王 斌，趙 云，尹云輝

（嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

在樓宇消防、小區(qū)安防和環(huán)境監(jiān)控等系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的通信距離較長、節(jié)點(diǎn)多，通常采用便于施工布線的二線制電力載波的技術(shù)方案[1-3]。在通信距離較長時(shí)，線材成本優(yōu)勢明顯，但是，通信節(jié)點(diǎn)通過耦合電路把數(shù)據(jù)耦合到傳輸能量的電力線上，需要復(fù)雜的電路及專用信號調(diào)制芯片，使得設(shè)備制造成本高[4-5]。此外，在這些場合通信數(shù)據(jù)以控制信息或狀態(tài)信息為主，信息量相對較少；通信實(shí)時(shí)性相對弱，時(shí)間響應(yīng)在秒級；監(jiān)控節(jié)點(diǎn)能耗相對較小[6-7]。為此，本文研究了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的低壓電力線通信，并應(yīng)用于類似場合。

1 總線的原理

本文總線系統(tǒng)中的二線分別為P線和C線，P線用于傳輸能量和信息，C線為電源和信號的參考接地?？偩€系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。總線系統(tǒng)由通信電源和通信節(jié)點(diǎn)組成，通信電源用于提供時(shí)分的能量和通信調(diào)制電壓，并通過P線輸出；通信節(jié)點(diǎn)并聯(lián)在總線上，分為主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)，只有主機(jī)節(jié)點(diǎn)能主動(dòng)發(fā)起通信。

圖1 總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

P線上分時(shí)進(jìn)行能量和通信調(diào)制電壓的傳輸，周期各為10 ms，波形如圖2所示。在能量周期Te，總線提供正弦半波能量；在通信周期Ts，總線提供直流信號，供通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信調(diào)制。

通信電源是產(chǎn)生P線波形的部件，其原理如圖3所示。220 V的市電通過變壓器T1轉(zhuǎn)換為低于36 V的安全電壓V1。在V1的正半周期，正弦電壓從P線出，C線上由D5到V1的負(fù)端，從而在P線上產(chǎn)生了以Te周期的能量波形。在V1的負(fù)半周期，通過穩(wěn)壓管D2在P線產(chǎn)生一個(gè)直流信號，經(jīng)D4、R1輸出。R2為可調(diào)電阻，具有吸收回波和調(diào)整通信靈敏度的作用，阻值根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和通信距離調(diào)節(jié)。

通信節(jié)點(diǎn)具有接收能量和通信數(shù)據(jù)的功能，原理圖如圖4所示，其分為電源變換和信號調(diào)制兩個(gè)部分。D1和D6保證能量周期傳送能量到節(jié)點(diǎn)電源變換部分。C1平波儲(chǔ)能，經(jīng)過LM7805CT穩(wěn)壓芯片輸出5 V電壓。D11和D12保證通信周期的調(diào)制信號與調(diào)制部分接通，U3和U4為光耦，起著隔離和調(diào)制的作用。發(fā)送時(shí)，如果TXD為高電平，則U4導(dǎo)通P線和C線之間的電壓鉗低，U3截止，RXD為高電平；如果 TXD為低電平，則U4截止，P線和 C線之間的電平為高電平，U3導(dǎo)通，RXD為低電平。R6為調(diào)節(jié)接收靈敏度的電阻。D22為穩(wěn)壓管，具有防反接保護(hù)電路的功能。實(shí)際運(yùn)行時(shí)P線波形如圖5所示。

2 通信協(xié)議

在工程應(yīng)用中，推薦總線使用線徑截面積為0.75 mm2的護(hù)套2芯線，黑色為C線，另一種顏色為P線。

2.1 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

總線設(shè)計(jì)僅適用于只傳送簡單的狀態(tài)和控制信息的場合，通信數(shù)據(jù)幀規(guī)定如表1所示，包含3 B（即24 bit），分別為地址、命令和參數(shù)。

表1 數(shù)據(jù)幀的格式

（1）地址：占 8 bit，0～255，其中 255 代表廣播地址，0～15表示 15個(gè)主機(jī)地址，16～254代表從機(jī)地址。

（2）命令：占 4 bit，其中 B8 bit為 1時(shí)表示主機(jī)發(fā)往從機(jī)的命令，為0時(shí)表示從機(jī)回復(fù)的命令，其他3 bit命令自定義。當(dāng)B8為1時(shí)，數(shù)據(jù)幀中的地址指目的地址，當(dāng)B8為0時(shí)，數(shù)據(jù)幀中的地址表示源地址。

（3）參數(shù)：占 12 bit，用戶自定義。

調(diào)制方式采用 UART調(diào)制，1 bit起始位，1 bit停止位，無校驗(yàn)位，比特率為4 800 b/s，這樣總線上一個(gè)通信周期正好發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

2.2 通信規(guī)則

為了保證各節(jié)點(diǎn)能夠共享通信介質(zhì)，在通信過程中須遵從以下規(guī)則：

（1）應(yīng)答規(guī)則。所有主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)必須有應(yīng)答幀。一次通信過程需要2個(gè)Ts。在一個(gè)通信過程內(nèi)不允許有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）目的地址優(yōu)先規(guī)則。發(fā)送所有數(shù)據(jù)必須在Ts開始的時(shí)刻發(fā)送，當(dāng)主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完地址以后，比對自己接收的地址。如果與自己發(fā)送的地址相同，則繼續(xù)發(fā)送；如果不同，則等待總線當(dāng)前應(yīng)答完畢后再發(fā)送。目的地址小的數(shù)據(jù)幀具有優(yōu)先級，因此具有沖突總線仲裁機(jī)制。

3 應(yīng)用實(shí)例

將該總線應(yīng)用于小區(qū)地下車庫自動(dòng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車位引導(dǎo)和車庫通風(fēng)。系統(tǒng)由停車場服務(wù)、連接地感線圈、指示燈光和風(fēng)機(jī)控制器組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6中，停車場服務(wù)器通過轉(zhuǎn)接器連接到總線，作為總線中唯一的主機(jī)。地感線圈傳感器和燈光指示器從總線取電，作為總線上的從機(jī)不斷地應(yīng)答主機(jī)。計(jì)算機(jī)通過串口和轉(zhuǎn)接模塊連接。轉(zhuǎn)接模塊基本電路和圖4，增加了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，并且計(jì)算機(jī)DB9的1腳DCD接圖4中的RTX，用于檢測Ts周期。上位機(jī)采用C++builder6開發(fā)，利用MSComm32控件實(shí)現(xiàn)通信。采用STC12C5628單片機(jī)控制地感線圈和LED燈光指示控制器，采用Keil C51開發(fā)。

當(dāng)有車輛進(jìn)入地下車庫時(shí)，服務(wù)器根據(jù)停車的目標(biāo)車位規(guī)劃引導(dǎo)路徑，按照幾個(gè)鋪設(shè)的關(guān)鍵地感線圈的狀態(tài)啟動(dòng)附近的LED燈光指示器，引導(dǎo)車輛停車。服務(wù)器根據(jù)一段時(shí)間地感線圈的數(shù)據(jù)計(jì)算該地區(qū)的汽車數(shù)量，當(dāng)累計(jì)達(dá)到一定值時(shí)啟動(dòng)該地區(qū)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。

本文研究了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的二線制現(xiàn)場總線，適用于消防、安防等特定場合。利用總線分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)了在兩根線上分別對能量和信息的傳輸，大大簡化了調(diào)制和接收電路?？偩€仲裁機(jī)制較好地解決了沖突問題。但是本系統(tǒng)還存在一些問題，如通信速率低和靈敏度調(diào)節(jié)繁瑣等，需要進(jìn)一步研究。

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