基于电力线载波通信的教学设备控制系统*

陈 默，刘书刚，黄世龙

(华北电力大学，保定071003)

1 引言

教学活动中，使用多媒体辅助教学日益普及，提高了教学效果，使学生更宜于接受课堂内容。目前，对多媒体的管理多采用人工方式，教师需提前办理手续后方可使用，且目前机柜状态是否正常，不为管理者所知。为此，设计了基于电力线载波通信的控制系统，具有成本低、维护使用方便的优点。

2 PL2102的主要特点及工作原理

2.1 PL2102的主要特点

PL2102是专为电力线通讯网络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。PL2102除具备基本的通讯控制功能外，还内置了五种常用的功能电路:可数字频率校正的时钟电路，32Bytes SRAM，电压监测，看门狗定时器及复位电路，它们通过标准的I2C接口与外部微处理器相联，其中实时钟与32Bytes SRAM在主电源掉电的情况下可由3V备用电池供电继续保持工作。PL2102是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。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，并采用大规模数字/模拟混合0.35μm CMOS工艺制作，所以在抗干扰及抗衰落性能以及国内外同类产品性能价格比等方面有着出众的表现。图1表示的是PL2102的引脚排列，各引脚功能如表1所示。

图1 PL2102引脚排列

表1 PL2102(SOP24)的引脚功能

2.2 通信原理

低频电力线载波通信如图2所示，PL2102需用一个外部端口同电力线耦合。发送数据时，PL2102对单片机送来的传输速率为4.8kHz的数据进行扩频调制，从15脚输出中心频率为120kHz、带宽为15kHz的已调信号。经三态功率放大器进一步放大后，耦合进入电网。发射回路中电容C5电感L2用于调整发射电流和波形，减小C5和增大L2将减小发射电流和改善波形，反之，增大C5和减小L2将增大发射电流和波形失真，4个晶体管逐级放大，4个二极管起保护作用。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，一般发射电压选10V～18V。

接收数据时，信号经过选频电路从20脚送入PL2102芯片，在PL2102内部进行解扩处理变为原始数据，然后从8脚输出，进入单片机。接收回路中D1主要用于箝位，以防止过大的浪涌电流，C2、C3和L1并联谐振工作在f=120kHz，具有对120kHz选频作用，以对输入的微小信号进行放大，从而提高接收输出灵敏度。

工作时，发信回路的三态功率放大器和收信支路的前置功率放大器将由PL2102的第7脚(收发控制)进行控制。发送数据时，PL2102芯片7脚输出低电平，三态功放被打开，同时前置收信功放被关闭，防止功率倒灌，减少干扰。同理，收信时7脚输出高电平，三态功放被关闭，前置收信功放被打开。

3 用PL2102实现的教学设备控制系统

3.1 系统组成

基于电力线的控制系统结构如图3所示。

图2 低频电力线载波通信原理图

图3 基于电力线的教学设备控制系统结构示意图

在电力线上分布着一台主控制器和多台从控制器，主控制器位于值班室，采用半双工方式与从控制器通信，并采用串口方式与PC机通信。

3.2 主控制器结构

主控制器结构如图4所示，由AT89C52单片机、PL2102、MAX232及耦合电路等组成，单片机控制PL2102的工作状态，单片机通过MAX232与PC机通信。PC机通过监控软件对单片机进行控制，发布各种命令，接收、存储信息，完成对教学设备的监控。

图4 主控制器结构示意图

3.3 从控制器结构

从控制器结构如图5所示，以单片机AT89C52为核心，接收键盘输入的教师号及密码，将信息组装成帧发送至主控制器，并接收主控制器发来的命令，识别身份，执行命令控制继电器打开机柜并回传信息。

图5 从控制器结构示意图

3.4 系统工作流程

PC机监控软件发出各种命令，以帧为单位进行收发数据，每帧应包含源地址、目的地址、控制字、校验码等信息，通过串口发给主控制器。控制器之间以组网方式运行，采用令牌协议，令牌在系统内快速传递，获得令牌的从控制器拥有主动发送数据权，无令牌的从控制器处于接收状态，只有在被询问的情况下才能发送数据。主控制器每发送一帧数据，就延时一段时间，若没有收到从控制器应答，则再发送同一数据，最多重复三次，如仍未有应答，则认为通信失败，终止这一数据，执行其它操作。图6和图7分别为主从控制器工作的程序流程图。

图6 主控制器程序流程图

图7 从控制器程序流程图

4 结束语

设计的基于PL2102实现的教学设备监控系统，采用了扩频技术，抗干扰能力强，输出信号谐波成分少;考虑到造成误码的因素，一方面传输速度不宜太高，小于10Kbit/s为合适;另一方面，传输距离与通讯成功率有关，较长距离的传输可引起阻抗不匹配，经实际测试，在300米范围内，选定传输速度为4.8Kbit/s，系统运行稳定、可靠。

［1］ 封锦，荣相.电力线载波通信技术在井下电力监控系统中的应用［J］.工矿自动化，2008(3):104-106.

［2］ 张海涛，聂诗良.电力线载波通信的诱导风机控制系统设计［J］.单片机与嵌入式系统，2010(6):48-51.

［3］ 周永勤，李景南.基于PL2100模块的电力线扩频载波数据通信系统［J］.哈尔滨理工大学学报，2001(8):92-94.

［4］ PL2102数据手册［Z］.北京福星晓程电子科技股份有限公司.

［5］ 仲元昌，杨洁，曾孝平.低压电力线的信道特性［J］.重庆大学学报，2002，25(9):29-31.