基于PRIME的載波系統設計與升級測試

谷 豐

（利爾達科技有限公司，浙江 杭州310011）

0 引言

隨著通信技術的不斷發(fā)展，電力線載波通信這種便捷的方式也越來越受到人們關注，被廣泛應用于智能樓宇、家電、智能電網尤其是自動抄表系統中。目前，國內市場上所使用的電力線載波模塊都是基于國網標準和協議制作的，只能應用在國內市場中。為了推動電力線載波抄表系統的全球通用化，西班牙等國聯合各大半導體廠家建立了PRIME聯盟，該聯盟全面地定義了電力線載波的物理層、MAC層、應用層，為其制定了統一的標準，并能為載波模塊提供聯盟認證，方便市場的應用和統一。當前，國內市場所采用的載波標準都沒有定義遠程升級這一功能，而PRIME協議中規(guī)定載波模塊必須具有這一功能，為此，我們對基于PRIME協議的遠程升級功能進行了測試。

1 PRIME電力線載波系統的設計

本文首先設計一套基于PRIME的電力線載波系統。市場上方案很多，本文選擇使用TI方案進行設計。本方案包含有供電電路、調制解調電路、前級驅動電路、信號濾波電路和信號耦合電路，接下來將對其中的主要部分進行詳細說明。

1.1 調制解調電路

本方案的調制解調部分使用TI專門為電力線載波應用所設計的C2000系列芯片TMS320F28PLC83來完成。該芯片內部包含有2個運算內核，最大工作頻率80MHz，適用于PRIME協議要求的97個子載波的OFDM調制方案，并支持BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、8PSK 和D8PSK等6種調制方式。芯片支持Viterbi譯碼和CRC，內嵌看門狗電路和6路高速且獨立的DMA電路，可以實現與存儲器的快速直接存儲；其內部擁有快速12位ADC采樣模塊，滿足較高的通信速率要求。芯片內部有256kB Flash、100kB RAM，滿足PRIME程序需求。該芯片不僅能完成PRIME協議層的PHY到MAC，還能實現匯聚層的應用和管理。

1.2 前級驅動電路

由于經過調制解調芯片輸出的信號功率比較小，不能夠直接輸送到電網中，需要使用放大電路將信號進行放大。信號驅動電路我們使用TI專門為電力線載波設計的模擬前端放大芯片AFE031。該芯片滿足歐洲標準EN50065－1的要求，支持CENELEC A、B、C、D頻段，支持 FSK、S－FSK、OFDM 調制方式，并且通過PRIME聯盟的認證；有較大的輸出能力，在15V供電的基礎上最大輸出12Vpp和1.5A的信號，而在接收模式下只需消耗15mW的功率。內部包含有可編程的Tx和Rx接收濾波電路和可編程的Tx和Rx增益控制電路，方便用戶對信號幅值和接收靈敏度進行調節(jié)，芯片的最大接收靈敏度為20μV RMS。芯片通過4線制SPI接口和外部進行連接，方便連接和控制。

1.3 信號濾波電路

信號經過AFE031的驅動電路進行放大后，需通過濾波電路將不需要的頻帶信號濾除掉。濾波電路分為發(fā)送濾波電路和接收濾波電路。在發(fā)送濾波部分，驅動芯片內部包含多級帶通濾波電路，最終出來的信號只需經過一個耦合電容即可濾除信號中的直流分量。選擇的耦合電容需要具有較大的容值和較低的輸入阻抗，由于OFDM信號頻率在10～90kHz之間，我們一般選擇使用10μF電容，電容的額定電壓值應該大于信號驅動電路的供電電壓值。在接收濾波部分，載波信號經過耦合電路后進入濾波電路。接收濾波電路是由電阻、電容、電感組成的4級帶通濾波電路，該濾波電路的帶通響應為f1（24kHz）～f2（105kHz）。發(fā)送和接收濾波電路的示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)送和接收濾波電路示意圖

1.4 信號耦合電路

信號耦合電路的作用主要有2個方面：一是將有用的信號發(fā)送到配電網絡；二是隔離220V／380V工頻電壓，保護低壓部分的電路，防止其被燒壞。信號耦合電路由耦合變壓器、高壓隔離電容、匹配電感組成，下面將對這3個元器件分別進行說明。

耦合變壓器主要用于將微小信號無失真地傳輸到電力線中，其基于電磁感應耦合原理，將電力線導線作為副邊線圈，將高頻載波信號作為原邊線圈，通過一個高導磁率的磁芯或磁環(huán)，構成一個信號傳輸變壓器。耦合變壓器的變比N1／N2是一個比較重要的參數，最佳變比能夠輸出最大的載波功率到電力線中，其可通過模塊所能提供的最大輸出電壓和輸出電流以及目標阻抗計算出來，公式如下：

通常情況下，計算出來的變比并非整數值，如果選擇的變比大于理想值，則輸出受Vout＿peak的影響；如果選擇變比小于理想值，則輸出受Iout＿peak的影響。使用中我們選取模塊的供電電壓為15V，也 就 是Vout＿peak為6V，Iout＿peak為1.5A，Rload根 據PRIME協議規(guī)定，驅動負載的阻抗為2Ω，最終計算出來變比為1.4，根據實際需求我們選擇使用1.5變比的變壓器。

高壓隔離電容主要能阻止低頻市電信號，在實際應用中，高壓隔離電容的耐壓值要大，容值可以通過一定的公式進行計算。這里我們使用容值為470nF、額定電壓為275V的安規(guī)電容。在傳輸電路中，470nF電容在40kHz頻率時會有8.5Ω的電阻，按照標準要求我們需要驅動2Ω的負載，為了有更好的驅動性能，降低電容中消耗的阻抗，需要添加一個電感形成諧振，降低電路阻抗。此處我們選用15μH、3A的電感。

2 PRIME自動升級測試

2.1 PRIME網絡結構說明

在PRIME協議所制定的網絡結構中，網絡由Base Node和Service Node組成，其中Base Node為網絡中的主節(jié)點，Service Node為輔節(jié)點，一個網絡中只能有一個主節(jié)點，但是可以有很多個輔節(jié)點。Base Node作為網絡中的主節(jié)點，負責網絡中所有Service Node的管理，包括Service Node的注冊、自動中繼、升級等。

2.2 自動升級功能測試

實際測試過程中，我們使用了18個Service Node和1個Base Node，18個Service Node節(jié)點標號為1～18。為了使網絡能模擬出4級網絡路由深度，需要使用9個衰減器。使用了串行的連接方式連接1個Base Node和4個Service Node，然后連接2個衰減器，繼續(xù)連接4個Service Node，再連接2個衰減器，這樣延續(xù)下去，形成4級網絡結構，其中，節(jié)點1～8屬于1級網絡結構，節(jié)點9～12屬于2級網絡結構，節(jié)點13～16屬于3級網絡結構，節(jié)點17和18屬于4級網絡結構。網絡結構形成后，將進行升級功能測試，升級功能分為點對點升級和群波升級，下面分別對這2種模式進行測試。

2.2.1 點對點升級測試

點對點升級由Base Node發(fā)起之后將進入數據的收發(fā)狀態(tài)，這里我們測試Base Node對每一級的某個節(jié)點進行升級所發(fā)送的數據包數和花去的時間（表1）。

表1 點對點升級所發(fā)送的數據包數和花去的時間

從表1中的數據可以看出，對LEVEL1級中的節(jié)點進行升級所消耗的時間最少，傳輸過程中丟失的包也最少；但是傳輸總包數并沒有隨著級數的增加而增加，說明在存有中繼節(jié)點的網絡中，中繼節(jié)點能很好地將數據傳輸到后一級去，而消耗時間的增加說明傳輸路徑長度的增加消耗了一定的時間。

2.2.2 群波升級測試

接下來我們對所有的Service Node進行群波升級，并測試了發(fā)送的數據包數和升級所需要的時間（表2）。

表2 群波升級所發(fā)送的數據包數和花去的時間

在群波升級的狀態(tài)下，由于節(jié)點較多，每個節(jié)點所丟失的包數也不一樣，所以傳輸的總包數比較多，這樣消耗的時間也比較長。但總的來說，所有的節(jié)點都能在Base Node的管理下進行成功升級。

3 結語

本文結合PRIME協議中要求的自動升級功能，制作了一套基于PRIME的電力線載波系統，并對其升級功能進行了相關測試。傳統的電力線傳輸協議并沒有遠程升級這一功能，這樣不利于遠程電表的協議升級，而現在PRIME協議中規(guī)定了這一功能。從測試結果來看，Base Node能夠對每一級的任意節(jié)點進行單波升級，也能夠對所有模塊進行群波升級。1級網絡數據傳輸需要10～20min，2級網絡需要30～40min，3級網絡需要50～60min，4級網絡需要90～100min，而進行全級網絡的群波升級則需要130min，從時間上來看，這個升級時間能夠滿足需求，而且升級過程由Base Node遠程自動完成，需要人為操作的比較少。傳統的載波傳輸協議沒有這一功能，如果需要進行升級必須人為進行更換；而PRIME協議的自動升級功能能夠很好地解決這一問題。