楊　波,秦會斌,毛祥根,楊備備

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,杭州 310018)

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基于PL3106的室內(nèi)調(diào)光控制系統(tǒng)

楊波,秦會斌*,毛祥根,楊備備

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,杭州 310018)

摘要:針對室內(nèi)布線不方便以及噪聲干擾小的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于低壓電力線載波通信芯片PL3106的室內(nèi)調(diào)光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電力線為信息傳輸媒介,設(shè)計(jì)簡單,節(jié)約成本。其關(guān)鍵要解決的電網(wǎng)噪聲對通信的影響,從而延長通信距離。以PL3106為核心搭建了電力線載波通信的硬件電路,采用通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)一對多通信,從而由總控制器控制多個照明節(jié)點(diǎn)。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)在400 m內(nèi)通信穩(wěn)定,能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)照明調(diào)光,取得了良好效果。

關(guān)鍵詞:電力線載波通信;調(diào)光;PL3106;擴(kuò)頻調(diào)制

電力載波通信以電力線路為傳輸通道,具有通道可靠性高,投資少,見效快的特點(diǎn)。然而,低壓電力線不是專用的通信線路,因其有很多不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋锥?如干擾源[1]眾多、阻抗特性時變性大等。隨著先進(jìn)的抗干擾算法[2]、調(diào)制解調(diào)技術(shù)[3]的應(yīng)用,電力線載波通信在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角。PL3106是專為面向未來的開放式自動抄表,智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的單芯片片上系統(tǒng)它除了具有功能強(qiáng)大的處理器外,尤其在電力線載波通訊方面具有更大的優(yōu)勢,它的擴(kuò)頻通信單元具有更強(qiáng)的抗干擾能力。與傳統(tǒng)的室內(nèi)照明控制相比,基于電力線載波通信的智能調(diào)光控制系統(tǒng)具有更大的靈活性,比如所有照明燈可以通過一臺總控制器集中控制,可根據(jù)需要調(diào)節(jié)燈的亮度,節(jié)省能源。此外還可以很方便地添加各種功能,如定時、查詢等,以適應(yīng)照明需求。

1　系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)以電力線為通信信道,由總控制器和終端控制器組成通信系統(tǒng),PC機(jī)與總控制器通過串口進(jìn)行通信?？偪刂破骺呻S意放置在任何方便控制的房間內(nèi),每個終端控制一組燈具,根據(jù)需要一個房間內(nèi)可放置一個或多個終端控制器。調(diào)光控制系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示,PC機(jī)通過串口下發(fā)命令,通過MAX232轉(zhuǎn)換為TTL電平發(fā)送給PL3106,PL3106對數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻,擴(kuò)頻后的信號經(jīng)120kHz的載波頻率調(diào)制后輸出,依次通過功率放大電路、濾波電路、耦合電路發(fā)送到低壓電力線上。終端控制器通過接收電路接收到總控制器發(fā)送來的命令,經(jīng)內(nèi)嵌8051微處理器處理,輸出相應(yīng)占空比的PWM波,從而控制調(diào)光控制器的輸出電流,達(dá)到調(diào)光的目的。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

圖2　系統(tǒng)工作原理圖

2.2發(fā)送、接收電路以及耦合電路

發(fā)送、接收電路以及耦合電路如圖3所示。電力線載波通信所需的直序擴(kuò)頻調(diào)制電路已在PL3106芯片內(nèi)部集成化,因此設(shè)計(jì)者不需要關(guān)心載波的調(diào)制與解調(diào),只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的發(fā)送與接收電路即可。

圖3　發(fā)送、接收電路以及耦合電路原理圖

發(fā)送電路部分主要包括功率放大電路和濾波電路。載波功能被使能后,載波信號由P1.7引腳輸出,波形為0～5 V變化,頻率為120 kHz的方波,包含豐富的諧波。由Q1～Q4組成的互補(bǔ)推挽功率放大電路負(fù)責(zé)將PL3106芯片產(chǎn)生的載波調(diào)制信號進(jìn)行功率放大,其中D3和D4起鉗位作用,吸收電源尖峰干擾。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,發(fā)射電壓越高三極管的自身功耗越大,一般選擇發(fā)射電壓為16 V。為減少對電網(wǎng)的諧波污染,經(jīng)放大后的信號需要經(jīng)過電感L1和電容C3組成的帶通濾波器,以濾除諧波分量。D1和D2起保護(hù)電路的作用。

接收電路中,R3在接收本地強(qiáng)發(fā)射信號時可以有效吸收衰減。電容C4,C5和電感L2組成并聯(lián)諧振電路,其中心頻率為120 kHz,對接收到的信號有選頻作用。二極管D6、D7的作用是將接收信號的電位鉗制在±0.7 V。接收信號經(jīng)過電容C6后引入芯片內(nèi)部進(jìn)行混頻處理,SIGIN被內(nèi)部上拉后平移到(2.5±0.7)V,以利于后續(xù)處理。

耦合電路中,瞬態(tài)抑制二極管D7起保護(hù)作用,T1為耦合線圈,匝數(shù)比設(shè)置為19∶32,電容C7和電感L3對信號進(jìn)行二次濾波,以進(jìn)一步減少諧波分量。

2.3陶瓷濾波器電路

陶瓷濾波器電路如圖4所示。

圖4　陶瓷濾波器電路

并聯(lián)諧振后接收的載波信號經(jīng)SIGIN腳進(jìn)入芯片。由于陶瓷濾波器通頻帶只能在中頻附近,所以芯片內(nèi)部將接收到的120 kHz信號與內(nèi)部的600 kHz本振信號進(jìn)行混頻,得到480 kHz中頻帶寬的差頻信號。

混頻信號由FLTI腳輸入到陶瓷濾波器的輸入腳,陶瓷濾波器濾波后再送回芯片的FLTO腳進(jìn)行內(nèi)部限幅放大。然后由芯片內(nèi)的硬件解擴(kuò)電路進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的還原;數(shù)據(jù)解擴(kuò)完成后將數(shù)據(jù)位鎖存到P3.7腳,同時產(chǎn)生同步信號HEAD。

2.4調(diào)光控制器電路

調(diào)光控制器部分采用PT4115芯片,PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源,用于驅(qū)動一顆或多顆串聯(lián)LED。其驅(qū)動電流由輸入PWM占空比決定,3腳為PWM輸入引腳,接PL3106的PWM功能引腳。其典型應(yīng)用電路如圖5所示。

PT4115的調(diào)光原理:當(dāng)DIM引腳電壓低于0.3 V時關(guān)斷LED電流,高于2.5 V時開啟LED電流。通過PWM波控制電流導(dǎo)通與關(guān)斷的時間比,從而控制電流大小,電流的計(jì)算方法如下:

其中D為占空比。

圖5　調(diào)光控制器電路原理圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1通信配置

載波通信控制器采用幀同步方式的串行移位通信,半雙工方式,速率500 bit/s/250 bit/s可選;中心頻率為120 kHz,帶寬為±7.5 kHz。內(nèi)嵌的CPU使用外部中斷2(INT2)為同步收發(fā)中斷,載波通信配置流程(圖6)如下:

(1)使能INT2中斷(EX2=1),且為下降沿觸發(fā)方式(IT2=0);

(2)使能載波通信控制位PLM_SSC=1,INT2作為載波通信同步信號的中斷;

(3)載波收發(fā)控制位PLM_RS=1時,載波控制器處于發(fā)送狀態(tài),PLM_RS=0時,載波控制器處于接收狀態(tài);

(4)載波發(fā)送復(fù)位寄存器:用于避免載波通信模塊長時間處于發(fā)送狀態(tài),使整個通信系統(tǒng)處于失控狀態(tài)而設(shè)置;是一個13 bit計(jì)數(shù)器,發(fā)送狀態(tài)時,計(jì)數(shù)器遞減,遞減到0后,載波發(fā)送模式被強(qiáng)制返回接收態(tài);接收態(tài)時計(jì)數(shù)器停止工作。長時間發(fā)送數(shù)據(jù)時,需要向PLM_RST寄存器寫入“A2H”,寫入后計(jì)數(shù)器自動復(fù)位、保持發(fā)送。

3.2發(fā)送和接收軟件設(shè)計(jì)

圖7為載波發(fā)送過程框圖。用于載波通信的主叫方發(fā)出命令、或接收方的應(yīng)答。置為載波發(fā)送態(tài)時,載波通信控制單元發(fā)送完1 bit的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)后,自動產(chǎn)生一次中斷,允許下1 bit數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)捕獲和同步過程需要,首先發(fā)送至少40 bit的全“1”;然后按比特發(fā)送同步幀頭0X09、0XAF;之后根據(jù)用戶的有關(guān)通信協(xié)議按比特發(fā)送通信地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)體、校驗(yàn)等字節(jié)。數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成后,載波模塊即可轉(zhuǎn)入接收態(tài)。但為確保待發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一個比特發(fā)送成功,必須在發(fā)送完最后1 bit數(shù)據(jù)后等到下一次發(fā)送中斷到來后,才可以轉(zhuǎn)換載波發(fā)送態(tài)到接收態(tài)。

圖7　發(fā)送過程框圖

圖8　接收過程框圖

圖8為載波接受過程框圖。載波通信控制單元解擴(kuò)出1 bit數(shù)據(jù)后,產(chǎn)生一次中斷。接收時首先采用16 bit接收窗口、1 bit滑動方式來接收通信的同步幀頭0X09、0XAF,同步頭接收成功后,后續(xù)數(shù)據(jù)按每8 bit/byte的方式進(jìn)行截取,得到傳送的有效數(shù)據(jù),按有關(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行地址判別、長度接收、校驗(yàn)計(jì)算。地址相同的模塊對符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答,轉(zhuǎn)入發(fā)送態(tài)。

3.3通信協(xié)議幀

根據(jù)PL3106載波通信時序以及實(shí)際需求,設(shè)計(jì)如下通信協(xié)議幀:

同步字符同步幀頭數(shù)據(jù)接收端地址數(shù)據(jù)發(fā)送方地址命令字校驗(yàn)碼幀尾

協(xié)議幀說明:

(1)根據(jù)捕獲和同步過程需要,首先發(fā)送至少40 bit的全“1”,所以設(shè)計(jì)同步字符為連續(xù)6個0xff,占6 byte;然后按比特發(fā)送2 byte同步幀頭0x09,0xAF。

(2)數(shù)據(jù)接收方地址為1 byte,最大值為0xff。總控制器的地址為0x00,終端控制器的地址為0x01到0xfe,當(dāng)接收方地址為0xff時表示總控制器對所有終端控制器同時進(jìn)行控制;數(shù)據(jù)發(fā)送方地址也是1 byte,最大值為0xfe。

(3)命令字是指控制或應(yīng)答命令,占1 byte。本設(shè)計(jì)中命令字0至0x64是調(diào)光命令,0為關(guān)燈,0x64為開燈,其他的控制不同亮度。0xa0表示數(shù)據(jù)接收正確的應(yīng)答命令。

(4)校驗(yàn)方式為CRC16校驗(yàn),占2 byte,在命令字之后發(fā)送。

(5)幀尾占1 byte,以0xff表示一幀發(fā)送完畢。

3.4上位機(jī)設(shè)計(jì)

圖9　上位機(jī)調(diào)光界面

上位機(jī)調(diào)光界面如圖9所示,調(diào)光界面各功能模塊說明如下:

(1)設(shè)置參數(shù)欄設(shè)置串口通信的參數(shù)。PL3106與上位機(jī)之間通過串口通信,所以首先要配置串口通信參數(shù);

(2)調(diào)光欄選擇房間號即終端控制器地址以及設(shè)置指定調(diào)光值,當(dāng)選擇所有房間時,可對所有燈具同時進(jìn)行控制;

(3)定時開關(guān)欄可以設(shè)置定時開關(guān)燈的時間,也可取消定時;

(4)按下確定按鈕后才可使調(diào)光和定時開關(guān)設(shè)置生效。

4　測試結(jié)果及分析

本系統(tǒng)的測試在同一層實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)進(jìn)行,測試時分別選擇不同的距離進(jìn)行300次試驗(yàn)。測試參數(shù)如下:載波頻率為120 kHz;數(shù)據(jù)傳輸速率為500 bit/s;發(fā)送電壓VHH=16 V;主控制器1個,終端控制器數(shù)目為10個。測試結(jié)果如下:

表1　室內(nèi)調(diào)光控制系統(tǒng)測試結(jié)果

結(jié)果表明近距離測試時,均能準(zhǔn)確控制燈具的開關(guān)及調(diào)光,隨著距離的增加會出現(xiàn)小的通信誤差,造成這種誤差一方面是因?yàn)榫嚯x增大信號衰減致,另一方面是由于距離越大噪聲干擾越大,導(dǎo)致接收方分辨不出有效信號。

可通過以下方式增加通信距離:(1)使用參數(shù)誤差更小的元器件,尤其是濾波元件;(2)增大放放電壓VHH,增加發(fā)送功率,但同時會增加三極管自身功耗;(3)采用中繼傳輸技術(shù)可延長通信距離;(4)改進(jìn)校驗(yàn)方式降低誤碼率。

5　結(jié)束語

基于PL3106芯片的室內(nèi)調(diào)光控制系統(tǒng)在原有照明線路的基礎(chǔ)上,只需對照明開關(guān)設(shè)備做簡單改造升級,利用電力線載波通信便可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明調(diào)光控制。PL3106內(nèi)嵌8051內(nèi)核,電路設(shè)計(jì)簡單,軟件編程方便,其串口通信模塊與PC進(jìn)行通信可構(gòu)建范圍更廣的控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

[1]Andreadou N,Pavlidou F N.Modeling the Noise on the OFDM Power-Line Communications System[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):150-157.

[2]段恒煒,張?jiān)?低壓電力線載波通信中的抗干擾問題分析[J].黑龍江科技信息,2013(8):44.

[3]王芳,張士兵,王振朝,等.低壓電力線載波通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究[J].電視技術(shù),2010,34(5):69-72.

[4]張瑞紅.基于PL3105的低壓電力線載波通信硬件設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2004(12):123-124.

[5]殷明.基于電力線載波通信技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].世界電子元器件,2013(6):53-55.

[6]楊艷,牟穎瑩,侯靜,等.電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用分析[J].青海電力,2012,31(4):22-24,28.

[7]趙東亞,張建華.低壓電力線載波通訊技術(shù)在中國智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012(3):39-41.

[8]朱旭,唐顯錠,蔣紫東,等.基于電力線載波通信技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報,2012,23(2):66-70.

[9]曾萍,黃梓瑜,李仕彥,等.低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012,2(12):56-58.

[10]戚佳金,劉曉勝,吳迪,等.低壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法研究[J].電子器件,2008,31(3):1033-1038.

[11]張曉威,秦會斌.一種DALI調(diào)光控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件,2010,33(5):545-549.

[12]王棟,吳建興.一種新型降壓模式LED驅(qū)動電路系統(tǒng)[J].電子器件,2012,35(6):760-763.

[13]Hao Lin,Siohan P.Capacity Analysis for Indoor PLC Using Different Multi-Carrier Modulation Schemes[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):113-124.

[14]Konate C,Kosonen A,Ahola J,et al.Power Line Communication in Motor Cables of Inverter-Fed Electric Drives[J].IEEE Transac-tions on Power Delivery,2010,25(1):125-131.

楊波(1988-)男,湖南湘西人,研究方向?yàn)樾滦碗娮悠骷c應(yīng)用,yb88929@163.com;

秦會斌(1961-),男,教授,主要從事新型電子器件及ASIC設(shè)計(jì)、現(xiàn)代傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用方向的研究,qhb@hdu.edu.cn。

AControlSystemofIndoorDimmerBasedonPL3106

YANGBo,QINHuibin*,MAOXianggen,YANGBeibei

(College of Electronic Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:A indoor dimming control system based on PL3106 which is a low-voltage power line carrier communi-cation chip is designed for the character of inconvenience of indoor wiring and small noise.The system uses power line as transmission media,it can be easily designed and reduce the cost.The key of this design is to solve the effect of grid noise on communication,thus extending the communication distance.Taking PL3106 as the core hardware circuit of power line carrier communication,it can realize point to multipoint communication using the communication protocol,so that a plurality of lighting node can be controlled by the master controller.The test results show that,the system communication is stable in the 400 meters,it can accurately achieve dimming,and achieved good results.

Key words:power line carriercommunication;dimming;PL3106;spread spectrum modulation

通信地址載波通信為總線方式通信所以載波模塊的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)、不同的載波模塊必須分配不同的。模塊接收到校驗(yàn)正確的命令后,只有地址相同的模塊才允許按規(guī)約進(jìn)行應(yīng)答。

doi:EEACC:8500;853010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.022

中圖分類號:TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0679-05

收稿日期:2013-08-29修改日期:2013-09-12