基于电力载波通信的自动控制系统研究

Study on auto control systems based on carrier-current communication

（华南理工大学）张文勇杨金明陈伟

ZHANG WENYONG YANG JINMING CHEN WEI 摘要：随着电力载波技术的不断发展，电力载波通信的优势越加明显。本文介绍一套以LM13集成芯片实现电力载波通信，PC机做上位机进行信息的综合处理，单片机做下位机控制用电设备的自动控制系统。以串行通信的方式实现PC机RS232串口与单片机的多机通信，并把本文介绍的设计方法应用于教室节能系统加以实现，达到了设计效果。

关键词：电力载波；单片机；节能

中图分类号: TN92; TP271 文献标识码:A

Abstract: As the development of the carrier-current technology, the predominance of the carrier–current communication is more obvious. This article will introduce an auto control system that implements the carrier-current communication by LM13 IC, manages the information synthetically by PC and controls the electro-equipment by single chips. The communication of a RS232 serial port in PC and many single chips comes true by serial communication mode. The energy conservation system in the classroom comes true by the method introduced in the article and achieves the design purpose.

Key words: Carrier-current; Single chip; Energy conservation

引言

随着电力载波通信技术的日趋成熟，电力载波的研究也逐渐成为热点。电力载波通信以电力线路为传输通道，由于低压电力线随处可见，利用现成的低压电力线传输信号就不必要再架设专门的通信信道，系统设备可就地接入电力线，这就使的通信成本大幅度降低，投资少，见效快，并且可以实现与电网同步建设等。电力载波通信技术可广泛应用于工业自动控制系统[1-2]，自动抄表系统[3]，医学领域[4]，电器设备控制系统[5]，防火报警系统[6]等场合。电力载波通信在很多领域都可体现出其无可比拟的优越性。本文介绍了一种以LM13集成芯片实现电力载波通信的方法，并研制了一套基于单片机控制的电力载波通信装置。

1电力载波通信系统结构

电力载波通信系统结构图如图1，下位机实时的对所要控制的用电设备进行有效的采样，把获得的数据通过下位机的LM13载波模块调制成能在电力线上传输的信号，上位机的LM13载波模块再把电力线上的信号解调成数字信号，由RS232串口送入PC机，利用PC机对数据进行存储和综合处理，根据处理结果发送相应控制命令给下位机，下位机依据控制命令控制用电设备，使用电设备按要求动作，达到预期目的。

图 1 电力载波通信的系统结构图

国家自然科学重点基金项目（60534040），国家自然科学基金项目（60674099）LM13[7-9]是美国National Semiconductor公司生产的高性能专用电力载波通信芯片，具有价格低廉、使用方便、精度高和可靠性好的特点，采用移频键控的调制解调方式，抑制噪音的FSK调制方式；可实现任意编码方式的数字序列半双工通信；传输速率最高4.8KBaud；载波频率在50kHz至300kHz之间可选择。

2 硬件设计

电力载波通信接口下位机和LM13连接电路如图2，上位机部分与此基本相同。

图 2 LM13与单片机的连接示意图

LM13调制解调数据输入端DATA IN与C55WD的串行输出口TXD相连，输出端

DATAOUT与C55WD的串行输入口RXD相连。LM13的5脚TX/RX发送接收控制

端（下文简称控制端）由单片机的P1.0端控制，高电平为发送状态，低电平为接收状态，载波信号的收发由LM13的10脚通过耦合变压器T与电力线相连，三极管T1用于LM13工作在发送状态时载波信号的功率放大。

单片机C55WD内部自带看门狗，可防止数据丢失、CPU误动作和芯片死机现象。

3 软件设计

3.1 上位机软件设计

采用Delphi7作为上位机软件的开发工具，对数据的存储采用数据库Paradox，此单端数据库由Borland公司开发，可采用BDE引擎，与Delphi7融合较好。采用数据表存储和显示接收的数据，并可根据接收数据情况随时更新，便于用户实时查询。

对串口RS232直接使用Windows API函数和多线程技术实现通信功能[10]，此方式具有高度的灵活性，且Delphi7对Windows API调用十分便利，提供了非常容易使用的多线程Thread，对串口的控制易于实现。

自定义数据帧如下：

标志位用于区分8位数据位部分是地址还是数据（“1”—地址,“0”—数据），具体可

由Windows API函数实现如下：

GetCommState(hComm,cc.dcb);

cc.dcb.Parity:=MARKPARITY;

(或cc.dcb.Parity:=SPACEPARITY;)

SetCommState(hComm,cc.dcb);

其中：hComm是由CreateFile（）函数产生的函数句柄，属THandle型数据；cc是TCOMMCONFIG型数据，dcb是此类中的一个结构体，它包含了串口的各种信息；MARKPARITY对应标志位为“1”，SPACEPARITY对应标志位为“0”。当上位机发送信息给下位机时，此标志位就会自动存入单片机SCON寄存器的RB8位。

3.2通信协议

为了保证设计的灵活性，自行制定通信协议。

上位机以广播的方式发送下位机地址，下位机接收到地址验证正确时，再返回此地址给上位机，握手结束，否则不返回信息，当上位机接收到返回地址且验证正确时，上位机发送通知下位机发送有效数据的命令（下文取“230”），当下位机收到此命令时就发送有效数据给上位机，上位机存储数据，根据处理结果发送相应控制命令给下位机。

上位机和下位机的程序流程图分别见图3和图4，其中flag1是当前通信单片机的标志位，当flag1=1时，表示此单片机正在通信，其他单片机的flag1全置零，防止误动作，flag2是为了防止由于错误通信，还没有发送有效数据就导致相应用电设备的误动作，通过软件设计减小错误的发生。

图 3 上位机程序流程图图4 单片机程序流程图

3.3时序设计

根据载波通信芯片LM13控制位的要求，发送时控制位需置高，接收时控制位需置低，并且要避免LM13芯片控制位全置低的情况，因为在试验中证实，当上位机和下位机的LM13控制位全置低时，数据传输的错误率将明显升高，甚至收不到正确的数据，为了避免这种情况的发生，下面提出一种利用时序配合的方法，达到目的。为了减少由于数据丢失导致的通信错误，上位机每次发数据都重复发10次，下位机每次重复发20次。

上位机采用时间控件Timer的方式，下位机采用软件延时的方式互相配合，根据具体的应用系统，下文的时间间隔应适当调整，以达到图5所示的效果。

上位机：为了实现多机通信，利用时间控件Timer1，设置适当的时间间隔（12s）依次发送各下位机地址，地址发出后上位机LM13控制位置低等待接收，当接收到返回地址正确时上位机LM13控制位置高，启动时间控件Timer2，时间间隔为3s，时间到后发送要求发有效数据的控制命令（下文取“230”）通知下位机发数据，发送后上位机LM13控制位置低等待接收有效数据，收到有效数据后上位机LM13控制位置高，有效数据存储处理，启动时间控件Timer3，时间间隔为3s，时间到后根据处理结果发送相应控制命令给下位机。

下位机：开始等待接收，一旦接收到正确地址，下位机LM13控制位置高，开始返回地址20次，时间2s，发完下位机LM13控制位置低等待接收，收到“230”时下位机LM13控制位置高，发送数据20次，时间2s，发完下位机LM13控制位置低等待接收控制命令，当收到控制命令时，根据制定好的控制命令控制相应用电设备作相应动作。

时序图如图5：

图5 通信时序图

其中深色时段控制位置高，浅色时段控制位置低，显然浅色时段没有重合部分，这样

的时序设计是满足硬件和软件要求的，有效地避开了LM13控制位全置低的情况。

为了进一步减少干扰带来的通信错误，上位机接收数据时采用如下方法：

在接收事件中首先存储接收到的十个数，在这十个数中取相同个数最多的数据作为有效数据去处理。这样就有效的解决了一些杂波干扰带来的通信失败，取得和设置校验位相近的效果。

4实例应用

本文介绍的设计方法已经在教室节能系统中实现，根据教室人数自动控制教室照明灯的开通与关断，达到节约电能的目的。在此系统中利用人体红外监测技术和单片机统计出教室的人数，作为有效数据传递给上位机，上位机程序中可根据实际情况设定开灯和关灯的人数阀值，最后计算出教室是应该开灯还是关灯，发送设定好的控制命令给单片机以控制照明灯的通断。并且此系统加入了检测环境亮度的功能，保证在有足够光线的情况下不开通照明灯；上位机程序可以设定单个教室在某个时间段内照明灯一直开通，以满足上课，开会等特殊情况的需要。该系统已得到了实际应用，达到了设计效果。

5结论

电力载波通信日益接近我们的日常生活，本文介绍的设计方法在实时性要求不高的场合，有较好的实用价值。在试验平台上，应用此设计方法已经实现了教室节能系统，可根据教室人数自动控制教室照明灯的开通与关断，达到了设计效果，证明了此设计方法的正确性与可行性。

参考文献：

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[10] 范逸之,陈立元. Delphi与RS-232串行通信控制[M].北京: 清华大学出版社，2002

作者简介：张文勇（1982-），男（汉族），华南理工大学硕士研究生，电力电子与电力传动专业。E-mail: zhwyku@126.com；杨金明（1962-），男（汉族），华南理工大学副教授，博士，硕士研究生导师，长期从事电力电子与自动控制，新能源技术等方面的研究。 Biography：Zhang Wen-yong(1982-),male(the Han nationality),South China University of Technology, the master degree, Power Electronics and Power Transmission; Yang Jin-ming(1962-),male(the Han nationality), South China University of Technology, Associate professor, Doctor, Power Electronics , Auto control and Technology of new energy sources. (5100 华南理工大学电力学院)张文勇杨金明陈伟

通信地址：(5100 广东省广州市天河区五山华南理工大学电力学院)张文勇

本文作者创新点：本文给出一套基于低压电力线载波通信的自动控制系统的构造方法，利用集成芯片LM13实现电力线载波，并针对实验中遇到的与LM13相关的关键问题给出适当的解决办法，并且本文介绍的研究方法已经在本人参与的教室节能系统项目中得以实现，达到设计效果。