電力線通信(PowerLine Communication，PLC)是指建立在電力輸送網(wǎng)基礎(chǔ)上的、實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間通信的系統(tǒng)^［1］。近幾年，與電信網(wǎng)及有線電視網(wǎng)相比，電力線通信網(wǎng)以其資源廣闊、與家庭結(jié)合緊密等優(yōu)勢(shì)日益引起人們的關(guān)注，并得到快速發(fā)展。PLC的應(yīng)用已不限于簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，歐美一些國(guó)家正研究其在智能化小區(qū)及接入網(wǎng)方面的應(yīng)用，這是信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和信息家電出現(xiàn)的必然趨勢(shì)。專用通訊模塊的設(shè)計(jì)決定了這些功能是否能高質(zhì)量、低成本地實(shí)現(xiàn)，以及系統(tǒng)的安全性能和電力線高壓危險(xiǎn)的防護(hù)。

1　基于Chirps的擴(kuò)頻載波通訊技術(shù)和CEBus協(xié)議
1.1　基于Chirps的擴(kuò)頻載波技術(shù)
　　對(duì)電力線這一強(qiáng)背景噪聲的信道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效手段就是擴(kuò)頻(Spread Spectrum，SS)技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)就是用偽隨機(jī)碼將載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶低功率譜密度的信號(hào)來(lái)發(fā)送。這樣，在接收端使用恰當(dāng)?shù)氖侄尉涂梢詫⑿盘?hào)提取出來(lái)，從而減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響，保證了電力線網(wǎng)絡(luò)上的可靠通信。
　　如圖1所示，寬帶線性調(diào)頻利用一組掃描頻率作為載體，信號(hào)占用的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息帶寬，可獲得很大的擴(kuò)頻增益。

　　該掃描頻率是一系列短促的、可自同步的連續(xù)脈沖，又稱作“chirps”，每個(gè)chirps一般持續(xù)100μs，他代表了最基本的單位通信符號(hào)時(shí)間(UST)。他可通過(guò)不同的UST組合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其最大速率為10 kb/s。按照CEBus標(biāo)準(zhǔn)，這些信號(hào)頻率覆蓋了100～400 kHz的帶寬。在Intellon公司的SSCP300芯片中，掃描總是以200 kHz的頻率開(kāi)始和結(jié)束，也就是說(shuō)：400 kHz和100 kHz的頻率總是在每一個(gè)chirps的中間，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是便于進(jìn)行掃描信號(hào)的諧波抑制，并使數(shù)據(jù)傳輸中位與位之間的過(guò)渡變得比較平滑^［2］。另外，此種chirps波形具有很強(qiáng)的獨(dú)立性。
1.2　CEBus協(xié)議簡(jiǎn)介
　　 CEBus是專門(mén)為家用電子產(chǎn)品通訊而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又稱作FLA－600協(xié)議^[3]。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(Electronicw Industry Association,EIA)聯(lián)合其他廠商，在1989年制定出一套家庭自動(dòng)化控制規(guī)格的初步草案并在1992年發(fā)布，命名為CEBus(Consumer Electronic Bus)，目標(biāo)是建立一個(gè)針對(duì)家用電子產(chǎn)品的開(kāi)放性協(xié)議；開(kāi)發(fā)一套通用的、廉價(jià)的、與制造廠家無(wú)關(guān)的通訊方法；允許用戶以很小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中加入新的家電產(chǎn)品；減少家用電子產(chǎn)品設(shè)備功能的冗余。1997年，CEBus的EIA－600正式成為美國(guó)ANSI標(biāo)準(zhǔn)。
　　如圖2所示，CEBus采用簡(jiǎn)化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層使用7種不同媒介，包括電力線、雙絞線、同軸電纜等，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合需要。CEBus的網(wǎng)絡(luò)完全面向報(bào)文分組(packet)，使用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)和沖突檢測(cè)協(xié)議(CSMA)。采用“公共應(yīng)用語(yǔ)言”(Common Application Language，CAL)，設(shè)備之間可以互相訪問(wèn)，從而知道一個(gè)設(shè)備所有的資源，工作狀態(tài)，并可控制該設(shè)備。

1.3　SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器簡(jiǎn)介
　　Intellon公司的SSCP300電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器是一種與CEBus總線兼容、高度集成的電力線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)控制器。他利用傳輸穩(wěn)定可靠、通信保密程度高的擴(kuò)頻載波技術(shù)，通過(guò)CRC校驗(yàn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的安全傳遞。SSCP300提供了數(shù)據(jù)鏈接層(DLL)的控制邏輯，符合EIA－600標(biāo) 準(zhǔn)的通道訪問(wèn)及通信服務(wù)，基于chirps的擴(kuò)頻載波技術(shù)的電力線信號(hào)收發(fā)器，信號(hào)調(diào)整電路以及同數(shù)據(jù)處理及控制部分聯(lián)接的SPI(SerialPeripheralInterface)接口電路。

2　基于擴(kuò)頻載波技術(shù)的CEBus通訊模塊的典型應(yīng)用
2.1　硬件設(shè)計(jì)
　　應(yīng)用這種基于擴(kuò)頻載波技術(shù)的CEBus通訊芯片SSCP300組成的通訊模塊如圖3所示。

　　通訊模塊由3部分構(gòu)成：第1部分為微控制器，用于P300的通信及執(zhí)行特殊工作；第2部分為P300，他提供數(shù)據(jù)鏈路功能和物理層的協(xié)議服務(wù)；第3部分為電力線模擬功能，包括將信號(hào)耦合到媒體上，放大發(fā)送信號(hào)以及對(duì)輸入信號(hào)的濾波。
2.2　仿真研究
　　2.2.1　輸入濾波器
　　電力線上的干擾很大也很不確定，需要一個(gè)帶通濾波器，僅將帶寬100～400 kHz的信號(hào)送入P300的輸入端^［2］。由模擬帶通濾波器的傳遞函數(shù)及相關(guān)設(shè)計(jì)參考，構(gòu)造出了如圖4所示的無(wú)源六級(jí)LC濾波器。

　　 對(duì)該帶通濾波器進(jìn)行性能仿真得到如圖5所示仿真結(jié)果。

　　在頻率從100～400 kHz變化時(shí)，增益的絕對(duì)值與帶外信號(hào)相比非常小，且變化不大，而帶外信號(hào)在40 kHz和1．0 MHz時(shí)衰減就已達(dá)30分貝。仿真結(jié)果表明了采用該帶通濾波器能夠達(dá)到預(yù)期的效果。
　　 2.2.2　輸出電路
　　從P300輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱而且還有高次諧波分量，因此在輸出端必須經(jīng)過(guò)濾波和放大。圖6和圖7是輸出濾波和放大電路及其伯德圖。

　　根據(jù)CEBus要求，輸出電壓幅度必須達(dá)到10 V，因此必須把P300的輸出信號(hào)放大才能耦合到電力線，本模塊中采用了一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器驅(qū)動(dòng)SSCP111芯片(包含在圖3所示的輸出電路中)。SSCP111是Intellon公司生產(chǎn)8的媒介接口芯片。由于模塊與220 V電力線相連，各種保護(hù)電路必不可少。除高壓脈沖會(huì)破壞器件外，剛接通電源時(shí)，若電力線剛好處于電壓最大值，會(huì)有300 V的高壓直接作用于變壓器兩端，瞬間電流達(dá)到一個(gè)相當(dāng)尖銳的脈沖，在脈沖出現(xiàn)后1μs仍有幾十伏的電壓，足以燒壞SSCP111，因此需要兩個(gè)肖特基二極管將電壓鉗位在額定范圍內(nèi)，電感的作用是阻斷窄高壓脈沖。

3　在家庭網(wǎng)絡(luò)電力線通信中的應(yīng)用
3.1　CEBus模塊軟件設(shè)計(jì)
　　該模塊中，由于at89c52單片機(jī)沒(méi)有提供專用的SPI接口，只有通過(guò)其P1口的5根口線及INT1引腳模擬SPI的工作。需要特別注意的一點(diǎn)是，由于單片機(jī)使用P1口線進(jìn)行時(shí)序的模擬操作，而串口操作又是單片機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)中較為穩(wěn)定的一種通訊方式，因此進(jìn)行時(shí)序操作時(shí)必然非常嚴(yán)格?！　?br />　　將P300的通訊模式設(shè)為數(shù)據(jù)鏈路模式(DLL)，工作過(guò)程是：
　　(1)初始化P300，包括：復(fù)位、片選、用Layer_＿Management_＿Write命令向Layer_＿Config_＿Info數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)信息，得到確認(rèn)后完成初始化。
　　(2)按照時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，INT信號(hào)會(huì)變低，并且進(jìn)入中斷程序的相應(yīng)部分判斷通訊是否成功。
　　(3)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，INT信號(hào)也會(huì)變低，可由此進(jìn)入中斷處理程序，用命令取回?cái)?shù)據(jù)。
　　(4)標(biāo)志位處理子程序的功能是根據(jù)Interface_＿Flag數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中各標(biāo)志位狀態(tài)來(lái)判定系統(tǒng)的通訊狀態(tài)，進(jìn)行進(jìn)一步操作。
3.2　系統(tǒng)原理圖
　　 如圖8所示，該通訊模塊可與各種智能家電一起構(gòu)成 家庭智能網(wǎng)絡(luò)，方便人們的生活。

　　每個(gè)單元都包含一個(gè)CEBus通訊模塊，可通過(guò)軟件寫(xiě)入該電器的識(shí)別信息。主控單元微處理器與PC機(jī)相連，提供以下功能：
　　(1)接受來(lái)自PC機(jī)的數(shù)據(jù)。
　　(2)識(shí)別來(lái)自不同電器的地址信息。
　　(3)按照CEBus協(xié)議完成交換數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
　　(4)把從受控電器傳來(lái)的數(shù)據(jù)返回PC機(jī)。
　　受控單元CEBus模塊的功能：
　　(1)接受來(lái)自主控機(jī)的信號(hào)。
　　(2)對(duì)信號(hào)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有誤要求重發(fā)。
　　(3)對(duì)正確接受的信號(hào)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換送回家電。
　　(4)返回給主控單元一個(gè)成功接受信息。

4　結(jié)語(yǔ)
　　由于這種模塊采用了擴(kuò)頻載波技術(shù)，將其應(yīng)用在通訊距離不超過(guò)50 m的家庭網(wǎng)絡(luò)中，取得了良好的效果。但其主體通信芯片P300的通訊速率并不高，為10 kb/s，因此這種模塊不適合應(yīng)用在通訊量較大的場(chǎng)合。