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1、基于电力载波通信的自动控制系统研究基于电力载波通信的自动控制系统研究 Study on auto control systems based on carrier-current communication（华南理工大学）张文勇 杨金明 陈伟 ZHANG WENYONG YANG JINMING CHEN WEI 摘要：随着电力载波技术的不断发展，电力载波通信的优势越加明显。本文介绍一套以LM1893 集成芯片实现电力载波通信，PC 机做上位机进行信息的综合处理，单片机做下位机控制用电设备的自动控制系统。以串行通信的方式实现 PC 机 RS232 串口与单片机的多机通信，并把本文介绍的设计方法
2、应用于教室节能系统加以实现，达到了设计效果。关键词：电力载波；单片机；节能 中图分类号:TN92;TP271 文献标识码:A Abstract:As the development of the carrier-current technology,the predominance of the carriercurrent communication is more obvious.This article will introduce an auto control system that implements the carrier-current communication by LM
3、1893 IC,manages the information synthetically by PC and controls the electro-equipment by single chips.The communication of a RS232 serial port in PC and many single chips comes true by serial communication mode.The energy conservation system in the classroom comes true by the method introduced in t
4、he article and achieves the design purpose.Key words:Carrier-current;Single chip;Energy conservation 引言引言 随着电力载波通信技术的日趋成熟，电力载波 的研究也逐渐成为热点。电力载波通信以电力线路为传输通道，由于低压电力线随处可见，利用现成的低压电力线传输信号就不必要再架设专门的通信信道，系统设备可就地接入电力线，这就使的通信成本大幅度降低，投资少，见效快，并且可以实现与电网同步建设等。电力载波通信技术可广泛应用于工业自动控制系统1-2，自动抄表系统3，医学领域4，电器设备控制系统5，防火报警
5、系统6等场合。电力载波通信在很多领域都可体现出其无可比拟的优越性。本文介绍了一种以LM1893 集成芯片实现电力载波通信的方法，并研制了一套基于单片机控制的电力载波通信装置。1 电力载波通信系统结构电力载波通信系统结构 电力载波通信系统结构图如图 1，下位机实时的对所要控制的用电设备进行有效的采样，把获得的数据通过下位机的 LM1893 载波模块调制成能在电力线上传输的信号，上位机的 LM1893 载波模块再把电力线上的信号解调成数字信号，由 RS232 串口送入 PC 机，利用 PC 机对数据进行存储和综合处理，根据处理结果发送相应控制命令给下位机，下位机依据控制命令控制用电设备，使用电设备
6、按要求动作，达到预期目的。图图 1 电力载波通信的系统结构图电力载波通信的系统结构图 国家自然科学重点基金项目（60534040），国家自然科学基金项目（60674099）LM18937-9是美国 National Semiconductor 公司生产的高性能专用电力载波通信芯片，具有价格低廉、使用方便、精度高和可靠性好的特点，采用移频键控的调制解调方式，抑制噪音的 FSK 调制方式；可实现任意编码方式的数字序列半双工通信；传输速率最高4.8KBaud；载波频率在 50kHz 至 300kHz 之间可选择。2 硬件设计硬件设计 电力载波通信接口下位机和 LM1893 连接电路如图 2，上位机部
7、分与此基本相同。图图 2 LM1893 与单片机的连接示意图与单片机的连接示意图 LM1893 调制解调数据输入端 DATA IN 与 89C55WD 的串行输出口 TXD 相连，输出端DATAOUT 与 89C55WD 的串行输入口 RXD 相连。LM1893 的 5 脚 TX/RX 发送接收控制端（下文简称控制端）由单片机的 P1.0 端控制，高电平为发送状态，低电平为接收状态，载波信号的收发由 LM1893 的 10 脚通过耦合变压器 T 与电力线相连，三极管 T1 用于LM1893 工作在发送状态时载波信号的功率放大。单片机 89C55WD 内部自带看门狗，可防止数据丢失、CPU 误动
8、作和芯片死机现象。3 软件设计软件设计 3.1 上位机软件设计上位机软件设计 采用 Delphi7 作为上位机软件的开发工具，对数据的存储采用数据库 Paradox，此单端数据库由 Borland 公司开发，可采用 BDE 引擎，与 Delphi7 融合较好。采用数据表存储和显示接收的数据，并可根据接收数据情况随时更新，便于用户实时查询。对串口 RS232 直接使用 Windows API 函数和多线程技术实现通信功能10，此方式具有高度的灵活性，且 Delphi7 对 Windows API 调用十分便利，提供了非常容易使用的多线程Thread，对串口的控制易于实现。自定义数据帧如下：标志位
9、用于区分 8 位数据位部分是地址还是数据（“1”地址,“0”数据），具体可由 Windows API 函数实现如下：GetCommState(hComm,cc.dcb);cc.dcb.Parity:=MARKPARITY;(或 cc.dcb.Parity:=SPACEPARITY;)SetCommState(hComm,cc.dcb);其中：hComm 是由 CreateFile（）函数产生的函数句柄，属 THandle 型数据；cc 是TCOMMCONFIG 型数据，dcb 是此类中的一个结构体，它包含了串口的各种信息；MARKPARITY 对应标志位为“1”，SPACEPARITY 对应标
10、志位为“0”。当上位机发送信息给下位机时，此标志位就会自动存入单片机 SCON 寄存器的 RB8 位。3.2 通信协议通信协议 为了保证设计的灵活性，自行制定通信协议。上位机以广播的方式发送下位机地址，下位机接收到地址验证正确时，再返回此地址给上位机，握手结束，否则不返回信息，当上位机接收到返回地址且验证正确时，上位机发送通知下位机发送有效数据的命令（下文取“230”），当下位机收到此命令时就发送有效数据给上位机，上位机存储数据，根据处理结果发送相应控制命令给下位机。上位机和下位机的程序流程图分别见图 3 和图 4，其中 flag1 是当前通信单片机的标志位，当 flag1=1 时，表示此单片
11、机正在通信，其他单片机的 flag1 全置零，防止误动作，flag2是为了防止由于错误通信，还没有发送有效数据就导致相应用电设备的误动作，通过软件设计减小错误的发生。图图 3 上位机程序流程图上位机程序流程图 图图 4 单片机程序流程图单片机程序流程图 3.3 时序设计时序设计 根据载波通信芯片 LM1893 控制位的要求，发送时控制位需置高，接收时控制位需置低，并且要避免 LM1893 芯片控制位全置低的情况，因为在试验中证实，当上位机和下位机的 LM1893 控制位全置低时，数据传输的错误率将明显升高，甚至收不到正确的数据，为了避免这种情况的发生，下面提出一种利用时序配合的方法，达到目的。
12、为了减少由于数据丢失导致的通信错误，上位机每次发数据都重复发 10 次，下位机每次重复发 20 次。上位机采用时间控件 Timer 的方式，下位机采用软件延时的方式互相配合，根据具体的应用系统，下文的时间间隔应适当调整，以达到图 5 所示的效果。上位机：为了实现多机通信，利用时间控件 Timer1，设置适当的时间间隔（12s）依次发送各下位机地址，地址发出后上位机 LM1893 控制位置低等待接收，当接收到返回地址正确时上位机 LM1893 控制位置高，启动时间控件 Timer2，时间间隔为 3s，时间到后发送要求发有效数据的控制命令（下文取“230”）通知下位机发数据，发送后上位机 LM18
13、93控制位置低等待接收有效数据，收到有效数据后上位机 LM1893 控制位置高，有效数据存储处理，启动时间控件 Timer3，时间间隔为 3s，时间到后根据处理结果发送相应控制命令给下位机。下位机：开始等待接收，一旦接收到正确地址，下位机 LM1893 控制位置高，开始返回地址 20 次，时间 2s，发完下位机 LM1893 控制位置低等待接收，收到“230”时下位机LM1893 控制位置高，发送数据 20 次，时间 2s，发完下位机 LM1893 控制位置低等待接收控制命令，当收到控制命令时，根据制定好的控制命令控制相应用电设备作相应动作。时序图如图 5：图图 5 通信时序图通信时序图 其中
14、深色时段控制位置高，浅色时段控制位置低，显然浅色时段没有重合部分，这样的时序设计是满足硬件和软件要求的，有效地避开了 LM1893 控制位全置低的情况。为了进一步减少干扰带来的通信错误，上位机接收数据时采用如下方法：在接收事件中首先存储接收到的十个数，在这十个数中取相同个数最多的数据作为有效数据去处理。这样就有效的解决了一些杂波干扰带来的通信失败，取得和设置校验位相近的效果。4 实例应用实例应用 本文介绍的设计方法已经在教室节能系统中实现，根据教室人数自动控制教室照明灯的开通与关断，达到节约电能的目的。在此系统中利用人体红外监测技术和单片机统计出教室的人数，作为有效数据传递给上位机，上位机程序
15、中可根据实际情况设定开灯和关灯的人数阀值，最后计算出教室是应该开灯还是关灯，发送设定好的控制命令给单片机以控制照明灯的通断。并且此系统加入了检测环境亮度的功能，保证在有足够光线的情况下不开通照明灯；上位机程序可以设定单个教室在某个时间段内照明灯一直开通，以满足上课，开会等特殊情况的需要。该系统已得到了实际应用，达到了设计效果。5 结论结论 电力载波通信日益接近我们的日常生活，本文介绍的设计方法在实时性要求不高的场合，有较好的实用价值。在试验平台上，应用此设计方法已经实现了教室节能系统，可根据教室人数自动控制教室照明灯的开通与关断，达到了设计效果，证明了此设计方法的正确性与可行性。参考文献：参考
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18、E-mail:；杨金明（1962-），男（汉族），华南理工大学副教授，博士，硕士研究生导师，长期从事电力电子与自动控制，新能源技术等方面的研究。Biography：Zhang Wen-yong(1982-),male(the Han nationality),South China University of Technology,the master degree,Power Electronics and Power Transmission;Yang Jin-ming(1962-),male(the Han nationality),South China University of T
19、echnology,Associate professor,Doctor,Power Electronics,Auto control and Technology of new energy sources.(510640 华南理工大学电力学院)张文勇 杨金明 陈伟 通信地址：(510640 广东省广州市天河区五山华南理工大学电力学院)张文勇 本文作者创新点：本文给出一套基于低压电力线载波通信的自动控制系统的构造方法，利用集成芯片LM1893实现电力线载波，并针对实验中遇到的与LM1893相关的关键问题给出适当的解决办法，并且本文介绍的研究方法已经在本人参与的教室节能系统项目中得以实现，达到设计效果。