一种电力线收发器电路设计(编辑修改稿)

一种电力线收发器电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

直序扩频技术 在直序扩频技术中，伪随机代码是直接被载入到载波机调制器上的数据中去的。 调制器具有相对较大的比特率，其速率的大小由伪随机码的码片的速率决定。 用这种码序列调制射频载波，会产生一个中心在载波频率和频谱 ((sin x)/x)2 的秩序扩展频率之间的频谱。 频谱的主瓣带宽是调制码的时钟速率的 2 倍，旁瓣带宽即调制码的时钟速率。 图 25 所示的是直序扩频信号的典型范例。 实际情况下采用的载波和数字调制决 定着直序扩频频谱形状的变化。 下图所示的 是一个二相移键 控制 信号， 在直序扩频系统中常常使用这种调用类型。 原理图如图 25 所示 [3]。 图 25 直序扩频系统原理图 跳频扩频技术 所谓调频扩频技术即是在按照随机码在一个很宽的频带上对载波进行定义，使其能够进行频率的跳变。 跳频扩频技术和前面介绍的直序扩频技术相比，存在很大的区别。 在跳频过程中，原始信息的传输速率决定了频率的跳变速率，除此以外，波形也有很大的区别，跳频在整个频带上是平坦的波形，而不是（ (sin 二零一二届本科毕业论文 第 9 页 共 35 页 x)/x） /2 的正弦波形。 跳频信号带宽与 频率间隙之间满足下面的关系： Q=W*N，其中 Q表示跳频信号带宽， W 表示传输频率的间隙， N 表示跳变信道的带宽。 3 ST7540 扩频通信芯片 引脚特性及应用简介 图 31 ST7540 的引脚图 序号 名称 类型 描述 1 CD_PD 数字输出 载波信号 侦头检测输出、 1 没有载波信号或者侦头检测输出 0 有载波信号或者侦头检测输出 2 REG_DATA 内部断开下的数字输入 1 为控制寄存器 0 为主控制器 3 GND 供给 数字接地 4 RxD 数字输出 RX 数据输出 5 RxTx 内部打开时的数字输出 1 为 RX session 0DX session 6 TX 内部断开下的数字输入 TX 数据输出 7 BU/THERM 数字输出 1 为信号编程 0 在 TX 模式下没有信号编程 二零一二届本科毕业论文 第 10 页 共 35 页 8 CLR/T 数字输出 同步主存取时钟或者控制寄存器时钟 9 VDD 电源供给 数字供给电压或者 3。 3V电压控制输出 10 MCLK 数字输出 主时钟输出 11 RSTO 数字输出 电压打开或者 检测器复位输出 12 UART/SPI 内部断 开下的数字输入 接口类型 串行外围接口 0 通用异步接收器 /发送器 接口 13 WD 内部断开下的数字输入 检测器输入。 内部检测计数器在下界电压线是清零 14 PAIN 模拟输入 电力线放大器反相输出 15 PAOUT 电压输出 电力线放大器输出 16 VSS 供给 电压模拟接地 17 VCC 供给 电压源 18 PA_IN 模拟输入 电力线放大器无反相输出 19 TX_OUT 模拟输出 小信号模拟传送输出 20 SVSS 模拟输出 模拟信号接地 21 X1 模拟输出 晶体震荡器输出 22 X2 模拟输入 晶体震荡器输入或者内部时钟输入 23 VSENSE 24 模拟输入 电流限制反馈在 CL 和 SV之间的电阻来设置当前的电流值在这个引脚上为综合 80pf 滤波输入电容 25 RX_IN 模拟输入 模拟输入接收端 26 VDC 电压 5V电压调节器 27 TEST1 内部中断 测试投入时必须接地 28 TEST2 模拟输入 测试投入时必须接 SV端 ST7540应用情况简述 ST7540 是电力线载波通信网络的实际应用，它具有半双工同步 /异步 FSK 调制解调的功能。 芯片内部的数字电路的电源为 5V 和 两种，由单一电压源提供工作电压，继承了电路驱动和稳压器，具有低功耗的特点。 这种新型的电力线载波传输芯片 ST7540 由意法半导体研发生产，支持多种调制解调技术和通信协议，其中包括 EHS 和 KONNEX( EN50090)，它搭载于广泛的电力网，为人们的信号传输带来很大的方便。 如今在家庭和工业等领域得到了广泛的运用，芯二零一二届本科毕业论文 第 11 页 共 35 页 片内部集成了电流电压控制电路，看门口计时器， FSK 调制解调，滤波电路等等。 保证了信号稳定准确的传输 [4]。 接受和传送模式 接收模 式 当 ST7540 芯片处在接收状态的时候，控制端口 RXTX=” 1”并且 REG_DATA=”0”。 信号经过滤波后从 RX_IN 端口被读入 ,可以保证输入信号在信噪比较低的情况下，仍然有很宽的动态范围。 这个模块中需要设置一个中心频率按照选中的信道频率设定的窄带滤波器对输入信号进行滤波。 FSK解调过程中，在对信号进行解调之前需要把输入的信号个芯片内置的正弦波发生器产生的正弦波形的频率进行混合，变换信号的频率，然后再一次把信号送入滤波器进行滤波，最后进行解调。 整个过程共进行了三次滤波，为的是更好的减小噪声的干扰。 这款 芯片还有一点优势在于，当芯片开始接受数据时，此时 RXTX=1,芯片内信号发送模块的电路全部关闭，这有利于避免电能的浪费。 图 32 接收路径图 传送模式 当 ST7540芯片处于发送状态时， RXTX=“ 0”， REGDATA=“ 0”。 与接收模式一样，此时 RXTX=“ 0”，芯片内的接受模块的电路包括其外界电路都处于关闭状态，而芯片内部 FSK调制部分电路进入工作状态。 芯片内由开关控制可选择有两种信号的发送有两种传输模式： 二零一二届本科毕业论文 第 12 页 共 35 页 图 32 发送路径图 同步传输，在 CLR/T的时钟信号处于上升沿时， TXD端口读入数据送至 FSK调制器，与此同时芯片内部根据波特率发送时序控制。 异步传输 TXD引脚直接将数据发送到 FSK调制器。 并且在传输时频率精度与外部的晶体频率是保持相同的，由主机来管理发送时序，此时 CLK/T端的时序信号被忽略。 内部模块功能 图 33 内部功能模块图 ST7540芯片的内部结构如图 33所示，芯片内部集成了电压电流控制模块，串行接口模块，滤波，调制解调模块，振荡器模块以及自动电平控制模块。 它采用单电源（ ~）供电，电流可以达到 50mA,内部还集成了驱动器和电源控二零一二届本科毕业论文 第 13 页 共 35 页 制器。 通过 RXD引脚对芯片能的发送电路和接收电路进行相关的控制，具有低功耗的优点。 同以往旧版的载波芯片不同之处在于， ST7540内部有两个线性电源可供选择（ 5V或 ） ,可以对信号的传输进行实时控制。 引脚个数也减少为28个，给使用带来了方便。 内部集成滤波电路，对信号进行多次滤波，最大限度的排除了噪声的干扰。 输入驱动能力也被大大的提升。 为了排除外界对信号输出的干扰， ST7540设置了对信号幅度的冻结功能，来避免外界对信号幅度造成影响。 与 ST7538芯片相比， ST757540输出信号从原本的查分信号转变为单 端信号，其自动增益相同。 使它的接受灵敏度可以达到 ； ST7540在发送状态时，对温度太高有监控功能：增加的一个 UART端口，集成了一个 48bit s的可编程控制寄存器。 ST7540多了报头检测和帧长度识别的功能，不需要在外围另外实现。 相对于 ST7548芯片， ST7540也减少了一部分功能，如内部集成运放、零检测等等等。 因此 ST7540的引脚和内部结构相比之前的载波通信芯片都大大的做到的了简化，被称为件装备的载波芯片 [5]。 必须先对 ST7540芯片中的控制寄存器和芯片内的载波频率，波特率等等的一些性质进行设置，才可以使用 ST7540执行发送和接收操作。 一般通过对控制寄存器进行写操作来配置控制寄存器，对控制寄存器设置完毕好后，就可以通过读控制寄存器的操作来检验配置正确与否。 当引脚 RXTX等于“ 0”并且REG_DATA等于“ 0”时，载波芯片处在发送模式。 发送模式下，芯片将从主机接受来的数字信号从 TXD输入，再经过 FSK调制，转化为模拟信号，再通过带通滤波器，最后在电平控制电路对发送电路电压和电流的控制下经 PA_OUT进行功率放大后发送到电力线上传输。 当引脚 RXTX等于“ 1”、 REG_DATA等于“ 0”时，芯片处于接受状态， RX_IN端口将从电力线上接收到的模拟信号进行滤波操作，再经过 FSK解调操作，将信号转化为数字信号，再从 RXD端口把信号发送到主机 [5]。 主机和 st7540之间的连接 主机通过一系列的接口与 ST7540连接，对芯片进行控制和数据交换，数据的发送通过 REG_DATA和 RXTX两个端口控制，数据交换通过 RXD， TXD和始终端口（ CLR/T）进行控制。 异步方式 在异步工作方式下数据在没有任何数据时钟参考下 交换，该主机控制器已收参考时钟在接收模式 以下为 4种工 作模式： (1)数据接收 (2)数据传送 (3)控制寄存器读书 二零一二届本科毕业论文 第 14 页 共 35 页 (4)控制寄存器写入 数据和控制寄存器访问配置： st7540 和 主机通信接口 的两种类型 软件过程改进 通用异步接收 /发送装置 可以通过 UART/SPI 拐角作出选择，如果 UART/SP设为 0，则 SPI接口被选择工作，如果为 1则 UART接口被选中，接口的类型可通过设置 RxD线的状态来影响传输，当 st7540处于接 收状态时并且在主机上没有数据时 UART接口允许被连接到一个 UART兼容设备而 SPI接口也允许被连接到一个 SPI兼容设备，主机 |和芯片主要接口的组合 同步和异步 st7540/主控制器接口如图所示： 图 34 同步和异步 st7540/host控制器接口 在同步模式下 st7540始终是通信的主题，并 在 CLR /T线上提供时钟参考。 当时钟信号处在上升沿时， RXD口上的数据有效。 当 st7540是在传输模式时钟的参考是内部产生的和 TxD 路线是在 CLR /T线上升沿被采样。 4 基于 ST7540的载波通信系统硬软件设计 由电力线接口电路、 ST7540 以及单片机可以组成一个完善电力线载波通信模块。 ST7540 相当于电力线接口和微处理器之间的桥梁，对信号进行处理，并根据主机的需要对信号的传输进行控制。 处于发送状态时，它可以把从主机接收到的数据进行调制、滤波发送到电力线进行传输。 处于接收状态时，它也同样可以把从电力线上接收到的信号进行滤波、解调再传送给主机。 完整的外部模块包括发送电路，接收电路、保护电路和功率放大电路等。 但应为 ST7540 芯片内部集成了功率放大模块。 所以设计电 力线载波电路时，不需要在外部另加功率放大电路，只需要设计发送电路、接受电路和保护电路就可以了。 利用单片机和 REG_DATA RxTx 数据传送 0 0 数据接收 0 1 控制寄存器读数 1 1 控制寄存器写入 1 0 二零一二届本科毕业论文 第 15 页 共 35 页 ST7540 芯片组成的基本电力线载波通信模块如图 35 通过 UATR 接口， ST7540从电力线上接收模拟信号，再通过芯片内 FSK 调制解调模块把接收到的模拟信号解调成数字信号再发送给单片机。 同时也可以把从单片机上接收到的数字信号进行调。