基于低压电力载波模块的一种接口电路设计 |
| 2013-01-30 15:57 作者：雷钢 魏乔 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，通过查阅大量的相关资料，对国内外低压电力线载波技术进行研究，搭建一个以ST7538为核心的低压电力载波模块的接口电路。并对该接口电路进行全面细致的分析研究，为低压电力载波模块的接口电路的提供方案。
关键词：低压电力载波；电力载波模块；接口电路
0引言
低压电力载波通信技术是一种特殊的通信方式，其通信的载体是电力线。与其他通信方式相比，在价格低、即插即用、电力网络普及度高方面都有绝对优势，应用前景广阔。通过对低压电力线载波技术的研究，搭建了一个以ST7538为核心的低压电力载波模块的接口电路。并进行了全面分析研究，为低压电力载波模块的接口电路的提供了方案。通过此研究，不仅提高了该通信技术的应用范围，还能为今后开发基于扩频通信技术的低压电力载波通信应用系统提供基础。
1低压电力载波芯片的特点
在低压电力线载波的硬件电路设计中，载波芯片的选择是非常重要，综合考虑各种因素进行选择。通过对目前市场上芯片的比对，芯片ST7538具智能化的设计，功能更强大，其优势主要有以下几个方面，具体如下：有8个可编程载波频段；4个波特率；内部集成+5V线性电源；可对外提供100mA电流；可进行载波起始检测和同步线路零位检测等工作；自带看门狗、时钟和运放功能；采用TQFP44封装；半双工频移键控收发器；自带具有安全检测功能的；位数24位；功消低；集成5V短路保护；接收灵敏度等。
由上述特点可知，ST7538芯片是FSK半双工同步/异步通讯调制解调器，该调制解调器的功能相对强大，可轻松完成信号的调制解调工作，适用于电力载波通讯网络的应用。
2ST7538芯片的主要工作原理
2.1信号发送功能
先将芯片ST7538设置为发送信号状态，再把由微处理器产生的信号经芯片ST7538的第5引脚输入到芯片内部，对信号进行采样，再经芯片内的调制器对信号进行FSK调制。经调制后的信号送入DAC环节进行模数转换，再经过TX滤波器滤波，完成自动电平控制后，信号被送入差分放大环节进行功率放大，最终由引脚21或32输出至低压电网。
2.2信号接收功能
先将芯片设置为接收信号状态。低压电力线中的传输信号是经芯片ST7538的第19脚接收的模拟信号，经芯片的内部的宽带滤波器进行滤波；再输入到放大器中进行信号放大，且放大过程可通过反馈进行增益控制；随后又进入滤波器滤波后，再经与TX滤波器的信号比较后，又进入了中心点带通滤波器进行滤波；此时，完成上述过程后信号就进入到FSK解调器进行最终的信号解调工作了，进解调后信号又变成了数字信号，再经过数字滤波器滤波、锁相回路锁相后，最后再由芯片内部串行接口的第3引脚输出至微处理器，完成了信号接收工作。
2.3两种通讯接口
即异步和同步方式接口，由内部控制寄存器的设置决定。
3接口电路搭建
载波芯片与电压电网相连只需经过简单的耦合电路即可，所以在该接口电路的功能设计上要有耦合功能。为减小各种干扰信号的影响，还需增加滤波功能；为提高传输距离，需考虑增加放大功能；以及在工作提高可靠性方面，还需加设必要的保护功能。综上考虑，设计出芯片ST7538与低压电力线相连的接口电路如图1所示。由图可知，在发送信号状态时，其电压放大TL072C环节和功率放大BD237、BD238环节都受控于它的电源控制环节。
耦合保护窄带滤波环节工作于收发两种状态，其原理图如图2所示。在该接口电路中，对其放大电路电源控制工作原理进行分析可知，这个电路可实现对其电路的电源进行控制。以控制发送状态时的电压、功率放大电路为例，该电压、功率放大电路是由一个TL072C、两个BD237、两个BD238等主要器件和一些电阻、电容组成的，其中TL072C主要完成电压放大工作，是一个低噪声、零漂压小的双运放器，图中用U3表示。两个BD237、两个BD238分别为图3中的Q8至Q10，分别构成了前级驱动放大电路和后级功率放大电路。其放大的核心目的就是在保证安全稳定可靠的前提下，进一步增大有效通信距离。想要控制电压、功率放大电路工作与否，只需控制其电路电源+/-UCC即可。
图3所示的其他部分为耦合保护窄带滤波电路。其中在接收状态时，有两次耦合，一次经过变压器T4的变压器耦合，另一次是输入载波芯片32脚RAI前的由电容C6和电阻R36组成的阻容耦合。其信号传输方向是由交流220V电力线上传入，经多次滤波、再发大、在滤波，并最终进入载波芯片32脚。
反之在发送状态时，由图可知，其信号传输方向是由芯片19脚ATOP1输出，经电源可控的电压、功率放大后，再经耦合保护窄带滤波后，最终发送到低压电力线上的过程。其滤波和保护电路基本相同。在此不再敖述。
4结束语
搭建了一个以ST7538为核心的低压电力载波模块的接口电路。并对该接口电路进行了分析，为低压电力载波模块的接口电路的提供了方案，具有一定的实用价值。
作者简介：
雷钢（1974-），男，江西南昌人，中州大学工程技术学院，讲师。
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