基于低压电力线载波技术的家庭网络

1、基于低压电力线载波技术的家庭网络摘 要：简介国际主流家庭网络技术的基础上，综述了低压电力线载波通讯中信号传输特性的研究成果。在此基础上，分别阐述了基于X10协议的载波通讯技术，基于CEBus协议的线性调频扩频技术的原理，并据此设计了相应的滤波电路和通讯模块。关键词：载波通讯；扩频通讯；X10家庭网络协议；消费总线CEBus；低压电力线 1 引言家庭网络（总线）是智能家居的关键技术。国际公认的家庭网络标准有：美国的X101、消费总线（CEBus）2、日本的家庭总线（HomeBus）3、欧洲的安装总线（EIB）4等。HomeBus的通讯介质为双绞线或同轴电缆；EIB支持电源线介质，但主推的是基于双

2、绞线的产品，无论是ABB还是SIEMENS，都认为在中国大陆安装基于电力线的EIB产品是不合适的。因此，本文限于以电压电力线为通讯介质的X10和CEBus。鉴于技术突破的不可控性与市场因素的不可确定性，目前尚无法预测国际中哪种或者哪几种协议会成为国际标准，最大的可能是各协议相互借鉴融合，如同工控领域中长期共存的多种现场总线标准。 2 低压电力线载波通讯中信道状况分析低压电力线无疑是家庭中分布最广泛的有线网络介质，几乎所有的家用电子产品都是联在220V的电力线上。采用电力线作为家庭网络控制流的通讯介质，不存在重新布线的问题，无疑是最方便的。但是，在220 V380 V低压电力线上进行信号通讯，与

3、高压电力线载波通讯有较大区别，突出表现在工作环境恶劣：输入阻抗随频率、负载和测试点变化；信号衰减与频率、负载和距离有关；干扰噪声的复杂性和随机性。因此，国内外学者对此进行了广泛深入的研究，结合我们的研究成果总结如下。鉴于我国的电磁兼容性没有工业发达国家严格，成果选取以国内为主。文5提出基于均匀传输线理论的模型，从理想化模型导出的结论“提高发射功率，降低发射频率。”，值得商榷。文6对低压电力线网载波通讯信号的衰减特性作了深入研究，并给出了详尽的实测数据。结论是“低压电力网通讯信号的衰减特性很难建立准确的数据模型”，“它更适合于用统计的方法来计算分析”，“电力负载将极大地影响载波信号的衰减”。我们

4、的研究成果与此一致。文7，8对低压电力网的干扰噪声作了深入探讨。指出干扰可以分成非人为干扰和人为干扰，后者影响远大于前者。认为干扰又分成三类：周期性干扰电视机行频和可控硅等引起；脉冲干扰电器的开关造成；白噪声电动机噪声等。干扰的随机性和不可预测性是电网通讯的固有特性，而100 kHz400 kHz是最佳通讯频带。图1为实测的干扰波形，这与我们现场测试的波形相似。文7中对低压电网输入阻抗特性进行了理论推导，得出“引起信道阻抗变化的主要原因是负载阻抗”。文9更进一步，得出“在家庭网络中信道阻抗变化的主要原因是PC机等使用的开关电源”。这与我们的研究与试验惊人的一致。开关电源的输入端有滤波器，如图2

5、所示。文10，11对低压电力线载波通讯中信号传输特性作了全面的论述，给出了国内学者多次引用的输入阻抗频率关系图，参见图312，衰减频率变化曲线，参见图413。图3的两条曲线是在同一低压电力线网的不同地点测得的。从图3不难发现，输入阻抗随着频率的变化而发生剧变，变化范围竟达1 000倍。图4中为信号频率与信号衰减的关系。综合国内外学者的研究成果：目前无法找到一个普遍适用，较为准确的数学模型，用于描述低压电力线的信号衰减特性和干扰特性。即使有些学者提出了一些模型，但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制，因而也是不精确或适用面很窄。 3 基于X的电力线窄带载波通讯X10家庭网络协议的通讯介质是低压

6、电力线。1978年X10模块推向市场，并申请了专利保护，1999年专利保护到期。X10在商业上取得巨大成功，累计销售了12亿个模块，北美地区的用户已达450万。X10模块售价仅为95美元，控制器也不过15美元。技术上并不先进的X10，凭借其实用、简单、廉价、可靠，至今仍占据美国家庭网络的主导地位。31X电力线窄带载波编码虽然X10的传输速率只有100 bs，但完全胜任家庭中大量存在的面板开关和继电器类白色家电产品的控制，甚至承担黑色家电的控制流任务也绰绰有余。心理学家研究发现：浏览页面，延迟5 s是人的忍耐极限；操作开关，05 s的滞后无法察觉，1 s的滞后略有感觉，2 s是其耐心的上限。正常

7、情况下，X10完成一次操作的时间025 s。X10立足够用适用原则，而舍弃所谓的高技术指标，确是它的高明之处，否则无法解释X10在商业上的巨大成功。32X载波通讯分析X10是以50 Hz为载波，120 kHz的脉冲为调制波（Modulating Wave）的数位控制技术（见图5）。根据香农关于信道容量的理论则 CWlog2（1SN） （1）式中：C是最大传输速率；N是噪声功率；W是频带宽度；S是信号功率。显然，W一定时，降低C，则信道中的信噪比SN也可降低。X10通过牺牲传输速率指标，达到降低电力线载波通讯对信噪比的要求。两套X10演示系统分别安装在实验室和住宅，连续运行半年时间，通讯距离30

8、0 m，实践证明系统运行正常可靠。通常随着载波频率上升，信号衰减增大。因此，国内部分学者提出降低载波频率来提高传输正确率5。这种策略忽略了问题的第一方面即随着频率的上升，噪声也出现下降的现象16。而通讯质量的好坏，取决于信噪比。电力线通讯频带是宝贵的资源。美国联邦通讯委员会（FCC）规定：电力线用户频带100 kHz450 kHz；欧洲电力标准委员会（CENELEC）制定了EN500651规范：电力线用户频带3 kHz1485 kHz；我国虽无国家标准，相关的行业标准DLT6981999规定：电力线用户频带95 kHz。所以，电力线载波频率选择100kHz较为适宜。4 基于CEBus的电力线扩

9、频载波通讯CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准，支持的5种通讯介质（电力线、无线、红外、双绞线和同轴电缆），其中以电力线的应用最为广泛。CEBus总线得到IBM、Honywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Simens等国际知名公司的支持，1992年成为美国电子工业协议的标准（EIA600）。1997年，EIA600成为美国ANSI标准。2000年6月，微软和CEBus委员会共同宣布支持CEBus的简单控制协议SCP，SCP是未来微软UPNP协议的子集。CEBus协议对OSI网络参考模型TCPIP模型作了简化，仅包括物理层、数据链路层、

10、网络层、应用层，与工业现场总线的网络模型设计思想类似。此外，CEBus协议定义了资源描述语言公共应用语言（CAL）。鉴于CAL语言的特殊性和独立性，美国电子工业协议将其列为单独的标准EIA721。41CEBus电力线线性扩频编码CEBus在电力线上有四种编码，分别是：0、1、EOF和EOP，它们都是扩频扫描范围为100400kHz的线性扫频chirp信号：从203 kHz经过19个周期线性地变为400 kHz，再在1个周期内变为100 kHz，然后再在5个周期中变为203 kHz，整个时间长度为100s，也就是1个UST（Unitsymboltime）【6】。其波形如图6所示。这种chirps

11、波形具有很强的自相关特性和自同步性，这种自相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形。CEBus的物理层数据帧由帧头、数据体和CRC校验组成【7】，如图7所示。帧头与数据体的编码有所不同，编码方式如表1所示。帧头采用了幅移键控（ASK）技术，数据体中采用反相键控（PRK）两种波形调制方法对信号进行处理。线性扫频的起始和结束频率均为200kHz，位于传输频带100 kHz400 kHz的中间。这样处理的好处是：简化了为限制信号产生谐波而进行的滤波；数据比特间允许平滑过渡。42CEBus线性扫频技术分析扩频通讯具有很强的抗干扰能力，其原理是用伪随机码把基带信号

12、（信号数据窄带信号）的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。接受端解扩后，要接受的宽带信号恢复成基带信号，而干扰信号被接收机扩散到更宽频带，从而使得落入有用信息带宽范围的干扰强度大大下降，即信噪比提升到30：1（148 dB）20。 理论计算公式：式中： S信号功率； N干扰功率； B扩频解调系数； T信号数据比特宽度；扩频信号的带宽；Bn输入噪声解扩后功率谱密度改变因子，n1。扩频通讯常用的技术有直接序列扩频、调频、直扩调频混和系统和宽带线性扩频。线性扩频调制解调原理见图9。由香农定理（式（1），线性扩频技术在信噪比一定的情况下，通过提高带宽，达到提高传输速率的目标。43通讯模块

13、的设计根据P89C51RD2和P300的芯片手册6，7，通用通讯模块的原理图如图10所示。P89C51RD2和P300之间采用SPI接口通讯，用模拟的I2C总线和串行EEPROM通讯。这样，中断口和串口，另有足够的IO口，可以用于实际设备的设计。44滤波电路输入滤波器采用电容和电感组成的无源电路，如图11所示。这个滤波器有6阶，对高频干扰有很好的抑制，图12是它的频率响应曲线，在高频段400 kHz处衰减为3分贝，高于400 kHz的平均衰减是128DBdec，可以有效地过滤干扰信号。P300输出的信号包含丰富的高次谐波，为了减小对电网的干扰，是先经过带通滤波器再进行放大的，滤波器也采用无源电

14、路，原理与上面的类似。5 结论现有研究成果表明，尽管尚无法建立普遍适用的低压电力网通讯模型，但只要采取相应的技术措施，低压电力线仍是大有前途的通讯介质。低速窄带通讯X10协议及产品，能满足面板开关和继电器类家电要求，这类产品的市场需求量很大，应重视开发、引进这类智能家庭网络产品。采用扩频技术的CEBus协议及产品，代表电力线载波的技术方向，应是研究和开发的重点。研究的重点不应局限在网络的物理层。CEBus数据链路层提供四种类型服务24，其中带地址要求响应（ADDACK），采用重发机制，就能大大提高通讯正确率。PC机类开关电源对低压电力线的危害应引起工程技术的关注，建议电源接入处接一阻波器。低压

15、电力线载波通信的接口电路设计摘 要：为了利用低压电力线实现可靠的载波通信，接口电路的设计是问题的关键。其难点在于：一方面，要求载波信号的加载效率高；另一方面，要求电力网50 Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰。为此，采用了“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”，很好地解决了这一难题。基于这种“复合耦合技术”，分析并设计了“低压电力线载波通信的接口电路”。仿真结果和实验结果表明：该接口电路既有较高的载波信号加载效率，又能完全地隔离电力网50 Hz的工频信号。因此，该接口电路可广泛应用于低压电力线通信系统。关键词：载波通信；低压电力线；接口电路；设计 一、前言电力线通信，简

16、称PLC（Power Line Communication），是以电力网作为信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比，能充分利用现有的电力线资源，即利用电力线进行通信，实现信息的传输。因而，电力线通信具有很好的开发前景和应用价值。最近,英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展,用户可通过电力线进入Internet网,它从简单的数据传输提高到了网络联接。法国已推出了电力线调制解调器集成电路,使住宅智能化产品向市场化方向进一步推进。电力线通信目前在欧洲（德国、英国、瑞典等）发展得较快。德国与英国是目前世界上唯一制定电力线通信规则的国家。中国电力系统已组建国电通信中心，并

17、向信息产业部正式申请了牌照。国家电力公司计划在2015年建成全国统一的联合电力网通信系统，其前景极其可观。但是，低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，有许多问题有待进一步研究。低压电力线传送着220V/50Hz的电能，在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。因此，低压电力线通信必须首先解决以下两个难题：（1）电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰；同时，考虑到整个通信系统的安全，必须进行强电隔离；（2）低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗”要高，以确保较高的载波信号加载效率。上述问题，正是低压电力线通信的

18、接口技术问题，下面从这两方面介绍其设计原理和实现方法。二、接口电路的模型根据低压电力线通信接口技术的要求：一方面，必须进行强电隔离；另一方面，要确保较高的载波信号加载效率。为此，必须采用“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”，其接口电路模型如图1所示。 该电路的关键物理量是2个回路中的电流i1(t)和i（t)。由基尔霍夫第二定律可得出该电路的数学模型：对（1）式，通过不同的处理将得到不同的数学模型。对图1所示的双RLC耦合回路进行去耦处理，得到个独立的RLC串联回路。对（1）式求导，则可得到二元二阶方程组：（2）式同时含有2个未知函数i(t)和i（t)的二阶导数，不便直接求解。若将

19、RLC串联回路表示成二元一阶方程，则由个RLC回路便可得到四元一阶方程组：该方程组含有个未知数：i(t)，i（t)，。其定解条件，直接由电路的初始储能情况给出，当无初始储能时，为齐次初始条件，即：设所有电路元件都是非时变性元件，则所对应的常系数线性一阶常微分方程组，可转化成线性代数方程组进行求解。三、接口电路的实现根据上述的理论分析与建立的数学模型，可设计出低压电力线通信发送端的接口电路，如图2所示。 在发送电路中，三极管Q1和变压器T1组成调谐功率放大电路。这里谐振变压器T1有着双重作用：一方面，耦合载波信号；另一方面，使通信电路与220 V/50 Hz的强电隔离。在Q1和前级运放之间通过一

20、个电路R1耦合载波信号，这个电阻还可避免后级电路产生自激振荡，此电阻的另一功能是增加放大器的负载阻抗。 前级运放输出的信号经R1输入到功率放大管Q1，再经Q1和谐振网络组成的单调谐放大器放大耦合到交流电力线上。其调谐回路的谐振频率应满足：若将中心频率选在460 kHz5，电容取值为22nF，经计算可得电感L的取值在5.3H左右，即通过调节变压器初级绕组电感量来调节中心频率。变压器T1将电力线与接口电路的其余部分相隔离，将发送信号送至电力线；从电力线上取接收载波信号；滤除来自电力线上的干扰噪声。信号经L1、L2、C1、C2耦合至电力线上，C1、C2、L1、L2组成了带通滤波器，而低压电力线阻抗R

21、具有时变特性。由此，可计算出C1、C2、L1、L2和低压电力线阻抗R组成的双口网络的电压转移函数：四、接口电路的仿真根据该接口电路的电压转移函数，对此双口网络进行了计算机仿真分析。这里，着重分析了在不同的低压电力线阻抗条件下，此带通滤波器的通频带，即该接口电路的频率特性。其频率特性是评价该接口电路耦合性能的一项重要指标。仿真显示了当电力线电阻为2 、5 、10 、15 、30 、50 、100 时，通频带的情况，其频率响应曲线如图3所示。从图3的分析结果可见：电力线阻抗越大，接口电路的通频带越宽，对信号的耦合性能就越好，但选择性差；电力线阻抗越小，接口电路的通频带越窄，对信号的耦合性能就越差，

22、但选择性好。经统计分析得知，低压电力线的统计阻抗一般在515 之间。因此，所使用的429503kHz的信号均在通频带（衰减小于3 dB）范围内，也就是说，以460kHz作为低压电力线通信接口电路的中心频率是合理的。一方面，满足了载波发射高阻抗的要求，提高了载波的加载效率；另一方面，在满足信号的耦合性能的同时，也兼顾了对频率选择性的要求，从而提高了系统的抗干扰能力。 在电路的具体安装和调试过程中，通过调节电感磁芯来调节电感量，使通频带达到最佳。电容选用22 nF/450 V，电感量在56 H之间。 关于接收端接口电路的设计，其基本原理和分析方法是相同的，这里不再重述，而直接给出低压电力线接收端接

23、口电路，如图4所示。图4中的二极管D1、D2起限幅作用，用来保护后续电路。 通过实验，发射端接口电路和接收端接口电路都达到了设计要求。应用该接口电路进行低压电力线通信实验，取得了很好的通信效果。五、结论 基于“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”，从理论上分析并建立了低压电力线载波通信的接口电路”的数学模型，由此设计了“低压电力线载波通信的接口电路”。仿真结果和实验结果表明，该接口电路既有较高的载波信号加载效率，又能完全地隔离电力网50 Hz的工频信号。因此，该接口电路可广泛应用于低压电力线通信系统。（仲元昌，曾孝平）基于电力线载波技术的系统设计摘要：介绍了一种利用半导体磁阻式电流

24、传感器（MRCS）和LM1893芯片实现的远程电流数据采集系统。 系统硬件主要由AT89C2051单片机主控电路、串行ADC0832模/数转换电路、LM1893电力线载波发送电路等三部分组成；软件以MCS-51汇编语言编制，并给出了软件设计的流程图。由于采集了电力线载波技术，该系统可用于远距离信号的测量和传输，具有较高的实用价值。 在现代生产过程的检测和控制中，电流参数的采集是最普遍最重要的项目之一。在一些数据采集系统中，测量现场距离较远且环境恶劣，计算机主控系统与测量装置、传感器远离。传统的方法是采用长距离的电费系统或通过无线电传输，但其成本较高或占用无线电频率资源。电力线载波技术很好地解决

25、了这些问题。它只需利用现有的电力线就能可靠地传输数据。为实现远程数据采集和传输提供了极大的便利。 随着半导体传感器技术和通信技术的发展，使得实现低成本、高精度、高可靠性的电流数据采集，以电力线载波方式进行远程传输成为可能。在本系统中，电流数据采集用半导体磁阻式电流传感器（MRCS），单片机采用AT89C2051，电力线载波通用采用LM1893芯片。由于利用了电力线载波技术，数据远程采集不需要重新布线而是使用现成的电力线，降低了系统实现的成本和复杂性。因此这种系统在应用领域是非常实用的。 1 系统硬件组成及工作原理 11 电流传感器 利用锑化铟-铟（InSb-In）磁阻元件（MR）制成电流传感器

26、（MRCS），这是一种基于磁阻效应的半导体传感器。它在保留霍尔电流传感器优良特性的同时，又具有结构简单、灵敏度高、体积小、线性度优良等优点。它的工作原理就是将能电导线周期的磁场转换成为之对应的电压信号，其特点是能很好地对微弱电流信号进行非接触式检测。其结构如图1所示，主要由导线、绝缘基片、InSb-In磁阻元件MR1和MR2、永久磁铁、五个引脚组成。其中，MR1和MR2是相对旋转的一对磁阻元件，二者阻值相等。垂直放置于基片下的永久磁铁为MR1和MR2提供偏置磁场B，可以提高MRCS检测的灵敏度。待测电流流经的导线置于MR1和MR2对称轴的位置。当电流流过4、5引脚时，导线周围产生空间磁场，其磁

27、感应强度为B。这个空间磁场分别穿过MR1、MR2时，在某个瞬间方向相反，所以这个磁场与MRCS内部永久磁铁的偏置磁场B相叠加而产生的效果是使MR1和MR2的阻值一个增大，一个减小。根据欧姆定律，这种一增一减会使信号输出端2的电压变化幅度更大。依据这种电压变化，MRCS就能够检测、采集到电流信号。 由于电流传感器输出为电压信号，所以需要A/D转换器将输出电压转化为数字信号，以便单片机进行处理。图2所示是输出电压与待测关系的特性曲线。从图中可以看出，当电流为10100mA之间变化时，输出电压由0.5V呈线性增大到4.5V，这说明电流传感器的输出具有良好的线性度。 12 LM1893 LM1893是

28、美国国家半导体公司生产的电力线调制解调芯片，可实现串行数据的半双工通信，具有发送和接收数据的全部功能。采用18脚双列直插式，其引脚图如图3所示。它的主要引脚为：5脚（发送接收控制端）、10脚（载波信号的收发端）、12脚（解调数据输出端）和17脚（调制数据输入端）。它由发送电路和接收电路两部分构成。芯片的工作状态由5脚控制。当为高电平时，芯片处于发送状态；反之，则处于接收状态。发送电路部分由FSK调制器、电流控制振荡器、正弦波形成器、输出放大器和自动电平控制电路（ALC）构成。单片机将数据从17脚输入，由此输入的数据经FSK调制后形成开关控制电流，驱动电流控制振荡器产生三角，再由正弦波形成器形成

29、已调正弦波信号，由输出放大器放大后，送10脚输出到电力线上。ALC则用以控制输出信号的幅值。18脚为外接电阻端，用以调节载波频率。通过调节5k的可调电阻，LM1893的中心频率可以在50300kHz的范围内选择。8、9脚用于外部放大管的射级和基极以提高发射功率。接收电路部分则由限幅放大器、锁相环解调器、RC滤波器、直流偏置消除电路和脉冲噪声滤波电路构成。载波信号由10脚输入，经限幅放大器放大后，送锁相环解调器（PLL）解调，解调输出通过RC滤波器、直流偏置消除电路滤掉直流信号和高频信号，最后经脉冲噪声滤波电路滤除信号中的脉冲干扰，从12脚输出解调后的数据信号。 LM1893的主要技术参数为：

30、（1）采用抗噪声的FSK数据移频键控制器； （2）数据传输速率高达4.8kbps； （3）载波频率可在50300kHz之间选择； （4）输出功率可以在1200倍的范围内自由调节； （5）与TTL、CMOS电平兼容； （6）适合现有的各种电力线路。 13 系统硬件设计原理 如图4所示，整个系统主要由数据采集单元、单片机主控单元和电力线载波发送电路三部分组成。 在控制电路单元，用单片机实现对电流信号的采集和对电力线载波数据发送功能的控制。它使整个数据采集系统成为一个智能化的有机整体。单片机采用ATMEL的AT89C2051，它包含2KB内存、128B的内存、15根I/O口线、两个定时计数器和一个全

31、双工的串行口。在设计中，用到了AT89C2051的T1定时器和串行口以及P1端口线。由于该单片机与MCS-51相兼容，因此在硬件电路设计和软件编程方面更加方便。 数据采集单元主要由MRCS传感器和ADC0832组成。ADC0832是带有串行输入输出功能的8位逐次逼近式模/数转换器，其转换时间为80s。它的两个模拟量输入通道是可编程的，可以由串行输入口DI的三位控制字指定通道，并选择单端输入和差分输入两种工作方式之一。MRCS将电流信号以电压信的形式提供给ADC0832。选择ADC0832的CH1为单端输入工作方式，CH0为不工作。DI端输入的控制字为“111”，可将DI固定接高电平。当单片机的

32、P1.2口将ADC0832的CS脚置低电平时，在CLK的前三个脉冲上升沿，从DI端输入控制字“111”，在接下来的八个脉冲完成转换过程。按照逐次逼近式的机理，依先高位后低位的顺序，转换一位，存储一位。并在下降沿由DO端输出一位；在后续七个脉冲的下降沿又将存储好的转换结果按照先低位后高位的顺序从DO端输出。因此，一次完整的模/数转换过程完成，转换后的八位数据就从P1.0口读入到单片机中。 从实际应用角度出发，系统在具体采集处理功能的基础上，必须要有通信接口，具备远程传输功能。实现电力线载波通信的关键问题是如何根据电力线的特性选择合适的MODEM芯片及设计可靠的接口电路。因为电力线上的用电设备种类繁多，对载波信号传输过程所产生的干扰大部分是低频调幅性干扰，所以电力MODEM芯片的调制方式应该采用抗脉冲干扰强的调频方式，同时应适当提升载波信号功率以加大传输距离。在本系统中选择FSK制式的LM1893。 电力线载波发送电路主要由LM1893和电力线接口（PLI）组成。AT89C2051通过串行口与LM1893通信，通信采用标准异步通信方式，并通过控制LM1893的收发状态完成数据传输。选用定时器1作为波特率发生器，串行口采用波特率可变工作方式1。该方式为标准异步通信，其通信格式为每帧10位。AT89C2051的P1.7口控制LM1893的5脚