電力供應系統被劃分為三個等級:高壓級(110 kV～380 kV)、中壓級(10 kV～30 kV)和低壓級(0.4 kV)，不同的電壓等級間通過變壓器互連，目前低壓電力線通信(在一個變壓器范圍內）用得比較多，但通信距離有限。對于主要用于數據通信的高載頻來說，變壓器是一道“天然的”障礙，這就導致一個必然的隔離，因此,要實現遠程通信就必須解決高壓線與低壓線之間(跨變壓器)的信息傳輸問題^[1]。隨著高性能電力線載波芯片的推出，使模擬信號(本文主要是指音頻信號)轉換為高頻信號變成了現實，并且通過成熟的藍牙技術，可以使變壓器在遠程電力線通信中不再是不可逾越的鴻溝。
    本文以藍牙技術和電力線載波技術為基礎，選用適當的功能芯片設計了相應的外圍電路，以解決跨變壓器的信號傳輸問題，為遠程電力線通信提供了一種可行的方案。
1 系統總體方案設計
1.1系統設計
    本系統主要由音頻輸入、電力線載波modem模塊、電力線接口電路、A/D轉換模塊、單片機控制模塊、藍牙收發模塊、D/A轉換模塊及音頻輸出等部分組成, 如圖1所示。

1.2 各個模塊主要組成
    (1)音頻輸入：主要進行音頻信號的采集，利用語音信號編解碼芯片TLV320AIC10收集由話筒發送的音頻信號再加載到電力線載波modem模塊上[2]。
    (2)電力線載波modem模塊：采用美國國家半導體公司(NS)生產的高性能電力載波芯片LM1893。LM1893采用FSK調制解調方式，內置自動電平控制(ALC)電路及可選擇的脈沖噪聲濾波器，傳輸出功率很容易提升10倍，載頻范圍在50 kHz～300 kHz之間可任意選定，接收靈敏度達2 mV，可驅動任何常規電力線，可以進行半雙工數據通信。
    (3)電力線接口電路：電力線接口PLI(Power Line Interface)是電力線載波系統的關鍵部件之一，主要由保護電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，目的是把LM1893同電力線隔離，在電力線上加載或析取信號。
    (4)A/D轉換模塊：由于數字信號在電力線上傳輸波形失真較大，因此利用電力線傳輸模擬信號是最為普遍的。因為藍牙模塊只能接收數字信號，這就需要進行模數轉換，本系統中選用的是AD574模數轉換器。
    (5)單片機控制模塊：控制模數（數模）轉換模塊及藍牙收發模塊等，選用的是Intel 公司的AT89C51單片機。
    (6)藍牙收發模塊：選用芬蘭BLUEGIGA公司推出的WRAP THOR 2022-1藍牙模塊，它是一款適合于短距離無線通信的射頻/基帶模塊，集成度高、功耗小[3]。
    (7)D/A轉換模塊：數字信號由藍牙接收模塊發送給單片機控制模塊，再經過D/A轉換模塊轉換成模擬信號才能加載到電力線上最后到輸出端。本文選用的是8 bit DAC0832數模轉換芯片。
    (8)音頻輸出：是音頻輸入模塊的逆過程，利用語音信號編解碼芯片TLV320AIC10解碼D/A轉換模塊輸出的模擬信號并將其輸出到耳機，至此完成了整個系統的音頻輸出。
1.3 系統功能
     如圖1所示，在信號的發送端,音頻信號(模擬信號)經電力線modem LM1893調制為100 kHz以上的高頻調制信號，然后經接口電路（含插頭、保護電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等）進入電力線。電力線modem與電力線隔離開，以免受到瞬時過電壓的干擾，并且具有讓高頻信號通過、同時過濾掉電力線上工頻信號的功能，以此保證通信的質量[4]。當調制信號在電力線上進行遠程傳輸、并傳輸到變壓器時，在變壓器的一側（信號發送端），先通過電力線接口將調制信號傳到LM1893芯片，再將LM1893的音頻輸出連接到模數轉換器A/D，然后單片機將轉換成的數字信號送入藍牙發射模塊；同時，單片機將藍牙接收模塊接收到的數字信號送入數模轉換器D/A并轉換成相應的模擬信號，再經LM1893調制成同樣頻率的高頻調制信號，然后經接口電路進入變壓器另一側的電力線（信號接收端），該調制信號經過接收端的接口電路進入LM1893并還原成原始模擬音頻信號，再由音頻輸出模塊輸出，從而實現了跨變壓器的遠程音頻信號傳輸。上述過程全部在單片機的控制下完成。
2 系統硬件電路設計
2.1 音頻輸入/輸出電路
    TLV320AIC10是TI公司推出的一款16 bit通用編解碼器，非常適合應用于有線調制解調器以及低碼率、高質量的語音壓縮、語音增強和語音識別與合成[5]。該電路主要完成音頻信號的采集和輸出，如圖2所示。

2.2 電力線載波modem模塊
    電力線載波modem LM1893采用18腳DIP封裝， 由正弦波成形器、收發選擇控制器、輸出功率放大器、鑒相器、比較器、限幅器、RC低通濾波器、偏移抵消電路、脈沖噪聲濾波器、自動電平控制電路ALC、鎖相環路(PLL)、電流控制振蕩器(ICO)及調制器(MOD)等部分組成。圖3為LM1893的內部結構和應用電路[6]。在圖3中:
    (1)LM1893的收發控制腳（5腳）輸入高電平時，LM1893工作于發送模式。89C51 CPU將數據從TXD串行數據發送端輸送到LM1893的17腳，然后數據經調制器（MOD）調制后變成受控電流信號，送入電流控制振蕩器（ICO），形成頻率受電流控制的三角波，再經正弦波形成電路形成正弦波，通過自動電平控制（ALC）電路和輸出功率放大器（OUTPUT AMP）后輸出幅度穩定、頻率受調于輸入信號的正弦波信號，從10腳輸出信號，經選頻諧振網絡送入電力線中。
    (2)當LM1893的收發控制腳(5腳)處于低電平時，LM1893工作于接收模式。由電力線接口電路送來的高頻信號從10腳送入內部限幅器經過限幅放大和濾波后，送入鎖相環路(PLL)，解調后經阻容低通濾波器進行環路濾波，進入電平偏移抵消電路濾除直流分量，經比較器判別后得到數字信號，通過脈沖噪聲濾波器濾除脈沖尖峰干擾后從12腳輸出到89C51 CPU的RXD。發送/接收的載波頻率由相應的外圍元件參數確定，改動這些參數即可實現載波頻率的大小。

2.3 電力線接口電路
    電力線接口電路主要由保護電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，其中信號耦合電路如圖4所示[7]。
    信號耦合網絡采用磁芯變壓器，既實現了隔離傳輸，又能實現阻抗匹配，還可做成諧振回路，以削減頻帶外的干擾并衰減尖峰[8]。

2.4 A/D轉換電路
    在本系統中,89C51的P0口與AD574的低8位和74LS737相接，一方面讀取A/D變換后的數據，同時通過74LS737發送控制信號控制A/D574的運行[9]。轉換過程的結束與否可采用中斷方式控制，也可設定為查詢方式。本系統采用的是中斷方式，以AD574的STS為中斷請求信號接至AT89C51的INT0腳，當轉換結束后，STS變為低電平，AT89C51響應中斷，轉入中斷服務子程序執行完再回到原來狀態，等待下一次轉換結束，如圖5所示[10]。

2.5 藍牙收發模塊
    藍牙技術是一種新型的短距離無線通信技術[11]。本文中所介紹的藍牙模塊WRAP THOR 2022-1包含5個功能模塊：射頻補充控制單元、藍牙核心芯片組、閃存、電源管理模塊、時鐘，其系統框圖如圖6所示。

    單片機和藍牙模塊可以通過USB、UART和RS_232接口來連接,本設計中采用UART接口實現單片機89C51與藍牙模塊的連接[12]。藍牙模塊的RXD和TXD端分別接單片機的TXD和RXD端，利用藍牙芯片的無線收發功能來解決信號跨變壓器傳輸的問題;利用藍牙芯片有串行接口的特點，將音頻信號經過一系列調制傳送到藍牙的音頻接口，再由發送芯片送往接收芯片，最后傳送到音頻放大器上。
2.6 D/A轉換模塊
    為了將藍牙接收芯片的數字信號送到電力線上，D/A轉換電路需要D/A轉換電路。本文選用DAC0832芯片進行D/A轉換，其轉換電路如圖7所示[13]。圖中使用了運算放大器LM324A將DAC0832的電流輸出線性地轉換成電壓輸出[14]。

3 系統軟件設計
    本系統的軟件實現主要分音頻輸入/輸出模塊、電力線modem模塊兩部分，其組成框圖如圖8所示。

    音頻輸入/輸出模塊軟件包括初始化和數據的收發。電力線modem模塊的軟件設計的重點是對LM1893接口進行初始化。
    本文以藍牙技術和電力線載波通信技術為手段，通過選用適當的功能芯片及設計相應功能電路，同時經過硬、軟件的雙重調試，為實現在電力線上遠程音頻信號傳輸提出了一種可行方案。
參考文獻
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