DSP控制的電力線通訊類比前端介面設計

DSP控制的電力線通訊類比前端介面設計

[日期：2008-7-11]

來源：電子產品世界  作者：裝甲兵工程學院 陳建明

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引言

　　隨著電子技術和網路技術的發展，運用電力線作為載體進行訊號傳輸受到人們越來越多的重視，得到了越來越廣泛的應用。電力線是當今最普通、覆蓋面最廣的一種物理媒介，由其構成的電力網是一個近乎天然的物理網路。如何利用電力網的資源潛力，在不影響傳輸電能的前提下，將電力輸送網和通訊網合二為一，使之成為繼電信、電話、無線通訊、衛星通訊之後的又一通訊網，是多年來國內外科技人員技術攻關的一個熱點。電力線載波通訊就是在這種背景下產生的，它以電力網作為通道，實現資料傳遞和資訊交換。電力線作為載波訊號的傳輸媒介，是唯一不需要線路投資的有線通訊方式。

　　作為通訊技術的一個新興應用領域，電力載波通訊技術以其誘人的前景及潛在的巨大市場而為世界關注。我國從上世紀50年代開始從事電力線載波通訊技術的研究。90年代以後，電力線載波技術的需求隨著我國經濟的發展進一步擴大。目前，該技術開始應用於家居自動化、遠程抄表、寬頻上網等領域。專家介紹，在一些幹擾大、布線困難的工業領域若要實現自動化控制，採用電力載波通訊方式能達到事半功倍的效果，因此，電力網又被喻為“未被挖掘的金山”。

　　實現電力線載波通訊的方法有很多，通常利用一個專用通訊晶片實現系統的調製解調部分，而系統的應用部分則使用另一個控制器來完成，這種雙片法是一種不錯的選擇。隨著數字訊號處理技術的發展，可以合二為一，一個進階的DSP控制器可以實現電力線數據機的功能。DSP控制器可以在軟體上實現數據機功能，用片上外設在電力線上通過類比終端介面,來實現接收和發送。

　　本文敘述的是一個遵從CEA709[1]協議,使用定點DSP控制器（TMS320LF2812）,從軟體和硬體上來實現電力線數據機的系統。文中描述了類比終端具體的設計方法,而這個終端對穩定的收發運行過程來說是必要的。

　　1 基於CEA709協議的系統架構

　　圖1為ANSI/CEA709協議標準的物理框圖。該協議的詳細說明可見參考文獻[1]。

圖1 CEA709協議物理層框圖

　　在軌道交通、網路能源管理、智能樓宇、暖通空調、煤礦安全、能源和環境管理等領域應用廣泛的控制網路平台LonWorks成為中國國家標準指導性技術檔案。全球的樓宇、家庭、工業和運輸自動化業目前大量採用了基於LonWorks平台。LonWorks平台是世界上最大住宅智能電錶網路的核心技術平台，被瑞典、荷蘭和澳大利亞等國家的住宅和小型商業電錶的智能表所採用，而運行在此平台上的協議是美國控制網路標準ANSI/CEA709。目前，已有越來越多的中國生產廠和整合商採用了ANSI/CEA709協議標準，例如在青藏鐵路——世界上最長的高海拔鐵路列車上，利用LonWorks技術平台，採用ANSI/CEA709協議用於技術監測和控制各種系統，包括監測最先進的旅客用供氧系統。

　　對於圖1中的CEA709物理層框圖，用DSP來實現CEA709數據機功能的系統框圖2所示。DSP（TMS320F2812）具有150MIPS的計算能力,訊號採集使用一個12位片上模/數轉換器,其轉換速度為12 Msps，DSP提供多PWM來適應電力線數據機。

圖2 系統框圖

　　2個片上PWM輸出和1個線磁碟機用於實現數據機的發送功能。一個A/D輸入用來採樣帶通輸入連接埠訊號,以此來實現數據機的接收功能，帶通濾波器實際上是一個離散濾波器。它們和交流阻塞電容、耦合變壓器一起完成介面的類比前端設計。

　　下面主要介紹類比前端介面的設計過程。

　　2 類比前端及介面的實現

　　CEA709通訊系統以131.579 kHz載波頻率來定義，每個傳輸資料位元由載波頻率正弦波上24個周期組成，因此傳輸速率為5.5kbps。每個位段的相位可以設為0°而使該位置0,也可以設為180°來使該位置1。

　　2.1 訊號接收

　　首先去除耦合網路中的50/60 Hz電力線電壓,然後再用一個二階有源帶通濾波器濾出訊號，可以檢測到131.5kHz的調頻訊號。這個濾波器是通過一個運算放大器來建立的。帶通濾波器的輸出由DSP的模/數轉換器的一個通道採樣，訊號採樣序列由FIR濾波器處理，同時,這個濾波器的輸出用來進行時鐘恢複和資料檢測。

　　採樣得到的是115 kHz的接收訊號，它是載波頻率的（21/24）倍。這個訊號在131.5 kHz至中頻16.5kHz的範圍內向下採樣,然後用採樣頻率時鐘與輸入載波正弦訊號混合相乘,兩個正弦波相乘的結果產生兩個正弦波頻率的“和”與“差”的合成訊號，3所示。

圖3 採樣後的頻率效應

　　運行時,DSP在每個ADC採樣轉換完成後都會產生一個中斷，然後每個採樣訊號就和數字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環)輸出比較,來估計接收到的訊號的相位。在頻率5.5kHz下,相位是確定的。如果相位小於±90°,那麼就假定接收到的是“0”訊號,否則就是“1”訊號。

　接收的位序列和已知的“位同步”域進行比較,當位同步資料接收到之後,數據機就開始搜尋“字同步”域。字同步資料標誌著訊息資料的起始,同時也定義了訊息資料的極性。當包的資料確定後, 11位碼字解碼為8位的資料位元組，接收位元組的校正位和通過計算得到的校正位進行比較，資料從物理層傳送到MAC層。然後接收資料進行CRC校正比較,正確資料從資料連結層傳輸到網路層。

　　2.2 相位檢測

　　為了檢測發送訊號的“0”或“1”, 中頻訊號16.5kHz的相位是離散的接收訊號值的形式。首先需要用接收的採樣訊號驅動一個數字鎖相環，當這個鎖相環的輸出被接收的訊號同步地鎖住後,鎖相環和接收訊號之間的複數相位的估算是由鎖相環調製產生的。複數相位的實部是餘弦和,當接收到“0”訊號時，它是一個很大的正數值；相反接收到“1”時,它就是一個大的負數。複數相位的虛部是正弦和。它代表了相位有偏差,並反饋給鎖相環來調整正弦輸出,以跟蹤接收的訊號。

圖4 接收訊號處理框圖

　　圖4為完整的接收訊號的處理框圖。為了提高系統的穩定性,加上了一個自動增益控制模組(Automatic Gain Control，AGC)。它是通過偵測接收訊號的平均大小來接收訊號的。

　　2.3 訊號發送

　　在該應用中,發送訊號通過DSP控制器的片上PWM（脈寬調製模組）直接產生。每一位定義有24個周期，因此PWM控制器允許運行24個周期；而後,根據下一個發送位的極性,通過一個中斷來重新給PWM輸出賦值。欲發送的訊息資料從應用程式層依次輸送到會話層、傳輸層、網路層、資料連結層,然後到達物理層,形成發送波形。在資料連結層時,訊息資料的CRC字經計算後附加給資料，物理層確定通道是否可用，然後把資料發送出去。

　　2.4 PWM產生發送波形

　　三級訊號波形是通過把DSP控制器的兩個PWM輸出相加得到的，然後該波形由低通濾波器產生一個正弦波。與標準的二級方波相比,三級波形的奇次諧波能量要小很多,不同的脈衝寬度會產生不同的諧波頻率。為了將濾波器需要清除的諧波減到最小,需要確定最佳的脈衝寬度。從下式對稱脈衝的傅裡葉級數公式,可以找到這個寬度。式（1）中T代表基波頻率周期,ω代表脈衝寬度。

　　那麼，總的諧波失真THD可用下式表達：

　　對式（2）求最小的總諧波失真,則最佳脈寬大約是周期T的37%；然而,這還沒有考慮到低通濾波產生的影響。如果用二階低通濾波器,將會得到不同的結果。在類比時，二階低通濾波器的Q設定為2.3。如果Q很大,THD會更好,但是會造成碼間幹擾，因此,最好是把正負數字脈寬設為脈衝周期的1/3長,將低通濾波器角頻率和數字脈衝序列的頻率設定成相同。1/3脈寬可以通過使用12倍於發送波形頻率的定時時鐘訊號來獲得，5所示。通過使用1個類比電路,將2個數字訊號相加,而後低通濾波器濾掉諧波,就可以從PWM輸出獲得正弦波。

圖5 三級波形結構

　　2.5 發送放大器設計

　　發送放大器由SallenKey濾波器決定，發送低通濾波放大器6所示。這個電路的傳輸函數如下：

圖6 發送低通濾波放大器

　　這裡，R1=kR,R2=R,C1=C,C2=aC。假設放大器增益為2,則vout可以表示如下：

　　Q最大時濾波器的峰值最大，而當商數k/(1+k)為1時Q最大。

　　因此圖6中SallenKey濾波器中的電阻R1和R2一般相等，Q根據電容的比值來確定。發送放大器有2個輸入端，2個輸入訊號是從處理器的PWM輸出端中的訊號過濾而來。放大器發送頻率的峰值越大,諧波頻率中的相對衰減也越大，因此，希望電阻R1、R2、R3的並聯組合與R4電阻相等,以此來獲得一個較大的Q值。

　　若定義R4=R，則：

　　此外,定義衰減因素k為：

　　然後,能根據R和k來定義電阻值：

　　定義電容為C1=C,C2=aC,根據A、k、a、R和C，發送放大器的傳輸函數如下：

　　其中：

　　給定Q,電容比率為：

　　若放大器增益A=2,且取a的較小解,則

　　最後,s=0,傳輸函數增益為：

　　這樣,就求得了所有定義發送放大器組件的參數，通過以上的參數可以開發數據機類比終端。

　　3 結論

　　本文只對電力線數據機的硬體設計過程進行了描述，軟體設計主要是根據CEA709協議的要求通過DSP來完成的。在設計和實現中還有許多關鍵技術問題需解決，因篇幅所限未作詳細說明。這個基於單一定點DSP控制的數據機硬體系統在各種電力條件下進行檢測，其功能較穩定和可靠，正應用於智能家居的系統中。

　　參考文獻

　　[1] ANSI/EIA/CEA709.1B2000 Control Network Protocol Specification[OL]. [20070512].http://www.lonmark.org/products/guides.htm#lontalk.

　　[2] Warren Webb. Thinking inside the box: Buildings get a brain[J]. EDN,2005(7):49-57.

　　[3] Texas Instruments TMS320F2812 Data Manual[OL].[20070810].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f2812.pdf.

　　[4] Digital Addressable Lighting InteRFace Activity Group (DALI AG) of ZVEI, Division Luminaires Stresemannallee 19, D60596 Frankfurt am Main, Germany[OL].[20071020]. http://www.daliag.org/.

　　[5] MATLAB is a product of The MathWorks[OL]. [20071020].http://www.mathworks.com/.

　　[6] 宦若虹，金向東. 基於OFDM的電力線通訊系統的Matlab模擬[J]. 現代電子技術，2006,29(1):129-131.

　　[7] Zimmermann M,Dostert K. A Multipath Model for the Power Line Channel[J]. IEEE Trans.Commun.2002,50(4):553-559.

　　[8] Zimmermann M,Dostert K.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broadband Power Line Communications[J]. IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility,2002,44(1):249-258.