摘要：电力线载波通讯是一种低价方便、并可免除装设专用通讯线路的通信技术,文中介绍了利用Chirps扫描频率进行载波的扩频通讯技术和CEBUS总线的有关协议,给出了由SSC P300芯片构成的电力线载波通讯电路在电表自动抄表系统中的应用设计实例。

    关键词：电力线 载波 扩频通讯 CEBUS SSC P300

利用电力线（PL）进行载波通讯可以实现电表、水表、煤气表读数的远程抄收,也可以用于电力负载管理和盗警、火警的监测。而用交流供电线作为通讯载体的主要困难是交流噪声对数据的影响以及信号的衰减。扩频通讯方式因其扩频载波信号的带宽通常较大（几十至几百kHz）,且受干扰的频率范围所占比例相对减小,因此可较好地排除电力线上的随机干扰。美国Intellon公司的SSC P300芯片由于在物理层中采用了独特的快速同步扩频技术,从而可使电力线通信以打包的形式调制于具有加速度的连续可变的载波之中,因此具有技术上的先进性。SSC P300芯片按照标准的CEBUS总线协议进行设计,具有标准的数据链路层和应用层设计,可以用10kbps的速率进行信号传输。

1 扩频载波通讯技术和CEBUS总线

1.1 基于Chirps扫描频率的载波技术

该技术利用一组扫描频率作为载体,如图1所示。该扫描频率是一系列短促的、可自同步的连续脉冲,又称作“chirps”,每个chirps一般持续100μs,它代表了最基本的单位通信符号时间（UST）。它可通过不同的UST组合来实现数据传输,其最大速率为10kbps。按照CEBUS标准,这些信号频率覆盖了100～400kHz的带宽。在Intellon公司的SSC P300芯片中,扫描总是以200kHz的频率开始和结束,也就是说：400kHz和100kHz的频率总是在每一个chirps的中间,这样做的优点是便于进行扫描信号的谐波抑制,并使数据传输中位与位之间的过渡变得比较平滑。

从图1可以看出,chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多,其线性加速度较高并有明显的极性变化,而电力线上干扰的频率加速度一般是不稳定的,所以只要将接收电路的滤波器设计成只能通过特定加速信号的滤波电路,就可以有效地抑制干扰。同时,该芯片利用振幅移位键控（ASK）和反相链控（PRK）两种波形调制方法对信号进行处理。因此,其扩频系统具有良好的抗电力线噪声和抗频率衰减性能。

    另外,此种chirps波形具有很强的独立性,所有连续在网络上的设备可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形,而不需要在发送和接收设备间进行同步。设备的应答是靠设备址来区分的。由于采用了独特的扩频技术并提供了快速同步,因而可利用电力线高速、可靠、实用地将数据以连续序列的比特传输于短帧之中。

1.2 CEBUS总线简介

CEBUS总线是专门为家用消费类电子产品通讯而制定的协议标准,又称作EIA-600协议。SSC P300芯片是该协议兼容的产品,它可以按照开放系统互连参考模型提供链路功能和物理层的协议服务。其中数据链路层服务包含对通讯分组的发送与接收。对于发送的分组,可由字节向符号转化,而对于接收到的分组,则可由符号向字节转化。在CEBUS总线中,数据是以包的形式进行传递的,也就是将用户的较长数据分成一个个较小的数据包,这样就便于将发送失败的数据进行重发。另外,该协议提供了可靠的16位CRC校验,因而可进行纠错与检错。系统收到数据包就对其中的数据进行检测,并确定该数据是否有效。

    一个典型的CEBUS数据包的格式如图2所示,它总是以一个由通和断组成的8位序列作为段首,该段首表征了一个数据包通讯的开始,同时以一个16位的CRC校验作为结束,只有当CRC校验通过以后,SSC P300芯片才认为是接收到了一个正确的数据,图2中的LPDU表示的是真正需要通讯的数据,它由控制字、目标地址、源地址和应用指令数据区（NPDU）组成,其中CEBUS总线没有NPDU格式的详细定义,用户可以根据实际的系统来定义本系统的指令集。在CEBUS总线中,同一个网络只能有一个设备“讲”,其它设备处于“听”的状态,听者只有地址匹配后才能按照用户应用指令的要求进行相应的操作,因此在任一设备传输时,其它设备均不能发送,从而避免了通讯的冲突。

2 硬件电路设计

图3所示为一个基于SSC P300的电力线载波通讯电路的原理图,该电路主要由三部分组成：PM2300及电力线耦合电路、SPI控制线与单片机的接口电路以及单片机控制及通讯电路。

PM2300是将SSC P300和电力线接口有关的模拟电路封装一起的12脚单列直插封装的厚膜电路,使用PM2300可使电路设计更加方便,其原理框图如图4所示。网络接口微处理器是一个大规模专用IC,它包括数字信号处理电路（DSP）和一个标准的串行总线SPI接口;数据接收电路在对输入信号进行缓冲放大后,将载波信号从一个很宽的频带取出,再通过一个模拟/数字转换器转化为数字信号,最后通过开关切换送入微处理器进行分组解码,从而实现最终的数据分组传输和有关协议功能;需要发送的分组则先从SPI接口传输到内部的微处理器,再经DSP处理来产生扩频载波（SSC）的低层数据信息,此信息可以驱动数字/模拟转换器以产生“chirp”的模拟波形,在三态开关打开期间,此波形将通过缓存放大后耦合到电力线上。

M4为680V的压敏电阻,可以用来在电力线出现瞬间高压时提供保护。M1为32V的瞬态电压抑制器,用于稳定加在SSC P300模拟支持电路上的电压。B1为耦合变压器,用于提供100～400kHz的扩频载波信号的线性传输通道,电容C30用于限制变压器电流,以避免变压器铁芯的饱和。耦合变压器采用高导磁率的铁心绕制,原边和副边均为12匝,电感量约为0.25mH。

为了减小电路中的杂波干扰,电路中的单片机部分和P2300的有关部分采用了隔离电源。同时,为了使PM2300的SPI接口和单片机进行隔离,电路中还专门设计了由HP2430组成的高速光电耦合中还专门设计了由HP2430组成的高速光电耦合隔离电路。HP2300的输入端采用施密特整形,同时加以电路和电容组成的脉冲整形网络,以使其波形可以高速准确地进行隔离传输。另外,电路中还采用AT89C51单片机来简化外围电路的设计。而用MAX706提供的系统复位和看门狗功能避免了系统的死机现象。MAX232E组成的标准串口用于实现同上位机的通讯。

3 软件设计

PM2300的命令和数据可通过SPI接口并按照相关的一分为命令协议进行发送与接受,它共有7种数据结构和16条指令,可用于实现主处理器和载波通讯芯片之间CEBUS功能。具体的命令说明和数据结构可以参照P300的使用手册,特别需要注意的是：在进行SPI通讯时,由于单片机使用的是P1口线进行时序的模拟操作,因此在进行口线操作时,必须严格遵守P300给出时序图,因为时序的错误将会造成通讯的失败。

本系统将数据通讯操作模式设定为UNACK的数据链路模式,完成一个数据包的发送与接收的基本过程如下：

（1）初始化各节点,也就是写LAYER-CON-FOG-ONFO的数据结构和节点的地址。

（2）根据对INTERFACE-FLAG的各标志位的状态来判定系统的通讯状态。

（3）根据所要求的时序来发送TRANSMIT-HEADER-IN-FO和TRANSMIT-NPDU-FIELD数据结构。在发送完成后,PM2300中的中断引脚的输出会变低,电路可以据此进入标志位处理子程序,并通讯标志位判定系统是否通讯成功。

（3）接收到一个数据包时,中断引脚的输出同样会变低,然后可通过中断子程序处理相应的标志位,再用读命令取回数据。

该系统初始化的流程图如图5所示,图中包含了详细的时序操作,可据此写完整的程序。其他的数据处理程序也可以仿照写出。

4 SSC P300应用

该通讯电路已成功地用在某电力线载波自动抄表系统中,它较好的解决了电力线载波传输中的数据易受干扰和通讯速率的问题,同时可用较低的成本实现多用户的电力线载波通讯。在中等线况下,传输距离可达到500m。该通讯电路设计的缺点是仍局限于同一个主变压器下,这在一定程序下限制了应用的范围。