电力供应系统被划分为三个等级:高压级(110 kV～380 kV)、中压级(10 kV～30 kV)和低压级(0.4 kV)，不同的电压等级间通过变压器互连，目前低压电力线通信(在一个变压器范围内）用得比较多，但通信距离有限。对于主要用于数据通信的高载频来说，变压器是一道“天然的”障碍，这就导致一个必然的隔离，因此,要实现远程通信就必须解决高压线与低压线之间(跨变压器)的信息传输问题^[1]。随着高性能电力线载波芯片的推出，使模拟信号(本文主要是指音频信号)转换为高频信号变成了现实，并且通过成熟的蓝牙技术，可以使变压器在远程电力线通信中不再是不可逾越的鸿沟。
    本文以蓝牙技术和电力线载波技术为基础，选用适当的功能芯片设计了相应的外围电路，以解决跨变压器的信号传输问题，为远程电力线通信提供了一种可行的方案。
1 系统总体方案设计
1.1系统设计
    本系统主要由音频输入、电力线载波modem模块、电力线接口电路、A/D转换模块、单片机控制模块、蓝牙收发模块、D/A转换模块及音频输出等部分组成, 如图1所示。

1.2 各个模块主要组成
    (1)音频输入：主要进行音频信号的采集，利用语音信号编解码芯片TLV320AIC10收集由话筒发送的音频信号再加载到电力线载波modem模块上[2]。
    (2)电力线载波modem模块：采用美国国家半导体公司(NS)生产的高性能电力载波芯片LM1893。LM1893采用FSK调制解调方式，内置自动电平控制(ALC)电路及可选择的脉冲噪声滤波器，传输出功率很容易提升10倍，载频范围在50 kHz～300 kHz之间可任意选定，接收灵敏度达2 mV，可驱动任何常规电力线，可以进行半双工数据通信。
    (3)电力线接口电路：电力线接口PLI(Power Line Interface)是电力线载波系统的关键部件之一，主要由保护电路、选频耦合电路、隔离变压器等组成，目的是把LM1893同电力线隔离，在电力线上加载或析取信号。
    (4)A/D转换模块：由于数字信号在电力线上传输波形失真较大，因此利用电力线传输模拟信号是最为普遍的。因为蓝牙模块只能接收数字信号，这就需要进行模数转换，本系统中选用的是AD574模数转换器。
    (5)单片机控制模块：控制模数（数模）转换模块及蓝牙收发模块等，选用的是Intel 公司的AT89C51单片机。
    (6)蓝牙收发模块：选用芬兰BLUEGIGA公司推出的WRAP THOR 2022-1蓝牙模块，它是一款适合于短距离无线通信的射频/基带模块，集成度高、功耗小[3]。
    (7)D/A转换模块：数字信号由蓝牙接收模块发送给单片机控制模块，再经过D/A转换模块转换成模拟信号才能加载到电力线上最后到输出端。本文选用的是8 bit DAC0832数模转换芯片。
    (8)音频输出：是音频输入模块的逆过程，利用语音信号编解码芯片TLV320AIC10解码D/A转换模块输出的模拟信号并将其输出到耳机，至此完成了整个系统的音频输出。
1.3 系统功能
     如图1所示，在信号的发送端,音频信号(模拟信号)经电力线modem LM1893调制为100 kHz以上的高频调制信号，然后经接口电路（含插头、保护电路、选频耦合电路、隔离变压器等）进入电力线。电力线modem与电力线隔离开，以免受到瞬时过电压的干扰，并且具有让高频信号通过、同时过滤掉电力线上工频信号的功能，以此保证通信的质量[4]。当调制信号在电力线上进行远程传输、并传输到变压器时，在变压器的一侧（信号发送端），先通过电力线接口将调制信号传到LM1893芯片，再将LM1893的音频输出连接到模数转换器A/D，然后单片机将转换成的数字信号送入蓝牙发射模块；同时，单片机将蓝牙接收模块接收到的数字信号送入数模转换器D/A并转换成相应的模拟信号，再经LM1893调制成同样频率的高频调制信号，然后经接口电路进入变压器另一侧的电力线（信号接收端），该调制信号经过接收端的接口电路进入LM1893并还原成原始模拟音频信号，再由音频输出模块输出，从而实现了跨变压器的远程音频信号传输。上述过程全部在单片机的控制下完成。
2 系统硬件电路设计
2.1 音频输入/输出电路
    TLV320AIC10是TI公司推出的一款16 bit通用编解码器，非常适合应用于有线调制解调器以及低码率、高质量的语音压缩、语音增强和语音识别与合成[5]。该电路主要完成音频信号的采集和输出，如图2所示。

2.2 电力线载波modem模块
    电力线载波modem LM1893采用18脚DIP封装， 由正弦波成形器、收发选择控制器、输出功率放大器、鉴相器、比较器、限幅器、RC低通滤波器、偏移抵消电路、脉冲噪声滤波器、自动电平控制电路ALC、锁相环路(PLL)、电流控制振荡器(ICO)及调制器(MOD)等部分组成。图3为LM1893的内部结构和应用电路[6]。在图3中:
    (1)LM1893的收发控制脚（5脚）输入高电平时，LM1893工作于发送模式。89C51 CPU将数据从TXD串行数据发送端输送到LM1893的17脚，然后数据经调制器（MOD）调制后变成受控电流信号，送入电流控制振荡器（ICO），形成频率受电流控制的三角波，再经正弦波形成电路形成正弦波，通过自动电平控制（ALC）电路和输出功率放大器（OUTPUT AMP）后输出幅度稳定、频率受调于输入信号的正弦波信号，从10脚输出信号，经选频谐振网络送入电力线中。
    (2)当LM1893的收发控制脚(5脚)处于低电平时，LM1893工作于接收模式。由电力线接口电路送来的高频信号从10脚送入内部限幅器经过限幅放大和滤波后，送入锁相环路(PLL)，解调后经阻容低通滤波器进行环路滤波，进入电平偏移抵消电路滤除直流分量，经比较器判别后得到数字信号，通过脉冲噪声滤波器滤除脉冲尖峰干扰后从12脚输出到89C51 CPU的RXD。发送/接收的载波频率由相应的外围元件参数确定，改动这些参数即可实现载波频率的大小。

2.3 电力线接口电路
    电力线接口电路主要由保护电路、选频耦合电路、隔离变压器等组成，其中信号耦合电路如图4所示[7]。
    信号耦合网络采用磁芯变压器，既实现了隔离传输，又能实现阻抗匹配，还可做成谐振回路，以削减频带外的干扰并衰减尖峰[8]。

2.4 A/D转换电路
    在本系统中,89C51的P0口与AD574的低8位和74LS737相接，一方面读取A/D变换后的数据，同时通过74LS737发送控制信号控制A/D574的运行[9]。转换过程的结束与否可采用中断方式控制，也可设定为查询方式。本系统采用的是中断方式，以AD574的STS为中断请求信号接至AT89C51的INT0脚，当转换结束后，STS变为低电平，AT89C51响应中断，转入中断服务子程序执行完再回到原来状态，等待下一次转换结束，如图5所示[10]。

2.5 蓝牙收发模块
    蓝牙技术是一种新型的短距离无线通信技术[11]。本文中所介绍的蓝牙模块WRAP THOR 2022-1包含5个功能模块：射频补充控制单元、蓝牙核心芯片组、闪存、电源管理模块、时钟，其系统框图如图6所示。

    单片机和蓝牙模块可以通过USB、UART和RS_232接口来连接,本设计中采用UART接口实现单片机89C51与蓝牙模块的连接[12]。蓝牙模块的RXD和TXD端分别接单片机的TXD和RXD端，利用蓝牙芯片的无线收发功能来解决信号跨变压器传输的问题;利用蓝牙芯片有串行接口的特点，将音频信号经过一系列调制传送到蓝牙的音频接口，再由发送芯片送往接收芯片，最后传送到音频放大器上。
2.6 D/A转换模块
    为了将蓝牙接收芯片的数字信号送到电力线上，D/A转换电路需要D/A转换电路。本文选用DAC0832芯片进行D/A转换，其转换电路如图7所示[13]。图中使用了运算放大器LM324A将DAC0832的电流输出线性地转换成电压输出[14]。

3 系统软件设计
    本系统的软件实现主要分音频输入/输出模块、电力线modem模块两部分，其组成框图如图8所示。

    音频输入/输出模块软件包括初始化和数据的收发。电力线modem模块的软件设计的重点是对LM1893接口进行初始化。
    本文以蓝牙技术和电力线载波通信技术为手段，通过选用适当的功能芯片及设计相应功能电路，同时经过硬、软件的双重调试，为实现在电力线上远程音频信号传输提出了一种可行方案。
参考文献
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