曹海江 高沁翔
低压电力线是为传输50Hz的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路资源。长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号。由于不是为通信铺设的，故其特性往往较难直接满足载波通信的要求。主要体现在两方面：第一、电力网络的阻抗特性及其衰减制约了信号的传输距离，这与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关；第二、低压电力线上的噪音干扰制约了信号的传输质量，噪音干扰主要来自于低压电网相连的负载，以及无线电的干扰。
在这样恶劣的电力线通信环境下，很难保证数据传输的质量。而且，电力线通信的噪音和信号衰减是随时间变化的，很难找到规律。使得载波信号难以在一个供电区域内较好地传输，这样就须选取合适的低压电力线调制/解调芯片, 以解决利用低压电力线进行载波通信遇到的技术问题。
SC1128是面向电力线载波通信而开发研制的专用扩频调制／解调集成电路芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，因此该芯片应用在电力线载波通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能，在小型多功能应用系统中可以起到降低系统成本并提高系统功能的作用。
本文将介绍SC1128芯片的主要特点、内部结构及功能、主要的技术指标，然后详细分析由SC1128芯片构建的低压电力线载波通信网络，包括其硬件结构和软件设计及采用的抗干扰措施。
SC1128芯片介绍
SC1128是一款半双工、同步的专用扩频调制／解调芯片，它采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，使该芯片应用在电力线载波通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。片内工作状态寄存器可以控制芯片的通信速率和捕获门限值。与微处理器接口采用I2C总线形式，进行芯片的初始化设置，以及数据的读写操作。该芯片有44个引脚，采用OFP－44封装形式，单＋5V工作电压。
SC1128芯片内部结构框图如图1所示。差动输入信号放大单元可对输入信号进行前置放大，提高输入信号的信噪比；扩频／解扩单元采用直接序列扩频技术，增强抗干扰能力，63位扩频码，3种通信速率（6.0、3.0、1.5kbps）；调制／解调单元；D/A和A/D转换单元方便进行模拟、数字信号转换；输出驱动单元发射信号可采用两种形式输出，一种是经D/A转换器后正弦缓冲器输出，可将谐波成份减少到最低限度，另一种以高压开漏缓冲器输出，这种形式的输出具有应用成本低的特点；内置64× 8 SRAM存储器（支持掉电工作）为系统提供数据暂存；内置电子表电路（24小时制，支持掉电工作）；内置看门狗电路，监视系统程序的工作状态；内置电压监测器，监视电源电压的变化，并及时向系统发出报警信号；内置串行半双工同步传输通信接口,方便与微处理器之间的控制命令和数据交换。
SC1128的测量灵敏度为70μV，信号带宽为59~535kHz，信号动态范围为120dB。
在低压电力线载波通信中的应用
低压电力线是一个随参信道，也就是说线路上的各种参数，例如分布电容、分布电感、负载性质、负载阻抗值、噪声等都是动态的，而不是恒定的。负载的开关会引起电力线上阻抗的变动，当用电负荷很大时，阻抗会很小，甚至会达到│Z│＜1Ω的地步，从而引起供电电流剧烈波动，导致在电力线的周围产生电磁辐射，加重了低压电网上本已很丰富的噪声干扰。所以，沿电力线传送数据时，会出现许多意想不到的技术难题。在这样恶劣的电力线通信环境下，很难保证数据传输的质量。这就决定了设计一个电力线通信网络，其调制/解调方法、工作频率、发送功率等都是不确定的。信道参数变化，通信效果也随之变化，可通信距离也会变化。因此，根据具体的电力线通信环境，才能确定信号发送功率、使用的工作频率等技术参数。而且，电力线载波限制在一个变压器台区范围内，无法跨越变压器，电力线通信网络以一个变压器台区为一个集中通讯单元。只有配上中继器，数据传输才能通过变压器，进入下一个变压器台区。
扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行相关检测来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这祥，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。
直接序列扩频通信就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱；在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。SC1128芯片就是直接序列扩频技术的硬件实现，可以解决利用低压电力线传输数据遇到的技术问题。
图2为电力线通信网络的一个集中通信单元框图，其中采用SC1128芯片构建电力线接口。包括采集器、电力线接口模块、上位机。数据和命令可在上位机之间、上位机与采集器之间进行传输。
采集器 采集器是低压电力线载波通信的控制前端，并进行数据采集的节点。其主要功能是根据主控节点的指令，进行相应的控制操作和数据采集，并把采集到的数据和控制命令反馈信号回送到主控节点。其结构功能框图如图3所示。主要芯片采用AT89C2051，该芯片采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术，片内集成2K字FLASH ROM，是低电压、高性能CMOS 8位微处理器，为很多嵌入式控制系统提供性价比高的解决方案。
其中，数据采集及控制模块主要完成上位机的控制指令和数据采集，为了保证采集器的可靠性，有必要在数据采集及控制模块中采用光电隔离器件，把监控对象和监测电路进行电气隔离；串口通信模块主要完成采集器与电力线接口模块的数据和指令的交换，采用MAX485芯片，通过一对双绞线可实现与半双工RS-485网络的连接，数据传输速率最高可达2.5Mbps，总线可挂接32个采集器；为增强采集器运行可靠性，设置看门狗电路，采用MAX813L芯片。
电力线接口模块 电力线接口模块的主要任务分为两方面：第一方面为与上位机的通信，负责从上位机接收命令和数据，再发送到电力线上，并从电力线上接收的数据再传送到上位机；第二方面为与采集器的通信，负责从电力线上接收命令，传送到采集器，并把采集器采集到的数据发往电力线。图4为由SC1128组成的电力线接口模块框图。其中，微处理器采用AT89C52,该芯片片内集成8K字节闪存，可存放系统工作的程序。由于AT89C52具有外部空间引脚，可外接足够空间的非遗失数据存储器HK1255以存放上位机下达的控制命令和采集器上传的数据。HK1255为512K字节的非遗失SARAM，具有掉电保护功能，可防止意外导致数据丢失。
串口通信模块主要完成采集器、上位机与电力线接口模块的数据和指令的交换，采用MAX485芯片。
由于SC1128芯片具有内置的看门狗电路、电子表电路、电源电压检测电路以及时钟电路，可简化电力线载波接口模块的硬件设计，降低系统成本，提高运行可靠性。
微处理器AT89C52与SC1128芯片的引脚对应关系如图5所示。
其中，AT89C52通过口线P1.0、P1.1、P1.2分别对应SC1128的CS（设置片选输入端）、SETCLK（同步设置时钟输入端）、LINE（设置数据及状态的输入/输出端），以I2C总线形式完成对SC1128的初始化，以及在通信过程中根据通信环境的实际情况选择不同的捕获门限值及通信速率值，以达到比较好的通信效果。微处理器AT89C52对SC1128芯片发射或接收数据通过口线P1.3、P3.2、P1.4，分别对应SC1128的SR（发射／接收控制端）、SYN（发射／接收同步脉冲端）、TX（发射／接收数据端），与SC1128芯片进行数据交换，接收及发送相应的命令和数据，以完成上位机和采集器之间的通信任务。
输入滤波及片外放大模块把载波信号从高压耦合变压器耦合进来的较宽频带的信号中，按特定的带宽范围提取出来，经前置放大级后送入SC1128芯片进行处理。输出功放模块把调制好的载波信号进行功率放大，然后通过高压耦合变压器耦合到电力线上。
耦合变压器的作用是将已调制信号耦合到电力线上，并接收电力线上的数据，因此，需要较高的灵敏度和选频能力。耦合变压器结构如图6所示，为提高电力线载波通信的可靠性，采用电力线三相耦合。从图6可看出，是用继电器开关实现半双工的通道隔离，信号输入端处于常闭状态，也就是说电力线接口模块处于接收状态，时刻监视电力线上所传输的命令及数据。当地址码比较相同时，电力线接口模块正式开始发送或接收命令和数据。通过口线P1.7控制电力线接口模块进入发送状态，可降低能耗。防止过电压对电力线接口模块的冲击影响，增加了压敏电阻。
上位机 可采用高性能的工控机作上位机，以提高通信网络的可靠性。安装上位机管理程序，可增强管理通信网络的能力。
软件设计
整个系统的软件主要分为采集器部分、电力线接口模块部分以及上位机的管理程序。下面针对电力线接口模块部分的软件介绍设计思路和主程序流程图。
该软件遵循模块化的设计思想，力求主程序结构清晰、调试方便。同时各个功能模块要严格封装，之间避免相互干扰。电力线接口模块主程序除了要完成系统初始化、SC1128的初始化设置、看门狗复位等任务外，主要完成从电力线循环采样信号，并进行地址码的比较，对接收的数据或命令进行识别，转入相应的处理子程序，流程框图如图7 所示。串行口中断服务程序根据与其通信的对象不同而不同：当与上位机相连通信时，主要负责从上位机接收命令，并把通过SC1128芯片从电力线接收的数据传送到上位机；当与采集器相连通信时，主要负责把通过SC1128从电力线上接受的命令传送到采集器，并把采集器采集到的数据发送到电力线上。串行口中断服务程序对其接收或发送的数据和命令都要进行CRC循环校验，以确保数据和命令的准确性。
系统抗干扰措施
通信网络对数据传输精度的要求是相当高的，尤其是电网负荷波动大的情况下，轻者会造成数据不准确，重者会造成整个数据丢失。因此，抗干扰能力是非常重要的。在系统设计过程中，主要采用以下措施来增强系统的抗干扰能力：1、芯片内部及外部的看门狗电路，防止单片机死机；2、用软件陷阱，一旦程序进入死循环，则通过无条件转移指令，强制程序返回；3、用高性能的掉电保护的RAM芯片，防止数据传输过程中受到干扰或因意外导致数据丢失；4、软件中对脉冲的边沿抖动进行处理，防止因“毛刺”现象引起的误差，对数据及命令进行CRC校验。
结束语
SC1128采用直接序列扩展频率调制/解调技术实现电力线载波通信，应用先进的模/数转换、数字滤波、数据压缩、相关判决、纠错编码等数字处理技术，极大地提高了数据交换的可靠性和准确性。在噪声很大的情况下，即使P/N<1的情况下依然可以正常通信。在整个系统的运行中，SC1128工作高效而稳定，较好地解决了利用低压电力线传输数据遇到的技术问题。低压电力线作为一种新的通信载体，将在未来网络技术方面发挥出不可替代的作用。
