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电力线通信测试系统设计与实现
电力线通信测试系统设计与实现
——基于FSK调制解调方式
摘要
电力线载波通信是利用现有的电力线网络进行信息传输的一种通信方式，利用电力线载波通信可以大大地减少线路投资和对线路的维护成本。
利用电力线来实现数据通信对电力自动化及公用通信等具有重要的实际意义。
随着电力载波技术的不断发展，电力线载波通信的优势越加明显。
由于电力线载波信道的传输特性具有时变性、衰减较大、各种干扰噪声复杂等特点，所以为了在干扰严重的电力线上实现可靠的数据通信，必须慎重选择合适的调制解调方式、采用的通信协议以及性能良好的外围接口电路。
本文根据电力线信道的大量实测数据，在实验室搭建了电力线通信的模拟测试系统。
本文设计了基于微处理器LPC2214和FSK载波芯片的电力线通信测试系统。
在不同传输衰减和噪声的情况下，对发送和接收系统滤波、放大、解调等电路的性能进行了充分的测试，并提出了电路的改进意见。
中压电力线通信的现场测试表明，该系统能较为充分全面的模拟现场的实际情况，能够为通信系统的设计和改进提供有力的指导。
关键词：
电力线通信；LPC2214；FSK；
DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFPOWERLINECOMMUNICATIONTESTSYSTEM
BASEDONFSKMODULATIONANDDEMODULATION
Abstract
PowerLineCommunicationisawaytocommunicateintheuseoftheexistingelectricpowernetworktotransmitinformation.Powerlinecarriercommunicationcangreatlyreducetheinvestmentandmaintenancecostsontheline.Andusingpowerlinetorealizedatatransmissionhasitsactualmeaninginpowerautomationandpubliccommunication.Withthedevelopmentofthepowerlinecarriercommunication，theadvantageofitismoreobvious。
Asthepowerlinecarrierchannelwithtime-varyingtransmissioncharacteristics,greatattenuationandvarietyofinterferencecharacteristics,soinordertoachievereliabledatacommunicationonpowerline,wemustcarefullyselecttheappropriatemodulationanddemodulationmethod,thecommunicationprotocolandfindtheperipheralinterfacecircuitwithgoodperformance.Basedonthelargenumberofexperimentaldataofthepowerlinechannel，thispaperbuildsapowerlinecommunicationsimulationtestsystem.
ThisthesisdesignedthepowerlinetestsystemonthebasisofmicrocontrollerLPC2214andcarrierchipusingFSKmodulationanddidenoughtestingaboutsendingandreceivingsystemfiltering,amplification,demodulationandothercircuitperformancewithdifferentattenuationandnoiseduringtransmission,andmadesomeimprovementsoncircuit.Thefieldtestofmediumvoltagepowerlinecommunicationshowsthatthesystemcanfullysimulatetheactualsituationandprovidestrongguidanceforthedesignofcommunicationsystem.
Keywords:
PowerLineCommunication;LPC2214;FSK
1绪论
1.1课题背景
电力线载波（PowerLineCarrier，PLC）通信是利用现有的电力线网络作为信息传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的一种特殊通信方式。
最大特点是不需要重新架设通信网络，其充分利用了原有的遍布全国各地的电力线，所以大大节约了人力和物力资源，是一种高效节约的数据通信方式。
电力线载波通信以微电子技术为基础，有机地结合了计算机网络和载波技术。
系统涉及软硬件可靠性、数据流安排、噪声处理、抗干扰、容错技术、通信质量等诸多方面[1]。
但由于电力线信道具有高噪声、高衰减、信号畸变大的特点，而且在不同的建筑物内，不同的应用场合，不同时间段，电力线通信的性能差别很大。
即使在同一地点，每天在不同的时段，通信效果都不一样。
因此要可靠地实现电力线载波通信，必须对电力线的通信特性进行充分有效的研究[2][3]。
本课题设计的电力线通信测试系统通过对电力线通信的噪声、衰减特性的研究，研究电力线通信特性，同时选择与其相匹配的外围模拟电路，以提高电力线载波通信的质量，实现高速的PLC通信。
1.2电力线载波通信技术
1.2.1电力线载波通信技术发展
由于电力线载波通信可以利用遍布各地的电力线作为通信传输媒介，具有研发成本低、维护方便、可以大大减少通信成本的优点，所以近些年来发展迅速。
并随着国内外调制解调技术的不断完善和载波芯片的不断更新发展，电力线载波技术在各方面有着越来越广泛的应用。
电力线载波通信的应用已经从原来单纯的电力调度逐步扩展到更高层次的小水电控制、配电自动化、楼宇自动化、图像传输、系统监控、远方抄表、继电保护、数据采集等方面。
电力线通信的电压应用等级也从原来单一的高电压逐步扩展到中压和低压。
随着10KV通信线路需求的不断增长，我国已经出现了多种载波通信设备。
目前在国内正在使用的10KV电力线数据通信设备中，使用最广泛的还是窄带调制设备。
为了更好的了解中压载波的线路通道状况和其信号可能对高压载波信号产生的干扰，近年来，国内专家们开展了对10kV电力线的信道噪声和衰减传输模型的研究工作，但现阶段还仍处于研究阶段，暂时还没有得到实用性的成果。
中压电力线载波通信技术，指应用于10kV电压等级的电力线载波通信技术。
由于其通信信道具有高噪声、阻抗衰减复杂等特点，其载波线路通信状况比较差，主要传输配电网自动化信息和大用户抄表信息[4][5]。
1.2.2窄带调制解调技术
1）FSK频移键控
FSK（Frequency-shiftkeying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：
实现起来比较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。
在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
FSK频移键控通过2个不同的载波代表二进制数据中的2种状态，来完成数据的调制，它属于非线性调制。
同时，在FSK调制中，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的，所以它也是一种恒包络调制。
它可以使用功率较高的C类放大器，而不会使发送信号占用的频谱增大，另外，FSK调制带外辐射低，接收设计比较简单。
不过其占用带宽比线性调制大[6]。
2）PSK相移键控
PSK相移键控也是一种线性调制技术，是通过将载波的相位按基带脉冲来改变的一种数字调制方式，在信号调制中也存在着边瓣再生的问题，特别是在发生相位突变时，由于包络不恒定，信号在通过带限信道后频谱可能会发生扩散。
3）ASK幅移键控
ASK幅移键控调制技术是数字调制中出现最早的，也是最简单的，传输信号的幅度随调制数字信号的变化而变化，属于线性调制技术。
这种调制方案有较好的频谱效率，但在抗噪声的能力上不是很好，而且在传输中必须使用效率较低的RF放大器，在用功率效率高的非线性放大器会导致严重的相邻信道干扰[7][8]。
1.3电力线载波通信调制解调芯片
载波芯片选用的是某款半双工同步、异步FSK（频移键控）调制解调器，是为电力线载波通讯设计的专用调制解调芯片。
它专为电力线路通信网络应用，有一个单一的供电电压，集成了一个线性驱动器和两个5V和3.3V的线性稳压器。
设备的运行是由可以通过同步串行接口编程的内部寄存器控制的。
额外的功能有：
作为看门狗、时钟输出，输出电压和电流控制，序言检测，超时和波特率控制。
在通信中具有8个可编程发送频率，即：
60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz，可编程波特速率最高为4800bit/s，同时具有UART/SPI主接口，内部集成了线路驱动器和5V、3.3V两个线性调整器，电流高达50mA，数字电压为3.3V和5.0V，具有非常低的功耗，静态电流5mA。
在控制方面，载波芯片工作通过内部寄存器控制和同步串行接口来编程[9]。
1.4本文主要研究内容
本文基于电力线载波通信的基本原理，以ARM7为微处理器，利用载波芯片组建了电力线载波通信的发送和接收模块，构建了一个电力线通信的测试系统。
通过该测试系统，可以模拟电力线通信，并研究电力线通信的特点以及外围接口电路的传输性能。
并研究了电力线接口电路，对电力线通信中相关的特性进行了相关测试。
并通过模拟电力线通信，对电力线接口电路中的外围电路，如放大、滤波等模拟模块进行了相关的测试和分析。
在前人工作的基础上，对电力线通信特性有了一定的了解。
作者基于电力线载波通信的基本原理主要进行了如下几个方面的工作：
1）通信测试板的系统硬件设计
根据电力线通信的通信特性来选择微处理器、载波芯片以及合适的外围硬件电路。
2）通信测试板的系统软件设计
通过编程，实现独立的发送板和接收板，从而实现一个电力线通信测试系统。
3）系统测试
研究如何通过选择良好的外围模拟电路来改善通信质量，研究电力线通信的通信特性。
2硬件系统设计
2.1系统总体设计
基于电力线载波通信的电力线通信测试系统的系统结构框图如图2-1所示。
通信总体上可以分为两个过程，一个是发送过程，一个是接收过程。
载波通信通过发送端发送调制信号经由通信信道传至接收端解调出信号完成一次通信。
为了实现对电力线通信的测试，必须构建一个完整的通信系统。
根据电力线通信的基本原理，设计出了电力线通信测试系统的整体的系统结构，如图2-1所示。
电力线载波通信模块包括以下几部分：
微控制器部分、信号处理部分（调制解调）、电力线接口部分[10]。
系统结构框图如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
整个系统可以分为两个大模块，一个是发送模块，一个是接收模块。
1）发送模块：
通信设备（如PC机）通过UART串口将数据传送给微控制器，微控制器通过SPI通信将数据发送给电力线载波芯片，电力线载波芯片对信号进行调制，然后调制信号通过外围的接口电路耦合到电力线上进行传输。
2）接收模块：
电力线上传输的信号经过外围的电力线接口电路传递给电力线载波芯片，电力线通信芯片对信号进行解调，将模拟信号还原为数字信号，载波芯片通过SPI通信将数据传送给微控制器，微控制器对数据进行相应的处理后通过UART串口返回给通信设备（如PC机）有用的信息。
2.2主要器件
2.2.1微控制器
微控制器是整个通信过程的核心控制设备，它负责整个系统中任务的协调与调度，是决定通信速率和质量的重要因素。
根据电力线载波通信的通信过程，综合考虑各种微控制器的成本和基本运算能力，我们选择了广州周立功公司生产的ARM7系列的微控制器LPC2214，LPC2214微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有128/256K字节嵌入式的Flash存储器。
128位宽度的存储器接口和独特的加速机构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，具有高性能和低功耗的特性。
ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。
指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。
由于使用了流水线技术，处理和存储器系统的所有部分都可以连续工作。
通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出，所以大大提高了运算速度。
足以满足我们对运算能力的需求[11]。
2.2.2电力线载波芯片
在电力线通信中，载波芯片通过对信号进行调制和解调，实现信号在电力线上的传输，从而实现发送端和接收端的通信。
为了实现高效的电力线载波通信，必须根据电力线通信网络自身特点来合理的选择合适的调制解调方式，进而选择优质高效的调制解调芯片[12]。
我国可使用的电力线载波modem芯片及模块可分调频和多频或者分为宽带调制和窄带调制，我们选择了基于窄带载波FSK通信方式的载波芯片[13]。
1）载波芯片简述
载波芯片选用的是一款半双工同步/异步FSK调制解调器芯片。
它专为低压电力线通信网络传输而设计，很好地克服了低压电力线载波传输中存在的信号衰减大、时变性大、噪声影响等诸多不利因素。
它由单一供电电压供电（7.5~12.5V），内部集成了一个线性驱动器和两个5V和3.3V的线性稳压器。
设备的运行可以通过串行通信接口对内部寄存器进行编程控制。
其工作方式是半双工的，具有两种工作模式：
发送模式和接收模式。
它内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过SPI串口与微控制器进行方便的通信。
它又是同步的，在与微控制器进行通信时，载波芯片作为主机，微控制器作为从机，载波信号内部产生同步时钟信号，控制数据的发送和接收。
因此，在使用中编程简单、比较小型、开发运用起来比较简单方便。
另外，载波芯片内部具有电压自动控制和电流自动控制功能，只要通过耦合变压器等很少的部件就可以直接将输出信号加载到电力线上，所以实现起来比较容易。
2）载波芯片内部结构
该芯片是一款集成度很高的电力线载波芯片，是单芯片MODEM，采用尺寸很小的28引脚封装。
其引脚封装如图2-2所示。
图2-2载波芯片引脚封装图
主控制器通过串口与载波芯片进行通信，由主控制器通过对载波芯片的控制寄存器进行读写操作来控制载波芯片对信号的调制和解调。
其主要控制引脚有RxD、TxD、RxTx和REG_DATA，由主控制器控制这几个引脚的电平值，从而控制载波芯片的工作模式（发送模式和接收模式），以及主控制器和载波芯片的通信模式，和载波芯片的总线访问模式（异步和同步）。
2.3硬件电路设计
根据通信测试版的系统工作原理，通信测试板分为两个独立的电路板，一个是发送板，负责接收PC机的数据，并将数据经过载波芯片调制后，将调制信号经过自行设计的衰减系统并加上噪声再发送至接收板的载波接收端；一个是接收板，负责接收电力线传来的数据，经过载波芯片解调后再传给PC机。
发送板和接收板的系统都是由三个模块构成的，分别是：
ARM7主控制器单元、调制解调单元和外围模拟电路单元。
2.3.1ARM7主控制器单元
微控制器单元选用了LPC2214作为主控制器，用来控制电力线载波数据的发送和接收，是整个通信系统的控制核心。
LPC2214作为主控制器，要从PC机接收要发送的数据，根据系统要实现的功能，该模块主要用到的器件主要有LPC2214、CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件、复位芯片CAT1025、JTAG下载口、电源芯片、串行接口等。
1）电源模块
硬件中需要供电的芯片主要有LPC2214、载波芯片、运算放大器OP37、OPA548，供电电压分别为3.3V、正负12V、正负24V等。
图2-3电源模块原理图
2）CPLD模块
CPLD是一种很灵活的数字集成电路，能够根据用户需求自行构建各种各样的逻辑功能。
具有运用灵活、集成度高、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低等特点，很适合用在系统控制中，便于系统扩展和控制。
为了便于LPC2214对整个系统发送和接收的控制，我们在主控制器模块增加了一个CPLD（复杂可编程逻辑器件）。
CPLD中可以根据系统需要写入不同的逻辑模块来实现LPC2214对电力线载波芯片的编程和控制，是连接LPC2214和载波芯片的纽带。
同时也可以控制拨码开关、LED指示灯等外围器件。
CPLD与LPC2214和载波芯片的连接框图如图2-4所示。
图2-4CPLD与LPC2214和载波芯片的连接框图
2.3.2调制解调单元
调制解调单元主要由电力线载波芯片组成，在发送板中，负责接收微处理器LPC2214通过串行接口传来的数据，并将数据进行调制，通过电力线接口耦合到电力线上进行传输；在接收板，负责从电力线上采集数据并进行解调，并将有用信息通过串行接口传回给微处理器[12][13]。
调制解调模块主要原理图如图2-5所示。
图2-5调制解调模块原理图
载波芯片通过一个串行接口与微控制器交换数据。
控制数据交换和传输的引脚主要有REG_DATA、RxTx、RxD、TxD和CLR/T等。
其中REG_DATA和RxTx线控制数据传输，RxD，TxD和CLR/T线控制数据交换。
调制解调模块有四种工作模式，分别为：
数据接收、数据发送、控制寄存器读、控制寄存器写。
表2-1描述了载波芯片数据和控制寄存器的存取配置信息
表2-1载波芯片数据和控制寄存器存取位配置
REG_DATA
RxTx
数据接收
0
0
数据发送
0
1
控制寄存器读
1
1
控制寄存器写
1
0
2.3.3外围模拟电路单元
在电力线载波通信中，其本身线路上具有衰减性、时变性、噪声干扰复杂等特点。
对于电力线上的噪声特性，阻抗变化及信号衰减情况等都很难找到一个较为明确的数学解析式或数学模型来加以描述，这些特性对通信系统的设计都提出了较高的要求，也是严重影响通信质量的重要技术障碍。
所以为了提高电力线载波通信的质量，必须在系统中加入合理的电力线接口电路，能够滤除信号中夹杂的噪声和伪信号，对信号进行提纯，降低信号在传输中的误码率，并提高信号的传输效率，并将信号完整的耦合到电力线上去。
为了实现高效的电力线载波通信，在选用性能良好的载波调制解调模块的前提下，必须选用相匹配的电力线接口电路。
其外围模拟电路结构框图如图2-6所示。
图2-6外围模拟电路结构框图
发送板：
信号从调制解调模块载波芯片的Tx端输出后，为了提高信号的幅度和发送功率，使信号在电力线上有较强的传输能力，我们加入了一个电压放大模块和一个功率放大模块。
接收板：
由于在信号传输中难免会夹杂各种噪声，从电力线上传来的信号经过耦合电路后经过一个滤波电路和信号放大电路，然后进入调制解调模块中载波芯片的Rx引脚。
由于该系统是一个电力线通信测试系统，除了研究电力线通信本身的特点以外，还要研究外围的模拟电路对通信效果的影响。
为了更好的对外围的模拟电路如放大、滤波等模拟模块进行更好的检测和研究，我们把每个模拟电路模块都规划成一个独立的模拟模块，可以通过排针嵌入到通信测试板的主板中，这样就可以方便的更换不同的模拟电路，并对通信效果进行测试和比较。
1）电压放大电路
信号在电力线上的传输过程中，由于电力线本身的衰减特性，传输的信号在传输过程中，必然会有一定的衰减，而载波芯片的载波接收端的接收灵敏度是一定的，为了中和信号在传输过程中的衰减，提高载波接收端的信号幅度，需在信号的发送端增加一个放大模块，通过放大信号的电压，来提高信号传输的能力。
同时在信号接收端，为了提高调制解调模块中接收到的信号的幅度，也需增加一个放大电路模块，以促进信号的正确接收[14]。
运算放大器是一种通用电子器件，是一种有源放大器，应用比较广泛，在使用运放中主要考虑的参数有：
放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、信噪比、非线性失真系数、最大不失真输出电压、最大输出功率与效率、增益带宽积和转换速率等。
该放大电路选用了基于集成运放OP-37的反向比例放大电路，OP-37采用双电源12V供电。
图2-7为电压放大电路电路图。
图2-7电压放大电路
将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来，放大器就处在负反馈组态下，假设其开环增益为无限大，所以运算放大器的输入端为虚接地，根据运算放大器的反向比例放大原理，计算该放大电路的放大倍数即增益A如下。
（2-1）
其中
（2-2）
（2-3）
2）功率放大电路
功率放大器是在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。
在发射装备中，发射机的前级的发射信号功率比较小，需要经过一系列的功率放大器，获得足够的发送功率，发送到电力线上，从而在保持信号不失真的前提下完成更远距离的传送。
选择功率放大器的时候要考虑到的主要技术指标有信噪比等。
信噪比是指输出信号中有用信号和噪声信号的比值，比值越大表明噪声在信号中占用的分量越少，即信号越干净。
放大系统结构框图如图2-8所示。
图2-8放大系统结构框图
由于通信中具有8个可编程发送频率，即：
60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz，所以通信中的频率在60—132kHz，所以需要一个高频功率放大器。
高频放大器用于发射级的末级，将高频已调制信号进行功率放大，以满足发送功率的要求。
图2-9功率放大器原理图
图2-9为功率放大器原理图，虽然载波芯片已经自带了一个功率放大电路，但是为了更好的提高信号的发送功率，在硬件设计中还是增加了一个功率放大模块。
该功率放大电路选用了集成芯片OPA548。
OPA548是一种低成本、高电压大电流运算放大器，能够驱动各式各样的负载，并输出高电流和高电压。
在电路设计中，功率放大器的放大倍数是可以控制的，可以通过跳线帽短接不同的位置来选择不同的放大倍数，以更方便的测试功率放大效果。
由于在功率放大电路中，在放大电路工作时，晶体管常常工作在极限应用状态，因此必须要考虑必要的散热措施和过电流、过电压保护措施。
所以在硬件设计中加入了一个引脚来控制功率放大器是否工作。
OPA548有一个E/S（使能/状态）引脚，这个引脚的输入能有效的关闭输出以有效的断开负载，同时也可以减少静止电流以节约用电。
同时，E/S引脚可以监控并控制是否热关机。
在硬件设计中，这个引脚为CtlT2，由主控制器ARM在编程中控制其电平高低，在信号发送时，CtlT2为低电平，使能OPA548，开启功率放大电路，没有信号发送时，CtlT2为高电平，关闭OPA548，关闭功率放大器，以减少产生的热量，减少功率消耗，以防功率放大器过热以致烧坏，同时，还可以节约能量，减少不必要的电能消耗，从而提高工作效率。
3）滤波电路
在电力线通信中，在信号的接收端，接收板从电力线上接收到的信号中会夹杂着来自电网中的各种噪声和二次谐波等。
为了滤除来自电力线上的噪声，净化接收数据，需将信号经过滤波后再经过放大电路，然后再加载到载波芯片的输入端，经过滤波、放大后的信号再经过调制解调模块解调
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