FSK電力線載波通信實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)六 FSK電力線載波通信實(shí)驗(yàn) v一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解單片機(jī)在通信中的應(yīng)用。2、了解大規(guī)模集成電路的電路組成及工作原理。3、理解FSK的工作原理。v 二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求v1、復(fù)習(xí)通信系統(tǒng)原理中有關(guān)FSK的內(nèi)容。v2、認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟。v3、預(yù)習(xí)有關(guān)單片機(jī)的原理及應(yīng)用。 三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理 v利用電力線路來傳輸通信信號，不需額外布線，降低了布線及施工成本，因而在某些應(yīng)用上具有潛在的價值，如在家庭自動化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等應(yīng)用場合。v由于電力線上的干擾及噪聲相當(dāng)大，線路阻抗很不穩(wěn)定，信號傳輸損耗大，要利用電力線實(shí)現(xiàn)有效和可行的通信有相當(dāng)?shù)碾y度。為此

2、，國外某些廠商開發(fā)了一些專用的電力線載波MODEM芯片，其采用的調(diào)制方式既有以FSK方式為主的窄帶調(diào)制方式，也有以擴(kuò)展頻譜技術(shù)為基礎(chǔ)的寬帶調(diào)制方式。ST7536就是意法半導(dǎo)體公司（SGSTHOMSON）開發(fā)的一種以FSK方式工作的專用于電力線載波通信的MODEM芯片。v1、ST7536工作原理 v 芯片主要特點(diǎn)：v半雙工同步FSK MODEM 600bps速率，二個可編程信道 1200bps速率；二個可編程信道v自動調(diào)諧接收和發(fā)信濾波器v發(fā)信頻率同步于外接晶振v發(fā)信信號電平自動控制v接收靈敏度： 2mVRMS(600bps) 3mVRMS(1200bps)v接收時鐘恢復(fù)電路vPOWERDOWN

3、（低功耗）模式v管腳說明：管腳名稱管腳號碼功 能 描 述Rx/Tx1接收或發(fā)送模式選擇輸入端RESET2邏輯復(fù)位和低功耗模式選擇端，低電平有效。TEST43測試輸入選擇端。高電平時選擇發(fā)信濾器的輸入為TxF1端TEST34測試輸入端，當(dāng)TEST1為高電平時，選擇本腳為時鐘恢復(fù)電路的輸入端RxD5同步接收數(shù)據(jù)輸出端CLR/T6接收或發(fā)送時鐘（由工作模式?jīng)Q定）RxDEM7解調(diào)數(shù)據(jù)輸出端DGND8數(shù)字地DVDD9數(shù)字正電源：5V5TEST110測試輸入選擇端，高電平時取消發(fā)送至接收模式的自動切換功能，并使TEST3輸入有效。TEST211測試輸入選擇端，高電平時壓縮發(fā)送至接收模式的自動切換時間。Tx

4、D12發(fā)送數(shù)據(jù)輸入XTAL213晶振輸出XTAL114晶振輸入CHS15信道選擇輸入BRS16波特率選擇輸入AFCF17可用于相連補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的自動頻率控制信號輸出DVSS18數(shù)字負(fù)電源：5V5IFO19中頻濾波輸出DEMI20FSK解調(diào)輸入AVSS21模擬負(fù)電源：5V5AGND22模擬地AVDD23模擬正電源：5V5RAI24模擬信號接收輸入RxFo25接受濾波器輸出TxFI26發(fā)送濾波器輸入（TEST4為高電平時選擇）ALCI27自動電平控制輸入ATO28模擬信號發(fā)送輸出v發(fā)送部分：v 置Rx/0時芯片為發(fā)送模式，當(dāng)Rx/保持低電平超過3ms時，芯片自動進(jìn)入發(fā)送工作模式。再次激活發(fā)送模式時需要

5、Rx/回到高電平并至少保持3ms的時間，然后再置Rx/為0電平。v 在發(fā)送模式時，發(fā)送數(shù)據(jù)（TxD）在決定波特率的時鐘信號CLR/T的上升沿被采樣（圖6-1）。采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入FSK調(diào)制器，F(xiàn)SK調(diào)制器代表0、1數(shù)據(jù)的二個基本載頻由波特率選擇管腳（BRS）和信道選擇管腳（CHS）共同決定，見表1CLR/TTXDDATA VALID圖6-1 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入定時v表1： BRSCHSBaud Rate(Baud)TxFrequencies(KHz)TxD=1-TxD=00060081.75-82.350160067.2-67.810120071.4-72.611120085.95-87.15由于這些頻率

6、同步于11.052MHz的晶振，頻率精度與晶振的頻率精度一樣。 為了限制頻譜和降低信號中的諧波成分，來自FSK調(diào)制器的已調(diào)信號再由開關(guān)電容帶通濾波器（發(fā)送帶通濾波器，即Tx BAND-PASS）進(jìn)行濾波。 圖6-2 ST7536 內(nèi)部方框圖v 發(fā)送通路的輸出級包括一自動電平控制（ALC）系統(tǒng)，它使得模擬發(fā)送輸出信號（ATO）的幅度與線路阻抗的變化無關(guān)。本ALC系統(tǒng)是帶有32個離散增益值的可變增益控制系統(tǒng)，由模擬反饋信號ALCI控制（見圖63）。VT1VT2Low GainCorrect GainHigh GainCorrect GainALC CLOCK34.7us104.2us圖6-3v接收

7、部分：v 置Rx/=1時芯片工作于接收模式。波特率和信道的選擇同樣也由表1決定。加于RAI與公共端0V間的接收信號經(jīng)開關(guān)電容帶通濾波器（接收帶通濾波器，Rx band-pass）濾波，濾波器的中心頻率為接收信號的中心頻率，其帶寬約為6KHz。RAI的輸入電壓范圍為2mVRMS至2VRMS。v接收濾波器的輸出經(jīng)一增益為20dB的放大器放大，該級放大器還同時對大信號提供限幅作用。經(jīng)放大限幅后的信號送入混頻器進(jìn)行下變頻，混頻器的同步本振信號由FSK調(diào)制功能提供。最后，混頻器的輸出經(jīng)一中頻帶通濾波器（IF band-pass）濾波，以提高解調(diào)器前信號的信噪比。中頻帶通濾波器的中心頻率與BRS有關(guān)，當(dāng)B

8、RS0時，其中心頻率為2.7KHz，當(dāng)BRS=1時，其中心頻率為5.4KHz。中頻帶通濾波器的輸出（IFO）通過一外接耦合電容（1F10%,10V）耦合到FSK解調(diào)器的輸入（DEMI），以消除接收通道的偏置電壓。v時鐘恢復(fù)電路從解調(diào)器輸出(RxDEM)提取接收時鐘（CLR/T），并在CLR/T的上升沿送出解調(diào)輸出同步數(shù)據(jù)。CLR/TTXDDATA VALID圖6-4v 附加的數(shù)字和模擬功能：v由復(fù)位輸入（RESET）來初始化芯片。當(dāng)RESET0時，置芯片于低功耗模式并復(fù)位內(nèi)部邏輯。當(dāng)RESET 1時，激活芯片。v 時基部分通過晶振（11.0592MHz）產(chǎn)生內(nèi)部所需的各種時鐘。晶振接于管腳XT

9、AL1和XTAL2間，并需要外接兩電容以保證晶振正常工作。電容值與晶振特性有關(guān)，典型值為22pF10%。也可將時鐘信號直接加于管腳XTAL1上。v 自動頻率控制（AFC）模塊調(diào)節(jié)接收和發(fā)送濾波器的中心頻率到載波工作頻率。AFC環(huán)路的穩(wěn)定性由連接于管腳AFCF上的C1（470nF10，10V）、C2（47nF10，10V）和R1（1.5K）構(gòu)成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來保證。 圖6-5 自動頻率環(huán)路濾波器 v測試特性：v附加的放大器允許在管腳RxFO上觀察接收帶通濾波器的輸出。v當(dāng) TEST41 時，腳RxFO直接輸入發(fā)送帶通濾波器被選擇和允許。v當(dāng) TEST21 時，發(fā)送到接收的自動轉(zhuǎn)換延時由3秒縮至1.4

10、8ms。v當(dāng)TEST11時，發(fā)送到接收的自動轉(zhuǎn)換模式無效，電路的功能模式 由Rx/控制，方式如下：當(dāng)Rx/0時，電路連續(xù)發(fā)送，當(dāng)Rx/1時，為便于測試時鐘恢復(fù)模塊與FSK解調(diào)模塊的連接斷開，此時TEST3為時鐘恢復(fù)模塊的輸入端，RXDEM跟隨TEST3，RxD送出重新同步的數(shù)據(jù)。v2、實(shí)驗(yàn)電路原理說明v 電力線載波通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成原理框圖如下圖所示，它由ST7536、微控制器（MCU）和電力線接口（PLI）等組成。詳細(xì)原理圖見圖6-6。ST7536 PL1ControllerPLIST7536ControllerData-transmission over POWERLINE 圖6-6 電力

11、線載波通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖微控制器（MCU）U4采用了美國國家半導(dǎo)體公司COP系列單片機(jī)COP87L84EGN，它主要功能是完成對ST7536收發(fā)狀態(tài)的控制、發(fā)送數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、接收數(shù)據(jù)的處理及電力線接口（PLI）中功放電源的開啟及關(guān)閉等功能。另外，微控制器通過RS232C接口芯片U5（MAX232）可實(shí)現(xiàn)與個人電腦（PC）的連接，即通過本實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)PC之間的電力線載波通信（由條件所限，本實(shí)驗(yàn)暫不開通此項(xiàng)功能）。v 在實(shí)驗(yàn)裝置中，微控制器的工作狀態(tài)由撥動開關(guān)SW1控制，如表2：v表2：SW1-1SW1-2SW1-3SW1-4MCU工作狀態(tài)offXXX接收狀態(tài)（控制ST7536工作于收態(tài)）onoff

12、offX控制ST7536發(fā)固定“0”碼onoffonX控制ST7536發(fā)固定“1”碼ononoffX控制ST7536發(fā)“0”、“1”交替碼onononX控制ST7536發(fā)偽隨機(jī)碼v ST7536的波特率和信道選擇由撥動開關(guān)SW2控制，如表3：v表3:SW2-1(CHS)SW2-2(BRS)波特率 發(fā)送頻率(KHz)TxD=1-TxD=0offoff60081.75-82.35onoff60067.2-67.8offon120071.4-72.6onon120085.95-87.15v在發(fā)送模式，接口放大和濾波來自ST7536的發(fā)送信號(ATO)。ATO能提供的最大輸出電流僅為1mA，因而接口中

13、用一緩沖器(BUFFER)來保護(hù)ST7536并驅(qū)動下級電路。來自ST7536的發(fā)送信號中的二次諧波為53dB，為了進(jìn)一步抑制諧波，接口中用了一低通濾波器（LPF）。經(jīng)濾波后的信號送入功放，通過一耦合變壓器，功放能驅(qū)動1100的阻抗。耦合變壓器不僅用于將信號送上電力線，它也作為工作于諧振選頻方式下的帶通濾波器，以抑制諧波至72dB以下。v電力線接口(PLI)連接ST7536到電力線上，框圖如圖6-7：v緩沖器（BUFFER）、低通濾波器（LPF）功放的構(gòu)成框圖如圖6-8：圖6-7 電力線接口(PLI)框圖圖6-8 緩沖器（BUFFER）、低通濾波器（LPF）功放構(gòu)成框圖 v 上圖中，推挽功放（P

14、USHPHLL AMPLIFER）由Q5、Q6、Q7、Q8等組成，利用反饋網(wǎng)絡(luò)（R11、C16）的頻率特性形成通路的低通濾波特性，詳見電原理圖，另外，PLI中發(fā)送通路（緩沖器、低通濾波器、功放）的工作電源是通過由Q1、Q2、Q3、Q4組成的電子開關(guān)提供的，開關(guān)的開啟和關(guān)閉由單片機(jī)控制。v 在接收模式，耦合變壓器從電力線上耦合進(jìn)信號。在將信號送到ST7536的接收端（RAI）之前，經(jīng)預(yù)放放大和帶通濾波器濾波以提高接收靈敏度信噪比。預(yù)放由U3:A等元件組成，帶通濾波器由U3:B、R22、R23、R25、C25、C26組成，濾波器的輸出經(jīng)R18、Z3、Z4組成的限幅器送入ST7536的接收端（RAI

15、）。v 在接收模式，緩沖器和功放被關(guān)閉，以免功放的低阻抗對接收信號造成衰減。 三、實(shí)驗(yàn)儀器三、實(shí)驗(yàn)儀器 v雙蹤同步示波器 40MHz 1臺v直流穩(wěn)壓電源 +5V -5V 1臺vFSK電力線載波通信實(shí)驗(yàn)箱 1臺v數(shù)字頻率計 測量頻率范圍 50Hz10MHz 1臺v萬用表 1臺 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 v特別提醒：特別提醒：v實(shí)驗(yàn)分調(diào)制及發(fā)送部分測試和接收及解調(diào)部分測試。在做調(diào)制及發(fā)送部分測試實(shí)驗(yàn)時，勿將P2插頭插上電力線，以確保實(shí)驗(yàn)人員的安全。在做接收及解調(diào)實(shí)驗(yàn)時，需將P2插頭插上電力線以接收來自電力線上的信號，此時耦合變壓器TR1的初級C19、R16上帶有交流220V電壓，切勿接觸！v在連接

16、電源和實(shí)驗(yàn)箱之前，一定要先確認(rèn)二組電源的電壓極性和電壓值正確，在確認(rèn)完全無誤之前不允許將實(shí)驗(yàn)箱和電源連接，另外在連接實(shí)驗(yàn)箱和電源時請務(wù)必關(guān)斷電源開關(guān)。v （一）裝置的發(fā)送功能測試v將P2與電力線斷開，接上5的負(fù)載（不接也可以）。檢查穩(wěn)壓電源與實(shí)驗(yàn)裝置連接是否正確，開啟穩(wěn)壓電源。v 1、發(fā)送數(shù)據(jù)位同步時鐘及波特率切換功能測試v 將撥動開關(guān)SW1置如下狀態(tài)：SW11為on, SW12為on，SW13為off，即使MCU控制ST7536處于發(fā)送0、1交替碼狀態(tài)。v 置撥動開關(guān)SW2的SW22為off（SW21不管），用示波器觀測測試點(diǎn)TP1的波形（ST7536產(chǎn)生并提供的數(shù)據(jù)位同步信號），并用頻率計

17、測定該信號的頻率，用示波器觀測測試點(diǎn)TP2的波形（MCU提供的發(fā)送數(shù)據(jù)）并用頻率計測定該信號的頻率。記錄信號的波形及頻率值，并注意兩信號的相位關(guān)系及頻率關(guān)系。v置撥動開關(guān)SW2的SW22為on，用示波器和頻率計作與以上相同的測試和記錄，并注意測試結(jié)果的變化。v 2、發(fā)送通路基本參數(shù)的測試v置撥動開關(guān)SW2的SW21為off，SW22為off，即ST7536工作在1信道。v置撥動開關(guān)SW1的SW11為on，SW12為off，SW13為off，即MCU使ST7536工作在發(fā)固定“0”碼（此時TP2點(diǎn)的信號為固定低電平），用示波器觀測TP4點(diǎn)信號（發(fā)送信號）的波形并對信號的幅度作出記錄，用頻率計測出

18、信號的頻率。v 置撥動開關(guān)SW1的SW11為on，SW12為off，SW13為on，即MCU使ST7536工作在發(fā)固定“1”碼（此時TP2點(diǎn)的信號為固定高電平），用示波器觀測TP4點(diǎn)信號（發(fā)送信號）的波形并對信號的幅度作出記錄，用頻率計測出信號的頻率。v 同理，對其余3個信道的發(fā)信號信號參數(shù)進(jìn)行測量并作出記錄，并將結(jié)果填入下表。信道號SW2開關(guān)位置SW22 SW21發(fā)“0”信號參數(shù)頻率（KHz）峰值（V）發(fā)“1”信號參數(shù)頻率（KHz）峰值（V）1off off2off on3 on off4 on onv（二）裝置的接收功能測試v 做本實(shí)驗(yàn)時，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師控制某一實(shí)驗(yàn)裝置處于發(fā)送交替“0”、“1”碼或偽隨機(jī)碼，學(xué)生用實(shí)驗(yàn)裝置處于接收狀態(tài)。v調(diào)整撥動開關(guān)SW1的SW11為off，使MCU控制ST7536處于接收狀態(tài)，調(diào)整撥動開關(guān)SW2的SW2-1、SW22為on，使ST7526工作于4信道。撥掉連在P2插口上的5負(fù)載，通過連線將P2接在交流220V電源上。實(shí)驗(yàn)中不要接觸帶有交流實(shí)驗(yàn)中不要接觸帶有交流220V器件器件的帶電部分！的帶電部分！v1、“0”、“1”交替碼的解調(diào)接收v發(fā)信實(shí)驗(yàn)板處于發(fā)送交替“0”、“1”碼狀態(tài)（指導(dǎo)教師控制）。v用示波器測試TP