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，惡劣環境通信等需要長距離，多節點的情況。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開發［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，IO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IO口以及電力載波模式選擇IO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下，而過零模式主要運用在交流狀態下。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，由函數信號發生器產生50Hz的觸發脈沖，上位機以10ms的周期發送數據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傳輸。而每次傳輸一個字節的數據，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，同時發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送時間為100ms。即在120k下會發送12個方波，100k下會發送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。

　　4 電力載波信號耦合

　　4.1 推挽輸出電路

　　在下圖4中，采用準互補對稱電路來增強驅動能力，其中Q1和Q2復合管與NPN管等效，Q5和Q6復合管與PNP管等效，實現了互補作用。由電路分析可知，當輸入信號為 0V時，四個管子都無偏置而截止，故輸出OUT上無電流。當輸入信號為正半周期時，Q1與Q2導通，Q5與Q6截止，電流流經Q1與Q2輸出，反之電流流經Q5與Q6輸出，輸出信號都將隨輸入信號而變化。四只三極管輸出的半周信號合并后（互相補充），得到一個完整周期的輸出信號波形。經過電容和限幅穩壓管起到濾直流和穩定電壓的作用，再通過變壓器將信號耦合到

　　電力線上，從而實現數據的傳輸［5］。

　　圖4 推挽輸出電路

　　4.2 過零檢測電路

　　在該電路中，先是由電阻R1，R2限制電流。當輸入信號為正方向波形時，信號從L端進入，流經發光二極管的N級。此時光耦導通，輸出微小電壓，三極管導通，IO端輸出0V；當輸入信號為負方向波形時，信號從二極管的N端輸入，流經R1，R2，此時光耦閉合，無輸出電壓，三極管不導通，由于外部有上拉電阻，IO端輸出5V。在220V交流電輸入后，在IO口得到標準的過零方波。

　　圖5 過零檢測電路

　　4.3 實際示波器測量

　　如下圖6當輸電線上未加220V，輸出信號為0xaa時，左上和右上為推挽輸出波形，左下為單片機PWM輸出波形，右下為經過400m輸電線后的推挽輸出波形。由圖中可知，當輸出0，即120k時，剛好12個方波，且每一位傳輸的時間都為標準的100ms。當載波信號經過一定距離的輸電線后，波形會發生畸變，但波形頻率發生的變化不大，可以作為檢測信號的依據。

　　圖6 推挽輸出電路實際測量圖

　　5 電力載波信號采集

　　5.1 檢波輸入電路

　　下圖7為信號的檢波輸入電路。當信號經過高通濾波電路，濾去低頻率的干擾信號，尤其是50Hz的電力信號以及載波脈沖，當經過穩壓二極管D4限伏后通入放大電路。由于輸入的信號需要經過足夠大的放大倍數，將其整型成可供單片機采集的信號。同時由于輸入信號為交流信號，且該電路處于前置級，故選用阻容耦合的多級放大電路。由于電容C5有隔直作用，它可使前，后級的直流工作狀態相互之間沒有影響。同時經過兩級共射放大，電壓放大倍數為正數，即輸入與輸出信號同相［6］。

　　圖7 檢波輸入電路圖

　　5.2 阻波器設計

　　阻波器是電力載波通訊及高頻保護不可缺少的原件，可以減少高頻能量損耗。從理論上耦合電容與阻波器電感在選用頻率下形成并聯諧振電路，對外電路相當于短路。故在設計中選用電感作為阻波器，即低通作用使50Hz的工頻信號順利通過，同時使高頻噪音信號損失［7］。

　　圖8 阻波器電路圖

　　5.3 實際示波器測量

　　如下圖9上面信號為輸入的高頻信號（0xaa），下面信號為經過電路之后輸出給單片機的信號，由圖中可知，經過檢波放大，可輸出可供單片機采集的信號，且其跟隨著輸入信號變化。

　　圖9 檢波輸入電路實際測量圖

　　6 試驗效果

　　根據以上設計，制作PCB板，并在節點A，B之間使用800m的電力線作為通信信道。在A 節點端，使用上位機的串口調試助手發送數據0xaa，調節發送間隔，且接入不同負載，在B節點通過串口調試助手查看數據情況，并計算發送的準確率，由下表可知，各種負載下，電力載波的通信準確率都在96%以上，能完成設計要求。

　　表1 通信數據記錄表

　　7 結 語

　　本文討論了基于PWM的FSK電力線載波通訊系統設計，且只要單片機具有PWM的輸出功能和定時器的信號中斷功能，就能實現電力線上穩定的傳輸數據。同時，采用FSK的輸出方式，以及采用多次比較方式采集載波信號，使信號的傳遞可靠性大大提高，也使電力載波在一般化的應用上有了更大的提高，相信電力載波會使我們的生活更加的舒適。

　　參 考 文 獻：

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　　［3］ 施閣，陳升輝，蔣亞露等。電力載波通信遠程路燈監控系統設計［J］。中國計量學院學報， 2013， 24（1）：60-65.

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　　［5］ 李青。電路與電子技術基礎［M］。杭州：浙江科學技術出版社，2009:20-120.

　　［6］ 李昌，葉鍵鋒，涂用軍。電力線載波通信的集群式防盜報警系統［J］。單片機與嵌入式系統應用，2008（6）；55-57，61.

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??????? (本文作者：陳升輝、李旭、田文凱、施閣）