電力載波技術實現(xiàn)數(shù)字電子鐘遠程同步控制 - 全文

　　摘要：為了解決當前一些重大考試需要懸掛時鐘的問題，設計一種新型同步數(shù)字電子時鐘系統(tǒng)。應用電力載波技術實現(xiàn)了電子鐘的遠程同步控制。介紹了系統(tǒng)的組成及工作原理，為系統(tǒng)的設計提供了一種簡單、實用、低成本的同步控制方案。

　　關鍵詞：同步時鐘；電力載波通信；SC1128；PCF8563

　　引言

　　近年來，隨著電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）技術的發(fā)展，電力線載波通信已大量地應用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，如電力線上網(wǎng)、電力載波自動抄表系統(tǒng)、家庭自動化系統(tǒng)、工業(yè)過程控制等。

　　電力線載波通信技術是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式，該技術是把載有高頻調(diào)制的信息加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信息的適配器再把高頻調(diào)制信息從電流中分離出來并傳送至計算機或其他相應設備，以實現(xiàn)信息傳遞。由于電力線載波通信技術以電力線路為傳輸通道，具有較高的傳輸可靠性，較低的線路衰減，以及不需要通信線路建設的基建投資和日常維護費用等優(yōu)點，使得這種技術變得方便、成本低、易實現(xiàn)。

　　本文介紹一種基于低壓電力載波通信技術實現(xiàn)的同步數(shù)字電子鐘系統(tǒng)。傳統(tǒng)的時鐘同步，通常需要到每個時鐘處手動校準。這項工作不僅效率低下，而且還存在人為誤差，不能滿足現(xiàn)代化管理的需求。使用基于電力載波通信的同步時鐘，不僅成本低，而且能夠圓滿地解決上述問題。該系統(tǒng)利用低壓供電電路，由主機發(fā)送時鐘校準信號，由載波通信模塊通過電力線傳輸，從機接收信號后，調(diào)整時間，實現(xiàn)電子鐘的同步運行。

　　1 系統(tǒng)總體結構

　　1．1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)由兩部分組成，其結構如圖1所示。一部分是同步時鐘的控制終端，作為主機系統(tǒng)，另一部分是從機系統(tǒng)。所有從機結構都一樣，臺數(shù)依實際需要確定，不受限制。系統(tǒng)采用220V低壓供電線路作為通信媒介。主機及從機系統(tǒng)主要由單片機、PCF8563時間芯片、SC1128擴頻載波芯片、輸出功率放大器、帶通濾波器、前級放大電路、耦合電路、鍵盤陣列輸入、顯示輸出等組成。主機系統(tǒng)單片機采用Atmel公司的AT89S52作為控制芯片，增加RS 232或USB串行接口，以便與PC機通信。PC機通過網(wǎng)絡可與Internet時間同步，從而使系統(tǒng)能與Internet時間同步。從機單片機采用AT89C2051作為控制芯片。從機設置一個運行方式開關，可在同步運行方式或獨立運行兩種方式下工作。若工作于同步方式：由主機發(fā)送時鐘校準信號，由載波通信模塊通過電力線傳輸，從機接收信號后，調(diào)整時間，實現(xiàn)電子鐘的同步運行。若工作于獨立方式：從時鐘芯片PCF8563讀取時間。用戶可以通過鍵盤輸入時間或修改時間。

　　時鐘芯片采用Philips公司生產(chǎn)設計的PCF8563，PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘／日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。

　　1．2 電力載波通信模塊

　　由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，決定了其結構和通信環(huán)境的復雜性，如：噪聲干擾強、干擾信號時變性強、信號衰減大、信道容量小等。因此在該系統(tǒng)中，選擇由北京智源利和微電子技術有限公司設計開發(fā)的電力線載波調(diào)制芯片SC1128，其內(nèi)部邏輯結構圖如圖2所示。

　　該芯片專門針對中國低壓電網(wǎng)特性而設計，是一款適合中國低壓電網(wǎng)特性的數(shù)據(jù)傳輸專用芯片。由于采用了直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術，該芯片應用在電力線通信方面具有較強的抗干擾及抗衰減性能。該芯片采用CMOS技術設計的數(shù)?；旌蠈Ｓ秒娐罚瑧孟冗M的擴頻通信技術和調(diào)制解調(diào)技術，是面向低壓電力線低速率通信市場需要的專用擴頻Modem芯片。而且SC1128價位較低，可以為民用市場所接受。其電路內(nèi)部集成了擴頻器、DAC和ADC、輸出驅(qū)動器、輸入信號放大器、工作電壓檢測器、看門狗電路、串／并接口電路，使得該芯片在多功能小型系統(tǒng)應用中可以降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的性能。

　　SC1128芯片是采用CMOS技術設計的數(shù)／?；旌想娐?。其功能特點如下：

　?。?）直接序列擴頻技術，抗干擾能力強；

　?。?）發(fā)射信號分為兩種形式輸出：一種是經(jīng)D／A轉換器后正弦緩沖器輸出，諧波成份少；另一種以高壓開漏緩沖器輸出，應用成本低；

　?。?）輸入信號放大器，對輸入信號進行前置放大；

　　（4）內(nèi)置看門狗電路，監(jiān)視系統(tǒng)程序的工作狀態(tài)；

　?。?）內(nèi)置電壓監(jiān)測器，監(jiān)視電源電壓的變化，并及時向系統(tǒng)發(fā)出報警信號；

　?。?）內(nèi)置電子表電路（24小時制），滿足對不同時間段記費率的要求（支持掉電工作）；

　?。?）內(nèi)置串行半雙工同步傳輸通信接口，方便與MCU之間的控制命令和數(shù)據(jù)交換；

　?。?）63位擴頻碼，數(shù)據(jù)速率典型值為5．75 Kb／s；

　?。?）捕獲門限值從200～6 290由軟件設定；

　?。?0）內(nèi)置64×8 SRAM存儲器（支持掉電工作），為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)暫存；

　　（11）提供QFP-44線封裝形式（LQFP-44PIN）；

　?。?2）單+5 V電壓工作。

　　1．3 電力載波模塊與單片機的通信

　　SC1128第28腳為電路工作主時鐘的1／2的晶振輸出（其峰峰值約為4 V），近似正弦波；32腳為電壓監(jiān)測端；33腳為看門狗輸入端，正常工作時應該在768 ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳為看門狗輸出端，與33腳配合，正常時輸出低電平，否則輸出1／3占空比的復位脈沖；35腳與32腳配合，當電源信號低于監(jiān)測值時，輸出低電平，當高于監(jiān)測值，則輸出高電平；36腳為收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接收同步后產(chǎn)生同步脈沖信號，頻率隨工作主時鐘和周波的變化而變化；38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)；39腳為設置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設置時鐘輸入端；41腳為片選輸入端。SC1128與AT89C2051單片機的接口電路如圖3所示，SC1128與AT89S52單片機的接口電路可參照圖3，基本相同。

　　數(shù)據(jù)收發(fā)流程如下：

　　當主機處于發(fā)射狀態(tài)時，單片機將SR端（36腳）置高，SC1128芯片輸出同步脈沖（37腳），單片機通過TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　當從機處于接收狀態(tài)時，單片機將SR端（36腳）置低，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則發(fā)射同步脈沖（37腳），通過TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機。

　　2 軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件分為主機與從機兩部分。主機與從機流程圖如圖4，圖5所示。

　　主機通過RS 232或者USB與PC機通信，以便上網(wǎng)與Internet時鐘同步，系統(tǒng)將時間值保存在時鐘芯片PCF8563中，單片機每隔0．5 s從PCF8563中讀取一次數(shù)值，按照規(guī)定的格式及要求發(fā)給SC1128擴頻載波芯片，由SC1128擴頻載波芯片將數(shù)據(jù)調(diào)制到低壓供電網(wǎng)絡，進行廣播傳輸。從機單片機將電力線上加載的時鐘調(diào)制信號經(jīng)耦合電路耦合將數(shù)據(jù)送往輸入帶通濾波器濾波及前級放大電路進行放大，再由12腳進入SC1128擴頻載波芯片做進一步處理，根據(jù)通信協(xié)議解析出中央控制端發(fā)送的時間值并輸出顯示。為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘奶岣?，誤碼率的降低，數(shù)據(jù)需要重復發(fā)送3次。

　　主機和從機之間數(shù)據(jù)的交換采用的串行異步通信方式，基于通信協(xié)議，使用一個8位的unsigned char變量作為接收窗口。具體載波信號發(fā)射接收過程如圖6所示。

　　3 結語

　　本文介紹了電力線載波通信技術在同步電子鐘系統(tǒng)中的應用。利用了電力網(wǎng)絡本身的方便，實現(xiàn)了時鐘的中央控制。系統(tǒng)具有成本低、易實現(xiàn)，可靠性高等優(yōu)點，是一種性價比較高、新型的控制方式。系統(tǒng)既可同步運行又可獨立運行?，F(xiàn)在各種考試考場都需要掛鐘，此系統(tǒng)具有很好的應用價值。