1 引言

電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。由于使用已廣泛存在的電力線作為通信信道，無需特殊維護(hù)信道，使得工程造價(jià)大幅度下降。該技術(shù)大量運(yùn)用在路燈控制，電力線防盜，惡劣環(huán)境通信等需要長距離，多節(jié)點(diǎn)的情況。但由于國內(nèi)電網(wǎng)的復(fù)雜性與多樣性，比如當(dāng)居民用電高峰時(shí)，大量負(fù)載不斷的接入與斷開，都會(huì)對載波信號(hào)產(chǎn)生不同程度的衰減與干擾作用；當(dāng)載波信號(hào)調(diào)制在電力線上時(shí)，在每個(gè)交流周期的峰值點(diǎn)，產(chǎn)生的固定脈沖，極易使信號(hào)丟失；而且現(xiàn)有的電力載波模塊售價(jià)較高，需要高性能的單片機(jī)支持。因此電力載波還需要大量的研究，才能實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用［1～2］。

本文研究目的是在使用一般的單片機(jī)下，采用FSK的調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力載波通信，并優(yōu)化算法，提供函數(shù)接口，使電力載波通信更易使用，并能保證通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性在96%以上。

　2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要完成的功能是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)以FSK調(diào)頻方式調(diào)制信號(hào)，通過推挽輸出電路將載波信號(hào)耦合在電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸。而處于電力線另一處節(jié)點(diǎn)，則通過檢波輸入電路，功率放大電路以及軟件的算法處理，將載波信號(hào)還原成原信號(hào)，校驗(yàn)后，通過串口發(fā)送給另一臺(tái)上位機(jī)。信號(hào)輸出和輸入皆提供函數(shù)接口，用于用戶工程的后續(xù)開發(fā)［3］。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體軟件流程圖

在單片機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，對各個(gè)定時(shí)器，I\O口以及系統(tǒng)時(shí)鐘完成初始化之后，會(huì)等待5s，然后檢測對應(yīng)的波特率選擇I\O口以及電力載波模式選擇I\O口，完成所有的初始化。當(dāng)程序開始正常運(yùn)行后，單片機(jī)會(huì)不斷接收串口信號(hào)和電力載波信號(hào)，并將接收到信號(hào)校驗(yàn)后轉(zhuǎn)發(fā)出去。

圖2 系統(tǒng)整體軟件流程圖

3.2 電力載波模式的選擇

不過零模式主要運(yùn)用在直流或無壓狀態(tài)下，而過零模式主要運(yùn)用在交流狀態(tài)下。由于居民使用的交流電都為50Hz頻率，即在每一個(gè)周期內(nèi)，都會(huì)出現(xiàn)一次峰峰值與峰谷值，而這兩次峰值對載波通信傳輸來說會(huì)有兩次較大的脈沖干擾，即電力線上存在著固定的100Hz的脈沖干擾。除此之外，各次諧波還會(huì)出現(xiàn)200Hz或者300Hz等的脈沖干擾。而正是由于這些固定存在的干擾，系統(tǒng)在交流狀態(tài)下必須選在在電壓過零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行電力載波通信，即此時(shí)各次諧波在過零點(diǎn)時(shí)電壓也為 0，從而避免固定脈沖的干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性［4］。

如下圖3所示，在過零模式下，由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50Hz的觸發(fā)脈沖，上位機(jī)以10ms的周期發(fā)送數(shù)據(jù)0xaa時(shí)，檢測信號(hào)耦合的輸出端。載波信號(hào)會(huì)在每次過零時(shí)傳輸，當(dāng)該次未能成功檢測到過零點(diǎn)時(shí)，則等待下次重新檢測到過零點(diǎn)時(shí)繼續(xù)傳輸。而每次傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，加上校驗(yàn)位和起始位，每次傳輸?shù)臅r(shí)間約為1ms。

圖3 過零模式實(shí)際測量圖

3.3 采用FSK方式發(fā)送載波信號(hào)

為了能使載波信號(hào)傳輸過程中具有較好的抗噪聲與抗衰減的性能，采用FSK（Frequency-shift keying）數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由單片機(jī)PWM模塊提供100k和120k的載波頻率，可以使信號(hào)切換更加方便。

FSK 調(diào)頻技術(shù)，即二進(jìn)制頻移鍵控由幅度恒定不變的載波信號(hào)的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音，代表二進(jìn)制的0和1）。在本系統(tǒng)中，采用120k 的載波頻率代表0，100k的載波頻率代表1。為了讓每一位信號(hào)切換之間減少相位的不連續(xù)，同時(shí)發(fā)送足夠多的信號(hào)以便檢波輸入端采集，選定每一位信號(hào)的發(fā)送時(shí)間為100ms。即在120k下會(huì)發(fā)送12個(gè)方波，100k下會(huì)發(fā)送10個(gè)方波，這樣1和0的切換之間就不會(huì)有多余的波形。

由于在電力線一側(cè)有大電容的存在，在每一次進(jìn)行電力線傳輸之前，會(huì)先發(fā)送一位0，作為起始位。否則，第一位的數(shù)據(jù)耦合時(shí)易受到電容充放電的影響，會(huì)有很大的誤差存在。

3.4 采用多次比較方式采集載波信號(hào)

當(dāng)單片機(jī)的定時(shí)器采集到第一次信號(hào)輸入時(shí)，即產(chǎn)生中斷，并開啟100ms定時(shí)器，記錄下當(dāng)前中斷定時(shí)器的值，繼續(xù)采集信號(hào)。直到采集到七次中斷后，關(guān)閉中斷定時(shí)器。計(jì)算每次中斷之間的時(shí)鐘數(shù)，即算出該信號(hào)的頻率，當(dāng)其在100kHz左右時(shí)，1的標(biāo)志位加1，當(dāng)其在120kHz左右時(shí)，0的標(biāo)志位加1，最后判斷該位的數(shù)值。在100ms定時(shí)器溢出時(shí)，重新開啟中斷定時(shí)器，開始接受下一位數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)接收完成。若是中斷定時(shí)器在100ms內(nèi)一直未能中斷，直到溢出，則清除接收到的數(shù)據(jù)，重新等待信號(hào)輸入。

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