電力線通信技術(shù)應(yīng)用時(shí)需要注意的問題

　　電力線通信已經(jīng)存在了很長時(shí)間，我們大多數(shù)人第一次接觸到這項(xiàng)技術(shù)，它早期用于家庭自動(dòng)化和電器的遠(yuǎn)程控制。它使用交流電源線作為電源和通信介質(zhì)。

　　最初以現(xiàn)在稱為 X10 協(xié)議的形式向公眾介紹，使用相同電線進(jìn)行通信的好處已廣為人知，電力公司以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式音頻流都使用該技術(shù)的擴(kuò)展建筑物內(nèi)。

　　本文著眼于電力線通信技術(shù)以及工程師可以用來實(shí)現(xiàn)它的設(shè)備。它檢查了一些歷史和流行協(xié)議及其優(yōu)點(diǎn)和局限性，并討論了在確定電力線通信是否適合您的應(yīng)用時(shí)需要注意的問題。

　　它從何而來

　　電力公司很早就發(fā)現(xiàn)，除了通過廣泛的電纜、開關(guān)、變壓器和斷路器網(wǎng)絡(luò)提供原始高壓交流電外，他們還需要一種通信方式。在 1920 年代和 1930 年代，人們不像今天那樣依賴電力，因此當(dāng)停電時(shí)，通常需要數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間才能派出工作人員來查找和修復(fù)電力故障，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

　　對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集的最基本需求推動(dòng)了早期系統(tǒng)的發(fā)展。最簡單的實(shí)現(xiàn)使用窄帶 15 至 500 KHz 載波進(jìn)行基本的開/關(guān)鍵控，以便在高壓電力線上進(jìn)行長距離遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測量。這些低頻射頻信號(hào)以相對(duì)較低的幅度進(jìn)行電容耦合（與交流電源的千伏級(jí)別相比），并且不會(huì)干擾早期電器中使用的 60 Hz 電源和定時(shí)信號(hào)。（例如，在晶體出現(xiàn)之前，早期的時(shí)鐘會(huì)從 60 Hz 電源線獲得時(shí)間參考，而高頻不會(huì)通過將高壓電壓轉(zhuǎn)換為當(dāng)今使用的標(biāo)準(zhǔn) 120 伏特的變壓器）。

　　現(xiàn)代發(fā)電站、變電站、遠(yuǎn)程開關(guān)、變壓器甚至斷路器都具有內(nèi)置通信功能，因此可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換、重新配置、故障檢測和調(diào)解。在向主監(jiān)控站發(fā)出故障信號(hào)之前，斷路器可以自動(dòng)重試幾次。如果原因是暫時(shí)的短路或浪涌，則無需人工干預(yù)或撥打服務(wù)電話即可恢復(fù)供電。

　　使用現(xiàn)代電話、微波、光纖、蜂窩和基于互聯(lián)網(wǎng)的遙測和控制的更高帶寬正在取代舊的電力線調(diào)制器，用于發(fā)電機(jī)和開關(guān)站之間的鏈路。然而，公用事業(yè)公司使用電力線通信作為讀取最新一代電表的一種方式的興趣正在增長，并且正在制定標(biāo)準(zhǔn)。此外，這項(xiàng)技術(shù)仍然適用于具有自動(dòng)化和能源管理功能的家庭和建筑物的部署。

　　易于實(shí)施

　　最初的 X10 協(xié)議仍然非常有用，并且為新設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。它已成為家庭自動(dòng)化的國際開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?；诙嗳哂唷⒌蛶挕⒄嬲パa(bǔ)的信號(hào)，大量 X10 模塊和控制器已經(jīng)并且今天仍然可用于家庭、公寓和商業(yè)建筑。

　　這個(gè)龐大的安裝基礎(chǔ)在兩個(gè)方面是有益的。如果您設(shè)計(jì)一個(gè)傳輸控制器，您可以與許多不同的終端設(shè)備進(jìn)行互操作。此外，終端設(shè)備已通過認(rèn)證并獲得機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)。這可以節(jié)省時(shí)間、成本，并避免讓您重新發(fā)明輪子。

　　請(qǐng)注意，X10 對(duì)于控制密集型而不是數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序很有用。由于數(shù)據(jù)速率很慢（低于 30 波特），因此這不是數(shù)據(jù)文件、音頻、視頻或 Internet 的可用標(biāo)準(zhǔn)。

　　但是，X10 在開關(guān)燈和電器的電源以及白熾燈調(diào)光方面非常有用。隨著對(duì)降低能源使用和能源管理的持續(xù)重視，支持雙向通信和多發(fā)射器系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)的增加為現(xiàn)代應(yīng)用打開了大門，例如警報(bào)器、恒溫器、安全攝像頭平臺(tái)控制器、電動(dòng)百葉窗和電磁控制的加熱器/冷卻器通風(fēng)。

　　幾乎任何沒有高端 DSP 功能的低成本微控制器都可以驅(qū)動(dòng) X10 協(xié)議。它使用相對(duì)較慢的 120 kHz 載波頻率，可以通過低成本 MCU 上的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器或 PWM 輕松合成。

　　邏輯 1 由 120 kHz 載波在零交叉點(diǎn)處的單個(gè)毫秒突發(fā)表示。邏輯 0 表示零點(diǎn)處沒有載波（參見圖 1）。載波應(yīng)該在交流零交叉點(diǎn)的 200 微秒內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，選擇該點(diǎn)是因?yàn)閺男旁氡鹊慕嵌葋砜?，它是“最安靜”的點(diǎn)。

　　圖 1：在電源線過零的 200 微秒內(nèi)出現(xiàn) 120 kHz 載波的 1 毫秒突發(fā)表示邏輯 1。沒有載波表示邏輯 0。

　　任何控制/狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)必要功能是可尋址性，單、兩相或三相電源線上最多可連接 256 個(gè)設(shè)備。這被分解為“房屋代碼”（AP）和“單元代碼”（1-16），以使典型的房主更容易理解和分配地址。

　　房屋代碼使用 4 位二進(jìn)制值（見表 1），而單元代碼與命令共享 5 位地址空間（見表 2）。一個(gè)數(shù)據(jù)塊中的 11 位由 2 位起始碼、4 位房屋碼和 5 位單元碼（或命令碼）組成。

　　表 1：4 位 House 代碼分配（由 X10 提供）。

　　表 2：單元代碼和命令共享一個(gè) 5 位二進(jìn)制代碼（由 X10 提供）。

　　每個(gè)位后面都有其補(bǔ)碼位（參見圖 2），因此每個(gè)位都被傳輸兩次。每個(gè)塊也被傳輸兩次，其中三個(gè)電力線周期將傳輸分開（BRIGHT 和 DIM 命令除外）。

　　圖 2：House 代碼和 Unit 代碼的每一位都在下面的零交叉處跟隨一個(gè)真正的補(bǔ)碼表示。這種冗余有助于防止基于噪聲的錯(cuò)誤觸發(fā)和代碼（由 x10 提供）。

　　作為一種通信協(xié)議，它非常簡單，甚至可以輕松編碼到小型 8 位微控制器中，從而實(shí)現(xiàn)與廣泛部署的標(biāo)準(zhǔn)的低成本即插即用兼容性。外部電路也是最小的。所需要的只是一個(gè)過零檢測器（晶體管）和一個(gè)高壓耦合級(jí)（通常是聚苯乙烯電容器），您就可以上網(wǎng)了。

　　滾動(dòng)你自己的非標(biāo)準(zhǔn)

　　存在幾種允許對(duì)作為通信介質(zhì)的電力線進(jìn)行通用訪問的 IC。這些外設(shè)式調(diào)制器/解調(diào)器芯片不僅允許您實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，還可以設(shè)計(jì)您自己的專有協(xié)議。

　　以NXP Semiconductors 的 TDA5051AT/C1電源線調(diào)制解調(diào)器 IC 為例。它是一種調(diào)制解調(diào)器外圍芯片，使用幅移鍵控在家庭 120 或 240 VAC 家庭布線上實(shí)現(xiàn) 600 或 1200 波特的數(shù)據(jù)速率。

　　小型 16 引腳 SOIC 可以輕松嵌入到小型插座尺寸設(shè)計(jì)中，并且 5 伏操作使其與許多低成本傳統(tǒng)處理器兼容。主機(jī)微控制器的主時(shí)鐘或外部晶體均可用于生成精確的時(shí)基，該時(shí)基使用以 132.5 kHz 為中心的整形信號(hào)頻譜，在 1500 Hz 間隔時(shí)變化為 20 dB（參見圖 3）。

　　圖 3：NXP Semiconductors 部件使用整形頻譜模式來調(diào)制以 132.5 kHz 為中心的數(shù)據(jù)（由 NXP Semiconductors 提供）。

　　該芯片使用 LC 網(wǎng)絡(luò)耦合到電力線網(wǎng)絡(luò)，適用于隔離或非隔離應(yīng)用；它包含可以將 120 dBμV RMS 推入 30 歐姆負(fù)載的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器。它用作狀態(tài)機(jī)，內(nèi)部 AGC 為接收和解碼提供 A/D，為傳輸電平提供 D/A 轉(zhuǎn)換器。它由內(nèi)部控制邏輯驅(qū)動(dòng)（參見圖 4）。掉電引腳允許休眠模式以節(jié)省電力。NXP Semiconductors的培訓(xùn)模塊可在 Digi-Key 的網(wǎng)站上獲得，并提供了對(duì) TDA5051 的良好概述。

　　圖 4：作為狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)的外設(shè)，TDA5051 幾乎可以連接到任何微控制器的串行發(fā)送和接收比特流（由 NXP Semiconductors 提供）。

　　Cypress Semiconductor 還提供有趣的單芯片、5 伏電力線通信收發(fā)器外圍芯片。根據(jù)賽普拉斯的說法， CY8CPLC10-28PVXI實(shí)現(xiàn)了可靠的 2400 bps 傳輸速率。包含的 PHY 和協(xié)議棧是片上的；作為外圍設(shè)備，它通過 I2C 總線與主機(jī)處理器通信。它使用 FSK 作為調(diào)制方案，并且有一些參考設(shè)計(jì)使該部件能夠通過 120、240、12 和 24 VAC 電源線傳輸數(shù)據(jù)。它還可以傳輸跨越直流電平的信號(hào)（參見圖 5）。

　　圖 5：作為獨(dú)立外設(shè) Cypress Semiconductor 的 CY8CPLC10 通過 I2C 與本地微控制器通信，完全免除了主機(jī)的任何電力線協(xié)議責(zé)任（Courtesy of Cypress Semiconductor）。

　　另一款電力線調(diào)制解調(diào)器來自Maxim的單芯片MAX2990ECB+. 這部分有點(diǎn)復(fù)雜，它基于正交頻分復(fù)用 （OFDM） 類型的調(diào)制和解調(diào)方案。與 NXP 部分一樣，它以半雙工方式進(jìn)行通信，但與其他部分的 600 和 1200 波特?cái)?shù)據(jù)速率不同，該部分可達(dá)到每秒 100 kbits。該芯片被吹捧為具有集成物理和媒體訪問控制層（MAC 和 PHY）的 SoC，還包括一個(gè)內(nèi)部 16 位 RISC 微控制器，具有 32K 閃存和 8K RAM，利用內(nèi)部共享的 4K 雙端口 RAM 塊MCU 和 PHY（參見圖 6）。

　　圖 6：Maxim MAX2990 使用雙端口存儲(chǔ)器架構(gòu)和嵌入式微控制器內(nèi)核，與緩沖管理調(diào)制解調(diào)器共享緩沖存儲(chǔ)器。CRC 錯(cuò)誤檢測和加密由調(diào)制解調(diào)器處理（由 Maxim 提供）。

　　MAX2990內(nèi)部包括一個(gè)前向糾錯(cuò)單元和一個(gè)基于硬件的快速加密和解密單元，分別有助于在不斷變化的條件和安全性下恢復(fù)數(shù)據(jù)。載波檢測多路訪問/沖突避免方案用于仲裁通道訪問，并且提供 SPI、UART 和 I2C 端口以及通用 I/O。

　　在核心

　　使用標(biāo)準(zhǔn)化微控制器內(nèi)核的一個(gè)優(yōu)勢是擁有經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員、編碼人員和工具的社區(qū)；基于 8051 內(nèi)核的 Atmel SoC 就是一個(gè)典型的例子。ATPL210A-A1U-Y 包括增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核，其速度性能是傳統(tǒng)每周期 12 個(gè)時(shí)鐘部件的五倍。它還包括一個(gè)用于 50 和 60 Hz 電源的電力線載波調(diào)制解調(diào)器，基于差分 BPSK、QPSK 和 8-PSK 類型的調(diào)制，具有高達(dá) 128，600 比特/秒的令人印象深刻的數(shù)據(jù)速率。

　　這不是你爸爸的 8051。這個(gè) 120 引腳 SoC 包括一個(gè) MAC 協(xié)處理器，用于卸載主 CPU 和 32Kx8 片上 SRAM，映射為代碼和 I/O 空間（參見圖 7）。

　　圖 7：嵌入式 8051 增強(qiáng)型內(nèi)核與片上存儲(chǔ)器和高級(jí)外設(shè)相結(jié)合，創(chuàng)建一個(gè) SoC，該 SoC 自動(dòng)將串行閃存或 EEPROM 中的程序存儲(chǔ)器緩存到其雙重功能（代碼空間和數(shù)據(jù)空間）存儲(chǔ)器中。那里還有一個(gè)高性能 OFDM 電力線調(diào)制解調(diào)器（由 Atmel 提供）。

　　通過 JTAG 提供調(diào)試入口，該器件可以從串行閃存自動(dòng)引導(dǎo)加載到 SRAM。嵌入式 DMA、128 位 AES、UART、SPI、I2C、可編程看門狗和通用 I/O 都可用于基于非電力線的通信過程。這部分可以用作獨(dú)立的電力線收發(fā)器。

　　發(fā)展動(dòng)力

　　除了制造專用的電力線調(diào)制外設(shè)和 SoC，一些 IC 制造商還在其開發(fā)環(huán)境中支持電力線調(diào)制數(shù)據(jù)傳輸。Cypress Semiconductor 的 CY8CPLC10-28PVXI（前面討論過）的CY3273開發(fā)套件演示了使用較低電壓 （12 V/24 V） 交流和直流電源線的電源線通信。您也可以將這些部件用于 120 和 240 VAC 設(shè)計(jì)。NXP Semiconductors 還通過OM13313，598電源線調(diào)制解調(diào)器演示板

　　支持其 TDA5051AT/C1 。NXP 還提供應(yīng)用說明和參考設(shè)計(jì)。 另一個(gè)來自意法半導(dǎo)體的例子是EVALST7590-2

　　評(píng)估套件，以支持其基于窄帶 OFDM 調(diào)制的 ST7590T STarGRID? 電力線調(diào)制解調(diào)器技術(shù)。符合 PRIME 標(biāo)準(zhǔn)的 PHY 具有 96 個(gè)用于 BDPSK、QDPSK 和 8-DPSK 子調(diào)制的子載波，可以在基于 72 kHz 載波的 CENELEC A 頻段中運(yùn)行，比特率高達(dá)每秒 128 kbits。

　　作為預(yù)防措施，電源線接口電子設(shè)備被包裹在絕緣有機(jī)玻璃外殼中，并使用帶狀連接方案來安全地驅(qū)動(dòng)和控制調(diào)制器（參見圖 8）。

　　圖 8：STMicroelectronics EVALST7590 開發(fā)板以高壓電源線作為通信介質(zhì)，采用有機(jī)玻璃保護(hù)罩（由 STMicroelectronics 提供）。

　　Microchip 的開發(fā)環(huán)境支持與用于 Microchip Explorer 16開發(fā)板的AC164145和AC164142子板進(jìn)行電源線調(diào)制通信。這些插件板使用由充當(dāng)軟件定義調(diào)制解調(diào)器的dsPICTM33F數(shù)字信號(hào)控制器驅(qū)動(dòng)的模擬前端提供每秒 7.2 kbits 的數(shù)據(jù)鏈路。

　　此應(yīng)用針對(duì)以每秒 6 kbits 運(yùn)行的 BPSK 公用事業(yè)頻段，用于自動(dòng)抄表 （AMR） 應(yīng)用、能耗監(jiān)控以及單個(gè)設(shè)備訪問和控制。作為預(yù)防措施，絕緣良好的高壓適配器電纜將其連接到電源線。

　　DSP 為核心

　　高端網(wǎng)絡(luò)、音頻流和電力線視頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)難度要大得多。在這些情況下，DSP 處理和算法使用高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)甚至糾錯(cuò)。德州儀器 （Texas Instruments） 是一家在 DSP 方面根深蒂固的公司。他們提供支持電力線通信的芯片和開發(fā)套件。

　　Texas Instruments 的 TMDSPLCMODA-P3X實(shí)際上是一個(gè)套件插件，支持他們的Piccolo? 系列32 位 DSP 處理器。它使用 USB 或串行端口與專為高級(jí) LED 照明設(shè)計(jì)的照明控制電源進(jìn)行通信。

　　德州儀器還擁有用于 Piccolo 系列的TMDSSOLARPEXPKIT太陽能資源管理器套件，該套件針對(duì)太陽能電池板和并網(wǎng)微型逆變器設(shè)計(jì)。現(xiàn)代太陽能電池板可以通過電力線進(jìn)行通信，以讀取每個(gè)電池的能量并從遠(yuǎn)程位置驗(yàn)證操作。TMS320F28035處理器用于上述兩個(gè) TI 開發(fā)套件。

　　疑慮和問題

　　在規(guī)劃基于電力線的通信方案時(shí)要注意的一個(gè)問題是處理多個(gè)階段。大多數(shù)住宅都有 120/240 VAC 服務(wù)，它使用兩條彼此 180 度異相的 120 VAC 線路。三相系統(tǒng)也很常見，將 120 VAC 相位分隔 120 度。在所有情況下，當(dāng)發(fā)射器處于一個(gè)相位而接收數(shù)據(jù)的設(shè)備處于另一個(gè)相位時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題——信號(hào)可能無法通過。雖然相位之間的電容耦合可以通過調(diào)制信號(hào)，但它并不可靠。唯一可靠的方法是配備相位中繼器或?yàn)槊總€(gè)相位配備一個(gè)發(fā)射器。

　　另一個(gè)問題和擔(dān)憂是，為了有用和可靠，需要雙向通信。在需要遵守峰值需求負(fù)載要求的能源管理系統(tǒng)中，如果您發(fā)送命令關(guān)閉某些設(shè)備，則最好得到確認(rèn)作為回報(bào)。碰撞檢測和避免方案在此發(fā)揮作用，以保持可靠的通信。

　　另一個(gè)可能的擔(dān)憂是，非常嘈雜的設(shè)備（如舊攪拌機(jī)和有刷電機(jī)）會(huì)在交流線路上產(chǎn)生如此多的噪音，以至于信號(hào)難以恢復(fù)。良好的過濾可以幫助多個(gè)載波頻率，但這是一個(gè)問題。

　　從設(shè)計(jì)的角度來看，電源線阻抗的變化可能會(huì)嚴(yán)重破壞向線路傳輸傳輸功率。每次打開或關(guān)閉某物或改變其操作模式時(shí)，電源線特性都會(huì)發(fā)生變化。即使是鄰居的電器也會(huì)干擾。

　　結(jié)論

　　電力線在舊結(jié)構(gòu)中很容易獲得，并且很可能也會(huì)出現(xiàn)在新結(jié)構(gòu)中（除非我們，作為一個(gè)社會(huì)有一個(gè)“來到特斯拉”的時(shí)刻）。因此，消耗電力的設(shè)備也可以無線通信，因?yàn)椴恍枰碌碾娋€。

　　電力線通信有它的顧慮和缺點(diǎn)，但它已被證明是一種相對(duì)可靠和有效的通信方式。它非常適合用于需要更節(jié)能的下一代電器和設(shè)備。