華東師范大學(xué) 朱明玨 張福民
摘 要：歐洲ST公司的ST7536是一個半雙工、同步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。它專為低壓電力線傳輸而設(shè)計，較好地克服了低壓電力線載波傳輸中的技術(shù)問題。本文詳細介紹ST7536的原理及具體應(yīng)用示例。
關(guān)鍵詞： 低壓電力線MODEMST7536電力線接口
隨著國家電力公司“一戶一表、抄表到戶”用電管理模式的推廣和普及，利用220V低壓電力線傳輸信息的載波集抄系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)運而生。這樣電力載波技術(shù)成為抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵。當前國內(nèi)主要應(yīng)用的是FSK電力線載波調(diào)制技術(shù)。
低壓電力線是為傳輸50Hz的工頻電能而鋪設(shè)的。由于不是為通信鋪設(shè)的，故其特性往往較難直接滿足載波通信的要求。這直接體現(xiàn)在兩方面：第一、電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性及其衰減，制約了信號的傳輸距離；第二、低壓電力線上的噪音干擾，制約了信號的傳輸質(zhì)量。
由于在低壓電力線上存在諸多使載波信號的信噪比急劇下降的因素，使得載波信號難以在一個供電區(qū)域內(nèi)較好地傳輸，這樣就須選取合適的低壓電力線MODEM。在應(yīng)用中，我們選擇了歐洲ST公司的電力載波調(diào)制解調(diào)器芯片ST7536。
一、 ST7536芯片介紹
圖1 ST7536構(gòu)成的通信系統(tǒng)
ST7536是一種半雙工、同步的FSK MODEM。它專為低壓電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計。用ST7536構(gòu)造一個完整的通信系統(tǒng)，還必須包括1個微控制器（單片機）和1個電力線接口，如圖1所示。這樣的系統(tǒng)能夠在4個不同的信道上以2種不同的數(shù)據(jù)傳輸率（600和1200bps）進行發(fā)送和接收。
ST7536是單芯片MODEM，有28個引腳；它是半雙工的，有發(fā)送和接收兩種工作模式；它又是同步的，因為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收與時鐘信號有關(guān)。時鐘信號由ST7536內(nèi)部產(chǎn)生。ST7536芯片還需要一些外部元件來完成所有操作：1個晶振，4個電阻和5個電容。
1ST7536芯片引腳 ST7536芯片引腳如圖2所示。
圖2 ST7536 芯片引腳
2ST7536芯片引腳說明
從功能上看，這28個引腳可大致分為如下11類。
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引腳 |
名稱 |
類型 |
說明 |
|
1 |
Rx/Tx |
數(shù)字 |
發(fā)送或接收模式選擇輸入 |
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2 |
RESET |
數(shù)字 |
邏輯復(fù)位和電源關(guān)閉模式輸入。低有效 |
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3 |
TEST4 |
數(shù)字 |
測試輸入，選擇發(fā)送頻段濾波器。高有效 |
|
4 |
TEST3 |
數(shù)字 |
測試輸入，進入時鐘恢復(fù)輸入階段。TEST1為高時選擇輸入 |
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5 |
RxD |
數(shù)字 |
同步接收數(shù)據(jù)輸出 |
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6 |
CLR/T |
數(shù)字 |
和功能模式相關(guān)的發(fā)送接收時鐘輸出 |
|
7 |
RxDEM |
數(shù)字 |
解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出 |
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8 |
DGND |
|
數(shù)字地 |
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9 |
DVDD |
|
數(shù)字正電壓：5(1±0.05)V |
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10 |
TEST1 |
數(shù)字 |
測試輸入，取消發(fā)送到接收模式的自動切換，使TEST3輸入有效。高有效 |
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11 |
TEST2 |
數(shù)字 |
測試輸入，減小發(fā)送到接收模式自動切換的時間。高有效 |
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12 |
TxD |
數(shù)字 |
發(fā)送數(shù)據(jù)輸入 |
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13 |
XTAL2 |
數(shù)字 |
振蕩器輸出 |
|
14 |
XTAL1 |
數(shù)字 |
振蕩器輸入 |
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15 |
CHS |
數(shù)字 |
信道選擇輸入 |
|
16 |
AFCF |
數(shù)字 |
波特率選擇輸入 |
|
17 |
DVSS |
模擬 |
自動頻率控制輸出，連接外部補償電路 |
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18 |
IFO |
|
數(shù)字負電壓：-5(1±0.05)V |
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19 |
DEMI |
模擬 |
中間頻率濾波器輸出 |
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20 |
AVSS |
模擬 |
FSK解調(diào)輸入 |
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21 |
AGND |
|
模擬負電壓：-5(1±0.05)V |
|
22 |
AGND |
|
模擬地：0V |
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23 |
AVDD |
|
模擬正電壓：5(1±0.05)V |
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24 |
RAI |
模擬 |
接收模擬輸入 |
|
25 |
RxFO |
模擬 |
接收濾波器輸出 |
|
26 |
TXFI |
模擬 |
發(fā)送濾波器輸入（TEST4為高時被選中） |
|
27 |
ALCI |
模擬 |
自動等級控制輸入 |
|
28 |
ATO |
模擬 |
模擬發(fā)送輸出 |
|
29 |
|
模擬 |
|
（1） 電源供應(yīng)輸入：DGND、DVDD，DVSS，AVSS，AGND，AVDD。 ST7536內(nèi)部有數(shù)字和模擬兩個獨立的電源供應(yīng)；而外部的電源供應(yīng)是應(yīng)該接在一起的。
（2） 信道和波特率的選擇：CHS、BRS。 ST7536提供600和1200baud兩種波特率，通過BRS選擇；對每種波特率，ST7536提供兩個信道，通過CHS來選擇。具體情況如表2所列。
(3) 振蕩器輸入、輸出：XTAL1、XTAL2。 ST7536的內(nèi)部振蕩器需要1個外部110592MHz的晶振和2個電容。也可以直接往振蕩器輸入時鐘信號，這種情況下晶振和電容都不必要了。
表 2
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BRS |
CHS |
波特率/band |
頻率/kHz TxD=1 |
頻率/kHz TxD=0 |
|
0 |
0 |
600 |
81.75 |
82.35 |
|
0 |
1 |
600 |
67.20 |
67.80 |
|
1 |
0 |
1200 |
71.40 |
72.60 |
|
1 |
1 |
1200 |
85.95 |
87.15 |
（4） 自動頻率控制的穩(wěn)定：AFCF。 自動頻率控制部分調(diào)節(jié)發(fā)送/接收頻段濾波器的中心頻率。這部分功能的穩(wěn)定性由外接的電阻電容網(wǎng)絡(luò)電路來保證。
（5） 自動等級控制輸入：ALCI。 自動等級控制處理發(fā)送信號的最后輸出。它使得功率放大器的輸出電壓不受電力線網(wǎng)絡(luò)變化的影響。一般電力線網(wǎng)絡(luò)的電阻在5~100Ω。如果電力線電阻改變了，則放大器的輸出也相應(yīng)改變。自動等級控制輸入可以糾正這些輸出變化。為了控制電力線接口的輸出，需要一個反饋信號，這個信號通過一個放大器來傳送。自動等級控制可以以32步，每步0.84dB來減小最大的發(fā)送輸出值。探測自動等級控制輸入的峰值，和兩個參考電壓相比較，進行相應(yīng)處理。這樣保證輸入的放大器反饋信號的峰值電壓在兩個參考電壓之間。
（6） 數(shù)據(jù)輸入和輸出：RxD、CLR/T、RxDEM、TxD。 ST7536是同步的調(diào)制解調(diào)器，數(shù)據(jù)輸入和輸出都和時鐘(CLR/T)有關(guān)。發(fā)送模式下，ST7536自己產(chǎn)生時鐘信號，發(fā)送的數(shù)據(jù)在CLR/T的上升沿被采樣，所以這時TxD有效。接收模式下，解調(diào)后的數(shù)據(jù)在引腳RxDEM上有效，時鐘恢復(fù)電路從解調(diào)后的數(shù)據(jù)中取得時鐘信號，在CLR/T上升沿發(fā)送同步數(shù)據(jù)(RxD)。
（7） 測試輸入：TEST1、TEST2、TEST3、TEST4。 TEST2、TEST3、TEST4通常不用，被置成0V；TEST1可用來取消發(fā)送到接收模式的自動切換。
（8） 中間頻率濾波器輸出和FSK解調(diào)輸入：IFO、DEMI。 這兩個引腳之間通過1個電容來連接。
（9） 接收輸入和發(fā)送輸出：RAI、ATO。 RAI是ST7536的接收模擬輸入。它和電力線接口的接收輸出相連，最大輸入電壓的均方根值是2V。接收靈敏度的均方根值在信道1和信道2(600 baud)上是2mV；在信道3和信道4(1200 baud)上是3mV。 ATO是ST7536的發(fā)送輸出，它和電力線接口的發(fā)送輸入相連。模擬發(fā)送輸出由自動等級控制輸入電路來調(diào)整。最大輸出電壓的峰-峰值是3.5V，二次諧波失真大約為-53 dB。
（10） 接收/發(fā)送控制輸入：
Rx/x。 ST7536是半雙工的調(diào)制解調(diào)器，所以有發(fā)送和接收兩種操作模式。模式選擇取決于Rx/x輸入。如果這個輸入為“0”，超過3s，ST7536自動切換回接收模式。為了解決這個問題，可以使用TEST1輸入。只要把TEST1輸入置為“1”，就可以禁止模式的自動切換。
（11） 重啟輸入：RESET。
3 ST7536芯片功能結(jié)構(gòu)圖
ST7536芯片功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 ST7536功能結(jié)構(gòu)圖
4 ST7536芯片工作流程說明
發(fā)送模式：TxD在時鐘(CLR/T)的上升沿被采樣，然后數(shù)據(jù)進入FSK調(diào)制器。調(diào)制器在由時基和控制邏輯所設(shè)置的頻率上工作。通常情況下，多路開關(guān)(MUX)選擇FSK調(diào)制器信號送到發(fā)送濾波器。發(fā)送濾波器是可切換的電容頻段濾波器。時基和控制邏輯使用自動頻率控制(AFC)在發(fā)送頻率上設(shè)置這個濾波器,它也和所選擇的信道相關(guān)。濾波后，待發(fā)送信號進入一個自動等級控制(ALC)。這個控制用來克服電力線阻抗變動問題。因為電力線本身特性就有頻繁而且不可預(yù)測的變動。自動等級控制利用來自電力線接口的一個反饋信號(ALCI)來調(diào)節(jié)最終的發(fā)送輸出信號(ATO)。
接收模式：信號進入芯片接收模擬輸入引腳(RAI)。接收信號在接收頻段濾波器中進行濾波。接收濾波器和發(fā)送濾波器類似，也是一個可切換的電容濾波器。自動頻率控制用來設(shè)置合適的頻率。信號被放大，接著被轉(zhuǎn)換，再由頻段濾波器進行濾波。這樣處理后的信號被送到FSK解調(diào)器。頻段濾波器輸出(IFO)和FSK解調(diào)輸入(DEMI)通過一個外部電容來連接，這個電容能夠去掉最后的偏移電壓。時鐘恢復(fù)電路從FSK解調(diào)器的解調(diào)輸出(RxDEM)中得到接收時鐘(CLR/T)。同步接收到的數(shù)據(jù)(RxD)在時鐘的上升沿被有效發(fā)送出去。
時基部分發(fā)送所有內(nèi)部時鐘信號，這些信號來自11.0592MHz的晶振。振蕩器連接XTAL1和XTAL2兩個引腳。也可以直接在XTAL1引腳上提供時鐘信號來取代使用上面的晶振。
為了調(diào)試芯片，測試外部電路，ST7536提供了幾個測試選項。用發(fā)送頻段濾波器上的一個直接輸入就可以觀察發(fā)送頻段濾波器的工作情況。如果TEST4=1，那么多路開關(guān)就選擇這個發(fā)送濾波器輸入(TxFI)。接收頻段濾波器在25引腳輸出。最后，TEST1=1時可以觀察到時鐘恢復(fù)的情況，這時TEST3輸入直接作為時鐘恢復(fù)模塊的輸入。
二、 ST7536的外圍電路——電力線接口
電力線接口(PLI)連接著ST7536芯片和低壓電力線。圖4是根據(jù)ENEL規(guī)范設(shè)計的一種電力線接口電路。
圖4 電力線接口圖
在發(fā)送模式下，電力線接口把來自ST7536芯片ATO的發(fā)送信號進行放大和濾波。緩沖區(qū)的作用是保護ST7536，并且驅(qū)動電力線接口中的下一個部件。低通濾波器(LPF)的作用是抑制諧波。濾波后的信號被送入功率放大器，這個功率放大器通過轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動阻抗為1~100Ω的電力線。此外，放大器也進行頻段濾波，來抑制發(fā)送信號的二次諧波。
在接收模式下，轉(zhuǎn)換器從電力線上取得信號，在預(yù)放大器中進行放大，再送給ST7536的接收輸入引腳RAI。這種模式下，為了避免功率放大器的低輸出阻抗所造成接收信號的衰減，關(guān)閉緩沖器和功率放大器。
三、 ST7536芯片的一個應(yīng)用
以上詳細介紹了ST7536芯片。下面簡單介紹這個芯片的一個應(yīng)用實例，給出ST7536和單片機及電力線接口簡單結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。
圖5 ST7536的一個應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖
結(jié)束語
本文詳細介紹了低壓電力載波MODEM ST7536芯片的結(jié)構(gòu)、原理及具體應(yīng)用。在整個系統(tǒng)的運行中，ST7536工作高效而穩(wěn)定，較好地解決了利用低壓電力線載波傳輸中的技術(shù)問題。這對于邊遠地區(qū)利用電力線上INTERNET也有參考價值。
