基于PIC單片機的電力線載波系統的探討

◆許國強 馮秀玲

1 引言

電力線載波（Power-line Communication，PLC）是一種充分利用電力線分布式系統的技術。該技術可以為用戶提供一系列的服務，如互聯網絡、家庭娛樂、家庭自動化等。同時，PLC技術也幫助電力供應者在管理電網的過程中有更多的競爭優勢。因為電力供應商能夠通過電網將所有的用戶連接起來，所以它在電表通信系統中得到廣泛的應用。在遠程抄表系統中，大功率的信號通過電網傳輸給了用戶，然后再接受到所有用戶的反饋信息。該系統已經廣泛在歐洲得到實施，在亞洲國家也有一些試點。

PLC系統也可以用在建筑物中的數據通信，如基于PLC的門禁系統、基于PLC的路由器。這一技術的應用使得鋪設線路方面的開支大大節省。同時，電力供應商通過捆綁銷售寬帶業務，從而獲得高額的利潤。

PLC技術能夠經濟、有效地應用在一些特定的領域，主要是該技術具有許多其他有線和無線傳輸技術所不具有的優勢：PLC利用現有的電力線網絡，節約了鋪設線路的成本；PLC傳輸比無線傳輸、電話線傳輸更安全，傳輸的數據不容易受到攻擊；PLC傳輸使得電網用戶始終在線，而且不需要過多考慮傳輸設備的電源問題。

同樣，也存在一些不利的因素制約了PLC傳輸技術的發展：電力線輻射所造成的干擾；電網中的負載和用電設備使得信道中的噪聲很大；電網中存在一定的安全隱患，使得PLC在維修的時候需要一定的專業防護。

為了實現簡單化，本系統使用OOK技術（on-off-keying,二進制啟閉監控技術）。同時，本系統中由接口電路來實現PIC單片機和電網之間的電氣隔離和阻抗適配。這就意味著該系統將使用大量的現成組件，從而節約了設計成本。通過分析和實驗，證實了本系統可以實現有效的信號傳輸。

2 PLC系統

眾所周知，電力線并不是數字信號良好的傳輸媒介，這是因為傳輸信道中的雜散信號會作為噪聲脈沖傳輸給接收端。所以，必須通過加強傳輸信號來克服傳輸通道中的干擾。這就使得基波傳輸變得不可行，而數字調制技術則可以實現信號的安全傳輸。

如圖1所示，基本的PLC發射端、接收端電路各分為5部分。在發射端的結構框圖中，有數據采集端、串/并行轉換器、載波頻率振動器、數字調制模塊和接口電路。發射端的作用是將采集到的信號經過調制電路調制后，傳送到電力線的網絡上。OOK模塊是一種簡易的調制模塊，它采用的是ASK技術（Amplitude-shift modulation，稱作幅移鍵控技術，它是通過改變載波信號幅值的大小來表示數字信號的技術）。接口電路用于隔離220 V的日常照明用電和低壓用電設備。同樣，PLC的接收端通過接口電路將其與電網連接起來。前級放大電路能夠實現信號在電力線中傳輸的損失補償。放大后的信號經過解調模塊恢復為原始數據傳輸給接收端。

3 基于PIC的電力線載波系統

該電力線載波系統將通過PIC單片機實現數據的生成和同步。輸入PLC發射端的數據是由PC產生的并行數據。PIC單片機能夠讀取并行數據，并將其轉換成串行數據。這樣就保證了PIC單片機能夠通過延遲消除數據傳輸過程中開關電路所造的尖峰噪聲。

PLC的發射端 如圖2所示，PLC的發射端由以下幾部分組成：PIC單片機，實現傳輸數據的同步，并作為數據源；OOK調制模塊，將傳輸信號轉換成隨幅值變化的電信號；電平轉換器，主要作用是實現PIC單片機與OOK調制模塊間的電平轉換；功率放大電路，減少信號在傳輸過程中的損失；接口電路，隔離電壓為220 V，頻率為50 Hz的高電壓和低電壓。

接口電路由LC諧波電路組成，可用于發射端和接收端，如圖3所示。接口電路的Tx端口連接到發射端，Rx端口連接到接收端。調制信號經過接口電路傳輸到電網。根據工作經驗選擇相應的參數來減少信道中的干擾，從而獲得最佳的輸出效果。因為所選擇的載波頻率必須是持續的、穩定的，而且載波頻率應該比信號的傳輸頻率高，所以選用LM566組成的電壓控制振蕩器來生成頻率為140 KHz的矩形波。該頻率遠大于傳輸數據的頻率，之所以選擇矩形波，是因為它具有更強的抗干擾能力。

調制信號經過功率放大電路，提高所需的電流電平來驅動接口電路。這里，功率放大電路由功率C3039晶體管組成。正是由于該晶體管能適應高電壓、高頻率的工作環境，所以廣泛應用于感應電路。PLC的集成電路將工頻電路和低壓電路分離開來，同時接口電路也可以用來抑制開關所產生的高電壓尖峰。

PLC的接收端 在PLC的接收端接收到的信號被前級的放大電路放大。這個放大信號經過OOK解調模塊還原出原始的數據，接收端被還原的數據傳遞到微控制器中，然后將串行數據轉換成并行數據。這個接收端接口電路與發射端的接口電路具有同樣的功能，隔離工頻高壓電。如圖4所示，OOK調制解調模塊電路的設計采用基本的邏輯門電路進行電平轉換，該電路可以連接TTL和CMOS。由集成運放組成的比較器可以實現電平轉換。該電平轉換電路可以將電壓的幅值增加到8 V，而低電壓的幅值小于2 V。OOK中的載波信號來自于LM566組成的電壓控制電路。

圖4 PLC接收端

4 流程圖

PIC單片機通過編程將端口中輸入的并行數據轉換成串行數據。PIC經過RS232傳輸引腳將串行數據輸出。PIC的流程圖如圖5所示，可以看出，微控制器通過延遲來控制信號，從而減少信道中由于開關所產生的尖峰脈沖。

圖5 PIC的流程圖

通過對接口電路漏電工頻的測量來實現對其的檢測。實驗結果表明，最大的漏電信號幅值為36 mV，這并不會給發射端和接收端信號傳輸造成太大的影響。通過3種不同類型的信號（正弦波、三角波、矩形波）來檢測接口電路，用得到的數據評估電路的衰減性能、失真和噪聲。在3個點（發射端、電力線、接收端）對發出信號的傳輸過程進行檢測，結果發現，正弦信號有很強的衰減，所以矩形波被用作載波信號。

5 結束語

本文試圖設計一個簡單、可靠的PLC系統，這個系統可以達到穩定、可靠和精確的要求。通過不斷地分析和總結可以看出，這個基于PIC單片機的電力線載波系統具有較小的噪聲和失真。同時，該系統由現成的組件組成，減少了設計成本，有利于其實現規模化生產。另外，它可以應用在低速率的數據傳輸上，比如遠程抄表系統和自動控制系統。

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