一種低電壓電力線載波呼叫對講系統的研究

周斌 劉濤 莫金旺

(桂林電子科技大學信息科技學院 廣西 桂林 541004)

電力線載波通信是指用電力線作為傳輸介質可以實現數據互傳的一種通信方式。通常是把信息通過某種方式調制后再耦合到電力線上，在接收端再從電力線上耦合下來進行濾波、解調等。前期人們已經在這方面做了大量研究相關技術已相對成熟了。通常用于電力線載波電話、電力線自動抄表等方面。在中低速數據傳輸方面由于其成本廉，工程簡單因而得到了廣泛的應用。

本研究是在電力線載波技術的基礎上用直流低壓電力線作為傳輸介質，研制一種“多對一”的呼叫對講系統。此類系統對于大型工廠車間管理、醫院病房呼叫等方面有著很大的實用價值。目前在市面上呼叫系統種類繁多，基于有線網絡的，基于無線射頻的都有不同的產品。從產品功能上對比而言差異不大，從實用方面，性價比方面本研究有著很大的優勢。

1 系統組成與工作原理

1.1 系統結構及功能

本系統通信方式為“多對一”，一臺主機可拖帶128路分機。主機同時附有燈光提醒、和振鈴提醒。具體系統結構和各分部功能可參照圖1。

主機與分機之間可以實現數據傳輸和模擬話音的傳輸。在數據傳輸時使用半雙工通信方式，在話音傳輸時實現全雙工通信方式。

1.2 系統工作原理

整個系統由220V電壓經變壓器后變為直流統一供電，在系統的傳輸線上輸出14V供各分機平時待機或呼叫通話用電。主機與分機進行數據傳輸時，采用脈寬編碼調制方式利用7位二進制碼作為分機地址碼進行呼叫實別。利用LM567采用FM調制方式將分機話音信號調制到128KHz的載波上再耦合到電力線上。在接收端的主機進行FM解調即可恢復話音。而主機到分機的模擬話音信號經放大后直接耦合到系統電力線上。在電力線上，話音的傳輸由于在頻譜上互不影響，進而實現了全雙工話音通信。

2 系統硬件電路設計

2.1 系統主機電路設計

主機部分主要包括MCU部分，雙音多頻部分，語音播放部分，顯示處理及驅動部分。如下圖2所示：

圖2 主機電路結構圖

本系統采用STC系列單片機STC12C5A60S2作為核心處理器，外圍與MT8870實現雙音多頻功能可連接普通話機，同時搭配WT588D08芯片完成語音及音樂播放功能，顯示部分采用BC7281B與74HC595、74HC164完成數據轉換與驅動功能。

2.2 系統分機電路設計

由于考慮到系統功耗的問題，本設計選取低功耗的PIC系列單片機PIC12F508作為分機核心處理部分，完成系統的數據通信及控制功能。用LM567作為語音調制芯片，將語音調制到128KHz再耦合到電力線上。具體設計如圖3所示。在平時待機狀態下，由穩壓電路部分將電力線的14V穩壓到5V供分機MCU工作，主機傳到分機的電平分為14V和7.8V，當高電平來時經由D8二極管4148鉗位到5V,當低電平來時7.8V經由6.2V穩壓管后變為1.6V，由此轉為單片機可識別的電平后進行解碼。在平時待機狀態下LM567是不工作的，當由主機下發指令后由單片機解碼后，用I/0口GP1驅動三極管開關電路，將其接通后可進行話音的調制。

圖3 分機電路

圖4 模擬控制電路的連接結構

2.3 模擬控制電路的設計

模擬控制電路在本系統中起到連接主機和分機的作用，從模擬控制輸出的主干線為14V直流電，主機與分機的模擬信號及數字信號都是經由模擬控制電路進行傳輸。具體結構可參照圖4。當主機呼叫分機時由主機MCU輸出的TTL電平經模擬控制板轉換后變為14V與7.8V在電力線上傳輸，進入分機后由分機電路進行轉換變為PIC單片機可識別的電平。當分機呼叫主機時，由圖3中PIC12F508單片機的GP0口，將分機地址信號耦合到電力線上，在模擬控制板中，通過電壓比較器將電力線上跳變的電平進行轉換后變為主機MCU可識別的電平進行解碼。同時在設計模擬電路時，因為其承擔整個電力線上的電源供給，當然要考慮電力線短路后系統的自動保護。當電路短路后，電力線瞬間電流增大，在圖5中的比較器中，專門有監測電流變化的單元，當比較器輸出為高電平時，由MCU進行處理，對模擬控制板的電力線輸出進行切斷，且對當前狀態實時查詢，直到電流恢復正常后再閉合電力線的輸出。

圖5 模擬控制電路參考圖

3 系統編碼調制原理

本系統的編碼方式是脈寬編碼調制。該方法是利用微處理器的數字輸出對模擬電路進行控制的一種很有效的技術，廣泛應用于測量，通信等領域。其優點是調制的整個過程都是數字形式的，不要進行相應的數模轉換，以電平方式進行傳輸可將噪聲影響降到最小。同時電路結構簡單，可大大降低產品成本。

圖6 系統碼元定義

在主、分機通信過程中，二者的編碼方式可靈活設計。本系統中主機、分機各自發出的碼元如圖6所示。

由于碼元的定義是與脈沖寬度有關的，在各自的解碼過程中，只需要判斷脈寬即可。通信過程中，雙方總是呼叫“應答式”，也就是在對方發出請求后接收方收到正確編碼后要返回應答信號。所以二者編碼要區分開以降低自身收發引起的干擾。經硬件電路驗證此編碼方式穩定、誤碼率較低完全可以完成本系統的數據通信。

4 結論

按照本設計方法，整個系統數據傳輸實時穩定，話音清晰。用二線制電力載波方式構建此呼叫系統具有實用、電路簡單、安裝方便等優點。經實際硬件電路測試主機與分機的通信距離大于700米。系統功耗較小，在連接128個分機狀態下，每個分機單獨待機時電流為0.26mA，當主、分機接通時電路中電流為107mA。整個系統有較強的抗干擾能力和很高的可靠性能，可大量應用于醫院病房呼叫，大型工廠車間管理等領域,有著廣闊的應用前景。

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