一种低电压电力线载波呼叫对讲系统的研究

周斌 刘涛 莫金旺

(桂林电子科技大学信息科技学院 广西 桂林 541004)

电力线载波通信是指用电力线作为传输介质可以实现数据互传的一种通信方式。通常是把信息通过某种方式调制后再耦合到电力线上，在接收端再从电力线上耦合下来进行滤波、解调等。前期人们已经在这方面做了大量研究相关技术已相对成熟了。通常用于电力线载波电话、电力线自动抄表等方面。在中低速数据传输方面由于其成本廉，工程简单因而得到了广泛的应用。

本研究是在电力线载波技术的基础上用直流低压电力线作为传输介质，研制一种“多对一”的呼叫对讲系统。此类系统对于大型工厂车间管理、医院病房呼叫等方面有着很大的实用价值。目前在市面上呼叫系统种类繁多，基于有线网络的，基于无线射频的都有不同的产品。从产品功能上对比而言差异不大，从实用方面，性价比方面本研究有着很大的优势。

1 系统组成与工作原理

1.1 系统结构及功能

本系统通信方式为“多对一”，一台主机可拖带128路分机。主机同时附有灯光提醒、和振铃提醒。具体系统结构和各分部功能可参照图1。

主机与分机之间可以实现数据传输和模拟话音的传输。在数据传输时使用半双工通信方式，在话音传输时实现全双工通信方式。

1.2 系统工作原理

整个系统由220V电压经变压器后变为直流统一供电，在系统的传输线上输出14V供各分机平时待机或呼叫通话用电。主机与分机进行数据传输时，采用脉宽编码调制方式利用7位二进制码作为分机地址码进行呼叫实别。利用LM567采用FM调制方式将分机话音信号调制到128KHz的载波上再耦合到电力线上。在接收端的主机进行FM解调即可恢复话音。而主机到分机的模拟话音信号经放大后直接耦合到系统电力线上。在电力线上，话音的传输由于在频谱上互不影响，进而实现了全双工话音通信。

2 系统硬件电路设计

2.1 系统主机电路设计

主机部分主要包括MCU部分，双音多频部分，语音播放部分，显示处理及驱动部分。如下图2所示：

图2 主机电路结构图

本系统采用STC系列单片机STC12C5A60S2作为核心处理器，外围与MT8870实现双音多频功能可连接普通话机，同时搭配WT588D08芯片完成语音及音乐播放功能，显示部分采用BC7281B与74HC595、74HC164完成数据转换与驱动功能。

2.2 系统分机电路设计

由于考虑到系统功耗的问题，本设计选取低功耗的PIC系列单片机PIC12F508作为分机核心处理部分，完成系统的数据通信及控制功能。用LM567作为语音调制芯片，将语音调制到128KHz再耦合到电力线上。具体设计如图3所示。在平时待机状态下，由稳压电路部分将电力线的14V稳压到5V供分机MCU工作，主机传到分机的电平分为14V和7.8V，当高电平来时经由D8二极管4148钳位到5V,当低电平来时7.8V经由6.2V稳压管后变为1.6V，由此转为单片机可识别的电平后进行解码。在平时待机状态下LM567是不工作的，当由主机下发指令后由单片机解码后，用I/0口GP1驱动三极管开关电路，将其接通后可进行话音的调制。

图3 分机电路

图4 模拟控制电路的连接结构

2.3 模拟控制电路的设计

模拟控制电路在本系统中起到连接主机和分机的作用，从模拟控制输出的主干线为14V直流电，主机与分机的模拟信号及数字信号都是经由模拟控制电路进行传输。具体结构可参照图4。当主机呼叫分机时由主机MCU输出的TTL电平经模拟控制板转换后变为14V与7.8V在电力线上传输，进入分机后由分机电路进行转换变为PIC单片机可识别的电平。当分机呼叫主机时，由图3中PIC12F508单片机的GP0口，将分机地址信号耦合到电力线上，在模拟控制板中，通过电压比较器将电力线上跳变的电平进行转换后变为主机MCU可识别的电平进行解码。同时在设计模拟电路时，因为其承担整个电力线上的电源供给，当然要考虑电力线短路后系统的自动保护。当电路短路后，电力线瞬间电流增大，在图5中的比较器中，专门有监测电流变化的单元，当比较器输出为高电平时，由MCU进行处理，对模拟控制板的电力线输出进行切断，且对当前状态实时查询，直到电流恢复正常后再闭合电力线的输出。

图5 模拟控制电路参考图

3 系统编码调制原理

本系统的编码方式是脉宽编码调制。该方法是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种很有效的技术，广泛应用于测量，通信等领域。其优点是调制的整个过程都是数字形式的，不要进行相应的数模转换，以电平方式进行传输可将噪声影响降到最小。同时电路结构简单，可大大降低产品成本。

图6 系统码元定义

在主、分机通信过程中，二者的编码方式可灵活设计。本系统中主机、分机各自发出的码元如图6所示。

由于码元的定义是与脉冲宽度有关的，在各自的解码过程中，只需要判断脉宽即可。通信过程中，双方总是呼叫“应答式”，也就是在对方发出请求后接收方收到正确编码后要返回应答信号。所以二者编码要区分开以降低自身收发引起的干扰。经硬件电路验证此编码方式稳定、误码率较低完全可以完成本系统的数据通信。

4 结论

按照本设计方法，整个系统数据传输实时稳定，话音清晰。用二线制电力载波方式构建此呼叫系统具有实用、电路简单、安装方便等优点。经实际硬件电路测试主机与分机的通信距离大于700米。系统功耗较小，在连接128个分机状态下，每个分机单独待机时电流为0.26mA，当主、分机接通时电路中电流为107mA。整个系统有较强的抗干扰能力和很高的可靠性能，可大量应用于医院病房呼叫，大型工厂车间管理等领域,有着广阔的应用前景。

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