定。微处理器对电力线的访问可以采用同步方式或异步方式。异步方式只需要RxD、TxD和RxTx,无需辅助时钟信号。无载波信号时,RxD输出低电平，对于同步方式，需要CLR/T作为参考时钟，并且ST7538必须是通信发起者（Master）。对ST7538控制寄存器的访问必须采用同步访问方式，需要RxD、TxD、CLR/T和REG_DATA,CLR/T上升沿有效，发送数据高位在前。1.4 复位及看门狗ST7538内部嵌入一个看门狗，可以产生一个内部和外部的复位信号，保证CPU的可靠工作。2 系统硬件组成电力载波通信节点模块一般包括以下几部分微处理器部分、载波部分信号滤波部分和电力线信号耦合与保护部分。图2给出了利用ST7538和Atmega8L构成的通用电力载波通信模块。这里仅就滤波部分作简要介绍。信号滤波部分是整个模块的关键部分，它包括输入窄带滤波器和输出窄带滤波器两部分。图3为输入滤波电路，它采用并联电流谐振电路构成滤波电路，滤除指定频率以外的无用信号和噪声。该谐振点频率f1为图4为输出滤波电路，它采用串联电压谐振电路，避免无用信号耦合到电力线上。该谐振点频率f2为：电力线耦合部分采用1：1宽带通信变压器，同时二次侧采用瞬间电压抑制器P6KE6V8A，保护后级电路。3 应用注意事项ST7538比早期推出的ST7536、ST7537功能强大得多，引脚也从28脚增至44脚，使用起来仍然很方便，但还需要特别强调以下几点：注意保证上电复位时间和顺序。ST7538复位时间为50ms，微处理器上电复位时必须有足够长的硬件延时和/或软件延时，保证ST7538可靠复位。ST7538可靠复位后，方可对其进行初始化操作。ST7538有8个通信频段，但是同一时刻只能采用一种通信频率。要改变通信频率，则需要调整硬件参数。ST7538内部提供的仅是纯透明的物理层通信协议，当噪声信号混入通信频率时，ST7538无法区分，它将与有用信号一起被解调。因此，ST7538要求用户必须自己制制MAC层通信协议，以保证通信的可靠性。用ST7538组成系统时，多个节点通信可以采用总线介质访问竞争性协议，例如CSMA（载波监听多路访问）。但是，电力载波通信毕竟通信速率低、效率不高。因此，可以考虑利用ST7538的这零检测功能。利用过零点，实现同步数据传输，进而可以在一个比较大的系统中实现非总线介质竞争的“类TDMA”（时分多址）协议，该协议经常用于GSM等数字无线通信系统。结语ST7538是一款功能强大、集成度很高的电