用于工業(yè)控制的窄帶PLC IC

在我們的行業(yè)中，似乎一遍又一遍地發(fā)生的一件事是一個新的產(chǎn)品領(lǐng)域的出現(xiàn)，它在工程領(lǐng)域引起了很大的轟動，然后在黑暗、干燥的角落里苦苦掙扎了多年。這項技術(shù)聽起來太好了！我們可以用它來徹底改變我們的產(chǎn)品。然后這項技術(shù)萎靡不振，并徘徊了幾年，一些公司提供了一些新版本。但是，它從未真正進(jìn)入大時代。幾年后，它終于成為一種非?？尚械姆椒?，并被各地使用。

這種情況經(jīng)常發(fā)生，因為產(chǎn)品并沒有真正達(dá)到炒作產(chǎn)生的預(yù)期。或者，可能有太多競爭版本，以至于沒有人完全弄清楚該轉(zhuǎn)向哪條路。然后技術(shù)成熟并且運(yùn)行良好，你會看到它無處不在。

在我看來，電力線通信（PLC）就是這種情況。幾年前，PLC似乎是許多通信問題的解決方案。但后來它消失了，現(xiàn)在它似乎終于大踏步前進(jìn)了。它被用于公用事業(yè)智能電網(wǎng)和抄表應(yīng)用程序、家庭自動化以及我們稍后將討論的許多其他領(lǐng)域。當(dāng)然，它的最大優(yōu)勢是不需要新布線。而且，PLC可以在相當(dāng)長的距離上使用。

實(shí)際上，通過電力線發(fā)送數(shù)據(jù)在很久以前就被認(rèn)為是一件整潔的事情。在用于配電的同一對電線上發(fā)送通信信號的概念可以追溯到1924年的專利，實(shí)現(xiàn)“通過電力電路進(jìn)行載波傳輸”。用于語音電話的PLC始于20世紀(jì)初，到1920年代末在歐洲和美國普及。

電力線通信方法現(xiàn)在分為寬帶和窄帶。寬帶用于在家中發(fā)送高速數(shù)據(jù)，如以太網(wǎng)，而窄帶則以更悠閑的速度工作，用于公用事業(yè)儀表抄表、工業(yè)命令和控制、家庭自動化和許多照明控制應(yīng)用。

可以肯定的是，PLC的工作環(huán)境很惡劣。未扭曲的電源線不僅像天線一樣工作，而且在工業(yè)環(huán)境或家中總是有多個電路，通信信號可能必須傳輸?shù)街麟娐访姘?，然后找到到達(dá)目的地接收器的途徑。來自主面板的每個電路都有多個抽頭，從而形成非常復(fù)雜的阻抗和噪聲環(huán)境，以發(fā)送RF信號。電力線通常是一種極其困難和嘈雜的通信介質(zhì)，其特點(diǎn)是幾種不可預(yù)測的強(qiáng)烈干擾形式。

寬帶PLC

寬帶系統(tǒng)尤其難以應(yīng)對干擾和產(chǎn)生干擾。HomePlug AV于2005年推出，現(xiàn)在是寬帶PLC的中流砥柱，適配器的物理速率為200Mbps，500Mbps，現(xiàn)在超過1Gbps。雖然 HomePlug 連接的理論最大值可能為 200Mbps，但大多數(shù)連接的實(shí)際速度約為 30Mbps 到 50Mbps——只要可靠且一致，大多數(shù)時候仍然足以將視頻從路由器隨機(jī)播放到電視。HomePlug通過了IEEE 1901規(guī)范，該規(guī)范確保了互操作性。

窄帶可編程控制器

但今天我們想談?wù)務(wù)瓗щ娏€通信。

通過長距離電力線（交流和高壓直流）進(jìn)行通信是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。自動公用事業(yè)儀表抄表現(xiàn)在是大多數(shù)地方的常態(tài)。照明、HVAC 和電器的家庭自動化是一個重要且不斷增長的使用領(lǐng)域。所有這些領(lǐng)域都使用窄帶PLC。 工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計者正在利用這項技術(shù)。其他快速興起的應(yīng)用包括路燈、自動售貨機(jī)、太陽能電池板和電動汽車充電的控制。

用于使用電力線的通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展。最初部署的方案包括基本單載波頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）調(diào)制的變化。這些技術(shù)在可靠地應(yīng)對惡劣電力線環(huán)境方面的能力有限，因此，早期的PLC系統(tǒng)遇到了問題。

目前窄帶有兩個主要標(biāo)準(zhǔn)：G3和PRIME。通常，G3（或類似的IEEE P1901.2）標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于魯棒性。對于工業(yè)應(yīng)用，您必須確定數(shù)據(jù)會到達(dá)，也許不是以最高速度到達(dá)，但它確實(shí)到達(dá)了。G3 提供 20.36Kbps、34.76Kbps 和 46Kbps（帶編碼）數(shù)據(jù)速率、前向糾錯 （FEC） 以及與 6LoWPAN/IPv6 的兼容性。G3在歐洲的CENELEC-A或-B頻段（20Kbps-40Kbps）上運(yùn)行，并可在整個FCC頻段上使用，在美國提供高達(dá)400Kbps的數(shù)據(jù)速率。它提供第 2 層 128 位 AES 加密以提供數(shù)據(jù)安全性。

OFDM解決了這個問題

G3和PRIME利用正交頻分復(fù)用（OFDM），這是一種通過噪聲信道傳輸大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的技術(shù)。它結(jié)合了許多慢速數(shù)據(jù)速率載波，以形成整體更高的數(shù)據(jù)速率。自動選擇一組載波頻率或信道以遠(yuǎn)離干擾。多個子信號以不同的（正交）頻率同時傳輸。每個數(shù)據(jù)子載波都使用PSK或QAM進(jìn)行調(diào)制。這與糾錯一起，確保在非常嘈雜的環(huán)境中可以毫無錯誤地接收數(shù)據(jù)。

圖1.多個恒定振幅的 OFDM 子載波的頻譜。

使OFDM成為實(shí)用傳輸系統(tǒng)的訣竅是將子載波調(diào)制速率與子載波連接起來。通過將子載波間距設(shè)置為符號速率的倒數(shù)，峰值和零點(diǎn)完美排列，使得在任何子載波頻率下，子載波都是正交的，并且它們之間沒有干擾。

用于工業(yè)控制的窄帶PLC控制器IC

一些芯片供應(yīng)商生產(chǎn)支持 PRIME、G3 和 IEEE 1901.2 標(biāo)準(zhǔn)的控制器。OFDM和糾錯技術(shù)使窄帶PLC在典型的電氣噪聲環(huán)境中非常適合工業(yè)控制系統(tǒng)。這些技術(shù)確實(shí)使用了一些相當(dāng)繁重的數(shù)學(xué)函數(shù)，并且需要一些嚴(yán)重的計算能力。如今，這不是什么大問題，但要確定您選擇的控制器芯片具有處理特定環(huán)境的馬力。

窄帶PLC控制器IC的一個例子是Maxim的ZENO MAX79356，它使用兩個流水線32位RISC處理器。該芯片已通過G3-PLC認(rèn)證，其可編程性確保其能夠處理標(biāo)準(zhǔn)的修訂和國家變化。

MAX79356在監(jiān)聽模式下的最大功耗僅為80.6mW。該 IC 包括一個完整的模擬前端 （AFE），并具有用于高安全性的 AES-CCM 加密引擎。該器件采用 48 引腳 LQFP 封裝，工作溫度范圍為 -40° 至 85°C。

審核編輯：郭婷