一种低压电力线通信系统的设计与实现

　　电力线通信（PLC）是利用电力线作为通信媒质来传输数据信息和话音信号的一种通信方式。它具有不用布线、覆盖范围广、连接方便的显着特点，因而具有很高的应用潜力。随着网络技术的高速发展，人们对宽带电力线通信业务的需求越来越大，对网络传输速度的要求也越来越高，进一步提高在电力线上的通信性能，实现高速、可靠的长距离通信。随着计算机技术，通讯技术，网络技术的快速发展，消费电子产品正逐渐与计算机、通讯技术密切结合在一起，成为目前所统称的3C产品。单个家用电子电器产品的自动化已经不太能满足人们对自动化和智能化的需求，人们希望将全部家电联网，即成为协调一致的自动化智能化系统，使家用电子电器产品步向家庭自动化的方向，进而实现家居网络。

　　1 低压电力线载波通信系统硬件电路设计

　　1.1 PL3105载波通信原理

　　PL3105载波通信原理如图1所示，数据由主机A（或主机B）的串口RS-232发出，通过PC接口电路进行电平转换后送入PL3105.在PL3105中，先由扩展串口UART（通用异步收发器）接收数据，经内嵌8051型微处理器控制处理，再送入载波通信单元，对数据进行直接序列扩频，扩频后的信号经120 kHz的载波频率调制后输出。此信号通过电力线接口电路进行功率放大、滤波并耦合到低压电力线上，实现电力线载波通信。在接收端，经过电力线接口电路将电力线上的信号耦合出来并对信号进行滤波限幅。限幅后的信号送入PL3105进行捕获、同步及解扩处理，经由内嵌8051处理，由PL3105的UART串口发送数据。数据经PC接口电路进行电平转换后，经PC的RS-232接口送到主机B（或主机A）。

 

　　PL3105内部集成了PL2101电力线载波通信模块，载波通信的扩频解扩工作完全由PL3105内部的硬件电路实现。载波通信采用直接序列扩频的DPSK调制解调方式：将要发送的信息用伪随机序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机序列来进行同步接收，恢复信息。接收的过程包括载波信号的捕获和同步。捕获和同步过程由载波通信控制单元的硬件电路自动完成。

　　在实际应用中，两个PL3105可分别作为中心控制器和智能节点，一方与计算机连接实现人机交互，另一方与各电器（或其它需要控制的设备）相连，控制相应设备进行动作。

　　1.2 系统硬件结构

　　系统硬件包括主控芯片PL3105电路、载波数据收发电路、串口通信电路及电源电路。

　　PL3105电路主要为晶振、陶瓷滤波等电路，根据芯片资料即可连接。

　　串口通信电路采用RS-232连接方式，采用美信公司生产的专用电平转换芯片MAX202芯片。

　　电源电路提供+12 V,+5 V电源，电源取自普通电力插座，为220 V/50 Hz工频交流电，由电源变压器引入，在电源变压器的二次侧可获得+12 V的电压。滤波电容的输出端接+5 V的三端稳压器7805,再经过滤波电容即可得到单片机和PL3105所需的工作电源（芯片供电电压为5 V）。

　　载波数据收发电路包括功率放大电路、整形滤波电路、耦合电路及接收电路。

　　典型的载波发射电路如图2所示，典型的载波接收电路如图3所示。

 

　　2 系统软件设计

　　2.1 通信协议

　　通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

　　在电力载波通信的过程中，因为通信方式为半双工方式，所以一定要有包含控制机制的传输协议，以确保数据的可靠传输。在本文所讨论的通信协议主要任务是维持调制解调器和PC机之间的通信，采用帧传输的方式，即所有的数据和命令都是以帧的形式出现。

　　（1）通信接口

　　接口标准：PC机和调制解调器之间采用RS-232C通信接口，由于RS-232与TTL逻辑电平不同，因此采用MAX232进行电平的转换。

　　接线方式：三线制工作方式，使用DB9型RS232C接口的第2脚-TXD,第3脚-RXD,第5脚-GND.

　　工作方式：半双工，PL3105只能进行半双工操作，不能同时收发数据。

　　通信格式：串行异步方式1,即标准的异步通信方式，每帧包括10个数据，包括1位起始位、8位数据位和1位停止位。

　　通信速率：2 400 b/s.

　　（2）报文格式

　　其帧结构见下表，并具体描述如下：

　　同步字符为四个字节的0FFH,是为了缩短PL3105在接收扩频载波信号时捕获同步的时间而设定的特殊字符。

　　同步帧头包括两个字节：09H和AFH.连续接收到这两个特定字符即表示接收系统在硬件已经获得同步，其后接收到的数据即为有效信号数据。

　　命令字是表征通信双方控制与响应的特殊字符。在复杂的系统中应用，如在通信长度受限而采用中继发送时和一发多收系统中，都可以在此处设置地址编码和相应命令。电力载波终端将在这里设置一个字节的地址编码，若接收机收到的地址字节与本机的相同时，则向载波终端发送出接收到的数据体；若接收到的地址字节与本机的地址不符，则不做任何响应。

　　数据长度Length为一个字节，表示载波发送和要接收到的有效数据体（Data Body）字节长度。

　　校验码采用冗余校验码（CRC），对同步帧头之后和校验码之前的数据进行冗余校验。

　　帧尾用特殊字节AAH表示一帧数据的结束。

　　2.2 数据传输的软件设计

　　载波通信为总线方式通信，所以载波模块的常态必须设置为接收态，不同的载波模块必须分配不同的通信地址。模块接收到校验正确的命令后，只有地址相同的模块才允许按规约进行应答。由于载波通信速率（500 b/s或250 b/s）相对于系统CPU主频（4.8 MHz）低很多，为提高CPU效率，接收和发送一般均设计为外部中断方式处理，每次进入中断，完成对1位数据的接收或发送处理。

　　主程序流程图如图4所示。

 

　　3 实验结论

　　在完成硬件电路设计、电路板加工、通信协议的制订及软件总体设计、编程后，只有通过测试才能证明它是否达到了设计目标。测试工作按从模块到整体的思路逐步进行。将首先测试各个模块电路性能，然后对整个系统的数据传输特性进行测试，进而分析该实验系统性能的优劣。

　　实验过程：利用北京福星晓程公司提供的演示软件，通过PC机1发送一帧数据给实验板1,载波通信模块将数据调制扩频后耦合到电力线上，实验板2上的载波通信模块进行信号接收，通过RS232口上传给PC机2,PC机2反馈一帧数据，经过上述过程，PC机1接到反馈的数据，如果接收的数据跟期望收到的数据一致，则判定为这次通信成功，否则失败。

　　经测试，通信成功率达到98%以上，经实验室检测该系统能够实现正常的通信功能。实验证明，利用PL3105在低压电力网中进行数据信号传输时，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷，整个系统可靠性较高，电路模块工作稳定，是一个较佳的选择方案。