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1、-本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）题题目目 低压电力线载波通信系统设计低压电力线载波通信系统设计学生姓名学生姓名教学院系教学院系专业年级专业年级指导教师指导教师单单位位学学 号号职职 称称西南石油大学西南石油大学20132013 年年 6 6 月月 5 5 日日完成日期完成日期-Souhwe Petroeum UnivrsitySchoolSchoolGradutin ThsiseignMthd OFLow Pwr Linearrirommunicaio SysemG Gde:de:NaNa:SpeciSpecility:lity:AuomatonI Istructstru
2、ct:f Ef Eececi ial aln nforfortiontion20203-3-摘要摘要随着现代社会的发展,网络扮演着越来越重要的角色，生产与生活中的大量设备需要连接起来,构成网络，以实现对它们的监测、控制与管理。在这些网络中,需要连接的对象众多,位置可能变动，给网络的构成带来一定的困难。由于这些对象的工作大都离不开电力,所以用低压电力线组成网络进行通信,是一种很有价值的实现方法。本毕业设计主要实现两点之间通过低压电力线载波通信进行数据传输并通过上位 PC 进行监控。本设计基于EN01 嵌入式电力线载波模块,其硬件部分包括载波耦合电路、信号发送电路(输出功率控制电路和信号功率放大电
3、路）、滤波接收单元(接收滤波电路和解调电路）、电平转换电路等。软件部分包括串口调试和通信程序。在完成硬件和软件设计之后,测试结果为发送端可以准确、高效的向接收端通过低压电力线发送数据，具有很好的抗干扰性能,可靠性高。关键词：关键词：低压电力线；载波通信；电平转换;串口;EN-01-bsratWith the deometf moden ey,netwk pan icrenly impt roleIn he roucin and le,a lage nmerof vices need to be conecte tether oform networko moior,conro ndmae th
4、em.t may bringsmdiffiulietht thee evie mahave may lcationsorchange hecompsition.It is a vlae mod to use netwok oo vltaepowe lie comunicato，because mt of heecescannotworwithouteltit.The min problemthis gradatidsign supoed tosolve is trasmitting dta tough a ovotae po linecarie couniations beeentwooint
5、nd ten onitoring it through the host PC.The desgn basd SNS-01,an ede poer incarie modue e hardware parof the odue incldea caercouping ircit,sgnalranmisoncircuit（outpupwercntrocircu ndthe sgnal ower mplifiation ciruit),a ilr reeivg uit(recpio iltr ciruiad dmolacircit)nd evconversion circuit.The Sofwa
6、r parts includ eial buggin and commuicatn rram.Upo competi fthe rare d softwardesig,thesenercan seddatacuratelyndeffiienly to th receivig edrouh the lo-vltae powr lins，whih,e test su,ha good ant-jmmig peromance a wll sihrliabiity.eyeyordord：lowvolage poer line;carri communctio；seia;levelconrsin;SENS
7、01-目录目录摘要错误错误!未定义书签。未定义书签。Abta.错错误误!未定义书签。未定义书签。1 绪论.错错误误!未定义书签。未定义书签。.1 研究目的和意义错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 国内外研究现状与发展趋势.错错误误!未定义书签。未定义书签。1.3本文的主要工作错误错误!未定义书签。未定义书签。2 低压电力线载波通信系统特性分析错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 噪声干扰错误错误!未定义书签。未定义书签。22阻抗变化大错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 衰减大，且时变性强.错错误误!未定义书签。未定义书签。3低压电力线载波通信原理.错错误误!未定义书签。未定义书
8、签。3.电力线载波通信调制技术概述.错错误误!未定义书签。未定义书签。3.11 窄带通信技术83.1.2 扩频通信技术.错错误误!未定义书签。未定义书签。3.1.3 OFDM 技术错误错误!未定义书签。未定义书签。32 通信方式比较错误错误!未定义书签。未定义书签。33调制方式选择错误错误!未定义书签。未定义书签。4 载波模块选择错误错误!未定义书签。未定义书签。.5 窄带调制原理.错错误误!未定义书签。未定义书签。3.5.1 FSK 原理.11.5.PSK 原理错误错误!未定义书签。未定义书签。4 硬件设计错误错误!未定义书签。未定义书签。4.系统组成错误错误!未定义书签。未定义书签。2 电
9、力线载波模块.错错误误!未定义书签。未定义书签。.2.过零检测电路错误错误!未定义书签。未定义书签。.调制输出电路.错错误误!未定义书签。未定义书签。.2检波输入电路错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 接口转换电路.17软件设计.错错误误!未定义书签。未定义书签。-5 通信流程.错错误误!未定义书签。未定义书签。.2数据发送流程错误错误!未定义书签。未定义书签。5.3通信界面24系统调试.错错误误!未定义书签。未定义书签。.1 硬件调试错误错误!未定义书签。未定义书签。61.供电电源测试.错错误误!未定义书签。未定义书签。.12 接口转换电路测试.错错误误!未定义书签。未定义书签。62
10、通信过程调试.错错误误!未定义书签。未定义书签。6.3遇到的困难错误错误!未定义书签。未定义书签。.系统的不足和改进错误错误!未定义书签。未定义书签。结论错误错误!未定义书签。未定义书签。谢辞错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错错误误!未定义书签。未定义书签。附录 1.31-1 1 绪论绪论1.11.1研究目的和意义研究目的和意义电力网是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络，而现有的功能仅仅是传输电能。如何利用网络资源潜力,在不影响传输电能的基础上,实现窄带或宽带通信,使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的又一通信网,是多年来国内外科技人员技术攻关的又一目标。电力线载波(o
11、wrLie Carrier,LC)通信是利用高压电力线(在电力载波领域通常指5kV 及以上电压等级)、中压电力线(指 10k电压等级）或低压配电线（3800V 用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。由于在低压电力线上实现通信有许多技术难点:如网络不规范、节点多、隔离多、随机干扰等。也可以说民用电力线路阻抗对通信而言是一个不确定、无规则、随机干扰的非标准通信网。在技术上带来很大难度，成为通信领域上的一大挑战课题。在实现低压配电网中可靠传输的基础上,将这种数据传输方式与其它通信方式结合起，从而实现充分利用已有的低压电力线网络。电力线载波技术是一种适于在配电网中实现可靠数据传
12、输的电力线通信技术,通过使用电力线载波，包括常规载波以及扩频技术预计可实现低成本、高可靠性、相对速率较高的数据传输，它不仅可以应用于智能抄表，还可以非常简单地嵌入于智能家电,路灯监控等用量非常大的设备中,其具有很高的研究价值。1 12 2 国内外研究现状与发展趋势国内外研究现状与发展趋势20世纪 20 年代,国外一些著名的公司和研究机构开始对低压电力载波通信技术进行研究。93年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和 传输媒介的波纹载波系统（CS 系统)。该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备的管理。98 至 1959 年间，美国德克萨斯元件公司的 Jackiy 和 Faih
13、il半导体公司的 Rober Noe 最早发明了电力线载波通信集成电路。-199年,英国 SW公司成功地在一地区性有限遥测系统 RMS 中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信,将已有的水、电表计与电能表计连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。1999 年BB 公司成功开发出基于跳频方式的低压电力载波通信系统artNet，信号传输速率为 1.2ks。2000 年月和月 Inellon 公司采用 OFDM技术（正交频分复用技术）进行的组网试验，可实现速率为 14ps 的数据传输。我国研究低压电力线载波技术起步较晚,但发展速度较快。中国电科院 197 年开始研究低压电力线载波技术,
14、2000 年开始引进国外的LC 芯片,研制了Mps 样机。2001 年下半年进行了小规模现场试验，取得了较好实验效果。20年成功研制了EPLC-5M 和 EP-4 系统。另外，一些高等院校的电力系、通信系也对LC 进行理论研究。近几年,国内涌现出许多从事电力线载波通信技术研发的企业，如青岛东软、福星晓晨、杭州新实等公司。他们研发的芯片在自动抄表、报警和安全监控系统、家居自动化系统等方面有广泛的应用。1.1.本文的主要工作本文的主要工作目前国内许多公司已开发出较多相对成熟的低压电力线载波通信模块或芯片，这些模块主要采用串口连接上位 PC,实际应用中不够方便。本文主要完成了以下几方面的工作:1概述
15、低压电力线载波的基本特性和基本原理。简述在电力线载波领域几种不同的调制方式。2.低压电力线载波模块的设计原理及其硬件电路的分析与实现。3低压电力线载波通信的程序编写。4低压电力线载波模块通信的调试与分析。-低压电力线载波通信系统特性分析低压电力线载波通信系统特性分析在低压电力线载波通信系统中，线路的通道特性直接影响到信号的传输质量,例如,阻抗特性影响设备电平的匹配，噪声的频率特性影响通信频率的选择,衰减特性决定功放的功率。所以无论以何种方式进行通信,首先必须了解线路的通道特性。电力线是给用电设备传送电能的,而不是用来传送数据的,所以电力线对数据传输有许多限制。1.配电变压器对电力载波信号有阻隔
16、作用,所以电力载波信号只能在一个 配电变压器区域范围内传送;.三相电力线间有很大信号损失(10dB30)。通讯距离很近时，不同相间可能会收到不同信号，一般电力载波信号只能在单相电力线上传输;.不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同;4.电力线存在本身固有的脉冲干扰;另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通讯媒介,但由于现代通讯技术的发展,使电力线载波通讯成为可能,其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。2 2 噪声干扰噪声干扰背景噪声包括周期性噪声和突发性噪声。周期性噪声是周期性的连续干扰和周期性的脉冲干扰;突发性噪声是用电设备的随机接入或断开而产生的。噪声范围在kz1
17、0Hz 的频率内。研究表明,脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大。脉冲干扰的强度最大可达 40dBm，如此强的干扰会导致接收端根本无法识别出发送的信号。2 22 2阻抗变化大阻抗变化大载波通道的阻抗变化远远超过高压电力线的阻抗变化。在负荷很重时，线路阻抗可能低于 1,这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性，这是低压载波通信面临的又一挑战。由于用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及不可抗拒的自然因素,如雷电等的影响，使得其干扰表现出很强的随机性和时变性,从而难以找到一个准确的数学模型来加以描述。-研宄表明低压电力线上的输入阻抗与
18、所传输的信号频率密切相关。在理想情况下,当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响,输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时,所有频率的输入阻抗都会减小。但是由于负载类型的不同,使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化,可以从 0.1 变到大于 100，变化范围超过了 1000 倍而且，在实验所测的频率范围内,输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线,上面连接有各种复杂的负载。这
19、些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此，在不同时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。2.32.3衰减大衰减大,且时变性强且时变性强电压越低线路衰减越大，时变性越强，建立通道越困难。由于低压配电网直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象,使得信号的衰减变得总的说来,信号的衰减随着传输距离的增加而增加。同时，有文献报导,信号的衰减与频率、工频电源的相位有关，一般来说,随着频率的增加,信号的衰减也将增加,而在某些特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响，衰减会出现突然剧增。实验表明，信号的衰减是距离的函数,
20、一般为 4010 dB/Km。在农村的衰减最大,0m 就达到 5dB;在城市，25m 大约dB;在郊区，50亦能达到5dB；但在工业区衰减较小，750m 长的线路仅为 30。总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配,所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合,使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。随着负载在电力线上的连接或断开,在不同的时刻，信号衰减都会表现出不同的特点。有时这种变化的程度会很大。由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变化。但是从统
21、计上来说，这种变化还是有一定的定性规律可寻的。多数情况下,电力线上负载的大小、性质是按照一定规律在一定范围内变化，例如在工业区,白-天的衰减比晚上大，而在居民区,晚上8:0 到 22:0的衰减是最大的。合理地利用这些规律，对于提高通信系统的可靠性有重要的作用。另外,接收机所处的位置不同,信号的衰减也不同。在某些负载,如彩色电视机、计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。-3 3 低压电力线载波通信原理低压电力线载波通信原理低压电力线载波通信是指利用现有2V/30V 低压配电线,通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输的技术。发送时，利用调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上传输。
22、在接收端,先经滤波将调制信号滤出,再解调，即可得到原始通信信号。通信速率依据调制方法和具体设备不同而不同,目前的传输速率理论值在4.54B/之间。电力线通信(LC）设备包括局端和调制解调器，局端负责与内部LC 调制解调器的通信和与外部网络的连接。通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端设备解调。图 3.1 为低压电力线通信系统原理框图。信源信宿图3.1 低压电力线通信系统原理框图信道编码解调带通滤波耦合电路信道编码调制带通滤波耦合电路配电网络3.13.1 电力线载波通信调制技术概述电力线载波通信调制技术概述按照调制信号的形式,调制可分为模拟调制和数字调
23、制。模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制载波的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM)、调频（M)或调相(M）信号。数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位从而得到振幅键控（SK)、频率键控(FSK）或相位键控（SK）。一般来说，数字解调与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法：1 利用模拟调制的方法去实现数字式调制,即数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理;利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法。-与模拟调制相比，数字调制有许多优点，主要包括抗噪声能力强，对信号
24、扰动的鲁棒性高、容易传输不同形式的信息（如声音、数据和图像)安全性好等。目前低压电力线载波通信主要采用窄带通信、扩频通信、OF调制等方式。3 3.1.1 窄带通信技术窄带通信技术早期的电力载波通信电路多采用窄带通信技术。其基本的调制方式分别为 ASK、FK 和 PK。在此基础上,又派生出了差分移相键控(DSK)，最小移频键控（MK）,四相移相键控(QPSK）、正交幅度调制（QA）。由于ASK的抗噪声能力较差,尤其是抗衰落的能力不强,因而它一般只适宜在恒参信道下采用。所以主要采用是 FSK 与 PSK 方式。.1.2.1.2 扩频通信技术扩频通信技术扩频通信(S）就是在发送端将信号频谱扩展后再进
25、行传输,在接受端运用相关手段将接收信号解扩后再解调的通信手段。扩频 通信系统主要有种基本扩频方式:直接序列扩频(DS）；跳频（FSS);跳时（THS）;线性调频(SS）;此外，还有这些扩频方式的组合方式,诸如S/FS,SSSTH，DS/HS/THSS 等。常用于低压电力线载波通信的是直扩（DSSS）和线性调频(S）。扩频通信技术的优点是抗干扰能力强、可进行多址通信、抗多径干扰能力强。3 3.3.3OFDMOFDM 技术技术正交频分复用(FM)是一种多载波传输技术。其最大的特点是传输速率高,抗码间干扰和信道衰落能力强。OFD调制技术实质上是大量的窄带载波（有时也称为子载波)的同时传送，每个载波的
26、调制速率较低,但总体表现为极高的传输速率。因此，OFDM 在电力载波通信中主要应用于电力线上网等通信速率要求高的领域。3 32 2 通信方式比较通信方式比较低压电力线载波通信客观环境非常恶劣，要实现稳定可靠的通信，则必须采用先进的技术手段。电力线载波通信系统所使用的通信方式各有其特点。因此,结合窄带通信、扩频通信、OFM 各自的特点，比较这 3 种通信方式的优缺点。表 31窄带、扩频及 OFDM 优缺点比较通信方式优点-缺点-能够做到在电力线上跨相窄带位甚至跨变压器通信；价格抗干扰能力较弱；传输距离低廉且较为容易实现；电力线耦合性能好抗干扰，抗噪音;抗多径衰落；具有保密性；功率谱密扩频度低,具
27、有隐蔽性和低的截获概率;可多址复用和任意选址；高精度测量等带利用率高；抗 II 干扰OFDM能力强;抗信道衰落;抗噪声干扰由上表可知，这种通信方式在实际应用中各有优势和缺点。窄带通信技术价格低廉并且较易实现,所以在以往的应用中比较流行，但由于存在干扰问题，实际应用仍不很理想，而且具有传输距离较短，数据传输率比较低等缺点。扩频技术在抗干扰、保密等方面有明显优点,使其在低压电力线载波通信中应用越来越广泛。当整个频带内的干扰情况较平均时,或当整个频带干扰严重而载波通信所选择的通信频带内干扰较小时,窄带调频通信都具有优势。由于电力线路上的干扰大多是窄带干扰,宽带扩频方式占用频段宽,干扰信号无法将其覆盖
28、,因此具有较强的抗窄带干扰能力。但电力线耦合电路的品质因数(Q 值)也因宽带因素降低，这样严重影响通信性能。窄带通信方式具有较好的电力线耦合性能，当强干扰噪声在通信频带外时，其通信效果一般优于宽带扩频通信方式,但强干扰信号与通信频带相近时 则会经常出现通信中断。总体来说，采用扩频方式的电力线 通信芯片在抗干扰和噪声，以及数据传输性能上比窄带通讯有较大提高。理论分析与大量实验均表明，在相同路径条件下,扩频通信技术的成功率普遍强于OFD通信技术，而通信速率则是 OFM 技术远远高于扩频技术。但基于扩频通信技术的电路成本也远低于 OFDM 通信技术的电路成本。目前,OM 技术应用于电力线高速数字通信
29、刚刚开始,还存在许多问题,其中最主要的问题是到目前为止还没有制定出相应的标准规范。-电路成本高;峰均功率比高;同步问题电力线耦合度低;通信速率低;不适宜带限信道的传输较短;数据传输率比较低-3.33.3调制方式选择调制方式选择经过对几种数字调制方式的分析得出以下结论:相对于扩频调制和 OFDM，窄带通信,价格低廉,实现相对简单，适合短距离、低速率的实验环境。.载波模块选择载波模块选择我国可使用的电力线载波dm 芯片及模块可分调频和多频或者分为宽带调制及窄带调制，下面就我国使用的几种芯片及模块进行介绍。1 窄带载波SK 通信方式在我国使用的比较早而且也有相当长的历史,使用效果也不错。代表性的芯片
30、有 LM183,T56,T7537,AT930，PT-2,S881,MC385 及 KQ100 模块。.宽带载波通信方式在我国使用的比较晚,但是应用越来越多，代表性的芯片有SSC30,SCP0，PL200，01，P350,SC128 等。3.OFM 是新一代的技术,最近几年也开始应用并且反映效果也良好，代表性的芯片有 IT510，M2986,，IM0,采用 OCM 调制技术的代表性的芯片有LM2200。4.链码自适应调制技术也有应用，代表性的模块有 WF-LC300A。表.2 主流芯片比较-从各厂家目前的应用情况来看，无论 FSK、BPSK 还是扩频,其调制技术在理论上的优劣差异都很小,性能的
31、差异只体现在发送和接收的处理机制上。也就是说没有不好的调制理论，采用哪一种方案都是合理的。本设计中电力线载波模块选用杭州新实的ENS-01 嵌入式电力线载波模块。SES-01 嵌入式电力线载波模块包括了所有的电源 20V 降压、载波耦合、信号功率放大、输出功率控制、接收滤波、调制解调等外围复杂电路。.5.5 窄带调制原理窄带调制原理3 35.15.1 SKSK 原理原理FSK 是利用载波的频率变化传递数字信息。在 2FSK 中，载波的频率随二进制基带信号在 f1 和 f2 两个频率点间变化。故其表达式为:e2FSK(t)Acos(1t n)Acos(2t n)发送“1”时发送“0”时(.1）2
32、FS信号的常用解调方法是采用如图 2 所示的非相干解调调。包络检波和相干解解调原理是将FSK 信号分解为上下两路 2SK 信号分别解调，然后进行判决。这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限判决规则应与调制规则相呼应,调制时若规定“1”符号对应载波频率f1,则接收时上支路的样值较大，应判为“”;反之则判为“0”。-图3.FSK信号解调原理图3.5.2 PSK3.5.2 PSK 原理原理相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变。在S中通常用初始相位和分别表示二进制“1”和“0”。因此 2PSK 信号的时域表达式为e2PSK(t)Acos(ct n)
33、（.2)其中n表示第 n 个符号的绝对相位:n0发送“0”时发送“1”时（3)2PS信号的调制原理框图如图.所示-图3.3 2SK信号调制原理图2信号的解调通常采用相干解调法,解调器原理框图如图所示。图.4 2SK信号解调原理图4 4 硬件设计硬件设计4.14.1 系统组成系统组成上位机 A接口转换电路SENS-01电力线接口220V图4.1 电力线载波通信模块框图上位机 B接口转换电路SENS-01电力线接口如图 4.1 所示，低压电力线载波通信系统由NS-1 嵌入式电力线载波模块和接口转换电路组成。信号由一个上位机发出,经过接口转换电路将进入NS-0模块,然后发送到电力线上。通过220V
34、电力线传输到另一个 SENS01 模块,经过接口转换后送到另一台上位机，完成电力线上的发送和接收。-2 2 电力线载波模块电力线载波模块SEN提供 5V 电源给用户的设备，波特率可选 600,1200,24,4800,600 或 1920bps,具有 TT电平接口，可以直接与单片机的 RXD、TXD 连接完成数据从串口到载波的转发。ES-01 嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能,可以在 22V10V,50/60Hz 电力线上实现局域通信。该模块为用户提供了透明的数据传输通道,数据传输与用户协议无关,由用户数据传输协议验证数据传输的正可靠性。在同一台变压器下，多个ENS-1 嵌入式电力线载波
35、模块可以连接在同一条电力线上，在主从通信模式下,模块分别单独工作，不会相互影响。图 4.2SEN1 嵌入式电力线载波模块实物图 B 是 3 个通讯波特率选择输入端,B C 有内部上拉电阻,悬空为高电平,要输入为,则可把端口接地就可以了,若为 192,则可以全部悬空。两个通讯模块的波特率必须要设置相同。-表4.1 A B C 和波特率对应表ABC=11A B =10AB =1 0 1A C=1BC=0 1A B =0 0 119200，efault96004002400120004.2.14.2.1 过零检测电路过零检测电路在过零检测电路中，主要是采用三极管驱动发光二极管,同时在接收端加上电阻进
36、行过零检测,来判断信号相位，与检波电路一起实现过零信号接收功能。该电路采用了光耦过零检测电路(如图 4.3 所示)，使后面电路不直接接触0电源，最大程度保证后面电路与用户的安全性。图43 SNS1 过零检测电路图4.24.2调制输出电路调制输出电路当数据需要通过电力线传输出去时,通过调制输出电路(如图 6 所示）,将信号耦合到电力线上。在SENS-0中，采用互补推挽放大器来增强驱动能力,提供大电流。Q3管接入 Q2 管和 Q4 管的基极，以此作为推动信号，由于两只三极管的极性不同,基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置，一个是反向偏置。当输入信号为正半-周时,两管基极同时电压升高,此时输
37、入信号电压给 Q4 管加上正向偏置电压,所以该管进入导通和放大状态。由于基极电压升高,对 Q2 管来讲加上反向偏置电压，所以该管处于截止状态。输入信号变化到负半周后，刚好处于相反状态。两只 三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。再经过一个电容滤掉直流成分和限幅稳压管稳定电压,即可通过变压器接入电力线上。图4.4 ENS-01调制输出电路图4.2.34.2.3 检波输入电路检波输入电路在本模块中，主要采取 290k 检波电路(如图 4.所示），来实现从电力线中不失真地检出调制信号。当信号经过变压器降压后,接入检波电路,实现信号解调的作用，再经过两个稳压二极管,实现限
38、幅的作用，防止过电压通入载波模块的 I/口。图.SENS1 检波输入电路SENS01 电力载波模块使用TL 电平串口与用户系统进行连接，并使用交叉连接方式进行连接,通讯采用收、发、地三线制方式。当用户系统为 TTL 电平串口时,可以直接与模块进行交叉连接通讯，无须 RS232 电平转换，所以用户可以直接使用单片-机的串行接口（UAT)与载波模块进行连接通讯，当用户系统为标准 RS232 接口时,需要增加串口电平转换芯片进行电平转换，比如 MAX23等芯片进行串口电平转换。4.34.3接口转换电路接口转换电路为了使低压电力线载波通信系统有更好的兼容性,设计了接口转换电路,以方便连接电脑的 US接
39、口。图46接口转换电路图接口转换电路采用 F22L 芯片。FT32R 是 FTDI 公司5 年底推出的多种SB 通信接口解决方案之一。3芯片的主要功能是在内部硬件逻辑作用下实现了 US和异步串行数据传输接口的转换。PC 机通过接口和 FT232R进行数据交换。T22R 则通过串行方式与外围 URT 接口设备完成通信。和前一代产品相比，在系统集成度和软件安全两方面进一步得到加强。芯片内部集成了 102位 EEPRM 和多频率时钟发生器(6MHz、1Mz、4MHz、48MHz)的输出时钟可用于驱动外部 MCU 或 FPG。-表42232RL 引脚定义-图4.7 FT2 2L 引脚图-5 5 软件设
40、计软件设计5.15.1 通信流程通信流程本系统数据的发送与接收显示都是通过对上位机编写软件来实现的。其流程大致为：关闭串口,对串口的波特率进行选择，然后设置通信参数；打开串口之后,可以选择发送方式为手动或自动(自动发送周期根据模块的处理速度固定为 2s），也可以选择是否为十六进制发送(对应的接收端应选择十六进制显示）。软件流程图如图 5.1所示。图5.1系统程序流程图-5.25.2数据发送流程数据发送流程由于在数据发送时模块每次只能接收0byt以内的数据。因此,为了使模块能够发送或接收更多的数据,本文采用指针指向的方法：分段取出所要发送的数据,每段 20byte。数据发送首先要获取编辑框内所要
41、发送的数据然后计算其长度，计算出的长度除以 2,如果刚好整除得 b 的话,就直接发送 b 次。因为如果模块的处理速度慢于发送的速度会造成数据丢失，所以每次分段读取时,必须在两次发送之间添加延时程序。当不能整除且得到的余数为 a 时，要先发送 b 次，读取完 2字符后，再发送剩余的a 个字符。图 5.2 所示是其数据发送程序流程图。-图5.2数据发送程序流程图-5.35.3通信界面通信界面本设计软件部分采用 C+编写，软件包含打开关闭串口，发送接收显示，清楚显示等功能。编程界面如图 5.3 所示，软件界面如图 54 和图 5.所示。图3VS编程界面图图5.3 软件界面图-图5.十六进制发送接收图
42、6 6 系统调试系统调试6.16.1硬件调试硬件调试6.6.供电电源测试供电电源测试电路板焊接结束后,将万用表打在二极管档，测试电路板上与电源相连的位置是否接通,然后测量电路板上0供电电源是否正常，电源灯是否亮起,保证整个模块的电源供电正常再进行之后的测试。6 61.21.2 接口转换电路测试接口转换电路测试为整个电路提供供电电压，以使接口转换电路正常工作,用示波器测试输出引脚的波形，若波形正常则证明芯片可能是完好的。将接口转换电路的X 端和 RX 端相连,通过 USB 接口连接电脑,使用串口调试助手测试发送和接收信号是否正常。6.26.2通信过程调试通信过程调试首先需要在上位机安装 FT32
43、R所需的驱动。连接好整个电路之后需要查看具体连接的是哪个 CM 口。打开上位机通信软件，设置好波特率打开串口,发送文字。最后调试运行程序如图 6所示。-图 6.程序运行图.3.3 遇到的困难遇到的困难设计软件时没有考虑到程序和操作系统的兼容性，遇到不少兼用性问题。串口编程采用了 MSCmm 控件，但是不是最初没有考虑到电脑是否注册了控件，导致多次通信失败。SENS-01 模块设定的每次只能接受0以内的数据，较多的数据只能采用分段发送的方式。6.6.系统的不足和改进系统的不足和改进虽然实验模块调试成功,但它仍然有很多不足的地方,本设计提出的系统还有很多改进可以做，这里是对系统不足的分析：.实验板
44、是在比较单纯的环境下做的实验,在载波的电力线上没有其它电力设备的干扰。如果加上一些干扰设备,传输质量就会明显降低2两块实验板的通信距离比较短，两套电力线载波设备接同一个插座,通讯距离小于 100 米。3.数据传输速度较低。模块最高通信速率仅为 1920/s,实际通信速率更低。4只能在单相电路上通讯，无法应用于三相电路。本设计使用的模块支持三相电路通信，如果应用于三相电路通信需要更复杂的设计。针对上面提出的问题，系统的改进就可以从下面这些方面考虑:-1.将系统放入实际环境中测试，如在顶楼与底楼房间之间以及楼宇之间做通讯实验。如果发现距离较长便无法通讯,则还需加入通讯中继。2.需要分析速度较低的原
45、因，误码还是传输延迟，如果是传输延迟,需要测定实际传输延迟，并修改软件的一些相关参数。如果是误码率较高,在硬件设计方面，进一步优化电路设计,提高系统的发射和接收能力，即继续完善功率放大器电路和自动增益前级放大电路。3.改进相关硬件电路(放大器电路，滤波电路等)。.分析三相电与单相电传输的异同以寻求解决方案。-7 7结论结论本设计实现的是低压电力线载波通信系统的设计。在本论文中,首先对低压电力线载波通信技术的现况和发展及其主要应用范围做了简单的介绍。其次对调制方式的原理和特点做了详细的描述,主要包括模拟调制和窄带、扩频、FDM 等数字调制方式。同时，本论文对市面上的电力线载波芯片和模块做了简单的
46、介绍。经过理论分析、比较，本设计确定釆用窄带通信方式。虽然其实现比较容易,价格便宜。但在抗干扰等方面的性能会差一些。本论文对低压电力线载波通信模块的硬件部分做了详细的描述与分析。介绍了具体工作原理和电路。经过两个月的努力,终于完成了低压电力线载波通信模块的硬件部分设计。在整个设计的过程中出现过很多难题，在老师的指导下和师兄师姐们的帮助下,这些问题最终都得到顺利的解决。在解决这些问题的过程中,我体会有很多:硬件电路的设计要考虑许多方面的影响。尽管理论上做了充分的准备,但在实际的硬件电路设计过程中还会出现许多意想不到的问题。所以,我觉得从事硬件电路设计要有丰富的知识和经验。只有对设计的原理非常清楚
47、，思路清晰，目的明确，才能顺利地进行设计，否则设计过程会很混乱。硬件设计是一个漫长而严谨的过程,这个过程不是一两个月能够完成的。所以，我觉得不论做什么事情都要有耐心,戒骄戒躁,这样才能顺利地完成每一件事情。-谢辞谢辞本文自始至终是在导师XX 老师悉心指导下完成的。从选题文献调研、研究深度、关键技术思路、论文的结构等各个方面，都倾注了导师大量的精力和心血。黄老师严谨的治学态度，宽广的学术视野、明晰的科学研究思路、高度的责任感、敏捷的思维能力和洞察能力以及对日新月异科学技术发展的执著追求，令我受益非浅,必将影响我的一生,导师在学习和生活中所给予的指导、帮助和谆谆教诲使我终生难忘。在此，向老师表示最
48、诚挚的感谢！在本文的完成过程中,得到了曾萍师姐和刘涛师兄的大力帮助。在此再次向他们表示衷心的感谢!感谢西南石油大学各位老师同学给我的帮助!最后还要感谢我的家人对我学习和生活上莫大的支持!-参考文献参考文献 曾萍.低压电力线载波通信系统设计物联网技术.201,（12)：-何海波低压电力线载波通信研究与应用现状继电器，001,(7):12-163 郑雷.电力载波通信原理与实现.王超.基于 PL300 芯片的电力线载波通信装置的研究5 刘继军国内电力载波通信芯片技术及市场.电器工业,10,（12)：6165;6 方卫亮.浅谈低压电力线载波通信研究方案.城市建设理论研究，12.(6）;7 张平泽基于低
49、压电力线载波通信方法的比较.电子设计工程.201,（2)：628;8 蒋亚露.基于电力线载波通信的多点温度采集系统.电子产品世界，01,（）：-49;9杭州新实科技有限公司.SENS-1 嵌入式电力线载波模块使用说明书-附录附录主程序：/电力线载波通信.cpp:Dines the clss behaios for the aplcati/inlde stafx.hinud P.h#incle PLClg.hiff _DEBUG#efine nw DEBG_E#undefTHI_ aTHISFIL FILE_;#eif/CpBEGIN_MESSAG_MP(CMAp,CWnApp)/AFX_S_M
50、AP(CyApp）/TE-theClassizrdwill addand ree mappgmaro he/D NT DIT what oue ntese bloc of gneated cde!/AFX_OMAD(ID_HELP,Cp:nHelp)END_MESSAE_MAP(）/CMApp onsrtionMyp:CMyApp（）/TODO:addconstruction code here,/Place ll sgifiant iniializaon in InitInstance/he on and onl CyAppbjcCMyApp theApp;/CApnitialization