摘 要： PL3105是為智能控制設計的電力線通信專用芯片，具有8051指令兼容的高速微處理器、直序擴頻的載波通信等強大功能。介紹了PL3105的主要特點及其載波通信原理，分析針對載波通信應用的硬件、軟件設計方法。
關鍵詞： PL3105；直接序列擴頻通信；載波通信
電力線載波通信PLC(Power Line Communication)是指利用高壓電力線(35 kV及以上電壓等級)、中壓電力線(10 kV電壓等級)、低壓配電線(380/220 V用戶線)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。電力載波通信以電力線路為傳輸通道，具有通道可靠性高、投資少、見效快，與電網建設同步等得天獨厚的優點，因而成為當前通信研究的一個熱點領域。電力線載波通信芯片是電力線載波通信系統的核心，PL3105是為智能儀表應用設計產品，它除了具有功能強大的微處理器外，在高精度模/數轉換以及電力線載波通信方面具有更大的優勢，它內嵌的直擴單元是專門針對我國電力網絡惡劣的信道環境所研制開發，具有更強的抗干擾能力、更高的數據通信速率和更大的軟件可配置靈活性。
1 低壓電力線載波通信系統硬件電路設計
1.1 PL3105載波通信原理
PL3105載波通信原理如圖1所示，數據由主機A(或主機B)的串口RS-232發出，通過PC接口電路進行電平轉換后送入PL3105。在PL3105中，先由擴展串口UART(通用異步收發器)接收數據，經內嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對數據進行直接序列擴頻，擴頻后的信號經120 kHz的載波頻率調制后輸出。此信號通過電力線接口電路進行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線上，實現電力線載波通信。在接收端，經過電力線接口電路將電力線上的信號耦合出來并對信號進行濾波限幅。限幅后的信號送入PL3105進行捕獲、同步及解擴處理，經由內嵌8051處理，由PL3105的UART串口發送數據。數據經PC接口電路進行電平轉換后，經PC的RS-232接口送到主機B(或主機A)。
PL3105內部集成了PL2101電力線載波通信模塊，載波通信的擴頻解擴工作完全由PL3105內部的硬件電路實現。載波通信采用直接序列擴頻的DPSK調制解調方式：將要發送的信息用偽隨機序列擴展到較寬的頻帶上，在接收端用同樣的偽隨機序列來進行同步接收，恢復信息。接收的過程包括載波信號的捕獲和同步。捕獲和同步過程由載波通信控制單元的硬件電路自動完成。
在實際應用中，兩個PL3105可分別作為中心控制器和智能節點，一方與計算機連接實現人機交互，另一方與各電器(或其它需要控制的設備)相連，控制相應設備進行動作。
1.2 系統硬件結構
系統硬件包括主控芯片PL3105電路、載波數據收發電路、串口通信電路及電源電路。
PL3105電路主要為晶振、陶瓷濾波等電路，根據芯片資料即可連接。
串口通信電路采用RS－232連接方式，采用美信公司生產的專用電平轉換芯片MAX202芯片。
電源電路提供+12 V，+5 V電源，電源取自普通電力插座，為220 V/50 Hz工頻交流電，由電源變壓器引入，在電源變壓器的二次側可獲得+12 V的電壓。濾波電容的輸出端接+5 V的三端穩壓器7805，再經過濾波電容即可得到單片機和PL3105所需的工作電源(芯片供電電壓為5 V)。
載波數據收發電路包括功率放大電路、整形濾波電路、耦合電路及接收電路。
典型的載波發射電路如圖2所示，典型的載波接收電路如圖3所示。
2 系統軟件設計
2.1 通信協議
在電力載波通信的過程中，因為通信方式為半雙工方式，所以一定要有包含控制機制的傳輸協議，以確保數據的可靠傳輸。在本文所討論的通信協議主要任務是維持調制解調器和PC機之間的通信，采用幀傳輸的方式，即所有的數據和命令都是以幀的形式出現。
(1)通信接口
接口標準：PC機和調制解調器之間采用RS-232C通信接口，由于RS-232與TTL邏輯電平不同，因此采用MAX232進行電平的轉換。
接線方式：三線制工作方式，使用DB9型RS232C接口的第2腳-TXD，第3腳-RXD，第5腳-GND。
工作方式：半雙工，PL3105只能進行半雙工操作，不能同時收發數據。
通信格式：串行異步方式1，即標準的異步通信方式，每幀包括10個數據，包括1位起始位、8位數據位和1位停止位。
通信速率：2 400 b/s。
(2)報文格式
其幀結構見下表，并具體描述如下：
同步字符為四個字節的0FFH，是為了縮短PL3105在接收擴頻載波信號時捕獲同步的時間而設定的特殊字符。
同步幀頭包括兩個字節：09H和AFH。連續接收到這兩個特定字符即表示接收系統在硬件已經獲得同步，其后接收到的數據即為有效信號數據。
命令字是表征通信雙方控制與響應的特殊字符。在復雜的系統中應用，如在通信長度受限而采用中繼發送時和一發多收系統中，都可以在此處設置地址編碼和相應命令。電力載波終端將在這里設置一個字節的地址編碼，若接收機收到的地址字節與本機的相同時，則向載波終端發送出接收到的數據體；若接收到的地址字節與本機的地址不符，則不做任何響應。
數據長度Length為一個字節，表示載波發送和要接收到的有效數據體(Data Body)字節長度。
校驗碼采用冗余校驗碼(CRC)，對同步幀頭之后和校驗碼之前的數據進行冗余校驗。
幀尾用特殊字節AAH表示一幀數據的結束。
2.2 數據傳輸的軟件設計
載波通信為總線方式通信，所以載波模塊的常態必須設置為接收態，不同的載波模塊必須分配不同的通信地址。模塊接收到校驗正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規約進行應答。由于載波通信速率(500 b/s或250 b/s)相對于系統CPU主頻(4.8 MHz)低很多，為提高CPU效率，接收和發送一般均設計為外部中斷方式處理，每次進入中斷，完成對1位數據的接收或發送處理。
主程序流程圖如圖4所示。
3 實驗結論
在完成硬件電路設計、電路板加工、通信協議的制訂及軟件總體設計、編程后，只有通過測試才能證明它是否達到了設計目標。測試工作按從模塊到整體的思路逐步進行。將首先測試各個模塊電路性能，然后對整個系統的數據傳輸特性進行測試，進而分析該實驗系統性能的優劣。
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發送一幀數據給實驗板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RS232口上傳給PC機2，PC機2反饋一幀數據，經過上述過程，PC機1接到反饋的數據，如果接收的數據跟期望收到的數據一致，則判定為這次通信成功，否則失敗。
經測試，通信成功率達到98%以上，經實驗室檢測該系統能夠實現正常的通信功能。實驗證明，利用PL3105在低壓電力網中進行數據信號傳輸時，能在很大程度上克服電力線的強衰減、強干擾的缺陷，整個系統可靠性較高，電路模塊工作穩定，是一個較佳的選擇方案。
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