宽带电力线载波一体化嵌入式系统设计

孙业栋

（国网河北省电力有限公司营销服务中心，河北 石家庄 050000）

0 引 言

随着人们对数据传输需求的不断增加，传统的电力线通信技术已无法满足人们的要求[1]。文章提出一种宽带电力线载波一体化嵌入式系统，具有较高的带宽和稳定性，可以实现高效的数据传输。该系统不仅能提高电力线通信的速度和效率，还能降低成本，减少对环境的影响，并可以应用于其他领域，如智能家居、智慧城市等。

1 宽带电力线载波通信概述

宽带电力线载波通信技术是一种新型的无线通信技术，利用电力传输线路作为传播介质，实现对终端设备的数据传输。这种通信方式具有低成本、高可靠性以及高效率的特点，广泛应用于智能电网、物联网等方面。宽带电力线载波通信的基本原理是基于双模调制技术，将数字信号转换为二进制码，然后进行模数转换并发送到电力传输线路上。在接收端，通过解调器将带宽有限的载波信号提取出来，并将其转化为数字信号进行处理。相较于传统的无线电通信技术，宽带电力线载波通信无须建立独立的通信网络结构，可以充分利用现有的电力传输线路资源。电力传输线路具有抗干扰能力强、电磁辐射较小等特点，能提供更高的信道容量和更稳定的性能。然而，宽带电力线载波通信也存在一些缺陷，如功率限制和频率选择等问题[2]。

2 宽带电力线载波通信的特点

宽带电力线载波通信技术的主要特点包括以下5个方面。

第一，低功耗。由于电力传输的特殊性，需要在保证供电的同时尽可能减少功率消耗，因此宽带电力线载波通信技术必须具有极低的功耗特性。

第二，高可靠性。电力供应对人们的生活起着关键作用，因此宽带电力线载波通信技术必须具备较高的可靠性，能够保证通信的持续稳定。

第三，高效率。电力传输系统通常需要承载大量的数据流量，而宽带电力线载波通信技术可以实现高速的数据传输，提高数据传输效率。

第四，安全性。电力传输系统受各种安全威胁的可能性较大，如窃听、干扰及破坏等，因此宽带电力线载波通信技术必须具备较强的安全性能，保障数据的安全性和保密性。

第五，可扩展性和灵活性。电力传输系统往往需要不断进行升级改造，以适应新的通信需求和发展趋势，因此宽带电力线载波通信技术应该具备一定的可扩展性和灵活性，能够满足不同场景的应用需求[3]。

3 宽带电力线载波通信的关键技术

宽带电力线载波通信的关键技术包括信号传输技术和数据处理技术。

信号传输技术主要包括载波调制技术和载波解调技术。载波调制技术是将载波信号进行数字化或模数转换，以便后续的信号处理操作。载波解调技术则是对载波信号进行解码或还原，恢复出原始数据流。这2 种技术是实现宽带电力线载波通信的基础，也是整个系统的核心。

数据处理技术也是宽带电力线载波通信的重要组成部分。它主要负责对传感器采集的数据进行预处理、分析及存储，并对用户端的信息进行编码、解码及传输等。

除此之外，其他一些辅助技术也起着至关重要的作用。例如，电源管理技术能有效监测整个系统的供电状态；网络协议技术能确保不同设备之间的顺利通信；安全防护技术能保障系统运行的安全性[4]。这些技术的综合应用可以使宽带电力线载波通信系统更加高效、稳定、安全。

4 宽带电力线载波一体化嵌入式系统设计

4.1 总体硬件结构设计

宽带电力线载波一体化嵌入式系统的总体硬件结构如图1 所示，包括电源模块、通信模块、中继器模块以及控制模块。

图1 总体硬件结构

通信模块是整个系统的核心，负责接收并解码数据信号，然后将其发送到网络中。本研究的通信标准采用RS-485 协议，该协议具有低功耗、高可靠性以及易于实现等优点。同时，为提高系统的稳定性和健壮性，引入自适应功率控制技术来优化传输速率。

电源模块主要由电池组和充电电路组成，电池组采用锂离子聚合物电极材料制成，可将外部电源转换为适合的电压输出，以满足系统的供电需求。此外，电源模块可以监测电压波动情况，及时调整输出电压的大小。

中继器模块负责将来自电源模块的信号转换为电信号，并将电信号放大到足够强度，确保信号能覆盖整个小区。

控制模块主要包括主控芯片和外围器件。主控芯片用于处理数据、执行指令，并具备时钟管理、中断服务以及串口通信等功能。外围器件主要用于连接外部设备，如发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯泡、温度传感器等。

4.2 采集单元设计

为全面监测和控制电力系统，本设计采用基于双模数据采集的方式来实现数据采集。宽带电力线载波一体化嵌入式系统采集单元包括中央控制中心、计算机模块、显示器、控制器、存储器、通信电路以及电源供应设备等，整体架构如图2 所示。

图2 采集单元结构

该采集单元的优势在于采用双向传输方式，即双模信道。整个应用流程只需一个集中器就能实现，主站无须参与，有效提高了数据采集效率，且降低了系统的复杂度。

中央控制中心使用高性能硬件芯片S3C2440，可以将电力线宽带载波技术、红外通信技术、RS-485通信协议以及通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）有机结合，使控制中心与上级管理机构的信息交流更高效。

该采集单元使用嵌入式Linux 操作系统，具有多种I/O 接口，可以进行各种数据交换，有效提升数据处理能力[5]。通过将经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法与嵌入式软件相结合，实现高效的嵌入式计算。在数据处理过程中，采用多层过滤和去噪方法，以提高信号质量，并降低噪声干扰。通过嵌入式算法可以获得信号的频谱特性，实现对信号的有效检测和分类。

此外， 利用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）技术可实现高速的数据处理功能，加快数据处理速度。

4.3 通信单元设计

通信单元主要用于连接宽带电力线，通常由接收器、发射器、微处理器以及耦合电路组成。其中，接收器主要负责从电线上获取信号并进行解码处理；发射器将数据发送到电线；微处理器作为系统的核心部件，对数据进行编码和解码，并控制整个系统的工作流程；耦合电路则用于保证信号在不同频率范围内能正常传递。为提高数据传输效率，选择MAX2986 和MAX2980 模块作为发射器与接收器，W90N740 作为微处理器，并使用单片机技术进行耦合。随后，W90N740 处理器会根据MAX232 芯片的指令进行电平变换，从而实现有效的数据传输。这款32 位微处理器融合先进的嵌入式硬件技术，内置的高性能底层软件能准确识别宽带电力线载波的故障或风险，有效提升系统的稳定性和可靠性。通信单元整体设计如图3 所示。

图3 通信单元设计

宽带电力线载波通信的可靠性和稳定性对整个系统的运行至关重要。因此，采用一种有效的失效算法确保系统运行的可靠性和稳定性非常重要。同时，采取一些其他优化措施，如减小发射器输出功率、降低噪声干扰等，以提高系统的健壮性和抗干扰性。

5 结 论

文章设计了一种宽带电力线载波一体化嵌入式系统，其主要特点是能在宽带电力线上同时传输数据信号和电源信号，具有较高的可靠性和稳定性。该系统可以提高电力通信的速度和效率，降低成本，减少对环境的影响。实际应用中，为确保其性能的准确性和可靠性，还需要进行一系列测试。通过宽带电力线载波一体化嵌入式系统的设计，为未来的智能电网建设提供重要的技术支持，推动电力行业向好发展。