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電力載波芯片ST7538及其應用
摘要:介紹一種最新推出的電力載波調制解調器芯片ST7538的基本原理,給出ST7538的主要控制電路和接口電路,討論應用該芯片后些注意事項。利用電力線(xiàn)作為通信介質(zhì)的電力載波通信,具有極大的方便性、免維護性、即插即用等優(yōu)點(diǎn),在很多情況下是人們首選的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的又一款半雙工、同步/異步FSK(調頻)調制解調器芯片。該芯片是為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信而設計的,與ST7536和ST7537相比,主要具有以下特點(diǎn):
*有8個(gè)工作頻段,即:60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz;
*內部集成電力線(xiàn)驅動(dòng)接口,并且提供電壓控制和電流控制;
*內部集成 5V線(xiàn)性電源,可對外提供100mA電流;
*可編程通信速率高達4800bps;
*提供過(guò)零檢測功能;
*具有看門(mén)狗功能;
*集成了一個(gè)片內運算放大器;
*內部含有一個(gè)具有可校驗和的、24位可編程控制寄存器;
*采用TQFP44封裝。
可以看出,ST7538是一款功能強大的、單芯片電力線(xiàn)調制解調器。
圖1
1 ST7538工作原理
ST7538是采用FSK調制技術(shù)的高集成度電力載波芯片。內部集成了發(fā)送和接收數據的所有功能,通過(guò)串行通信,可以方便地與微處理器相連接。內部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制,只要通過(guò)耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538還提供了看門(mén)狗、過(guò)零檢測、運算放大器、時(shí)鐘輸出、超時(shí)溢出輸出、 5V電源和 5V電源狀態(tài)輸出等,大大減少了ST7538應用電路的外圍器件數量。此外,該芯片符合歐洲CENELEC(EN50065-1)和美國FCC標準。圖1為ST7538內部原理框圖。
1.1 發(fā)送數據
當RxTx為低時(shí),ST7538處于發(fā)送數據狀態(tài)。待發(fā)數據從TxD腳進(jìn)入ST7538,時(shí)鐘上升沿時(shí)被采樣,并送入FSK調制器調制。調制頻率由控制寄存器bit0~bit2決定,速率由控制寄存器bit3~bit4決定。調制信號經(jīng)D/A變化、濾波和自動(dòng)電平控制電路(ALC),再通過(guò)差分放大器輸同到電力線(xiàn)。當打開(kāi)時(shí)間溢出功能,且發(fā)送數據時(shí)間超過(guò)1s或3s時(shí),TOUT變?yōu)楦唠娖,同時(shí)發(fā)送狀態(tài)自動(dòng)轉為接收狀態(tài)。這樣可以避免信道長(cháng)時(shí)間被某一節點(diǎn)(ST7538)點(diǎn)用。
1.2 接收數據
當RxTx為高時(shí),ST7538處于接收數據狀態(tài)。信號由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538,經(jīng)過(guò)一個(gè)帶寬±10kHz的帶通濾波器,送入一個(gè)帶有自動(dòng)增益AGC的放大器。該濾波器可以通過(guò)控制寄存器bit23置零取消濾波功能。自動(dòng)增益放大器可以根據電力線(xiàn)的信號強度自動(dòng)調整。為提高信噪比,經(jīng)過(guò)放大器的信號送入一個(gè)以通信頻率為中心點(diǎn)、帶寬為±6kHz的窄帶濾波器。此信號再經(jīng)過(guò)解調、濾波和鎖相,變成串行數字信號,輸出給出ST7538相連的微處理器。
可以通過(guò)使控制器的bit22置位,使ST7538處于高靈敏度接收狀態(tài)。
1.3 工作模式選擇
通過(guò)微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T,可以實(shí)現微控制器與ST7538的數據交換。ST7538的工作模式,由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。
微處理器對電力線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)可以采用同步方式或異步方式。異步方式只需要RxD、TxD和RxTx,無(wú)需輔助時(shí)鐘信號。無(wú)載波信號時(shí),RxD輸出低電平,對于同步方式,需要CLR/T作為參考時(shí)鐘,并且ST7538必須是通信發(fā)起者(Master)。
對ST7538控制寄存器的訪(fǎng)問(wèn)必須采用同步訪(fǎng)問(wèn)方式,需要RxD、TxD、CLR/T和REG_DATA,CLR/T上升沿有效,發(fā)送數據高位在前。
1.4 復位及看門(mén)狗
ST7538內部嵌入一個(gè)看門(mén)狗,可以產(chǎn)生一個(gè)內部和外部的復位信號,保證CPU的可靠工作。
2 系統硬件組成
電力載波通信節點(diǎn)模塊一般包括以下幾部分微處理器部分、載波部分信號濾波部分和電力線(xiàn)信號耦合與保護部分。圖2給出了利用ST7538和Atmega8L構成的通用電力載波通信模塊。這里僅就濾波部分作簡(jiǎn)要介紹。
信號濾波部分是整個(gè)模塊的關(guān)鍵部分,它包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。圖3為輸入濾波電路,它采用并聯(lián)電流諧振電路構成濾波電路,濾除指定頻率以外的無(wú)用信號和噪聲。該諧振點(diǎn)頻率f1為
圖4為輸出濾波電路,它采用串聯(lián)電壓諧振電路,避免無(wú)用信號耦合到電力線(xiàn)上。該諧振點(diǎn)頻率f2為:
電力線(xiàn)耦合部
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