DSP控制的电力线通信模拟前端接口设计

1、DSP控制的电力线通信模拟前端接口设计°作者:日期:DSP空制的电力线通信模拟前端接口设计 日期:2008-7-11 来源：电子产品世界 作者: 装甲兵工程学院 陈建明 字体：大 中 小 引言随着电子技术和网络技术的发展， 运用电力线 作为载体进行信号传输受到人们越来越多 的重视，得到了越来越广泛的应用。 电力线 是当今最普通、覆盖面最广的一种物理媒介，由 其构成的电力网是一个近乎天然的物理网络 .如何利用电力网的资源潜力，在不影响传输电 能的前提下 ,将电力输送网和 通信 网合二为一， 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技术攻

2、关的一个热点 .电力线 载波 通信就是在这 种背景下产生的，它以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。电力线 作为载波信号的传输媒介 ,是唯一不需要线路投资的有线 通信 方式。作为通信技术的一个新兴应用领域， 电力载波 通信技术以其诱人的前景及潜在的巨大市 场而为世界关注 .我国从上世纪 50年代开始从事 电力线 载波通信技术的研究。 90 年代以后， 电力线 载波技术的需求随着我国经济的发展进一步扩大。 目前， 该技术开始应用于家居自动 化、远程抄表、宽带上网等领域。专家介绍 ,在一些干扰大、布线困难的工业领域若要实现 自动化控制 ,采用电力载波 通信 方式能达到事半功倍的效果， 因此 ,

3、电力网又被喻为 “未被挖掘 的金山 ”。实现电力线 载波通信的方法有很多， 通常利用一个专用 通信芯片实现系统的调制解调部 分，而系统的应用部分则使用另一个控制器来完成，这种双片法是一种不错的选择.随着数字信号处理技术的发展，可以合二为一，一个高级的 DSP 控制器可以实现 电力线 调制解调 器的功能。 DSP 控制器可以在软件上实现调制解调器功能，用片上外设在 电力线 上通过模 拟终端接口，来实现接收和发送 .本文叙述的是一个遵从 CEA709 1协议，使用定点 DSP 控制器( TMS320LF2812) ， 从软件和硬件上来实现 电力线 调制解调器的系统。文中描述了模拟终端具体的设计方法

4、 ,而 这个终端对稳定的收发运行过程来说是必要的 .1 基于 CEA709 协议的系统框架图 1 为 ANSI/CEA709 协议标准的物理框图。该协议的详细说明可见参考文献1 .cttcMjrQft采样移位内觀就L不17tA DCi数字忆L，AGC棋拟处理帝锤图1 CEA709协议物理层框图在轨道交通、网络能源管理、智能楼宇、暖通空调、煤矿安全、能源和环境管理等领域应用广泛的控制网络平台Lon Works成为中国国家标准指导性技术文件。全球的楼宇、家庭、工业和运输自动化业目前大量采用了基于LonWorks平台。LonWorks平台是世界上最大住宅智能电表网络的核心技术平台，被瑞典、荷兰和澳大

5、利亚等国家的住宅和小型商业电表的智能表所采用，而运行在此平台上的协议是美国控制网络标准ANSI/CEA709。目前，已有越来越多的中国生产厂和集成商采用了ANSI/CEA709协议标准，例如在青藏铁路 一-世界上最长的高海拔铁路列车上，利用LonWorks技术平台，采用ANSI/CEA709协议用于技术 监测和控制各种系统，包括监测最先进的旅客用供氧系统。对于图1中的CEA709物理层框图，用DSP来实现CEA709调制解调器功能的系统框图如图2所示.DSP (TMS320F2812 )具有150MIPS的计算能力，信号采集使用一个 12 位片上模/数转换器，其转换速度为12 Msps，DSP

6、提供多PWM来适应电力线调制解调器。图2系统框图2个片上PWM输出和1个线驱动器用于实现调制解调器的发送功能一个A/D输入用来采样带通输入端口信号，以此来实现调制解调器的接收功能，带通滤波器实际上是一个离散滤波器。它们和交流阻塞电容、耦合变压器一起完成接口的模拟前端设计下面主要介绍模拟前端接口的设计过程。2模拟前端及接口的实现CEA709通信系统以131。579 kHz载波频率来定义，每个传输数据位由载波频率正弦 波上24个周期组成，因此波特率为5。5kbps。每个位段的相位可以设为0。而使该位置0,也可以设为180。来使该位置1。2.1信号接收首先去除耦合网络中的50/60 Hz电力线电压，

7、然后再用一个二阶有源带通滤波器滤出信号，可以检测到131.5kHz的调频信号。这个滤波器是通过一个运算放大器来建立的。带 通滤波器的输出由DSP的模/数转换器的一个通道采样，信号采样序列由FIR滤波器处理,同时,这个滤波器的输出用来进行时钟恢复和数据检测。采样得到的是115 kHz的接收信号，它是载波频率的（21/24）倍这个信号在131。5kHz至中频16.5kHz的范围内向下采样，然后用采样频率时钟与输入载波正弦信号混合相乘，两个正弦波相乘的结果生成两个正弦波频率的和"与差”的合成信号，如图3所示.flII*it，rii ill i1II1 lh1 1ini 0Rf frr k

8、|kA图3采样后的频率效应运行时，DSP在每个ADC采样转换完成后都会产生一个中断，然后每个采样信号就和数字PLL （ PhaseLocked Loop锁相环）输出比较，来估计接收到的信号的相位 .在频率5。5kH z下，相位是确定的。如果相位小于均0。那么就假定接收到的是“0”号，否则就是“信号。接收的位序列和已知的 位同步”域进行比较，当位同步数据接收到之后， 调制解调器就开始 搜寻 字同步”域。字同步数据标志着消息数据的起始 ，同时也定义了消息数据的极性。当包的数据确定后，11位码字解码为8位的数据字节，接收字节的校验位和通过计算得到的校验 位进行比较，数据从物理层传送到MAC层。然后接

9、收数据进行 CRC校验比较，正确数据从数据链路层传输到网络层2。2相位检测为了检测发送信号的 “（或 “ 1,"中频信号16 o 5kHz的相位是离散的接收信号值的形式 首先需要用接收的采样信号驱动一个数字锁相环，当这个锁相环的输出被接收的信号同步地锁住后，锁相环和接收信号之间的复数相位的估算是由锁相环调制产生的。复数相位的实部 是余弦和，当接收到“0”号时，它是一个很大的正数值；相反接收到“ 1时，它就是一个大的负数。复数相位的虚部是正弦和。它代表了相位有偏差，并反馈给锁相环来调整正弦输出以跟踪接收的信号余秋求宜XAGC图4接收信号处理框图图4为完整的接收信号的处理框图为了提高系统

10、的稳定性，加上了一个自动增益控制模块（Automatic Gain Control,AGC ）。它是通过侦测接收信号的平均大小来接收信号的。2.3信号发送在该应用中，发送信号通过 DSP控制器的片上PWM （脉宽调制模块）直接生成。每 一位定义有24个周期,因此PWM控制器允许运行 24个周期；而后，根据下一个发送位的 极性，通过一个中断来重新给 PWM输出赋值。欲发送的消息数据从应用层依次输送到会话 层、传输层、网络层、数据链路层 ，然后到达物理层，形成发送波形 在数据链路层时，消息数 据的CRC字经计算后附加给数据，物理层确定信道是否可用，然后把数据发送出去。2。 4 PWM生成发送波形三

11、级信号波形是通过把 DSP控制器的两个PWM输出相加得到的，然后该波形由低通滤 波器产生一个正弦波。 与标准的二级方波相比， 三级波形的奇次谐波能量要小很多，不同的脉冲宽度会产生不同的谐波频率。为了将滤波器需要清除的谐波减到最小，需要确定最佳的脉冲宽度从下式对称脉冲的傅里叶级数公式，可以找到这个宽度。式（1 ）中T代表基波频率周期，3代表脉冲宽度。那么，总的谐波失真 THD可用下式表达I miT HD = <2；对式（2）求最小的总谐波失真，则最佳脉宽大约是周期 T的37% ;然而，这还没有考 虑到低通滤波产生的影响。如果用二阶低通滤波器，将会得到不同的结果。在模拟时，二阶低通滤波器的Q

12、设置为2.3。如果Q很大，THD会更好,但是会造成码间干扰，因此,最好 是把正负数字脉宽设为脉冲周期的1/3长,将低通滤波器角频率和数字脉冲序列的频率设为相同。1/3脉宽可以通过使用12倍于发送波形频率的定时时钟信号来获得，如图5所示。通过使用1个模拟电路，将 2个数字信号相加，而后低通滤波器滤掉谐波，就可以从PWM输出获得正弦波。G12 34J678 9 1OI1讪 nnjnrLrLnnnjmnnrLnmLrLpch(j(l-12 dkswidths椰elks图5三级波形结构2。 5发送放大器设计发送放大器由SallenKey滤波器决定，发送低通滤波放大器如图6所示。这个电路的传输函数如下：

13、a-RC图6发送低通滤波放大器这里，R1=kR，R2=R,C仁C,C2=aC.假设放大器增益为 2,则vout可以表示如下Q最大时滤波器的峰值最大，而当商数k/(1+k)为1时Q最大。因此图6中SallenKey滤波器中的电阻 R1和R2 一般相等，Q根据电容的比值来确定。发送放大器有2个输入端，2个输入信号是从处理器的 PWM输出端中的信号过滤而来。 放 大器发送频率的峰值越大，谐波频率中的相对衰减也越大，因此，希望电阻R1、R2、R3的并联组合与R4电阻相等，以此来获得一个较大的 Q值。若定义R4=R,则：此外,定义衰减因素k为:然后，能根据R和k来定义电阻值:定义电容为C仁C,C2=aC

14、,根据A、k、a、R和C,发送放大器的传输函数如下:其中:给定Q,电容比率为:I 土1) + 12十(A- I)若放大器增益 A=2,且取a的较小解，则刊 I 1 /sQ“匸 + 最后，s=0，传输函数增益为：这样,就求得了所有定义发送放大器部件的参数，通过以上的参数可以开发调制解调器 模拟终端。3结论本文只对电力线调制解调器的硬件设计过程进行了描述，软件设计主要是根据CEA709协议的要求通过 DSP来完成的。在设计和实现中还有许多关键技术问题需解决，因篇幅 所限未作详细说明这个基于单一定点 DSP控制的调制解调器硬件系统在各种电力条件下进 行检测，其功能较稳定和可靠，正应用于智能家居的系统

15、中。参考文献:1: ANSI/EIA/CEA709.1B2000Control Network Protocol Specification OL: . 20070512。http:/www .lonm /products/guides。htm # Ion talk。2 Warre n Webb。 Thi nki ng in side the box: Buildi ngs get a brain J. EDN,200 5 (7 )： 49-57.3 Texas Instruments TMS320F2812 Data ManualOL. 20070810 。 http : /f

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