基于ST7538的一種低壓電力載波模塊設計

雷 鋼，時 偉，張曉民

(中州大學工程技術學院，鄭州450044)

當前，電力載波通信技術在以高壓電力線為通信載體方面，已經取得了很大的成功，應用領域非常廣泛。但是在低壓電力線上的應用并不理想，由于其負載情況復雜，其隨機性等種種因素的影響，主要在輸入阻抗、噪聲、信號衰減等方面都有較大影響，如輸入阻抗變化大、信號衰減大、時變性強以及噪聲干擾性大等。由于上述種種不利因素的影響，使得低壓電力線載波通信的信號傳輸與中高壓電力線上信號傳輸存在較大差異，所以影響了該技術的實際推廣和應用。

近幾年來，由于電力線載波技術不斷發展，加之人們的迫切需要，電力線載波通信技術在中、低壓技術方面也有了很好的提高，且顯示出良好發展的大好形勢，不僅能夠提高供電部門整個抄表系統的運行可靠性，提高電力系統的經濟效益，還可以擴展到其他行業，如電力、交通、銀行、消防、商場等各個領域服務，這將產生具有巨大的社會和經濟效益。所以低壓電力載波成為電力通信領域內的一項熱門課題。

本文通過對國內外低壓電力線載波技術的了解和研究，擬搭建出一個實際的、以ST7538為核心的低壓電力載波通信系統。為智能小區內以家用電氣設備為控制對象的載波模塊的提供了設計方案。通過研究，可進一步促進低壓電力線載波技術的發展。它不僅提高了該通信技術的應用范圍，還能為今后開發基于擴頻通信技術的低壓電力載波通信應用系統提供基礎。

1．低壓電力載波模塊硬件電路設計

1．1 系統結構

低壓電力線載波通信的原理結構與其他通信方式是相近的，信息的傳輸基本上都要有信源、信道、信息的收發端以及相應的接口電路等，只不過低壓電力載波通信的信道是低壓電力線。其系統框架圖可表示為圖1所示。

圖1 低壓電力線載波通信的系統原理圖

從圖1中可通信設備分主通信和從通信兩種，分別對應信息的發送端和接收端。由圖中箭頭方向可清晰的看到其信息傳遞的全過程，簡單地說，就是信源提供信息經發送端輸出→通信接口電路→微控制器→信號調制→電力線接口→電力線→電力線接口→信號解調→微控制器→通信接口電路→信號最終由接收端接收。本系統所用接口電路為串口電路;微控制器為宏晶科技公司的STC12C4052單片機;信號的調制解調芯片就是ST7538芯片。

在實際設計中為了便于后期的系統集成和利用，將整個電路分成三個單元電路設計。①系統電源部分，采用開關電源，為系統提供+/－12V工作電源。②電力載波芯片(信號調制解調)與電力線接口電路;隨著微電子集成設計的不斷進入，選擇一種集各種放大電路、保護電路和接口電路于一身的集成電路也是容易，這既大大減小了通信設備的體積，又完善了電路功能。該模塊能完成的工作不僅是電壓或功率的放大和各項保護，還能進行電路的濾波和耦合。對外只開放串行通信接口線，方便二次利用。③應用層電路設計，在具體的應用環境中使用上述集成模塊，兩者之間通過串口通信，即制作應用接口板測試電路，檢驗模塊的遠程通信的可靠性，實驗中通過繼電器開關輸出實現對電器設備遠程控制功能。

1．2 開關電源電路設計

系統電源電路設計如圖4－11所示，為系統提供+/－12V供電電壓，使用TinySwitch－II電源芯片TNY268，具有性價比高、外圍電路簡單、效率高、功耗低等顯著優點。

圖2 開關電源電路圖

1．3 接口電路設計

芯片ST7538與低壓電力線相連的接口電路就是電力線接口。前面我們提到過，載波芯片與電壓電網相連只需經過簡單的耦合電路即可，所以在該接口電路的功能設計上，必須要有耦合功能。除此之外，為減小各種干擾信號的影響，需增加濾波功能;還有為提高傳輸距離，需考慮增加放大功能;以及在工作提高可靠性方面，還需加設必要的保護功能。綜上考慮，設計出芯片ST7538與低壓電力線相連的接口電路如圖3所示。

發送信號的過程從芯片ST7538的第19引腳輸出后，需經過電壓放大TL072C環節、輸出電壓反饋控制環節、發送放大電路電源控制環節、功率放大BD237BD238環節以及耦合保護窄帶濾波環節;而信號接收過程環節相對較少，從低壓電力線輸入后，經耦合保護窄帶濾波環節和電壓放大TL072C后，傳入芯片ST7538第32腳，這兩個環節在整個過程中都在工作，也無需放大電路電源控制環節和輸出電壓反饋控制環節。

2．軟件設計

為簡明扼要地表達出系統軟件工作流程，特將該系統中的通信接口、微處理器和載波調制解調看作是一根連接低壓電力線和電力線接口的紐帶。經簡化后得出低壓電力載波通信系統軟件流程圖，如圖4所示。

圖3 芯片ST7538與低壓電力線相連的接口電路

由圖4可知，其軟件工作流程如下:首先系統通電開始進行端口的初始化工作，再對用戶設置的波特率、幀長和信號通信方式等進行檢測，再根據其檢測結果發送載波芯片中控制寄存器的控制字，然后就開始了從電力線接收數據的工作，接下來可分兩種情況分析:第一種情況是當FSK載波信號和同步字都檢測到時，就可進入信號數據接收狀態;第二種情況，當前者檢測中任何一個條件不滿足時，則即刻進入到SCI通信接口數據檢測環節。

圖4 系統軟件流程圖

接第一種情況分析，信號數據開始接收直至數據接收完畢，再進行譯碼檢測過程，一旦出錯經錯誤處理后再重新接收數據，數據檢測無誤后進行SCI通信接口接收中斷狀態檢測，如果中斷打開，則進入延時等待查詢，直至中斷關上后，再開啟SCI發送中斷請求，然后再經SCI通信接口向通信終端發送數據，直至數據發送完畢后，再返回至第一情況前的FSK載波信號和同步字檢測工作。

接第二種情況分析，SCI口若沒收到數據，直接返回至FSK載波信號和同步字都檢測前。一旦收到數據后，即刻發送開SCI接收中斷請求，進入到SCI口數據接收狀態，直至數據接收完畢，否則返回繼續接收。接收完畢后發送關SCI口接收中斷請求，一旦SCI發送中斷打開，進入延時等待查詢，直至中斷關上后，開始向電力線發送數據，直至數據發送完畢，否則返回繼續發送，當數據發送完成后，又返回至第一情況前的FSK載波信號和同步字檢測工作。如此循環往復的工作。

經過仔細考慮，選擇了實驗室較易實現、節省時間的方案:對市電中的智能小區中家用電器(電燈)的遠程控制。主要通過低壓電力載波通信技術來傳輸控制電燈的信號，進而實現實時對電力線路運行情況進行監控，當電力線路等設施遭到破壞時能夠及時報警，達到使工作人員做到及時處理減小損失的目的。

3．結束語

隨著科學技術的不斷進步，低壓電力載波通信在信息傳輸的有效性和可靠性上已有了很大的改善。目前國外都在致力于推廣其應用范圍，我國電力系統擁有遍及全國各個角落的網絡資源，而這些資源是建設本地寬帶網絡接入的物質基礎。遍布城鄉的配電線路和桿溝，也為實現用戶接入系統的寬帶化提供了便利條件，這項技術勢必將會大放異彩，其發展空間尤為廣闊。

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