电力线通信信道分与照明控制系统设计

年5月29日电力线通信信道分与照明控制系统设计文档仅供参考摘要随着城市发展的脚步不断加快,市区的照明系统为建设安全城市,和谐社会做出了巨大的贡献。可是,每年的照明耗电相当于全球17%的发电量,中国照明耗电约为2187亿千瓦时,相当于三峡水力发电工程建成后,年发电能力840亿千瓦时的近3倍。为了实现照明节约用电,同时易于管理照明系统,需要改变传统的照明控制方式。电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式,它利用电力线作为传输载体,以变电站为终端,经过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输,具有信息传输可靠、可同时复用等特点。经过载波,电力线能够传送语音、图像、数据而且能够进行信息交换、处理、控制、检测,实现信息的自动化。当前,电力线载波技术主要用于35KV及以上高压线路上,载波带宽为40一500KHZ,传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等。可是,在中低压电力线的利用上仍处于研究阶段。本论文首先对低压电力线信道特性进行分析,并建立相应的信道模型;接着对设计中采用的直接序列扩频技术的原理、实现方法及其作为电力线载波通信调制方案的可行性和优越性做了详细的论证;随后详细介绍了系统构架及主要模块的软硬件实现,其中硬件设计包括电力线载波芯片PL3106外围接收、发送电路的设计,以及系统供电电源部分;软件开发主要包括单片机汇编程序的编写和主机与单片机通信程序的编写;然后,针对系统在实验中暴露出的问题给予简单分析、提出了解决方案。关键字:电力线载波,PL3106,直接序列扩频技术ABSTRACTAlongwiththepaceofcityconstructionquickening,lightingsystemplaysagreatroleinsafecity,harmonysocietybuilding.Lightingconsumes17%electricitygeneratedintheeartheveryyear.In,218.7billionkwhelectricpowerwasusedinlighting,anditisalmostasthreetimesasthetotalelectricitygeneratedbySanxiawaterplanwhenitcompleted.Toeconomizelightingelectricityandmanagelightingsystemeasily,thecontrolquomodooflightingsystemshouldbechanged.PowerLineCarrierCommunicationPowerSystemisauniquemeansofcommunication,whichusespowerlinesasatransmissionmediumtosubstationfortheterminal,throughthecarriermodeanalogordigitalsignals,high-speedtransmissionwithreliableinformationtransmissioncanbemultiplexedatthesametimeandsoon.Throughthecarrier,powerlinescansendvoice,video,dataandcanexchangeinformation,treatment,control,detection,automationofinformation.Atpresent,themainpowerlinecarriertechnologyforhighvoltage35KVandabovetheroad,a40-carrierbandwidth500KHz,sendinformation,includingdataprotection,remotecontrol,text,voiceandimages.However,theuseoflow-voltagepowerlineisstillataresearchstage.Inthispaper,low-voltagepowerlinechannelcharacteristicsforanalysisandmodellingtheestablishmentofthecorrespondingchannelfirstly;thenusedinthedesignofdirectsequencespreadspectrumtechnique,anditsimplementationasapowerlinecarriercommunicationmodulationschemetodothefeasibilityandsuperiorityofthedetailedfeasibilitystudies;thendetailedthesystemarchitectureandmainmodulesofthesoftwareandhardwaretoachieve,includinghardwaredesign,includingpowerlinecarrierPL3106chipperipheralsforreceiving,sendingcircuitdesign,andsystempowersupplypart;softwaredevelopmentincludesingle-chipassemblerhostwiththepreparationandproceduresforthepreparationofsingle-chipcommunication;andthen,inviewofthesystemexposedintheexperimenttogiveasimpleanalysisoftheissueandputforwardsolutions.KEYWORDS:powerlinecarrier,PL3106,directsequencespreadspectrumtechnology前言电力线载波通信,简称PLC(PowerLineCommunication),是以电力网作为通信信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力载波通信的工作原理是把自动化设施中的有效数据经过调制解调器调制后耦合到电力线上,然后经过电力线传输到对端调制解调器,再有对端调制解调器将信号解调后传输给对端自动化设备。电力线载波通信技术出现于二十世纪二十年代初期。电力线无处不在,无论城市乡村,还是偏远落后地区,随处可见,电力线是输电的主要媒介。因此,利用它来进行信息的传输一直是人们的梦想。电力线载波通信是利用现有的电力线路作为介质进行信息传输的一种通信方式,具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步进行等巨大的优势,有很好的开发前景和应用价值。可是,电力线作为通信介质也具有很多的缺点,比如,可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利于数据传输的特性。传统上讲,电力线载波通信是利用高压电力线(一般在电力载波领域,高压电力线指的是35KV及以上电压等级,中压电力线指10KV电压等级,低压配电线指380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式,广泛运用于电力管理系统、工业自动控制系统、远程控制系统、智能化小区等领域。电力现载波通信在高压输电线上应用已经比较成熟,比如110KV的开放电话,运动,传真,保护,计算机信息等综合业务。再比如,葛楠±500KV直流输电系统中,两换流站运行数据的控制信息就是经过长达1053KM的载波电路传送的,实现了两站间的自动控制。随着载波通信技术的发展,电力线载波现已用于中低压配电网中。在低压输电线路上的载波通信研究,欧美国家不但在产品研究开发及相关标准的制定方面还是技术应用都走在中国的前面,因此在国内对PLC通信进行研究和开发具有重大意义。当前,欧美国家已经利用低压配电网载波通信来实现配电网自动化和负荷控制,并应用于工业控制和家庭自动化中,进而提供电话和视频传输等服务。相对于国外PLC技术的飞速发展,中国在低压电力载波数据通信方面尚处于起步阶段,主要停留在自动抄表、楼宇保安和部分过程控制领域。这几年在国外,电力线已经作为一种家庭总线,应用于家庭智能化和网络服务的接入。例如,利用已有电力线网络,能够在医院或家庭建立起医疗监测网,实现重症监护功能,病人的血压、心率、症状等信息能够在家里经过电力线监测网传送至小区控制中心,再经过公共电话网或Internet传送到较大的医疗单位进行分析、处理和监护。同样,医院能够将治疗或注意事项等信息经过网络传送至小区控制中心,再传送到病人家里,对病人进行远程诊疗。在医院,不但能够用电力线通信实现病人的监护功能,而且能够配合医疗器械智能化,实现智能医疗监测、报警、自动化管理和集中会诊等功能。因此,用电力线载波来实现一些需要经常在线的报警、防盗以及监护等应用,每一个方面都有广阔的发展前景和巨大的市场机遇。相对于国外的这些成熟的应用,国内的低压电力线通信还没有形成规模,还有很长的路要走。另外,中国农村人口较多,农村信息化技术相对落后,信息通信普及面不大,因此在当前的现状下,研究低压电力线通信对发展中国农村和偏远山区等地区的信息产业也具有非常重大的意义。本文主要工作是研究了电力线载波通信技术并利用串行口通信技术实现城市照明系统的监测系统,实现利用电力线载波技术进行监测主机与城市路灯驱动之间的数据传输。本文系统的阐述了中国低压电力线信道的噪声状况,当前常见的电力线载波调制技术,分析比较并选择出合适中国低压电力线的调制方式及相应的载波芯片,针对选择的芯片特性,设计出相应的外围电路,包括发送、接收以及数据处理部分。在硬件电路设计完整的基础上,编写软件程序,并进行相关的实验验证设计的合理性,对得到的结果进行分析。并完成论文。目录TOC\o"1-3"\h\u7984第1章引言 -7-43041.1电力线通信技术的发展状况 -7-212031.1.1单载波模拟通信 -8-278621.1.2普通数字通信 -8-206321.1.3扩频通信 -8-230681.1.4OFDM调制技术 -9-1651.2电力线载波通信技术的应用状况 -10-244491.2.1电力线载波通信技术的国外应用状况 -10-144571.2.2电力线载波通信技术的国内应用状况 -12-17946第2章电力线通信信道分析 -13-102492.1电力线传输信道特性 -13-93382.1.1衰耗特性 -14-164782.1.2阻抗特性 -14-44092.1.3噪声干扰特性 -15-267542.1.4多径干扰 -15-78812.2噪声分析 -16-149792.2.1背景噪声 -16-48212.2.2随机脉冲噪声 -17-45582.2.3与工频同步的周期性噪声 -17-76182.2.4与工频异步的周期性噪声 -18-156732.3噪声模型 -18-151132.3.1背景噪声 -18-313402.3.2窄带干扰 -18-270052.3.3脉冲噪声 -19-198522.4电力线通信信道模型 -20-89012.4.1单根电缆传输函数 -20-80282.4.2多径传输模型 -21-295752.4.3低压电力线信道近似模型 -22-74602.5扩频通信技术的选用 -22-251202.5.1扩频通信的理论可行性 -22-289662.5.2扩频通信系统的基本工作方式 -23-327272.5.3扩频通信的优点 -24-244252.5.4当前需要考虑的一些技术问题 -25-8431第3章照明控制系统设计 -26-292133.1照明控制系统设计方案 -27-230443.2载波通信模块设计 -28-312113.2.1电力线载波通信芯片的选择 -29-55263.2.2PL3106芯片特点 -29-25333.2.3信号发送、接收电路设计 -30-273173.2.4陶瓷滤波电路 -32-51203.2.5掉电检测及电池电压检测 -32-261423.2.6载波耦合电路设计 -33-12851第四章照明控制系统通信协议软件设计 -34-167284.1通信协议设计 -34-188634.1.1OSI模型 -34-80724.1.2当前电力线载波通信协议 -35-247884.1.3本文采用的电力线载波通信协议 -36-261354.2PL3106载波通信软件设计 -41-14844.2.1载波通信模块使能 -41-141774.2.2PL3106载波通信接收和发送程序设计 -43-212334.3主、从控制器程序设计 -44-2055结论 -46-18277本文总结 -46-19351工作展望 -46-7569参考文献 -48-23459致谢 -49-22109附录一: -50-5259附录二:程序 -51-第1章引言1.1电力线通信技术的发展状况利用电力先进性数据通信已经有近百年的历史,早期的电力线通信技术采用高压电力线载波,在点对点通信的两端装有阻波器。其发展历程能够划分为3个主要阶段。阶段电压/V载波频率/MHz代表产品应用领域20世纪20-50年代>11000<0.15电力载波机监控、远程指示、设备保护以及语音传输20世纪50-90年代220/3800.15—1.00ST7536/7537自动抄表、电网负载控制和供电管理20世纪90年代后220/380>1.00INT51,DS2宽带高速数据多媒体通信、楼宇智能网络1.1.1单载波模拟通信最早的电力线通信系统是模拟的单载波系统。模拟系统传送的信号是一个模拟的波形,它要求接收机能够高保真地重现波形信号。模拟系统经过信道的信号频谱比较窄,信道的利用率高,可是其抗干扰能力差,不易大规模集成化。1.1.2普通数字通信随着数字通信技术的完善和发展,出现了窄带、ASK、FKS和PSK电力线通信系统。数字系统传递信号的离散脉冲,接收端要求正确判断发送的是哪一种离散状态,只要脉冲波形的失真不足以引起错误判断就不会影响通信质量。数字通信抗干扰能力强,能够经过差错编码提高可靠性,易于集成。缺点是比模拟通信占带宽。1.1.3扩频通信对于电力线这一强背景噪声的信道来说,数据传输的一种有力手段就是扩频(SS—SpreadSpectrum)技术。它利用伪随机码把基带信号的频谱进行扩展,形成较高带宽的低功率谱密度信号发射。接收端再利用相关方法进行处理,把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。扩频技术减少了噪声对信号的影响,保证了电力线网络上的可靠通信。扩频通信技术的理论基础是香农建立的关于通信系统效率的理论。即:对加性高斯白噪声信道来说,如果系统数据速率小于或等于信道容量C时,就有可能存在在信道内进行无差错的数据通信的编码方案。信道容量定义如下:式中,C为信道容量(bit/s);B为带宽(Hz);N为噪声功率(W);S为信号功率(W)。上式说明了在功率谱平坦的高斯噪声信道内,信道无误传输信息的能力(即信道容量)与信道的信噪比和传输信息的带宽之间的关系。能够看出,在保持一定的C值时,可经过增加带宽来相应地降低对信噪比的要求。利用扩频技术传送数据,能够在信噪比很低的情况下进行无差错数据通信。扩频通信系统的基本工作方式有:(l)直接序列扩频;(2)跳变频率方式;(3)跳变时间方式;(4)宽带线性调频方式。扩频技术由于扩频技术本身要求频带宽度是信号带宽的100倍一1000倍,而PLC系统的带宽一般为90KHz—125KHz(欧洲)或100kHz一400kHZ(美国),因此在采用扩频技术后可获得较好的抗干扰特性,并在不少领域得到了广泛应用。1.1.4OFDM调制技术OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,中文含义为正交频分复用,这种技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范的基础。OFDM并不是如今发展起来的新技术,OFDM技术的应用己有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。可是,一个OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代,人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。OFDM的基本思想是将可用的频谱分为许多窄带、低数据速率的子载波,为了获得高的频谱效率,子载波的幅频响应相互重叠和正交。每个子载波能够使用不同的调制方式,比较常见的有BPSK,QPSK和QMA等。也就是说,OFDM实际上是将高速的串行数据变成低速并行数据进行传输。虽然每个子载波的速率并不高,可是所有子信道加起来能够获得很高的数据速率。1971年,S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT实现OFDM的基带调制和解调技术。她们在OFDM的符号间增加了保护间隔来抑制由多径反射导致的ISI。1980年,A.Peled和A.Ruiz在保护间隔中引入循环前缀解决了保持正交的问题,从而保证了OFDM克服ICI的问题。OFDM最大特点是传输速率高、频带利用率高、抵御码间干扰和信道衰减能力强、信道均衡技术简单,由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。1.2电力线载波通信技术的应用状况1.2.1电力线载波通信技术的国外应用状况早在1838年,英国人EdwardDavy就用电力线来检查伦敦——利物浦之间处于无人居住区的电表传输系统的供电电池的电压;JosephRoutin和C.E.L.Brown申请了电力线信号电表专利;美国的ChesterThoradson在19申请了关于远程抄表系统的专利,可是由于该系统还需要一条附加线路用于信号传输,最后没有得到商业应用。经过高压电网进行声音信号的CFT(carrierfrequencytransimission)最早开始于20世纪20年代。分布广阔的电网提供了一条双向通信信道,例如变压站和电厂之间的通信,这对于管理和监控来说是非常重要的,因为在通信的初期阶段电话网的覆盖范围还不是很广泛,高压电网具有低噪声的特性,加上相对较高的载波频率(15-500KHz),使得高压线传输信号变得很容易,10W的信号功率的通信距离能够达到900Km。在开始阶段,采用调幅调制方式,只用于传输语音信号,后来实现了遥测和遥控。在CFT应用于高压电网的同时,RCS(ripplecarriersignaling)应用于中低压电力网。RCS系统最早应用实例是Simens公司在1930年在德国波茨坦建立的Telenerg工程。RCS系统最初是为了实现负荷管理功能,与CFT系统不同,RCS只能实现单向数据信号传输。RCS系统工作在比较低的频率段(125~3000Hz),正是由于其工作频率很低,所注入的载波信号在中低压电网上的信号衰减很小,而且能够跨越变压器传输。可是,电力先王的输入阻抗在低频段也比较小,因此RCS发送器需要更大的信号功率,一般应用范围在10~100KW之间。在最开始,RCS发送器勇于传输数字信息,常见的调制方式是易于实现的幅移键控(ASK)和频移键控(PSK)。由于RCS采用的频率较低、窄带调制方式简单,导致其数据速率较低。1984年建立的EthernetMELKOTM系统也应用了RCS技术,它采用了更高效的PSK调制,提高了数据传输速率(可达到50bits/s),并能够进行双向数据传输,频带范围为3025~4825Hz,载波信号能够跨越变压器传输,信号功率也相应减小。该系统主要用于远程抄表和负荷管理。相应的系统有ABB的DLC-MTM和RMS公司的PowerNetTM。她们的载波频率范围是10~100KHz,因此,所需的信号传输功率也比MELKOTM小,但需要增加旁路装置才能跨越变压器。随着集成电路技术的发展,PicoElectronics公司创造了第一款应用于家庭的低价格的电力线通信模块X-10。X-10模块的载波频率达到120KHz,它在每一次交流电过零时传输一个比特的数据,因此其最大传输速率为60bps(电网频率为60Hz)或50bps(电网工频为50Hz)。当前有大约10家公司在生产与X-10相兼容的用于家庭自动化的控制模块。针对X-10模块传输速率较低的问题,稍后市场上又出现了能够提供更高数据率、控制功能更强大的电力线载波通信系统,如LonWorks和CEBus。随着Internet的发展,应用电力线分布网和户内电网的宽带接入技术在上世纪90年代开始兴起。英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司于1990年开始电力线载波通信的研究,1995年与加拿大北电网络合作共同开发该技术。1997年这两家公司生成解决了电力线噪声等问题,取得了电力线载波技术的重大突破,利用新开发的数字电力线载波技术DPL(DigitalPowerLine)实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通信。此后,许多国家的研究机构开展了高速PLCC的研究和开发,如美国的Intellon、Inari公司,以色列的ITRAN、Main.Net公司,韩国的Xeline公司,西班牙的DS2,法国的SPiDCOM等公司开始了高速PLCC专用芯片级应用产品的研究开发,产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品,传输速率从1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。当前高速PLCC主要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。在高速PLCC家庭、办公室联网应用中,经过多个高速PLCMODEM组成内部网,并可经过PLCMODEM共享外部ADSL、无线等宽带接入。随着高速PLCC的快速发展,相关国际组织也越来越多。当前电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA(HomePlugAlliance)、PLCForm、PALAS、OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance)、UPLC(UNITEDPOWERLINECOUNCIL)、PUA以及日本的ECHONET等。所有这些国际组织都有研究机构及厂商共同组成,其中较有影响力的为HPA、PLCForm和OPERA。HPA致力于创造共同的电力线网络通信技术标准。HPA现已发展成为有近百家公司组成的联盟,国内的中国电力科学研究院是该组织的成员。6月,HPA发布了其标准的第一个版本HOMEPLUG1.0Specification,将数据传输速率定位14Mbps,采用OFDM调制解调技术,MAC层协议为CSMA/CA。HOMEPLUGAVSpecification在4月得到HPA批准,并在9月份发布详细的技术文件,物理层数据速率达到200Mbps,采用TDMA和CSMA接入技术,当前美国Intellon公司开发首款符合该标准的芯片INT6000。PLCForum与3月23日在瑞士成立。其包括来自各大洲的成员,该论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府及否提供一个平台,促进她们交流和丰富有关PLC的知识。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面PLC解决方案。PLCForum不制定标准,但致力于将会员的提议提交给该国际标准化组织,并经过努力,使其成为标准。OPERA是由欧盟出资赞助并有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PLC技术。1.2.2电力线载波通信技术的国内应用状况中国研究PLC技术起步较晚,但发展速度较快。上世纪五十年代,国内也开始了电力线载波通信技术的研究。在相当长的时间里,中国的PLC研究基本上应用于电力行业内部,它用来传输电网调度管理所需的远程信息及低速率的语音通信。近年来,随着数字电子技术的发展,中国传统的PLC技术也开始向数字化方向发展。在电力部门的支持下,PLC在水表、煤气表、电表三表的远程自动抄表应用已经实用化。多家公司从事相关的PLC模块和智能仪表的开发和生产,北京智源利和微电子技术有限公司和北京福星晓程公司分别推出国产的电力线扩频载波芯片SC1128和PL/PL2102/PL3105/PL3200.中国电力科学研究院于5月在华北电力大学和中国电力科学研究院家属区测试了该公司的E-Magic3000产品,实际测试速率达到1Mbps。国电通信中心从12月起采用不同的PLC产品和不同的PLC组网方案在北京的一些小区开通了PLC试验网,并接入到中电飞华Internet出口。截止到5月底,由国电通信中心组织、中电飞华公司实施的北京电力线宽带接入试验网已经覆盖居民小区500多个,接入楼宇4000栋,开通用户40000余户,当前正以每月开通3000多户的速度推进。电力线通信信道分析2.1电力线传输信道特性在过去的几十年中,PLC之因此没有得到飞速发展,其中一个重要原因就是电,力线作为传输媒质有其自身所特有的一些缺点,加之缺乏有效的针对PLC特点的调制方法,造成了PLC长时期的发展迟缓状态。在22OV/38OV低压电力线上进行信号传输,具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等特点。电力线上的负载时变性非常强,突发干扰的影响很大,很难给出一个准确的信道模型。2.1.1衰耗特性对于低压电力线通信来说,信号衰减十分严重,能够达到1OOdB/Km。信号衰减有以下特点:时间不同、信号频率不同、距离不同,衰减幅度也不同。PLC信道对各种频率信号衰耗的程度是PLC选择载波频率的主要依据。信号的衰耗主要决定于经由的路径和网络上所连接的负载。用于调整功率的电容以及各种具有电容特性的电器,对高频载波信号来说相当于短路,造成极大的衰耗;网络中的一些负载对某些频率构成了谐振电路,产生谐振。当网络上负荷很重时,线路阻抗可达到1欧姆以下,造成载波信号的高衰耗。总的说来,信号传输距离越远,衰耗越严重,可是由于负载阻抗的不匹配,信号的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象,导致近距点比远距点衰耗大。由于网络负载频繁地接入、切出等各种随机事件,PLC信道表现出很强的时变性。信道在1s内对某一频率信号的衰耗变化可达到20dB,在1s内信噪比的变化也可达到1OdB左右。而且,三相电力信道间有很大的信号损失(10dB一3OdB)。通信距离很近时,不同相间可能会收到信号。载波信号一般只能在单相电力线上传输;不同耦合方式导致LPC信号的损失也不同,线一地耦合比线一中线耦合少损失1OdB左右。同时,不同相位的耦合也会引起衰耗,跨相传输比同相传输衰耗大1OdB左右。另外,配电变压器阻碍信号的经过,在配电变压器原、副两边的信号衰耗可达到60dB一1O0dB,次级间也会有20dB一40dB的衰耗。总体上说,PLC信号衰耗随频率上升、距离增大而增加,但并不是单调的。一般情况下,信号衰耗在20dB以上,但一般不会超过55dB。2.1.2阻抗特性电力线网络是一个广泛存在的网络,变电站的二次变压装置和用户负载同时并联在电力网络中,信道阻抗随着时间和用户负载的不同而波动。实现阻抗匹配是很重要的,因为当发射机、信道和接收机的阻抗匹配时,接收端得到的有用信号能量最大。低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成:(1)变电站的变压器产生的阻抗,它随着频率的增高而增大;(2)导线的特性阻抗,导线能够看作电阻和电感的串联,不同导线的特性阻抗相差70一1OO欧姆;(3)接在电力线上的设备阻抗,一般相差10—100O欧姆。电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。输入阻抗的变化并不一定符合随频率增大而减小的单调变化规律,甚至与之相反。为了解释这一问题,能够将电力线看成是一根连接有各种复杂负载的传输线,这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路,在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。另外,网络负载随机地连接或断开,导致电力线的输入阻抗发生较大幅度的改变,还会造成电力线上不同位置的输入阻抗不同。PLC网络可看成由许多电阻、电容和电感组成的网络,信道的电参数随时间、地点变化,相应地,输入阻抗也往往急剧变化。如此发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗均难以匹配,从而给通信系统的设计带来相当的困难。2.1.3噪声干扰特性低压电力线网络中,各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。Vinesetal定义了4种电力线噪声:1、硅控整流器及一些电源产生的工频噪声,它会造成整数倍工频上的频谱突变;2、平滑频谱噪声,其频谱很平坦,能够看作有限带宽的白噪声,家电中的小电机是产生这类噪音的根源;3、单脉冲干扰,一般由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起;4、非同步周期噪声,如电视的行扫描频率对电网的干扰。就噪声特性而言,同一配电变压器下的所有用户负荷噪声以及变压器原边噪声都会对信道产生噪声干扰。2.1.4多径干扰多径效应(MultiPath)是电力线通信存在的干扰之一,如在图2一1所示的电力线通信结构模型中,1与2之间有两条通路。由于信号经过的这些通路所用的时间不同,延迟信号在接收机端与原始信号叠加产生干扰,即多径干扰。图2-1多径效应(MultiPath)产生原理图2.2噪声分析噪声与干扰强噪声特别是强突发噪声是PLC信道的一个最大的特点,也是PLC信道与其它通信信道相比的一个致命的弱点,在很大程度上制约了PLC的发展。噪声特性是描述信道传输性质的重要参数之一,其研究要紧密结合通信频带。为了简化对干扰复杂性的分析,PLC信道噪声从不同角度大致可划分为以下几类:2.2.1背景噪声图2一2是在实验室测得的背景噪声曲线,中心频率为4.2MHz,频带宽度为8.4MHz。能够看出,背景噪声的平均功率较小,但频谱很宽,而且持续存在,有可能部分或完全覆盖信号频谱。因此,通信过程中的信噪比可能会变得较差,而导致通信误码率增加。该噪声时时存在,因其频谱占据了整个通信带宽,扩展信号频谱不能提供任何增益,扩频通信技术对其几乎没有作用。测量发现,背景噪声主要来源是交直流两用电动机。这种电动机能够在许多家庭用具,如电钻、搅拌器、电吹风里找到,问题十分严重。所幸的是,背景噪声很少能够达到最高功率水平,而且它们将与传输信号一样被用户配电网络所衰减。它的平均功率谱为N(f)=10(K-3.95*10-5f)(2-1)式(2-1)中参数K随时间缓慢地变化,大致具有高斯分布;f为频率(Hz)。2.2.2随机脉冲噪声闪电和负载(电容器组、自动调温器、电冰箱、空调等)的开关操作会产生随机脉冲噪声,每个脉冲噪声都将影响很宽的频带。脉冲噪声的主要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。脉冲幅度和脉冲宽度一起给出了脉冲能量。宽度给出了在给定速率下影响的数据位数,而到达间歇时间则给出了脉冲噪声发生的频率。随机脉冲噪声,出现的时间是任意的;其噪声功率谱密度高,持续时间短,频谱宽。电力线上噪声的短期变化主要由与工频同步的周期性噪声和突发性噪声引起。与工频同步的周期性噪声与突发性噪声相比,具有以下特点:原来就很低的功率谱密度随频率的提高进一步降低,出现频率低,持续时间短,为μs量级。可是,突发性随机噪声的持续时间却达到ms量级,而且功率谱密度能高出背景噪声达5OdB之多,一般会使得所传送数据的若干位甚至整个数据传输过程发生错误。在低压电力线路中,不超过0.lms就会有1次非常强的噪声产生,它大致具有泊松分布,参数λ取值范围为O≤λ≤5×10-3。脉冲噪声的特点如下:脉冲噪声的强度一般比背景噪声高1OdB,有时高4OdB。其强度依赖于噪声源及它离接收机的远近。脉冲噪声的主要频率一般为电力系统频率的2倍。由于噪声和信号都要衰减,因此靠近接收机的噪声源对信号的接收影响最大,特别当网络衰减很大的时候。2.2.3与工频同步的周期性噪声一般由工作在电网频率的开关器件造成,例如开关电源、电压触发的晶闸管整流器都是产生谐波噪声的主要根源。因其开关频率与电源频率同步,故产生了一系列不同幅度的谐波噪声。一般情况下,谐波噪声能量要比基频小得多。由于线路的衰减特性,通信信号的能量将远低于它。它的功率一般不超过一45dB。其噪声频率为工频或其整数倍,持续时间长,频域覆盖范围广,功率大,功率谱密度随频率上升而减小。2.2.4与工频异步的周期性噪声来源于电力线上的一些电子设备,一般由电视接收机和计算机显示器产生,在频率空间上是离散的,主要分布在5OHz一200Hz。脉冲的重复频率依赖于电视机和显示器的扫描频率标准。对高分辨率和图像偏移质量的追求将使这些频率越来越高。2.3噪声模型在用仿真的方法研究低压电网载波通信时,建立用某些特性参数描述噪声的模型非常必要。若针对以上的基本分类进行模块化建模,则任一种复杂噪声情况都能够经过基本模块模型的叠加来表示。2.3.1背景噪声背景噪声可按图2.3.1用白噪声源经过滤波生成,噪声整形滤波在z平面上的传递函数Hmod(z)可描述为:其分子B(z)表示的是移动平均(MA)部分,其分母A(z)表示的是自回归(AR)部分,模型参数有噪声源的方差б2和滤波器系数组成。经过使用AR处理模型,即:B(z)=1,参数能够由用AR频谱分析仪测量的噪声信号确定。图2.3.1背景噪声模型2.3.2窄带干扰窄带噪声部分可经过如下N个独立的正弦函数叠加来描述:其中,每一个分量由它的频率fi、幅值Ai(t)和相位φi来描述。幅值Ai(t)在时间上既能够是常数,也能够是对AM广播信号更好近似的调制幅值。载波相位能够在区间[0,2π]上用随机数选择,并独立于时间。噪声既可在时域中合成,也可先在频域中合成,再经过反快速傅立叶变换(IFFT)得到。2.3.3脉冲噪声脉冲噪声是低压电力线通信的严重有害源,其对数据传输的影响程度主要是由脉冲的幅度、脉宽和间隔时间决定。文[8]提出了噪声脉冲的幅度、脉宽和间隔时间的概率分布估计,根据测量结果得出了如下结论:脉冲噪声强度一般比背景噪声水平高10dB,有时能够超过40dB,脉冲强度与噪声源的强度和噪声源离接收装置的距离有关;主要脉冲系列的脉冲频率(由脉冲间隔时间决定)一般为120Hz,它与60Hz电源电压的正负周期同步;对于120Hz脉冲噪声,其脉宽变化达到几个百分点;脉宽与所选定的幅度水平T有关,一般来说,脉冲宽度随T增加而减小;有些噪声源将增加背景噪声功率(如真空吸尘器和搅拌机),其它一些将增加脉冲噪声功率(如复印机以0.01的概率产生高于背景噪声27dB的120Hz周期脉冲,灯光调节器以同样的概率产生高于背景噪声40dB的脉冲噪声)。考虑到脉冲为随机事件的事实,其特性能够用随机变量来描述,这里经过一个分割马尔可夫链对脉宽和脉冲间隔时间进行模拟。假定把噪声状态分成两组A(i=1,2…,v)和B(i=1+v,2+v,…,n),A中的v个状态表示没有脉冲事件发生的情况,B中的w=n-v个状态表示有脉冲事件发生的情况。则脉冲宽度大于某个宽度tw的概率,用离散时间k表示为:其中,gw+1,j表示从B中的某个状态j向临界状态w+1过渡(脉冲开始消失)时的转移概率,gjj表示B中的某个状态不发生状态转移(脉冲保持)的概率。脉冲间隔时间超过某一时间跨度tA的概率,用离散时间k表示为:其中,uv+1,j表示从A中的某个状态j向临界状态v+1过渡(脉冲开始发生)时的转移概率,ujj表示A中的某个状态不发生状态转移(无脉冲保持)的概率。2.4电力线通信信道模型经过以上对电力线信道特性的分析,能够看到建立一个通用精确模型来模拟所有低压配电网通道情况是非常困难的,可是我们能够建立一个能反映通道基本特性的近似模型。下面我们采用带有加权因子的时间抽头模型来模拟电力线多径衰落信道,建立具有频率选择性衰落的信道传输函数模型。2.4.1单根电缆传输函数电力线中的信号传输能够根据传输线的特征阻抗ZL和传输常数γ决定。其中R为单位长度电缆阻抗,G为单位长度电缆电导,L为单位长度电缆电感,C为单位长度电缆电容。如果传输线的阻抗匹配,则只需要考虑从信号源到接收机之间的传输损耗。长度为L的电力线传输函数能够定义为:式中,前一项代表幅度传输函数,后一项代表相位传输函数。电缆为弱损耗传输媒质,电力线中R(f)<<2πfL(f),G(f)<<2πfC(f)。由于L,C与频率的相关性不大,因此特征阻抗ZL和传输常数γ能够用下面的方法近似:简化电缆参数能够得出传输常数的实部a表示电力线衰减系数,它随f的增加而增加。a与f的关系能够表示为α(f)=a0+a1fk因此,单根电缆的幅度传输函数能够表示为:2.4.2多径传输模型对于多径传输,采用图2.4.2所示信道模型。图2.4.2频率选择性衰落信道的抽头延时模型在这一模型中,信道的冲击响应为式中τi表示信道延时,Kt表示信道信号幅度的衰减。信道传输函数为而τi=di/Vp。其中di表示信道长度,Vp表示信号在电力线中的传播速度。因此H(f)可表示为式中,a0,a1为电力线参数决定衰减常熟,gi为衰减因子,它与电力线网络结构、信道传输路径的长度有关,di是路径i的长度。2.4.3低压电力线信道近似模型本文采用的低压电力线近似模型如图2.4.3所示。图2.4.3电力线信道简化模型该信道模型包含三个模块:(1)输入耦合,该模块模拟由于电力线阻抗变化而导致的耦合损耗;(2)噪声,该模块包含电力线信道中的三类主要噪声,它们是背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声;(3)信道衰减,该模块反映电力线信道固有的对信号的频率选择性衰落和限带特性。2.5扩频通信技术的选用2.5.1扩频通信的理论可行性扩频通信的可行性,是从信息论中关于信息容量的香农公式和抗干扰理论中关于信息传输差错的柯捷尔尼科夫公式中引申出来的。香农公式式中:C是信道容量(可用传输速率量度);W是系统传输带宽;S/N是系统的信噪比;该公式表明,在高斯信道中,当传输系统的信噪比S/N下降时,能够经过增加系统传输带宽W的办法来析持信道容量C不变。以扩展频谱来换取信噪比要求的降低,正是扩频通信的主要特点,并由此为扩频通信的应用奠定了基础。柯捷尔尼科夫公式式中Powi为差错概率,E为信号能量,N0为噪声功率谱密度;又因为,信号功率P=E/T(T为信息持续时间);噪声功率N=W×N0(W为信号频带宽度);信息带宽F=1/T;则原式可化为:(其中,W/F=Gp为扩频通信的处理增益)由以上能够看出,在信噪比较低的情况下,若想保持差错概率不变,则能够经过增大处理增益Gp来实现(即在保持F不变的情况下,增大信号频带宽度W)。该公式同样为扩频通信理论奠定了基础。2.5.2扩频通信系统的基本工作方式1)直接序列扩频(DS)该方式是扩频通信中使用范围最广、最典型的一种工作方式。直接序列扩频的具体实现是,在发送端将要传输的信号,经过信息调制变成具有一定带宽的调频(FM)或调相(PM)信号;再由伪随机编码(PN码)将该基带信号调制成具有相当带宽的宽带信号,并将该信号发送至接收端。在接收端接收到传输信号后,先经过同步电路捕捉发送来的PN码的准确相位,由此产生与发送来的PN码相位完全一致的接收用PN码,并作为扩频解调所用的解调信号;尔后,用该PN码将接收到的宽带信号解扩,从而得到基带信号,再将基带信号经过解调得到所需要的原始信号。2)跳频方式(FH)跳频方式与直序扩频方式的不同之处在于,直序扩频方式的发射载波频率是一定的,而跳频方式的载波频率受PN码发生器控制,在相当带宽的频带内,随机跳变,从而实现基带信号带宽B1到发射信号带宽B2的频谱扩展。受PN码发生器控制的发射载波频率发生器,实际上是高速数字控制频率跳变的频率合成器,因此,载波调制多半使用与相位无关的调频方式,其跳频工作被称为非相干FH方式。3)跳时方式(TH)该方式的工作特点在于,发射端将信息数据送入受伪随机编码控制的脉冲发射机,再由该发射机发射出携带信息数据的伪随机间隔射频信号。这种工作方式,使得在随机时分多址通信中,发射机和接收机使用同一天线成为可能。可是,在实际应用系统中,该方式多半需要与其它工作方式混合使用。4)宽带线性调频方式(Chirp)宽带线性调频调频,过去是作为雷达测距的一种工作方式使用的。在发射端,发射波是一个宽脉冲,并被变换成频偏为f的宽带调频波;在接收端,接收机使用具有高频率范围、延迟时间小的脉冲压缩滤波器,得到带宽极窄的压缩脉冲波。2.5.3扩频通信的优点由于扩频通信使用扩频序列码进行扩频调制,使原始的窄带信号能够以宽带信号的形式在信道中传输,从而使得扩频通信具备了许多窄带通信所不具备的优良性能。1)抗干扰性能好扩频通信在传输时所占有的带宽相对较宽,而在收端有采用相关检测的方法来解扩,使有用信号恢复成窄带信号,而把无用信号扩展成宽带信号,然后经过窄带滤波器提取有用的信号。对于各种干扰信号,由于不具有PN码的相关性,因此,在解扩后的窄带信号中其所占的比例很小,系统的信噪比很高,抗干扰的能力强。2)保密性好由于扩频通信使用的PN码,不但码元周期很长,而且在一个周期中还具有随机性,这就使经它调制后的数字信息类似于随机噪声,从而保证了信息在信道中传输的安全性。另外,同样是由于PN码的使用,在接收端进行解扩时,只有当本地PN码与收到的PN码完全一致时,才能有效地恢复信息,这就使得只有拥有相同PN码的指定接收端才能得到有效信息,避免了信息被非法用户接收的情况,从而提高了传输的保密性。3)精确定时和测距在扩频通信中,由于扩展频谱很宽,因此扩频码的速率很高,每一个码元占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号被被测物体反射出来后,在接收端解调出反射回来的扩频序列,然后经过比较原码元序列与反射码元序列的相位之差,就能够精确测出扩频信号的往返时间差,从而算出两者之间的距离。4)抗多径干扰多径干扰是发射信号在传播过程中,遇到反射体引起反射或折射,形成对直接到达发射机的信号所造成的干扰。扩频通信利用扩频码的自相关性,经过在接收端从多径信号中提取和分离相关性最强的信号,或把不同路径的传送的同一码序列进行波形和加,从而得到所要的信号,避免了多径干扰。5)现码分多址扩颁通信采用PN码调制的方法尽可能的扩展了信息数据的频带,使得通信抗干扰能力大大增强,可是由于采用很宽的频带传送很窄的数据信息,则必然导致频带利用率降低,因此必须实现多用户共用同一频带。建立在扩频技术上的码分多址技术(CMDA),充分利用了各种不同码型的扩频码序列之间良好的自相关和互相关特性,使得在接收端解扩时各用户之间的扩频码彼此相互影响非常小,能够在同一扩频带宽内,互不干扰的发送和接收信号,实现多址通信。6)可承担多种通信业务扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术,因此适用于计算机网络通信、数据和图像传输等。7)安装简便、易于维护扩频通信设备是高度集成,采用了现代电子科技的尖端技术,因此,十分可靠、小巧,大量运用后成本低,安装便捷,易于推广应用。2.5.4当前需要考虑的一些技术问题在当前较为成熟的电力线载波照明控制系统中较普遍地存在盲区问题,在用电高峰期容易出现信号丢失现象。如果存在的现象为时变的,则问题更严重,需要在技术上克服。当前一些窄带调制的设施多采用自动切换频道和选择中继的方式在一定程度上来解决这个问题。需要进一步研究窄带噪声抗干扰技术以获得足够的数据传输可靠性。当前常见的调制方法分为窄带调制和宽带调制。两种窄带调制成本低,不能有效地抵抗窄带噪声。宽带调制一般采用扩频技术,如DSS直接序列扩频、FH跳频、TH跳时、CHIRP宽带线性调频、交叉混合扩频及OFDM正交频分复用。能够在一定程度上克服窄带噪声的干扰,可是有限的扩频增益对于较大功率的窄带干扰依然无能为力。进一步研究增强型的模拟前端技术,包括自适应滤波和自适应均衡,以适应时变的大范围的线路衰减和线路阻抗的变化。在电力载波的低压应用中这一点极为重要也是当前的技术难点所在。1.低压载波通信在变压器跨相和穿越变压器方面的实用技术需要研究。在多路供电的现场也需解决电源切换时的通信中断问题。2.研究和考虑电磁兼容性能,制定对外干扰的标准。3.解决当前存在的电线上网设施对安装地点的敏感性问题,保持合适的速率并解决图像马赛克问题。4.对于这类载波设施的质量检验,一定要考虑在加入线路噪声的环境下,即在一定的信噪比下进行传输误码性能的测试。5.低压载波通信最终实现高性能低价格的关键在于专用芯片的设计和制造。而这正是中国微电子行业的弱点所在,加大这一方面的研究和投资力度对于低压载波通信的实用化至关重要。照明控制系统设计本系统采用电力线载波扩频通信技术,以电力传输线作为媒介,将城市路灯的状态信息发送到计算机_上,然后经过计算机监视所控区域内的路灯工作状态,并可实时进行路灯开关时间设定、开启比例设定、路灯坏损查询等相关操作,实现了城市路灯的远程集中管理,提高了工作效率,节约了大量的人力、物力,具有很好的实用前景。3.1照明控制系统设计方案本文设计的基于电力线载波通信技术的照明控制系统将主要以低成本和高可靠性两点为开发目标。针对该目标,设计出的基于电力线载波通信技术的照明控制系统的总体设计方案。总结构上看,系统由总控站、主控站和从控站三部分组成,总框图见下图:图3.1.1照明系统综框图其各自构成如下:总控站总控站由计算机组成,可与主控站经过光缆或无线电连接,以实现对各个主控站的管理,并能够设定开关灯时间及开灯比例等指令,同时对主控站返回的信息进行汇总,对有故障的路灯经过图文显示出来,以便准确确定其所在的位置。2)主控站主控站内部结构如图3.1.2所示。主控站经过光缆或无线方式来接收总控机的指令,并经过电力线扩频载波的串行通信方式发送数我据包,从而实现对从控站的监控。一个通信数据包由8字节数据组成,第一、二字节是主控站标识,第三字节是命令,第四、五字节是从站地址,第六至第八字节为数据。主控站采用广播方式发送命令数据,从机站收到通信包后进行数据分析,分析的内容:一是识别主机是否是自己的上级主控站,二是识别从机地址是否是自己的地址,只有在全部确认无误后,从控站才执行相应的命令和操作。图3.1.2主控机结构图3)从控站从控站的内部逻辑结构如图3.1.3所示,每个从控站可控制三组路灯,它经过电力载波接收电路来接收主控站的指令,并执行相应的操作;同时,从控站完成对工作电流的采样及处理,并将相关信息经过电力载波反馈至主控站,主控站以此来判断路灯是否工作正常,以及决定如何采取措施。另外,从控站能够对现场工作温度进行采样处理,以便在温度超出正常工作范围时能够及时采取保护措施。图3.1.3从控机结构图3.2载波通信模块设计在系统运行过程中,总控器和主控器、主控器和从控器之间要进行通信,可靠通信的实现在系统中至关重要。如果将总控器、主控器和从控器看做系统的一个节点。节点之间的通信是经过载波通信模块实现的,载波通信模块的设计内容包括电力线载波芯片的选择、耦合电路及芯片所需要的外围电路如发送、接收电路等。3.2.1电力线载波通信芯片的选择电力线载波芯片是电力线通信系统的核心,世界上已有多个国家的多家公司推出了自己的芯片。可是,由于国外芯片是针对自身的电网特性、电网结构设计的,而对中国的电网特性、居民住宅分布状况和市场需求,难以发挥其优势。经过不断的探索,国内的一些公司也开发出了一些适合中国国情的电力线通信芯片,比如北京福星晓程公司的PL3106,就是其中之一。PL3106是专为面向未来的开放式自动抄表,智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统,它除了具有功能强大的微处理器外,特别在电力线载波通讯方面具有更大的优势,它的扩频通信单元具有更强的抗干扰能力。PL3106提供了丰富的片内资源,内置的增强型8位处理器内核是全面兼容51指令集的多级流水线指令架构MCU,同等主频下指令执行速度是普通51单片机的8倍;同时集成了完善的电压监测上电掉电复位看门狗电路,确保了工业环境下运行时系统的可靠性。因此,PL3106完全能够满足本系统的需求,使得本系统具有低成本,低功耗,多功能,高可靠性等优点。3.2.2PL3106芯片特点☆采用0.35um超大规模数/模混合CMOS制造工艺;☆拥有多项自主知识产权的SoC(SystemonChip)设计;☆内嵌增强型8051兼容微处理器;☆内置扩频通信调制/解调电路,数据速率500/250Bps可选;☆内置2路16位Σ-Δ调制A/D转换器;☆内置256bytes+768bytesSRAM(静态随机存储器);☆内置16KbytesEEPROM(电可擦除/可编程)程序存储器;☆内置60bytesEEPROM(电可擦除/可编程)数据存储器;☆内置两个可灵活配置的全双工多功能UART(UATR0可配置为红外38K);☆内置三个8/16位定时/计数器,一个看门狗定时器以及三个外部中断源;☆内置4x24段LCD显示控制/驱动电路或8*8段LED显示控制/驱动电路;☆内置实时钟/日历单元,自动润年润月,可数字频率校正,并具有秒脉冲输出;☆内置带有硬件方向判别逻辑的红外线脉冲探测驱动电路;☆内置1路8位PWM调制D/A转换器;☆内置2路运算放大器;☆内置2.5V±8%电压源基准;☆内置串行程序存储器编程接口,支持在系统编程(ISP);☆采用5V单电源供电;☆内置完善的电源电压监测电路;☆温度适用范围(工业级标准)-40℃--+85℃;3.2.3信号发送、接收电路设计具有直序扩频调制解调电路的PL2102模块已集成在PL3106芯片内部,载波通信模块的载波外围配置电路主要包括载波通信功率放大发送电路、滤波接收电路、陶瓷滤波电路和载波耦合电路,如图示。图载波通信模块结构图载波信号功率放大电路如图所示,是用来将PL3106芯片产生的载波调制信号进行功率放大后耦合到电力线上。载波功能被使能后,载波信号由P1.7输出;经过互补推挽电路进行功率放大后,P1.7的方波信号被放大。载波发射功率的大小与VHH电源幅值的高低、电源电流提供能力密切相关,一定范围内提高电源幅值、增大电源功率,能够有效加大发射功率、从而延长通信距离。因为放大后的信号波形富含谐波,能够进行滤波整形,以减少对电网的谐波污染。电感L2、电容C3组成整形滤波,经过耦合电路耦合到低压电力线上。图载波功率放大发送电路滤波接收电路如图所示,R3在接受本地强发射信号时能够有效吸收衰减;电感L1、电容C5组成并联谐振回路,谐振以中心频率为120KHz设计,完成对有效信号的带通滤波;良好的选频回路能够有效提高载波接收灵敏度。根据并联谐振公式以f=120KHz,选择电容为C5=1.5nF,能够选择合适的电感值,L1=1.17mH。二极管D5、D6的作用是将接收信号的电位钳制在±0.7V。接收信号经过电位C4后引入到芯片内部进行混频处理,SIG_IN被内部上拉后平移到2.5V±0.7V,以利于后续处理。图载波滤波接收电路3.2.4陶瓷滤波电路陶瓷滤波电路如图3.2.4,并联谐振后接收的载波信号经SIG_IN脚进入芯片。由于陶瓷滤波器通频带只能在中频附近,因此芯片必须将接收到的120KHz信号与内部的600KHz本振信号进行混频,得到480KHz中频带宽的差频信号。混频后的信号由FLTi引脚输入到陶瓷滤波器的输入脚,陶瓷滤波器滤波后再送回芯片的FLTo引脚进行内部限幅放大,然后又芯片内的硬件解扩电路进行有效数据的还原,完成解扩后的数据位锁存到P3.7引脚。陶瓷滤波器的设计参数为:中心频率f=480KHz,带宽15KHz。图3.2.4陶瓷滤波电路3.2.5掉电检测及电池电压检测PL3106内置了掉电检测及电池电压检测,内置了两个精准比的比较器,一个用于系统掉电检测,经过与外部电压VHH相连的管脚(CMPI)的电压值与内部掉电电压基准值相比较来置位PFI(STATUS.0),原理图如下所示:芯片内部经过34K和42K电阻分压得到掉电电压基准值(2.8V±5%),CMPI出电压值小于电压基准值,输出高电平,为PFI(STATUS.0)自动之1。电压最高5.5V,高于5.5V可能会烧毁芯片。采用103插脚电容进行退耦处理。图掉电检测电路另一比较器用于电池电压检测,经过管脚(VBAT)的电压与内部电池电压基准值相比较来置位VBF0,原理图如下:图电池电压检测3.2.6载波耦合电路设计载波耦合电路的功能有两个:将经过发送电路功率放大后的信号耦合到电力线上;从电力线上获取有效地载波信号。其中D7为双向瞬变二极管、C6为安防电容,均起保护作用,为防止突然增大的电流对后级电路造成影响。T1为耦合线圈,确定匝数为10:15时效果最为理想。图3.2.6载波耦合电路照明控制系统通信协议软件设计系统的软件设计对于将来系统的稳定运行至关重要。软件设计是一个从构建框架、编写代码、到最后完成测试的系统工程。在这样的系统工程中,模块化的设计思想能大大提高代码的复用程度和简化后期的测试工作。本文采用结构化语言C51进行系统的软件开发,以从最大程度上实现模块化的设计思路。4.1通信协议设计通信协议是设备之间进行互相通信的语言和规范,软件的开发需要在通信协议的基础上进行。一个好的通信协议能从很大程度上有利于软件的模块化设计。4.1.1OSI模型开放系统互连模型(OSI,OpenSystemInterconnectReferenceModel)是一个覆盖了网络通信各个方面的ISO标准。OSI模型提供一个用来进行网络系统设计的层次化框图。它包括七个互相独立但又互相关联的层次,每一层都定义了一部分用于穿过网络传递信息的协议。OSI模型的七个层次分别为:物理层(第一层)、数据链路层(第二层)、网络层(第三层)、传输层(第四层)、会话层(第五层)、表示层(第六层)和应用层(第七层)。具体模型如图4-1所示:图4-1OSI模型层与层之间的消息传递都是经过相邻两层间的接口来实现的。每层接口都定义了这一层必须向上一层提供的消息和服务。定义良好的接口及层次功能能够使网络模块化。只要一个层的功能仍能为上一层提供所期望的服务,该层内功能的具体实现就能够在不影响周围层次的基础上进行修改和替换。4.1.2当前电力线载波通信协议当前,低压电力线载波通信的技术标准主要有三种:X-10、LonWorks和CEBus。原有的低压电力线载波技术主要是基于X-10标准的,但随着通信技术的不断发展,CEBus以其自身的优越性,已被越来越广泛地采用。1.X-10技术标准X-10技术标准于1978年首次提出,由于其在家庭自动控制(HomeAutomation)领域的广泛应用而成为事实上的国际标准。其最初的设计只是用于单向通信,后来增加了双向通信功能。就调制方式而言,由于过零点一般含最少量的噪声和干扰,它使用过零调制技术,调制方式为幅值调制(AM:AmplitudeModulation),为减少误码,它需要两个过零点来传送一个”0”或”1”信息,因此,其主要缺点在于通信速率太低和容量太小,难以适应现代高速率、大容量通信的要求。2.Lontalk技术标准Lontalk技术标准由Echelon公司提出,它是点到点的对等网络通信(Peerto-PeerCommunication)方式,使用载波侦听多路访问(CSMA:CarrierSenseMultipleAccess)技术。当前,Echelon公司已研制开发出基于该技术标准的扩频通信(SSC)芯片(10kbps)。3.CEBus(ConsumerElectronicsBus)技术标准1984年,电子工业协会(EIA:ElectronicIndustriesAssociation)开始着手研究适用于家庭用户设施通信的标准,这就是后来的CEBus标准(1992年正式颁布)。CEBus是提供独立物理层连接规范的开放式通信标准,使用EIA-600协议。由于它使用对等网路通信方式,因此通信网上的任何一个节点都可随时接入。为避免数据冲突,它使用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD:CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)技术,即在发送数据前监听信道上是否有数据正在传输,边发送边监听,一旦监听到冲突,则冲突双方停止发送。这样,信道很快进入空闲期,提高了信道的利用率。4.1.3本文采用的电力线载波通信协议以上几种通信协议,各有自己的优缺点,为实现低成本和高可靠性的开发目标,并配合已有的硬件基础,本文采用了浙江大学赵玉玺提出的具有四层结构的PLCLCP协议,下面对该协议进行简单介绍。层次内容应用层APDUHMO网络层NPDUHAPDU数据链路层FHNPDUFT物理层电力线,总控器、主控器、从控器等设备图4-2PLCLCP结构图PLCLCP共有四层,分别是物理层、数据链路层、网络层和应用层,各层次具体内容为:物理层物理层位于该协议的最底层,为照明控制系统设备之间的数据通信提供传输媒体及互联设备,为数据传输提供可靠的环境。该协议采用的传输媒介是220V电力线,互连设备有总控器、主控器和从控器等组成。数据链路层数据链路层能够理解为数据通道,数据链路层主要实现设备之间能够进行通信,即实现数据链路的建立与拆除,同时由于电力信道的噪声和干扰复杂多变,单靠物理通道难以保证信息传输无误,数据链路层要为网络层提供无差错的数据传输,因此应对数据进行检错和纠错。PLCLCP数据链路层格式解释如下:FH(FrameHeader):帧头,标识一帧数据的开始,用于数据链路的建立;PL3106载波通信模块采用直接序列扩频的DPSK调制解调方式,接收过程包括载波信号的捕获和同步,在每次传送有效数据前发送40个位全”1”,本文采用发送6个FFH,用以通信模块捕获和追踪接收到的扩频信号,同时发送同步帧头09AFH作为接收到时进入同步状态的标志。NPDU(NetworkingLayerProtocolDataUnit):具体见网络层详解。FT(FrameTrailer):帧尾,用于帧校验和纠错,以及标识一帧数据的结束。该协议的帧校验采用具有前向纠错方式的16位循环冗余校验编码(简称CRC16),其占用两个字节;用23H标识一帧数据的结束。网络层PLCLCP协议中网络层实现的功能为地址控制和重传控制。地址控制:设备自身地址以及接收到帧的源地址由网络层存储管理,当接收到的帧的目的地址和设备地址不同时,放弃该帧;经过改变数据帧中的目的地址即可实现三种传播服务:广播服务:控制全部灯具,简称全控;组播服务:控制一组灯具,简称组控;单播服务:(a)控制单灯,简称单控;(b)单灯状态查询。重传服务:PLCLCP协议规定了两种类型的数据帧:命令帧和应答帧。命令帧由总控器或者主控器向从控器发送,应答帧由从控制器向主控器或者是向主控器向总控器发送。由于电力线信道干扰的影响,在数据传送的过程中不可避免的会出现数据帧位错和在限定的时间里未收到应答的情况,这时需要重传相应的数据帧,具体的形式见下图所示。图4-3出错重传形式网络层协议内容格式如下:表—1网络层协议格式NPDUHAPDUDAPLSAPTRCAPDUPL(PacketLength):数据包长度,占用8位(一个字节),从DA开始到APDU(包括在内)的字节长度;DS/SA(DestinationAddress/SourceAddress):接收方地址/发送方地址,占用3个字节,具体规定见PLCLCP结构图。三种传播服务的实现:全控:为了避免由于灯具全开给电网造成冲击和从控器收到两次执行相同动作的命令,在执行全控命令时,经过组控方式实现;组控:在总控器实现某组灯具全开或全关时,经过首先向改组主控器发送命令,由主控器发送含有接收方地址为XXFFFFH(XX为01—FE中的一个值)的命令,属于该主控器的的从控器在收到该命令帧后,执行全开或全关命令。单播服务:总控器给灯具所在的主控器发送命令帧,接收方地址为XX0000H,XX为01—FE中的一个值,然后由主控器将该命令解释后给灯具所在的中断控制器发送命令帧,接收方地址为XXYYYZH,XX为01—FE中的一个值,YYY为001—FFE中的一个值,Z为0表示对从控器所控制的等进行控制或者查询,Z为1表示对从控器控制的1号灯进行控制/查询,Z为2表示对从控器多控制的2号灯进行控制/查询,从控制器负责解释并执行该命令。PT(PacketType):数据帧类型,占用4bits,如果该数据帧为命令帧,PT为0000(B),如果为传输成功应答帧,PT为0001(B),如果为传输失败应答帧,PT为0010(B)。RC(RetransmissionCount):重传计数器,占4bits。对于总控器和主控器,RC初始值为0001(B),当传输出现错误或者超时,RC增加1,RC最大值不超过0011(B);对于分控器,其RC值始终为0001(B)。表—2设备地址表总控器地址主控器地址从控器地址灯地址000000H010000H010010H010011H010012H010020H010021H010022H01FFEH01FFE1H01FFE2H00H00H01H02H00H01H02H02FFE0H02FFE1H02FFE2HFE0000HFE0010HFE0011HFE0012HFE0020HFE0021HFE0022HFEFFE0HFEFFE1HFEFFE2HAPDU(ApplicationLayerProtocolDataUnit):应用层协议单元,详见应用层部分。应用层应用层是向应用程序提供服务的,总控器经过应用程序实现灯具的开关控制和总控器对主控器进行校时。应用层格式:APDUHMOAPDUH(ApplicationLayerProtocolDataUnitHeader):应用层协议单元头。MO(MessageOption):信息选择项,根据数据帧的不同而改变。APDU具体格式见下:ALCCDATA(a)命令帧格式ALCCCSACKRE_DATAAL(APDULength):APDU单元长度,即AL(包括在内)到DATA或者RE_DATA(包括在内)的长度占一字节;CC(CommandCode):控制码。占一个字节,(1)校时控制码为11H,(2)组控控制码为22H,(3)总控器发出的单控控制码44H,(4)主控器发出的单控控制码为88H,(5)总控器发出的但等查询控制码为99H,(6)主控器发出的单灯查询控制码为AAH;DATA:数据信息,所占字节根据控制码的不同而改变:(1)如果是校时控制码,DATA内容为妙、分、时、日、月、年、周,占七字节,其中周日—周六对应0-6;(2)如果是主控的控制码,DATA占一个字节,数值为00-FFH,00H对应灯具关,FFH对应灯具开,01-FEH备用,可用于调整灯光亮度;(3)如果是总控器发出的单控控制码,DATA占三个字节,第一个字节数值为00-FFH,00H