DC 应用的电力线通信实施

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引言
       
        电力线通信（PLC）是一种通过现有电力线缆发送数据的通信技术。该技术可采用半双工方式在PLC节点之间传输电力与数据。由于能通过相同线路同时传输电力及数据，因此PLC技术无需使用额外线路与设备互联。PLC可为各种广泛应用提供低成本通信媒介，充分满足可能采用其它技术组网成本过高的环境需求。作为通信技术，PLC可分为两大类：
       
        ●宽带PLC适合互联网等高速宽带网络连接。它一般工作在较高频率（1.8至250MHz）
       
        和高数据速率（高达数百Mbps）下，多为较短距离应用使用。
       
        ●窄带PLC适用于需要窄带控制或低带宽数据采集的应用，这些应用注重低成本和高可靠性。它一般工作在较低频率（3到500KHz）和较低数据速率（几百kbps）下，具有较大的覆盖范围（达数公里），该覆盖范围可通过中继器扩大。
       
        根据底层电力线特征，PLC还可进一步细分为AC电力线PLC和DC电力线PLC.
       
        世界各地许多公共事业单位都选择AC线路窄带PLC用于其智能电网项目。他们通过按日、甚至按设备或应用监控用电情况，提供能够激励消费者调整用电的定价结构，从而可减轻峰值负荷，避免兴建新的电厂。
       
        PLC在智能电网应用中的广泛采用已引起对AC电力线PLC的高度重视。不过在家庭网络、照明和太阳能应用以及交通运输车辆（飞机、汽车和列车中的电子控制）中，DC电力线窄带PLC也在兴起。在这些应用中使用PLC，可降低布线复杂性、重量以及通信的最终成本。
       
        在本文中，我们将重点介绍DC电力线PLC的使用，并提供可帮助客户迅速有效采用这一技术的参考设计。
       
        系统集成人员常提出这样的问题：如何比较DC电力线PLC和低功耗无线技术的优劣？虽然DC线路PLC和低功耗无线都不需要新电线布置，但使用PLC时，连接或位于地下，或穿越墙壁，或处于墙角。该通信通道归运营商或公共事业单位所有，因此不存在共享带宽风险。PLC没有视线限制，不受天气影响。
       
        DC PLC解决方案的高灵活性
       
        开发一款有效PLC解决方案有其难度。一般电力线噪声大，需要稳健的系统架构才能确保数据可靠性。每个最终应用及工作环境都不同，因此需要灵活的设计来适应各种不同的条件。系统设计人员需要一款高灵活平台，其不仅可帮助他们根据每种应用的具体要求优化设计，而且还能让设计适应未来出现的新标准和新市场机遇。通过这种方式，可以在多种应用中重复使用知识产权，加速开发及产品上市进程，并不断扩大市场机遇。
       
        实现高灵活性的关键点是软硬件的模块化架构。将复杂的PLC系统拆分为多个独立子系统，开发人员可在无需全部重新设计整个系统的情况下修改设计的某个方面（比如所使用的调制方案或网络协议）。各种可实现应用的部分实例包括：
       
        ●调制方案：软硬件层面的高灵活性有助于开发人员为具体应用实施最高效率的调制方案。例如针对窄带通信提供的几个调制方案，包括展频移键（S-FSK）与正交频分多路复用（OFDM）调制等；
       
        ●通信协议：为实现互操作性，设备可能需要符合具体协议标准。开发人员通过使用高灵活平台，既可轻松实施常用的PLC标准（包括S-FSK （IEC61334）、PRIME和G3），也可实施能满足其应用特定需求的定制协议。

       
       
        图1：PLC通信协议的比较

       
        现有标准对窄带DC PLC应用规定很少，而且在许多应用中网络处于独立状态。在这些情况下，可以使用较为简单的通信协议栈。这类较简单专有协议栈的一个具体实例是德州仪器（TI）的PLC-Lite（图1）。该协议栈特别适合不需要G3及PRIME复杂性、但仍然需要稳健通信通道的低成本环境及应用。
       
        对于楼宇网络（只需几Kbps）中的简易灯泡或墙壁开关而言，PLC-Lite是理想的解决方案。PLC-Lite不仅提供21Kbps的最大数据速率，而且还支持全频带和半频带模式。它可针对某种类型的干扰提供更高的稳健性，其中包括可影响G3链路的窄带干扰。PLC-Lite包含简单的载波感测多路访问与冲突避免（CSMA/CA）介质访问控制（MAC）层，其能够与任何应用协议栈集成。
       
        由于结构简单，数据速率较低，因此PLC-Lite每链路的实施成本明显较低。此外，它还可带来极高的灵活性，允许设计人员在行业标准限制以外定制通道链路。图2是PLC-Lite完整特性集的总括。

       
       
        图2：TI PLC-Lite的特性

        电力线接口挑战
       
        对于DC PLC实施而言，在系统中连接电力线会带来另一重需要解决的挑战。部分特定问题方面包括：
       
        ●多重节点支持的阻抗控制；
       
        ●任何电源开关的PLC滤波；
       
        ●实现可靠AC耦合所需的电力线耦合保护电路。
       
        （1）多节点支持
       
        大多数DC PLC实施需要支持通过单根电力线总线连接的大量节点（几十个到几百个），以带来实用性。要让传输信号在没有明显衰减的情况下达到所有节点，主要要求体现为我们熟悉的等式：
       
        源阻抗 << 负载阻抗（等式 1）
       
        我们会在参考设计中说明如何达到这一点。对于以下分析，假设 PLC-Lite 的调制频率大约为 40KHz。我们随后可计算 PLC 节点的源阻抗（等式 2）。

       

        （等式 2）

       
        其中：
       
        c = C6 = 22 &mu;F（图 3）

       
       
        图 3：输入耦合级电路

         
        假设给定接收器节点的负载阻抗和在发送器节点上看到的一样，大约为 30Ohm。在新增多个节点时，由于负载是阻抗的并联组合，因此可降低该负载阻抗。例如，如果系统中有九个节点，就可计算通过一个发送器节点可以看到的总体负载阻抗，如等式 2 所示。
       
        下面以两种情况为例。一种情况是：一个发送器（主）节点和四个接收器（从）节点。另一种情况是：一个主节点和九个从节点。根据等式 2 的计算，源阻抗要求会随从节点数量的变化而变化。
       
        ● 9 个（接收器）+ 1 个（发送器）= 10 个 PLC 节点，负载阻抗 = 30/10 = 3 Ohms；
       
        ● 4 个（接收器）+ 1 个（发送器）= 5 个 PLC 节点，负载阻抗 = 30/5 = 6 Ohms
         

       
        图 4：一个发送器、没有接收器的测试结果

       
        图 5：1 个发送器和 4 个接收器的测试结果

       
        如图 4、图 5 所示，随着从节点的增多，调制信号的幅度有明显变化。在前面的设置中，DC 线路是以探针方式与示波器连接的（AC 耦合）。按下 PLC 节点上的一个外部开关，即可触发示波器，随后生成一个 PLC 通信猝发。
        （2）任何电源开关的PLC滤波
       
        DC PLC设计过程中的另一个挑战是PLC节点必须使用DC电源才能生成本地电压（15V、3.3V）并调制相同的DC电源。如果不采用适当的滤波技术，在这种情况下DC/DC开关电源就会对PLC调制造成干扰。
         

       
       
        图6：电源滤波电路

       
        如图6所示，低通滤波器可将PLC调制信号从开关稳压器中分开。低通滤波器的Fc可根据PLC调制占用的频带进行计算。由于PLC Lite占用42KHz到90KHz，因此在L=360&mu;H（180&mu;H + 180&mu;H）和C=1&mu;F时，该低通滤波器的Fc就为：
       
        （3）可靠AC耦合的电力线耦合保护电路
       
        APLC模拟前端（AFE）会受DC电源浪涌的影响。因此必须设计AC耦合级，PLC节点才能在恶劣环境中可靠工作。

       
       
        图7：第一级AC耦合

       
        图8：第二级AC耦合

       
        为确保整体系统可靠性，DC线路不直接AC耦合至AFE器件。该线路会经过两级AC耦合流程（图7、图8）。在第一级中，DC线路先AC耦合至一个有TVS保护的中间级，这样可针对43.5A的浪涌峰值电流将电压浪涌限制在9.2V.在该级中共模偏向接地。在第二级AC耦合中，数据在7.5V DC偏置电压下AC耦合至AFE器件。
       
        参考设计
       
        DC（额定24V）电力线通信（PLC）参考设计旨在作为评估板帮助用户为工业应用开发最终产品，充分利用该功能在同一DC电力线上实现电力传输与通信。该参考设计能够以极小（大约1英寸的直径）的工业尺寸为主从节点的硬件及固件设计提供完整的设计指南。设计文件包括原理图、材料清单、布局图、Altium文件、光绘文件、带应用层的完整软件套件以及简单易用的图形用户界面（GUI）。
       
        应用层不仅支持从节点，而且还支持主机处理器（比如PC或Sitara ARM MPU）的通信（图9）。主机处理器只通过USB-UART接口与主节点通信。主节点随后通过PLC与从节点通信。评估板（EVM）也提供简单易用的GUI（图10），其不仅通过主机处理器运行，而且还提供地址管理以及从节点状态监控及用户控制功能。
       
        参考设计针对每个从节点的源阻抗进行了优化，我们可将多个从设备连接至主设备。模拟前端（AFE）已经添加了保护电路，能够可靠AC耦合至24V线路。该参考设计的布局根据AFE031大电流线迹的布局要求进行了优化。

       
       
        图9：参考设计的系统方框图

       
        图10：GUI工具截图

       
        结论
       
        在本文中，我们回顾了窄带DC电力线PLC是各种工业应用联网的有效工具的原因所在。该方案可充分发挥AC电力线应用的PLC在现有智能电网部署中的成功使用优势。支持PLC的各种工作条件都需要高灵活软硬件解决方案。此外，DC电力线的连接也需要精心的设计考量，以确保系统能够稳健地扩展至多个网络节点。
       
        为解决设计挑战，帮助系统设计人员将DC电力线PLC成功运用于自己的应用，TI推出了一款基于TI模拟前端AFE031及C2000微控制器[2]的DC PLC参考设计[1].该参考设计配套提供完整系列的硬件设计文件、MCU固件、基于GUI的应用软件以及极为详尽的实验室测试结果文档。设计人员可轻松评估该平台，有效构建自己的最终应用。
       
        参考资料
       
        1.《DC电力线通信（PLC）参考设计》，德州仪器
       
        2.下载AFE031和TMS320F28035的产品说明书。