摘要：PL3105芯片是為智能儀表設(shè)計的專用SoC芯片，具有8051指令兼容的高速微處理器、直序擴頻的載波通信等強大功能。本文介紹PL3105的主要特點及其載波通信原理，分析針對載波通信應(yīng)用的軟件設(shè)計方法。

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，針對智能儀表應(yīng)用而設(shè)計的專用芯片獲得了長足發(fā)展。智能儀表一般要具備CPU單元、顯示單元、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線接口、A/D信號轉(zhuǎn)換、實時鐘、看門狗等功能。傳統(tǒng)的智能儀表設(shè)備在選定了CPU后，需要配置復(fù)雜的功能芯片及接口芯片，完成顯示驅(qū)動、外部程序存儲、數(shù)據(jù)存儲及其它要求功能。眾多的接口芯片導(dǎo)致儀表的體積大、成本高、功耗增加、可靠性降低；同時調(diào)試、維護困難。

為適應(yīng)智能儀表的應(yīng)用需要，針對某類產(chǎn)品的專用單芯片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)解決方案獲得了巨大的發(fā)展機遇。國內(nèi)外各IC設(shè)計公司都針對不同領(lǐng)域、不同應(yīng)用需求推出了各自的SoC產(chǎn)品。具有8051指令兼容高速微處理器的SoC產(chǎn)品PL3105，采用最新的CMOS數(shù)/?；旌瞎に囍圃?，是針對智能儀表行業(yè)應(yīng)用而推出的低成本、高性能的解決方案。

1 PL3105的主要特點

采用8051指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；具有8/16位雙模式ALU、8倍速于標(biāo)準(zhǔn)51，運行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強。圖1為PL3105的基本功能結(jié)構(gòu)方框圖。

針對智能儀表的應(yīng)用，PL3105內(nèi)部集成了2通道16位精度的∑—Δ調(diào)制A/D，LED（8×8筆劃式）/LCD（24×4筆劃式）顯示驅(qū)動模塊，2個UART，內(nèi)置1KB的RAM和16KB的E2PROM程序存儲器（采用ISP方式編程）；內(nèi)置低功耗實時鐘。同時集成了完善的電壓監(jiān)測，上電、掉電復(fù)位，看門狗電路，確保了工業(yè)環(huán)境下運行時系統(tǒng)的可靠性。

內(nèi)嵌的載波通信控制單元，使產(chǎn)品具備了在低壓電力線上組網(wǎng)、遠(yuǎn)程通信的強大功能；最低壓電力線載波通信接口專用芯片PL2101的升級，具有強抗帶內(nèi)同頻干擾能力，靈敏度高的優(yōu)點。內(nèi)嵌的CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，比PL2101芯片的接口方便，可靠性更高。

2 載波通信的工作原理

載波通信采用直接序列擴頻的BPSK（Bipolar Phase Shift Keying）調(diào)制解調(diào)方式：將要發(fā)送的信息用偽隨機碼序列擴展到較這的頻帶上，在接收端用同樣的偽隨機碼序列來進行同步接收，恢復(fù)信息。接收的過程包括載波信號的捕獲和同步。

捕獲是接收模塊在擴頻序列精確同步前，搜索接收信號，使接收信號的擴頻序列與本地擴頻序列在相位上進入可同步保持的范圍之內(nèi)，即二者的相位在一個擴頻序列碼元之內(nèi)。采用每次滑動步長為半個位的串行積分搜索方式，理論上最大捕獲時間需要29個數(shù)據(jù)位（15位PN碼時）。捕獲完成后進入跟蹤階段，動態(tài)地高速本地偽碼產(chǎn)生器的時鐘速率，使本地偽碼能夠自動地和接收到信號的偽碼保持精確同步。擴頻序列的跟蹤電路采用全數(shù)字基帶延遲鎖定環(huán)（delay locked loop）電路。

解擴過程為保證捕獲和同步均能完成，發(fā)送模塊在每次傳送有效數(shù)據(jù)前至少發(fā)送40個位全“1”，用作捕獲和同上訓(xùn)練（15位PN碼）。

由于所選用的擴頻偽碼具有很強的自相關(guān)性，所以通過比較本地偽碼和接收序列之間的相關(guān)性與設(shè)定閾值的高低，來判定是否停止偽碼的滑動、完成捕獲。500bps時，默認(rèn)的捕獲門限值為30H。載波通信的擴頻、解擴工作完全由SoC內(nèi)部的硬件電路實現(xiàn)，簡單可靠，解擴閾值可以軟件調(diào)節(jié)。

圖2（a）、（b）為PL3105內(nèi)部的載波通信發(fā)送/接收工作時序圖，收發(fā)數(shù)據(jù)位在芯片內(nèi)部連接到P3.7，芯片未做封裝引出。

載波通信控制器采用幀同步方式的串行移位通信，半雙工方式，速率500bps/250bps可選；中心頻率為120kHz，帶寬為±7.5kHz。內(nèi)嵌的CPU使用外部中斷2（INT2），同步收發(fā)中斷，載波通信配置流程如圖3所示。

①使能INT2中斷（EX2=1），且為下降沿觸發(fā)方式（IT2=0）。

②使能載波通信控制位PLM_SSC(EXT_CFG.0=1,INT2作為載波通信同步信號的中斷。

③載波收發(fā)控制位PLM_RS(EXT_CTRL.0)=1時，載波控制器處于發(fā)送狀態(tài)；PLM_RS(EXT_CTRL.0)=0時，載波控制器處于接收狀態(tài)。

④載波發(fā)送復(fù)位寄存器：用于避免載波通信模塊長時間處于發(fā)送狀態(tài)，使整個通信系統(tǒng)處于失控狀態(tài)而設(shè)置。它是一個13位計數(shù)器，發(fā)送狀態(tài)時，計數(shù)器速減，遞減到0后，載波發(fā)送模式被強制返回接收態(tài)；接收態(tài)時，計數(shù)器停止工作。長時間發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要向PLM_RST寄存器寫入“A2H”，寫入后計數(shù)器自動復(fù)位，保持發(fā)送。

低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。需要配合外圍的功率放大、接收回路工作，載波通信的距離與外圍電路設(shè)計優(yōu)劣、功率大小等密切相關(guān)。

3 接收和發(fā)送的軟件設(shè)計

載波通信為總線方式通信，所以載波模塊的常態(tài)必須設(shè)置為接收態(tài)、不同的載波模塊必須分配不同的通信地址。模塊接收到校驗正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規(guī)約進行應(yīng)答。由于載波通信速率相對主頻低很多，為提高CPU效率，接收和發(fā)送一般均設(shè)計為外部中斷方式處理；每次進入中斷，完成對1位數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送處理。

按圖3所示流程對模塊進行配置、選擇速率為500bps后，內(nèi)部自動選擇為15位PN碼。載波通信控制器即進入接收態(tài)，進行載波信號的捕獲和同步。

接收時，捕獲和同步過程由載波通信控制單元的硬件電路自動完成，不需要軟件部分參與。由于電力線的哭聲一直存在，所以有效數(shù)據(jù)前必須增加同步幀頭，依據(jù)相關(guān)性標(biāo)準(zhǔn)選擇為0x09、0xAF，后續(xù)為通信的有效數(shù)據(jù)體及校驗字節(jié)。

圖5為載波通信接收過程框圖。載波通信控制單元解擴出1位數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一次中斷。接收時，首先采用16位接收窗口、1位滑動方式來接收通信的同步幀頭0x09、0xAF。幀頭接收成功后，后續(xù)數(shù)據(jù)按每8位一個字節(jié)的方式進行截取，得到傳送的有效數(shù)據(jù)。接收過程中，按有關(guān)的通信協(xié)議進行地址判別、長度接收、校驗計算。地址相同的模塊對符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)進行應(yīng)答，轉(zhuǎn)入發(fā)送態(tài)。

    圖6為載波通信發(fā)送過程框圖。用于載波通信的主叫方發(fā)出命令或接收方的應(yīng)答。置為載波發(fā)送態(tài)時，載波通信控制單元發(fā)送完1位的擴頻數(shù)據(jù)，自動產(chǎn)生一次中斷，允許下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)捕獲和同步過程需要，首先發(fā)送至少40位的全“1”；然后按位發(fā)送同步幀頭0x09、0xAF；之后根據(jù)用戶的有關(guān)通信協(xié)議按位發(fā)送通信地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)體、校驗等字節(jié)。

數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成后，載波模塊即可轉(zhuǎn)入接收態(tài)。但為確保待發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一個位發(fā)送成功，必須在發(fā)送完最后一位數(shù)據(jù)后等到下一次發(fā)送中斷到來后，才可以轉(zhuǎn)換載波發(fā)送態(tài)到接收態(tài)。

載波發(fā)送未，將全部數(shù)據(jù)發(fā)送完成前，CPU必須及時向PLM_RST寄存器寫入“A2H”，使計數(shù)器復(fù)位，避免自動復(fù)位提前進入載波接收態(tài)。發(fā)送中斷程序如下：

void PLM_int(void)interrupt 7//載波收發(fā)中斷

{if(PLM_RS==1)zb_tx();//載波發(fā)送中斷服務(wù)程序

else zb_rx()；//載波接收程序服務(wù)程序，略

}

void zb_tx(void)//載波發(fā)送程序

{if(len8==0)s_byte=buf_send[zbs_count];//取待發(fā)送字節(jié)到位發(fā)送緩沖

ACC=s_byte;

P3.7=ACC^7;//位發(fā)送，最高位在前

s_byte=s_byte<<1; //左移

len8++; //移位計數(shù)計算

if(len8>7) //8位發(fā)送完畢

{zbs_count++; //下一字節(jié)

len8=0; //移位計數(shù)清零

}

PLM_RS=1; //載波發(fā)送允許

PLM_RST=0xA2； //載波發(fā)送復(fù)位寄存器清空

}

結(jié)語

由SoC芯片PL3105設(shè)計的具有載波通信功能的智能儀表，在智能電表行業(yè)中得到了應(yīng)用和推廣。其簡單的接收、發(fā)射處理方式使應(yīng)用程序設(shè)計十分方便。同時靈活的ISP編程方式，使產(chǎn)品升級換代和功能擴展靈活；達(dá)到了低成本、高性能的設(shè)計指標(biāo)。