摘? 要： 介紹了基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻電力線載波" title="電力線載波">電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路燈塔的自動(dòng)控制。給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方法,并介紹了可推廣應(yīng)用的場(chǎng)合,。

　　關(guān)鍵詞: CEBus總線? 擴(kuò)頻? 電力線載波

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1 系統(tǒng)介紹

　　鐵路沿線的各站點(diǎn)都裝設(shè)有用于照明的大型燈塔。目前對(duì)燈塔的控制一般采用集中控制方式,在控制室中使用多個(gè)閘刀對(duì)燈塔進(jìn)行一對(duì)一控制,。因燈塔和控制室常位于鐵路兩側(cè),所以施工較困難,而且電纜的投資大,自動(dòng)化水平也不高,。采用電力線載波通信技術(shù),在現(xiàn)成的電力線路上傳輸數(shù)據(jù),無(wú)需裝設(shè)通信線路,也不占用無(wú)線通信頻道資源,可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。但由于電力線上存在高衰減,、高噪聲,、高變形等問(wèn)題,它不是一個(gè)理想的通信媒介。因此要在電力線上實(shí)現(xiàn)可靠的載波通信,必須選用基于擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng)的電力線載波專用Modem芯片來(lái)設(shè)計(jì)鐵路燈塔控制系統(tǒng),。

　　鐵路燈塔控制系統(tǒng)由一個(gè)主站和若干個(gè)子站構(gòu)成,主站和子站掛接在單相或三相低壓電力線上,。主站安裝于控制室內(nèi),子站安裝于各燈塔底座的控制箱內(nèi)。主站和子站以擴(kuò)頻電力線載波通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,。

????系統(tǒng)中主站和子站的載波通信網(wǎng)絡(luò)接口控制器選用美國(guó)Intellon公司的SSCP300芯片,。該芯片是一個(gè)高度集成的電力線收發(fā)器和信道存取接口,提供了CEBus(用戶電子總線)總線標(biāo)準(zhǔn)。CEBus是EIA(美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì))制定并頒布的一種通信標(biāo)準(zhǔn),目前為EIA-600,。CEBus標(biāo)準(zhǔn)是一種應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放式通信協(xié)議,采用節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的通信方式,數(shù)據(jù)傳輸速率為10kbps,。CEBbus協(xié)議采用ISO/OSI協(xié)議中的四層:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,。一個(gè)CEBus信息由報(bào)頭和數(shù)據(jù)包組成,如圖1所示。報(bào)頭是載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CDCR)協(xié)議的一部分,發(fā)送方用它來(lái)監(jiān)聽(tīng)傳輸介質(zhì)中是否有其它發(fā)送方占用信道,以獲取對(duì)傳輸通道的控制權(quán),。CEBus采用擴(kuò)頻載波(SSC)技術(shù),形成“Chirp”掃頻信號(hào),對(duì)報(bào)頭采用ASK調(diào)制,數(shù)據(jù)包采用PRK調(diào)制,頻率范圍為100kHz～400kHz,。

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2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主站及子站的硬件結(jié)構(gòu)

　　主站及子站的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　主站以PIC16F877單片機(jī)為核心,，由指示,、鍵盤,、RS232接口、在線編程接口,、通信接口" title="通信接口">通信接口等單元組成,。指示單元用74LS164串/并轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn),接到PIC16F877單片機(jī)的RB5和RB4引腳。鍵盤單元用74LS165并/串轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn),接到PIC16F877單片機(jī)的RA3,、RA4和RA5引腳,。主站定義了具有如下功能的按鍵:(1)一個(gè)燈塔的東西南北燈組選擇;(2)子站地址選擇;(3)鎖鍵盤;(4)運(yùn)行命令。在線編程接口單元利用PIC16F877單片機(jī)的/MCLR,、RB3,、RB6、RB7四個(gè)引腳對(duì)CPU的在系統(tǒng)程序及定值進(jìn)行修改,。主站利用MAX202實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS232通信接口,可與上位監(jiān)控PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,也可外接Modem來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信,。

　　子站由PIC16F877單片機(jī),、指示,、在線編程接口、固態(tài)繼電器出口,、地址編碼,、通信接口等單元組成。地址編碼用于設(shè)置本子站的地址碼,用一個(gè)八位開(kāi)關(guān)與PIC16F877單片機(jī)的RD口連接,共有256個(gè)編碼,。每個(gè)子站裝有四個(gè)固態(tài)繼電器,用于開(kāi)啟和關(guān)閉一個(gè)燈塔的東西南北四個(gè)方向的燈組,。

2.2 通信接口

　　主站和子站的通信接口原理如圖3所示。

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　　SSCP300網(wǎng)絡(luò)控制器提供了一個(gè)與SPI兼容的主處理器接口,將PIC16F877的RC3(SCK),、RC4(SDO),、RC5(SDI)引腳定義為用于SPI串行通信,分別與SSCP300的SCLK、SDI,、SDO連接,。SSCP300的片選信號(hào)/CS、復(fù)位信號(hào)/RST及中斷信號(hào)/INT分別連接至PIC16F877的RB3,、RB2及RB1引腳,。由SSCP300產(chǎn)生的“Chirp”波形輸出到其SO管腳,經(jīng)放大、三級(jí)濾波,、SSCP111媒介接口IC放大后,被傳輸?shù)诫娏€耦合電路并送至電力線,。由電力線經(jīng)耦合電路來(lái)的“Chirp”波形經(jīng)無(wú)源六級(jí)LC構(gòu)成的濾波器后,被傳輸?shù)絊SCP300的SI引腳。耦合電路采用鐵氧體磁環(huán)作為耦合變壓器的磁芯,變比為1：1,初次級(jí)線圈的匝數(shù)均為7,。采用TVS來(lái)抑制較大幅度或較大加速度的瞬間電壓,。

3 軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),主要包括初始化模塊、輸出控制模塊,、鍵盤掃描模塊,、通信模塊等,。整個(gè)軟件分為主站軟件和子站軟件兩部分。下面以通信模塊軟件的設(shè)計(jì)為例來(lái)說(shuō)明程序設(shè)計(jì)方法,。

　　SSCP300向與之連接的PIC16F877單片機(jī)提供CEBus服務(wù),。PIC16F877單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)SSCP300進(jìn)行初始化、層信息設(shè)置,、數(shù)據(jù)鏈路的存取控制設(shè)置等操作,。完成以上步驟后,可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

PIC16F877單片機(jī)與SSCP300間各種形式的數(shù)據(jù)交換由控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn),。常用的控制命令,、十六進(jìn)制碼及功能如表1所示。一般情況下,命令后緊跟數(shù)據(jù)長(zhǎng)度" title="數(shù)據(jù)長(zhǎng)度">數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,接著為數(shù)據(jù)信息,。

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3.1 SSCP300的初始化

　　當(dāng)電源接通或執(zhí)行復(fù)位命令時(shí),SSCP300將執(zhí)行一個(gè)內(nèi)部診斷和建立序列,。直到此序列被執(zhí)行完畢,命令才能被送至SSCP300。在對(duì)SSCP300進(jìn)行初始化之前,PIC16F877要完成I/O口的初始化,、片內(nèi)RAM初始化以及SPI接口的初始化,。

3.2 層信息設(shè)置

　　初始化完成后可進(jìn)行層信息設(shè)置。層信息設(shè)置的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為7個(gè)字節(jié),字節(jié)0為控制方式,一般設(shè)為數(shù)據(jù)鏈路(DLL)方式;字節(jié)1為組地址的低八位;字節(jié)2為組地址的高八位;字節(jié)3為設(shè)備地址的低八位;字節(jié)4為設(shè)備地址的高八位;字節(jié)5為系統(tǒng)地址的低八位;字節(jié)6為系統(tǒng)地址的高八位,。在設(shè)置地址時(shí)應(yīng)注意某些段內(nèi)的地址為保留地址,不要使用,如0x0000為廣播地址,。

　　在層信息設(shè)置的過(guò)程中,首先單片機(jī)向SSCP300寫入LW命令及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度“0X07”,然后確定好0～6字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。層信息設(shè)置完成后,應(yīng)用LR命令讀回,判斷讀回信息與寫入信息是否一致,。如果一致則說(shuō)明設(shè)置成功,否則應(yīng)重新初始化后再設(shè)置層信息,。

3.3 數(shù)據(jù)鏈路存取控制設(shè)置

　　若節(jié)點(diǎn)之間的通信采用地址應(yīng)答方式ADRACK或地址非應(yīng)答方式ADRUACK,則應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路存取控制設(shè)置,由命令WRS-46來(lái)實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1?？稍O(shè)置的內(nèi)容為:(1)在主處理器的每個(gè)發(fā)送期內(nèi)需要發(fā)送ADRUACK的次數(shù);(2)在信道間存取的時(shí)間;(3)對(duì)于ACK和ADRUACK,是否需要嘗試多信道存取,。

3.4 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

　　數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由命令PT和PR來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)送出PT命令后,接著送出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,、控制域,、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備和系統(tǒng)地址、源節(jié)點(diǎn)的設(shè)備和系統(tǒng)地址,、數(shù)據(jù)信息等,。應(yīng)答或非應(yīng)答通信方式由控制域決定。源節(jié)點(diǎn)地址應(yīng)和初始化的地址一致,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不超過(guò)32字節(jié),。發(fā)送完成后應(yīng)讀回標(biāo)志位,判斷是否發(fā)送成功,。當(dāng)SSCP300接收到有效數(shù)據(jù)幀時(shí),將向單片機(jī)提供一個(gè)中斷信號(hào),單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)后發(fā)出PR命令,讀回SSCP300接收到的數(shù)據(jù)幀,其格式與發(fā)送數(shù)據(jù)幀類似。接收完成后也應(yīng)進(jìn)行正確性判斷,。

　　基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統(tǒng)采用“Chirp”方式進(jìn)行載波,實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信信號(hào)的擴(kuò)頻;以低壓電力線作為通信媒介,免去了構(gòu)建新的通信信道的不便,具有通信速度快,、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),。該技術(shù)還可應(yīng)用在自動(dòng)抄表系統(tǒng),、智能大廈,、智能小區(qū)以及一些干擾大、布線困難的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中,。

　　由于電力線不是一種理想的通信媒介,所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn):(1)電力線載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送,。若要跨越變壓器區(qū)域范圍,則應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)雙耦合節(jié)點(diǎn)。(2)信號(hào)在電力線上傳輸存在衰減問(wèn)題,一般信號(hào)的衰減隨著傳輸距離的增加而增加,?？刹捎锰岣咻d波信號(hào)功率、三相耦合,、中繼等方式來(lái)解決,。(3)電力線上存在高噪聲。(4)電力線網(wǎng)絡(luò)會(huì)引起數(shù)據(jù)信號(hào)變形,。

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參考文獻(xiàn)

1 SSCP300 PL Network Interface Controller Technical Data Sheet. Intellon Corporation,， 1998

2 SSCP111 PL Media Interface IC Technical Data Sheet.?Intellon Corporation， 1998

3 PIC16F8XX Technical Data Sheet. Microchip Corporation,，?2000

4 Website： www.microchip.com