消費總線電力線接口電路的設計

智能家庭要求家用電器經網絡(總線)實現互聯、互操,總線協議是其精髓所在。目前,國際上占主導地位的家庭網絡標準有:美國的X10[1]、消費總線(CEBus)[2]、日本的家庭總線(HOME BUS)[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。

　　消費總線使用五種類型的介質(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜),其中以電力線的應用最為廣泛。消費總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持,1992年成為美國電子工業協會的標準(EIA600、EIA721)。1997年,EIA600成為美國ANSI標準;2000年6月,微軟和CEBus委員會共同宣布支持CEBus的簡單控制協議SCP。SCP是未來微軟UPNP協議的子集。

1 CEBus電力線物理層

　　鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性,CEBus采用價格低廉、簡單易行的線性調頻(chirp)擴頻調制技術。摒棄了傳統電力線載波通常應用的直接序列擴頻、調頻擴頻、跳時擴頻等設備復雜、價格昂貴的擴頻調制技術。

　　消費總線的物理層有四種碼,分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號,正弦信號載波,從203kHz經過19個周期線性地變為400kHz,再經過1個周期變為100kHz,然后在5個周期中變為203kHz,整個過程用時100μs,也就是1個UST(Unit symble time,在消費總線中用多少個UST來度量時間)。其波形如圖1所示。

消費總線電力線接口電路的設計

　　chirps掃頻載波需經過放大耦合到電力線上,放大后的幅度應適中。幅度太低,給接收電路帶來困難;幅度太大,又會對電力線上的設備產生干擾。CEBus的規定如表1[5]所示。

　　同時也規定了電器設備對信號的阻抗。如果阻抗很小,就會將信號吸收從而無法傳送。規定如表2[5]所示。

　　線性調頻技術實現寬帶低功率密度傳輸,從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時,chirps具有很強的自相關性和自同步性。這種自相關性決定了所有連接在網絡上的設備可以同時識別從網上任意設備發出的這種特殊波形。

2 通訊模塊的設計

　　根據P89C51RD2和P300的芯片手冊[6][7],設計的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊,用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣,中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實際設備的設計。

消費總線電力線接口電路的設計

3 通訊模塊電力線接口電路的設計

　　從P300輸出的信號幅度小、驅動能力弱而且還有高次諧波,因此必須經過濾波和放大,然后才能通過耦合電路將信號調制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開,防止高壓擊穿通訊電路。另一方面,從電力線來的載波信號又要由P300接收,而電力線上的干擾很大也很不確定,所以需要一個帶通濾波器,通過100kHz～400kHz之間的信號,再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。

消費總線電力線接口電路的設計

　　其中左邊的3根線來自P300,TS是數字信號,控制收發轉換。實際上P300的收發類似半雙工方式,因為當它在“發送”劣態的時候,實際上并沒有輸出信號。因此,這個時候它可以處于接收狀態,如果接收到了優態,就表示發生了競爭。

3.1 濾波電路

　　輸入濾波器電路如圖4所示。

消費總線電力線接口電路的設計

　　這個濾波器有6階,對高頻干擾有很好的抑制,圖5是它的頻率響應曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB,高于400kHz的平均衰減為128dB/dec,可以有效地過濾干擾信號。

消費總線電力線接口電路的設計

　　P300輸出的信號包含豐富的高次諧波,為了減小對電網的干擾,先經過帶通濾波器再進行放大。濾波器也采用無源電路,原理與上面類似,這里不再贅述。

3.2 放大電路

　　P300的輸出信號經過濾波之后,其內阻很大,沒有驅動能力,而且電壓幅度不符合消費總線的要求,必須放大后才能夠驅動電力線。放大電路不僅要有強有力的輸出能力,還需有禁止輸出功能,這樣才能使P300接收其它節點發出信號。

　　電網的性能不確定,有時是容性負載,有時是感性負載。這樣就給末級電路采用反饋帶來很大困難。因為當負載的阻抗特性變化時,輸出的信號相位會發生變化,最終有可能是負反饋變成了正反饋,從而引起振蕩。

設計的電力載波放大電路如圖6所示,虛線的左邊是原理圖,右邊是實現電路圖。可以看出,這個電路有兩個輸入,一個輸出。輸入信號來自P300的電力載波,輸出使能控制放大器運行。圖6的左半部分,T1和T2接成互補式OTL輸出,它們的偏置電壓來自電阻R1、R2的分壓。來自P300的信號經過運放U1放大達到期望的幅度,然后通過電容耦合到T1和T2的基極。如果開關S1和S2合上,則T1和T2正常輸出信號,P300可以發送數據;如果S1和S2都斷開,那么T1和T2的基極都處于懸空狀態,輸出端也成為懸浮狀態,從而不會吸收由電力線傳來的信號,P300可以接收信號。

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　　在圖6的右邊,開關S1和S2也被T7和T8取代,T1和T2被復合管取代,其中的電阻R11用來消除三極管漏電電流的影響。采用復合管是為提高放大倍數,這樣可以盡量減小級間耦合,即使輸出信號發生了畸變,也不會影響到前級而發生振蕩。實踐證明這種做法是很可行的。其對容性負載、感性負載以及純電阻的負載都有較穩定的輸出,輸出阻抗小于2Ω。

3.3 耦合電路及其保護措施

　　圖7中J1接到電力線,R1是壓敏電阻,它可以使尖峰脈沖短路,變壓器T1實現了高壓與低壓的隔離。因為載波的頻率比較高(100kHz～400kHz),遠遠大于電網的頻率,這樣就使載波信號暢通無阻,而能夠隔斷高壓。電容C1阻斷低頻高壓,防止變壓器飽和;電阻R2取值比較大,作用是在離線時使電容放電,防止在設備插頭的兩端出現高壓。Z1是瞬變抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,或稱TVS),它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。L1、D1、D2也是為防止高壓擊穿放大電路而設計的。電力線上的設備接入或者是斷開,都有可能引起尖峰脈沖,并導致收發電路的永久損壞。所以高壓保護措施是至關重要的。

消費總線電力線接口電路的設計

　　除了電力線上會產生高壓脈沖破壞器件以外,當設備剛剛接上電源時(參看圖7),如果電力線剛好處于電壓的最大值,而此時電容上的電壓為0,會有300V(220V有效值,最大值311V)的高壓直接加在變壓器兩端,引起很大的電流,從而在次級產生尖峰脈沖。這個脈沖的電流相當大,可達幾十安培到上百安培,采用一般的穩壓管根本沒有辦法消除這個脈沖。筆者曾經嘗試過采用壓敏電阻吸收這個脈沖,但壓敏電阻的響應比較緩慢,在出現脈沖的一微秒之內仍然有幾十伏的電源,足以燒壞放大電路。實踐表明,這種剛剛接入電路時的瞬態脈沖所產生的破壞力相當大。幸運的是,它的電流雖然很大,但是能量卻不是那么大。筆者采用的瞬變抑制二極管1.5KE6.8CA響應時間是5ns,能夠吸收200A電流,瞬態功率可達1500W。可以簡單地把它看作是一個具有強大吸收電流能力的穩壓二極管,但它的動態電阻比較大,所以還需要D1和D2這兩個肖特基二極管進一步把電壓鉗位在電源電壓左右,電感L1的作用是阻斷特別窄的高壓脈沖。經過這些保護措施,后面電路沒有出現過任何故障。

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