一种基于KQ-130F的电力载波通信实验系统

曹德安　陆飞

摘要：为便于物联网专业进行电力载波通信技术内容实践教学，提出了一种由KQ-130F电力载波通信模块、QX-mini51单片机最小系统板等组成的电力载波通信实验系统。该系统硬件搭建简单，通过编程可以实现经过电力载波模块的双机双向通信，在主从控制方式下的多机双向通信。该系统即可以让学生熟悉电力载波模块的使用，还能锻炼学生的单片机编程能力，因此也可以作为物联网专业学生单片机技术综合实训平台。该系统不但实用，而且成本低廉，非常具有参考价值。

关键词：电力线载波通信;KQ-130F电力载波模块;单片机;QX-mini51最小系统板

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0158-02

0 引言

电力线载波通信（PLC，Power Line Communication）出现于20世纪20年代，它是利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，是电力系统特有的通信方式。电力线载波通信最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。不过，由于电力载波通信存在变压器阻隔等问题，电力载波一般用于局部数据通信，如抄表系统、路灯系统等。近年来，随着物联网特别是智能家居系统的出现，电力载波通信技术也随之被大众所认知[1-5]。为便于物联网专业进行电力载波通信技术相关内容的实践教学，本文设计并实现了一个基于四川科强电子KQ-130F电力载波模块、清翔电子QX-mini51单片机最小系统板的电力载波的通信实验系统。

1 系统介绍

1.1 系统功能简介

本实验系统硬件主要由KQ-130F电力载波模块、QX-mini51单片机最小系统板等组成。图1为系统的简化电路原理图，从图中可以看出，系统采用主从通信方式，主机的P1口，从机P1口的低四位都接了发光二极管，主机与从机P3.2至P3.5接了开关。主机与从机都是经过串口、电力载波模块、220V电力线而实现物理连接的。通过编程实现主机对从机LED灯的远程监控，即主机上的开关可以控制从机灯的亮与灭，也能让从机返回各自灯的状态，并在主机对应LED灯上显示。主机与从机各开关具体功能如表1。

1.2 系统硬件模块介绍

QX-mini51最小系统板（v2.0版）配有stc89c52单片机，支持通过usb口数据线给板上单片机在线烧写程序、串口通信、提供电源，使用方便。系统板上有3個5V直流电源引出端，方便给其他外设供电。单片机32个IO口全部引出，另外P1口外接8个LED发光二级管，P3口的P3.2至P3.5外接4个独立按键。

KQ-130F采用交流零点数据传送技术，是专门为在220V交流上，强干扰，强衰减，远距离要求的环境下，可靠的传送数据而特别设计和开发的电力载波模块，适用于抄表，路灯，智能家居等领域。KQ-130F内部集成了KQ-330F模块及外围电路，毋需其他的耦合元件，可以直接连接220V的交流电使用。KQ-130F也支持TTL电平，使用时TX、RX引脚直接与单片机的RXD、TXD相连。载波模块所需的直流电源由用户设备提供，其工作电源端与发送电源端可以并联在一起，都采用5V电源[3]。本方案中载波模块所需的5V电源由QX-mini51单片机开发板提供。

2 软件设计

2.1 自定义数据帧

与文献[1]所介绍的应用系统类似，基于电力载波通信技术的系统，一般为主机与多个从机之间的通信。对于51系列单片机来说，一个主机与多个从机的之间的通信，常用的方法是采用串行方式2或者方式3，这两种方式字符帧的数据为11位，包括1个起始位，8个数据位，1个可编程的第9位数据和1个停止位，其中可编程的第9位数据TB8为0或者1作为数据或地址的标识。对于包含KQ-130F载波通信模块，又要通过串行口进行多机通信时，不能采用上面的方法了，因为KQ-130F的串行通信方式是单一的，其接口波特率9600bps，数据格式为1个起始位，8个数据位1个停止位格式，该数据格式对应单片机的串行方式1。为了51单片机在串行方式1下实现多机通信，我们采用通过自定义数据帧的方法。自定义数据帧中由4个部分组成[1，5]，分别是：帧长度、目标机地址、控制命令/状态数据、结束标志。

由KQ-130F电力线载波通信模块使用手册可知[3]，当该模块的MODE脚被设置为高电平时， 工作在透明工作方式，当MODE脚被设置为低电平时，工作在自定义模式。自定义模式中，第一个字节是要传送一帧的字节数，其范围为0-250。例如要传送“12  34  EF”三组数据时，则第一字节数为“03”。自定义模式编程简单，本设计中采用该模式，所以自定义数据帧的第一个字节是“帧长度”。主机发送的数据帧中需要包含目标接收机地址信息，主机发送后，所有的从机都能接收到，每个从机将自身的地址与接收的数据帧中包含的地址相比较，如果与自身的地址相同，则进行对应的处理，否则将这帧数据丢弃，串行口继续等待接收数据。数据帧的“控制命令/状态数据”定义表示主机发给从机的命令如灯的开与关或者是从机发给主机的灯的状态数据编码。数据帧最后是结束标志字节，便于判断一帧数据的完整性。

2.2 程序设计

如图2所示，不管是主机还是从机，主程序框架相同，都是在进行初始化即相关设置及函数定义后，就反复调用键盘扫描程序，在键盘扫描程序中进行按键检测，若有键按下执行相应的命令或相关功能函数。主机和从机对于串口发送和接收数据的处理方式也相同：即对于串口是否发送完一个字符帧的数据采用查询标志位的方法，而是否接收完一个字符帧的数据采用中断方式，图3为中断响应程序流程图。

3 实验结果

图4为根据以上方案搭建的电力载波通信实验系统，该图与图1相对应。实验测试效果与表1完全相同，验证了方案的可行性。如果只有一台从机，数据帧中不必包含地址信息，代码可以简化，同样可以实现类似的主机对从机的监控效果。

4 結语

本文提出的电力载波通信实验系统硬件是利用已有的单片机最小系统板和电力载波模块搭建而成，避免了复杂的电路设计，通过编程可充分演示电力载波通信的现象，因此该系统非常适合作为物联网专业的电力载波通信技术或者单片机技术的实践教学平台。该系统用到的单片机最小系统板也可以是其他类似单片机开发板，拆下来还可以用作一般单片机类课程的硬件平台，因此该系统不但实用而且成本低廉，非常具有参考价值。

参考文献

[1] 杨秀增，蒋志年，等.基于电力线载波的教室照明灯节能控制系统设计[J].电子测试，2013，（7）：16-20，26.

[2] 陈曦，王海星.基于KQ-130的电力载波通信系统设计[J].自动化技术与应用，2016，35（9）：53-56.

[3] 四川科强电子技术有限责任公司.KQ-130F电力载波模块使用手册[P].

[4] 陈世海，王军，等.工程实践导向电子综合设计实验教学改革探索[J].教育现代化，2018，5（43）：64-66.

[5] 廖惜春，任敬哲，等.基于电力载波的可寻址LED路灯智能监控系统设计[J].照明工程学报，2014，25（2）：43-47.

A Kind of Experimental System of Power Carrier Communication Based on KQ-130F

CAO De-an，LU Fei

（The Open University of Guangdong（Guangdong Polytechnic Institute），Guangzhou Guangdong  510091）

Abstract：In order to facilitate the practical teaching of power carrier communication technology in the specialty of Internet of Things， a power carrier communication experimental system is proposed consisting of KQ-130F power carrier communication module and QX-mini51 MCU（Microcontroller Unit）minimum system board. The hardware of the system is simple to build. Through programming， the two-way communication between two MCUs through power carrier module and multi-machine two-way communication under master-slave control mode can both be realized. This system can not only familiarize students with the use of power carrier module， but also train students' programming ability of single-chip computer. Therefore， it can also be used as a comprehensive training platform of single-chip computer technology for students majoring in Internet of Things. The system is not only practical but also low-cost， which is of great reference value.

Key words：Power Line Carrier Communication; KQ-130F Power Carrier Module; MCU; QX-mini51 Minimum System Board