陳 默，劉書剛，黃世龍

(華北電力大學(xué)，保定071003)

1 引言

教學(xué)活動(dòng)中，使用多媒體輔助教學(xué)日益普及，提高了教學(xué)效果，使學(xué)生更宜于接受課堂內(nèi)容。目前，對(duì)多媒體的管理多采用人工方式，教師需提前辦理手續(xù)后方可使用，且目前機(jī)柜狀態(tài)是否正常，不為管理者所知。為此，設(shè)計(jì)了基于電力線載波通信的控制系統(tǒng)，具有成本低、維護(hù)使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

2 PL2102的主要特點(diǎn)及工作原理

2.1 PL2102的主要特點(diǎn)

PL2102是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。它僅由單一的+5V電源供電，以及一個(gè)外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置了五種常用的功能電路:可數(shù)字頻率校正的時(shí)鐘電路，32Bytes SRAM，電壓監(jiān)測(cè)，看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口與外部微處理器相聯(lián)，其中實(shí)時(shí)鐘與32Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續(xù)保持工作。PL2102是特別針對(duì)中國(guó)電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，并采用大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.35μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能價(jià)格比等方面有著出眾的表現(xiàn)。圖1表示的是PL2102的引腳排列，各引腳功能如表1所示。

圖1 PL2102引腳排列

表1 PL2102(SOP24)的引腳功能

2.2 通信原理

低頻電力線載波通信如圖2所示，PL2102需用一個(gè)外部端口同電力線耦合。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PL2102對(duì)單片機(jī)送來(lái)的傳輸速率為4.8kHz的數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，從15腳輸出中心頻率為120kHz、帶寬為15kHz的已調(diào)信號(hào)。經(jīng)三態(tài)功率放大器進(jìn)一步放大后，耦合進(jìn)入電網(wǎng)。發(fā)射回路中電容C5電感L2用于調(diào)整發(fā)射電流和波形，減小C5和增大L2將減小發(fā)射電流和改善波形，反之，增大C5和減小L2將增大發(fā)射電流和波形失真，4個(gè)晶體管逐級(jí)放大，4個(gè)二極管起保護(hù)作用。發(fā)射電壓VHH影響發(fā)射功率的大小，隨著發(fā)射電壓的下降，發(fā)射功率也下降，一般發(fā)射電壓選10V～18V。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過選頻電路從20腳送入PL2102芯片，在PL2102內(nèi)部進(jìn)行解擴(kuò)處理變?yōu)樵紨?shù)據(jù)，然后從8腳輸出，進(jìn)入單片機(jī)。接收回路中D1主要用于箝位，以防止過大的浪涌電流，C2、C3和L1并聯(lián)諧振工作在f=120kHz，具有對(duì)120kHz選頻作用，以對(duì)輸入的微小信號(hào)進(jìn)行放大，從而提高接收輸出靈敏度。

工作時(shí)，發(fā)信回路的三態(tài)功率放大器和收信支路的前置功率放大器將由PL2102的第7腳(收發(fā)控制)進(jìn)行控制。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PL2102芯片7腳輸出低電平，三態(tài)功放被打開，同時(shí)前置收信功放被關(guān)閉，防止功率倒灌，減少干擾。同理，收信時(shí)7腳輸出高電平，三態(tài)功放被關(guān)閉，前置收信功放被打開。

3 用PL2102實(shí)現(xiàn)的教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

基于電力線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 低頻電力線載波通信原理圖

圖3 基于電力線的教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在電力線上分布著一臺(tái)主控制器和多臺(tái)從控制器，主控制器位于值班室，采用半雙工方式與從控制器通信，并采用串口方式與PC機(jī)通信。

3.2 主控制器結(jié)構(gòu)

主控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由AT89C52單片機(jī)、PL2102、MAX232及耦合電路等組成，單片機(jī)控制PL2102的工作狀態(tài)，單片機(jī)通過MAX232與PC機(jī)通信。PC機(jī)通過監(jiān)控軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，發(fā)布各種命令，接收、存儲(chǔ)信息，完成對(duì)教學(xué)設(shè)備的監(jiān)控。

圖4 主控制器結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 從控制器結(jié)構(gòu)

從控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，以單片機(jī)AT89C52為核心，接收鍵盤輸入的教師號(hào)及密碼，將信息組裝成幀發(fā)送至主控制器，并接收主控制器發(fā)來(lái)的命令，識(shí)別身份，執(zhí)行命令控制繼電器打開機(jī)柜并回傳信息。

圖5 從控制器結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 系統(tǒng)工作流程

PC機(jī)監(jiān)控軟件發(fā)出各種命令，以幀為單位進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，每幀應(yīng)包含源地址、目的地址、控制字、校驗(yàn)碼等信息，通過串口發(fā)給主控制器?？刂破髦g以組網(wǎng)方式運(yùn)行，采用令牌協(xié)議，令牌在系統(tǒng)內(nèi)快速傳遞，獲得令牌的從控制器擁有主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)，無(wú)令牌的從控制器處于接收狀態(tài)，只有在被詢問的情況下才能發(fā)送數(shù)據(jù)。主控制器每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，就延時(shí)一段時(shí)間，若沒有收到從控制器應(yīng)答，則再發(fā)送同一數(shù)據(jù)，最多重復(fù)三次，如仍未有應(yīng)答，則認(rèn)為通信失敗，終止這一數(shù)據(jù)，執(zhí)行其它操作。圖6和圖7分別為主從控制器工作的程序流程圖。

圖6 主控制器程序流程圖

圖7 從控制器程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于PL2102實(shí)現(xiàn)的教學(xué)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，采用了擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出信號(hào)諧波成分少;考慮到造成誤碼的因素，一方面?zhèn)鬏斔俣炔灰颂?，小?0Kbit/s為合適;另一方面，傳輸距離與通訊成功率有關(guān)，較長(zhǎng)距離的傳輸可引起阻抗不匹配，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，在300米范圍內(nèi)，選定傳輸速度為4.8Kbit/s，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

［1］ 封錦，榮相.電力線載波通信技術(shù)在井下電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工礦自動(dòng)化，2008(3):104-106.

［2］ 張海濤，聶詩(shī)良.電力線載波通信的誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)，2010(6):48-51.

［3］ 周永勤，李景南.基于PL2100模塊的電力線擴(kuò)頻載波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(8):92-94.

［4］ PL2102數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.北京福星曉程電子科技股份有限公司.

［5］ 仲元昌，楊潔，曾孝平.低壓電力線的信道特性［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25(9):29-31.