ST7536的電力載波網(wǎng)絡(luò)的路由算法研究

摘要：法國ST公司的ST7536是一個(gè)半雙工、同步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。它專為低壓電力線傳輸而設(shè)計(jì)，較好地克服了低壓電力載線波傳輸中的技術(shù)問題。但是在實(shí)際應(yīng)用中，電力載波網(wǎng)絡(luò)的通信距離均無大于其芯片的通信距離，所以必須使用相應(yīng)的算法來補(bǔ)償，從而更好地應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。本文介紹一種簡單可行的路由算法。

關(guān)鍵詞：ST7536 電力線載波 數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò) 路由算法

引言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷發(fā)展，能夠大量節(jié)約人力物力的自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，電力載波技術(shù)就是在這一形式下推出的一項(xiàng)技術(shù)。電力線載波（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式。電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。由于使用堅(jiān)固可靠的電力線作為載波信號(hào)的傳輸媒介，因此具有信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、可同時(shí)復(fù)用遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)等特點(diǎn)，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。電力線載波通信技術(shù)可以進(jìn)行模擬（語音信號(hào)）或數(shù)字信息（如家居控制信號(hào)）的半雙工傳輸，可廣泛應(yīng)用于家居自動(dòng)化、小型辦公室、家庭辦公室通信（如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)部信件、游戲、音頻、視頻）等領(lǐng)域，具有節(jié)省費(fèi)用、安裝方便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。

圖1

作為通信技術(shù)的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通信技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場而為全世界所關(guān)注，成為世界各大公司及研究單位爭相研究的熱點(diǎn)。國外許多著名公司和研究單位，如Intellon、Thomson、Atmel等，都在外此進(jìn)行研究，并開發(fā)出相應(yīng)的器件和產(chǎn)品；而國內(nèi)的許多企業(yè)也緊隨國際步伐，在利用電力線傳輸信息，特別是在遠(yuǎn)程抄表及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方面已逐步形成應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

1 ST7536簡介

ST7536是單芯片Modem，有28個(gè)引腳。ST7536芯片的集成度很高，只需要較少的外部元件來完成所有操作：1個(gè)晶振，4個(gè)電阻和5個(gè)電容。表1給出其各主要引腳的功能。

表1 ST7536主要引腳說明

ST7536屬于半雙工同步調(diào)制解調(diào)集成電路，采用低成本的同步FSK調(diào)制方式。它有兩種工作方式：接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。工作方式是由Rx/Tx控制輸入端決定的，數(shù)據(jù)的輸入輸出與時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)。此時(shí)鐘信號(hào)由ST7536產(chǎn)生。當(dāng)ST7536工作于發(fā)送方式時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)（TXD）在時(shí)鐘的正沿被抽樣，然后進(jìn)入FSK調(diào)制器。它的工作頻率是由時(shí)間基準(zhǔn)和控制邏輯來設(shè)定的。在正常工作狀態(tài)，信號(hào)混合電路決定送至發(fā)送濾波器的FSK調(diào)制信號(hào)。此濾波器是一開關(guān)型的電容帶通濾波器。

在接收方式時(shí)，信號(hào)通過接收模塊輸入端（RAI）進(jìn)入，被接收信號(hào)經(jīng)過接收帶通濾波器濾波。接收濾波器與發(fā)送濾波器一樣，也是開關(guān)電容濾波器，也用自動(dòng)頻率控制電路來將此濾波器設(shè)定于正確的工作頻率上。經(jīng)過放大之后，此接收信號(hào)頻率向下變換并經(jīng)中頻帶通濾波器濾波，得到的信號(hào)送至FSK解調(diào)器。中頻濾波器（IFQ）輸出和FSK解調(diào)器輸入（OEMI）間的耦合是由外部的電容來完成的，它濾除了失調(diào)電壓。時(shí)鐘恢復(fù)電路從FSK解調(diào)器的解調(diào)輸出中接收時(shí)鐘信號(hào)（CLR/T）。同步接收的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘正沿被傳送。

ST7536的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ST7536符合DH028/29ENEL、歐洲CENELECEN50065-1標(biāo)準(zhǔn)以及美國的FCC規(guī)定。一個(gè)由ST7536作電力載波通信芯片的系統(tǒng)是由微處理器、接口電路和ST7536本身組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 路由算法的實(shí)現(xiàn)

路由器是網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)部件，可提供比網(wǎng)橋更豐富、靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)部件之一。路由算法是用軟件方法實(shí)現(xiàn)路由的功能。

路由算法的工作原理及操作過程主要包括下面幾點(diǎn)。

①接收數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解。當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包之后，要先驗(yàn)證其合法性，然后把報(bào)頭、報(bào)文和校驗(yàn)字節(jié)分離開來。最后再根據(jù)報(bào)頭的不同，選擇進(jìn)行什么操作。

②對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。當(dāng)接收到有效的報(bào)文時(shí)，路由器必須決定該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)IP廣播或多播時(shí)，也可能是一種混合的情況。對這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個(gè)規(guī)則進(jìn)行處理：

*當(dāng)IP數(shù)據(jù)包中有一個(gè)源路由選項(xiàng)時(shí)，它將被轉(zhuǎn)發(fā)而不進(jìn)行本地提交；

*當(dāng)IP目的地址或其非轉(zhuǎn)發(fā)多播地址中的某一個(gè)地址與數(shù)由器的某個(gè)端口地址相符時(shí)，將進(jìn)行地提交；

*當(dāng)IP目的地址是一個(gè)廣播地址，或者是個(gè)既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時(shí)，將同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)操作。

③轉(zhuǎn)發(fā)尋址。當(dāng)路由器決定要轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)IP數(shù)據(jù)包時(shí)，先要確定下一個(gè)路由器的地址。如果數(shù)據(jù)包中包括路由器選項(xiàng)而且驗(yàn)證其合法時(shí)，則下一個(gè)路由器地址可取自自身列表中的一項(xiàng)，而源地址應(yīng)該是寫成廣播源的地址。

④轉(zhuǎn)發(fā)驗(yàn)證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器應(yīng)該對數(shù)據(jù)包進(jìn)行一些校驗(yàn)工作，而只有驗(yàn)證無誤的時(shí)候才能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包拋棄而重新提示數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。這里的校驗(yàn)分兩個(gè)部分：一個(gè)是IP的驗(yàn)證，看是否接收到的數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP符合要求；二是具體數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，看校驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是否有誤（筆者使用的是CRC校驗(yàn)方式）。

⑤同步字節(jié)的設(shè)置。這一項(xiàng)在通常的路由算法中并不存在，但是在筆者使用的ST7536芯片通信中需要強(qiáng)調(diào)使用。因?yàn)樵撔酒且酝絺鬏敺绞焦ぷ鞯?，為了保證其通訊數(shù)據(jù)的正確傳輸，要首先在報(bào)文前面加1～2字節(jié)的同步字節(jié)位。

由于電力載波網(wǎng)絡(luò)的采集器與集中器之間的距離在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最大通信距離，所以必須使用路由算法來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。

由于載波網(wǎng)絡(luò)的硬件十分固定，而且相對來說傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也比較少，所以我們使用路由算法中的中繼器方式和靜態(tài)路由表算法。

圖3為電力載波網(wǎng)絡(luò)通信原理。圖中的采集器1、2可以直接和集中器進(jìn)行通信，而采集器3、4、5由由于通信距離過遠(yuǎn)不能直接和集中器進(jìn)行通信，因而要利用采集器1、2作為中繼器間接與采集器進(jìn)行通信。采集器1、2中安放的靜態(tài)路由表中分別為采集器3和采集器4、5的地址。

在載波網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，傳輸數(shù)據(jù)包的格式按照現(xiàn)場總線的規(guī)定方式：

圖4給出采集器的1的中繼器算法流程。

圖4

其中需要注意的是，無論是采集器還是集中器，如果校驗(yàn)位與校驗(yàn)結(jié)果不一致的話，要提示發(fā)送包的單元重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，直至二者結(jié)果一致為止。這一點(diǎn)在流程圖中沒有被強(qiáng)調(diào)。

結(jié)語

與擴(kuò)頻載波產(chǎn)品（如SSC P300等）相比，盡管ST7536的通信速率與通信距離受到一定的限制；但是由于其具有較好的穩(wěn)定性與可靠性，因此在國內(nèi)電力載波市場仍具有很大的份額，對它的應(yīng)用研究仍然具有重要的理論與實(shí)際意義。

本文給出了在基于ST7536的電力載波的通信網(wǎng)絡(luò)中，為了克服芯片的通信距離離不夠而需要用到的一種相對簡單的路由算法。應(yīng)用該算法可以使電力載波網(wǎng)絡(luò)的通信距離大大算法，從而提高電力載波芯片的應(yīng)用范圍，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，特別是在小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中有著較好的效果。