摘 要： 介紹了開發的一種通用電力載波通信模塊，并對其進行了載波信號波形及通信可靠性測試，針對誤碼率問題采用了CRC校驗。測試結果表明，此電力載波模塊性能穩定，只要能滿足通信要求而又不便布線的地方均可采用。
關鍵詞： 電力線載波通信；載波模塊；測試；CRC校驗
電力載波PLC(Power Line Carrier)通信是指利用電力線作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式，因其以電力線為通道，具有無需布線、應用廣泛等特點，應用前景廣闊。國外已有相關成熟產品，但因其電網特性與中國不同，不適用于我國。因此，有必要開發出一種適合我國國情的電力載波通信產品，可適用于電力線上網、智能家居、工業控制、安防報警等多種場合。本文開發了一種通用電力載波通信模塊，并對其進行載波信號波形及通信可靠性測試，力圖為模塊應用打下可靠的實踐基礎。
1 載波通信的關鍵技術
1.1 擴頻通信
由于電力線網主要是為提供工頻電能而設計的，存在輸入阻抗變化大、信號衰減嚴重、噪聲干擾等特性，制約著信號傳輸的距離和質量，所以要采用特殊的技術手段[1]。擴頻通信由于其突出的抗干擾性優點，在載波通信中得到廣泛應用。它的理論基礎可用香農信道容量公式
來描述，當信道容量C為常數時，可以通過增加帶寬(W)來降低系統對信噪比(S/N)的要求。本文采用直接序列擴頻技術，因其應用較廣、成本低、系統實現也最簡單，同時也適合電力線載波通道環境[2]。
1.2 電力線載波芯片
電力線載波芯片是電力線通信系統的核心，本文選用專門針對我國電力網絡惡劣的信道環境所研制開發的國產PL3105調制解調芯片。該芯片除了內嵌直序擴頻通信的數據信號處理單元和微處理器外，還集成了ADC轉換模塊、DPSK調制、ISP、完善的電壓檢測、上電、掉電復位和看門狗等功能。載波通信的擴頻解擴、調制解調完全由其內部硬件電路完成。
PL3105芯片的主要通信參數為：若啟用載波功能，必須使用9.6 MHz晶振；載波頻率為120 kHz，符合國家規定的載波頻率(40～500 kHz)的標準；波特率為500 b/s和250 b/s可選，本文采用默認值500 b/s；由于PL3105芯片的CPU和載波模塊內嵌，所以載波通信控制可以通過配置片內寄存器來實現；載波通信采用半雙工方式。
2 通用模塊設計
載波模塊主要構成如圖1所示。
2.1 電源模塊
整個電源模塊取自普通電力插座，為交流220 V/50 Hz工頻電，由12 V電源變壓器引入，經整流器得到直流+12 V電壓作為放大電路發射電壓，再經三端穩壓器7805即可獲得+5 V的芯片工作電壓。考慮到低壓系統實際存在的波動，要接濾波及保護電容。
2.2 耦合電路
耦合電路可將向電力線發送的信號耦合到電力線上，又可將從電力線上接收的信號耦合到通信板。
耦合電路由安防電容(AC224/275)、耦合線圈(原、副邊匝比為10：15)和瞬態抑制二極管組成。對于工頻信號，電容CZ的阻抗遠大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容CZ承擔了電力線上的交流電壓；對于120 kHz的系統信號，線圈原邊電感的阻抗遠大于電容CZ的阻抗，所以系統擴頻信號幾乎都加在了耦合線圈上，這種電路能把工頻與擴頻信號疊加和分離開來。
2.3 載波收發電路
載波收發電路如圖2所示。PL3105芯片的PSKout腳輸出的載波調制信號經功率放大電路、整形濾波電路耦合到電力線上，實現電力線載波通信。
在接收端，本系統采用無源帶通濾波器(C15、C16與L2)組成并聯諧振回路，諧振回路是以擴頻信號的中心頻率120 kHz為基準進行設計的，以完成對有效信號的帶通濾波，良好的選頻回路可以有效提高載波接收的靈敏度。接收信號經過電容C17后引入到芯片內部進行后續處理。
3 載波模塊測試
在完成硬件電路設計、電路板加工及軟件編程后，只有通過測試才能證明它是否達到了設計目標。測試工作從模塊到整體的思路逐步進行。
3.1 載波信號波形測試
測試環境：室溫，VHH=12 V。通過示波器測得各部分波形分別如圖3、圖4、圖5所示。
經調試，本系統的功放電路靜態工作點正常，放大效果明顯。從圖3可以看出，波形被放大，頻率保持不變。
從圖4可以看出，信號耦合到電力線上后信號特性變差，這也是采用擴頻通信的必要性所在。
對比圖3(a)和圖5可知，信號從芯片輸出后經由整個通信信道前后波形能夠較好地相符合，驗證了擴頻通信的抗干擾能力。
3.2 通信可靠性測試
將2塊完全相同的實驗板模塊按圖6連接好。
(1)不加CRC校驗的情況下
實驗過程：利用北京福星曉程公司提供的演示軟件，通過PC機1發送1幀數據給實驗板1，載波通信模塊將數據調制擴頻后耦合到電力線上，實驗板2上的載波通信模塊進行信號接收，通過RS-232口上傳給PC機2，PC機2反饋1幀數據，經過上述過程，PC機1接收到反饋的數據，如果接收的數據與期望收到的數據一致，則判定為這次通信成功，否則失敗。每次通信次數為1 000次。PC機每500 ms發送1次數據，PC機串口波特率為2 400 b/s，非校驗，1位停止位，測試數據如表1所示。
(2)加入CRC校驗的情況下
CRC校驗應用于測控及通信領域，進行差錯控制。通過表1可以看到，數據傳輸的成功率已高達98%以上，所以采用CRC-16位校驗就可以滿足要求。CRC－16的生成多項式g(x)=x16+x15+x2+1。將要傳送的數據除以生成多項式，所得余數為CRC校驗碼[4]。
發送方：發出的傳輸字段為：信息字段+校驗字段。
接收方：使用相同的生成碼進行校驗：接收到的字段/生成碼(二進制除法)，如果能夠除盡，則正確。
重復實驗過程，可以發現，采用了CRC校驗后，模塊可以完全正確地進行收發信息。
實驗結果表明，基于擴頻通信方式的PL3105載波通信模塊系統工作穩定。采用了CRC校驗后，在100 m范圍以內，可以完全正確地收發信息。該模塊目前的通信速率為500 b/s，所以它適用于傳送短消息、數據通信量低以及實時性要求不高的場合。
參考文獻
[1] 張金波，張學武，鄭雪峰.限制低壓電力線載波通信的因素及解決辦法[J].電工技術雜志，2004(7)：15-18.
[2] 張在玲，韓富春.直接序列擴頻在電力通信中的應用[J].低壓電器，2004(2)：36-39.
[3] 溫莉娟，譚長濤，邱建斌.電力載波通信線路的設計[J].江蘇電器，2008(2)：17-19.
[4] 陳壯奕.CRC校驗的C語言實現[J].計算機技術與自動化，2006(6)：35-37.