SC1128電力線載波擴頻通信電路的應(yīng)用分析

1、SC1128電力線載波擴頻通信電路的應(yīng)用分析        摘要：本文介紹了SC1128電力線載波擴頻通信芯片的典型應(yīng)用，對SC1128在低壓電力線上的通信進(jìn)行了一定的測試和分析，并給出了應(yīng)用示意圖和具體的連接方法。  關(guān)鍵字：擴頻通信、電力線載波、集成電路 電力網(wǎng)是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網(wǎng)絡(luò)。電力線作為一種通信傳輸介質(zhì)，具有可變信號衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。SC1128芯片是由北京智源利和公司設(shè)計開發(fā)的，芯片的設(shè)計者充分考慮了電力網(wǎng)阻抗的不確定性、干擾

2、的隨機性和信號衰減大等特點，將芯片設(shè)計成一個對系統(tǒng)設(shè)計工程師來說是一個透明的通信芯片。載頻Fc、調(diào)制周波數(shù)N和數(shù)據(jù)傳輸速率D及偽碼相干值等，均可由系統(tǒng)設(shè)計工程師根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境不同自由選擇確定。這一點目前在國內(nèi)外通用及專用通信芯片中還屬首例。本文根據(jù)SC1128芯片的特點，結(jié)合其實際需要，設(shè)計了一款通信測試板，其目的是驗證SC1128芯片在220V電力線上的數(shù)據(jù)傳輸能力和相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)測試。 一、        芯片的功能特點及技術(shù)指標(biāo) 國外很早對電力線載波通訊技術(shù)進(jìn)行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波芯片，并制定了電力線

3、載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)（480V/277V，208V/120Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100KHz-450KHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)（400V/230Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9KHz-150KHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計出各自的電力線載波芯片。由于國外電力線載波芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計的，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化的，在我國的使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波芯片在一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強使用。我國可使用的電力線載波芯片有以下幾種：XR2210/XR2206套片或LM1893 ，SGS-THOMSON公司的ST75

4、36， Intellon公司的 SSCP300，Echelon公司的PLT-22。由北京智源利和公司采用直序擴頻技術(shù)設(shè)計開發(fā)的SC1128擴頻通信芯片，具有63位偽隨機碼，該芯片為QFP-44工業(yè)級封裝,靈敏度達(dá)到70µV,這使民用載波抄表實現(xiàn)準(zhǔn)實時，抄到率高，符合產(chǎn)品化和用戶要求，是載波擴頻通信的一次突破。圖一為SC1128內(nèi)部邏輯框圖。 圖一：  SC1128內(nèi)部邏輯框圖 SC1128芯片采用擴頻技術(shù)，輸入動態(tài)范圍很高（120db），抗干擾能力強，接收靈敏度達(dá)70uV，擴頻帶寬為59-535KHz,數(shù)據(jù)傳輸最大波特率可達(dá)5.75Kbps,并可以軟件設(shè)定，內(nèi)置看門狗電路、

5、上電復(fù)位和電源監(jiān)測電路。內(nèi)置時鐘電路，為復(fù)費率電表及需要時鐘的應(yīng)用系統(tǒng)提供時鐘；內(nèi)置掉電保護(hù)存儲器，可以在掉電時保護(hù)數(shù)據(jù)。有正弦波輸出和方波輸出兩種形式，正弦波輸出具有功率放大作用。下表為SC1128電特性指標(biāo)： 名稱 符號 條  件 (-20TA85) 規(guī)范值 單 位 最小 最大 輸出高電平 VOH - V - 輸出低電平 VOL - - 輸入高電平 VIH - 輸入低電平 VIL - 輸入漏電流 II VI=VDD或GND - A 靜態(tài)電源電流2 IDDT 電子表工作電流 5 50 輸出驅(qū)動電流 IDRV SINOUT輸出端 5 15 MA 靜態(tài)電源電流1 IDD VI=VDD或

6、GND， IO10A 3 10 輸入電容 CI1) TA =25 - 10 PF 輸出電容 CO1) - 10 工作頻率 FT 外接晶體 8 36 MHz 表一： SC1128的電特性指標(biāo)(VDD=5V，TA=工作環(huán)境溫度) 二DEMO板的組成和連接 本DEMO板的載頻Fz為250KHz，周波調(diào)制數(shù)N為4，最大門限值為8064(建議為2680)。 1   DEMO板的組成 圖二：  DEMO板組成框圖 DEMO板上有一個電源指示燈和4個狀態(tài)指示燈。狀態(tài)指示燈可自行編程定義。 2   DEMO板的連接 圖三： DEMO板的連接 三 &#

7、160;      相關(guān)的應(yīng)用計算 在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，可根據(jù)實際應(yīng)用需要，先確定數(shù)據(jù)速率B和調(diào)制周波數(shù)C，然后計算出工作頻率Fo、晶振頻率Fz和載波頻率Fc。數(shù)據(jù)速率B和載波頻率Fc具有以下關(guān)系： A根據(jù)數(shù)據(jù)速率B計算相應(yīng)參數(shù)： 載波頻率：Fc=B×C×L 碼片速率：Ms=Fc÷C 工作頻率：Fg=Fc×32 晶振頻率：Fz =Fg×2 B  載波頻率Fc(fz )計算相應(yīng)參數(shù)： 工作頻率：Fg=Fc×32 晶振頻率：Fz =Fg×2 數(shù)據(jù)速率：B=Fc÷

8、C÷L C最大相干值的的計算及設(shè)置： 最大相干值：Cm=L×C×S，一般取最大值的2030進(jìn)行設(shè)置，在實際使用時可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境作適當(dāng)增減。 四、DEMO板的接收和發(fā)射特性 1接收信號強度對還原的影響 圖四中通道3為近距離耦合線圈接收信號；通道2為遠(yuǎn)距離耦合線圈接收信號；通道1為接收板二級濾波器輸出信號。從測試結(jié)果的比較中可以看出，接收回路對信號的要求是非常低的，無論是幅值還是波形。從還原的結(jié)果可以看出，接收通道的信號處理能力還是非常強的。 圖四：  輸入通道信號對比 2輸出通道的波形 圖五： 輸出通道波形圖 圖五為輸出通道的輸入和輸出波形圖，其中：通道1

9、為SC1128第24腳方波輸出；通道2為功率放大器輸出。 在實際使用中，SC1128第24腳需要接一個1K以上的上拉電阻，上拉電阻可以接到5V或12V上均可(可根據(jù)電路構(gòu)成自行選擇)，電壓較高時上拉電阻應(yīng)適當(dāng)加大，無論接入哪個電源，其最大灌入電流不應(yīng)超過4mA。上拉電阻的大小還要保證24腳的輸出電壓幅值能使功率放大器正常工作(建議其峰峰值不低于3.0V)。 五、與單片機的接口                   &#

10、160;               圖六：  SC1128與MCU的連接 SC1128第28腳為電路工作主時鐘的二分之一的晶振輸出(其峰峰值約為4V)，近似正弦波；32腳電壓監(jiān)測端；33腳看門狗輸入端，正常工作時應(yīng)該在768mS內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化；34腳看門狗輸出端，與33腳配合，正常時輸出低電平，否則輸出三分之一占空比的復(fù)位脈沖；35腳與32腳配合，當(dāng)電源信號低于監(jiān)測值時，輸出低電平，當(dāng)高于監(jiān)測值，則輸出高電平；36腳收發(fā)控制端，0為接收

11、，1為發(fā)射；37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號，頻率隨工作主時鐘和周波的變化而變化；38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)；39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端；40腳為同步設(shè)置時鐘輸入端；41腳為片選輸入端。數(shù)據(jù)收發(fā)流程如下： 當(dāng)發(fā)射狀態(tài)時，單片機將SR端（36腳）置高，SC1128芯片發(fā)出同步頭（37腳），單片機通過TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)接收狀態(tài)時，單片機將SR端（36腳）置低，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步頭，通過TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機。 六、I/O擴展 目前在電力載波通信系統(tǒng)中，多以單片機為控制芯片。但由于單片機的I/O管腳數(shù)目有限，所連接的I/O設(shè)備有限

12、。為了盡可能的少占系統(tǒng)資源，為SC1128芯片設(shè)計了一種可以與其它的通信方式相同的設(shè)備共享同一組總線的連接方法。 當(dāng)單片機在對SC1128芯片內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫訪問時，采用的是一種模擬I2C總線的訪問方式。即它也是通過CS(第41腳)、SETCLK(第40腳)和LINE(第39腳)三條線來完成對其內(nèi)部RAM的讀寫訪問，其中CS作為片選信號使用，其作用等同于I2C總線中的WP信號，SETCLK是串行通信時鐘信號，其作用等同于SCL，LINE是串行通信的數(shù)據(jù)線其作用等同于SDA。但由于SC1128的讀寫控制更為簡單實用，故它在通信時并沒有完全按照I2C總線的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。 由于SC1128讀寫的特殊

13、性，就給了我們一個即可以方便的使用它，又可以最少占用系統(tǒng)資源的最佳方法。通過以上的介紹大家不難發(fā)現(xiàn)，SC1128雖然在讀寫操作過程和規(guī)則方面與標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線有著不同，但其所使用的總線的數(shù)目和功能是基本相同的，這就意味著我們可以通過一簇總線，分別讓單片機與多個使用I2C總線通信的設(shè)備與SC1128芯片共同使用同一簇總線（片選，時鐘，串行數(shù)據(jù)），在不同的時間內(nèi)輪流通信。在這組總線中時鐘及數(shù)據(jù)總線是可以共享的。但是要給每一個設(shè)備以單獨的片選信號，即每一個設(shè)備有一個獨立的片選信號，這樣在訪問不同的設(shè)備時先讓對應(yīng)設(shè)備的片選信號有效，這時一定要保證其它共享設(shè)備的片選信號線無效，以免出現(xiàn)沖突。之后在共享的

14、時鐘線上給出對應(yīng)的設(shè)備通信時所需的時鐘信號，然后再從數(shù)據(jù)線上進(jìn)行地址及數(shù)據(jù)的讀寫過程了。采用這種方法就可以充分利用單片機有限的I/O管腳數(shù)目來連接盡可能多的外部設(shè)備。 圖七： 模擬I2C總線的連接方式 本例是采用2051單片機與SC1128芯片和24C02存儲芯片，24C02是一個采用I2C總線的動態(tài)存儲芯片。其中2051與SC1128之間通過CS（SC1128的片選信號P1.1），SETCLK（SC1128的讀寫時鐘信號P1.2），LINE（SC1128的串行通信數(shù)據(jù)線P1.3）。2051與24C02的通信是通過WP（24C02的片選信號P3.7），SCL（24C02的讀寫時鐘信號P1.2），SDA（24C02的串行通信數(shù)據(jù)線P1.3）。其中SETCLK與SCL共享P1.2管腳，LINE與SDA共享P1.3。兩者的片選信號CS（P1.1）和WP（P1.2）是各自獨立，2051不能同時訪問SC1128和24C02，只能輪流訪問，在訪問SC1128時先讓CS（P1.1）有效，此時要保證WP無效，之后再在SETCLK（P1.2）上給出SC1128所需的時鐘信號，然后再從LINE（P1.3）中讀寫數(shù)據(jù)。訪問24C02時