TI 窄带电力线通信(NB PLC)解决方案介绍

TI窄带电力线通信（NBPLC）解决方案介绍作者：董超（KnightDong），MCUFAETeam摘要窄带电力线通信（NBPLC）是指通过使用已有的电力线设施作为通信媒介实现窄带通信的方法，可以替换无线或者其它类型的有线通信标准，从而获得更好的成本效益。NBPLC可以作为智能监控的手段应用在工业领域，例如智能电表（smartmetering）。目前，NBPLC已经有行业联盟协议（IEC61334,PRIME,G3）和调制方式（FSK,S-FSK,OFDM）可以使用。同时，电子行业的两大国际标准委员会（ITU-T,IEEE）也在制定电力线通信的国际标准，其中ITU-TG.hnem基于PRIME；IEEEP1901.2基于G3。鉴于此，TI提供了灵活的开发平台给电力线通信的开发商，从而帮助企业简化设计，允许针对不同工作条件而进行优化，能够容易地进行调整以遵循不断演进的标准。1.PLC简介[1]1.1PLC的分类及其频带PLC技术总体上可以划分为宽带（Broadband）PLC和窄带（Narrowband）PLC两大类。前者适用于Internet互联网这类高速广域网连接，采用OFDM调制方式，目前HomePlug联盟制定的标准成为国际主流；后者适用于侧重低成本、高可靠性而只需要窄带控制或者低带宽数据采集的场合。目前，适用于NBPLC的PRIME、G3标准已经进入实际部署阶段；而IEEEP1901.2以及ITU-TG.hnem两大国际标准即将制定完成。NBPLC的频带由各个国家的频带管理机构来指定和划分。在中国，EPRI更倾向于使用3–90kHz这段频率；而3–500kHz这段单一的频率段如何使用并没有规定。TI专注于基于OFDM调制的NBPLC技术的研发和推广。原因主要在于以下几点：1）低于500KHz的PLC信号能够穿过变压器，这具有很好的传播特性；2）NBPLC在使用MCU或DSP实现时具有较好的成本效益；3）在窄带干扰（NBI）和短脉冲干扰（Impulse）下有很强的健壮性（Robust）；4）频率选择性信道的响应（阻抗特性）较好；5）能够与已有的技术（FSK,S-FSK）共存；6）TI在OFDM软件方面有很好的积累，软件库能够得以重用并且能够在不同的MCU系列之间移植从而实现成本和性能的平衡。1.2PLC的应用及其优势PLC能够在电力线上传输数据，这样就为许多的应用领域提供了一种具有成本效益的通信方式。由于不需要在互联的设备直接安装额外的线缆，PLC显著的降低了系统成本、增加可靠性，同时能够实现有效的通信。PLC技术能够利用已有的电力线基础设施，这使得它在智能电网（SmartGrid）领域占据着优势的技术地位。在智能电表领域，NBPLC提供了一种稳健的能够替代无线通信的方式，能够满足带宽、功耗和成本的要求。NBPLC已经有不同的标准，其数据率也从1.2Kbps到最高128Kbps不等，能够满足数据采集、照明控制、家庭自动化等应用的带宽要求。这样，NBPLC将是一种非常有吸引力的能够作为智能电网通信基础设施的技术。同样的，PLC技术使得在照明控制、家居和建筑物的供热和空调系统自动化、安全等系统中实现更加智能化的管理成为可能。只要系统连接到供电网络，它的效率和运行状况就能够被智能地管理和改进。图1给出了PLC解决方案能够适用的应用领域，例如智能电网（SmartGrid）、街灯照明（StreetLighting）、智能电表（SmartMeter）、太阳能（SolarEnergy）、风能（WindEnergy）、家居自动化（HomeAutomation）等。图1PLC解决方案的应用领域1.3PLC面临的挑战开发一种有效的PLC实现会面临许多的挑战，例如，电力线固有的噪声；需要健壮的架构来确保数据可靠性；每种应用和运行环境都是不同的，需要开发者优化设计来适应各种因素。PLC实现的功能过于固定化将会限制其应用领域；而且，由于PLC的标准还没完全确定仍然在不断演进中，这也是一种冒险性的设计策略。开发者需要灵活性的平台，这将能够针对每种应用的特定需求来优化设计，同时也能够适应新的标准和新兴的市场机会。这样，PLC的知识产权可以在多种应用得以重用，进而在应对不断扩展的市场机会时能够加速开发进程、缩短产品上市时间。硬件和软件的模块化设计是达到开发平台灵活性的关键部分。通过把复杂的PLC系统分解成一些独立的子系统，可以允许开发者在不必完全重新设计整个系统的情况下改变设计的某一方面，例如调制方式或者通信协议。·调制方式：硬件层的灵活性使得开发者可以针对某种特定的应用实现最有效的调制方式。例如，窄带通信可以使用扩展频移键控（S-FSK）和正交频分复用（OFDM）。Ÿ·通信协议：为了实现互操作性，设备必须遵循特定的协议标准。在灵活的平台之上，开发者可以方便地实现所有流行的PLC标准，例如SFSK(IEC61334)，PRIME和G3；同时，能够使得设备随着标准的演讲而保持更新。此外，由于不需要完全地重新设计硬件和固件，把设计移植到新应用或协议的过程也将变得简单。Ÿ·遵循本地规章：各个国家对“绿色电子产品”的热情支持催生了通信规章（CENELEC，FCC，ARIB等），这将给智能电网（SmartGrid）和其它以PLC为基础的应用带来深刻的影响。开发者需要工具来确保设备满足规章要求，同时帮助他们尽快地通过测试，以获得批准使产品尽快上市。2.TINBPLC解决方案的设计TI的NBPLC解决方案使得开发人员不必关心其设计的复杂性，降低了PLC在很多工业应用领域的使用门槛。TINBPLC解决方案的高效和灵活使得客户能够快速的针对特定的应用需求进行差异化和定制化设计。基于独特的模块化硬件架构和灵活的软件框架，TI的PLC解决方案是目前业界唯一的在单一的平台能够支持多种标准和调制方式的技术。2.1PLC软件的模块化[1]TI的PLC软件（plcSUITE™）提供了功能强大的框架使得开发者能够快速的开发PLC实现并且测试其健壮性。软件平台的灵活性允许开发者把调制实现、协议设计、应用开发分隔开来。开发者可以利用图形接口（GUI）方便地对PLC关键的性能参数可视化和调整。TI的NBPLC解决方案在同一个硬件平台可以支持多种调制方式和协议标准。2.2PLC硬件的模块化图2TI的PLC硬件开发工具TI灵活的NBPLC硬件平台使得开发变得更加简单。如图2所示，PLC硬件开发工具由模拟前端（AFE）、MCU卡、基座（DockingStation）组成。开发平台的模块化设计允许开发者容易地调整系统的硬件能力来满足不同的PLC通信指标。例如，TI除了支持PRIME和G3标准外，通过FlexOFDM™库还支持私有的、完全可编程的基于OFDM的系统；开发者能够针对特定的运行环境来优化性能和稳定性，进而进一步地提高效率。如果有需要，还可以通过配置工作频带和数据发送的频点来快速地定制OFDM实现；这些改进可以独立于协议和应用层软件。一旦设计、验证完成，开发者可以通过把各个模块集成到单个硬件板（SOM）来降低硬件成本[1]。图3TIPLC硬件开发框图如图3所示，TINBPLC系统的核心是包括耦合电路在内的模拟前端、用于数字调制和网络实现的处理器。处理器主要实现调制解调等信号处理、媒体接入控制（MAC）、网络层处理（路由、IPV6等）、应用层实现。处理器的内存及运算能力决定了所能够处理的信号带宽以及所能够达到的数据速率。为了降低成本同时提高性能，TI增加TMS320C2000MCU指令集，新增加的指令集由紧耦合的协处理器---VCU（Viterbi,ComplexMath,CRCUnit）单元来实现。VCU通过增加针对复数运算、维特比译码、CRC计算的汇编指令来增强C2000MCU的处理能力。新增的VCU指令集能够加速物理层OFDM信号的处理和MAC层数据包CRC的计算[4]。高性能、集成的模拟前端（AFE031），主要用来滤波、调理、放大信号，同时耦合调制信号到传输线。高性能的AFE需要具备下列特点：能够大电流来驱动低阻抗电力线；能够通过高压电容和变压器来耦合信号到电力线；能够检测小到20UVrms的信号、具有宽范围的增益选项来适应可变的输入信号。因此，设计NBPLC的模拟前端（AFE）非常具有挑战性。使用AFE031能够帮助设计者简化设计高性能模拟前端的工作，设计者只需专注于电路设计（例如，电力线耦合接口、电路保护等）和PCB的温度设计。AFE031是集成的、高性能的适用于电力线通信的模拟前端芯片，由许多功能块组成，能够被MCU无缝地连接和驱动。AFE031的发送通路（Transmitter）从MCU通过SPI接收数字信号，由内部DAC转换成模拟信号，经过滤波和功率放大，通过耦合变压器驱动AC电力线。AFE031的接收通路（Receiver）从AC电力线接收模拟信号，滤除噪声，通过可编程增益放大器（PGA）放大，经过ADC转换成数字信号输入到MCU处理[3][5]。3.总结TI持续地在智能电网和智能电表技术领域加大投资，在Dallas建立了PLC研发中心，以市场上最灵活的NBPLC解决方案引领该行业。通过利用已有的电力线设施作为传输数据的链路，PLC在许多应用领域都是最有成本效益的通信方式，够改变我们监视和控制世界的方式。开发者利用TI灵活而成熟的窄带PLC解决方案将能够加快其具有PLC特性的产品上市时间。4.参考[1]TIDeliversFlexiblePowerLineCommunicationsSolutions,OlivierMonnier[2]AutomotivequalifiedJ2931/3referencedesignachievesaffordability,robustness,andhighperformancecommunicationsbetweenthePEVandEVSE,DonShaver,[3]AnalogFront-EndDesignforaNarrowbandPower-LineCommunicationsModemUsingtheAFE031,EdMullins,AnassMrabet[4]TMS320F28069,[5]AFE031,[6]G3-PLCAlliance“G3PhysicalLayerSpecification”,