一种基于ARM7与ST7538的电力线载波通信模块的设计

时间：2015-12-20 23:31:35 所属分类：通信 浏览量:

【摘 要】该文提出了一种用LP2132ARM内核单片机与载波芯片ST7538构成的低压电力线载波通信系统方案,详细介绍了该系统的工作原理和软硬件组成。经实际测试证明，该系统工作稳定可靠，具有较高的应用价值。关 键 词：电力线；载波通信；FSK；PLC；ARM1 引言 电

【摘 要】该文提出了一种用LP2132ARM内核单片机与载波芯片ST7538构成的低压电力线载波通信系统方案,详细介绍了该系统的工作原理和软硬件组成。经实际测试证明，该系统工作稳定可靠，具有较高的应用价值。关 键 词：电力线；载波通信；FSK；PLC；ARM1 引言 电力线载波通信（PowerLine carrier communication）技术是指将电力线作为通信媒介的一种通信方式。利用电力线作为通信介质的电力载波通信，避免了新的通信网络的建设和投资。在住宅智能控制、布线困难的工业自动化控制等系统中，采用低压电力线通信方案有着极为显著的优越性，具有极大的方便性、免维护性、即插即用等优点。 电力线用于信息传输有些不利因素：线路阻抗小、信号衰减大、时变性大、噪声影响大。在实用系统的开发中，控制软件的编写、器件的选择及电力线接口的设计是关键。本文提出一种采用ARM内核的单片机LP2132控制电力线载波芯片ST7538构成的低压电力线载波通信系统。实验证明，采用此种结构在噪声频带很宽的信道环境下能实现可靠通信。2 系统结构 低压电力线载波通信的系统原理框图如图1所示。 数据由主通信设备发出，经通信接口模块，存入微控制器处理中的一段缓冲区内，再经编码处理后进行通信调制，最后耦合到电力线上。在电力线的另一端，数据经解耦后从电力线上接收下来再解调到微控制器中，最后经通信接口到从通信设备中。在整个系统中，微控制器是系统的核心，它负责整个系统中各任务的协调与调度。而电力线接口主要起耦合、隔离、滤波与保护的功能。3硬件的设计3.1微控器的选择 由于低压电力线上存在信号衰减大、时变性大、噪声影响大等不利因素，这些问题导致误码率的升高，通信质量严重下降。除了选择好的通信器件从“硬”的方面来提高通信质量，降低误码率外，另一种解决方法是采用一些纠错能力强的编译码方案，这可能使得算法复杂化，运算速度降低进而导致通信速率下降，这种方法对处理器运算速度的要求较为苛刻，同时也要求微处理有较强的控制功能。在兼顾运算能力与控制性能之后，我们没有选用传统的功能简单的单片机，而选用了飞利浦（Philips）公司的ARM内核的LP2132单片机，LPC2132是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有64kB的嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。较小的封装和极低的功耗使LPC2132可理想地用于小型系统中，如访问控制和POS机。 3.2调制解调芯片的选择 现在，电力线载波通信专用Modem芯片种类不少，经仔细比较，选择了 SGSTHOMSON公司的ST7538，早期国内电力线载波通信的应用中，ST公司的ST7536、ST7537芯片获得良好应用。ST7538是在ST7536、ST7537基础上推出的又一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK（调频）调制解调器芯片。 FSK调制技术是用两个不同频率的正弦波来传送一组数字信号，其中用fh代表逻辑高水平,用fl代表逻辑低电平，其中载波频率fc及波特率Baud及误差dev之间关系可由公式， 虽然ST7538采用FSK调制技术，没有采用扩频技术，没有扩频通信的优点，按理说无论从理论上还是技术上，扩频调制解调技术应明显优于FSK，但从实际试用来看，没有发现其它扩频芯片有明显的优势，而ST7538却可以在噪声频带很宽的信道环境下实现可靠通信。如果能够很好地利用它的多频段性，将可以克服窄带通信的缺点。ST7538内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中。ST7538是一款功能强大、集成度很高的电力载波芯片，它为家庭和工业环境应用而设计，采取了多种抗干扰技术。3.3电力线接口的设计 电力线接口是用来连接设备到电力线的，具体实现如下图2所示。 它首先是一个耦合电路，用于FSK信号的传输与接收；同时也是一个滤波系统，能可靠地过滤掉220V/50Hz的电力信号、及噪声信号和浪涌信号。 发送电路由C4、C5、R3、L3、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1构成，其中C4、C5、R3、L3与C1、L1、R1分别构成两个带通滤波器，而D1、D2、D3构成保护电路。两个带通滤波器的理想谐振频率可由如下公式计算:
接收电路由C2、C3、R2、L2、D1、D2、D3、T1、C1、L1、R1构成，其中D1、D2、D3同样构成保护电路，而C2、C3、R2、L2构成一个二阶的接收带通滤波电路，其中心频率f0及品质因素Q可以由以下公式计算：
3.4系统的硬件连接 整个通信模块的各芯片之间的连接如下图3所示。 LP2132通过监测载波信号（CD/LP）与波特率信号（BU）来得到载波的情况，而通过REG_OK、 PG、TOUT来得到ST7538自身的状态情况。而LP2132与ST7538之间的数据交换是通过SPI口来完成的。而LP2132与通信设备之间的通信是通过SCI通信模块来进行的，其间采用MAX202E来完成电平转换。由于LP2132的资源很丰富，我们还可以根据实际需求选择接上LCD显示或键盘等其它周边设备。
3软件设计 软件设计是整个模块开发的另一个难点。其困难之处在于要协调电力线载波通信模块在多种状态之间的切换，LP2132监测的信号线多，要完成的状态转换动作也较多。简化系统结构，可以将通信模块功能简化看作为电力线与SCI通信口之间的桥梁，系统软件流程图如下图4所示： 当系统加电启动时，系统程序进入从电力线接收数据的状态 ，开始检测载波信号的有无及正确与否，以此作为系统是否转换到从SCI接收数据状态的判断条件。如果检测到载波信号且正确，则系统开始接收从电力线上传来的数据，此时SCI口中断状态是加电之后的初始值，即SCI口处于接收中断关。如果一开始没有载波信号，则系统开始检测SCI口，判断SCI口是否有数据传送过来，以此决定是否要进入数据接收状态。如果电力线及SCI口都无数据传送发生，则系统重新进入检测状态，重新开始检测电力线，进入新一轮循环。 为了避免SCI口同时处于接收与发送状态，造成数据冲突，程序中是以状态字的查询以及中断的设置来完成。无论是从电力线上收到数据还是从SCI口收到数据之后，都要从SCI口的中断状态来判断系统通道的情况，从而决定是将数据从PL2132传向电力线还是传向通信设备。一旦数据转发完成，则整个系统回到检测状态，等待新一轮数据收发的启动。 5结束语 低压电力线载波通信是个具有广阔应用前景的课题。但低压电力配电网是一个开放性网络，在传输信号时具有衰减大、干扰强、阻抗变化复杂等特性，要在电力线上进行高速、可靠、安全的数据通信还有许多技术问题需要研究。此方案以PL2132这一款高性能微控制器作为中心处理器，用ST7538作为调制解调芯片实现的通信模块可实现可靠通信，具有一定实用价值。参 考 文 献：[1] 周耀义，鲍滨寿．低压电力用户远程自动抄表系统．电力自动化设备[J]，1999，19(2)：64—65．[2] 曹志刚，钱亚生．现代通信原理[M]．清华大学出版，1994。[3] Newbury D J． Communication requirements and standardsfor low voltage mains signaLing． IEEE Transactton onPower DeLivery[J]，1998，13(1)：46—53．[4] ST7538 Power Line FSK Transceiver[M]. ST Inc. 2003[5] LPC2131/2132/2138 Single-chip 16/32-bit microcontrollers[M]; PHILIPS Inc. 2004

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