直流电力线通信方案

该项目描述了一种使用直流电源线进行数据通信的方法，同时不间断地提供电力。这是通过 RLC 耦合电路以及提供调制 (TX) 和解调 (RX) 的可编程混合信号 GreenPAK™ IC 来实现的。

发送/接收操作

该电力线上的通信信号是经过开关键 (OOK) 调制的。GreenPAK IC 使用电路内部生成的 62kHz 载波对 UART 数字信号执行 OOK 调制/解调。图1显示了A端和B端之间的UART通信。TXD_和RXD_是每一端系统MCU看到的数字UART信号；PL_TX/RX 是耦合到/来自电源线的信号。

图 1：操作时序图

电路分析

RLC 耦合电路如图7 所示。分析与非理想（上升沿等于10ns）阶跃信号下的电路有关。非理想阶跃信号的s域模型可以通过时域表达式的拉普拉斯变换得到。

电路的s域模型是通过用其s域模型替换电路元件得到的，并简化得到的表达式(a>b>c>d)。这个过程如图2所示。R1代表GPIO的输出阻抗。

图 2：s 域中的 RLC 电路简化

将电路的模态与输入信号相乘，得到s域的响应函数：

时域响应可以通过对函数进行拉普拉斯逆变换得到：

响应曲线如图3所示。PL_TX的上升沿和下降沿转换为脉冲。图 4 总结了电路的影响。为了防止 PL_RX 引脚接收到负电压，RC-R 电路将脉冲直流偏置到 VDD/2。

图 3：RLC 电路响应

图 4：电路时序图

GreenPAK 设计

该SLG46108V在免费的开发GreenPAK Designer软件在图5所示（设计文件可在网上点击这里）。

图 5：SLG46108 GreenPAK 设计

Pin7（UART_TX）用于接收串口信号。调制后通过Pin8（PL_TX/RX）发送到电源线。Pin7（UART_TX）设置为数字输入，不带上拉电阻的施密特触发器。

从 PL_TX/RX 接收到的信号经过解调输出到 Pin6（UART_RX），Pin6 设置为数字输出推挽。

Pin8 (PL_TX/RX) 配置为数字输入/输出。Pin7（UART_TX）为低电平时，PL_TX/RX 为输出模式，否则为输入模式。

此设计是针对 9600bps 的波特率，因此载波频率需要大于 48kHz。我们将 OSC 电源模式配置为强制开机，OSC 频率为 2Mhz/8，输出 0 秒除以 4 以获得 62.6kHz 载波。

如图1所示，当UART_TX为低电平时，PL_TX/RX输出载波。当UART_TX 为高电平时，PL_TX/RX 处于高阻输入状态。

当PL_TX/RX停止输出载波并被RC-R电路重新偏置到VDD/2后，我们就可以开始对PL_TX/RX输入的信号进行解调。重新偏置到 VDD/2 所需的时间可以通过示波器测量。我们将 DLY3 设置为大于测量时间的上升沿延迟 24us，当 DLY3 输入为低时，2 位 LUT3 设置为高。

如图 6 所示，PL_TX/RX 接收来自电源线的信号，将其转换为数字脉冲，然后通过 DLY1（上升沿延迟 16us）进行解调。为了保证解调后的低电平时间与调制前的低电平时间相同，将解调信号延迟DLY0（下降沿延迟16us）。

由于 PL_TX/RX 的偏置电压为 VDD/2，当 PL_TX/RX 处于数字输入模式时，器件将消耗大约 70uA 的额外电流。

图 6：解调

图 7 显示了带有 SLG46108 插座的 PCB 上的电源线接口示意图。图 8 显示了 PCB 及其原型的图片。两个 IC 插座将直接插入 2×10 母插座，如图 9 所示。

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图 7：PCB 原理图

图 8：带有原型的 PCB

该板使用两个 Arduino 板进行测试，如图 9 所示，Arduino A 由 USB 供电，Arduino B 由电源线供电。图 10 显示了测试中使用的 Arduino 编程。Arduino A 每 10 毫秒发送一个字符“A”，Arduino B 返回接收到的字符。图 11 显示了在测试中获得的波形。图 12 显示了 PLA_TX/RX 发送的信号的详细信息。图 13 显示了 PLB_TX/RX 接收到的脉冲的详细信息。

图 9：使用 Arduino 进行测试

图 10：Arduino 编程

图 11：电力线通信波形

图 12：PLA_TX/RX 发送信号的细节

图 13：PLB_TX/RX 接收到的信号细节

结论

本文介绍了如何实现基于 GreenPAK 和电容耦合的低成本、低功耗、直流电力线通信。与其他解决方案相比，GreenPAK 的主要优势在于可以根据需要修改通信方式或内容。例如，您可以轻松修改载波频率以适应所需的通信波特率。此外，您可以使用GreenPAK IC内部的DFF组成并串组件，直接将IO状态串行化并传输至电源线，无需MCU介入。包含 ACMP 的 GreenPAK 可以轻松地将电池电量信息传输到电源线。

审核编辑 黄昊宇