基于低壓電力線的智能載波模塊的方案設(shè)計(jì)

1 引言

低壓電力線載波通信（Power Line Communication）是指利用已有的低壓電力線網(wǎng)絡(luò)作 為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)[1]。低壓電力線載波通信這種傳輸信道分 布廣泛、無(wú)需另建、即插即用、移動(dòng)方便的特點(diǎn)對(duì)于滿足人們的需求具有很強(qiáng)的吸引力， 該技術(shù)現(xiàn)在正日益引起人們的關(guān)注。
在中國(guó)，即使歐美國(guó)家成熟的低壓電力線通信產(chǎn)品在我國(guó)的使用效果卻很不理想，甚 至不能使用。因此，低壓電力線智能載波模塊的設(shè)計(jì)目的就是研制一種性價(jià)比較高的載波 通信模塊，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定和長(zhǎng)距離的傳輸。

2 低壓電力線智能載波模塊的設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)方案
低壓電力線智能載波模塊的主要功能是：外部控制系統(tǒng)把要傳送的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 UART、I2C 或SPI 串行接口傳送給P89LPC932，再通過(guò)微控制器和調(diào)制電路部分把數(shù)據(jù)調(diào) 制到低壓電力線上；同時(shí)，把低壓電力線上所調(diào)制的數(shù)據(jù)通過(guò)解調(diào)電路部分解調(diào)出來(lái)并通 過(guò)P89LPC932 標(biāo)準(zhǔn)的UART、I2C 或SPI 串行接口把低壓電力線上的數(shù)據(jù)傳送給外部控制 系統(tǒng)以進(jìn)行相應(yīng)的處理。其模塊整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示[2]。該設(shè)計(jì)以PHILIPS 公司生產(chǎn) 的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 為控制器，以性價(jià)比高的模擬、數(shù)字電子器件和一些電容電 阻構(gòu)成相位檢測(cè)電路和調(diào)制解調(diào)電路。

2.2 相位脈沖調(diào)制解調(diào)法原理
相位脈沖調(diào)制解調(diào)法原理[3-4]就是在正弦低壓電力線每個(gè)周期的固定相位處加一瞬時(shí)的 零脈沖信號(hào)。當(dāng)在正弦交流電一個(gè)周期中調(diào)制信號(hào)的時(shí)候，在固定相位點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬 時(shí)零脈沖。當(dāng)正弦交流電一個(gè)周期中沒(méi)有調(diào)制信號(hào)的時(shí)候，不出現(xiàn)瞬時(shí)零脈沖，因此，用 有沒(méi)有瞬時(shí)零脈沖來(lái)識(shí)別低壓電力線上載有的“1”、“0”信號(hào)。
2.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 微控制器的選型
本設(shè)計(jì)中選擇 PHILIPS 公司生產(chǎn)的一款8 位單片機(jī)P89LPC932 微控制器[5]，P89LPC932 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合。其主要的特性有： 在同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn) 80C51 器件的6 倍，只需要較低的時(shí)鐘頻率即可達(dá)到同 樣的性能，降低了功耗和EMI；增強(qiáng)型UART，400kHz 字節(jié)方式I2C 通信端口，SPI 通信 端口；可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和RC 振蕩器選項(xiàng)；可編程的I/O 口輸出模式：準(zhǔn) 雙向口，開(kāi)漏輸出，推挽和僅為輸入功能。

2.3.2 相位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的相位檢測(cè)電路，即是在正弦交流電固定的相位點(diǎn)，使相位檢測(cè)電路產(chǎn) 生具有一定占空比的方波信號(hào)，由此方波給P89LPC932 提供50Hz 的外部中斷信號(hào)，相位 檢測(cè)電路硬件原理圖如圖2 所示：

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本軟件采用模塊化,結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案。主程序負(fù)責(zé)各功能寄存器初始化、等待發(fā)送數(shù)據(jù) 等功能。中斷處理程序負(fù)責(zé)接受外部輸入的數(shù)據(jù)、通過(guò)電力線發(fā)送和接受數(shù)據(jù)等功能。
3.1 改進(jìn)的Modbus協(xié)議介紹
軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)是低壓電力線智能載波模塊通訊協(xié)議的制定。在本設(shè)計(jì)中，采用 改進(jìn)的Modbus協(xié)議。其是由Modbus協(xié)議的ASCII傳輸模式和RTU傳輸模式融合改進(jìn)而來(lái)。 此協(xié)議實(shí)現(xiàn)主載波模塊對(duì)從載波模塊的讀和寫操作。其幀格式分別如下：
3.1 載波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的軟件設(shè)計(jì)
載波數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是在在微控制器P89LPC932外部中斷子程序中實(shí)現(xiàn)的。其程序流程圖如5所示：

圖5 載波數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序流程圖

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