一種交流電數(shù)字編碼控制方法及實現(xiàn)

摘要：針對電力線載波通信技術節(jié)點成本高，切相調光技術線路諧波干擾大，且無法定位尋址控制的缺點，通過提出一種對交流電進行數(shù)字編碼的控制方法，利用高壓功率驅動器件對交流電的正負半波的后沿進行數(shù)字脈沖編碼，每個半波編一個編碼位，實現(xiàn)電力線傳輸數(shù)字控制信號的目的。本文提供了控制器的編碼及接收端的解碼硬件電路及軟件解碼方法。本文的技術可應用于室內照明調光的可尋址控制。

0 引言

目前多數(shù)建筑仍采用手動開關的照明控制方式，管理方式落后，容易造成能源浪費。在原有供電系統(tǒng)上設計獨立的智能照明控制系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的照明控制方式，可以更科學、有效地管理照明用電。在電力線通信技術領域，如采用電力線載波通信的方式，即通過在電力線上調制高頻載波信號實現(xiàn)設備間的信息傳輸和控制，這樣每個設備節(jié)點配備的高頻調制控制電路較為復雜，元件數(shù)量多，需要較高的成本。在商業(yè)和家庭照明燈具控制方面，現(xiàn)在市場上燈具控制網(wǎng)絡多采用專用控制線路進行連接，這樣也增加了系統(tǒng)的布線成本。采用無線控制網(wǎng)絡的系統(tǒng)，每個控制節(jié)點的元件成本也較高。采用電力線進行照明調光，多數(shù)采用前沿或后沿的切相控制，切相調光對電網(wǎng)產生較高的持續(xù)諧波干擾，而且只能實現(xiàn)一組設備的統(tǒng)一調光控制，無法實現(xiàn)對單一個體設備的精確尋址控制或實現(xiàn)調光調色的數(shù)字化控制。

本文提供了一種交流正弦波數(shù)字編碼控制方法，利用高壓功率驅動器件對交流電的正負半波的后沿進行數(shù)字脈沖編碼，每個半波編一個數(shù)字位，實現(xiàn)交流電力線傳輸數(shù)字控制信號。本方案只需在控制的時候進行切相編碼，當發(fā)送完控制指令后，恢復原來完整的正弦波信號，既解決了數(shù)字化精確控制，又解決了線路的諧波干擾問題。

1 交流電數(shù)字編碼方法

組成一個控制單元最少由一個控制器和一個受控設備組成，控制器根據(jù)控制指令，對交流電輸入端的后沿進行脈沖編碼，一幀數(shù)字編碼由起始位、地址、數(shù)據(jù)、校驗和停止位編碼組成。

交流電正弦波頻率50Hz，利用正負半周進行編碼，每秒可以定義100個編碼位，在一些簡單數(shù)字控制應用中，盡量縮短一幀數(shù)據(jù)的長度，以提高設備的響應速度。本文采用的編碼方案為一幀數(shù)據(jù)由19個編碼位組成，其中1個起始位、8個地址位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇校驗位、1個停止位。一幀數(shù)據(jù)的長度為 190ms，每秒可以發(fā)送5幀控制信號，可滿足室內照明調光的控制需要。由于編碼和解碼的通信過程為單向通信，受控設備沒有應答信號返回給控制器，所以信號傳輸?shù)目煽啃杂绕渲匾?/p>

本文考慮負載端受控設備輸入端容性和感性對交流正弦波波形的影響，以較寬的脈沖寬度來定義編碼位的脈沖寬度，以使得受控設備得到穩(wěn)定可靠的還原信號。這里以交流脈沖編碼過零點作為時間參考起點，以過零后T0時間開始編碼，T0取值8.0ms，“起始位”為500μs低電平和500μs高電平;位“0”為 250μs低電平和250μs高電平;位“1”為250μs低電平和500μs高電平;“停止位”為完整的正弦半波。一個編碼位的波形如圖1，各編碼位的時間參數(shù)如表1。

如圖2是一幀數(shù)據(jù)的波形示意圖。包含1位起始位“Sbit”，8位地址位“A0-A7”，8位數(shù)據(jù)位“D0-D7”，1位奇校驗位“Cbit”，1位停止位“Ebit”。受控設備只接收與本身地址相同的數(shù)據(jù)或廣播數(shù)據(jù)。這樣，控制器可以對某個特定地址的受控設備進行精確控制。

2 控制器編碼電路硬件設計

控制器的核心電路由微處理器電路、過零檢測電路和電壓驅動控制電路組成?？刂坪诵挠筛咚傥⑻幚砥鱑1控制，控制信號輸出以交流電壓的過零點作為時間參考，如圖3所示，由B1、R1、U2、R3組成的過零檢測電路，當輸入交流電壓高于20V時，光耦U2導通，INT0為高電平，當輸入交流電壓低于20V時，光耦U2截止，INT0為低電平，觸發(fā)微處理器的定時器計數(shù)。微處理器U1可通過UART串口接收上位機的指令，根據(jù)編碼方法，通過編碼電路向受控設備發(fā)送指令。也可以通過微處理器U1接收控制按鍵信息，根據(jù)按鍵的功能定義進行相應的控制。

如圖3所示，由整流橋B2、MOS管Q1以及Q2、Q3、Q4、D3、R4、R5、R6、R7、R8組成的MOS驅動電路，其中三極管Q2、Q3、Q4組成開關驅動，為Q1提供+15V和0V的開關電平。編碼電路通過開通或關閉場效應管Q1來完成對受控設備的指令編碼。當微處理器的P11口輸出低電平時，Q3、Q4截止，Q2導通，場效應管Q1的柵極(G)施加了+15V電壓，Q1導通，輸入端的交流電通過Q1輸出到受控設備。當P11口輸出高電平時，Q4、Q3導通，Q2截止，場效應管Q1的柵極(G)通過R6被接到低電平GND，Q1截止，截斷了受控設備端交流電壓。電路中D3對Q1起保護柵極作用。微處理器通過讀取負載電阻R8上的電壓值，計算出負載電流，可以對負載的過流和短路進行保護處理。

3 控制器編碼電路軟件設計

對于本系統(tǒng)中的控制器，由于是充當電力和信號提供的角色，則只提供發(fā)送指令功能?？刂破髦袉纹瑱C的主要實現(xiàn)以下功能和關鍵技術：通過串口接收用戶指令、檢測過零信號、對電力線進行編碼。

3.1 串口接收用戶指令

當串口接收到指令后，單片機會進入接收中斷，由于會收到多條指令，需要設立一個指令緩沖區(qū)存儲未被處理的指令。串口中斷處理程序完成后，根據(jù)指令是否有效，如果有效則給上位機發(fā)送響應信息，并將有效指令編碼成數(shù)據(jù)字節(jié)，放入發(fā)送緩沖區(qū)等待主程序進行檢測發(fā)送。

3.2 過零信號檢測

基于電力線的數(shù)字傳輸，需要精確的時間點進行編碼，便于下位機對電力線上的編碼進行準確識別。因此，控制器單片機需檢測電力線的每一次過零信號，使得后續(xù)的編碼信號有一個時間參考點。參考圖3，過零檢測信號連接到單片機的中斷輸入接口“int0”，過零檢測信號電平波形如圖4的“Vint”，從圖中可知，“Vint”信號下降沿開始到“Vint”變高的t0時間的中點為過零點。

3.3 電力線編碼

根據(jù)表1的編碼規(guī)則，每個數(shù)字位的編碼耗時約2ms。對于50Hz交流電信號則從過零點開始8ms的時間開始進行編碼。一幀數(shù)據(jù)包含起始位、8位地址位、 8位數(shù)據(jù)位、1位校驗位和停止位。當新的一幀數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，先發(fā)送一位起始位，然后每個電力正弦波半周期發(fā)送1位(Bit)數(shù)據(jù)，低位在先。每一次發(fā)送 1位完成后，數(shù)據(jù)字節(jié)右移，直至地址和數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送完成后，最后發(fā)送校驗位和停止位。如圖4的“Vout”為電力信號經過編碼后的輸出波形圖。

4 受控設備解碼電路硬件設計

受控設備通過過零檢測電路還原上位機的指令信息。每幀指令信息包含起始位、地址、數(shù)據(jù)、奇校驗位和停止位。受控設備接收屬于本機地址相匹配的控制信息，并根據(jù)指令協(xié)議所定義的功能做出相應的控制。

圖5為受控設備的過零信號檢測電路，各元件的參數(shù)需要與控制器的過零檢測電路元件參數(shù)一致。由于所有的受控設備的電源輸入端并聯(lián)一起接在控制器的輸出端，為了減少受控設備電源輸入線路的容性對控制編碼脈沖上升沿的影響，受控設備電源輸入端需要減少輸入端電容。圖5是一種受控設備的電源方案，電源輸入兩端連接壓敏電阻VR，防止高壓的影響，共模電感L1有利于消除EMC干擾信號，經過橋堆B3整流后由C1濾波，AC/DC隔離開關電源的輸出級工作電壓Vdd 和控制邏輯電路工作電壓Vcc。微處理器通過INT0接口接收控制器的指令，并對接收的控制信號進行解碼，根據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定對后級進行功能控制。圖6為受控設備輸入端電壓Vin波形和經過過零檢測電路后在INT0端的電壓Vo波形圖。

5 受控設備解碼電路軟件設計

在實際應用中，受控設備于系統(tǒng)中擔當接收控制信號，對信號進行解碼并執(zhí)行指令的對應控制。如圖6所示的“Vo”波形圖為經過過零檢測電路后“int0”端口的波形，基于AC220V/50Hz電力系統(tǒng)的應用參數(shù)。本編碼方法主要體現(xiàn)在高低電平持續(xù)時間，因此解碼需要用到一個定時/計數(shù)器及一個外部中斷IO 口，以判斷此位數(shù)據(jù)是何種類型。

一個不經過削波編碼的完整正弦波的過零信號是一個寬度約為1.9—2.1ms的低電平，而一幀數(shù)據(jù)的起始位為寬度0.4—0.6ms的低電平和0.4— 0.6ms的高電平;一個數(shù)據(jù)位“0”為寬度0.15—0.35ms的低電平和0.15-0.35ms的高電平;一個數(shù)據(jù)位“1”為寬度0.1 5—0.35ms的低電平和0.4-0.6ms的高電平。程序上，當收到一個正確的起始位后，開始接收17bit的數(shù)據(jù)和一個停止位，第17bit對2字節(jié)數(shù)據(jù)進行奇偶校驗，如果校驗正確，則判斷接收到正確的一幀數(shù)據(jù)。當?shù)刂放c本機地址相符合，則根據(jù)協(xié)議執(zhí)行響應控制。

6 應用

在室內照明控制系統(tǒng)中，數(shù)字可尋址照明接口(DALI)技術利用雙線控制總線對6 4個獨立地址的照明燈具進行智能化控制，包括對燈具進行最多1 6個分組、和定義最多1 6個照明場景。每幀數(shù)據(jù)由1個字節(jié)的地址和1個字節(jié)的數(shù)據(jù)組成，采用本文的交流電數(shù)字編碼技術，把DALI控制信號經過調光控制器轉換成電力線調制的數(shù)字化交流供電控制合一的控制信號，可以簡化系統(tǒng)布線，非常適合室內照明系統(tǒng)的應用。如下圖7是照明控制系統(tǒng)中，DALI系統(tǒng)轉換成電力線數(shù)字控制系統(tǒng)的應用框架，通過兩條交流供電電纜實現(xiàn)了照明燈具的精確定位調光調色控制。

7 結論

本文介紹了一種對交流電進行數(shù)字編碼的控制方法，通過高壓功率驅動器件對交流電的正負半波的后沿進行數(shù)字脈沖編碼，實現(xiàn)電力線傳輸數(shù)字控制信號的目的，在室內調光系統(tǒng)應用中，簡化了系統(tǒng)布線，減少諧波干擾，實現(xiàn)了可精確尋址的調光調色控制。