一種基于ARM7與ST7538的電力線載波通信模塊的設(shè)計.

1、一種基于 ARM 與 ST7538 的電力線載波通信模塊的 設(shè)計【摘 要】該文提出了一種用 LP2132ARM 內(nèi)核單片機與載波芯片ST7538 構(gòu)成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)方案,詳細介紹了該系統(tǒng)的工作原理和 軟硬件組成。經(jīng)實際測試證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較高的應用價值。關(guān) 鍵 詞：電力線；載波通信； FSK；PLC；ARM1引言電力線載波通信( PowerLine carrier communication )技術(shù)是指將電力線作為通信媒介的一種通信方式。利用電力線作為通信介質(zhì)的電力載 波通信，避免了新的通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和投資。在住宅智能控制、布線困難的工 業(yè)自動化控制等系統(tǒng)中， 采用低壓

2、電力線通信方案有著極為顯著的優(yōu)越性， 具 有極大的方便性、 免維護性、即插即用等優(yōu)點。電力線用于信息傳輸有些不利因素：線路阻抗小、信號衰減大、時變性大、噪 聲影響大。在實用系統(tǒng)的開發(fā)中，控制軟件的編寫、器件的選擇及電力線接口 的設(shè)計是關(guān)鍵。本文提出一種采用 ARM 內(nèi)核的單片機 LP2132 控制電力線載波芯 片 ST7538 構(gòu)成的低壓電力線載波通信系統(tǒng)。實驗證明，采用此種結(jié)構(gòu)在噪聲頻 帶很寬的信道環(huán)境下能實現(xiàn)可靠通信。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。數(shù)據(jù)由主通信設(shè)備發(fā)出，經(jīng)通信接口模塊，存入微控制器處理中的一段緩沖區(qū)內(nèi)，再經(jīng)編碼處理后進行通信調(diào)制，最后耦合到電力線

3、上。在電 力線的另一端，數(shù)據(jù)經(jīng)解耦后從電力線上接收下來再解調(diào)到微控制器中，最后 經(jīng)通信接口到從通信設(shè)備中。在整個系統(tǒng)中，微控制器是系統(tǒng)的核心，它負責整個系統(tǒng)中各任務(wù)的協(xié)調(diào)與調(diào) 度。而電力線接口主要起耦合、隔離、濾波與保護的功能。3 硬件的設(shè)計3.1 微控器的選擇由于低壓電力線上存在信號衰減大、時變性大、噪聲影響大等不利因素，這些問題導致誤碼率的升高，通信質(zhì)量嚴重下降。除了選擇好的通信 器件從“硬”的方面來提高通信質(zhì)量，降低誤碼率外，另一種解決方法是采用 一些糾錯能力強的編譯碼方案，這可能使得算法復雜化，運算速度降低進而導致通信速率下降，這種方法對處理器運算速度的要求較為苛刻，同時也要求微 處理

4、有較強的控制功能。在兼顧運算能力與控制性能之后，我們沒有選用傳統(tǒng) 的功能簡單的單片機，而選用了飛利浦（Philips ）公司的 ARM 內(nèi)核的 LP2132 單片機，LPC2132 是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16 位 ARM7TDMI-SCPU 勺微控制器，并帶有 64kB 的嵌入的高速 Flash 存儲器。128 位寬度的存儲 器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。較小的封裝 和極低的功耗使 LPC2132 可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和 POS 機。3.2 調(diào)制解調(diào)芯片的選擇現(xiàn)在，電力線載波通信專用 Modem 芯片種類不少，經(jīng)仔細比較，選

5、擇了SGSTHOMS 公司的 ST7538 早期國內(nèi)電力線載波通信的應用中，ST 公司的 ST7536 ST7537 芯片獲得良好應用。ST7538 是在 ST7536 ST7537 基礎(chǔ)上 推出的又一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計的半雙工、同步 /異步 FSK （調(diào)頻）調(diào)制解調(diào)器芯片。FSK 調(diào)制技術(shù)是用兩個不同頻率的正弦波來傳送一組數(shù)字信 號，其中用 fh 代表邏輯高水平，用 fl 代表邏輯低電平，其中載波頻率 fc 及波 特率 Baud 及誤差dev 之間關(guān)系可由公式，雖然 ST7538 采用 FSK 調(diào)制技術(shù)，沒有采用擴頻技術(shù)，沒有擴頻通 信的優(yōu)點，按理說無論從理論上還是技術(shù)上

6、，擴頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)應明顯優(yōu)于 FSK 但從實際試用來看，沒有發(fā)現(xiàn)其它擴頻芯片有明顯的優(yōu)勢，而ST7538 卻可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實現(xiàn)可靠通信。如果能夠很好地利用它的多 頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點。ST7538 內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內(nèi)部具有電壓自動控 制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng) 中。ST7538 是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，它為家庭和工業(yè)環(huán) 境應用而設(shè)計，采取了多種抗干擾技術(shù)。3.3 電力線接口的設(shè)計電力線接口是用來連接設(shè)備到電力線的，具體實現(xiàn)如下圖 2 所示它首先是一

7、個耦合電路，用于 FSK 信號的傳輸與接收；同時也是一個濾波系統(tǒng)，能可靠地過濾掉 220V/50HZ 的電力信號、及噪聲信號和浪涌信 號。發(fā)送電路由 C4 C5 R3 L3、D1、D2、D3 T1、C1、L1、R1 構(gòu) 成，其中 C4 C5 R3 L3 與 C1、L1、R1 分別構(gòu)成兩個帶通濾波器，而 D1、 D2、D3 構(gòu)成保護電路。兩個帶通濾波器的理想諧振頻率可由如下公式計算：接收電路由 C2、C3、R2、L2、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1 構(gòu) 成，其中 D1、D2、D3 同樣構(gòu)成保護電路，而 C2 C3 R2、L2 構(gòu)成一個二階的 接收帶通濾波電路，其中心頻率 fO 及品質(zhì)因

8、素 Q 可以由以下公式計算：3.4 系統(tǒng)的硬件連接整個通信模塊的各芯片之間的連接如下圖 3 所示。LP2132 通過監(jiān)測載波信號（CD/LF）與波特率信號（BU 來得到 載波的情況，而通過 REG_OK PG TOUT 來得到 ST7538 自身的狀態(tài)情況。而 LP2132 與ST7538 之間的數(shù)據(jù)交換是通過 SPI 口來完成的。而 LP2132 與通信設(shè) 備之間的通信是通過 SCI 通信模塊來進行的，其間采用 MAX202 來完成電平轉(zhuǎn) 換。由于 LP2132 的資源很豐富，我們還可以根據(jù)實際需求選擇接上LCD 顯示或鍵盤等其它周邊設(shè)備。3 軟件設(shè)計軟件設(shè)計是整個模塊開發(fā)的另一個難點。其困

9、難之處在于要協(xié)調(diào) 電力線載波通信模塊在多種狀態(tài)之間的切換，LP2132 監(jiān)測的信號線多，要完成的狀態(tài)轉(zhuǎn)換動作也較多。簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以將通信模塊功能簡化看作為電力 線與 SCI通信口之間的橋梁，系統(tǒng)軟件流程圖如下圖 4 所示：當系統(tǒng)加電啟動時，系統(tǒng)程序進入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài) ， 開始檢測載波信號的有無及正確與否，以此作為系統(tǒng)是否轉(zhuǎn)換到從 SCI 接收數(shù) 據(jù)狀態(tài)的判斷條件。如果檢測到載波信號且正確，則系統(tǒng)開始接收從電力線上 傳來的數(shù)據(jù)，此時 SCI 口中斷狀態(tài)是加電之后的初始值，即 SCI 口處于接收中 斷關(guān)。如果一開始沒有載波信號，則系統(tǒng)開始檢測 SCI 口，判斷 SCI 口是否有 數(shù)據(jù)傳

10、送過來，以此決定是否要進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。如果電力線及 SCI 口都無 數(shù)據(jù)傳送發(fā)生，則系統(tǒng)重新進入檢測狀態(tài)，重新開始檢測電力線，進入新一輪 循環(huán)。為了避免 SCI 口同時處于接收與發(fā)送狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)沖突，程序 中是以狀態(tài)字的查詢以及中斷的設(shè)置來完成。無論是從電力線上收到數(shù)據(jù)還是 從 SCI 口收到數(shù)據(jù)之后，都要從 SCI 口的中斷狀態(tài)來判斷系統(tǒng)通道的情況，從 而決定是將數(shù)據(jù)從PL2132 傳向電力線還是傳向通信設(shè)備。一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成，則整個系統(tǒng)回到檢測狀態(tài)，等待新一輪數(shù)據(jù)收發(fā)的啟動。5 結(jié)束語低壓電力線載波通信是個具有廣闊應用前景的課題。但低 壓電力配電網(wǎng)是一個開放性網(wǎng)絡(luò)，在傳輸信號時具有衰減

11、大、干擾強、阻抗變 化復雜等特性，要在電力線上進行高速、可靠、安全的數(shù)據(jù)通信還有許多技術(shù) 問題需要研究。此方案以P L2 1 32 這一款高性能微控制器作為中心處理器，用 ST7538 作為調(diào)制解調(diào)芯片實現(xiàn)的通信模塊可實現(xiàn)可靠通信，具有一定實用價 值。參 考 文 獻：1周耀義，鮑濱壽低壓電力用戶遠程自動抄表系統(tǒng)電力自動化設(shè)備 J ，1999，19(2) ：64652曹志剛，錢亞生現(xiàn)代通信原理 M 清華大學出版， 1994。3Newbury D JCommunication requirements andstandardsfor low voltage mains signaLing IEEE