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本科毕业论文一种电力线收发器电路设计APowerLineTransceiverCircuitDesign学院专业班级学生姓名学号指导教师年月毕业论文中文摘要一种电力线收发器电路设计摘要本文介绍了ST7540芯片在电力线载波通信领域的优势和技术上的优良特性以及它内部的构造和工作原理,对电力线载波通信系统的硬件电路和软件程序的设计做了详细的解释,并提出具体方案ST7540芯片是适用于低压电力线载波通信的大规模集成电路芯片,它适合中国的电力线通信的现状,电力线网络是一个庞大的,遍及全国的网络这使得电力线载波通信在市场上有了很强的竞争力,正再被广泛引用在工业,数据采集等各个领域关键词低压电力线载波;ST7540芯片;脉冲采集毕业论文外文摘要APowerLineTransceiverCircuitDesignAbstract:ThisarticledescribestheST7540chipadvantageinthefieldofpowerlinecarriercommunicationandtechnicallyexcellentfeaturesaswellasitsinternalconstructandworkprinciplethedesignofpowerlinecarriercommunicationsystemofhardwarecircuitsandsoftwareproceduresofdoingadetailedexplanationandproposespecificprograms.ST7540chipLSIchipforlow-voltagepowerlinecarriercommunicationitissuitabletothestatusquoofChinasPowerLineCommunicationpowerlinenetworkingisahugealloverthecountrynetwork.Thismakesthepowerlinecarriercommunicationhaveastrongcompetitiveedgeinthemarketandiswidelyquotedinvariousfieldsofindustrialdataacquisition.Keywords:Low-voltagepowerlinecarrier;ST7540chip;pulseacquisition目录TOC\o1-2\h\z\u1绪论
11.1电力线载波通信技术的历史和发展趋势12电力线载波通信的特征
32.1高压电力线载波通信的特征
32.2低压电力线载波通信的特点
62.3扩频通信技术及其应用83ST7540扩频通信芯片
93.1引脚特性及应用简介
93.2接受和传送模式
113.3内部模块功能
123.4主机和st7540之间的连接134基于ST7540的载波通信系统硬软件设计
144.1基于ST7540的载波通信系统电路
154.2基于ST540与MCU的SPI通信接口的程序设计
204.3在系统中的应用23结论27致谢28参考文献29附录301绪论随着科学技术的飞速发展,在现在的技术条件下,使用电力线来传输信号变成可能电力线网络是目前覆盖率最为完全的硬件网络,这方面它的优势远远大于电信线的覆盖率,所以能好好的利用电力线网络这一资源对我们有很大的意义,可以节省另外铺设专用通信线路的花费ST7540是支持多种FSK调制解调技术通信协议的一种新型的电力线载波通信芯片,它适用于中国恶劣的电力线网络环境,在我国的电力线信号传输领域有着很大的优势
1.1电力线载波通信技术的历史和发展趋势在二十世纪的20年代初期,这种已电力线路作为通信媒介的传输手段被提出,进入了发展阶段这项技术的投入使用,基于电力网线路的一些特点和优势,大大的节省了信道的投资,有较高的可靠性,取得了不错的效果在我国,20世界中期,开始有日本生产的电力线载波机在东北等地区投入使用了到目前为止,已经应用到相当于葛-沪±500KV的很大规模的直流输电系统中一般情况下,使用1053KM的载波信道来作为两换流站之间的传输媒介,达到了相当的规模和水平现阶段,卫星通信、无限通信是我们国家实现信号传输的主流通信手段而已这些通信形式为基础的电力线载波通信网络已基本达到对全国各个角落的覆盖现如今各种通信手段层出不穷,但电力线载波通信仍然是一些地区网,省网等等信号传输方面常常用到的手段,是电力线上实现信号传输的基本途径近年来,我过的电力线载波技术的发展,循序渐进,三分理论七分实践,取得了很不错的成果我国是人口大国,在我国电力线网络是覆盖范围最广的网络在实际应用中,不论是500KV的高压线路,还是在35KV—10KV区间上的相对较低的线路上,都开通了电力线载波机电力线载波技术的发展是耳闻目睹的,在我国110KV电力线载波信号线路的公里数已从八五年初期的26万公里发展到现阶段的65万公里现如今的载波通信技术的应用被拓展到了计算机信息、传真等方面,不再像之前一直局限于电话业务像利用载波机技术,通过电力线传输信号实现站与站之间的自动控制是比较典型的应用自本世纪中叶,载波机的技术在随着科学技术水平的提高被不断的改进载波机也从五十年代的双边带电子管到全集成化单边带再到更先进的数字载波机为了更好的解决一些重大的问题,我国也借鉴国外的载波技术,这也给国产的载波机的改进和发展提供了方案除此之外,在组网、软件的设计上也在不断的进步和发展随着我国电力网的拓展,电力系统的规模也越来越大,一些大的机组、电站的出现使得电力线载波通信的问题也逐渐的被凸显出来撇开工业用电系统不说,现如今的家庭用电系统中,一些大功率的用电器的接入,都会在载波通道上产生很大的噪声,再加上一些恶劣的环境对起造成的影响,对信号的稳定传输都造成了很大的干扰鉴于电力线载波的自身缺点,再加上我国现阶段这方面的技术还处于发展阶段,设备的水平不高,管理维护的较差,使得电力线载波通信与一些专用的通信技术还存在很大的一段差距随着信息时代的到来,通信技术的更新换代的脚步越来越快,一些先进的技术和设备被推广,而电力线载波是基于电力系统网络,覆盖了每家每户几乎世界的每个角落,因此这项技术还是得到了很多研发人员的亲睐,相信在不断的发展和改进后,问题会得到解决,实现信号在电力线上的稳定的传输显而易见,电力线载波通信技术已经在电力网系统中得到了广泛的应用在实际的使用中,它的缺点和不足之处也逐渐被体现出来再加上一些新型的通信手段的出现,使得电力线载波通信技术的缺点更为突出就目前为止,与其他一些通信手段相比电力线在信号传输的稳定性上得到的评价不是很高而造成这种情况的原因是有很多方面的,如技术仍不够成熟,设备制造不够精细,工程设计施工出现问题等等等的一系列问题既有客观上的,也有认识上的我国电力线载波的频率区间一般为40~500KHZ所以在实际情况中系统中在整个频率范围内需要安排的载波机的数量要远远大于理论上的57台载波机的极限值实际情况下,电力线上的阻抗分布不均,负载的噪声干扰,衰减不均等等一些因素,使得在整个频率段内也不能做到完全利用而我们有时对频率没有好好的规划使得在这个频率区间的安排和使用过程中有很多做的不好的地方,造成了频谱的紧张或者浪费带来了很多不利的影响一直以来没有统筹意识的频率考虑频率,失去了全局观念对于现在比较普遍的高频保护入展一相的现状,如果能改用复用技术,理论上就可以利用高频保护所占用的频带而且对于现在普遍的点对点的通信网络结构,通道利用率低,通道被占用,如能够对交换网进行调度控制,也能达到节省通道的目的不得不承认,目前国内的载波机的技术,设备的工艺,软件的支持身上和国外的先进技术和设备还存在着非常大的差距,不论是在频率利用率上、滤波器性能上、乃至载波器频率特性等等的多个方面都难以达到国外先进载波机的现有水平在平均无故障时间上,进口载波机也是遥遥领先于国产的载波机,一般国外的载波机可达到几十年无故障,就这点上,国产机是无法与其相提并论的在配套工程方面,存在着电源容量小、可靠性不高、受雷电干扰较大等设备不完善线路保护设施落后等问题管理运行方面是整个系统的核心问题,旧的通道存在的很多专业的问题,这些问题无疑在很大程度上影响了载波信号传输的稳定可靠现阶段,我们应该看清国内产品的不足之处和改进的空间,借鉴进口产品的优点,完善国内的电力线载波技术,满足现代电力线信号传输系统的需求,更好的适应全球性通信的发展趋势为了在我国实现高速率、大容量、宽带宽的电力线载波通信系统,应该发展和推广更加先进的通信手段有电力网的庞大的覆盖,电力线载波有着可观的市场前景,仍然有着生存空间其作为电力部门的通信资源,不论未来发展趋势如何,它在通信领域的以其自身的优势有着很强的竞争力它在电力生产中发挥着不可替代的作用,特别是对台风,洪涝灾害有着抵御能力其内部电路的传输线有着较高的机械强度,不易受到外界的破坏和影响鉴于电力线载波通信的特点,它适用于县调、地调这样的信息需求比较小的特殊环境下,而对于一些信息需求比较高的环境,它也可作为备用通信手段,以预防一些突发状况对于一些距离比较远的通信,电力线载波虽然存在信号衰减的缺点,但它在传输介质的花费上要远远低于其他通信方式与其他的通信技术一样,电力线载波通信也在不断的发展也完善针对它设计和管理上的不足之处,研发人员一直坚持不懈地开发新技术去改善和提高相信随着科技的发展,设备的更新换代,有朝一日电力线载波技术也能实现稳定可靠的信息传输
[1]2电力线载波通信的特征电力线载波通信技术,即是利用电力网络实现信号的传输在我国,电力网是最大的硬件网络,有很大的覆盖范围,因此,如果能合理的开发这项技术,将会给我们带来巨大的经济效益电力网现在一般都实行地下电缆,受自然因素的影响比较小,在一些恶劣的环境下仍然能保持稳定的信号传输,这也是电力线载波通信技术在这一领域的一项优势对这项技术的开发和研究有着长远的战略意义但电力线本身是用来传输电能的,而不是专门用来传输信号的传输介质,一些大功率的用电器也会产生不可避免的噪声,对信号产生干扰,因此要实现广泛的使用和推广,还需要很好的技术支持
2.1高压电力线载波通信的特征
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1.1传输频带受到限制,传输的数据量较小在现如今通信技术日益发达的时代,由于在高压电力线载波通信时,载波通信频带通常被控制在40~500KHZ之间,如果按单位位置上占用4KHZ的带宽来计算的话理论上是可以多条高频载波通道共一根电力线路,但是因为电力线上的一些外在因素会引起衰减,现实中不可能按照理想中的情况去安排频谱的排列,所以真正实现的组成通信网的载波通道是很有限的在通信业务蒸蒸日上的今天,这种技术的信道容量已经到达了使用的极限了尽管我们尝试过分小区法,组分段法,随即插空法,以及地图色法等等一下手段来试图解决容量问题甚至为了尽量能使载波频率得到重复使用,但仍然没能解决信道分配的问题,未能满足实际需要随着技术的发展和改善,数字电力线载波器不断更新换代,光纤通信技术的不断改进,频谱受限的问题也逐渐得到缓解而且在现实用户配电网中因载波通道容量受限而存在的问题并不是不大
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1.2线路噪声大实际情况的电力线线不是一条阻抗均匀分布的传输线,再加上上面的接入的负载,使得它与专用的信号传输线相比,传输时受到的噪声干扰会比较大比如说,在高压电力线上会产生放电电晕绝缘子,这些绝缘子会对载波信号造成污染,还有开关操作等都会产生较大的噪声,比较突出的是突发噪声,它具有比较高的电压,见图2-1图2-1水平排列电力线通道杂音波形a.中相耦合b.边相耦合c.分裂相耦合d.工频电压波形电力线上产生的造成按他们的特性分类有4种a电晕噪声噪声是具有平滑功率谱的一种背景噪声,它的功率谱函数局限即频率的减函数b脉冲噪声是由于开关操而引起的与电站操作相关联的一种噪声c同步噪声主要是因一些整流设备而引起的噪声,这种窄带干扰主要是由于其他一些电力设备的辐射干扰所引起的,根电网频率无关d非同步噪声电晕噪声一般出现在沿海工业区,噪声电平约为220KV~—25dB或110KV~—35Db然而在海拔比较高的地区,出现在绝缘设备以及升压线路上的噪声的电平还相对于沿海地区还将高出15dB左右因此为了克服如此恶劣的噪声环境,电力线载波器一般都会采用比较大的输出功率电平(3740dB)由以上内容可以总结出电晕噪声,脉冲噪声,同步噪声以及非同步噪声都会对低压电力线载波通信的信噪比造成不利的影响,带来恶劣的噪声环境
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1.3线性阻抗变化大一般高压电力线的先线阻抗是300~400,整个线路上也是显波动态对通道加工的不合理,存在容性的负载等问题会加剧载波通道的阻抗变化,实际检测表明当波幅达到50%时,对线上的载波通道的影响会比较严重,再由于对信道加工上的不当,不合理,以及容性负载和接法不当等等一些问题都会加剧信道的阻抗的变化有些情况,阻抗有可能变化更大,比如中断通信低压用户的配电网中载波通道的阻抗的变化如图2-2,当负载很重时会使得线路的阻抗1这就有可能导致载波器不能输出固定的阻抗
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1.4线路衰减大而且具有时变性高压电力线载波通道有变性工频运行方式的变化,而且会随着频率的平方根递增或者递减,(如图2-3)电力线载波收发器需要设置30dB的增益调整模块,以抵抗一些因载波发射通道的分支线路的长短不一以及一些恶劣的自然环境所带来的衰减作用一般情况下载500KV至220V的电压区间下,会线路的衰减现象会产生巨大的变动,使得建立载波通道变的更加困难为了解决这些问题,在设计电路时,一般会采用一些特殊的通信协议,或者设置多条通道让载波机自行选择网络应用图2-2220kv高压线路衰减特性网络概念是现代通信在电力线载波通信技术方面研发的主要侧重点,摆脱了原先通道概念的局限性之前的电力线载波机一般只能通过自动判与音转接口完成小范围的联网现如今的小范围的联网不再能满足信号传输的需要了,所以现在我们应当考虑如何把载波器和变电站调度机进行组网并通过适当的设置再与数据采集器组成的新的载波通信电路而首先要解决的基础的技术问题就是如何实现电力线载波在一些中低压线路上的应用图2-3低压用户配电网阻抗特性
2.2低压电力线载波通信的特点
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2.1低压电力线的传输特性低压电力线载波信号的衰减特性低压电力网载波通信的原理框图如图2-4(a)所示载波通信机的原理框图如图2-4(b)所示,载波通信机可接零线图2-4(a)低压电力线网络载波通信原理框图(b)载波通信机原理框图上当通信载波机接在同一根相线上或者接在零线上时,这种情况呗称为同相传输而跨相传输是指载波机连接在两条相线之间或者接在一根相线和一根零线之间如果要实现两个不同变压器之间的载波传输需要在两条电力网的零线之间接一个高压耦合电容,来支持信号的耦合通信由于负载对电力线阻抗的影响,低压电力线载波通信所产生的信号衰减通常会比较大,有时甚至会超过20dB,在实际的实验测试中,电力线上的载波信号的衰减不仅仅只是随着信号频率呈线性变化,往往还会受到各种外界因素的干扰,这使得低压电力线上载波信号传输的衰减程度变的十分复杂,很难作出准确的测量在这样恶劣的条件下,对载波通信系统的设计和信号的稳定传输都会非常困难
2.
2.2输入阻抗及其变化输入阻抗是重要的表示电力线传输的参数之一研究输入阻抗对载波传输的影响,有助于改善发送机的传输效率,提高输入功率实践表明在低压电力线传输时,传输信号的频率与电力线的输入阻抗密切的关联理想情况下,我们可以把电力线想象成一根阻值分布均匀的传输线然而实际情况中,电力线上分布的电感和电容影响了电力线阻抗的分布,并且输入阻抗还随频率的变化而变化(成反比)电力线主要是电能的传输线,线路上明显的要随机的接一些用电器(负载),使得输入阻抗变小但是,负载可能是显容性,感性或者电阻特性所以根据接入的负载的类型不同,使得不同频率阻抗产生的变化也不相同,这使得阻抗的变化变得不可预测,很有可能会因为接入负载的性质变化致使输入阻抗随频率从100欧变到小于
0.1欧,变化有可能高达上千倍而且在实验用测试的频率范围,输入阻抗的频率变化与阻抗的变化也并不满足线性关系,有时甚至会恰恰相反为了更好的在理论上解决负载对输入阻抗影响的问题,我们在实际研究这个问题的时候,会把传输线看成已经接了很多复杂的负载的线路这些负载的负载会跟电力线组合出多个共振电路,并且在共振频率范围内外会产生低阻抗区因此,会有许多低阻抗谷出现在阻抗—频率图的曲线上把这些阻抗谷区结合起来,局部上会违背电力线上阻抗—负载的一般规律再者,开关操作也会也会使输入阻抗发生大幅的变化,在电力线上接入或者断开负载都是随机的,这使得在不同时间里电力线的输入阻抗发生巨大的变动同理,由于接入负载的位置也是随机的,在电力线上随机的位置接入负载,也会引起阻抗的不同变化,在一个电路里电阻,电感以及电容等器件接在不同位置,接入的方式(串或并)整个回路的阻抗特性也会有可能不一样所以低压电力线上输入阻抗的变化是难以预测的,这使得发送机功率放大器和接收机的输入输出阻抗很难跟电力线的输入阻抗保持同步因此给电路的设计带来的很大的阻碍
2.
2.3高频信号的衰减及其变化在低压电力线上实现高频信号的载波通信是实际使用中遇到的一个很大的难题现实使用时,电力线并不是单纯的传输信号,同时也要传输电能给用户,根据用户接入和断开负载的时间和位置等因素,这就等于不可避免地在线路上会随机接入或者断开负载这样对线路的阻抗的性质和大小都可能会产生很大的影响这使得高频信号在低压电力箱上传输时不可避免的会产生衰减,而这种衰减的强度决定于信号传输距离和载波频率在理想情况下,信号在电力线上传输的距离越长势必造成比短距离传输更大的信号衰减,但上面说过,因为负载这一因素的随机性,并且信号还会受到一些外界因素的干扰,往往也会出现同样的高频信号作短距离传输时所造成的衰减比长距离传输所造成的衰减来的要大这使得衰减程度随传输距离的长短的变化变得非常复杂平时家庭用电一般是三相交流电,三相的电源上所接入的负载的大小不同,阻抗性质不同,会使得同样强度的高频信号在三相上所产生的衰减程度也不相同所以在不同相上所接受到的信号的误码率也会不同信号频率决定着信号的误码率
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2.4低压电力线载波上的干扰电力线上存在的干扰的特殊性质是在低压电力线上实现数据通信时需要注意的一项非常重要的问题电力线载波通信中传输时所产生的干扰有人为干扰和非人为干扰两种,人为干扰是指在电力线上接入的负载即用电器会产生的噪声会严重影响接受到的数据的准确度另一种干扰是指由于自然环境的影响,比如打雷天气,也会对信号的传输造成影响,所以电力线上的干扰不单单只人为是高斯白噪声了通常我们将这种干扰分为:周期性的持续干扰,周期性的脉冲干扰,随机的突发性干扰以及时不变的连续干扰,通过分类可以对干扰的复杂性进行简化分析这其中周期性的持续干扰和周期性的脉冲干扰经常出现,占主要地位
2.3扩频通信技术及其应用
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3.1扩频通信的原理扩展频谱通信是将待传输的信号和数据在发送端进行调制转化为模拟信号,进行频谱扩展之后再进行传输,解调工作则是安排在接收端,使用与接收端同样的编码完成解调和一系列的操作,将接收到的模拟信号恢复成原始数据当存在高斯白噪声干扰时,最大信道容量为C=Wlog21+S/P,当信号容量C(bit/s)等于常数时,可以增加信道的带宽来降低载波心痛对信噪比S/P,其中S为信号的平均功率,P为噪声功率也可以通过增加信号功率的方法降低系统对信号带宽的要求即此时带宽W和信噪比之间是可以互补的所以,当传输信息速率C保持不变时,而此时的信噪比很低,就可以通过增加带狂的方法来满足信号的传输这是在一些恶劣的自然环境下,为了保证信号仍然可以稳定的传输所采用的扩频技术进行信号传输的原因
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3.2直序扩频技术在直序扩频技术中,伪随机代码是直接被载入到载波机调制器上的数据中去的调制器具有相对较大的比特率,其速率的大小由伪随机码的码片的速率决定用这种码序列调制射频载波,会产生一个中心在载波频率和频谱sinx/x2的秩序扩展频率之间的频谱频谱的主瓣带宽是调制码的时钟速率的2倍,旁瓣带宽即调制码的时钟速率图2-5所示的是直序扩频信号的典型范例实际情况下采用的载波和数字调制决定着直序扩频频谱形状的变化下图所示的是一个二相移键控制信号,在直序扩频系统中常常使用这种调用类型原理图如图2-5所示
[3]图2-5直序扩频系统原理图
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3.3跳频扩频技术所谓调频扩频技术即是在按照随机码在一个很宽的频带上对载波进行定义,使其能够进行频率的跳变跳频扩频技术和前面介绍的直序扩频技术相比,存在很大的区别在跳频过程中,原始信息的传输速率决定了频率的跳变速率,除此以外,波形也有很大的区别,跳频在整个频带上是平坦的波形,而不是(sinx/x)/2的正弦波形跳频信号带宽与频率间隙之间满足下面的关系Q=W*N,其中Q表示跳频信号带宽,W表示传输频率的间隙,N表示跳变信道的带宽3ST7540扩频通信芯片
3.1引脚特性及应用简介图3-1ST7540的引脚图序号名称类型描述1CD_PD数字输出载波信号侦头检测输出、1没有载波信号或者侦头检测输出0有载波信号或者侦头检测输出2REG_DATA内部断开下的数字输入1为控制寄存器0为主控制器3GND供给数字接地4RxD数字输出RX数据输出5RxTx内部打开时的数字输出1为RXsession0DXsession6TX内部断开下的数字输入TX数据输出7BU/THERM数字输出1为信号编程0在TX模式下没有信号编程8CLR/T数字输出同步主存取时钟或者控制寄存器时钟9VDD电源供给数字供给电压或者33V电压控制输出10MCLK数字输出主时钟输出11RSTO数字输出电压打开或者检测器复位输出12UART/SPI内部断开下的数字输入接口类型串行外围接口0通用异步接收器/发送器接口13WD内部断开下的数字输入检测器输入内部检测计数器在下界电压线是清零14PA-IN模拟输入电力线放大器反相输出15PA-OUT电压输出电力线放大器输出16VSS供给电压模拟接地17VCC供给电压源18PA_IN模拟输入电力线放大器无反相输出19TX_OUT模拟输出小信号模拟传送输出20SVSS模拟输出模拟信号接地21X1模拟输出晶体震荡器输出22X2模拟输入晶体震荡器输入或者内部时钟输入23VSENSE24模拟输入电流限制反馈在CL和SV之间的电阻来设置当前的电流值在这个引脚上为综合80pf滤波输入电容25RX_IN模拟输入模拟输入接收端26VDC电压5V电压调节器27TEST1内部中断测试投入时必须接地28TEST2模拟输入测试投入时必须接SV端
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1.2ST7540应用情况简述ST7540是电力线载波通信网络的实际应用,它具有半双工同步/异步FSK调制解调的功能芯片内部的数字电路的电源为5V和
3.3V两种,由单一电压源提供工作电压,继承了电路驱动和稳压器,具有低功耗的特点这种新型的电力线载波传输芯片ST7540由意法半导体研发生产,支持多种调制解调技术和通信协议,其中包括EHS和KONNEXEN50090,它搭载于广泛的电力网,为人们的信号传输带来很大的方便如今在家庭和工业等领域得到了广泛的运用,芯片内部集成了电流电压控制电路,看门口计时器,FSK调制解调,滤波电路等等保证了信号稳定准确的传输
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3.2接受和传送模式
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2.1接收模式当ST7540芯片处在接收状态的时候,控制端口RXTX=”1”并且REG_DATA=”0”信号经过滤波后从RX_IN端口被读入可以保证输入信号在信噪比较低的情况下,仍然有很宽的动态范围这个模块中需要设置一个中心频率按照选中的信道频率设定的窄带滤波器对输入信号进行滤波FSK解调过程中,在对信号进行解调之前需要把输入的信号个芯片内置的正弦波发生器产生的正弦波形的频率进行混合,变换信号的频率,然后再一次把信号送入滤波器进行滤波,,最后进行解调整个过程共进行了三次滤波,为的是更好的减小噪声的干扰这款芯片还有一点优势在于,当芯片开始接受数据时,此时RXTX=1芯片内信号发送模块的电路全部关闭,这有利于避免电能的浪费图3-2接收路径图
3.
2.2传送模式当ST7540芯片处于发送状态时,RXTX=“0”,REGDATA=“0”与接收模式一样,此时RXTX=“0”,芯片内的接受模块的电路包括其外界电路都处于关闭状态,而芯片内部FSK调制部分电路进入工作状态芯片内由开关控制可选择有两种信号的发送有两种传输模式图3-2发送路径图同步传输,在CLR/T的时钟信号处于上升沿时,TXD端口读入数据送至FSK调制器,与此同时芯片内部根据波特率发送时序控制异步传输TXD引脚直接将数据发送到FSK调制器并且在传输时频率精度与外部的晶体频率是保持相同的,由主机来管理发送时序,此时CLK/T端的时序信号被忽略
3.3内部模块功能图3-3内部功能模块图ST7540芯片的内部结构如图3-3所示,芯片内部集成了电压电流控制模块,串行接口模块,滤波,调制解调模块,振荡器模块以及自动电平控制模块它采用单电源(
7.5~
12.5)供电,电流可以达到50mA内部还集成了驱动器和电源控制器通过RXD引脚对芯片能的发送电路和接收电路进行相关的控制,具有低功耗的优点同以往旧版的载波芯片不同之处在于,ST7540内部有两个线性电源可供选择(5V或
3.3V)可以对信号的传输进行实时控制引脚个数也减少为28个,给使用带来了方便内部集成滤波电路,对信号进行多次滤波,最大限度的排除了噪声的干扰输入驱动能力也被大大的提升为了排除外界对信号输出的干扰,ST7540设置了对信号幅度的冻结功能,来避免外界对信号幅度造成影响与ST7538芯片相比,ST757540输出信号从原本的查分信号转变为单端信号,其自动增益相同使它的接受灵敏度可以达到
0.5VRMS;ST7540在发送状态时,对温度太高有监控功能增加的一个UART端口,集成了一个48bits的可编程控制寄存器ST7540多了报头检测和帧长度识别的功能,不需要在外围另外实现相对于ST7548芯片,ST7540也减少了一部分功能,如内部集成运放、零检测等等等因此ST7540的引脚和内部结构相比之前的载波通信芯片都大大的做到的了简化,被称为件装备的载波芯片
[5]必须先对ST7540芯片中的控制寄存器和芯片内的载波频率,波特率等等的一些性质进行设置,才可以使用ST7540执行发送和接收操作一般通过对控制寄存器进行写操作来配置控制寄存器,对控制寄存器设置完毕好后,就可以通过读控制寄存器的操作来检验配置正确与否当引脚RXTX等于“0”并且REG_DATA等于“0”时,载波芯片处在发送模式发送模式下,芯片将从主机接受来的数字信号从TXD输入,再经过FSK调制,转化为模拟信号,再通过带通滤波器,最后在电平控制电路对发送电路电压和电流的控制下经PA_OUT进行功率放大后发送到电力线上传输当引脚RXTX等于“1”、REG_DATA等于“0”时,芯片处于接受状态,RX_IN端口将从电力线上接收到的模拟信号进行滤波操作,再经过FSK解调操作,将信号转化为数字信号,再从RXD端口把信号发送到主机
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3.4主机和st7540之间的连接主机通过一系列的接口与ST7540连接,对芯片进行控制和数据交换,数据的发送通过REG_DATA和RXTX两个端口控制,数据交换通过RXD,TXD和始终端口(CLR/T)进行控制
3.
4.1异步方式在异步工作方式下数据在没有任何数据时钟参考下交换,该主机控制器已收参考时钟在接收模式以下为4种工作模式1数据接收2数据传送3控制寄存器读书4控制寄存器写入数据和控制寄存器访问配置REG_DATARxTx数据传送00数据接收01控制寄存器读数11控制寄存器写入
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4.2st7540和主机通信接口的两种类型软件过程改进通用异步接收/发送装置可以通过UART/SPI拐角作出选择,如果UART/SP设为0,则SPI接口被选择工作,如果为1则UART接口被选中,接口的类型可通过设置RxD线的状态来影响传输,当st7540处于接收状态时并且在主机上没有数据时UART接口允许被连接到一个UART兼容设备而SPI接口也允许被连接到一个SPI兼容设备,主机|和芯片主要接口的组合同步和异步st7540/主控制器接口如图所示图3-4同步和异步st7540/host控制器接口在同步模式下st7540始终是通信的主题,并在CLR/T线上提供时钟参考当时钟信号处在上升沿时,,RXD口上的数据有效当st7540是在传输模式时钟的参考是内部产生的和TxD路线是在CLR/T线上升沿被采样4基于ST7540的载波通信系统硬软件设计由电力线接口电路、ST7540以及单片机可以组成一个完善电力线载波通信模块ST7540相当于电力线接口和微处理器之间的桥梁,对信号进行处理,并根据主机的需要对信号的传输进行控制处于发送状态时,它可以把从主机接收到的数据进行调制、滤波发送到电力线进行传输处于接收状态时,它也同样可以把从电力线上接收到的信号进行滤波、解调再传送给主机完整的外部模块包括发送电路,接收电路、保护电路和功率放大电路等但应为ST7540芯片内部集成了功率放大模块所以设计电力线载波电路时,不需要在外部另加功率放大电路,只需要设计发送电路、接受电路和保护电路就可以了利用单片机和ST7540芯片组成的基本电力线载波通信模块如图3-5通过UATR接口,ST7540从电力线上接收模拟信号,再通过芯片内FSK调制解调模块把接收到的模拟信号解调成数字信号再发送给单片机同时也可以把从单片机上接收到的数字信号进行调制,转化成模拟信号发送给电力线进行传输图3-5电力线波通信模块设计如果需要讲信息返回到上层控制此,单片机需要通过UATA端口给ST7540发送信息,ST7540对这些信号进行调制解调,滤波再通过耦合电路把数据或信息发送给电力线网络进行传输
4.1基于ST7540的载波通信系统电路电力线载波通信的节点电路包括载波、微处理机、载波信号过滤、电力线信号耦合以及电路保护这几个部分
4.
1.1输入滤波电路图4-1所示为输入滤波电路,它是由一个并联谐振电路构成的滤波电路通过对电路中电感,电容的值的设置,可以滤除指定频率外的干扰信号此滤波电路的传输函数如下表达式中的RL表示电感串联在电路中时所产生的阻值该电路的品质因素以中心频率的函数表达式如下由于在串联电路中,电感的直流阻抗要远远小于电阻的阻抗,于是,对中心频率的表达式进行化简,可得图4-1输入滤波电路由表达式
(2)可得知,滤波电路的品质因数Q取决于R1和L1的阻抗值,L的阻值越大共振频率输出的波形就越平缓,选频特性随着R1的值变大而越来越好实际上可以通过简化传递函数的中心频率的表达式来分析RL与接收信号损耗之间的关系由上面的表达式可以知道,若要保持比较低的信号耗损,可以通过无限增大Q的值但与此同时,对元件灵敏度的要求也会变得更大
4.
1.2发送有源滤波电路如图4-2所示,PA是ST7540芯片内部集成的功率放大运算器基于它可以在发送端设置一个三阶的有源滤波电路,组成的低通滤波电路和一个二阶的Sallen-KEYC3在这个电路中用于滤掉低频信号,通过对R
2、R3值的设置,可以把信号的直流部分放大这样做就可以避免信号的失真,二阶函数为其中这个单元的截止频率的表达式图4-2发送有源滤波电路
4.
1.3发送无源滤波电路整个系统中还需要有源滤波电路和一些无源器件来组成一个无源滤波电路将传输系统和电力线之间进行耦合图4-3所示的是一种串联谐振电路,由电容C
10、电感L
2、线性变压器以及解耦电容C
9.这种无源滤波电路的中心频率的表达式如下如图所示的是一个串联谐振电路图4-3串联谐振电路应当提出的是在设计该电路时应注意如下几个方面
(1)首先要选择合适的电感L2,从而确保饱和电流(大于1A)并且其等效阻抗要小于
0.2欧,这样设置是为了最大限度的减少信号的失真和电能的损耗
(2)为了可以忽略耦合模块的滤波电路中变压器所产生的变压器的寄生参数电容C9(解耦电容)至少要大于C9一百倍
(3)为了确保载波信号的传输质量,变压器前级上的整流电感必须设置为大于1mH其等效的串联阻值必须低于
0.5欧姆
(4)作为耦合电路的性能的一个核心参数,当变压器漏感值在10—50uH区间时,可以省略电路中的两个电感为了出现滤波器频率的偏移影响电路的耦合功能,要保证变压器漏感低于1uH
4.
1.4电流和电压控制电路自动电平控制自动电平控制电路是一个在同一时间里被两个反馈电压控制的可实现放大器自动电平控制电路的范围在0dB到30dB并且频率被锁定在5KHZ,增加或减少的单位都是1dB有两种电平控制电路
(1)电压控制电压控制回路是为了保持峰缝的电压值保持在Vsense上电压的调整与在Vsense上的电压波动和内部电压参考有关它能使电路有抗噪声功能如果VsenseVsenseTHVsenseHYST则得到的值升一个单位如果VsenseTH-VsenseHYSTVsenseVsenseTH+VsenseHYST则不发生变化如果VsenseVsenseTH+VsenseHYST则得到电压值的降低一个单位
(2)电流控制电流控制回路能够限制输入PAOUT的最大值电流控制回路通过电压控制回路减少输出的峰峰值已减少电力线接口的电流值电流感应是通过参照在功率放大器的电流值输出的电流限制值是通过一个连在VCL和VSS之间的一个电阻实现的图4-4电流控制和电压控制电路基于ST7540的集成电力线接口电路图4-5基于ST7540的集成电力线接口功率放大电路是由一个AB类CMOS功率放大器组成的电路它需要一个被操作的易过滤的电源为其提供合适的工作电压如图4-5所示,通过PA_IN-,PA_IN+,PA_OUT这三个引脚可以实现功率放大器的输入和输出操作时,可以很简单的选择一个适合的方式来过滤TX_OUT上的信号一般情况下TX_OUT引脚上的输出值要小雨PA_OUT上的输出值
4.
1.5基于st7540的总电路图基于ST7540的载波传输系统如图4-6,可以看出电力线载波通信的终端设备有微处理器,st7540芯片和AC/DC转换器,电压调节校准及电流保护电路及输出输入滤波电路和电力线信号耦合电路组成当芯片处于接受状态时,信号经耦合电路和输入滤波电路从RX-IN引脚输入当芯片处于接受状态时,信号从PA-OUT输出,经过输出滤波电路和电力线耦合电路输送到电力线上图4-6基于ST7540的电力线载波通信收发器总电路图
4.2基于ST540与MCU的SPI通信接口的程序设计主机通过对RXTX端口,REG_DATA端口的设值,来选择数据的传输模式当RXTX=0时,芯片从RXD端口接收数据当RXTX=1时,芯片从TXD端口向主线发送数据主机和ST7540之间的通信方式有两种同步模式和异步模式在两种模式下主机和芯片的通信方式是不一样的
4.
2.1异步模式在异步模式下,数据交换不以时钟作为参考,主控制器必须在在对时钟信号进行复原之后再接收数据,并且在传输数据的同时控制比特时间当RXTX被设置为1,REG_DATA被设置成0时,芯片处于接收状态芯片进入空闲状态,关闭发送模块的电路后经过一个周期的时间后,开始从RXD端口接受数据而当RXTX被设置为0REG_DATA被设置为1时,芯片处于发送状态,此时芯片进入空闲状态,关闭传送回路后经过一个周期的时间,芯片开始传输在TXD上的数据
4.
2.1同步模式在同步模式下,CLR/T上的时钟信号被作为参考,并且主机一直是通信主体当ST7540在接收模式时一个内部的PLL恢复时钟参考时钟信号处在上升沿时,数据在RXD口处于静止状态传输模式下,芯片内部会产生时钟,并时钟在上升沿时,对TXD口的数据进行接收当RxTx=“1”及REGDATA=“0”时ST7540处于数据接收状态并且CLR/T被置于低电平状态芯片进入空闲状态,在T时间后,开始从RxD线上提供接收到的数据如果RxTx=0及REGDATA=1时,为数据传输状态,芯片进入空闲状态并且关闭传送回路在经过时间后机器开始传输在TxD线上的数据两种模式如下图所示图4-7ST7540与主机接口的两种模式ST7540与主机的程序流程图图4-8ST7540与单片机接口主程序流程图主程序如下MTDEQU3OHMRDEQU40HSLAEQU50HNUMBYTEQU51HORG000HAJMPMAINMAIN MOVP1#00SETBP
1.5;置写LCALLSTARTWR2MOVA#0BOHLCALLWRBYT;写地址ACALLDELAY;调用延时子程序LCALLCACK;检验应答位JBF0WR2LCALLEXP12;向ST7540写数据ACALLDELAY;调用延时子程序LCALLEXP22;读数据ACALLDELAY;调用延时子程序LCALLSTOP;结束JMPEND
4.3在系统中的应用如下图所示的城市路灯远程监控系统由一个主控中心对整个系统进行控制,信号在电力线上传输时会经过两个下级终端一级终端负责监控,二级终端负责控制图4-9所示的整个系统的框图一级控制终端和主站之间是通过GPRS无线技术传输信号整个系统跟GPRS网络的连接是通过移动公司的数字数据专用网(DigitalDataNetwork),分配固定IP地址给主控中心的主机,一级控制终端采用GPRS网络和主机相连,进行通偿uo它具有按流量费、传输稳定以及一直在线的优点一级监控终端和二级控制终端之间通过电力线进行信号的相互传输电力线作为传输媒介的优势在于,覆盖率高,采用电力线网络,省去了铺设专用通信线路的花费整个系统中的一级终端对载波信号的控制,需要软件的支持因此,为了使系统能按需要完成信号的相关处理,对终端的设计是需要解决和研究的核心问题图4-9城市路灯远程监控系统结构框图
4.
3.1从站程序设计从站的主程序也较为简单主要是中断服务子程序复杂.从站单片机的主程序框图如下图4-10从站单片机的主程序框图ORG000HAJMPMAINMAIN:MOVSCON#80H;SMOD=1MOVTMOD#20H;初始化T1为定时器方式,模式2SETEA;开发中断SETBES;开发串行中断JNZRI,SERVE;接收标志位不为0转向中断服务子程序从机上的串行数据通信采用的是中断启动形式在接受或者发送数据块前,系统需要先启动串行通信系统初始化程序被设置在主程序中中断子程序选用的寄存器为寄存器1,其中PSW.1是发送操作的就绪标志,PSW.5是接收操作就绪标志程序规定发送数据和接收数据都存放在片内RAM中,发送数据以RAM的50H为首地址,而接收数据在RAM中以60H为首地址第一个数据都是都是发送或者接收的数据块长度主站呼叫某从站程序程序流程图如下4-11呼叫从站流程图发送主程序MOVTMOD,#2XH;C/T1设置为取消门控、定时工作方式、模式2CLRSMOD;清C/T1加倍位MOVTH1,#0FDH;设置C/T1时间常数MOVTL1,#0FDHSETBTR1;启动C/T1CLRET1;禁止C/T1中断CLRES;禁止UART中断MOVSCON,#1100000B;UART设置为模式3MOVR0,#20H;数据区起址MOVR7,#32;数据长度LOOP MOVA,@R0;取数据ACALLS-OUT;调用字节发送程序INCR0DJNZR7,LOOP发送数据字节子程序S-OUT MOVC,P;取奇偶标志MOVTB8,C;奇偶标志移送TB8中等待发送MOVSBUF,A;发送数据,JNBTI,$;检测发送结束标志,等待发送完CLRTI;清发送结束标志,允许再发送RET接收主程序MOVTMOD,#2XH;C/T1设置为取消门控、定时工作方式、模式2CLRSMOD;清加倍位MOVTH1,#0FDHMOVTL1,#0FDHSETBTR1;启动C/T1CLRET1;禁止C/T1中断CLRES;禁止UART中断MOVSCON,#1101000B;UART设置为模式3MOVR0,#20H;数据区起址MOVR7,#32;数据长度LOOP ACALLS-IN;调用字节发送程序JNCERROR;校验错,C=0,去处理程序MOV@R0,A;校验正确,保存数据INCR0DJNZR7,LOOP接收数据字节子程序S-IN JNBRI,$;检测接收结束标志,等待1个数据CLRRI;清RIMOVA,SBUF;取接收数据MOVC,RB8;RB8的数据送至CANLC,P;完成RB8与数据的奇偶性P同或MOVB.7,CMOVC,RB8CPLCANLC,/PORLC,B.7;出错,C=0结论 通过这次设计,我对ST7540芯片的内部结构及其外部的引脚有了比较深的认识ST7540内部集成了FSK调制解调,滤波电路,寄存器,功率放大等等一些这次设计是基于ST7540芯片的电力线载波收发器的电路设计,通过主机对芯片的控制,可以选择ST7540芯片的工作状态(发送OR接受)因为芯片内部集成了功率放大模块,这也给电路的设计带来了很大的方便外部的电路设计包括了电流控制电路、电压控制电路、耦合电路等模块,确保了载波信号的稳定传输目前,基于ST7540芯片的载波技术广泛的应用于家庭和工业等各个领域,如远程抄表、智能小区等等在电力线网络已经基本覆盖到世界每个角落的今天,电力线载波技术有着无可比拟的优势,针对这项技术的改进和研究也是非常有意义的致谢本篇学位论文是在导师龚成龙教授的指导下完成的在做设计期间,他对我严格要求,他一丝不苟的工作态度一直深深的鼓舞着我克服难题在这将近半年的时间里,龚教授对我们严格要求,耐心的解答我们对设计上的疑难的问题,给了我莫大的帮助在导师的影响下,我不但端正了自己学习的态度,同时也让我有了危机意识离校期将至,即将走出校园这个象牙塔,走上工作岗位在做毕业设计这期间,培养的独立思考的能力以及严谨的态度都会让我在今后工作的道路上少走弯路在刚选下课题时,对硬件框图的设计毫无头绪,一时间无从下手好在龚成龙老师及时的提供了相关的资料,帮助我分析跟我讲述了我这个设计的大致的框架,让我对大概的电路的结构有了一个初步的想法设计过程中,我还去图书馆一楼的机房下载了一些关于ST7540芯片的资料和一些与设计相关的文献这些文献资料在设计期间也给了我很大的帮助,在此也向文献的作者表示深深的感谢!在设计中,我重新回顾了之前学过的电子电路方面的知识,遇到不懂的地方及时请教了同学和老师,在此也向他们表示感谢!这一次的毕业设计让我认识到汇编语言知识上的匮乏,也让我认识到提升自己综合能力的必要性在今后的工作也生活中一定会注意培养自己的综合能力,多学习知识来武装自己参考文献
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[6]胡海江张凤登.一种新的无线传感器网络分簇模型[J].传感技术学报2006192:
4772480.附录附图1基于ST7540载波通信的模块图附图2基于ST7540外围电路图附录3程序清单1)ST7540与单片机接口主程序主程序如下MTDEQU30HMRDEQU40HSLAEQU50HNUMBYTEQU51HORG000HAJMPMAINMAIN MOVP1#00SETBP
1.5;置写LCALLSTARTWR2MOVA#0BOH;七位器件代码及写位LCALLWRBYT;写地址ACALLDELAY;调用延时子程序LCALLCACK;检验应答位JBF0WR2;F0=0为正常应答LCALLEXP12;向ST7540写数据ACALLDELAY;调用延时子程序LCALLEXP22;读数据ACALLDELAY;调用延时子程序LCALLSTOP;结束JMPEND2)主站发送主程序MOVTMOD,#2XH;C/T1设置为取消门控、定时工作方式、模式2CLRSMOD;清C/T1加倍位MOVTH1,#0FDH;设置C/T1时间常数MOVTL1,#0FDHSETBTR1;启动C/T1CLRET1;禁止C/T1中断CLRES;禁止UART中断MOVSCON,#1100000B;UART设置为模式3MOVR0,#20H;数据区起址MOVR7,#32;数据长度LOOP MOVA,@R0;取数据ACALLS-OUT;调用字节发送程序INCR0DJNZR7,LOOP发送数据字节子程序S-OUT MOVC,P;取奇偶标志MOVTB8,C;奇偶标志送TB8待发送MOVSBUF,A;发送数据,JNBTI,$;检测发送结束标志,等待发送完CLRTI;清发送结束标志,允许再发送RET3主站接收主程序MOVTMOD,#2XH;C/T1设置为取消门控、定时工作方式、模式2CLRSMOD;清加倍位MOVTH1,#0FDHMOVTL1,#0FDHSETBTR1;启动C/T1CLRET1;禁止C/T1中断CLRES;禁止UART中断MOVSCON,#1101000B;UART设置为模式3MOVR0,#20H;数据区起址MOVR7,#32;数据长度LOOP ACALLS-IN;调用字节发送程序JNCERROR;校验错,C=0,去处理程序MOV@R0,A;校验正确,保存数据INCR0DJNZR7,LOOP接收数据字节子程序S-IN JNBRI,$;检测接收结束标志,等待1个数据CLRRI;清RIMOVA,SBUF;取接收数据MOVC,RB8;奇偶位RB8送CANLC,P;完成RB8与数据的奇偶性P同或MOVB.7,CMOVC,RB8主站单片机ST7540ST7540单片机。