一種能量/信息時分傳輸的二總線技術研究*

王 斌，趙 云，尹云輝

（嘉興學院，浙江 嘉興 314001）

在樓宇消防、小區安防和環境監控等系統中，由于系統的通信距離較長、節點多，通常采用便于施工布線的二線制電力載波的技術方案[1-3]。在通信距離較長時，線材成本優勢明顯，但是，通信節點通過耦合電路把數據耦合到傳輸能量的電力線上，需要復雜的電路及專用信號調制芯片，使得設備制造成本高[4-5]。此外，在這些場合通信數據以控制信息或狀態信息為主，信息量相對較少；通信實時性相對弱，時間響應在秒級；監控節點能耗相對較小[6-7]。為此，本文研究了一種結構簡單、成本低的低壓電力線通信，并應用于類似場合。

1 總線的原理

本文總線系統中的二線分別為P線和C線，P線用于傳輸能量和信息，C線為電源和信號的參考接地。總線系統的拓撲結構如圖1所示。總線系統由通信電源和通信節點組成，通信電源用于提供時分的能量和通信調制電壓，并通過P線輸出；通信節點并聯在總線上，分為主機節點和從機節點，只有主機節點能主動發起通信。

圖1 總線系統的拓撲結構

P線上分時進行能量和通信調制電壓的傳輸，周期各為10 ms，波形如圖2所示。在能量周期Te，總線提供正弦半波能量；在通信周期Ts，總線提供直流信號，供通信節點進行通信調制。

通信電源是產生P線波形的部件，其原理如圖3所示。220 V的市電通過變壓器T1轉換為低于36 V的安全電壓V1。在V1的正半周期，正弦電壓從P線出，C線上由D5到V1的負端，從而在P線上產生了以Te周期的能量波形。在V1的負半周期，通過穩壓管D2在P線產生一個直流信號，經D4、R1輸出。R2為可調電阻，具有吸收回波和調整通信靈敏度的作用，阻值根據節點的數目和通信距離調節。

通信節點具有接收能量和通信數據的功能，原理圖如圖4所示，其分為電源變換和信號調制兩個部分。D1和D6保證能量周期傳送能量到節點電源變換部分。C1平波儲能，經過LM7805CT穩壓芯片輸出5 V電壓。D11和D12保證通信周期的調制信號與調制部分接通，U3和U4為光耦，起著隔離和調制的作用。發送時，如果TXD為高電平，則U4導通P線和C線之間的電壓鉗低，U3截止，RXD為高電平；如果 TXD為低電平，則U4截止，P線和 C線之間的電平為高電平，U3導通，RXD為低電平。R6為調節接收靈敏度的電阻。D22為穩壓管，具有防反接保護電路的功能。實際運行時P線波形如圖5所示。

2 通信協議

在工程應用中，推薦總線使用線徑截面積為0.75 mm2的護套2芯線，黑色為C線，另一種顏色為P線。

2.1 數據幀設計

總線設計僅適用于只傳送簡單的狀態和控制信息的場合，通信數據幀規定如表1所示，包含3 B（即24 bit），分別為地址、命令和參數。

表1 數據幀的格式

（1）地址：占 8 bit，0～255，其中 255 代表廣播地址，0～15表示 15個主機地址，16～254代表從機地址。

（2）命令：占 4 bit，其中 B8 bit為 1時表示主機發往從機的命令，為0時表示從機回復的命令，其他3 bit命令自定義。當B8為1時，數據幀中的地址指目的地址，當B8為0時，數據幀中的地址表示源地址。

（3）參數：占 12 bit，用戶自定義。

調制方式采用 UART調制，1 bit起始位，1 bit停止位，無校驗位，比特率為4 800 b/s，這樣總線上一個通信周期正好發一個數據幀。

2.2 通信規則

為了保證各節點能夠共享通信介質，在通信過程中須遵從以下規則：

（1）應答規則。所有主機節點發送的數據必須有應答幀。一次通信過程需要2個Ts。在一個通信過程內不允許有其他節點發送數據。

（2）目的地址優先規則。發送所有數據必須在Ts開始的時刻發送，當主機節點發送完地址以后，比對自己接收的地址。如果與自己發送的地址相同，則繼續發送；如果不同，則等待總線當前應答完畢后再發送。目的地址小的數據幀具有優先級，因此具有沖突總線仲裁機制。

3 應用實例

將該總線應用于小區地下車庫自動控制系統中，實現車位引導和車庫通風。系統由停車場服務、連接地感線圈、指示燈光和風機控制器組成，拓撲結構如圖6所示。

圖6中，停車場服務器通過轉接器連接到總線，作為總線中唯一的主機。地感線圈傳感器和燈光指示器從總線取電，作為總線上的從機不斷地應答主機。計算機通過串口和轉接模塊連接。轉接模塊基本電路和圖4，增加了MAX232電平轉換芯片，并且計算機DB9的1腳DCD接圖4中的RTX，用于檢測Ts周期。上位機采用C++builder6開發，利用MSComm32控件實現通信。采用STC12C5628單片機控制地感線圈和LED燈光指示控制器，采用Keil C51開發。

當有車輛進入地下車庫時，服務器根據停車的目標車位規劃引導路徑，按照幾個鋪設的關鍵地感線圈的狀態啟動附近的LED燈光指示器，引導車輛停車。服務器根據一段時間地感線圈的數據計算該地區的汽車數量，當累計達到一定值時啟動該地區的風機進行通風。

本文研究了一種結構簡單、成本低的二線制現場總線，適用于消防、安防等特定場合。利用總線分時復用實現了在兩根線上分別對能量和信息的傳輸，大大簡化了調制和接收電路。總線仲裁機制較好地解決了沖突問題。但是本系統還存在一些問題，如通信速率低和靈敏度調節繁瑣等，需要進一步研究。

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