一種低壓直流載波通信電路的設計

楊成英，陳 勇

（1.廣東工業大學華立學院，廣東廣州 511325；2.從興技術有限公司，廣東廣州 510300）

在工、商業應用中，設備、產品的主機一般安裝在現場，而與之相連接從機如控制及顯示設備一般都在控制室里面，兩者之間距離可能數十至數百米[1]，通常情況下，主、從機之間既需要低壓直流供電線路，又需要通信線路，將供電線路與通信線路合二為一，即兩根線實現通信兼供電功能，不僅節省了施工和線纜成本，給現場施工和后期維護帶來了極大的便利[2]。載波通信就是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。目前主流的載波通信技術有電力線載波（PLC）和直流載波，電力線載波（PLC）主要用于35 kV 及以上電壓等級的高壓電力線、10 kV 電壓等級的中壓電力線以及380 V/220 V 電壓等級的低壓配電線三大領域類的通信[3]，而設備、產品的內部各模塊的供電方式通常使用低壓直流供電，基于低壓直流供電線路上的載波通信技術以布線方便、通信穩定、傳輸距離遠等優勢逐漸成為人們的選擇[4]。

目前，直流載波部分都是主機在通信時把邏輯0 和邏輯1 的電平升高，使得不管是邏輯0 還是邏輯1 的時候，通信線路上都有一定的電壓，確保給從機供電。由于供電及通信線路存在阻抗，所以供電過程中存在線損，線損的大小與線路的負載有關聯，由于外界的干擾或者線路上電壓的波動都會導致通信誤碼的技術問題，所以這種直流載波模式對電源及供電線路要求高，需要線路中電壓和負載相對穩定[5]。

該文介紹了一種低壓直流載波電路，該電路利用通信線路中電流傳輸距離遠，抗干擾能力強的特性；基于電壓、電流信號轉換的原理，結合三極管及光耦的放大及開關功能，實現了在主、從電路的兩條低壓直流的供電線路上載波通信的功能。解決了目前對電源要求高，電壓需要相對穩定，電路成本高以及電壓波動時線路通信誤碼率很高的技術問題[6]。

1 低壓直流載波通信電路硬件電路設計

低壓直流載波通信電路主要是基于電流信號在線路中傳輸時抗干擾能力強，穩定性好，線路阻抗要求低，傳輸距離遠等特點，通過信號轉換電路將主、從機發送的邏輯數據轉換成電壓信號，從而控制線路中的開關器件，將電壓信號轉換成電流信號加載在供電線路中傳輸；接收端將傳輸線路中的電流信號再轉換成電壓信號，電壓信號通過電路轉換成邏輯信號供接收端接收，最終實現邏輯數據在直流供電線路上的加載傳輸。具體的低壓直流載波通信電路如圖1 所示[7]。

圖1 低壓直流載波通信電路

該電路相關符號及器件說明：

1）VDD 為主機給從機提供的電源；

2）VCC-1 是主機通信處理芯片的電源；MCU1-TXD 是主機通信處理芯片的通信發射腳；MCU1-RXD 是主機通信處理芯片的通信接收腳；

3）VCC-2 是從機通信處理芯片的電源；MCU2-TXD 是從機通信處理芯片的通信發射腳；MCU2-RXD 是從機通信處理芯片的通信接收腳；

4）V_IN 是給從機供電，在應用中，為了保證電路的可靠性通常需要穩壓處理，并有一定的電解電容儲電支持通信；

5）OUT和IN端子是供主、從機之間的連線端子；

6）電路中BRID1 為防反向整流橋，主機和從機之間的連線可以不用考慮正負方向。

2 低壓直流載波通信電路功能設計

2.1 低壓直流載波通信電路主機供電原理

根據通信處理芯片的串口特性，主機和從機沒有通信的時候，主機的通信處理芯片的MCU1-TXD引腳輸出高電平[8]，三極管Q1 的發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端導通，從而三極管Q2 的發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端截止[9]，電源VDD 通過主機的Q2和IC1 的原邊給從機供電；電流經過從機的整流橋BRID1，通過三極管Q3 和IC2 給從機供電[10]。

2.2 主機的數據位（bit）的發送

當主機通信處理芯片發送邏輯高電平的時候，即從主機的發送端口MCU1-TXD 端口發送邏輯高電平信號，三極管Q1 的 發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端導通，三極管Q2 的基極（B 極）電壓拉低，從而三極管Q2 的 發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端導通，光藕IC1 原邊有電壓、電流，故光藕IC1 副邊導通，主機的接收端口MCU1-RXD 端口收到高電平信號，通過這個電平確定主機發送數據的正確性，同時電流通過光藕IC1 的原邊，傳輸給從機；根據半雙工通信標準，從機通信處理芯片處于接收狀態[11]，根據通信處理芯片的特性[12]，其MCU2-TXD 引腳輸出邏輯高電平，光藕IC2 原邊沒有電流，故光藕IC2 副邊截止，三極管Q3 發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端導通，電流通過三極管Q3 及光藕IC3 的原邊，給從機供電；同時光藕IC3 原邊有電流，光藕IC3 副邊導通，從機的接收端口MCU2-RXD 端口收到邏輯高電平信號，即主機供電的同時將邏輯高電平信號加載在線路中傳輸給從機。

當主機通信處理芯片發送邏輯低電平的時候，即從主機的發送端口MCU1-TXD 端口發送邏輯低電平信號，三極管Q1 的發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端截止，三極管Q2 的基極（B 極）電壓被上拉電阻R3拉高，從而三極管Q2 的發射極（E 極）、集電極（C極）兩端截止，光藕IC1 原邊失去電壓、電流，故光藕IC1 副邊截止，主機的接收端口MCU1-RXD 端口收到邏輯低電平信號，同時此時沒有電流流過光藕IC1的原邊；由于線路中在主機發送邏輯低電平的時候沒有電流流向從機，所以從機光藕IC3 原邊沒有電流，故光藕IC3 副邊截止，從機的接收端口MCU2-RXD 端口收到邏輯低電平信號，即從機從供電線路上收到主機發送的邏輯低電平信號。

2.3 從機的數據位（bit）的發送

當從機通信處理芯片發送邏輯高電平的時候，即從MCU2-TXD 端口發送邏輯高電平信號時，光藕IC2 原邊沒有電流，故光藕IC2 副邊截止，三極管Q3發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端導通，電流流過三極管Q3 及光藕IC3 的原邊，光藕IC3 的原邊有電流，故光藕IC3 副邊導通，從機的接收端口MCU2-RXD端口收到邏輯高電平信號，從機通過檢測這個電平信號確定其發送的數據是否成功；同時根據半雙工通信標準[13]，主從機在通信過程中不能在兩個方向上同時進行，必須輪流交替地進行。由于當從機從MCU2-TXD 端口發送信號時，主機通信處理芯片處于接收狀態，根據通信處理芯片的特性，其主機的發送端口MCU1-TXD 引腳輸出邏輯高電平，允許電流經過三極管Q2 和光藕IC1 流向從機，光藕IC1 副邊導通，主機的接收端口MCU1-RXD 端口收到邏輯高電平信號，故從機在接收供電的同時將邏輯高電平信號加載在線路中傳輸給主機。

當從機通信處理芯片發送邏輯低電平的時候，即從機從發送端口MCU2-TXD 端口發送邏輯低電平信號，光藕IC2 原邊有電流流過，故光藕IC2 副邊導通，三極管Q3 的基極（B 極）電壓拉高，三極管Q3發射極（E 極）、集電極（C 極）兩端截止，光藕IC3 的原邊沒有電流流過，故光藕IC3 副邊截止，從機的接收端口MCU2-RXD 端口收到邏輯低電平信號用以驗證；同時由于從機從MCU2-TXD 端口發送邏輯低電平信號時，短暫地切斷了主機給從機的供電，所以主機光藕IC1 原邊沒有電流流過，光藕IC1 副邊截止，主機的接收端口MCU1-RXD 端口收到邏輯低電平信號，即在從機從發送端口MCU2-TXD 端口發送邏輯低電平信號時，主機從其接收端口MCU1-RXD 端口收到邏輯低電平信號，實現信號的傳輸。

2.4 電路的分析、測試與驗證

在設計或評估通信電路時，首先要保證電路的功能。根據基爾霍夫電流定律，電路中任一個節點上，在任一時刻，流入節點的電流之和等于流出節點的電流之和，即:

所以，當主機發送邏輯信號“1”時，即打開供電電路的電流開關Q2 時，從機IC3 的原邊流過電流，同時IC3 副邊導通，從機接收到邏輯電平“1”；當主機發送邏輯信號“0”時，即關閉供電電路的電流開關Q2 時，從機IC3 的原邊沒有電流，同時IC3 副邊截止，從機接收到邏輯電平“0”；同理，當從機發送邏輯信號“1”時，即打開受電電路的電流開關IC2 時，主機的光藕IC1 的原邊有電流流過，同時IC1 副邊導通，主機接收到邏輯電平“1”；當從機發送邏輯信號“0”時，即關閉受電電路的電流開關IC2 時，主機IC1的原邊沒有電流，同時IC1 副邊截止，主機接收到邏輯電平“0”。在主機和從機的信號接收端的信號開關IC1 和IC3 導通時，根據基爾霍夫電壓定律，沿著閉合回路的所有電動勢的代數和等于所有電壓降的代數和，即=0，故主機和從機信號接收端的高電平信號電壓與其對應的工作電壓電平相似；在主機和從機的信號接收端的信號開關IC1 和IC3 截止時，根據戴維南定理，電壓源的電壓等于單口網絡在負載開路時的電壓，則主機和從機的信號接收端的低電平信號電壓與其對應的參考地一致，電路的電壓信號符合CMOS 電平標準，理論上電路功能正常。根據不同電力線的阻抗和不同頻率下輸出幅度的關系[14]，結合基于載波移相的定電壓控制,在減小電壓偏差的同時降低電流紋波,提高電能質量的方法[15]，基于電路中主從機數據位的傳輸情況，結合串口相關標準定義的數據格式及半雙工通信的相關標準，在使用50 m 長的普通雙絞線，波特率為1 000 bps的半雙工模式通信的基礎上，主機給從機的供電電壓設置為+12 V，通過使用工作電壓為+3.3 V 的單片機系統的主、從機和示波器監控主從機的發送端和接收端信號從而驗證載波通信電路的功能。

當主機發送數據時，從機處于接收狀態，主機發送的波形和從機接收的波形如圖2 所示，其中通道1（CH1）為主機發送端信號，通道2（CH2）為從機接收端信號。

圖2 主機發送及從機接收波形圖

當從機發送數據時，主機處于供電及接收狀態，從機發送的波形和主機接收的波形如圖3 所示，其中通道1（CH1）為從機發送端信號，通道2（CH2）為主機接收端信號。

圖3 從機發送及主機接收波形圖

從示波器監測到的數據可以確定，當主或者從機發送數據時，對方從機或者主機能夠及時、準確地接收到相關數據，而且在正常供電的前提下，主從機之間通信及時、穩定、可靠，而且在接下來的通信過程中，主機發出修改通信速率指令，整個通信系統在設置完成后以新的速率與主機建立通信鏈路[16]。最后還對搭建好的低壓直流電力線載波通信系統進行傳輸速率和穩定性測試,通過示波器等儀器及實測結果也驗證了該載波電路設計功能的可行性和可靠性，實現了數據包的傳輸，即基于低壓直流載波通信電路實現了主、從機半雙工模式的直流載波通信。

對通信電路而言，一個非常重要的性能指標就是通信距離。由于該電路使用電流信號作為線路信號傳輸的載體，而電流具有在線路傳輸過程中不隨傳輸線路長度而發生信號衰減的特性，所以通信電路的有效距離為線路的電壓通過線路線損后達到從機的工作電壓以及線路的電流能夠驅動從機的開關器件。根據歐姆定律，通信電路的電流和供電通信線路上的電壓成正比，和供電通信線路上的阻抗成反比，即：

隨著供電通信電路線路的有效距離增加，供電通信電路線路的阻抗增加，供電通信電路線路的驅動電流降低，同時從機的受電電壓降低。為了增加供電通信電路線路的有效距離，通常可以考慮升高線路的傳輸電壓，其次使用低阻抗的供電線路。假如使用+12 V 為供電通信電路線路電壓，從機受電最低工作電壓為+5 V，在供電通信電路線路的供電及驅動電流為20 mA 的前提下，那么線路阻抗可以達到0.6 kΩ,如果使用電纜外徑7.7 mm 左右的普通雙絞屏蔽型電纜STP-100 Ω/20 AWG，則理論供電通信電路線路的有效距離為：

考慮溫、濕度對線路阻抗的影響，通常情況下，理論供電通信電路線路的有效距離可以達到理論值的一半。

通信電路的穩定性和可靠性主要依賴于通信質量的主要指標誤碼率。誤碼率是指錯誤接收的碼元數在傳送總碼元數中所占的比例，或者更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統中被傳錯的概率。造成誤碼率的原因主要有兩個：其一，電路軟硬件配置導致時序抖動；其二，由干擾、損耗等引起的幅度減小。電路中光電耦合器、三極管等開關轉換時間都在幾個微秒，所以主從機在通信波特率在2 400 bps 及以下時，電路主觀上解決了導致通信誤碼率的時許問題。客觀上，通信線路受到外界環境的干擾，由于外界的干擾反應到線路中，絕大部分都是電壓型干擾，而本電路使用電流信號作為線路信號傳輸的載體，所以即使線路中存在外接干擾，對線路的通信質量影響有限。為了模擬安裝施工及使用過程中產生的干擾對通信質量的影響，在使用50 m 長的普通雙絞線，波特率為1 000 bps的半雙工通信模式下，當主機給從機供電并且和從機通信時，根據IEC61000-4-2（GB/T17626.2）靜電放電抗干擾實驗及IEC61000-4-4（GB/T17626.4）電快速瞬變脈沖群的抗擾度實驗，對供電通信電路實施外界干擾，實驗結果通過誤碼率的公式：

統計顯示通信誤碼率低于0.1%，從而有效地驗證了通信線路的通信質量，保證了通信電路的穩定性和可靠性。

通信電路的使用也要考慮其易用性和維護性。在雙絞線連接的直流供電線路上需要區分正、負級，否則可能對供電線路以及設備產品造成不可逆的損壞[17]。該電路基于使用時安裝、施工的快捷和簡便考慮，從保證通信電路質量的角度出發，在從機的供電及通信的輸入端增加整流橋BRIDI，實現兩芯的供電及通信線路的無序安裝和即插即用功能，充分考慮了通信電路的易用性和維護性。

3 結束語

直流電力線載波通信的方式以通信穩定、傳輸距離遠、布線方便、維護簡單等優點逐漸成為產品設備中各模塊供電、通信的首選方式，文中介紹的半雙工模式的直流載波電路具備電路簡單、電子元器件少、故障低、成本低等優點，解決了目前直流載波技術抗干擾能力差，對電源要求高，電壓需要相對穩定，電路成本高，負載變化及線損導致的線路電壓波動造成的通信誤碼率很高的技術問題，非常適合在工商業領域的設備、產品中使用。