1 引言

　　電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。由于使用已廣泛存在的電力線作為通信信道，無需特殊維護(hù)信道，使得工程造價大幅度下降。該技術(shù)大量運(yùn)用在路燈控制，電力線防盜，惡劣環(huán)境通信等需要長距離，多節(jié)點(diǎn)的情況。但由于國內(nèi)電網(wǎng)的復(fù)雜性與多樣性，比如當(dāng)居民用電高峰時，大量負(fù)載不斷的接入與斷開，都會對載波信號產(chǎn)生不同程度的衰減與干擾作用；當(dāng)載波信號調(diào)制在電力線上時，在每個交流周期的峰值點(diǎn)，產(chǎn)生的固定脈沖，極易使信號丟失；而且現(xiàn)有的電力載波模塊售價較高，需要高性能的單片機(jī)支持。因此電力載波還需要大量的研究，才能實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用［1～2］。

　　本文研究目的是在使用一般的單片機(jī)下，采用FSK的調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力載波通信，并優(yōu)化算法，提供函數(shù)接口，使電力載波通信更易使用，并能保證通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性在96%以上。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)主要完成的功能是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)以FSK調(diào)頻方式調(diào)制信號，通過推挽輸出電路將載波信號耦合在電力線上進(jìn)行信號傳輸。而處于電力線另一處節(jié)點(diǎn)，則通過檢波輸入電路，功率放大電路以及軟件的算法處理，將載波信號還原成原信號，校驗(yàn)后，通過串口發(fā)送給另一臺上位機(jī)。信號輸出和輸入皆提供函數(shù)接口，用于用戶工程的后續(xù)開發(fā)［3］。

　　圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　3 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)整體軟件流程圖

　　在單片機(jī)開始運(yùn)行時，對各個定時器，IO口以及系統(tǒng)時鐘完成初始化之后，會等待5s，然后檢測對應(yīng)的波特率選擇IO口以及電力載波模式選擇IO口，完成所有的初始化。當(dāng)程序開始正常運(yùn)行后，單片機(jī)會不斷接收串口信號和電力載波信號，并將接收到信號校驗(yàn)后轉(zhuǎn)發(fā)出去。

　　圖2 系統(tǒng)整體軟件流程圖

　　3.2 電力載波模式的選擇

　　不過零模式主要運(yùn)用在直流或無壓狀態(tài)下，而過零模式主要運(yùn)用在交流狀態(tài)下。由于居民使用的交流電都為50Hz頻率，即在每一個周期內(nèi)，都會出現(xiàn)一次峰峰值與峰谷值，而這兩次峰值對載波通信傳輸來說會有兩次較大的脈沖干擾，即電力線上存在著固定的100Hz的脈沖干擾。除此之外，各次諧波還會出現(xiàn)200Hz或者300Hz等的脈沖干擾。而正是由于這些固定存在的干擾，系統(tǒng)在交流狀態(tài)下必須選在在電壓過零點(diǎn)時進(jìn)行電力載波通信，即此時各次諧波在過零點(diǎn)時電壓也為 0，從而避免固定脈沖的干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性［4］。

　　如下圖3所示，在過零模式下，由函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生50Hz的觸發(fā)脈沖，上位機(jī)以10ms的周期發(fā)送數(shù)據(jù)0xaa時，檢測信號耦合的輸出端。載波信號會在每次過零時傳輸，當(dāng)該次未能成功檢測到過零點(diǎn)時，則等待下次重新檢測到過零點(diǎn)時繼續(xù)傳輸。而每次傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，加上校驗(yàn)位和起始位，每次傳輸?shù)臅r間約為1ms。

　　圖3 過零模式實(shí)際測量圖

　　3.3 采用FSK方式發(fā)送載波信號

　　為了能使載波信號傳輸過程中具有較好的抗噪聲與抗衰減的性能，采用FSK（Frequency-shift keying）數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由單片機(jī)PWM模塊提供100k和120k的載波頻率，可以使信號切換更加方便。

　　FSK 調(diào)頻技術(shù)，即二進(jìn)制頻移鍵控由幅度恒定不變的載波信號的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音，代表二進(jìn)制的0和1）。在本系統(tǒng)中，采用120k 的載波頻率代表0，100k的載波頻率代表1。為了讓每一位信號切換之間減少相位的不連續(xù)，同時發(fā)送足夠多的信號以便檢波輸入端采集，選定每一位信號的發(fā)送時間為100ms。即在120k下會發(fā)送12個方波，100k下會發(fā)送10個方波，這樣1和0的切換之間就不會有多余的波形。

　　由于在電力線一側(cè)有大電容的存在，在每一次進(jìn)行電力線傳輸之前，會先發(fā)送一位0，作為起始位。否則，第一位的數(shù)據(jù)耦合時易受到電容充放電的影響，會有很大的誤差存在。

　　3.4 采用多次比較方式采集載波信號

　　當(dāng)單片機(jī)的定時器采集到第一次信號輸入時，即產(chǎn)生中斷，并開啟100ms定時器，記錄下當(dāng)前中斷定時器的值，繼續(xù)采集信號。直到采集到七次中斷后，關(guān)閉中斷定時器。計(jì)算每次中斷之間的時鐘數(shù)，即算出該信號的頻率，當(dāng)其在100kHz左右時，1的標(biāo)志位加1，當(dāng)其在120kHz左右時，0的標(biāo)志位加1，最后判斷該位的數(shù)值。在100ms定時器溢出時，重新開啟中斷定時器，開始接受下一位數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)接收完成。若是中斷定時器在100ms內(nèi)一直未能中斷，直到溢出，則清除接收到的數(shù)據(jù)，重新等待信號輸入。

　　4 電力載波信號耦合

　　4.1 推挽輸出電路

　　在下圖4中，采用準(zhǔn)互補(bǔ)對稱電路來增強(qiáng)驅(qū)動能力，其中Q1和Q2復(fù)合管與NPN管等效，Q5和Q6復(fù)合管與PNP管等效，實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)作用。由電路分析可知，當(dāng)輸入信號為 0V時，四個管子都無偏置而截止，故輸出OUT上無電流。當(dāng)輸入信號為正半周期時，Q1與Q2導(dǎo)通，Q5與Q6截止，電流流經(jīng)Q1與Q2輸出，反之電流流經(jīng)Q5與Q6輸出，輸出信號都將隨輸入信號而變化。四只三極管輸出的半周信號合并后（互相補(bǔ)充），得到一個完整周期的輸出信號波形。經(jīng)過電容和限幅穩(wěn)壓管起到濾直流和穩(wěn)定電壓的作用，再通過變壓器將信號耦合到

　　電力線上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸［5］。

　　圖4 推挽輸出電路

　　4.2 過零檢測電路

　　在該電路中，先是由電阻R1，R2限制電流。當(dāng)輸入信號為正方向波形時，信號從L端進(jìn)入，流經(jīng)發(fā)光二極管的N級。此時光耦導(dǎo)通，輸出微小電壓，三極管導(dǎo)通，IO端輸出0V；當(dāng)輸入信號為負(fù)方向波形時，信號從二極管的N端輸入，流經(jīng)R1，R2，此時光耦閉合，無輸出電壓，三極管不導(dǎo)通，由于外部有上拉電阻，IO端輸出5V。在220V交流電輸入后，在IO口得到標(biāo)準(zhǔn)的過零方波。

　　圖5 過零檢測電路

　　4.3 實(shí)際示波器測量

　　如下圖6當(dāng)輸電線上未加220V，輸出信號為0xaa時，左上和右上為推挽輸出波形，左下為單片機(jī)PWM輸出波形，右下為經(jīng)過400m輸電線后的推挽輸出波形。由圖中可知，當(dāng)輸出0，即120k時，剛好12個方波，且每一位傳輸?shù)臅r間都為標(biāo)準(zhǔn)的100ms。當(dāng)載波信號經(jīng)過一定距離的輸電線后，波形會發(fā)生畸變，但波形頻率發(fā)生的變化不大，可以作為檢測信號的依據(jù)。

　　圖6 推挽輸出電路實(shí)際測量圖

　　5 電力載波信號采集

　　5.1 檢波輸入電路

　　下圖7為信號的檢波輸入電路。當(dāng)信號經(jīng)過高通濾波電路，濾去低頻率的干擾信號，尤其是50Hz的電力信號以及載波脈沖，當(dāng)經(jīng)過穩(wěn)壓二極管D4限伏后通入放大電路。由于輸入的信號需要經(jīng)過足夠大的放大倍數(shù)，將其整型成可供單片機(jī)采集的信號。同時由于輸入信號為交流信號，且該電路處于前置級，故選用阻容耦合的多級放大電路。由于電容C5有隔直作用，它可使前，后級的直流工作狀態(tài)相互之間沒有影響。同時經(jīng)過兩級共射放大，電壓放大倍數(shù)為正數(shù)，即輸入與輸出信號同相［6］。

　　圖7 檢波輸入電路圖

　　5.2 阻波器設(shè)計(jì)

　　阻波器是電力載波通訊及高頻保護(hù)不可缺少的原件，可以減少高頻能量損耗。從理論上耦合電容與阻波器電感在選用頻率下形成并聯(lián)諧振電路，對外電路相當(dāng)于短路。故在設(shè)計(jì)中選用電感作為阻波器，即低通作用使50Hz的工頻信號順利通過，同時使高頻噪音信號損失［7］。

　　圖8 阻波器電路圖

　　5.3 實(shí)際示波器測量

　　如下圖9上面信號為輸入的高頻信號（0xaa），下面信號為經(jīng)過電路之后輸出給單片機(jī)的信號，由圖中可知，經(jīng)過檢波放大，可輸出可供單片機(jī)采集的信號，且其跟隨著輸入信號變化。

　　圖9 檢波輸入電路實(shí)際測量圖

　　6 試驗(yàn)效果

　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)，制作PCB板，并在節(jié)點(diǎn)A，B之間使用800m的電力線作為通信信道。在A 節(jié)點(diǎn)端，使用上位機(jī)的串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)0xaa，調(diào)節(jié)發(fā)送間隔，且接入不同負(fù)載，在B節(jié)點(diǎn)通過串口調(diào)試助手查看數(shù)據(jù)情況，并計(jì)算發(fā)送的準(zhǔn)確率，由下表可知，各種負(fù)載下，電力載波的通信準(zhǔn)確率都在96%以上，能完成設(shè)計(jì)要求。

　　表1 通信數(shù)據(jù)記錄表

　　7 結(jié) 語

　　本文討論了基于PWM的FSK電力線載波通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且只要單片機(jī)具有PWM的輸出功能和定時器的信號中斷功能，就能實(shí)現(xiàn)電力線上穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)。同時，采用FSK的輸出方式，以及采用多次比較方式采集載波信號，使信號的傳遞可靠性大大提高，也使電力載波在一般化的應(yīng)用上有了更大的提高，相信電力載波會使我們的生活更加的舒適。

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??????? (本文作者：陳升輝、李旭、田文凱、施閣）