电力线载波通信模块的设计与应用
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2020-10-22
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电力线载波通信模块的设计与应用电力线载波通信模块的设计与应用
低压配电网是一个用户最多，分布最广的一种能源传输网络，电力线载波通信是利用现有的电力线网络进行信
息传输的一种通信方式。它可用于电力管理、照明控制、加热制冷系统控制、远程抄表、报警系统及智能化小
区。本文设计了一套基于调制解调模块ST7538和ATmega88V单片机的电力线载波通信模块。 系统总体设
计 根据低压电力线载波通信的系统原理，给出了整个系统的总体设计，如图1所示。本电力线载波通信节点
模块主要包括以下几部分：微控制器部分、信号处理部分、电源电路部分和电力线接口部分。 图1 低压电
力线载波通信的系统原理 硬件设计 1 微控制器的选择 微控制器是将微型计算机的主要部
低压配电网是一个用户最多，分布最广的一种能源传输网络，电力线载波通信是利用现有的电力线网络进行信息传输的一
种通信方式。它可用于电力管理、照明控制、加热制冷系统控制、远程抄表、报警系统及智能化小区。本文设计了一套基于调
制解调模块ST7538和ATmega88V单片机的电力线载波通信模块。
系统总体设计 系统总体设计
根据低压电力线载波通信的系统原理，给出了整个系统的总体设计，如图1所示。本电力线载波通信节点模块主要包括以
下几部分：微控制器部分、信号处理部分、电源电路部分和电力线接口部分。
图1 低压电力线载波通信的系统原理
硬件设计 硬件设计
1 微控制器的选择微控制器的选择
微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过
20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读
器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）
等。
微控制器是系统的控制核心，它负责整个系统中任务的协调与调度。为克服电力线上存在信号衰减大、时变性大、噪声影
响等诸多不利因素，需采用一些纠错能力强的编译码方案，但这可能加大算法的复杂程度导致运算速度降低。综合考虑成本和
运算能力之后，微处理器选用了高性能、低功耗的8位AVR系列的微控制器ATmega88V,它的具体参数及特点详见产品手册。
2 调制解调芯片的选择调制解调芯片的选择
信号调制与解调以及对信号的自适应平衡放大、滤波及与微控制器的通信等功能由电力线载波芯片完成。电力线接口则起
到耦合、隔离、滤波与保护的功能。
由此，我们选用ST7538载波芯片作为信号调制解调芯片。ST7538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，具有功能强大、集成度高、抗干扰技术多等特点，已在电力载波通信中比较
广泛的应用。
ST7538通过串行接口与主控制器交换数据。由于在方案设计中ATmega88V的USART用来和服务器通信，所以ST7538与
主机的接口采用其通过串行接口与ATmega88V的串行外设接口SPI相互通信来实现。ATmega88V的串行外设接口SPI具有全
双工、3线同步数据传输、主从及操作等特点。在本方案设计中采用ST7538做主机，ATmega88V做从机，由ST7538提供数
据同步传输时钟。
3 电源芯片的选择电源芯片的选择
由于整个系统中主要芯片的工作电压分别是12V和5V,系统总功率不超过2W,所以我们选用LM2596 作为电源芯片。
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有非常小的电压调整率和电流调整率，输入电压达到
36V.LM2596 应用时比较简单且外围元件较少，如图2所示，内置频率补偿电路和固定频率振荡器。LM2596 系列产品的开关
频率为52kHz,所以应用时可以使用小尺寸的滤波元件。它可以高效地取代一般的三端线性稳压器，能够充分减小散热片的面
积。所以在设计中选用了两片LM2596分别做两个支路输出5V和12V.此外，在PCB设计时考虑到开关电源芯片会产生很强的电
磁波辐射，所以尽量远离调制解调电路及滤波电路，以免对载波信号造成干扰。
LM2596有两种封装形式，5脚TO-220（T）；TO-263（S）。一般情况下，TO-220（T）封装需要加装散热片。散热片
的尺寸由输入电压、输出电压、负载电流和环境温度决定。环境温度越高，对散热的需求也越高。
TO-263（S）封装的LM2596是要焊接在PCB板上的表贴元件，铜和PCB板有助于这种封装器件的散热，如续流二极管、
电感器的散热。焊接这种封装器件的PCB上的覆铜区域至少要有0.4平方英寸，更多的覆铜区域会改善热特性，但大于6平方英
寸时，在散热方面的改善就很小，就应在通风的情况下使用。
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