电力线载波扩频通信芯片-应用开发指南

1、EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEETPLCi36Gffl -E电力线载波扩频通信芯片-应用开发指南R&D GUIDE FOR PLCi36(ffi- -E DATA SHEET青岛东软电脑技术有限公司2009年9月17日版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET目录1. PLCi36G-川-E扩频通信芯片概述 21.1 PLCi36G-川-E芯片特点 21.2 PLCi36G-川-E主要应用范围 31.3 PLCi36G-川-E引脚图 31.4 引脚定义41.5 主要

2、电气特性51.6 封装信息52. 弓丨脚描述 62.1 晶体振荡器62.2 编程使能控制62.3 网络地址管理72.4 185kHz方波信号输出 82.5 ZCP_DET本地交流电过零检测 112.5.1 推荐电路112.5.2 电气参数112.6 终端设备数据输入RX和终端设备数据输出TX 132.6.1 电气特性132.6.2 数据通信标准132.7 扩频调制信号输入/输出( SSCIN / SSCOUT) 143. 信号耦合电路( Signal Coupling Circuit ) 153.1 设计目标153.2 电路组成153.2.1 电路元器件说明 153.2.2 抑制瞬时电压冲击

3、153.2.3 信号耦合电路对发送电路和接收电路的影响 164. 信号发送部分( Transmitting Section ) 174.1 发送电路组成 174.2 电路元器件说明 175. 信号接收部分( Receiving Section ) 195.1 接收电路组成195.2 带通滤波器BPF特性195.3 低功耗窄带模拟前端AFE3361 205.3.1 AFE3361 描述205.3.2 AFE3361 主要特点 205.3.3 最大额定值215.3.4 电气特性215.3.5 AFE3361的典型应用电路 226电源系统231. PLCi36G-川-E扩频通信芯片概述EASTSOF

4、T ' PLCi36G-川-E是专门为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信芯片。该芯片 具有通信可靠性高、高效帧中继转发策略、信号强度指示、相位检测以及完善的网络数据通信协议 集，并且具有低成本、低功耗、外围器件少等特点。PLCi36G-川-E是实现基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换的核心芯片。其中，数据链路层通信协议遵循高级数据链路控制通信协议，应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1997规范和DL/T645-2007规范，在保证 DL/T645协议完整性的前提下，扩充了DL/T645对网络数据通信的支持。PLCi36G-川-E芯片的应用主要集中在自动读表领域，

5、为电力行业或其它公共事业部门提供了一种最佳的AMR的解决方案。1.1 PLCi36G-川-E芯片特点采用集中式和分布式混合网络结构； 主动接收技术，使路径更稳定，健壮； 具有表号、报警事件自动上传功能； 主动向MCU申请表端地址； 合理高效的压缩算法，最大程度的压缩报文，以提高通讯能力与稳定性； 软件相关器和匹配滤波器，63位码序列；高性能数字信号处理技术；扩频通信技术，高效率前向纠错；BFSK调制、半双工通信，码速率高达20.8k波特；高效率的节点帧中继转发机制，支持七级路由深度； 可编程的网络地址、地址过滤，提供有效的本地访问数据； 接收信号强度权重参数指示，为中继搜索算法提供支持，提高通

6、信系统稳定性； 支持相位检测(需要本地交流电过零检测电路)；支持大数据量传输，应用数据 (DL/T-645数据域)可达176字节； 五层网络体系结构物理层(Physical Layer)数据链路层(Data Link Layer )网络层(Network Layer)传输层(Tran sport Layer)应用层(Application Layer )其中，数据链路层 DLL协议规范是基于高级数据链路控制协议，应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1997规范和DL/T645-2007规范，网络层集成 V2、V3、V3.5版网络层通信协议。特别适用于PLC载波复费率电能表的实现，为复费率电

7、能表提供了最佳的AMR解决方案。1.2 PLCi36G-川-E主要应用范围自动读表AMR家居自动化报警和安全监控系统1.3 PLCi36G-川-E 引脚图1.4引脚定义引脚引脚名称描述1 /MRJST复位，低电平有效2 SSCIN扩频调制信号输入3 NC4 NC5 NC6 NC7 NC8 VSS参考地9 CLKN晶体振荡器输入，20MHz10 CLKOUT晶体振荡器输出，20MHz11 EVENT事件状态输入，事件发生时通过外部 MCU将该引脚置高电平， 常态将此引脚置低电平。12 PWM185K185kHz频率方波信号输出，可作为模拟前端的本振信号源13 SSC；OUT扩频调制信号输出，中心

8、频率f0=270kHz，带宽BW=30kHz14 ZCF>DET本地交流电过零检测输入15 TXLED载波发送数据指示，高电平有效。16 RXLED远程网络节点访冋本地数据指示，咼电平有效，每次持续200毫秒。17 TX终端设备数据输出，异步串行通信，速率2400bps18 RX终端设备数据输入，异步串行通信，速率2400bps19 VSSh参考地20 VDD)电源，+5V21 /WPE2PROM设备写保护控制输出22 SCLI2C时钟输出信号23 SDAII2C数据信号24 /SE'r编程使能输入，低电平有效25 NC26 NC27 NC28 NC1.5主要电气特性参数名称参数

9、值电源电压+4.5V + 5.5V输入输出引脚电压范围 -0.3V + 7.8V输出引脚最大输出电流25mA输入引脚最大吸收电流25mA最大功耗0.05W工作温度范围-40oC + 85oC1.6封装信息单位毫米 Millimeters英寸Inches尺寸最小值典型值最大值最小值典型值最大值A 3.56 3.81 4.060.1400.1500.160A1 0.380.015A2 3.183.303.43 0.1250.1300.135A3 3.183.303.43 1.3451.3651.385B 7.09 7.80 8.510.2790.3070.335B1 7.627.948.26 0.

10、3000.3130.325B2 8.138.89 10.920.3200.3500.430C34.16 34.6735.18 1.345 1.3651.385C1 1.021.331.65 0.0400.0530.065C2 0.410.480.56 0.0160.0190.022C32.540.100C4 0.200.290.38 0.0080.0120.015a。）5 1015 5 10152.引脚描述2.1晶体振荡器PLCi36G-川-E时钟频率为20MHz。 PLCi36G-川-E的内部时基信号由内部的振荡电路和外部的 石英晶体组成的振荡器提供，晶体振荡电路如图2-1所示。版权所有20

11、09青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-6 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET图2-1晶体振荡电路因此，对系统的时钟由于PLCi36G-川-E的初始信号捕获的基准时钟完全依赖系统的时基信号 频率的稳定度要求相对较高。具体参数要求见表2-1。表2-1晶体振荡器参数要求器件参数要求C115pFC215pF石英晶体谐振器标称频率频差负载电容振荡方式20.000000MHz± 10ppm 15|）F基频A

12、T注意：在布板时，应尽量使石英晶体谐振器和负载电容靠近CLKIN和CLKOUT引脚，并将石英晶体谐振器外壳接地，其引脚周围应有大面积铺铜接地区域，以取得抑制各种干扰的效果。2.2编程使能控制PLCi36G-川-E管理的网络地址（或称 MAC地址，即介质访问控制层地址，亦可称为网络通信地址）是可编程的，通过/SET引脚的电平进行使能或非使能的编程控制。通常，/SET引脚外接编程按钮或编程跳线连接至参考地。编程使能控制电路如图2-2所示，编程状态见表 2-2描述。图2-2编程使能控制电路表2-2编程状态/SET状态内部检测电平编程状态浮空高非使能接参考地低使能6个字节，通常存贮在外部的PLCi36

13、G-川-E管理的网络地址是唯一的，其物理地址长度为2E PROM中，详见2.3节。2.3网络地址管理在整个通信网络中，每个通信节点的网络地址是唯一，其物理地址用6个字节来表示，并存贮在外部的I2C串行e2prom中。PLCi36G- 川-E对网络地址的管理是通过 /WP、SCL和SDA三个端口完成的， 并能够与E2PROM设 备直接连接（由于内部上拉电阻的存在），对网络地址的编程使能由编程使能控制引脚 /SET来控制（参 见2.2节）。地址管理引脚特性见表 2-3描述。表2-3地址管理引脚特性引脚描述功能特点/WP写保护输出控 制高电平时，禁止写；低电平时，允许写。SCL串行时钟输出SC；L的

14、时钟频率为 66kHz （适用于1.85.5V设备）1SDA串行数据数据输出时间15 s （包括TsU.DAT、THIGH和THD.DAT ）22.PLCi36G-川-E与I2C串行E2PR0M的连接原理如图 2-3所示。图2-3 E 2PROM电气连接原理图24XX01设备不使用芯片选择位（A0 , A1、A2 ）,这些引脚可以浮空，接参考地或接电源。考2虑到E PROM设备的适用范围（如：24XX02、24XX04），推荐将芯片选择位（A0，A1、A2 ）均与参考地相连。PLCi36G-川-E在存取E2PROM设备时，控制字节中的芯片选择位均为 0。控制字节的格 式如图2-4所示。控制码芯

15、片选择位读/写位1010000R/W图2-4控制字节的格式PLCi36G- 川-E的网络地址也可以自动向计量管理芯片获取，详见PLCi36G-川-E Application Note2807。2.4 185kHz方波信号输出由PLCi36G-川-E内部产生的频率为185kHz的方波信号，通常作为通信系统模拟前端IC的本地振荡信号源。该信号的周期为 5.4阳，占空比为1:1，高电平为VCC，是一个标准的频率为 185kHz 的方波信号。如果使用它作为模拟前端IC的本地振荡信号源，推荐使用一个外部带通滤波器（L10、C28）来提取185kHz基频信号，抑制基频外的谐波分量。另外，需要根据模拟前端对

16、本振信号幅度的要求， 适当调整限流电阻 R38。典型的模拟前端本振信号形成电路如图2-5所示。版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-8 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEETVloR38AFE3361 LO -15KC2822nF185kHzVGND版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-9 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET图2-5典

17、型的模拟前端本振信号形成电路 器件参数说明：器件名称参数值功能描述R38 15k?限流电阻C28 22nF由电容C28和电感L10组成并联谐 振电路，实现带通滤波的功用， 其谐 振频率为：1f0 = = 186kHz2n LCL10 33mHPWM185K方波信号，以及经过带通滤波器滤波后的波形和频谱如图2-6所示。a) PWM185K 波形眄QI： 1虧PkP阅1):瓦页5 cures rChurFrsqusncj1,P triedPsak-P&ak-版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SH

18、EET版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-10 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEETb) AFE LO In put 波形c) AFE LO In put 频谱图2-6模拟前端本振信号波形图版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET2.5 ZCP_DET本地交流电过零检测过零检测主要用于本地相位检测，在具有相位检测的各模块中均需要加装此电路。其原理是通 过计算各节点间的过零信号时间差得到具体相位。注：相位基准由集中器提供。2.5.1

19、推荐电路PIHSEZEO R50240KWE7NE(2501KVD7N&1NH4845VC52 0.1U工口 VssZC tETR1947K IC4615F版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-11 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET图2-7过零检测电路图中：PHASE :火线ZERO :零线PLCi36G-川-E 的 ZCP_DET(14)引脚ZCHK :过零信号输出，连接2.5.2

20、 电气参数需要满足在220V市电条件下：上升沿零点（芯片引脚检测到由低转为高电平时刻）滞后实际市电的零点400土 50us；下降沿零点（芯片引脚检测到由高转为低电平时刻）滞后实际市电的零点450土 50us；版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-12 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-13 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET以下为推荐电路 ZCHK实测波形：（施密特输入高电平为 2V ;低电平为0.8V）版权所有2009青岛东软电

21、脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET图2.8 零点检测效果图（Channell为ZCHK信号，Channel2为市电分压波形）版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-# -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEETu I.MW旦加D” #也自诽竹皿血 Shw f n 2<2V0 500T/ MttF/ If 9.7tr naw s(w f u 2.mI I MX = ?AX = 442 DQDQDDusAVin = BPOQQmV图2.10下降沿零点偏差版权所

22、有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-14 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E DATA SHEET2.6终端设备数据输入RX和终端设备数据输出TX2.6.1 电气特性终端设备数据输入 RX和终端设备数据输出 TX端口是电力线载波通信系统与数据终端设备之 间的唯一接口。 RX和TX工作在异步串行通信模式，使用NRZ格式。其电气特性见表 2-4。表2-4 RX 和TX的电气特性引脚参数描述最小值典型值最大值单位TXVol输岀低电平0.6VV OH输岀高电平VDD - 0.7VRXVil输入低电平VSS0.15VDDVVih输入高电平2.0VDDV该接口通常与外

23、部的智能设备连接，如：复费率电能表、多功能电能表、预付费电能表，或其 它的计量仪表等。2.6.2 数据通信标准PLCi36G-川-E的数据终端通信协议是依据中华人民共和国电力行业标准DL/T645-1997/2007多功能电能表通信规约而设计，其目的是实现与遵循该标准的智能仪器仪表的无缝连接，简化整个 系统的结构、降低系统的成本、提高系统的可靠性。其主要特点包括：字节格式：1位起始位、8位数据位、1位偶校验、1位停止位；通信速率：2400bps；数据通信协议：符合 DL/T 645- 199和 2007版规约。关于与数据终端设备之间的数据交换，参见 PLCi36G-川-E Applicatio

24、n Note 2807。2.7扩频调制信号输入/输出(SSCIN / SSCOUT)PLCi36G-川-E采用直接序列扩频通信方式，63位伪随机编码。所谓扩频通信这一术语，就是扩展频谱通信技术(Spread Spectrum Communication )的含义，它的基本技术特征是被传输的信息所占用的信号带宽远大于信息本身的带宽。另外，扩频通信还具有 如下特征：它是一种数字传输方式；在发送端，信号带宽的展宽是通过高码率的伪随机编码对传输信息进行调制来实现的； 在接收端，需要使用相同的伪随机编码对扩频信号进行相关解调来还原被传输的信息。扩频通信的理论依据是信息论中关于信道容量的著名定理，即香农(

25、C.E.Sha nnon)公式：S C=Wlog2(1+ )N式中，C-信道容量(用信息传输速率表示)；W -信号带宽；S-信号功率；N-噪声功率；香农公式表明：当信号的传输速率 C 一定时，信号带宽 W和信噪比S/N是可以互换的，即可以 通过增大信号带宽来降低对信噪比的要求。当带宽增大到一定程度，信号功率可以接近噪声功率， 甚至信号被噪声淹没的情况下，仍然能保持可靠的通信。扩频通信就是以宽带传输技术来换取信噪 比上的益处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信具有以下优点：抗干扰性强，误码率低；抗多径干扰；保密性强；功率谱密度低，具有隐蔽性和截获概率低；易于实现码分多址。处理增益Gp,

26、亦称扩频增益(Spreading Gain),是扩频通信系统的重要性能指标。处理增益Gp定义为频谱扩展前的信息带宽 AF与频带扩展后的信号带宽 W之比，即Gp=W F处理增益Gp反映了扩频通信系统对信噪比的改善程度。PLCi36G-川-E扩频通信系统的扩频增益：W20.83 X103Gp = 10log = 10log18dBF330扩频调制信号输入/输出(SSCIN /SSCOUT)的详细介绍将在发送部分和接收部分中，结合具体的电路一起进行详细描述。3信号耦合电路(Signal Coupling Circuit )3.1设计目标信号耦合电路是将载波通信单元与电力线(Powerline )连接

27、的关键单元。其主要功能包括：滤除 220Vac/50Hz (或 110Vac/60Hz)的交流信号；抑制瞬时电压冲击(如:雷击造成的过电压、 电网电压的浪涌和尖峰电压、及静电放电电压等)能够高效率地将发射信号注入电力线，保证在电力线上的有效信号功率；对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收；最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，具有高通滤波的功能。3.2电路组成根据通信系统的载波中心频率 fc= 270kHz的要求，信号耦合电路的设计如图3-1所示。C11LINEMAINSNEUTRA0.15uF/310VAC牡。T2cihuan 500uH 1.1RX PathGNO订 TX Pat

28、h图3-1信号耦合电路3.2.1 电路元器件说明在信号耦合电路中，电容 C11滤除交流50Hz信号，采用隔离变压器 T2使电力线回路和通信单 元安全隔离，并由电容 C11和隔离变压器的次级线圈电感L构成高通滤波器的功能。电容C11采用长寿命高性能的安规电容，因为安规电容存在寿命问题，随着使用时间的推移， 容量会变得越来越小，若容量小于10nF将导致耦合电路失效，而市面上存在很多兼容的安规电容，其中大多数是国产品牌，而能保证质量和使用寿命的又很少，所以在考虑到产品质量的前提下，不 建议随意采购这颗电容，推荐OKAYA、优普或更好品牌的0.15UF/310VAC、0.15uF/305VAC、0.1

29、5UF/300VAC的安规电容；3.2.2 抑制瞬时电压冲击瞬时电压冲击(如：括雷击造成的过电压冲击、电网电压的浪涌和尖峰电压、某些用电设备所 产生的尖峰干扰脉冲、工业火花，及静电放电电压等)会对电路系统起到破坏和干扰作用。因此， 必须采取严格的防护和抑制措施。在信号耦合电路中，采用氧化锌压敏电阻器件对瞬时电压冲击进 行抑制。压敏电阻的标称电压应按下式选择：ACrms = 1.4 X 2 X220V X110% 480/考虑到压敏电阻对于雷击造成的过电压的吸收，最大通流容量应大于5000A。根据分析，压敏电阻RV1选择MYG3-20K510，对于某些应用场合亦可选用MYG3-14K420，其性

30、能如下：型号压敏电压最大允许回路电压最大限制电压(8/ 20us)最大通流容量(8/20us)V1mA(V)AC rms(V)DC(V)Vc(V)Ip(A)一次(A)二次(A)MYG3-20K510 820510670 13J5510060004000MYG3-14K420 680420560 11：>050 450025003.2.3 信号耦合电路对发送电路和接收电路的影响关于信号耦合电路对信号发送和接收电路的影响和作用，将在信号发送部分和信号接收部分进 行详细描述。版权所有2009青岛东软电脑技术有限公司地址：青岛市上清路16号甲-18 -EASTSOFT?PLCi36G-IH -E

31、 DATA SHEET4 信号发送部分(Transmitting Section )4.1发送电路组成电力线载波通信系统的信号发送部分由扩频调制信号输入、谐振功率放大器和信号耦合电路三 部分组成。其主要任务是高效率地输出信号功率，并将载波信号有效地注入电力线。由于发送部分和接收部分的电路结构和元器件的选择使得发送部分和接收部分的相互影响较 小，因此，可以对发送部分和接收部分进行独立的综合和分析。经研究和测量表明，电力线的阻抗分布在0.5?80?（在3kHz525kHz频率范围）之间，其阻抗主要依赖于用电负荷的大小、线路结构、以及配电变压器阻抗等多种因素。由于配电线路结构 和配电变压器的阻抗特性

32、相对比较稳定，因此，用电负荷的大小对电力线阻抗的变化影响较大。我 们知道，用电负荷具有随机性，其主要表现为在不同的时间，用电负荷的变化，即阻抗的时变性。研究电力线的输入阻抗，对于提高信号的发送功率和有用信号的输入功率能够起到非常重要的 作用。因此，在分析发送电路部分中，设定电力线的输入阻抗为5?。发送电路部分的设计如图 4-1所示。图4-1发送电路部分的原理图4.2电路元器件说明TS5是一颗20V的肖特基稳压管，但在这里没有用到它的稳压特性，用到而是它的正向导通电压低的特点，来保护 P沟道的MOS管，考虑到产品的可靠性，推荐这颗稳压二极管选用1N5817或SS12,或具有更低正向导通电压的二极

33、管。注意：不允许使用1N4148、1N4007等正向导通电压较高的二极管！更不允许省掉！否则会损伤MOS管！电阻R8/0.22k在这里起到保护载波芯片的作用，因为载波芯片采用的是 MOSFET工艺，不推荐驱动容性负载，而这套放大电路的输入是容性的，所以在这里串联一颗0.22k的电阻来保护载波芯片；US6M2内部具有一颗 P沟道的MOS管和一颗N沟道的MOS管，P沟道的耐流为1A , N沟道 的耐流为1.5A，这就使整个载波电路的耐流为1A，所以供给这个放大电路的电源的功率不能太大，假如电源能提供的功率非常大，当外界的阻抗很小时，就会有很大的电流流过US6M2这颗器件，当超过它的额定值时，有可能

34、会把US6M2烧掉，所以推荐载波通信电路采用变压器供电。+15V2SB1132R2510kC22 l0.1uFC2100uF/35VR41VioJ-_I1_L_Vss 15k 3k图4-2 功率控制电路部分的原理图R421这部分电路所起的作用是当15V电源电压被拉低到 6.5V左右的时候控制其输出电流，保证15V电源电压不至于被拉低到太低而致使整个系统无法正常工作，其最突出的是可优点以很好的保证低 电压试验能够通过。5 信号接收部分(Receiving Section)5.1接收电路组成信号接收部分由信号耦合电路、带通滤波器BPF和模拟前端AFE三部分组成，其主要功能是对 来自电力线上的扩频通

35、信信号进行有效的接收和模拟解调。其中，信号接收电路的设计目标是提高 频带内的信号接收功率（信号耦合电路设计的一部分，需要同发送部分统一设计。），并最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，且使无源滤波网络的插入损耗最小。信号接收电路原理图如图5-1所示。AFE3361信号接收电路和100uH）要远离185kHz滤波电路的电感（33uH），一般要求图5-1注意：在布PCB板时，接收滤波电路的电感（1mH不小于15m m,否则会造成接收性能的下降。5.2带通滤波器BPF特性设计带通滤波器的目的是滤除有效信号的频带外干扰，这是一个三阶的Butterworth带通滤波器。该滤波器的特性参数：带宽（3dB） : BW3dB 108kHz矩形系数：Ko.1 = BW（1 3BW3dB插入损耗：L - 1.2dB其滤波幅频特性如图 5-2所示。Frequency图5-2(kHz).带通滤波器的幅频特性曲线5.3低功耗窄带