基于ST7538和ATmega88V的電力線載波通信模塊的設計

圖3 電力線接口電路

發送電路部分，電容C11、電感LC12、電感L4和等效感性阻抗LC的值一般是事先給定的,需要通過計算確定的是電容C13和CR9的值。在選定C11、LC12、L4和LC的值時要注意變壓器的漏電感、晶體二極管的電容和串聯器件(C13、LC12、T1、L4、C11)的等效串聯電阻ESR(100mΩ～1Ω) ,所以盡可能地選用電阻性器件。變壓器選用1:1的隔離變壓器。模擬電力線的阻抗條件,即給濾波器的輸出端加上一個感性負載,令其阻抗特性為2LC = 100μH。電路中的感性器件的ESR要與其電感值成比例,且感性器件的ESR要盡可能地小。電感選用LBC（大線軸帶繞磁心）,電感值盡可能小,所以LC12的值選為10μH，L4的值選為22μH。C11的作用是將變壓器與電力線隔離,過濾電力線上的50/60Hz的信號,阻止低頻信號進入電路而使某些高頻信號通過,選取X2型電容，這種電容具有短路保護功能，所以C11的值一般選為33nF/400V。根據極點頻率公式，計算得出C13的值為220nF,CR9的值為100nF。

接收電路部分選用無源濾波器要優于有源濾波器,這是因為有源濾波器會產生一個與接收信號相當的白噪聲。采用并聯諧振電路, 選用二階無源帶通濾波器(C36、L7、R11)。接收濾波器的頻率主要由電容C36,電感L7和電阻R11的值決定。中心頻率可設置為132.5kHz。濾波器性能好壞的一個重要因素是品質因數Q，Q值選為2～3。選用允許誤差為5%的聚丙烯電容和允許誤差為10%的BC(線軸帶繞磁芯)電感。為了不影響發送部分,并減少通過變壓器初級線圈的直流電流, R11的值要盡可能得大, 但R11值若過大,會產生一個較高的白噪聲,所以R11的值取為750Ω。令R11的值不變，根據中心頻率和品質因數的選取不同可以得出不同的C36和L7的值。

在保護電路部分中,一般采用一個雙向穩壓管,當電壓值不小于穩壓管電壓時,穩壓管就會短接到地,從而保護接口電路的器件不會被燒壞。火線與零線間的干擾為差模干擾，火線與地線，零線與地線間的為共模干擾。采用一個雙向穩壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號沒作用，當出現共模尖峰信號時就會對電路造成損壞，所以這里采用三個二極管(D16和D15為P6KE6V8，D17為SM6T6V8A)，將它們連成星狀結構。對于差模尖峰信號，D16和D15構成一個雙向穩壓管，對于共模尖峰信號,這種星狀結構就相當于兩個雙向穩壓管(D15和D17,D16和D17)。

軟件設計
當系統啟動時，程序完成初始化后便自動進入從電力線接收數據的狀態，開始檢測載波信號的有無及正確與否。如果檢測到載波信號且正確，則系統進入載波接收中斷程序，開始接收從電力線上傳來的數據；如果一開始沒有載波信號，則系統開始檢測串口，判斷串口是否有數據傳送過來，若目前有串口數據則系統進入串口數據接收狀態，確定串口數據接收完成后就馬上進入載波發送中斷程序，完成數據調制并發送。如果電力線及串口都無數據傳送發生，則系統重新進入檢測狀態，重新開始檢測電力線，進入新一輪循環。流程圖如圖4所示。為了避免串口同時處于接收與發送狀態，造成數據沖突，程序中是以狀態字的查詢以及中斷的設置來完成。

圖4 電力載波通信系統程序流程

結束語
本文介紹的基于ATmega88V與 ST7538低壓電力線載波通信模塊的電路設計方案具有結構簡單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強等特點。經過實驗觀察，設備運行良好，數據傳輸穩定可靠，遇故障可自動重啟，可以實現無人守候，為復雜的工業環境下的工業控制和數據傳輸提供了一套參考方案。