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适用于仪器仪表通信的若干新技术2003年10月(1)

摘要  简要介绍了适用于自动化仪器、仪表的通信技术进展。较为系统地综述了电力线通信技术、无线红外和篮牙通信技术、基于USB接口通信技术、现场总线通信技术以及嵌入式Internet接入技术。探讨了这些技术对自动化仪器、仪表通信所提供的支持及其应用方式。

关键词    仪器仪表通信   电力线通信    红外通信   篮牙通信     USB接口    现场总线通信    Internet

0         引言

目前,在自动化仪器、仪表中常用的通信标准主要有RS-232C和RS-485等,长久以来这两种串行通信方式一直是自动化仪器、仪表最基本的通信方式之一,在其它应用系统的能信中用得也很多。近年来,随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展及其在工业自动化系统和仪器、仪表领域加速了向数字化、智能化和网络化方向发展的进程。本文将探讨电力线通信技术、无线红外和篮牙通信技术、基于USB接口的通信技术、现场总线技术及其嵌入式Internet接入技术等对自动化仪器、仪表所需的通信和联网给予的支持和应用方式。由于目前的智能仪表均以嵌入式单片机为核心,其通信接口、通信协议和数据传输都需要在单片机控制下实现,因此在本文的叙述中,凡涉及与嵌入式智能仪表的通信接口时,均以单片机代替智能仪表。

1         电力线通信技术

电力线网络作为世界上最大的网络,其主要功能仍然是输送电能。随着信息技术的发展,基于电力线路的通信(power  line  communication)就成了近来的热门话题。电力线对于实现电力自动化系统设备之间的通信和现代电能计量管理将起重要作用。国外已有一些成功的应用实例,国内也有电力Modem的Internet 接入试验。目前使用较多的是基于电力线载波通信的单表(或多表)自动抄表系统,另外对电能数据的采集和传输、对电力设备的监控和保护、以及电能的优化调度等也可以借助电力线路的通信介质实现。因此,基于载波技术的电力线路的通信已成为目前电力系统智能仪表通信发展的方向之一。

1.1 电力线载波通信方式和特点

电力线载波通信是电力系统特有的通信方式,它是利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质,因此具有信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复用远动信号等特点,是唯一不需要线路投资的有线通信方式。

电力线通信是将数据调制成载波信号或扩频信号,然后通过耦合器到220V或其它交直流电力线上,甚至是没有电力的双绞线。电力线载波通信不仅提供了实用的新兴通信手段,而且它所具有的现存物理链路、易维护、易推广、易使用、低成本等优点,显示了诱人的前景和潜在的巨大市场。

1.2 支持电力线载波通信的专用芯片

   电力线上通信的关键是:如何保证在电力线上长距离通信可靠。在电力线上通信存在以下问题:电力线间歇性噪声较大(某些电路的启停、运行都会产生较大的噪声);信号衰减快;线路阻抗经常波动。上述这些问题使通过电力线的通信非常困难,因此电力线载波通信的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波用的芯片。目前常采用PL2000A和PLF-22电力线收发器等专用芯片,它们能提供较好的解决方案。

1.2.1 基于PL2000A是专为电力线载波通信系统

PL2000A是专为电力线通信设计的半双工异步调制解调器。它仅由单一的+5V电源供电,以及一个外部的接口电路与电力线耦合。PL2000A除具备基本的通信控制功能外,还内置了四种常用的功能电路:32字节SRAM(电池维护)、电压监测、看门狗定时器及复

位电路,它们通过标准的 接口与外部的微处理器相连。PL2000A由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术,以及大规模数字/模拟混合0.5 工艺制作,所以在抗干扰、抗衰落性能以及性价比等方面有着出众的表现。

采用PL2000A芯片的低压电力线载波通信系统框图如图1所示。该系统配合单片机完成数据在电力线通信线路的扩频发射、扩频接收。通过单片机的串口及电平转换,还可与PC等上位计算机通信。从图1可以看出,该通信系统的硬件主要有:电源、RS-232接口部分、单片机处理部分、载波接口部分(如载波信号接收、载波信号发射和载波信号预处理等)、单片机复位等接口电路。

              图1  基于PL2000A的电力线载波通信系统

在图1中,作为电力线通信系统的核心部分其主要工作原理是:由PL2000A芯片完成载波接收、解扩、当然PL2000A需由其它部件(如MC3361)完成载波信号预处理:载波扩频发射由单片机控制,通过PL2000A完成扩频编码处理,再通过后续推动电路完成扩频载波信号的功率输出。PL2000A载波通信为同步、半双工方式,由帧头进行同步,常态为载波接收模式。单片机接口提供单片机的复位信号、看门狗信号、以及载波收发控制信号。PL2000A具有与51系列单片机兼容的高电平复位信号,由PL2000A的RST输出。PL2000A可为单片机提供看门狗功能,看门狗计数器清零输入端为WDI。当WDI持续436ms以上无高低电平变化,将导致看门狗计数器溢出,使PL2000A的RST脚输出复位高电平。

通信软件设计可分为两个部分:其一是单片机与PL2000A通过 接口的通信;其二是PL2000A芯片的载波接收和发射。

1.2.2  基于PLF-22芯片的电力线载波通信系统

         PLF-22电力线收发器是美国Echelon公司制造的数字电力载波通信接口电路。可为以电力线作为通信介质的电力线载波通信提供简单、高效的接口。它所具有的双频调制和增强的数字信号处理能力明显地提高了通信的可靠性。PLF-22采用了与传统窄频技术不同的双信道和数字信号处理技术。其内部的DSP处理器能够使PLF-22成功地接收那些以前的收发器根本无法检测到、更不用说处理的信号。而双信道的特点使PLF-22能够解决电力线信号在许多领域中的传输障碍,如脉冲噪声(调光器)、连续噪声(开关电源)和由EMI过滤器引起的相位失真(家用电器)。PLF-22电力线收发器则可利用双载波频率自动调整和数字处理信号技术解决这种在恶劣电力线通信环境下的通信质量可靠性问题。应用双载波频率自动调整技术,PLF-22可以在主频被噪音堵塞的情况下,自动切换到副频继续保持通信。

               图2  基于PLF-22的电力线载波通信系统


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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