通信學論文-一種基于ARM7與ST7538的電力線載波通信模塊的設計【摘要】該文提出了一種用LP2132ARM內核單片機與載波芯片ST7538構成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)方案,詳細介紹了該系統(tǒng)的工作原理和軟硬件組成。經實際測試證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較高的應用價值。關鍵詞：電力線；載波通信；FSK；PLC；ARM1引言電力線載波通信（PowerLinecarriercommunication）技術是指將電力線作為通信媒介的一種通信方式。利用電力線作為通信介質的電力載波通信，避免了新的通信網絡的建設和投資。在住宅智能控制、布線困難的工業(yè)自動化控制等系統(tǒng)中，采用低壓電力線通信方案有著極為顯著的優(yōu)越性，具有極大的方便性、免維護性、即插即用等優(yōu)點。電力線用于信息傳輸有些不利因素：線路阻抗小、信號衰減大、時變性大、噪聲影響大。在實用系統(tǒng)的開發(fā)中，控制軟件的編寫、器件的選擇及電力線接口的設計是關鍵。本文提出一種采用ARM內核的單片機LP2132控制電力線載波芯片ST7538構成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)。實驗證明，采用此種結構在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下能實現(xiàn)可靠通信。2系統(tǒng)結構低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)由主通信設備發(fā)出，經通信接口模塊，存入微控制器處理中的一段緩沖區(qū)內，再經編碼處理后進行通信調制，最后耦合到電力線上。在電力線的另一端，數(shù)據(jù)經解耦后從電力線上接收下來再解調到微控制器中，最后經通信接口到從通信設備中。在整個系統(tǒng)中，微控制器是系統(tǒng)的核心，它負責整個系統(tǒng)中各任務的協(xié)調與調度。而電力線接口主要起耦合、隔離、濾波與保護的功能。3硬件的設計3.1微控器的選擇由于低壓電力線上存在信號衰減大、時變性大、噪聲影響大等不利因素，這些問題導致誤碼率的升高，通信質量嚴重下降。除了選擇好的通信器件從“硬”的方面來提高通信質量，降低誤碼率外，另一種解決方法是采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，這可能使得算法復雜化，運算速度降低進而導致通信速率下降，這種方法對處理器運算速度的要求較為苛刻，同時也要求微處理有較強的控制功能。在兼顧運算能力與控制性能之后，我們沒有選用傳統(tǒng)的功能簡單的單片機，而選用了飛利浦（Philips）公司的ARM內核的LP2132單片機，LPC2132是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并帶有64kB的嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。較小的封裝和極低的功耗使LPC2132可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和POS機。3.2調制解調芯片的選擇現(xiàn)在，電力線載波通信專用Modem芯片種類不少，經仔細比較，選擇了SGSTHOMSON公司的ST7538，早期國內電力線載波通信的應用中，ST公司的ST7536、ST7537芯片獲得良好應用。ST7538是在ST7536、ST7537基礎上推出的又一款為家庭和工業(yè)領域電力線網絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK（調頻）調制解調器芯片。FSK調制技術是用兩個不同頻率的正弦波來傳送一組數(shù)字信號，其中用fh代表邏輯高水平,用fl代表邏輯低電平，其中載波頻率fc及波特率Baud及誤差dev之間關系可由公式，雖然ST7538采用FSK調制技術，沒有采用擴頻技術，沒有擴頻通信的優(yōu)點，按理說無論從理論上還是技術上，擴頻調制解調技術應明顯優(yōu)于FSK，但從實際試用來看，沒有發(fā)現(xiàn)其它擴頻芯片有明顯的優(yōu)勢，而ST7538卻可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實現(xiàn)可靠通信。如果能夠很好地利用它的多頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點。ST7538內部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網中。ST7538是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，它為家庭和工業(yè)環(huán)境應用而設計，采取了多種抗干擾技術。3.3電力線接口的設計電力線接口是用來連接設備到電力線的，具體實現(xiàn)如下圖2所示。它首先是一個耦合電路，用于FSK信號的傳輸與接收；同時也是一個濾波系統(tǒng)，能可靠地過濾掉220V/50Hz的電力信號、及噪聲信號和浪涌信號。發(fā)送電路由C4、C5、R3、L3、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1構成，其中C4、C5、R3、L3與C1、L1、R1分別構成兩個帶通濾波器，而D1、D2、D3構成保護電路。兩個帶通濾波器的理想諧振頻率可由如下公式計算:接收電路由C2、C3、R2、L2、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1構成，其中D1、D2、D3同樣構成保護電路，而C2、C3、R2、L2構成一個二階的接收帶通濾波電路，其中心頻率f0及品質因素Q可以由以下公式計算：3.4系統(tǒng)的硬件連接整個通信模塊的各芯片之間的連接如下圖3所示。LP2132通過監(jiān)測載波信號（CD/LP）與波特率信號（BU）來得到載波的情況，而通過REG_OK、PG、TOUT來得到ST7538自身的狀態(tài)情況。而LP2132與ST7538之間的數(shù)據(jù)交換是通過SPI口來完成的。而LP2132與通信設備之間的通信是通過SCI通信模塊來進行的，其間采用MAX202E來完成電平轉換。由于LP2132的資源很豐富，我們還可以根據(jù)實際需求選擇接上LCD顯示或鍵盤等其它周邊設備。3軟件設計軟件設計是整個模塊開發(fā)的另一個難點。其困難之處在于要協(xié)調電力線載波通信模塊在多種狀態(tài)之間的切換，LP2132監(jiān)測的信號線多，要完成的狀態(tài)轉換動作也較多。簡化系統(tǒng)結構，可以將通信模塊功能簡化看作為電力線與SCI通信口之間的橋梁，系統(tǒng)軟件流程圖如下圖4所示：當系統(tǒng)加電啟動時，系統(tǒng)程序進入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，開始檢測載波信號的有無及正確與否，以此作為系統(tǒng)是否轉換到從SCI接收數(shù)據(jù)狀態(tài)的判斷條件。如果檢測到載波信號且正確，則系統(tǒng)開始接收從電力線上傳來的數(shù)據(jù)，此時SCI口中斷狀態(tài)是加電之后的初始值，即SCI口處于接收中斷關。如果一開始沒有載波信號，則系統(tǒng)開始檢測SCI口，判斷SCI口是否有數(shù)據(jù)傳送過來，以此決定是否要進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。如果電力線及SCI口都無數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進入檢測狀態(tài)，重新開始檢測電力線，進入新一輪循環(huán)。為了避免SCI口同時處于接收與發(fā)送狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)沖突，程序中是以狀態(tài)字的查詢以及中斷的設置來完成。無論是從電力線上收到數(shù)據(jù)還是從SCI口收到數(shù)據(jù)之后，都要從SCI口的中斷狀態(tài)來判斷系統(tǒng)通道的情況，從而決定是將數(shù)據(jù)從PL2132傳向電力線還是傳向通信設備。一旦數(shù)據(jù)轉發(fā)完成，則整個系統(tǒng)回到檢測狀態(tài)，等待新一輪數(shù)據(jù)收發(fā)的啟動。5結束語低壓電力線載波通信是個具有廣闊應用前景的課題。但低壓電力配電網是一個開放性網絡，在傳輸信號時具有衰減大、干擾強、阻抗變化復雜等特性，要在電力線上進行高速、可靠、安全的數(shù)據(jù)通信還有許多技術問題需要研究。此方案以PL2132這一款高性能微控制器作為中心處理器，用ST7538作為調制解調芯片實現(xiàn)的通信模塊可實現(xiàn)可靠通信，具有一定實用價值。參考文獻：1周耀義，鮑濱壽低壓電力用戶遠程自動抄表系統(tǒng)電力自動化設備J，1999，19(2)：64652曹志剛，錢亞生現(xiàn)代通信原理M清華大學出版，1994。3NewburyDJCommunicationrequirementsandstandardsforlowvoltagemainssignaLin