消費總線電力線接口電路的設(shè)計

1、消費總線電力線接口電路的設(shè)計    摘要：在介紹消費總線物理層技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，給出了P89C51RD2單片機與P300/P111構(gòu)成的電力線掃頻載波通訊模塊的設(shè)計方案，重點論述了通訊模塊電力線接口電路設(shè)計中所涉及的濾波電路、放大電路、耦合電路及其保護措施。     關(guān)鍵詞：電力線載波 消費總線智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（總線）實現(xiàn)互聯(lián)、互操，總線協(xié)議是其精髓所在。目前，國際上占主導(dǎo)地位的家庭網(wǎng)絡(luò)標準有：美國的X101、消費總線（CEBus）2、日本的家庭總線（HOME BUS）3、歐洲的安裝總線(EIB)4。 &

2、#160;  消費總線使用五種類型的介質(zhì)(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜)，其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。消費總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持，1992年成為美國電力工業(yè)協(xié)會的標準（EIA600、EIA721）。1997年，EIA600成為美國ANSI標準；2000年6月，微軟和CEBus委員會共同宣布支持CEBus的簡單控制協(xié)議SCP。SCP是未來微中UPNP協(xié)議的子集。1 CEBus電力線物理層鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性，CEBus采用價格低廉、簡單易行的線性調(diào)頻（ch

3、irp）擴頻調(diào)制技術(shù)。摒棄了傳統(tǒng)電力線載波通常應(yīng)用的直接序列擴頻、調(diào)頻擴頻、跳時擴頻等設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴的擴頻調(diào)制技術(shù)。圖2 通用通訊模塊的原理圖消費總線的物理層有四種碼，分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號，正弦信號載波，從203kHz經(jīng)過19個周期線性地變?yōu)?00kHz，再經(jīng)過1個周期變?yōu)?00kHz，然后在5個周期中變?yōu)?03kHz，整個過程用時100s，也就是1個UST(Unit symble time，在消費總線中用多少個UST來度量時間)。其波形如圖1所示。    chirps掃頻載波需經(jīng)過放大耦合到電力線上，放大后的幅度應(yīng)適中

4、。幅度太低，給接收電路帶來困難；幅度太大，又會對電力線上的設(shè)備產(chǎn)生干擾。CEBus的規(guī)定如表15所示。表1 不同條件下的載波幅度值設(shè)備工作電壓最小幅值最大幅值負載范圍120V2.5Vpp7Vpp102k240V5Vpp14Vpp398.2k表2 不同條件下的設(shè)備輸入阻抗值設(shè)備工作電壓設(shè)備輸入阻抗（在頻率20kHz50000kHz）載波幅值120V>1506Vpp240V>30012Vpp同時也規(guī)定了電器設(shè)備對信號的阻抗。如果阻抗很小，就會將信號吸收從而無法傳送國。規(guī)定如表25所示。線性調(diào)頻技術(shù)實現(xiàn)寬帶低功率密度傳輸，從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時，chirps具有很強的自相

5、關(guān)性和自同步性。這種自相關(guān)決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以同時識別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種特殊波形。2 通訊模塊的設(shè)計根據(jù)P89C51RD2和P300的芯片手冊67，設(shè)計的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊，用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣，中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實際設(shè)備的設(shè)計。3 通訊模塊電力線接口電路的設(shè)計從P300輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱而且還有高次諧波，因此必須經(jīng)過濾波和放大，然后才能通過耦合電路將信號調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開，防止高壓擊穿通訊電路。另一方面，從電力線來的載波信號又要由P

6、300接收，而電力線上的干擾很大也很不確定，所以需要一個帶通濾波器，通過100kHz400kHz之間的信號，再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。其中左邊的3根線來自P300，TS是數(shù)字信號，控制收發(fā)轉(zhuǎn)換。實際上P300的收發(fā)類似半雙工方式，因為當(dāng)它在“發(fā)送”劣態(tài)的時候，實際上并沒有輸出信號。因此，這個時候它可以處于接收狀態(tài)，如果接收到了優(yōu)態(tài)，就表示發(fā)生了競爭。3.1 濾波電路輸入濾波器電路如圖4所示。這個濾波器有6階，對高頻干擾有很好的抑制，圖5是它的頻率響應(yīng)曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB。高于400kHz的平均衰減為3dB，高于400kHz的平均衰減為128dB/dec

7、，可以有效地過濾干擾信號。    P300輸出的信號包含豐富的高次諧波，為了減小對電網(wǎng)的干擾，先經(jīng)過帶通濾波器再進行放大。濾波器也采用無源電路，原理與上面類似，這里不再多述。3.2 放大電路P300的輸出信號經(jīng)過濾波之后，其內(nèi)阻很大，沒有驅(qū)動能力，而且電壓幅度不符合消費總線的要求，必須放大后才能夠驅(qū)動電力線。放大電路不僅要有強有力的輸出能力，還需有禁止輸出功能，這樣才能使P300接收其它節(jié)點發(fā)出信號。電網(wǎng)的性能不確定，有時是容性負載，有時是感性負載。這樣就給末級電路采用反饋帶來很大困難。因為當(dāng)負載的阻抗特性變化時，輸出的信號相位會發(fā)生變化，最終有可能是負反饋變成了

8、正反饋，從而引起振蕩。圖6 電力載波放大電路    設(shè)計的電力載波放大電路如圖6所示，虛線的左邊的原理圖，右邊是實現(xiàn)電路圖?？梢钥闯?，這個電路有兩個輸入，一個輸出。輸入信號來自P300的電力載波，輸出使能控制放大器運行。圖6的左半部分，T1和T2接成互補式OTL輸出，它們的偏置電壓來自電阻R1、R2的分壓。來自P300的信號經(jīng)過運放U1放大達到期望的幅度，然后通過電容耦合到T1和T2的基極。如果開關(guān)S1和S2合上，則T1和T2正常輸出電信，P300可以發(fā)送數(shù)據(jù)；如果S1和S2都斷開，那么T1和T2的基極都處于懸空狀態(tài)，輸出端也成為懸浮狀態(tài)，從而不會吸收由電力線傳來

9、的信號，P300可以接收信號。在圖6的右邊，開關(guān)S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被復(fù)合管取代，其中的電阻R11用來消除三極管漏電電流的影響。采用復(fù)合管是為提高放大倍數(shù)，這樣可以盡量減小級間耦合，即使輸出信號發(fā)生了畸變，也不會影響到前級而發(fā)生振蕩。實際證明這種做法是很可行的。其對容性負載、感性負載以及純電阻的負載都有較穩(wěn)定的輸出，輸出阻抗小于2。圖7 P300與電力線的耦合電路    3.3 耦合電路及保護措施圖7中J1接到電力線，R1是壓敏電阻，它可以使尖峰脈沖短路，變壓器T1實現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因為載波的頻率比較高（100kHz400kHz），遠遠大

10、小電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號暢通無阻，而能夠隔斷高壓。電容C1阻斷低頻高壓，阻止變壓器飽和；電阻R2取值比較大，作用是在離線時使電容放電，防止在設(shè)備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。Z1是瞬變抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，或稱TVS），它可以有效地避免后而電路被高壓擊穿。L1、D1、D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設(shè)計的。電力線上的設(shè)備接入或者是斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護措施是至關(guān)重要的。    除了電力線上會產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時（參看圖7），如果電力線剛好處于電壓的最大

11、值，而此時電容上的電壓為0，會有300V（220V有效值，最大值311V）的高壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，從而在次級產(chǎn)生尖峰脈沖。這個脈沖的電流相當(dāng)大，可達幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管根本沒有辦法消除這個脈沖。筆者曾經(jīng)嘗試過采用壓敏電阻吸收這個脈沖，但壓敏電阻的響應(yīng)比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的一微秒之內(nèi)仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實踐表明，這種剛剛接入電路時的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。幸運的是，它的電流雖然很大，但是能量卻不是那么大。筆者采用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應(yīng)時間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達1500W?？梢院唵蔚匕阉醋魇且粋€具有強大吸收電