摘? 要： 介紹了基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統" title="控制系統">控制系統。該系統采用擴頻" title="擴頻">擴頻電力線載波" title="電力線載波">電力線載波通信技術實現了對鐵路燈塔的自動控制。給出了系統的硬件、軟件實現方法,并介紹了可推廣應用的場合。

　　關鍵詞: CEBus總線? 擴頻? 電力線載波

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1 系統介紹

　　鐵路沿線的各站點都裝設有用于照明的大型燈塔。目前對燈塔的控制一般采用集中控制方式,在控制室中使用多個閘刀對燈塔進行一對一控制。因燈塔和控制室常位于鐵路兩側,所以施工較困難,而且電纜的投資大,自動化水平也不高。采用電力線載波通信技術,在現成的電力線路上傳輸數據,無需裝設通信線路,也不占用無線通信頻道資源,可很好地解決這個問題。但由于電力線上存在高衰減、高噪聲、高變形等問題,它不是一個理想的通信媒介。因此要在電力線上實現可靠的載波通信,必須選用基于擴頻技術的抗干擾能力強的電力線載波專用Modem芯片來設計鐵路燈塔控制系統。

　　鐵路燈塔控制系統由一個主站和若干個子站構成,主站和子站掛接在單相或三相低壓電力線上。主站安裝于控制室內,子站安裝于各燈塔底座的控制箱內。主站和子站以擴頻電力線載波通信方式實現數據交換。

????系統中主站和子站的載波通信網絡接口控制器選用美國Intellon公司的SSCP300芯片。該芯片是一個高度集成的電力線收發器和信道存取接口,提供了CEBus(用戶電子總線)總線標準。CEBus是EIA(美國電子工業協會)制定并頒布的一種通信標準,目前為EIA-600。CEBus標準是一種應用于網絡的開放式通信協議,采用節點到節點的通信方式,數據傳輸速率為10kbps。CEBbus協議采用ISO/OSI協議中的四層:物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。一個CEBus信息由報頭和數據包組成,如圖1所示。報頭是載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CDCR)協議的一部分,發送方用它來監聽傳輸介質中是否有其它發送方占用信道,以獲取對傳輸通道的控制權。CEBus采用擴頻載波(SSC)技術,形成“Chirp”掃頻信號,對報頭采用ASK調制,數據包采用PRK調制,頻率范圍為100kHz～400kHz。

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2 硬件結構

2.1 主站及子站的硬件結構

　　主站及子站的硬件結構如圖2所示。

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　　主站以PIC16F877單片機為核心，由指示、鍵盤、RS232接口、在線編程接口、通信接口" title="通信接口">通信接口等單元組成。指示單元用74LS164串/并轉換芯片實現,接到PIC16F877單片機的RB5和RB4引腳。鍵盤單元用74LS165并/串轉換芯片實現,接到PIC16F877單片機的RA3、RA4和RA5引腳。主站定義了具有如下功能的按鍵:(1)一個燈塔的東西南北燈組選擇;(2)子站地址選擇;(3)鎖鍵盤;(4)運行命令。在線編程接口單元利用PIC16F877單片機的/MCLR、RB3、RB6、RB7四個引腳對CPU的在系統程序及定值進行修改。主站利用MAX202實現標準RS232通信接口,可與上位監控PC機進行數據通信,也可外接Modem來實現遠程通信。

　　子站由PIC16F877單片機、指示、在線編程接口、固態繼電器出口、地址編碼、通信接口等單元組成。地址編碼用于設置本子站的地址碼,用一個八位開關與PIC16F877單片機的RD口連接,共有256個編碼。每個子站裝有四個固態繼電器,用于開啟和關閉一個燈塔的東西南北四個方向的燈組。

2.2 通信接口

　　主站和子站的通信接口原理如圖3所示。

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　　SSCP300網絡控制器提供了一個與SPI兼容的主處理器接口,將PIC16F877的RC3(SCK)、RC4(SDO)、RC5(SDI)引腳定義為用于SPI串行通信,分別與SSCP300的SCLK、SDI、SDO連接。SSCP300的片選信號/CS、復位信號/RST及中斷信號/INT分別連接至PIC16F877的RB3、RB2及RB1引腳。由SSCP300產生的“Chirp”波形輸出到其SO管腳,經放大、三級濾波、SSCP111媒介接口IC放大后,被傳輸到電力線耦合電路并送至電力線。由電力線經耦合電路來的“Chirp”波形經無源六級LC構成的濾波器后,被傳輸到SSCP300的SI引腳。耦合電路采用鐵氧體磁環作為耦合變壓器的磁芯,變比為1：1,初次級線圈的匝數均為7。采用TVS來抑制較大幅度或較大加速度的瞬間電壓。

3 軟件結構

　　系統的軟件采用模塊化結構,主要包括初始化模塊、輸出控制模塊、鍵盤掃描模塊、通信模塊等。整個軟件分為主站軟件和子站軟件兩部分。下面以通信模塊軟件的設計為例來說明程序設計方法。

　　SSCP300向與之連接的PIC16F877單片機提供CEBus服務。PIC16F877單片機通過SPI接口對SSCP300進行初始化、層信息設置、數據鏈路的存取控制設置等操作。完成以上步驟后,可進行數據的發送和接收。

PIC16F877單片機與SSCP300間各種形式的數據交換由控制命令來實現。常用的控制命令、十六進制碼及功能如表1所示。一般情況下,命令后緊跟數據長度" title="數據長度">數據長度,接著為數據信息。

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3.1 SSCP300的初始化

　　當電源接通或執行復位命令時,SSCP300將執行一個內部診斷和建立序列。直到此序列被執行完畢,命令才能被送至SSCP300。在對SSCP300進行初始化之前,PIC16F877要完成I/O口的初始化、片內RAM初始化以及SPI接口的初始化。

3.2 層信息設置

　　初始化完成后可進行層信息設置。層信息設置的數據長度為7個字節,字節0為控制方式,一般設為數據鏈路(DLL)方式;字節1為組地址的低八位;字節2為組地址的高八位;字節3為設備地址的低八位;字節4為設備地址的高八位;字節5為系統地址的低八位;字節6為系統地址的高八位。在設置地址時應注意某些段內的地址為保留地址,不要使用,如0x0000為廣播地址。

　　在層信息設置的過程中,首先單片機向SSCP300寫入LW命令及數據長度“0X07”,然后確定好0～6字節的數據信息。層信息設置完成后,應用LR命令讀回,判斷讀回信息與寫入信息是否一致。如果一致則說明設置成功,否則應重新初始化后再設置層信息。

3.3 數據鏈路存取控制設置

　　若節點之間的通信采用地址應答方式ADRACK或地址非應答方式ADRUACK,則應進行數據鏈路存取控制設置,由命令WRS-46來實現,數據長度為1。可設置的內容為:(1)在主處理器的每個發送期內需要發送ADRUACK的次數;(2)在信道間存取的時間;(3)對于ACK和ADRUACK,是否需要嘗試多信道存取。

3.4 數據的發送和接收

　　數據的發送和接收分別由命令PT和PR來實現。單片機送出PT命令后,接著送出數據長度、控制域、目標節點的設備和系統地址、源節點的設備和系統地址、數據信息等。應答或非應答通信方式由控制域決定。源節點地址應和初始化的地址一致,數據長度不超過32字節。發送完成后應讀回標志位,判斷是否發送成功。當SSCP300接收到有效數據幀時,將向單片機提供一個中斷信號,單片機檢測到該信號后發出PR命令,讀回SSCP300接收到的數據幀,其格式與發送數據幀類似。接收完成后也應進行正確性判斷。

　　基于CEBus總線的鐵路燈塔控制系統采用“Chirp”方式進行載波,實現了對通信信號的擴頻;以低壓電力線作為通信媒介,免去了構建新的通信信道的不便,具有通信速度快、抗干擾能力強、可靠性高等優點。該技術還可應用在自動抄表系統、智能大廈、智能小區以及一些干擾大、布線困難的工業自動化系統中。

　　由于電力線不是一種理想的通信媒介,所以在應用時應考慮到以下幾點:(1)電力線載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送。若要跨越變壓器區域范圍,則應設計一個雙耦合節點。(2)信號在電力線上傳輸存在衰減問題,一般信號的衰減隨著傳輸距離的增加而增加。可采用提高載波信號功率、三相耦合、中繼等方式來解決。(3)電力線上存在高噪聲。(4)電力線網絡會引起數據信號變形。

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參考文獻

1 SSCP300 PL Network Interface Controller Technical Data Sheet. Intellon Corporation， 1998

2 SSCP111 PL Media Interface IC Technical Data Sheet.?Intellon Corporation， 1998

3 PIC16F8XX Technical Data Sheet. Microchip Corporation，?2000

4 Website： www.microchip.com