智能電力線載波通信模塊的設計

別　致，王　翥，陳翔宇，涂藝斌

(哈爾濱工業大學信息與電氣工程學院，山東 威海 264209)

0　引言

電力線載波通信，簡稱電力線通信(power line communication，PLC)，是利用電力線作為傳輸通道的一種特殊通信方式。PLC技術充分利用電力線現有資源，已逐漸成為電力系統應用中的主流通信方式[1]。PLC技術降低了通信成本，且無需額外設置通道[2]。在不方便布設通信線纜的特殊場合，PLC具有便捷、可靠、安全等優勢[3]。簡單來說，PLC就是利用已有的、幾乎無處不在的電力線為通信載體，加上一些PLC局端和終端調制解調器，從而將原有電力網變成電力線通信網絡，并將原有的電源插座變為信息插座的一種通信技術[4]。PLC技術正逐漸應用于實現城市照明系統的智能化、合理化運行[5]。在未來的智慧家庭中，PLC技術也將是主要通信方式之一[6]，具有廣闊的應用前景。

傳統的低壓電力線載波的基本調制方式分為幅值鍵控、頻率鍵控和相位鍵控[7]。由于電力線的負載情況十分復雜，其干擾信號的頻譜很寬，信號衰減也很嚴重[8]。傳統的電力線載波方法普遍存在抗干擾能力差的問題。

本文設計了一種基于相位同步調制解調的PLC智能模塊。其原理是在電力線工頻信號的每個周期固定相位處，將數字信號“1”、“0”調制到電力線上，并在工頻信號相應位置作信號解調。這種方法的抗干擾能力大大增強，適用于通信數據量不大的場合。同時，結合微控制器(micro control unit,MCU)，將該模塊的用戶側設計成目前被廣泛使用的串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)通信方式[9]。用戶無需了解復雜的電力線調制/解調技術，就可以操作標準串行口實現電力線載波通信。該方法易于實現嵌入式二次開發，符合Clark等提出的模塊化三大特征：相對獨立性、互換性和通用性[10]。

1　工作原理

電力線載波通信模塊由MCU、調制與解調電路、同步信號電路和低壓電力網絡等部分組成。載波通信模塊工作原理框圖如圖1所示。

圖1　載波通信模塊工作原理框圖Fig.1　Working principle of the carrier communication module

①用戶：使用模塊進行二次開發，并完成確定功能的一方。

②智能載波模塊：實現數據同步、調制、解調，并協調載波通信與SPI串行通信的切換。

③信號同步：捕捉特征相位點，在相應位置調制/解調電力線上的信號。

④信號調制：用戶將通信內容通過SPI口發送給載波模塊；載波模塊將數據逐位調制到電力線上。

⑤信號解調：載波模塊逐位解調電力線上的數據，并通過SPI口將數據輸送至用戶。

當模塊初始工作時，其處于數據接收狀態；當模塊接收到SPI數據時，其將通過載波發送數據；當模塊接收到載波數據時，其通過SPI將數據發送給用戶。

2　單元電路設計

2.1　信號同步電路

信號同步檢測電路主要是檢測220 V工頻交流電信號的某個特征相位點，并將其作為信號調制與解調的位置，實現信號同步。信號同步電路如圖2所示。

現有的商業區域管理運營模式采用的信息化手段比較單一，管理系統往往缺乏動態數據收集、商業決策和智能化分析等新技術的應用，部分數據因收集不準確、滯后而形成信息孤島。新技術的應用對商圈的發展、提升和改進有決策輔助、過程數據呈現和結果預測等作用，影響著商圈自身的發展。

圖2　信號同步電路Fig.2　Signal synchronizing circuit

信號同步電路的輸入端口為220 V電力線上的零線端口。VCC(+10 V)經R3、R4分壓后，作為電壓比較器U1的參考電壓。220 V的工頻信號經過R1、R2分壓后，與參考電壓進行比較。電壓比較器的輸出經導向器U2調理后，得到具有一定占空比、頻率為50 Hz的方波信號。調整R1、R2、R3、R4的值，即可改變該信號的占空比。本設計產生的方波信號的高電平持續時間為12 ms，低電平持續時間為8 ms，占空比為60%。

2.2　信號調制電路

信號調制電路將MCU輸出的數字信號調制到電力線上，以實現載波通信。信號調制電路如圖3所示。

圖3　信號調制電路Fig.3　Signal modulation circuit

圖3中，當來自MCU輸出端信號為高電平時，導向器U3輸出低電平，快速功率管Q1不導通，無數據發送；當來自MCU輸出端信號為低電平時，U3輸出高電平，快速功率管導通，在零線上產生一個脈沖信號，形成“陷波”。為自恢復保險絲，F1通過調整R6、C1，可以改變輸出信號的脈寬。令MCU連續發送數字信號“1”，則U3輸出的調制信號波形如圖4所示。

圖4　調制信號波形Fig.4　Modulated signal waveform

調制信號的時序安排及加載位置均可通過調整電阻電容進行解調。由于調制信號的能量比較集中，信號傳輸距離很遠，可以實現比較理想的電力載波效果。但由于脈沖寬度過大，也會導致載波模塊功耗大和電網噪聲等問題。

2.3　信號解調電路

信號解調就是在接收端識別加載在電力線上的信號，并傳輸給MCU作進一步的處理。信號解調電路如圖5所示。

圖5　信號解調電路Fig.5　Signal demodulation circuit

圖5中：C2具有隔直作用；R7和R8對VCC進行分壓后，起到鉗位作用；R9和C3起到濾波作用。當脈沖信號低于0 V時，比較器輸出高電平信號。

電力線陷波及數字脈沖示意圖如圖6所示。僅當工頻信號在一個周期中載有陷波信號時，比較器U4輸出高電平脈沖。MCU根據是否檢測到高電平脈沖來判斷接收到的數字信號為“1”或 “0”。

圖6　電力線陷波及數字脈沖示意圖Fig.6　Schematic diagram of power trap wave and digital pulse

3　應用與測試分析

將設計內容應用于智慧社區照明控制系統中，用戶與模塊測試邏輯關系如圖7所示。實際應用中，圖中的用戶A為數據集中器，用戶B為終端控制器。

圖7　用戶與模塊測試邏輯圖Fig.7　User and module test logic

3.1　通信協議

表1　數據幀格式Tab.1　Data frame format

控制字定義如表2所示。

表2　控制字定義Tab.2　Control word definition

3.2　測試及分析

在某社區構建了數據采集與控制網絡，對本設計進行測試。在社區變壓器下端安裝1個數據集中器，并在20個照明器燈桿下各安裝一個控制器。每個控制器通過2個繼電器控制燈桿上掛載的2個照明器。控制器與集中器的最遠距離約為600 m。分項測試結果表明，該設計滿足全部設計要求。本文以表地址9001為例，功能測試表如表3所示。

表3　功能測試表Tab.3　Functional tests

4　結束語

本文設計了一種智能低壓電力線載波模塊。該模

塊可以通過低壓電力線進行數據傳輸。其優點為：用戶采用SPI即可簡單地進行二次開發，操作簡單、適用性強；模塊傳輸速度為50 bit/s，在不追求高速率的情況下，大大降低了模塊的生產成本；傳輸距離遠、抗干擾能力強。后續工作在于：進一步分析本設計對電網的干擾程度，以及電網中存在的噪聲對本設計涉及調制與解調的干擾程度；采用多相位點同步的方式，可進一步提高通信速率。

參考文獻:

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