基于PL3105的低压电力线载波通信硬件设计

摘 要：本文介绍了PL3105载波通信功能的应用接口，分析了基于该芯片的低压电力线载波通信应用的硬件电路设计原理，并给出了相应的电路图和各节点的实测波形。
关键词：PL3105；低压电力线；载波通信
引言
目前，扩频通信技术已经在低压电力线通信上得到广泛应用，并已取得了很大的进展。PL3105即为内嵌直接序列扩频通信方式的一种芯片，同时内部集成了高速微处理器，适宜在智能仪表的设计中选用。

PL3105简介
PL3105采用直接序列扩频的载波通信方式，是一种帧同步方式的串行移位通信芯片，其速率为500bps/250bps可选，默认为500bps，载波的中心频率为120KHz。由于PL3105的CPU和载波模块内嵌，所以载波通信控制可以通过配置片内寄存器来实现。
PL3105芯片的载波功能使能后，即可进行载波通信。载波通信工作于半双工模式，收发转换时需要进行控制，当载波收发控制位PLM_RS(D8H.0)=1，载波处于发送状态，该位设置为0时，载波处于接收状态。
载波通信要求必须使用9.6MHz晶体。发射时载波电路对晶振信号进行分频后，每隔2ms(对应500bps)产生载波同步信号HEAD，内嵌CPU从INT2检测到下降沿中断后，将待发送数据位送到数据引脚P3.7，内部硬件完成数据的扩频调制后从P1.7送出。

载波信号功率放大及
接收电路设计
电力线载波通信所需的直接序列扩频调制电路已在PL3105芯片内集成，外围的配置电路主要包括功率放大电路、滤波整形电路、谐振电路及二次滤波电路。功率放大电路、载波耦合电路及接收电路可如图1所示进行设计。
功率放大电路是用来将PL3105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P17输出，波形为0~5V的方波，包含丰富的谐波；经过推挽电路进行功率放大后，P17点的方波信号被放大为O1点信号。图1电路中D3、D4起钳位作用、吸收低压电力线上的尖峰干扰。载波发射功率的大小与VHH电源幅值的高低以及电源电流提供能力密切相关，在一定范围内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效地加大发射功率、从而延长通信距离。
由于放大后的信号O1波形富含谐波，为减少对电网的谐波污染，需进行滤波整形。图1(b)中电感L1、电容C3完成整形滤波后，再通过耦合线圈T1耦合到低压电力线上，双向二极管D7起保护作用。
图1(b)中包含接收回路部分。R3在接收本地强发射信号时可以有效吸收衰减。电感L2、电容C6组成并联谐振回路，谐振以中心频率为120KHz进行设计，完成对有效信号的带通滤波，良好的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度。
如选择电容C6=1.5nF，根据并联谐振公式计算后，即可以选择合适的电感值：
(1)
以f=120KHz带入计算得到L=1.17mH。
二极管D5、D6的作用是将接收信号的电位钳制在±0.7V。接收信号经过电容C4后引入到芯片内部进行混频处理，SIGIN被内部上拉后平移到2.5V±0.7V，以利于后续处理。

载波信号的后处理
并联谐振后接收的载波信号经SIGIN引脚进入芯片。由于陶瓷滤波器通频带只能在中频附近，所以芯片内部将接收到的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。
混频信号由FLTI引脚输入到陶瓷滤波器的输入引脚，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。然后由芯片内的硬件解扩电路进行有效数据的还原。数据解扩完成后将数据位锁存到P3.7引脚，同时产生同步信号HEAD。
陶瓷滤波器接口电路参见图2。
陶瓷滤波器的设计参数为：中心频率f=480KHz，带宽15K；该带宽与伪码长度有关，具体关系如下：
500bps：15位伪码，载波同步捕获门限默认为30H，带宽±7.5KHz；
250bps：31位伪码，载波同步捕获门限默认为60H，带宽±7.5KHz。

结语
按以上原理设计的载波通信产品，具有很高的接收灵敏度和很强的抗干扰能力。实验条件下，在1000m距离内，达到了令人满意的通信成功率。在外围通信电路的设计中根据实际线路阻抗状况，恰当进行并联谐振的电容电感选值、计算，选择效率更高的放大电路、调整发射功率，则可达到低成本、远距离、高可靠性的设计目标。■