电力线载波家电网络控制系统的设计与实现

1　引　言
　    家电网络控制是多个家用电器连网远程控制，实现家务劳动和家庭管理的高度自动化，是家电自动化系统的发展方向之一。

　    家用电器如何组网进行数据通信，是家电网络控制的一个重要问题。如果利用传统的铺设专门电缆线的方法，则这些电缆线的安装和维护费用较高，而且不能方便地分支或连线。在所有的通信方式中，电力线载波通道是最直接、最经济的通信媒介，但电力线存在各种电磁干扰，必须采取有效手段加以排除后才能利用。本文介绍利用电力线MODEM芯片LM1893，采用电力线载波形式，设计出可靠的家电网络控制系统，对位于同一配电变压器范围内的多路家用电器进行远程开关控制。

2　系统组成及工作原理
　    系统组成及原理框图如图1所示。系统由一个主控单元、220V的电力线传输通道和若干并接在电力线上的受控单元组成。
 

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图1　系统组成及原理框图

       主控单元主要由控制电路及调制器等组成。控制界面是4×4的键盘，键盘上的数字键是0～9号受控电器的地址，键盘上的功能键（ON、OFF、ALLOFF、RST）是对受控电器实现开／关、全开／全关和复位的状态控制功能。控制电路对按键进行编码，输出编码信号通过调制器变成高频信号，调制载波频率根据电力线的频率特性一般选择在（40～600）kHz范围之内，本系统中调制频率选择为160kHz，方式为频率调制。受调后的高频信号经放大、滤波后，由耦合电容送入电力线传送。

　    受控单元主要由选频放大、解调、地址判别及执行电路和受控的家用电器组成。由电力线传送来的调频信号经耦合电容，首先进入选频放大级，放大后的调频信号经解调后，再进行译码和地址判别。如编码信号不是发给本地址单元的，则执行电路不执行任何命令。当编码信号中地址与本受控单元地址相同时，则执行电路将执行编码信号中的状态控制功能，继电器作吸合或释放动作，实现对目标电器负载的开／关控制。

3　电力线MODEM芯片LM1893及应用电路简介
　    LM1893为美国国家半导体公司生产的专用于电力线上传输数据的MODEM芯片，可进行半双工的数据通信。发送数据时，基带数据对载波进行FSK调制，已调载波再经过片内功率驱动器加到电力线中；接收时由于采用基于锁相环的解调器和针对脉冲噪声干扰设计的脉冲噪声滤波器，使接收信号的动态范围很宽，灵敏度极高。

　    LM1893典型应用电路如图2所示。第5脚TX／RX是收发状态控制脚：接高电平为发射状态，接低电平为接收状态。发射时，待发数据由第17脚输入，控制LM1893内部的流控振荡器产生中心频率约为160kHz的FSK信号，经放大后从第10脚输出，耦合至电力线上。接收时，电力线传来的FSK信号经高压耦合电容和变压器组成的高通滤波环路之后，再经LC并联谐振回路选频，，由LM1893的第10脚输入，经内部锁相、滤波，转换成“1”、“0”数据，由第12脚输出。第12脚设计成集电极开路，可直接与TTL、CMOS电路接口。通过调节5K可调电阻，LM1893的中心频率可在50～300kHz范围内选择。
  

          
图2　LM1893的典型应用电路

4　主控单元电路设计
4．1　控制电路设计
4．1．1　硬件设计
　    用户通过按键控制电器开关动作。例如，顺序按下“ON”、“7”两键，实现第7号电器开的动作。按下“ALLON”功能键，实现0～9号电器全开。四位LED显示相应功能和数字信息。

       控制电路硬件结构如图 3 所示。该电路功能主要由专用键盘及显示接口电路 8279 完成。 8279 的片选CS由 89C52 的 P2 . 7 控制，使 8279 的地址高位为零。 74IJS373 对地址低位锁存，作为 82

79 的 AO 信号。 8279 设置为编码扫描方式． 74LS138 对扫描信号译码，由两个 74IJS245 分别为数码管的段驱动和位驱动。按键信号 IRQ 经反相整形后作为 89C52 的外中端 INTO 输人。
     

    
        
4．1．2　软件设计
　 软件设计结构如图4所示。当有键盘按下时，产生中断INT0，在中断服务程序中读入键值，将键值转化为键盘编号，存入89C52的内部RAM中，并在RAM的特定单元中设置特定的数字，作为数据来源存于8279的标志位。主程序一旦查询到有按键标志位，进行键盘信息处理，先根据功能键的不同，转入相应的程序分支，并发送相应的控制代码。

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4．2　电力线载波调制电路
　 电力线载波调制电路如图5所示。将LM1893的典型应用电路中LM1893的5脚接高电平，置为发射信号状态。外接编码芯片PT2262即可。

                        
       PT2262编码器的D0～D3端输入主控单元的89C52产生的4位控制代码，TE端是发送控制端，低电平有效。PT2262对控制代码进行编码，从DO端串行输出代表D0～D3输入状态的数据流，与LM18 93的17脚相连，将从89C52送出的控制信号经LM1893调制处理后发出载波信号，再经中频变压器及耦合电容送到电力线发送。另外，PT2262的A0～A5是地址码输入，可编成“1”、“0”、“开路”三种状态，用于对接收端多个电器的识别。只有当接收端的解码器编制地址与发送端的编码器PT2262的A0～A5编址完全相同时，信息才被接收。

5　受控单元电路设计
　 受控单元的作用是将电力线上的高频信号经耦合、选频放大后再进行解调，地址译码后对受控电器进行状态控制。

5．1　电力线载波解调电路
　    将LM1893的典型应用电路中LM1893的5脚接地，置为接收信号状态，外接解码芯片PT2272即可，电力线载波解调电路如图6所示。
  

                        
      由电力线传送来的调频信号经选频放大，由LM1893解调，解调后的信号由LM1893的12脚输出到解码器PT2272。若经编制PT2272的A0～A5地址输入状态与发射端PT2262所设地址状态完全相同，收发地址匹配，这样解调后信号才能经PT2272正确解码，VT变高，指示传输有效 。PT2272输出与发射端相同的四位控制代码D0～D3到地址判别及执行电路，去控制电器的开关状态。

5．2　地址判别及执行电路
　 地址判别及执行电路如图7所示。地址译码采用高速TTL4～16线译码器74HC154，它的输入A～D端与解码器PT2272的输出的控制代码D0～D3相连。D触发器74HC74A的CP端与代表电器地址码的译码器的10个输出端（“0”～“9”）相连。当按下0～9的键盘键时，译码器的输出低电平有效，若键盘键入的受控电器的地址码与本受控单元拨码开关SW－10预先设置地址相同（拨码开关设置受控电器的地址编号），D触发器的D端所接高电平就会出现在Q端，这时Q呈低电平，使译码器输出端Y1

0和Y11的ON（开）和OFF（关）命令能够通过两个或门电路使继电器动作，控制电器的开关。若键盘上键入的地址码与拨码开关设置的地址不符，则D触发器的CP无效，这时Q仍保持高电位，两或门禁止，ON／OFF命令无效。当ALLON（Y12端输出）命令或ALLOFF（Y13端输出）命令有效时，不论或门是否打开，都可通过与门使R－S触发器Q端置1或置0，使继电器吸合或释放 ，实现全开或全关的群控功能。

                        
6  结束语
     本文介绍的是以电力线为通信介质的家电网络控制系统。主控单元是体积小、功耗低 、携带方便的家电集中控制器，实现对多个家用电器(电饭煲、电灯等)的远程的开关控制。受控单元是与家电集中控制器配套的多个接收插座，通过对插座上的拨码开关设置所连接的

电器的地址编号，从而形成家电连网远程控制系统。系统安装使用方便，性能稳定、可靠，但使用范围仅限于同一配电变压器内，而且同相传输的效果最好，异相传输需在相线并接600V，1μF的耐压电容以提供信号通路。该系统的主要缺点是通信传输距离有限，目前最好只有500m 。如需达到实用，还有特进一点提高通信传输距离。　　

 参考文献

1  张友德等。单片微型机原理、应用与实践。上海：复旦大学出版社。1992
2  王福瑞等。单片微机测控系统设计大全。北京：北京航空航天大学出版社。1998
3  张元正。电力线高频通信。北京：水利电力出版社，1983
4  National Semiconductor Corporation.Linear Data Book.1992