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浅谈Mi200e电力线载波芯片在楼宇自动化中的应用

? 2018年05月23日 14:47 ? 次阅读

1 引言

美高梅官网,金沙网投领导者,金沙网投网站,金沙网投开户 www.tongshi-cn.com 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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?;ぷ饔?。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?;ず蠹兜男⌒藕诺缏凡槐?20v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。

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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??杀喑?kb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。

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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)。

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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。

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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。

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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。

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图11 enc28j60网络驱动流程图

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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。

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发表于 2018-04-26 09:51 ? 1053次阅读
Trinamic推出针对实时功能优化后的完整Et...

PID控制简介及PID调节经验方法

闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量...

发表于 2018-04-25 15:46 ? 795次阅读
PID控制简介及PID调节经验方法

怎么安装离线编程软件RobotStudio?

RobotStudio 是一款 PC 应用程序,用于机器人单元的建模、离线创建和仿真。RobotSt...

发表于 2018-04-24 15:45 ? 394次阅读
怎么安装离线编程软件RobotStudio?

贸泽备货TI ADS112U04 ADC ,还是...

贸泽备货的TI ADS112U04 ADC是四通道16位Δ-Σ ADC,在16引脚5.0 mm × ...

发表于 2018-04-23 09:57 ? 122次阅读
贸泽备货TI ADS112U04 ADC ,还是...

51单片机制作格力空调??仄鳎–语言)

发表于 2018-04-22 16:56 ? 594次阅读
51单片机制作格力空调??仄鳎–语言)

自动化领域初涉水 非标自动化和自动化到底有哪些区...

非标自动化和自动化到底有哪些区别?非标自动化就是指根据客户需求定制的非标准类的自动化设备,同样属于自...

发表于 2018-04-19 17:47 ? 317次阅读
自动化领域初涉水 非标自动化和自动化到底有哪些区...

自动化仪表常见故障诊断

若流量仪表值达到最高,一般现场检测仪表也会显示最高,这时手动调节远程调节阀大小,若流量值减小,说明是...

发表于 2018-04-19 16:11 ? 398次阅读
自动化仪表常见故障诊断

自动化让传统工作大量减少 改变了供应链接构与人力...

虽然自动化将让传统工作因此大量减少,但会因业务成长与新职缺出现让伤害被降低。另外,工厂开始需要其它诸...

发表于 2018-04-19 13:53 ? 79次阅读
自动化让传统工作大量减少 改变了供应链接构与人力...

自动率高达97% 机器人是否替代人类?

武汉工厂一期项目的车身车间拥有452台机器人,整个车间的自动率高达97%。在车云菌半个多小时的观察中...

发表于 2018-04-19 07:26 ? 366次阅读
自动率高达97% 机器人是否替代人类?

全新小型PLC让大型独立机器不再复杂

罗克韦尔自动化推出全新一款小型可编程逻辑控制器(PLC)Allen-Bradley Micro870...

发表于 2018-04-18 17:00 ? 493次阅读
全新小型PLC让大型独立机器不再复杂

PACK市场发展4大趋势,将是未来重点攻克的市场

当前,国内动力电池PACK市场已经呈现电池厂、整车厂和独立PACK企业三方割据局面。其中,80%的P...

发表于 2018-04-17 16:56 ? 542次阅读
PACK市场发展4大趋势,将是未来重点攻克的市场

小型工业传感器控制器的福星 TI低功耗ADC A...

专注于新产品引入 (NPI) 并提供极丰富产品类型的业界顶级半导体和电子元件分销商贸泽电子 (Mou...

发表于 2018-04-17 15:32 ? 128次阅读
小型工业传感器控制器的福星 TI低功耗ADC A...

23家锂电设备企业的创新产品技术

除电池、PACK及材料环节以外,电池制造质量还主要依赖自动化设备的稳定性和可靠性。未来动力电池行业的...

发表于 2018-04-17 14:55 ? 1184次阅读
23家锂电设备企业的创新产品技术

“中国版特斯拉”年销10万辆,胜算几何?

不久前,中国宣布将相当幅度降低汽车进口关税,很可能将整车关税从目前的25%降低到15%,以特斯拉为代...

发表于 2018-04-17 14:33 ? 303次阅读
“中国版特斯拉”年销10万辆,胜算几何?

中国高端装备制造业将迎来发展的重要战略机遇期

智能装备制造业是为一国工业生产体系和国民经济各行业直接提供技术设备的战略性产业,具有产业关联度高、技...

发表于 2018-04-17 10:44 ? 797次阅读
中国高端装备制造业将迎来发展的重要战略机遇期

基于数字微流控与表面增强拉曼的超灵敏自动化免疫检...

数字微流控的自动化大大简化了检测步骤、缩短了检测时间,降低了传染性样本检测感染的风险;同时,试样和试...

发表于 2018-04-17 10:02 ? 356次阅读
基于数字微流控与表面增强拉曼的超灵敏自动化免疫检...

机器人10年承担45%制造业,技术工人何去何从?

十年时间内,机器人将接手制造业45%的工作,并削减9万亿美元的劳动力成本,使得当今社会的很大一部分被...

发表于 2018-04-17 09:16 ? 573次阅读
机器人10年承担45%制造业,技术工人何去何从?

汽车行业将实现“eascy”,你知道吗?

汽车行业有机会塑造这个基本性的重组过程。当制定策略和商业模式时,企业不应只考虑直接的产品买主,而应涵...

发表于 2018-04-17 08:45 ? 428次阅读
汽车行业将实现“eascy”,你知道吗?

LTC7821主要特性以及演示板DC2513A主...

Linear公司的LTC7821是混合降压同步电源转换控制器,把软开关电荷泵拓扑和同步降压转换器组合...

发表于 2018-04-16 15:01 ? 138次阅读
LTC7821主要特性以及演示板DC2513A主...

讨论SAR DAC响应时间和几种实现设计

很多典型控制系统应用的目标是根据输入控制变量的状态来影响控制操作。其中的一些变量包括位置、速度、角度...

发表于 2018-04-16 09:19 ? 933次阅读
讨论SAR DAC响应时间和几种实现设计

恒润科技车身网络控制器系统方案及主要功能介绍

随着汽车电子技术的飞速发展,商用车对舒适性、安全性等要求也日益提升。传统商用车电气系统多采用模拟方案...

发表于 2018-04-14 22:58 ? 228次阅读
恒润科技车身网络控制器系统方案及主要功能介绍

华为首次发布三层开放的SD-WAN架构

该方案具备uCPE (通用客户终端设备)、第三方应用系统对接、多云部署等方面的开放能力,合作伙伴可通...

发表于 2018-04-13 10:38 ? 536次阅读
华为首次发布三层开放的SD-WAN架构

微软研究团队公开了四个最新的虚拟现实研究成果

为了进一步模拟食指对虚拟物体的材料和表面摩擦的触觉体验,微软还开发了另一种新的触觉控制器——Hapt...

发表于 2018-04-12 17:21 ? 667次阅读
微软研究团队公开了四个最新的虚拟现实研究成果

第四次工业革命 男女谁更容易失去工作?

随着自动驾驶汽车、无人便利店、算法股票交易和无人机送货等创新逐渐出现在我们的生活中,不仅没有任何制度...

发表于 2018-04-12 15:41 ? 212次阅读
第四次工业革命 男女谁更容易失去工作?

工业机器人产业链全景图的深度解析

机器人对关节驱动电机的要求非常严格,交流伺服电机在工业机器人中得到广泛应用。目前国内高端市场主要被国...

发表于 2018-04-10 15:37 ? 1059次阅读
工业机器人产业链全景图的深度解析

CAN总线成为车电系统的总线标准

在电子产品的各种通讯方式中,CAN(Controller Area Network)总线以其高可靠性...

发表于 2018-04-10 11:37 ? 227次阅读
CAN总线成为车电系统的总线标准

欣旺达业务并不局限 正式开始发力动力电池市场

作为第三方独立PACK企业,欣旺达并不局限与动力电池PACK业务,同时还自产电芯,成为与其它第三方P...

发表于 2018-04-10 08:48 ? 3786次阅读
欣旺达业务并不局限 正式开始发力动力电池市场

在动力电池提质降本的背景下,瑞德丰在结构件环节做...

结构件对于动力电池的安全和整体性能休戚相关,如果说动力电池电芯的材料为影响动力电池性能的关键因素,那...

发表于 2018-04-08 17:52 ? 478次阅读
在动力电池提质降本的背景下,瑞德丰在结构件环节做...

美国老人花费1000小时自制全自动早餐机

每天早上如果一睁眼就可以享受美味丰盛的早餐,幸福指数会立马爆棚。最近一位来自美国的DIY出一部全程自...

发表于 2018-04-08 15:48 ? 565次阅读
美国老人花费1000小时自制全自动早餐机

上海君屹提升Pack自动化自有妙招

上海君屹新能源事业部总经理程远鑫认为,动力电池模组和Pack生产必然朝着自动化率高、产品多元化、高节...

发表于 2018-04-08 11:00 ? 537次阅读
上海君屹提升Pack自动化自有妙招

闪存可靠性的挑战 控制闪存可靠性的重要性

闪存驱动器的另一个主要问题是电源故障?;?。临时缓冲区包含驱动器下一步应该写入的数据以及必须擦除的旧位...

发表于 2018-04-08 08:32 ? 158次阅读
闪存可靠性的挑战 控制闪存可靠性的重要性

CoolSETTM家族:全新固定频率PWM控制器...

电源制造商需要使用能够提供最佳性能、效率、稳健性且便于设计的器件。为此,英飞凌科技股份公司(FSE:...

发表于 2018-04-03 17:01 ? 3537次阅读
CoolSETTM家族:全新固定频率PWM控制器...

赫联电子将亮相2018厦门工业博览会

专业的互连与机电产品授权分销商赫联电子将于4月12日- 15日亮相2018厦门工业博览会(XMIE)...

发表于 2018-04-03 10:36 ? 2424次阅读
赫联电子将亮相2018厦门工业博览会

动手自制智能物联网-接线方法

导读: 利用物联网控制器来实现监测当前环境温度和远程控制小风扇。过程:用12v蓄电池给物联网控制器供...

发表于 2018-04-02 17:08 ? 742次阅读
动手自制智能物联网-接线方法

如何自己制作控制端来控制物联网控制器

导读: 如何自己制作控制端来控制物联网控制器 01使用软件 E4A、安卓模拟器 02创建工程 创建一...

发表于 2018-04-01 08:59 ? 727次阅读
如何自己制作控制端来控制物联网控制器

零部件巨头及新能源零跑企业最新产品汇总

随着对振动环境要求越来越严格、对产品维护的便捷性要求越来越高,主机厂所迫切需求一款可以防松的射频连接...

发表于 2018-03-29 14:08 ? 571次阅读
零部件巨头及新能源零跑企业最新产品汇总

制造业中“机器人”火爆,机床自动化将更上一层楼

智能制造大行其道,中国也正经历从制造大国向制造强国转型升级的阵痛。虽然不少制造业企业在转型升级中遇到...

发表于 2018-03-28 15:43 ? 760次阅读
制造业中“机器人”火爆,机床自动化将更上一层楼

燃气电子控制器电路图大全(吸阀安全型燃气/自动燃...

本文主要介绍了燃气电子控制器电路图大全(吸阀安全型燃气/自动燃气控制器)。一款自吸阀安全型燃气炉具脉...

发表于 2018-03-27 14:29 ? 896次阅读
燃气电子控制器电路图大全(吸阀安全型燃气/自动燃...

自动化技术推动汽车控制系统的可持续发展

发表于 2018-03-26 19:09 ? 528次阅读
自动化技术推动汽车控制系统的可持续发展

求分享Teststand工业自动化测试管理Pdf书籍

发表于 2018-03-17 23:26 ? 461次阅读
求分享Teststand工业自动化测试管理Pdf书籍

承接自动化及嵌入式电子程序项目

发表于 2018-03-15 22:18 ? 497次阅读
承接自动化及嵌入式电子程序项目

C8051F500 微波电源控制器的研制

发表于 2018-03-14 16:36 ? 746次阅读
C8051F500 微波电源控制器的研制

多ASIL等级的高集成控制器的设计模式

发表于 2018-03-14 13:08 ? 600次阅读
多ASIL等级的高集成控制器的设计模式

买了一个液晶屏不带控制器的,不会用

发表于 2018-03-13 20:07 ? 784次阅读
买了一个液晶屏不带控制器的,不会用

印度国际自动化展

发表于 2018-03-02 11:06 ? 470次阅读
印度国际自动化展