◆許國強 馮秀玲

1 引言

電力線載波（Power-line Communication，PLC）是一種充分利用電力線分布式系統(tǒng)的技術(shù)。該技術(shù)可以為用戶提供一系列的服務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、家庭娛樂、家庭自動化等。同時，PLC技術(shù)也幫助電力供應(yīng)者在管理電網(wǎng)的過程中有更多的競爭優(yōu)勢。因為電力供應(yīng)商能夠通過電網(wǎng)將所有的用戶連接起來，所以它在電表通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在遠程抄表系統(tǒng)中，大功率的信號通過電網(wǎng)傳輸給了用戶，然后再接受到所有用戶的反饋信息。該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛在歐洲得到實施，在亞洲國家也有一些試點。

PLC系統(tǒng)也可以用在建筑物中的數(shù)據(jù)通信，如基于PLC的門禁系統(tǒng)、基于PLC的路由器。這一技術(shù)的應(yīng)用使得鋪設(shè)線路方面的開支大大節(jié)省。同時，電力供應(yīng)商通過捆綁銷售寬帶業(yè)務(wù)，從而獲得高額的利潤。

PLC技術(shù)能夠經(jīng)濟、有效地應(yīng)用在一些特定的領(lǐng)域，主要是該技術(shù)具有許多其他有線和無線傳輸技術(shù)所不具有的優(yōu)勢：PLC利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約了鋪設(shè)線路的成本；PLC傳輸比無線傳輸、電話線傳輸更安全，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不容易受到攻擊；PLC傳輸使得電網(wǎng)用戶始終在線，而且不需要過多考慮傳輸設(shè)備的電源問題。

同樣，也存在一些不利的因素制約了PLC傳輸技術(shù)的發(fā)展：電力線輻射所造成的干擾；電網(wǎng)中的負載和用電設(shè)備使得信道中的噪聲很大；電網(wǎng)中存在一定的安全隱患，使得PLC在維修的時候需要一定的專業(yè)防護。

為了實現(xiàn)簡單化，本系統(tǒng)使用OOK技術(shù)（on-off-keying,二進制啟閉監(jiān)控技術(shù)）。同時，本系統(tǒng)中由接口電路來實現(xiàn)PIC單片機和電網(wǎng)之間的電氣隔離和阻抗適配。這就意味著該系統(tǒng)將使用大量的現(xiàn)成組件，從而節(jié)約了設(shè)計成本。通過分析和實驗，證實了本系統(tǒng)可以實現(xiàn)有效的信號傳輸。

2 PLC系統(tǒng)

眾所周知，電力線并不是數(shù)字信號良好的傳輸媒介，這是因為傳輸信道中的雜散信號會作為噪聲脈沖傳輸給接收端。所以，必須通過加強傳輸信號來克服傳輸通道中的干擾。這就使得基波傳輸變得不可行，而數(shù)字調(diào)制技術(shù)則可以實現(xiàn)信號的安全傳輸。

如圖1所示，基本的PLC發(fā)射端、接收端電路各分為5部分。在發(fā)射端的結(jié)構(gòu)框圖中，有數(shù)據(jù)采集端、串/并行轉(zhuǎn)換器、載波頻率振動器、數(shù)字調(diào)制模塊和接口電路。發(fā)射端的作用是將采集到的信號經(jīng)過調(diào)制電路調(diào)制后，傳送到電力線的網(wǎng)絡(luò)上。OOK模塊是一種簡易的調(diào)制模塊，它采用的是ASK技術(shù)（Amplitude-shift modulation，稱作幅移鍵控技術(shù)，它是通過改變載波信號幅值的大小來表示數(shù)字信號的技術(shù)）。接口電路用于隔離220 V的日常照明用電和低壓用電設(shè)備。同樣，PLC的接收端通過接口電路將其與電網(wǎng)連接起來。前級放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)信號在電力線中傳輸?shù)膿p失補償。放大后的信號經(jīng)過解調(diào)模塊恢復(fù)為原始數(shù)據(jù)傳輸給接收端。

3 基于PIC的電力線載波系統(tǒng)

該電力線載波系統(tǒng)將通過PIC單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的生成和同步。輸入PLC發(fā)射端的數(shù)據(jù)是由PC產(chǎn)生的并行數(shù)據(jù)。PIC單片機能夠讀取并行數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)。這樣就保證了PIC單片機能夠通過延遲消除數(shù)據(jù)傳輸過程中開關(guān)電路所造的尖峰噪聲。

PLC的發(fā)射端 如圖2所示，PLC的發(fā)射端由以下幾部分組成：PIC單片機，實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的同步，并作為數(shù)據(jù)源；OOK調(diào)制模塊，將傳輸信號轉(zhuǎn)換成隨幅值變化的電信號；電平轉(zhuǎn)換器，主要作用是實現(xiàn)PIC單片機與OOK調(diào)制模塊間的電平轉(zhuǎn)換；功率放大電路，減少信號在傳輸過程中的損失；接口電路，隔離電壓為220 V，頻率為50 Hz的高電壓和低電壓。

接口電路由LC諧波電路組成，可用于發(fā)射端和接收端，如圖3所示。接口電路的Tx端口連接到發(fā)射端，Rx端口連接到接收端。調(diào)制信號經(jīng)過接口電路傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。根據(jù)工作經(jīng)驗選擇相應(yīng)的參數(shù)來減少信道中的干擾，從而獲得最佳的輸出效果。因為所選擇的載波頻率必須是持續(xù)的、穩(wěn)定的，而且載波頻率應(yīng)該比信號的傳輸頻率高，所以選用LM566組成的電壓控制振蕩器來生成頻率為140 KHz的矩形波。該頻率遠大于傳輸數(shù)據(jù)的頻率，之所以選擇矩形波，是因為它具有更強的抗干擾能力。

調(diào)制信號經(jīng)過功率放大電路，提高所需的電流電平來驅(qū)動接口電路。這里，功率放大電路由功率C3039晶體管組成。正是由于該晶體管能適應(yīng)高電壓、高頻率的工作環(huán)境，所以廣泛應(yīng)用于感應(yīng)電路。PLC的集成電路將工頻電路和低壓電路分離開來，同時接口電路也可以用來抑制開關(guān)所產(chǎn)生的高電壓尖峰。

PLC的接收端 在PLC的接收端接收到的信號被前級的放大電路放大。這個放大信號經(jīng)過OOK解調(diào)模塊還原出原始的數(shù)據(jù)，接收端被還原的數(shù)據(jù)傳遞到微控制器中，然后將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。這個接收端接口電路與發(fā)射端的接口電路具有同樣的功能，隔離工頻高壓電。如圖4所示，OOK調(diào)制解調(diào)模塊電路的設(shè)計采用基本的邏輯門電路進行電平轉(zhuǎn)換，該電路可以連接TTL和CMOS。由集成運放組成的比較器可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。該電平轉(zhuǎn)換電路可以將電壓的幅值增加到8 V，而低電壓的幅值小于2 V。OOK中的載波信號來自于LM566組成的電壓控制電路。

圖4 PLC接收端

4 流程圖

PIC單片機通過編程將端口中輸入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)。PIC經(jīng)過RS232傳輸引腳將串行數(shù)據(jù)輸出。PIC的流程圖如圖5所示，可以看出，微控制器通過延遲來控制信號，從而減少信道中由于開關(guān)所產(chǎn)生的尖峰脈沖。

圖5 PIC的流程圖

通過對接口電路漏電工頻的測量來實現(xiàn)對其的檢測。實驗結(jié)果表明，最大的漏電信號幅值為36 mV，這并不會給發(fā)射端和接收端信號傳輸造成太大的影響。通過3種不同類型的信號（正弦波、三角波、矩形波）來檢測接口電路，用得到的數(shù)據(jù)評估電路的衰減性能、失真和噪聲。在3個點（發(fā)射端、電力線、接收端）對發(fā)出信號的傳輸過程進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正弦信號有很強的衰減，所以矩形波被用作載波信號。

5 結(jié)束語

本文試圖設(shè)計一個簡單、可靠的PLC系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以達到穩(wěn)定、可靠和精確的要求。通過不斷地分析和總結(jié)可以看出，這個基于PIC單片機的電力線載波系統(tǒng)具有較小的噪聲和失真。同時，該系統(tǒng)由現(xiàn)成的組件組成，減少了設(shè)計成本，有利于其實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。另外，它可以應(yīng)用在低速率的數(shù)據(jù)傳輸上，比如遠程抄表系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。

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