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The Design Of Power Line Communication System Based On The Special Chip LM1893                                 
摘要：根据教室电器节能系统的需要，介绍了基于电力线载波芯片LM1893的电力线载波电路的设计。重点论述了关键器件信号耦合变压器的设计。系统采用串行数据的异步半双工通信方式，实现了数据在教室单片机与上位机控制软件之间的双向传输，传输准确可靠。
关键词：电力线载波；异步半双工通信；单片机；信号耦合变压器
Abstract: A power line communication system based on the special carrier chip LM1893 is introduced in the paper. It is a part of the classroom energy control system. The paper emphasizes on the design of the key component－the transformer for signal coupling. The system uses the asynchronous half-duplex communication. It realizes the reliable communication between the MCUs in the classrooms and the computer.
Key words: power line carrier; asynchronous half-duplex communication; MCU; signal coupling transformer
引言
电力线载波（Power Line Carrier）通信是利用高压电力线（电力线载波中通常指35kV及以上电压等级）、中压电力线（指10kV电压等级）或低压配电线（380/220V电力线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式[1]。电力线载波通信技术已在许多国家和地区得到应用，它直接运用现有的电网线路，不需要额外铺设电缆，又不占用宝贵的无线频谱资源，因此得到不断地发展，广泛应用于自动抄表系统、智能家居控制、楼宇自动控制、路灯控制、特殊环境通信等领域。许多公司相继开发了各种电力线载波专用芯片，如ST7535、 TDA5051、LM1893、SSCP200、PL200等[2]。但是，电网中用电设备复杂多样，存在大量谐波，同时国内电网的不够稳定都对电力线载波通信电路的设计提出了很高要求。本文根据国内电网的实际状况，分析教室电器节能系统中电力线载波模块电路的设计，并根据电网阻抗匹配设计信号耦合变压器，确保了数据传输的可靠性和稳定性。
1、 系统结构
整个系统由人体检测、亮度检测、单片机模块、电力线载波通信模块、上位机控制软件六个功能模块组成，可实现上位机RS232接口与多个单片机的通信。
教室人数统计由两个人体检测电路实现，分别安装于教室门口内、外两侧，两个检测电路输出端连接于单片机不同的I/O口，学生进、出教室时两I/O口的响应先后不同，可据此统计教室人数[3]。亮度检测由光敏电阻实现，其电路与载波电路封装在一起。系统使用自行开发的基于Delphi的上位机控制软件，可自动处理单片机传输过来的人数信号，并据此发出教室开、关灯信号。电力线载波电路实现数据在单片机与PC机之间通过220V民用电力线的传输。单片机的控制信号通过固态继电器执行，实现对教室内各用电设备的控制。图1为系统结构图。

2、 电力线载波模块设计
美国国家半导体器件公司（National Semiconductor）开发的电力线载波通信集成芯片LM1893集成了发送和接收数据的全部功能，可实现串行数据的半双工通信，其主要功能特性如下：采用 FSK抗噪声调制技术，可选择噪声滤波的脉冲发生器；数据传输率可达4.8kB ；采用正弦波载频可降低射频干扰，射频功率可增强10倍 ；载波频率可在50—300kHz之间选择[4] 。本系统中设定信号载波频率为125kHz。图2为电力线载波芯片与上位机连接电路。
 
工作过程为：上位机向单片机发送数据时，其数字信号由RS232的TXD端输出，电平转换芯片MAX232将其转换为TTL电平，传入LM1893的Pin17，此时控制LM1893的Pin 5（TX/RX）为高电平，芯片处于数据调制状态，将从Pin17输入的数字信号调制为125kHz的正弦模拟信号，经过功率放大后从芯片的Pin10（I/O）输出，最后通过信号耦合变压器将此模拟信号耦合到电网上，实现数据的传送[3]。在数据接收端，控制与单片机相连的LM1893芯片的Pin5为低电平，使其处于解调状态，将从电网上传输过来的模拟信号解调为数字信号以供单片机执行；当单片机向上位机发送数据时，控制与单片机相连的LM1893芯片的Pin5为高电平，使其发送数据，同时控制与上位机相连的LM1893的Pin5为低电平，解调从电力线传输过来的下位机数据，再从Pin 12传入RS232的RXD端。
3、 参数设计
3.1信号耦合变压器参数设计
在电力线载波电路中，信号耦合变压器既要保证有用信号的正确耦合，又要隔离电网杂波[4]。因此其参数选择是数据准确传输的关键[5]。以下讨论此信号耦合变压器参数选择。

由于该载波电路与电网相连，解调后的数字信号需要经过RS232接口传入电脑主机进行分析处理，因此当载波电路故障时电网220V电压可能会危害控制室电脑，因此，在电力线载波电路和RS232接口之间增加光耦隔离电路，分别在RS232接口的TXD和RXD端用4N25光耦进行隔离，可有效确保电脑免受电网电压威胁。
5、 结论
实验证明，作者设计的电力线载波电路能可靠地完成数据的远程传输，同时成本低廉，有利于此智能型教室电器节能系统的推广使用。对此电力线载波模块稍加改进便可应用于其它场合，有很好的使用价值和推广前景。当然电力线载波有其固有缺陷，如信号不能越相传输，不能通过变电站的变压器传输等，需要不断探索新的技术来解决这些问题。
参考文献
[1] 周庆民  电力线载波通信集成电路LM1893[J].  电子技术，1999, (08):38¬-39
[2] 汤效军  电力线载波通信技术的发展及特点[J].  电力系统通信，2003,( 01):47-51 
[3] 张旭辉,张礼勇,杜中良,张旭 自适应低压电力线载波通信技术[J]. 电测与仪表, 2003,(04):
[4] 朱今祥，苗建苏，陈奇东 LM1893在电力线载波通信中的应用[J]. 微计算机信息，2005，21(8-2)：151-152
[5] Lim, C.K.; So, P.L.; Gunawan, E.; Chen, S.; Lie, T.T.; Guan, Y.L.  Development of a test bed for high-speed power line communications [J] Power System Technology, 2000,(1):451 - 456
[6] Silva, J.M.; Whitney, B.  Evaluation of the potential for power line carrier to interfere with use of the Nationwide Differential GPS network Power Delivery [J], IEEE ,  2002,(12):348 – 352
[7] National Semiconductor LM1893/2893 Carrier－Current Transceiver[J] 1995    
本文作者创新点：作者为主要设计者设计的教室电器节能系统获得华南理工大学挑战杯二等奖，本文介绍了根据此教室电器节能系统的通信要求设计电力线载波电路的方法，特别论述了根据阻抗匹配设计信号耦合变压器参数的方法以及光耦隔离电路的应用，实验中此电力载波模块工作电路准确、可靠地完成了数据传输任务。
作者简介：陈伟（1983-），男，汉族，华南理工大学电力学院硕士研究生，电力电子与电力传动专业。王志强（1951-），男，汉族，华南理工大学电力学院副教授，硕士研究生导师，长期从事大功率工业用高频开关电源等电力电子装置的研究与教学。
联系人：陈伟  通信地址：广东省广州市天河区五山路华南理工大学电力学院  邮编：510640