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適用于儀器儀表通信的若干新技術2003年10月(1)

摘要  簡要介紹了適用于自動化儀器、儀表的通信技術進展。較為系統地綜述了電力線通信技術、無線紅外和籃牙通信技術、基于USB接口通信技術、現場總線通信技術以及嵌入式Internet接入技術。探討了這些技術對自動化儀器、儀表通信所提供的支持及其應用方式。

關鍵詞    儀器儀表通信   電力線通信    紅外通信   籃牙通信     USB接口    現場總線通信    Internet

0         引言

目前,在自動化儀器、儀表中常用的通信標準主要有RS-232C和RS-485等,長久以來這兩種串行通信方式一直是自動化儀器、儀表最基本的通信方式之一,在其它應用系統的能信中用得也很多。近年來,隨著計算機技術、網絡技術、通信技術的發展及其在工業自動化系統和儀器、儀表領域加速了向數字化、智能化和網絡化方向發展的進程。本文將探討電力線通信技術、無線紅外和籃牙通信技術、基于USB接口的通信技術、現場總線技術及其嵌入式Internet接入技術等對自動化儀器、儀表所需的通信和聯網給予的支持和應用方式。由于目前的智能儀表均以嵌入式單片機為核心,其通信接口、通信協議和數據傳輸都需要在單片機控制下實現,因此在本文的敘述中,凡涉及與嵌入式智能儀表的通信接口時,均以單片機代替智能儀表。

1         電力線通信技術

電力線網絡作為世界上最大的網絡,其主要功能仍然是輸送電能。隨著信息技術的發展,基于電力線路的通信(power  line  communication)就成了近來的熱門話題。電力線對于實現電力自動化系統設備之間的通信和現代電能計量管理將起重要作用。國外已有一些成功的應用實例,國內也有電力Modem的Internet 接入試驗。目前使用較多的是基于電力線載波通信的單表(或多表)自動抄表系統,另外對電能數據的采集和傳輸、對電力設備的監控和保護、以及電能的優化調度等也可以借助電力線路的通信介質實現。因此,基于載波技術的電力線路的通信已成為目前電力系統智能儀表通信發展的方向之一。

1.1 電力線載波通信方式和特點

電力線載波通信是電力系統特有的通信方式,它是利用現有電力線,通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。由于使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸介質,因此具有信息傳輸穩定可靠、路由合理、可同時復用遠動信號等特點,是唯一不需要線路投資的有線通信方式。

電力線通信是將數據調制成載波信號或擴頻信號,然后通過耦合器到220V或其它交直流電力線上,甚至是沒有電力的雙絞線。電力線載波通信不僅提供了實用的新興通信手段,而且它所具有的現存物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優點,顯示了誘人的前景和潛在的巨大市場。

1.2 支持電力線載波通信的專用芯片

   電力線上通信的關鍵是:如何保證在電力線上長距離通信可靠。在電力線上通信存在以下問題:電力線間歇性噪聲較大(某些電路的啟停、運行都會產生較大的噪聲);信號衰減快;線路阻抗經常波動。上述這些問題使通過電力線的通信非常困難,因此電力線載波通信的關鍵就是設計出一個功能強大的電力線載波用的芯片。目前常采用PL2000A和PLF-22電力線收發器等專用芯片,它們能提供較好的解決方案。

1.2.1 基于PL2000A是專為電力線載波通信系統

PL2000A是專為電力線通信設計的半雙工異步調制解調器。它僅由單一的+5V電源供電,以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2000A除具備基本的通信控制功能外,還內置了四種常用的功能電路:32字節SRAM(電池維護)、電壓監測、看門狗定時器及復

位電路,它們通過標準的 接口與外部的微處理器相連。PL2000A由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術,以及大規模數字/模擬混合0.5 工藝制作,所以在抗干擾、抗衰落性能以及性價比等方面有著出眾的表現。

采用PL2000A芯片的低壓電力線載波通信系統框圖如圖1所示。該系統配合單片機完成數據在電力線通信線路的擴頻發射、擴頻接收。通過單片機的串口及電平轉換,還可與PC等上位計算機通信。從圖1可以看出,該通信系統的硬件主要有:電源、RS-232接口部分、單片機處理部分、載波接口部分(如載波信號接收、載波信號發射和載波信號預處理等)、單片機復位等接口電路。

              圖1  基于PL2000A的電力線載波通信系統

在圖1中,作為電力線通信系統的核心部分其主要工作原理是:由PL2000A芯片完成載波接收、解擴、當然PL2000A需由其它部件(如MC3361)完成載波信號預處理:載波擴頻發射由單片機控制,通過PL2000A完成擴頻編碼處理,再通過后續推動電路完成擴頻載波信號的功率輸出。PL2000A載波通信為同步、半雙工方式,由幀頭進行同步,常態為載波接收模式。單片機接口提供單片機的復位信號、看門狗信號、以及載波收發控制信號。PL2000A具有與51系列單片機兼容的高電平復位信號,由PL2000A的RST輸出。PL2000A可為單片機提供看門狗功能,看門狗計數器清零輸入端為WDI。當WDI持續436ms以上無高低電平變化,將導致看門狗計數器溢出,使PL2000A的RST腳輸出復位高電平。

通信軟件設計可分為兩個部分:其一是單片機與PL2000A通過 接口的通信;其二是PL2000A芯片的載波接收和發射。

1.2.2  基于PLF-22芯片的電力線載波通信系統

         PLF-22電力線收發器是美國Echelon公司制造的數字電力載波通信接口電路?蔀橐噪娏作為通信介質的電力線載波通信提供簡單、高效的接口。它所具有的雙頻調制和增強的數字信號處理能力明顯地提高了通信的可靠性。PLF-22采用了與傳統窄頻技術不同的雙信道和數字信號處理技術。其內部的DSP處理器能夠使PLF-22成功地接收那些以前的收發器根本無法檢測到、更不用說處理的信號。而雙信道的特點使PLF-22能夠解決電力線信號在許多領域中的傳輸障礙,如脈沖噪聲(調光器)、連續噪聲(開關電源)和由EMI過濾器引起的相位失真(家用電器)。PLF-22電力線收發器則可利用雙載波頻率自動調整和數字處理信號技術解決這種在惡劣電力線通信環境下的通信質量可靠性問題。應用雙載波頻率自動調整技術,PLF-22可以在主頻被噪音堵塞的情況下,自動切換到副頻繼續保持通信。

               圖2  基于PLF-22的電力線載波通信系統


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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