基于电力载波与USB/以太网转换器的便携式网卡设计

赵　丽，宋鹏飞，王宣方（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津　300222）

基于电力载波与USB/以太网转换器的便携式网卡设计

赵丽，宋鹏飞，王宣方
（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津300222）

摘要：目前家庭通用的网络接入设备是基于RJ45接口的，这种链接方式在浪费资源的同时也缺乏便携性。为了解决以上连接方式的不足之处，设计了一种基于电力线通信技术与USB/以太网技术的便携式网卡。该装置采用符合HomePlug AV协议的INT6400芯片来实现电力载波部分的设计，实现家庭互联网数据在现有电力线上的传输，同时使用AX88772B芯片设计USB/以太网转换部分，实现了用USB接口接收网络数据。电力载波通信技术可以实现只要有电力线的地方就有网络数据，而USB接口的方式使得系统适用范围更广，二者相结合实现了网络连接设备的便携化与通用化。

关键词：电力载波；USB；以太网；HomePlug AV

有线通信领域里，硬件线路搭建在成本中所占比重较大，特别在较远距离的通信系统之中更是如此。要降低有线通信系统成本，信道成本的降低是主要方向之一。减小有线信道的成本首要考虑的就是要利用已经有信息传输的物理链路[1]。电力载波通信技术可以利用目前已有的家用电力线作为通信信道，在远程抄表、智能家居等领域应用广泛。电力线通信技术（power line communication，PLC）是利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。此项技术具有成本低、可覆盖范围广且易于连接等特点。低压电力线作为通信线路的以太网连接方式，可将220 V市电相连的电器全部接入互联网，为将来物联网提供了另外一种实现方式。

在信息化时代，随着计算机、消费电子、通信技术以及物联网一体化的不断发展，各类电子产品对于以太网连接的便捷性要求越来越高。消费者对于电子产品的信息共享、数据交换和网络传输等需求使得个人电脑和其他嵌入式电子设备必须具有独立的网络接口。然而，目前市场上大部分智能设备和仪器仪表都不具备网络接口。便携性和灵活性是目前移动电子设备发展趋势，由于所生产的电子设备体积越来越小，集成度越来越高，因此放弃使用RJ45、VGA等物理尺寸较大的硬件接口，选择体积较小的USB接口是一种必然趋势[2-3]。基于电力载波与USB/以太网转换器的便携式网络设备的设计就是将电力载波与USB/以太网转换技术相结合，发挥了2种技术的优势，解决了未来智能家居、物联网、智能仪表等领域网络连接的现实问题。本研究设计了电力载波通信模块与以太网转换模块，实现了信号在已有电力线传输和USB接口接受的同时也实现了网络传输设备的便携化与通用化。

1　系统硬件设计

系统的总体设计如图1所示，主要包括电力载波模块、USB/以太网转换模块、家庭网关3部分。

图1　系统总体设计框图

其中，电力载波模块负责网络信号的传递与协议转换，发送时利用OFDM调制技术，把用户数据进行线路耦合与调制，然后信号在低压电力线上传输。在接收端，对电力线上的信号进行滤波，然后经过解调还原成原始信号。USB/以太网转换模块负责跟家庭网关的连接。因特网、个人电脑、手机等家庭网络中的通信终端简称网络用具。家庭网络用具接收经过USB/以太网转换器模块转化的数据，然后经过PLC总线与网关相连接，组成相互独立的通信回路。系统采用小体积的集成芯片进行设计，因此可以很方便地嵌入到其他网络中[3-4]。

2　电力载波通信模块设计

当需要通过PLC传输音视频信号时，可以将PLC信道在频率上进行分割，在得到的多个子信道上传输数据，这种方式称为宽带PLC通信。OFDM（正交频分复用）技术是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。OFDM调制是在低压电力配电网上实现高速数字传输的理想选择，调制技术在数据块之间插入一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔，有效消除了码间干扰。该调制技术具有较高的带宽利用率以及较好的抗干扰能力，与前向纠错码的结合可以很好地克服脉冲噪声的干扰，与信道编码和交织技术的结合能够达到可靠和有效的通信[5-7]。

HomePlug AV是电力线通信联盟PLC标准。主要面对的对象是小型系统和家庭网络的物联网。HomePlug AV的设计满足更高的带宽和更低的时延需求，以支持几个同时并发的HDTV和VoIP流，并且能同时使用家中90%的电源插座，其应用目标是家庭影院和数据网络环境下的家庭音视频分配。目前可达到的通信速率依具体设备在4～5 MB/s之间，可以满足家庭视频音频传输的需求。

宽带PLC调制解调器采用以HomePlug AV收发器（INT6400）为主控制器，配合外围电路组成，其主控制器模块原理图如图2所示。系统采用数字芯片加上模拟前端的组合，采用INT1400作为INT6400芯片与电力线滤波耦合电路之间的辅助放大芯片，它的作用主要是放大和整流。INT1400同样符合HomePlug AV技术规范。

图2　电力载波调制解调器设计框图

INT6400完成发送数据的编码、加密、信道编码、OFDM调制、数模转换等操作，与此同时，完成信道侦听、数据接收、模数转换、OFDM解调、信道解码、数据解密、数据解码等操作。INT1400对电力线上的信号进行窄带滤波和放大，实现电力线上特定调制信号的接收，以太网控制器对数据进行甄别和纠错后，提取有效数据送给INT6400；另一方面，由INT6400送来的数据通过以太网控制器进行处理（插入纠错码、打包等），选择适当的时机通过USB接口电路发送到网络上[8]。

INT6400芯片组的典型应用电路如图3所示，图中，R5、R6、R7 3个电阻组成了一个衰减器，这个衰减器用来防止ADC的输入端信号超出最大额定值；C2 和C3耦合电容用来消除高频干扰；R1和R2与TX的2个信号输入端并联，将电流信号转换为电压信号进行传输；R3和R4作为下拉电阻，使2个端口工作时保持低电平。

图3　INT6400与INT1400典型应用电路

3　USB/以太网转换器设计

USB/以太网转换目前市场上有多种解决方案，这里采用亚信电子的USB以太网控制芯片AX88772B来设计。这种芯片具有低功耗、低引脚数、内置封包校验和承载引擎、支持100BASE-FX光纤模式及-40～85℃工业规格等特点。芯片采用64引脚小型封装，可大幅减少PCB空间，主要应用于台式电脑、笔记电脑、计算机扩展基座、游戏机、智能家电及任何具备标准USB端口的嵌入式系统。AX88772B具有如下特点：

（1）USB 2.0转RMII，支持HomePNA和HomePlug PHY。

（2）在USB接口方面，AX88772B集成USB2.0收发器及串行接口引擎，符合USB1.1/2.0规范；支持USB全速及高速模式，电源驱动能力支持总线供电模式和自供电模式；具有独有的突发传输机制，可使USB总线上的封包传输具有较高的速率。

（3）AX88772B具有先进的电源管理功能，能有效地降低功耗。

（4）内设置标识符SRAM且可在线进行USB设备标识符设定，有效节省E2PROM的成本。

（5）支持动态电源管理以节省在空载或轻负载等状况下的功耗；支持AutoDetach省电模式与USB连接。

（6）具备通用扩展介质接口。AX88772B可选RMII接口以支持MAC工作模式，用于连接AX88772B外部100Bease-FM或HomePlug PHY；可选Reverse-RMII接II以支持PHY工作模式，支持MAC-to-MAC无缝连接。

AX88772B的组成框图如图4所示，该芯片由电压调节器、晶振、PLL、以太网MAC、以太网PHY、通用输入输出等电路组成。

图4　AX88772B的组成框图

基于AX88772B的硬件设计结构示意图如图5所示。这里只考虑以太网物理层的连接，在应用过程中USB端口负责与计算机连接。电力载波部分经过变压器与AX88772B相连接。图5中E2PROM存储USB的启动配置参数，当USB启动时候，会读取其中的内容以实现对模块的初始化配置。

图5　电力载波模块设计框图

4　系统实验结果

由于整个系统都是构建在硬件平台上的，因此对整个系统的调试主要集中在对系统硬件的调试上。系统调试可以分为2个主要部分进行。首先需要完成对系统板的电器特性正确性调试。在这一步中，主要完成对系统PCB板所有元件工作状态的测试，确保所有器件可以正常工作。第2个主要部分是实现模块网络测试与2个模块联调。首先是电力载波模块的整体调试，以测试电力载波模块是否通畅；然后测试USB/以

太网转换模块；之后对2个模块的整体进行测试。系统选用一台便携式电脑作为网络测试终端，从网络上下载较大文件以测试下载速度，实验场景如图6所示。经过测试，本研究设计的基于电力载波和USB/以太网转换器的便携式网络系统可以达到1.6 MB/s左右的通信速度，可以满足家庭以太网连接的需求。

图6　实验场景图

5　结束语

本文提出了一种基于电力载波和USB接口的以太网络适配器设计方案，着重对调制解调器的结构及USB/以太网接口电路进行设计，给出了系统测试方案。由于电力载波与USB接口的以太网连接应用与具体的应用环境密切相关，对不同的应用领域，只要是拥有电力供应的场所，都可以非常方便地实现以太网的连接。

参考文献：

［1］范郁泉，刘荫，陶维青.基于INT6400的电力线宽带调制解调器性能测试［J］.电测与仪表，2012（5）：43-47.

［2］张以毅.广电双向网络化改造中几种HomePlugAV制式EOC的选择［J］.中国数字电视，2012（7）：46-48.

［3］潘军敏，吕冰，刘颐. INT6400与AR7400芯片EoC共存组网特点分析［J］.中国有线电视，2013（1）：42-45.

［4］张以毅.几种HomePlug芯片性能及应用［J］.有线电视技术，2013（2）：31-33.

［5］刘敬猛，王田苗，孟偲，等.智能化网络家电控制中电力载波模块的设计［J］.电子技术应用，2002（3）：28-31.

［6］张皓岚，贺慧英，陈涛，等.舰船电力载波通信的阻抗匹配设计［J］.电力系统保护与控制，2014，42（2）：104-110.

［7］江洁，赵不贿，唐平.一种基于电力载波的家庭网络与以太网的连接方法［J］.计算机工程，2004，30（21）：162-164.

［8］周子璇，王学伟.基于以太网的低压电力载波阻抗测试终端设计与实现［J］.电子设计工程，2013，21（19）：111-113.

Design of portable USB network device based on power line communication

ZHAO Li，SONG Peng-fei，WANG Xuan-fang
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：At present,the universal network access devices in home,which is based on the link of Ethernet of the RJ 45 interface, and this link way is not only wasting resources but also lacking of portability at the same time. In order to solve the problem of the connection mode, a kind of probable network card based on power line communication and USB Ethernet technology is designed. Int6400 chip conforming to home play AV protocol is used to realize the design of power line carried part, and achieve home internet data transmission in the existing power line. At the same time, the use of AX88772B chip design USB/Ethernet conversion part, USB interface is used to receive network data. The technology of power carried communication can realize the condition that where there is power line,there is internet data.USB interface makes the system more universal, and the USB interface makes system have wider application.And the combination of the two methods can realize the portability and generalization of the network connection.

Key words：power line communication；USB；ethernet；HomePlug AV

作者简介：赵丽（1962—），女，教授，博士，硕士生导师，研究方向为生物医学工程.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61178081）；天津市应用基础与前沿计划重点项目（C14JCZDJC36300）.

收稿日期：2015-05-07

中图分类号：TN915.05

文献标识码：A

文章编号：2095－0926（2015）03－0001－03