窄带电力线通信(NB PLC)解决方案介绍(TI 文档)

ApplicationReportZHCA433–April20121TI窄带电力线通信（NBPLC）解决方案介绍董超（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。目录1PLC简介........................................................................................................................................21.1PLC的分类及其频带与调制方式..............................................................................................21.2PLC的应用及其优势...............................................................................................................31.3PLC面临的挑战......................................................................................................................42TI窄带PLC解决方案的设计...........................................................................................................42.1PLC软件的模块化...................................................................................................................42.2PLC硬件的模块化...................................................................................................................53总结................................................................................................................................................74参考................................................................................................................................................8图形图1窄带PLC在欧洲的频带划分...........................................................................................................2图2窄带PLC的调制方式......................................................................................................................2图3PLC解决方案的应用领域................................................................................................................3图4TI的PLC解决方案软件框图...........................................................................................................5图5TI的PLC硬件开发工具..................................................................................................................5图6TI的PLC硬件开发框图..................................................................................................................6图7TMS320F28069性能及外设资源.....................................................................................................6图8AFE031典型应用原理图.................................................................................................................7ZHCA4332TI窄带电力线通信（NBPLC）解决方案介绍1PLC简介[1]1.1PLC的分类及其频带与调制方式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。图1窄带PLC在欧洲的频带划分NBPLC的频带由各个国家的频带管理机构来指定和划分。图1给出了由CENELEC定义的欧洲的NBPLC频带划分方式。美国由FCC机构定义的NBPLC频带为单一的10kHz–490kHz这段较宽的频率段，媒体接入协议由PLC标准来定义。同时，也指定了HomePlug标准所使用的宽带PLC的频带为2–30MHz。日本由ARIB机构定义的NBPLC频带为10kHz–450kHz这段频率段。而在中国，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。NBPLC的调制方式主要有FSK,S-FSK,OFDM。图2分别给出了IEC61334、G3、PRIME这三个NBPLC标准所使用的调制方式以及相应的最大通信速率和应用层接口。图2窄带PLC的调制方式ZHCA433TI窄带电力线通信（NBPLC）解决方案介绍3TI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。最终，电力事业公司（UtilityCompanies）通过使用PLC技术将能够持续的监控一天之中终端用户设备或者应用的不断更新的（up-to-date）用电情况，从而有针对性的给出电力定价策略用于鼓励消费者调整用电习惯，达到削减电网峰值负载、避免建设更多的发电厂目的。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3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3PLC解决方案的应用领域ZHCA4334TI窄带电力线通信（NBPLC）解决方案介绍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）。•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。•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。2TINBPLC