数字信号在电源供电线路上的载波传输电路设计毕业设计论文.doc

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1、毕业设计论文数字信号在电源供电线路上的载波传输电路设计摘要电力线路本身是用来传输电能的，因而在现代社会里它随处可见，是一笔巨大的财富。随着通信技术的不断发展，电力线通信技术日益引起人们的关注。电力线载波通信(PowerLine carrier communition)技术是将电力线作为通信媒介的一种通信方式。该方法可避免新的通信网络建设和投资，因而具有很大的方便性、免维护性和即插即用等特点，因而电力线通信的应用越来越广泛。电力线用于信息传输的不利因素是线路阻抗小、信号衰减大、时变性大和噪声影响大。故在系统开发中软件设计、器件的选择及电力线接口的设计是关键。本文主要介绍一个电力线载波芯片ST75

2、36和一个可下载程序的STC12C5A60S2单片机构成的FSK低压电力线载波通信系统的硬件电路设计方案。本文着重论证了系统及各个单元电路的实现方案，研究了以ST7536单片机为核心的核心系统设计，包括复位、晶振电路、收发电路及接口电路设计。同时系统的介绍了基于STC12C5A60S2单片机的编程线路的设计包括一个MAX232单片机-PC机接口电路、复位、晶振电路及接口电路。同时利用单片机编程软件keil编写简单控制程序，并实现程序的调试简单步骤、结果及误差分析。该通信系统利用现有的低压电力网作为信道，使用基于FSK的窄带电力线载波通信方式,实现数据传递和信息交换。具有不用布线、覆盖范围广、连

3、接方便、抗干扰性和抗衰减性、易于实现等显著优势，可以有效可行的实现电力线通信。关键词：电力线通信，载波通信，FSK调制，STC7536芯片，STC12C5A60S2单片机 DIGITAL SIGNAL IN THE POWER SUPPLY LINE CARRIER TRANSMISSION CIRCUITABSTRACTPower line itself is used to transmit electrical energy, which can be seen evetywhere in the modern society is a great asset. With the con

4、tinuous development of communication technology, power line communications technology is of growing concern.Power Line Communication (PowerLine carrier communition) technology makes the power line as a communication medium of communication. This method can avoid the construction of new communication

5、s networks and investment, and thus it has great convenience, maintenance-free and plug and play features, the PLC has been widely applied.Power Line unfavorable factors for the transmission of information is the line impedance, signal attenuation and noise . Therefore, Software design, device selec

6、tion and power line interface design is the key in the system development.This paper describes the hardware circuit design of a FSK power line carrier communication system which formed by a power line carrier chip ST7536 microcontroller and a downloadable ST12C5A60S2 SCM.This paper emphatically demo

7、nstrates the system and each unit circuit implementations , it makes the ST7536 MCU as the core of the core system which includes the reset, crystal oscillator circuit, transceiver circuit and interface circuit.It also introduces the system microcontroller which based on STC12C5A60S2 programming cir

8、cuit design includes a MAX232 SCM-PC computer interface circuit, reset, crystal oscillator circuit and interface circuit. At the same time using a simple microcontroller programming software keil writes the controller program, and debugs simple steps to achieve results and error analysis.The communi

9、cation system uses the existing low-voltage power grid as a channel FSK-based narrowband power line carrier communication method for data transfer and information exchange. With no wiring, covering a wide range of convenient connections, anti-jamming and anti-decay, the obvious advantage of easy imp

10、lementation, it can be effective and feasible implementation of PLC.KEYWORDS: PLC, Carrier Communication, FSK Modulation, STC7536 Chip, STC12C5A60S2 SCM目 录前 言1第一章 绪论21.1 课题研究背景及意义21.2 电力线通信的国内外研究应用状况31.2.1 国外发展31.2.2 国内发展31.3 电力线的发展前景展望41.4 本课题的任务5第二章 系统的设计方案72.1 传统的低电压电力线载波通信分析72.2 电力线载波通信调制技术概述72.

11、2.1 频移键控方式82.2.2 相移键控方式92.2.3 扩频通信方式102.2.4 正交频分复用122.3 电力线载波122.5 系统总体设计方案的构成162.5.1 串口通信模块设计方案的确定162.5.2 单片机控制模块172.5.3 FSK调制解调器模块192.5.4 电力线耦合模块23第三章 系统设计263.1 系统描述263.2 串口电路设计263.3 单片机电路设计273.4 FSK调制解调器模块电路设计283.5 电力线耦合模块电路设计33第四章 系统软件设计354.1 主程序软件设计354.2 ST7536发送和接收模块软件设计364.3 PC串口接收和发送程序38第五章

12、程序调试与结果分析395.1 ST12C5A60S2集成开发环境(IAR)与使用详解395.2 程序调试结果分析40结 论41参 考 文 献42致 谢43附 录44前 言电力线载波通信是电力系统通信专网特有的一种通信方式。它以电力线为信道，以变电站、发电厂为终端，特别适合电力调度通信的需要。而且，电力线载波通信系统具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继、距离长等一系列优点，目前我国110KV以上电力线载波通信电路已超过65万话路公里。在以数字微波通信、卫星通信为主干线而覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竟相发展的今天，电力线载波通信仍然是地区网、省网乃至全国网的

13、主要通信手段之一，从理论研究，到运行实践，我们都取得了可喜的成效，随着科技的迅速发展，电力线已成为一种新型的宽带接入技术，并且有着良好的发展前景。本文首先介绍电力线的几种常用的调制方式，然后综合考虑后以FSK调制解调为基本原则出发，设计了串口电路、微控制器模块、FSK调制解调模块和电力线耦合模块调试并基本达到设计要求。同时配置了一系列的外围电路来进一步完善系统，可以很好的实现PC-PC之间通过输电线路得数据交换，有广泛的应用前景。第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义电力线载波通信是利用电力线这种介质来进行载波传输的一种通信方式。电力线作为一种不用重新布线的基础设施，过去仅仅用于远程抄表、家居

14、自动化，传输速率很低，不适合高速信息传输。随着网络技术和信息技术迅猛发展，国内外开展利用低压电力线传输速率在1Mbps信息的高速电力线载波技术，该技术在现有电力线上实现数据，语音和视频等多业务的承载。高速电力线载波通信技术不断进步，可以传输数据、语音、视频和电力为一线的“四网合一”，是极富诱惑力，也充满了经济气息的一种技术。另外，电力线通信技术组网简单、成本低、可靠性高、易于实现受到越来越多的人的关注。特别是“十一五”规划中把电力线载波通信列入大力研究项目，其中低压电力线载波的发展对策明确把研究电线上网的技术原理和应用技术，探讨电线上网的政策和运营方式，努力为实现全面电线上网打好基础作为发展重

15、点。这些也是我们研究电力线载波通信的一种动力。目前，高速电力线载波通信技术仍然没有得到大规模的使用，这与自身技术不完善有很大的关系。众所周知，目前的电力线主要用来传输电能的。在线路上电压高、电流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性和稳定性提出的挑战。电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何解决这个问题成为电力线载波通信作为宽带接入问题关键。电力线对载波信号来讲是一个非常糟糕的环境，干扰和噪声大，线路阻抗很不稳定，信号传输损耗大。现在，国际上高速电力线载波通信采用的主要调制技术有三类：单载波类、扩展频谱类和OFDM(J下交频分复用)调制技术。本文全面系统

16、总结低压电力线载波通信原理及其相关技术的现有成果基础上，利用FSK调制的抗干扰性和抗衰减性，进行电力利用现有低压配电线路作为通信媒介，具有不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著优点。在日常生活领域中, 低压电力线载波通信逐步显示出其巨大的优势和潜力， 前景十分广阔。1.2 电力线通信的国内外研究应用状况1.2.1 国外发展电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理介质，因此，电力线载波通信作为上一世纪20年代的产物，现在利用电力线高速数据通信技术仍然是国内外许多大公司的热点。97年英国的Norweb通讯公司和加拿大Nortel(北电网络)利用丌发的数字电力线载波技术，实现了在低压配电网上进行的1

17、Mbits的速率数据传输的远程通信，并进行了该技术市场推广。随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbits发展到2、14、24Mbits甚至更高。国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片，其中主要有美国Intellon公司的14、54、85和200Mbits芯片，西班牙DS2公司45和200Mbits芯片等等。其中以美国Intellon公司的14 Mbits芯片应用最为普遍，大部分电力线载波系统都是基于该芯片开发的。目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展，在2004年启动了OPERA(Open PLC European

18、Research Alliance)的计划，致力于制定欧洲统一的PLC技术标准，推动大规模的商业化应用，并将PLC作为实现信息化欧洲的重要技术手段。美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究，并发布了第一个PLC标准HomePlu910。日本对PLC的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极推动的三个阶段。到目前为止，PLC的试验网络已经遍及各大洲许多国家，未来PLC商业化只是一个时间问题。1.2.2 国内发展电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期。在我国，四十年代已有日本生产的载波机在东北运行，做为长距离调度的通信手段。经过几十年的发展，目前已具相当的

19、规模和水平。我国电力线载波通信的现状：在以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竟相发展的今天，电力线载波通信仍然是地区网、省网乃至网局网的主要通信手段之一，仍是电力系统应用区域最广泛的通信方式，仍是电力通信网的重要的基本通信手段；从理论研究，到运行实践，我们都取得了可喜的成效。(1) 电力线载波无论是在所具有的规模范围、装机数量还是在从事人员数量上，都是空前的。在应用上，上至500KV线路，下至35KV乃至10KV线路，&127;都开通了电力线载波机。到“八五”初期，全国110KV及以上电力线载波话路公里数已达26&127;万，目前已达65万。电力线载

20、波名附其实地成为电力系统应用最为广泛的通信手段。 (2) 电力线载波通信综合业务能力有了很大的发展，由过去单独的调度电话业务发展到为开放电话、远动、传真、保护、计算机信息等综合业务。如葛沪500KV直流输电系统中，两换流站的运行数据的控制信息通过长达1053Km&127;的载波电路传送，实现了两站间的相互自动控制。 (3) 载波技术装备水平有了很大提高，从五六十年代双边带电子管ZDD-I/2&127;、ZS-3等发展到今天的ESB500、ZDD-27/36等全集成化单边带载波机，并推出了数字式载波机。&127;在一些重大工程中还陆续引进了一些具有国际先进水平的载波设备，解决了实际应用中一些国产

21、机暂时无法解决的问题，也为国产机的改进和提高提供了可贵的借鉴。 (4) 理论研究成果卓著。如在频谱管理上，采用了图论、地图色理论和计算机技术，提出了分段设计、频谱分组、电网分段或分区、频率重复使用等，并开发出了软件包，可实现用计算机进行设备管理、频率管理、新通道设计和旧通道改造、插空安排设备等。为适应现代通信技术的发展，数字式电力线载波机的开发研制也取得了实质性的进展。此外，传输理论、组网技术等方面的研究也不断有新的进展。 1.3 电力线的发展前景展望21世纪是国际互联网规模和速度发展最快的年代，其用户增长数量每年都在以指数形式增长，从最初的高科技数据网络发展成为人们工作、学习、生活中必不可少

22、的桌面工具。据有关市场研究公司预测，在2007年之前中国的宽带用户数量将达到5450万户，面对如此巨大的宽带用户市场，PLC的发展拉动了网络向千家万户的覆盖。PLC技术施工方便、使用灵活，能够利用已有的电力网这一广泛的基础设施把宽带网络接入到每个家庭，省去在接入方式上的重复建设，对于推进我国数字化进程必将产生积极的作用。同时，PLC技术在远程抄表、配网自动化、营销自动化、负荷管理等方面的广泛应用，将为实现我国的电网配售自动化、建设电力信息化平台，提供一个良好的网络基础和解决方案。 然而，由于PLC技术的传输速度和传输距离有一定限制，它的主要用途不是核心主干网络，而是通信网的外围和末端。发展PL

23、C技术的目的，不是取代光纤通信接入以及ADSL等其它宽带接入技术，而是作为以上技术的互补，在特定应用场合发挥各自的长处，为国家信息化建设节省投资，给广大网民带来利益。PLC在末端用户接入(最后100米接入)，即从楼内总配电室到每个家庭及入户后采用任意电源插座即能实现连接等功能，具有明显的优势。为此，末端接入的优势必将给已经有宽带网络运营基础的电信运营商和宽带接入服务商提供了增加用户接入率的商机1.4 本课题的任务完成以ST7536芯片为核心的电力线载波通信电路的设计，研究ST12C5A60S2单片机应用电路设计和串口通信的实现。通过电路对电力线上传输的信号进行处理，单片机系统再将采到的数据送到

24、上位机进行处理，实现数据的接收、发送和存储。同时实现一个通过串口实现单片机-PC的互联通信，来对ST7536芯片的控制。驱动程序、芯片输入输出端口的滤波电路的设计、数据传输线和直流供电线路的变压器耦合电路、扩展存储器等模块来实现对系统的扩充及完善。在完成硬件设计之后生产电路板，焊接完成整个系统电路，同时在硬件设计的基础上进行软件设计、调试，实现系统实现数据在电力线上的收发控制功能。最后完成毕业论文。本人完成的任务如下:1 系统方案的确定:先掌握课题内容方向，从图书馆及互联网检索相关信息。仔细阅读ST7536芯片和ST12C5A60S2单片机的pdf手册，了解所选芯片的功能和应用电路的接法。按照

25、模块化思想，把整个系统细分为几个模块，逐个弄清楚，调试通之后，才组成整个完整系统。自下而上，条理清晰。理论联系实际，在现有的系统板上先对要实现的各个模块逐个调试成功后，画相应的电路原理图。减少了设计的盲目性，一定程度上减少了差错避免了经济损失。根据所要达到的功能确定系统的设计方案和各个单元电路的设计方2 系统硬件和软件设计设计完成一个FSK电力线载波通信系统的设计。并实现一个通过串口实现单片机-PC的互联通信，来对ST7536芯片的控制，实现数据的接收、发送和存储。包括硬件设计，同时在硬件设计的基础上使用单片机编程软件keil进行软件编程和调试实现系统功能，最后完成毕业论文。第二章 系统的设计

26、方案2.1 传统的低电压电力线载波通信分析传统的低压电力线载波通信所采用的基本调制方式有幅移键控（ASK），相移键控（PSK），频移键控（FSK）。在此基础上，又派生出了差传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输，即用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高频率上，以避开电力线的强噪声干扰。分移相键控（DPSK），最小移频键控（MSK），四相移相键控（QPSK），正交幅值调制（QAM）等。这些调制方法最大的弱点就是去噪声能力不强，随着配电网结构的不断复杂和人们对低压电力线载波通信质量要求的不断提高，传统的载波通信技术已越来越不适应现代高速率、大容量的要求。电力线通信信道具有衰减和噪声

27、复杂多变的特征，因此要实现可靠、具有较高通信速率的通信系统，数字调制解调的方案应该从多个方面考虑。首先，要有较高的频谱利用率，这样才能适应电力线通信信道有效带宽窄的特点；其次，要有较好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带内，降低功率损失；另外，对信道的衰减特性和非线性特性要有较好的抵抗性，对噪声干扰要有很强的抑止能力，能在很低的信噪比情况下正常工作。2.2 电力线载波通信调制技术概述低压电力线上的信号干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性很大，难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述。但是，尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难，我们仍然认为用低压电力线作为通信信道是可行的，只是需

28、要采用一些特殊的技术手段。传统的数字调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。目前，低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术（SS）、正交频分复用（OFDM）技术发展，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷，大大提高通信系统的生存能力。2.2.1 频移键控方式 FSK调制也是电力线窄带调制中最常用的一种调制方式， 在第一代电力线芯片中得到广泛应用。频移键控是将所要传输的信息载荷在载波的瞬时频率变化上，即频率的变化反映信息的变化。每个字符组包括1个起始位（低逻辑电平） ，8 个数据位和 1 个停止位（高逻辑电平） 。数据包均由起始头文件引导。数字信号经过数

29、模转换，以一定的载频，用电压注入方式叠加在三相交流电上。通信两端采用异步、半双工方式收发信号。同时，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的，所以它也是一种恒包络调制。 FSK是利用载波的频率变化来传送数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。对于二进制频移键控(2FSK)信号，可用两个不同的载波频率来分别表示数字信号“1”和“0” ，其表达式为：式中 和 代表两个不同的载波频率, ， 和 分别是第n个信号码元的初始相位。 图2-2是输入的基带信号，即“0”和“1”的二进制序列。图2-2中，T为码元周期。 通常， 电力载波通信中的远动信号传输速率 为300 bit/s， 600bit/s，

30、 1200bit/s。一般取采样速率f=为的整数倍。 图2-3为连续相位2FSK信号图2-3为图2-2输入信号相应的连续相位2FSK信号波形， 其中载波频率 和分别代表数字信号“0”和“1” 。在 2FSK中，初始相位和 不代表任何信息，令为零相位。由图2-2也可发现，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加， 因此， 在产生 2FSK信号时可以采用模拟调频电路来实现。FSK 解调器将接收到的 FSK 信号解调并且以原来的二进制的格式进行存贮。一般来讲，可以附加带通滤波器用来抑制带外噪声，降低FSK发送器的谐波。2.2.2 相移键控方式 相移键控是用离散的基带数据信号去控制载

31、波信号的相位变化， 即数据信号的信息载荷在载波的相位变化上，利用载波相位的变化来传递信息。通过数据信号控制开关得以选取与数据信号相对相位的数字移相信号。 该方式通过调制载波的相位来传输数据，也是一种线性调制技术。在发生相位突变时，由于包络不恒定会导致在通过带限信道后频谱发生扩散。 PSK 是用载波的两种不同相位表示信号“0”和“1， 可取 0 和 两种取值，其时域表达式为： 式中：=；为载波角频率。 产生 PSK 信号一般有以下两种方法： 1. 调相法：将基带数字信号(双极性)与载波信号直接相乘的方法； 2. 选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。 在 PSK 系统中，

32、由于发送端是以某一个相位做基准的，因而在接收系统中也必须有对应的基准相位作参考，如果基准相位发生变化就会造成误码。考虑到实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的且不易被发觉， 由这种因素导致的现象称为 PSK 方式的“倒现象”或“反向工作”现象，所以在实际应用中必须尽量避免这种现象发生。在大信噪比条件下，PSK 的误码率比 FSK 要好。2.2.3 扩频通信方式扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信

33、息数据无关。 在接收端则用同样的码进行相关同步接收、 解扩及恢复所传信息数据。它是将待传送的信息数据用伪随机码(PN码)调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的PN码进行相关处理及解调，恢复原始信息数据。扩频通信在一定程度上可以提高频带内抗干扰的能力， 但是当载波信号由于阻抗不匹配而引起信号跌落时，扩频通信也无能为力。扩展频谱通信系统是对信息数据频谱扩展的一种通信系统。 要对信息数据的频谱进行扩展，其扩频所采用的伪随机码须有极宽且均匀的频谱特性。这种伪随机码就叫做扩频序列。扩频系统的性能同扩频码的性能有很大关系。对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应具有尽可能长的周期，

34、使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列； 扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本。因此，实际工程中，我们只能用伪随机或伪噪声（PN）序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序列。扩频通信要求扩频序列具有较好的自相关特性和互相关特性， 属伪随机序列（Pseudo Noise Sequence，即PN序列） 。其中最常用的有m序列（即最大长度线性反馈移位积存器序列） 、Gol

35、d序列、M序列（结构型非线性移位寄存器序列）等。扩频的主要特点就是发射机和接收机必须预先知道一个预置的扩频码或密钥，扩频码必须足够长，尽量接近类似于噪声的随机数字序列。但是，在任何情况下，他们必须保持可恢复性。否则，接收机将不能提取发射信息。因此，这序列是近似随机的，扩频码通常称为伪随机码(PRN)或伪随机序列。通常采用反馈型移位寄存器产生伪随机序列。 目前实现扩频有三种方式：直接序列扩频、跳频扩频和脉冲线性扩频（Chirp-SS)。扩频技术具有伪随机码调制和相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩频通信有许多优良特性， 如抗干扰性强、 抗多径干扰、 可以实现码分多址等。采用该技术，能在很大程度

36、上克服电力线的大衰减、强干扰的缺陷，提高了通信系统的能力。2.2.4 正交频分复用正交频分复用是一种多载波调制技术。 主要是把高速传输的数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具有较低的传输速率，并用低速数据流调制若干子载波。它把有效的频谱分成许多小的信道。它们相互重叠，并且在空间上彼此正交。重叠越大，分成的信道数也就越多。每个信道提供一个低的数据速率，众多信道加在一起就可以获得较高的数据速率和更有效的频谱利用率。 它具有频谱利用率高，信号调制解调易于实现等优点，同时可以较好地解决电力线通信信道的多径衰落和频率选择性衰落，已广泛地应用于电力线通信、无线局域网（WLAN）等技术领域。 由于OFD

37、M技术可以选用 IFFT/FFT方法来实现各个子信道的调制和解调，因此随着大规模集成电路技术和数字信号处理技术的飞速发展，OFDM 技术的实现变得极为容易。目前常采用 DSP 实现调制和解调，这种调制技术具有抗噪声、抗多径干扰、抗衰落等优点。扩频和 OFDM 都具有抗干扰能力强、通信速率高等特点，但是因为它们的调制原理不同，所以在实际应用中有一定的差异。主要体现在发射功率、调制效率、抗干扰性能、抗多径能力等方面。 由于FSK传输速率相对较低，频带利用率不高，但其实现简单，甚至可以用软件实现，因此仍得到了广泛应用。将 FSK应用到 PLC 中时，对其具体实现进行设计，使之能够与 PLC 的信道特

38、点相适应，以达到较好的传输性能。综合考虑到以上几种调制解调方式的优缺点以及实际情况，我们选择FSK作为调制解调模式。2.3 电力线载波 图2-1 电力线原理框图如图2-1所示为实现电力线载波通信的原理框图。图中A端为发电厂、B端为变电所，发电厂产生的50Hz电流经升压后，通过电力线送到变电所，再经降压后供给用户。利用电力线实现载波通信，最重要的问题是如何把高频信号安全地耦合到电力线上。常用的耦合采用图中所示的相地耦合方式。它由耦合电容C和结合滤波器F组成。耦合电容器和结合滤波器构成一只高通滤波器，它使高频信号顺利通过，达到了将高频信号耦合到电力线的目的。而对50Hz电流具有极大的衰减，防止50

39、Hz电流进入载波设备，达到了保护人身和载波设备安全的目的。图中电力线上很高的50Hz电压，由于频率低，电压几乎都降落到耐压很高的高压耦合电容器两端，结合滤波器的变量器线圈上所降电压无几，这样的耦合是非常安全的。阻波器T是一个调谐电路，其电感线圈时能通过很大50Hz电流的强流线圈，保证50Hz电流的传送，而整个调谐电路谐振在高频信号的频率附近，阻止高频信号通过，起到防止发电厂或者变电所母线对高频信号的旁路作用。总之，利用这些线路设备，耦合问题得到了解决。 图2-2 电力线载波设备框图电力线载波通信在两个方向采用两个不同的线路传送频带在同一相电力线上来回传送，是双频带二线制双向通信。其具体过程为：

40、A端的语音信号(O334kHz)经差接系统，与频率为斤的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到高频，成为f+(O334)kHz的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分，经结合滤波器Fl、耦合电容器C1送到电力线的耦合相线上。由于阻波器Tl的存在，高频信号沿电力线传输到B端，再经过B端的C2、F2送入B端载波设备。中心频率为f1的收信带通滤波器滤出斤+(0334)kHz的高频信号，经过放大、解调以后得到A端的语音信号。按照相同的方式，将B端的语音信号通过厶+(0334)kHz的高频信号传输到A端，这样就可以实现双向电力线载波通信。电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。但电

41、力线载波设备与电力线连接时，必须通过线路设备。实际上，线路设备中的阻波器和耦合电容器、结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。图1.2中可见，电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。它所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。使用频率过高线路衰减将增得很大，通信距离受到限制；而使用频率太低，将受到50Hz工频谐波的干扰，同时要求耦合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经济上造成困难。国际电工委员会(IEC)建议使用频带一般为30500kHz。在实际选择频带时，必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。国内统一的使用频带为40500kH

42、z。电力线载波通信在充分利40500kHz之间的460kHz频带时，和通信线载波通信在充分利用线路频带有着明显的不同。通信线是专门为开设载波通信而架设的，为了充分利用这条线路，根据其传输特性的限制，在其可使用的频带内开设多路通信，达到全频带都能合理的利用。电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变电所内均按电压等级连接在同一母线上。同一发电厂、变电所种不同电压等级的电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。这样，在一条电力线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他相电力线上去。由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每

43、条电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用，使得同母线的各条电力线上只能限制在共同使用的40500kHz的频带。此外，在同一个电力系统中电力线是相互连接的，要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。这就使得同母线的各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比40500kHz窄2.4 实现电力线载波通信的难点 由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制，因此电力线通信具有以下特点。配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。三相电力线间有很大信号损失（10dB30dB）。通信距离很近时，不同相间可能会收到信号。

44、一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同，耦合方式有线-地耦合和线-中线耦合。与线-中线耦合方式相比，线-地耦合方式电力载波信号损失十几dB，但线-地耦合方式不是所有地区电力系统都适用。电力线存在脉冲干扰。目前国内使用的交流电频率为50Hz，周期为20ms。在每一交流周期中，出现两次峰值。两次峰值会带来两次脉冲干扰，因此电力线上存在固定的100Hz脉冲干扰，干扰时间约2ms。为了保证数据传输的可靠性，必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现场通信数据帧又比较长，所以难以应用。电力

45、线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几km。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十m。因此，只有通过进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求。提高载波信号功率会增加产品成本和体积。因此电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通信媒介；但由于现代通信技术的发展，使电力线载波通信已成为可能。2.5 系统总体设计方案的构成根据FSK电力线载波通信系统基本硬件功能模块和设计的要求，完成主要有串口通信模块，微控制器模块、FSK调制解调器模块、电力线耦合模块和其他外围模块组成。2.5.

46、1 串口通信模块设计方案的确定串口通信模块是实现单片机-PC机通信的核心模块,主要用来通过与PC机互联通信下载程序到微控制器芯片STC12C5A60S2以达到对FSK调制解调模块的控制。方案：该模块主要使用MAX232芯片，下面对该芯片做简单介绍：MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值0.5V的典型迟滞，而且可以接收30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。所有的驱动器、接收器及电压发生器都可以在德州仪器公司的LinASICTM元件库中得到标准单元。MAX232的工作温度范围为0至70，MAX232I的工作温度范围为-40至85。芯片特点：1 单5V电源工作2 LinBiCMOSTM工艺技术3 两个驱动器及两个接收器4 30V输入电平5 低电源电流：典型值是8mA6 符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.287 可与Maxim