直流電力線通信方案

該項目描述了一種使用直流電源線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方法，同時不間斷地提供電力。這是通過 RLC 耦合電路以及提供調(diào)制 (TX) 和解調(diào) (RX) 的可編程混合信號 GreenPAK? IC 來實現(xiàn)的。

發(fā)送/接收操作

該電力線上的通信信號是經(jīng)過開關(guān)鍵 (OOK) 調(diào)制的。GreenPAK IC 使用電路內(nèi)部生成的 62kHz 載波對 UART 數(shù)字信號執(zhí)行 OOK 調(diào)制/解調(diào)。圖1顯示了A端和B端之間的UART通信。TXD_和RXD_是每一端系統(tǒng)MCU看到的數(shù)字UART信號；PL_TX/RX 是耦合到/來自電源線的信號。

圖 1：操作時序圖

電路分析

RLC 耦合電路如圖7 所示。分析與非理想（上升沿等于10ns）階躍信號下的電路有關(guān)。非理想階躍信號的s域模型可以通過時域表達(dá)式的拉普拉斯變換得到。

電路的s域模型是通過用其s域模型替換電路元件得到的，并簡化得到的表達(dá)式(a>b>c>d)。這個過程如圖2所示。R1代表GPIO的輸出阻抗。

圖 2：s 域中的 RLC 電路簡化

將電路的模態(tài)與輸入信號相乘，得到s域的響應(yīng)函數(shù)：

時域響應(yīng)可以通過對函數(shù)進(jìn)行拉普拉斯逆變換得到：

響應(yīng)曲線如圖3所示。PL_TX的上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為脈沖。圖 4 總結(jié)了電路的影響。為了防止 PL_RX 引腳接收到負(fù)電壓，RC-R 電路將脈沖直流偏置到 VDD/2。

圖 3：RLC 電路響應(yīng)

圖 4：電路時序圖

GreenPAK 設(shè)計

該SLG46108V在免費(fèi)的開發(fā)GreenPAK Designer軟件在圖5所示（設(shè)計文件可在網(wǎng)上點擊這里）。

圖 5：SLG46108 GreenPAK 設(shè)計

Pin7（UART_TX）用于接收串口信號。調(diào)制后通過Pin8（PL_TX/RX）發(fā)送到電源線。Pin7（UART_TX）設(shè)置為數(shù)字輸入，不帶上拉電阻的施密特觸發(fā)器。

從 PL_TX/RX 接收到的信號經(jīng)過解調(diào)輸出到 Pin6（UART_RX），Pin6 設(shè)置為數(shù)字輸出推挽。

Pin8 (PL_TX/RX) 配置為數(shù)字輸入/輸出。Pin7（UART_TX）為低電平時，PL_TX/RX 為輸出模式，否則為輸入模式。

此設(shè)計是針對 9600bps 的波特率，因此載波頻率需要大于 48kHz。我們將 OSC 電源模式配置為強(qiáng)制開機(jī)，OSC 頻率為 2Mhz/8，輸出 0 秒除以 4 以獲得 62.6kHz 載波。

如圖1所示，當(dāng)UART_TX為低電平時，PL_TX/RX輸出載波。當(dāng)UART_TX 為高電平時，PL_TX/RX 處于高阻輸入狀態(tài)。

當(dāng)PL_TX/RX停止輸出載波并被RC-R電路重新偏置到VDD/2后，我們就可以開始對PL_TX/RX輸入的信號進(jìn)行解調(diào)。重新偏置到 VDD/2 所需的時間可以通過示波器測量。我們將 DLY3 設(shè)置為大于測量時間的上升沿延遲 24us，當(dāng) DLY3 輸入為低時，2 位 LUT3 設(shè)置為高。

如圖 6 所示，PL_TX/RX 接收來自電源線的信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，然后通過 DLY1（上升沿延遲 16us）進(jìn)行解調(diào)。為了保證解調(diào)后的低電平時間與調(diào)制前的低電平時間相同，將解調(diào)信號延遲DLY0（下降沿延遲16us）。

由于 PL_TX/RX 的偏置電壓為 VDD/2，當(dāng) PL_TX/RX 處于數(shù)字輸入模式時，器件將消耗大約 70uA 的額外電流。

圖 6：解調(diào)

圖 7 顯示了帶有 SLG46108 插座的 PCB 上的電源線接口示意圖。圖 8 顯示了 PCB 及其原型的圖片。兩個 IC 插座將直接插入 2×10 母插座，如圖 9 所示。

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圖 7：PCB 原理圖

圖 8：帶有原型的 PCB

該板使用兩個 Arduino 板進(jìn)行測試，如圖 9 所示，Arduino A 由 USB 供電，Arduino B 由電源線供電。圖 10 顯示了測試中使用的 Arduino 編程。Arduino A 每 10 毫秒發(fā)送一個字符“A”，Arduino B 返回接收到的字符。圖 11 顯示了在測試中獲得的波形。圖 12 顯示了 PLA_TX/RX 發(fā)送的信號的詳細(xì)信息。圖 13 顯示了 PLB_TX/RX 接收到的脈沖的詳細(xì)信息。

圖 9：使用 Arduino 進(jìn)行測試

圖 10：Arduino 編程

圖 11：電力線通信波形

圖 12：PLA_TX/RX 發(fā)送信號的細(xì)節(jié)

圖 13：PLB_TX/RX 接收到的信號細(xì)節(jié)

結(jié)論

本文介紹了如何實現(xiàn)基于 GreenPAK 和電容耦合的低成本、低功耗、直流電力線通信。與其他解決方案相比，GreenPAK 的主要優(yōu)勢在于可以根據(jù)需要修改通信方式或內(nèi)容。例如，您可以輕松修改載波頻率以適應(yīng)所需的通信波特率。此外，您可以使用GreenPAK IC內(nèi)部的DFF組成并串組件，直接將IO狀態(tài)串行化并傳輸至電源線，無需MCU介入。包含 ACMP 的 GreenPAK 可以輕松地將電池電量信息傳輸?shù)诫娫淳€。

審核編輯 黃昊宇