基于电力载波通信的新型同步电子钟设计

摘要：为了解决当前一些重大考试需要悬挂时钟的问题，设计一种新型同步数字电子时钟系统。应用电力载波技术实现了电子钟的远程同步控制。介绍了系统的组成及工作原理，为系统的设计提供了一种简单、实用、低成本的同步控制方案。
关键词：同步时钟；电力载波通信；SC1128；PCF8563

0 引言
    近年来，随着电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)技术的发展，电力线载波通信已大量地应用于日常生活和工业生产中，如电力线上网、电力载波自动抄表系统、家庭自动化系统、工业过程控制等。
    电力线载波通信技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，该技术是把载有高频调制的信息加载于电流，然后用电力线传输，接收信息的适配器再把高频调制信息从电流中分离出来并传送至计算机或其他相应设备，以实现信息传递。由于电力线载波通信技术以电力线路为传输通道，具有较高的传输可靠性，较低的线路衰减，以及不需要通信线路建设的基建投资和日常维护费用等优点，使得这种技术变得方便、成本低、易实现。
    本文介绍一种基于低压电力载波通信技术实现的同步数字电子钟系统。传统的时钟同步，通常需要到每个时钟处手动校准。这项工作不仅效率低下，而且还存在人为误差，不能满足现代化管理的需求。使用基于电力载波通信的同步时钟，不仅成本低，而且能够圆满地解决上述问题。该系统利用低压供电电路，由主机发送时钟校准信号，由载波通信模块通过电力线传输，从机接收信号后，调整时间，实现电子钟的同步运行。

1 系统总体结构
1．1 系统组成
    系统由两部分组成，其结构如图1所示。一部分是同步时钟的控制终端，作为主机系统，另一部分是从机系统。所有从机结构都一样，台数依实际需要确定，不受限制。系统采用220V低压供电线路作为通信媒介。主机及从机系统主要由单片机、PCF8563时间芯片、SC1128扩频载波芯片、输出功率放大器、带通滤波器、前级放大电路、耦合电路、键盘阵列输入、显示输出等组成。主机系统单片机采用Atmel公司的AT89S52作为控制芯片，增加RS 232或USB串行接口，以便与PC机通信。PC机通过网络可与Internet时间同步，从而使系统能与Internet时间同步。从机单片机采用AT89C2051作为控制芯片。从机设置一个运行方式开关，可在同步运行方式或独立运行两种方式下工作。若工作于同步方式：由主机发送时钟校准信号，由载波通信模块通过电力线传输，从机接收信号后，调整时间，实现电子钟的同步运行。若工作于独立方式：从时钟芯片PCF8563读取时间。用户可以通过键盘输入时间或修改时间。

    时钟芯片采用Philips公司生产设计的PCF8563，PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟／日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。
1．2 电力载波通信模块
    由于低压配电网直接面向用户，决定了其结构和通信环境的复杂性，如：噪声干扰强、干扰信号时变性强、信号衰减大、信道容量小等。因此在该系统中，选择由北京智源利和微电子技术有限公司设计开发的电力线载波调制芯片SC1128，其内部逻辑结构图如图2所示。
    该芯片专门针对中国低压电网特性而设计，是一款适合中国低压电网特性的数据传输专用芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，该芯片应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。该芯片采用CMOS技术设计的数模混合专用电路，应用先进的扩频通信技术和调制解调技术，是面向低压电力线低速率通信市场需要的专用扩频Modem芯片。而且SC1128价位较低，可以为民用市场所接受。其电路内部集成了扩频器、DAC和ADC、输出驱动器、输入信号放大器、工作电压检测器、看门狗电路、串／并接口电路，使得该芯片在多功能小型系统应用中可以降低系统的成本，提高系统的性能。
    SC1128芯片是采用CMOS技术设计的数／模混合电路。其功能特点如下：
    (1)直接序列扩频技术，抗干扰能力强；
    (2)发射信号分为两种形式输出：一种是经D／A转换器后正弦缓冲器输出，谐波成份少；另一种以高压开漏缓冲器输出，应用成本低；
    (3)输入信号放大器，对输入信号进行前置放大；
    (4)内置看门狗电路，监视系统程序的工作状态；
    (5)内置电压监测器，监视电源电压的变化，并及时向系统发出报警信号；
    (6)内置电子表电路(24小时制)，满足对不同时间段记费率的要求(支持掉电工作)；
    (7)内置串行半双工同步传输通信接口，方便与MCU之间的控制命令和数据交换；
    (8)63位扩频码，数据速率典型值为5．75 Kb／s；
    (9)捕获门限值从200～6 290由软件设定；
    (10)内置64×8 SRAM存储器(支持掉电工作)，为系统提供数据暂存；
    (11)提供QFP-44线封装形式(LQFP-44PIN)；
    (12)单+5 V电压工作。
1．3 电力载波模块与单片机的通信
    SC1128第28脚为电路工作主时钟的1／2的晶振输出(其峰峰值约为4 V)，近似正弦波；32脚为电压监测端；33脚为看门狗输入端，正常工作时应该在768 ms内产生一次高低电位变化；34脚为看门狗输出端，与33脚配合，正常时输出低电平，否则输出1／3占空比的复位脉冲；35脚与32脚配合，当电源信号低于监测值时，输出低电平，当高于监测值，则输出高电平；36脚为收发控制端，0为接收，1为发射；37脚在发射和接收同步后产生同步脉冲信号，频率随工作主时钟和周波的变化而变化；38脚为输出发送和接收的数据；39脚为设置数据及状态的输入输出端；40脚为同步设置时钟输入端；41脚为片选输入端。SC1128与AT89C2051单片机的接口电路如图3所示，SC1128与AT89S52单片机的接口电路可参照图3，基本相同。

    数据收发流程如下：
    当主机处于发射状态时，单片机将SR端(36脚)置高，SC1128芯片输出同步脉冲(37脚)，单片机通过TX端(38脚)同步发送数据。
    当从机处于接收状态时，单片机将SR端(36脚)置低，SC1128芯片若接收到数据，则发射同步脉冲(37脚)，通过TX端(38脚)将数据同步发送到单片机。

2 软件设计
    系统的软件分为主机与从机两部分。主机与从机流程图如图4，图5所示。

    主机通过RS 232或者USB与PC机通信，以便上网与Internet时钟同步，系统将时间值保存在时钟芯片PCF8563中，单片机每隔0．5 s从PCF8563中读取一次数值，按照规定的格式及要求发给SC1128扩频载波芯片，由SC1128扩频载波芯片将数据调制到低压供电网络，进行广播传输。从机单片机将电力线上加载的时钟调制信号经耦合电路耦合将数据送往输入带通滤波器滤波及前级放大电路进行放大，再由12脚进入SC1128扩频载波芯片做进一步处理，根据通信协议解析出中央控制端发送的时间值并输出显示。为了数据传输的可靠性的提高，误码率的降低，数据需要重复发送3次。
    主机和从机之间数据的交换采用的串行异步通信方式，基于通信协议，使用一个8位的unsigned char变量作为接收窗口。具体载波信号发射接收过程如图6所示。

3 结语
    本文介绍了电力线载波通信技术在同步电子钟系统中的应用。利用了电力网络本身的方便，实现了时钟的中央控制。系统具有成本低、易实现，可靠性高等优点，是一种性价比较高、新型的控制方式。系统既可同步运行又可独立运行。现在各种考试考场都需要挂钟，此系统具有很好的应用价值。