基于電力線載波通信的教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)*

陳 默，劉書剛，黃世龍

(華北電力大學(xué)，保定071003)

1 引言

教學(xué)活動中，使用多媒體輔助教學(xué)日益普及，提高了教學(xué)效果，使學(xué)生更宜于接受課堂內(nèi)容。目前，對多媒體的管理多采用人工方式，教師需提前辦理手續(xù)后方可使用，且目前機柜狀態(tài)是否正常，不為管理者所知。為此，設(shè)計了基于電力線載波通信的控制系統(tǒng)，具有成本低、維護使用方便的優(yōu)點。

2 PL2102的主要特點及工作原理

2.1 PL2102的主要特點

PL2102是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。它僅由單一的+5V電源供電，以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置了五種常用的功能電路:可數(shù)字頻率校正的時鐘電路，32Bytes SRAM，電壓監(jiān)測，看門狗定時器及復(fù)位電路，它們通過標準的I2C接口與外部微處理器相聯(lián)，其中實時鐘與32Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續(xù)保持工作。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，并采用大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.35μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能價格比等方面有著出眾的表現(xiàn)。圖1表示的是PL2102的引腳排列，各引腳功能如表1所示。

圖1 PL2102引腳排列

表1 PL2102(SOP24)的引腳功能

2.2 通信原理

低頻電力線載波通信如圖2所示，PL2102需用一個外部端口同電力線耦合。發(fā)送數(shù)據(jù)時，PL2102對單片機送來的傳輸速率為4.8kHz的數(shù)據(jù)進行擴頻調(diào)制，從15腳輸出中心頻率為120kHz、帶寬為15kHz的已調(diào)信號。經(jīng)三態(tài)功率放大器進一步放大后，耦合進入電網(wǎng)。發(fā)射回路中電容C5電感L2用于調(diào)整發(fā)射電流和波形，減小C5和增大L2將減小發(fā)射電流和改善波形，反之，增大C5和減小L2將增大發(fā)射電流和波形失真，4個晶體管逐級放大，4個二極管起保護作用。發(fā)射電壓VHH影響發(fā)射功率的大小，隨著發(fā)射電壓的下降，發(fā)射功率也下降，一般發(fā)射電壓選10V～18V。

接收數(shù)據(jù)時，信號經(jīng)過選頻電路從20腳送入PL2102芯片，在PL2102內(nèi)部進行解擴處理變?yōu)樵紨?shù)據(jù)，然后從8腳輸出，進入單片機。接收回路中D1主要用于箝位，以防止過大的浪涌電流，C2、C3和L1并聯(lián)諧振工作在f=120kHz，具有對120kHz選頻作用，以對輸入的微小信號進行放大，從而提高接收輸出靈敏度。

工作時，發(fā)信回路的三態(tài)功率放大器和收信支路的前置功率放大器將由PL2102的第7腳(收發(fā)控制)進行控制。發(fā)送數(shù)據(jù)時，PL2102芯片7腳輸出低電平，三態(tài)功放被打開，同時前置收信功放被關(guān)閉，防止功率倒灌，減少干擾。同理，收信時7腳輸出高電平，三態(tài)功放被關(guān)閉，前置收信功放被打開。

3 用PL2102實現(xiàn)的教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

基于電力線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 低頻電力線載波通信原理圖

圖3 基于電力線的教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在電力線上分布著一臺主控制器和多臺從控制器，主控制器位于值班室，采用半雙工方式與從控制器通信，并采用串口方式與PC機通信。

3.2 主控制器結(jié)構(gòu)

主控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由AT89C52單片機、PL2102、MAX232及耦合電路等組成，單片機控制PL2102的工作狀態(tài)，單片機通過MAX232與PC機通信。PC機通過監(jiān)控軟件對單片機進行控制，發(fā)布各種命令，接收、存儲信息，完成對教學(xué)設(shè)備的監(jiān)控。

圖4 主控制器結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 從控制器結(jié)構(gòu)

從控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，以單片機AT89C52為核心，接收鍵盤輸入的教師號及密碼，將信息組裝成幀發(fā)送至主控制器，并接收主控制器發(fā)來的命令，識別身份，執(zhí)行命令控制繼電器打開機柜并回傳信息。

圖5 從控制器結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 系統(tǒng)工作流程

PC機監(jiān)控軟件發(fā)出各種命令，以幀為單位進行收發(fā)數(shù)據(jù)，每幀應(yīng)包含源地址、目的地址、控制字、校驗碼等信息，通過串口發(fā)給主控制器。控制器之間以組網(wǎng)方式運行，采用令牌協(xié)議，令牌在系統(tǒng)內(nèi)快速傳遞，獲得令牌的從控制器擁有主動發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)，無令牌的從控制器處于接收狀態(tài)，只有在被詢問的情況下才能發(fā)送數(shù)據(jù)。主控制器每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，就延時一段時間，若沒有收到從控制器應(yīng)答，則再發(fā)送同一數(shù)據(jù)，最多重復(fù)三次，如仍未有應(yīng)答，則認為通信失敗，終止這一數(shù)據(jù)，執(zhí)行其它操作。圖6和圖7分別為主從控制器工作的程序流程圖。

圖6 主控制器程序流程圖

圖7 從控制器程序流程圖

4 結(jié)束語

設(shè)計的基于PL2102實現(xiàn)的教學(xué)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，采用了擴頻技術(shù)，抗干擾能力強，輸出信號諧波成分少;考慮到造成誤碼的因素，一方面?zhèn)鬏斔俣炔灰颂撸∮?0Kbit/s為合適;另一方面，傳輸距離與通訊成功率有關(guān)，較長距離的傳輸可引起阻抗不匹配，經(jīng)實際測試，在300米范圍內(nèi)，選定傳輸速度為4.8Kbit/s，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

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