一种基于电力线通信的遥测系统的设计

2019-07-12李宝金文夏黄蓉徐进王强

电子技术与软件工程 2019年9期

文/李宝金文夏黄蓉徐进王强

随着飞行器的发展，人们对提高飞行器有效载荷占比越来越重视，希望能够降低其他系统重量来提高有效载荷占比。遥测系统是飞行器的重要组成部分，需要测量多达上百个的环境参数，这就需要多个采集设备对环境参数进行采集，当前传输遥测系统一般采用点对点传输或总线式的体制，但这都需要使用大量的电缆来连接这些设备，这些电缆不仅占用了大量的空间，重量甚至超过了遥测系统总重的三分之一。本文提出一种基于电力线通信的遥测系统，将供电线作为信号的传输通道，大大减少了电缆的数量，从而为飞行器提供了可观的重量和空间。

1 遥测系统的方案

1.1 系统框架设计

飞行器遥测系统是用于测量飞行器飞行全程的环境和电量参数，一般由环境参数传感器、远置采集单元、接口变换设备、中心控制器、存储器、数据综合器、发射机和天线组成，由于飞行器测点较多并且分布较广，需要多个远置采集单元和接口变换设备分别采集相应传感器的测量数据。本方案中，中心控制器、远置采集单元、接口变换设备、存储器和数据综合器均需要增加电力线通信接口，以中心控制器为主设备，其他设备为从设备建立系统架构如图1所示，系统所有动作均由中心控制器发起，中心控制器按固定时序依次接收各个远置采集单元和接口变换设备的数据，再次进行编帧同时发送至存储器和数据综合器进行存储和传输，由于电力线通信接口为全双工接口，因此中心控制器能够同时接收远置采集单元的数据和将数据发送至存储器和数据综合器。

1.2 电力线通信接口设计

本方案中电力线通信是关键技术，其虽然优点突出，但供电线缆毕竟不是专用通信信道，用电设备种类和数量均较多，信道较为恶劣，噪声大、多径效应明显。而正交频分复用（OFDM）从原理上就有较好的抗多径和干扰的能力，它能够把信息灵活的分配到不同的载波频带，从而在克服窄带干扰和频率选择性衰落方面具有很强的鲁棒性，并且它与前向纠错码的结合也可很好的克服脉冲噪声干扰。因此本方案选择航天中电公司的HZ3001和HZ3011芯片实现电力线通信功能，主设备使用HZ3001，从设备使用HZ3011，上述芯片集成了灵活可靠的PLC MAC、基于OFDM调制解调的PLC PHY，它能提供高达10Mbps的电力线信号传输速率，频率宽度100KHz～30MHz，并且具备全双工工作的能力。本系统中的中心控制器使用HZ3001，其他从设备使用HZ3011，这两款芯片尺寸为8mm×8mm，外围电路简单，单面布板占用的面积仅为40mm×40mm。

1.3 通信协议设计

图4：状态码格式

图5：中心控制器到从设备数据传送示意图

图6：从设备到中心控制器数据传送示意图

图7：从设备间数据传送示意图

系统框架搭建完成后，需要一个可靠的通信协议来保证设备间数据传输的可靠性，本文参考1553B通信协议设计了一种可靠的通信协议。系统中处理的基本信息是数据帧，一个数据帧由控制码、状态码和0～256个数据码组成。数据传输的帧格式有3种，其中，中心控制器发送数据至从设备，中心控制器接收从设备数据，实现中心控制器和从设备之间的数据通信，而从设备接收或发送数据给另一个从设备实现两个从设备之间的数据通信，所有的数据通信都是在中心控制器的控制下完成的。控制码用于中心控制器对通信或从设备进行控制管理。其帧格式如图2所示。

控制码由从设备地址字段、T/R位、数据字计数及奇偶校验位组成。从设备地址是用来指定从设备的一个专有地址，由7bit组成，总线上最多可以负载128个从设备。在从设备地址后的一位是T/R位，即发送/接收位。它表示要求从设备的操作，逻辑0表示从设备做接收操作，逻辑1表示从设备做发送操作。在T/R位后的8位，用来表示从设备发送或接收的数据字的个数，数据长度最多为256。最后一位是前16位的奇偶校验。

数据码如图3所示，由16 bit的数据字段和1bit的校验位组成，一帧数据最多有256个数据码组成。

状态码如图4所示，由从设备地址字段、帧差错位、服务请求位、备用位及奇偶校验位组成，从设备通过发送状态码给中心控制器以反馈自身状态，当收到中心控制器的控制码或者数据码有错误发生时将帧差错位置1，当从设备需要服务将请求服务位置为1，要求中心控制器启动与本从设备有关的预定操作。

本遥测系统中所有的通信全部有中心控制器设备发起，其他从设备响应，中心控制器发出一个接收控制码及规定数目的数据码到从设备，从设备在接收到该帧之后，返回一个状态码给中心控制器，控制码和数据码之间没有码间间隔的连续形式发出，如图5所示。

中心控制器向从设备发出一个发送数据控制码，该从设备在校验该控制码有效后，应发回一个状态码给中心控制器，然后以按控制码规定的数目发送数据码到中心控制器。状态码和数据码之间没有码间间隔的连续形式发出。如图6所示。

当从设备A需要向从设备B发送数据时，中心控制器首先向从设备B发出一个接收控制码，然后向从设备A发出一个发送控制码，从设备A在校验控制码有效之后，发送一个状态码，然后发送按照中心控制器控制码规定数目的数据字。状态码和数据码之间没有码间间隔，以连续形式发送。从设备A发出的数据传输结束时及远从设备B在接收到规定数目的数据码之后，从设备B发出规定响应状态字。如图7所示。