1 引言
電力載波通信是電力系統特有的、基本的通信方式，是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。由于使用已廣泛存在的電力線作為通信信道，無需特殊維護信道，使得工程造價大幅度下降。該技術大量運用在路燈控制，電力線防盜，惡劣環(huán)境通信等需要長距離，多節(jié)點的情況。但由于國內電網的復雜性與多樣性，比如當居民用電高峰時，大量負載不斷的接入與斷開，都會對載波信號產生不同程度的衰減與干擾作用；當載波信號調制在電力線上時，在每個交流周期的峰值點，產生的固定脈沖，極易使信號丟失；而且現有的電力載波模塊售價較高，需要高性能的單片機支持。因此電力載波還需要大量的研究，才能實現更廣闊的應用［1～2］。
本文研究目的是在使用一般的單片機下，采用FSK的調制技術實現電力載波通信，并優(yōu)化算法，提供函數接口，使電力載波通信更易使用，并能保證通信數據傳輸的準確性在96%以上。
2 系統整體設計結構
該系統主要完成的功能是實現上位機通過串口將數據發(fā)送給單片機，由單片機以FSK調頻方式調制信號，通過推挽輸出電路將載波信號耦合在電力線上進行信號傳輸。而處于電力線另一處節(jié)點，則通過檢波輸入電路，功率放大電路以及軟件的算法處理，將載波信號還原成原信號，校驗后，通過串口發(fā)送給另一臺上位機。信號輸出和輸入皆提供函數接口，用于用戶工程的后續(xù)開發(fā)［3］。
圖1 系統整體設計結構圖
3 系統整體軟件設計
3.1 系統整體軟件流程圖
在單片機開始運行時，對各個定時器，I\O口以及系統時鐘完成初始化之后，會等待5s，然后檢測對應的波特率選擇I\O口以及電力載波模式選擇I\O口，完成所有的初始化。當程序開始正常運行后，單片機會不斷接收串口信號和電力載波信號，并將接收到信號校驗后轉發(fā)出去。
圖2 系統整體軟件流程圖
3.2 電力載波模式的選擇
不過零模式主要運用在直流或無壓狀態(tài)下，而過零模式主要運用在交流狀態(tài)下。由于居民使用的交流電都為50Hz頻率，即在每一個周期內，都會出現一次峰峰值與峰谷值，而這兩次峰值對載波通信傳輸來說會有兩次較大的脈沖干擾，即電力線上存在著固定的100Hz的脈沖干擾。除此之外，各次諧波還會出現200Hz或者300Hz等的脈沖干擾。而正是由于這些固定存在的干擾，系統在交流狀態(tài)下必須選在在電壓過零點時進行電力載波通信，即此時各次諧波在過零點時電壓也為 0，從而避免固定脈沖的干擾，保證數據傳輸的準確性［4］。
如下圖3所示，在過零模式下，由函數信號發(fā)生器產生50Hz的觸發(fā)脈沖，上位機以10ms的周期發(fā)送數據0xaa時，檢測信號耦合的輸出端。載波信號會在每次過零時傳輸，當該次未能成功檢測到過零點時，則等待下次重新檢測到過零點時繼續(xù)傳輸。而每次傳輸一個字節(jié)的數據，加上校驗位和起始位，每次傳輸的時間約為1ms。
圖3 過零模式實際測量圖
3.3 采用FSK方式發(fā)送載波信號
為了能使載波信號傳輸過程中具有較好的抗噪聲與抗衰減的性能，采用FSK（Frequency-shift keying）數字調制技術。由單片機PWM模塊提供100k和120k的載波頻率，可以使信號切換更加方便。
FSK 調頻技術，即二進制頻移鍵控由幅度恒定不變的載波信號的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音，代表二進制的0和1）。在本系統中，采用120k 的載波頻率代表0，100k的載波頻率代表1。為了讓每一位信號切換之間減少相位的不連續(xù)，同時發(fā)送足夠多的信號以便檢波輸入端采集，選定每一位信號的發(fā)送時間為100ms。即在120k下會發(fā)送12個方波，100k下會發(fā)送10個方波，這樣1和0的切換之間就不會有多余的波形。
由于在電力線一側有大電容的存在，在每一次進行電力線傳輸之前，會先發(fā)送一位0，作為起始位。否則，第一位的數據耦合時易受到電容充放電的影響，會有很大的誤差存在。
3.4 采用多次比較方式采集載波信號
當單片機的定時器采集到第一次信號輸入時，即產生中斷，并開啟100ms定時器，記錄下當前中斷定時器的值，繼續(xù)采集信號。直到采集到七次中斷后，關閉中斷定時器。計算每次中斷之間的時鐘數，即算出該信號的頻率，當其在100kHz左右時，1的標志位加1，當其在120kHz左右時，0的標志位加1，最后判斷該位的數值。在100ms定時器溢出時，重新開啟中斷定時器，開始接受下一位數據，直到所有數據接收完成。若是中斷定時器在100ms內一直未能中斷，直到溢出，則清除接收到的數據，重新等待信號輸入。
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