金鑫　陳存廣　王帥宇　李志剛

摘 要： 在電力線載波通信的基礎(chǔ)上提出了家用安防系統(tǒng)的遠(yuǎn)程接收控制端的設(shè)計(jì)方案，該方案中單片機(jī)通過串行口與載波模塊通信完成接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)，并對(duì)家用安防設(shè)備進(jìn)行通信和智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理的目的。

關(guān)鍵詞： 電力線載波； 家用安防系統(tǒng)； 智能控制； 信號(hào)耦合

中圖分類號(hào)： TN913.6?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）09?0100?03

0 引 言

步入21世紀(jì)，隨著網(wǎng)絡(luò)、信息、自動(dòng)控制技術(shù)和微電子在家用安防系統(tǒng)的應(yīng)用，各類家用安防系統(tǒng)對(duì)智能化的要求也呈現(xiàn)出多樣性，包括安裝方便、通信可靠、智能的信息處理終端設(shè)備、自動(dòng)化和智能化，家庭網(wǎng)絡(luò)智能化勢(shì)在必行[1]。

電力線載波通信技術(shù)，是指借助于現(xiàn)有電力線，傳輸數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)（圖像信號(hào)和話音）的一種高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)。只要是電力網(wǎng)達(dá)到的地方，就可以利用電力線載波技術(shù)將低壓控制信號(hào)加載到電力線上進(jìn)行傳輸，復(fù)用現(xiàn)有電力線廣泛的網(wǎng)絡(luò)資源[2?3]。由于它具有廣泛覆蓋、不用二次布線、功能強(qiáng)大、節(jié)省費(fèi)用、使用方便、易于擴(kuò)展和安裝等顯著特點(diǎn)，利用220 V低壓電力線進(jìn)行通信的價(jià)值越來越為人們所重視。本文依靠電力線載波通信技術(shù)，開發(fā)一款以單片機(jī)為控制芯片的家用安防設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案與工作原理

系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，主要由控制部分、單片機(jī)和接收載波模塊三部分組成?？刂撇糠值墓ぷ魇怯蓡纹瑱C(jī)控制，通過單片機(jī)UART口與接收載波模塊部分進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

載波模塊接收到來自遠(yuǎn)程控制端信號(hào)后，把信息傳給單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到控制信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而達(dá)到對(duì)不同家用安防設(shè)備通信和控制的目的，同時(shí)單片機(jī)還可以把家用安防設(shè)備的狀態(tài)反饋給遠(yuǎn)端控制者?？刂撇糠滞瓿蓪?duì)不同家用安防設(shè)備和智能家具接口的通信和控制功能。本文主要完成的是載波通信部分的設(shè)計(jì)。

2 載波接收模塊設(shè)計(jì)

載波通信模塊能否進(jìn)行準(zhǔn)確工作的關(guān)鍵是調(diào)制解調(diào)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)的載波通信模塊使用的是擴(kuò)頻通信技術(shù)[4]（SSC），擴(kuò)頻通信芯片采用PLCi36C，采用全雙工模式，信號(hào)耦合電路分為信號(hào)發(fā)送部分和信號(hào)接收部分，其工作原理圖如圖2所示。

圖2 載波通信工作原理框圖

2.1 信號(hào)耦合電路

載波通信的中心頻率為270 kHz，根據(jù)此要求設(shè)計(jì)信號(hào)耦合電路 [5]，如圖3所示。

信號(hào)耦合電路的設(shè)計(jì)是載波通信的重要部分，它是客戶端數(shù)據(jù)在電力線（Powerline）傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。該部分電路的主要功能為：瞬時(shí)電壓脈沖抑制（例如：電網(wǎng)自身產(chǎn)生的浪涌和尖峰電壓、雷擊對(duì)電網(wǎng)造成的過壓、及空間靜電放電引起的尖峰電壓等）；濾除220 V AC/50 Hz（或110 V AC/60 Hz）交流信號(hào)；快速將發(fā)射信號(hào)加載到電力線，并提供發(fā)射功率，使輸出信號(hào)的電平和諧波電平均滿足相關(guān)技術(shù)要求；最小衰減有用信號(hào)，并保證最佳接收；良好的帶通濾波功能，最大限度地抑制電力線上的噪聲干擾。

2.2 發(fā)射部分電路組成

發(fā)射部分電路的主要功能是高效輸出功率信號(hào)，并在電力線上加載調(diào)頻信號(hào)。其電路主要由以下幾部分組成：諧振功率放大器、擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)輸入和信號(hào)耦合電路。電路原理圖如圖4所示。

圖3 載波信號(hào)耦合電路

圖4 載波信號(hào)發(fā)送電路

首先由載波芯片（ES16U）的13腳發(fā)出初步處理后的信號(hào)，此時(shí)載波信號(hào)已經(jīng)被調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，其中心頻率為270 kΩ。然后，經(jīng)過電阻[（R10）]限流后，送入三極管[（T1）]進(jìn)行放大，此時(shí)信號(hào)被調(diào)制成正弦交流信號(hào)。為了防止引起干擾，設(shè)計(jì)阻抗無窮大的并聯(lián)諧振電路把信號(hào)端與電源端進(jìn)行隔離，由電感[（L4）]和電容[（C16）]組成。同時(shí)，電感[（L4）]又給三極管[（T1）]提供必要的工作電流，保證三極管[（T1）]的穩(wěn)定工作。 最后，放大后的調(diào)制信號(hào)經(jīng)電容[（C15）]后進(jìn)入中周的4腳，由中周進(jìn)行阻抗變換和耦合，并將將調(diào)制好的270 kHz信號(hào)加載到電力線。

2.3 接收電路組成

信號(hào)接收電路的主要功能是把接收到的電力線載波擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)成模擬信號(hào)，信號(hào)接收電路由三部分組成：信號(hào)耦合電路、帶通濾波器BPF和模擬前端AFE。信號(hào)接收電路原理圖如圖5所示。

首先，中周的次級(jí)輸出載波信號(hào)，經(jīng)過限流電阻[（R6）]進(jìn)入選頻網(wǎng)絡(luò)。電感[（L1）]和電容[（C9）]組成串聯(lián)諧振電路，電感[（L2）]和電容[（C10）]組成并聯(lián)諧振電路，兩個(gè)諧振電路組成選頻網(wǎng)絡(luò)，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行選頻。為了防止電壓過高，加入限幅電路（VD7，VD8），確保信號(hào)的電壓為2 V左右。信號(hào)經(jīng)過選頻后，進(jìn)入模擬前端信號(hào)處理電路，該部分電路核心器件為混頻器（AFE3361），其內(nèi)部集成限幅電路，放大電路，混頻電路及信號(hào)整形電路?；祛l器（AFE3361）的16腳為載波信號(hào)輸入腳，1腳為本振信號(hào)輸入。載波芯片送出185 kHz的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過由電感[（L3）]和電容[（C14）]組成的并聯(lián)諧振電路，調(diào)制成185 kHz的正弦波本振信號(hào)，輸入到混頻器（AFE3361）的1腳。本振信號(hào)與載波信號(hào)進(jìn)行混頻，被調(diào)制成455 kHz混頻信號(hào)。455 kHz混頻信號(hào)由陶瓷濾波器[（Z1）]濾波后，由混頻器（AFE3361）的5腳，二次放大后，由混頻器（AFE3361）的9腳輸出，然后經(jīng)濾波后與混頻器（AFE3361）的10腳送入電壓比較器，由混頻器（AFE3361）的11腳為比較器的輸出端。最后，由（AFE3361）的13腳輸出處理后的信號(hào)，送入載波芯片（ES16U），其他工作由載波芯片在內(nèi)部進(jìn)行處理，完成信號(hào)接收任務(wù)。

2.4 PLCi36C擴(kuò)頻通信芯片概述

擴(kuò)頻通信也是一種信號(hào)與信息的傳輸方式，其實(shí)質(zhì)是擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技術(shù)特征是信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。擴(kuò)頻通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非常明顯：抗多徑干擾；誤碼率低；功率譜密度低，具有隱蔽性和截獲概率低；保密性強(qiáng)；易于實(shí)現(xiàn)單碼分多址。

在電力線載波通信中，常采用PLCi36C作為擴(kuò)頻芯片，用于電子終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。PLCi36C的數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議符合高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）通信協(xié)議，應(yīng)用層通信協(xié)議完全兼容DL/T645?1997規(guī)范要求，在保證DL/T645?1997協(xié)議完整性的前提下，增加了DL/T645?1997對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的支持[7]。

3 控制部分設(shè)計(jì)

3.1 電路組成分析

控制部分電路是面對(duì)應(yīng)用對(duì)像設(shè)計(jì)的，它的核心是微處理器，大多采用單片機(jī)，當(dāng)微處理器接收到來自電力線傳來的信號(hào)后，根據(jù)協(xié)議完成相應(yīng)的操作[8]。由于不是本論文的重點(diǎn)內(nèi)容，控制過程這里不再詳細(xì)敘述。控制部分電路如圖6所示。

圖6 控制部分電路

3.2 系統(tǒng)軟件部分

軟件采用C語言編寫，主程序流程圖和中斷服務(wù)程序如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文利用低壓電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，具有布線方便、成本低、通信穩(wěn)定、測(cè)點(diǎn)位置隨時(shí)變換等諸多優(yōu)點(diǎn)。本方案除了可以應(yīng)用于家用安防系統(tǒng)之外，還可用于智能家具控制場(chǎng)合、蔬菜種植基地大棚、工業(yè)智能控制、醫(yī)院護(hù)理等很多場(chǎng)合。隨著載波通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它必將為人們生活環(huán)境的改善帶來一場(chǎng)新的革命。

圖7 主程序和中斷服務(wù)程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1] 吳明光，婁嘉駿.基于低壓電力線載波技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，15（5）：77?82.

[2] 趙偉.電力線載波通信系統(tǒng)指南[M].昆明：云南科技出版社，1983.

[3] 陳維千.電力線載波通信[M].北京：水利電力出版社，1989.

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[5] 朱長銀.基于低壓電力線擴(kuò)頻載波抄表技術(shù)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[6] 王贊基，郭靜波.電力線擴(kuò)頻載波通信技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24（21）：65?67.

[7] 青島東軟電腦技術(shù)有限公司.芯片手冊(cè)PLCi36C[M].青島：青島東軟電腦技術(shù)有限公司，2005.

[8] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[9] 徐愛鈞.單片機(jī)高級(jí)語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[10] 何世彪，譚曉衡.擴(kuò)頻技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

2.4 PLCi36C擴(kuò)頻通信芯片概述

擴(kuò)頻通信也是一種信號(hào)與信息的傳輸方式，其實(shí)質(zhì)是擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技術(shù)特征是信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。擴(kuò)頻通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非常明顯：抗多徑干擾；誤碼率低；功率譜密度低，具有隱蔽性和截獲概率低；保密性強(qiáng)；易于實(shí)現(xiàn)單碼分多址。

在電力線載波通信中，常采用PLCi36C作為擴(kuò)頻芯片，用于電子終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。PLCi36C的數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議符合高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）通信協(xié)議，應(yīng)用層通信協(xié)議完全兼容DL/T645?1997規(guī)范要求，在保證DL/T645?1997協(xié)議完整性的前提下，增加了DL/T645?1997對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的支持[7]。

3 控制部分設(shè)計(jì)

3.1 電路組成分析

控制部分電路是面對(duì)應(yīng)用對(duì)像設(shè)計(jì)的，它的核心是微處理器，大多采用單片機(jī)，當(dāng)微處理器接收到來自電力線傳來的信號(hào)后，根據(jù)協(xié)議完成相應(yīng)的操作[8]。由于不是本論文的重點(diǎn)內(nèi)容，控制過程這里不再詳細(xì)敘述?？刂撇糠蛛娐啡鐖D6所示。

圖6 控制部分電路

3.2 系統(tǒng)軟件部分

軟件采用C語言編寫，主程序流程圖和中斷服務(wù)程序如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文利用低壓電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，具有布線方便、成本低、通信穩(wěn)定、測(cè)點(diǎn)位置隨時(shí)變換等諸多優(yōu)點(diǎn)。本方案除了可以應(yīng)用于家用安防系統(tǒng)之外，還可用于智能家具控制場(chǎng)合、蔬菜種植基地大棚、工業(yè)智能控制、醫(yī)院護(hù)理等很多場(chǎng)合。隨著載波通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它必將為人們生活環(huán)境的改善帶來一場(chǎng)新的革命。

圖7 主程序和中斷服務(wù)程序流程圖

參考文獻(xiàn)

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[9] 徐愛鈞.單片機(jī)高級(jí)語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[10] 何世彪，譚曉衡.擴(kuò)頻技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

2.4 PLCi36C擴(kuò)頻通信芯片概述

擴(kuò)頻通信也是一種信號(hào)與信息的傳輸方式，其實(shí)質(zhì)是擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication） [6]，其基本技術(shù)特征是信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。擴(kuò)頻通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非常明顯：抗多徑干擾；誤碼率低；功率譜密度低，具有隱蔽性和截獲概率低；保密性強(qiáng)；易于實(shí)現(xiàn)單碼分多址。

在電力線載波通信中，常采用PLCi36C作為擴(kuò)頻芯片，用于電子終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。PLCi36C的數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議符合高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）通信協(xié)議，應(yīng)用層通信協(xié)議完全兼容DL/T645?1997規(guī)范要求，在保證DL/T645?1997協(xié)議完整性的前提下，增加了DL/T645?1997對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的支持[7]。

3 控制部分設(shè)計(jì)

3.1 電路組成分析

控制部分電路是面對(duì)應(yīng)用對(duì)像設(shè)計(jì)的，它的核心是微處理器，大多采用單片機(jī)，當(dāng)微處理器接收到來自電力線傳來的信號(hào)后，根據(jù)協(xié)議完成相應(yīng)的操作[8]。由于不是本論文的重點(diǎn)內(nèi)容，控制過程這里不再詳細(xì)敘述?？刂撇糠蛛娐啡鐖D6所示。

圖6 控制部分電路

3.2 系統(tǒng)軟件部分

軟件采用C語言編寫，主程序流程圖和中斷服務(wù)程序如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文利用低壓電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，具有布線方便、成本低、通信穩(wěn)定、測(cè)點(diǎn)位置隨時(shí)變換等諸多優(yōu)點(diǎn)。本方案除了可以應(yīng)用于家用安防系統(tǒng)之外，還可用于智能家具控制場(chǎng)合、蔬菜種植基地大棚、工業(yè)智能控制、醫(yī)院護(hù)理等很多場(chǎng)合。隨著載波通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它必將為人們生活環(huán)境的改善帶來一場(chǎng)新的革命。

圖7 主程序和中斷服務(wù)程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1] 吳明光，婁嘉駿.基于低壓電力線載波技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，15（5）：77?82.

[2] 趙偉.電力線載波通信系統(tǒng)指南[M].昆明：云南科技出版社，1983.

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[5] 朱長銀.基于低壓電力線擴(kuò)頻載波抄表技術(shù)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

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[9] 徐愛鈞.單片機(jī)高級(jí)語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[10] 何世彪，譚曉衡.擴(kuò)頻技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.