采用单片机实现OOK调制解调技术的低成本载波通信模块的制作方法

电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication的简称。 电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，在发送端通过载波方式将模拟或数字信号调制到电力线上，在接收端解调，实现设备间的通信。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。另外，对于现场总线系统，如果采用载波传输技术，可以节省两根信号线，降低系统布线成本。

背景技术：

目前行业应用主要采用专用的电力载波芯片实现电力载波通信，专用芯片体积大，外围电路复杂，不利于小型化嵌入式集成，而且价格昂贵。在很多的应用环境中，电力载波芯片的成本价格占设备成本比例过高，甚至超过了设备成本，在这种情况下，对于规模巨大的监控网络，如消防报警系统、消防智能应急照明与疏散指示系统、智能家居系统等终端数量庞大，终端要求成本低廉，采用电力载波芯片带来的系统成本将大于布线施工成本，不如采用另外铺设通信线路或无线传输的方式实现设备间通信。电力载波芯片的价格昂贵限制了载波通信技术的实际应用。OOK（On-Off Keying）二进制启闭键控调制技术是ASK（Amplitude Shift Keying）幅移键控调制技术的特例，广泛应用在许多低频射频应用中的数字通信调制技术。最简单的ASK方式是当信号源要发送‘1’时，它就发送一个高幅值的载波，当需要发送‘0’时，它就发送一个低幅值的载波。OOK调制是这种方法的进一步简化版本，信号源在需要发送‘0’的时候不用发送载波。本发明采用通用的单片机技术实现OOK调制解调，从而实现了电力载波芯片的所有功能，成本低，外围电路简单。采用带通滤波器电路有效抑制干扰，提高了抗干扰能力。采用耦合信号恢复和阻抗隔离技术增强了总线的带载能力，增加了总线的有效通信距离。

技术实现要素：

模块由发送回路和接收回路两部分构成，如附图1所示。发送回路由PWM编码单元、OOK发生单元、发送驱动单元、发送耦合单元四部分构成；接收回路由接收耦合单元、带通滤波单元、电流放大与检波单元、TTL电平恢复单元、PWM解码单元五部分构成。其中PWM编码单元、OOK发生单元和PWM解码单元在单片机内部由单片机软件实现，不需要额外的硬件。

发送回路：模块接收到本地用户设备的数据包后，然后利用单片机的PWM功能产生频率F₀，占空比50%的PWM信号作为OOK调制的载波信号等待发送。将数据包中的码元0和1，数据包起始码、数据包结束码编码成不同宽度的PWM编码，然后根据数据包的PWM编码宽度控制PWM信号的输出，从而实现OOK调制信号的发送。OOK的发送宽度固定为T，T满足

T>=10/F₀ （1）

即必须发送至少10个载波周期，同时T还必须满足

T<= PWM码元的最小宽度/2 （2）

即必须保证码元之间由足够的间隙，否则难以解码。本载波模块数据包采用附图1所示的PWM编码规范。

从附图1所示的PWM编码规范可以确定PWM编码的最小宽度为350μs，因此根据式（2）确定OOK的发送宽度固定为T=175μs，从而根据式（1）确定载波频率F>=10/T，可以算出F₀不小于57kHz，本发明的隔离耦合型载波通信模块用于电力线载波传输，为规避电力线上的普遍干扰，F₀=480kHz；直流电源线载波通信模块F₀=160kHz。

接收回路：模块耦合到电源线上的OOK信号经过滤波、电流放大、检波、TTL电平信号恢复后送入单片机，利用单片机的捕获比较功能解码出数据包。

附图说明

图1. 数据包PWM编码表。

图2. OOK调制解调收发回路功能方框图。

图3. OOK调制解调隔离耦合型载波通信模块电路原理图。

图3中：(A)发送驱动单元，(B)隔离耦合单元，(C)接收耦合、阻抗隔离单元，(D)带通滤波单元，(E)电流放大、检波单元，(F)TTL电平恢复单元。

图4. OOK调制解调隔离耦合型单片机外围电路原理图。

图5. OOK调制解调直流电源线耦合型载波通信模块电路原理图。

图5中：(A)发送驱动单元，(B)接收耦合、阻抗隔离单元，(C)带通滤波单元，(D) 电流放大、低通滤波单元，(E)TTL电平恢复单元。

图6. OOK调制解调直流电源线耦合型单片机外围电路原理图。

图7.OOK调制信号耦合到直流电源线上的信号波形图。

图8.OOK调制信号耦合到220V交流电力线上的信号波形图。

图9.采用零点发送的OOK信号耦合到220V交流电力线上的信号波形图。

图10.OOK信号恢复和滤波后的信号波形图。

图11.窄带滤波电路频率衰减特性图。

图12. PWM信号OOK调制波形图。

图13. 低通滤波信号和TTL电平恢复信号波形图。

图14. 数据包OOK发送软件流程图。

图15. 数据包OOK接收软件流程图。

具体实施方式

如图3、图4、图5、图6所示，单片机通过串口接收到用户设备的数据包后，启动OOK载波信号，然后将数据包进行PWM编码，控制载波的发送，实现OOK调制，调制好的OOK信号经过发送驱动单元发送到作为总线的电源线上传输到远端。耦合到交流电力线上的信号波形如图8、图9所示；耦合到直流电源线上的信号波形如图7所示。当总线上有OOK信号时，首先通过接收耦合、阻抗隔离单元恢复OOK信号，信号波形如图10所示。OOK信号经过传输损耗后会衰减和变形，因此在接收回路上采用了接收耦合、阻抗隔离单元来恢复OOK信号，采用阻抗隔离电路可以有效减少接收端设备对OOK信号的吸收和衰减，从而增强总线的带载能力，增加总线的有效通信距离。安装在远端设备上的模块通过接收耦合、阻抗隔离单元来恢复OOK信号，经过电源线传输后的OOK信号包含很多干扰信号，经过带通滤波单元滤波后可以得到干净的OOK信号，如图10所示， 窄带滤波电路频率衰减特性如图11所示。经过滤波后的OOK信号经过电流放大、低通滤波后得到包含PWM信息的低频信号，如附图13所示，再经过TTL电平恢复单元恢复成单片机可以识别的PWM信号送入单片机，利用单片机的PWM捕获比较功能做PWM解码得到有效数据包。解码出的有效数据包通过串口发送到用户设备，完成用户设备间的通信。整个通信过程中的编码和解码全部利用单片机的软件资源实现，数据包OOK发送的软件流程图如附图14所示，数据包OOK接收的软件流程图如附图15所示。