一种低压直流载波通信电路的设计

杨成英，陈 勇

（1.广东工业大学华立学院，广东广州 511325；2.从兴技术有限公司，广东广州 510300）

在工、商业应用中，设备、产品的主机一般安装在现场，而与之相连接从机如控制及显示设备一般都在控制室里面，两者之间距离可能数十至数百米[1]，通常情况下，主、从机之间既需要低压直流供电线路，又需要通信线路，将供电线路与通信线路合二为一，即两根线实现通信兼供电功能，不仅节省了施工和线缆成本，给现场施工和后期维护带来了极大的便利[2]。载波通信就是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。目前主流的载波通信技术有电力线载波（PLC）和直流载波，电力线载波（PLC）主要用于35 kV 及以上电压等级的高压电力线、10 kV 电压等级的中压电力线以及380 V/220 V 电压等级的低压配电线三大领域类的通信[3]，而设备、产品的内部各模块的供电方式通常使用低压直流供电，基于低压直流供电线路上的载波通信技术以布线方便、通信稳定、传输距离远等优势逐渐成为人们的选择[4]。

目前，直流载波部分都是主机在通信时把逻辑0 和逻辑1 的电平升高，使得不管是逻辑0 还是逻辑1 的时候，通信线路上都有一定的电压，确保给从机供电。由于供电及通信线路存在阻抗，所以供电过程中存在线损，线损的大小与线路的负载有关联，由于外界的干扰或者线路上电压的波动都会导致通信误码的技术问题，所以这种直流载波模式对电源及供电线路要求高，需要线路中电压和负载相对稳定[5]。

该文介绍了一种低压直流载波电路，该电路利用通信线路中电流传输距离远，抗干扰能力强的特性；基于电压、电流信号转换的原理，结合三极管及光耦的放大及开关功能，实现了在主、从电路的两条低压直流的供电线路上载波通信的功能。解决了目前对电源要求高，电压需要相对稳定，电路成本高以及电压波动时线路通信误码率很高的技术问题[6]。

1 低压直流载波通信电路硬件电路设计

低压直流载波通信电路主要是基于电流信号在线路中传输时抗干扰能力强，稳定性好，线路阻抗要求低，传输距离远等特点，通过信号转换电路将主、从机发送的逻辑数据转换成电压信号，从而控制线路中的开关器件，将电压信号转换成电流信号加载在供电线路中传输；接收端将传输线路中的电流信号再转换成电压信号，电压信号通过电路转换成逻辑信号供接收端接收，最终实现逻辑数据在直流供电线路上的加载传输。具体的低压直流载波通信电路如图1 所示[7]。

图1 低压直流载波通信电路

该电路相关符号及器件说明：

1）VDD 为主机给从机提供的电源；

2）VCC-1 是主机通信处理芯片的电源；MCU1-TXD 是主机通信处理芯片的通信发射脚；MCU1-RXD 是主机通信处理芯片的通信接收脚；

3）VCC-2 是从机通信处理芯片的电源；MCU2-TXD 是从机通信处理芯片的通信发射脚；MCU2-RXD 是从机通信处理芯片的通信接收脚；

4）V_IN 是给从机供电，在应用中，为了保证电路的可靠性通常需要稳压处理，并有一定的电解电容储电支持通信；

5）OUT和IN端子是供主、从机之间的连线端子；

6）电路中BRID1 为防反向整流桥，主机和从机之间的连线可以不用考虑正负方向。

2 低压直流载波通信电路功能设计

2.1 低压直流载波通信电路主机供电原理

根据通信处理芯片的串口特性，主机和从机没有通信的时候，主机的通信处理芯片的MCU1-TXD引脚输出高电平[8]，三极管Q1 的发射极（E 极）、集电极（C 极）两端导通，从而三极管Q2 的发射极（E 极）、集电极（C 极）两端截止[9]，电源VDD 通过主机的Q2和IC1 的原边给从机供电；电流经过从机的整流桥BRID1，通过三极管Q3 和IC2 给从机供电[10]。

2.2 主机的数据位（bit）的发送

当主机通信处理芯片发送逻辑高电平的时候，即从主机的发送端口MCU1-TXD 端口发送逻辑高电平信号，三极管Q1 的 发射极（E 极）、集电极（C 极）两端导通，三极管Q2 的基极（B 极）电压拉低，从而三极管Q2 的 发射极（E 极）、集电极（C 极）两端导通，光藕IC1 原边有电压、电流，故光藕IC1 副边导通，主机的接收端口MCU1-RXD 端口收到高电平信号，通过这个电平确定主机发送数据的正确性，同时电流通过光藕IC1 的原边，传输给从机；根据半双工通信标准，从机通信处理芯片处于接收状态[11]，根据通信处理芯片的特性[12]，其MCU2-TXD 引脚输出逻辑高电平，光藕IC2 原边没有电流，故光藕IC2 副边截止，三极管Q3 发射极（E 极）、集电极（C 极）两端导通，电流通过三极管Q3 及光藕IC3 的原边，给从机供电；同时光藕IC3 原边有电流，光藕IC3 副边导通，从机的接收端口MCU2-RXD 端口收到逻辑高电平信号，即主机供电的同时将逻辑高电平信号加载在线路中传输给从机。

当主机通信处理芯片发送逻辑低电平的时候，即从主机的发送端口MCU1-TXD 端口发送逻辑低电平信号，三极管Q1 的发射极（E 极）、集电极（C 极）两端截止，三极管Q2 的基极（B 极）电压被上拉电阻R3拉高，从而三极管Q2 的发射极（E 极）、集电极（C极）两端截止，光藕IC1 原边失去电压、电流，故光藕IC1 副边截止，主机的接收端口MCU1-RXD 端口收到逻辑低电平信号，同时此时没有电流流过光藕IC1的原边；由于线路中在主机发送逻辑低电平的时候没有电流流向从机，所以从机光藕IC3 原边没有电流，故光藕IC3 副边截止，从机的接收端口MCU2-RXD 端口收到逻辑低电平信号，即从机从供电线路上收到主机发送的逻辑低电平信号。

2.3 从机的数据位（bit）的发送

当从机通信处理芯片发送逻辑高电平的时候，即从MCU2-TXD 端口发送逻辑高电平信号时，光藕IC2 原边没有电流，故光藕IC2 副边截止，三极管Q3发射极（E 极）、集电极（C 极）两端导通，电流流过三极管Q3 及光藕IC3 的原边，光藕IC3 的原边有电流，故光藕IC3 副边导通，从机的接收端口MCU2-RXD端口收到逻辑高电平信号，从机通过检测这个电平信号确定其发送的数据是否成功；同时根据半双工通信标准[13]，主从机在通信过程中不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。由于当从机从MCU2-TXD 端口发送信号时，主机通信处理芯片处于接收状态，根据通信处理芯片的特性，其主机的发送端口MCU1-TXD 引脚输出逻辑高电平，允许电流经过三极管Q2 和光藕IC1 流向从机，光藕IC1 副边导通，主机的接收端口MCU1-RXD 端口收到逻辑高电平信号，故从机在接收供电的同时将逻辑高电平信号加载在线路中传输给主机。

当从机通信处理芯片发送逻辑低电平的时候，即从机从发送端口MCU2-TXD 端口发送逻辑低电平信号，光藕IC2 原边有电流流过，故光藕IC2 副边导通，三极管Q3 的基极（B 极）电压拉高，三极管Q3发射极（E 极）、集电极（C 极）两端截止，光藕IC3 的原边没有电流流过，故光藕IC3 副边截止，从机的接收端口MCU2-RXD 端口收到逻辑低电平信号用以验证；同时由于从机从MCU2-TXD 端口发送逻辑低电平信号时，短暂地切断了主机给从机的供电，所以主机光藕IC1 原边没有电流流过，光藕IC1 副边截止，主机的接收端口MCU1-RXD 端口收到逻辑低电平信号，即在从机从发送端口MCU2-TXD 端口发送逻辑低电平信号时，主机从其接收端口MCU1-RXD 端口收到逻辑低电平信号，实现信号的传输。

2.4 电路的分析、测试与验证

在设计或评估通信电路时，首先要保证电路的功能。根据基尔霍夫电流定律，电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，即:

所以，当主机发送逻辑信号“1”时，即打开供电电路的电流开关Q2 时，从机IC3 的原边流过电流，同时IC3 副边导通，从机接收到逻辑电平“1”；当主机发送逻辑信号“0”时，即关闭供电电路的电流开关Q2 时，从机IC3 的原边没有电流，同时IC3 副边截止，从机接收到逻辑电平“0”；同理，当从机发送逻辑信号“1”时，即打开受电电路的电流开关IC2 时，主机的光藕IC1 的原边有电流流过，同时IC1 副边导通，主机接收到逻辑电平“1”；当从机发送逻辑信号“0”时，即关闭受电电路的电流开关IC2 时，主机IC1的原边没有电流，同时IC1 副边截止，主机接收到逻辑电平“0”。在主机和从机的信号接收端的信号开关IC1 和IC3 导通时，根据基尔霍夫电压定律，沿着闭合回路的所有电动势的代数和等于所有电压降的代数和，即=0，故主机和从机信号接收端的高电平信号电压与其对应的工作电压电平相似；在主机和从机的信号接收端的信号开关IC1 和IC3 截止时，根据戴维南定理，电压源的电压等于单口网络在负载开路时的电压，则主机和从机的信号接收端的低电平信号电压与其对应的参考地一致，电路的电压信号符合CMOS 电平标准，理论上电路功能正常。根据不同电力线的阻抗和不同频率下输出幅度的关系[14]，结合基于载波移相的定电压控制,在减小电压偏差的同时降低电流纹波,提高电能质量的方法[15]，基于电路中主从机数据位的传输情况，结合串口相关标准定义的数据格式及半双工通信的相关标准，在使用50 m 长的普通双绞线，波特率为1 000 bps的半双工模式通信的基础上，主机给从机的供电电压设置为+12 V，通过使用工作电压为+3.3 V 的单片机系统的主、从机和示波器监控主从机的发送端和接收端信号从而验证载波通信电路的功能。

当主机发送数据时，从机处于接收状态，主机发送的波形和从机接收的波形如图2 所示，其中通道1（CH1）为主机发送端信号，通道2（CH2）为从机接收端信号。

图2 主机发送及从机接收波形图

当从机发送数据时，主机处于供电及接收状态，从机发送的波形和主机接收的波形如图3 所示，其中通道1（CH1）为从机发送端信号，通道2（CH2）为主机接收端信号。

图3 从机发送及主机接收波形图

从示波器监测到的数据可以确定，当主或者从机发送数据时，对方从机或者主机能够及时、准确地接收到相关数据，而且在正常供电的前提下，主从机之间通信及时、稳定、可靠，而且在接下来的通信过程中，主机发出修改通信速率指令，整个通信系统在设置完成后以新的速率与主机建立通信链路[16]。最后还对搭建好的低压直流电力线载波通信系统进行传输速率和稳定性测试,通过示波器等仪器及实测结果也验证了该载波电路设计功能的可行性和可靠性，实现了数据包的传输，即基于低压直流载波通信电路实现了主、从机半双工模式的直流载波通信。

对通信电路而言，一个非常重要的性能指标就是通信距离。由于该电路使用电流信号作为线路信号传输的载体，而电流具有在线路传输过程中不随传输线路长度而发生信号衰减的特性，所以通信电路的有效距离为线路的电压通过线路线损后达到从机的工作电压以及线路的电流能够驱动从机的开关器件。根据欧姆定律，通信电路的电流和供电通信线路上的电压成正比，和供电通信线路上的阻抗成反比，即：

随着供电通信电路线路的有效距离增加，供电通信电路线路的阻抗增加，供电通信电路线路的驱动电流降低，同时从机的受电电压降低。为了增加供电通信电路线路的有效距离，通常可以考虑升高线路的传输电压，其次使用低阻抗的供电线路。假如使用+12 V 为供电通信电路线路电压，从机受电最低工作电压为+5 V，在供电通信电路线路的供电及驱动电流为20 mA 的前提下，那么线路阻抗可以达到0.6 kΩ,如果使用电缆外径7.7 mm 左右的普通双绞屏蔽型电缆STP-100 Ω/20 AWG，则理论供电通信电路线路的有效距离为：

考虑温、湿度对线路阻抗的影响，通常情况下，理论供电通信电路线路的有效距离可以达到理论值的一半。

通信电路的稳定性和可靠性主要依赖于通信质量的主要指标误码率。误码率是指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例，或者更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率。造成误码率的原因主要有两个：其一，电路软硬件配置导致时序抖动；其二，由干扰、损耗等引起的幅度减小。电路中光电耦合器、三极管等开关转换时间都在几个微秒，所以主从机在通信波特率在2 400 bps 及以下时，电路主观上解决了导致通信误码率的时许问题。客观上，通信线路受到外界环境的干扰，由于外界的干扰反应到线路中，绝大部分都是电压型干扰，而本电路使用电流信号作为线路信号传输的载体，所以即使线路中存在外接干扰，对线路的通信质量影响有限。为了模拟安装施工及使用过程中产生的干扰对通信质量的影响，在使用50 m 长的普通双绞线，波特率为1 000 bps的半双工通信模式下，当主机给从机供电并且和从机通信时，根据IEC61000-4-2（GB/T17626.2）静电放电抗干扰实验及IEC61000-4-4（GB/T17626.4）电快速瞬变脉冲群的抗扰度实验，对供电通信电路实施外界干扰，实验结果通过误码率的公式：

统计显示通信误码率低于0.1%，从而有效地验证了通信线路的通信质量，保证了通信电路的稳定性和可靠性。

通信电路的使用也要考虑其易用性和维护性。在双绞线连接的直流供电线路上需要区分正、负级，否则可能对供电线路以及设备产品造成不可逆的损坏[17]。该电路基于使用时安装、施工的快捷和简便考虑，从保证通信电路质量的角度出发，在从机的供电及通信的输入端增加整流桥BRIDI，实现两芯的供电及通信线路的无序安装和即插即用功能，充分考虑了通信电路的易用性和维护性。

3 结束语

直流电力线载波通信的方式以通信稳定、传输距离远、布线方便、维护简单等优点逐渐成为产品设备中各模块供电、通信的首选方式，文中介绍的半双工模式的直流载波电路具备电路简单、电子元器件少、故障低、成本低等优点，解决了目前直流载波技术抗干扰能力差，对电源要求高，电压需要相对稳定，电路成本高，负载变化及线损导致的线路电压波动造成的通信误码率很高的技术问题，非常适合在工商业领域的设备、产品中使用。