基于复合耦合技术的低压电力线载波通信接口电路设计doc.doc
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1、基于复合耦合技术的低压电力线载波通信接口电路设计【实用文档】doc文档可直接使用可编辑,欢迎下载基于复合耦合技术的低压电力线载波通信接口电路设计 电力线通信(Pwerneommniation,C)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在欧洲(德国、英国、瑞典等)发展得较快,最近,英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展,用户可通过电力线进入Intert网,从简单的数据传输提高到了网络联接.中国电力系统也已组建国电通信中心,并向信息产业部正式申请了牌照.国家电力公司计划在215年建成全国统一的联合电力网通信系统。 但是,低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道,许多问题有待进一
2、步研究。低压电力线传送着20/0Hz的电能,在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点,给低压电力线通信带来了很大的困难。因此,低压电力线通信必须首先解决以下2个难题: (1)电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰,同时,考虑到整个通信系统的安全,必须进行强电隔离;(2)低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗”要高,以确保较高的载波信号加载效率。上述问题,正是低压电力线通信的接口技术问题,以下从这两方面介绍其设计原理和实现方法。 1接口电路的模型根据低压电力线通信接口技术的要求:必须进行强电隔离;确保较高的载波信号加载效率。为此,就必须采用“电磁
3、耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”。接口电路模型如图所示。 图1接口电路模型。该电路的关键物理量是2个回路中的电流i()和i2()。由基尔霍夫第二定律可得出该电路的数学模型: 式中,设i、分别为i的一、二阶导数,则: 对于式(),通过不同的处理将得到不同的数学模型.对图1所示的双LC耦合回路进行去耦处理,得到2个独立的LC串联回路。对式(1)求导,则可得到二元二阶方程组: 式(2)同时含有个未知函数i1()和2(t)的二阶导数,不便直接求解. 若将RLC串联回路表示成二元一阶方程,则由2个RLC回路便可得到四元一阶方程组: 该方程组含有4个未知数:i1(t),i2(t),u1(t),
4、uc(t),其定解条件直接由电路的初始储能情况给出。当无初始储能时,为齐次初始条件,即: 设所有电路元件都是非时变性元件,则所对应的常系数线性一阶常微分方程组可转化成线性代数方程组进行求解。 通过对上述接口电路数学模型的分析、化简可知,基于“复合耦合技术”的接口电路模型,电路的主要参数是可以通过线性代数方程组进行求解,接口电路的原理清晰,计算复杂度较小,符合低压电力线载波通信要求,是简洁、可行的。 ST7538电力线接口电路的设计 。S7538调制解调芯片T738载波芯片是一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK调制解调器芯片.ST538内部集成了发送和接收数据的所有
5、功能,通过串行通信,可以方便地与微处理器相连接,且只要通过耦合变压器等少量外部器件,即可连接到电力网中。T753功能强大、集成度很高,采取了多种抗干扰技术,如果能够很好地利用其多频段性,就可以克服窄带通信的缺点。ST7538作为很有代表性的窄带通信芯片,在远程抄表、灯光控制、智能家电等领域已经有了广泛的应用。除此之外,该芯片还有以下主要特点:(1)有个可编程(载波)频率,即0、66、72、76、82.0、6、10、1325k;(2)内部集成电力线驱动接口,并且提供可编程电压控制和电流控制;(3)可编程通信速率高达400b/s;()极低的功耗,在接收状态下功耗只有5W;()接收灵敏度很高,接收灵
6、敏度为mRMS。 .接口电路框图 ST7538电力线收发信号通道框图设计如图2所示。接收信号通道由耦合电路、滤波电路、保护电路、电压放大电路组成.发送信号通道由电压放大电路、功率放大电路、滤波电路、保护电路、耦合电路组成。 电力线接口首先是一个耦合电路,用于FK信号的传输与接收,同时也是一个滤波系统,能可靠地过滤掉220V/0Hz的电力信号、噪声信号和浪涌信号。 图S758的电力线收发信号通道框图。 由于希望系统使用时有较远的通信距离,就必须要求模块发送端有足够大的功率输出,而大输出功率的放大电路不宜长时间连续工作,否则容易过热损坏;若设计高要求的大输出功放。功放是功率放大器的简称,即是在以定
7、的失真率范围内,能产生最大功率输出来驱动某一负载(例如扬声器)的放大器,通常主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统,这时候就需要用到功放.由此可见,功放在一定程度上决定了系统输出的音质. 电路,会增加系统成本。为此,系统采用如图2框图中的发送放大电路电源控制,使系统只有处于发送状态时发送电路中的电压放大和功率放大电路才能得到合适的工作电源而工作;系统处于接收状态时,发送电路中的电压放大和功率放大电路因得不到电源而不工作;而模块中的接收信号通路的电压放大电路是始终工作的. 2.3耦合保护窄带滤波接口电路 根据上述接口电路的模型,可设计出低压电力线通信发送端的接口电路,如图所示。 图3载波发送
8、端接口电路. 在发送电路中,三极管和变压器组成调谐功率放大电路。该谐振变压器RAN4有着双重作用:耦合载波信号;使通信电路与220V0Hz的强电隔离,C4为耦合电容.前级功放输出的信号经谐振网络选频,耦合到交流电力线上,其调谐回路的谐振频率应满足: 若将中心频率选在805k,C11=1000pF,经计算可得电感能产生电感作用的元件统称为电感原件,常常直接简称为电感.电感器在电子制作中虽然使用得不是很多,但它们在电路中同样重要.我们认为电感器和电容器一样,也是一种储能元件,它能把电能转变为磁场能,并在磁场中储存能量。L的取值在3mH左右。实用时,一般通过调节变压器一次绕组电感量来调节中心频率。1
9、=0.56F,经计算可得电感L4=。3(实用L4=6.8F),变压器设计为部分接入功放,考虑阻抗匹配的需要;使变压器及电力线侧负载变化对谐振特性的影响最小.选取在电力线上的元件C10、1、R5、CNR、时,既要考虑它们的通载波、隔离20V/5Hz的强电能力,还要考虑器件的耐压和功率、电路使用的安全及有效性。R5、R还兼有展宽通频带的作用,但信号增益有所下降。变压器TRANS将电力线与接口电路的其余部分相隔离,发送信号送至电力线;然后,从电力线上取接收载波信号;最后,滤除来自电力线上的干扰噪声. 信号经变压器二次侧、L4、1、C0、NR、R35耦合至电力线上,变压器二次侧、L、C11、C1、CN
10、R、5组成了带通滤波器,而低压电力线阻抗具有时变特性。由此,可计算出经变压器二次侧、4、C1、10、CNR、R3和低压电力线阻抗R组成的双口网络的电压转移函数: 式中,R、C、L分别为双口网络的等效电阻、电容、电感。 低压电力线通信接收端的接口电路如图4所示.电力线侧的接口电路部分接收和发送信号共用,接收信号时,信号从交流220V的插座送入电力线,经。熔断器保护电路,由C10、CNR、5、C1、变压器线圈组成的降压选频电路(中心频率设计为8.0kHz)及变压器耦合后,经由12、13及变压器线圈组成的并联谐振回路选频,再经3、C9组成的滤波耦合到运放进行电压放大及整形,放大整形后的信号输入到电力
11、线载波芯片。 图4载波接收端接口电路. 接口电路的仿真试验堍 分析 根据接口电路的电压转移函数,对双口网络进行计算机仿真分析。在此,重点分析在不同低压电力线阻抗条件下带通滤波器的通频带,即该接口电路的频率特性。频率特性是价该接口电路耦合性能的一项重要指标.仿真显示,当电力线电阻为2、0、20、5、0、100时,幅频特性情况如表和表所示. 对5Hz/220强电的相对抑制力(dB)= 表1不同电力线阻抗及不同中心频率下的输出幅度(op/V)输入信号幅度=1V。 表2不同电力线阻抗的上、下限截止频率及通频带。 从表1和表2的分析结果可见:电力线阻抗越大,接口电路的通频带就越宽,对信号的耦合性能也就越
12、好,但选择性差;反之,电力线阻抗越小,接口电路的通频带越窄,对信号的耦合性能就越差,但选择性好。经统计分析知,低压电力线的统计阻抗一般在55之间2。因此,ST58电力线载波芯片所使用的60132。5z的载波信号均在通频带(衰减小于3d)范围内。也就是说,以825kHz作为低压电力线通信接口电路的中心频率是合理的。用电力线载波芯片T753其他载波频率来收、发信号,也可用此接口电路.此接口电路有如下特性:满足载波发射高阻抗的要求,提高了载波的加载效率;在满足信号的耦合性能的同时,还兼顾对频率选择性的要求,从而提高了系统的抗干扰能力。 在电路的具体安装和调试过程中,通过调节电感磁来调节电感量,使通频
13、带达到最佳。在基于电力线载波芯片T538低压电力线载波通信实验中,选用82.5kHz作为低压电力线通信的中心频率,设负载阻抗为51。试验结果表明,能准确地实现点控、群控灯组(实现数据通信);能实现语音信号(信号中心频率Hz,频率范围。020kHz)的传输(实现模拟通信);能实现对正弦波形信号(频率范围.0100Hz)的传输(实现模拟通信)。 4结语基于“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”,建立了低压电力线载波通信的接口电路”的数学模型,由此设计了基于T753的低压电力线载波通信的接口电路。仿真试验结果表明:该接口电路既有较高的载波信号加载效率,较好的幅频特性,又能完全地隔离电力网
14、50Hz的工频信号,且接口电路的通用性强,故可广泛应用于低压电力线通信系统。基于Proteus的单片机控制电子时钟电路设计与仿真摘 要工程实践教学环节是为了学生能够更好地巩固和实践所学专业知识而设置的,在本次工程实践中,我们以微机原理与接口技术课程中所学知识为基础,设计了电子时钟。单片机由RAM、ROM、CPU构成,由定时、计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小,成本低,广泛应用于智能产业和工业自动化上。本设计主要设计了一个基于AT89C51单片机为核心,使用12MHz晶振与AT89C51相连接,通过软件编程的方法实现以24小时为一个周期,同时8位7段LED数码管显示小时、分钟和秒的要求。本
15、系统的设计说明重点介绍了如下几方面的内容:1)电子时钟的基本功能,同时对计时的原理也进行了简要的阐述;2)介绍了系统的总体设计、给出了系统的整体结构框图,并对其进行了功能模块划分及所采用的元器件进行了详细说明;3)对系统各功能模块的软、硬件实现进行了详细的设计说明。关键词:AT89C51单片机;电子钟;硬件设计;软件设计目录第一章 绪论11。1课题简介11。2设计目的与要求11。3题目描述21.4设计任务21.5章节安排说明2第二章 电子时钟系统简介32.1 单片机简介32。2 单片机的发展史32.3电子时钟基本特点42.3电子时钟基本特点4第三章 系统总体设计及硬件设计53.1 单片机芯片选
16、择方案53.2 数码管显示选择方案53.2。1 数码管显示工作原理53.2.2 数码管方案及选择63。3硬件单元电路设计与参数设计63。4元件清单8第四章 电子时钟软件设计104.1 软件系统模块功能简要介绍104.2 软件系统流程图104。3 程序代码12第五章 电子时钟调试与仿真155。1 HEX文件的生成155.2 原理图的绘制155。3 调试与仿真16第六章 结束语18参考文献19第一章 绪论1.1课题简介数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方
17、便,而且大大地扩展了钟表的报时功能。数字钟已成为人们日常生活中的必需品,广泛用于家庭、车站、码头、剧院、办公室等场所.给人们的生活、学习、工作带来极大的方便1。不仅如此,在现代化的进程中,也离不开电子钟的相关功能和原理,比如机械手的控制、家务的自动化、定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯等,这些都是以钟表数字化为基础的.而且是控制的核心部分。因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。数字电子钟的设计方法有多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟,也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟还可以利用单片机来实现电子钟等等。这些方
18、法都各有特点,其中,利用单片机实现的电子钟具有编程灵活,便于功能扩充,精确度高等特点2。基于以上分析,在此次设计中,我选择的是利用单片机制作电子钟.电子钟的设计本身包括程序的设计和硬件电路的设计3。我的思路是,先进行电路的整体设计,再根据电路进行编程,在编程的过程中对电路进行微调,以更好的配合程序。调试成功后,再根据电路图画出仿真图,将软件装入单片机芯片,利用Proteus软件进行仿真,仿真中的错误通过改正程序的逻辑错误和电路中的设计不当进行排除,这个过程很艰难的但也是很重要的。若仿真可以实现,则硬件电路的实现就可以有条不紊地进行。1.2设计目的与要求通过本次工程实践,运用微机原理与接口技术所
19、学知识及查阅相关资料,完成对时间的计时并显示的设计,达到理论知识与实践更好结合、提高综合运用所学知识和设计能力的目的。通过本次设计训练,可以使我们在基本思路和基本方法上对基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识,并具备一定程度的设计能力。设计一个有“时”、“分、“秒”(23:59:59)显示的数字电子钟.设计要点具体如下: 1)设计一个脉冲信号产生电路; 2)设计24进制、60进制计数器; 3)设计译码显示电路; 4)时间以24小时为一个周期,显示时、分、秒。1。3题目描述 数字电子钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路,它的计时周期为24小时,显示满刻度为23时59分5
20、9秒.一个简单的数字钟电路主要由译码器显示器、译码器、计数电路、组合逻辑电路以及振荡器构成。 信号由振荡器产生,通过计数器传到译码器,再由译码显示器显示,这样就可以看到时间变化了。1.4设计任务在本次工程实践中,主要完成如下方面的设计任务:1)简要综述单片机技术发展的国内外现状;2)掌握MCS51系列某种产品(例如8031)的最小电路及外围扩展电路的设计方法;3)了解单片电子时钟的功能及工作过程;4)完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定;5)用一种计算机绘图软件完成原理电路的绘制;6)完成系统设计说明书(页数不低于10页)。1.5章节安排说明整个设计总共分为四个章节,第一章是前言部分
21、,主要介绍了设计单片机电子时钟的意义、目的及主要内容;第二章对单片机作了简要说明,介绍了单片机的发展史,并对电子钟的特点以及原理作了简要说明。第三章是系统的总体设计阶段,这一部分主要介绍了系统的整体功能,绘制出系统的整体结构框图。另外按照各部分实现的功能不同,将整个系统分成了三个功能块,并对每一个功能块所采用的元器件进行了详细介绍.第四章是系统详细设计阶段,对每一个功能块的芯片图进行了详细的说明,对每一个引脚的接线都进行了详细的设计,此外还编写了主要功能模块的基本程序,详尽阐述了各模块的工作过程.第二章 电子时钟系统简介2.1单片机简介单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大
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