引言

　　電力線通信 (PLC) 是一種通過現(xiàn)有電力線纜發(fā)送數(shù)據(jù)的通信技術(shù)。該技術(shù)可采用半雙工方式在 PLC 節(jié)點(diǎn)之間傳輸電力與數(shù)據(jù)。由于能通過相同線路同時(shí)傳輸電力及數(shù)據(jù)，因此 PLC 技術(shù)無需使用額外線路與設(shè)備互聯(lián)。PLC 可為各種廣泛應(yīng)用提供低成本通信媒介，充分滿足可能采用其它技術(shù)組網(wǎng)成本過高的環(huán)境需求。作為通信技術(shù)，PLC 可分為兩大類：

　　● 寬帶 PLC 適合互聯(lián)網(wǎng)等高速寬帶網(wǎng)絡(luò)連接。它一般工作在較高頻率(1.8 至 250MHz)和高數(shù)據(jù)速率(高達(dá)數(shù)百 Mbps)下，多為較短距離應(yīng)用使用。

　　● 窄帶 PLC 適用于需要窄帶控制或低帶寬數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，這些應(yīng)用注重低成本和高可靠性。它一般工作在較低頻率(3 到 500KHz)和較低數(shù)據(jù)速率(幾百 kbps)下，具有較大的覆蓋范圍(達(dá)數(shù)公里)，該覆蓋范圍可通過中繼器擴(kuò)大。

　　根據(jù)底層電力線特征，PLC 還可進(jìn)一步細(xì)分為 AC 電力線 PLC 和 DC 電力線 PLC。

　　世界各地許多公共事業(yè)單位都選擇 AC 線路窄帶 PLC 用于其智能電網(wǎng)項(xiàng)目。他們通過按日、甚至按設(shè)備或應(yīng)用監(jiān)控用電情況，提供能夠激勵(lì)消費(fèi)者調(diào)整用電的定價(jià)結(jié)構(gòu)，從而可減輕峰值負(fù)荷，避免興建新的電廠。

　　PLC 在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的廣泛采用已引起對 AC 電力線 PLC 的高度重視。不過在家庭網(wǎng)絡(luò)、照明和太陽能應(yīng)用以及交通運(yùn)輸車輛(飛機(jī)、汽車和列車中的電子控制)中，DC 電力線窄帶 PLC 也在興起。在這些應(yīng)用中使用 PLC,可降低布線復(fù)雜性、重量以及通信的最終成本。

　　在本文中，我們將重點(diǎn)介紹 DC 電力線 PLC 的使用，并提供可幫助客戶迅速有效采用這一技術(shù)的參考設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)集成人員常提出這樣的問題：如何比較 DC 電力線 PLC 和低功耗無線技術(shù)的優(yōu)劣?雖然 DC 線路 PLC 和低功耗無線都不需要新電線布置，但使用 PLC 時(shí)，連接或位于地下，或穿越墻壁，或處于墻角。該通信通道歸運(yùn)營商或公共事業(yè)單位所有，因此不存在共享帶寬風(fēng)險(xiǎn)。PLC 沒有視線限制，不受天氣影響。

　　DC PLC 解決方案的高靈活性

　　開發(fā)一款有效 PLC 解決方案有其難度。一般電力線噪聲大，需要穩(wěn)健的系統(tǒng)架構(gòu)才能確保數(shù)據(jù)可靠性。每個(gè)最終應(yīng)用及工作環(huán)境都不同，因此需要靈活的設(shè)計(jì)來適應(yīng)各種不同的條件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一款高靈活平臺，其不僅可幫助他們根據(jù)每種應(yīng)用的具體要求優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且還能讓設(shè)計(jì)適應(yīng)未來出現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)和新市場機(jī)遇。通過這種方式，可以在多種應(yīng)用中重復(fù)使用知識產(chǎn)權(quán)，加速開發(fā)及產(chǎn)品上市進(jìn)程，并不斷擴(kuò)大市場機(jī)遇。

　　實(shí)現(xiàn)高靈活性的關(guān)鍵點(diǎn)是軟硬件的模塊化架構(gòu)。將復(fù)雜的 PLC 系統(tǒng)拆分為多個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，開發(fā)人員可在無需全部重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的情況下修改設(shè)計(jì)的某個(gè)方面(比如所使用的調(diào)制方案或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)。各種可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的部分實(shí)例包括：

　　● 調(diào)制方案：軟硬件層面的高靈活性有助于開發(fā)人員為具體應(yīng)用實(shí)施最高效率的調(diào)制方案。例如針對窄帶通信提供的幾個(gè)調(diào)制方案，包括展頻移鍵 (S-FSK) 與正交頻分多路復(fù)用 (OFDM) 調(diào)制等;

　　● 通信協(xié)議：為實(shí)現(xiàn)互操作性，設(shè)備可能需要符合具體協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)人員通過使用高靈活平臺，既可輕松實(shí)施常用的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)(包括 S-FSK (IEC61334)、PRIME 和 G3)，也可實(shí)施能滿足其應(yīng)用特定需求的定制協(xié)議。

　　圖 1:PLC 通信協(xié)議的比較

　　現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對窄帶 DC PLC 應(yīng)用規(guī)定很少，而且在許多應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)處于獨(dú)立狀態(tài)。在這些情況下，可以使用較為簡單的通信協(xié)議棧。這類較簡單專有協(xié)議棧的一個(gè)具體實(shí)例是德州儀器 (TI) 的 PLC-Lite(圖 1)。該協(xié)議棧特別適合不需要 G3 及 PRIME 復(fù)雜性、但仍然需要穩(wěn)健通信通道的低成本環(huán)境及應(yīng)用。

　　對于樓宇網(wǎng)絡(luò)(只需幾 Kbps)中的簡易燈泡或墻壁開關(guān)而言，PLC-Lite 是理想的解決方案。PLC-Lite 不僅提供 21Kbps 的最大數(shù)據(jù)速率，而且還支持全頻帶和半頻帶模式。它可針對某種類型的干擾提供更高的穩(wěn)健性，其中包括可影響 G3 鏈路的窄帶干擾。PLC-Lite 包含簡單的載波感測多路訪問與沖突避免 (CSMA/CA) 介質(zhì)訪問控制 (MAC) 層，其能夠與任何應(yīng)用協(xié)議棧集成。

　　由于結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)速率較低，因此 PLC-Lite 每鏈路的實(shí)施成本明顯較低。此外，它還可帶來極高的靈活性，允許設(shè)計(jì)人員在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限制以外定制通道鏈路。圖 2 是 PLC-Lite 完整特性集的總括。

　　圖 2:TI PLC-Lite 的特性

　　電力線接口挑戰(zhàn)

　　對于 DC PLC 實(shí)施而言，在系統(tǒng)中連接電力線會(huì)帶來另一重需要解決的挑戰(zhàn)。部分特定問題方面包括：

　　● 多重節(jié)點(diǎn)支持的阻抗控制;

　　● 任何電源開關(guān)的 PLC 濾波;

　　● 實(shí)現(xiàn)可靠 AC 耦合所需的電力線耦合保護(hù)電路。

　　(1) 多節(jié)點(diǎn)支持

　　大多數(shù) DC PLC 實(shí)施需要支持通過單根電力線總線連接的大量節(jié)點(diǎn)(幾十個(gè)到幾百個(gè))，以帶來實(shí)用性。要讓傳輸信號在沒有明顯衰減的情況下達(dá)到所有節(jié)點(diǎn)，主要要求體現(xiàn)為我們熟悉的等式：

　　源阻抗 《 負(fù)載阻抗 (等式 1)

　　我們會(huì)在參考設(shè)計(jì)中說明如何達(dá)到這一點(diǎn)。對于以下分析，假設(shè) PLC-Lite 的調(diào)制頻率大約為 40KHz.我們隨后可計(jì)算 PLC 節(jié)點(diǎn)的源阻抗(等式 2)。

(等式 2)

　　其中：

　　c = C6 = 22 μF (圖 3)

　　圖 3:輸入耦合級電路

　　假設(shè)給定接收器節(jié)點(diǎn)的負(fù)載阻抗和在發(fā)送器節(jié)點(diǎn)上看到的一樣，大約為 30Ohm.在新增多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于負(fù)載是阻抗的并聯(lián)組合，因此可降低該負(fù)載阻抗。例如，如果系統(tǒng)中有九個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可計(jì)算通過一個(gè)發(fā)送器節(jié)點(diǎn)可以看到的總體負(fù)載阻抗，如等式 2 所示。

　　下面以兩種情況為例。一種情況是：一個(gè)發(fā)送器(主)節(jié)點(diǎn)和四個(gè)接收器(從)節(jié)點(diǎn)。另一種情況是：一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和九個(gè)從節(jié)點(diǎn)。根據(jù)等式 2 的計(jì)算，源阻抗要求會(huì)隨從節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化而變化。

　　● 9 個(gè)(接收器)+ 1 個(gè)(發(fā)送器)= 10 個(gè) PLC 節(jié)點(diǎn)，負(fù)載阻抗 = 30/10 = 3 Ohms;

　　● 4 個(gè)(接收器)+ 1 個(gè)(發(fā)送器)= 5 個(gè) PLC 節(jié)點(diǎn)，負(fù)載阻抗 = 30/5 = 6 Ohms

　　圖 4:一個(gè)發(fā)送器、沒有接收器的測試結(jié)果[!--empirenews.page--]

　　圖 5:1 個(gè)發(fā)送器和 4 個(gè)接收器的測試結(jié)果

　　如圖 4、圖 5 所示，隨著從節(jié)點(diǎn)的增多，調(diào)制信號的幅度有明顯變化。在前面的設(shè)置中，DC 線路是以探針方式與示波器連接的(AC 耦合)。按下 PLC 節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)外部開關(guān)，即可觸發(fā)示波器，隨后生成一個(gè) PLC 通信猝發(fā)。

　　(2) 任何電源開關(guān)的 PLC 濾波

　　DC PLC 設(shè)計(jì)過程中的另一個(gè)挑戰(zhàn)是 PLC 節(jié)點(diǎn)必須使用 DC 電源才能生成本地電壓(15V、3.3V)并調(diào)制相同的 DC 電源。如果不采用適當(dāng)?shù)臑V波技術(shù)，在這種情況下 DC/DC 開關(guān)電源就會(huì)對 PLC 調(diào)制造成干擾。

　　圖 6:電源濾波電路

　　如圖 6 所示，低通濾波器可將 PLC 調(diào)制信號從開關(guān)穩(wěn)壓器中分開。低通濾波器的 Fc 可根據(jù) PLC 調(diào)制占用的頻帶進(jìn)行計(jì)算。由于 PLC Lite 占用 42KHz 到 90KHz,因此在 L=360 μH (180 μH + 180 μH) 和 C=1 μF 時(shí)，該低通濾波器的 Fc 就為：

　　(3) 可靠 AC 耦合的電力線耦合保護(hù)電路

　　APLC 模擬前端 (AFE) 會(huì)受 DC 電源浪涌的影響。因此必須設(shè)計(jì) AC 耦合級，PLC 節(jié)點(diǎn)才能在惡劣環(huán)境中可靠工作。

　　圖 7:第一級 AC 耦合

　　圖 8:第二級 AC 耦合

　　為確保整體系統(tǒng)可靠性，DC 線路不直接 AC 耦合至 AFE 器件。該線路會(huì)經(jīng)過兩級 AC 耦合流程(圖 7、圖 8)。在第一級中，DC 線路先 AC 耦合至一個(gè)有 TVS 保護(hù)的中間級，這樣可針對 43.5A 的浪涌峰值電流將電壓浪涌限制在 9.2V.在該級中共模偏向接地。在第二級 AC 耦合中，數(shù)據(jù)在 7.5V DC 偏置電壓下 AC 耦合至 AFE 器件。

　　參考設(shè)計(jì)

　　DC(額定 24V)電力線通信 (PLC) 參考設(shè)計(jì)旨在作為評估板幫助用戶為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)最終產(chǎn)品，充分利用該功能在同一 DC 電力線上實(shí)現(xiàn)電力傳輸與通信。該參考設(shè)計(jì)能夠以極小(大約 1 英寸的直徑)的工業(yè)尺寸為主從節(jié)點(diǎn)的硬件及固件設(shè)計(jì)提供完整的設(shè)計(jì)指南。設(shè)計(jì)文件包括原理圖、材料清單、布局圖、Altium 文件、光繪文件、帶應(yīng)用層的完整軟件套件以及簡單易用的圖形用戶界面 (GUI)。

　　應(yīng)用層不僅支持從節(jié)點(diǎn)，而且還支持主機(jī)處理器(比如 PC 或 Sitara ARM MPU)的通信(圖 9)。主機(jī)處理器只通過 USB-UART 接口與主節(jié)點(diǎn)通信。主節(jié)點(diǎn)隨后通過 PLC 與從節(jié)點(diǎn)通信。評估板 (EVM) 也提供簡單易用的 GUI(圖 10)，其不僅通過主機(jī)處理器運(yùn)行，而且還提供地址管理以及從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控及用戶控制功能。

　　參考設(shè)計(jì)針對每個(gè)從節(jié)點(diǎn)的源阻抗進(jìn)行了優(yōu)化，我們可將多個(gè)從設(shè)備連接至主設(shè)備。模擬前端 (AFE) 已經(jīng)添加了保護(hù)電路，能夠可靠 AC 耦合至 24V 線路。該參考設(shè)計(jì)的布局根據(jù) AFE031 大電流線跡的布局要求進(jìn)行了優(yōu)化。

　　圖 9:參考設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方框圖

　　圖 10:GUI 工具截圖

　　結(jié)論

　　在本文中，我們回顧了窄帶 DC 電力線 PLC 是各種工業(yè)應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)的有效工具的原因所在。該方案可充分發(fā)揮 AC 電力線應(yīng)用的 PLC 在現(xiàn)有智能電網(wǎng)部署中的成功使用優(yōu)勢。支持 PLC 的各種工作條件都需要高靈活軟硬件解決方案。此外，DC 電力線的連接也需要精心的設(shè)計(jì)考量，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)健地?cái)U(kuò)展至多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

　　為解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將 DC 電力線 PLC 成功運(yùn)用于自己的應(yīng)用，TI 推出了一款基于 TI 模擬前端 AFE031 及 C2000 微控制器[2]的 DC PLC 參考設(shè)計(jì)[1]。該參考設(shè)計(jì)配套提供完整系列的硬件設(shè)計(jì)文件、MCU 固件、基于 GUI 的應(yīng)用軟件以及極為詳盡的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果文檔。設(shè)計(jì)人員可輕松評估該平臺，有效構(gòu)建自己的最終應(yīng)用。