殷明

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，淮南232001）

引 言

目前我校校園的照明系統(tǒng)仍在沿用簡單的人工控制方式。這無疑不利于照明節(jié)電，常常存在忘記關(guān)燈等現(xiàn)象，浪費嚴重，而且燈具數(shù)量、照明耗電等難以量化管理。故有必要進行照明用電控制方式的革新，采用先進的數(shù)字化、網(wǎng)絡化的控制方式可以從根本上杜絕無謂的浪費，而且可以規(guī)范照明用電的管理。

電力線載波通信技術(shù)是電力系統(tǒng)特有的一種通信技術(shù)，它是指利用電力線網(wǎng)絡作為傳輸媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術(shù)。它為用戶提供數(shù)字化社區(qū)服務和電子商務，提供高速因特網(wǎng)訪問服務、話音服務，可實現(xiàn)家庭辦公和遠程家電控制，還可實現(xiàn)防火、防盜、防有毒氣體泄漏。電力線載波模塊是電力線載波通信的核心部件和硬件基礎(chǔ)，它使實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力傳輸?shù)摹八木W(wǎng)合一”成為可能。

1 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)主要由三個部分組成：上位機、主機、從機。由PC作為上位機，對整個系統(tǒng)起到監(jiān)視和控制的作用。主機由一個單片機系統(tǒng)和載波通信模塊組成。從機由單片機、通信模塊和一些外圍設(shè)備組成，如一些A／D采樣單元、地址編碼單元。

主機通過電力線載波的串行通信方式對從機進行監(jiān)控。一個通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)組成：第1、第2字節(jié)是主機標識；第3字節(jié)是命令；第4、5字節(jié)是從機地址；第6～8字節(jié)為數(shù)據(jù)。主機采用廣播方式發(fā)送命令數(shù)據(jù)，從機收到通信包后進行數(shù)據(jù)分析：一是識別主機是否是自己的上級主機；二是識別從機地址是否是自己的地址；只有在全部確認無誤后從機才執(zhí)行命令和相應的操作。

從機直接監(jiān)控電燈的狀態(tài)，通過電力線載波接收電路接收來自主機的指令，并執(zhí)行相應的操作，完成對電流、電壓、溫度的采樣處理，判斷電燈是否工作正常，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷路燈的工作狀態(tài)是否正常。如果工作狀態(tài)異常，就執(zhí)行相應的操作，保護電燈，并把數(shù)據(jù)和警告發(fā)送給主機。

2 硬件電路的設(shè)計

2.1 主要器件的選擇和相關(guān)的性能

PL2102是專為電力線通信網(wǎng)絡設(shè)計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，僅由單一的＋5V電源供電，有一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通信控制功能外，還內(nèi)置了5種常用的功能電路如可數(shù)字頻率校正的實時鐘電路、32字節(jié)SRAM、電壓監(jiān)測、看門狗定時器及復位電路。它們通過標準的I2C總線接口與外部的微處理器相連，其中實時時鐘與32字節(jié)SRAM在主電源掉電的情況下，可由3V備用電池供電繼續(xù)保持工作。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，并采用大規(guī)模數(shù)字／模擬混合0.35μm CMOS工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性價比等方面有著出眾的表現(xiàn)。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標準功能：8KB Flash、512字節(jié)RAM、32位I／O口線、看門狗定時器、4KB EEPROM、MAX810復位電路、3個16位定時器／計數(shù)器、一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器／計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率為35MHz，6T／12T可選。

2.2 電路設(shè)計

電力線載波電路的設(shè)計主要分為兩個部分：電力載波信號接收電路和發(fā)送電路，如圖1所示。

圖1 載波收發(fā)電路結(jié)構(gòu)

載波接收和發(fā)射原理如圖2所示。接收信號部分：D1主要用于箝位，以防止過大的浪涌電流；C1、C2和L2并聯(lián)諧振工作在f＝120KHz，具有對120KHz信號的選頻作用，對輸入的微小信號進行放大，從而提高接收輸出靈敏度。發(fā)射信號部分：發(fā)射回路電容C3、電感L1（18μH／200mA）用于調(diào)整發(fā)射電流和波形，減小C3和增大L1將減小發(fā)射電流和改善波形；反之，將增大發(fā)射電流和波形失真情況。由于線圈的帶載能力一定，調(diào)整C3和L1將影響線圈的發(fā)射功率和自身功耗。4個晶體管逐級放大，4個二極管起保護作用。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)射電壓越高晶體管的自身功耗越大，一般發(fā)射電壓選10～18V。

圖2 載波電路原理圖

數(shù)據(jù)處理及控制電路如圖3所示。當PL2102收到的載波信號經(jīng)內(nèi)部電路處理后，它將解調(diào)出數(shù)據(jù)位信息，并經(jīng)RXD＿TXD引腳輸出，同時HEAD引腳同步輸出低電平。當STC89C52的INT0產(chǎn)生中斷并接收位后，會根據(jù)預定格式合成相應的指令信息；同時根據(jù)指令中所規(guī)定的時間設(shè)置來修改開關(guān)燈時間及開燈的比例，并執(zhí)行開關(guān)燈的操作等。另外，它還將在開燈后監(jiān)控電流、溫度等參數(shù)，以便在嚴重超標時執(zhí)行保護措施，同時及時給主機發(fā)送故障原因信息。

3 軟件設(shè)計

3.1 載波部分軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，并全部采用模塊化編程。該部分的軟件編程中，如何接收并發(fā)送載波信號是重點。圖4給出了載波通信接收流程，圖5是載波通信發(fā)送流程。

3.2 單片機與上位機通信部分設(shè)計

單片機采用中斷的方式與PC通信，通過設(shè)置UART中斷控制寄存器的中斷控制位使能該中斷。單片機數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖6所示。

上位機程序在Visual Basic 6.0（VB）環(huán)境下開發(fā)。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動編程模式，并可以使用無限擴增的控件。利用VB可以使用3種方法完成串口通信：第一種是用VB提供的具有強大功能的通信控件；第二種方法是調(diào)用Windows API函數(shù)，使用Windows提供的通信函數(shù)編寫移植性強的應用程序；第三種是利用文件的輸入／輸出完成，該方法簡單易行，但有一定的局限性。

圖3 數(shù)據(jù)處理及控制電路

圖4 載波通信接收流程

本系統(tǒng)采用第一種方法進行上位機程序開發(fā)，即應用VB提供的通信控件MSComm，文件名為MSCOMM.VBX。該控件具有完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，可對串口狀態(tài)及串行通信的信息格式和協(xié)議進行設(shè)置。通過此控件，PC機可利用串行口與其他設(shè)備實現(xiàn)輕松連接，簡單高效地實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。

圖5 載波通信發(fā)送流程

圖6 單片機數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程

4 系統(tǒng)測試與運行

為了能更好地對整個系統(tǒng)進行驗證，在校園教室內(nèi)進行了系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝實驗。根據(jù)現(xiàn)場的實際運行情況來看，系統(tǒng)能夠按照所設(shè)計的思路進行正常的工作。經(jīng)過近一年的運行測試，系統(tǒng)工作正常，能耗降低近30%。

當然，在現(xiàn)場實驗過程中也遇到了很多需要改進的問題，例如：如何跨變壓器進行載波通信；如何提高數(shù)據(jù)的傳輸距離；如何在硬件上改善短路后造成的整個線路故障；如何檢測照明燈是否損壞等等。

結(jié) 語

本文主要研究了電力線載波通信技術(shù)以及其在校園照明節(jié)電控制系統(tǒng)中的應用。通過設(shè)計載波通信模塊及各控制器的硬件、通信協(xié)議、系統(tǒng)軟件及上位機管理軟件，利用現(xiàn)有的低壓輸電網(wǎng)傳送信號，并將其應用于照明控制系統(tǒng)、系統(tǒng)既提高了管理效率，又節(jié)約了能源，減少了電費支出，還延長了燈具的使用壽命，具有很好的應用前景。

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