电力载波通信收发机设计

摘要：

电力载波通信技术主要实现利用现有电力线作为信号传输信道进行信号的一对一，一对多传输，在本设计中采用了东软公司的ES1642-C电力载波模块实现消息的调制，解调，调制方式是差分二进制相移键控（DBPSK）。本设计是以嵌入式为基础，基于ES1642-C的电力载波载波模块实现载波通信。其硬件部分包括耦合电路，调制电路，解调电路，滤波电路等。并且在硬件设计完成之后，进行了相关测试，并对测试结果进行了分析

关键词：

电力载波通信，差分二进制相移键控，电力载波模块。

Abstract：The power carrier communication technology mainly realizes the one-to-one and one to many transmission of signals using the existing power line as the signal transmission channel. In this design, the ES1642-C power carrier module of Neusoft is used to realize the modulation and demodulation of messages. The modulation mode is differential binary phase shift keying (DBPSK). This design is based on embedded system, and the power carrier module based on ES1642-C realizes carrier communication. Its hardware includes coupling circuit, modulation circuit, demodulation circuit, filter circuit, etc. And after the completion of the hardware design, related tests are carried out, and the test results are analyzed.

Keywords: Power carrier communication, differential binary phase shift keying, power carrier moudel

一引言：

电力载波通信（PLC）作为一种无新线技术，利用现有电力网作为信道，进行数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景，其主要领域包括，自动抄表系统，智能小区系统，家居智能化系统目前国内有很多企业从事电力载波模块研发工作，电力载波芯片种类也非常多，这些芯片使用的调制方式也是层出不绝，低压电力载波技术相比光纤和明线通信成本都要低很多，并且它可以利用不同的调制算法，提高弥补他在抗干扰能力上的不足，在本文中主要内容如下：

（一）：概述低压电力载波基本原理及其优点，分析多种电力载波的调制方法，着重与DBPSK载波方式

（二）：低时延高可靠电力载波收发机的设计与实现，着重介绍设计过程，分析代码，介绍各个部分电路作用

（三）：低压电力线载波通信模块测试与分析，主要包括具体工作原理和测试中出现的问题与分析。

二电力载波研究目的：

目前高速PLC通信系统中由于电力网使用的大多是非屏蔽线，用它来传输数据必然会形成电磁辐射，从而会对其它无线通信造成干扰；以及，电力线上网存在不稳定的问题，家用电器产生的电磁波对通信产生干扰，时常会发生一些不可预知的错误。

针对上述技术局限性本项目拟用一种抗干扰能力强的算法，针对目标数据传输不稳定的部位加以稳固，将传输的错误数据通过特定的算法改为正确。开展小样本特征学习技术研究，为电力载波信号处理提供理论依据和技术基础。

这样以后，无论速率提升受到何种程度限制，分布极广。渗透到每个家庭、每座工厂、每幢大楼的电力线资源，充分地将通信潜力能发扬广大，这是人类通信史上重大进步，其前景肯定是光明的。

三低时延高可靠电力载波收发机设计方法研究：

（一）电力载波通信原理

电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输，在电力线载波通信系统中最基本的一项任务就是根据通信信道的不同选择不同的调制方式。

相比BPSK调制DBPSK调制可以很好的有效避免相位模糊，并且他的抗干扰能力按照优劣分析是好于DQPSK,2FSK,2ASK等调制方法，并且DBPSK造价比较低，在通信系统可以广泛使用，最终本组通过比较分析选择了DBPSK方式实现信息调制。

图a三种系统调制误码率与信噪比关系

通过图片横向观看，对比发现相干解调误码率低于非相干解调，相干解调方式的抗噪声性能优于非相干解调方式，但是在随着信噪比r增加，相干和非相干误码性能相对差别越不明显，误码率曲线有所靠拢。

通过图片横向观看，误码率相同的情况下BPSK抗噪声性能最优。

在抗噪声上优劣排列为BPSK DBPSK 2FSK 2ASK

‘

图b各种调制方式的带宽

通过计算分析发现2ASK和BPSK频带利用率约为1/2bit，而2FSK是小于1/2bit的。

在多进制数字调制中，信息传输速度不变的情况下，增加进制数m，可以降低码元传输速率，减少信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用率，但是多进制调制的代价是增加了信号功率和实现上的复杂性。所以可见DQPSK频带利用率最高。。DBPSK ,BPSK,2ASK次之，2FSK不可取。

综上分析可知，BPSK,DBPSK,DQPSK都是一种高传输效率的调制方式，通过抗干扰能力，设备复杂度，信道利用率优劣比较，最终选择的载波调制方式为DBPSK

低时延高可靠设计。

本阶段设计以代码设计为主要方案。

在对发送信息准确性的判断时，代码加入CRC循环冗余校验。通过效验码对比判断传输信息是否正确。占用少的字节空间，在最短的时间对数据正确性完整性进行最有效的校验，

在嵌入式中，我们主要应用了stm32f407芯片作为设计基础，相比于51单片机，或者103芯片。其有着高达168MHZ的定时器主频，192+4kb的运行内存。三个12位精度快速ADC，每一个ADC都有多个通道。满足不同需求。其有着高达120个GPIO，每一个GPIO都可以复用成不同的外设引脚。

图c团队设计的原理图生成的PCB板子图

在软件设计中，不仅加入了CRC数据校验和AES数据安全性加密，并且在每一次传输结束都会进行标志位清楚，保证传输逻辑准确，在串口也加入了溢出判断，如果发送信息溢出，串口将会进入保护，不再进行数据传输，而会反馈用户传输数据溢出，需要用户重新输入。提高了串口传输信息的的稳定性

在硬件设计中，设计一个简便的220v转12v和5v的双路输出电源。为载波模块和板子芯片提供主要电力。在电源设计中加入压敏电阻，防止涌浪对信号干扰，和对模块损毁。在PCB板子通过外界串口，就可以实现单片机，单片机载波通信。

四团队观点及主要结论：

在测试中，团队积极总结遇到的问题，记录解决方案

主要遇到问题和解决如下：

问题一：在测试过程中，给电路板上电，测试发现JTAG接口电压为0.3v比预定的3.3v低了一个数量级。

检查原理图发现，在画的电源原理图上电容距离电源太远，观察示波器波形发现没有将220v的交流转换成直流，猜测是电容的问题，通过反复调整电容位置，从新连了两个线路到了电源，问题没有解决，我们就怀疑会不会是芯片问题，卸下芯片换了个方向，问题解决。

问题二：串口通信usb口连接不上。

利用万用表调到二极管挡位测试USB口到芯片之间是否通路，发现是USB焊接问题，多次焊接调整，最终通路，串口可以连接。

问题三：在测试过程中无法接收数据

问题出现原因是载波模块与单片机RXD和TXD连接时出现错误，按道理是交叉形式的连接方式，即接收模块的TXD与单片机的RXD连接，发送模块的RXD与单片机的TXD连接。

图d单片机与载波模块连接方式

问题四：在板子测试突然失灵

问题出现的原因是我在测试板子通信时没有连接地线，导致板子串口电压不稳定，使得程序崩溃，代码锁死保护，解决方法是通过询问正点原子官方人员，解除了板子保护状态，恢复程序下载，通过在下载代码时候设置清空flash以及重装串口驱动，恢复串口功能。

问题五：测试过程中发送端变压器原边发送信号不正常。

起初经过仔细检查，没有查出任何导致信号不正常的原因。之后询问学长老师，检查了晶振，发现晶振两脚对地电压相等，判断晶振是坏的，换了一个晶振，发送端原边信号正常

经过几个月的努力，我们终于实现了电力载波通信设计，设计过程中出现了很多难题，这些问题在学长和老师的帮助下得到了顺利的解决，通过发现问题，解决问题，我学习到了很多。

在设计硬件电路时，必须考虑到不同的影响。尽管理论上一切都准备好了，但硬件电路设计过程中出现了许多意想不到的问题。因此，我认为有必要在硬件电路设计方面拥有丰富的知识和经验。

只有设计原理非常清晰，设计才能流畅，否则设计过程会非常混乱。

硬件和软件都是一个漫长而严格的过程，不能在一两个月内完成。因此，我认为，无论你做什么，你都必须有耐心，不耐烦和不容忍，这样你才能成功地完成任何任务。

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