基于FSK_KQ100模块的低压电力载波通讯电路设计

第2卷第1期

2006年1月

沈阳工程学院学报(自然科学版)

JournalofShenyangInstituteofEngineering(NaturalScience)

Vol12No11Jan.2006

基于FSK-KQ100模块的低压电力载波通讯电路设计

田卫华1,王占元2,姜　凌1,齐晓轩3,郭永树1

(1.沈阳工程学院自动控制工程系,沈阳　110136;2.沈阳电力工程技术研究所,沈阳　110013;

3.沈阳大学信息工程学院,沈阳　110044)

摘　要:介绍了一种基于FSK-KQ100模块(载波调制解调模块)的低压电力载波通讯电路的设计.采用单片机与FSK

-KQ100模块直接接口,作为通讯的链路层;计算机采用RS232与单片机连接,通过与计算机的人机交互实现数据通讯

的应用层.

关键词:电力载波通讯;载波模块;单片机;串行异步通讯

中图分类号:TM727　　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　文章编号:1673-1603(2006)01-0044-03

　　电力线通信,简称PLC,是以电力网作为信道进行载波通信的一种有线通信方式.PLC与其他通信方式相比,能充分利用现有的电力线资源,即利用电力线进行通信,实现信息的传输.因此,电力线通信具有很好的开发前景和应用价值.

低压电力线载波通信,是自动抄表系统(集中抄表

系统)的一个至关重要的环节,其解决方案的优劣直接影响到系统的技术水平和实用性.但是,低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道,它传送着220V/50Hz的电能,存在着较大的干扰;同时,考虑到整个通信系统的安全,必须进行强电隔离.为此,提出了一种单片机控制的基于专用载波模块的通讯电路设计方法,其电路简单,安全实用,具有较强的抗干扰能力.

2　硬件设计

2.1　单片机

载波通讯控制的核心器件采用ATMEL公司生产的单片机AT89C2051,片内含2KBFlash可编程/擦除只读存储器和128字节的RAM.它是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器,与MCS-51单片机兼容.与其他单片机相比,AT89C2051没有P0和P2端口,因而外部引脚大大减少,封装尺寸减小

.

1　电路总体设计及工作原理

采用成都科强电子公司生产的FSK-KQ100载波调制解调模块,实现数据信号在电力线上的加载与分离.FSK即移频键控的呼叫方式,由于其信号具有较强的抗干扰能力,在电力线载波中得到了广泛应用.设计中,单片机与FSK-KQ100模块直接接口,作为通讯的链路层;计算机采用RS232与单片机连接,通过计算机的人机交互实现数据通讯的应用层.载波通讯的总体结构如图1所示.

采用串行异步通讯的方式,FSK-KQ100模块的最大传输距离为500m,适用于本地区域的通讯.

收稿日期:2005-05-15

作者简介:田卫华(1970-),女,沈阳人,讲师,硕士.

图1　载波通讯的总体结构

2.2　FSK-KQ100载波模块

该模块以低压电力线作为信号(数据)传输的媒

体.模块按电力部《低压电力用户集中抄表系统技术条件》标准进行设计和制造.信号或数据用50～350kHz之间的载波频率进行调频,此高频信号通过低压电力线向远方传送.模块外形如图2所示.

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第1期田卫华,等:基于FSK-KQ100模块的低压电力载波通讯电路设计45　

其中AC端为信号输入端,直接接在220V低压

电力线上;VAA为外接直流电源,可选用+5V～+15V,电压调高,发送功率大,信号传送距离远;+5V为模块内部电路工作电源,在415～515V范围内能正常工作;RX是数据接收端,HCMOS信号;TX是数据发送端,欲发向远端的信号或数据应从此端接入;R/T为控制端,高电平时为R接收,低电平时为T发送

.

图2　FSK-KQ100模块外形(底视)

模块主要技术指标如下:载波中心频率127kHz,212kHz;带宽4kHz～10kHz;接收灵敏度<2mV;传输速率1200bps,可下调.2.3　MAX232

由于在串行异步通讯时,单片机的串口接口电平全是TTL电平,若采用TTL电平在电缆上传输信息,一般不超过115m,采用RS232标准的串行接口,计算机发出的不是TTL电平,与单片机不匹配,为此,加入MAX232.其共有16个引脚,其中11和14,10和7,12和13,8和9内部分别相连.基本原理是13接收信号,转换成TTL/CMOS电平由12输出送至单片机内,再通过11进入MAX232,输出转换成EIA-232电平.其中8和13的电压范围为±30V;14和7的电压范围为-013V～013V,MAX232每个输入端有一个开始电压113V和滞后电压015V.RS232标准的最大传输速度为20kB/s,最大传输距离为15m.

3　数据通讯的实现

低压电力载波通讯的工作过程是在电力线的一端利用计算机将数据通过串口,经MAX232送至单片机,再经处理后通过载波模块FSK-KQ100加载到电力线上;在另一端利用载波模块从电力线上分离出数据,再经单片机处理后,发送至计算机,从而实现了用电力线进行数据通讯的目的.3.1　波特率设定

波特率为每秒传送的字符数和位数的乘积,它是反映通讯速度的重要指标.在设计中,单片机与计算机之间的通讯采用单片机本身的串口,波特率设定为300bps,单片机采用I/O口P313和P314作为模拟串口与KQ100相连,而模拟串口的波特率为500bps.两

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边的波特率不一致,是因为从计算机传过来的数据,存入缓冲区,再加上头、长度以及校验位,组帧后通过模拟串口,利用载波发送.帧格式为:

00X5(头)+0X口口(长度)+内容+校验很明显,每个“内容”成为帧后位数都变多了,为了把从计算机传来的数据及时传送出去,不让后来的数据刷新,所以在单片机两侧的波特率不同,模拟串口的波特率比单片机串口波特率大.3.2　串行异步通讯串行通讯节省口线,传输距离远,实现起来比较简单灵活,但工作速度较低,适于低速的通讯.设计的串行异步通讯是通过单片机控制的,采用了模拟串行通讯的实现方法,其特点是数据一位一位地依次传送.数据在发送时以字节为单位,每一个字节由起始位、数据位和停止位构成,其格式如图3所示.规定起始位用0”表示,终止位用“1”表示.不发送字节时,线路上就保持为1.接收时,首先要搜索定位起始位.由于电力线上的干扰信号很多,因此,对起始位应进行严格判别.这里模拟串口的波特率设为500bps,每位2ms,20μs查询一次,每位连续采样20次,其中连续15次以上为低电平,才判为起始位.在字节接受时,按位进行取舍,其定义为20次采样中有15次以上为高电平,即为高电平;有5次以下为高电平,即为低电平;否则,抛弃该字节,重新搜索起始位.

根据数据在2个节点之间的传送方向分为3种工作方式:单工、半双工和全双工方式.这里采用的是半双工的方式,即可以两个方向传送,只允许一个站点发送,一个站点接收

.

图3　发送字节格式

3.3　软件设计

软件设计采用C51语言编写,由主程序和若干子

程序组成.主要包括初始化、定时器中断子程序、串口中断子程序、数据发送子程序和数据接收子程序等.系统程序固化在AT89C2051片内程序存储器中.根据单片机两侧波特率的设定值,以及发送字节的最大长度,确定每300ms中断一次,进行数据处理、间隙载波发送打包,若无数据则不处理.主程序流程如图4所示.

“

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第2卷

4　结束语

当今的技术发展日新月异,全球不少重量级的公

司(例如Microsoft、Intellon、THOMSON、3COM、AMD等)都不惜高昂的研发费用,开发低压电力线资源.低压电力线作为一种新的通信载体,将在未来家庭网络技术方面发挥出不可替代的作用.

所叙述的基于FSK-KQ100模块(载波调制解调模块)的低压电力载波通讯电路已在实际测试中得到验证,其工作可靠,误码率低,具有很强的抗扰能力,可用于自动抄表系统.参考文献

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图4　主程序流程

Designoflowvoltagepowercarrierwavecommunicationcircuit

basedonFSK-KQ100module

TIANWei-hua1,WANGZhan-yuan2,JIANGLing1,QIXiao-xuan3,GUOYong-shu1

(1.DepartmentofAutomaticControlEngineering,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,China;

2.ShenyangInstituteofElectricPowerEngineering,Shenyang110013,China;

3.SchoolofInformationTechnology&ManagementEngineering,ShenyangUniversity,Shenyang110044,China)

Abstract:IntroducesakindoflowvoltagepowercarrierwavecommunicationcircuitdesignbasedonFSK-KQ100module(carrierwavemodemmodule).ConnectesdirectlysinglechipwithFsk-KQ100module,takesitaslinklayerofcommunication,computerconnectessinglechipbyRS232,realizestheapplicationlayerofdatacommunication.Keywords:powercarrierwavecommunication;carrierwavemodule;singlechip;asynchronousserialcommunication

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