電力載波芯片ST7538及其應用

電力載波芯片ST7538及其應用

摘要：介紹一種最新推出的電力載波調制解調器芯片ST7538的基本原理，給出ST7538的主要控制電路和接口電路，討論應用該芯片后些注意事項。

    關鍵詞：電力載波通信 ST7538 家庭網絡 工業網絡

利用電力線作為通信介質的電力載波通信，具有極大的方便性、免維護性、即插即用等優點，在很多情況下是人們首選的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的又一款半雙工、同步/異步FSK（調頻）調制解調器芯片。該芯片是為家庭和工業領域電力線網絡通信而設計的，與ST7536和ST7537相比，主要具有以下特點：

*有8個工作頻段，即：60kHz、66kHz、72kHz、76kHz、82.05kHz、86kHz、110kHz和132.5kHz；

*內部集成電力線驅動接口，并且提供電壓控制和電流控制；

*內部集成+5V線性電源，可對外提供100mA電流；

*可編程通信速率高達4800bps；

*提供過零檢測功能；

*具有看門狗功能；

*集成了一個片內運算放大器；

*內部含有一個具有可校驗和的、24位可編程控制寄存器；

*采用TQFP44封裝。

可以看出，ST7538是一款功能強大的、單芯片電力線調制解調器。

圖1

1 ST7538工作原理

ST7538是采用FSK調制技術的高集成度電力載波芯片。內部集成了發送和接收數據的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網中。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運算放大器、時鐘輸出、超時溢出輸出、+5V電源和+5V電源狀態輸出等，大大減少了ST7538應用電路的外圍器件數量。此外，該芯片符合歐洲CENELEC（EN50065-1）和美國FCC標準。圖1為ST7538內部原理框圖。

1.1 發送數據

當RxTx為低時，ST7538處于發送數據狀態。待發數據從TxD腳進入ST7538，時鐘上升沿時被采樣，并送入FSK調制器調制。調制頻率由控制寄存器bit0～bit2決定，速率由控制寄存器bit3～bit4決定。調制信號經D/A變化、濾波和自動電平控制電路（ALC），再通過差分放大器輸同到電力線。當打開時間溢出功能，且發送數據時間超過1s或3s時，TOUT變為高電平，同時發送狀態自動轉為接收狀態。這樣可以避免信道長時間被某一節點（ST7538）點用。

1.2 接收數據

當RxTx為高時，ST7538處于接收數據狀態。信號由模擬輸入端RAI腳進入ST7538，經過一個帶寬±10kHz的帶通濾波器，送入一個帶有自動增益AGC的放大器。該濾波器可以通過控制寄存器bit23置零取消濾波功能。自動增益放大器可以根據電力線的信號強度自動調整。為提高信噪比，經過放大器的信號送入一個以通信頻率為中心點、帶寬為±6kHz的窄帶濾波器。此信號再經過解調、濾波和鎖相，變成串行數字信號，輸出給出ST7538相連的微處理器。
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    可以通過使控制器的bit22置位，使ST7538處于高靈敏度接收狀態。

1.3 工作模式選擇

通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T，可以實現微控制器與ST7538的數據交換。ST7538的工作模式，由REG_DATA和RxTx的狀態決定。

微處理器對電力線的訪問可以采用同步方式或異步方式。異步方式只需要RxD、TxD和RxTx,無需輔助時鐘信號。無載波信號時,RxD輸出低電平，對于同步方式，需要CLR/T作為參考時鐘，并且ST7538必須是通信發起者（Master）。

對ST7538控制寄存器的訪問必須采用同步訪問方式，需要RxD、TxD、CLR/T和REG_DATA,CLR/T上升沿有效，發送數據高位在前。

1.4

復位及看門狗

ST7538內部嵌入一個看門狗，可以產生一個內部和外部的復位信號，保證CPU的可靠工作。

2 系統硬件組成

電力載波通信節點模塊一般包括以下幾部分微處理器部分、載波部分信號濾波部分和電力線信號耦合與保護部分。圖2給出了利用ST7538和Atmega8L構成的通用電力載波通信模塊。這里僅就濾波部分作簡要介紹。

信號濾波部分是整個模塊的關鍵部分，它包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。圖3為輸入濾波電路，它采用并聯電流諧振電路構成濾波電路，濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲。該諧振點頻率f1為

圖4為輸出濾波電路，它采用串聯電壓諧振電路，避免無用信號耦合到電力線上。該諧振點頻率f2為：

電力線耦合部分采用1：1寬帶通信變壓器，同時二次側采用瞬間電壓抑制器P6KE6V8A，保護后級電路。

3 應用注意事項

ST7538比早期推出的ST7536、ST7537功能強大得多，引腳也從28腳增至44腳，使用起來仍然很方便，但還需要特別強調以下幾點：①注意保證上電復位時間和順序。ST7538復位時間為50ms，微處理器上電復位時必須有足夠長的硬件延時和/或軟件延時，保證ST7538可靠復位。ST7538可靠復位后，方可對其進行初始化操作。

②ST7538有8個通信頻段，但是同一時刻只能采用一種通信頻率。要改變通信頻率，則需要調整硬件參數。

③ST7538內部提供的僅是純透明的物理層通信協議，當噪聲信號混入通信頻率時，ST7538無法區分，它將與有用信號一起被解調。因此，ST7538要求用戶必須自己制制MAC層通信協議，以保證通信的可靠性。

④用ST7538組成系統時，多個節點通信可以采用總線介質訪問競爭性協議，例如CSMA（載波監聽多路訪問）。但是，電力載波通信畢竟通信速率低、效率不高。因此，可以考慮利用ST7538的這零檢測功能。利用過零點，實現同步數據傳輸，進而可以在一個比較大的系統中實現非總線介質競爭的“類TDMA”（時分多址）協議，該協議經常用于GSM等數字無線通信系統。

結語

ST7538是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，它為家庭和工業環境應用而設計，因此采取了多種抗干擾技術。雖然它采用FSK調制技術，而沒有采用擴頻技術，沒有擴展通信的優點，但是，正因為如此，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環境下實現可靠通信。如果能夠很好地利用它的多頻段性，將可以克服窄帶通信的缺點。

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