基于PL2102電力線載波的路燈控制系統(tǒng)

介紹一種51單片機(jī)基于電力線載波技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)；同時(shí)介紹直序擴(kuò)頻半雙工異步調(diào)制解調(diào)器PL2102載波芯片，利用它通過(guò)電力線載波應(yīng)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)路燈的管理和控制；給出用PL2102對(duì)路燈進(jìn)行控制的基本原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，以及其設(shè)計(jì)原理圖。

關(guān)鍵詞 單片機(jī) 電力線載波技術(shù) PL2102 電力載波芯片

引言

　　路燈系統(tǒng)是公共事業(yè)中非常重要的一個(gè)部分。現(xiàn)在傳統(tǒng)的路燈只能實(shí)現(xiàn)路燈的開(kāi)關(guān)，并不能了解路燈的實(shí)時(shí)工作狀況，比如路燈的電壓高低、電流的大小、內(nèi)核的溫度以及是否正常工作。同時(shí)現(xiàn)在路燈線的盜割很嚴(yán)重，電力線或?qū)Ｓ秒娎|常被人盜割，或被意外事故切斷，給供電部門或有關(guān)企業(yè)和人民群眾的生活帶來(lái)巨大損害。

　　隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，公共路燈的監(jiān)控越來(lái)越重要。為了提高公共照明系統(tǒng)的質(zhì)量,及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈的損壞情況，筆者設(shè)計(jì)了一套基于電力線載波通信技術(shù)的公共路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)電力線載波通信技術(shù)來(lái)傳輸控制路燈的信號(hào), 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電力線路運(yùn)行情況，有效地對(duì)電力變壓器、電力線路等設(shè)施發(fā)生缺相、斷電、斷路等現(xiàn)象或遭到人為破壞時(shí)，進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)報(bào)警，達(dá)到使工作人員做到及時(shí)處理，減少損失的目的。

1? 系統(tǒng)的工作原理

　　本系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成——主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)就是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)加一些簡(jiǎn)單的液晶顯示屏、小的鍵盤和通信模塊，如PL2102；從機(jī)由單片機(jī)和一些外圍設(shè)備組成，如一些A/D采樣單元、地址編碼單元及相應(yīng)的通信模塊等。主機(jī)主要是在路燈的控制室內(nèi)安置，負(fù)責(zé)收集從機(jī)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，發(fā)送指令；從機(jī)則直接安裝到每個(gè)路燈上，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，執(zhí)行主機(jī)的指令。一臺(tái)主機(jī)可以控制多臺(tái)從機(jī)。

　　主機(jī)通過(guò)電力線載波的串行通信方式對(duì)從機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。一個(gè)通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)組成，第1、第2字節(jié)是主機(jī)標(biāo)識(shí)，第3字節(jié)是命令，第4、第5字節(jié)是從機(jī)地址，第6至第8字節(jié)為數(shù)據(jù)。主機(jī)采用廣播方式發(fā)送命令數(shù)據(jù)，從機(jī)收到通信包后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：一是識(shí)別主機(jī)是否是自己的上級(jí)主機(jī)，二是識(shí)別從機(jī)地址是否是自己的地址，只有在全部確認(rèn)無(wú)誤后從機(jī)才執(zhí)行命令和相應(yīng)的操作。

　　從機(jī)直接監(jiān)控路燈的狀態(tài)，通過(guò)電力線載波接收電路接收來(lái)自主機(jī)的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作；完成對(duì)電流、電壓、溫度的采樣處理，判斷路燈是否工作正常，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷路燈的工作狀態(tài)是否正常。如果工作狀態(tài)異常，就執(zhí)行相應(yīng)的操作，保護(hù)路燈，并把數(shù)據(jù)和警告發(fā)送給主機(jī)。

2? 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1? 主要器件的選擇和相關(guān)的性能

　　PL2102是專為電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器，僅由單一的+5 V電源供電，有一個(gè)外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通信控制功能外，還內(nèi)置了5種常用的功能電路：可數(shù)字頻率校正的實(shí)時(shí)鐘電路，32字節(jié)SRAM，電壓監(jiān)測(cè)，看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路。它們通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 接口與外部的微處理器相連，其中實(shí)時(shí)鐘與32字節(jié)SRAM在主電源掉電的情況下，可由3 V備用電池供電繼續(xù)保持工作。PL2102 是特別針對(duì)中國(guó)電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開(kāi)發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，并采用大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.35 μm CMOS 工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性價(jià)比等方面有著出眾的表現(xiàn)。AT89C52是一個(gè)低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。

　　AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口；同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線。AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本，完全可以滿足主機(jī)和從機(jī)系統(tǒng)的各種需要。

2.2? 電路設(shè)計(jì)

　　電力線載波電路的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：電力載波信號(hào)接收電路和發(fā)送電路，如圖1所示。載波接收和發(fā)射原理如圖2所示。

圖1? 載波收/發(fā)電路結(jié)構(gòu)

圖2? 載波電路原理圖

圖3? 數(shù)據(jù)處理及控制電路

　　接收信號(hào)部分：D7主要用于箝位，以防止過(guò)大的浪涌電流；C15、C16 和L2 并聯(lián)諧振工作在f=120 kHz，具有對(duì)120 kHz信號(hào)的選頻作用，以對(duì)輸入的微小信號(hào)進(jìn)行放大，從而提高接收輸出靈敏度。

　　發(fā)射信號(hào)部分：發(fā)射回路電容C14、電感L1（18 μH/200 mA）用于調(diào)整發(fā)射電流和波形，減小C14 和增大L1將減小發(fā)射電流和改善波形；反之，將增大發(fā)射電流和波形失真情況。由于線圈的帶載能力一定，調(diào)整C14 和L1將影響線圈的發(fā)射功率和自身功耗。4個(gè)晶體管逐級(jí)放大，4個(gè)二極管起保護(hù)作用。發(fā)射電壓VHH影響發(fā)射功率的大小，隨著發(fā)射電壓的下降，發(fā)射功率也下降，發(fā)射電壓越高晶體管的自身功耗越大，一般發(fā)射電壓選10~18 V。

　　數(shù)據(jù)處理及控制電路如圖3所示。當(dāng)PL2102收到的載波信號(hào)經(jīng)內(nèi)部電路處理后，它將解調(diào)出數(shù)據(jù)bit信息，并經(jīng)RXD_TXD輸出，同時(shí)HEAD同步輸出低電平。當(dāng)AT89C52的INT0產(chǎn)生中斷并接收bit后，會(huì)根據(jù)預(yù)定格式合成相應(yīng)的指令信息；同時(shí)根據(jù)指令中所規(guī)定的時(shí)間設(shè)置來(lái)修改開(kāi)關(guān)燈時(shí)間及開(kāi)燈的比例，并執(zhí)行開(kāi)關(guān)燈的操作等。另外，它還將在開(kāi)燈后監(jiān)控電流、溫度等參數(shù)，以便在嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)執(zhí)行保護(hù)措施，同時(shí)及時(shí)給主機(jī)發(fā)送故障原因信息。

2.3? 載波部分軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，并全部采用模塊化編程。該部分的軟件編程中，如何接收并發(fā)送載波信號(hào)是重點(diǎn)。圖4給出了載波通信接收流程，圖5是載波通信發(fā)送流程。

圖4? 載波通信接收流程

圖5? 載波通信發(fā)送流程

3? 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于電力線載波技術(shù)的遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)，已經(jīng)能夠有效地對(duì)路燈的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。它具有造價(jià)低廉，安裝簡(jiǎn)單，傳輸線路廣泛等優(yōu)點(diǎn)，有著良好的市場(chǎng)前景。