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（利爾達(dá)科技有限公司，浙江 杭州310011）

0 引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電力線載波通信這種便捷的方式也越來越受到人們關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于智能樓宇、家電、智能電網(wǎng)尤其是自動(dòng)抄表系統(tǒng)中。目前，國內(nèi)市場(chǎng)上所使用的電力線載波模塊都是基于國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議制作的，只能應(yīng)用在國內(nèi)市場(chǎng)中。為了推動(dòng)電力線載波抄表系統(tǒng)的全球通用化，西班牙等國聯(lián)合各大半導(dǎo)體廠家建立了PRIME聯(lián)盟，該聯(lián)盟全面地定義了電力線載波的物理層、MAC層、應(yīng)用層，為其制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并能為載波模塊提供聯(lián)盟認(rèn)證，方便市場(chǎng)的應(yīng)用和統(tǒng)一。當(dāng)前，國內(nèi)市場(chǎng)所采用的載波標(biāo)準(zhǔn)都沒有定義遠(yuǎn)程升級(jí)這一功能，而PRIME協(xié)議中規(guī)定載波模塊必須具有這一功能，為此，我們對(duì)基于PRIME協(xié)議的遠(yuǎn)程升級(jí)功能進(jìn)行了測(cè)試。

1 PRIME電力線載波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文首先設(shè)計(jì)一套基于PRIME的電力線載波系統(tǒng)。市場(chǎng)上方案很多，本文選擇使用TI方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。本方案包含有供電電路、調(diào)制解調(diào)電路、前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)濾波電路和信號(hào)耦合電路，接下來將對(duì)其中的主要部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 調(diào)制解調(diào)電路

本方案的調(diào)制解調(diào)部分使用TI專門為電力線載波應(yīng)用所設(shè)計(jì)的C2000系列芯片TMS320F28PLC83來完成。該芯片內(nèi)部包含有2個(gè)運(yùn)算內(nèi)核，最大工作頻率80MHz，適用于PRIME協(xié)議要求的97個(gè)子載波的OFDM調(diào)制方案，并支持BPSK、DBPSK、QPSK、DQPSK、8PSK 和D8PSK等6種調(diào)制方式。芯片支持Viterbi譯碼和CRC，內(nèi)嵌看門狗電路和6路高速且獨(dú)立的DMA電路，可以實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)器的快速直接存儲(chǔ)；其內(nèi)部擁有快速12位ADC采樣模塊，滿足較高的通信速率要求。芯片內(nèi)部有256kB Flash、100kB RAM，滿足PRIME程序需求。該芯片不僅能完成PRIME協(xié)議層的PHY到MAC，還能實(shí)現(xiàn)匯聚層的應(yīng)用和管理。

1.2 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

由于經(jīng)過調(diào)制解調(diào)芯片輸出的信號(hào)功率比較小，不能夠直接輸送到電網(wǎng)中，需要使用放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大。信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路我們使用TI專門為電力線載波設(shè)計(jì)的模擬前端放大芯片AFE031。該芯片滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50065－1的要求，支持CENELEC A、B、C、D頻段，支持 FSK、S－FSK、OFDM 調(diào)制方式，并且通過PRIME聯(lián)盟的認(rèn)證；有較大的輸出能力，在15V供電的基礎(chǔ)上最大輸出12Vpp和1.5A的信號(hào)，而在接收模式下只需消耗15mW的功率。內(nèi)部包含有可編程的Tx和Rx接收濾波電路和可編程的Tx和Rx增益控制電路，方便用戶對(duì)信號(hào)幅值和接收靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，芯片的最大接收靈敏度為20μV RMS。芯片通過4線制SPI接口和外部進(jìn)行連接，方便連接和控制。

1.3 信號(hào)濾波電路

信號(hào)經(jīng)過AFE031的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行放大后，需通過濾波電路將不需要的頻帶信號(hào)濾除掉。濾波電路分為發(fā)送濾波電路和接收濾波電路。在發(fā)送濾波部分，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部包含多級(jí)帶通濾波電路，最終出來的信號(hào)只需經(jīng)過一個(gè)耦合電容即可濾除信號(hào)中的直流分量。選擇的耦合電容需要具有較大的容值和較低的輸入阻抗，由于OFDM信號(hào)頻率在10～90kHz之間，我們一般選擇使用10μF電容，電容的額定電壓值應(yīng)該大于信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的供電電壓值。在接收濾波部分，載波信號(hào)經(jīng)過耦合電路后進(jìn)入濾波電路。接收濾波電路是由電阻、電容、電感組成的4級(jí)帶通濾波電路，該濾波電路的帶通響應(yīng)為f1（24kHz）～f2（105kHz）。發(fā)送和接收濾波電路的示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)送和接收濾波電路示意圖

1.4 信號(hào)耦合電路

信號(hào)耦合電路的作用主要有2個(gè)方面：一是將有用的信號(hào)發(fā)送到配電網(wǎng)絡(luò)；二是隔離220V／380V工頻電壓，保護(hù)低壓部分的電路，防止其被燒壞。信號(hào)耦合電路由耦合變壓器、高壓隔離電容、匹配電感組成，下面將對(duì)這3個(gè)元器件分別進(jìn)行說明。

耦合變壓器主要用于將微小信號(hào)無失真地傳輸?shù)诫娏€中，其基于電磁感應(yīng)耦合原理，將電力線導(dǎo)線作為副邊線圈，將高頻載波信號(hào)作為原邊線圈，通過一個(gè)高導(dǎo)磁率的磁芯或磁環(huán)，構(gòu)成一個(gè)信號(hào)傳輸變壓器。耦合變壓器的變比N1／N2是一個(gè)比較重要的參數(shù)，最佳變比能夠輸出最大的載波功率到電力線中，其可通過模塊所能提供的最大輸出電壓和輸出電流以及目標(biāo)阻抗計(jì)算出來，公式如下：

通常情況下，計(jì)算出來的變比并非整數(shù)值，如果選擇的變比大于理想值，則輸出受Vout＿peak的影響；如果選擇變比小于理想值，則輸出受Iout＿peak的影響。使用中我們選取模塊的供電電壓為15V，也 就 是Vout＿peak為6V，Iout＿peak為1.5A，Rload根 據(jù)PRIME協(xié)議規(guī)定，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的阻抗為2Ω，最終計(jì)算出來變比為1.4，根據(jù)實(shí)際需求我們選擇使用1.5變比的變壓器。

高壓隔離電容主要能阻止低頻市電信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，高壓隔離電容的耐壓值要大，容值可以通過一定的公式進(jìn)行計(jì)算。這里我們使用容值為470nF、額定電壓為275V的安規(guī)電容。在傳輸電路中，470nF電容在40kHz頻率時(shí)會(huì)有8.5Ω的電阻，按照標(biāo)準(zhǔn)要求我們需要驅(qū)動(dòng)2Ω的負(fù)載，為了有更好的驅(qū)動(dòng)性能，降低電容中消耗的阻抗，需要添加一個(gè)電感形成諧振，降低電路阻抗。此處我們選用15μH、3A的電感。

2 PRIME自動(dòng)升級(jí)測(cè)試

2.1 PRIME網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)說明

在PRIME協(xié)議所制定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)由Base Node和Service Node組成，其中Base Node為網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，Service Node為輔節(jié)點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，但是可以有很多個(gè)輔節(jié)點(diǎn)。Base Node作為網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中所有Service Node的管理，包括Service Node的注冊(cè)、自動(dòng)中繼、升級(jí)等。

2.2 自動(dòng)升級(jí)功能測(cè)試

實(shí)際測(cè)試過程中，我們使用了18個(gè)Service Node和1個(gè)Base Node，18個(gè)Service Node節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為1～18。為了使網(wǎng)絡(luò)能模擬出4級(jí)網(wǎng)絡(luò)路由深度，需要使用9個(gè)衰減器。使用了串行的連接方式連接1個(gè)Base Node和4個(gè)Service Node，然后連接2個(gè)衰減器，繼續(xù)連接4個(gè)Service Node，再連接2個(gè)衰減器，這樣延續(xù)下去，形成4級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，節(jié)點(diǎn)1～8屬于1級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)9～12屬于2級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)13～16屬于3級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)17和18屬于4級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成后，將進(jìn)行升級(jí)功能測(cè)試，升級(jí)功能分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)升級(jí)和群波升級(jí)，下面分別對(duì)這2種模式進(jìn)行測(cè)試。

2.2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)升級(jí)測(cè)試

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)升級(jí)由Base Node發(fā)起之后將進(jìn)入數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài)，這里我們測(cè)試Base Node對(duì)每一級(jí)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)和花去的時(shí)間（表1）。

表1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)升級(jí)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)和花去的時(shí)間

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)LEVEL1級(jí)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)所消耗的時(shí)間最少，傳輸過程中丟失的包也最少；但是傳輸總包數(shù)并沒有隨著級(jí)數(shù)的增加而增加，說明在存有中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)能很好地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笠患?jí)去，而消耗時(shí)間的增加說明傳輸路徑長度的增加消耗了一定的時(shí)間。

2.2.2 群波升級(jí)測(cè)試

接下來我們對(duì)所有的Service Node進(jìn)行群波升級(jí)，并測(cè)試了發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)和升級(jí)所需要的時(shí)間（表2）。

表2 群波升級(jí)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)和花去的時(shí)間

在群波升級(jí)的狀態(tài)下，由于節(jié)點(diǎn)較多，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所丟失的包數(shù)也不一樣，所以傳輸?shù)目偘鼣?shù)比較多，這樣消耗的時(shí)間也比較長。但總的來說，所有的節(jié)點(diǎn)都能在Base Node的管理下進(jìn)行成功升級(jí)。

3 結(jié)語

本文結(jié)合PRIME協(xié)議中要求的自動(dòng)升級(jí)功能，制作了一套基于PRIME的電力線載波系統(tǒng)，并對(duì)其升級(jí)功能進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。傳統(tǒng)的電力線傳輸協(xié)議并沒有遠(yuǎn)程升級(jí)這一功能，這樣不利于遠(yuǎn)程電表的協(xié)議升級(jí)，而現(xiàn)在PRIME協(xié)議中規(guī)定了這一功能。從測(cè)試結(jié)果來看，Base Node能夠?qū)γ恳患?jí)的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單波升級(jí)，也能夠?qū)λ心K進(jìn)行群波升級(jí)。1級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需要10～20min，2級(jí)網(wǎng)絡(luò)需要30～40min，3級(jí)網(wǎng)絡(luò)需要50～60min，4級(jí)網(wǎng)絡(luò)需要90～100min，而進(jìn)行全級(jí)網(wǎng)絡(luò)的群波升級(jí)則需要130min，從時(shí)間上來看，這個(gè)升級(jí)時(shí)間能夠滿足需求，而且升級(jí)過程由Base Node遠(yuǎn)程自動(dòng)完成，需要人為操作的比較少。傳統(tǒng)的載波傳輸協(xié)議沒有這一功能，如果需要進(jìn)行升級(jí)必須人為進(jìn)行更換；而PRIME協(xié)議的自動(dòng)升級(jí)功能能夠很好地解決這一問題。