城市智能路燈控制系統(tǒng)電力線載波技術(shù)樣本

摘要隨著都市發(fā)展腳步不斷加快，市區(qū)照明系統(tǒng)為建設(shè)安全都市，和諧社會(huì)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，每年照明耗電相稱于全球17%發(fā)電量，中華人民共和國(guó)照明耗電約為2187億千瓦時(shí)，相稱于三峽水力發(fā)電工程建成后，年發(fā)電能力840億千瓦時(shí)近3倍。為了實(shí)現(xiàn)照明節(jié)約用電，同步易于管理照明系統(tǒng)，需要變化老式照明控制方式。電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有一種通信方式，它運(yùn)用電力線作為傳播載體，以變電站為終端，通過載波方式將模仿或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳播，具備信息傳播可靠、可同步復(fù)用等特點(diǎn)。通過載波，電力線可以傳送語音、圖像、數(shù)據(jù)并且可以進(jìn)行信息互換、解決、控制、檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)化。當(dāng)前，電力線載波技術(shù)重要用于35KV及以上高壓線路上，載波帶寬為40一500KHZ，傳送信息涉及數(shù)據(jù)、保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、文字、語音及圖像等。但是，在中低壓電力線運(yùn)用上仍處在研究階段。本論文一方面對(duì)低壓電力線信道特性進(jìn)行分析，并建立相應(yīng)信道模型；接著對(duì)設(shè)計(jì)中采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)辦法及其作為電力線載波通信調(diào)制方案可行性和優(yōu)越性做了詳細(xì)論證；隨后詳細(xì)簡(jiǎn)介了系統(tǒng)構(gòu)架及重要模塊軟硬件實(shí)現(xiàn)，其中硬件設(shè)計(jì)涉及電力線載波芯片PL3106外圍接受、發(fā)送電路設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)供電電源某些；軟件開發(fā)重要涉及單片機(jī)匯編程序編寫和主機(jī)與單片機(jī)通信程序編寫；然后，針對(duì)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中暴露出問題予以簡(jiǎn)樸分析、提出理解決方案。核心字：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(jiǎn)稱PLC（PowerLineCommunication），是以電力網(wǎng)作為通信信道進(jìn)行載波通信一種有線通信方式。電力載波通信工作原理是把自動(dòng)化設(shè)施中有效數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后耦合到電力線上，然后通過電力線傳播到對(duì)端調(diào)制解調(diào)器，再有對(duì)端調(diào)制解調(diào)器將信號(hào)解調(diào)后傳播給對(duì)端自動(dòng)化設(shè)備。電力線載波通信技術(shù)浮現(xiàn)于二十世紀(jì)二十年代初期。電力線無處不在，無論都市鄉(xiāng)村，還是偏遠(yuǎn)落后地區(qū)，隨處可見，電力線是輸電重要媒介。因而，運(yùn)用它來進(jìn)行信息傳播始終是人們夢(mèng)想。電力線載波通信是運(yùn)用既有電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行信息傳播一種通信方式，具備通道可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步進(jìn)行等巨大優(yōu)勢(shì)，有較好開發(fā)前景和應(yīng)用價(jià)值。但是，電力線作為通信介質(zhì)也具備諸多缺陷，例如，可變信號(hào)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)傳播特性。老式上講，電力線載波通信是運(yùn)用高壓電力線（普通在電力載波領(lǐng)域，高壓電力線指是35KV及以上電壓級(jí)別，中壓電力線指10KV電壓級(jí)別，低壓配電線指380/220V顧客線）作為信息傳播媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳播一種特殊通信方式，廣泛運(yùn)用于電力管理系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、智能化社區(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，例如110KV開放電話，運(yùn)動(dòng)，傳真，保護(hù)，計(jì)算機(jī)信息等綜合業(yè)務(wù)。再例如，葛楠±500KV直流輸電系統(tǒng)中，兩換流站運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)控制信息就是通過長(zhǎng)達(dá)1053KM載波電路傳送，實(shí)現(xiàn)了兩站間自動(dòng)控制。隨著載波通信技術(shù)發(fā)展，電力線載波現(xiàn)已用于中低壓配電網(wǎng)中。在低壓輸電線路上載波通信研究，歐美國(guó)家不但在產(chǎn)品研究開發(fā)及有關(guān)原則制定方面還是技術(shù)應(yīng)用都走在國(guó)內(nèi)前面，因而在國(guó)內(nèi)對(duì)PLC通信進(jìn)行研究和開發(fā)具備重大意義。當(dāng)前，歐美國(guó)家已經(jīng)運(yùn)用低壓配電網(wǎng)載波通信來實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化和負(fù)荷控制，并應(yīng)用于工業(yè)控制和家庭自動(dòng)化中，進(jìn)而提供電話和視頻傳播等服務(wù)。相對(duì)于國(guó)外PLC技術(shù)飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)在低壓電力載波數(shù)據(jù)通信方面尚處在起步階段，重要停留在自動(dòng)抄表、樓宇保安和某些過程控制領(lǐng)域。這幾年在國(guó)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)接入。例如，運(yùn)用已有電力線網(wǎng)絡(luò)，可以在醫(yī)院或家庭建立起醫(yī)療監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)重癥監(jiān)護(hù)功能，病人血壓、心率、癥狀等信息可以在家里通過電力線監(jiān)測(cè)網(wǎng)傳送至社區(qū)控制中心，再通過公共電話網(wǎng)或Internet傳送到較大醫(yī)療單位進(jìn)行分析、解決和監(jiān)護(hù)。同樣，醫(yī)院可以將治療或注意事項(xiàng)等信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送至社區(qū)控制中心，再傳送到病人家里，對(duì)病人進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。在醫(yī)院，不但可以用電力線通信實(shí)現(xiàn)病人監(jiān)護(hù)功能，并且可以配合醫(yī)療器械智能化，實(shí)現(xiàn)智能醫(yī)療監(jiān)測(cè)、報(bào)警、自動(dòng)化管理和集中會(huì)診等功能。因而，用電力線載波來實(shí)現(xiàn)某些需要經(jīng)常在線報(bào)警、防盜以及監(jiān)護(hù)等應(yīng)用，每一種方面均有遼闊發(fā)展前景和巨大市場(chǎng)機(jī)遇。相對(duì)于國(guó)外這些成熟應(yīng)用，國(guó)內(nèi)低壓電力線通信還沒有形成規(guī)模，尚有很長(zhǎng)路要走。此外，國(guó)內(nèi)農(nóng)村人口較多，農(nóng)村信息化技術(shù)相對(duì)落后，信息通信普及面不大，因而在當(dāng)前現(xiàn)狀下，研究低壓電力線通信對(duì)發(fā)展國(guó)內(nèi)農(nóng)村和偏遠(yuǎn)山區(qū)等地區(qū)信息產(chǎn)業(yè)也具備非常重大意義。本文重要工作是研究了電力線載波通信技術(shù)并運(yùn)用串行口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)都市照明系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用電力線載波技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)主機(jī)與都市路燈驅(qū)動(dòng)之間數(shù)據(jù)傳播。本文系統(tǒng)闡述了國(guó)內(nèi)低壓電力線信道噪聲狀況，當(dāng)前慣用電力線載波調(diào)制技術(shù)，分析比較并選取出適當(dāng)國(guó)內(nèi)低壓電力線調(diào)制方式及相應(yīng)載波芯片，針對(duì)選取芯片特性，設(shè)計(jì)出相應(yīng)外圍電路，涉及發(fā)送、接受以及數(shù)據(jù)解決某些。在硬件電路設(shè)計(jì)完整基本上，編寫軟件程序，并進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，對(duì)得到成果進(jìn)行分析。并完畢論文。目錄TOC\o"1-3"\h\u7984第1章引言 -7-43041.1電力線通信技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r -7-212031.1.1單載波模仿通信 -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)應(yīng)用狀況 -10-244491.2.1電力線載波通信技術(shù)國(guó)外應(yīng)用狀況 -10-144571.2.2電力線載波通信技術(shù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用狀況 -12-17946第2章電力線通信信道分析 -13-102492.1電力線傳播信道特性 -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與工頻同步周期性噪聲 -17-76182.2.4與工頻異步周期性噪聲 -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單根電纜傳播函數(shù) -20-80282.4.2多徑傳播模型 -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)選用 -22-251202.5.1擴(kuò)頻通信理論可行性 -22-289662.5.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本工作方式 -23-327272.5.3擴(kuò)頻通信長(zhǎng)處 -24-244252.5.4當(dāng)前需要考慮某些技術(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選取 -29-55263.2.2PL3106芯片特點(diǎn) -29-25333.2.3信號(hào)發(fā)送、接受電路設(shè)計(jì) -30-273173.2.4陶瓷濾波電路 -32-51203.2.5掉電檢測(cè)及電池電壓檢測(cè) -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)通信合同軟件設(shè)計(jì) -34-167284.1通信合同設(shè)計(jì) -34-188634.1.1OSI模型 -34-80724.1.2當(dāng)前電力線載波通信合同 -35-247884.1.3本文采用電力線載波通信合同 -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載波通信接受和發(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 -46-7569參照文獻(xiàn) -48-23459道謝 -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)發(fā)展?fàn)顩r運(yùn)用電力先進(jìn)性數(shù)據(jù)通信已有近百年歷史，初期電力線通信技術(shù)采用高壓電力線載波，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩端裝有阻波器。其發(fā)展歷程可以劃分為3個(gè)重要階段。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)程批示、設(shè)備保護(hù)以及語音傳播20世紀(jì)50-90年代220/3800.15—1.00ST7536/7537自動(dòng)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單載波模仿通信最早電力線通信系統(tǒng)是模仿單載波系統(tǒng)。模仿系統(tǒng)傳送信號(hào)是一種模擬波形，它規(guī)定接受機(jī)可以高保真地重現(xiàn)波形信號(hào)。模仿系統(tǒng)通過信道信號(hào)頻譜比較窄，信道運(yùn)用率高，但是其抗干擾能力差，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)完善和發(fā)展，浮現(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(hào)離散脈沖，接受端規(guī)定對(duì)的判斷發(fā)送是哪一種離散狀態(tài)，只要脈沖波形失真局限性以引起錯(cuò)誤判斷就不會(huì)影響通信質(zhì)量。數(shù)字通信抗干擾能力強(qiáng)，可以通過差錯(cuò)編碼提高可靠性，易于集成。缺陷是比模仿通信占帶寬。1.1.3擴(kuò)頻通信對(duì)于電力線這一強(qiáng)背景噪聲信道來說，數(shù)據(jù)傳播一種有力手段就是擴(kuò)頻(SS—SpreadSpectrum)技術(shù)。它運(yùn)用偽隨機(jī)碼把基帶信號(hào)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成較高帶寬低功率譜密度信號(hào)發(fā)射。接受端再運(yùn)用有關(guān)辦法進(jìn)行解決，把要接受寬帶擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成基帶信號(hào)。擴(kuò)頻技術(shù)減少了噪聲對(duì)信號(hào)影響，保證了電力線網(wǎng)絡(luò)上可靠通信。擴(kuò)頻通信技術(shù)理論基本是香農(nóng)建立關(guān)于通信系統(tǒng)效率理論。即：對(duì)加性高斯白噪聲信道來說，如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率不大于或等于信道容量C時(shí)，就有也許存在在信道內(nèi)進(jìn)行無差錯(cuò)數(shù)據(jù)通信編碼方案。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(hào)功率(W)。上式闡明了在功率譜平坦高斯噪聲信道內(nèi)，信道無誤傳播信息能力(即信道容量)與信道信噪比和傳播信息帶寬之間關(guān)系?？梢钥闯觯诒３忠欢–值時(shí)，可通過增長(zhǎng)帶寬來相應(yīng)地減少對(duì)信噪比規(guī)定。運(yùn)用擴(kuò)頻技術(shù)傳送數(shù)據(jù)，可以在信噪比很低狀況下進(jìn)行無差錯(cuò)數(shù)據(jù)通信。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)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)自身規(guī)定頻帶寬度是信號(hào)帶寬100倍一1000倍，而PLC系統(tǒng)帶寬普通為90KHz—125KHz(歐洲)或100kHz一400kHZ(美國(guó))，因此在采用擴(kuò)頻技術(shù)后可獲得較好抗干擾特性，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)范基本。OFDM并不是如今發(fā)展起來新技術(shù)，OFDM技術(shù)應(yīng)用己有近40年歷史，重要用于軍用無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一種OFDM系統(tǒng)構(gòu)造非常復(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)各種載波調(diào)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)造，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。OFDM基本思想是將可用頻譜分為許多窄帶、低數(shù)據(jù)速率子載波，為了獲得高頻譜效率，子載波幅頻響應(yīng)互相重疊和正交。每個(gè)子載波可以使用不同調(diào)制方式，比較慣用有BPSK，QPSK和QMA等。也就是說，OFDM事實(shí)上是將高速串行數(shù)據(jù)變成低速并行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播。雖然每個(gè)子載波速率并不高，但是所有子信道加起來可以獲得很高數(shù)據(jù)速率。1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT實(shí)現(xiàn)OFDM基帶調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。她們?cè)贠FDM符號(hào)間增長(zhǎng)了保護(hù)間隔來抑制由多徑反射導(dǎo)致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問題，從而保證了OFDM克服ICI問題。OFDM最大特點(diǎn)是傳播速率高、頻帶運(yùn)用率高、抵抗碼間干擾和信道衰減能力強(qiáng)、信道均衡技術(shù)簡(jiǎn)樸，由于這種技術(shù)具備在雜波干擾下傳送信號(hào)能力，因而經(jīng)常會(huì)被運(yùn)用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差傳播介質(zhì)中。1.2電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用狀況1.2.1電力線載波通信技術(shù)國(guó)外應(yīng)用狀況早在1838年，英國(guó)人EdwardDavy就用電力線來檢查倫敦——利物浦之間處在無人居住區(qū)電表傳播系統(tǒng)供電電池電壓；JosephRoutin和C.E.L.Brown申請(qǐng)了電力線信號(hào)電表專利；美國(guó)ChesterThoradson在19申請(qǐng)了關(guān)于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)專利，但是由于該系統(tǒng)還需要一條附加線路用于信號(hào)傳播，最后沒有得到商業(yè)應(yīng)用。通過高壓電網(wǎng)進(jìn)行聲音信號(hào)CFT(carrierfrequencytransimission)最早開始于20世紀(jì)代。分布遼闊電網(wǎng)提供了一條雙向通信信道，例如變壓站和電廠之間通信，這對(duì)于管理和監(jiān)控來說是非常重要，由于在通信初期階段電話網(wǎng)覆蓋范疇還不是很廣泛，高壓電網(wǎng)具備低噪聲特性，加上相對(duì)較高載波頻率（15-500KHz），使得高壓線傳播信號(hào)變得很容易，10W信號(hào)功率通信距離可以達(dá)到900Km。在開始階段，采用調(diào)幅調(diào)制方式，只用于傳播語音信號(hào)，日后實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)和遙控。在CFT應(yīng)用于高壓電網(wǎng)同步，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(guó)波茨坦建立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(hào)傳播。RCS系統(tǒng)工作在比較低頻率段（125~3000Hz），正是由于其工作頻率很低，所注入載波信號(hào)在中低壓電網(wǎng)上信號(hào)衰減很小，并且可以跨越變壓器傳播。但是，電力先王輸入阻抗在低頻段也比較小，因而RCS發(fā)送器需要更大信號(hào)功率，普通應(yīng)用范疇在10~100KW之間。在最開始，RCS發(fā)送器敢于傳播數(shù)字信息，慣用調(diào)制方式是易于實(shí)現(xiàn)幅移鍵控（ASK）和頻移鍵控（PSK）。由于RCS采用頻率較低、窄帶調(diào)制方式簡(jiǎn)樸，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)速率較低。1984年建立EthernetMELKOTM系統(tǒng)也應(yīng)用了RCS技術(shù)，它采用了更高效PSK調(diào)制，提高了數(shù)據(jù)傳播速率（可達(dá)到50bits/s），并可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳播，頻帶范疇為3025~4825Hz，載波信號(hào)可以跨越變壓器傳播，信號(hào)功率也相應(yīng)減小。該系統(tǒng)重要用于遠(yuǎn)程抄表和負(fù)荷管理。相應(yīng)系統(tǒng)有ABBDLC-MTM和RMS公司PowerNetTM。她們載波頻率范疇是10~100KHz，因而，所需信號(hào)傳播功率也比MELKOTM小，但需要增長(zhǎng)旁路裝置才干跨越變壓器。隨著集成電路技術(shù)發(fā)展，PicoElectronics公司創(chuàng)造了第一款應(yīng)用于家庭低價(jià)格電力線通信模塊X-10。X-10模塊載波頻率達(dá)到120KHz，它在每一次交流電過零時(shí)傳播一種比特?cái)?shù)據(jù)，因此其最大傳播速率為60bps(電網(wǎng)頻率為60Hz)或50bps（電網(wǎng)工頻為50Hz）。當(dāng)前有大概10家公司在生產(chǎn)與X-10相兼容用于家庭自動(dòng)化控制模塊。針對(duì)X-10模塊傳播速率較低問題，稍后市場(chǎng)上又浮現(xiàn)了可以提供更高數(shù)據(jù)率、控制功能更強(qiáng)大電力線載波通信系統(tǒng)，如LonWorks和CEBus。隨著Internet發(fā)展，應(yīng)用電力線分布網(wǎng)和戶內(nèi)電網(wǎng)寬帶接入技術(shù)在上世紀(jì)90年代開始興起。英國(guó)聯(lián)合電力公司子公司Norweb通訊公司于1990年開始電力線載波通信研究，1995年與加拿大北電網(wǎng)絡(luò)合伙共同開發(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，獲得了電力線載波技術(shù)重大突破，運(yùn)用新開發(fā)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遠(yuǎn)程通信。此后，許多國(guó)家研究機(jī)構(gòu)開展了高速PLCC研究和開發(fā)，如美國(guó)Intellon、Inari公司，以色列ITRAN、Main.Net公司，韓國(guó)Xeline公司，西班牙DS2，法國(guó)SPiDCOM等公司開始了高速PLCC專用芯片級(jí)應(yīng)用產(chǎn)品研究開發(fā)，產(chǎn)品涉及用于家庭聯(lián)網(wǎng)及高速接入兩大類產(chǎn)品，傳播速率從1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。當(dāng)前高速PLCC重要用于家庭、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，通過各種高速PLCMODEM構(gòu)成內(nèi)部網(wǎng)，并可通過PLCMODEM共享外部ADSL、無線等寬帶接入。隨著高速PLCC迅速發(fā)展，有關(guān)國(guó)際組織也越來越多。當(dāng)前電力線高速通信國(guó)際組織重要有家庭插電聯(lián)盟HPA（HomePlugAlliance)、PLCForm、PALAS、OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance）、UPLC（UNITEDPOWERLINECOUNCIL)、PUA以及日本ECHONET等。所有這些國(guó)際組織均有研究機(jī)構(gòu)及廠商共同構(gòu)成，其中較有影響力為HPA、PLCForm和OPERA。HPA致力于創(chuàng)造共同電力線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)原則。HPA現(xiàn)已發(fā)展成為有近百家公司構(gòu)成聯(lián)盟，國(guó)內(nèi)中華人民共和國(guó)電力科學(xué)研究院是該組織成員。6月，HPA發(fā)布了其原則第一種版本HOMEPLUG1.0Specification，將數(shù)據(jù)傳播速率定位14Mbps，采用OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)，MAC層合同為CSMA/CA。HOMEPLUGAVSpecification在4月得到HPA批準(zhǔn)，并在9月份發(fā)布詳細(xì)技術(shù)文獻(xiàn)，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(guó)Intellon公司開發(fā)首款符合該原則芯片INT6000。PLCForum與3月23日在瑞士成立。其涉及來自各大洲成員，該論壇目的是為所有對(duì)PLC感興趣制造商、客戶、研究人員以及政府及否提供一種平臺(tái)，增進(jìn)她們交流和豐富關(guān)于PLC知識(shí)。該論壇市場(chǎng)目的是提供涉及戶外接入和戶內(nèi)聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)全面PLC解決方案。PLCForum不制定原則，但致力于將會(huì)員建議提交給該國(guó)際原則化組織，并通過努力，使其成為原則。OPERA是由歐盟出資贊助并有DS2等各種歐洲研究機(jī)構(gòu)及廠商構(gòu)成組織，其重要目是開發(fā)下一代用于本地接入高速PLC技術(shù)。1.2.2電力線載波通信技術(shù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用狀況國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)也開始了電力線載波通信技術(shù)研究。在相稱長(zhǎng)時(shí)間里，國(guó)內(nèi)PLC研究基本上應(yīng)用于電力行業(yè)內(nèi)部，它用來傳播電網(wǎng)調(diào)度管理所需遠(yuǎn)程信息及低速率語音通信。近年來，隨著數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)老式PLC技術(shù)也開始向數(shù)字化方向發(fā)展。在電力部門支持下，PLC在水表、煤氣表、電表三表遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表應(yīng)用已經(jīng)實(shí)用化。多家公司從事有關(guān)PLC模塊和智能儀表開發(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(guó)產(chǎn)電力線擴(kuò)頻載波芯片SC1128和PL/PL2102/PL3105/PL3200.中華人民共和國(guó)電力科學(xué)研究院于5月在華北電力大學(xué)和中華人民共和國(guó)電力科學(xué)研究院家屬區(qū)測(cè)試了該公司E-Magic3000產(chǎn)品，實(shí)際測(cè)試速率達(dá)到1Mbps。國(guó)電通信中心從12月起采用不同PLC產(chǎn)品和不同PLC組網(wǎng)方案在北京某些社區(qū)開通了PLC實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，并接入到中電飛華Internet出口。截止到5月底，由國(guó)電通信中心組織、中電飛華公司實(shí)行北京電力線寬帶接入實(shí)驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)覆蓋居民社區(qū)500各種，接入樓宇4000棟，開通顧客40000余戶，當(dāng)前正以每月開通3000多戶速度推動(dòng)。電力線通信信道分析2.1電力線傳播信道特性在過去幾十年中，PLC之因此沒有得到飛速發(fā)展，其中一種重要因素就是電，力線作為傳播媒質(zhì)有其自身所特有某些缺陷，加之缺少有效針對(duì)PLC特點(diǎn)調(diào)制辦法，導(dǎo)致了PLC長(zhǎng)時(shí)期發(fā)展遲緩狀態(tài)。在22OV/38OV低壓電力線上進(jìn)行信號(hào)傳播，具備工作環(huán)境惡劣、線路阻抗小、信號(hào)衰減強(qiáng)、干擾大以及時(shí)變性大等特點(diǎn)。電力線上負(fù)載時(shí)變性非常強(qiáng)，突發(fā)干擾影響很大，很難給出一種精確信道模型。2.1.1衰耗特性對(duì)于低壓電力線通信來說，信號(hào)衰減十分嚴(yán)重，可以達(dá)到1OOdB/Km。信號(hào)衰減有如下特點(diǎn)：時(shí)間不同、信號(hào)頻率不同、距離不同，衰減幅度也不同。PLC信道對(duì)各種頻率信號(hào)衰耗限度是PLC選取載波頻率重要根據(jù)。信號(hào)衰耗重要決定于經(jīng)由途徑和網(wǎng)絡(luò)上所連接負(fù)載。用于調(diào)節(jié)功率電容以及各種具備電容特性電器，對(duì)高頻載波信號(hào)來說相稱于短路，導(dǎo)致極大衰耗；網(wǎng)絡(luò)中某些負(fù)載對(duì)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歐姆如下，導(dǎo)致載波信號(hào)高衰耗?？傉f來，信號(hào)傳播距離越遠(yuǎn)，衰耗越嚴(yán)重，但是由于負(fù)載阻抗不匹配，信號(hào)傳播會(huì)浮現(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信道體現(xiàn)出很強(qiáng)時(shí)變性。信道在1s內(nèi)對(duì)某一頻率信號(hào)衰耗變化可達(dá)到20dB，在1s內(nèi)信噪比變化也可達(dá)到1OdB左右。并且，三相電力信道間有很大信號(hào)損失(10dB一3OdB)。通信距離很近時(shí)，不同相間也許會(huì)收到信號(hào)。載波信號(hào)普通只能在單相電力線上傳播；不同耦合方式導(dǎo)致LPC信號(hào)損失也不同，線一地耦合比線一中線耦合少損失1OdB左右。同步，不同相位耦合也會(huì)引起衰耗，跨相傳播比同相傳播衰耗大1OdB左右。此外，配電變壓器阻礙信號(hào)通過，在配電變壓器原、副兩邊信號(hào)衰耗可達(dá)到60dB一1O0dB，次級(jí)間也會(huì)有20dB一40dB衰耗?？傮w上說，PLC信號(hào)衰耗隨頻率上升、距離增大而增長(zhǎng)，但并不是單調(diào)。普通狀況下，信號(hào)衰耗在20dB以上，但普通不會(huì)超過55dB。2.1.2阻抗特性電力線網(wǎng)絡(luò)是一種廣泛存在網(wǎng)絡(luò)，變電站二次變壓裝置和顧客負(fù)載同步并聯(lián)在電力網(wǎng)絡(luò)中，信道阻抗隨著時(shí)間和顧客負(fù)載不同而波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)阻抗匹配是很重要，由于當(dāng)發(fā)射機(jī)、信道和接受機(jī)阻抗匹配時(shí)，接受端得到有用信號(hào)能量最大。低壓電力線網(wǎng)絡(luò)總阻抗重要由三某些構(gòu)成：(1)變電站變壓器產(chǎn)生阻抗，它隨著頻率增高而增大；(2)導(dǎo)線特性阻抗，導(dǎo)線可以看作電阻和電感串聯(lián)，不同導(dǎo)線特性阻抗相差70一1OO歐姆；(3)接在電力線上設(shè)備阻抗，普通相差10—100O歐姆。電力線上輸入阻抗與所傳播信號(hào)頻率密切有關(guān)。輸入阻抗變化并不一定符合隨頻率增大而減小單調(diào)變化規(guī)律，甚至與之相反。為理解釋這一問題，可以將電力線當(dāng)作是一根連接有各種復(fù)雜負(fù)載傳播線，這些負(fù)載以及電力線自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)。此外，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載隨機(jī)地連接或斷開，導(dǎo)致電力線輸入阻抗發(fā)生較大幅度變化，還會(huì)導(dǎo)致電力線上不同位置輸入阻抗不同。PLC網(wǎng)絡(luò)可當(dāng)作由許多電阻、電容和電感構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，信道電參數(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)備輸出阻抗和接受設(shè)備輸入阻抗均難以匹配，從而給通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來相稱困難。2.1.3噪聲干擾特性低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中，各式各樣家用電器和辦公設(shè)備產(chǎn)生噪聲和干擾嚴(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、硅控整流器及某些電源產(chǎn)生工頻噪聲，它會(huì)導(dǎo)致整數(shù)倍工頻上頻譜突變；2、平滑頻譜噪聲，其頻譜很平坦，可以看作有限帶寬白噪聲，家電中小電機(jī)是產(chǎn)生此類噪音根源；3、單脈沖干擾，普通由開關(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，如電視行掃描頻率對(duì)電網(wǎng)干擾。就噪聲特性而言，同一配電變壓器下所有顧客負(fù)荷噪聲以及變壓器原邊噪聲都會(huì)對(duì)信道產(chǎn)生噪聲干擾。2.1.4多徑干擾多徑效應(yīng)(MultiPath)是電力線通信存在干擾之一，如在圖2一1所示電力線通信構(gòu)造模型中，1與2之間有兩條通路。由于信號(hào)通過這些通路所用時(shí)間不同，延遲信號(hào)在接受機(jī)端與原始信號(hào)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信道一種最大特點(diǎn)，也是PLC信道與其她通信信道相比一種致命弱點(diǎn)，在很大限度上制約了PLC發(fā)展。噪聲特性是描述信道傳播性質(zhì)重要參數(shù)之一，其研究要緊密結(jié)合通信頻帶。為了簡(jiǎn)化對(duì)干擾復(fù)雜性分析，PLC信道噪聲從不同角度大體可劃分為如下幾類：2.2.1背景噪聲圖2一2是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得背景噪聲曲線，中心頻率為4.2MHz，頻帶寬度為8.4MHz?？梢钥闯?，背景噪聲平均功率較小，但頻譜很寬，并且持續(xù)存在，有也許某些或完全覆蓋信號(hào)頻譜。因而，通信過程中信噪比也許會(huì)變得較差，而導(dǎo)致通信誤碼率增長(zhǎng)。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(hào)頻譜不能提供任何增益，擴(kuò)頻通信技術(shù)對(duì)其幾乎沒有作用。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，背景噪聲重要來源是交直流兩用電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)可以在許多家庭用品，如電鉆、攪拌器、電吹風(fēng)里找到，問題十分嚴(yán)重。所幸是，背景噪聲很少可以達(dá)到最高功率水平，并且它們將與傳播信號(hào)同樣被顧客配電網(wǎng)絡(luò)所衰減。它平均功率譜為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，大體具備高斯分布；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(dòng)調(diào)溫器、電冰箱、空調(diào)等)開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)脈沖噪聲，每個(gè)脈沖噪聲都將影響很寬頻帶。脈沖噪聲重要參數(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)生頻率。隨機(jī)脈沖噪聲，浮現(xiàn)時(shí)間是任意；其噪聲功率譜密度高，持續(xù)時(shí)間短，頻譜寬。電力線上噪聲短期變化重要由與工頻同步周期性噪聲和突發(fā)性噪聲引起。與工頻同步周期性噪聲與突發(fā)性噪聲相比，具備如下特點(diǎn)：本來就很低功率譜密度隨頻率提高進(jìn)一步減少，浮現(xiàn)頻率低，持續(xù)時(shí)間短，為μs量級(jí)。但是，突發(fā)性隨機(jī)噪聲持續(xù)時(shí)間卻達(dá)到ms量級(jí)，并且功率譜密度能高出背景噪聲達(dá)5OdB之多，普通會(huì)使得所傳送數(shù)據(jù)若干位甚至整個(gè)數(shù)據(jù)傳播過程發(fā)生錯(cuò)誤。在低壓電力線路中，不超過0.lms就會(huì)有1次非常強(qiáng)噪聲產(chǎn)生，它大體具備泊松分布，參數(shù)λ取值范疇為O≤λ≤5×10-3。脈沖噪聲特點(diǎn)如下：脈沖噪聲強(qiáng)度普通比背景噪聲高1OdB，有時(shí)高4OdB。其強(qiáng)度依賴于噪聲源及它離接受機(jī)遠(yuǎn)近。脈沖噪聲重要頻率普通為電力系統(tǒng)頻率2倍。由于噪聲和信號(hào)都要衰減，因此接近接受機(jī)噪聲源對(duì)信號(hào)接受影響最大，特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)衰減很大時(shí)候。2.2.3與工頻同步周期性噪聲普通由工作在電網(wǎng)頻率開關(guān)器件導(dǎo)致，例如開關(guān)電源、電壓觸發(fā)晶閘管整流器都是產(chǎn)生諧波噪聲重要根源。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諧波噪聲。普通狀況下，諧波噪聲能量要比基頻小得多。由于線路衰減特性，通信信號(hào)能量將遠(yuǎn)低于它。它功率普通不超過一45dB。其噪聲頻率為工頻或其整數(shù)倍，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頻域覆蓋范疇廣，功率大，功率譜密度隨頻率上升而減小。2.2.4與工頻異步周期性噪聲來源于電力線上某些電子設(shè)備，普通由電視接受機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示屏產(chǎn)生，在頻率空間上是離散，重要分布在5OHz一200Hz。脈沖重復(fù)頻率依賴于電視機(jī)和顯示屏掃描頻率原則。對(duì)高辨別率和圖像偏移質(zhì)量追求將使這些頻率越來越高。2.3噪聲模型在用仿真辦法研究低壓電網(wǎng)載波通信時(shí)，建立用某些特性參數(shù)描述噪聲模型非常必要。若針對(duì)以上基本分類進(jìn)行模塊化建模，則任一種復(fù)雜噪聲狀況都可以通過基本模塊模型疊加來表達(dá)。2.3.1背景噪聲背景噪聲可按圖2.3.1用白噪聲源通過濾波生成，噪聲整形濾波在z平面上傳遞函數(shù)Hmod(z)可描述為：其分子B(z)表達(dá)是移動(dòng)平均（MA）某些，其分母A(z)表達(dá)是自回歸(AR)某些，模型參數(shù)有噪聲源方差б2和濾波器系數(shù)構(gòu)成。通過使用AR解決模型，即：B(z)=1，參數(shù)可以由用AR頻譜分析儀測(cè)量噪聲信號(hào)擬定。圖2.3.1背景噪聲模型2.3.2窄帶干擾窄帶噪聲某些可通過如下N個(gè)獨(dú)立正弦函數(shù)疊加來描述：其中，每一種分量由它頻率fi、幅值A(chǔ)i(t)和相位φi來描述。幅值A(chǔ)i(t)在時(shí)間上既可以是常數(shù)，也可以是對(duì)AM廣播信號(hào)更好近似調(diào)制幅值。載波相位可以在區(qū)間[0，2π]上用隨機(jī)數(shù)選取，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，再通過反迅速傅立葉變換(IFFT)得到。2.3.3脈沖噪聲脈沖噪聲是低壓電力線通信嚴(yán)重有害源，其對(duì)數(shù)據(jù)傳播影響限度重要是由脈沖幅度、脈寬和間隔時(shí)間決定。文[8]提出了噪聲脈沖幅度、脈寬和間隔時(shí)間概率分布預(yù)計(jì)，依照測(cè)量成果得出了如下結(jié)論：脈沖噪聲強(qiáng)度普通比背景噪聲水平高10dB，有時(shí)可以超過40dB，脈沖強(qiáng)度與噪聲源強(qiáng)度和噪聲源離接受裝置距離關(guān)于；重要脈沖系列脈沖頻率(由脈沖間隔時(shí)間決定)普通為120Hz，它與60Hz電源電壓正負(fù)周期同步；對(duì)于120Hz脈沖噪聲，其脈寬變化達(dá)到幾種百分點(diǎn)；脈寬與所選定幅度水平T關(guān)于，普通來說，脈沖寬度隨T增長(zhǎng)而減??；有些噪聲源將增長(zhǎng)背景噪聲功率(如真空吸塵器和攪拌機(jī))，其他某些將增長(zhǎng)脈沖噪聲功率(如復(fù)印機(jī)以0.01概率產(chǎn)生高于背景噪聲27dB120Hz周期脈沖，燈光調(diào)節(jié)器以同樣概率產(chǎn)生高于背景噪聲40dB脈沖噪聲）?？紤]到脈沖為隨機(jī)事件事實(shí)，其特性可以用隨機(jī)變量來描述，這里通過一種分割馬爾可夫鏈對(duì)脈寬和脈沖間隔時(shí)間進(jìn)行模仿。假定把噪聲狀態(tài)提成兩組A(i=1，2…，v)和B(i=1+v，2+v，…，n)，A中v個(gè)狀態(tài)表達(dá)沒有脈沖事件發(fā)生狀況，B中w=n-v個(gè)狀態(tài)表達(dá)有脈沖事件發(fā)生狀況。則脈沖寬度不不大于某個(gè)寬度tw概率，用離散時(shí)間k表達(dá)為：其中，gw+1，j表達(dá)從B中某個(gè)狀態(tài)j向臨界狀態(tài)w+1過渡(脈沖開始消失)時(shí)轉(zhuǎn)移概率，gjj表達(dá)B中某個(gè)狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(脈沖保持)概率。脈沖間隔時(shí)間超過某一時(shí)間跨度tA概率，用離散時(shí)間k表達(dá)為：其中，uv+1，j表達(dá)從A中某個(gè)狀態(tài)j向臨界狀態(tài)v+1過渡(脈沖開始發(fā)生)時(shí)轉(zhuǎn)移概率，ujj表達(dá)A中某個(gè)狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(無脈沖保持)概率。2.4電力線通信信道模型通過以上對(duì)電力線信道特性分析，可以看到建立一種通用精準(zhǔn)模型來模仿所有低壓配電網(wǎng)通道狀況是非常困難，但是咱們可以建立一種能反映通道基本特性近似模型。下面咱們采用帶有加權(quán)因子時(shí)間抽頭模型來模仿電力線多徑衰落信道，建立具備頻率選取性衰落信道傳播函數(shù)模型。2.4.1單根電纜傳播函數(shù)電力線中信號(hào)傳播可以依照傳播線特性阻抗ZL和傳播常數(shù)γ決定。其中R為單位長(zhǎng)度電纜阻抗，G為單位長(zhǎng)度電纜電導(dǎo)，L為單位長(zhǎng)度電纜電感，C為單位長(zhǎng)度電纜電容。如果傳播線阻抗匹配，則只需要考慮從信號(hào)源到接受機(jī)之間傳播損耗。長(zhǎng)度為L(zhǎng)電力線傳播函數(shù)可以定義為：式中，前一項(xiàng)代表幅度傳播函數(shù)，后一項(xiàng)代表相位傳播函數(shù)。電纜為弱損耗傳播媒質(zhì)，電力線中R(f)<<2πfL(f)，G(f)<<2πfC(f)。由于L，C與頻率有關(guān)性不大，因此特性阻抗ZL和傳播常數(shù)γ可以用下面辦法近似：簡(jiǎn)化電纜參數(shù)可以得出傳播常數(shù)實(shí)部a表達(dá)電力線衰減系數(shù)，它隨f增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。a與f關(guān)系可以表達(dá)為α(f)=a0+a1fk因而，單根電纜幅度傳播函數(shù)可以表達(dá)為：2.4.2多徑傳播模型對(duì)于多徑傳播，采用圖2.4.2所示信道模型。圖2.4.2頻率選取性衰落信道抽頭延時(shí)模型在這一模型中，信道沖擊響應(yīng)為式中τi表達(dá)信道延時(shí)，Kt表達(dá)信道信號(hào)幅度衰減。信道傳播函數(shù)為而τi=di/Vp。其中di表達(dá)信道長(zhǎng)度，Vp表達(dá)信號(hào)在電力線中傳播速度。因此H（f）可表達(dá)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)構(gòu)造、信道傳播途徑長(zhǎng)度關(guān)于，di是途徑i長(zhǎng)度。2.4.3低壓電力線信道近似模型本文采用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(jiǎn)化模型該信道模型包括三個(gè)模塊：(1)輸入耦合，該模塊模仿由于電力線阻抗變化而導(dǎo)致耦合損耗；(2)噪聲，該模塊包括電力線信道中三類重要噪聲，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對(duì)信號(hào)頻率選取性衰落和限帶特性。2.5擴(kuò)頻通信技術(shù)選用2.5.1擴(kuò)頻通信理論可行性擴(kuò)頻通信可行性，是從信息論中關(guān)于信息容量香農(nóng)公式和抗干擾理論中關(guān)于信息傳播差錯(cuò)柯捷爾尼科夫公式中引申出來。香農(nóng)公式式中：C是信道容量(可用傳播速率量度)；W是系統(tǒng)傳播帶寬；S/N是系統(tǒng)信噪比；該公式表白，在高斯信道中，當(dāng)傳播系統(tǒng)信噪比S/N下降時(shí)，可以通過增加系統(tǒng)傳播帶寬W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減少，正是擴(kuò)頻通信重要特點(diǎn)，并由此為擴(kuò)頻通信應(yīng)用奠定了基本。柯捷爾尼科夫公式式中Powi為差錯(cuò)概率，E為信號(hào)能量，N0為噪聲功率譜密度；又由于，信號(hào)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(hào)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)頻通信解決增益)由以上可以看出，在信噪比較低狀況下，若想保持差錯(cuò)概率不變，則可以通過增大解決增益Gp來實(shí)現(xiàn)（即在保持F不變狀況下，增大信號(hào)頻帶寬度W）。該公式同樣為擴(kuò)頻通信理論奠定了基本。2.5.2擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本工作方式1)直接序列擴(kuò)頻(DS)該方式是擴(kuò)頻通信中使用范疇最廣、最典型一種工作方式。直接序列擴(kuò)頻詳細(xì)實(shí)現(xiàn)是，在發(fā)送端將要傳播信號(hào)，通過信息調(diào)制變成具備一定帶寬調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號(hào)；再由偽隨機(jī)編碼(PN碼)將該基帶信號(hào)調(diào)制成具備相稱帶寬寬帶信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)送至接受端。在接受端接受到傳播信號(hào)后，先通過同步電路捕獲發(fā)送來PN碼精確相位，由此產(chǎn)生與發(fā)送來PN碼相位完全一致接受用PN碼，并作為擴(kuò)頻解調(diào)所用解調(diào)信號(hào)；爾后，用該P(yáng)N碼將接受到寬帶信號(hào)解擴(kuò)，從而得到基帶信號(hào)，再將基帶信號(hào)通過解調(diào)得到所需要原始信號(hào)。2)跳頻方式(FH)跳頻方式與直序擴(kuò)頻方式不同之處在于，直序擴(kuò)頻方式發(fā)射載波頻率是一定，而跳頻方式載波頻率受PN碼發(fā)生器控制，在相稱帶寬頻帶內(nèi)，隨機(jī)跳變，從而實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)帶寬B1到發(fā)射信號(hào)帶寬B2頻譜擴(kuò)展。受PN碼發(fā)生器控制發(fā)射載波頻率發(fā)生器，事實(shí)上是高速數(shù)字控制頻率跳變頻率合成器，因而，載波調(diào)制多半使用與相位無關(guān)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)偽隨機(jī)間隔射頻信號(hào)。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)和接受機(jī)使用同一天線成為也許。但是，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，該方式多半需要與其他工作方式混合使用。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(cè)距一種工作方式使用。在發(fā)射端，發(fā)射波是一種寬脈沖，并被變換成頻偏為f寬帶調(diào)頻波；在接受端，接受機(jī)使用品有高頻率范疇、延遲時(shí)間小脈沖壓縮濾波器，得到帶寬極窄壓縮脈沖波。2.5.3擴(kuò)頻通信長(zhǎng)處由于擴(kuò)頻通信使用擴(kuò)頻序列碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，使原始窄帶信號(hào)可以以寬帶信號(hào)形式在信道中傳播，從而使得擴(kuò)頻通信具備了許多窄帶通信所不具備優(yōu)良性能。1)抗干擾性能好擴(kuò)頻通信在傳播時(shí)所占有帶寬相對(duì)較寬，而在收端有采用有關(guān)檢測(cè)辦法來解擴(kuò)，使有用信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，而把無用信號(hào)擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，然后通過窄帶濾波器提取有用信號(hào)。對(duì)于各種干擾信號(hào)，由于不具備PN碼有關(guān)性，因而，在解擴(kuò)后窄帶信號(hào)中其所占比例很小，系統(tǒng)信噪比很高，抗干擾能力強(qiáng)。2)保密性好由于擴(kuò)頻通信使用PN碼，不但碼元周期很長(zhǎng)，并且在一種周期中還具備隨機(jī)性，這就使經(jīng)它調(diào)制后數(shù)字信息類似于隨機(jī)噪聲，從而保證了信息在信道中傳播安全性。此外，同樣是由于PN碼使用，在接受端進(jìn)行解擴(kuò)時(shí)，只有當(dāng)本地PN碼與收到PN碼完全一致時(shí)，才干有效地恢復(fù)信息，這就使得只有擁有相似PN碼指定接受端才干得到有效信息，避免了信息被非法顧客接受狀況，從而提高了傳播保密性。3)精準(zhǔn)定期和測(cè)距在擴(kuò)頻通信中，由于擴(kuò)展頻譜很寬，因而擴(kuò)頻碼速率很高，每一種碼元占用時(shí)間就很短。當(dāng)發(fā)射出去擴(kuò)頻信號(hào)被被測(cè)物體反射出來后，在接受端解調(diào)出反射回來擴(kuò)頻序列，然后通過比較原碼元序列與反射碼元序列相位之差，就可以精準(zhǔn)測(cè)出擴(kuò)頻信號(hào)來回時(shí)間差，從而算出兩者之間距離。4)抗多徑干擾多徑干擾是發(fā)射信號(hào)在傳播過程中，遇到反射體引起反射或折射，形成對(duì)直接到達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)所導(dǎo)致干擾。擴(kuò)頻通信運(yùn)用擴(kuò)頻碼自有關(guān)性，通過在接受端從多徑信號(hào)中提取和分離有關(guān)性最強(qiáng)信號(hào)，或把不同途徑傳送同一碼序列進(jìn)行波形和加，從而得到所要信號(hào)，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)制辦法盡量擴(kuò)展了信息數(shù)據(jù)頻帶，使得通信抗干擾能力大大增強(qiáng)，但是由于采用很寬頻帶傳送很窄數(shù)據(jù)信息，則必然導(dǎo)致頻帶運(yùn)用率減少，因而必要實(shí)現(xiàn)多顧客共用同一頻帶。建立在擴(kuò)頻技術(shù)上碼分多址技術(shù)(CMDA)，充分運(yùn)用了各種不同碼型擴(kuò)頻碼序列之間良好自有關(guān)和互有關(guān)特性，使得在接受端解擴(kuò)時(shí)各顧客之間擴(kuò)頻碼彼此互相影響非常小，可以在同一擴(kuò)頻帶寬內(nèi)，互不干擾發(fā)送和接受信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。6)可承擔(dān)各種通信業(yè)務(wù)擴(kuò)頻通信普通都采用數(shù)字通信、碼分多址技術(shù)，因而合用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)和圖像傳播等。7)安裝簡(jiǎn)便、易于維護(hù)擴(kuò)頻通信設(shè)備是高度集成，采用了當(dāng)代電子科技尖端技術(shù)，因而，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)前需要考慮某些技術(shù)問題在當(dāng)前較為成熟電力線載波照明控制系統(tǒng)中較普遍地存在盲區(qū)問題，在用電高峰期容易浮現(xiàn)信號(hào)丟失現(xiàn)象。如果存在現(xiàn)象為時(shí)變，則問題更嚴(yán)重，需要在技術(shù)上克服。當(dāng)前某些窄帶調(diào)制設(shè)施多采用自動(dòng)切換頻道和選取中繼方式在一定限度上來解決這個(gè)問題。需要進(jìn)一步研究窄帶噪聲抗干擾技術(shù)以獲得足夠數(shù)據(jù)傳播可靠性。當(dāng)前慣用調(diào)制辦法分為窄帶調(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)制普通采用擴(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?？梢栽谝欢ㄏ薅壬峡朔瓗г肼暩蓴_，但是有限擴(kuò)頻增益對(duì)于較大功率窄帶干擾依然無能為力。進(jìn)一步研究增強(qiáng)型模仿前端技術(shù)，涉及自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)均衡，以適應(yīng)時(shí)變大范疇線路衰減和線路阻抗變化。在電力載波低壓應(yīng)用中這一點(diǎn)極為重要也是當(dāng)前技術(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實(shí)用技術(shù)需要研究。在多路供電現(xiàn)場(chǎng)也需解決電源切換時(shí)通信中斷問題。2.研究和考慮電磁兼容性能，制定對(duì)外干擾原則。3.解決當(dāng)前存在電線上網(wǎng)設(shè)施對(duì)安裝地點(diǎn)敏感性問題，保持適當(dāng)速率并解決圖像馬賽克問題。4.對(duì)于此類載波設(shè)施質(zhì)量檢查，一定要考慮在加入線路噪聲環(huán)境下，即在一定信噪比下進(jìn)行傳播誤碼性能測(cè)試。5.低壓載波通信最后實(shí)現(xiàn)高性能低價(jià)格核心在于專用芯片設(shè)計(jì)和制造。而這正是國(guó)內(nèi)微電子行業(yè)弱點(diǎn)所在，加大這一方面研究和投資力度對(duì)于低壓載波通信實(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)，以電力傳播線作為媒介，將都市路燈狀態(tài)信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)_上，然后通過計(jì)算機(jī)監(jiān)視所控區(qū)域內(nèi)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、啟動(dòng)比例設(shè)定、路燈壞損查詢等有關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)了都市路燈遠(yuǎn)程集中管理，提高了工作效率，節(jié)約了大量人力、物力，具備較好實(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)基于電力線載波通信技術(shù)照明控制系統(tǒng)將重要以低成本和高可靠性兩點(diǎn)為開發(fā)目的。針對(duì)該目的，設(shè)計(jì)出基于電力線載波通信技術(shù)照明控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。總構(gòu)造上看，系統(tǒng)由總控站、主控站和從控站三某些構(gòu)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)構(gòu)成，可與主控站通過光纜或無線電連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)主控站管理，并可以設(shè)定開關(guān)燈時(shí)間及開燈比例等指令，同步對(duì)主控站返回信息進(jìn)行匯總，對(duì)有故障路燈通過圖文顯示出來，以便精確擬定其所在位置。2)主控站主控站內(nèi)部構(gòu)造如圖3.1.2所示。主控站通過光纜或無線方式來接受總控機(jī)指令，并通過電力線擴(kuò)頻載波串行通信方式發(fā)送數(shù)我據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)從控站監(jiān)控。一種通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成，第一、二字節(jié)是主控站標(biāo)記，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，分析內(nèi)容：一是辨認(rèn)主機(jī)與否是自己上級(jí)主控站，二是辨認(rèn)從機(jī)地址與否是自己地址，只有在所有確認(rèn)無誤后，從控站才執(zhí)行相應(yīng)命令和操作。圖3.1.2主控機(jī)構(gòu)造圖3)從控站從控站內(nèi)部邏輯構(gòu)造如圖3.1.3所示，每個(gè)從控站可控制三組路燈，它通過電力載波接受電路來接受主控站指令，并執(zhí)行相應(yīng)操作；同步，從控站完畢對(duì)工作電流采樣及解決，并將有關(guān)信息通過電力載波反饋至主控站，主控站以此來判斷路燈與否工作正常，以及決定如何采用辦法。此外，從控站可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作溫度進(jìn)行采樣解決，以便在溫度超過正常工作范疇時(shí)可以及時(shí)采用保護(hù)辦法。圖3.1.3從控機(jī)構(gòu)造圖3.2載波通信模塊設(shè)計(jì)在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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，可靠通信實(shí)當(dāng)前系統(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)一種節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間通信是通過載波通信模塊實(shí)現(xiàn)，載波通信模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及電力線載波芯片選取、耦合電路及芯片所需要外圍電路如發(fā)送、接受電路等。3.2.1電力線載波通信芯片選取電力線載波芯片是電力線通信系統(tǒng)核心，世界上已有各種國(guó)家多家公司推出了自己芯片。但是，由于國(guó)外芯片是針對(duì)自身電網(wǎng)特性、電網(wǎng)構(gòu)造設(shè)計(jì)，而對(duì)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)特性、居民住宅分布狀況和市場(chǎng)需求，難以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。通過不斷摸索，國(guó)內(nèi)某些公司也開發(fā)出了某些適合國(guó)內(nèi)國(guó)情電力線通信芯片，例如北京福星曉程公司PL3106，就是其中之一。PL3106是專為面向?qū)黹_放式自動(dòng)抄表，智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)單芯片片上系統(tǒng)，它除了具備功能強(qiáng)大微解決器外，特別在電力線載波通訊方面具備更大優(yōu)勢(shì)，它擴(kuò)頻通信單元具備更強(qiáng)抗干擾能力。PL3106提供了豐富片內(nèi)資源，內(nèi)置增強(qiáng)型8位解決器內(nèi)核是全面兼容51指令集多級(jí)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)8倍；同步集成了完善電壓監(jiān)測(cè)上電掉電復(fù)位看門狗電路，保證了工業(yè)環(huán)境下運(yùn)營(yíng)時(shí)系統(tǒng)可靠性。因而，PL3106完全可以滿足本系統(tǒng)需求，使得本系統(tǒng)具備低成本，低功耗，多功能，高可靠性等長(zhǎng)處。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(shí)產(chǎn)權(quán)SoC（SystemonChip）設(shè)計(jì)；☆內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051兼容微解決器；☆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(chǔ)器）；☆內(nèi)置16KbytesEEPROM（電可擦除/可編程）程序存儲(chǔ)器；☆內(nèi)置60bytesEEPROM（電可擦除/可編程）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；☆內(nèi)置兩個(gè)可靈活配備全雙工多功能UART（UATR0可配備為紅外38K）；☆內(nèi)置三個(gè)8/16位定期/計(jì)數(shù)器，一種看門狗定期器以及三個(gè)外部中斷源；☆內(nèi)置4x24段LCD顯示控制/驅(qū)動(dòng)電路或8*8段LED顯示控制/驅(qū)動(dòng)電路；☆內(nèi)置實(shí)時(shí)鐘/日歷單元，自動(dòng)潤(rùn)年潤(rùn)月，可數(shù)字頻率校正，并具備秒脈沖輸出；☆內(nèi)置帶有硬件方向鑒別邏輯紅外線脈沖探測(cè)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器編程接口，支持在系統(tǒng)編程（ISP）；☆采用5V單電源供電；☆內(nèi)置完善電源電壓監(jiān)測(cè)電路；☆溫度合用范疇（工業(yè)級(jí)原則）-40℃--+85℃；3.2.3信號(hào)發(fā)送、接受電路設(shè)計(jì)具備直序擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)電路PL2102模塊已集成在PL3106芯片內(nèi)部，載波通信模塊載波外圍配備電路重要涉及載波通信功率放大發(fā)送電路、濾波接受電路、陶瓷濾波電路和載波耦合電路，如圖示。圖載波通信模塊構(gòu)造圖載波信號(hào)功率放大電路如圖所示，是用來將PL3106芯片產(chǎn)生載波調(diào)制信號(hào)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(hào)由P1.7輸出；通過互補(bǔ)推挽電路進(jìn)行功率放大后，P1.7方波信號(hào)被放大。載波發(fā)射功率大小與VHH電源幅值高低、電源電流提供能力密切有關(guān)，一定范疇內(nèi)提高電源幅值、增大電源功率，可以有效加大發(fā)射功率、從而延長(zhǎng)通信距離。由于放大后信號(hào)波形富含諧波，可以進(jìn)行濾波整形，以減少對(duì)電網(wǎng)諧波污染。電感L2、電容C3構(gòu)成整形濾波，通過耦合電路耦合到低壓電力線上。圖載波功率放大發(fā)送電路濾波接受電路如圖所示，R3在接受本地強(qiáng)發(fā)射信號(hào)時(shí)可以有效吸取衰減；電感L1、電容C5構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，諧振以中心頻率為120KHz設(shè)計(jì)，完畢對(duì)有效信號(hào)帶通濾波；良好選頻回路可以有效提高載波接受敏捷度。依照并聯(lián)諧振公式以f=120KHz，選取電容為C5=1.5nF，可以選取適當(dāng)電感值，L1=1.17mH。二極管D5、D6作用是將接受信號(hào)電位鉗制在±0.7V。接受信號(hào)通過電位C4后引入到芯片內(nèi)部進(jìn)行混頻解決，SIG_IN被內(nèi)部上拉后平移到2.5V±0.7V，以利于后續(xù)解決。圖載波濾波接受電路3.2.4陶瓷濾波電路陶瓷濾波電路如圖3.2.4，并聯(lián)諧振后接受載波信號(hào)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，因此芯片必要將接受到120KHz信號(hào)與內(nèi)部600KHz本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到480KHz中頻帶寬差頻信號(hào)?；祛l后信號(hào)由FLTi引腳輸入到陶瓷濾波器輸入腳，陶瓷濾波器濾波后再送回芯片F(xiàn)LTo引腳進(jìn)行內(nèi)部限幅放大，然后又芯片內(nèi)硬件解擴(kuò)電路進(jìn)行有效數(shù)據(jù)還原，完畢解擴(kuò)后數(shù)據(jù)位鎖存到P3.7引腳。陶瓷濾波器設(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(cè)及電池電壓檢測(cè)PL3106內(nèi)置了掉電檢測(cè)及電池電壓檢測(cè)，內(nèi)置了兩個(gè)精準(zhǔn)比比較器，一種用于系統(tǒng)掉電檢測(cè)，通過與外部電壓VHH相連管腳（CMPI）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)部通過34K和42K電阻分壓得到掉電電壓基準(zhǔn)值（2.8V±5%），CMPI出電壓值不大于電壓基準(zhǔn)值，輸出高電平，為PFI（STATUS.0）自動(dòng)之1。電壓最高5.5V，高于5.5V也許會(huì)燒毀芯片。采用103插腳電容進(jìn)行退耦解決。圖掉電檢測(cè)電路另一比較器用于電池電壓檢測(cè)，通過管腳(VBAT)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(cè)3.2.6載波耦合電路設(shè)計(jì)載波耦合電路功能有兩個(gè)：將通過發(fā)送電路功率放大后信號(hào)耦合到電力線上；從電力線上獲取有效地載波信號(hào)。其中D7為雙向瞬變二極管、C6為安防電容，均起保護(hù)作用，為防止突然增大電流對(duì)后級(jí)電路導(dǎo)致影響。T1為耦合線圈，擬定匝數(shù)為10：15時(shí)效果最為抱負(fù)。圖3.2.6載波耦合電路照明控制系統(tǒng)通信合同軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于將來系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。軟件設(shè)計(jì)是一種從構(gòu)建框架、編寫代碼、到最后完畢測(cè)試系統(tǒng)工程。在這樣系統(tǒng)工程中，模塊化設(shè)計(jì)思想能大大提高代碼復(fù)用限度和簡(jiǎn)化后期測(cè)試工作。本文采用構(gòu)造化語言C51進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，以從最大限度上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)思路。4.1通信合同設(shè)計(jì)通信合同是設(shè)備之間進(jìn)行互相通信語言和規(guī)范，軟件開發(fā)需要在通信合同基本上進(jìn)行。一種好通信合同能從很大限度上有助于軟件模塊化設(shè)計(jì)。4.1.1OSI模型開放系統(tǒng)互連模型（OSI，OpenSystemInterconnectReferenceModel）是一種覆蓋了網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)方面ISO原則。OSI模型提供一種用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次化框圖。它涉及七個(gè)互相獨(dú)立但又互有關(guān)聯(lián)層次，每一層都定義了一某些用于穿過網(wǎng)絡(luò)傳遞信息合同。OSI模型七個(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）、傳播層(第四層)、會(huì)話層（第五層）、表達(dá)層（第六層）和應(yīng)用層（第七層）。詳細(xì)模型如圖4-1所示：圖4-1OSI模型層與層之間消息傳遞都是通過相鄰兩層間接口來實(shí)現(xiàn)。每層接口都定義了這一層必要向上一層提供消息和服務(wù)。定義良好接口及層次功能可以使網(wǎng)絡(luò)模塊化。只要一種層功能仍能為上一層提供所盼望服務(wù)，該層內(nèi)功能詳細(xì)實(shí)現(xiàn)就可以在不影響周邊層次基本上進(jìn)行修改和替代。4.1.2當(dāng)前電力線載波通信合同當(dāng)前，低壓電力線載波通信技術(shù)原則重要有三種：X-10、LonWorks和CEBus。原有低壓電力線載波技術(shù)重要是基于X-10原則，但隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，CEBus以其自身優(yōu)越性，已被越來越廣泛地采用。1.X-10技術(shù)原則X-10技術(shù)原則于1978年初次提出，由于其在家庭自動(dòng)控制（HomeAutomation）領(lǐng)域廣泛應(yīng)用而成為事實(shí)上國(guó)際原則。其最初設(shè)計(jì)只是用于單向通信，日后增長(zhǎng)了雙向通信功能。就調(diào)制方式而言，由于過零點(diǎn)普通含至少量噪聲和干擾，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)來傳送一種“0”或“1”信息，因而，其重要缺陷在于通信速率太低和容量太小，難以適應(yīng)當(dāng)代高速率、大容量通信規(guī)定。2.Lontalk技術(shù)原則Lontalk技術(shù)原則由Echelon公司提出，它是點(diǎn)到點(diǎn)對(duì)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)原則擴(kuò)頻通信（SSC）芯片（10kbps）。3.CEBus（ConsumerElectronicsBus）技術(shù)原則1984年，電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA：ElectronicIndustriesAssociation）開始著手研究合用于家庭顧客設(shè)施通信原則，這就是日后CEBus原則（1992年正式頒布）。CEBus是提供獨(dú)立物理層連接規(guī)范開放式通信原則，使用EIA-600合同。由于它使用對(duì)等網(wǎng)路通信方式，因而通信網(wǎng)上任何一種節(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(cè)（CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）技術(shù)，即在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道上與否有數(shù)據(jù)正在傳播，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，信道不久進(jìn)入空閑期，提高了信道運(yùn)用率。4.1.3本文采用電力線載波通信合同以上幾種通信合同，各有自己優(yōu)缺陷，為實(shí)現(xiàn)低成本和高可靠性開發(fā)目的，并配合已有硬件基本，本文采用了浙江大學(xué)趙玉璽提出具備四層構(gòu)造PLCLCP合同，下面對(duì)該合同進(jìn)行簡(jiǎn)樸簡(jiǎn)介。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構(gòu)造圖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，各層次詳細(xì)內(nèi)容為：物理層物理層位于該合同最底層，為照明控制系統(tǒng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信提供傳播媒體及互聯(lián)設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳播提供可靠環(huán)境。該合同采用傳播媒介是220V電力線，互連設(shè)備有總控器、主控器和從控器等構(gòu)成。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層可以理解為數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)鏈路層重要實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間可以進(jìn)行通信，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路建立與拆除，同步由于電力信道噪聲和干擾復(fù)雜多變，單靠物理通道難以保證信息傳播無誤，數(shù)據(jù)鏈路層要為網(wǎng)絡(luò)層提供無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳播，因此應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。PLCLCP數(shù)據(jù)鏈路層格式解釋如下：FH(FrameHeader)：幀頭，標(biāo)記一幀數(shù)據(jù)開始，用于數(shù)據(jù)鏈路建立；PL3106載波通信模塊采用直接序列擴(kuò)頻DPSK調(diào)制解調(diào)方式，接受過程涉及載波信號(hào)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受到擴(kuò)頻信號(hào)，同步發(fā)送同步幀頭09AFH作為接受屆時(shí)進(jìn)入同步狀態(tài)標(biāo)志。NPDU(NetworkingLayerProtocolDataUnit)：詳細(xì)見網(wǎng)絡(luò)層詳解。FT（FrameTrailer）：幀尾，用于幀校驗(yàn)和糾錯(cuò)，以及標(biāo)記一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。該合同幀校驗(yàn)采用品有前向糾錯(cuò)方式16位循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼（簡(jiǎn)稱CRC16），其占用兩個(gè)字節(jié)；用23H標(biāo)記一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。網(wǎng)絡(luò)層PLCLCP合同中網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)功能為地址控制和重傳控制。地址控制：設(shè)備自身地址以及接受到幀源地址由網(wǎng)絡(luò)層存儲(chǔ)管理，當(dāng)接受到幀目地址和設(shè)備地址不同步，放棄該幀；通過變化數(shù)據(jù)幀中目地址即可實(shí)現(xiàn)三種傳播服務(wù)：廣播服務(wù)：控制所有燈具，簡(jiǎn)稱全控；組播服務(wù)：控制一組燈具，簡(jiǎn)稱組控；單播服務(wù)：(a)控制單燈，簡(jiǎn)稱單控；(b)單燈狀態(tài)查詢。重傳服務(wù)：PLCLCP合同規(guī)定了兩種類型數(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影響，在數(shù)據(jù)傳送過程中不可避免會(huì)浮現(xiàn)數(shù)據(jù)幀位錯(cuò)和在限定期間里未收到應(yīng)答狀況，這時(shí)需要重傳相應(yīng)數(shù)據(jù)幀，詳細(xì)形式見下圖所示。圖4-3出錯(cuò)重傳形式網(wǎng)絡(luò)層合同內(nèi)容格式如下：表—1網(wǎng)絡(luò)層合同格式NPDUHAPDUDAPLSAPTRCAPDUPL(PacketLength)：數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，占用8位（一種字節(jié)），從DA開始到APDU(包括在內(nèi))字節(jié)長(zhǎng)度；DS/SA(DestinationAddress/SourceAddress)：接受方地址/發(fā)送方地址，占用3個(gè)字節(jié)，詳細(xì)規(guī)定見PLCLCP構(gòu)造圖。三種傳播服務(wù)實(shí)現(xiàn)：全控：為了避免由于燈具全開給電網(wǎng)導(dǎo)致沖擊和從控器收到兩次執(zhí)行相似動(dòng)作命令，在執(zhí)行全控命令時(shí)，通過組控方式實(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)，通過一方面向改組主控器發(fā)送命令，由主控器發(fā)送具有接受方地址為XXFFFFH(XX為01—FE中一種值)命令，屬于該主控器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)：總控器給燈具所在主控器發(fā)送命令幀，接受方地址為XX0000H，XX為01—FE中一種值，然后由主控器將該命令解釋后給燈具所在中斷控制器發(fā)送命令幀，接受方地址為XXYYYZH，XX為01—FE中一種值，YYY為001—FFE中一種值，Z為0表達(dá)對(duì)從控器所控制等進(jìn)行控制或者查詢，Z為1表達(dá)對(duì)從控器控制1號(hào)燈進(jìn)行控制/查詢，Z為2表達(dá)對(duì)從控器多控制2號(hào)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)，如果為傳播成功應(yīng)答幀，PT為0001(B)，如果為傳播失敗應(yīng)答幀，PT為0010(B)。RC(RetransmissionCount)：重傳計(jì)數(shù)器，占4bits。對(duì)于總控器和主控器，RC初始值為0001(B)，當(dāng)傳播浮現(xiàn)錯(cuò)誤或者超時(shí)，RC增長(zhǎng)1，RC最大值不超過0011(B)；對(duì)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)用層合同單元，詳見應(yīng)用層某些。應(yīng)用層應(yīng)用層是向應(yīng)用程序提供服務(wù)，總控器通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)燈具開關(guān)控制和總控器對(duì)主控器進(jìn)行校時(shí)。應(yīng)用層格式：APDUHMOAPDUH(ApplicationLayerProtocolDataUnitHeader)：應(yīng)用層合同單元頭。MO(MessageOption)：信息選取項(xiàng)，依照數(shù)據(jù)幀不同而變化。APDU詳細(xì)格式見下：ALCCDATA(a)命令幀格式ALCCCSACKRE_DATAAL(APDULength)：APDU單元長(zhǎng)度，即AL(涉及在內(nèi))到DATA或者RE_DATA（涉及在內(nèi)）長(zhǎng)度占一字節(jié)；CC(CommandCode)：控制碼。占一種字節(jié)，（1）校時(shí)控制碼為11H，(2)組控控制碼為22H，(3)總控器發(fā)出單控控制碼44H，(4)主控器發(fā)出單控控制碼為88H，(5)總控器發(fā)出但等查詢控制碼為99H，(6)主控器發(fā)出單燈查詢控制碼為AAH；DATA：數(shù)據(jù)信息，所占字節(jié)依照控制碼不同而變化：（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—周六相應(yīng)0-6；（2）如果是主控控制碼，DATA占一種字節(jié)，數(shù)值為00-FFH，00H相應(yīng)燈具關(guān)，F(xiàn)FH相應(yīng)燈具開，01-FEH備用，可用于調(diào)節(jié)燈光亮度；(3)如果是總控器發(fā)出單控控制碼，DATA占三個(gè)字節(jié)，第一種字節(jié)數(shù)值為00-FFH，00H相應(yīng)燈具關(guān)，F(xiàn)FH相應(yīng)燈具開，01-FEH備用，第二和第三個(gè)字節(jié)為某分控器下燈地址后兩個(gè)字節(jié)YYYZ(YYY范疇：001-FFEH，Z為0，1，2)，例如某燈地址為02H，則YYYZ為0042H；（4）如果是主控器發(fā)出單控控制碼，DATA占一種字節(jié)，數(shù)值為00-FFH，00H相應(yīng)燈具關(guān)，F(xiàn)FH相應(yīng)燈具開，01-FEH備用；（5）如果是總控器發(fā)出單燈查詢控制碼，DATA占兩個(gè)字節(jié)，為某從控站下燈地址后兩個(gè)字節(jié)YYYZ(YYY范疇：001—FFEH，Z為0，1，2)；(6)如果是主控器發(fā)出單燈查詢控制碼，數(shù)據(jù)幀不包括DATA某些；CCC(CommandCodeCopy)：控制碼復(fù)制，用于應(yīng)答幀，與命令幀控制碼相相應(yīng)。SACK(SuccessfulAcknowledge)：命令得到執(zhí)行，占一種字節(jié)，用EEH表達(dá)；RE_DATA：應(yīng)答數(shù)據(jù)信息，所占字節(jié)與控制碼相相應(yīng)，（1）—（4）狀況時(shí)，RE_DATA與其相應(yīng)命令幀中DATA一致，（5）狀況時(shí)，RE_DATA占三個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)與相應(yīng)DATA一致，第三個(gè)字節(jié)數(shù)值為00~FFH，00H相應(yīng)燈具關(guān)，F(xiàn)FH相應(yīng)燈具開，01-FEH備用；(6)狀況時(shí)，RE_DATA占一種字節(jié)，數(shù)值為00—FFH，00H相應(yīng)燈具關(guān)，F(xiàn)FH相應(yīng)燈具開，01-FEH備用。4.2PL3106載波通信軟件設(shè)計(jì)4.2.1載波通信模塊使能PL3106內(nèi)部集成了PL2102電力載波通訊模塊，該模塊是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。PL3106將該模塊內(nèi)嵌后，使得載波通訊抗干擾能力有了巨大提高。載波通信采用直序擴(kuò)頻DPSK調(diào)制解調(diào)時(shí)：將要發(fā)送信息用偽隨機(jī)碼序列擴(kuò)展到較寬頻帶上，在接受端用同樣偽隨機(jī)碼序列來進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)信息。接受過程涉及載波信號(hào)捕獲和同步，這一某些通過芯片內(nèi)部自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于PL3106CPU和載波接受模塊內(nèi)嵌，使得PL3106載波通訊控制可以通過配備寄