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消費(fèi)總線電力線接口電路的設(shè)計(jì)
摘要：在介紹消費(fèi)總線物理層技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，給出了P89C51RD2單片機(jī)與P300/P111構(gòu)成的電力線掃頻載波通訊模塊的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)論述了通訊模塊電力線接口電路設(shè)計(jì)中所涉及的濾波電路、放大電路、耦合電路及其保護(hù)措施。關(guān)鍵詞：電力線載波消費(fèi)總線
智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（總線）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操，總線協(xié)議是其精髓所在。目前，國際上占主導(dǎo)地位的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有：美國的X10[1]、消費(fèi)總線（CEBus）[2]、日本的家庭總線（HOMEBUS）[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。
消費(fèi)總線使用五種類型的介質(zhì)(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜)，其中以電力線的應(yīng)用最為廣泛。消費(fèi)總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持，1992年成為美國電力工業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)（EIA600、EIA721）。1997年，EIA600成為美國ANSI標(biāo)準(zhǔn)；2000年6月，微軟和CEBus委員會(huì)共同宣布支持CEBus的簡單控制協(xié)議SCP。SCP是未來微中UPNP協(xié)議的子集。
1CEBus電力線物理層
鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性，CEBus采用價(jià)格低廉、簡單易行的線性調(diào)頻（chirp）擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。摒棄了傳統(tǒng)電力線載波通常應(yīng)用的直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻等設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。
圖2通用通訊模塊的原理圖
消費(fèi)總線的物理層有四種碼，分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號(hào)，正弦信號(hào)載波，從203kHz經(jīng)過19個(gè)周期線性地變?yōu)?00kHz，再經(jīng)過1個(gè)周期變?yōu)?00kHz，然后在5個(gè)周期中變?yōu)?03kHz，整個(gè)過程用時(shí)100μs，也就是1個(gè)UST(Unitsymbletime，在消費(fèi)總線中用多少個(gè)UST來度量時(shí)間)。其波形如圖1所示。
chirps掃頻載波需經(jīng)過放大耦合到電力線上，放大后的幅度應(yīng)適中。幅度太低，給接收電路帶來困難；幅度太大，又會(huì)對電力線上的設(shè)備產(chǎn)生干擾。CEBus的規(guī)定如表1[5]所示。
表1不同條件下的載波幅度值
設(shè)備工作電壓最小幅值最大幅值負(fù)載范圍～120V2.5Vpp7Vpp10Ω～2kΩ～240V5Vpp14Vpp39Ω～8.2kΩ
表2不同條件下的設(shè)備輸入阻抗值
設(shè)備工作電壓設(shè)備輸入阻抗（在頻率20kHz～50000kHz）載波幅值～120V>150Ω6Vpp～240V>300Ω12Vpp
同時(shí)也規(guī)定了電器設(shè)備對信號(hào)的阻抗。如果阻抗很小，就會(huì)將信號(hào)吸收從而無法傳送國。規(guī)定如表2[5]所示。
線性調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶低功率密度傳輸，從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時(shí)，chirps具有很強(qiáng)的自相關(guān)性和自同步性。這種自相關(guān)決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種特殊波形。
2通訊模塊的設(shè)計(jì)
根據(jù)P89C51RD2和P300的芯片手冊[6][7]，設(shè)計(jì)的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊，用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣，中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)。
3通訊模塊電力線接口電路的設(shè)計(jì)
從P300輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱而且還有高次諧波，因此必須經(jīng)過濾波和放大，然后才能通過耦合電路將信號(hào)調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開，防止高壓擊穿通訊電路。另一方面，從電力線來的載波信號(hào)又要由P300接收，而電力線上的干擾很大也很不確定，所以需要一個(gè)帶通濾波器，通過100kHz～400kHz之間的信號(hào)，再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。
其中左邊的3根線來自P300，TS是數(shù)字信號(hào)，控制收發(fā)轉(zhuǎn)換。實(shí)際上P300的收發(fā)類似半雙工方式，因?yàn)楫?dāng)它在“發(fā)送”劣態(tài)的時(shí)候，實(shí)際上并沒有輸出信號(hào)。因此，這個(gè)時(shí)候它可以處于接收狀態(tài)，如果接收到了優(yōu)態(tài)，就表示發(fā)生了競爭。
3.1濾波電路
輸入濾波器電路如圖4所示。
這個(gè)濾波器有6階，對高頻干擾有很好的抑制，圖5是它的頻率響應(yīng)曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB。高于400kHz的平均衰減為3dB，高于400kHz的平均衰減為128dB/dec，可以有效地過濾干擾信號(hào)。
P300輸出的信號(hào)包含豐富的高次諧波，為了減小對電網(wǎng)的干擾，先經(jīng)過帶通濾波器再進(jìn)行放大。濾波器也采用無源電路，原理與上面類似，這里不再多述。
3.2放大電路
P300的輸出信號(hào)經(jīng)過濾波之后，其內(nèi)阻很大，沒有驅(qū)動(dòng)能力，而且電壓幅度不符合消費(fèi)總線的要求，必須放大后才能夠驅(qū)動(dòng)電力線。放大電路不僅要有強(qiáng)有力的輸出能力，還需有禁止輸出功能，這樣才能使P300接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)。
電網(wǎng)的性能不確定，有時(shí)是容性負(fù)載，有時(shí)是感性負(fù)載。這樣就給末級(jí)電路采用反饋帶來很大困難。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載的阻抗特性變化時(shí)，輸出的信號(hào)相位會(huì)發(fā)生變化，最終有可能是負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答�，從而引起振蕩�?br />
圖6電力載波放大電路
設(shè)計(jì)的電力載波放大電路如圖6所示，虛線的左邊的原理圖，右邊是實(shí)現(xiàn)電路圖�？梢钥闯�，這個(gè)電路有兩個(gè)輸入，一個(gè)輸出。輸入信號(hào)來自P300的電力載波，輸出使能控制放大器運(yùn)行。圖6的左半部分，T1和T2接成互補(bǔ)式OTL輸出，它們的偏置電壓來自電阻R1、R2的分壓。來自P300的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放U1放大達(dá)到期望的幅度，然后通過電容耦合到T1和T2的基極。如果開關(guān)S1和S2合上，則T1和T2正常輸出電信，P300可以發(fā)送數(shù)據(jù)；如果S1和S2都斷開，那么T1和T2的基極都處于懸空狀態(tài)，輸出端也成為懸浮狀態(tài)，從而不會(huì)吸收由電力線傳來的信號(hào)，P300可以接收信號(hào)。
在圖6的右邊，開關(guān)S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被復(fù)合管取代，其中的電阻R11用來消除三極管漏電電流的影響。采用復(fù)合管是為提高放大倍數(shù)，這樣可以盡量減小級(jí)間耦合，即使輸出信號(hào)發(fā)生了畸變，也不會(huì)影響到前級(jí)而發(fā)生振蕩。實(shí)際證明這種做法是很可行的。其對容性負(fù)載、感性負(fù)載以及純電阻的負(fù)載都有較穩(wěn)定的輸出，輸出阻抗小于2Ω。
圖7P300與電力線的耦合電路
3.3耦合電路及保護(hù)措施
圖7中J1接到電力線，R1是壓敏電阻，它可以使尖峰脈沖短路，變壓器T1實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。因?yàn)檩d波的頻率比較高（100kHz～400kHz），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大小電網(wǎng)的頻率，這樣就使載波信號(hào)暢通無阻，而能夠隔斷高壓。電容C1阻斷低頻高壓，阻止變壓器飽和；電阻R2取值比較大，作用是在離線時(shí)使電容放電，防止在設(shè)備插頭的兩端出現(xiàn)高壓。Z1是瞬變抑制二極管（TransientVoltageSuppressor，或稱TVS），它可以有效地避免后而電路被高壓擊穿。L1、D1、D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設(shè)計(jì)的。電力線上的設(shè)備接入或者是斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久損壞。所以高壓保護(hù)措施是至關(guān)重要的。
除了電力線上會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖破壞器件以外，當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(shí)（參看圖7），如果電力線剛好處于電壓的最大值，而此時(shí)電容上的電壓為0，會(huì)有300V（220V有效值，最大值311V）的高壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，從而在次級(jí)產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當(dāng)大，可達(dá)幾十安培到上百安培，采用一般的穩(wěn)壓管根本沒有辦法消除這個(gè)脈沖。筆者曾經(jīng)嘗試過采用壓敏電阻吸收這個(gè)脈沖，但壓敏電阻的響應(yīng)比較緩慢，在出現(xiàn)脈沖的一微秒之內(nèi)仍然有幾十伏的電源，足以燒壞放大電路。實(shí)踐表明，這種剛剛接入電路時(shí)的瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的破壞力相當(dāng)大。幸運(yùn)的是，它的電流雖然很大，但是能量卻不是那么大。筆者采用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應(yīng)時(shí)間是5ns，能夠吸收200A電流，瞬態(tài)功率可達(dá)1500W�？梢院唵蔚匕阉醋魇且粋�(gè)具有強(qiáng)大吸收電流能力的穩(wěn)壓二極管，但它的動(dòng)態(tài)電阻比較大，所以還需要D1和D2這兩個(gè)肖特基二極管進(jìn)一步把電阻鉗位在電源電壓左右，電感L1的作用是阻斷特別窄的高壓脈沖。經(jīng)過這些保護(hù)措施，后面電路沒有出現(xiàn)過任何故障。
在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)該充分考慮到電路板敷銅皮的阻抗影響，例如在圖8的電路板布局中，Z1是瞬變抑制器件，元件的引線和銅皮都會(huì)引入電感，從而消弱吸收效果。
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