1 引言

電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線路作為介質(zhì)進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。廣泛用于電力管理系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、智能化小區(qū)等領(lǐng)域。利用電力線作為通信媒介，無需另外架設(shè)通信線路，也不占用現(xiàn)有的頻譜資源。但在電力線上進行信號傳輸，信號衰減大、噪聲干擾大，使得電力線載波通信的應(yīng)用受到了限制，必須采用多種技術(shù)措施改善通信質(zhì)量。目前，最有發(fā)展前景的解決方案是采用技術(shù)先進的CDMA擴頻通信技術(shù)。

2 CDMA擴頻通信

CDMA（碼分多址）包含二個基本技術(shù)：一個是碼分技術(shù)，另一個是多址技術(shù)。

2.1 CDMA中的碼分技術(shù)

碼分技術(shù)的基礎(chǔ)是擴頻技術(shù)，其目的是解決強干擾下的通信。由香農(nóng)定理可知，在信號傳輸速率一定的前提下，增加帶寬可以降低對信噪比的要求。擴頻通信正是利用這一原理，用寬帶傳輸技術(shù)來獲得低的信噪比。擴頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信系統(tǒng)大幾百倍，在相同信噪比的條件下，擴頻系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力。CDMA中最常用的擴頻形式是用一個偽隨機碼序列與窄帶：PSK信號相乘。這樣，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬了。

2.2 CDMA中的多址技術(shù)

所謂碼分多址，是指利用擴頻時使用的一組正交（或準正交）的偽隨機碼序列（地址碼）來實現(xiàn)多個信號同時入網(wǎng)接續(xù)的要求。在接收端，利用偽隨機碼的相關(guān)性進行解擴，有用信號被恢復(fù)至窄帶譜。寬帶無用信號與本地偽隨機碼不相關(guān)，不能解擴，仍為寬帶譜；窄帶無用信號被本地偽隨機碼擴展成寬帶譜。這樣，只有有用信號才被壓縮、識別和提取出來。

在本系統(tǒng)中，通過采用PL3200型SoC。將CDMA擴頻通信應(yīng)用到電力線載波通信系統(tǒng)。

3 PL3200型單片系統(tǒng)

3.1 PL3200的結(jié)構(gòu)

PL3200是福星曉程公司開發(fā)的單芯片系統(tǒng)（SoC）。該系統(tǒng)采用5V單電源供電，內(nèi)嵌8051型增強性高速微處理器及直序擴頻碼分多址載波通信模塊．具有成本低、功能強等特點，能夠高效地應(yīng)用于電力線通信領(lǐng)域。圖1示出PL3200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

PL3200內(nèi)嵌8／16位高性能、低功耗微處理器兼容內(nèi)核ALU，同等主頻情況下，8倍速于標準8051型微處理器．數(shù)據(jù)處理能力強。配置了256B+1KBSRAM（靜態(tài)隨機存儲器）、16KB。E2PROM（電可擦除／可編程存儲器）及3個外部中斷，為用戶提供豐富的嵌入式資源和理想的應(yīng)用開發(fā)平臺。另外，該系統(tǒng)還具有二個全雙工UART（通用異步收發(fā)器），一個可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個可配置為RS-485通信模式。

針對智能儀表的應(yīng)用要求，PL3200內(nèi)置高精度電能計量電路、LCD/LED顯示控制／驅(qū)動電路、實時鐘及溫度傳感器。內(nèi)置串行程序存儲器編程接口，支持在系統(tǒng)編程（ISP）。同時集成了完善的電壓監(jiān)測，上電、掉電復(fù)位和看門狗電路，確保工業(yè)環(huán)境下運行時系統(tǒng)的可靠性。

3.2 通信模塊的工作原理

PL3200的載波通信模塊采用直接序列擴頻通信方式，采用多地址通信技術(shù)將要發(fā)送的信息用偽隨機碼序列擴展到較寬的頻帶上。PL3200對擴頻數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制方式，其載波中心頻率為120kHz。由于該系統(tǒng)采用Gold／Kasami序列，從而實現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達40個，其中有32個Gold序列。8個Kasami序列。

PL3200在接收端用同樣的偽碼序列來恢復(fù)信息。接收過程包括載波信號的捕獲和同步。捕獲是接收模塊在擴頻序列精確同步前搜索接收信號，使接收信號的擴頻序列與本地擴頻序列在相位上進入可同步保持的范圍，即二者的相位在一個擴頻序列碼元之內(nèi)。捕獲完成后進入跟蹤階段，使本地偽碼能夠自動接收到信號的偽隨機碼保持精確同步。跟蹤電路采用全數(shù)字基帶延遲鎖定環(huán)。

PL3200載波通信單元的具體設(shè)定是通過對載波通信寄存器組不同地址的寄存器寫入對應(yīng)的控制字來實現(xiàn)的。在載波通信寄存器組中，00H的寄存器用來指示載波通信單元處于收態(tài)還是發(fā)態(tài)，以及數(shù)據(jù)和幀頭的接收發(fā)送標志；02H、03H的寄存器可設(shè)置選擇偽碼的種類、地址選擇位和速率等；04H的寄存器用來設(shè)置本地與接收到的偽碼序列相位同步的捕獲門限值；05H的寄存器用于設(shè)定本地與發(fā)送端偽碼序列相位同步的精確同步門限值。

4 CDMA擴頻載波通信系統(tǒng)

4.1 通信系統(tǒng)的組成

本文基于PL3200設(shè)計了CDMA擴頻電力線載波通信系統(tǒng)，具體組成如圖2所示。

數(shù)據(jù)由主機A（或主機B）的串口RS-232發(fā)出，通過PC接口電路進行電平轉(zhuǎn)換后送入PL3200。在PL3200中，先由擴展串口UART（通用異步收發(fā)器）接收數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對數(shù)據(jù)進行CDMA直接序列擴頻．擴頻后的信號經(jīng)120kHz的載波頻率調(diào)制后輸出。此信號通過電力線接口電路進行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線上，實現(xiàn)電力線載波通信。在接收端．經(jīng)過電力線接口電路將電力線上的信號耦合出來并對信號進行濾波限幅。限幅后的信號送入PL3200進行捕獲、同步及解擴處理，經(jīng)由內(nèi)嵌8051處理．由PL3200的UART串口發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)PC接口電路進行電平轉(zhuǎn)換后，由PC的RS-232接口送到主機B（或主機A）。

4.2 PC接口電路

本文主機A、B都采用PC。PL3200帶有1個RS-485串行口，而PC一般只有2個RS-232串行口。為了實現(xiàn)普通PC與PL3200的連接，本文設(shè)計了一個接口電路，如圖3所示。圖中，MAX232是+5V電源的收發(fā)器，與計算機串口連接，實現(xiàn)RS-232接口信號和TTL，信號的電平轉(zhuǎn)換。MAX485用來實現(xiàn)TTL與RS-485的電平轉(zhuǎn)換。也可以采用工業(yè)控制計算機作為主機。工業(yè)控制計算機本身帶有RS-485接口，可直接與PL3200連接，但工業(yè)控制計算機的價格要比普通PC高得多。

4.3 電力線載波接口電路

實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效電力線載波通信的關(guān)鍵，除了所選用的載波調(diào)制解調(diào)器外，還有相應(yīng)的電力線載波接口電路。本文電力線載波接口電路將PL3200的載波調(diào)制解調(diào)與電力線耦合，實現(xiàn)載波信號在電力線上的傳輸。電力線接口電路包括發(fā)送部分、載波耦合部分和接收部分，如圖4所示。

（1）發(fā)送部分

發(fā)送部分對PL3200輸出的載波調(diào)制信號進行功率放大，濾除摻雜在信號中的噪聲和偽信號，從而將處理后的信號以較高的效率傳輸?shù)降蛪弘娏€上。圖4中，T1、T2構(gòu)成NPN型復(fù)合管，T3、T4構(gòu)成PNP型復(fù)合管，從而組成互補對稱功率放大電路。其中，T2、T4采用同一型號的大功率管，以實現(xiàn)二者的特性曲線對稱。PL3200產(chǎn)生的載波信號由P1.7輸出，經(jīng)功率放大電路放大后，含有諧波。系統(tǒng)主要的傳輸干擾頻率是發(fā)送信號的二次諧波和三次諧波（PL3200的載波中心頻率為120kHz，二次諧波和三次諧波分別為240k。Hz和360kHz），為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，需進行濾波整形。電容器C4和電感器L2組成的帶通濾波電路對發(fā)送的載波信號進行整形濾波。

（2）載波耦合部分

當PL3200處于發(fā)送狀態(tài)時，載波耦合部分將PL3200產(chǎn)生的擴頻調(diào)制信號耦合到低壓電力線上：當PL3200處于接收狀態(tài)時，載波耦合部分將低壓電力線上的載波信號耦合過來，由SICIN腳送入PL3200。載波耦合部分由變壓器T、電容器C5和電感器L3組成。變壓器T選用1：1的隔離變壓器。電容器C5將變壓器與電力線隔離．過濾電力線上的50Hz的信號，這樣就會阻止低頻信號進入電路而使某些高頻信號通過。萬一電容器C5因短路而失去過濾50Hz信號的能力，接口電路就會被損壞。故C5要選用具有短路保護功能的X2型電容器。電容器C5和電感器L3還組成帶通濾波器，對載波信號進一步濾波。

（3）接收部分

接收電路濾除來自電網(wǎng)中的噪聲，這些噪聲會降低PL3200的解調(diào)功能。對于接收電路，選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因為有源濾波器會產(chǎn)生一個與接收信號相當?shù)陌自肼暋１鞠到y(tǒng)選用無源帶通濾波器（由C3、L1和R7組成），采用并聯(lián)諧振回路形式。并聯(lián)回路的中心頻率由電容器C3和電感器L1的值決定，設(shè)計為120kHz。

為了避免低壓電力線上的尖峰信號對接口電路的破壞，可用雙向穩(wěn)壓管保護。當接收信號電壓值等于或大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管將接收信號的電位箝制在穩(wěn)壓值，從而保證接口電路不會被燒壞。一般，火線與零線問的干擾為差模干擾；火線與地線。零線與地線間的干擾為共模干擾。采用一個雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用；當出現(xiàn)共模尖峰信號時就會對電路造成損壞。本系統(tǒng)采用3個二極管D3、D4和D5連成星形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。對于差模尖峰信號，D3和D4構(gòu)成一個雙向穩(wěn)壓管；對于共模尖峰信號，這種星形結(jié)構(gòu)相當于2個雙向穩(wěn)壓管（D3和D5，D4和D5）。

5 載波通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的載波通信為總線方式通信，載波單元的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)，對不同的載波模塊可分配不同的通信地址。模塊接收到校驗正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規(guī)約進行應(yīng)答。載波通信速率相對于主頻低很多，為了提高CPU效率，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均設(shè)計為中斷方式處理，每次進入中斷，完成對數(shù)據(jù)接收或發(fā)送的操作。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計的CDMA擴頻電力線載波通信系統(tǒng)，由于選用PL3200充當通信電路，因而具有很好的抗干擾性能。在對接口電路的設(shè)計中，根據(jù)實際線路的情況，選擇合適的電容器和電感等元件，選用性能更佳的功率放大電路。便可達到低成本、遠距離、高質(zhì)量的通信效果。

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