Application of CEBusPLCModelin IntelligentLocalArea
(Xi′an University of Technology，Xi′an，710048，China)
Abstract：With the fastdevelopmentofmodern communication，people begin to pay more attention to PLCbecause ofits specialadvantage，and have been making fast progress on it．Its use in intelligent local area is one of the most absorbing field．This paperintroduces a communication model based on PLC by analyzing SSC and CEBus protocol，and also researches the frequencycharacteristic ofthis modelby emulating．At last，this article presents its application in intelligent localarea．
Keywords：PLC；SSC；CEBus protocol；intelligentlocalarea
電力線通信(PowerLine Communication，PLC)是指建立在電力輸送網(wǎng)基礎(chǔ)上的、實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間通信的系統(tǒng)［1］。近幾年，與電信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)相比，電力線通信網(wǎng)以其資源廣闊、與家庭結(jié)合緊密等優(yōu)勢(shì)日益引起人們的關(guān)注，并得到快速發(fā)展。PLC的應(yīng)用已不限于簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，歐美一些國(guó)家正研究其在智能化小區(qū)及接入網(wǎng)方面的應(yīng)用，這是信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和信息家電出現(xiàn)的必然趨勢(shì)。專用通訊模塊的設(shè)計(jì)決定了這些功能是否能高質(zhì)量、低成本地實(shí)現(xiàn)，以及系統(tǒng)的安全性能和電力線高壓危險(xiǎn)的防護(hù)。
1 基于Chirps的擴(kuò)頻載波通訊技術(shù)和CEBus協(xié)議
1.1 基于Chirps的擴(kuò)頻載波技術(shù)
對(duì)電力線這一強(qiáng)背景噪聲的信道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效手段就是擴(kuò)頻(Spread Spectrum，SS)技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)就是用偽隨機(jī)碼將載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶低功率譜密度的信號(hào)來(lái)發(fā)送。這樣，在接收端使用恰當(dāng)?shù)氖侄尉涂梢詫⑿盘?hào)提取出來(lái)，從而減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響，保證了電力線網(wǎng)絡(luò)上的可靠通信。
如圖1所示，寬帶線性調(diào)頻利用一組掃描頻率作為載體，信號(hào)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，可獲得很大的擴(kuò)頻增益。
該掃描頻率是一系列短促的、可自同步的連續(xù)脈沖，又稱作“chirps”，每個(gè)chirps一般持續(xù)100μs，他代表了最基本的單位通信符號(hào)時(shí)間(UST)。他可通過(guò)不同的UST組合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其最大速率為10 kb/s。按照CEBus標(biāo)準(zhǔn)，這些信號(hào)頻率覆蓋了100～400 kHz的帶寬。在Intellon公司的SSCP300芯片中，掃描總是以200 kHz的頻率開始和結(jié)束，也就是說(shuō)：400 kHz和100 kHz的頻率總是在每一個(gè)chirps的中間，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行掃描信號(hào)的諧波抑制，并使數(shù)據(jù)傳輸中位與位之間的過(guò)渡變得比較平滑［2］。另外，此種chirps波形具有很強(qiáng)的獨(dú)立性。
1.2 CEBus協(xié)議簡(jiǎn)介
CEBus是專門為家用電子產(chǎn)品通訊而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又稱作FLA－600協(xié)議[3]。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronicw Industry Association,EIA)聯(lián)合其他廠商，在1989年制定出一套家庭自動(dòng)化控制規(guī)格的初步草案并在1992年發(fā)布，命名為CEBus(Consumer Electronic Bus)，目標(biāo)是建立一個(gè)針對(duì)家用電子產(chǎn)品的開放性協(xié)議；開發(fā)一套通用的、廉價(jià)的、與制造廠家無(wú)關(guān)的通訊方法；允許用戶以很小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中加入新的家電產(chǎn)品；減少家用電子產(chǎn)品設(shè)備功能的冗余。1997年，CEBus的EIA－600正式成為美國(guó)ANSI標(biāo)準(zhǔn)。
如圖2所示，CEBus采用簡(jiǎn)化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層使用7種不同媒介，包括電力線、雙絞線、同軸電纜等，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合需要。CEBus的網(wǎng)絡(luò)完全面向報(bào)文分組(packet)，使用載波偵聽多路訪問(wèn)和沖突檢測(cè)協(xié)議(CSMA)。采用“公共應(yīng)用語(yǔ)言”(Common Application Language，CAL)，設(shè)備之間可以互相訪問(wèn)，從而知道一個(gè)設(shè)備所有的資源，工作狀態(tài)，并可控制該設(shè)備。
1.3 SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器簡(jiǎn)介
Intellon公司的SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器是一種與CEBus總線兼容、高度集成的電力線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)控制器。他利用傳輸穩(wěn)定可靠、通信保密程度高的擴(kuò)頻載波技術(shù)，通過(guò)CRC校驗(yàn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的安全傳遞。SSCP300提供了數(shù)據(jù)鏈接層(DLL)的控制邏輯，符合EIA－600標(biāo) 準(zhǔn)的通道訪問(wèn)及通信服務(wù)，基于chirps的擴(kuò)頻載波技術(shù)的電力線信號(hào)收發(fā)器，信號(hào)調(diào)整電路以及同數(shù)據(jù)處理及控制部分聯(lián)接的SPI(SerialPeripheralInterface)接口電路。
2 基于擴(kuò)頻載波技術(shù)的CEBus通訊模塊的典型應(yīng)用
2.1 硬件設(shè)計(jì)
應(yīng)用這種基于擴(kuò)頻載波技術(shù)的CEBus通訊芯片SSCP300組成的通訊模塊如圖3所示。
通訊模塊由3部分構(gòu)成：第1部分為微控制器，用于P300的通信及執(zhí)行特殊工作；第2部分為P300，他提供數(shù)據(jù)鏈路功能和物理層的協(xié)議服務(wù)；第3部分為電力線模擬功能，包括將信號(hào)耦合到媒體上，放大發(fā)送信號(hào)以及對(duì)輸入信號(hào)的濾波。
2.2 仿真研究
2.2.1 輸入濾波器
電力線上的干擾很大也很不確定，需要一個(gè)帶通濾波器，僅將帶寬100～400 kHz的信號(hào)送入P300的輸入端［2］。由模擬帶通濾波器的傳遞函數(shù)及相關(guān)設(shè)計(jì)參考，構(gòu)造出了如圖4所示的無(wú)源六級(jí)LC濾波器。
對(duì)該帶通濾波器進(jìn)行性能仿真得到如圖5所示仿真結(jié)果。
在頻率從100～400 kHz變化時(shí)，增益的絕對(duì)值與帶外信號(hào)相比非常小，且變化不大，而帶外信號(hào)在40 kHz和1．0 MHz時(shí)衰減就已達(dá)30分貝。仿真結(jié)果表明了采用該帶通濾波器能夠達(dá)到預(yù)期的效果。
2.2.2 輸出電路
從P300輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱而且還有高次諧波分量，因此在輸出端必須經(jīng)過(guò)濾波和放大。圖6和圖7是輸出濾波和放大電路及其伯德圖。
根據(jù)CEBus要求，輸出電壓幅度必須達(dá)到10 V，因此必須把P300的輸出信號(hào)放大才能耦合到電力線，本模塊中采用了一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器驅(qū)動(dòng)SSCP111芯片(包含在圖3所示的輸出電路中)。SSCP111是Intellon公司生產(chǎn)8的媒介接口芯片。由于模塊與220 V電力線相連，各種保護(hù)電路必不可少。除高壓脈沖會(huì)破壞器件外，剛接通電源時(shí)，若電力線剛好處于電壓最大值，會(huì)有300 V的高壓直接作用于變壓器兩端，瞬間電流達(dá)到一個(gè)相當(dāng)尖銳的脈沖，在脈沖出現(xiàn)后1μs仍有幾十伏的電壓，足以燒壞SSCP111，因此需要兩個(gè)肖特基二極管將電壓鉗位在額定范圍內(nèi)，電感的作用是阻斷窄高壓脈沖。
3 在家庭網(wǎng)絡(luò)電力線通信中的應(yīng)用
3.1 CEBus模塊軟件設(shè)計(jì)
該模塊中，由于at89c52單片機(jī)沒有提供專用的SPI接口，只有通過(guò)其P1口的5根口線及INT1引腳模擬SPI的工作。需要特別注意的一點(diǎn)是，由于單片機(jī)使用P1口線進(jìn)行時(shí)序的模擬操作，而串口操作又是單片機(jī)讀寫數(shù)據(jù)中較為穩(wěn)定的一種通訊方式，因此進(jìn)行時(shí)序操作時(shí)必然非常嚴(yán)格。
將P300的通訊模式設(shè)為數(shù)據(jù)鏈路模式(DLL)，工作過(guò)程是：
(1)初始化P300，包括：復(fù)位、片選、用Layer＿Management＿Write命令向Layer＿Config＿Info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寫入節(jié)點(diǎn)信息，得到確認(rèn)后完成初始化。
(2)按照時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，INT信號(hào)會(huì)變低，并且進(jìn)入中斷程序的相應(yīng)部分判斷通訊是否成功。
(3)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，INT信號(hào)也會(huì)變低，可由此進(jìn)入中斷處理程序，用命令取回?cái)?shù)據(jù)。
(4)標(biāo)志位處理子程序的功能是根據(jù)Interface＿Flag數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各標(biāo)志位狀態(tài)來(lái)判定系統(tǒng)的通訊狀態(tài)，進(jìn)行進(jìn)一步操作。
3.2 系統(tǒng)原理圖
如圖8所示，該通訊模塊可與各種智能家電一起構(gòu)成 家庭智能網(wǎng)絡(luò)，方便人們的生活。
每個(gè)單元都包含一個(gè)CEBus通訊模塊，可通過(guò)軟件寫入該電器的識(shí)別信息。主控單元微處理器與PC機(jī)相連，提供以下功能：
(1)接受來(lái)自PC機(jī)的數(shù)據(jù)。
(2)識(shí)別來(lái)自不同電器的地址信息。
(3)按照CEBus協(xié)議完成交換數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
(4)把從受控電器傳來(lái)的數(shù)據(jù)返回PC機(jī)。
受控單元CEBus模塊的功能：
(1)接受來(lái)自主控機(jī)的信號(hào)。
(2)對(duì)信號(hào)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有誤要求重發(fā)。
(3)對(duì)正確接受的信號(hào)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換送回家電。
(4)返回給主控單元一個(gè)成功接受信息。
4 結(jié)語(yǔ)
由于這種模塊采用了擴(kuò)頻載波技術(shù)，將其應(yīng)用在通訊距離不超過(guò)50 m的家庭網(wǎng)絡(luò)中，取得了良好的效果。但其主體通信芯片P300的通訊速率并不高，為10 kb/s，因此這種模塊不適合應(yīng)用在通訊量較大的場(chǎng)合。
［1］Ferreira HC，Grove HM，Hooijen O，etal．Powerline communications ：An overview．In：AFRICON 1996．Stellenbosch：1996．558～563．
［2］SSCP300 PLNetwork interface controller．Intellon Corporation，1998．
［3］The CEBus communication standard．Intellon Cor poration，1998． 
