基于INT5130芯片的电力线通信系统的设计

基于INT5130芯片的电力线通信系统的中心议题：
    * 提出了一种基于INT5130芯片的电力线通信系统
    * 给出了实现方案
基于INT5130芯片的电力线通信系统的解决方案：
    * 电力线网络单元
    * 电力线网络终端
    * 电力线耦合设备

0　引言

目前,宽带网络接入有模拟调制解调器、ISDN、XDSL、以太网、WLAN、PLC等技术。与其他宽带通信技术相比较, PLC的通信方式有着独特的优势: 1)电力线的入户率高、覆盖范围大,在户内的插座(电力线通信口)多; 2)PLC的传输速率高,比普通拔号上网速率快几十倍。在网站Web服务器通畅的情况下,下载软件、大宗数据、高分辨率图片和观看网络电影,均可得到满意效果; 3)安装简便,由于只需将光纤和其他形式的主通信干线铺设至居民楼的配电间,无需入户铺设电缆,大大减轻了用户的负担,避免了对户内装修的破坏和约束。

1　系统实现方案

利用电力线传输以太网信息,以INT5130为核心芯片,同时采用INT1000、AT89C51、AT8989UP等外围芯片,更好地实现电力线通信,并具有较高的可靠性。安装和操作都十分简单。系统由以下几个部分组成:

(1)电力线网络单元(PNU),即PLC调制解调器,负责控制电力线网络并从单元配电网集成网络数据,通过电信网络接口,PNU将电信网络传至馈电网络;

(2)电力线网络终端(PNT),为用户PC提供适当的业务接口,如以太网/USB接口;

(3)电力线耦合设备(CU, CouplingUnit)是将信号传入电力线路并过滤噪音,目前它还是一个插销插入电插座的相对独立的设备,以后它可能会和PLC调制解调器集成一体, PLC调制解调器和PC内的耦合设备的集合体将使PC可以直接在网上运行。

用户通过PLCModem连接到户内电源插座,通过电力线连接楼宇配电变压器端的PLC主控设备,完成“最后100m”的接入。用户只需装设1台PLCModem,不用拨号,就能在线地接收和发送Internet信息。电力线上网原理如图1所示。

图1　电力线上网原理示意

将电力线作为传输媒介,因此,每个连接到电力线上的网络设备都可以收到其他设备发出的信号。为解决网络的安全问题,电力线端口的INT5130会将信号加密发送,在接收端解密。收发双方有相同的密码钥匙才可以互相通信,且1个设备可以有多个密码钥匙,可以通过网络配置这些密码。可以实现相同与不同设备的通信,且互不干扰。

2　系统硬件设计

整个电力线通信系统分电力线接口模块、中央控制模块、以太网接口和管理模块3个主要模块,如图2所示。

电力线接口功能是检测电力线状态,对于要发送的数据进行加密、调制、放大后发送到电力线上;在接收数据时,将根据收到信号的强度自动调节前端放大的增益(AGC),自动适应电力线上的环境变化,然后经过解调和解密,将还原的数据传给中央控制模块。

图2　电力线通信系统原理框图

中央控制模块是实现数据交换控制,控制数据链路状态的中心。在以太网接口模块,采用一般通用的以太网物理收发器,实现以太网信号的收发。在电力线端,采用Intellon公司的INT5130和INT1000芯片,可实现电力线上以太网数据帧的传输,内建PowerPacket电力线MAC和电力线收发器、802. 3MII接口和其他的算法控制模块。

以太网接口和管理接口模块的主要功能是检测以太网段的状态,接收从以太网上传来的数据包,并发送从中央控制模块传来的数据。以太网接口采用ATAN公司的以太网交换芯片AT8989UP,AT8989UP是高性能、高度集成(控制器、PHY和记忆)的8个10/100M自适应收发器,外加1个MII接口,完全兼容INT5130的802.3MII接口,满足家庭用户对多个以太网端口的需求。

管理接口单元由单片机AT89C51和串口组成,通过PC来配置EEPROM、交换芯片AT8989UP、INT5130的寄存器内容。单片机通过INT5130的MDI接口,设置INT5130的内部控制寄存器,并读取INT5130的内部状态寄存器;同时可以设置以太网接口的工作模式,以满足不同用户的需求,例如: 10/100 M速率、全/半双工、流量控制、地址更新、VLAN等设置。

3　系统软件设计

整个系统的软件包括EEPROM配置数据、单片机的控制软件和PC机的管理程序。

INT5130通过I2C总线连接EEPROM(93C46),用于保存配置数据,在系统开机或者复位时,系统软件将从EEPROM读出这些数据,实现系统初始化。

单片机的控制软件主要完成对AT8989UP、INT5130寄存器的读写和与PC之间的通信,串口起到与PC的连接作用,单片机与串口之间还有1个电平转换芯片,完成单片机与PC之间信号的转换。通过单片机的控制软件,用户可以将系统配置成各种工作模式,以满足不同用户的需求。单片机的软件流程如图3所示。

PC机的管理程序是采用VB语言编程、有着易懂的软件界面。PC通过串口与系统设备连接,这样用户可以容易地对系统设备进行管理配置。PC机的系统管理软件界面如图4所示。

图3　单片机的软件流程

D:查看系统的整个配置数据; E:编辑系统的配置数据; F:对系统的各种功能进行配置、管理; R:读系统的配置数据;W:系统将当前配置数据保存到EEPROM;M:改变系统的密码; I:系统软件复位; S:系统将缺省配置下载到EEPROM

图4　PLC系统管理软件界面

4　系统抗干扰措施

主要采取了以下措施来增强系统的抗干扰能力。

(1)采用看门狗电路:防止单片机死机。

(2)采用软件陷阱:一旦程序落入陷阱区,则可通过无条件跳转指令,强制程序返回。

(3)减小PLC信号辐射:具体措施有2个: 1)在线路两端安装低通滤波器,既可以保持PLC信号在异模传播路径上,同时又可以阻止PLC信号进入辐射效率高的导线或其他附接设备。这种方法很有效,但成本较大; 2)选择对称性好的导线,例如四芯电缆。

(4)减小PLC信号的功率谱密度(PSD)。由于PLC信号的辐射是在有限带宽内度量的,故减小PLC信号的PSD能立即降低辐射电平,但不影响总的发送功率。因此,PLC系统宜采用宽带调制技术,但其扩频效率将受到电力线低通特性的限制。

5　结束语

目前我国电力线通信尚处于起步阶段。低速率数据传输设备用于小区电表管理系统; 14Mbit/s高速率的电力线通信技术正应用于家庭网络设备。因此利用电力线传输数据、语音、视频和电力,实现“四网合一”,具有广阔的应用前景。