電力線通信信道分與照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

年5月29日電力線通信信道分與照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔僅供參考摘要隨著城市發(fā)展的腳步不斷加快,市區(qū)的照明系統(tǒng)為建設(shè)安全城市,和諧社會做出了巨大的貢獻(xiàn)?？墒?每年的照明耗電相當(dāng)于全球17%的發(fā)電量,中國照明耗電約為2187億千瓦時(shí),相當(dāng)于三峽水力發(fā)電工程建成后,年發(fā)電能力840億千瓦時(shí)的近3倍。為了實(shí)現(xiàn)照明節(jié)約用電,同時(shí)易于管理照明系統(tǒng),需要改變傳統(tǒng)的照明控制方式。電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式,它利用電力線作為傳輸載體,以變電站為終端,經(jīng)過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸,具有信息傳輸可靠、可同時(shí)復(fù)用等特點(diǎn)。經(jīng)過載波,電力線能夠傳送語音、圖像、數(shù)據(jù)而且能夠進(jìn)行信息交換、處理、控制、檢測,實(shí)現(xiàn)信息的自動化。當(dāng)前,電力線載波技術(shù)主要用于35KV及以上高壓線路上,載波帶寬為40一500KHZ,傳送的信息包括數(shù)據(jù)、保護(hù)、遠(yuǎn)動、文字、語音及圖像等?？墒?在中低壓電力線的利用上仍處于研究階段。本論文首先對低壓電力線信道特性進(jìn)行分析,并建立相應(yīng)的信道模型;接著對設(shè)計(jì)中采用的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方法及其作為電力線載波通信調(diào)制方案的可行性和優(yōu)越性做了詳細(xì)的論證;隨后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)構(gòu)架及主要模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn),其中硬件設(shè)計(jì)包括電力線載波芯片PL3106外圍接收、發(fā)送電路的設(shè)計(jì),以及系統(tǒng)供電電源部分;軟件開發(fā)主要包括單片機(jī)匯編程序的編寫和主機(jī)與單片機(jī)通信程序的編寫;然后,針對系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中暴露出的問題給予簡單分析、提出了解決方案。關(guān)鍵字:電力線載波,PL3106,直接序列擴(kuò)頻技術(shù)ABSTRACTAlongwiththepaceofcityconstructionquickening,lightingsystemplaysagreatroleinsafecity,harmonysocietybuilding.Lightingconsumes17%electricitygeneratedintheeartheveryyear.In,218.7billionkwhelectricpowerwasusedinlighting,anditisalmostasthreetimesasthetotalelectricitygeneratedbySanxiawaterplanwhenitcompleted.Toeconomizelightingelectricityandmanagelightingsystemeasily,thecontrolquomodooflightingsystemshouldbechanged.PowerLineCarrierCommunicationPowerSystemisauniquemeansofcommunication,whichusespowerlinesasatransmissionmediumtosubstationfortheterminal,throughthecarriermodeanalogordigitalsignals,high-speedtransmissionwithreliableinformationtransmissioncanbemultiplexedatthesametimeandsoon.Throughthecarrier,powerlinescansendvoice,video,dataandcanexchangeinformation,treatment,control,detection,automationofinformation.Atpresent,themainpowerlinecarriertechnologyforhighvoltage35KVandabovetheroad,a40-carrierbandwidth500KHz,sendinformation,includingdataprotection,remotecontrol,text,voiceandimages.However,theuseoflow-voltagepowerlineisstillataresearchstage.Inthispaper,low-voltagepowerlinechannelcharacteristicsforanalysisandmodellingtheestablishmentofthecorrespondingchannelfirstly;thenusedinthedesignofdirectsequencespreadspectrumtechnique,anditsimplementationasapowerlinecarriercommunicationmodulationschemetodothefeasibilityandsuperiorityofthedetailedfeasibilitystudies;thendetailedthesystemarchitectureandmainmodulesofthesoftwareandhardwaretoachieve,includinghardwaredesign,includingpowerlinecarrierPL3106chipperipheralsforreceiving,sendingcircuitdesign,andsystempowersupplypart;softwaredevelopmentincludesingle-chipassemblerhostwiththepreparationandproceduresforthepreparationofsingle-chipcommunication;andthen,inviewofthesystemexposedintheexperimenttogiveasimpleanalysisoftheissueandputforwardsolutions.KEYWORDS:powerlinecarrier,PL3106,directsequencespreadspectrumtechnology前言電力線載波通信,簡稱PLC(PowerLineCommunication),是以電力網(wǎng)作為通信信道進(jìn)行載波通信的一種有線通信方式。電力載波通信的工作原理是把自動化設(shè)施中的有效數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后耦合到電力線上,然后經(jīng)過電力線傳輸?shù)綄Χ苏{(diào)制解調(diào)器,再有對端調(diào)制解調(diào)器將信號解調(diào)后傳輸給對端自動化設(shè)備。電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)二十年代初期。電力線無處不在,無論城市鄉(xiāng)村,還是偏遠(yuǎn)落后地區(qū),隨處可見,電力線是輸電的主要媒介。因此,利用它來進(jìn)行信息的傳輸一直是人們的夢想。電力線載波通信是利用現(xiàn)有的電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式,具有通道可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步進(jìn)行等巨大的優(yōu)勢,有很好的開發(fā)前景和應(yīng)用價(jià)值?？墒?電力線作為通信介質(zhì)也具有很多的缺點(diǎn),比如,可變信號衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。傳統(tǒng)上講,電力線載波通信是利用高壓電力線(一般在電力載波領(lǐng)域,高壓電力線指的是35KV及以上電壓等級,中壓電力線指10KV電壓等級,低壓配電線指380/220V用戶線)作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式,廣泛運(yùn)用于電力管理系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、智能化小區(qū)等領(lǐng)域。電力現(xiàn)載波通信在高壓輸電線上應(yīng)用已經(jīng)比較成熟,比如110KV的開放電話,運(yùn)動,傳真,保護(hù),計(jì)算機(jī)信息等綜合業(yè)務(wù)。再比如,葛楠±500KV直流輸電系統(tǒng)中,兩換流站運(yùn)行數(shù)據(jù)的控制信息就是經(jīng)過長達(dá)1053KM的載波電路傳送的,實(shí)現(xiàn)了兩站間的自動控制。隨著載波通信技術(shù)的發(fā)展,電力線載波現(xiàn)已用于中低壓配電網(wǎng)中。在低壓輸電線路上的載波通信研究,歐美國家不但在產(chǎn)品研究開發(fā)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定方面還是技術(shù)應(yīng)用都走在中國的前面,因此在國內(nèi)對PLC通信進(jìn)行研究和開發(fā)具有重大意義。當(dāng)前,歐美國家已經(jīng)利用低壓配電網(wǎng)載波通信來實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動化和負(fù)荷控制,并應(yīng)用于工業(yè)控制和家庭自動化中,進(jìn)而提供電話和視頻傳輸?shù)确?wù)。相對于國外PLC技術(shù)的飛速發(fā)展,中國在低壓電力載波數(shù)據(jù)通信方面尚處于起步階段,主要停留在自動抄表、樓宇保安和部分過程控制領(lǐng)域。這幾年在國外,電力線已經(jīng)作為一種家庭總線,應(yīng)用于家庭智能化和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接入。例如,利用已有電力線網(wǎng)絡(luò),能夠在醫(yī)院或家庭建立起醫(yī)療監(jiān)測網(wǎng),實(shí)現(xiàn)重癥監(jiān)護(hù)功能,病人的血壓、心率、癥狀等信息能夠在家里經(jīng)過電力線監(jiān)測網(wǎng)傳送至小區(qū)控制中心,再經(jīng)過公共電話網(wǎng)或Internet傳送到較大的醫(yī)療單位進(jìn)行分析、處理和監(jiān)護(hù)。同樣,醫(yī)院能夠?qū)⒅委熁蜃⒁馐马?xiàng)等信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送至小區(qū)控制中心,再傳送到病人家里,對病人進(jìn)行遠(yuǎn)程診療。在醫(yī)院,不但能夠用電力線通信實(shí)現(xiàn)病人的監(jiān)護(hù)功能,而且能夠配合醫(yī)療器械智能化,實(shí)現(xiàn)智能醫(yī)療監(jiān)測、報(bào)警、自動化管理和集中會診等功能。因此,用電力線載波來實(shí)現(xiàn)一些需要經(jīng)常在線的報(bào)警、防盜以及監(jiān)護(hù)等應(yīng)用,每一個(gè)方面都有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場機(jī)遇。相對于國外的這些成熟的應(yīng)用,國內(nèi)的低壓電力線通信還沒有形成規(guī)模,還有很長的路要走。另外,中國農(nóng)村人口較多,農(nóng)村信息化技術(shù)相對落后,信息通信普及面不大,因此在當(dāng)前的現(xiàn)狀下,研究低壓電力線通信對發(fā)展中國農(nóng)村和偏遠(yuǎn)山區(qū)等地區(qū)的信息產(chǎn)業(yè)也具有非常重大的意義。本文主要工作是研究了電力線載波通信技術(shù)并利用串行口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)利用電力線載波技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測主機(jī)與城市路燈驅(qū)動之間的數(shù)據(jù)傳輸。本文系統(tǒng)的闡述了中國低壓電力線信道的噪聲狀況,當(dāng)前常見的電力線載波調(diào)制技術(shù),分析比較并選擇出合適中國低壓電力線的調(diào)制方式及相應(yīng)的載波芯片,針對選擇的芯片特性,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的外圍電路,包括發(fā)送、接收以及數(shù)據(jù)處理部分。在硬件電路設(shè)計(jì)完整的基礎(chǔ)上,編寫軟件程序,并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,對得到的結(jié)果進(jìn)行分析。并完成論文。目錄TOC\o"1-3"\h\u7984第1章引言 -7-43041.1電力線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r -7-212031.1.1單載波模擬通信 -8-278621.1.2普通數(shù)字通信 -8-206321.1.3擴(kuò)頻通信 -8-230681.1.4OFDM調(diào)制技術(shù) -9-1651.2電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用狀況 -10-244491.2.1電力線載波通信技術(shù)的國外應(yīng)用狀況 -10-144571.2.2電力線載波通信技術(shù)的國內(nèi)應(yīng)用狀況 -12-17946第2章電力線通信信道分析 -13-102492.1電力線傳輸信道特性 -13-93382.1.1衰耗特性 -14-164782.1.2阻抗特性 -14-44092.1.3噪聲干擾特性 -15-267542.1.4多徑干擾 -15-78812.2噪聲分析 -16-149792.2.1背景噪聲 -16-48212.2.2隨機(jī)脈沖噪聲 -17-45582.2.3與工頻同步的周期性噪聲 -17-76182.2.4與工頻異步的周期性噪聲 -18-156732.3噪聲模型 -18-151132.3.1背景噪聲 -18-313402.3.2窄帶干擾 -18-270052.3.3脈沖噪聲 -19-198522.4電力線通信信道模型 -20-89012.4.1單根電纜傳輸函數(shù) -20-80282.4.2多徑傳輸模型 -21-295752.4.3低壓電力線信道近似模型 -22-74602.5擴(kuò)頻通信技術(shù)的選用 -22-251202.5.1擴(kuò)頻通信的理論可行性 -22-289662.5.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本工作方式 -23-327272.5.3擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn) -24-244252.5.4當(dāng)前需要考慮的一些技術(shù)問題 -25-8431第3章照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) -26-292133.1照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 -27-230443.2載波通信模塊設(shè)計(jì) -28-312113.2.1電力線載波通信芯片的選擇 -29-55263.2.2PL3106芯片特點(diǎn) -29-25333.2.3信號發(fā)送、接收電路設(shè)計(jì) -30-273173.2.4陶瓷濾波電路 -32-51203.2.5掉電檢測及電池電壓檢測 -32-261423.2.6載波耦合電路設(shè)計(jì) -33-12851第四章照明控制系統(tǒng)通信協(xié)議軟件設(shè)計(jì) -34-167284.1通信協(xié)議設(shè)計(jì) -34-188634.1.1OSI模型 -34-80724.1.2當(dāng)前電力線載波通信協(xié)議 -35-247884.1.3本文采用的電力線載波通信協(xié)議 -36-261354.2PL3106載波通信軟件設(shè)計(jì) -41-14844.2.1載波通信模塊使能 -41-141774.2.2PL3106載波通信接收和發(fā)送程序設(shè)計(jì) -43-212334.3主、從控制器程序設(shè)計(jì) -44-2055結(jié)論 -46-18277本文總結(jié) -46-19351工作展望 -46-7569參考文獻(xiàn) -48-23459致謝 -49-22109附錄一: -50-5259附錄二:程序 -51-第1章引言1.1電力線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r利用電力先進(jìn)性數(shù)據(jù)通信已經(jīng)有近百年的歷史,早期的電力線通信技術(shù)采用高壓電力線載波,在點(diǎn)對點(diǎn)通信的兩端裝有阻波器。其發(fā)展歷程能夠劃分為3個(gè)主要階段。階段電壓/V載波頻率/MHz代表產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域20世紀(jì)20-50年代>11000<0.15電力載波機(jī)監(jiān)控、遠(yuǎn)程指示、設(shè)備保護(hù)以及語音傳輸20世紀(jì)50-90年代220/3800.15—1.00ST7536/7537自動抄表、電網(wǎng)負(fù)載控制和供電管理20世紀(jì)90年代后220/380>1.00INT51,DS2寬帶高速數(shù)據(jù)多媒體通信、樓宇智能網(wǎng)絡(luò)1.1.1單載波模擬通信最早的電力線通信系統(tǒng)是模擬的單載波系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)傳送的信號是一個(gè)模擬的波形,它要求接收機(jī)能夠高保真地重現(xiàn)波形信號。模擬系統(tǒng)經(jīng)過信道的信號頻譜比較窄,信道的利用率高,可是其抗干擾能力差,不易大規(guī)模集成化。1.1.2普通數(shù)字通信隨著數(shù)字通信技術(shù)的完善和發(fā)展,出現(xiàn)了窄帶、ASK、FKS和PSK電力線通信系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)傳遞信號的離散脈沖,接收端要求正確判斷發(fā)送的是哪一種離散狀態(tài),只要脈沖波形的失真不足以引起錯誤判斷就不會影響通信質(zhì)量。數(shù)字通信抗干擾能力強(qiáng),能夠經(jīng)過差錯編碼提高可靠性,易于集成。缺點(diǎn)是比模擬通信占帶寬。1.1.3擴(kuò)頻通信對于電力線這一強(qiáng)背景噪聲的信道來說,數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有力手段就是擴(kuò)頻(SS—SpreadSpectrum)技術(shù)。它利用偽隨機(jī)碼把基帶信號的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展,形成較高帶寬的低功率譜密度信號發(fā)射。接收端再利用相關(guān)方法進(jìn)行處理,把要接收的寬帶擴(kuò)頻信號恢復(fù)成基帶信號。擴(kuò)頻技術(shù)減少了噪聲對信號的影響,保證了電力線網(wǎng)絡(luò)上的可靠通信。擴(kuò)頻通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)建立的關(guān)于通信系統(tǒng)效率的理論。即:對加性高斯白噪聲信道來說,如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率小于或等于信道容量C時(shí),就有可能存在在信道內(nèi)進(jìn)行無差錯的數(shù)據(jù)通信的編碼方案。信道容量定義如下:式中,C為信道容量(bit/s);B為帶寬(Hz);N為噪聲功率(W);S為信號功率(W)。上式說明了在功率譜平坦的高斯噪聲信道內(nèi),信道無誤傳輸信息的能力(即信道容量)與信道的信噪比和傳輸信息的帶寬之間的關(guān)系。能夠看出,在保持一定的C值時(shí),可經(jīng)過增加帶寬來相應(yīng)地降低對信噪比的要求。利用擴(kuò)頻技術(shù)傳送數(shù)據(jù),能夠在信噪比很低的情況下進(jìn)行無差錯數(shù)據(jù)通信。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本工作方式有:(l)直接序列擴(kuò)頻;(2)跳變頻率方式;(3)跳變時(shí)間方式;(4)寬帶線性調(diào)頻方式。擴(kuò)頻技術(shù)由于擴(kuò)頻技術(shù)本身要求頻帶寬度是信號帶寬的100倍一1000倍,而PLC系統(tǒng)的帶寬一般為90KHz—125KHz(歐洲)或100kHz一400kHZ(美國),因此在采用擴(kuò)頻技術(shù)后可獲得較好的抗干擾特性,并在不少領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1.1.4OFDM調(diào)制技術(shù)OFDM的英文全稱為OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,中文含義為正交頻分復(fù)用,這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟(HomePlugPowerlineAlliance)工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)。OFDM并不是如今發(fā)展起來的新技術(shù),OFDM技術(shù)的應(yīng)用己有近40年的歷史,主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)?？墒?一個(gè)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到上世紀(jì)70年代,人們采用離散傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。OFDM的基本思想是將可用的頻譜分為許多窄帶、低數(shù)據(jù)速率的子載波,為了獲得高的頻譜效率,子載波的幅頻響應(yīng)相互重疊和正交。每個(gè)子載波能夠使用不同的調(diào)制方式,比較常見的有BPSK,QPSK和QMA等。也就是說,OFDM實(shí)際上是將高速的串行數(shù)據(jù)變成低速并行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。雖然每個(gè)子載波的速率并不高,可是所有子信道加起來能夠獲得很高的數(shù)據(jù)速率。1971年,S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT實(shí)現(xiàn)OFDM的基帶調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。她們在OFDM的符號間增加了保護(hù)間隔來抑制由多徑反射導(dǎo)致的ISI。1980年,A.Peled和A.Ruiz在保護(hù)間隔中引入循環(huán)前綴解決了保持正交的問題,從而保證了OFDM克服ICI的問題。OFDM最大特點(diǎn)是傳輸速率高、頻帶利用率高、抵御碼間干擾和信道衰減能力強(qiáng)、信道均衡技術(shù)簡單,由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力,因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。1.2電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用狀況1.2.1電力線載波通信技術(shù)的國外應(yīng)用狀況早在1838年,英國人EdwardDavy就用電力線來檢查倫敦——利物浦之間處于無人居住區(qū)的電表傳輸系統(tǒng)的供電電池的電壓;JosephRoutin和C.E.L.Brown申請了電力線信號電表專利;美國的ChesterThoradson在19申請了關(guān)于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的專利,可是由于該系統(tǒng)還需要一條附加線路用于信號傳輸,最后沒有得到商業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過高壓電網(wǎng)進(jìn)行聲音信號的CFT(carrierfrequencytransimission)最早開始于20世紀(jì)20年代。分布廣闊的電網(wǎng)提供了一條雙向通信信道,例如變壓站和電廠之間的通信,這對于管理和監(jiān)控來說是非常重要的,因?yàn)樵谕ㄐ诺某跗陔A段電話網(wǎng)的覆蓋范圍還不是很廣泛,高壓電網(wǎng)具有低噪聲的特性,加上相對較高的載波頻率(15-500KHz),使得高壓線傳輸信號變得很容易,10W的信號功率的通信距離能夠達(dá)到900Km。在開始階段,采用調(diào)幅調(diào)制方式,只用于傳輸語音信號,后來實(shí)現(xiàn)了遙測和遙控。在CFT應(yīng)用于高壓電網(wǎng)的同時(shí),RCS(ripplecarriersignaling)應(yīng)用于中低壓電力網(wǎng)。RCS系統(tǒng)最早應(yīng)用實(shí)例是Simens公司在1930年在德國波茨坦建立的Telenerg工程。RCS系統(tǒng)最初是為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷管理功能,與CFT系統(tǒng)不同,RCS只能實(shí)現(xiàn)單向數(shù)據(jù)信號傳輸。RCS系統(tǒng)工作在比較低的頻率段(125~3000Hz),正是由于其工作頻率很低,所注入的載波信號在中低壓電網(wǎng)上的信號衰減很小,而且能夠跨越變壓器傳輸?？墒?電力先王的輸入阻抗在低頻段也比較小,因此RCS發(fā)送器需要更大的信號功率,一般應(yīng)用范圍在10~100KW之間。在最開始,RCS發(fā)送器勇于傳輸數(shù)字信息,常見的調(diào)制方式是易于實(shí)現(xiàn)的幅移鍵控(ASK)和頻移鍵控(PSK)。由于RCS采用的頻率較低、窄帶調(diào)制方式簡單,導(dǎo)致其數(shù)據(jù)速率較低。1984年建立的EthernetMELKOTM系統(tǒng)也應(yīng)用了RCS技術(shù),它采用了更高效的PSK調(diào)制,提高了數(shù)據(jù)傳輸速率(可達(dá)到50bits/s),并能夠進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,頻帶范圍為3025~4825Hz,載波信號能夠跨越變壓器傳輸,信號功率也相應(yīng)減小。該系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)程抄表和負(fù)荷管理。相應(yīng)的系統(tǒng)有ABB的DLC-MTM和RMS公司的PowerNetTM。她們的載波頻率范圍是10~100KHz,因此,所需的信號傳輸功率也比MELKOTM小,但需要增加旁路裝置才能跨越變壓器。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,PicoElectronics公司創(chuàng)造了第一款應(yīng)用于家庭的低價(jià)格的電力線通信模塊X-10。X-10模塊的載波頻率達(dá)到120KHz,它在每一次交流電過零時(shí)傳輸一個(gè)比特的數(shù)據(jù),因此其最大傳輸速率為60bps(電網(wǎng)頻率為60Hz)或50bps(電網(wǎng)工頻為50Hz)。當(dāng)前有大約10家公司在生產(chǎn)與X-10相兼容的用于家庭自動化的控制模塊。針對X-10模塊傳輸速率較低的問題,稍后市場上又出現(xiàn)了能夠提供更高數(shù)據(jù)率、控制功能更強(qiáng)大的電力線載波通信系統(tǒng),如LonWorks和CEBus。隨著Internet的發(fā)展,應(yīng)用電力線分布網(wǎng)和戶內(nèi)電網(wǎng)的寬帶接入技術(shù)在上世紀(jì)90年代開始興起。英國聯(lián)合電力公司的子公司Norweb通訊公司于1990年開始電力線載波通信的研究,1995年與加拿大北電網(wǎng)絡(luò)合作共同開發(fā)該技術(shù)。1997年這兩家公司生成解決了電力線噪聲等問題,取得了電力線載波技術(shù)的重大突破,利用新開發(fā)的數(shù)字電力線載波技術(shù)DPL(DigitalPowerLine)實(shí)現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進(jìn)行1Mbps的遠(yuǎn)程通信。此后,許多國家的研究機(jī)構(gòu)開展了高速PLCC的研究和開發(fā),如美國的Intellon、Inari公司,以色列的ITRAN、Main.Net公司,韓國的Xeline公司,西班牙的DS2,法國的SPiDCOM等公司開始了高速PLCC專用芯片級應(yīng)用產(chǎn)品的研究開發(fā),產(chǎn)品包括用于家庭聯(lián)網(wǎng)及高速接入兩大類產(chǎn)品,傳輸速率從1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。當(dāng)前高速PLCC主要用于家庭、小型辦公室聯(lián)網(wǎng)及高速接入。在高速PLCC家庭、辦公室聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,經(jīng)過多個(gè)高速PLCMODEM組成內(nèi)部網(wǎng),并可經(jīng)過PLCMODEM共享外部ADSL、無線等寬帶接入。隨著高速PLCC的快速發(fā)展,相關(guān)國際組織也越來越多。當(dāng)前電力線高速通信的國際組織主要有家庭插電聯(lián)盟HPA(HomePlugAlliance)、PLCForm、PALAS、OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance)、UPLC(UNITEDPOWERLINECOUNCIL)、PUA以及日本的ECHONET等。所有這些國際組織都有研究機(jī)構(gòu)及廠商共同組成,其中較有影響力的為HPA、PLCForm和OPERA。HPA致力于創(chuàng)造共同的電力線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。HPA現(xiàn)已發(fā)展成為有近百家公司組成的聯(lián)盟,國內(nèi)的中國電力科學(xué)研究院是該組織的成員。6月,HPA發(fā)布了其標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本HOMEPLUG1.0Specification,將數(shù)據(jù)傳輸速率定位14Mbps,采用OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù),MAC層協(xié)議為CSMA/CA。HOMEPLUGAVSpecification在4月得到HPA批準(zhǔn),并在9月份發(fā)布詳細(xì)的技術(shù)文件,物理層數(shù)據(jù)速率達(dá)到200Mbps,采用TDMA和CSMA接入技術(shù),當(dāng)前美國Intellon公司開發(fā)首款符合該標(biāo)準(zhǔn)的芯片INT6000。PLCForum與3月23日在瑞士成立。其包括來自各大洲的成員,該論壇的目標(biāo)是為所有對PLC感興趣的制造商、客戶、研究人員以及政府及否提供一個(gè)平臺,促進(jìn)她們交流和豐富有關(guān)PLC的知識。該論壇的市場目標(biāo)是提供包括戶外接入和戶內(nèi)聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的全面PLC解決方案。PLCForum不制定標(biāo)準(zhǔn),但致力于將會員的提議提交給該國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,并經(jīng)過努力,使其成為標(biāo)準(zhǔn)。OPERA是由歐盟出資贊助并有DS2等多個(gè)歐洲研究機(jī)構(gòu)及廠商組成的組織,其主要目的是開發(fā)下一代用于本地接入的高速PLC技術(shù)。1.2.2電力線載波通信技術(shù)的國內(nèi)應(yīng)用狀況中國研究PLC技術(shù)起步較晚,但發(fā)展速度較快。上世紀(jì)五十年代,國內(nèi)也開始了電力線載波通信技術(shù)的研究。在相當(dāng)長的時(shí)間里,中國的PLC研究基本上應(yīng)用于電力行業(yè)內(nèi)部,它用來傳輸電網(wǎng)調(diào)度管理所需的遠(yuǎn)程信息及低速率的語音通信。近年來,隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展,中國傳統(tǒng)的PLC技術(shù)也開始向數(shù)字化方向發(fā)展。在電力部門的支持下,PLC在水表、煤氣表、電表三表的遠(yuǎn)程自動抄表應(yīng)用已經(jīng)實(shí)用化。多家公司從事相關(guān)的PLC模塊和智能儀表的開發(fā)和生產(chǎn),北京智源利和微電子技術(shù)有限公司和北京福星曉程公司分別推出國產(chǎn)的電力線擴(kuò)頻載波芯片SC1128和PL/PL2102/PL3105/PL3200.中國電力科學(xué)研究院于5月在華北電力大學(xué)和中國電力科學(xué)研究院家屬區(qū)測試了該公司的E-Magic3000產(chǎn)品,實(shí)際測試速率達(dá)到1Mbps。國電通信中心從12月起采用不同的PLC產(chǎn)品和不同的PLC組網(wǎng)方案在北京的一些小區(qū)開通了PLC試驗(yàn)網(wǎng),并接入到中電飛華Internet出口。截止到5月底,由國電通信中心組織、中電飛華公司實(shí)施的北京電力線寬帶接入試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)覆蓋居民小區(qū)500多個(gè),接入樓宇4000棟,開通用戶40000余戶,當(dāng)前正以每月開通3000多戶的速度推進(jìn)。電力線通信信道分析2.1電力線傳輸信道特性在過去的幾十年中,PLC之因此沒有得到飛速發(fā)展,其中一個(gè)重要原因就是電,力線作為傳輸媒質(zhì)有其自身所特有的一些缺點(diǎn),加之缺乏有效的針對PLC特點(diǎn)的調(diào)制方法,造成了PLC長時(shí)期的發(fā)展遲緩狀態(tài)。在22OV/38OV低壓電力線上進(jìn)行信號傳輸,具有工作環(huán)境惡劣、線路阻抗小、信號衰減強(qiáng)、干擾大以及時(shí)變性大等特點(diǎn)。電力線上的負(fù)載時(shí)變性非常強(qiáng),突發(fā)干擾的影響很大,很難給出一個(gè)準(zhǔn)確的信道模型。2.1.1衰耗特性對于低壓電力線通信來說,信號衰減十分嚴(yán)重,能夠達(dá)到1OOdB/Km。信號衰減有以下特點(diǎn):時(shí)間不同、信號頻率不同、距離不同,衰減幅度也不同。PLC信道對各種頻率信號衰耗的程度是PLC選擇載波頻率的主要依據(jù)。信號的衰耗主要決定于經(jīng)由的路徑和網(wǎng)絡(luò)上所連接的負(fù)載。用于調(diào)整功率的電容以及各種具有電容特性的電器,對高頻載波信號來說相當(dāng)于短路,造成極大的衰耗;網(wǎng)絡(luò)中的一些負(fù)載對某些頻率構(gòu)成了諧振電路,產(chǎn)生諧振。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上負(fù)荷很重時(shí),線路阻抗可達(dá)到1歐姆以下,造成載波信號的高衰耗。總的說來,信號傳輸距離越遠(yuǎn),衰耗越嚴(yán)重,可是由于負(fù)載阻抗的不匹配,信號的傳輸會出現(xiàn)反射、駐波、散射等復(fù)雜現(xiàn)象,導(dǎo)致近距點(diǎn)比遠(yuǎn)距點(diǎn)衰耗大。由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載頻繁地接入、切出等各種隨機(jī)事件,PLC信道表現(xiàn)出很強(qiáng)的時(shí)變性。信道在1s內(nèi)對某一頻率信號的衰耗變化可達(dá)到20dB,在1s內(nèi)信噪比的變化也可達(dá)到1OdB左右。而且,三相電力信道間有很大的信號損失(10dB一3OdB)。通信距離很近時(shí),不同相間可能會收到信號。載波信號一般只能在單相電力線上傳輸;不同耦合方式導(dǎo)致LPC信號的損失也不同,線一地耦合比線一中線耦合少損失1OdB左右。同時(shí),不同相位的耦合也會引起衰耗,跨相傳輸比同相傳輸衰耗大1OdB左右。另外,配電變壓器阻礙信號的經(jīng)過,在配電變壓器原、副兩邊的信號衰耗可達(dá)到60dB一1O0dB,次級間也會有20dB一40dB的衰耗。總體上說,PLC信號衰耗隨頻率上升、距離增大而增加,但并不是單調(diào)的。一般情況下,信號衰耗在20dB以上,但一般不會超過55dB。2.1.2阻抗特性電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣泛存在的網(wǎng)絡(luò),變電站的二次變壓裝置和用戶負(fù)載同時(shí)并聯(lián)在電力網(wǎng)絡(luò)中,信道阻抗隨著時(shí)間和用戶負(fù)載的不同而波動。實(shí)現(xiàn)阻抗匹配是很重要的,因?yàn)楫?dāng)發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)的阻抗匹配時(shí),接收端得到的有用信號能量最大。低壓電力線網(wǎng)絡(luò)總阻抗主要由三部分組成:(1)變電站的變壓器產(chǎn)生的阻抗,它隨著頻率的增高而增大;(2)導(dǎo)線的特性阻抗,導(dǎo)線能夠看作電阻和電感的串聯(lián),不同導(dǎo)線的特性阻抗相差70一1OO歐姆;(3)接在電力線上的設(shè)備阻抗,一般相差10—100O歐姆。電力線上的輸入阻抗與所傳輸?shù)男盘栴l率密切相關(guān)。輸入阻抗的變化并不一定符合隨頻率增大而減小的單調(diào)變化規(guī)律,甚至與之相反。為了解釋這一問題,能夠?qū)㈦娏€看成是一根連接有各種復(fù)雜負(fù)載的傳輸線,這些負(fù)載以及電力線本身組合成許多共振電路,在共振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū)。另外,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載隨機(jī)地連接或斷開,導(dǎo)致電力線的輸入阻抗發(fā)生較大幅度的改變,還會造成電力線上不同位置的輸入阻抗不同。PLC網(wǎng)絡(luò)可看成由許多電阻、電容和電感組成的網(wǎng)絡(luò),信道的電參數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)變化,相應(yīng)地,輸入阻抗也往往急劇變化。如此發(fā)送設(shè)備的輸出阻抗和接收設(shè)備的輸入阻抗均難以匹配,從而給通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)?shù)睦щy。2.1.3噪聲干擾特性低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中,各式各樣的家用電器和辦公設(shè)備產(chǎn)生的噪聲和干擾嚴(yán)重污染著電力線通信環(huán)境。Vinesetal定義了4種電力線噪聲:1、硅控整流器及一些電源產(chǎn)生的工頻噪聲,它會造成整數(shù)倍工頻上的頻譜突變;2、平滑頻譜噪聲,其頻譜很平坦,能夠看作有限帶寬的白噪聲,家電中的小電機(jī)是產(chǎn)生這類噪音的根源;3、單脈沖干擾,一般由開關(guān)切換、閃電、溫度調(diào)節(jié)器或電容充放電引起;4、非同步周期噪聲,如電視的行掃描頻率對電網(wǎng)的干擾。就噪聲特性而言,同一配電變壓器下的所有用戶負(fù)荷噪聲以及變壓器原邊噪聲都會對信道產(chǎn)生噪聲干擾。2.1.4多徑干擾多徑效應(yīng)(MultiPath)是電力線通信存在的干擾之一,如在圖2一1所示的電力線通信結(jié)構(gòu)模型中,1與2之間有兩條通路。由于信號經(jīng)過的這些通路所用的時(shí)間不同,延遲信號在接收機(jī)端與原始信號疊加產(chǎn)生干擾,即多徑干擾。圖2-1多徑效應(yīng)(MultiPath)產(chǎn)生原理圖2.2噪聲分析噪聲與干擾強(qiáng)噪聲特別是強(qiáng)突發(fā)噪聲是PLC信道的一個(gè)最大的特點(diǎn),也是PLC信道與其它通信信道相比的一個(gè)致命的弱點(diǎn),在很大程度上制約了PLC的發(fā)展。噪聲特性是描述信道傳輸性質(zhì)的重要參數(shù)之一,其研究要緊密結(jié)合通信頻帶。為了簡化對干擾復(fù)雜性的分析,PLC信道噪聲從不同角度大致可劃分為以下幾類:2.2.1背景噪聲圖2一2是在實(shí)驗(yàn)室測得的背景噪聲曲線,中心頻率為4.2MHz,頻帶寬度為8.4MHz。能夠看出,背景噪聲的平均功率較小,但頻譜很寬,而且持續(xù)存在,有可能部分或完全覆蓋信號頻譜。因此,通信過程中的信噪比可能會變得較差,而導(dǎo)致通信誤碼率增加。該噪聲時(shí)時(shí)存在,因其頻譜占據(jù)了整個(gè)通信帶寬,擴(kuò)展信號頻譜不能提供任何增益,擴(kuò)頻通信技術(shù)對其幾乎沒有作用。測量發(fā)現(xiàn),背景噪聲主要來源是交直流兩用電動機(jī)。這種電動機(jī)能夠在許多家庭用具,如電鉆、攪拌器、電吹風(fēng)里找到,問題十分嚴(yán)重。所幸的是,背景噪聲很少能夠達(dá)到最高功率水平,而且它們將與傳輸信號一樣被用戶配電網(wǎng)絡(luò)所衰減。它的平均功率譜為N(f)=10(K-3.95*10-5f)(2-1)式(2-1)中參數(shù)K隨時(shí)間緩慢地變化,大致具有高斯分布;f為頻率(Hz)。2.2.2隨機(jī)脈沖噪聲閃電和負(fù)載(電容器組、自動調(diào)溫器、電冰箱、空調(diào)等)的開關(guān)操作會產(chǎn)生隨機(jī)脈沖噪聲,每個(gè)脈沖噪聲都將影響很寬的頻帶。脈沖噪聲的主要參數(shù)是幅度、寬度和到達(dá)間歇時(shí)間。脈沖幅度和脈沖寬度一起給出了脈沖能量。寬度給出了在給定速率下影響的數(shù)據(jù)位數(shù),而到達(dá)間歇時(shí)間則給出了脈沖噪聲發(fā)生的頻率。隨機(jī)脈沖噪聲,出現(xiàn)的時(shí)間是任意的;其噪聲功率譜密度高,持續(xù)時(shí)間短,頻譜寬。電力線上噪聲的短期變化主要由與工頻同步的周期性噪聲和突發(fā)性噪聲引起。與工頻同步的周期性噪聲與突發(fā)性噪聲相比,具有以下特點(diǎn):原來就很低的功率譜密度隨頻率的提高進(jìn)一步降低,出現(xiàn)頻率低,持續(xù)時(shí)間短,為μs量級?？墒?突發(fā)性隨機(jī)噪聲的持續(xù)時(shí)間卻達(dá)到ms量級,而且功率譜密度能高出背景噪聲達(dá)5OdB之多,一般會使得所傳送數(shù)據(jù)的若干位甚至整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生錯誤。在低壓電力線路中,不超過0.lms就會有1次非常強(qiáng)的噪聲產(chǎn)生,它大致具有泊松分布,參數(shù)λ取值范圍為O≤λ≤5×10-3。脈沖噪聲的特點(diǎn)如下:脈沖噪聲的強(qiáng)度一般比背景噪聲高1OdB,有時(shí)高4OdB。其強(qiáng)度依賴于噪聲源及它離接收機(jī)的遠(yuǎn)近。脈沖噪聲的主要頻率一般為電力系統(tǒng)頻率的2倍。由于噪聲和信號都要衰減,因此靠近接收機(jī)的噪聲源對信號的接收影響最大,特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)衰減很大的時(shí)候。2.2.3與工頻同步的周期性噪聲一般由工作在電網(wǎng)頻率的開關(guān)器件造成,例如開關(guān)電源、電壓觸發(fā)的晶閘管整流器都是產(chǎn)生諧波噪聲的主要根源。因其開關(guān)頻率與電源頻率同步,故產(chǎn)生了一系列不同幅度的諧波噪聲。一般情況下,諧波噪聲能量要比基頻小得多。由于線路的衰減特性,通信信號的能量將遠(yuǎn)低于它。它的功率一般不超過一45dB。其噪聲頻率為工頻或其整數(shù)倍,持續(xù)時(shí)間長,頻域覆蓋范圍廣,功率大,功率譜密度隨頻率上升而減小。2.2.4與工頻異步的周期性噪聲來源于電力線上的一些電子設(shè)備,一般由電視接收機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器產(chǎn)生,在頻率空間上是離散的,主要分布在5OHz一200Hz。脈沖的重復(fù)頻率依賴于電視機(jī)和顯示器的掃描頻率標(biāo)準(zhǔn)。對高分辨率和圖像偏移質(zhì)量的追求將使這些頻率越來越高。2.3噪聲模型在用仿真的方法研究低壓電網(wǎng)載波通信時(shí),建立用某些特性參數(shù)描述噪聲的模型非常必要。若針對以上的基本分類進(jìn)行模塊化建模,則任一種復(fù)雜噪聲情況都能夠經(jīng)過基本模塊模型的疊加來表示。2.3.1背景噪聲背景噪聲可按圖2.3.1用白噪聲源經(jīng)過濾波生成,噪聲整形濾波在z平面上的傳遞函數(shù)Hmod(z)可描述為:其分子B(z)表示的是移動平均(MA)部分,其分母A(z)表示的是自回歸(AR)部分,模型參數(shù)有噪聲源的方差б2和濾波器系數(shù)組成。經(jīng)過使用AR處理模型,即:B(z)=1,參數(shù)能夠由用AR頻譜分析儀測量的噪聲信號確定。圖2.3.1背景噪聲模型2.3.2窄帶干擾窄帶噪聲部分可經(jīng)過如下N個(gè)獨(dú)立的正弦函數(shù)疊加來描述:其中,每一個(gè)分量由它的頻率fi、幅值A(chǔ)i(t)和相位φi來描述。幅值A(chǔ)i(t)在時(shí)間上既能夠是常數(shù),也能夠是對AM廣播信號更好近似的調(diào)制幅值。載波相位能夠在區(qū)間[0,2π]上用隨機(jī)數(shù)選擇,并獨(dú)立于時(shí)間。噪聲既可在時(shí)域中合成,也可先在頻域中合成,再經(jīng)過反快速傅立葉變換(IFFT)得到。2.3.3脈沖噪聲脈沖噪聲是低壓電力線通信的嚴(yán)重有害源,其對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懗潭戎饕怯擅}沖的幅度、脈寬和間隔時(shí)間決定。文[8]提出了噪聲脈沖的幅度、脈寬和間隔時(shí)間的概率分布估計(jì),根據(jù)測量結(jié)果得出了如下結(jié)論:脈沖噪聲強(qiáng)度一般比背景噪聲水平高10dB,有時(shí)能夠超過40dB,脈沖強(qiáng)度與噪聲源的強(qiáng)度和噪聲源離接收裝置的距離有關(guān);主要脈沖系列的脈沖頻率(由脈沖間隔時(shí)間決定)一般為120Hz,它與60Hz電源電壓的正負(fù)周期同步;對于120Hz脈沖噪聲,其脈寬變化達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn);脈寬與所選定的幅度水平T有關(guān),一般來說,脈沖寬度隨T增加而減小;有些噪聲源將增加背景噪聲功率(如真空吸塵器和攪拌機(jī)),其它一些將增加脈沖噪聲功率(如復(fù)印機(jī)以0.01的概率產(chǎn)生高于背景噪聲27dB的120Hz周期脈沖,燈光調(diào)節(jié)器以同樣的概率產(chǎn)生高于背景噪聲40dB的脈沖噪聲)?？紤]到脈沖為隨機(jī)事件的事實(shí),其特性能夠用隨機(jī)變量來描述,這里經(jīng)過一個(gè)分割馬爾可夫鏈對脈寬和脈沖間隔時(shí)間進(jìn)行模擬。假定把噪聲狀態(tài)分成兩組A(i=1,2…,v)和B(i=1+v,2+v,…,n),A中的v個(gè)狀態(tài)表示沒有脈沖事件發(fā)生的情況,B中的w=n-v個(gè)狀態(tài)表示有脈沖事件發(fā)生的情況。則脈沖寬度大于某個(gè)寬度tw的概率,用離散時(shí)間k表示為:其中,gw+1,j表示從B中的某個(gè)狀態(tài)j向臨界狀態(tài)w+1過渡(脈沖開始消失)時(shí)的轉(zhuǎn)移概率,gjj表示B中的某個(gè)狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(脈沖保持)的概率。脈沖間隔時(shí)間超過某一時(shí)間跨度tA的概率,用離散時(shí)間k表示為:其中,uv+1,j表示從A中的某個(gè)狀態(tài)j向臨界狀態(tài)v+1過渡(脈沖開始發(fā)生)時(shí)的轉(zhuǎn)移概率,ujj表示A中的某個(gè)狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(無脈沖保持)的概率。2.4電力線通信信道模型經(jīng)過以上對電力線信道特性的分析,能夠看到建立一個(gè)通用精確模型來模擬所有低壓配電網(wǎng)通道情況是非常困難的,可是我們能夠建立一個(gè)能反映通道基本特性的近似模型。下面我們采用帶有加權(quán)因子的時(shí)間抽頭模型來模擬電力線多徑衰落信道,建立具有頻率選擇性衰落的信道傳輸函數(shù)模型。2.4.1單根電纜傳輸函數(shù)電力線中的信號傳輸能夠根據(jù)傳輸線的特征阻抗ZL和傳輸常數(shù)γ決定。其中R為單位長度電纜阻抗,G為單位長度電纜電導(dǎo),L為單位長度電纜電感,C為單位長度電纜電容。如果傳輸線的阻抗匹配,則只需要考慮從信號源到接收機(jī)之間的傳輸損耗。長度為L的電力線傳輸函數(shù)能夠定義為:式中,前一項(xiàng)代表幅度傳輸函數(shù),后一項(xiàng)代表相位傳輸函數(shù)。電纜為弱損耗傳輸媒質(zhì),電力線中R(f)<<2πfL(f),G(f)<<2πfC(f)。由于L,C與頻率的相關(guān)性不大,因此特征阻抗ZL和傳輸常數(shù)γ能夠用下面的方法近似:簡化電纜參數(shù)能夠得出傳輸常數(shù)的實(shí)部a表示電力線衰減系數(shù),它隨f的增加而增加。a與f的關(guān)系能夠表示為α(f)=a0+a1fk因此,單根電纜的幅度傳輸函數(shù)能夠表示為:2.4.2多徑傳輸模型對于多徑傳輸,采用圖2.4.2所示信道模型。圖2.4.2頻率選擇性衰落信道的抽頭延時(shí)模型在這一模型中,信道的沖擊響應(yīng)為式中τi表示信道延時(shí),Kt表示信道信號幅度的衰減。信道傳輸函數(shù)為而τi=di/Vp。其中di表示信道長度,Vp表示信號在電力線中的傳播速度。因此H(f)可表示為式中,a0,a1為電力線參數(shù)決定衰減常熟,gi為衰減因子,它與電力線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、信道傳輸路徑的長度有關(guān),di是路徑i的長度。2.4.3低壓電力線信道近似模型本文采用的低壓電力線近似模型如圖2.4.3所示。圖2.4.3電力線信道簡化模型該信道模型包含三個(gè)模塊:(1)輸入耦合,該模塊模擬由于電力線阻抗變化而導(dǎo)致的耦合損耗;(2)噪聲,該模塊包含電力線信道中的三類主要噪聲,它們是背景噪聲、窄帶噪聲和脈沖噪聲;(3)信道衰減,該模塊反映電力線信道固有的對信號的頻率選擇性衰落和限帶特性。2.5擴(kuò)頻通信技術(shù)的選用2.5.1擴(kuò)頻通信的理論可行性擴(kuò)頻通信的可行性,是從信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)公式和抗干擾理論中關(guān)于信息傳輸差錯的柯捷爾尼科夫公式中引申出來的。香農(nóng)公式式中:C是信道容量(可用傳輸速率量度);W是系統(tǒng)傳輸帶寬;S/N是系統(tǒng)的信噪比;該公式表明,在高斯信道中,當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比S/N下降時(shí),能夠經(jīng)過增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來析持信道容量C不變。以擴(kuò)展頻譜來換取信噪比要求的降低,正是擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn),并由此為擴(kuò)頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?？陆轄柲峥品蚬绞街蠵owi為差錯概率,E為信號能量,N0為噪聲功率譜密度;又因?yàn)?信號功率P=E/T(T為信息持續(xù)時(shí)間);噪聲功率N=W×N0(W為信號頻帶寬度);信息帶寬F=1/T;則原式可化為:(其中,W/F=Gp為擴(kuò)頻通信的處理增益)由以上能夠看出,在信噪比較低的情況下,若想保持差錯概率不變,則能夠經(jīng)過增大處理增益Gp來實(shí)現(xiàn)(即在保持F不變的情況下,增大信號頻帶寬度W)。該公式同樣為擴(kuò)頻通信理論奠定了基礎(chǔ)。2.5.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本工作方式1)直接序列擴(kuò)頻(DS)該方式是擴(kuò)頻通信中使用范圍最廣、最典型的一種工作方式。直接序列擴(kuò)頻的具體實(shí)現(xiàn)是,在發(fā)送端將要傳輸?shù)男盘?經(jīng)過信息調(diào)制變成具有一定帶寬的調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號;再由偽隨機(jī)編碼(PN碼)將該基帶信號調(diào)制成具有相當(dāng)帶寬的寬帶信號,并將該信號發(fā)送至接收端。在接收端接收到傳輸信號后,先經(jīng)過同步電路捕捉發(fā)送來的PN碼的準(zhǔn)確相位,由此產(chǎn)生與發(fā)送來的PN碼相位完全一致的接收用PN碼,并作為擴(kuò)頻解調(diào)所用的解調(diào)信號;爾后,用該P(yáng)N碼將接收到的寬帶信號解擴(kuò),從而得到基帶信號,再將基帶信號經(jīng)過解調(diào)得到所需要的原始信號。2)跳頻方式(FH)跳頻方式與直序擴(kuò)頻方式的不同之處在于,直序擴(kuò)頻方式的發(fā)射載波頻率是一定的,而跳頻方式的載波頻率受PN碼發(fā)生器控制,在相當(dāng)帶寬的頻帶內(nèi),隨機(jī)跳變,從而實(shí)現(xiàn)基帶信號帶寬B1到發(fā)射信號帶寬B2的頻譜擴(kuò)展。受PN碼發(fā)生器控制的發(fā)射載波頻率發(fā)生器,實(shí)際上是高速數(shù)字控制頻率跳變的頻率合成器,因此,載波調(diào)制多半使用與相位無關(guān)的調(diào)頻方式,其跳頻工作被稱為非相干FH方式。3)跳時(shí)方式(TH)該方式的工作特點(diǎn)在于,發(fā)射端將信息數(shù)據(jù)送入受偽隨機(jī)編碼控制的脈沖發(fā)射機(jī),再由該發(fā)射機(jī)發(fā)射出攜帶信息數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)間隔射頻信號。這種工作方式,使得在隨機(jī)時(shí)分多址通信中,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用同一天線成為可能?？墒?在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中,該方式多半需要與其它工作方式混合使用。4)寬帶線性調(diào)頻方式(Chirp)寬帶線性調(diào)頻調(diào)頻,過去是作為雷達(dá)測距的一種工作方式使用的。在發(fā)射端,發(fā)射波是一個(gè)寬脈沖,并被變換成頻偏為f的寬帶調(diào)頻波;在接收端,接收機(jī)使用具有高頻率范圍、延遲時(shí)間小的脈沖壓縮濾波器,得到帶寬極窄的壓縮脈沖波。2.5.3擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)由于擴(kuò)頻通信使用擴(kuò)頻序列碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制,使原始的窄帶信號能夠以寬帶信號的形式在信道中傳輸,從而使得擴(kuò)頻通信具備了許多窄帶通信所不具備的優(yōu)良性能。1)抗干擾性能好擴(kuò)頻通信在傳輸時(shí)所占有的帶寬相對較寬,而在收端有采用相關(guān)檢測的方法來解擴(kuò),使有用信號恢復(fù)成窄帶信號,而把無用信號擴(kuò)展成寬帶信號,然后經(jīng)過窄帶濾波器提取有用的信號。對于各種干擾信號,由于不具有PN碼的相關(guān)性,因此,在解擴(kuò)后的窄帶信號中其所占的比例很小,系統(tǒng)的信噪比很高,抗干擾的能力強(qiáng)。2)保密性好由于擴(kuò)頻通信使用的PN碼,不但碼元周期很長,而且在一個(gè)周期中還具有隨機(jī)性,這就使經(jīng)它調(diào)制后的數(shù)字信息類似于隨機(jī)噪聲,從而保證了信息在信道中傳輸?shù)陌踩?。另?同樣是由于PN碼的使用,在接收端進(jìn)行解擴(kuò)時(shí),只有當(dāng)本地PN碼與收到的PN碼完全一致時(shí),才能有效地恢復(fù)信息,這就使得只有擁有相同PN碼的指定接收端才能得到有效信息,避免了信息被非法用戶接收的情況,從而提高了傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?)精確定時(shí)和測距在擴(kuò)頻通信中,由于擴(kuò)展頻譜很寬,因此擴(kuò)頻碼的速率很高,每一個(gè)碼元占用的時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去的擴(kuò)頻信號被被測物體反射出來后,在接收端解調(diào)出反射回來的擴(kuò)頻序列,然后經(jīng)過比較原碼元序列與反射碼元序列的相位之差,就能夠精確測出擴(kuò)頻信號的往返時(shí)間差,從而算出兩者之間的距離。4)抗多徑干擾多徑干擾是發(fā)射信號在傳播過程中,遇到反射體引起反射或折射,形成對直接到達(dá)發(fā)射機(jī)的信號所造成的干擾。擴(kuò)頻通信利用擴(kuò)頻碼的自相關(guān)性,經(jīng)過在接收端從多徑信號中提取和分離相關(guān)性最強(qiáng)的信號,或把不同路徑的傳送的同一碼序列進(jìn)行波形和加,從而得到所要的信號,避免了多徑干擾。5)現(xiàn)碼分多址擴(kuò)頒通信采用PN碼調(diào)制的方法盡可能的擴(kuò)展了信息數(shù)據(jù)的頻帶,使得通信抗干擾能力大大增強(qiáng),可是由于采用很寬的頻帶傳送很窄的數(shù)據(jù)信息,則必然導(dǎo)致頻帶利用率降低,因此必須實(shí)現(xiàn)多用戶共用同一頻帶。建立在擴(kuò)頻技術(shù)上的碼分多址技術(shù)(CMDA),充分利用了各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性,使得在接收端解擴(kuò)時(shí)各用戶之間的擴(kuò)頻碼彼此相互影響非常小,能夠在同一擴(kuò)頻帶寬內(nèi),互不干擾的發(fā)送和接收信號,實(shí)現(xiàn)多址通信。6)可承擔(dān)多種通信業(yè)務(wù)擴(kuò)頻通信一般都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù),因此適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)和圖像傳輸?shù)取?)安裝簡便、易于維護(hù)擴(kuò)頻通信設(shè)備是高度集成,采用了現(xiàn)代電子科技的尖端技術(shù),因此,十分可靠、小巧,大量運(yùn)用后成本低,安裝便捷,易于推廣應(yīng)用。2.5.4當(dāng)前需要考慮的一些技術(shù)問題在當(dāng)前較為成熟的電力線載波照明控制系統(tǒng)中較普遍地存在盲區(qū)問題,在用電高峰期容易出現(xiàn)信號丟失現(xiàn)象。如果存在的現(xiàn)象為時(shí)變的,則問題更嚴(yán)重,需要在技術(shù)上克服。當(dāng)前一些窄帶調(diào)制的設(shè)施多采用自動切換頻道和選擇中繼的方式在一定程度上來解決這個(gè)問題。需要進(jìn)一步研究窄帶噪聲抗干擾技術(shù)以獲得足夠的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。當(dāng)前常見的調(diào)制方法分為窄帶調(diào)制和寬帶調(diào)制。兩種窄帶調(diào)制成本低,不能有效地抵抗窄帶噪聲。寬帶調(diào)制一般采用擴(kuò)頻技術(shù),如DSS直接序列擴(kuò)頻、FH跳頻、TH跳時(shí)、CHIRP寬帶線性調(diào)頻、交叉混合擴(kuò)頻及OFDM正交頻分復(fù)用。能夠在一定程度上克服窄帶噪聲的干擾,可是有限的擴(kuò)頻增益對于較大功率的窄帶干擾依然無能為力。進(jìn)一步研究增強(qiáng)型的模擬前端技術(shù),包括自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)均衡,以適應(yīng)時(shí)變的大范圍的線路衰減和線路阻抗的變化。在電力載波的低壓應(yīng)用中這一點(diǎn)極為重要也是當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)所在。1.低壓載波通信在變壓器跨相和穿越變壓器方面的實(shí)用技術(shù)需要研究。在多路供電的現(xiàn)場也需解決電源切換時(shí)的通信中斷問題。2.研究和考慮電磁兼容性能,制定對外干擾的標(biāo)準(zhǔn)。3.解決當(dāng)前存在的電線上網(wǎng)設(shè)施對安裝地點(diǎn)的敏感性問題,保持合適的速率并解決圖像馬賽克問題。4.對于這類載波設(shè)施的質(zhì)量檢驗(yàn),一定要考慮在加入線路噪聲的環(huán)境下,即在一定的信噪比下進(jìn)行傳輸誤碼性能的測試。5.低壓載波通信最終實(shí)現(xiàn)高性能低價(jià)格的關(guān)鍵在于專用芯片的設(shè)計(jì)和制造。而這正是中國微電子行業(yè)的弱點(diǎn)所在,加大這一方面的研究和投資力度對于低壓載波通信的實(shí)用化至關(guān)重要。照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用電力線載波擴(kuò)頻通信技術(shù),以電力傳輸線作為媒介,將城市路燈的狀態(tài)信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)_上,然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)監(jiān)視所控區(qū)域內(nèi)的路燈工作狀態(tài),并可實(shí)時(shí)進(jìn)行路燈開關(guān)時(shí)間設(shè)定、開啟比例設(shè)定、路燈壞損查詢等相關(guān)操作,實(shí)現(xiàn)了城市路燈的遠(yuǎn)程集中管理,提高了工作效率,節(jié)約了大量的人力、物力,具有很好的實(shí)用前景。3.1照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本文設(shè)計(jì)的基于電力線載波通信技術(shù)的照明控制系統(tǒng)將主要以低成本和高可靠性兩點(diǎn)為開發(fā)目標(biāo)。針對該目標(biāo),設(shè)計(jì)出的基于電力線載波通信技術(shù)的照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案?？偨Y(jié)構(gòu)上看,系統(tǒng)由總控站、主控站和從控站三部分組成,總框圖見下圖:圖3.1.1照明系統(tǒng)綜框圖其各自構(gòu)成如下:總控站總控站由計(jì)算機(jī)組成,可與主控站經(jīng)過光纜或無線電連接,以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)主控站的管理,并能夠設(shè)定開關(guān)燈時(shí)間及開燈比例等指令,同時(shí)對主控站返回的信息進(jìn)行匯總,對有故障的路燈經(jīng)過圖文顯示出來,以便準(zhǔn)確確定其所在的位置。2)主控站主控站內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1.2所示。主控站經(jīng)過光纜或無線方式來接收總控機(jī)的指令,并經(jīng)過電力線擴(kuò)頻載波的串行通信方式發(fā)送數(shù)我據(jù)包,從而實(shí)現(xiàn)對從控站的監(jiān)控。一個(gè)通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)組成,第一、二字節(jié)是主控站標(biāo)識,第三字節(jié)是命令,第四、五字節(jié)是從站地址,第六至第八字節(jié)為數(shù)據(jù)。主控站采用廣播方式發(fā)送命令數(shù)據(jù),從機(jī)站收到通信包后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析的內(nèi)容:一是識別主機(jī)是否是自己的上級主控站,二是識別從機(jī)地址是否是自己的地址,只有在全部確認(rèn)無誤后,從控站才執(zhí)行相應(yīng)的命令和操作。圖3.1.2主控機(jī)結(jié)構(gòu)圖3)從控站從控站的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3.1.3所示,每個(gè)從控站可控制三組路燈,它經(jīng)過電力載波接收電路來接收主控站的指令,并執(zhí)行相應(yīng)的操作;同時(shí),從控站完成對工作電流的采樣及處理,并將相關(guān)信息經(jīng)過電力載波反饋至主控站,主控站以此來判斷路燈是否工作正常,以及決定如何采取措施。另外,從控站能夠?qū)ΜF(xiàn)場工作溫度進(jìn)行采樣處理,以便在溫度超出正常工作范圍時(shí)能夠及時(shí)采取保護(hù)措施。圖3.1.3從控機(jī)結(jié)構(gòu)圖3.2載波通信模塊設(shè)計(jì)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,總控器和主控器、主控器和從控器之間要進(jìn)行通信,可靠通信的實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中至關(guān)重要。如果將總控器、主控器和從控器看做系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間的通信是經(jīng)過載波通信模塊實(shí)現(xiàn)的,載波通信模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電力線載波芯片的選擇、耦合電路及芯片所需要的外圍電路如發(fā)送、接收電路等。3.2.1電力線載波通信芯片的選擇電力線載波芯片是電力線通信系統(tǒng)的核心,世界上已有多個(gè)國家的多家公司推出了自己的芯片?？墒?由于國外芯片是針對自身的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的,而對中國的電網(wǎng)特性、居民住宅分布狀況和市場需求,難以發(fā)揮其優(yōu)勢。經(jīng)過不斷的探索,國內(nèi)的一些公司也開發(fā)出了一些適合中國國情的電力線通信芯片,比如北京福星曉程公司的PL3106,就是其中之一。PL3106是專為面向未來的開放式自動抄表,智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的單芯片片上系統(tǒng),它除了具有功能強(qiáng)大的微處理器外,特別在電力線載波通訊方面具有更大的優(yōu)勢,它的擴(kuò)頻通信單元具有更強(qiáng)的抗干擾能力。PL3106提供了豐富的片內(nèi)資源,內(nèi)置的增強(qiáng)型8位處理器內(nèi)核是全面兼容51指令集的多級流水線指令架構(gòu)MCU,同等主頻下指令執(zhí)行速度是普通51單片機(jī)的8倍;同時(shí)集成了完善的電壓監(jiān)測上電掉電復(fù)位看門狗電路,確保了工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可靠性。因此,PL3106完全能夠滿足本系統(tǒng)的需求,使得本系統(tǒng)具有低成本,低功耗,多功能,高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。3.2.2PL3106芯片特點(diǎn)☆采用0.35um超大規(guī)模數(shù)/?；旌螩MOS制造工藝;☆擁有多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)的SoC(SystemonChip)設(shè)計(jì);☆內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051兼容微處理器;☆內(nèi)置擴(kuò)頻通信調(diào)制/解調(diào)電路,數(shù)據(jù)速率500/250Bps可選;☆內(nèi)置2路16位Σ-Δ調(diào)制A/D轉(zhuǎn)換器;☆內(nèi)置256bytes+768bytesSRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器);☆內(nèi)置16KbytesEEPROM(電可擦除/可編程)程序存儲器;☆內(nèi)置60bytesEEPROM(電可擦除/可編程)數(shù)據(jù)存儲器;☆內(nèi)置兩個(gè)可靈活配置的全雙工多功能UART(UATR0可配置為紅外38K);☆內(nèi)置三個(gè)8/16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè)看門狗定時(shí)器以及三個(gè)外部中斷源;☆內(nèi)置4x24段LCD顯示控制/驅(qū)動電路或8*8段LED顯示控制/驅(qū)動電路;☆內(nèi)置實(shí)時(shí)鐘/日歷單元,自動潤年潤月,可數(shù)字頻率校正,并具有秒脈沖輸出;☆內(nèi)置帶有硬件方向判別邏輯的紅外線脈沖探測驅(qū)動電路;☆內(nèi)置1路8位PWM調(diào)制D/A轉(zhuǎn)換器;☆內(nèi)置2路運(yùn)算放大器;☆內(nèi)置2.5V±8%電壓源基準(zhǔn);☆內(nèi)置串行程序存儲器編程接口,支持在系統(tǒng)編程(ISP);☆采用5V單電源供電;☆內(nèi)置完善的電源電壓監(jiān)測電路;☆溫度適用范圍(工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn))-40℃--+85℃;3.2.3信號發(fā)送、接收電路設(shè)計(jì)具有直序擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)電路的PL2102模塊已集成在PL3106芯片內(nèi)部,載波通信模塊的載波外圍配置電路主要包括載波通信功率放大發(fā)送電路、濾波接收電路、陶瓷濾波電路和載波耦合電路,如圖示。圖載波通信模塊結(jié)構(gòu)圖載波信號功率放大電路如圖所示,是用來將PL3106芯片產(chǎn)生的載波調(diào)制信號進(jìn)行功率放大后耦合到電力線上。載波功能被使能后,載波信號由P1.7輸出;經(jīng)過互補(bǔ)推挽電路進(jìn)行功率放大后,P1.7的方波信號被放大。載波發(fā)射功率的大小與VHH電源幅值的高低、電源電流提供能力密切相關(guān),一定范圍內(nèi)提高電源幅值、增大電源功率,能夠有效加大發(fā)射功率、從而延長通信距離。因?yàn)榉糯蠛蟮男盘柌ㄐ胃缓C波,能夠進(jìn)行濾波整形,以減少對電網(wǎng)的諧波污染。電感L2、電容C3組成整形濾波,經(jīng)過耦合電路耦合到低壓電力線上。圖載波功率放大發(fā)送電路濾波接收電路如圖所示,R3在接受本地強(qiáng)發(fā)射信號時(shí)能夠有效吸收衰減;電感L1、電容C5組成并聯(lián)諧振回路,諧振以中心頻率為120KHz設(shè)計(jì),完成對有效信號的帶通濾波;良好的選頻回路能夠有效提高載波接收靈敏度。根據(jù)并聯(lián)諧振公式以f=120KHz,選擇電容為C5=1.5nF,能夠選擇合適的電感值,L1=1.17mH。二極管D5、D6的作用是將接收信號的電位鉗制在±0.7V。接收信號經(jīng)過電位C4后引入到芯片內(nèi)部進(jìn)行混頻處理,SIG_IN被內(nèi)部上拉后平移到2.5V±0.7V,以利于后續(xù)處理。圖載波濾波接收電路3.2.4陶瓷濾波電路陶瓷濾波電路如圖3.2.4,并聯(lián)諧振后接收的載波信號經(jīng)SIG_IN腳進(jìn)入芯片。由于陶瓷濾波器通頻帶只能在中頻附近,因此芯片必須將接收到的120KHz信號與內(nèi)部的600KHz本振信號進(jìn)行混頻,得到480KHz中頻帶寬的差頻信號?；祛l后的信號由FLTi引腳輸入到陶瓷濾波器的輸入腳,陶瓷濾波器濾波后再送回芯片的FLTo引腳進(jìn)行內(nèi)部限幅放大,然后又芯片內(nèi)的硬件解擴(kuò)電路進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的還原,完成解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)位鎖存到P3.7引腳。陶瓷濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)為:中心頻率f=480KHz,帶寬15KHz。圖3.2.4陶瓷濾波電路3.2.5掉電檢測及電池電壓檢測PL3106內(nèi)置了掉電檢測及電池電壓檢測,內(nèi)置了兩個(gè)精準(zhǔn)比的比較器,一個(gè)用于系統(tǒng)掉電檢測,經(jīng)過與外部電壓VHH相連的管腳(CMPI)的電壓值與內(nèi)部掉電電壓基準(zhǔn)值相比較來置位PFI(STATUS.0),原理圖如下所示:芯片內(nèi)部經(jīng)過34K和42K電阻分壓得到掉電電壓基準(zhǔn)值(2.8V±5%),CMPI出電壓值小于電壓基準(zhǔn)值,輸出高電平,為PFI(STATUS.0)自動之1。電壓最高5.5V,高于5.5V可能會燒毀芯片。采用103插腳電容進(jìn)行退耦處理。圖掉電檢測電路另一比較器用于電池電壓檢測,經(jīng)過管腳(VBAT)的電壓與內(nèi)部電池電壓基準(zhǔn)值相比較來置位VBF0,原理圖如下:圖電池電壓檢測3.2.6載波耦合電路設(shè)計(jì)載波耦合電路的功能有兩個(gè):將經(jīng)過發(fā)送電路功率放大后的信號耦合到電力線上;從電力線上獲取有效地載波信號。其中D7為雙向瞬變二極管、C6為安防電容,均起保護(hù)作用,為防止突然增大的電流對后級電路造成影響。T1為耦合線圈,確定匝數(shù)為10:15時(shí)效果最為理想。圖3.2.6載波耦合電路照明控制系統(tǒng)通信協(xié)議軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對于將來系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)從構(gòu)建框架、編寫代碼、到最后完成測試的系統(tǒng)工程。在這樣的系統(tǒng)工程中,模塊化的設(shè)計(jì)思想能大大提高代碼的復(fù)用程度和簡化后期的測試工作。本文采用結(jié)構(gòu)化語言C51進(jìn)行系統(tǒng)的軟件開發(fā),以從最大程度上實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)思路。4.1通信協(xié)議設(shè)計(jì)通信協(xié)議是設(shè)備之間進(jìn)行互相通信的語言和規(guī)范,軟件的開發(fā)需要在通信協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行。一個(gè)好的通信協(xié)議能從很大程度上有利于軟件的模塊化設(shè)計(jì)。4.1.1OSI模型開放系統(tǒng)互連模型(OSI,OpenSystemInterconnectReferenceModel)是一個(gè)覆蓋了網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)方面的ISO標(biāo)準(zhǔn)。OSI模型提供一個(gè)用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層次化框圖。它包括七個(gè)互相獨(dú)立但又互相關(guān)聯(lián)的層次,每一層都定義了一部分用于穿過網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的協(xié)議。OSI模型的七個(gè)層次分別為:物理層(第一層)、數(shù)據(jù)鏈路層(第二層)、網(wǎng)絡(luò)層(第三層)、傳輸層(第四層)、會話層(第五層)、表示層(第六層)和應(yīng)用層(第七層)。具體模型如圖4-1所示:圖4-1OSI模型層與層之間的消息傳遞都是經(jīng)過相鄰兩層間的接口來實(shí)現(xiàn)的。每層接口都定義了這一層必須向上一層提供的消息和服務(wù)。定義良好的接口及層次功能能夠使網(wǎng)絡(luò)模塊化。只要一個(gè)層的功能仍能為上一層提供所期望的服務(wù),該層內(nèi)功能的具體實(shí)現(xiàn)就能夠在不影響周圍層次的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和替換。4.1.2當(dāng)前電力線載波通信協(xié)議當(dāng)前,低壓電力線載波通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有三種:X-10、LonWorks和CEBus。原有的低壓電力線載波技術(shù)主要是基于X-10標(biāo)準(zhǔn)的,但隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,CEBus以其自身的優(yōu)越性,已被越來越廣泛地采用。1.X-10技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)X-10技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)于1978年首次提出,由于其在家庭自動控制(HomeAutomation)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。其最初的設(shè)計(jì)只是用于單向通信,后來增加了雙向通信功能。就調(diào)制方式而言,由于過零點(diǎn)一般含最少量的噪聲和干擾,它使用過零調(diào)制技術(shù),調(diào)制方式為幅值調(diào)制(AM:AmplitudeModulation),為減少誤碼,它需要兩個(gè)過零點(diǎn)來傳送一個(gè)”0”或”1”信息,因此,其主要缺點(diǎn)在于通信速率太低和容量太小,難以適應(yīng)現(xiàn)代高速率、大容量通信的要求。2.Lontalk技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Lontalk技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由Echelon公司提出,它是點(diǎn)到點(diǎn)的對等網(wǎng)絡(luò)通信(Peerto-PeerCommunication)方式,使用載波偵聽多路訪問(CSMA:CarrierSenseMultipleAccess)技術(shù)。當(dāng)前,Echelon公司已研制開發(fā)出基于該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)頻通信(SSC)芯片(10kbps)。3.CEBus(ConsumerElectronicsBus)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1984年,電子工業(yè)協(xié)會(EIA:ElectronicIndustriesAssociation)開始著手研究適用于家庭用戶設(shè)施通信的標(biāo)準(zhǔn),這就是后來的CEBus標(biāo)準(zhǔn)(1992年正式頒布)。CEBus是提供獨(dú)立物理層連接規(guī)范的開放式通信標(biāo)準(zhǔn),使用EIA-600協(xié)議。由于它使用對等網(wǎng)路通信方式,因此通信網(wǎng)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可隨時(shí)接入。為避免數(shù)據(jù)沖突,它使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD:CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)技術(shù),即在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道上是否有數(shù)據(jù)正在傳輸,邊發(fā)送邊監(jiān)聽,一旦監(jiān)聽到?jīng)_突,則沖突雙方停止發(fā)送。這樣,信道很快進(jìn)入空閑期,提高了信道的利用率。4.1.3本文采用的電力線載波通信協(xié)議以上幾種通信協(xié)議,各有自己的優(yōu)缺點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)低成本和高可靠性的開發(fā)目標(biāo),并配合已有的硬件基礎(chǔ),本文采用了浙江大學(xué)趙玉璽提出的具有四層結(jié)構(gòu)的PLCLCP協(xié)議,下面對該協(xié)議進(jìn)行簡單介紹。層次內(nèi)容應(yīng)用層APDUHMO網(wǎng)絡(luò)層NPDUHAPDU數(shù)據(jù)鏈路層FHNPDUFT物理層電力線,總控器、主控器、從控器等設(shè)備圖4-2PLCLCP結(jié)構(gòu)圖PLCLCP共有四層,分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,各層次具體內(nèi)容為:物理層物理層位于該協(xié)議的最底層,為照明控制系統(tǒng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互聯(lián)設(shè)備,為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。該協(xié)議采用的傳輸媒介是220V電力線,互連設(shè)備有總控器、主控器和從控器等組成。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層能夠理解為數(shù)據(jù)通道,數(shù)據(jù)鏈路層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間能夠進(jìn)行通信,即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的建立與拆除,同時(shí)由于電力信道的噪聲和干擾復(fù)雜多變,單靠物理通道難以保證信息傳輸無誤,數(shù)據(jù)鏈路層要為網(wǎng)絡(luò)層提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸,因此應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯和糾錯。PLCLCP數(shù)據(jù)鏈路層格式解釋如下:FH(FrameHeader):幀頭,標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的開始,用于數(shù)據(jù)鏈路的建立;PL3106載波通信模塊采用直接序列擴(kuò)頻的DPSK調(diào)制解調(diào)方式,接收過程包括載波信號的捕獲和同步,在每次傳送有效數(shù)據(jù)前發(fā)送40個(gè)位全”1”,本文采用發(fā)送6個(gè)FFH,用以通信模塊捕獲和追蹤接收到的擴(kuò)頻信號,同時(shí)發(fā)送同步幀頭09AFH作為接收到時(shí)進(jìn)入同步狀態(tài)的標(biāo)志。NPDU(NetworkingLayerProtocolDataUnit):具體見網(wǎng)絡(luò)層詳解。FT(FrameTrailer):幀尾,用于幀校驗(yàn)和糾錯,以及標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。該協(xié)議的幀校驗(yàn)采用具有前向糾錯方式的16位循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼(簡稱CRC16),其占用兩個(gè)字節(jié);用23H標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。網(wǎng)絡(luò)層PLCLCP協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的功能為地址控制和重傳控制。地址控制:設(shè)備自身地址以及接收到幀的源地址由網(wǎng)絡(luò)層存儲管理,當(dāng)接收到的幀的目的地址和設(shè)備地址不同時(shí),放棄該幀;經(jīng)過改變數(shù)據(jù)幀中的目的地址即可實(shí)現(xiàn)三種傳播服務(wù):廣播服務(wù):控制全部燈具,簡稱全控;組播服務(wù):控制一組燈具,簡稱組控;單播服務(wù):(a)控制單燈,簡稱單控;(b)單燈狀態(tài)查詢。重傳服務(wù):PLCLCP協(xié)議規(guī)定了兩種類型的數(shù)據(jù)幀:命令幀和應(yīng)答幀。命令幀由總控器或者主控器向從控器發(fā)送,應(yīng)答幀由從控制器向主控器或者是向主控器向總控器發(fā)送。由于電力線信道干擾的影響,在數(shù)據(jù)傳送的過程中不可避免的會出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀位錯和在限定的時(shí)間里未收到應(yīng)答的情況,這時(shí)需要重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀,具體的形式見下圖所示。圖4-3出錯重傳形式網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議內(nèi)容格式如下:表—1網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議格式NPDUHAPDUDAPLSAPTRCAPDUPL(PacketLength):數(shù)據(jù)包長度,占用8位(一個(gè)字節(jié)),從DA開始到APDU(包括在內(nèi))的字節(jié)長度;DS/SA(DestinationAddress/SourceAddress):接收方地址/發(fā)送方地址,占用3個(gè)字節(jié),具體規(guī)定見PLCLCP結(jié)構(gòu)圖。三種傳播服務(wù)的實(shí)現(xiàn):全控:為了避免由于燈具全開給電網(wǎng)造成沖擊和從控器收到兩次執(zhí)行相同動作的命令,在執(zhí)行全控命令時(shí),經(jīng)過組控方式實(shí)現(xiàn);組控:在總控器實(shí)現(xiàn)某組燈具全開或全關(guān)時(shí),經(jīng)過首先向改組主控器發(fā)送命令,由主控器發(fā)送含有接收方地址為XXFFFFH(XX為01—FE中的一個(gè)值)的命令,屬于該主控器的的從控器在收到該命令幀后,執(zhí)行全開或全關(guān)命令。單播服務(wù):總控器給燈具所在的主控器發(fā)送命令幀,接收方地址為XX0000H,XX為01—FE中的一個(gè)值,然后由主控器將該命令解釋后給燈具所在的中斷控制器發(fā)送命令幀,接收方地址為XXYYYZH,XX為01—FE中的一個(gè)值,YYY為001—FFE中的一個(gè)值,Z為0表示對從控器所控制的等進(jìn)行控制或者查詢,Z為1表示對從控器控制的1號燈進(jìn)行控制/查詢,Z為2表示對從控器多控制的2號燈進(jìn)行控制/查詢,從控制器負(fù)責(zé)解釋并執(zhí)行該命令。PT(PacketType):數(shù)據(jù)幀類型,占用4bits,如果該數(shù)據(jù)幀為命令幀,PT為0000(B),如果為傳輸成功應(yīng)答幀,PT為0001(B),如果為傳輸失敗應(yīng)答幀,PT為0010(B)。RC(RetransmissionCount):重傳計(jì)數(shù)器,占4bits。對于總控器和主控器,RC初始值為0001(B),當(dāng)傳輸出現(xiàn)錯誤或者超時(shí),RC增加1,RC最大值不超過0011(B);對于分控器,其RC值始終為0001(B)。表—2設(shè)備地址表總控器地址主控器地址從控器地址燈地址000000H010000H010010H010011H010012H010020H010021H010022H01FFEH01FFE1H01FFE2H00H00H01H02H00H01H02H02FFE0H02FFE1H02FFE2HFE0000HFE0010HFE0011HFE0012HFE0020HFE0021HFE0022HFEFFE0HFEFFE1HFEFFE2HAPDU(ApplicationLayerProtocolDataUnit):應(yīng)用層協(xié)議單元,詳見應(yīng)用層部分。應(yīng)用層應(yīng)用層是向應(yīng)用程序提供服務(wù)的,總控器經(jīng)過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)燈具的開關(guān)控制和總控器對主控器進(jìn)行校時(shí)。應(yīng)用層格式:APDUHMOAPDUH(ApplicationLayerProtocolDataUnitHeader):應(yīng)用層協(xié)議單元頭。MO(MessageOption):信息選擇項(xiàng),根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同而改變。APDU具體格式見下:ALCCDATA(a)命令幀格式ALCCCSACKRE_DATAAL(APDULength):APDU單元長度,即AL(包括在內(nèi))到DATA或者RE_DATA(包括在內(nèi))的長度占一字節(jié);CC(CommandCode):控制碼。占一個(gè)字節(jié),(1)校時(shí)控制碼為11H,(2)組控控制碼為22H,(3)總控器發(fā)出的單控控制碼44H,(4)主控器發(fā)出的單控控制碼為88H,(5)總控器發(fā)出的但等查詢控制碼為99H,(6)主控器發(fā)出的單燈查詢控制碼為AAH;DATA:數(shù)據(jù)信息,所占字節(jié)根據(jù)控制碼的不同而改變:(1)如果是校時(shí)控制碼,DATA內(nèi)容為妙、分、時(shí)、日、月、年、周,占七字節(jié),其中周日—周六對應(yīng)0-6;(2)如果是主控的控制碼,DATA占一個(gè)字節(jié),數(shù)值為00-FFH,00H對應(yīng)燈具關(guān),FFH對應(yīng)燈具開,01-FEH備用,可用于調(diào)整燈光亮度;(3)如果是總控器發(fā)出的單控控制碼,DATA占三個(gè)字節(jié),第一個(gè)字節(jié)數(shù)值為00-FFH,00H