一種多頻調(diào)制的電力線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能建筑和智能社區(qū)已成為趨勢(shì)。但在智能樓宇和智能小區(qū)中,數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線一直是個(gè)問(wèn)題。尤其是在對(duì)原有辦公樓宇、小區(qū)的智能化改造過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)布線成本高,工期長(zhǎng),并且會(huì)破壞原有建筑結(jié)構(gòu)和裝潢。然而,電力線普遍存在于辦公樓宇、小區(qū)中,如果能以電力線為載波信道來(lái)傳遞信息,那么將為智能樓宇和智能小區(qū)中數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線提供一種經(jīng)濟(jì)方便的新方式。目前在國(guó)外,電力線載波芯片已經(jīng)比較成熟,但是由于各國(guó)電網(wǎng)特性的巨大差異,這些芯片在國(guó)內(nèi)使用存在著很多問(wèn)題,而當(dāng)前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一款成熟的芯片出現(xiàn)。為此,本文設(shè)計(jì)一種適應(yīng)我國(guó)電網(wǎng)特性的通用型電力線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),該系統(tǒng)為半雙工、異步模式,雙音多頻調(diào)制,數(shù)據(jù)傳輸率40bps,可廣泛應(yīng)用于家庭和辦公場(chǎng)所的智能控制、安全報(bào)警、自動(dòng)抄表等低速率數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。2關(guān)于電能線性能的研究我國(guó)現(xiàn)有低壓電力線載波信道具有時(shí)變性、衰減大,干擾復(fù)雜等特點(diǎn)。2.1負(fù)載變化時(shí)變性分析對(duì)于一般的居民用戶,我國(guó)采用220V交流兩線供電。由于電網(wǎng)上負(fù)載隨機(jī)變化,電力線具有很強(qiáng)的時(shí)變性。低壓電力線在1s內(nèi)對(duì)某一頻率信號(hào)的衰減變化可達(dá)20dB,信噪比變化可達(dá)10dB,因此不能利用簡(jiǎn)單的電壓檢測(cè)方法來(lái)確定線路信號(hào)。2.2耦合電路織構(gòu)與負(fù)載低壓電力線一般由銅或其它電的良導(dǎo)體加工而成,本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的主要原因。但是,電力線上并聯(lián)的負(fù)載對(duì)信號(hào)衰落影響很大。尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容,對(duì)幾百kHz的載波通信信號(hào)來(lái)說(shuō),相當(dāng)于短路。此外,當(dāng)負(fù)載很小時(shí),發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視,它會(huì)損耗相當(dāng)一部分的功率。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該盡量降低耦合電路的內(nèi)阻。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求電力線上噪聲主要為加性干擾噪聲。背景噪聲是典型的離散高斯型噪聲,它對(duì)通信系統(tǒng)的影響很好理解。其余就是脈沖噪聲,它對(duì)通信系統(tǒng)有著重要的影響,會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性干擾引起瞬間的高誤碼率。綜合以上電網(wǎng)特性的研究,初步確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求:·考慮到良好的抗干擾和抗衰減效果,載波頻率宜選擇在100kHz～300kHz頻段?！た紤]到電網(wǎng)的負(fù)載特性,要求與電力線的耦合電路具有良好的阻抗匹配特性?！た紤]到電網(wǎng)干擾復(fù)雜和時(shí)變性,采用穩(wěn)定的雙音多頻信號(hào)調(diào)頻?！た紤]到最佳的抗干擾性,采用精密的鎖相環(huán)來(lái)調(diào)制解調(diào)載波。3系統(tǒng)工作流程電力線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由接收與發(fā)送耦合、載波調(diào)制解調(diào)、雙音多頻編解碼和單片機(jī)等部分構(gòu)成,其系統(tǒng)框圖如圖1所示。由圖1所示。電力線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作時(shí)分為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收兩個(gè)流程:PC機(jī)把待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)給單片機(jī),單片機(jī)把數(shù)據(jù)寫(xiě)入MT8888進(jìn)行編碼產(chǎn)生雙音多頻信號(hào),雙音多頻信號(hào)通過(guò)鎖相環(huán)調(diào)制到載波上,調(diào)頻波經(jīng)功放通過(guò)發(fā)送耦合回路送到電力線上。電力線上的調(diào)頻信號(hào)通過(guò)接收耦合回路,在限幅后進(jìn)入鎖相環(huán)解調(diào)電路,通過(guò)解調(diào)得到調(diào)制在載波上的雙音多頻信號(hào),雙音多頻信號(hào)經(jīng)過(guò)MT8888解碼,得到相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)送給單片機(jī),單片機(jī)再轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)。3.1耦合電容的選擇電力線耦合電路有兩個(gè)主要功能:①隔離220V市電,保護(hù)電子器件;②將通訊信號(hào)耦合到電力線上,達(dá)到阻抗匹配。如圖2所示,圖中互感初級(jí)線圈與兩對(duì)電感和耐壓電容構(gòu)成高通網(wǎng)絡(luò),對(duì)于100kHz～300kHz的通信頻段信號(hào),網(wǎng)絡(luò)阻抗小,頻響平直,利于通信信號(hào)的通過(guò)。由于50Hz市電的大部分電壓落在了電容上,因此,要求選擇穩(wěn)定性好、耐壓值高的滌綸電容作為耦合電容。發(fā)送時(shí),耦合部分并聯(lián)在電力線上,為了達(dá)到阻抗匹配,采用1∶1的通訊互感耦合線圈,其頻響曲線好(高頻部分曲線平直),且自阻抗小(純阻R=30ohm)。為了克服電力線信道噪聲大、衰減大的不良影響,需要在發(fā)射耦合之前增加功率放大電路,在互感次級(jí)線圈并聯(lián)一電容,構(gòu)成LC振蕩回路,作為功率管的諧振負(fù)載,以提高發(fā)射功率,獲得較高的信噪比。接收時(shí),采用1∶16的互感耦合線圈,不但對(duì)220V市電信號(hào)隔離,而且達(dá)到接收時(shí)的阻抗匹配,提高信噪比。3.2聲波調(diào)解調(diào)(1)鎖相環(huán)工作模式為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力,降低通信誤碼率,本系統(tǒng)采用調(diào)頻方式。信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)都由抗干擾能力極強(qiáng)的集成鎖相環(huán)器件LM567來(lái)完成。LM567是雙極性鎖相環(huán)電路,內(nèi)部方框圖如下圖3所示:圖中Ⅰ是鑒相器,Ⅱ是電流控制振蕩器,Ⅲ是正交鑒相器,A1,A2是放大器。第5,6腳外接電阻R1、電容C1決定內(nèi)部振蕩器的中心頻率為:f0=11.1×R1C1f0=11.1×R1C1第2腳對(duì)地所接電容C2決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬,電容數(shù)值越大,環(huán)路帶寬越窄,通頻帶帶寬為:BW=1070Vif0C2????√BW=1070Vif0C2第3腳是信號(hào)輸入腳,要求輸入信號(hào)Vi≤200mv(有效值),鎖相環(huán)LM567工作模式有兩種,根據(jù)不同的接法,它既可對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,也可對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。發(fā)送時(shí),MT8888編碼產(chǎn)生的DTMF信號(hào),經(jīng)電容耦合至LM567第2腳,LM567作為載波震蕩和頻率調(diào)制,第5腳輸出被第2腳輸入的雙音多頻信號(hào)所調(diào)制的調(diào)頻方波信號(hào),這就是音頻調(diào)制過(guò)程。載波信號(hào)經(jīng)放大后,由耦合電路發(fā)送到電力線上。若想改變發(fā)射頻率,只要改變R1即可,非常方便。接收時(shí),由電力線耦合進(jìn)來(lái)的載波信號(hào),經(jīng)限幅后耦合至LM567第3腳。LM567接成鎖相環(huán)解調(diào)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒相、頻率跟蹤和解調(diào),第2腳輸出經(jīng)過(guò)頻率-電壓變換的音頻信號(hào),這就是解調(diào)過(guò)程。3.3編碼：雙音源頻率本系統(tǒng)使用單片DTMF收發(fā)器MT8888產(chǎn)生和接收雙音多頻信號(hào),并通過(guò)自帶的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口與單片機(jī)通訊。(1)傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)MT8888中的DTMF發(fā)送器能夠產(chǎn)生16個(gè)DTMF音頻對(duì),所用頻率基準(zhǔn)由外接3.57945MHz晶振提供。由于采用了先進(jìn)的頻率合成技術(shù),產(chǎn)生的雙音頻信號(hào)諧波失真小、精度高。當(dāng)需要產(chǎn)生某個(gè)雙音頻信號(hào)時(shí),把對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器即可。發(fā)送信號(hào)的編碼格式和接收信號(hào)的編碼格式是相同的。發(fā)送的單音頻信號(hào)可分為低音群和高音群?？紤]到高音群信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的損耗比低音群信號(hào)要大,為補(bǔ)償此傳輸損耗的差異,一般情況下高音群的振幅比低音群的振幅要高2db。(2)雙音頻信號(hào)譯碼器組成接收部分由兩個(gè)通帶選擇濾波器(通帶選擇濾波器是一個(gè)六階開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器,用于把雙音頻信號(hào)中的高低頻信號(hào)分開(kāi))、一個(gè)用于信號(hào)平滑的單階開(kāi)關(guān)電容濾波器、一個(gè)把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)的高增益比較限幅器、一個(gè)采用數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)的雙音頻信號(hào)譯碼器組成。當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)有效的頻率對(duì)(也稱(chēng)信號(hào)條件)時(shí),ESt管腳將輸出高電平。(3)系統(tǒng)方便通訊MT8888采用了標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口,這使得單片機(jī)與它通訊十分方便。MT8888內(nèi)部有5個(gè)工作寄存器,單片機(jī)要對(duì)控制寄存器進(jìn)行初始化,MT8880和單片機(jī)的典型接口電路如圖4所示。3.4pc機(jī)接收待發(fā)數(shù)據(jù)單片機(jī)主要完成兩個(gè)功能:①通過(guò)串口通訊,接收PC機(jī)的待發(fā)送數(shù)據(jù),并把MT8888接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī);②對(duì)