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一种电力线收发器电路设计
本科毕业论文
一种电力线收发器电路设计
APowerLineTransceiverCircuitDesign
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毕业论文中文摘要
一种电力线收发器电路设计
摘要：
本文介绍了ST7540芯片在电力线载波通信领域的优势和技术上的优良特性以及它内部的构造和工作原理，对电力线载波通信系统的硬件电路和软件程序的设计做了详细的解释，并提出具体方案。
ST7540芯片是适用于低压电力线载波通信的大规模集成电路芯片，它适合中国的电力线通信的现状，电力线网络是一个庞大的，遍及全国的网络。
这使得电力线载波通信在市场上有了很强的竞争力，正再被广泛引用在工业，数据采集等各个领域。
关键词：
低压电力线载波；ST7540芯片；脉冲采集
毕业论文外文摘要
APowerLineTransceiverCircuitDesign
Abstract:
ThisarticledescribestheST7540chipadvantageinthefieldofpowerlinecarriercommunicationandtechnicallyexcellentfeatures,aswellasitsinternalconstructandworkprinciple,thedesignofpowerlinecarriercommunicationsystemofhardwarecircuitsandsoftwareproceduresofdoingadetailedexplanationandproposespecificprograms.ST7540chipLSIchipforlow-voltagepowerlinecarriercommunication,itissuitabletothestatusquoofChina'sPowerLineCommunication,powerlinenetworkingisahuge,alloverthecountrynetwork.Thismakesthepowerlinecarriercommunicationhaveastrongcompetitiveedgeinthemarketandiswidelyquotedinvariousfieldsofindustrialdataacquisition.
Keywords:
Low-voltagepowerlinecarrier;ST7540chip;pulseacquisition
1绪论
随着科学技术的飞速发展，在现在的技术条件下，使用电力线来传输信号变成可能。
电力线网络是目前覆盖率最为完全的硬件网络，这方面它的优势远远大于电信线的覆盖率，所以能好好的利用电力线网络这一资源对我们有很大的意义，可以节省另外铺设专用通信线路的花费。
ST7540是支持多种FSK调制解调技术通信协议的一种新型的电力线载波通信芯片，它适用于中国恶劣的电力线网络环境，在我国的电力线信号传输领域有着很大的优势。
1.1电力线载波通信技术的历史和发展趋势
在二十世纪的20年代初期，这种已电力线路作为通信媒介的传输手段被提出，进入了发展阶段。
这项技术的投入使用，基于电力网线路的一些特点和优势，大大的节省了信道的投资，有较高的可靠性，取得了不错的效果。
在我国，20世界中期，开始有日本生产的电力线载波机在东北等地区投入使用了。
到目前为止，已经应用到相当于葛-沪±500KV的很大规模的直流输电系统中。
一般情况下，使用1053KM的载波信道来作为两换流站之间的传输媒介，达到了相当的规模和水平。
现阶段，卫星通信、无限通信是我们国家实现信号传输的主流通信手段。
而已这些通信形式为基础的电力线载波通信网络已基本达到对全国各个角落的覆盖。
现如今各种通信手段层出不穷，但电力线载波通信仍然是一些地区网，省网等等信号传输方面常常用到的手段，是电力线上实现信号传输的基本途径。
近年来，我过的电力线载波技术的发展，循序渐进，三分理论七分实践，取得了很不错的成果。
我国是人口大国，在我国电力线网络是覆盖范围最广的网络。
在实际应用中，不论是500KV的高压线路，还是在35KV—10KV区间上的相对较低的线路上，都开通了电力线载波机。
电力线载波技术的发展是耳闻目睹的，在我国110KV电力线载波信号线路的公里数已从八五年初期的26万公里发展到现阶段的65万公里。
现如今的载波通信技术的应用被拓展到了计算机信息、传真等方面，不再像之前一直局限于电话业务。
像利用载波机技术，通过电力线传输信号实现站与站之间的自动控制是比较典型的应用。
自本世纪中叶，载波机的技术在随着科学技术水平的提高被不断的改进。
载波机也从五十年代的双边带电子管到全集成化单边带再到更先进的数字载波机。
为了更好的解决一些重大的问题，我国也借鉴国外的载波技术，这也给国产的载波机的改进和发展提供了方案。
除此之外，在组网、软件的设计上也在不断的进步和发展。
随着我国电力网的拓展，电力系统的规模也越来越大，一些大的机组、电站的出现使得电力线载波通信的问题也逐渐的被凸显出来。
撇开工业用电系统不说，现如今的家庭用电系统中，一些大功率的用电器的接入，都会在载波通道上产生很大的噪声，再加上一些恶劣的环境对起造成的影响，对信号的稳定传输都造成了很大的干扰。
鉴于电力线载波的自身缺点，再加上我国现阶段这方面的技术还处于发展阶段，设备的水平不高，管理维护的较差，使得电力线载波通信与一些专用的通信技术还存在很大的一段差距。
随着信息时代的到来，通信技术的更新换代的脚步越来越快，一些先进的技术和设备被推广，而电力线载波是基于电力系统网络，覆盖了每家每户几乎世界的每个角落，因此这项技术还是得到了很多研发人员的亲睐，相信在不断的发展和改进后，问题会得到解决，实现信号在电力线上的稳定的传输。
显而易见，电力线载波通信技术已经在电力网系统中得到了广泛的应用。
在实际的使用中，它的缺点和不足之处也逐渐被体现出来。
再加上一些新型的通信手段的出现，使得电力线载波通信技术的缺点更为突出。
就目前为止，与其他一些通信手段相比电力线在信号传输的稳定性上得到的评价不是很高。
而造成这种情况的原因是有很多方面的，如技术仍不够成熟，设备制造不够精细，工程设计施工出现问题等等等的一系列问题。
既有客观上的，也有认识上的。
我国电力线载波的频率区间一般为40~500KHZ,所以在实际情况中系统中在整个频率范围内需要安排的载波机的数量要远远大于理论上的57台载波机的极限值。
实际情况下，电力线上的阻抗分布不均，负载的噪声干扰，衰减不均等等一些因素，使得在整个频率段内也不能做到完全利用。
而我们有时对频率没有好好的规划使得在这个频率区间的安排和使用过程中有很多做的不好的地方，造成了频谱的紧张或者浪费带来了很多不利的影响。
一直以来没有统筹意识的频率考虑频率，失去了全局观念。
对于现在比较普遍的高频保护入展一相的现状，如果能改用复用技术，理论上就可以利用高频保护所占用的频带。
而且对于现在普遍的点对点的通信网络结构，通道利用率低，通道被占用，如能够对交换网进行调度控制，也能达到节省通道的目的。
不得不承认，目前国内的载波机的技术，设备的工艺，软件的支持身上和国外的先进技术和设备还存在着非常大的差距，不论是在频率利用率上、滤波器性能上、乃至载波器频率特性等等的多个方面都难以达到国外先进载波机的现有水平。
在平均无故障时间上，进口载波机也是遥遥领先于国产的载波机，一般国外的载波机可达到几十年无故障，就这点上，国产机是无法与其相提并论的。
在配套工程方面，存在着电源容量小、可靠性不高、受雷电干扰较大等设备不完善线路保护设施落后等问题。
管理运行方面是整个系统的核心问题，旧的通道存在的很多专业的问题，这些问题无疑在很大程度上影响了载波信号传输的稳定可靠。
现阶段，我们应该看清国内产品的不足之处和改进的空间，借鉴进口产品的优点，完善国内的电力线载波技术，满足现代电力线信号传输系统的需求，更好的适应全球性通信的发展趋势。
为了在我国实现高速率、大容量、宽带宽的电力线载波通信系统，应该发展和推广更加先进的通信手段。
有电力网的庞大的覆盖，电力线载波有着可观的市场前景，仍然有着生存空间。
其作为电力部门的通信资源，不论未来发展趋势如何，它在通信领域的以其自身的优势有着很强的竞争力。
它在电力生产中发挥着不可替代的作用，特别是对台风，洪涝灾害有着抵御能力。
其内部电路的传输线有着较高的机械强度，不易受到外界的破坏和影响。
鉴于电力线载波通信的特点，它适用于县调、地调这样的信息需求比较小的特殊环境下，而对于一些信息需求比较高的环境，它也可作为备用通信手段，以预防一些突发状况。
对于一些距离比较远的通信，电力线载波虽然存在信号衰减的缺点，但它在传输介质的花费上要远远低于其他通信方式。
与其他的通信技术一样，电力线载波通信也在不断的发展也完善。
针对它设计和管理上的不足之处，研发人员一直坚持不懈地开发新技术去改善和提高。
相信随着科技的发展，设备的更新换代，有朝一日电力线载波技术也能实现稳定可靠的信息传输[1]。
2电力线载波通信的特征
电力线载波通信技术，即是利用电力网络实现信号的传输。
在我国，电力网是最大的硬件网络，有很大的覆盖范围，因此，如果能合理的开发这项技术，将会给我们带来巨大的经济效益。
电力网现在一般都实行地下电缆，受自然因素的影响比较小，在一些恶劣的环境下仍然能保持稳定的信号传输，这也是电力线载波通信技术在这一领域的一项优势。
对这项技术的开发和研究有着长远的战略意义。
但电力线本身是用来传输电能的，而不是专门用来传输信号的传输介质，一些大功率的用电器也会产生不可避免的噪声，对信号产生干扰，因此要实现广泛的使用和推广，还需要很好的技术支持。
2.1高压电力线载波通信的特征
2.1.1传输频带受到限制，传输的数据量较小
在现如今通信技术日益发达的时代，由于在高压电力线载波通信时，载波通信频带通常被控制在40~500KHZ之间，如果按单位位置上占用4KHZ的带宽来计算的话。
理论上是可以多条高频载波通道共一根电力线路，但是因为电力线上的一些外在因素会引起衰减，现实中不可能按照理想中的情况去安排频谱的排列，所以真正实现的组成通信网的载波通道是很有限的。
在通信业务蒸蒸日上的今天，这种技术的信道容量已经到达了使用的极限了。
尽管我们尝试过分小区法，组分段法，随即插空法，以及地图色法等等一下手段来试图解决容量问题。
甚至为了尽量能使载波频率得到重复使用，但仍然没能解决信道分配的问题，未能满足实际需要。
随着技术的发展和改善，数字电力线载波器不断更新换代，光纤通信技术的不断改进，频谱受限的问题也逐渐得到缓解。
而且在现实用户配电网中因载波通道容量受限而存在的问题并不是不大。
2.1.2线路噪声大
实际情况的电力线线不是一条阻抗均匀分布的传输线，再加上上面的接入的负载，使得它与专用的信号传输线相比，传输时受到的噪声干扰会比较大。
比如说，在高压电力线上会产生放电电晕绝缘子，这些绝缘子会对载波信号造成污染，还有开关操作等都会产生较大的噪声，比较突出的是突发噪声，它具有比较高的电压，见图2-1：
图2-1水平排列电力线通道杂音波形
a.中相耦合b.边相耦合c.分裂相耦合d.工频电压波形
电力线上产生的造成按他们的特性分类有4种：
a）电晕噪声噪声是具有平滑功率谱的一种背景噪声，它的功率谱函数局限即频率的减函数。
b）脉冲噪声是由于开关操而引起的与电站操作相关联的一种噪声c）同步噪声主要是因一些整流设备而引起的噪声，这种窄带干扰主要是由于其他一些电力设备的辐射干扰所引起的，根电网频率无关。
d）非同步噪声。
电晕噪声一般出现在沿海工业区，噪声电平约为220KV~—25dB或110KV~—35Db。
然而在海拔比较高的地区，出现在绝缘设备以及升压线路上的噪声的电平还相对于沿海地区还将高出15dB左右。
因此为了克服如此恶劣的噪声环境，电力线载波器一般都会采用比较大的输出功率电平（3740dB）。
由以上内容可以总结出电晕噪声，脉冲噪声，同步噪声以及非同步噪声都会对低压电力线载波通信的信噪比造成不利的影响，带来恶劣的噪声环境[2]。
2.1.3线性阻抗变化大
一般高压电力线的先线阻抗是300~400，整个线路上也是显波动态。
对通道加工的不合理，存在容性的负载等问题会加剧载波通道的阻抗变化，实际检测表明当波幅达到50%时，对线上的载波通道的影响会比较严重，再由于对信道加工上的不当，不合理，以及容性负载和接法不当等等一些问题都会加剧信道的阻抗的变化。
有些情况，阻抗有可能变化更大，比如中断通信低压用户的配电网中载波通道的阻抗的变化如图2-2，当负载很重时会使得线路的阻抗<1,这就有可能导致载波器不能输出固定的阻抗。
2.1.4线路衰减大而且具有时变性
高压电力线载波通道有变性工频运行方式的变化，而且会随着频率的平方根递增或者递减，（如图2-3）电力线载波收发器需要设置>30dB的增益调整模块，以抵抗一些因载波发射通道的分支线路的长短不一以及一些恶劣的自然环境所带来的衰减作用。
一般情况下载500KV至220V的电压区间下，会线路的衰减现象会产生巨大的变动，使得建立载波通道变的更加困难。
为了解决这些问题，在设计电路时，一般会采用一些特殊的通信协议，或者设置多条通道让载波机自行选择。
网络应用：
图2-2220kv高压线路衰减特性
网络概念是现代通信在电力线载波通信技术方面研发的主要侧重点，摆脱了原先通道概念的局限性。
之前的电力线载波机一般只能通过自动判与音转接口完成小范围的联网。
现如今的小范围的联网不再能满足信号传输的需要了，所以现在我们应当考虑如何把载波器和变电站调度机进行组网并通过适当的设置再与数据采集器组成的新的载波通信电路。
而首先要解决的基础的技术问题就是如何实现电力线载波在一些中低压线路上的应用。
图2-3低压用户配电网阻抗特性
2.2低压电力线载波通信的特点
2.2.1低压电力线的传输特性
低压电力线载波信号的衰减特性：
低压电力网载波通信的原理框图如图2-4（a）所示,载波通信机的原理框图如图2-4（b）所示，载波通信机可接零线
图2-4（a）低压电力线网络载波通信原理框图
（b）载波通信机原理框图
上。
当通信载波机接在同一根相线上或者接在零线上时，这种情况呗称为同相传输。
而跨相传输是指载波机连接在两条相线之间或者接在一根相线和一根零线之间。
如果要实现两个不同变压器之间的载波传输。
需要在两条电力网的零线之间接一个高压耦合电容，来支持信号的耦合通信。
由于负载对电力线阻抗的影响，低压电力线载波通信所产生的信号衰减通常会比较大，有时甚至会超过20dB，在实际的实验测试中，电力线上的载波信号的衰减不仅仅只是随着信号频率呈线性变化，往往还会受到各种外界因素的干扰，这使得低压电力线上载波信号传输的衰减程度变的十分复杂，很难作出准确的测量。
在这样恶劣的条件下，对载波通信系统的设计和信号的稳定传输都会非常困难。
2.2.2输入阻抗及其变化
输入阻抗是重要的表示电力线传输的参数之一。
研究输入阻抗对载波传输的影响，有助于改善发送机的传输效率，提高输入功率。
实践表明在低压电力线传输时，传输信号的频率与电力线的输入阻抗密切的关联。
理想情况下，我们可以把电力线想象成一根阻值分布均匀的传输线。
然而实际情况中，电力线上分布的电感和电容影响了电力线阻抗的分布，并且输入阻抗还随频率的变化而变化（成反比）。
电力线主要是电能的传输线，线路上明显的要随机的接一些用电器（负载），使得输入阻抗变小。
但是，负载可能是显容性，感性或者电阻特性。
所以根据接入的负载的类型不同，使得不同频率阻抗产生的变化也不相同，这使得阻抗的变化变得不可预测，很有可能会因为接入负载的性质变化致使输入阻抗随频率从100欧变到小于0.1欧，变化有可能高达上千倍。
而且,在实验用测试的频率范围，输入阻抗的频率变化与阻抗的变化也并不满足线性关系，有时甚至会恰恰相反。
为了更好的在理论上解决负载对输入阻抗影响的问题，我们在实际研究这个问题的时候，会把传输线看成已经接了很多复杂的负载的线路。
这些负载的负载会跟电力线组合出多个共振电路，并且在共振频率范围内外会产生低阻抗区。
因此，会有许多低阻抗谷出现在阻抗—频率图的曲线上。
把这些阻抗谷区结合起来，局部上会违背电力线上阻抗—负载的一般规律。
再者，开关操作也会也会使输入阻抗发生大幅的变化，在电力线上接入或者断开负载都是随机的，这使得在不同时间里电力线的输入阻抗发生巨大的变动。
同理，由于接入负载的位置也是随机的，在电力线上随机的位置接入负载，也会引起阻抗的不同变化，在一个电路里电阻，电感以及电容等器件接在不同位置，接入的方式（串或并）整个回路的阻抗特性也会有可能不一样。
所以低压电力线上输入阻抗的变化是难以预测的，这使得发送机功率放大器和接收机的输入输出阻抗很难跟电力线的输入阻抗保持同步。
因此给电路的设计带来的很大的阻碍。
2.2.3高频信号的衰减及其变化
在低压电力线上实现高频信号的载波通信是实际使用中遇到的一个很大的难题。
现实使用时，电力线并不是单纯的传输信号，同时也要传输电能给用户，根据用户接入和断开负载的时间和位置等因素，这就等于不可避免地在线路上会随机接入或者断开负载。
这样对线路的阻抗的性质和大小都可能会产生很大的影响。
这使得高频信号在低压电力箱上传输时不可避免的会产生衰减，而这种衰减的强度决定于信号传输距离和载波频率。
在理想情况下，信号在电力线上传输的距离越长势必造成比短距离传输更大的信号衰减，但上面说过，因为负载这一因素的随机性，并且信号还会受到一些外界因素的干扰，往往也会出现同样的高频信号作短距离传输时所造成的衰减比长距离传输所造成的衰减来的要大。
这使得衰减程度随传输距离的长短的变化变得非常复杂。
平时家庭用电一般是三相交流电，三相的电源上所接入的负载的大小不同，阻抗性质不同，会使得同样强度的高频信号在三相上所产生的衰减程度也不相同。
所以在不同相上所接受到的信号的误码率也会不同。
信号频率决定着信号的误码率。
2.2.4低压电力线载波上的干扰
电力线上存在的干扰的特殊性质是在低压电力线上实现数据通信时需要注意的一项非常重要的问题。
电力线载波通信中传输时所产生的干扰有人为干扰和非人为干扰两种，人为干扰是指在电力线上接入的负载即用电器会产生的噪声会严重影响接受到的数据的准确度。
另一种干扰是指由于自然环境的影响，比如打雷天气，也会对信号的传输造成影响，所以电力线上的干扰不单单只人为是高斯白噪声了。
通常我们将这种干扰分为:
周期性的持续干扰，周期性的脉冲干扰，随机的突发性干扰以及时不变的连续干扰，通过分类可以对干扰的复杂性进行简化分析。
这其中周期性的持续干扰和周期性的脉冲干扰经常出现，占主要地位。
2.3扩频通信技术及其应用
2.3.1扩频通信的原理
扩展频谱通信是将待传输的信号和数据在发送端进行调制转化为模拟信号，进行频谱扩展之后再进行传输，解调工作则是安排在接收端，使用与接收端同样的编码完成解调和一系列的操作，将接收到的模拟信号恢复成原始数据。
当存在高斯白噪声干扰时，最大信道容量为：
C=Wlog2（1+S/P），当信号容量C（bit/s）等于常数时，可以增加信道的带宽来降低载波心痛对信噪比（S/P），其中S为信号的平均功率，P为噪声功率。
也可以通过增加信号功率的方法降低系统对信号带宽的要求。
即此时带宽W和信噪比之间是可以互补的。
所以，当传输信息速率C保持不变时，而此时的信噪比很低，就可以通过增加带狂的方法来满足信号的传输。
这是在一些恶劣的自然环境下，为了保证信号仍然可以稳定的传输所采用的扩频技术进行信号传输的原因。
2.3.2直序扩频技术
在直序扩频技术中，伪随机代码是直接被载入到载波机调制器上的数据中去的。
调制器具有相对较大的比特率，其速率的大小由伪随机码的码片的速率决定。
用这种码序列调制射频载波，会产生一个中心在载波频率和频谱（（sinx）/x）2的秩序扩展频率之间的频谱。
频谱的主瓣带宽是调制码的时钟速率的2倍，旁瓣带宽即调制码的时钟速率。
图2-5所示的是直序扩频信号的典型范例。
实际情况下采用的载波和数字调制决定着直序扩频频谱形状的变化。
下图所示的是一个二相移键控制信号，在直序扩频系统中常常使用这种调用类型。
原理图如图2-5所示[3]。
图2-5直序扩频系统原理图
2.3.3跳频扩频技术
所谓调频扩频技术即是在按照随机码在一个很宽的频带上对载波进行定义，使其能够进行频率的跳变。
跳频扩频技术和前面介绍的直序扩频技术相比，存在很大的区别。
在跳频过程中，原始信息的传输速率决定了频率的跳变速率，除此以外，波形也有很大的区别，跳频在整个频带上是平坦的波形，而不是（（sinx）/x）/2的正弦波形。
跳频信号带宽与频率间隙之间满足下面的关系：
Q=W*N，其中Q表示跳频信号带宽，W表示传输频率的间隙，N表示跳变信道的带宽。
3ST7540扩频通信芯片
3.1引脚特性及应用简介
图3-1ST7540的引脚图
序号
名称
类型
描述
1
CD_PD
数字输出
载波信号侦头检测输出、
1没有载波信号或者侦头检测输出
0有载波信号或者侦头检测输出
2
REG_DATA
内部断开下的数字输入
1为控制寄存器0为主控制器
3
GND
供给
数字接地
4
RxD
数字输出
RX数据输出
5
RxTx
内部打开时的数字输出
1为RXsession0DXsession
6
TX
内部断开下的数字输入
TX数据输出
7
BU/THERM
数字输出
1为信号编程0在TX模式下没有信号编程
8
CLR/T
数字输出
同步主存取时钟或者控制寄存器时钟
9
VDD
电源供给
数字供给电压或者3。
3V电压控制输出
10
MCLK
数字输出
主时钟输出
11
RSTO
数字输出
电压打开或者检测器复位输出
12
UART/SPI
内部断开下的数字输入
接口类型
串行外围接口
0通用异步接收器/发送器接口
13
WD
内部断开下的数字输入
检测器输入。
内部检测计数器在下界电压线是清零
14
PA-IN
模拟输入
电力线放大器反相输出
15
PA-OUT
电压输出
电力线放大器输出
16
VSS
供给
电压模拟接地
17
VCC
供给
电压源
18
PA_IN
模拟输入
电力线放大器无反相输出
19
TX_OUT
模拟输出
小信号模拟传送输出
20
SVSS
模拟输出
模拟信号接地
21
X1
模拟输出
晶体震荡器输出
22
X2
模拟输入
晶体震荡器输入或者内部时钟输入
23
VSENSE
24
模拟输入
电流限制反馈在CL和SV之间的电阻来设置当前的电流值在这个引脚上为综合80pf滤波输入电容
25
RX_IN
模拟输入
模拟输入接收端
26
VDC
电压
5V电压调节器
27
TEST1
内部中断
测试投入时必须接地
28
TEST2
模拟输入
测试投入时必须接SV端
3.1.2ST7540应用情况简述
ST7540是电力线载波通信网络的实际应用，它具有半双工同步/异步FSK调制解调的功能。
芯片内部的数字电路的电源为5V和3.3V两种，由单一电压源提供工作电压，继
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