基于PL3106的路灯通讯系统设计

杨金晨

（西安石油大学，西安 710065）

0 引言

由于我国城镇化率的不断提高，城市现代化水平日新月异，作为维护社会秩序的重要设施城市照明系统，它和人民群众的生活现在息息相关。而现在我国的城市照明系统大部分只能集群控制，不能精准地控制到每一个路灯的开关。这样就难免造成大量的电能浪费，由此可以看出设计一个可以精准控制到每一个路灯的路灯控制系统是目前首要解决的难题。

为此，本文研究出基于电力载波线和GPRS为通信网络的路灯控制系统，通过拨码开关给每一个控制终端赋予了一个唯一的地址，通过地址可以实现上位机对每一个控制终端的精准控制。

1 通信机制

系统的通信方式采用以GPRS为一级网络，以电力载波传输为二级网络路灯组网，上位机与集中控制终端通过GPRS无线连接，而集中控制终端和子终端之间通过电力载波的方式进行数据传输，通过这用方式可以不用额外架线，降低通讯成本。

通过给每一个终端安装拨码开关，就可以人工现场设置地址，这样路上位机可以通过地址精准的命令和监控每一个终端，还可以现场随意调换位置，方便安装。通信模块，两级网络等都需要软件编程实现；路灯监控中心需要设计合理的软件界面，简化操作流程，方便管理人员操作。

1.1 Modbus通讯协议

本文通过电力载波线实现上位机与路灯终端之间通讯并且采用协议为Modbus，其中它有两种传输数据的方式：ASCⅡ和RTU，由于RTU方式的传输效率高，采用CRC校验的方法，数据传输准确，所以本文采用RTU的传输方法。

通过设定16位Modbus码中的内容，上位机把需要发送的信息其中包括地址，CRC校验，读写，PWM口输出占空比等信息放入到Modbus码中通过GPRS无线发送到集中控制终端，当集中控制终端通过串口接收到的Modbus码进行识别和完成相应的指令，然后集中控制终端把Modbus码通过载波发送把控制信号发送到电力载波线上后子终端通过电力载波线接收到Modbus信号后完成相应的指令在生成回复的Modbuss信号发送回上位机，通过回复我们在上位机就可以看到信号的执行情况。

1.2 载波通讯电路设计

硬件电路主要以发射电路，功率放大电路，电源电路，耦合电路，滤波电路组成。其中通信系统选用用福星晓成公司生产的PL3106芯片。因为该芯片具有电力载波通讯芯片内置半双工异步扩频通讯调制,解调器，可以实现基于BPSK的直序扩频通讯。具有逻辑控制能力及载波通信功能，抑制高频信号衰减，使各通信节点能够实时的、可靠的通信，达到对城市照明进行网络化、实时化、精确化和动态化控制的目的。

如图1所示为路灯终端结构图，因为本次设计采用主从一体的设计理念，就是所有终端都已一样的，只要连接上位机的那个就是主终端，其他的都为从终端。当下图为主终端的时候，上位机的控制信号通过串口发送到主控芯片中，经过功率放大电路，滤波电路和耦合电路后把控制信号发送到电力载波线上，同样从终端发送到电力载波线上的控制信号仅经由耦合电路和接受电路把控制信号传入到主控芯片中，最后由串口电路发送回上位机。当下图为从终端时，控制信号从电力载波线上接收到主控芯片中，通过控制信号的内容从而芯片控制PWM端口改变占空比从而改变后端电子镇流器的功率从而改变灯亮度，达到节能环保的目的。

图1 路灯终端结构图

1.3 PSK调制

PSK调制（相移键控）：PSK调制方式是数字基带信号对载波相位进行的一种调制方法。此调制方式相对于其他调制方式来说，主要有以下几点优势：一是频谱利用率高（与ASK系统相同）；二是抗干扰性能好。从理论上说，PSK系统中载波传输数字信号的情况最佳，所以，在要求数据在高速传输中应用得较为广泛。示意图如图2所示。

图2 PSK调制过程

本文使用的PL3106为控制芯片自带调制解调控制功能，其中主终端通过电力载波线向外发送信号时，信号不能直接发送到电力载波线上需要首先进行PSK调制，这样可以提高信号在电力载波线上传输的抗干扰能力，调制后的信号如图1所示。子终端从电力载波线上接收信号时，首先需要解调，解调信号如图2所示，只有经由解调后的信号主控芯片才能接收。

图3 调制后的波形图

图4 解调后的波形图

2 软件系统设计

本次软件设计主要介绍了集中控制终端的串口发送与接收，子终端的载波接收与发送。系统采用主从通信方式其中集中控制终端为主节点有唯一地址，而其他子终端为从节点，有唯一网络地址，每一个节点通过对地址的判断，来识别消息是否发送给自己节点，是否做出相应的调整。

2.1 串口发送

串口发送程序流程图如图5所示，首先发送一个字节的数据，发送完成字节数减一，然后在发送下一个字节，一直这样循环发送直达字节长度为零，跳出循环程序，发送结束。

图5 串口发送流程图

2.2 串口接收

集中控制终端除了要在电力载波线上收发消息还需要与GPRS进行串口通信，集中控制终端通信设计如图6所示。串口收到控制信号时首先需要进行判断地址是否正确,如果地址正确则进行接收，地址正确后进行接收剩余字节。如果规定时间内接收完成，则完成标志位置位，完成接收。接收到的正确信号存入寄存器中进行处理并执行相应的命令。

图6 串口接收流程图

2.3 载波发送

每一个子终端都与要从电力载波线载波接收和发送消息，根据电力载波线通讯扩频调制和解调原理，如图7所示。载波发送Modbus命令码之前，先需要发送40个比特的1完成PL3106芯片自带的解扩捕获和同步训练，然后发送两个字节的同步帧头的0x09AF。因此在载波发送时，在完成前部发送对接枕头后，才能发送在数据缓冲区的16位的Modbus码。

图7 载波发送流程图

2.4 载波接收

载波接收程序流程图如图8所示，当从电力载波线上接收到信号的时候触发载波中断，进入载波接收程序，先一位一位接收1bit因为Pl3106发送载波时首先会发送40个比特的1来进行解扩捕获和同步训练，然后向左滑动一位继续接收下一位数据，直到接收到帧头0x09AF，然后开始接收Modbus数据，按照8位一个字节的方式接收，每接收一个字节，计数长度加一。直到接收完所以的Modbus数据，退出中断。

图8 载波接收流程图

3 系统测试

在路灯通信系统测试中，上位机通过GPRS发送控制信号给集中控制终端，再通过电力载波线把控制信号发送到各个子终端，通过上位机发送的控制信号的内容来控制各个终端的PWM端口（PWM端口的占空比如图9和图10所示，分别为占空比为70%和占空比为50%的情况下），发送PWM信号的占空比来改变后端负载灯具的功率，来减少灯的亮度，从而节省电能。

图9 占空比70%

4 结语

通过实验对上位机，集中控制终端，子终端间的通讯情况进行了测试，并按照目标改变了占空比，达到的调节功率的目的，同时也有很强的稳定性和准确性。

图10 占空比50%