一種基于ARM7與ST7538的電力線載波通信模塊的設(shè)計

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1、一種基于ARM7與ST7538的電力線載波通信模塊的設(shè)計 【摘 要】該文提出了一種用LP2132ARM內(nèi)核單片機(jī)與載波芯片ST7538構(gòu)成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)方案,詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理和軟硬件組成。經(jīng)實(shí)際測試證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較高的應(yīng)用價值。關(guān) 鍵 詞：電力線；載波通信；FSK；PLC；ARM1 引言 電力線載波通信（PowerLine carrier communication）技術(shù)是指將電力線作為通信媒介的一種通信方式。利用電力線作為通信介質(zhì)的電力載波通信，避免了新的通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和投資。在住宅智能控制、布線困難的工業(yè)自動化

2、控制等系統(tǒng)中，采用低壓電力線通信方案有著極為顯著的優(yōu)越性，具有極大的方便性、免維護(hù)性、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。 電力線用于信息傳輸有些不利因素：線路阻抗小、信號衰減大、時變性大、噪聲影響大。在實(shí)用系統(tǒng)的開發(fā)中，控制軟件的編寫、器件的選擇及電力線接口的設(shè)計是關(guān)鍵。本文提出一種采用ARM內(nèi)核的單片機(jī)LP2132控制電力線載波芯片ST7538構(gòu)成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，采用此種結(jié)構(gòu)在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下能實(shí)現(xiàn)可靠通信。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 數(shù)據(jù)由主通信設(shè)備發(fā)出，經(jīng)通信接口模塊，存入微控制器處理中的一段緩沖區(qū)內(nèi)，再經(jīng)編碼處理后進(jìn)行通信調(diào)制，最后耦合到電力線

3、上。在電力線的另一端，數(shù)據(jù)經(jīng)解耦后從電力線上接收下來再解調(diào)到微控制器中，最后經(jīng)通信接口到從通信設(shè)備中。在整個系統(tǒng)中，微控制器是系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)中各任務(wù)的協(xié)調(diào)與調(diào)度。而電力線接口主要起耦合、隔離、濾波與保護(hù)的功能。3硬件的設(shè)計3.1微控器的選擇 由于低壓電力線上存在信號衰減大、時變性大、噪聲影響大等不利因素，這些問題導(dǎo)致誤碼率的升高，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。除了選擇好的通信器件從“硬”的方面來提高通信質(zhì)量，降低誤碼率外，另一種解決方法是采用一些糾錯能力強(qiáng)的編譯碼方案，這可能使得算法復(fù)雜化，運(yùn)算速度降低進(jìn)而導(dǎo)致通信速率下降，這種方法對處理器運(yùn)算速度的要求較為苛刻，同時也要求微處理有較強(qiáng)的控制

4、功能。在兼顧運(yùn)算能力與控制性能之后，我們沒有選用傳統(tǒng)的功能簡單的單片機(jī)，而選用了飛利浦（Philips）公司的ARM內(nèi)核的LP2132單片機(jī)，LPC2132是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并帶有64kB的嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。較小的封裝和極低的功耗使LPC2132可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和POS機(jī)。 3.2調(diào)制解調(diào)芯片的選擇 現(xiàn)在，電力線載波通信專用Modem芯片種類不少，經(jīng)仔細(xì)比較，選擇了 SGSTHOMSON公司的ST7538，早期國內(nèi)電力線

5、載波通信的應(yīng)用中，ST公司的ST7536、ST7537芯片獲得良好應(yīng)用。ST7538是在ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的又一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計的半雙工、同步/異步FSK（調(diào)頻）調(diào)制解調(diào)器芯片。 FSK調(diào)制技術(shù)是用兩個不同頻率的正弦波來傳送一組數(shù)字信號，其中用fh代表邏輯高水平,用fl代表邏輯低電平，其中載波頻率fc及波特率Baud及誤差dev之間關(guān)系可由公式， 雖然ST7538采用FSK調(diào)制技術(shù)，沒有采用擴(kuò)頻技術(shù)，沒有擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)，按理說無論從理論上還是技術(shù)上，擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)明顯優(yōu)于FSK，但從實(shí)際試用來看，沒有發(fā)現(xiàn)其它擴(kuò)頻芯片有明顯的優(yōu)勢，而ST7538卻可以

6、在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠通信。如果能夠很好地利用它的多頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。ST7538內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內(nèi)部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，它為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，采取了多種抗干擾技術(shù)。3.3電力線接口的設(shè)計 電力線接口是用來連接設(shè)備到電力線的，具體實(shí)現(xiàn)如下圖2所示。 它首先是一個耦合電路，用于FSK信號的傳輸與接收；同時也是一個濾波系統(tǒng)，能可靠地過濾掉220V/50Hz的電力信號、及噪聲信號和浪涌信

7、號。 發(fā)送電路由C4、C5、R3、L3、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1構(gòu)成，其中C4、C5、R3、L3與C1、L1、R1分別構(gòu)成兩個帶通濾波器，而D1、D2、D3構(gòu)成保護(hù)電路。兩個帶通濾波器的理想諧振頻率可由如下公式計算: 接收電路由C2、C3、R2、L2、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1構(gòu)成，其中D1、D2、D3同樣構(gòu)成保護(hù)電路，而C2、C3、R2、L2構(gòu)成一個二階的接收帶通濾波電路，其中心頻率f0及品質(zhì)因素Q可以由以下公式計算： 3.4系統(tǒng)的硬件連接 整個通信模塊的各芯片之間的連接如下圖3所示。 LP2132通過監(jiān)測載波信號（CD/LP）與波特率信號（BU）來得到載波的

8、情況，而通過REG_OK、 PG、TOUT來得到ST7538自身的狀態(tài)情況。而LP2132與ST7538之間的數(shù)據(jù)交換是通過SPI口來完成的。而LP2132與通信設(shè)備之間的通信是通過SCI通信模塊來進(jìn)行的，其間采用MAX202E來完成電平轉(zhuǎn)換。由于LP2132的資源很豐富，我們還可以根據(jù)實(shí)際需求選擇接上LCD顯示或鍵盤等其它周邊設(shè)備。 3軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是整個模塊開發(fā)的另一個難點(diǎn)。其困難之處在于要協(xié)調(diào)電力線載波通信模塊在多種狀態(tài)之間的切換，LP2132監(jiān)測的信號線多，要完成的狀態(tài)轉(zhuǎn)換動作也較多。簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以將通信模塊功能簡化看作為電力線與SCI通信口之間的橋梁，系統(tǒng)軟件流程圖如下圖4所

9、示： 當(dāng)系統(tǒng)加電啟動時，系統(tǒng)程序進(jìn)入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài) ，開始檢測載波信號的有無及正確與否，以此作為系統(tǒng)是否轉(zhuǎn)換到從SCI接收數(shù)據(jù)狀態(tài)的判斷條件。如果檢測到載波信號且正確，則系統(tǒng)開始接收從電力線上傳來的數(shù)據(jù)，此時SCI口中斷狀態(tài)是加電之后的初始值，即SCI口處于接收中斷關(guān)。如果一開始沒有載波信號，則系統(tǒng)開始檢測SCI口，判斷SCI口是否有數(shù)據(jù)傳送過來，以此決定是否要進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。如果電力線及SCI口都無數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進(jìn)入檢測狀態(tài)，重新開始檢測電力線，進(jìn)入新一輪循環(huán)。 為了避免SCI口同時處于接收與發(fā)送狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)沖突，程序中是以狀態(tài)字的查詢以及中斷的設(shè)置來完成。無論是從電

10、力線上收到數(shù)據(jù)還是從SCI口收到數(shù)據(jù)之后，都要從SCI口的中斷狀態(tài)來判斷系統(tǒng)通道的情況，從而決定是將數(shù)據(jù)從PL2132傳向電力線還是傳向通信設(shè)備。一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成，則整個系統(tǒng)回到檢測狀態(tài)，等待新一輪數(shù)據(jù)收發(fā)的啟動。 5結(jié)束語 低壓電力線載波通信是個具有廣闊應(yīng)用前景的課題。但低壓電力配電網(wǎng)是一個開放性網(wǎng)絡(luò)，在傳輸信號時具有衰減大、干擾強(qiáng)、阻抗變化復(fù)雜等特性，要在電力線上進(jìn)行高速、可靠、安全的數(shù)據(jù)通信還有許多技術(shù)問題需要研究。此方案以PL2132這一款高性能微控制器作為中心處理器，用ST7538作為調(diào)制解調(diào)芯片實(shí)現(xiàn)的通信模塊可實(shí)現(xiàn)可靠通信，具有一定實(shí)用價值。參 考 文 獻(xiàn)：[1] 周耀義，鮑濱壽．

11、低壓電力用戶遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)．電力自動化設(shè)備[J]，1999，19(2)：64—65．[2] 曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理[M]．清華大學(xué)出版，1994。[3] Newbury D J． Communication requirements and standardsfor low voltage mains signaLing． IEEE Transactton onPower DeLivery[J]，1998，13(1)：46—53．[4] ST7538 Power Line FSK Transceiver[M]. ST Inc. 2003[5] LPC2131/2132/2138 Single-chip 16/32-bit microcontrollers[M]; PHILIPS Inc. 2004