第10卷 第3期 2008年3月 Electronic Component & Device Applications Vol.10 No.3 Mar. 2008 基于ST7540的电力线载波 通信模块的设计 杨福财, 饶运涛, 王进宏 (东华理工大学, 江西 抚州 344000) 摘 要: 提出了利用新型电力线载波芯片ST7540来构成低压电力线载波通信系统的设计方 案, 介绍了载波芯片ST7540的工作原理、外围耦合滤波接口电路以及ST7540与主控制器之间 的数据通讯设计方法。 关键词: 电力线载波通信; FSK; PLC; ST7540; 耦合滤波 0 引言 电力线载波通信 (PowerLine carrier communi- cation) 技术是将电力线作为通信媒介的一种通信 方式, 该方法可避免新的通信网络建设和投资, 因而具有很大的方便性、免维护性和即插即用等 优点。 电力线用于信息传输的不利因素是线路阻抗 小、信号衰减大、时变性大和噪声影响大, 故在 系统开发中, 软件设计、器件的选择及电力线接 口的设计是关键。为此, 本文提出了一种以电力 线载波芯片ST7540构成的低压电力线载波通信系 统的设计方案。 1 系统结构 这种以ST7540载波芯片为核心的电力线载波 系统大致可以分为五个部分: 电源、串行接口、 调制解调器、耦合滤波电路和与主控制器。图1 所示是其系统结构方框图。 图1 系统结构方框图 收稿日期: 2007- 10- 16 8 2008.3 www.ecda.cn 2 ST7540载波芯片简介 2.1 ST7540的结构特点 ST7540的 内 部 结 构 如 图2所 示 。ST7540是 应 用于电力线通讯网络的半双工同步/异步FSK调制 解调器, 它采用单电源工作 (7.5～12.5 V), 内 部 集成有线路驱动器和两个线性电源调整器 (5 V, 3.3 V), 其电流高达50 mA。ST7540的数字电源为 3.3 V或5.0 V, 并 具 有 非 常 低 的 功 耗 , 其 静 态 电 流仅为5 mA。在控制方面, 可通过内部寄存器来 控制ST7540的工作, 并可使用同步串行接口来编 程设置内部寄存器。此外, ST7540还具有看门狗 定时器、超时输出、输出电压和电流控制、载波 检 测 等 功 能 。ST7540具 有8个 可 编 程 发 送 频 率 , 其可编程波特率最 高 为4800 B/s, 接 收 灵 敏 度 可 达500 μV (rms), 并带有UART/SPI接口。 2.2 ST7540内部控制寄存器的访问 ST7540的内部控制寄存器只能通过同步方式 访 问 , 访 问 时 , 可 使 用 和 主 接 口 相 同 的 接 口 线 (RxD、 TxD、 RxTx 和 CLR/T) 以 及 REG_DATA。 ST7540的内部控制寄存器功能表如表1所列。 当 RxTx =0, REG_DATA =1 时 , ST7540 在 CLR/T上 升 沿 采 样TXD, 并 将TXD上 的 数 据 下 载 到控制寄存器中的最高位。控制寄存器内容将在 寄存器存取结束 (REG_DATA下降沿) 时更新。 控制寄存器在正常模式下, 如果将多于24位 

第10卷 第3期 2008年3月 新特器件应用 Vol.10 No.3 Mar. 2008 图2 ST7540的内部结构图 数据发送到ST7540, 那么, 只有最后24位数据才 能 存 储 到 控 制 寄 存 器 中 ; 而 如 果 少 于24位 , 那 么, 系统将放弃控制寄存器的写操作。 为了避免由于REG_DATA的波动而导致不可 预料的控制寄存器写操作, 从而确保正确的写操 作, 在扩展控制寄存器模式下, 必须是准确24位 或48位数据才能发送到ST7540, 否则, 系统将放 弃写操作。如果发送是24位数据, 那么只写到控 制寄存器的前24位。 一 般 情 况 下, 当RxTx=1, REG_DATA=1时, 控制寄存器的内容从RXD发送。RXD数据的最高 位在CLR/T上升沿稳定。在正常的控制寄存器模 式下, 24位数据可从ST7540传送到主机; 而在扩 展控制寄存器模式下, 是24位数据还是48位的数 据从ST7540传送到主机, 应由寄存器的第18位状 态决定。 2.3 ST7540的数据接收与发送模式 ST7540内部通过控制寄存器中的第14位可以 设置数据的传送模式。 (1) 数据发送模式 在发送数据状态, ST7540内部的FSK调制器 及电力线接口电路处于工作状态, 需发送的数据 可以同步或异步的方式传送到FSK调制器。考虑 到 低 压 电 力 线 上 可 能 出 现 无 法 预 测 的 阻 抗 , ST7540可通过片内集电流和电压控制回路来确保 数据能够安全可靠地传输, 同时, ST7540芯片内 集成的功率放大器、自动增益控制、自动电平控 制等功能, 也可以提高数据发送的功率。 在 同 步 方 式 , ST7540 可 提 供 时 钟 信 号 , 这 样, 在CLR/T上升沿, TXD上的数值将被读到FSK 调制器。ST7540根据所选择的波特率来管理发送 时序。 对应位bit 功能描述 值 表1 控制寄存器功能表 Bit0~Bit2 频率 60 kHz 66 kHz 72 kHz 76 kHz 82.5 kHz 86 kHz 110 kHz 132.5 kHz Bit2 0 0 0 0 1 1 1 1 缺省值 132.5 kHz 选择 Bit1 0 0 1 1 0 0 1 1 Bit0 0 1 0 1 0 1 0 1 www.ecda.cn 2008.3 9 

第10卷 第3期 2008年3月 对应位bit 功能描述 Bit3~Bit4 波特率 Bit5 Bit6 误差 看门狗 Bit7~Bit8 传输超时 Bit9~Bit10 频率检测时间 Bit11 保留 Bit12~Bit13 检测方法 Bit14 电力线接口方式 Bit15~Bit16 时钟输出 Bit17 Bit18 Bit19 Bit20 Bit21 Bit22 Bit23 输出电压水平冻结 帧头识别 帧长计数 帧头长度 扩展寄存器 灵敏度 输入滤波器 Bit4 0 0 1 1 Bit8 0 0 1 1 Bit10 0 0 1 1 Bit16 0 0 1 值 600 1200 2400 4800 0.5 1 有效 无效 无效 1S 3S 不使用 500 us 1 ms 3 ms 5 ms 无条件序言检测 条件序言检测 无条件载波检测 条件载波检测 同步方式 异步方式 16 MHz 8 MHz 4 MHz 有效 无效 无效 有效 无效 有效 8位 16位 无效 ( 24位) 有效 ( 48位) 正常 高灵敏 无效 有效 Bit24~Bit39 Bit40~Bit47 帧头 帧长度 从0000H到FFFFH 从01H到FFH 10 2008.3 www.ecda.cn Electronic Component & Device Applications 续表1 控制寄存器功能表 Vol.10 No.3 Mar. 2008 选择 缺省值 0 1 1 0 Bit3 0 1 0 1 Bit7 0 1 0 1 Bit9 0 1 0 1 Bit13 Bit12 0 1 0 1 0 1 Bit15 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2400 0.5 有效 1S 1 ms 无条件载波检测 异步方式 4 MHz 无效 无效 无效 16位 无效 ( 24位) 正常 无效 9B58H 08H 

第10卷 第3期 2008年3月 新特器件应用 Vol.10 No.3 Mar. 2008 而 在 异 步 方 式 , TXD上 的 数 值 则 直 接 进 入 FSK调 制 器 。 此 时 由 主 机 来 管 理 发 送 时 序 , 而 CLR/T则被忽略。 (2) 数据接收模式 同步方式时, ST7540将在片内PLL的上升沿 恢复时钟信号, 此后, FSK解调器中的值将被读 取到数据接收线RXD上。 而在异步方式, FSK解调器中的值则被直接 发送到数据接收线RXD上。此后, 主机将恢复通 讯时序并使CLR/T被忽略。 在 接 收 数 据 状 态 , 信 号 经 外 围 带 通 滤 波 器 ( 并 联 谐 振 电 路 ) 滤 波 后 , 将 从 RX_IN 读 入 到 ST7540, 同时, 系统将关闭包括接口电路在内的 发送电路, 目的在于降低电路的功耗。信号可通 过片内的窄带带通滤波器进行滤波 (此滤波器的 中 心 频 率 可 按 照 选 定 的 信 道 频 率 设 定), 信 号 的 幅 度 可 以 通 过 自 动 增 益 模 块 进 行 调 整 。 在 进 行 FSK解调前, 应先将信号与内置的正弦波发生器 进行混频, 进行频率变换后, 再送入带通滤波器 进行滤波, 这样可以减小噪声, 之后, 再进行解 调。 3 系统硬件电路设计 耦 合 滤 波 接 口 电 路 主 要 由 三 个 滤 波 电 路 组 成: 发送有源滤波电路、发送无源滤波电路、接 收无源滤波电路。 3.1 发送有源滤波电路 系统中的发送有源滤波电 路 如 图3所 示 。 图 中 , PA是ST7540内 部 集 成 的 功 率 放 大 器 , 利 用 它可构成三阶发送有源滤波电路, 其中包括由一 个R4C5低通滤波电路和一个二阶Sallen- Key单元。 C3用于滤除 低 频 信 号; R2、R3则 可 将 信 号 的 直 流 分 量 抬 高R3VDC/(R2+R3), 这 样, 就 可 以 避 免 信 号失真。 二阶Sallen- Key单元的传输函数为: A(S)= S 2 ωc2 A 0 + S ωcQ 7! ", ωc = 1+ 其中: A 0 R 8 R +1 # C R C R # 8 4 6 5 R C +R C +R C (1- A ) 8 0 8 5 6 4 5 该单元的截止频率为: Q= = 1 R R C C 8 4 6 5 , = f c 1 2π R R C C 8 4 6 5 # 3.2 发送无源滤波电路 当数据传输系统与电力线进行耦合时, 除了 需要有源滤波电路以外, 还需一些无源器件来组 成发送无源滤波电路。图4所示是一种串联谐 振 电路, 该电路由解藕电容C9、线性变压器、电感 L2和 电 容C10组 成 。 该 串 联 谐 振 电 路 的 中 心 频 率 为: 图4 串联谐振电路 = f c 1 2π L C 10# 2 在设计该电路时, 应注意以下几点: (1) 首 先 要 正 确 地 选 择L2, 以 保 证 饱 和 电 流 (大于1 A) 和串联等效电阻 (<0.2 Ω) 能够满足系 统的设计要求, 从而限制大负载时信号的失真和 损耗; (2) 解 藕 电 容C9的 值 须 远 远 大 于C10 (至 少 大 100倍), 以使作用在滤波电路部分的变压器寄生 参数可以忽略; (3) 变压器前级电感须大于1 mH, 串联电阻 须低于0.5 Ω, 以保证信号的传输质量。 (4) 变 压 器 的 漏 感 也 是 一 个 很 重 要 的 参 数 。 如果漏感值在10～50 μH之间, 那么, 在设计偶合 电路时就可以省略电感L1和L2。但这种方法的缺 点 是 其 参 数 的 不 准 确 性 会 导 致 滤 波 器 频 率 的 偏 www.ecda.cn 2008.3 11 图3 发送有源滤波电路 

第10卷 第3期 2008年3月 Electronic Component & Device Applications Vol.10 No.3 Mar. 2008 移, 从而导致不好的耦合功能, 因此, 变压器的 漏感须<1 μH。 3.3 接收无源滤波电路 该 系 统 中 的 接 收 无 源 滤 波 电 路 如 图5 所 示 。 该电路由一个电阻R1串联一个L1C2并联谐振电路 构成。该滤波电路的传输函数为: 3.4 ST7540与主控制器的数据通讯 ST7540通过UART/SPI管脚的状态来选择与主 控 制 器 的 两 种 通 讯 接 口 方 式 (SPI、UART)。 当 UART/SPI 为 0 时 , 选 择 SPI 接 口 方 式 ; 当 UART/ SPI为1 时 , 选 择UART接 口 方 式 。 如 图6 所 示 是 ST7540与主控制器的接口电路图。 图5 接收无源滤波电路 R(S)= S + 2 SL +R L 1 R L C 1 1 2 R L C S+ 1 1 2 R L C 2 1 1 R +R 1 L R L C 2 1 1 式中, RL为 电 感 的 直 流 串 联 电 阻 。 实 际 上, 该 滤 波 电 路 的 中 心 频 率 和 品 质 因 数 表 达 式 分 别 为: ωc= 1 2π fc= 1 2π C L R 2 1 1 R C +L R 1 2 L 1 Q= ! ωc R +R L 1 R L C 2 1 1 (1) (2) 因为R1远远大于RL, 所以, 对式 (1) 进行简 化可得: f = c 1 2π L C 2! 1 而由式 ( 2) 可 知, 品 质 因 数 和 滤 波 器 的 选 频特性不仅取决于R1, 而且还取决于RL。RL的值 越大, 共振频率的波形越平 缓; 而R1的 值 越 大, 则选频特性越好。 实际上, 可以通过简化传递函数 R(S) 在中 心频率点的表达式来分析RL与接收信号损耗之间 的关系。 R(j2πf ) c L "Q ωc 1 R 1 = 1 1+R R 1 L C 2 L 1 (a) 异步/UART接口电路 (b) 同步/SPI接口电路 图6 ST7540与主控制器的接口电路 4 注意事项 由于ST7540内部只提供透明的物理层通信协 议, 它无法区分有用信号中的噪声, 所以, 噪声 将会与有用信号一起被解调。因此, 设计时必须 制定MAC层通信协议, 以保证通信的可靠性。 另外, 当系统中有多个节点时, 节点之间的 通 信 可 以 采 用 总 线 介 质 访 问 竞 争 性 协 议 (例 如 CSMA载波监听多路访问)。 ST7540有8个通 信 频 段, 但 同 一 时 刻 只 能 采 用一种通信频率。改变通信频率时, 需要调整外 围硬件的参数。 5 结束语 低压电力线载波通信具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 但低压电力配电网是一个开放性网络, 在传输信 号时具有衰减大、噪声干扰强、阻抗变化复杂等 特性。因此, 要在电力线上进行高速、可靠、安 全 的 数 据 通 信 , 目 前 还 有 许 多 技 术 问 题 需 要 解 决。此方案以ST7540作为调制解调芯片, 具有一 定的实用参考价值。 参考文献 通 过 观 察 传 递 函 数 的 模 的 表 达 式 , 可 以 发 现: 越 大 的Q值 , 壏 可 以 保 持 较 小 的 信 号 损 耗 。 但是, Q值越大, 滤波电路对元器件偏差的灵敏 度就越高。 [1] 刘 晓 胜,徐 殿 国.电 力 载 波 芯 片ST7538及 其 应 用[J].单 片机与嵌入式系统应用, 2004,(7). [2] 王作东.新型FSK电力线收发器ST7540及其应用[J].现 代电子技术,2006,(13). 12 2008.3 www.ecda.cn