杨　波,秦会斌,毛祥根,杨备备

(杭州电子科技大学电子信息学院,杭州 310018)



基于PL3106的室内调光控制系统

杨波,秦会斌*,毛祥根,杨备备

(杭州电子科技大学电子信息学院,杭州 310018)

摘要:针对室内布线不方便以及噪声干扰小的特点,设计了一种基于低压电力线载波通信芯片PL3106的室内调光控制系统。该系统以电力线为信息传输媒介,设计简单,节约成本。其关键要解决的电网噪声对通信的影响,从而延长通信距离。以PL3106为核心搭建了电力线载波通信的硬件电路,采用通信协议实现一对多通信,从而由总控制器控制多个照明节点。测试结果表明,该系统在400 m内通信稳定,能准确实现照明调光,取得了良好效果。

关键词:电力线载波通信;调光;PL3106;扩频调制

电力载波通信以电力线路为传输通道,具有通道可靠性高,投资少,见效快的特点。然而,低压电力线不是专用的通信线路,因其有很多不利于数据传输的弊端,如干扰源[1]众多、阻抗特性时变性大等。随着先进的抗干扰算法[2]、调制解调技术[3]的应用,电力线载波通信在某些特殊应用领域已经崭露头角。PL3106是专为面向未来的开放式自动抄表,智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统它除了具有功能强大的处理器外,尤其在电力线载波通讯方面具有更大的优势,它的扩频通信单元具有更强的抗干扰能力。与传统的室内照明控制相比,基于电力线载波通信的智能调光控制系统具有更大的灵活性,比如所有照明灯可以通过一台总控制器集中控制,可根据需要调节灯的亮度,节省能源。此外还可以很方便地添加各种功能,如定时、查询等,以适应照明需求。

1　系统总体框架

系统以电力线为通信信道,由总控制器和终端控制器组成通信系统,PC机与总控制器通过串口进行通信。总控制器可随意放置在任何方便控制的房间内,每个终端控制一组灯具,根据需要一个房间内可放置一个或多个终端控制器。调光控制系统的总体框架如图1所示。

2　系统硬件电路设计

2.1系统工作原理

系统工作原理图如图2所示,PC机通过串口下发命令,通过MAX232转换为TTL电平发送给PL3106,PL3106对数据进行直接序列扩频,扩频后的信号经120kHz的载波频率调制后输出,依次通过功率放大电路、滤波电路、耦合电路发送到低压电力线上。终端控制器通过接收电路接收到总控制器发送来的命令,经内嵌8051微处理器处理,输出相应占空比的PWM波,从而控制调光控制器的输出电流,达到调光的目的。

图1　系统总体框架图

图2　系统工作原理图

2.2发送、接收电路以及耦合电路

发送、接收电路以及耦合电路如图3所示。电力线载波通信所需的直序扩频调制电路已在PL3106芯片内部集成化,因此设计者不需要关心载波的调制与解调,只要设计相应的发送与接收电路即可。

图3　发送、接收电路以及耦合电路原理图

发送电路部分主要包括功率放大电路和滤波电路。载波功能被使能后,载波信号由P1.7引脚输出,波形为0～5 V变化,频率为120 kHz的方波,包含丰富的谐波。由Q1～Q4组成的互补推挽功率放大电路负责将PL3106芯片产生的载波调制信号进行功率放大,其中D3和D4起钳位作用,吸收电源尖峰干扰。发射电压VHH影响发射功率的大小,随着发射电压的下降发射功率也下降,发射电压越高三极管的自身功耗越大,一般选择发射电压为16 V。为减少对电网的谐波污染,经放大后的信号需要经过电感L1和电容C3组成的带通滤波器,以滤除谐波分量。D1和D2起保护电路的作用。

接收电路中,R3在接收本地强发射信号时可以有效吸收衰减。电容C4,C5和电感L2组成并联谐振电路,其中心频率为120 kHz,对接收到的信号有选频作用。二极管D6、D7的作用是将接收信号的电位钳制在±0.7 V。接收信号经过电容C6后引入芯片内部进行混频处理,SIGIN被内部上拉后平移到(2.5±0.7)V,以利于后续处理。

耦合电路中,瞬态抑制二极管D7起保护作用,T1为耦合线圈,匝数比设置为19∶32,电容C7和电感L3对信号进行二次滤波,以进一步减少谐波分量。

2.3陶瓷滤波器电路

陶瓷滤波器电路如图4所示。

图4　陶瓷滤波器电路

并联谐振后接收的载波信号经SIGIN脚进入芯片。由于陶瓷滤波器通频带只能在中频附近,所以芯片内部将接收到的120 kHz信号与内部的600 kHz本振信号进行混频,得到480 kHz中频带宽的差频信号。

混频信号由FLTI脚输入到陶瓷滤波器的输入脚,陶瓷滤波器滤波后再送回芯片的FLTO脚进行内部限幅放大。然后由芯片内的硬件解扩电路进行有效数据的还原;数据解扩完成后将数据位锁存到P3.7脚,同时产生同步信号HEAD。

2.4调光控制器电路

调光控制器部分采用PT4115芯片,PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源,用于驱动一颗或多颗串联LED。其驱动电流由输入PWM占空比决定,3脚为PWM输入引脚,接PL3106的PWM功能引脚。其典型应用电路如图5所示。

PT4115的调光原理:当DIM引脚电压低于0.3 V时关断LED电流,高于2.5 V时开启LED电流。通过PWM波控制电流导通与关断的时间比,从而控制电流大小,电流的计算方法如下:

其中D为占空比。

图5　调光控制器电路原理图

3　系统软件设计

3.1通信配置

载波通信控制器采用帧同步方式的串行移位通信,半双工方式,速率500 bit/s/250 bit/s可选;中心频率为120 kHz,带宽为±7.5 kHz。内嵌的CPU使用外部中断2(INT2)为同步收发中断,载波通信配置流程(图6)如下:

(1)使能INT2中断(EX2=1),且为下降沿触发方式(IT2=0);

(2)使能载波通信控制位PLM_SSC=1,INT2作为载波通信同步信号的中断;

(3)载波收发控制位PLM_RS=1时,载波控制器处于发送状态,PLM_RS=0时,载波控制器处于接收状态;

(4)载波发送复位寄存器:用于避免载波通信模块长时间处于发送状态,使整个通信系统处于失控状态而设置;是一个13 bit计数器,发送状态时,计数器递减,递减到0后,载波发送模式被强制返回接收态;接收态时计数器停止工作。长时间发送数据时,需要向PLM_RST寄存器写入“A2H”,写入后计数器自动复位、保持发送。

3.2发送和接收软件设计

图7为载波发送过程框图。用于载波通信的主叫方发出命令、或接收方的应答。置为载波发送态时,载波通信控制单元发送完1 bit的扩频数据后,自动产生一次中断,允许下1 bit数据发送。根据捕获和同步过程需要,首先发送至少40 bit的全“1”;然后按比特发送同步帧头0X09、0XAF;之后根据用户的有关通信协议按比特发送通信地址、数据长度、数据体、校验等字节。数据全部发送完成后,载波模块即可转入接收态。但为确保待发送数据的最后一个比特发送成功,必须在发送完最后1 bit数据后等到下一次发送中断到来后,才可以转换载波发送态到接收态。

图7　发送过程框图

图8　接收过程框图

图8为载波接受过程框图。载波通信控制单元解扩出1 bit数据后,产生一次中断。接收时首先采用16 bit接收窗口、1 bit滑动方式来接收通信的同步帧头0X09、0XAF,同步头接收成功后,后续数据按每8 bit/byte的方式进行截取,得到传送的有效数据,按有关的通信协议进行地址判别、长度接收、校验计算。地址相同的模块对符合通信协议的数据进行应答,转入发送态。

3.3通信协议帧

根据PL3106载波通信时序以及实际需求,设计如下通信协议帧:

同步字符同步帧头数据接收端地址数据发送方地址命令字校验码帧尾

协议帧说明:

(1)根据捕获和同步过程需要,首先发送至少40 bit的全“1”,所以设计同步字符为连续6个0xff,占6 byte;然后按比特发送2 byte同步帧头0x09,0xAF。

(2)数据接收方地址为1 byte,最大值为0xff。总控制器的地址为0x00,终端控制器的地址为0x01到0xfe,当接收方地址为0xff时表示总控制器对所有终端控制器同时进行控制;数据发送方地址也是1 byte,最大值为0xfe。

(3)命令字是指控制或应答命令,占1 byte。本设计中命令字0至0x64是调光命令,0为关灯,0x64为开灯,其他的控制不同亮度。0xa0表示数据接收正确的应答命令。

(4)校验方式为CRC16校验,占2 byte,在命令字之后发送。

(5)帧尾占1 byte,以0xff表示一帧发送完毕。

3.4上位机设计

图9　上位机调光界面

上位机调光界面如图9所示,调光界面各功能模块说明如下:

(1)设置参数栏设置串口通信的参数。PL3106与上位机之间通过串口通信,所以首先要配置串口通信参数;

(2)调光栏选择房间号即终端控制器地址以及设置指定调光值,当选择所有房间时,可对所有灯具同时进行控制;

(3)定时开关栏可以设置定时开关灯的时间,也可取消定时;

(4)按下确定按钮后才可使调光和定时开关设置生效。

4　测试结果及分析

本系统的测试在同一层实验楼内进行,测试时分别选择不同的距离进行300次试验。测试参数如下:载波频率为120 kHz;数据传输速率为500 bit/s;发送电压VHH=16 V;主控制器1个,终端控制器数目为10个。测试结果如下:

表1　室内调光控制系统测试结果

结果表明近距离测试时,均能准确控制灯具的开关及调光,随着距离的增加会出现小的通信误差,造成这种误差一方面是因为距离增大信号衰减致,另一方面是由于距离越大噪声干扰越大,导致接收方分辨不出有效信号。

可通过以下方式增加通信距离:(1)使用参数误差更小的元器件,尤其是滤波元件;(2)增大放放电压VHH,增加发送功率,但同时会增加三极管自身功耗;(3)采用中继传输技术可延长通信距离;(4)改进校验方式降低误码率。

5　结束语

基于PL3106芯片的室内调光控制系统在原有照明线路的基础上,只需对照明开关设备做简单改造升级,利用电力线载波通信便可实现室内照明调光控制。PL3106内嵌8051内核,电路设计简单,软件编程方便,其串口通信模块与PC进行通信可构建范围更广的控制系统。

参考文献:

[1]Andreadou N,Pavlidou F N.Modeling the Noise on the OFDM Power-Line Communications System[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):150-157.

[2]段恒炜,张越.低压电力线载波通信中的抗干扰问题分析[J].黑龙江科技信息,2013(8):44.

[3]王芳,张士兵,王振朝,等.低压电力线载波通信调制解调技术研究[J].电视技术,2010,34(5):69-72.

[4]张瑞红.基于PL3105的低压电力线载波通信硬件设计[J].电子设计应用,2004(12):123-124.

[5]殷明.基于电力线载波通信技术的路灯控制系统的设计[J].世界电子元器件,2013(6):53-55.

[6]杨艳,牟颖莹,侯静,等.电力线载波通信技术的应用分析[J].青海电力,2012,31(4):22-24,28.

[7]赵东亚,张建华.低压电力线载波通讯技术在中国智能电网中的应用现状及发展方向[J].数字技术与应用,2012(3):39-41.

[8]朱旭,唐显锭,蒋紫东,等.基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计[J].照明工程学报,2012,23(2):66-70.

[9]曾萍,黄梓瑜,李仕彦,等.低压电力线载波通信系统设计[J].物联网技术,2012,2(12):56-58.

[10]戚佳金,刘晓胜,吴迪,等.低压电力线载波通信网络组网方法研究[J].电子器件,2008,31(3):1033-1038.

[11]张晓威,秦会斌.一种DALI调光控制器的设计与实现[J].电子器件,2010,33(5):545-549.

[12]王栋,吴建兴.一种新型降压模式LED驱动电路系统[J].电子器件,2012,35(6):760-763.

[13]Hao Lin,Siohan P.Capacity Analysis for Indoor PLC Using Different Multi-Carrier Modulation Schemes[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):113-124.

[14]Konate C,Kosonen A,Ahola J,et al.Power Line Communication in Motor Cables of Inverter-Fed Electric Drives[J].IEEE Transac-tions on Power Delivery,2010,25(1):125-131.

杨波(1988-)男,湖南湘西人,研究方向为新型电子器件与应用,yb88929@163.com;

秦会斌(1961-),男,教授,主要从事新型电子器件及ASIC设计、现代传感器设计及应用方向的研究,qhb@hdu.edu.cn。

AControlSystemofIndoorDimmerBasedonPL3106

YANGBo,QINHuibin*,MAOXianggen,YANGBeibei

(College of Electronic Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:A indoor dimming control system based on PL3106 which is a low-voltage power line carrier communi-cation chip is designed for the character of inconvenience of indoor wiring and small noise.The system uses power line as transmission media,it can be easily designed and reduce the cost.The key of this design is to solve the effect of grid noise on communication,thus extending the communication distance.Taking PL3106 as the core hardware circuit of power line carrier communication,it can realize point to multipoint communication using the communication protocol,so that a plurality of lighting node can be controlled by the master controller.The test results show that,the system communication is stable in the 400 meters,it can accurately achieve dimming,and achieved good results.

Key words:power line carriercommunication;dimming;PL3106;spread spectrum modulation

通信地址载波通信为总线方式通信所以载波模块的常态必须设置为接收态、不同的载波模块必须分配不同的。模块接收到校验正确的命令后,只有地址相同的模块才允许按规约进行应答。

doi:EEACC:8500;853010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.022

中图分类号:TM923

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0679-05

收稿日期:2013-08-29修改日期:2013-09-12