基于CDMA擴(kuò)頻通信技術(shù)和芯片實(shí)現(xiàn)電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。廣泛用于電力管理系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、智能化小區(qū)等領(lǐng)域。利用電力線作為通信媒介，無需另外架設(shè)通信線路，也不占用現(xiàn)有的頻譜資源。但在電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)衰減大、噪聲干擾大，使得電力線載波通信的應(yīng)用受到了限制，必須采用多種技術(shù)措施改善通信質(zhì)量。目前，最有發(fā)展前景的解決方案是采用技術(shù)先進(jìn)的CDMA擴(kuò)頻通信技術(shù)。

2 CDMA擴(kuò)頻通信

CDMA（碼分多址）包含二個(gè)基本技術(shù)：一個(gè)是碼分技術(shù)，另一個(gè)是多址技術(shù)。

2.1 CDMA中的碼分技術(shù)

碼分技術(shù)的基礎(chǔ)是擴(kuò)頻技術(shù)，其目的是解決強(qiáng)干擾下的通信。由香農(nóng)定理可知，在信號(hào)傳輸速率一定的前提下，增加帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求。擴(kuò)頻通信正是利用這一原理，用寬帶傳輸技術(shù)來獲得低的信噪比。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信系統(tǒng)大幾百倍，在相同信噪比的條件下，擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。CDMA中最常用的擴(kuò)頻形式是用一個(gè)偽隨機(jī)碼序列與窄帶：PSK信號(hào)相乘。這樣，有用信號(hào)經(jīng)擴(kuò)頻處理后，頻譜被展寬了。

2.2 CDMA中的多址技術(shù)

所謂碼分多址，是指利用擴(kuò)頻時(shí)使用的一組正交（或準(zhǔn)正交）的偽隨機(jī)碼序列（地址碼）來實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)同時(shí)入網(wǎng)接續(xù)的要求。在接收端，利用偽隨機(jī)碼的相關(guān)性進(jìn)行解擴(kuò)，有用信號(hào)被恢復(fù)至窄帶譜。寬帶無用信號(hào)與本地偽隨機(jī)碼不相關(guān)，不能解擴(kuò)，仍為寬帶譜；窄帶無用信號(hào)被本地偽隨機(jī)碼擴(kuò)展成寬帶譜。這樣，只有有用信號(hào)才被壓縮、識(shí)別和提取出來。

在本系統(tǒng)中，通過采用PL3200型SoC。將CDMA擴(kuò)頻通信應(yīng)用到電力線載波通信系統(tǒng)。

3 PL3200型單片系統(tǒng)

3.1 PL3200的結(jié)構(gòu)

PL3200是福星曉程公司開發(fā)的單芯片系統(tǒng)（SoC）。該系統(tǒng)采用5V單電源供電，內(nèi)嵌8051型增強(qiáng)性高速微處理器及直序擴(kuò)頻碼分多址載波通信模塊．具有成本低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠高效地應(yīng)用于電力線通信領(lǐng)域。圖1示出PL3200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

PL3200內(nèi)嵌8／16位高性能、低功耗微處理器兼容內(nèi)核ALU，同等主頻情況下，8倍速于標(biāo)準(zhǔn)8051型微處理器．?dāng)?shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。配置了256B+1KBSRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、16KB。E2PROM（電可擦除／可編程存儲(chǔ)器）及3個(gè)外部中斷，為用戶提供豐富的嵌入式資源和理想的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。另外，該系統(tǒng)還具有二個(gè)全雙工UART（通用異步收發(fā)器），一個(gè)可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個(gè)可配置為RS-485通信模式。

針對(duì)智能儀表的應(yīng)用要求，PL3200內(nèi)置高精度電能計(jì)量電路、LCD/LED顯示控制／驅(qū)動(dòng)電路、實(shí)時(shí)鐘及溫度傳感器。內(nèi)置串行程序存儲(chǔ)器編程接口，支持在系統(tǒng)編程（ISP）。同時(shí)集成了完善的電壓監(jiān)測，上電、掉電復(fù)位和看門狗電路，確保工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可靠性。

3.2 通信模塊的工作原理

PL3200的載波通信模塊采用直接序列擴(kuò)頻通信方式，采用多地址通信技術(shù)將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼序列擴(kuò)展到較寬的頻帶上。PL3200對(duì)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)采用QPSK調(diào)制方式，其載波中心頻率為120kHz。由于該系統(tǒng)采用Gold／Kasami序列，從而實(shí)現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達(dá)40個(gè)，其中有32個(gè)Gold序列。8個(gè)Kasami序列。

PL3200在接收端用同樣的偽碼序列來恢復(fù)信息。接收過程包括載波信號(hào)的捕獲和同步。捕獲是接收模塊在擴(kuò)頻序列精確同步前搜索接收信號(hào)，使接收信號(hào)的擴(kuò)頻序列與本地?cái)U(kuò)頻序列在相位上進(jìn)入可同步保持的范圍，即二者的相位在一個(gè)擴(kuò)頻序列碼元之內(nèi)。捕獲完成后進(jìn)入跟蹤階段，使本地偽碼能夠自動(dòng)接收到信號(hào)的偽隨機(jī)碼保持精確同步。跟蹤電路采用全數(shù)字基帶延遲鎖定環(huán)。

PL3200載波通信單元的具體設(shè)定是通過對(duì)載波通信寄存器組不同地址的寄存器寫入對(duì)應(yīng)的控制字來實(shí)現(xiàn)的。在載波通信寄存器組中，00H的寄存器用來指示載波通信單元處于收態(tài)還是發(fā)態(tài)，以及數(shù)據(jù)和幀頭的接收發(fā)送標(biāo)志；02H、03H的寄存器可設(shè)置選擇偽碼的種類、地址選擇位和速率等；04H的寄存器用來設(shè)置本地與接收到的偽碼序列相位同步的捕獲門限值；05H的寄存器用于設(shè)定本地與發(fā)送端偽碼序列相位同步的精確同步門限值。

4 CDMA擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)

4.1 通信系統(tǒng)的組成

本文基于PL3200設(shè)計(jì)了CDMA擴(kuò)頻電力線載波通信系統(tǒng)，具體組成如圖2所示。

數(shù)據(jù)由主機(jī)A（或主機(jī)B）的串口RS-232發(fā)出，通過PC接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送入PL3200。在PL3200中，先由擴(kuò)展串口UART（通用異步收發(fā)器）接收數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CDMA直接序列擴(kuò)頻．?dāng)U頻后的信號(hào)經(jīng)120kHz的載波頻率調(diào)制后輸出。此信號(hào)通過電力線接口電路進(jìn)行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線上，實(shí)現(xiàn)電力線載波通信。在接收端．經(jīng)過電力線接口電路將電力線上的信號(hào)耦合出來并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波限幅。限幅后的信號(hào)送入PL3200進(jìn)行捕獲、同步及解擴(kuò)處理，經(jīng)由內(nèi)嵌8051處理．由PL3200的UART串口發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)PC接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，由PC的RS-232接口送到主機(jī)B（或主機(jī)A）。

4.2 PC接口電路

本文主機(jī)A、B都采用PC。PL3200帶有1個(gè)RS-485串行口，而PC一般只有2個(gè)RS-232串行口。為了實(shí)現(xiàn)普通PC與PL3200的連接，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)接口電路，如圖3所示。圖中，MAX232是+5V電源的收發(fā)器，與計(jì)算機(jī)串口連接，實(shí)現(xiàn)RS-232接口信號(hào)和TTL，信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。MAX485用來實(shí)現(xiàn)TTL與RS-485的電平轉(zhuǎn)換。也可以采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)本身帶有RS-485接口，可直接與PL3200連接，但工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的價(jià)格要比普通PC高得多。

4.3 電力線載波接口電路

實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效電力線載波通信的關(guān)鍵，除了所選用的載波調(diào)制解調(diào)器外，還有相應(yīng)的電力線載波接口電路。本文電力線載波接口電路將PL3200的載波調(diào)制解調(diào)與電力線耦合，實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)在電力線上的傳輸。電力線接口電路包括發(fā)送部分、載波耦合部分和接收部分，如圖4所示。

（1）發(fā)送部分

發(fā)送部分對(duì)PL3200輸出的載波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大，濾除摻雜在信號(hào)中的噪聲和偽信號(hào)，從而將處理后的信號(hào)以較高的效率傳輸?shù)降蛪弘娏€上。圖4中，T1、T2構(gòu)成NPN型復(fù)合管，T3、T4構(gòu)成PNP型復(fù)合管，從而組成互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。其中，T2、T4采用同一型號(hào)的大功率管，以實(shí)現(xiàn)二者的特性曲線對(duì)稱。PL3200產(chǎn)生的載波信號(hào)由P1.7輸出，經(jīng)功率放大電路放大后，含有諧波。系統(tǒng)主要的傳輸干擾頻率是發(fā)送信號(hào)的二次諧波和三次諧波（PL3200的載波中心頻率為120kHz，二次諧波和三次諧波分別為240k。Hz和360kHz），為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，需進(jìn)行濾波整形。電容器C4和電感器L2組成的帶通濾波電路對(duì)發(fā)送的載波信號(hào)進(jìn)行整形濾波。

（2）載波耦合部分

當(dāng)PL3200處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，載波耦合部分將PL3200產(chǎn)生的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)耦合到低壓電力線上：當(dāng)PL3200處于接收狀態(tài)時(shí)，載波耦合部分將低壓電力線上的載波信號(hào)耦合過來，由SICIN腳送入PL3200。載波耦合部分由變壓器T、電容器C5和電感器L3組成。變壓器T選用1：1的隔離變壓器。電容器C5將變壓器與電力線隔離．過濾電力線上的50Hz的信號(hào)，這樣就會(huì)阻止低頻信號(hào)進(jìn)入電路而使某些高頻信號(hào)通過。萬一電容器C5因短路而失去過濾50Hz信號(hào)的能力，接口電路就會(huì)被損壞。故C5要選用具有短路保護(hù)功能的X2型電容器。電容器C5和電感器L3還組成帶通濾波器，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)一步濾波。

（3）接收部分

接收電路濾除來自電網(wǎng)中的噪聲，這些噪聲會(huì)降低PL3200的解調(diào)功能。對(duì)于接收電路，選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因?yàn)橛性礊V波器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與接收信號(hào)相當(dāng)?shù)陌自肼?。本系統(tǒng)選用無源帶通濾波器（由C3、L1和R7組成），采用并聯(lián)諧振回路形式。并聯(lián)回路的中心頻率由電容器C3和電感器L1的值決定，設(shè)計(jì)為120kHz。

為了避免低壓電力線上的尖峰信號(hào)對(duì)接口電路的破壞，可用雙向穩(wěn)壓管保護(hù)。當(dāng)接收信號(hào)電壓值等于或大于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管將接收信號(hào)的電位箝制在穩(wěn)壓值，從而保證接口電路不會(huì)被燒壞。一般，火線與零線問的干擾為差模干擾；火線與地線。零線與地線間的干擾為共模干擾。采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管只對(duì)差模尖峰信號(hào)起作用而對(duì)共模尖峰信號(hào)不起作用；當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號(hào)時(shí)就會(huì)對(duì)電路造成損壞。本系統(tǒng)采用3個(gè)二極管D3、D4和D5連成星形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。對(duì)于差模尖峰信號(hào)，D3和D4構(gòu)成一個(gè)雙向穩(wěn)壓管；對(duì)于共模尖峰信號(hào)，這種星形結(jié)構(gòu)相當(dāng)于2個(gè)雙向穩(wěn)壓管（D3和D5，D4和D5）。

5 載波通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的載波通信為總線方式通信，載波單元的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)，對(duì)不同的載波模塊可分配不同的通信地址。模塊接收到校驗(yàn)正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規(guī)約進(jìn)行應(yīng)答。載波通信速率相對(duì)于主頻低很多，為了提高CPU效率，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均設(shè)計(jì)為中斷方式處理，每次進(jìn)入中斷，完成對(duì)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送的操作。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的CDMA擴(kuò)頻電力線載波通信系統(tǒng)，由于選用PL3200充當(dāng)通信電路，因而具有很好的抗干擾性能。在對(duì)接口電路的設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際線路的情況，選擇合適的電容器和電感等元件，選用性能更佳的功率放大電路。便可達(dá)到低成本、遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量的通信效果。

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