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2018年8月14日星期二
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扩频通信集成电路SC1128的应用
Application for Spread Spectrum Communication chip SC1128
■杨 晔

电力网是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络。电力线作为一种通信传输介质,具有可变信号衰减、线路阻抗变化大、脉冲噪声以及等幅振荡波干扰等不利于数据传输的特性。SC1128芯片是由北京一家集成电路设计公司设计开发的,芯片的设计者充分考虑了电力网阻抗的不确定性、干扰的随机性和信号衰减大等特点,将芯片设计成一个对系统设计工程师来说是一个透明的通信芯片。载频Fc、调制周波数N和数据传输速率D及伪码相干值等,均可由系统设计工程师根据现场应用的不同而自由选择确定,最大程度地让系统设计人员发挥自已的设计经验,这一点目前在国内外通用及专用通信芯片中还属首例。本文根据SC1128芯片的特点,结合其实际需要,设计了一款通信测试板,其目的是验证SC1128芯片在220V电力线上的数据传输能力和相关的技术指标测试。

 

SC1128芯片和现有国外芯片的比较

 

1.国外芯片现状

国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究,多家公司推出了自己的电力线载波芯片,并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网(480V/277V,208V/120Vac)的标准频率范围100-450KHz和针对欧洲地区电网(400V/230Vac)的标准频率范围9-150KHz。各家公司在标准频率范围下,针对本地区电网特点,采用各种特定专有技术,设计出各自的电力线载波芯片。由于国外电力线载波芯片是针对本地区电网特性和结构设计的,且一般是针对家庭内部自动化的,在国内的使用都难尽人意。目前,有一、两款电力线载波芯片在一定应用领域可勉强使用。我国可使用的电力线载波芯片有以下几种:XR2210/XR2206套片或LM1893、SGS-THOMSON公司的ST7536、 Intellon公司的 SSCP300、Echelon公司的PLT-22。

2.SC1128芯片的功能特点及技术指标

该家公司根据扩频通信理论,采用直序扩频技术设计开发的SC1128扩频通信芯片,为数模混合CMOS工艺设计,芯片为0.5 m工业级封装技术, 具有63位伪随机码,灵敏度达到70 V。使民用载波抄表实现实时抄表、抄到率达100%成为可能。符合产品化和用户要求,是载波扩频通信的一次突破。

SC1128芯片采用扩频技术,输入动态范围很高(120dB),抗干扰能力强,接收灵敏度达70 V,扩频带宽59-535KHz。数据传输最大波特率可达5.75Kbps,并可以软件设定,内置看门狗电路、上电复位和电源监测电路。内置时钟电路,为复费率电表及需要时钟的应用系统提供时钟;内置掉电保护存储器,可以在掉电时保护数据。有正弦波输出和方波输出两种形式,正弦波输出具有功率放大作用。

 

DEMO板的组成和连接

 

本DEMO板的载频Fc为250KHz,周波调制数N为4,最大门限值为8064(建议为2680)。数据通信速率为1Kbps。

1.DEMO板的组成

DEMO板上有一个电源指示灯和4个状态指示灯。状态指示灯可自行编程定义(图1)。

2.DEMO板作为电力modem的连接方法(图2)

SC1128相关的应用计算

用户在进行产品设计时,可根据实际应用需要,先确定数据速率B和调制周波数C,然后计算出工作频率Fg、晶振频率Fz和载波频率Fc。数据速率B和载波频率Fc具有以下关系:
A.根据数据速率B计算相应参数:
载波频率:Fc=B C L
工作频率:Fg=Fc 32
晶振频率:Fz =Fg 2
B.根据载波频率Fc计算相应参数:
工作频率:Fg=Fc 32
晶振频率:Fz =Fg 2
数据速率:B=Fc/C/L
C.最大相干值的的计算及设置:
最大相干值:Cm=L C S,一般取最大值的20%~30%进行设置,在实际使用时可根据现场环境作适当增减。

 

DEMO板的接收和发射特性

 

1.接收信号强度对还原的影响

图3通道3为近距离耦合线圈接收信号;通道2为远距离耦合线圈接收信号;通道1为接收板二级滤波器输出信号。从测试结果的比较中可以看出,接收回路对信号的要求是非常低的,无论是幅值还是波形。从还原的结果可以看出,接收通道的信号处理能力还是很强的。

2.接收灵敏度测试

将DEMO1设定为信号发送,经衰减网络将信号衰减到DEMO2可准确解调接收的状态。计算出接收端的最小信号为70 Vp-p,说明该芯片完全达到了设计要求,示波器观察波形如下图所示:

图4中通道1为发射板电源线两端,通道2为接收板电源线两端。由图中可见:此时接收端信号已经淹没在噪声中了。图5是在同等条件下,通道1为接收板三级运算放大器输出端。此时可以看出信号还原正常。
其中衰减系数:K=5/(510000+5)= 9.80 10-6,输出信号:Vop-p=7.44V,输入信号:Vip-p=2.24mV(实为噪声,信号已经淹没在其中了),计算信号:Vp-p=Vop-p K=72.94 10-6V。计算所得的最小输入信号约为:72.94 V。

3.同频干扰测试

由于本DEMO电路板设计载频Fc为250KHz、四周波调相。数据传输速率为1Kbps,捕获门限值为992。
测试点示波器观察信号幅度为2.96mV。加入250kHz同频幅值为6.56mV的干扰信号,设置捕获门限为992,此时数据传输无误码。信号传输正常。说明SC1128的抗同频干扰能力为信号的2倍以上。

4.输出通道的波形

图6为输出通道的输入和输出波形图,其中:通道1为SC1128第24脚方波输出;通道2为功率放大器输出。峰-峰值为7.36mV,经2:1降压变压器耦合至220V线路侧信号为3Vp-p。

在实际使用中,SC1128第24脚需要接一个1K以上的上拉电阻,上拉电阻可以接到5V或12V上(根据电路构成自行选择),电压较高时上拉电阻应适当加大,无论接入哪个电源,其最大灌入电流不应超过4mA。上拉电阻的大小还要保证24脚的输出电压幅值能使功率放大器正常工作(建议其峰峰值不低于3.0V)。

 

SC1128与单片机的接口

 

SC1128第28脚为电路工作主时钟的二分之一的晶振输出(其峰峰值约为4V),近似正弦波;32脚电压监测端;33脚看门狗输入端,正常工作时应该在768ms内产生一次高低电位变化;34脚看门狗输出端,与33脚配合,正常时输出低电平,否则输出三分之一占空比的复位脉冲;35脚与32脚配合,当电源信号低于监测值时,输出低电平,当高于监测值,则输出高电平;36脚收发控制端,0为接收,1为发射;37脚在发射和接受同步后产生同步脉冲信号,频率随工作主时钟和周波的变化而变化;38脚为输出发送和接收的数据;39脚为设置数据及状态的输入输出端;40脚为同步设置时钟输入端;41脚为片选输入端。数据收发流程如下:
当发射状态时,单片机将SR端(36脚)置高,SC1128芯片发出同步头(37脚),单片机通过TX端(38脚)同步发送数据;当接收状态时,单片机将SR端(36脚)置低,SC1128芯片若接收到数据,则产生同步头,通过TX端(38脚)将数据同步发送到单片机。

 

SC1128的I/O扩展

 

目前在电力载波通信系统中,多以单片机为控制芯片。但由于单片机的I/O管脚数目有限,所连接的I/O设备有限。为了尽可能地少占系统资源,SC1128芯片设计了一种可以与其它的通信方式相同的设备共享同一组总线的连接方法。

当单片机在对SC1128芯片内部RAM进行读写访问时,采用的是一种模拟I2C总线的访问方式。即它也是通过CS(第41脚)、SETCLK(第40脚)和LINE(第39脚)三条线来完成对其内部RAM的读写访问,其中CS作为片选信号使用,其作用等同于I2C总线中的WP信号,SETCLK是串行通信时钟信号,其作用等同于SCL,LINE是串行通信的数据线其作用等同于SDA。但由于SC1128的读写控制更为简单实用,故它在通信时并没有完全按照I2C总线的标准来进行。

由于SC1128读写的特殊性,就给了我们一个即可以方便地使用它,又可以最少占用系统资源的最佳方法。通过以上的介绍大家不难发现,SC1128虽然在读写操作过程和规则方面与标准的I2C总线有着不同,但其所使用的总线的数目和功能是基本相同的,这就意味着我们可以通过一簇总线,分别让单片机与多个使用I2C总线通信的设备与SC1128芯片共同使用同一簇总线(片选,时钟,串行数据),在不同的时间内轮流通信。在这组总线中时钟及数据总线是可以共享的。但是要给每一个设备以单独的片选信号,即每一个设备有一个独立的片选信号,这样在访问不同的设备时先让对应设备的片选信号有效,这时一定要保证其它共享设备的片选信号线无效,以免出现冲突。之后在共享的时钟线上给出对应的设备通信时所需的时钟信号,然后再从数据线上进行地址及数据的读写过程了。采用这种方法就可以充分利用单片机有限的I/O管脚数目来连接尽可能多的外部设备。

本例是采用2051单片机与SC1128芯片和24C02存储芯片,24C02是一个采用I2C总线的动态存储芯片。其中2051与SC1128之间通过CS(SC1128的片选信号-P1.1),SETCLK(SC1128的读写时钟信号-P1.2),LINE(SC1128的串行通信数据线-P1.3)。2051与24C02的通信是通过WP(24C02的片选信号-P3.7),SCL(24C02的读写时钟信号-P1.2),SDA(24C02的串行通信数据线-P1.3)。其中SETCLK与SCL共享P1.2管脚,LINE与SDA共享P1.3。两者的片选信号CS(P1.1)和WP(P1.2)是各自独立,2051不能同时访问SC1128和24C02,只能轮流访问,在访问SC1128时先让CS(P1.1)有效,此时要保证WP无效,之后再在SETCLK(P1.2)上给出SC1128所需的时钟信号,然后再从LINE(P1.3)中读写数据。访问24C02时先让WP(P3.7)有效,此时要保证CS无效,之后再通过SCL(P1.2)给出24C02的时钟信号,最后通过SDA(P1.3)读写数据。

 

SC1128芯片市场应用

 

由于SC1128采用扩频方式完成通信,因此其应用领域很广。可以用于:电力线载波通信;载波抄表(水、电、气表),电网管理等;家庭自动化(网络家电,家庭各种电器控制);智能大厦及楼宇控制;办公室间通讯;火警及安全防范系统;计算机终端接口及载波电话等等。

         
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