一种电力线扩频载波通讯节点的设计和实现

 

　　电力线载波（PLC）是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。近年来电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面。

　　目前，配电网通信是实现配电自动化的关键，尤其低压电力网的信息传输已成为网络的"瓶颈".低压电力线信息传输目前主要有无线、有线和电力载波信道。有线信道使用专用电缆（如电话线）进行数据传输，优点是数据传输的误码率低，但需要专用通信线路，费用高；无线信道不仅受其发射功率的限制，而且使用频率也受限制；利用电力线载波通信可以大量减少投资和对线路的维护成本，但须提高载波通信的信息传输速率，降低误码率，实现信息传输网络化等。

　　为此，在研制故障监控系统中采用了电力线扩频载波通信的方案。该载波通信方案与其它通信方式相比有着特殊的优势。各个现场节点只需联到交流220V电力线上即可实现开放的通讯网络。系统构成简单，易于维护。由于采用了扩频通信技术，系统具有很强的抗干扰和抗衰减能力，使其很有发展前途。系统中采用一种新器件SSC P300/P111来实现电力线载波通讯。

　　1 系统的总体组成及其原理

　　系统组成如图1所示。它以单片机AT89C52为控制，控制SSC P300网络接口控制器，实现具体的数据链路层功能包括数据包的发送和接收、发送字节到符号的转换、接收符号到字节的转换及CRC的产生和校验等。这里主处理器AT89C52先将命令和数据翻译过来提供给用户使用，并提供上层（包含应用层和网络层）的通迅协议。而SSC P300 IC则提供低级数据链路层和物理层的网络服务。

 

 

　　SSC P300与主处理器的接口通过一个5线的串行外围接口（SPI）完成。SPI的数据输入（SDI）和数据输出（SDO）线允许数据由SSC P300传出或传至SSC P300时对其进行计时。主处理器还提供了PI数据时钟（SCLK）来对数据传输提供时序信号。SSC P300的服务请求由低电平有效的中断信号（INT）来完成。SSC P300低电平有效的片选信号（CS）可将SPI接口置为有效或无效。而低电平有效的复位信号（RST）则由主处理器AT89C52提供。所有的主处理器AT89C52接口信号都与TTL电平兼容。

　　SSC P111媒介接口和电力线耦合部分完成缓冲放大、低通滤波和信号耦合等功能。模拟信号是通过信号入（SI）和信号出（SO）脚在SSC P300与通讯媒介（交流电力线、双绞线等）之间进行传输的。

　　在发送模式下，SSC的chirps从SSC P300的SO脚传输到SSC P111的输出放大器，此放大器由SSC P300的三态信号（TS）来决定其工作与否。一旦信号被放大，则输出信号通过媒介耦合电路传输到媒介中去。在接收模式下，模拟通讯信号通过外部媒介耦合电路传输到输入滤波器，此带通滤波器可将频率为100kHz~400kHz的信号传输到SSC P300的SI脚。

　　2 发送模式电路原理

　　在发送模式下，由SSC P300内部产生的chirps波形输出到SO管脚。此信号在被加到由Q1、R8、R9和R10组成的缓存放大器之前，需经C9进行交流耦合，经R7、C12进行滤波。为了在电力线上保证按照FCC规则进行引导发射，需要对chirps信号进一步滤波。在频率为535kHz~1705kHz的范围内，节点输出处的失真和噪声幅度必须小于1mV RMS.缓存放大器电路可以降低阻抗以正确驱动由C13、C14,L1和R11组成的3极低通滤波器。

　　在预置滤波后，"chirps"信号通过C15进行交流耦合，再传输到SSC P111功率放大器的信号输入脚（TXI）。此功率放大器可将信号电压幅度增至原来的2倍。信号从SSC P111 IC的TXO脚输出，并被电感L2滤波。之后，信号通过C18进行交流滤波，传输到电力线耦合电路，到达电力线。

　　3 接收模式电路原理

　　从电力线上耦合进来的chirp波信号首先经过由图1中的R13、C20、L3、C21、L4、C22和C23组成的无源六级LC构造的外部带通滤波器以实现带外频率波形衰减。经过滤波后的输入信号要经由图1中Q2、R14和R17组成的晶体管放大器进行缓存。此放大器的信号增益为20dB.之所以定为这个值，是因它可以提供给节点峰-峰值为1mV的灵敏电压。而其他增益值尽管可以提高节点的灵敏度，但却同时降低了信号对噪声的抗干扰度。图1中R14和R15两个电阻为放大器设定了直流偏移点，将SSC P300 SI脚输入的直流电平置为电源电压的一半。同时，它们还接在输入滤波器的端点处，其阻值大约为900Ω。而作为双二极管封装的CR2则将加在SSC P300 SI管脚的信号固定于设备电源提供的电压范围内。同时也为SSC P300提供了额外的瞬间高压保护。

　　4 电力线耦合保护模块电路原理

　　电力线electric force,line of  电力线，在变化磁场产生的有旋电场中，电力线环形闭合，围绕着变化磁场。电力线描绘了电场的走向和空间分布，电力线的疏密反映了各处电场的强弱，电力线还有助于了解电场的性质（如是否有源，是否有旋）。电场分布的虚设的有向曲线族。曲线上每一点的切线方向与该点电场方向一致。电力线形象直观，不仅可以图示静电场，也可图示非稳恒时的电场以及辐射场，在物理教学和工程中广泛采用。

　　为了防止通讯线路上的瞬态作用对电路元器件造成性的损坏，一般电子产品内都设有瞬态保护电路。本系统是为低压电力线通信而设计的，其保护电路尤为重要，因为低压电力线上的雷电和开关瞬态具有很高的幅值和快速上升时间，为此必需采用特殊的保护措施。

　　耦合保护电路主要由图2中的100系列元件组成。变压器T101对于100kHz~400kHz的扩频载波信号提供了一个线性的传输功能；电容C101限制了变压器电流，以避免变压器铁芯的饱和；电阻R101在C101与电力线断接后，可对其进行放电，减轻由于C101中储藏的高压而带来的损坏或破坏设备的可能性；稳压二极管D101和D102可用来稳定加在SSC P300模拟支持电路上的电压；而金属氧化物变阻器MOV101则可以在电力线瞬间高电压下提供保护。

 

 

　　5 电力"三通"的实现及原理

　　在系统中，每个现场节点只有一根电源线与外界相连，功率和信号都从电源线走。所以，有效地隔离50Hz的工频信号和100kHz~400kHz的扫频波信号是实现这种"二线制"现场节点的关键。图3给出了电力"三通"的电路原理。50Hz的工频信号和高频的扫频信号同时加到电路板的耦合输入端。其中R101和C101组成了一个高通滤波器，将220V/50Hz的工频信号隔离开。而100kHz~400kHz的扫频信号则可以顺利通过。信号经高通滤波后再由一个12:12的高频信号耦合变压器耦合到内部后续电路做进一步的信号处理。事实上，该高频耦合变压器也是一个10kHz的高通。相应地，耦合输入端的高频信号在经过一个30W,220V/24V的电源变压器T102（相当于一个低通）后，部分高频信号被滤掉。电感L102、L103和电容C103、C104、C105组成了一个电源滤波器，进一步将功率信号上载有的高频扫频信号滤掉，从而得到干净的24V电源输出。该24V输出经整流、稳压后可输出12V、9V、5V等各种不同等级的电压供系统使用。

 

 

　　6 应注意的一些问题

　　（1）时钟接口问题。SSC P300的晶振输出脚 （XOUT）和晶振输入脚 （XIN）将片上Pierce类型的振荡器与外部12MHz的晶振相连。另外，还需要一个1MΩ的电阻（R5），与之并联的晶振（Y1）和一个33pF的电容将每个晶振脚与地相连。这些电容（C7、C8）的值需要进行实验以对印刷电路的布线电容进行补偿（±10pF）。

　　（2）布线的考虑。SSC P300的节点应用在RF低频，对微瓦等级信号进行的操作。因此，对印刷电路板的精心布线就尤为重要了。对于SSC P300电源的旁路而言，必须与IC管脚尽可能靠近。且模拟信号地必须与模拟电源和数字信号地在物理上分开，而地线必须仅固定于一个管脚。

　　（3） SSC P111瞬间保护。由于SSC P111驱动AC电力线，因而线上的瞬间电压将会通过耦合电路返回到P111的输出管脚上。在某些特定条件上，具有较大幅度或较大加速度的瞬间电压会造成P111 IC的损坏，所以需要加上瞬间抑制电路以确保P111 IC的安全工作。

　　需要指出的是，电力线载波传输限于同一个电力变压器供电范围内，各单片机节点均接到同一相线上，这样传输衰减小、传距远、传输效果也较好。如果要在不同相之间传输数据，则需要在相间跨接0.1μF耐压630V以上的电容，实现跨相传输，但传输效果可能差很多。