《電子技術(shù)應(yīng)用》
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藍(lán)牙技術(shù)在遠(yuǎn)程電力線通信中的應(yīng)用
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第2期
賀良華, 史永樂
中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院, 湖北 武漢430074
摘要: 針對(duì)目前電力線通信PLC存在通信距離有限的問題,,提出了一種基于藍(lán)牙技術(shù)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的方案,。該方案以通用電力線載波通信芯片LM1893和藍(lán)牙模塊WRAP THOR 2022-1為核心,以AT89C51為主控單元設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程電力線載波通信系統(tǒng),,以解決音頻信號(hào)的跨變壓器傳輸問題,。硬件系統(tǒng)由8個(gè)模塊組成,并對(duì)系統(tǒng)整體的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì),,經(jīng)過軟硬件的雙重調(diào)試,,為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電力線通信提供了一種可行的方案。
中圖分類號(hào): TM73
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)02-0135-04
The application of Bluetooth technology in the remote power line communication
He Lianghua, Shi Yongle
College of Mechanical & Electronic Information,, China University of Geosciences,, Wuhan 430074,China
Abstract: As the current power line communication is limited in the short distance communication,, a system based on Bluetooth technology is proposed and designed for remote power line communication,, which, takes the universal power line carrier communication chips LM1893 and Bluetooth modules WRAP THOR 2022-1 as the core,,and uses the AT89C51 as the main control unit. The hardware of this system is consist of eight modules. The software of the whole system has also been designed. Through debugging,,the system is proved to be a feasible scheme for realizing the remote power line communication.
Key words : Bluetooth technology; remote; power line; communication


    電力供應(yīng)系統(tǒng)被劃分為三個(gè)等級(jí):高壓級(jí)(110 kV~380 kV),、中壓級(jí)(10 kV~30 kV)和低壓級(jí)(0.4 kV),,不同的電壓等級(jí)間通過變壓器互連,,目前低壓電力線通信(在一個(gè)變壓器范圍內(nèi))用得比較多,但通信距離有限,。對(duì)于主要用于數(shù)據(jù)通信的高載頻來說,,變壓器是一道“天然的”障礙,這就導(dǎo)致一個(gè)必然的隔離,,因此,要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信就必須解決高壓線與低壓線之間(跨變壓器)的信息傳輸問題[1],。隨著高性能電力線載波芯片的推出,使模擬信號(hào)(本文主要是指音頻信號(hào))轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)變成了現(xiàn)實(shí),,并且通過成熟的藍(lán)牙技術(shù),,可以使變壓器在遠(yuǎn)程電力線通信中不再是不可逾越的鴻溝。
    本文以藍(lán)牙技術(shù)和電力線載波技術(shù)為基礎(chǔ),,選用適當(dāng)?shù)墓δ苄酒O(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍電路,,以解決跨變壓器的信號(hào)傳輸問題,為遠(yuǎn)程電力線通信提供了一種可行的方案,。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)主要由音頻輸入,、電力線載波modem模塊、電力線接口電路,、A/D轉(zhuǎn)換模塊,、單片機(jī)控制模塊、藍(lán)牙收發(fā)模塊,、D/A轉(zhuǎn)換模塊及音頻輸出等部分組成, 如圖1所示,。

1.2 各個(gè)模塊主要組成
    (1)音頻輸入:主要進(jìn)行音頻信號(hào)的采集,利用語音信號(hào)編解碼芯片TLV320AIC10收集由話筒發(fā)送的音頻信號(hào)再加載到電力線載波modem模塊上[2],。
    (2)電力線載波modem模塊:采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的高性能電力載波芯片LM1893,。LM1893采用FSK調(diào)制解調(diào)方式,內(nèi)置自動(dòng)電平控制(ALC)電路及可選擇的脈沖噪聲濾波器,,傳輸出功率很容易提升10倍,,載頻范圍在50 kHz~300 kHz之間可任意選定,接收靈敏度達(dá)2 mV,,可驅(qū)動(dòng)任何常規(guī)電力線,,可以進(jìn)行半雙工數(shù)據(jù)通信。
    (3)電力線接口電路:電力線接口PLI(Power Line Interface)是電力線載波系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,,主要由保護(hù)電路,、選頻耦合電路,、隔離變壓器等組成,目的是把LM1893同電力線隔離,,在電力線上加載或析取信號(hào)。
    (4)A/D轉(zhuǎn)換模塊:由于數(shù)字信號(hào)在電力線上傳輸波形失真較大,,因此利用電力線傳輸模擬信號(hào)是最為普遍的。因?yàn)樗{(lán)牙模塊只能接收數(shù)字信號(hào),這就需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,,本系統(tǒng)中選用的是AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
    (5)單片機(jī)控制模塊:控制模數(shù)(數(shù)模)轉(zhuǎn)換模塊及藍(lán)牙收發(fā)模塊等,,選用的是Intel 公司的AT89C51單片機(jī),。
    (6)藍(lán)牙收發(fā)模塊:選用芬蘭BLUEGIGA公司推出的WRAP THOR 2022-1藍(lán)牙模塊,它是一款適合于短距離無線通信的射頻/基帶模塊,,集成度高,、功耗小[3]。
    (7)D/A轉(zhuǎn)換模塊:數(shù)字信號(hào)由藍(lán)牙接收模塊發(fā)送給單片機(jī)控制模塊,,再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)才能加載到電力線上最后到輸出端,。本文選用的是8 bit DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
    (8)音頻輸出:是音頻輸入模塊的逆過程,,利用語音信號(hào)編解碼芯片TLV320AIC10解碼D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬信號(hào)并將其輸出到耳機(jī),,至此完成了整個(gè)系統(tǒng)的音頻輸出。
1.3 系統(tǒng)功能
     如圖1所示,,在信號(hào)的發(fā)送端,音頻信號(hào)(模擬信號(hào))經(jīng)電力線modem LM1893調(diào)制為100 kHz以上的高頻調(diào)制信號(hào),,然后經(jīng)接口電路(含插頭、保護(hù)電路,、選頻耦合電路,、隔離變壓器等)進(jìn)入電力線。電力線modem與電力線隔離開,,以免受到瞬時(shí)過電壓的干擾,,并且具有讓高頻信號(hào)通過、同時(shí)過濾掉電力線上工頻信號(hào)的功能,,以此保證通信的質(zhì)量[4],。當(dāng)調(diào)制信號(hào)在電力線上進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、并傳輸?shù)阶儔浩鲿r(shí),,在變壓器的一側(cè)(信號(hào)發(fā)送端),,先通過電力線接口將調(diào)制信號(hào)傳到LM1893芯片,再將LM1893的音頻輸出連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D,,然后單片機(jī)將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送入藍(lán)牙發(fā)射模塊,;同時(shí),單片機(jī)將藍(lán)牙接收模塊接收到的數(shù)字信號(hào)送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào),,再經(jīng)LM1893調(diào)制成同樣頻率的高頻調(diào)制信號(hào),,然后經(jīng)接口電路進(jìn)入變壓器另一側(cè)的電力線(信號(hào)接收端),該調(diào)制信號(hào)經(jīng)過接收端的接口電路進(jìn)入LM1893并還原成原始模擬音頻信號(hào),,再由音頻輸出模塊輸出,,從而實(shí)現(xiàn)了跨變壓器的遠(yuǎn)程音頻信號(hào)傳輸,。上述過程全部在單片機(jī)的控制下完成。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 音頻輸入/輸出電路

    TLV320AIC10是TI公司推出的一款16 bit通用編解碼器,,非常適合應(yīng)用于有線調(diào)制解調(diào)器以及低碼率,、高質(zhì)量的語音壓縮、語音增強(qiáng)和語音識(shí)別與合成[5],。該電路主要完成音頻信號(hào)的采集和輸出,,如圖2所示,。

2.2 電力線載波modem模塊
    電力線載波modem LM1893采用18腳DIP封裝,, 由正弦波成形器、收發(fā)選擇控制器,、輸出功率放大器,、鑒相器、比較器,、限幅器,、RC低通濾波器、偏移抵消電路,、脈沖噪聲濾波器,、自動(dòng)電平控制電路ALC、鎖相環(huán)路(PLL),、電流控制振蕩器(ICO)及調(diào)制器(MOD)等部分組成,。圖3為L(zhǎng)M1893的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路[6]。在圖3中:
    (1)LM1893的收發(fā)控制腳(5腳)輸入高電平時(shí),,LM1893工作于發(fā)送模式,。89C51 CPU將數(shù)據(jù)從TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端輸送到LM1893的17腳,然后數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制器(MOD)調(diào)制后變成受控電流信號(hào),,送入電流控制振蕩器(ICO),,形成頻率受電流控制的三角波,再經(jīng)正弦波形成電路形成正弦波,,通過自動(dòng)電平控制(ALC)電路和輸出功率放大器(OUTPUT AMP)后輸出幅度穩(wěn)定,、頻率受調(diào)于輸入信號(hào)的正弦波信號(hào),從10腳輸出信號(hào),,經(jīng)選頻諧振網(wǎng)絡(luò)送入電力線中,。
    (2)當(dāng)LM1893的收發(fā)控制腳(5腳)處于低電平時(shí),LM1893工作于接收模式,。由電力線接口電路送來的高頻信號(hào)從10腳送入內(nèi)部限幅器經(jīng)過限幅放大和濾波后,,送入鎖相環(huán)路(PLL),解調(diào)后經(jīng)阻容低通濾波器進(jìn)行環(huán)路濾波,,進(jìn)入電平偏移抵消電路濾除直流分量,,經(jīng)比較器判別后得到數(shù)字信號(hào),,通過脈沖噪聲濾波器濾除脈沖尖峰干擾后從12腳輸出到89C51 CPU的RXD。發(fā)送/接收的載波頻率由相應(yīng)的外圍元件參數(shù)確定,,改動(dòng)這些參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)載波頻率的大小,。

2.3 電力線接口電路
    電力線接口電路主要由保護(hù)電路、選頻耦合電路,、隔離變壓器等組成,,其中信號(hào)耦合電路如圖4所示[7]。
    信號(hào)耦合網(wǎng)絡(luò)采用磁芯變壓器,,既實(shí)現(xiàn)了隔離傳輸,,又能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,還可做成諧振回路,,以削減頻帶外的干擾并衰減尖峰[8],。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路
    在本系統(tǒng)中,89C51的P0口與AD574的低8位和74LS737相接,一方面讀取A/D變換后的數(shù)據(jù),,同時(shí)通過74LS737發(fā)送控制信號(hào)控制A/D574的運(yùn)行[9],。轉(zhuǎn)換過程的結(jié)束與否可采用中斷方式控制,也可設(shè)定為查詢方式,。本系統(tǒng)采用的是中斷方式,,以AD574的STS為中斷請(qǐng)求信號(hào)接至AT89C51的INT0腳,當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,,STS變?yōu)榈碗娖?,AT89C51響應(yīng)中斷,轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完再回到原來狀態(tài),,等待下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束,,如圖5所示[10]。

2.5 藍(lán)牙收發(fā)模塊
    藍(lán)牙技術(shù)是一種新型的短距離無線通信技術(shù)[11],。本文中所介紹的藍(lán)牙模塊WRAP THOR 2022-1包含5個(gè)功能模塊:射頻補(bǔ)充控制單元,、藍(lán)牙核心芯片組、閃存,、電源管理模塊,、時(shí)鐘,其系統(tǒng)框圖如圖6所示,。

    單片機(jī)和藍(lán)牙模塊可以通過USB,、UART和RS_232接口來連接,本設(shè)計(jì)中采用UART接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)89C51與藍(lán)牙模塊的連接[12]。藍(lán)牙模塊的RXD和TXD端分別接單片機(jī)的TXD和RXD端,,利用藍(lán)牙芯片的無線收發(fā)功能來解決信號(hào)跨變壓器傳輸?shù)膯栴};利用藍(lán)牙芯片有串行接口的特點(diǎn),,將音頻信號(hào)經(jīng)過一系列調(diào)制傳送到藍(lán)牙的音頻接口,再由發(fā)送芯片送往接收芯片,最后傳送到音頻放大器上,。
2.6 D/A轉(zhuǎn)換模塊
    為了將藍(lán)牙接收芯片的數(shù)字信號(hào)送到電力線上,,D/A轉(zhuǎn)換電路需要D/A轉(zhuǎn)換電路。本文選用DAC0832芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,,其轉(zhuǎn)換電路如圖7所示[13],。圖中使用了運(yùn)算放大器LM324A將DAC0832的電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出[14]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要分音頻輸入/輸出模塊,、電力線modem模塊兩部分,,其組成框圖如圖8所示。

    音頻輸入/輸出模塊軟件包括初始化和數(shù)據(jù)的收發(fā),。電力線modem模塊的軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)LM1893接口進(jìn)行初始化,。
    本文以藍(lán)牙技術(shù)和電力線載波通信技術(shù)為手段,通過選用適當(dāng)?shù)墓δ苄酒霸O(shè)計(jì)相應(yīng)功能電路,,同時(shí)經(jīng)過硬,、軟件的雙重調(diào)試,為實(shí)現(xiàn)在電力線上遠(yuǎn)程音頻信號(hào)傳輸提出了一種可行方案,。
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