基于ST7538的一种低压电力载波模块设计

雷 钢，时 伟，张晓民

(中州大学工程技术学院，郑州450044)

当前，电力载波通信技术在以高压电力线为通信载体方面，已经取得了很大的成功，应用领域非常广泛。但是在低压电力线上的应用并不理想，由于其负载情况复杂，其随机性等种种因素的影响，主要在输入阻抗、噪声、信号衰减等方面都有较大影响，如输入阻抗变化大、信号衰减大、时变性强以及噪声干扰性大等。由于上述种种不利因素的影响，使得低压电力线载波通信的信号传输与中高压电力线上信号传输存在较大差异，所以影响了该技术的实际推广和应用。

近几年来，由于电力线载波技术不断发展，加之人们的迫切需要，电力线载波通信技术在中、低压技术方面也有了很好的提高，且显示出良好发展的大好形势，不仅能够提高供电部门整个抄表系统的运行可靠性，提高电力系统的经济效益，还可以扩展到其他行业，如电力、交通、银行、消防、商场等各个领域服务，这将产生具有巨大的社会和经济效益。所以低压电力载波成为电力通信领域内的一项热门课题。

本文通过对国内外低压电力线载波技术的了解和研究，拟搭建出一个实际的、以ST7538为核心的低压电力载波通信系统。为智能小区内以家用电气设备为控制对象的载波模块的提供了设计方案。通过研究，可进一步促进低压电力线载波技术的发展。它不仅提高了该通信技术的应用范围，还能为今后开发基于扩频通信技术的低压电力载波通信应用系统提供基础。

1．低压电力载波模块硬件电路设计

1．1 系统结构

低压电力线载波通信的原理结构与其他通信方式是相近的，信息的传输基本上都要有信源、信道、信息的收发端以及相应的接口电路等，只不过低压电力载波通信的信道是低压电力线。其系统框架图可表示为图1所示。

图1 低压电力线载波通信的系统原理图

从图1中可通信设备分主通信和从通信两种，分别对应信息的发送端和接收端。由图中箭头方向可清晰的看到其信息传递的全过程，简单地说，就是信源提供信息经发送端输出→通信接口电路→微控制器→信号调制→电力线接口→电力线→电力线接口→信号解调→微控制器→通信接口电路→信号最终由接收端接收。本系统所用接口电路为串口电路;微控制器为宏晶科技公司的STC12C4052单片机;信号的调制解调芯片就是ST7538芯片。

在实际设计中为了便于后期的系统集成和利用，将整个电路分成三个单元电路设计。①系统电源部分，采用开关电源，为系统提供+/－12V工作电源。②电力载波芯片(信号调制解调)与电力线接口电路;随着微电子集成设计的不断进入，选择一种集各种放大电路、保护电路和接口电路于一身的集成电路也是容易，这既大大减小了通信设备的体积，又完善了电路功能。该模块能完成的工作不仅是电压或功率的放大和各项保护，还能进行电路的滤波和耦合。对外只开放串行通信接口线，方便二次利用。③应用层电路设计，在具体的应用环境中使用上述集成模块，两者之间通过串口通信，即制作应用接口板测试电路，检验模块的远程通信的可靠性，实验中通过继电器开关输出实现对电器设备远程控制功能。

1．2 开关电源电路设计

系统电源电路设计如图4－11所示，为系统提供+/－12V供电电压，使用TinySwitch－II电源芯片TNY268，具有性价比高、外围电路简单、效率高、功耗低等显著优点。

图2 开关电源电路图

1．3 接口电路设计

芯片ST7538与低压电力线相连的接口电路就是电力线接口。前面我们提到过，载波芯片与电压电网相连只需经过简单的耦合电路即可，所以在该接口电路的功能设计上，必须要有耦合功能。除此之外，为减小各种干扰信号的影响，需增加滤波功能;还有为提高传输距离，需考虑增加放大功能;以及在工作提高可靠性方面，还需加设必要的保护功能。综上考虑，设计出芯片ST7538与低压电力线相连的接口电路如图3所示。

发送信号的过程从芯片ST7538的第19引脚输出后，需经过电压放大TL072C环节、输出电压反馈控制环节、发送放大电路电源控制环节、功率放大BD237BD238环节以及耦合保护窄带滤波环节;而信号接收过程环节相对较少，从低压电力线输入后，经耦合保护窄带滤波环节和电压放大TL072C后，传入芯片ST7538第32脚，这两个环节在整个过程中都在工作，也无需放大电路电源控制环节和输出电压反馈控制环节。

2．软件设计

为简明扼要地表达出系统软件工作流程，特将该系统中的通信接口、微处理器和载波调制解调看作是一根连接低压电力线和电力线接口的纽带。经简化后得出低压电力载波通信系统软件流程图，如图4所示。

图3 芯片ST7538与低压电力线相连的接口电路

由图4可知，其软件工作流程如下:首先系统通电开始进行端口的初始化工作，再对用户设置的波特率、帧长和信号通信方式等进行检测，再根据其检测结果发送载波芯片中控制寄存器的控制字，然后就开始了从电力线接收数据的工作，接下来可分两种情况分析:第一种情况是当FSK载波信号和同步字都检测到时，就可进入信号数据接收状态;第二种情况，当前者检测中任何一个条件不满足时，则即刻进入到SCI通信接口数据检测环节。

图4 系统软件流程图

接第一种情况分析，信号数据开始接收直至数据接收完毕，再进行译码检测过程，一旦出错经错误处理后再重新接收数据，数据检测无误后进行SCI通信接口接收中断状态检测，如果中断打开，则进入延时等待查询，直至中断关上后，再开启SCI发送中断请求，然后再经SCI通信接口向通信终端发送数据，直至数据发送完毕后，再返回至第一情况前的FSK载波信号和同步字检测工作。

接第二种情况分析，SCI口若没收到数据，直接返回至FSK载波信号和同步字都检测前。一旦收到数据后，即刻发送开SCI接收中断请求，进入到SCI口数据接收状态，直至数据接收完毕，否则返回继续接收。接收完毕后发送关SCI口接收中断请求，一旦SCI发送中断打开，进入延时等待查询，直至中断关上后，开始向电力线发送数据，直至数据发送完毕，否则返回继续发送，当数据发送完成后，又返回至第一情况前的FSK载波信号和同步字检测工作。如此循环往复的工作。

经过仔细考虑，选择了实验室较易实现、节省时间的方案:对市电中的智能小区中家用电器(电灯)的远程控制。主要通过低压电力载波通信技术来传输控制电灯的信号，进而实现实时对电力线路运行情况进行监控，当电力线路等设施遭到破坏时能够及时报警，达到使工作人员做到及时处理减小损失的目的。

3．结束语

随着科学技术的不断进步，低压电力载波通信在信息传输的有效性和可靠性上已有了很大的改善。目前国外都在致力于推广其应用范围，我国电力系统拥有遍及全国各个角落的网络资源，而这些资源是建设本地宽带网络接入的物质基础。遍布城乡的配电线路和杆沟，也为实现用户接入系统的宽带化提供了便利条件，这项技术势必将会大放异彩，其发展空间尤为广阔。

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