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TI 窄带电力线通信解决方案介绍.pdf

TI 窄带电力线通信解决方案介绍

kwas
2013-03-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《TI 窄带电力线通信解决方案介绍pdf》,可适用于IT/计算机领域

ApplicationReportZHCA–AprilTI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍董超(KnightDong)MCUFAETeam摘要窄带电力线通信(NBPLC)是指通过使用已有的电力线设施作为通信媒介实现窄带通信的方法可以替换无线或者其它类型的有线通信标准从而获得更好的成本效益。NBPLC可以作为智能监控的手段应用在工业领域例如智能电表(smartmetering)。目前NBPLC已经有行业联盟协议(IEC,PRIME,G)和调制方式(FSK,SFSK,OFDM)可以使用。同时电子行业的两大国际标准委员会(ITUT,IEEE)也在制定电力线通信的国际标准其中ITUTGhnem基于PRIMEIEEEP基于G。鉴于此TI提供了灵活的开发平台给电力线通信的开发商从而帮助企业简化设计允许针对不同工作条件而进行优化能够容易地进行调整以遵循不断演进的标准。目录PLC简介PLC的分类及其频带与调制方式PLC的应用及其优势PLC面临的挑战TI窄带PLC解决方案的设计PLC软件的模块化PLC硬件的模块化总结参考图形图窄带PLC在欧洲的频带划分图窄带PLC的调制方式图PLC解决方案的应用领域图TI的PLC解决方案软件框图图TI的PLC硬件开发工具图TI的PLC硬件开发框图图TMSF性能及外设资源图AFE典型应用原理图ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍PLC简介PLC的分类及其频带与调制方式PLC技术总体上可以划分为宽带(Broadband)PLC和窄带(Narrowband)PLC两大类。前者适用于Internet互联网这类高速广域网连接采用OFDM调制方式目前HomePlug联盟制定的标准成为国际主流后者适用于侧重低成本、高可靠性而只需要窄带控制或者低带宽数据采集的场合。目前适用于NBPLC的PRIME、G标准已经进入实际部署阶段而IEEEP以及ITUTGhnem两大国际标准即将制定完成。图窄带PLC在欧洲的频带划分NBPLC的频带由各个国家的频带管理机构来指定和划分。图给出了由CENELEC定义的欧洲的NBPLC频带划分方式。美国由FCC机构定义的NBPLC频带为单一的kHz–kHz这段较宽的频率段媒体接入协议由PLC标准来定义。同时也指定了HomePlug标准所使用的宽带PLC的频带为–MHz。日本由ARIB机构定义的NBPLC频带为kHz–kHz这段频率段。而在中国EPRI更倾向于使用–kHz这段频率而–kHz这段单一的频率段如何使用并没有规定。NBPLC的调制方式主要有FSK,SFSK,OFDM。图分别给出了IEC、G、PRIME这三个NBPLC标准所使用的调制方式以及相应的最大通信速率和应用层接口。图窄带PLC的调制方式ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍TI专注于基于OFDM调制的NBPLC技术的研发和推广。原因主要在于以下几点:)低于KHz的PLC信号能够穿过变压器这具有很好的传播特性)NBPLC在使用MCU或DSP实现时具有较好的成本效益)在窄带干扰(NBI)和短脉冲干扰(Impulse)下有很强的健壮性(Robust))频率选择性信道的响应(阻抗特性)较好)能够与已有的技术(FSK,SFSK)共存)TI在OFDM软件方面有很好的积累软件库能够得以重用并且能够在不同的MCU系列之间移植从而实现成本和性能的平衡。PLC的应用及其优势PLC能够在电力线上传输数据这样就为许多的应用领域提供了一种具有成本效益的通信方式。由于不需要在互联的设备直接安装额外的线缆PLC显著的降低了系统成本、增加可靠性同时能够实现有效的通信。PLC技术能够利用已有的电力线基础设施这使得它在智能电网(SmartGrid)领域占据着优势的技术地位。在智能电表领域NBPLC提供了一种稳健的能够替代无线通信的方式能够满足带宽、功耗和成本的要求。NBPLC已经有不同的标准其数据率也从Kbps到最高Kbps不等能够满足数据采集、照明控制、家庭自动化等应用的带宽要求。这样NBPLC将是一种非常有吸引力的能够作为智能电网通信基础设施的技术。最终电力事业公司(UtilityCompanies)通过使用PLC技术将能够持续的监控一天之中终端用户设备或者应用的不断更新的(uptodate)用电情况从而有针对性的给出电力定价策略用于鼓励消费者调整用电习惯达到削减电网峰值负载、避免建设更多的发电厂目的。同样的PLC技术使得在照明控制、家居和建筑物的供热和空调系统自动化、安全等系统中实现更加智能化的管理成为可能。只要系统连接到供电网络它的效率和运行状况就能够被智能地管理和改进。图给出了PLC解决方案能够适用的应用领域例如智能电网(SmartGrid)、街灯照明(StreetLighting)、智能电表(SmartMeter)、太阳能(SolarEnergy)、风能(WindEnergy)、家居自动化(HomeAutomation)等。图PLC解决方案的应用领域ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍PLC面临的挑战开发一种有效的PLC实现会面临许多的挑战例如电力线固有的噪声需要健壮的架构来确保数据可靠性每种应用和运行环境都是不同的需要开发者优化设计来适应各种因素。PLC实现的功能过于固定化将会限制其应用领域而且由于PLC的标准还没完全确定仍然在不断演进中这也是一种冒险性的设计策略。开发者需要灵活性的平台这将能够针对每种应用的特定需求来优化设计同时也能够适应新的标准和新兴的市场机会。这样PLC的知识产权可以在多种应用得以重用进而在应对不断扩展的市场机会时能够加速开发进程、缩短产品上市时间。硬件和软件的模块化设计是达到开发平台灵活性的关键部分。通过把复杂的PLC系统分解成一些独立的子系统可以允许开发者在不必完全重新设计整个系统的情况下改变设计的某一方面例如调制方式或者通信协议。•调制方式:硬件层的灵活性使得开发者可以针对某种特定的应用实现最有效的调制方式。例如窄带通信可以使用扩展频移键控(SFSK)和正交频分复用(OFDM)。•通信协议:为了实现互操作性设备必须遵循特定的协议标准。在灵活的平台之上开发者可以方便地实现所有流行的PLC标准例如SFSK(IEC)PRIME和G同时能够使得设备随着标准的演讲而保持更新。此外由于不需要完全地重新设计硬件和固件把设计移植到新应用或协议的过程也将变得简单。•遵循本地规章:各个国家对“绿色电子产品”的热情支持催生了通信规章(CENELECFCCARIB等)这将给智能电网(SmartGrid)和其它以PLC为基础的应用带来深刻的影响。开发者需要工具来确保设备满足规章要求同时帮助他们尽快地通过测试以获得批准使产品尽快上市。TINBPLC解决方案的设计TI的NBPLC解决方案使得开发人员不必关心其设计的复杂性降低了PLC在很多工业应用领域的使用门槛。TINBPLC解决方案的高效和灵活使得客户能够快速的针对特定的应用需求进行差异化和定制化设计。基于独特的模块化硬件架构和灵活的软件框架TI的PLC解决方案是目前业界唯一的在单一的平台能够支持多种标准和调制方式的技术。PLC软件的模块化如图所示TI的PLC软件(plcSUITE™)提供了功能强大的框架使得开发者能够快速的开发PLC实现并且测试其健壮性。软件平台的灵活性允许开发者把调制实现、协议设计、应用开发分隔开来。开发者可以利用图形接口(GUI)方便地对PLC关键的性能参数可视化和调整。TI的NBPLC解决方案在同一个硬件平台可以支持多种调制方式和协议标准。ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍图TI的PLC解决方案软件框图PLC硬件的模块化图TI的PLC硬件开发工具TI灵活的NBPLC硬件平台使得开发变得更加简单。如图所示PLC硬件开发工具由模拟前端(AFE)、MCU卡、基座(DockingStation)组成。开发平台的模块化设计允许开发者容易地调整系统的硬件能力来满足不同的PLC通信指标。例如TI除了支持PRIME和G标准外通过FlexOFDM™库还支持私有的、完全可编程的基于OFDM的系统开发者能够针对特定的运行环境来优化性能和稳定性进而进一步地提高效率。如果有需要还可以通过配置工作频带和数据发送的频点来快速地定制OFDM实现这些改进可以独立于协议和应用层软件。一旦设计、验证完成开发者可以通过把各个模块集成到单个硬件板(SOM)来降低硬件成本。ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍图TI的PLC硬件开发框图如图所示TINBPLC系统的核心是包括耦合电路在内的模拟前端、用于数字调制和网络实现的处理器。处理器主要实现调制解调等信号处理、媒体接入控制(MAC)、网络层处理(路由、IPV等)、应用层实现。处理器的内存及运算能力决定了所能够处理的信号带宽以及所能够达到的数据速率。为了降低成本同时提高性能TI增加TMSCMCU指令集新增加的指令集由紧耦合的协处理器VCU(Viterbi,ComplexMath,CRCUnit)单元来实现。VCU通过增加针对复数运算、维特比译码、CRC计算的汇编指令来增强CMCU的处理能力。新增的VCU指令集能够加速物理层OFDM信号的处理和MAC层数据包CRC的计算。TMSF的性能和外设资源如图所示。RatioViterbiACSpercodedbits(k=)ViterbitracebackptComplexFFTCRCCRCFXSpeedupRatiovsC图TMSF性能及外设资源高性能、集成的模拟前端(AFE)如图所示主要用来滤波、调理、放大信号同时耦合调制信号到传输线。高性能的AFE需要具备下列特点:能够大电流来驱动低阻抗电力线能够通过高压电容和变压器来耦合信号到电力线能够检测小到UVrms的信号、具有宽范围的增益选项来适应可变的输入信号。因此设计NBPLC的模拟前端(AFE)非常具有挑战性。使用AFE能够帮助设计者简化设计高性能模拟前端的工作设计者只需专注于电路设计(例如电力线耦合接口、电路保护等)和PCB的温度设计。ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍AFE是集成的、高性能的适用于电力线通信的模拟前端芯片由许多功能块组成能够被MCU无缝地连接和驱动。如图所示AFE的发送通路(Transmitter)从MCU通过SPI接收数字信号由内部DAC转换成模拟信号经过滤波和功率放大通过耦合变压器驱动AC电力线。AFE的接收通路(Receiver)从AC电力线接收模拟信号滤除噪声通过可编程增益放大器(PGA)放大经过ADC转换成数字信号输入到MCU处理。图AFE典型应用原理图总结TI持续地在智能电网和智能电表技术领域加大投资在Dallas建立了PLC研发中心以市场上最灵活的NBPLC解决方案引领该行业。TI在NBPLC领域非常的活跃是PRIME联盟(wwwprimeallianceorg)的核心会员。TI基于PRIME标准的解决方案在世界各地区都进行了成功的MACPHY层的现场测试且已经通过认证交付客户开始了大规模部署。目前TI在即将制定完成的两大窄带PLC国际标准中(IEEEPITUTGhnem)发挥着不容忽视的作用。在年月份TI、MAXIM与法国的ERDF公司合作向美国机动车工程师学会(SAE)的PEV委员会提交了JNBPLC技术标准该标准基于即将制定完成的IEEEP国际NBPLC标准(http:grouperieeeorggroups)。J规范电动汽车(PlugInElectricVehicle,PEV)和电动汽车充电服务设备(ElectricVehicleServiceEquipment,EVSE)之间在充电时的通信。通过利用已有的电力线设施作为传输数据的链路PLC在许多应用领域都是最有成本效益的通信方式够改变我们监视和控制世界的方式。开发者利用TI灵活而成熟的窄带PLC解决方案将能够加快其具有PLC特性的产品上市时间。ZHCATI窄带电力线通信(NBPLC)解决方案介绍参考TIDeliversFlexiblePowerLineCommunicationsSolutions,OlivierMonnierAutomotivequalifiedJreferencedesignachievesaffordability,robustness,andhighperformancecommunicationsbetweenthePEVandEVSE,DonShaver,wwwcygnuscorpcomautorempaperrpdfAnalogFrontEndDesignforaNarrowbandPowerLineCommunicationsModemUsingtheAFE,EdMullins,AnassMrabetTMSF,wwwticomproducttmsfAFE,wwwticomproductafeGPLCAlliance“GPhysicalLayerSpecification”,http:wwwgplccomtechnicalinformation重要声明德州仪器(TI)及其下属子公司有权在不事先通知的情况下,随时对所提供的产品和服务进行更正、修改、增强、改进或其它更改并有权随时中止提供任何产品和服务。客户在下订单前应获取最新的相关信息,并验证这些信息是否完整且是最新的。所有产品的销售都遵循在订单确认时所提供的TI销售条款与条件。TI保证其所销售的硬件产品的性能符合TI标准保修的适用规范。仅在TI保证的范围内,且TI认为有必要时才会使用测试或其它质量控制技术。除非政府做出了硬性规定,否则没有必要对每种产品的所有参数进行测试。TI对应用帮助或客户产品设计不承担任何义务。客户应对其使用TI组件的产品和应用自行负责。为尽量减小与客户产品和应用相关的风险客户应提供充分的设计与操作安全措施。TI不对任何TI专利权、版权、屏蔽作品权或其它与使用了TI产品或服务的组合设备、机器、流程相关的TI知识产权中授予的直接或隐含权限作出任何保证或解释。TI所发布的与第三方产品或服务有关的信息不能构成从TI获得使用这些产品或服务的许可、授权、或认可。使用此类信息可能需要获得第三方的专利权或其它知识产权方面的许可或是TI的专利权或其它知识产权方面的许可。对于TI的产品手册或数据表仅在没有对内容进行任何篡改且带有相关授权、条件、限制和声明的情况下才允许进行复制。在复制信息的过程中对内容的篡改属于非法的、欺诈性商业行为。TI对此类篡改过的文件不承担任何责任。在转售TI产品或服务时如果存在对产品或服务参数的虚假陈述则会失去相关TI产品或服务的明示或暗示授权且这是非法的、欺诈性商业行为。TI对此类虚假陈述不承担任何责任。TI产品未获得用于关键的安全应用中的授权例如生命支持应用(在该类应用中一旦TI产品故障将预计造成重大的人员伤亡)除非各方官员已经达成了专门管控此类使用的协议。购买者的购买行为即表示他们具备有关其应用安全以及规章衍生所需的所有专业技术和知识并且认可和同意尽管任何应用相关信息或支持仍可能由TI提供但他们将独力负责满足在关键安全应用中使用其产品及TI产品所需的所有法律、法规和安全相关要求。此外购买者必须全额赔偿因在此类关键安全应用中使用TI产品而对TI及其代表造成的损失。TI产品并非设计或专门用于军事航空应用以及环境方面的产品除非TI特别注明该产品属于“军用”或“增强型塑料”产品。只有TI指定的军用产品才满足军用规格。购买者认可并同意对TI未指定军用的产品进行军事方面的应用风险由购买者单独承担并且独力负责在此类相关使用中满足所有法律和法规要求。TI产品并非设计或专门用于汽车应用以及环境方面的产品除非TI特别注明该产品符合ISOTS要求。购买者认可并同意如果他们在汽车应用中使用任何未被指定的产品TI对未能满足应用所需要求不承担任何责任。可访问以下URL地址以获取有关其它TI产品和应用解决方案的信息:产品应用数字音频wwwticomcnaudio通信与电信wwwticomcntelecom放大器和线性器件wwwticomcnamplifiers计算机及周边wwwticomcncomputer数据转换器wwwticomcndataconverters消费电子wwwticomconsumerappsDLP®产品wwwdlpcom能源wwwticomenergyDSP数字信号处理器wwwticomcndsp工业应用wwwticomcnindustrial时钟和计时器wwwticomcnclockandtimers医疗电子wwwticomcnmedical接口wwwticomcninterface安防应用wwwticomcnsecurity逻辑wwwticomcnlogic汽车电子wwwticomcnautomotive电源管理wwwticomcnpower视频和影像wwwticomcnvideo微控制器(MCU)wwwticomcnmicrocontrollersRFID系统wwwticomcnrfidsysOMAP机动性处理器wwwticomomap无线连通性wwwticomcnwirelessconnectivity德州仪器在线技术支持社区wwwdeyisupportcomIMPORTANTNOTICE邮寄地址:上海市浦东新区世纪大道号中建大厦楼邮政编码:Copyright©德州仪器半导体技术(上海)有限公司

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