電力線通信(PowerLine Communication，PLC)是指建立在電力輸送網(wǎng)基礎(chǔ)上的、實現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間通信的系統(tǒng)^［1］。近幾年，與電信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)相比，電力線通信網(wǎng)以其資源廣闊、與家庭結(jié)合緊密等優(yōu)勢日益引起人們的關(guān)注，并得到快速發(fā)展。PLC的應(yīng)用已不限于簡單的點對點的傳輸，歐美一些國家正研究其在智能化小區(qū)及接入網(wǎng)方面的應(yīng)用，這是信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和信息家電出現(xiàn)的必然趨勢。專用通訊模塊的設(shè)計決定了這些功能是否能高質(zhì)量、低成本地實現(xiàn)，以及系統(tǒng)的安全性能和電力線高壓危險的防護。

1　基于Chirps的擴頻載波通訊技術(shù)和CEBus協(xié)議
1.1　基于Chirps的擴頻載波技術(shù)
　　對電力線這一強背景噪聲的信道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效手段就是擴頻(Spread Spectrum，SS)技術(shù)。擴頻技術(shù)就是用偽隨機碼將載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶低功率譜密度的信號來發(fā)送。這樣，在接收端使用恰當?shù)氖侄尉涂梢詫⑿盘柼崛〕鰜?，從而減少噪聲對信號的影響，保證了電力線網(wǎng)絡(luò)上的可靠通信。
　　如圖1所示，寬帶線性調(diào)頻利用一組掃描頻率作為載體，信號占用的頻帶寬度遠遠大于信息帶寬，可獲得很大的擴頻增益。

　　該掃描頻率是一系列短促的、可自同步的連續(xù)脈沖，又稱作“chirps”，每個chirps一般持續(xù)100μs，他代表了最基本的單位通信符號時間(UST)。他可通過不同的UST組合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其最大速率為10 kb/s。按照CEBus標準，這些信號頻率覆蓋了100～400 kHz的帶寬。在Intellon公司的SSCP300芯片中，掃描總是以200 kHz的頻率開始和結(jié)束，也就是說：400 kHz和100 kHz的頻率總是在每一個chirps的中間，這樣做的優(yōu)點是便于進行掃描信號的諧波抑制，并使數(shù)據(jù)傳輸中位與位之間的過渡變得比較平滑^［2］。另外，此種chirps波形具有很強的獨立性。
1.2　CEBus協(xié)議簡介
　　 CEBus是專門為家用電子產(chǎn)品通訊而制定的協(xié)議標準，又稱作FLA－600協(xié)議^[3]。美國電子工業(yè)協(xié)會(Electronicw Industry Association,EIA)聯(lián)合其他廠商，在1989年制定出一套家庭自動化控制規(guī)格的初步草案并在1992年發(fā)布，命名為CEBus(Consumer Electronic Bus)，目標是建立一個針對家用電子產(chǎn)品的開放性協(xié)議；開發(fā)一套通用的、廉價的、與制造廠家無關(guān)的通訊方法；允許用戶以很小的代價實現(xiàn)在系統(tǒng)中加入新的家電產(chǎn)品；減少家用電子產(chǎn)品設(shè)備功能的冗余。1997年，CEBus的EIA－600正式成為美國ANSI標準。
　　如圖2所示，CEBus采用簡化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層使用7種不同媒介，包括電力線、雙絞線、同軸電纜等，可以滿足不同應(yīng)用場合需要。CEBus的網(wǎng)絡(luò)完全面向報文分組(packet)，使用載波偵聽多路訪問和沖突檢測協(xié)議(CSMA)。采用“公共應(yīng)用語言”(Common Application Language，CAL)，設(shè)備之間可以互相訪問，從而知道一個設(shè)備所有的資源，工作狀態(tài)，并可控制該設(shè)備。

1.3　SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器簡介
　　Intellon公司的SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器是一種與CEBus總線兼容、高度集成的電力線網(wǎng)絡(luò)信號收發(fā)控制器。他利用傳輸穩(wěn)定可靠、通信保密程度高的擴頻載波技術(shù)，通過CRC校驗，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的安全傳遞。SSCP300提供了數(shù)據(jù)鏈接層(DLL)的控制邏輯，符合EIA－600標 準的通道訪問及通信服務(wù)，基于chirps的擴頻載波技術(shù)的電力線信號收發(fā)器，信號調(diào)整電路以及同數(shù)據(jù)處理及控制部分聯(lián)接的SPI(SerialPeripheralInterface)接口電路。

2　基于擴頻載波技術(shù)的CEBus通訊模塊的典型應(yīng)用
2.1　硬件設(shè)計
　　應(yīng)用這種基于擴頻載波技術(shù)的CEBus通訊芯片SSCP300組成的通訊模塊如圖3所示。

　　通訊模塊由3部分構(gòu)成：第1部分為微控制器，用于P300的通信及執(zhí)行特殊工作；第2部分為P300，他提供數(shù)據(jù)鏈路功能和物理層的協(xié)議服務(wù)；第3部分為電力線模擬功能，包括將信號耦合到媒體上，放大發(fā)送信號以及對輸入信號的濾波。
2.2　仿真研究
　　2.2.1　輸入濾波器
　　電力線上的干擾很大也很不確定，需要一個帶通濾波器，僅將帶寬100～400 kHz的信號送入P300的輸入端^［2］。由模擬帶通濾波器的傳遞函數(shù)及相關(guān)設(shè)計參考，構(gòu)造出了如圖4所示的無源六級LC濾波器。

　　 對該帶通濾波器進行性能仿真得到如圖5所示仿真結(jié)果。

　　在頻率從100～400 kHz變化時，增益的絕對值與帶外信號相比非常小，且變化不大，而帶外信號在40 kHz和1．0 MHz時衰減就已達30分貝。仿真結(jié)果表明了采用該帶通濾波器能夠達到預期的效果。
　　 2.2.2　輸出電路
　　從P300輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱而且還有高次諧波分量，因此在輸出端必須經(jīng)過濾波和放大。圖6和圖7是輸出濾波和放大電路及其伯德圖。

　　根據(jù)CEBus要求，輸出電壓幅度必須達到10 V，因此必須把P300的輸出信號放大才能耦合到電力線，本模塊中采用了一個運放構(gòu)成的跟隨器驅(qū)動SSCP111芯片(包含在圖3所示的輸出電路中)。SSCP111是Intellon公司生產(chǎn)8的媒介接口芯片。由于模塊與220 V電力線相連，各種保護電路必不可少。除高壓脈沖會破壞器件外，剛接通電源時，若電力線剛好處于電壓最大值，會有300 V的高壓直接作用于變壓器兩端，瞬間電流達到一個相當尖銳的脈沖，在脈沖出現(xiàn)后1μs仍有幾十伏的電壓，足以燒壞SSCP111，因此需要兩個肖特基二極管將電壓鉗位在額定范圍內(nèi)，電感的作用是阻斷窄高壓脈沖。

3　在家庭網(wǎng)絡(luò)電力線通信中的應(yīng)用
3.1　CEBus模塊軟件設(shè)計
　　該模塊中，由于at89c52單片機沒有提供專用的SPI接口，只有通過其P1口的5根口線及INT1引腳模擬SPI的工作。需要特別注意的一點是，由于單片機使用P1口線進行時序的模擬操作，而串口操作又是單片機讀寫數(shù)據(jù)中較為穩(wěn)定的一種通訊方式，因此進行時序操作時必然非常嚴格?！　?br />　　將P300的通訊模式設(shè)為數(shù)據(jù)鏈路模式(DLL)，工作過程是：
　　(1)初始化P300，包括：復位、片選、用Layer_＿Management_＿Write命令向Layer_＿Config_＿Info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寫入節(jié)點信息，得到確認后完成初始化。
　　(2)按照時序發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，INT信號會變低，并且進入中斷程序的相應(yīng)部分判斷通訊是否成功。
　　(3)有數(shù)據(jù)輸入時，INT信號也會變低，可由此進入中斷處理程序，用命令取回數(shù)據(jù)。
　　(4)標志位處理子程序的功能是根據(jù)Interface_＿Flag數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各標志位狀態(tài)來判定系統(tǒng)的通訊狀態(tài)，進行進一步操作。
3.2　系統(tǒng)原理圖
　　 如圖8所示，該通訊模塊可與各種智能家電一起構(gòu)成 家庭智能網(wǎng)絡(luò)，方便人們的生活。

　　每個單元都包含一個CEBus通訊模塊，可通過軟件寫入該電器的識別信息。主控單元微處理器與PC機相連，提供以下功能：
　　(1)接受來自PC機的數(shù)據(jù)。
　　(2)識別來自不同電器的地址信息。
　　(3)按照CEBus協(xié)議完成交換數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
　　(4)把從受控電器傳來的數(shù)據(jù)返回PC機。
　　受控單元CEBus模塊的功能：
　　(1)接受來自主控機的信號。
　　(2)對信號進行CRC校驗，發(fā)現(xiàn)有誤要求重發(fā)。
　　(3)對正確接受的信號進行協(xié)議轉(zhuǎn)換送回家電。
　　(4)返回給主控單元一個成功接受信息。

4　結(jié)語
　　由于這種模塊采用了擴頻載波技術(shù)，將其應(yīng)用在通訊距離不超過50 m的家庭網(wǎng)絡(luò)中，取得了良好的效果。但其主體通信芯片P300的通訊速率并不高，為10 kb/s，因此這種模塊不適合應(yīng)用在通訊量較大的場合。