照明系统的电力线载波通信模块设计.pdf
茅4 l 卷第1 0 期2 0 0 7 年1 0 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 1 N o1 0O c t o b e r 2 0 0 7用于照明系统的电力线载波通信模块设计刘晓胜昊迪，李贵娇，徐殷国(哈尔滨工业大学黑尼江哈尔滨1 5 0 0 0 1)摘要：电力线通信技术在路灯照明临控系统中起着非常重要的作用。介绍了路灯照明系统的构成和工作原理；给出了基于S T 7 5 3 8 芯片的电力线载破通信模块硬件电路和软件设计并对信号接收电路和发送电路进行了仿真研究。经实际测试，取得了预期效果；最后讨论了应用S T 7 5 3 8 设计时的注意事项。关键词：照明：监控；模块载波通信中图分类号：T M 9 2 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-1 0 0 X(2 0 0 7)1 0 _ 0 0 2 2-9 3D e s i g no fP o w e rL i n eC o m m u n i c a t i o nM o d u l ef o rL i g h t i n gS y s t e mL I UX i a o s h e n g，W UD i，L IG u i-j i a o，X UD i a n g u o(H a r b i nI n s t i t u t eU n i v e r s 如y H o r b n1 5 0 0 0 1，C h i n a)A b s t r a c t：P o w e rL i n eC o m m u n i c a t i o n(P L C)p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nl i g h t i n gs y s t e mo fs t r e e tl a m p T h es L。u c L u r ea n dt h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo fl i g h t i n gs y s t e ma r ed e s c r i b e di ns h o r t A n dt h ed e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fP I 2m o d u l eb a s e do nS T 7 5 3 8a i ei n t r o d u c e dT h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n p u ta n do u t p u tc i r c u i t sa r es i m u l a t e d T h ee x p e c t e dr e s u l t si nr e a le n v i r o n m e n tt e s ta r eg o t t e nA tl a s t，t h es k i l l s i na p p l y i n gS T 7 5 3 8a r ed i s c u s s e d K e y w o r d s：l i g h t i n g；m o n i t o r；m o d u l e s i g n a lc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nF o u n d a t i o nP r o j e c t：S u p p o r t e db yN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o nP l a n0 fH e i l o n g i a n gP r o r i a c e(N o F 2 0 0 5 0 8)；T e t h n o l 口g yR e s e a r c hF o u n d a t i o no fH e i l o n g j i a n gP r o v i n c e(N oG C 0 6 A 1 3 0)1引言目前原有路灯系统的管理方式、运营方式和维护方式等己无法满足人们对路灯系统照明质量、维护水平和节约能源等方面的要求。网络化智能路灯监控系统已成为目前的研究热点。电力线找波通信以其应用方便和投资少等优势l 叮倍受关注并且在路灯照明监控系统中得到了广泛的应用。利用电力线载波通信技术搭建的照明网络系统，不仅能寅时控制局部或者单个路灯的状态，还能通过对路灯电压、电流、功率的测量，反馈路灯的故障信息，而且通过对上报信息的分析优化照明策略，实现节约能源。这里使用S T 7 5 3 8 电力载波调制解调芯片设计了照明系统中的电力线载波通信模块；给出了通信模块软件和硬件的具体设计方法。2 照明系统总体结构图1 示出照明系统的总体结构。主要包括监控中心、路段控制器、载波通信网关和带育载波通信模块的路灯节点。监控中心山计算机、监控软件和数据基金项目：黑龙江省自然科学基金项目(舢5 0 8)；黑龙江省科技攻关计划项目(G C 0 6 A 1 3 0)定稿日期：2 0 0 7-0 8 2 7作者简介：刘晓胜(1 9 6 6 一)，男+黑龙江齐齐哈尔人，博士后，教授。研究方向为电力照明、电力线载波通信。2 2库组成，负责总体控制和查询路段控制器及备路灯节点的状态。路段控制器可在控制中心的控制下工作，也可独立运行。载波通信模块由微处理器和调制解调芯片S T 7 5 3 8 和接口电路组成用以实现路灯信息与路段控制器信息在电力线卜的传输。监控中心通过G P R S 网络与路段控制器通信路段控制器通过对接收到的信息解析得到需要执行的指令，”将该指令传送给载波网关。载波网关将指令发送到载波通信节点，载波节点通过协议判别将指令解析为对路灯的操作，实现监控中心对路灯节点的控制。同样，路灯节点也可通过与上述流程反向的方式实现信息的上传，使监控中心掌握每一个路灯的详细状态，有效地管理整个系统。整个网络当中，监控中心的计算机及G P R S 技术成熟均可直接采购产品，所以电力载波通信模块的设计便成为该系统的重点和难点奠氚2 2 0 VG P R S 嘲蹈监牲中心审篷型噬幽一肉嘲一图1 照明系统的总体结构3 载波模块硬件设计3 1电力线载波通信模块接口设计图2 示出电力线阻抗测试电路。微处理器采用豫忑h?0 L 万方数据用于照明系统的电力线栽波通信模块设计M E G A 8 单片机。它是一款高性能、低功耗，采用R I S C 指令集的单片机。S T 7 5 3 8 是一款半双工F S K 三豆亟口电力2线ov图2 电力线阻抗测试电路调制解调芯片。与前两代产品相比增加了载波频率的个数同时内部集成了载波监听、过零点监测和运放等功能。S T 7 5 3 8 通过一个2 4 位可编程控制器实现了各种功能的配置。其接口电路主要包括发送滤波电路接收滤波电路和耦合保护电路。发送滤波电路将S T 7 5 3 8 输出的载波信号以设定的功率发射到电力线上。接收滤波电路用以滤除电力线上的无用信号将有用的载波信号输入给S T 7 5 3 8。耦合保护电路的功能用来隔离交流2 2 0 V强电信号，以防止电力线上的浪涌或冲击等高能量信号对载波模块的损坏。3 2S T 7 5 3 8 发送滤波电路的设计和仿真在设计发送滤波电路之前首先要确定电力线的等效阻抗才能设计出与该阻抗匹配的窄带滤波器。因此首先要设计一个简单的电路以测试电力线的等效阻抗。图3 示出测试电路结构原理。选用变圆图=图3 测试电路结构原理图中u 频率可变的信号源电力线等效阻抗比为l：1 等效电感为1 8 m H 的耦合变压器。让u。发出不同频率的载波在不同的频率处测试“s和蜥的幅值和相移。根据电路理论，有：生：i 蝤型鱼)鱼r 1、U s(1 6 c 2)+Z L+(1 j,C 1)+j t o L l、7由式(1)可得：昂坐妻丑一击葡1i t a L I t OI(2)u r“Tb 2l 山L实验时，取U s=1 2 s i m o t，C I=c 2=O，2 2 1 x F，l=3 9 t t H，在不同频率处测试嘶的幅值及相对于U s的相移，即可根据式(2)计算出五的值。经测量，Z L 为一个感性负载故可等效为一个固定阻值的电阻与一个固定阻值的电感串联。Z L 的实部即为电阻阻值；五的虚部I m=L。由于L 在理论上是固定的，故I m 是频率的函数。已知不同频率处的l m 则可由式L=I m w=I m(2 1 r f)计算出该频率处所对应的值。采用该方法并针对实际通信环境进行测量。这里设计的电力线载波模块使用s T 7 5 3 8 提供的1 3 2 5 k H z 的载波频率。因此，将m 的频率设置为1 3 2 5 k H z。由于电力线阻抗存在时变性将测量分多时段进行。最终获得的电力线平均等效电阻为2 D,平均等效电感为3 9 仙H。由此参数可辅助设计输出滤波电路的其他参数以获得最佳的发送效果。发送滤波电路的设计对整个电路的通信性能起到至关重要的作用。通过滤波器的阻抗变换作用，可以实现发送电路阻抗匹配实现发射功率最大获得最佳的传输效果。针对载波频率进行阻抗匹配设计发送滤波电路设计成窄带滤波器。窄带滤波器的中心频率为载波通信频率。此外，发送滤波电路还必须实现能够隔离工频电网。传统设计滤波器的方法是以阻性负载为对象的，而电力线为感性负载。故不能采用传统设计滤波器的方法，而应采用谐振的方法。现将S T 7 5 3 8 载波频率设置为1 3 2 5 k H z 并基于这个载波频率设计发送和接收滤波器。图4 示出发送滤波器的设计结果。圆圆图4 发送滤波器的设计结果图中A T O P，A T O P 广S T 7 5 3 8 模拟信号的输出管脚L，广耦合变压器其耦合系数为1尺，和厶广模拟1 3 2,S k H z 时电力线盼等效阻抗“广一电力线上的工频电源耦合变压器的作用有两个：一是在低频处。耦合变压器与c，一起隔离电力线上5 0 H z，交流2 2 0 V 强电功能。因为在5 0 H z 处，l(j t a C，)j 比：，使强电全部降落在岛上。c 3 是高耐压值的安规电容。R。为c 3 构成放电回路。二是在高频处，l(j o，c 3)j n 止。，使高频载波信号全部加载到耦合变压器上，并以l：l 的比例把高频载波信号传输到接收网络，实现载波接收的功能。3 3S T 7 5 3 8 接收滤波电路设计电力线上不仅有工频的电力信号、载波通信信号，还夹杂着频率丰富的噪声信号。所【；l，接收滤波电路的功能是从成分复杂的信号中高效地提取出载波信号并提供给S T 7 5 3 8 的R A I 管脚。接收滤波器设计为两级。第一级是设计的月L，c 串联谐振电路：第二级是设计的尺L，c 并联谐振电路。图5 示出接收滤波器的结构。2 3 万方数据第4 1 卷第l O 期2 0 0 7 年1 0 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 1 N o 1 0O e t o b e t，2 0 0 7第一级滤波电路使用R L C串联谐振谐振频率选为载波频率。利用R L C 串联谐振时Q 值越高电感或电容上的电压越大这一特性在谐振频率处形成增益尖峰，实现放大载波信号的作用。图6 a 示出第一级谐振电路的传输特性仿真结果。为了进一步滤出噪声信号，设计了第二级并联谐振电路。并联谐振时复阻抗最大，可保留前一级对载波信号的放大作用并衰减载波信号两侧的噪声信号。图6 b 示出经过连续两级滤波电路后晟终得到的输入滤波器传输特性仿真结果。i Fj 一rb 二l 一it F!j：i扎i-二】；_；|一二rIr|_!：二扎=。二J krr a】第一耘精掘f l k I u H z 蹄传辅特中：(b)最终接收城,q k 被H 器z 传输特怿图6 仿真结果4 软件设计电力线通信载波模块的软件指运行在微处理器中的程序。微处理器在通过软件完成对S T 7 5 3 8 的控制寄存器配置、校验控制S T 7 5 3 8 向电力线发送数据及接收S T 7 5 3 8 解调后的数据。其中，S T 7 5 3 8 控制寄存器的读写只能一次性以同步通信的方式完成有很强的时序性。因此着重介绍了S T 7 5 3 8 芯片的配置和校验过程。C L R T 管脚输出的方波信号作为微处理器与S T 7 5 3 8 之间的同步通信信号因此将C L R T 管脚与微处理器的外部中断管脚相连微处理器中以中断的方式完成对S T 7 5 3 8 控制寄存器的读写。图7 示出读写控制寄存器中断处理函数。NY髫茴I 萄审图7 读写控制寄存器中断处理函数在配置控制寄存器时。管脚风T x=o R E G在的上升沿对_ D A T A=1S T 7 5 3 8CLRITXD管脚的电平采样后，将结果储存在控制寄存器中，以完成一位控制寄存器的写入。S T 7 5 3 8 的2 4 位控制寄存器的内容是连续写入的，先写入B 1 T 2 3，最后写入B I T 0 当写入的数据多于2 4 位时，最后的2 4 位数据是有效的。在读取控制寄存器数据时，R x T x=l，R E G _ D A T A=I 控制寄存器中的数据被发送到R X D管脚在C L R T 的上升沿到来时该数据处于稳定状态。可供微处理器读取。控制寄存器的读写时序以时钟线C L R T 为基准所以把C L R T 连到单片机的外部中断管脚。为了区别配置和校验控制寄存器的两种状态，定义了两个状态标志位。初始化时，将中断设置为上升沿触发。在配置S T 5 3 8 控制寄存器时为了保证S T 7 5 3 8 能在C L R I 上升沿获得稳定的数据，需要将中断改为下降沿中断。这样，每次下降沿触发中断微处理器将数据写入T X D 脚上升沿时S T 7 5 3 8 读取T X D 脚的电平值并存入保存设置。在配置完成2 4 位后。将中断恢复为上升沿中断为控制寄存器校验函数运行做好准备。5S T 7 5 3 8 使用注意事宜(1)S T 7 5 3 8 处于发送状态时，接收微处理器U A R T 接口发出的数据并将其调制后发送到电力线上。U A R T 接口发送的起始位低电平和停止位高电平也被调制，并发送到电力线上。(2)S T 7 5 3 8 处于发送状态时，微处理器将最后一个字节数据写入发送缓存器后不能立即切换S 1 7 5 3 8的工作状态因这时最后一个字节数据被缓存在微处理器的发送缓冲区或者正在向s r 7 5 3 8 发送中并没有向电力线发送完毕。为了保证所有的数据发送完毕可以在最后一个字节写入后人为地在软件中插入一定的延时或者再向发送缓冲区中发送1 2 个字节的无用数据。然后切换S T 7 5 3 8 的工作状态。(3)S T 7 5 3 8 最多可连续处于发送状态3 s，超过3 s 后自动转为接收模式。(4)接收模式时，若没有载波信号，S T 7 5 3 8 的R X D 管脚既有高电平也有低电平。该状态是种空闲状态，并不是S T 5 3 8 正在接收到的载波信号。此时，高低电平的宽度无规律，并不是波特率的整数倍。若让R A I 直流接地R X D 管脚的电平主要为低电平状态，也有为高电平状态的。若此时有载波信号进入。则S T-5 3 8 也会解调出数字信号这是因为通过直流地也会有微弱的载波信号耦合进入R A I 管脚。(下转弟4 6 页)万方数据第4 l 卷第1 0 期2 0 0 7 年1 0 月电力电子技术P o w e rE l e c t r o n i c sV 0 1 4 1 N o 1 0O c t o b e r 2 0 0 7的峰值电流被限制在3 A 以下。图7 e。f 示出启动或稳态时单片机P W M 口输出的高频P W M 电压信号“，。，以及。点和b 点的检测电压和实验结果。可见，换向时的若干周期内。电感电压较高，对应图6中d 点的采样电压较高。图6 中6 点的电容电压地较快地升高到设定值，单片机比较器产生硬件中断信号立刻封锁当前周期的P W M 输出信号u。，从而有效限制了回路的峰值电流。r 馋u“偌f b)稳志时的唯川i ds 仿真波形i-+实验波形。可见，u m 和i-。为低频方波，有效避免了声共振的发生。整机效率可达9 2-9 3。一 一广。L 呐e!：卫n!广(a)零电雕开j 皿日4 鲫v s，唯u 艘彤(b)椽悉时的“o 叩“蜘p 赶|c 彤图8 实验结果提出了一种基于半桥双B u c k 结构的两级低频方波金卤灯电子镇流器，通过样机测试验证。能有效避免声共振现象。开关管实现了零电压导通整机效率可达9 2 功率因数为0 9 9。同时因采用了单周电流峰值控制策略，有效地避免了换向期间的峰值电流提高了可靠性并且可以延长灯的使用寿命。参考文献【1】MS b e n，ZQ i a n，FzP e n g D e s i g no f aT w o-s t a g eL o w F r e q u e n c ys q u a m w a v eE l e c t r o n i cB a l l a s tf o rH I DL a m p s L 玎I E E ET r a n s o nl n d A p p l，M a r J A p r 2 0 0 3，3 9(2)：4 2 4 4 3 0 1 2】2J u nZ h a o，M i a o s e nS h e n，M i nC h e n，“a AN o v e lL o w-F r e q u e n e ys q i l a i eW a v eE l e c t r o n i cB a U a B tf o rL o w-w a t t a g eH I DL a m p s A I n d u s t r yA p p l i c a t i o n sC o n f C 2 0 0 3，1：3 2 13 2 4【3 HL i，MS h e n，YJ i a n g，e ta 1 AN o v e lL o w F r e q u e n c yE l e c i r o n i cB a l l a s tf o rH I DI“p s 口】I E E ET r a n s o nI n d u s t r y制策略仿真及实测结果A p p l i c a t i o n s，S e p t e m b e r O c t o b e r2 0 0 5，4 1(5)：1 4 0 1 1 4 0 8 4实验结果及结论 4 1MAD a l l aC o s t a，JM 地1 1 8 0 t JG a r e i a，e t 以AN o v e lL o w-基于上述电路拓扑和分析研制了7 0 W 金卤灯c。6 E l e e r o“i cB a l k ms u P P l YM e t a lH a l i d eL 丑m P 8【A 1 黧鎏器耋验銎燃黧燮罂 5 1 芝蒜i。o n C o n f=5 Q i 2 一：1 1 9。8 竺。蛳的可行性。图8 a 示出电路3-作在零电压开通状态下。：?。的开关管的漏源电压M d n 和回路电感电流i c 的实t r“o n i。B a l l。t f 0，M 矗D l pI j】A 品l i。jP 0 w。E l e c m n 验波形。图8 b 示出稳态时的灯电压“岫和灯电流i。C o n f e r e n c ea n dE x p 0。R i o。【c】2 0 0 6：1 0 2 8。1 0 3 2(上接第2 4 页)控系统的应用具有积极的参考意义。6 结语介绍了路灯监控系统的总体设计。设计了基于参考文献S T 7 5 3 8 电力载波芯片的载波模块硬件部分。并作了【1 1陈仲林，杨春宇，翁季，等擞字城市照明设计方法研相应的仿真。同时，对模块的软件框架进行了设计。究m 重庆建筑大学学报-2 0 0 6，2 8(1)：1 3，7 对自主研发的通信模块发送接收波形进行了实测。2 1张智伟城市，灯的精细化管理叨电力需求侧管理t堡篓望苎耋釜煮鎏翌篓篓谁曼要三!s i 曼：!矍了 3 1 苏2 0 0 全5 耋 銎：釜甚殿义，等墙灯监控管理系统叨电测点组成的照明监控系统中，且运行稳定。经过实测，；仪表j 2 0 0 4,4 1(1 2)：2 0，4 3 m一。载波通信的点对点距离可达5 0 0 m，如果加入中继方 4 1刘晓胜戚佳金，牟英峰，等阿络化实时路灯精确监控案，可实现1 5 0 0 m 的载波通信距离，完全能胜任目系统的总体设计咖电气传动。2 0 0 4 3 4(6)：1 6 前路灯系统的监控任务。因此，该设计对路灯照明监1 5 1S T m i c r o e l e c t r o n i e s Z 1 S T 7 5 3 8 2 0 0 3 鹰；o一、j蝗i：p堆；oI，_；肇、=i毒ozj毒；01，：塞，q乎 万方数据
