家电遥控系统的研究与设计

1、 本文由tyqhaha贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 暖啜髓 ? 家 电遥控系统 的研究与设计 程序 贤 徐 建城 （ 西北 工 业 大 学 ， 西 安 ） 摘 要： 以家庭低压 电力线为传输 介质 ， 采用直接序 列扩频和低压 电力线载 波通 信技术（ ， ）设计 了基于 的控制及通信节点 ， 并形成一个小型系统 ， 实现对家用 电器的遥控。通过分析节点与低压 电力线信道特性 ， 为系统建立了通信模型 、 了数据帧格式 ， 设计 并经过比较与优化 ， 出了错误处理机制。实验数据表明 ， 提 系统通信状 况 良好 ， 可实现对家用电器

2、 的可靠控制 ； 系统性能稳定 ， 成本低 ， 具有一定的实用价值 和应用前景。 关键词 ： 电力线载波 家用电器 遥 控 通信模 型 错误处理 ： ， ， ： ， （ （ ） ） ， ， ， ， ， ， ： 引 言 系 统 由 主 控 节 点 、 干 受 控 节 点 、 压 电力 线 网络 组 个 若 低 随着 科 学 技 术 的发 展 和 人 民生 活 水 平 的 提 高 何遥 控 家 成 。 如 主控 节 点 和受 控 节 点分 别 直 接 与 低 压 电力线 相 连 。 家 用 电器 引起 越 来 越多 关 注 目前 已有 的技 术 主 要采 用 以下 几种 用 电 器直 接 连 接

3、到受 控 节点 上主 控 节点 由低压 电力 线载 波 模 传 输 方式 ： 双绞 线 传输 、 力线 传 输 、 牙 等 无 线 传输 。双 绞 线 电 蓝 块 （ 下简 称 载 波模 块 ）键 盘 、 晶 显 示 屏组 成 ； 控 节 点 由 载 以 、 液 受 电器 开 关模 块 组 成 。 系统 硬 的 件核 心 是 载 波模 块 ， 括 包 传 输 价格 低 、 行 可靠 。 是 需 要 重新 布 线 。 运 但 电力 线 不 需要 铺 设 波模 块 、 附 加 线 路 使 用 简 单 但 由 于 国 内 外 电力 线 信 道 特 性 的 差 别 干 扰 大 以及 阻抗 匹配 不 稳

4、 定 ， 输 稳 定性 受 到 影 响 。 蓝 传 主控 芯 片 及 其 外 围 电路 ： 率放 大 及 发 送 滤波 电路 、 功 载 波耦 合 电路 、 载波 接 收 电路 、 瓷滤 波 电路 。见 图 。 陶 闭 牙传 输 可移 动 性 佳 。 用便 利 ， 使 但蓝 牙协 议 尚 未 彻底 规 范 ， 通讯 距 离 比较短 ， 同时 成 本 居 高不 下 。 针 对 以上 情 况 采 用 低成 本 的传 输 介 质 低 压 电 力 线 并 专 门设 计 通信 协 议 ， 计 了家 电 遥控 系统 。这 种基 于家 庭 电 设 力线 网络 的 系 统 方 便 、 济 ， 要 在 家 电

5、与 电 力 线 之 间 放 置 一 经 只 鹭 图 低 压 电力 线 载 波模 块 圈 个 受控 节 点 能 实 现遥 控 。 就 系统硬 件 设 计 硬 件 总 体 结 构 核 心 芯 片 是 专 为 智 能 信 息 家 电 、远 程 监 控 等 设 计 的 单 芯 片 作 者 简介 ： 序 贤 硕 士研 究 生。研 究方 向 为 电子 设 计 自动 化 。 程 机 电一体 化 。 ； ? 暖吸圈圜 片 上 系 统 。 内含 兼 容 单 片 机 它 的高 速 微 处 理 器 过 软 件 通 配 置 控 制 载 波通 信 使用 方 便 芯 片 集 成 了专 用 电力 线 载 波 调 制 及 通

6、 信 电 路 ， 制 调 过 程 采 用 二 相相 移 键 控 （ ） 术 。 调 解 技 各 部 分 电 路 原 理 及 功 能 图 受控 节点 与 开关 模 块 连 接 框 图 功 率 放 大及 发 送 滤 波 电路 载 波 发 送 时 内 部 产 生 的 调 制 方 波 从 调 制 方 式分 析 脚 输 出 。调 制 方 波 的 功 率 很 小 须对 它 加 以 放 大 才 能 在 电 力 必 目前 我 国 电器 的 电磁 兼 容 控 制 不 是 很 严格 因此 家 庭 电力 线 信 道 中有 效 传 输 。放 大 电路 采 用 推 挽 式 功 放 电路 ， 的 直 流 它 偏 置 电

7、源 的 电压 直 接 影 响 载 波 发 射 功 率 。适 当提 高 电压 幅 值 、 增 大 电源 功 率 以 延 长 通信 距 离 可 线 信 道 的 噪声 十 分 严 重 。 信 道 特 性 表 现 为 工 作 环 境 恶 劣 、 路 线 阻 抗 小 、 号 衰 减 强 、 扰 严 重且 时变 性 大 等 【通信 模 型 仿 真 信 干 。 表 明 有 的 载 波 调 制 技 术 中 ， 接 序列 扩 频 （ 具 有 较 强 现 直 ） 放 大 电路 输 出 的载 波 信 号 含 有 丰 富 的谐 波 其 中二 次 、 三 次 谐 波 是 主 要 的 干扰 信 号 。采 用 串联 谐 振

8、 电路 将 载 波 信 号 滤 波 整 形 滑 为 近 似 正 弦 波 以 减 少 谐 波 对 家 庭 电 网 稳 定 平 可 性 的影 响 载 波 耦合 电路 的抗干扰性 能 即使 在 信 号 衰减 严 重 、 噪 声 干 扰 的 家庭 低 压 强 电 力 线 信 道 下 仍 能 够 正 常 通 信因 此 系统 采用 ； 载 波 通 信 技 术 具 有 良好 的抗 带 内 同频 干 扰 特 性 、 敏 度 高 ， 本 能 够 它 灵 基 保 证 节 点 间通 过 家 庭 低 压 电 力线 进 行 有 效 通 信 通信 频率 选 择 耦 合 电 路 包 含 个 耦 合 电 容 它 起 隔 离

9、载 波 模 块 和 相 对低 压 电 力线 上 工 频 信 号 波 调 制 信 号 属 高 的 载 频 信 号 。 高频 点 号 的 衰减 与 频 率 密 切相 关 ， 在 信 只有 选 择 合 适 交 流 强 电 信 号 的作 用 防 止 电 力 线 上 的 浪 涌 或 冲 击 电 流 等 高 能 能 量 信 号 损 坏 载 波模 块 除 此 之 外 电力 线 和 耦 合 线 圈 之 间 在 串联 安 防 电 容 以防 止 雷 电 导 致 的 瞬 间 电 流 增 大 对 载 波 模 块 产 生 影 响 载 波 接 收 电路 的 中心 频 率 ， 能 保 证节 点 问通 信 的 有 效性 。

10、才 实 验 数 据 表 明 右 民 电 力 线 网 络 中 ， 波 在 左 居 载 传 输 特 性 较 稳定 ， 波 信 号 衰 减 较 小 ， 衰 减 程 度 随 负 载 的 断 载 且 开 或 连 接 变 化 幅 度 不 大 因此 统 使 用 中心 频 率 为 ； 系 的 调 制 信号 通 信 协 议 设 计 接 收 电 路包 含 并 联 谐 振 电路 现 对 有 效 信 号 的 带 通 个 实 滤 波 选取 品质 因素 较 大 的 滤 波 电路 可提 高 载 波 接 收 灵 敏 度 。 主 控 节 点 通信 协 议 是 硬 件 系 统 实 现 有 效 通 信 的 重 要 支 撑 对 通

11、信 是 包 主 控 节 点 的 键 盘 采 用 中 断 扫 描 矩 阵 式 按 键 ，使 用 链 路 上数 据 传 送 方 式 的 规 定 括 数 据 格 式 定 义 以及 数 据 位 定 的 口作 为行 线 和 列 线 的 输 入 。 线作 为芯 片外 部 中 行 断 的 输 入 。 晶显 示 屏 选 用 内 置 驱 动 电路 的 中文 点 阵 液 晶 模 液 义等。 根 据 的 特 点 合 系统 通 信 要 求 建 了一 种 基 于 结 构 块 可 显 示 个 中 文 字符 ， 通 过 口向液 晶模 块 输 载 波 模 块 的 电力 线 载 波 通 信 协 议 。 出数 据 示 用 户 菜

12、 单 、 制 信 息 以 及 反馈 信 息 。见 图 显 控 。 通 信 模 型 通 过分 析 主控 节 点 和 受 控 节 点 之 间 的 实 际 通 信 过 程 通 将 信 协议 分 为 层 物理 层 、 据链 路 层 、 用 层 。 即 数 应 物 理 层 采 用 技 术 及 调 制 解 调 方 式 ， 以 家 庭低 压 电力 线 作 为 传 输 介 质 ， 立 主控 节 点 和 受 控 节 点 之 间 建 的物 理 连 接 。 数 据链 路层 规 范 了节 点 间 传 输 数 据 的 帧 格 式 ， 应 用 层 提 为 图 主 控 节 点 键 盘 及 液 晶 电路 框 图 供 有 确

13、认 的 连接 。 采用 错 误 处 理 机 制 。 低 由于线 路 噪 声 、 道 降 信 不 稳 定 引起 的数 据 帧 出错 概 率 应 用 层 提 供 网络 和用 户 界 面 之 间 的 接 服 务 ，规 定 了用 受控 节 点 受 控 节 点 中 的 口 的每 一 位 分 别 连 接 一 个 电器 开关模块 即每 个 受 控 节 点 可 控 制 只 电 器 。电 器 开 关 模 块 采 户 数 据 的 格式 与 内容 。 用 光 电耦 合 芯 片 将 。 口任 意位 清 或 者 置 即可 数 据 帧 格 式 ， 关 闭 或 者 开 启相 应 的 电器 。见 图 。 系 统软 件分 析

14、与 设 计 调 制 方 式 及 通 信 频 率 选择 根 据 载 波模 块 通 信 需 求 参考 以 太 网 和 的 帧 格 式 计 节 点 间 通 信 的 帧格 式 见图 设 。 （） 导域 前 系 统 的载 波 模 块 采 用 技 术 ，因此 每 次 机 电一体化 暖吸圈融 ? （ ） 时 器溢 出 ： 定 （ ） 定 时器 溢 出 前 收 到 序 号 为 的 应 答 帧 但 校 验 码 在 错误 ： 图 节 点 间 通信 帧 格 式 （ ）在定 时 器 溢 出前 收 到 序号 不 等 于 应答 帧 。 的 受 控 节 点 接 收到 一 帧数 据 先 检查 帧 序 号 是 否与 上 一 帧

15、 首 数 据 的 帧 序 号相 等 ： 不 等 ， 续 进 行后 续 处 理 ， 理 完 毕 向 主 若 继 处 传 送 有效 数 据 前至 少 需 要 发 送 个 位 全 “” 作 捕 获 和 同步 ， 训 练码 。接 收数 据 时 获 和 同步 过 程 由硬 件 自动完 成 捕 （ ）同步 帧 头 由于 电力 线 噪 声一 直存 在 ， 有 效 数 据 前 控 节 点 发 送一 个 应 答 帧 的 帧 序号 等 于 接 收 到 的数 据 帧 的 序 在 它 增 加 同步 帧头 高 传 输 可靠 性 用 “ 作 为 同步 帧头 ， 提 选 ” 号 ： 相 等 ， 为 上 一 帧数 据 帧 的

16、 应答 帧传 输 出 错 ， 若 认 向主 控 节点 它 是 自相 关 性 高 、 白噪 声 互 相 关性 差 的 优 选 序 列 ， 有 效抵 重 发 应 答 帧 与 可 抗 电力线 噪声 （ ）目标地 址 目标 受 控节 点 地 址 。系统 包 含若 干 个 受控 节 点 每 个受 控 节 点分 配 为 个特 定 地 址 、 （ ）数 据 用 户 数 据 包 括 帧 类 型 、 器 编 号 、 作 内 电 操 软 件 流 程 设 计 主控 节 点 主 程 序包 括 初 始 化 程序 、 晶显 示 程 序 、 盘 中 液 键 断 处 理程 序 、 波 中 断 程序 、 据 成 帧程 序 等

17、。 载 数 受 控 节点 主 程 序 巾 置 数据 帧 接 收 完 毕 标 志 位 环 查 设 循 询此 标 志 位 ， 置 位 则 表 示 接 收 完毕 。随 后 进行 校 验 、 若 地 址及 帧 序 号判 断 受控 节 点 程 序 模 块 有初 始 化 程 序 、 波 中 断 载 程序 、 据 帧 解 析 程序 、 行 程 序 、 答 程 序 、 据 成 帧程 序 等 。 数 执 应 数 受 控 节 点软 件 流 程 见 图 容 ， 占 节 。 中 帧类 型 分 为命 令 帧 、 答 帧 、 询帧 等 。 各 字 其 应 查 电 器 编 号为 目标 电器 相 对受 控 节 点 口 的编

18、号 需 要 控 制 哪 只 电器 就对 口的相 应 位进 行 操 作 。 作 内 容 为 表 示关 操 州电 器 为 ） 表示 开 启 电器 （ （ ）帧 序 号 主 控 节 点 发 送 的 数 据 帧 都 有 唯 一 的 帧 个 序 号 控 节点 之 间 帧 序号 互 不 关 联 错 误 处 理机 制 设 置 受 为 提 高通 信稳 定 性 （ ）校 验码 对 数 据 帧 中 的有 效 数 据 进 行 校 验 的 结 果 。有 效 数 据为 从 目标地 址 至 帧 序 号 ， 字 节 共 （） 束符 结 结束 标 志 是节 点 存 接 收 数 据 时 判 断 接 收 过 程是 否 结束 的依

19、 据 。 波 模 块 检测 到 帧 结束 符 则 终 止载 波 接 收 载 中断 入 处理 程 序 ： 则 继 续接 收 数 据 转 否 错误 处 理 机制 电力 线 信 道 的不 稳 定 性 会 引起 传输 过 程 中 数 据 帧 被 随 机 损 坏 可 能完 全 丢失 。根 据 节 的 分 析 控 节点 和受 控 也 主 节 点 的通 信 过程 中可 能 会 出现 如 下情 况 （ ）主控 节 点 发送 的数 据 帧 丢 失 ， 校 验 码 错 误 这 种 情 或 况下 主控 节点 等 待 一段 时间 后 重 发数 据 帧 即 可 、 （ ）受 控 节点 发 送 的确 认 帧 丢 失 校

20、验 码错 误 这种 情 或 况 会 导致 主 控 节点 重 复 发送 数据 帧 受控 节点 收 到 重 复 的数 据 帧 出 重 复的 控 制动 作 响 系 统正 常 运 行 作 影 为 了避 免上 述 情况 的发 生 取 了 下述 错 误处 理 方 式 采 主 控 节点 发 送 一个 序 号 为 的数 据 帧 完 毕 动 芯 片 内 启 部 的定 时 器 ： 同时监 测 载 波 接 收过 程 。查询 是 否 收到 序 号 为 的应 答 帧 图 受 控节 点 软 件 流 程 图 实验 结 果 与分 析 为 了测 试 通 信协 议 及 错误 处 理 机 制效 果 。 用 台 利 机 、 若 在

21、定 时 器 溢 出 前 收 到 序 号 为 的应 答 帧 且 校 验 码 正 块 载 波 模块 和 一 议 转 换 模 块 各 个 、 压 电力 线 网络 协 低 确 ， 认 为 数 据 帧 发 送 成 功 ， 闭定 时 器 ， 回 主 循 环 ， 待 组 成 实验 系 统 ， 机 通 过 一 则 关 返 等 、 转换 模 块 与 载 波模 块 交互 数 发 送 下一 帧数 据 若 出现 下 述情 况 之 一 ， 认 为 数 据 帧 发送 失 败 发 数 则 重 据 帧 ： 据 ， 拟 主控 节 点 与受 控 节 点 的通 信 过 程 。实 验结 果 见 表 模 。 结果表明 通信 失 误 率

22、 在 以下 明 采 用 文 中提 出的 通 说 信 协议 和错 误 处 理 机 制 是 可 行 的 ： 时 看 到 同 通信 情 况 随 时 间 机 电一体 化 ? 表 系统 通 信 实 验 结 果 参 考 文 献 杨士 元 国智 能 家居 的发 展与 趋势 智 能建 筑 ， ： 我 （） 张瑞 红 于 基 的低 压 电力 线 载 波 通 信 硬件 设 计 电 子 设 计 应 用 ） （ ： 田军 夏 ， 路 平 文 与 单 片 机 的 种 常 用 接 口 仪 表 技 中 术 与传 感 器 ， ： ） ， ， ， 波 动 较 大 也 进 一 步 验证 了低 压 电力 线 信 道 的 不 稳 定

23、性 这 结 束 语 ， （ ） ： 论 文结 合 家 庭 低 压 电 力 线 信 道 的传 输 特 性 分 利 用 已 有 充 资 源 设计 了 以 为 核 心 的 家 电遥 控 系 统 的 主 控 及 受 控 节 点 。 系统 实 验 使 用 方 便 ， 合 成 本 低 ， 一 种 可 能 的 尝 试 ， 综 是 具 有 广 阔 的应 用 前 景 高 峰 ， 亚 波 压 电力 线 载 波 通 信 中 信 号传 输 特性 分 析 电 董 低 力 系统 自动 化 （ ） 一 ： 赵 玉 玺 于 电 力 线 载 波 通 信 技 术 的 照 明 控 制 系 统 开 发 与 实 施 基 州 ： 江 大

24、学 机 械 与能 源 学 院 ， 杭 浙 ， （ ： ， ） （ 接第 上 页 ） 以得 到 平 滑 的 测 量 数据 另外 子 程 序 还 具 有 非 线 性 修 正 及 报 警 点 设 置 在 （ 。 图 可 以 看 该 ） 由 温 度补 偿 功 能 不 同的 环 境 温 度 条 件 下 都 能 得 到 线 性 较 好 的 在 数 据 出 统 的稳 定性 以及 灵 敏 度 都 能 满 足 国标 要 求 系 结 束 语 （） 通 信 子 程 序 该 子 程 序 包 括 通 信 波 特 率 、 止 位 、 停 本 文在 介 绍 半 导 体传 感 器 检 测 机 理 的基 础 上 要 叙 述 了

25、 简 数据 位 、 校验 位 等 初 始 化 设 置 。 通 信 协 议 编 写 遵 循 应 用 广 泛 的 该 检 漏 系 统 机 构 组 成 、 件 结 构 及 软 件 设 计 过 程 以 国 标 为 硬 并 议 协 以方 便 进 行功 能扩 展 以 及该 系 统 和 其 他 车 载 电 依 据 ， 对该 系统 在 各 种 条 件 下 进 行 了试 验验 证 。 证 结 果表 明 ： 验 子 系统 联 合 使 用 （） 示 、 警子程序 显 报 对 最 终 控 制 器 接 收 到 的 气 体 浓 度 系统 测 试 准 确 ， 定 性 、 复性 和抗 十扰 性 能好 合 国 标 及 消 稳 重 符 防认 证 要 求 。 可 以 预 见 ， 着 天 然