基于電力線載波通信的教學設備控制系統*

陳 默，劉書剛，黃世龍

(華北電力大學，保定071003)

1 引言

教學活動中，使用多媒體輔助教學日益普及，提高了教學效果，使學生更宜于接受課堂內容。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后方可使用，且目前機柜狀態是否正常，不為管理者所知。為此，設計了基于電力線載波通信的控制系統，具有成本低、維護使用方便的優點。

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絡設計的半雙工異步調制解調器。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，還內置了五種常用的功能電路:可數字頻率校正的時鐘電路，32Bytes SRAM，電壓監測，看門狗定時器及復位電路，它們通過標準的I2C接口與外部微處理器相聯，其中實時鐘與32Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續保持工作。PL2102是特別針對中國電力網惡劣的環境所研制開發的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術，并采用大規模數字/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外同類產品性能價格比等方面有著出眾的表現。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。發送數據時，PL2102對單片機送來的傳輸速率為4.8kHz的數據進行擴頻調制，從15腳輸出中心頻率為120kHz、帶寬為15kHz的已調信號。經三態功率放大器進一步放大后，耦合進入電網。發射回路中電容C5電感L2用于調整發射電流和波形，減小C5和增大L2將減小發射電流和改善波形，反之，增大C5和減小L2將增大發射電流和波形失真，4個晶體管逐級放大，4個二極管起保護作用。發射電壓VHH影響發射功率的大小，隨著發射電壓的下降，發射功率也下降，一般發射電壓選10V～18V。

接收數據時，信號經過選頻電路從20腳送入PL2102芯片，在PL2102內部進行解擴處理變為原始數據，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，發信回路的三態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(收發控制)進行控制。發送數據時，PL2102芯片7腳輸出低電平，三態功放被打開，同時前置收信功放被關閉，防止功率倒灌，減少干擾。同理，收信時7腳輸出高電平，三態功放被關閉，前置收信功放被打開。

3 用PL2102實現的教學設備控制系統

3.1 系統組成

基于電力線的控制系統結構如圖3所示。

圖2 低頻電力線載波通信原理圖

圖3 基于電力線的教學設備控制系統結構示意圖

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 主控制器結構

主控制器結構如圖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，單片機通過MAX232與PC機通信。PC機通過監控軟件對單片機進行控制，發布各種命令，接收、存儲信息，完成對教學設備的監控。

圖4 主控制器結構示意圖

3.3 從控制器結構

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

圖5 從控制器結構示意圖

3.4 系統工作流程

PC機監控軟件發出各種命令，以幀為單位進行收發數據，每幀應包含源地址、目的地址、控制字、校驗碼等信息，通過串口發給主控制器。控制器之間以組網方式運行，采用令牌協議，令牌在系統內快速傳遞，獲得令牌的從控制器擁有主動發送數據權，無令牌的從控制器處于接收狀態，只有在被詢問的情況下才能發送數據。主控制器每發送一幀數據，就延時一段時間，若沒有收到從控制器應答，則再發送同一數據，最多重復三次，如仍未有應答，則認為通信失敗，終止這一數據，執行其它操作。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 結束語

設計的基于PL2102實現的教學設備監控系統，采用了擴頻技術，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，一方面傳輸速度不宜太高，小于10Kbit/s為合適;另一方面，傳輸距離與通訊成功率有關，較長距離的傳輸可引起阻抗不匹配，經實際測試，在300米范圍內，選定傳輸速度為4.8Kbit/s，系統運行穩定、可靠。

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