以电力线作为载波信道的分布式单片机系统通信

 一、引　　言

    随着计算机通信的迅速发展,各种通信系统不断涌现。本文介绍一种利用编解码电路的可编址性及硬件查错功能,以电力线作为载波信道的分布式单片机系统通信方式,该系统具有信息传输稳定、可靠性高、抗干扰性和抗衰减性强、成本低的特点。

二、编解码芯片简介

    本系统的编解码电路所用芯片为ED5026 和ED5027 ,下面简单介绍这两种芯片。
    1. 编码电路芯片
    编码电路芯片ED5026 的管脚图如图2 所示,8条地址线A0～A7 ,可构成28 = 256 个地址码;4 位数据线D0 ～D3 ,当ED5026 的使能端TE 为低电平时,其8 位地址信息及4 位数据信息从OUT 脚串行发送出去。
    2. 解码芯片
    解码芯片ED5027 也具有A0 ～A7 8 条地址线。当解码芯片的8 条地址线的设定情况与IN 脚收到的地址信息和数据信息连续两帧完全相同时,解码输出标志VT 输出一由低变高的脉冲信号,同时将发送来的数据锁存在D0 ～D3 上。这样就可以利用硬件配合软件实现自动查错重发,使系统的通信具主机的编码器ED5026 的8 条地址线A0～A7 直接与单片机89C51 的低8 位地址线相连,主机可分别构成256 个地址,即可控制256 个分机。ED5026的数据线D0～D3 与锁存器74LS373 的输出端Q0 ～Q3 相连,锁存器的输入D0～D3 直接与89C51 的4 位数据线相连。TE 使能端由P3. 4 控制,当TE 为低电平时, ED5026 将从OUT 端串行输出地址及数据信息,经过电力线接口电路调制到电力线上,进行传输。在软件设计上必须先送出地址和数据信息,再使TE 变为低电平,以防数据尚未稳定就发送出,造成误码。
    (2) 主机接收电路
    主机接收电路如图3 上半部分所示。
    主机接收电路主要由解码芯片ED5027 完成,把解码器ED5027 的地址线A0 ～A7 接成固定地址,即为55H ,因此分机发送编码芯片的地址也必须为55H。当分机发送信息连续两帧相同时,在ED5027的状态输出端VT 将出现一个由低变高的脉冲,此信号反相后送到89C51 的P3. 2端口上,以使89C51 查有很高的可靠性。

三、收发电路的工作原理

    1. 主机收发电路原理
    (1) 主机发送电路
    主机发送电路如图3 下半部分所示。
    询此信号或产生中断,决定是否读取数据D0 ～D3 ,状态输出信号VT 仅在对方发出信号期间有效,与发送端TE 相对应。
    2. 分机收发电路原理
    (1) 分机接收电路
    分机接收电路原理如图
    主机发来的信号经电力线载波传输到分机解码电路ED5027 的输入端IN。分机地址由A0～A7 外接8 位DIP 开关,一共可形成256 个不同的地址码。主机发送的地址码与分机一致并连续收到两帧相同的信息时,状态输出端VT 出现正跳变脉冲,被分机查询或产生中断,读取数据D0 ～D3 ,收到主机发来的命令或数据。
    (2) 分机发送电路
    分机发送电路原理如图5 上半部分所示。分机发送的数据D0～D3 经89C51 的数据口P0. 0～P0. 3 输出,经锁存器锁存,数据稳定后,由P3. 4 发一低电平,使TE 有效,数据便从OUT 端输出。由于主机的收信地址为55H ,各分机的发信地址码也应为55H。 

四、电力线载波通信电路

    低压电力线载波通信的基本原理如图7 所示。发送数据时,发送机先将数据调制在一个高频载波再耦合至电力线上。因为耦合信号只有几伏,其载波为几百千赫兹的高频信号,所以不会对电力线路造成不良的影响。接收方则在电力线路中通过解调电路分离出原数据。
    1. 电力线调制解调器
    低压电力线是专为传输50 Hz 的工频电能而铺设的,故其特性较难直接满足载波通信的要求。这主要体现在2 个方面:一是电力网络的阻抗特性及其线路衰减,制约了信号的传输距离;二是电力线路上的噪音干扰,制约了信号的传输质量。因此为达到稳定通信的效果,在本系统中我们选用了欧洲ST公司的电力载波调制解调芯片ST7536。—ST7536芯片有28 个引脚; 属于半双工、同步的FSK MO2DEM ,它具有发送和接收2 种工作模式。由于在其内部采用了硬件数字滤波,因此对通信频带外的干扰有较好的抑制能力,而且其接收灵敏度和抗干扰能力都较高。
    2. 电力线接口电路
    电力线接口连接着ST7536 芯片和低压电力线,图8 是根据ENEL 规范设计的一种电力线接口电路。
    在发送模式下,电力线接口把来自ST7536 芯片ATO 的发送信号进行放大和滤波。缓冲区的作用是保护ST7536 ,并且驱动电力线接口中的下一个部件。低通滤波器(LPF) 的作用是抑制谐波。滤波后的信号被送入功率放大器,这个功率放大器通过转换器来驱动阻抗为1～100 Ω 的电力线。此外,放大器也进行频段滤波,来抑制发送信号的二次谐波。在接收模式下,转换器从电力线上取得信号,在预放大器中进行放大,再送给ST7536 的接收输入引脚RAI。这种模式下,为了避免功率放大器的低输出阻抗所造成接收信号的衰减,关闭缓冲器和功率放大器。

五、结束语

    用编解码集成电路构成的以电力线作为载波信道的通信系统,其抗衰减和抗干扰性能较强,造价较低,结构简单,同时可靠性和扩展性较高。

参考文献
[1 ] 　曹志刚,等. 现代通信原理[M] . 北京:清华大学出版社,1994.
[2 ] 　王立宁,等. MATLAB 与通信仿真[M] . 北京:人民邮电出版社,2000.
[3 ] 　朱明珏,张福民. 电力线MODEM芯片ST7536[J ] . 单片机与嵌入式系统应用,2001 , (7) .