利用数字信号控制器实现稳健的 PLC 通信
2010-12-20 14:16:55
来源：半导体器件应用网
电力线通信（PLC）可以利用现有基础设施提供低成本的网络。数字信号控制器为 PLC 网络提供维持稳健信号所需的高级处理性能，其运行开销和片上外设可进一步降低系统成本。下文将对此作进行详细介绍。
在环境非常恶劣的工厂或室外经常能见到照明、测量和其他控制应用，但在这些地方的网络通信若不采取常规方法则变得异常困难。因为恶劣的环境不仅对信号有相当大的干扰，而且在许多情况下，如果还没有专用通信布线的话，安装费用也非常昂贵。因此，建立控制网络通信的最佳介质将是无处不在的电力线。
PLC 是各种网络工业、公共事业和商业应用中的监控网络的理想解决方案。然而为了达到较高的效率，PLC 必须具备成本效益和稳健性。而要实现这些性能，系统开发人员可以借助于数字信号控制器所提供的强大性能和集成度。
与使用专用传输线的传统网络不同，PLC 网络可以通过现有的低压、中压和高压电力线在数公里范围内收发数据。基于高性能数字信号处理器（DSP）技术的数字信号控制器可在恶劣环境中的全规模网络上实现可靠的 PLC 吞吐量，使其能够监控所有的网络节点。
高度集成的控制器还能降低系统成本和易于适应不断变化的网络需求。在工厂、公共事业分布系统、办公建筑群、矿山、海底电缆和其他恶劣环境中，数字信号控制器都可以在实时监控所需速率下支持高效的 PLC 传输。
单芯片 modem 和应用软件
在许多监控应用中，成本是首要考虑因素，因此这时系统的集成度越高越好。PLC 系统功能可以被分成三部分：模拟前端（AFE）、调制解调器（modem）以及测量或控制应用软件。AFE 主要用于接收和驱动信号，并将信号从电力信号中分离出来；modem 则使用特定的频率和键控技术对通信信号进行调制和解调。虽然很多设计方案中的 modem 和应用软件采用不同的控制器，但数字信号控制器带给 PLC 设计的一个重要好处是其可以在单个器件中集成 modem 和应用软件。
位于数字信号控制器核心的 DSP 可提供比价格相当的 RISC MCU 强得多的运算性能，这些性能足以用来执行 modem 和应用软件。另外，片上外设是针对控制需求特别选取的，其提供的是一种系统解决方案。数字信号控制器的性能和集成度可以减少元件使用数量和电路板空间，这对诸如可调光照明镇流器、电子表和电机驱动器等成本敏感的应用非常有利。另外，DSP 的可编程性使得系统能更好地适应环境干扰，从而提高传输的可靠性，而 DSP 的额外 MIPS 性能还可以用来增加功率因数补偿等功能，从而使终端产品具有更高的能效。
稳健的通信
由于典型的 PLC 使用环境比较恶劣，因此传输必须高度稳健。在多种能传送位的物理层调制方案中，有两种特别适合工业监视和控制的方案，即频移键控（FSK）和二元相移键控（BPSK）。由于该两种方案都不依赖电力信号作为载波，因此可以用在任何频率、任何电压值的 AC 和 DC 电力线上。而当节点的供电中断时，只要控制通信电路的独立供电不间断，FSK 和 BPSK 还能照常工作。
FSK 采用两个不同的频率发送信号，电平“1”时用 74kHz，电平“0”时用 63.3kHz；而 BPSK 则采用相同频率发送“1”和“0”，其相位差为 180 度。监控通信常用标准是 CEA179，其指定 BPSK 发送频率为 131.5kHz，波特率是 5.5kbps 或每个码元 24 个周期。虽然 CEA-179 没有对 FSK 加以规范，但它完全兼容该标准的协议栈，因此也可以使用 CEA-179 进行传输。在满足系统限制的前提下，数字信号控制器可以通过改变传输频率来避开干扰，从而提高通信性能。
图 1 是专为可靠性进行设计的 CEA-179 数据包格式。该数据包和位的边界是用于位同步的 24 位向量，后面是指示数据起始位的 11 位字同步信号。发送器将每 8 位指令编码成一个 11 位的字，在接收器侧再将其解码并移位至存储器缓存。在 PLC 中，指令数据还增加了 16 位的循环冗余校验码（CRC），EOP 则使用重复的 11 位字进行识别。因此，CEA-179 协议与 BPSK 和 FSK 的结合可确保稳健的 PLC 传输，并能为多节点的实时控制提供足够的带宽。
PLC 设计
下面给出了使用数字信号控制器直接实现 PLC 的设计实例。图 2 是用于诸如可调光镇流器等应用的 AC 环境下的 PLC 通信与控制系统框图。AFE 接收器-发送器位于图的左边，modem 和应用软件算法运行在中间的控制器上，右边则包含了应用电路。例如在一个电流解决方案中，一个测量芯片与 C2000 相连。测量芯片执行测量功能，C2000 使用 PLC 发送测量数据。虽然本文重点放在 FSK 调制方面，但相同设计经过 AFE 和控制算法方面的少许修改也可以用于 BPSK。
上述设计中使用的数字信号控制器是一个带 DSP 内核的器件，该内核工作在 100MHz 时可提供 100MIPS 的性能。在一个普通应用中，约 45MIPS 用于 modem，余下约 55MIPS 可用来运行应用软件。在 34KB 片上闪存和一次性可编程存储器中，12KB 用于 modem 代码；12KB 的数据存储器中的 5KB 用于 modem；其余的存储器空间则全部用于应用软件。控制器还提供 6 个带独立定时器的脉宽调制（PWM）输出，可用于 modem 和应用软件的信令传输。12 位 ADC 使用单通道对所接收的信号进行采样，剩余的 15 个通道则处于空闲状态。数字信号控制器还提供了 SPI 和 SCI 接口用于本地通信，另外还有 30 多个通用 I/O 通道。
在环境非常恶劣的工厂或室外经常能见到照明、测量和其他控制应用，但在这些地方的网络通信若不采取常规方法则变得异常困难。因为恶劣的环境不仅对信号有相当大的干扰，而且在许多情况下，如果还没有专用通信布线的话，安装费用也非常昂贵。因此，建立控制网络通信的最佳介质将是无处不在的电力线。
PLC 是各种网络工业、公共事业和商业应用中的监控网络的理想解决方案。然而为了达到较高的效率，PLC 必须具备成本效益和稳健性。而要实现这些性能，系统开发人员可以借助于数字信号控制器所提供的强大性能和集成度。
与使用专用传输线的传统网络不同，PLC 网络可以通过现有的低压、中压和高压电力线在数公里范围内收发数据。基于高性能数字信号处理器（DSP）技术的数字信号控制器可在恶劣环境中的全规模网络上实现可靠的 PLC 吞吐量，使其能够监控所有的网络节点。
高度集成的控制器还能降低系统成本和易于适应不断变化的网络需求。在工厂、公共事业分布系统、办公建筑群、矿山、海底电缆和其他恶劣环境中，数字信号控制器都可以在实时监控所需速率下支持高效的 PLC 传输。
单芯片 modem 和应用软件
在许多监控应用中，成本是首要考虑因素，因此这时系统的集成度越高越好。PLC 系统功能可以被分成三部分：模拟前端（AFE）、调制解调器（modem）以及测量或控制应用软件。AFE 主要用于接收和驱动信号，并将信号从电力信号中分离出来；modem 则使用特定的频率和键控技术对通信信号进行调制和解调。虽然很多设计方案中的 modem 和应用软件采用不同的控制器，但数字信号控制器带给 PLC 设计的一个重要好处是其可以在单个器件中集成 modem 和应用软件。
位于数字信号控制器核心的 DSP 可提供比价格相当的 RISC MCU 强得多的运算性能，这些性能足以用来执行 modem 和应用软件。另外，片上外设是针对控制需求特别选取的，其提供的是一种系统解决方案。数字信号控制器的性能和集成度可以减少元件使用数量和电路板空间，这对诸如可调光照明镇流器、电子表和电机驱动器等成本敏感的应用非常有利。另外，DSP 的可编程性使得系统能更好地适应环境干扰，从而提高传输的可靠性，而 DSP 的额外 MIPS 性能还可以用来增加功率因数补偿等功能，从而使终端产品具有更高的能效。
稳健的通信
由于典型的 PLC 使用环境比较恶劣，因此传输必须高度稳健。在多种能传送位的物理层调制方案中，有两种特别适合工业监视和控制的方案，即频移键控（FSK）和二元相移键控（BPSK）。由于该两种方案都不依赖电力信号作为载波，因此可以用在任何频率、任何电压值的 AC 和 DC 电力线上。而当节点的供电中断时，只要控制通信电路的独立供电不间断，FSK 和 BPSK 还能照常工作。
FSK 采用两个不同的频率发送信号，电平“1”时用 74kHz，电平“0”时用 63.3kHz；而 BPSK 则采用相同频率发送“1”和“0”，其相位差为 180 度。监控通信常用标准是 CEA179，其指定 BPSK 发送频率为 131.5kHz，波特率是 5.5kbps 或每个码元 24 个周期。虽然 CEA-179 没有对 FSK 加以规范，但它完全兼容该标准的协议栈，因此也可以使用 CEA-179 进行传输。在满足系统限制的前提下，数字信号控制器可以通过改变传输频率来避开干扰，从而提高通信性能。
图 1 是专为可靠性进行设计的 CEA-179 数据包格式。该数据包和位的边界是用于位同步的 24 位向量，后面是指示数据起始位的 11 位字同步信号。发送器将每 8 位指令编码成一个 11 位的字，在接收器侧再将其解码并移位至存储器缓存。在 PLC 中，指令数据还增加了 16 位的循环冗余校验码（CRC），EOP 则使用重复的 11 位字进行识别。因此，CEA-179 协议与 BPSK 和 FSK 的结合可确保稳健的 PLC 传输，并能为多节点的实时控制提供足够的带宽。
PLC 设计
下面给出了使用数字信号控制器直接实现 PLC 的设计实例。图 2 是用于诸如可调光镇流器等应用的 AC 环境下的 PLC 通信与控制系统框图。AFE 接收器-发送器位于图的左边，modem 和应用软件算法运行在中间的控制器上，右边则包含了应用电路。例如在一个电流解决方案中，一个测量芯片与 C2000 相连。测量芯片执行测量功能，C2000 使用 PLC 发送测量数据。虽然本文重点放在 FSK 调制方面，但相同设计经过 AFE 和控制算法方面的少许修改也可以用于 BPSK。
上述设计中使用的数字信号控制器是一个带 DSP 内核的器件，该内核工作在 100MHz 时可提供 100MIPS 的性能。在一个普通应用中，约 45MIPS 用于 modem，余下约 55MIPS 可用来运行应用软件。在 34KB 片上闪存和一次性可编程存储器中，12KB 用于 modem 代码；12KB 的数据存储器中的 5KB 用于 modem；其余的存储器空间则全部用于应用软件。控制器还提供 6 个带独立定时器的脉宽调制（PWM）输出，可用于 modem 和应用软件的信令传输。12 位 ADC 使用单通道对所接收的信号进行采样，剩余的 15 个通道则处于空闲状态。数字信号控制器还提供了 SPI 和 SCI 接口用于本地通信，另外还有 30 多个通用 I/O 通道。
本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载，否则将严格追究法律责任；
暂无评论