电力线载波通信系统.docx

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电力线载波通信系统

摘要

电力线载波通信是以输电线路为载波信号的传输媒介的电力系统通信。

由于输电线路具备十分牢固的支撑结构，并架设3条以上的导体（一般有三相良导体及一或两根架空地线），所以输电线输送工频电流的同时，用之传送载波信号，既经济又十分可靠。

这种综合利用早已成为世界上所有电力部门优先采用的特有通信手段。

这次的课程设计通过电力线在波芯片

设计一个电力线载波通信系统。

电力线载波通信具有广阔的应用前景但由于电力线的噪声和干扰对信道的污染很大，严重影响了低压电线载波通信的质量。

本文就电力线载波通信的优点缺点及发展现状进行了讨论，并分析了电力信道的噪声分类，特性及对我们信号的影响。

以及我们对噪声的滤波耦合等。

并且详细的介绍了电力线载波通信的具体实现形式方法和步骤最终形成一个系统达到我们的要求。

课程设计选用青岛东软的SSC1641的电力线载波芯片该芯片具有调制解条，a/d，d/a通信的功能，该芯片直接对信号数字信号处理，极大地提高了通信的可靠性。

文中包括了他的外围电路，信号放大，耦合，滤波等最终实现功能。

实现了接收电力线的含有噪声的信号，然后对这个信号滤波模数转换等处理后通过串行通信的方式发送到过单片机，单片机经过数据处理后通过LCD1602显示出来，并且也通过串行通信发送到PC机显示出来。

PC机或开关电路输入信号经过SSC1641处理后通过电力线发送。

这样一个系统阶完成了接收与发送信号，形成了一个通信系统。

关键字：

电力线载波通信系统SSC1641调制解调

1、绪论

1.1设计任务及要求

电力线载波通信系统设计基本要求：

下图一个电力线载波通信模块的结构组成，请看懂，并查阅资料了解电力线载波通信的原理和电力线载波芯片的技术资料。

根据系统结构，完成载波芯片外的其他器件选型、配套硬件电路设计（包括原理图、PCB图）、软件设计和仿真调试。

系统至少具备以下特性：

1）开关量输入和输出各5路；2）系统24V供电；

3）具有通信状态指示功能；4）有232、485或USB有线通信接口；

5）断电继续工作能力；6）其他自己发挥的功能。

1.2设计思路

此次课程设计要求基于SSC1641芯片设计一个电力线载波通信系统，能实现双向数据的收发功能，具有有线通信模块，使系统能跟PC的其他设备进行数据传输，具有现实模块，现实系统收发的数据，还具有五路数字信号输入和五路数字信号输出，并具有一定的断点继续工作能力。

基于以上功能，我们选用AT89C51作为处理器，选用LCD1602作显示屏，有线通信模块选用RS232，开关量入采用简单的开关电路控制信号的输入，开关量出采用继电器电路，并使用LM78xx作为变压系统将课题提供的24v点转为系统需要的电压，调制解调模块用课题要求的SSC1641芯片，并设计信号耦合于滤波电路对电力线上的信号耦合出来并进行滤波以滤除低频干扰信号，设计了输出放大滤波电路对调制后的模拟信号进行放大，还有过零检测电路，为信号过零点提供依据，作为相位判别。

对于单片机一对串行口需要接到两个外接对象的问题时，我们采用74LS153设计了一个硬件电路作为选择器，解决了这个问题。

整个系统基本达到了课题设计的要求，实现了所要求的各种功能。

2、系统组成和工作原理

2.1系统组成和各部分作用

1、处理器AT89C51模块：

合理配送输入输出数据，并通过软件配合实现将输入输出信号在LCD显示屏上显示出来。

2、LCD显示屏：

对输入输出处理器的数据进行显示。

3、RS232有线通信模块：

实现PC等外设对处理器输入信号。

4、信号输入相关处理电路模块：

实现五路数字信号的输入。

5、继电器及其驱动转换电路模块：

实现五路输出的数字信号来控制其他外接电路的功能。

6、串行通信对象选择电路：

此电路实现处理器一个串行口同时连接到RS232与SCC1641上，保证数据传输的通畅。

7、SSC1641模块：

对电力线上的模拟信号进行解调并传输到处理器模块，对处理器发送来的数字信号进行调制并输送到电力线上去。

8、输入信号滤波电路：

对电力线上的模拟信号进行滤波，滤除低频干扰信号。

9、信号输出放大滤波电路：

对调制后的模拟信号进行放大滤波，以便在电力线上传输。

10、过零检测电路：

这部分电路的功能是把工频交流电的过零点时刻以脉冲的方式告知载波芯片，从而为分时通信以及相位判别提供依据。

11、降压电路：

课题提供的是24v电压，而系统需要的是5v和12v电压，所以需要进行降压处理。

12、储电电路：

此模块实现系统断电继续工作能力。

2.2系统工作原理

本电力线载波通信系统由单片机、显示模块、输入输出电路、过零检测电路、载波耦合电路、信号输出放大电路、信号输入滤波电路、电力线载波通信芯片SSC1641等组成，具体电路实现详见硬件设计部分。

发送信号工作原理：

信号输入电路输入信号，每路光耦的输入端发光二级管的正极接＋5V电压，只要负极为低电平，就会使二极管导通，从而实现输入输出的光电耦合。

光耦输出端的发射极接地，集电极通过4.7KΩ的电阻接＋5V电压，同时通过模块电路接到单片机的P0.3~P0.7端。

LCD通过P2口接收数据并显示，同时使P0.1输出高电平,P0.2口拉低，控制数据选择器74LS153，让串行数据输出端TXD与SSC1641数据接收端RXD1连通，处理器将信号发送给SSC1641进行调制。

，由第7管脚输出到信号放大滤波电路，对输入的信号进行放大，并经过简单的滤波之后，配合过零检测电路检测到工频交流电过零点时刻，将信号耦合电路耦合到电力线上，满足电力传输的要求，从而实现信号发送。

信号接收工作原理：

信号耦合电路从电力线上耦合得到输入信号，输入滤波电路对信号进行滤波从而提高载波信号接收性能，滤波后的信号从第4管脚SSCIN输入后，经过低噪声放大器进行放大，放大后的信号经5管脚输出，进入C59、C53和C52构成的滤波器滤波后，由第6管脚输入，在经过两级可编程增益放大器放大后，进入模数转换器转换成

数字信号。

令P0.0口输出低电平，SSC1641串行数据输出端TXD1与单片机数据接收端RXD连通，将信号发送给单片机，通过软件控制将信号经P2口发送给LCD1602显示，同时由P1口输出信号控制继电器模块输出开关量。

RS232模块通过控制与上位机通信。

p0.0=0时，处理器接收RS232接口发送的数据当p0.1=0,p0.2=1时，处理器将信号发送给RS232接口。

电源模块为整个系统提供匹配电源，备用电源模块可以在外部供电与电池供电之间自动切换，实现断电继续工作能力。

3、系统硬件设计

3.1处理器模块

电路图如下所示：

1．AT89C51主要特性：

· 8031CPU与MCS-51兼容·全静态工作：

0Hz-24KHz

·4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

·三级程序存储器保密锁定·128*8位内部RAM

·32条可编程I/O线·两个16位定时器/计数器

· 6个中断源·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

2．管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

    P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

    P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

    P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

3.2显示器模块

电路图如下所示：

LCD1602液晶显示屏基本参数：

1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线

第1脚：

VSS为地电源

第2脚：

VDD接5V正电源

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度（建议接地，弄不好有的模块会不显示）

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚（有的用来接背光）

3.3继电器电路

电路图如下所示：

其基本功能是通过处理器输入的数字信号来控制继电器的开关选择来控制其他电路，是一种以弱电控制强电的电路

基本单元电路图如下图所示

主要技术参数

型号：

HK4100F-DC5V-SH

1.触点参数：

触点形式：

1C（SPDT）

触点负载：

3A220VAC/30VDC

阻抗：

≤100mΩ

额定电流：

3A

电气寿命：

≥10万次

机械寿命：

≥1000万次

2.线圈参数：

阻值（士10%）：

120Ω

线圈功耗：

0.2W

额定电压：

DC5V

吸合电压：

DC3.75V

释放电压：

DC0.5V

工作温度：

-25℃～+70℃

绝缘电阻：

≥100MΩ

线圈与触点间耐压：

4000VAC/1分钟触点与触点间耐压：

750VAC/1分钟

3.4开关输入电路

电路图如下所示：

光耦器件及工作原理：

单片机的输入输出口线是最容易引入干扰的地方；在严重干扰的情况下，需要将所有的口线光电隔离。

由此会引出光耦这一元件。

光耦是用来隔离输入输出的，主要是隔离输入的信号。

光电耦合器（简称光耦）是以光为媒介把输入端信号耦合到输出端，来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内，将它们的光路耦合在一起，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端输出，从而实现了“电—光—电”转换。

输入和输出之间不共地，因此广泛地应用于需要信号隔离的电路中。

由于它具有体积小、寿命长、无触点，工作稳定，输入端与输出端完全实现了电气隔离，信号单向传输，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，传输信号的效率高等优点，在电路上获得了广泛的应用。

路光耦的输入端发光二级管的正极接＋5V电压，只要负极为低电平，就会使二极管导通，从而实现输入输出的光电耦合。

光耦输出端的发射极接地，集电极通过4.7KΩ的电阻接＋5V电压，同时通过模块电路接到单片机的输入端。

实验仪I/O输入模块采用的电路原理图如图4.13.2所示，其中J8为4路光耦的输入端，J4为第一路光耦输出控制端，正常工作时需要将其1、2脚短接，J7为第二路光耦输出控制端，正常工作时需要将其短接。

3.5RS232有线通信接口模块

电路图如下所示：

下图为MAX232引脚图和接线图，带有转串口的电路。

RS232C是一种电压型总线标准，可用于设计计算机接口与终端或外设之间的连接，以不同的极性的电压表示逻辑值。

-3至-25表示逻辑“1”，+3至+25表示逻辑“0”，其电平与TTL和CMOS电平是不同的，所以在通信时必须进行转换。

MAXIM公司的MAX232接收/发送器是MAXIM公司特别为满足EIA/TEA2232的标准而设计的，它们具有功耗低、工作电源为单电源、外接电容仅为0.1uF或1uF的电容，其价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。

MAX232引脚C1+与C1-、C2+与C2-、V+与VCC、V-与GND之间的4个0.1uF的电容不可缺少，一般选用陶瓷介质的电容。

MAX232可以用作单片机和单片机之间、单片机和PC机串口之间的符合RS232串行接口电路。

只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，编程即可。

单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。

1：

DCD:

载波检测。

主要用于Modem通知计算机其处于在线状态，即Modem检测到拨号音，处于在线状态。

2：

RXD:

此引脚用于接收外部设备送来的数据；在你使用Modem时，你会发现RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。

3：

TXD:

此引脚将计算机的数据发送给外部设备；在你使用Modem时，你会发现TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。

4：

DTR:

数据终端就绪；当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好。

5：

GND:

信号地；此位不做过多解释。

6：

DSR:

数据设备就绪；此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可以进行数据通讯了。

7：

RTS:

请求发送；此脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放入缓冲区中。

8：

CTS:

清除发送；此脚由Modem控制，用以通知计算机将欲传的数据送至Modem。

9：

RI:

Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定

MAX232原理

MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚DNG、16脚VCC（+5v）。

为了实现PC机与单片机之间的串行通信，我们首先要清楚了解整个系统所采用的原理图。

原理图就象一根红线贯穿于整个系统设计，通过此图我们就能很清楚的看到系统所涉及的内容，然后鉴于此，我们将在以后的章节中依次对所牵涉的内容作详细的论述。

下面对原理图作一点说明：

从MAX232芯片中的两路发送接收中任选一路作为接口，要注意其发送与接收引脚对应，否则可能对器件或计算机串口造成永久性损坏。

如选他T1IN接单片机的发送端TXD，则PC机、的RS—232的接收端RD一定要对应接T1OUT引脚。

同时，R1OUT接单片机的接受端RXD引脚，则PC机的RS—232的发送端TD一定要对应接R1IN引脚。

3.6发送接收选择设置模块

电路图如下所示：

下图为四选一数据选择器：

所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。

引脚图排列如图1，功能如表1。

1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C0～1C3和2C0～2C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。

①当使能端1G（2G）＝1时，多路开关被禁止，无输出，Y＝0。

新艺图库

②当使能端1G（2G）＝0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0～C3送到输出端Y。

如：

BA＝00则选择CO数据到输出端，即Y＝C0。

838电子

BA＝01则选择C1数据到输出端，即Y＝C1，其余类推。

数据选择器的用途很多，例如多通道传输，数码比较，并行码变串行码，以及实现逻辑函数等。

当p0.0=0时，处理器接收RS232接口发送的数据

当p0.0=1时，处理器接收SSC1641解调的数据

当p0.1=0,p0.2=1时，处理器将信号发送给RS232接口

当p0.1=1,p0.2=0时，处理器将信号发送给SSC641进行调制

3.7电源模块

电路图如下所示：

三端稳压集成电路lm78057815，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

TO-220的标准封装，用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。

3.8备用电源电路设计

电路图如下所示：

我们采用电压检测器及功率MOSFET设计了一种备用电源自动切换电路在主电源电压降到设定阈值电压以下或断电时，备用电源能自动切换采用M0SFE作开关切换开关速度快（ns级）。

若整个电子设备、仪器耗电不大，而备用电（UPS），该电路较简单，适合自制。

备用电源切换电路备用电源自动切换电路如图1所示。

它由CMOS输出结构的电压检测器（IC1）小功率开关三极管（VT1）、P沟道功率MOSFET（VT2）、N沟道功率MOSFET（VT3）及备用电源（电池组）等元器件组成。

S一2开关与主电源开关联动，在工作状态时，S-2开关接通。

主电源电压Vc=5V，低阈值电压设为4．5V。

备用电源由4节镍氢电池组成，其额定电压4．8V。

该电路工作原理如下：

3.9调制解调模块

电路图如下所示：

SSC1641载波通信芯片概述

SSC1641是专门为电力线介质作为通信信道而设计的电力线载波通信芯片。

该芯片具有帧中继转发策略、信号强度指示、相位检测、自动速率/功率调整、自适应报文分帧、完善的网络数据通信协议集等功能，并且具有通信可靠性高、低成本、低功耗、外围器件少等特点。

SSC1641是实现基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换的核心芯片。

其中，数据链路层通信协议遵循高级数据链路控制通信协议，应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1997规范和DL/T645-2007规范，并在保证DL/T645协议完整性的前提下，扩充了DL/T645对网络数据通信的支持。

SSC1641芯片的应用主要集中在自动读表领域，为电力行业或其它公共事业部门提供了一种最佳的AMR的解决方案。

3.10信号耦合与滤波模块

电路图如下所示：

信号耦合及接收滤波电路原理说明信号耦合变压器T1和C11组高通滤波电路，用于隔离高电压的工频交流电，F1是12V的TVS管，用于消除来自电力线上的高频高强度干扰，从而保护内部电路。

R11、L1、C12、C13、C15、C16、L2、L7、C68、C69和R10共同组成无源带通滤波器，能够有效消除来自电力线上的带外干扰，D11和D12是一种倒置并联结构，利用二极管的正向导通电压特新来钳位这两个二极管所在出的电压，防止在输入到载波芯片的电压过高而损坏载波芯片。

C17是耦合电容，起隔直通交的作用。

3.11信号放大电路模块

电路图如下所示：

信号放大输出电路原理说明

该电路实现的功能是把从SSC1641输出的模拟信号进行放大，并经过简单的滤波之后，由信号耦合电路耦合到电力线上，满足电力线传输的要求。

D21和D22是保护二极管，起到电压钳位的作用，抑制电力线上的干扰信号对内部电路的冲击；Q1、Q2、Q3、Q4、R20和R21共同组成单位增益倒置达林顿输出级，其中Q1、Q3和R20组成P型复合管，Q2、Q4和R21组成N型复合管，由于Q1和Q2上的电流很大，所以要求有很好的散热性能，在这里采用TO‐126插件封装。

Q5和Q6及其周围的电阻电容共同组成电压放大级，其中R26和R27组成分压电路，修改这两个电阻的阻值可调整静态工作点，R24给Q6提供偏置电流，R22给Q5提供偏置电流，R23和R25提供负反馈回路，调整这两个电阻的比值可以改变该放大电路的增益；C21起高频补偿作用，防止高频振荡。

Q7、Q8、R29、R30、R31和R32组成功率放大级的使能控制，当使能端为低电平时，放大电路将输出高阻态，不会影响电力线载波信号的输入，保证载波通信的接收性能。

B33、C20和L3组成串联谐振带通滤波电路，当输出大电流时，不会使载波信号严重失真，同时，当处于输入状态时，可以消除部分带外干扰，保护放大电路，R33的作用是增加放大电路的内阻，防止外部阻抗过小时损坏放大电路。

仿真电路如下图所示：

仿真结果如下图所示：

输入信号波形

输出信号波形

仿真结果：

信号通过放大电路后电信号被放大

3.12过零检测电路模块

电路图如下所示：

这部分电路的功能是把工频交流电的过零点时刻以脉冲的方式告知载波芯片，从而为

分时通信以及相位判别提供依据。

D1和R70、R72的作用是在工频正半周时为电容C41充电，积聚为光耦E1导通的电能量；R70、R72和C40还组成RC滤波电路，可