毕业设计低压电力线载波通信系统设计.docx

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毕业设计低压电力线载波通信系统设计

本科毕业设计（论文）

题目

低压电力线载波通信系统设计

学生姓名

学　号

教学院系

专业年级

指导教师

职　称

单　　位

西南石油大学

完成日期

2013年6月5日

SouthwestPetroleumUniversity

GraduationThesis

DesignMethodOFLowPowerLineCarrierCommunicationSystem

Grade:

Name:

Speciality:

Automation

Instructor:

SchoolofElectricalandInformation

2013-6

摘要

随着现代社会的发展，网络扮演着越来越重要的角色，生产与生活中的大量设备需要连接起来，构成网络，以实现对它们的监测、控制与管理。

在这些网络中，需要连接的对象众多，位置可能变动，给网络的构成带来一定的困难。

由于这些对象的工作大都离不开电力，所以用低压电力线组成网络进行通信，是一种很有价值的实现方法。

本毕业设计主要实现两点之间通过低压电力线载波通信进行数据传输并通过上位PC进行监控。

本设计基于SENS-01嵌入式电力线载波模块，其硬件部分包括载波耦合电路、信号发送电路（输出功率控制电路和信号功率放大电路）、滤波接收单元（接收滤波电路和解调电路）、电平转换电路等。

软件部分包括串口调试和通信程序。

在完成硬件和软件设计之后，测试结果为发送端可以准确、高效的向接收端通过低压电力线发送数据，具有很好的抗干扰性能，可靠性高。

关键词：

低压电力线；载波通信；电平转换；串口；SENS-01

Abstract

Withthedevelopmentofmodernsociety,networksplayanincreasinglyimportantrole.Intheproductionandlife,alargenumberofdevicesneedtobeconnectedtogethertoformnetworkstomonitor,controlandmanagethem.Itmaybringsomedifficultiesthatthesedevicesmayhavemanylocationsorchangethecomposition.Itisavaluablemethodtouseanetworkoflowvoltagepowerlinecommunication,becausemostofthesedevicescannotworkwithoutelectricity.

Themainproblemthisgraduationdesignsupposedtosolveistransmittingdatathroughalow-voltagepowerlinecarriercommunicationsbetweentwopointsandthenmonitoringitthroughthehostPC.

ThedesignisbasedonSENS-01,anembeddedpowerlinecarriermodule.Thehardwarepartsofthemoduleincludeacarriercouplingcircuit,asignaltransmissioncircuit（outputpower-controlcircuitandthesignalpoweramplificationcircuit）,afilterreceivingunit（receptionfiltercircuitanddemodulationcircuit）andalevelconversioncircuit.TheSoftwarepartsincludeserialdebuggingandcommunicationprogram.

Uponcompletionofthehardwareandsoftwaredesign,thesendercansenddataaccuratelyandefficientlytothereceivingendthroughthelow-voltagepowerlines,which,asthetestresult,hasgoodanti-jammingperformanceaswellashighreliability.

Keywords:

lowvoltagepowerline;carriercommunication;serial;levelconversion;SENS-01

1绪论

1.1研究目的和意义

电力网是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络，而现有的功能仅仅是传输电能。

如何利用网络资源潜力，在不影响传输电能的基础上，实现窄带或宽带通信，使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员技术攻关的又一目标。

电力线载波（PowerLineCarrier,PLC）通信是利用高压电力线（在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级）、中压电力线（指10kV电压等级）或低压配电线（380/220Ｖ用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。

由于在低压电力线上实现通信有许多技术难点：

如网络不规范、节点多、隔离多、随机干扰等。

也可以说民用电力线路阻抗对通信而言是一个不确定、无规则、随机干扰的非标准通信网。

在技术上带来很大难度，成为通信领域上的一大挑战课题。

在实现低压配电网中可靠传输的基础上，将这种数据传输方式与其它通信方式结合起，从而实现充分利用已有的低压电力线网络。

电力线载波技术是一种适于在配电网中实现可靠数据传输的电力线通信技术，通过使用电力线载波，包括常规载波以及扩频技术预计可实现低成本、高可靠性、相对速率较高的数据传输，它不仅可以应用于智能抄表，还可以非常简单地嵌入于智能家电，路灯监控等用量非常大的设备中，其具有很高的研究价值。

1.2国内外研究现状与发展趋势

20世纪20年代，国外一些著名的公司和研究机构开始对低压电力载波通信技术进行研究。

1930年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹载波系统（RCS系统）。

该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备的管理。

1958至1959年间，美国德克萨斯元件公司的JackKilby和Fairchild半导体公司的RobertNoyce最早发明了电力线载波通信集成电路。

1993年，英国SWEB公司成功地在一地区性有限遥测系统RMS中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信，将已有的水、电表计与电能表计连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。

1999年ABB公司成功开发出基于跳频方式的低压电力载波通信系统DartNet，信号传输速率为1.2kbps。

2000年1月和4月Intellon公司采用OFDM技术（正交频分复用技术）进行的组网试验，可实现速率为14Mbps的数据传输。

我国研究低压电力线载波技术起步较晚，但发展速度较快。

中国电科院1997年开始研究低压电力线载波技术，2000年开始引进国外的PLC芯片，研制了2Mbps样机。

2001年下半年进行了小规模现场试验，取得了较好实验效果。

2003年成功研制了EPLC-45M和EPL-14系统。

另外，一些高等院校的电力系、通信系也对PLC进行理论研究。

近几年，国内涌现出许多从事电力线载波通信技术研发的企业，如青岛东软、福星晓晨、杭州新实等公司。

他们研发的芯片在自动抄表、报警和安全监控系统、家居自动化系统等方面有广泛的应用。

1.3本文的主要工作

目前国内许多公司已开发出较多相对成熟的低压电力线载波通信模块或芯片，这些模块主要采用串口连接上位PC，实际应用中不够方便。

本文主要完成了以下几方面的工作：

1.概述低压电力线载波的基本特性和基本原理。

简述在电力线载波领域几种不同的调制方式。

2.低压电力线载波模块的设计原理及其硬件电路的分析与实现。

3.低压电力线载波通信的程序编写。

4.低压电力线载波模块通信的调试与分析。

2低压电力线载波通信系统特性分析

在低压电力线载波通信系统中，线路的通道特性直接影响到信号的传输质量，例如，阻抗特性影响设备电平的匹配，噪声的频率特性影响通信频率的选择，衰减特性决定功放的功率。

所以无论以何种方式进行通信，首先必须了解线路的通道特性。

电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。

1.配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；

2.三相电力线间有很大信号损失（10dB-30dB）。

通讯距离很近时，不同相间可能会收到不同信号，一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；

3.不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同；

4.电力线存在本身固有的脉冲干扰；另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通讯媒介，但由于现代通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。

2.1噪声干扰

背景噪声包括周期性噪声和突发性噪声。

周期性噪声是周期性的连续干扰和周期性的脉冲干扰；突发性噪声是用电设备的随机接入或断开而产生的。

噪声范围在10kHz-100MHz的频率内。

研究表明，脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大。

脉冲干扰的强度最大可达40dBm，如此强的干扰会导致接收端根本无法识别出发送的信号。

2.2阻抗变化大

载波通道的阻抗变化远远超过高压电力线的阻抗变化。

在负荷很重时，线路阻抗可能低于１Ω，这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。

低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性，这是低压载波通信面临的又一挑战。

由于用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及不可抗拒的自然因素，如雷电等的影响，使得其干扰表现出很强的随机性和时变性，从而难以找到一个准确的数学模型来加以描述。

研宄表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。

在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。

由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。

当在电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。

但是由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。

电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从0.1Ω变到大于100Ω，变化范围超过了1000倍而且，在实验所测的频率范围内，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。

为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面连接有各种复杂的负载。

这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。

因此，在不同时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。

2.3衰减大，且时变性强

电压越低线路衰减越大，时变性越强，建立通道越困难。

由于低压配电网直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得总的说来，信号的衰减随着传输距离的增加而增加。

同时，有文献报导，信号的衰减与频率、工频电源的相位有关，一般来说，随着频率的增加，信号的衰减也将增加，而在某些特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响，衰减会出现突然剧增。

实验表明，信号的衰减是距离的函数，一般为40〜100dB/Km。

在农村的衰减最大，500m就达到50dB;在城市，250m大约20dB;在郊区，250m亦能达到25dB;但在工业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。

总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。

但是由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。

这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。

随着负载在电力线上的连接或断开，在不同的时刻，信号衰减都会表现出不同的特点。

有时这种变化的程度会很大。

由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变化。

但是从统计上来说，这种变化还是有一定的定性规律可寻的。

多数情况下，电力线上负载的大小、性质是按照一定规律在一定范围内变化，例如在工业区，白天的衰减比晚上大，而在居民区，晚上18:

00到22:

00的衰减是最大的。

合理地利用这些规律，对于提高通信系统的可靠性有重要的作用。

另外，接收机所处的位置不同，信号的衰减也不同。

在某些负载，如彩色电视机、计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。

3低压电力线载波通信原理

低压电力线载波通信是指利用现有220V/380V低压配电线，通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输的技术。

发送时，利用调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上传输。

在接收端，先经滤波将调制信号滤出，再解调，即可得到原始通信信号。

通信速率依据调制方法和具体设备不同而不同，目前的传输速率理论值在4.5~45MB/s之间。

电力线通信（PLC）设备包括局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。

通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端设备解调。

图3.1为低压电力线通信系统原理框图。

带通滤波

耦合电路

调制

配电网络

信道编码

信源

信道编码

带通滤波

耦合电路

解调

信宿

图3.1低压电力线通信系统原理框图

3.1电力线载波通信调制技术概述

按照调制信号的形式，调制可分为模拟调制和数字调制。

模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制载波的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM）或调相（PM）信号。

数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位从而得到振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）或相位键控（PSK）。

一般来说，数字解调与模拟调制的基本原理相同，但是数字信号有离散取值的特点。

因此数字调制技术有两种方法：

1利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理；

2利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。

这种方法通常称为键控法。

与模拟调制相比，数字调制有许多优点，主要包括抗噪声能力强，对信号扰动的鲁棒性高、容易传输不同形式的信息（如声音、数据和图像）安全性好等。

目前低压电力线载波通信主要采用窄带通信、扩频通信、OFDM调制等方式。

3.1.1窄带通信技术

早期的电力载波通信电路多采用窄带通信技术。

其基本的调制方式分别为ASK

、FSK和PSK。

在此基础上，又派生出了差分移相键控（DPSK），最小移频键控（MSK），四相移相键控（QPSK）、正交幅度调制（QAM）。

由于ASK的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道下采用。

所以主要采用是FSK与PSK方式。

3.1.2扩频通信技术

扩频通信（SS）就是在发送端将信号频谱扩展后再进行传输，在接受端运用相关手段将接收信号解扩后再解调的通信手段。

扩频通信系统主要有4种基本扩频方式：

直接序列扩频（DSSS）；跳频（FHSS）；跳时（THSS）；线性调频（CSS）；此外，还有这些扩频方式的组合方式，诸如DSSS/FHSS，DSSS/THSS，DSSS/FHSS/THSS等。

常用于低压电力线载波通信的是直扩（DSSS）和线性调频（CSS）。

扩频通信技术的优点是抗干扰能力强、可进行多址通信、抗多径干扰能力强。

3.1.3OFDM技术

正交频分复用（OFDM）是一种多载波传输技术。

其最大的特点是传输速率高，抗码间干扰和信道衰落能力强。

OFDM调制技术实质上是大量的窄带载波（有时也称为子载波）的同时传送，每个载波的调制速率较低，但总体表现为极高的传输速率。

因此，OFDM在电力载波通信中主要应用于电力线上网等通信速率要求高的领域。

3.2通信方式比较

低压电力线载波通信客观环境非常恶劣，要实现稳定可靠的通信，则必须采用先进的技术手段。

电力线载波通信系统所使用的通信方式各有其特点。

因此，结合窄带通信、扩频通信、OFDM各自的特点，比较这3种通信方式的优缺点。

表3.1窄带、扩频及OFDM优缺点比较

通信方式

优点

缺点

窄带

能够做到在电力线上跨相位甚至跨变压器通信；价格低廉且较为容易实现；电力线耦合性能好

抗干扰能力较弱；传输距离较短；数据传输率比较低

扩频

抗干扰，抗噪音；抗多径衰落；具有保密性；功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率；可多址复用和任意选址；高精度测量等

电力线耦合度低；通信速率低；不适宜带限信道的传输

OFDM

带利用率高；抗ISI干扰能力强；抗信道衰落；抗噪声干扰

电路成本高；峰均功率比高；同步问题

由上表可知，这3种通信方式在实际应用中各有优势和缺点。

窄带通信技术价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较流行，但由于存在干扰问题，实际应用仍不很理想，而且具有传输距离较短，数据传输率比较低等缺点。

扩频技术在抗干扰、保密等方面有明显优点，使其在低压电力线载波通信中应用越来越广泛。

当整个频带内的干扰情况较平均时，或当整个频带干扰严重而载波通信所选择的通信频带内干扰较小时，窄带调频通信都具有优势。

由于电力线路上的干扰大多是窄带干扰，宽带扩频方式占用频段宽，干扰信号无法将其覆盖，因此具有较强的抗窄带干扰能力。

但电力线耦合电路的品质因数（Q值）也因宽带因素降低，这样严重影响通信性能。

窄带通信方式具有较好的电力线耦合性能，当强干扰噪声在通信频带外时，其通信效果一般优于宽带扩频通信方式，但强干扰信号与通信频带相近时则会经常出现通信中断。

总体来说，采用扩频方式的电力线通信芯片在抗干扰和噪声，以及数据传输性能上比窄带通讯有较大提高。

理论分析与大量实验均表明，在相同路径条件下，扩频通信技术的成功率普遍强于OFDM通信技术，而通信速率则是OFDM技术远远高于扩频技术。

但基于扩频通信技术的电路成本也远低于OFDM通信技术的电路成本。

目前，OFDM技术应用于电力线高速数字通信刚刚开始，还存在许多问题，其中最主要的问题是到目前为止还没有制定出相应的标准规范。

3.3调制方式选择

经过对几种数字调制方式的分析得出以下结论：

相对于扩频调制和OFDM，窄带通信，价格低廉，实现相对简单，适合短距离、低速率的实验环境。

3.4载波模块选择

我国可使用的电力线载波modem芯片及模块可分调频和多频或者分为宽带调制及窄带调制，下面就我国使用的几种芯片及模块进行介绍。

1.窄带载波FSK通信方式在我国使用的比较早而且也有相当长的历史，使用效果也不错。

代表性的芯片有LM1893，ST7536，ST7537，AT9301，PTL-22，SN8810，MTC-30585及KQ100模块。

2.宽带载波通信方式在我国使用的比较晚，但是应用越来越多，代表性的芯片有SSCP300，SSCP200，PL2000，PL2101，PL3150，SC1128等。

3.OFDM是新一代的技术，最近几年也开始应用并且反映效果也良好，代表性的芯片有INT5130，MAX2986,，ITM10，采用OMCM调制技术的代表性的芯片有LME2200。

4.链码自适应调制技术也有应用，代表性的模块有WF-PLC300A。

表3.2主流芯片比较

从各厂家目前的应用情况来看，无论FSK、BPSK还是扩频，其调制技术在理论上的优劣差异都很小，性能的差异只体现在发送和接收的处理机制上。

也就是说没有不好的调制理论，采用哪一种方案都是合理的。

本设计中电力线载波模块选用杭州新实的SENS-01嵌入式电力线载波模块。

SENS-01嵌入式电力线载波模块包括了所有的电源220V降压、载波耦合、信号功率放大、输出功率控制、接收滤波、调制解调等外围复杂电路。

3.5窄带调制原理

3.5.1FSK原理

FSK是利用载波的频率变化传递数字信息。

在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。

故其表达式为：

（3.1）

2FSK信号的常用解调方法是采用如图2所示的非相干解调包络检波和相干解调。

解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别解调，然后进行判决。

这里的抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限判决规则应与调制规则相呼应，调制时若规定“1”符号对应载波频率f1，则接收时上支路的样值较大，应判为“1”；反之则判为“0”。

图3.22FSK信号解调原理图

3.5.2PSK原理

相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。

在2PSK中通常用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”。

因此2PSK信号的时域表达式为

（3.2）

其中φn表示第n个符号的绝对相位:

（3.3）

2PSK信号的调制原理框图如图3.3所示

图3.32PSK信号调制原理图

2PSK信号的解调通常采用相干解调法，解调器原理框图如图所示。

图3.42PSK信号解调原理图

4硬件设计

4.1系统组成

SENS-01

电力线接口

接口转换电路

上位机A

220V

上位机B

接口转换电路

SENS-01

电力线接口

图4.1电力线载波通信模块框图

如图4.1所示，低压电力线载波通信系统由SENS-01嵌入式电力线载波模块和接口转换电路组成。

信号由一个上位机发出，经过接口转换电路将进入SENS-01模块，然后发送到电力线上。

通过220V电力线传输到另一个SENS-01模块，经过接口转换后送到另一台上位机，完成电力线上的发送和接收。

4.2电力线载波模块

SENS-01提供5V电源给用户的设备，波特率可选600,1200,2400,4800,9600或19200bps，具有TTL电平接口，可以直接与单片机的RXD、TXD连接完成数据从串口到载波的转发。

SENS-01嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能，可以在220V/110V，50/60Hz电力线上实现局域通信。

该模块为用户提供了透明的数据传输通道，数据传输与用户协议无关，由用户数据传输协议验证数据传输的正可靠性。

在同一台变压器下，多个SENS-01嵌入式电力线载波模块可以连接在同一条电力线上，在主从通信模式下，模块分别单独工作，不会相互影响。

图4.2SENS-01嵌入式电力线载波模块实物图

ABC是3个通讯波特率选择输入端，ABC有内部上拉电阻，悬空为高电平，要输入为0，则可把端口接地就可以了，若为19200，则可以全部悬空。

两个通讯模块的波特率必须要设置相同。

表4.1ABC和波特率对应表

ABC=[111]

19200,default

ABC=[11