浅谈Mi200e电力线载波芯片在楼宇自动化中的应用

1 引言

电力线载波通信使用电力线作为信号传输的通道，完成工程上的“最后一公里接入”的通讯需要。由于电力线载波使用大部分电器所需的电力供应线路接入，所以不需要提供另外的专用通讯线路，在用户使用便捷性、安装施工和节省线路成本上具有很强的优势。

本文针对这个问题提出了一种基于电力线载波和mesh自动组网技术的楼宇自控系统，由于电力线载波技术使用已有的电力线作为信息传输的媒介，这样不仅可以省却用户初期安装系统的布线麻烦，而且后期维护也会比较容易，具有比较好的前景。

2 系统简述

2.1 系统物理拓扑结构

基于电力线载波的通讯系统在通讯物理线路上使用电力线，由于电力线的特点，网路拓扑是典型的总线型网络，拓扑结构如图1所示。

对于跟受控设备直接连接的终端器将扮演从机的角色，用户终端通过电力线与其他终端形成总线型局域网，另外一端就是各种检测和控制量的连接。在每个楼宇或者小范围内安装一个集中控制器，然后配备pc或者电脑终端，这样楼宇管理人员就可以集中收集信息或者进行管理。

2.2 系统软硬件与网络栈模型

楼宇自动化系统实际是个典型的计算机通讯系统。本文的设计任务主要有基于电力线通讯技术受控节点控制器，电力线通讯网络中继，以及与pc接口的电力线网关。涉及软硬件的设计和网络技术。本系统采用参照osi参考模型并根据实际情况做修改和裁减的办法来设计网络堆栈，网络栈模型图2所示。

物理层使用民用的220v电力线线路。数据链路层处理信道的争用和冲突检测。mac，鉴于电力线载波的特点，在数据链路层加入类似无线网络的节点信息传送机制，跟网络层配合实现自动组网，即mesh网络技术。这样设计有利于节点通讯终端的调试和安装，可以做到即插即用。由于楼宇自动化系统的数据通讯量不大，基于电力线的组网技术也在一定程度上简化了网络拓扑，所以不需要实现非常复杂的网络层和传输层。数据传输的控制检验可以在应用层根据需要实现。这样比较有利于降低系统复杂度，可靠性也相应的增加。

3 硬件设计

3.1 系统硬件结构设计

本系统涉及三种类型的硬件，电力线通讯控制器、电力线路中继和以太网的桥接器。其中电力线通讯控制器（plc控制器）和中继器硬件结构一致，不同的是软件功能支持。以太网桥接器比plc控制器多了以太网扩展，但是少了跟受控设备的通讯部分电路。图3为系统硬件网络结构图。

如图3中描述，在本系统中mi200e调制解调和stm32以及stm32 硬件io的控制输出构成plc控制器；由mi200e和stm32mcu构成中继器，在信号衰减后用以延续网络；由mi200e调制解调电路，stm32mcu以及enc28j60构成电力线到ethernet/internet桥接器，构成完整的网络硬件系统。

3.2 通讯终端设计

通讯终端硬件结构如同4所示 。通讯终端使用mi200e电力线路载波专用芯片与arm cortex单片机stm32 f103c8t6接口，这样系统协议便于针对应用进行修改和升级。stm32 f103c8t6为32位arm cortex-m3单片机，具有比较高的运算能力，主频达72mhz，同时提供丰富的硬件接口。

系统中同时具有io、ad输入输出与外部受控设备接口，同时用spi扩展以太网芯片方便作为到以太网的桥接器使用，同时，系统具有rs232接口输出，可以与pc相连，或作为调试或扩展为485等桥接。

3.3 mi200e发送耦合电路

发送耦合电路的功能就是将单片机传送的数据进行编码调制，再将功率放大之后耦合到220v的高压电路上面，如同5所示。

由于mi200e内部自带调制、滤波、数字功放电路，所以外围电路简洁。mi200e的功率放大输出pa、pb输出后通过l6、c9构成的lc无源带通滤波器再滤波处理后送入信号耦合变压器，再通过耦合变压器到220v电力线路的通路传送。这里重点说明下耦合变压器部分电路，由于220v属于人身危险强电，而mi200e的输出为10vpp的弱电信号，因此耦合变压器在这里有两个角色，一是其初级和安规电容c8构成高通滤波器，阻断了50hz交流工频信号，保证了芯片电路的安全，另外一个角色是次级跟外围电路同时构成带通滤波器，有助于调制信号的选择。另外图中电路rxtx_n控制两个mos管构成的开关电路，这部分电路是在mi200e发送的时候帮助改善信号的波形。耦合电路中d1、d2两个tvs管，将信号幅度限制在一定范围，对后级电路有保护作用。r7帮助安规电容在断电的时候放电，以保证安全。th1为压敏电阻，可以在两端信号冲击很大的时候帮助吸收电流，以保护后级的小信号电路不被220v端的冲击电压损毁掉。

3.4 mi200e接收耦合电路

参见图6所示，接收电路负责将线路上的调制信号提取出来，然后送入mi200e的ra+，ra-两端进行解调。由于信号耦合部分跟发送部分共用，只需要加上简单的lc带通滤波就可以送入mi200e了。由信号耦合变压器送来信号经过c13、l9构成的带通滤波器后直接送入mi200e 23和24脚进入芯片解调。

3.5 spi扩展以太网电路

系统与互联网通讯选择microchip的spi接口的外扩以太网方案，enc28j60内置10mbps以太网物理层器件（phy）及媒体访问控制器（mac），可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息数据包，具有可编程过滤功能。特殊的过滤器，包括microchip的可编程模式匹配过滤器，可自动评价、接收或拒收magicpacket，单播（unicast）、多播（multicast）或广播（broadcast）信息包，以减轻主控单片机的处理负荷。可编程8kb双端口sram缓冲器，以高效的方式进行信息包的存储、检索和修改，以减轻主控单片机的内存负荷。该缓冲存储器提供了灵活可靠的数据管理机制。enc28j60跟stm32的spi2连接，电路如图7所示。

4 软件设计

4.1 mi200e数据包收发

mi200e的数据包有基本的格式，数据包首先是两个字节的0xff前导码，后面是0x1a和包长度信息，接着是两字节倍数的数据区，最后面是两个字节的crc16校验码，校验码对0x1a以后的数据进行校验，括包信息和具体的包数据内容（见图8）。

mi200e每隔10ms进行一次数据发送，为了能稳定的建立数据通讯，byte 1～byte4固定使用较低的速率200bps进行数据发送。起始的 4 个 byte 中包含引导码、后续发送采用的波特率和数据长度。在发送完这 4个

byte 后，可通过重新配置模式寄存器改变发送波特率。在使用 1600bps 的速率情况下，每隔 10ms，将发送出 1个word的数据。 由于 byte 4 中 pkg_length 占用了 6 个 bits，因此每一个数据包的数据长度不应超过 64个word。数据包发送流程如图9所示。

mi200e处于接收状态时，需要反复查询状态寄存器（0x82）的ri、carr、frame 标志。当carr、frame被硬件置‘1’后，先读取接收模式寄存器（0x83），取出package信息（波特率与数据长度），将接收到的波特率信息写入模式寄存器（使得收发两端的波特率一致），然后按照取得的数据长度进行接收，每读取一个word的数据前都需要查询ri、carr、frame 标志，只有在 ri、carr、frame都被硬件置‘1’的情况下，再读取mi200e中的接收数据。在读取完所有的数据后，查询状态寄存器（0x82）中的 crc标志，判断是否已正确接收到了数据。数据包接收流程如图10所示。

图10 数据包接收流程图

4.2 enc28j60网络驱动设计

本系统采用enc28j60以太网控制芯片，需要编写网络设备驱动程序，以实现低层网络接口及硬件函数驱动。此驱动主要完成enc28j60网络芯片的初始化过程，完成在stm32控制器中加载enc28j60网卡芯片的配置信息，并进行enc28j60的自检功能，如图11所示。

图11 enc28j60网络驱动流程图

4.3 数据链路层设计

mi200e提供了基本的数据包结构和载波侦听功能，这个特性可以模仿ieee802.3mac的设计。这里在mi200e的数据包中加上节点的mac地址，同时由于是针对控制应用，在mac地址后面安排数据内容的功能描述码，用于快速获取当前通讯，便于区分广播数据，无需响应的指令数据和需要响应的指令数据等。描述码后面是具体数据内容，由于电力线的广泛性和楼宇控制安全的需要，数据内容可以使用aes128等加密算法加密，同时可以对内容再进行crc32校验，以进一步提供可靠性和安全性。链路层数据帧格式如图12所示。链路层数据帧格式的设计提供了区分节点的能力，配合mi200e的帧检测机制，可以模仿以太网的总线有效解决线路竞争问题。链路层数据帖格式。

4.4 网络层设计（mesh）

由于电力线路的固有特性，以至于电力线路的通讯跟无线网络的信道特性非常相似，信号经过一段线路之后必然会有比较大的损失，所以载波信号在经过一段距离后就无法接收了，信号的覆盖是一个范围，这个跟无线网络入wifi，zigbee都是比较相似的，同时由于电力线路阻抗的时变性，导致节点在网并不是很稳定，可能一会可以通讯，一会就找不到对方节点了，这个跟无线信号的波动性也比较类似，所以考虑在网络层加入mesh机制的路由特性，可以大大提高通讯的覆盖范围，可以用来组建比较大的网络，满足当前社会大型楼宇的应用需求。

5 结束语

经过实际硬件制作和编写程序测试，本系统可扩展性好，基于mi200e的载波侦听机制，网络有较快的响应速度，比modbus的轮询机制效率高，由于采用mesh技术，网络安装和配置比较容易，覆盖范围可以扩展到几百米。另外有桥接器的应用，可以比较方便的连接到互联网。