新一代電力線載波通訊芯片ST7538

ST公司

電力線載波通訊以電力線路為傳輸通道，具有通道可靠性高、投資少、見(jiàn)效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點(diǎn)。電力線載波通訊是利用現(xiàn)有交流電源線作為通訊線路，省去了不切實(shí)際的鋪線工程。目前智能大廈、智能小區(qū)已成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。這是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程，包含許多小系統(tǒng)，每家每戶以及每一房間也存在鋪設(shè)通訊線路問(wèn)題，例如消防報(bào)警系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)等。把各報(bào)警點(diǎn)集中起來(lái)統(tǒng)一處理，采用電力線載波通訊有其無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

ST7538結(jié)構(gòu)框圖

目前市面上的電力線載波技術(shù)分窄帶和寬帶兩大種。ST7538作為很有代表性的窄帶通訊芯片在遠(yuǎn)程抄表、燈光控制、智能家電等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。

圖1是ST7538的結(jié)構(gòu)方框圖，主要由MCU接口、接收通道、發(fā)送通道、電源部分和輔助功能等部分組成。

ST7538性能特點(diǎn)及通信模型

ST7538性能特點(diǎn)包括：

·采用BCD第五代技術(shù)

·使用10V單電源

·在接收狀態(tài)下功耗只有5mA

·有8個(gè)通信頻道、采用BFSK調(diào)制模式

·采用16MHz的晶振，內(nèi)置一個(gè)數(shù)字內(nèi)核

·內(nèi)部集成了MS功率有1W的信號(hào)功放

·接收靈敏度很高，在高靈敏度下為500uV

圖2是ST7538在應(yīng)用中的通信模型。其中底層是MAC層，ST7538和MCU在底層的MAC之上承擔(dān)一定的功能，分別為協(xié)議層、API和應(yīng)用層。ST7538充當(dāng)一個(gè)MCU和電力線之間的中介，它通過(guò)串口與MCU進(jìn)行通信，然后再把信息發(fā)送到電力線上。這比以往ST公司的芯片有了更高的集成度，只需要一個(gè)ST7538芯片再加上MCU就可完成除MAC層以上的所有功能。功耗也比以前有了較大的改進(jìn)。

ST7538的頻點(diǎn)是根據(jù)歐洲的電力線載波標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇的。歐洲的電力線載波標(biāo)準(zhǔn)把電力線載波的頻段控制在3～184.6kHz之內(nèi)。而ST7538的頻點(diǎn)處于60～132.5kHz的8個(gè)頻點(diǎn)上，其中有6個(gè)頻點(diǎn)是在60～86.5kHz之間，這是屬于歐洲所講的A頻帶，也就是電力供應(yīng)商所占用的頻段；而95～125kHz的頻段是屬于消費(fèi)類無(wú)通信協(xié)議的應(yīng)用；125～140kHz是屬于需要通信協(xié)議的消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用。在美國(guó)，3～500kHz的頻段都屬于一般應(yīng)用，也就是可以用做通用用途。

應(yīng)用實(shí)例

圖3是采用ST7538的自動(dòng)抄表應(yīng)用框圖。ST7538在其中作為數(shù)據(jù)收發(fā)器件，把MCU處理的數(shù)據(jù)送到電力線上，并把電力線上的命令采集回來(lái)反饋給MCU，然后由MCU進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)MCU還配有紅外接口和LCD數(shù)字顯示。

對(duì)收發(fā)耦合電路要求：輕載時(shí)必須有很好的選擇性，也就是Q值要高；重載時(shí)損耗要小，并且線性度要好，避免線性失真造成的斜波；耦合電路必須與開關(guān)電源一起工作。

對(duì)三相數(shù)據(jù)采集器，因?yàn)镾T7538是一個(gè)半雙功的器件，并且在指定時(shí)間內(nèi)只能在一項(xiàng)內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)，所以要有一個(gè)多路開關(guān)的設(shè)計(jì)，來(lái)保證數(shù)據(jù)通路的暢通，并且做到很好的頻率隔離和信道隔離。

電力線載波通信的特點(diǎn)

使用電力線載波通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不利的因素，主要有：電力線上的阻抗；電力線上的噪聲；典型的連接損耗；駐波等等。

a 阻抗和頻率的關(guān)系：電力線上阻抗變化很大，某些時(shí)刻會(huì)有很小的阻抗，阻抗大小和頻率關(guān)系很大，基本上呈現(xiàn)頻率越高阻抗越高的趨勢(shì)。 b 電力線上噪聲情況：電力線上存在白噪聲，而且在某些固定頻點(diǎn)會(huì)有一些尖峰。

c 在電力線的標(biāo)準(zhǔn)連接上也有固定的信號(hào)衰減，一般在同一個(gè)支路上信號(hào)衰減會(huì)有10-15dB，在不同的支路上信號(hào)衰減有20~35dB，在某些特別惡劣的情況有可能會(huì)有50~60dB的衰減。

d 駐波效應(yīng)會(huì)在每1/8波長(zhǎng)上起作用，相對(duì)應(yīng)的100KHz上的波長(zhǎng)是375m，150kHz的1/8波長(zhǎng)是250m。在一些比較重要的應(yīng)用上應(yīng)該有一個(gè)阻抗適配器來(lái)應(yīng)付長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，比如遠(yuǎn)程抄表還有路燈控制。

ST7538的電力線載波通信實(shí)現(xiàn)

a 接收

ST7538的接收通道：接收通道輸入范圍在500 Vms - 2Vms；收發(fā)頻點(diǎn)分別是：60kHz，66kHz，72kHz，76kHz，82kHz, 86kHz, 110kHz, 132.5kHz；4檔波特率分別是：600bit/s，1200bit/s，2400bit/s，4800bit/s；頻偏有兩擋，分別是：0.5和1；芯片內(nèi)有自動(dòng)增益補(bǔ)償，在-30db到10db間調(diào)整。

信號(hào)接收后，通過(guò)一個(gè)4極點(diǎn)Sallen-Key濾波，然后經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制，進(jìn)入一個(gè)8級(jí)點(diǎn)的濾波器，然后通過(guò)乘法器與內(nèi)部的20kHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相乘，得到調(diào)制在20kHz上的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),然后從這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)解碼出我們需要的信息。

b 發(fā)送

ST7538的發(fā)送通道：芯片內(nèi)部有一個(gè)72頻點(diǎn)的信號(hào)源、一個(gè)8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過(guò)信號(hào)源和數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)功放加載到電力線上。芯片可以對(duì)輸出的信號(hào)幅度進(jìn)行自動(dòng)控制。芯片內(nèi)部還有溫度保護(hù)功能，過(guò)熱時(shí)會(huì)停止工作。

對(duì)于發(fā)送出去的信號(hào)有相應(yīng)的幅度控制，它是一種先恒壓后恒功率的模式。通過(guò)外部電阻設(shè)定，可以對(duì)輸出電流和電壓分別進(jìn)行選擇。當(dāng)外部負(fù)載較小時(shí)，加載到電力線上的信號(hào)會(huì)在限定的電壓伏值以內(nèi)；當(dāng)電力線上的負(fù)載較重時(shí)，如果輸出電流超過(guò)了預(yù)制的門坎電頻，那么輸出的電流就會(huì)限定在我們指定的值上。

c 輔助功能：

除了收發(fā)和數(shù)據(jù)采集等功能外，ST7538還包括一些輔助功能，包括了內(nèi)置的5V、100mA的低壓降穩(wěn)壓電源。這個(gè)穩(wěn)壓源還包括一個(gè)輸出正常的信號(hào)表示引腳。芯片主時(shí)鐘是16MHz的，同時(shí)能輸出4MHz、8MHz、16MHz時(shí)鐘信號(hào)，供MCU使用。內(nèi)置了過(guò)零檢測(cè)功能，還有一個(gè)帶寬為7 MHz的運(yùn)放，在接收端有一個(gè)4極點(diǎn)帶通濾波器，它的輸出可以在片上獲得。

d 數(shù)字功能：

與MCU的復(fù)位控制功能，內(nèi)部集成了可編程的看門狗功能，載波檢測(cè)功能，在使用的頻點(diǎn)檢測(cè)功能，內(nèi)部控制字的狀態(tài)檢測(cè)，超時(shí)停機(jī)功能，數(shù)據(jù)接收時(shí)可設(shè)置為數(shù)據(jù)包模式。
ST7538與MCU之間的接口是4線同步串口，波特率可在600bit/s-4800bit/s之間切換。

e 超時(shí)條件：

當(dāng)控制字第7和8位設(shè)置為10或01時(shí)，如果傳輸時(shí)間長(zhǎng)于1或3秒，超時(shí)條件將成立。這時(shí)芯片將鎖定125ms，然后對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)芯片啟動(dòng)時(shí)，如果RxTx是低，并且有復(fù)位信號(hào)，那么超時(shí)輸出將會(huì)持續(xù)至少125ms。然后如果RxTx在復(fù)位狀態(tài)后置高的話，超時(shí)輸出將會(huì)復(fù)位。溫度保護(hù)的情況，當(dāng)芯片內(nèi)置的信號(hào)放大器發(fā)生溫度保護(hù)時(shí)，超時(shí)條件并不會(huì)鎖定，Tout會(huì)在溫度降到低于溫度保護(hù)的預(yù)值時(shí)復(fù)位。

演示板

ST公司為ST7538的開發(fā)提供了應(yīng)用演示板，由電源、信號(hào)耦合電路與PC機(jī)的接口、MCU等部分構(gòu)成，是載波芯片ST7538。詳細(xì)信息請(qǐng)登陸查詢。