城市智能路灯控制系统电力线载波技术样本

摘要随着都市发展脚步不断加快，市区照明系统为建设安全都市，和谐社会做出了巨大贡献。但是，每年照明耗电相称于全球17%发电量，中华人民共和国照明耗电约为2187亿千瓦时，相称于三峡水力发电工程建成后，年发电能力840亿千瓦时近3倍。为了实现照明节约用电，同步易于管理照明系统，需要变化老式照明控制方式。电力线载波通信是电力系统特有一种通信方式，它运用电力线作为传播载体，以变电站为终端，通过载波方式将模仿或数字信号进行高速传播，具备信息传播可靠、可同步复用等特点。通过载波，电力线可以传送语音、图像、数据并且可以进行信息互换、解决、控制、检测，实现信息自动化。当前，电力线载波技术重要用于35KV及以上高压线路上，载波带宽为40一500KHZ，传送信息涉及数据、保护、远动、文字、语音及图像等。但是，在中低压电力线运用上仍处在研究阶段。本论文一方面对低压电力线信道特性进行分析，并建立相应信道模型；接着对设计中采用直接序列扩频技术原理、实现办法及其作为电力线载波通信调制方案可行性和优越性做了详细论证；随后详细简介了系统构架及重要模块软硬件实现，其中硬件设计涉及电力线载波芯片PL3106外围接受、发送电路设计，以及系统供电电源某些；软件开发重要涉及单片机汇编程序编写和主机与单片机通信程序编写；然后，针对系统在实验中暴露出问题予以简朴分析、提出理解决方案。核心字：电力线载波，PL3106，直接序列扩频技术ABSTRACTAlongwiththepaceofcityconstructionquickening,lightingsystemplaysagreatroleinsafecity,harmonysocietybuilding.Lightingconsumes17%electricitygeneratedintheeartheveryyear.In，218.7billionkwhelectricpowerwasusedinlighting,anditisalmostasthreetimesasthetotalelectricitygeneratedbySanxiawaterplanwhenitcompleted.Toeconomizelightingelectricityandmanagelightingsystemeasily,thecontrolquomodooflightingsystemshouldbechanged.PowerLineCarrierCommunicationPowerSystemisauniquemeansofcommunication，whichusespowerlinesasatransmissionmediumtosubstationfortheterminal，throughthecarriermodeanalogordigitalsignals，high-speedtransmissionwithreliableinformationtransmissioncanbemultiplexedatthesametimeandsoon.Throughthecarrier，powerlinescansendvoice，video，dataandcanexchangeinformation，treatment，control，detection，automationofinformation.Atpresent，themainpowerlinecarriertechnologyforhighvoltage35KVandabovetheroad,a40-carrierbandwidth500KHz,sendinformation，includingdataprotection，remotecontrol，text，voiceandimages.However,theuseoflow-voltagepowerlineisstillataresearchstage.Inthispaper，low-voltagepowerlinechannelcharacteristicsforanalysisandmodellingtheestablishmentofthecorrespondingchannelfirstly;thenusedinthedesignofdirectsequencespreadspectrumtechnique,anditsimplementationasapowerlinecarriercommunicationmodulationschemetodothefeasibilityandsuperiorityofthedetailedfeasibilitystudies；thendetailedthesystemarchitectureandmainmodulesofthesoftwareandhardwaretoachieve，includinghardwaredesign，includingpowerlinecarrierPL3106chipperipheralsforreceiving，sendingcircuitdesign，andsystempowersupplypart；softwaredevelopmentincludesingle-chipassemblerhostwiththepreparationandproceduresforthepreparationofsingle-chipcommunication；andthen，inviewofthesystemexposedintheexperimenttogiveasimpleanalysisoftheissueandputforwardsolutions.KEYWORDS：powerlinecarrier，PL3106，directsequencespreadspectrumtechnology前言电力线载波通信，简称PLC（PowerLineCommunication），是以电力网作为通信信道进行载波通信一种有线通信方式。电力载波通信工作原理是把自动化设施中有效数据通过调制解调器调制后耦合到电力线上，然后通过电力线传播到对端调制解调器，再有对端调制解调器将信号解调后传播给对端自动化设备。电力线载波通信技术浮现于二十世纪二十年代初期。电力线无处不在，无论都市乡村，还是偏远落后地区，随处可见，电力线是输电重要媒介。因而，运用它来进行信息传播始终是人们梦想。电力线载波通信是运用既有电力线路作为介质进行信息传播一种通信方式，具备通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步进行等巨大优势，有较好开发前景和应用价值。但是，电力线作为通信介质也具备诸多缺陷，例如，可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利于数据传播特性。老式上讲，电力线载波通信是运用高压电力线（普通在电力载波领域，高压电力线指是35KV及以上电压级别，中压电力线指10KV电压级别，低压配电线指380/220V顾客线）作为信息传播媒介进行语音或数据传播一种特殊通信方式，广泛运用于电力管理系统、工业自动控制系统、远程控制系统、智能化社区等领域。电力现载波通信在高压输电线上应用已经比较成熟，例如110KV开放电话，运动，传真，保护，计算机信息等综合业务。再例如，葛楠±500KV直流输电系统中，两换流站运营数据控制信息就是通过长达1053KM载波电路传送，实现了两站间自动控制。随着载波通信技术发展，电力线载波现已用于中低压配电网中。在低压输电线路上载波通信研究，欧美国家不但在产品研究开发及有关原则制定方面还是技术应用都走在国内前面，因而在国内对PLC通信进行研究和开发具备重大意义。当前，欧美国家已经运用低压配电网载波通信来实现配电网自动化和负荷控制，并应用于工业控制和家庭自动化中，进而提供电话和视频传播等服务。相对于国外PLC技术飞速发展，国内在低压电力载波数据通信方面尚处在起步阶段，重要停留在自动抄表、楼宇保安和某些过程控制领域。这几年在国外，电力线已经作为一种家庭总线，应用于家庭智能化和网络服务接入。例如，运用已有电力线网络，可以在医院或家庭建立起医疗监测网，实现重症监护功能，病人血压、心率、症状等信息可以在家里通过电力线监测网传送至社区控制中心，再通过公共电话网或Internet传送到较大医疗单位进行分析、解决和监护。同样，医院可以将治疗或注意事项等信息通过网络传送至社区控制中心，再传送到病人家里，对病人进行远程诊断。在医院，不但可以用电力线通信实现病人监护功能，并且可以配合医疗器械智能化，实现智能医疗监测、报警、自动化管理和集中会诊等功能。因而，用电力线载波来实现某些需要经常在线报警、防盗以及监护等应用，每一种方面均有辽阔发展前景和巨大市场机遇。相对于国外这些成熟应用，国内低压电力线通信还没有形成规模，尚有很长路要走。此外，国内农村人口较多，农村信息化技术相对落后，信息通信普及面不大，因而在当前现状下，研究低压电力线通信对发展国内农村和偏远山区等地区信息产业也具备非常重大意义。本文重要工作是研究了电力线载波通信技术并运用串行口通信技术实现都市照明系统监测系统，实现运用电力线载波技术进行监测主机与都市路灯驱动之间数据传播。本文系统阐述了国内低压电力线信道噪声状况，当前惯用电力线载波调制技术，分析比较并选取出适当国内低压电力线调制方式及相应载波芯片，针对选取芯片特性，设计出相应外围电路，涉及发送、接受以及数据解决某些。在硬件电路设计完整基本上，编写软件程序，并进行有关实验验证设计合理性，对得到成果进行分析。并完毕论文。目录TOC\o"1-3"\h\u7984第1章引言 -7-43041.1电力线通信技术发展状况 -7-212031.1.1单载波模仿通信 -8-278621.1.2普通数字通信 -8-206321.1.3扩频通信 -8-230681.1.4OFDM调制技术 -9-1651.2电力线载波通信技术应用状况 -10-244491.2.1电力线载波通信技术国外应用状况 -10-144571.2.2电力线载波通信技术国内应用状况 -12-17946第2章电力线通信信道分析 -13-102492.1电力线传播信道特性 -13-93382.1.1衰耗特性 -14-164782.1.2阻抗特性 -14-44092.1.3噪声干扰特性 -15-267542.1.4多径干扰 -15-78812.2噪声分析 -16-149792.2.1背景噪声 -16-48212.2.2随机脉冲噪声 -17-45582.2.3与工频同步周期性噪声 -17-76182.2.4与工频异步周期性噪声 -18-156732.3噪声模型 -18-151132.3.1背景噪声 -18-313402.3.2窄带干扰 -18-270052.3.3脉冲噪声 -19-198522.4电力线通信信道模型 -20-89012.4.1单根电缆传播函数 -20-80282.4.2多径传播模型 -21-295752.4.3低压电力线信道近似模型 -22-74602.5扩频通信技术选用 -22-251202.5.1扩频通信理论可行性 -22-289662.5.2扩频通信系统基本工作方式 -23-327272.5.3扩频通信长处 -24-244252.5.4当前需要考虑某些技术问题 -25-8431第3章照明控制系统设计 -26-292133.1照明控制系统设计方案 -27-230443.2载波通信模块设计 -28-312113.2.1电力线载波通信芯片选取 -29-55263.2.2PL3106芯片特点 -29-25333.2.3信号发送、接受电路设计 -30-273173.2.4陶瓷滤波电路 -32-51203.2.5掉电检测及电池电压检测 -32-261423.2.6载波耦合电路设计 -33-12851第四章照明控制系统通信合同软件设计 -34-167284.1通信合同设计 -34-188634.1.1OSI模型 -34-80724.1.2当前电力线载波通信合同 -35-247884.1.3本文采用电力线载波通信合同 -36-261354.2PL3106载波通信软件设计 -41-14844.2.1载波通信模块使能 -41-141774.2.2PL3106载波通信接受和发送程序设计 -43-212334.3主、从控制器程序设计 -44-2055结论 -46-18277本文总结 -46-19351工作展望 -46-7569参照文献 -48-23459道谢 -49-22109附录一： -50-5259附录二：程序 -51-第1章引言1.1电力线通信技术发展状况运用电力先进性数据通信已有近百年历史，初期电力线通信技术采用高压电力线载波，在点对点通信两端装有阻波器。其发展历程可以划分为3个重要阶段。阶段电压/V载波频率/MHz代表产品应用领域20世纪20-50年代>11000<0.15电力载波机监控、远程批示、设备保护以及语音传播20世纪50-90年代220/3800.15—1.00ST7536/7537自动抄表、电网负载控制和供电管理20世纪90年代后220/380>1.00INT51，DS2宽带高速数据多媒体通信、楼宇智能网络1.1.1单载波模仿通信最早电力线通信系统是模仿单载波系统。模仿系统传送信号是一种模拟波形，它规定接受机可以高保真地重现波形信号。模仿系统通过信道信号频谱比较窄，信道运用率高，但是其抗干扰能力差，不易大规模集成化。1.1.2普通数字通信随着数字通信技术完善和发展，浮现了窄带、ASK、FKS和PSK电力线通信系统。数字系统传递信号离散脉冲，接受端规定对的判断发送是哪一种离散状态，只要脉冲波形失真局限性以引起错误判断就不会影响通信质量。数字通信抗干扰能力强，可以通过差错编码提高可靠性，易于集成。缺陷是比模仿通信占带宽。1.1.3扩频通信对于电力线这一强背景噪声信道来说，数据传播一种有力手段就是扩频(SS—SpreadSpectrum)技术。它运用伪随机码把基带信号频谱进行扩展，形成较高带宽低功率谱密度信号发射。接受端再运用有关办法进行解决，把要接受宽带扩频信号恢复成基带信号。扩频技术减少了噪声对信号影响，保证了电力线网络上可靠通信。扩频通信技术理论基本是香农建立关于通信系统效率理论。即：对加性高斯白噪声信道来说，如果系统数据速率不大于或等于信道容量C时，就有也许存在在信道内进行无差错数据通信编码方案。信道容量定义如下：式中，C为信道容量(bit/s)；B为带宽(Hz)；N为噪声功率(W)；S为信号功率(W)。上式阐明了在功率谱平坦高斯噪声信道内，信道无误传播信息能力(即信道容量)与信道信噪比和传播信息带宽之间关系。可以看出，在保持一定C值时，可通过增长带宽来相应地减少对信噪比规定。运用扩频技术传送数据，可以在信噪比很低状况下进行无差错数据通信。扩频通信系统基本工作方式有：(l)直接序列扩频；(2)跳变频率方式；(3)跳变时间方式；(4)宽带线性调频方式。扩频技术由于扩频技术自身规定频带宽度是信号带宽100倍一1000倍，而PLC系统带宽普通为90KHz—125KHz(欧洲)或100kHz一400kHZ(美国)，因此在采用扩频技术后可获得较好抗干扰特性，并在不少领域得到了广泛应用。1.1.4OFDM调制技术OFDM英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用，这种技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范基本。OFDM并不是如今发展起来新技术，OFDM技术应用己有近40年历史，重要用于军用无线高频通信系统。但是，一种OFDM系统构造非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现各种载波调制，简化了系统构造，使得OFDM技术更趋于实用化。OFDM基本思想是将可用频谱分为许多窄带、低数据速率子载波，为了获得高频谱效率，子载波幅频响应互相重叠和正交。每个子载波可以使用不同调制方式，比较惯用有BPSK，QPSK和QMA等。也就是说，OFDM事实上是将高速串行数据变成低速并行数据进行传播。虽然每个子载波速率并不高，但是所有子信道加起来可以获得很高数据速率。1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT实现OFDM基带调制和解调技术。她们在OFDM符号间增长了保护间隔来抑制由多径反射导致ISI。1980年，A.Peled和A.Ruiz在保护间隔中引入循环前缀解决了保持正交问题，从而保证了OFDM克服ICI问题。OFDM最大特点是传播速率高、频带运用率高、抵抗码间干扰和信道衰减能力强、信道均衡技术简朴，由于这种技术具备在杂波干扰下传送信号能力，因而经常会被运用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差传播介质中。1.2电力线载波通信技术应用状况1.2.1电力线载波通信技术国外应用状况早在1838年，英国人EdwardDavy就用电力线来检查伦敦——利物浦之间处在无人居住区电表传播系统供电电池电压；JosephRoutin和C.E.L.Brown申请了电力线信号电表专利；美国ChesterThoradson在19申请了关于远程抄表系统专利，但是由于该系统还需要一条附加线路用于信号传播，最后没有得到商业应用。通过高压电网进行声音信号CFT(carrierfrequencytransimission)最早开始于20世纪代。分布辽阔电网提供了一条双向通信信道，例如变压站和电厂之间通信，这对于管理和监控来说是非常重要，由于在通信初期阶段电话网覆盖范畴还不是很广泛，高压电网具备低噪声特性，加上相对较高载波频率（15-500KHz），使得高压线传播信号变得很容易，10W信号功率通信距离可以达到900Km。在开始阶段，采用调幅调制方式，只用于传播语音信号，日后实现了遥测和遥控。在CFT应用于高压电网同步，RCS(ripplecarriersignaling)应用于中低压电力网。RCS系统最早应用实例是Simens公司在1930年在德国波茨坦建立Telenerg工程。RCS系统最初是为了实现负荷管理功能，与CFT系统不同，RCS只能实现单向数据信号传播。RCS系统工作在比较低频率段（125~3000Hz），正是由于其工作频率很低，所注入载波信号在中低压电网上信号衰减很小，并且可以跨越变压器传播。但是，电力先王输入阻抗在低频段也比较小，因而RCS发送器需要更大信号功率，普通应用范畴在10~100KW之间。在最开始，RCS发送器敢于传播数字信息，惯用调制方式是易于实现幅移键控（ASK）和频移键控（PSK）。由于RCS采用频率较低、窄带调制方式简朴，导致其数据速率较低。1984年建立EthernetMELKOTM系统也应用了RCS技术，它采用了更高效PSK调制，提高了数据传播速率（可达到50bits/s），并可以进行双向数据传播，频带范畴为3025~4825Hz，载波信号可以跨越变压器传播，信号功率也相应减小。该系统重要用于远程抄表和负荷管理。相应系统有ABBDLC-MTM和RMS公司PowerNetTM。她们载波频率范畴是10~100KHz，因而，所需信号传播功率也比MELKOTM小，但需要增长旁路装置才干跨越变压器。随着集成电路技术发展，PicoElectronics公司创造了第一款应用于家庭低价格电力线通信模块X-10。X-10模块载波频率达到120KHz，它在每一次交流电过零时传播一种比特数据，因此其最大传播速率为60bps(电网频率为60Hz)或50bps（电网工频为50Hz）。当前有大概10家公司在生产与X-10相兼容用于家庭自动化控制模块。针对X-10模块传播速率较低问题，稍后市场上又浮现了可以提供更高数据率、控制功能更强大电力线载波通信系统，如LonWorks和CEBus。随着Internet发展，应用电力线分布网和户内电网宽带接入技术在上世纪90年代开始兴起。英国联合电力公司子公司Norweb通讯公司于1990年开始电力线载波通信研究，1995年与加拿大北电网络合伙共同开发该技术。1997年这两家公司生成解决了电力线噪声等问题，获得了电力线载波技术重大突破，运用新开发数字电力线载波技术DPL（DigitalPowerLine）实现了在低压配电网上进行1Mbps远程通信。此后，许多国家研究机构开展了高速PLCC研究和开发，如美国Intellon、Inari公司，以色列ITRAN、Main.Net公司，韩国Xeline公司，西班牙DS2，法国SPiDCOM等公司开始了高速PLCC专用芯片级应用产品研究开发，产品涉及用于家庭联网及高速接入两大类产品，传播速率从1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。当前高速PLCC重要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。在高速PLCC家庭、办公室联网应用中，通过各种高速PLCMODEM构成内部网，并可通过PLCMODEM共享外部ADSL、无线等宽带接入。随着高速PLCC迅速发展，有关国际组织也越来越多。当前电力线高速通信国际组织重要有家庭插电联盟HPA（HomePlugAlliance)、PLCForm、PALAS、OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance）、UPLC（UNITEDPOWERLINECOUNCIL)、PUA以及日本ECHONET等。所有这些国际组织均有研究机构及厂商共同构成，其中较有影响力为HPA、PLCForm和OPERA。HPA致力于创造共同电力线网络通信技术原则。HPA现已发展成为有近百家公司构成联盟，国内中华人民共和国电力科学研究院是该组织成员。6月，HPA发布了其原则第一种版本HOMEPLUG1.0Specification，将数据传播速率定位14Mbps，采用OFDM调制解调技术，MAC层合同为CSMA/CA。HOMEPLUGAVSpecification在4月得到HPA批准，并在9月份发布详细技术文献，物理层数据速率达到200Mbps，采用TDMA和CSMA接入技术，当前美国Intellon公司开发首款符合该原则芯片INT6000。PLCForum与3月23日在瑞士成立。其涉及来自各大洲成员，该论坛目的是为所有对PLC感兴趣制造商、客户、研究人员以及政府及否提供一种平台，增进她们交流和丰富关于PLC知识。该论坛市场目的是提供涉及户外接入和户内联网在内全面PLC解决方案。PLCForum不制定原则，但致力于将会员建议提交给该国际原则化组织，并通过努力，使其成为原则。OPERA是由欧盟出资赞助并有DS2等各种欧洲研究机构及厂商构成组织，其重要目是开发下一代用于本地接入高速PLC技术。1.2.2电力线载波通信技术国内应用状况国内研究PLC技术起步较晚，但发展速度较快。上世纪五十年代，国内也开始了电力线载波通信技术研究。在相称长时间里，国内PLC研究基本上应用于电力行业内部，它用来传播电网调度管理所需远程信息及低速率语音通信。近年来，随着数字电子技术发展，国内老式PLC技术也开始向数字化方向发展。在电力部门支持下，PLC在水表、煤气表、电表三表远程自动抄表应用已经实用化。多家公司从事有关PLC模块和智能仪表开发和生产，北京智源利和微电子技术有限公司和北京福星晓程公司分别推出国产电力线扩频载波芯片SC1128和PL/PL2102/PL3105/PL3200.中华人民共和国电力科学研究院于5月在华北电力大学和中华人民共和国电力科学研究院家属区测试了该公司E-Magic3000产品，实际测试速率达到1Mbps。国电通信中心从12月起采用不同PLC产品和不同PLC组网方案在北京某些社区开通了PLC实验网，并接入到中电飞华Internet出口。截止到5月底，由国电通信中心组织、中电飞华公司实行北京电力线宽带接入实验网已经覆盖居民社区500各种，接入楼宇4000栋，开通顾客40000余户，当前正以每月开通3000多户速度推动。电力线通信信道分析2.1电力线传播信道特性在过去几十年中，PLC之因此没有得到飞速发展，其中一种重要因素就是电，力线作为传播媒质有其自身所特有某些缺陷，加之缺少有效针对PLC特点调制办法，导致了PLC长时期发展迟缓状态。在22OV/38OV低压电力线上进行信号传播，具备工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等特点。电力线上负载时变性非常强，突发干扰影响很大，很难给出一种精确信道模型。2.1.1衰耗特性对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到1OOdB/Km。信号衰减有如下特点：时间不同、信号频率不同、距离不同，衰减幅度也不同。PLC信道对各种频率信号衰耗限度是PLC选取载波频率重要根据。信号衰耗重要决定于经由途径和网络上所连接负载。用于调节功率电容以及各种具备电容特性电器，对高频载波信号来说相称于短路，导致极大衰耗；网络中某些负载对某些频率构成了谐振电路，产生谐振。当网络上负荷很重时，线路阻抗可达到1欧姆如下，导致载波信号高衰耗。总说来，信号传播距离越远，衰耗越严重，但是由于负载阻抗不匹配，信号传播会浮现反射、驻波、散射等复杂现象，导致近距点比远距点衰耗大。由于网络负载频繁地接入、切出等各种随机事件，PLC信道体现出很强时变性。信道在1s内对某一频率信号衰耗变化可达到20dB，在1s内信噪比变化也可达到1OdB左右。并且，三相电力信道间有很大信号损失(10dB一3OdB)。通信距离很近时，不同相间也许会收到信号。载波信号普通只能在单相电力线上传播；不同耦合方式导致LPC信号损失也不同，线一地耦合比线一中线耦合少损失1OdB左右。同步，不同相位耦合也会引起衰耗，跨相传播比同相传播衰耗大1OdB左右。此外，配电变压器阻碍信号通过，在配电变压器原、副两边信号衰耗可达到60dB一1O0dB，次级间也会有20dB一40dB衰耗。总体上说，PLC信号衰耗随频率上升、距离增大而增长，但并不是单调。普通状况下，信号衰耗在20dB以上，但普通不会超过55dB。2.1.2阻抗特性电力线网络是一种广泛存在网络，变电站二次变压装置和顾客负载同步并联在电力网络中，信道阻抗随着时间和顾客负载不同而波动。实现阻抗匹配是很重要，由于当发射机、信道和接受机阻抗匹配时，接受端得到有用信号能量最大。低压电力线网络总阻抗重要由三某些构成：(1)变电站变压器产生阻抗，它随着频率增高而增大；(2)导线特性阻抗，导线可以看作电阻和电感串联，不同导线特性阻抗相差70一1OO欧姆；(3)接在电力线上设备阻抗，普通相差10—100O欧姆。电力线上输入阻抗与所传播信号频率密切有关。输入阻抗变化并不一定符合随频率增大而减小单调变化规律，甚至与之相反。为理解释这一问题，可以将电力线当作是一根连接有各种复杂负载传播线，这些负载以及电力线自身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。此外，网络负载随机地连接或断开，导致电力线输入阻抗发生较大幅度变化，还会导致电力线上不同位置输入阻抗不同。PLC网络可当作由许多电阻、电容和电感构成网络，信道电参数随时间、地点变化，相应地，输入阻抗也往往急剧变化。如此发送设备输出阻抗和接受设备输入阻抗均难以匹配，从而给通信系统设计带来相称困难。2.1.3噪声干扰特性低压电力线网络中，各式各样家用电器和办公设备产生噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。Vinesetal定义了4种电力线噪声：1、硅控整流器及某些电源产生工频噪声，它会导致整数倍工频上频谱突变；2、平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽白噪声，家电中小电机是产生此类噪音根源；3、单脉冲干扰，普通由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起；4、非同步周期噪声，如电视行扫描频率对电网干扰。就噪声特性而言，同一配电变压器下所有顾客负荷噪声以及变压器原边噪声都会对信道产生噪声干扰。2.1.4多径干扰多径效应(MultiPath)是电力线通信存在干扰之一，如在图2一1所示电力线通信构造模型中，1与2之间有两条通路。由于信号通过这些通路所用时间不同，延迟信号在接受机端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。图2-1多径效应（MultiPath）产生原理图2.2噪声分析噪声与干扰强噪声特别是强突发噪声是PLC信道一种最大特点，也是PLC信道与其她通信信道相比一种致命弱点，在很大限度上制约了PLC发展。噪声特性是描述信道传播性质重要参数之一，其研究要紧密结合通信频带。为了简化对干扰复杂性分析，PLC信道噪声从不同角度大体可划分为如下几类：2.2.1背景噪声图2一2是在实验室测得背景噪声曲线，中心频率为4.2MHz，频带宽度为8.4MHz。可以看出，背景噪声平均功率较小，但频谱很宽，并且持续存在，有也许某些或完全覆盖信号频谱。因而，通信过程中信噪比也许会变得较差，而导致通信误码率增长。该噪声时时存在，因其频谱占据了整个通信带宽，扩展信号频谱不能提供任何增益，扩频通信技术对其几乎没有作用。测量发现，背景噪声重要来源是交直流两用电动机。这种电动机可以在许多家庭用品，如电钻、搅拌器、电吹风里找到，问题十分严重。所幸是，背景噪声很少可以达到最高功率水平，并且它们将与传播信号同样被顾客配电网络所衰减。它平均功率谱为N（f）=10(K-3.95*10-5f)（2-1）式（2-1）中参数K随时间缓慢地变化，大体具备高斯分布；f为频率（Hz）。2.2.2随机脉冲噪声闪电和负载(电容器组、自动调温器、电冰箱、空调等)开关操作会产生随机脉冲噪声，每个脉冲噪声都将影响很宽频带。脉冲噪声重要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。脉冲幅度和脉冲宽度一起给出了脉冲能量。宽度给出了在给定速率下影响数据位数，而到达间歇时间则给出了脉冲噪声发生频率。随机脉冲噪声，浮现时间是任意；其噪声功率谱密度高，持续时间短，频谱宽。电力线上噪声短期变化重要由与工频同步周期性噪声和突发性噪声引起。与工频同步周期性噪声与突发性噪声相比，具备如下特点：本来就很低功率谱密度随频率提高进一步减少，浮现频率低，持续时间短，为μs量级。但是，突发性随机噪声持续时间却达到ms量级，并且功率谱密度能高出背景噪声达5OdB之多，普通会使得所传送数据若干位甚至整个数据传播过程发生错误。在低压电力线路中，不超过0.lms就会有1次非常强噪声产生，它大体具备泊松分布，参数λ取值范畴为O≤λ≤5×10-3。脉冲噪声特点如下：脉冲噪声强度普通比背景噪声高1OdB，有时高4OdB。其强度依赖于噪声源及它离接受机远近。脉冲噪声重要频率普通为电力系统频率2倍。由于噪声和信号都要衰减，因此接近接受机噪声源对信号接受影响最大，特别当网络衰减很大时候。2.2.3与工频同步周期性噪声普通由工作在电网频率开关器件导致，例如开关电源、电压触发晶闸管整流器都是产生谐波噪声重要根源。因其开关频率与电源频率同步，故产生了一系列不同幅度谐波噪声。普通状况下，谐波噪声能量要比基频小得多。由于线路衰减特性，通信信号能量将远低于它。它功率普通不超过一45dB。其噪声频率为工频或其整数倍，持续时间长，频域覆盖范畴广，功率大，功率谱密度随频率上升而减小。2.2.4与工频异步周期性噪声来源于电力线上某些电子设备，普通由电视接受机和计算机显示屏产生，在频率空间上是离散，重要分布在5OHz一200Hz。脉冲重复频率依赖于电视机和显示屏扫描频率原则。对高辨别率和图像偏移质量追求将使这些频率越来越高。2.3噪声模型在用仿真办法研究低压电网载波通信时，建立用某些特性参数描述噪声模型非常必要。若针对以上基本分类进行模块化建模，则任一种复杂噪声状况都可以通过基本模块模型叠加来表达。2.3.1背景噪声背景噪声可按图2.3.1用白噪声源通过滤波生成，噪声整形滤波在z平面上传递函数Hmod(z)可描述为：其分子B(z)表达是移动平均（MA）某些，其分母A(z)表达是自回归(AR)某些，模型参数有噪声源方差б2和滤波器系数构成。通过使用AR解决模型，即：B(z)=1，参数可以由用AR频谱分析仪测量噪声信号拟定。图2.3.1背景噪声模型2.3.2窄带干扰窄带噪声某些可通过如下N个独立正弦函数叠加来描述：其中，每一种分量由它频率fi、幅值Ai(t)和相位φi来描述。幅值Ai(t)在时间上既可以是常数，也可以是对AM广播信号更好近似调制幅值。载波相位可以在区间[0，2π]上用随机数选取，并独立于时间。噪声既可在时域中合成，也可先在频域中合成，再通过反迅速傅立叶变换(IFFT)得到。2.3.3脉冲噪声脉冲噪声是低压电力线通信严重有害源，其对数据传播影响限度重要是由脉冲幅度、脉宽和间隔时间决定。文[8]提出了噪声脉冲幅度、脉宽和间隔时间概率分布预计，依照测量成果得出了如下结论：脉冲噪声强度普通比背景噪声水平高10dB，有时可以超过40dB，脉冲强度与噪声源强度和噪声源离接受装置距离关于；重要脉冲系列脉冲频率(由脉冲间隔时间决定)普通为120Hz，它与60Hz电源电压正负周期同步；对于120Hz脉冲噪声，其脉宽变化达到几种百分点；脉宽与所选定幅度水平T关于，普通来说，脉冲宽度随T增长而减小；有些噪声源将增长背景噪声功率(如真空吸尘器和搅拌机)，其他某些将增长脉冲噪声功率(如复印机以0.01概率产生高于背景噪声27dB120Hz周期脉冲，灯光调节器以同样概率产生高于背景噪声40dB脉冲噪声）。考虑到脉冲为随机事件事实，其特性可以用随机变量来描述，这里通过一种分割马尔可夫链对脉宽和脉冲间隔时间进行模仿。假定把噪声状态提成两组A(i=1，2…，v)和B(i=1+v，2+v，…，n)，A中v个状态表达没有脉冲事件发生状况，B中w=n-v个状态表达有脉冲事件发生状况。则脉冲宽度不不大于某个宽度tw概率，用离散时间k表达为：其中，gw+1，j表达从B中某个状态j向临界状态w+1过渡(脉冲开始消失)时转移概率，gjj表达B中某个状态不发生状态转移(脉冲保持)概率。脉冲间隔时间超过某一时间跨度tA概率，用离散时间k表达为：其中，uv+1，j表达从A中某个状态j向临界状态v+1过渡(脉冲开始发生)时转移概率，ujj表达A中某个状态不发生状态转移(无脉冲保持)概率。2.4电力线通信信道模型通过以上对电力线信道特性分析，可以看到建立一种通用精准模型来模仿所有低压配电网通道状况是非常困难，但是咱们可以建立一种能反映通道基本特性近似模型。下面咱们采用带有加权因子时间抽头模型来模仿电力线多径衰落信道，建立具备频率选取性衰落信道传播函数模型。2.4.1单根电缆传播函数电力线中信号传播可以依照传播线特性阻抗ZL和传播常数γ决定。其中R为单位长度电缆阻抗，G为单位长度电缆电导，L为单位长度电缆电感，C为单位长度电缆电容。如果传播线阻抗匹配，则只需要考虑从信号源到接受机之间传播损耗。长度为L电力线传播函数可以定义为：式中，前一项代表幅度传播函数，后一项代表相位传播函数。电缆为弱损耗传播媒质，电力线中R(f)<<2πfL(f)，G(f)<<2πfC(f)。由于L，C与频率有关性不大，因此特性阻抗ZL和传播常数γ可以用下面办法近似：简化电缆参数可以得出传播常数实部a表达电力线衰减系数，它随f增长而增长。a与f关系可以表达为α(f)=a0+a1fk因而，单根电缆幅度传播函数可以表达为：2.4.2多径传播模型对于多径传播，采用图2.4.2所示信道模型。图2.4.2频率选取性衰落信道抽头延时模型在这一模型中，信道冲击响应为式中τi表达信道延时，Kt表达信道信号幅度衰减。信道传播函数为而τi=di/Vp。其中di表达信道长度，Vp表达信号在电力线中传播速度。因此H（f）可表达为式中，a0，a1为电力线参数决定衰减常熟，gi为衰减因子，它与电力线网络构造、信道传播途径长度关于，di是途径i长度。2.4.3低压电力线信道近似模型本文采用低压电力线近似模型如图2.4.3所示。图2.4.3电力线信道简化模型该信道模型包括三个模块：(1)输入耦合，该模块模仿由于电力线阻抗变化而导致耦合损耗；(2)噪声，该模块包括电力线信道中三类重要噪声，它们是背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声；(3)信道衰减，该模块反映电力线信道固有对信号频率选取性衰落和限带特性。2.5扩频通信技术选用2.5.1扩频通信理论可行性扩频通信可行性，是从信息论中关于信息容量香农公式和抗干扰理论中关于信息传播差错柯捷尔尼科夫公式中引申出来。香农公式式中：C是信道容量(可用传播速率量度)；W是系统传播带宽；S/N是系统信噪比；该公式表白，在高斯信道中，当传播系统信噪比S/N下降时，可以通过增加系统传播带宽W办法来析持信道容量C不变。以扩展频谱来换取信噪比要求减少，正是扩频通信重要特点，并由此为扩频通信应用奠定了基本。柯捷尔尼科夫公式式中Powi为差错概率，E为信号能量，N0为噪声功率谱密度；又由于，信号功率P=E/T(T为信息持续时间)；噪声功率N=W×N0(W为信号频带宽度)；信息带宽F=1/T；则原式可化为：(其中，W/F=Gp为扩频通信解决增益)由以上可以看出，在信噪比较低状况下，若想保持差错概率不变，则可以通过增大解决增益Gp来实现（即在保持F不变状况下，增大信号频带宽度W）。该公式同样为扩频通信理论奠定了基本。2.5.2扩频通信系统基本工作方式1)直接序列扩频(DS)该方式是扩频通信中使用范畴最广、最典型一种工作方式。直接序列扩频详细实现是，在发送端将要传播信号，通过信息调制变成具备一定带宽调频(FM)或调相(PM)信号；再由伪随机编码(PN码)将该基带信号调制成具备相称带宽宽带信号，并将该信号发送至接受端。在接受端接受到传播信号后，先通过同步电路捕获发送来PN码精确相位，由此产生与发送来PN码相位完全一致接受用PN码，并作为扩频解调所用解调信号；尔后，用该PN码将接受到宽带信号解扩，从而得到基带信号，再将基带信号通过解调得到所需要原始信号。2)跳频方式(FH)跳频方式与直序扩频方式不同之处在于，直序扩频方式发射载波频率是一定，而跳频方式载波频率受PN码发生器控制，在相称带宽频带内，随机跳变，从而实现基带信号带宽B1到发射信号带宽B2频谱扩展。受PN码发生器控制发射载波频率发生器，事实上是高速数字控制频率跳变频率合成器，因而，载波调制多半使用与相位无关调频方式，其跳频工作被称为非相干FH方式。3)跳时方式(TH)该方式工作特点在于，发射端将信息数据送入受伪随机编码控制脉冲发射机，再由该发射机发射出携带信息数据伪随机间隔射频信号。这种工作方式，使得在随机时分多址通信中，发射机和接受机使用同一天线成为也许。但是，在实际应用系统中，该方式多半需要与其他工作方式混合使用。4)宽带线性调频方式(Chirp)宽带线性调频调频，过去是作为雷达测距一种工作方式使用。在发射端，发射波是一种宽脉冲，并被变换成频偏为f宽带调频波；在接受端，接受机使用品有高频率范畴、延迟时间小脉冲压缩滤波器，得到带宽极窄压缩脉冲波。2.5.3扩频通信长处由于扩频通信使用扩频序列码进行扩频调制，使原始窄带信号可以以宽带信号形式在信道中传播，从而使得扩频通信具备了许多窄带通信所不具备优良性能。1)抗干扰性能好扩频通信在传播时所占有带宽相对较宽，而在收端有采用有关检测办法来解扩，使有用信号恢复成窄带信号，而把无用信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波器提取有用信号。对于各种干扰信号，由于不具备PN码有关性，因而，在解扩后窄带信号中其所占比例很小，系统信噪比很高，抗干扰能力强。2)保密性好由于扩频通信使用PN码，不但码元周期很长，并且在一种周期中还具备随机性，这就使经它调制后数字信息类似于随机噪声，从而保证了信息在信道中传播安全性。此外，同样是由于PN码使用，在接受端进行解扩时，只有当本地PN码与收到PN码完全一致时，才干有效地恢复信息，这就使得只有拥有相似PN码指定接受端才干得到有效信息，避免了信息被非法顾客接受状况，从而提高了传播保密性。3)精准定期和测距在扩频通信中，由于扩展频谱很宽，因而扩频码速率很高，每一种码元占用时间就很短。当发射出去扩频信号被被测物体反射出来后，在接受端解调出反射回来扩频序列，然后通过比较原码元序列与反射码元序列相位之差，就可以精准测出扩频信号来回时间差，从而算出两者之间距离。4)抗多径干扰多径干扰是发射信号在传播过程中，遇到反射体引起反射或折射，形成对直接到达发射机信号所导致干扰。扩频通信运用扩频码自有关性，通过在接受端从多径信号中提取和分离有关性最强信号，或把不同途径传送同一码序列进行波形和加，从而得到所要信号，避免了多径干扰。5)现码分多址扩颁通信采用PN码调制办法尽量扩展了信息数据频带，使得通信抗干扰能力大大增强，但是由于采用很宽频带传送很窄数据信息，则必然导致频带运用率减少，因而必要实现多顾客共用同一频带。建立在扩频技术上码分多址技术(CMDA)，充分运用了各种不同码型扩频码序列之间良好自有关和互有关特性，使得在接受端解扩时各顾客之间扩频码彼此互相影响非常小，可以在同一扩频带宽内，互不干扰发送和接受信号，实现多址通信。6)可承担各种通信业务扩频通信普通都采用数字通信、码分多址技术，因而合用于计算机网络通信、数据和图像传播等。7)安装简便、易于维护扩频通信设备是高度集成，采用了当代电子科技尖端技术，因而，十分可靠、小巧，大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。2.5.4当前需要考虑某些技术问题在当前较为成熟电力线载波照明控制系统中较普遍地存在盲区问题，在用电高峰期容易浮现信号丢失现象。如果存在现象为时变，则问题更严重，需要在技术上克服。当前某些窄带调制设施多采用自动切换频道和选取中继方式在一定限度上来解决这个问题。需要进一步研究窄带噪声抗干扰技术以获得足够数据传播可靠性。当前惯用调制办法分为窄带调制和宽带调制。两种窄带调制成本低，不能有效地抵抗窄带噪声。宽带调制普通采用扩频技术，如DSS直接序列扩频、FH跳频、TH跳时、CHIRP宽带线性调频、交叉混合扩频及OFDM正交频分复用。可以在一定限度上克服窄带噪声干扰，但是有限扩频增益对于较大功率窄带干扰依然无能为力。进一步研究增强型模仿前端技术，涉及自适应滤波和自适应均衡，以适应时变大范畴线路衰减和线路阻抗变化。在电力载波低压应用中这一点极为重要也是当前技术难点所在。1.低压载波通信在变压器跨相和穿越变压器方面实用技术需要研究。在多路供电现场也需解决电源切换时通信中断问题。2.研究和考虑电磁兼容性能，制定对外干扰原则。3.解决当前存在电线上网设施对安装地点敏感性问题，保持适当速率并解决图像马赛克问题。4.对于此类载波设施质量检查，一定要考虑在加入线路噪声环境下，即在一定信噪比下进行传播误码性能测试。5.低压载波通信最后实现高性能低价格核心在于专用芯片设计和制造。而这正是国内微电子行业弱点所在，加大这一方面研究和投资力度对于低压载波通信实用化至关重要。照明控制系统设计本系统采用电力线载波扩频通信技术，以电力传播线作为媒介，将都市路灯状态信息发送到计算机_上，然后通过计算机监视所控区域内路灯工作状态，并可实时进行路灯开关时间设定、启动比例设定、路灯坏损查询等有关操作，实现了都市路灯远程集中管理，提高了工作效率，节约了大量人力、物力，具备较好实用前景。3.1照明控制系统设计方案本文设计基于电力线载波通信技术照明控制系统将重要以低成本和高可靠性两点为开发目的。针对该目的，设计出基于电力线载波通信技术照明控制系统总体设计方案。总构造上看，系统由总控站、主控站和从控站三某些构成，总框图见下图：图3.1.1照明系统综框图其各自构成如下：总控站总控站由计算机构成，可与主控站通过光缆或无线电连接，以实现对各个主控站管理，并可以设定开关灯时间及开灯比例等指令，同步对主控站返回信息进行汇总，对有故障路灯通过图文显示出来，以便精确拟定其所在位置。2)主控站主控站内部构造如图3.1.2所示。主控站通过光缆或无线方式来接受总控机指令，并通过电力线扩频载波串行通信方式发送数我据包，从而实现对从控站监控。一种通信数据包由8字节数据构成，第一、二字节是主控站标记，第三字节是命令，第四、五字节是从站地址，第六至第八字节为数据。主控站采用广播方式发送命令数据，从机站收到通信包后进行数据分析，分析内容：一是辨认主机与否是自己上级主控站，二是辨认从机地址与否是自己地址，只有在所有确认无误后，从控站才执行相应命令和操作。图3.1.2主控机构造图3)从控站从控站内部逻辑构造如图3.1.3所示，每个从控站可控制三组路灯，它通过电力载波接受电路来接受主控站指令，并执行相应操作；同步，从控站完毕对工作电流采样及解决，并将有关信息通过电力载波反馈至主控站，主控站以此来判断路灯与否工作正常，以及决定如何采用办法。此外，从控站可以对现场工作温度进行采样解决，以便在温度超过正常工作范畴时可以及时采用保护办法。图3.1.3从控机构造图3.2载波通信模块设计在系统运营过程中，总控器和主控器、主控器和从控器之间要进行通信，可靠通信实当前系统中至关重要。如果将总控器、主控器和从控器看做系统一种节点。节点之间通信是通过载波通信模块实现，载波通信模块设计内容涉及电力线载波芯片选取、耦合电路及芯片所需要外围电路如发送、接受电路等。3.2.1电力线载波通信芯片选取电力线载波芯片是电力线通信系统核心，世界上已有各种国家多家公司推出了自己芯片。但是，由于国外芯片是针对自身电网特性、电网构造设计，而对国内电网特性、居民住宅分布状况和市场需求，难以发挥其优势。通过不断摸索，国内某些公司也开发出了某些适合国内国情电力线通信芯片，例如北京福星晓程公司PL3106，就是其中之一。PL3106是专为面向将来开放式自动抄表，智能信息家电以及远程监控系统而设计单芯片片上系统，它除了具备功能强大微解决器外，特别在电力线载波通讯方面具备更大优势，它扩频通信单元具备更强抗干扰能力。PL3106提供了丰富片内资源，内置增强型8位解决器内核是全面兼容51指令集多级流水线指令架构MCU，同等主频下指令执行速度是普通51单片机8倍；同步集成了完善电压监测上电掉电复位看门狗电路，保证了工业环境下运营时系统可靠性。因而，PL3106完全可以满足本系统需求，使得本系统具备低成本，低功耗，多功能，高可靠性等长处。3.2.2PL3106芯片特点☆采用0.35um超大规模数/模混合CMOS制造工艺；☆拥有多项自主知识产权SoC（SystemonChip）设计；☆内嵌增强型8051兼容微解决器；☆内置扩频通信调制/解调电路，数据速率500/250Bps可选；☆内置2路16位Σ-Δ调制A/D转换器；☆内置256bytes+768bytesSRAM（静态随机存储器）；☆内置16KbytesEEPROM（电可擦除/可编程）程序存储器；☆内置60bytesEEPROM（电可擦除/可编程）数据存储器；☆内置两个可灵活配备全双工多功能UART（UATR0可配备为红外38K）；☆内置三个8/16位定期/计数器，一种看门狗定期器以及三个外部中断源；☆内置4x24段LCD显示控制/驱动电路或8*8段LED显示控制/驱动电路；☆内置实时钟/日历单元，自动润年润月，可数字频率校正，并具备秒脉冲输出；☆内置带有硬件方向鉴别逻辑红外线脉冲探测驱动电路；☆内置1路8位PWM调制D/A转换器；☆内置2路运算放大器；☆内置2.5V±8%电压源基准；☆内置串行程序存储器编程接口，支持在系统编程（ISP）；☆采用5V单电源供电；☆内置完善电源电压监测电路；☆温度合用范畴（工业级原则）-40℃--+85℃；3.2.3信号发送、接受电路设计具备直序扩频调制解调电路PL2102模块已集成在PL3106芯片内部，载波通信模块载波外围配备电路重要涉及载波通信功率放大发送电路、滤波接受电路、陶瓷滤波电路和载波耦合电路，如图示。图载波通信模块构造图载波信号功率放大电路如图所示，是用来将PL3106芯片产生载波调制信号进行功率放大后耦合到电力线上。载波功能被使能后，载波信号由P1.7输出；通过互补推挽电路进行功率放大后，P1.7方波信号被放大。载波发射功率大小与VHH电源幅值高低、电源电流提供能力密切有关，一定范畴内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效加大发射功率、从而延长通信距离。由于放大后信号波形富含谐波，可以进行滤波整形，以减少对电网谐波污染。电感L2、电容C3构成整形滤波，通过耦合电路耦合到低压电力线上。图载波功率放大发送电路滤波接受电路如图所示，R3在接受本地强发射信号时可以有效吸取衰减；电感L1、电容C5构成并联谐振回路，谐振以中心频率为120KHz设计，完毕对有效信号带通滤波；良好选频回路可以有效提高载波接受敏捷度。依照并联谐振公式以f=120KHz，选取电容为C5=1.5nF，可以选取适当电感值，L1=1.17mH。二极管D5、D6作用是将接受信号电位钳制在±0.7V。接受信号通过电位C4后引入到芯片内部进行混频解决，SIG_IN被内部上拉后平移到2.5V±0.7V，以利于后续解决。图载波滤波接受电路3.2.4陶瓷滤波电路陶瓷滤波电路如图3.2.4，并联谐振后接受载波信号经SIG_IN脚进入芯片。由于陶瓷滤波器通频带只能在中频附近，因此芯片必要将接受到120KHz信号与内部600KHz本振信号进行混频，得到480KHz中频带宽差频信号。混频后信号由FLTi引脚输入到陶瓷滤波器输入脚，陶瓷滤波器滤波后再送回芯片FLTo引脚进行内部限幅放大，然后又芯片内硬件解扩电路进行有效数据还原，完毕解扩后数据位锁存到P3.7引脚。陶瓷滤波器设计参数为：中心频率f=480KHz，带宽15KHz。图3.2.4陶瓷滤波电路3.2.5掉电检测及电池电压检测PL3106内置了掉电检测及电池电压检测，内置了两个精准比比较器，一种用于系统掉电检测，通过与外部电压VHH相连管脚（CMPI）电压值与内部掉电电压基准值相比较来置位PFI（STATUS.0），原理图如下所示：芯片内部通过34K和42K电阻分压得到掉电电压基准值（2.8V±5%），CMPI出电压值不大于电压基准值，输出高电平，为PFI（STATUS.0）自动之1。电压最高5.5V，高于5.5V也许会烧毁芯片。采用103插脚电容进行退耦解决。图掉电检测电路另一比较器用于电池电压检测，通过管脚(VBAT)电压与内部电池电压基准值相比较来置位VBF0，原理图如下：图电池电压检测3.2.6载波耦合电路设计载波耦合电路功能有两个：将通过发送电路功率放大后信号耦合到电力线上；从电力线上获取有效地载波信号。其中D7为双向瞬变二极管、C6为安防电容，均起保护作用，为防止突然增大电流对后级电路导致影响。T1为耦合线圈，拟定匝数为10：15时效果最为抱负。图3.2.6载波耦合电路照明控制系统通信合同软件设计系统软件设计对于将来系统稳定运营至关重要。软件设计是一种从构建框架、编写代码、到最后完毕测试系统工程。在这样系统工程中，模块化设计思想能大大提高代码复用限度和简化后期测试工作。本文采用构造化语言C51进行系统软件开发，以从最大限度上实现模块化设计思路。4.1通信合同设计通信合同是设备之间进行互相通信语言和规范，软件开发需要在通信合同基本上进行。一种好通信合同能从很大限度上有助于软件模块化设计。4.1.1OSI模型开放系统互连模型（OSI，OpenSystemInterconnectReferenceModel）是一种覆盖了网络通信各个方面ISO原则。OSI模型提供一种用来进行网络系统设计层次化框图。它涉及七个互相独立但又互有关联层次，每一层都定义了一某些用于穿过网络传递信息合同。OSI模型七个层次分别为：物理层（第一层）、数据链路层（第二层）、网络层（第三层）、传播层(第四层)、会话层（第五层）、表达层（第六层）和应用层（第七层）。详细模型如图4-1所示：图4-1OSI模型层与层之间消息传递都是通过相邻两层间接口来实现。每层接口都定义了这一层必要向上一层提供消息和服务。定义良好接口及层次功能可以使网络模块化。只要一种层功能仍能为上一层提供所盼望服务，该层内功能详细实现就可以在不影响周边层次基本上进行修改和替代。4.1.2当前电力线载波通信合同当前，低压电力线载波通信技术原则重要有三种：X-10、LonWorks和CEBus。原有低压电力线载波技术重要是基于X-10原则，但随着通信技术不断发展，CEBus以其自身优越性，已被越来越广泛地采用。1.X-10技术原则X-10技术原则于1978年初次提出，由于其在家庭自动控制（HomeAutomation）领域广泛应用而成为事实上国际原则。其最初设计只是用于单向通信，日后增长了双向通信功能。就调制方式而言，由于过零点普通含至少量噪声和干扰，它使用过零调制技术，调制方式为幅值调制（AM：AmplitudeModulation），为减少误码，它需要两个过零点来传送一种“0”或“1”信息，因而，其重要缺陷在于通信速率太低和容量太小，难以适应当代高速率、大容量通信规定。2.Lontalk技术原则Lontalk技术原则由Echelon公司提出，它是点到点对等网络通信（Peerto-PeerCommunication）方式，使用载波侦听多路访问（CSMA：CarrierSenseMultipleAccess）技术。当前，Echelon公司已研制开发出基于该技术原则扩频通信（SSC）芯片（10kbps）。3.CEBus（ConsumerElectronicsBus）技术原则1984年，电子工业协会（EIA：ElectronicIndustriesAssociation）开始着手研究合用于家庭顾客设施通信原则，这就是日后CEBus原则（1992年正式颁布）。CEBus是提供独立物理层连接规范开放式通信原则，使用EIA-600合同。由于它使用对等网路通信方式，因而通信网上任何一种节点都可随时接入。为避免数据冲突，它使用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）技术，即在发送数据前监听信道上与否有数据正在传播，边发送边监听，一旦监听到冲突，则冲突双方停止发送。这样，信道不久进入空闲期，提高了信道运用率。4.1.3本文采用电力线载波通信合同以上几种通信合同，各有自己优缺陷，为实现低成本和高可靠性开发目的，并配合已有硬件基本，本文采用了浙江大学赵玉玺提出具备四层构造PLCLCP合同，下面对该合同进行简朴简介。层次内容应用层APDUHMO网络层NPDUHAPDU数据链路层FHNPDUFT物理层电力线，总控器、主控器、从控器等设备图4-2PLCLCP构造图PLCLCP共有四层，分别是物理层、数据链路层、网络层和应用层，各层次详细内容为：物理层物理层位于该合同最底层，为照明控制系统设备之间数据通信提供传播媒体及互联设备，为数据传播提供可靠环境。该合同采用传播媒介是220V电力线，互连设备有总控器、主控器和从控器等构成。数据链路层数据链路层可以理解为数据通道，数据链路层重要实现设备之间可以进行通信，即实现数据链路建立与拆除，同步由于电力信道噪声和干扰复杂多变，单靠物理通道难以保证信息传播无误，数据链路层要为网络层提供无差错数据传播，因此应对数据进行检错和纠错。PLCLCP数据链路层格式解释如下：FH(FrameHeader)：帧头，标记一帧数据开始，用于数据链路建立；PL3106载波通信模块采用直接序列扩频DPSK调制解调方式，接受过程涉及载波信号捕获和同步，在每次传送有效数据前发送40个位全“1”，本文采用发送6个FFH，用以通信模块捕获和追踪接受到扩频信号，同步发送同步帧头09AFH作为接受届时进入同步状态标志。NPDU(NetworkingLayerProtocolDataUnit)：详细见网络层详解。FT（FrameTrailer）：帧尾，用于帧校验和纠错，以及标记一帧数据结束。该合同帧校验采用品有前向纠错方式16位循环冗余校验编码（简称CRC16），其占用两个字节；用23H标记一帧数据结束。网络层PLCLCP合同中网络层实现功能为地址控制和重传控制。地址控制：设备自身地址以及接受到帧源地址由网络层存储管理，当接受到帧目地址和设备地址不同步，放弃该帧；通过变化数据帧中目地址即可实现三种传播服务：广播服务：控制所有灯具，简称全控；组播服务：控制一组灯具，简称组控；单播服务：(a)控制单灯，简称单控；(b)单灯状态查询。重传服务：PLCLCP合同规定了两种类型数据帧：命令帧和应答帧。命令帧由总控器或者主控器向从控器发送，应答帧由从控制器向主控器或者是向主控器向总控器发送。由于电力线信道干扰影响，在数据传送过程中不可避免会浮现数据帧位错和在限定期间里未收到应答状况，这时需要重传相应数据帧，详细形式见下图所示。图4-3出错重传形式网络层合同内容格式如下：表—1网络层合同格式NPDUHAPDUDAPLSAPTRCAPDUPL(PacketLength)：数据包长度，占用8位（一种字节），从DA开始到APDU(包括在内)字节长度；DS/SA(DestinationAddress/SourceAddress)：接受方地址/发送方地址，占用3个字节，详细规定见PLCLCP构造图。三种传播服务实现：全控：为了避免由于灯具全开给电网导致冲击和从控器收到两次执行相似动作命令，在执行全控命令时，通过组控方式实现；组控：在总控器实现某组灯具全开或全关时，通过一方面向改组主控器发送命令，由主控器发送具有接受方地址为XXFFFFH(XX为01—FE中一种值)命令，属于该主控器从控器在收到该命令帧后，执行全开或全关命令。单播服务：总控器给灯具所在主控器发送命令帧，接受方地址为XX0000H，XX为01—FE中一种值，然后由主控器将该命令解释后给灯具所在中断控制器发送命令帧，接受方地址为XXYYYZH，XX为01—FE中一种值，YYY为001—FFE中一种值，Z为0表达对从控器所控制等进行控制或者查询，Z为1表达对从控器控制1号灯进行控制/查询，Z为2表达对从控器多控制2号灯进行控制/查询，从控制器负责解释并执行该命令。PT(PacketType)：数据帧类型，占用4bits，如果该数据帧为命令帧，PT为0000(B)，如果为传播成功应答帧，PT为0001(B)，如果为传播失败应答帧，PT为0010(B)。RC(RetransmissionCount)：重传计数器，占4bits。对于总控器和主控器，RC初始值为0001(B)，当传播浮现错误或者超时，RC增长1，RC最大值不超过0011(B)；对于分控器，其RC值始终为0001(B)。表—2设备地址表总控器地址主控器地址从控器地址灯地址000000H010000H010010H010011H010012H010020H010021H010022H01FFEH01FFE1H01FFE2H00H00H01H02H00H01H02H02FFE0H02FFE1H02FFE2HFE0000HFE0010HFE0011HFE0012HFE0020HFE0021HFE0022HFEFFE0HFEFFE1HFEFFE2HAPDU(ApplicationLayerProtocolDataUnit)：应用层合同单元，详见应用层某些。应用层应用层是向应用程序提供服务，总控器通过应用程序实现灯具开关控制和总控器对主控器进行校时。应用层格式：APDUHMOAPDUH(ApplicationLayerProtocolDataUnitHeader)：应用层合同单元头。MO(MessageOption)：信息选取项，依照数据帧不同而变化。APDU详细格式见下：ALCCDATA(a)命令帧格式ALCCCSACKRE_DATAAL(APDULength)：APDU单元长度，即AL(涉及在内)到DATA或者RE_DATA（涉及在内）长度占一字节；CC(CommandCode)：控制码。占一种字节，（1）校时控制码为11H，(2)组控控制码为22H，(3)总控器发出单控控制码44H，(4)主控器发出单控控制码为88H，(5)总控器发出但等查询控制码为99H，(6)主控器发出单灯查询控制码为AAH；DATA：数据信息，所占字节依照控制码不同而变化：（1）如果是校时控制码，DATA内容为妙、分、时、日、月、年、周，占七字节，其中周日—周六相应0-6；（2）如果是主控控制码，DATA占一种字节，数值为00-FFH，00H相应灯具关，FFH相应灯具开，01-FEH备用，可用于调节灯光亮度；(3)如果是总控器发出单控控制码，DATA占三个字节，第一种字节数值为00-FFH，00H相应灯具关，FFH相应灯具开，01-FEH备用，第二和第三个字节为某分控器下灯地址后两个字节YYYZ(YYY范畴：001-FFEH，Z为0，1，2)，例如某灯地址为02H，则YYYZ为0042H；（4）如果是主控器发出单控控制码，DATA占一种字节，数值为00-FFH，00H相应灯具关，FFH相应灯具开，01-FEH备用；（5）如果是总控器发出单灯查询控制码，DATA占两个字节，为某从控站下灯地址后两个字节YYYZ(YYY范畴：001—FFEH，Z为0，1，2)；(6)如果是主控器发出单灯查询控制码，数据帧不包括DATA某些；CCC(CommandCodeCopy)：控制码复制，用于应答帧，与命令帧控制码相相应。SACK(SuccessfulAcknowledge)：命令得到执行，占一种字节，用EEH表达；RE_DATA：应答数据信息，所占字节与控制码相相应，（1）—（4）状况时，RE_DATA与其相应命令帧中DATA一致，（5）状况时，RE_DATA占三个字节，前两个字节与相应DATA一致，第三个字节数值为00~FFH，00H相应灯具关，FFH相应灯具开，01-FEH备用；(6)状况时，RE_DATA占一种字节，数值为00—FFH，00H相应灯具关，FFH相应灯具开，01-FEH备用。4.2PL3106载波通信软件设计4.2.1载波通信模块使能PL3106内部集成了PL2102电力载波通讯模块，该模块是专为电力线通讯网络设计半双工异步调制解调器。PL3106将该模块内嵌后，使得载波通讯抗干扰能力有了巨大提高。载波通信采用直序扩频DPSK调制解调时：将要发送信息用伪随机码序列扩展到较宽频带上，在接受端用同样伪随机码序列来进行解扩，恢复信息。接受过程涉及载波信号捕获和同步，这一某些通过芯片内部自动实现。由于PL3106CPU和载波接受模块内嵌，使得PL3106载波通讯控制可以通过配备寄