智能家庭要求家用電器經網絡(總線)實現互聯、互操,總線協議是其精髓所在。目前,國際上占主導地位的家庭網絡標準有:美國的X10[1]、消費總線(CEBus)[2]、日本的家庭總線(HOME BUS)[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。

　　消費總線使用五種類型的介質(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜),其中以電力線的應用最為廣泛。消費總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持,1992年成為美國電子工業協會的標準(EIA600、EIA721)。1997年,EIA600成為美國ANSI標準;2000年6月,微軟和CEBus委員會共同宣布支持CEBus的簡單控制協議SCP。SCP是未來微軟UPNP協議的子集。

1 CEBus電力線物理層

　　鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性,CEBus采用價格低廉、簡單易行的線性調頻(chirp)擴頻調制技術。摒棄了傳統電力線載波通常應用的直接序列擴頻、調頻擴頻、跳時擴頻等設備復雜、價格昂貴的擴頻調制技術。

　　消費總線的物理層有四種碼,分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號,正弦信號載波,從203kHz經過19個周期線性地變為400kHz,再經過1個周期變為100kHz,然后在5個周期中變為203kHz,整個過程用時100μs,也就是1個UST(Unit symble time,在消費總線中用多少個UST來度量時間)。其波形如圖1所示。

　　chirps掃頻載波需經過放大耦合到電力線上,放大后的幅度應適中。幅度太低,給接收電路帶來困難;幅度太大,又會對電力線上的設備產生干擾。CEBus的規定如表1[5]所示。

　　同時也規定了電器設備對信號的阻抗。如果阻抗很小,就會將信號吸收從而無法傳送。規定如表2[5]所示。

　　線性調頻技術實現寬帶低功率密度傳輸,從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時,chirps具有很強的自相關性和自同步性。這種自相關性決定了所有連接在網絡上的設備可以同時識別從網上任意設備發出的這種特殊波形。

2 通訊模塊的設計

　　根據P89C51RD2和P300的芯片手冊[6][7],設計的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊,用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣,中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實際設備的設計。

3 通訊模塊電力線接口電路的設計

　　從P300輸出的信號幅度小、驅動能力弱而且還有高次諧波,因此必須經過濾波和放大,然后才能通過耦合電路將信號調制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開,防止高壓擊穿通訊電路。另一方面,從電力線來的載波信號又要由P300接收,而電力線上的干擾很大也很不確定,所以需要一個帶通濾波器,通過100kHz～400kHz之間的信號,再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。

　　其中左邊的3根線來自P300,TS是數字信號,控制收發轉換。實際上P300的收發類似半雙工方式,因為當它在“發送”劣態的時候,實際上并沒有輸出信號。因此,這個時候它可以處于接收狀態,如果接收到了優態,就表示發生了競爭。

3.1 濾波電路

　　輸入濾波器電路如圖4所示。

　　這個濾波器有6階,對高頻干擾有很好的抑制,圖5是它的頻率響應曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB,高于400kHz的平均衰減為128dB/dec,可以有效地過濾干擾信號。

　　P300輸出的信號包含豐富的高次諧波,為了減小對電網的干擾,先經過帶通濾波器再進行放大。濾波器也采用無源電路,原理與上面類似,這里不再贅述。

3.2 放大電路

　　P300的輸出信號經過濾波之后,其內阻很大,沒有驅動能力,而且電壓幅度不符合消費總線的要求,必須放大后才能夠驅動電力線。放大電路不僅要有強有力的輸出能力,還需有禁止輸出功能,這樣才能使P300接收其它節點發出信號。