载波通信技术在接地电阻测试仪中的应用

朱传林，王学良，余田野，李斐

（湖北省防雷中心湖北武汉430074）

在接地电阻测试中，测试仪表与防雷装置接地测试点相距较远，从几十米到几百米不等。现场测试时，通常要通过对讲机通话把测试数据传到防雷装置接地测试点，以便现场测试人员记录防雷装置的接地阻值。这种传统的工作方式，在数据通信过程中效率低下。由于对讲机或者人为因素可能会导致现场记录人员听到的数据不清晰，而反复让仪表读数人员报数。

再者，有些测试场所无法实现对讲机通话，例如：对于一些高规格信息机房或专用屏蔽室，就无法通过对讲机实现仪表读数人员与现场测试人员的通信。为了较好地解决该问题，文中在接地电阻测试仪中利用载波通信技术，采用现有的接地测试线将设备测试出的数据通过耦合电路及调制解调技术实现了数据远程传输。

图1 载波耦合电路模型

1 载波耦合电路

为了抑制地线工频信号的干扰及接地电阻异频测量信号的影响，载波耦合滤波电路采用高通滤波器形式，其中耦合线圈与安规电容组成LC高通滤波器，并且耦合线圈选用高导磁率线圈，变比为1:1，通过耦合线圈的二次变换，将载波信号传递到后级，TVS管主要起到保护作用，防止大地的高频谐振电压通过线圈耦合到信号处理级，损坏信号调制电路。

如图1所示，载波耦合电路的关键物理量是电路模型中的两个电流由基尔霍夫第二定律可得上述电路的数学表达式[1-6]：

式中，分别设i'、i''为i的一、二阶导数，可得：

对式（1），不同的数学处理方法就得到不同的表达式。对式（1）求导，则得

由于式（2）有两个未知量i1(t)、i2(t)的二阶导数，直接求解存在困难。如果将模型中的RLC串联回路表示为二元一阶方程，则得到含有4个变量的一阶方程组：

式（3）中含有 4个未知量i1(t)、i2(t)、uc1(t)、uc2(t)，给出初始储能便得定解，如果无初始储能，则是齐次初始条件。

2 发送有源滤波电路

如图2所示，PA是ST7540芯片内部集成的小功率放大运算器。基于它可以在发送端设置一个三阶的有源滤波电路，组成的低通滤波电路和一个二阶的Sallen-KEY。C33在该电路中用以过滤低频信号，通过对R10、R9的设置，可以把信号的直流部分放大。这样做就可以避免信号的失真，二阶Sallen-KEY单元的传递函数公式（4）：

此电路截止频率为：

图2 发送有源电路

3 接收无源滤波电路

图3所示为接收无源滤波电路，它是由一个并联谐振电路构成的滤波电路。通过对电路中电感及电容的设置，可以滤除指定频率外的干扰信号。此滤波电路的传输函数如下[7-13]：

表达式中的RL表示电感串联在电路中时所产生的阻值。该电路的品质因素以及中心频率的函数表达式如下：

由于在串联电路中，电感的直流阻抗要远远小于电阻的阻抗，于是，对中心频率的表达式进行化简，可得式（6）：

而由上式可知，选频特性取决于R17、RL。RL的值与共振频率的波形越平缓程度成反相关；而R17的值与则选频特性成正相关。

事实上，可以通过简化公式（5）在中心频率处的表达式进而分析RL和接收信号损耗的关系，可得表达式（7）：

由传递函数的模的表达式可知：通过增大Q的值可以保持较低的信号损耗。与此同时，这对电子器件偏差的灵敏度的要求也变得更高。

图3 接收无源滤波电路

4 功率放大及控制电路

由于希望系统有较远的通信距离，就必须要求模块发送端有足够大的功率输出（图4为功率放大电路），该电路的作用是把SSCout端的5 V TTL电平信号转为具有更高电平的方波信号，再用滤波器对方波进行滤波，最后，输出标准正弦波信号。需要说明的有以下几点：

图4 功率放大电路

1）电路要求TS5为20 V的肖特基稳压管，但在该电路中没有利用其稳压特性，而是它的正向导通电压低的特点，来保护P沟道的MOS管；

2）电阻R8在这里起到保护载波芯片的作用，因为载波芯片采用了MOSFET工艺，因而不采用驱动容性负载，因为该放大电路的输入是容性的，所以串联一个0.22 kΩ的电阻用以保护载波芯片；

3）US6M2内部有一个P沟道的MOS管和一个N沟道的MOS管，P沟道的耐流值为1 A，N沟道的耐流值为1.5 A，以有效确保整个载波电路的耐流值为1 A。

如图5所示的功率控制电路。该电路的作用是：当12 V电源电压被下拉至7 V左右的时，用来控制其输出电流，确保12 V电源不至被拉低于6.5 V以下，进而保证整个电路系统正常工作状态，其最大的优点是保证低电压试验可以工作。另外，可以调整R30的阻值来控制电流的输出，从而起到既限压又限流的作用。

图5 功率控制电路

5 ST7540载波芯片工作模式

ST7540是ST公司研制的FSK电力线收发器，内置半双工异步/同步通信的FSK调制解调器（结构如图6所示）。该芯片广泛应用于电力线载波通信系统，在现代智能电网的远程数据通信方面发挥了重要作用[14-15]。

1）发送模式

当 RxTx 为“0”且 REG/DATA 为“0”时，ST7540芯片处于发送模式。考虑到土壤电阻率的差异，辅助接地极的阻抗有可能存在较大波动，芯片通过集电流与电压控制电路以保障通信的可靠。在同步方式时，时序由芯片所选择的波特率来决定，在CLR/T的上升沿触发时刻，TXD上的数据将发至FSK调制器。在异步方式时，时序的管理由主机来决定，TXD上的数据会直接读入到FSK调制器。而CLR/T的信号处于失效状态。

2）接收模式

当RxTx为“1”且REG/DATA 为“0”时，该芯片处于接收模式。同步方式时，时钟信号在PLL的上升沿时恢复。而后，FSK解调器中的数据将被发送到接收端RXD上。在异步方式时，解调器中的数据则直接读到接收端。而后，通讯时序恢复而CLR/T失效。在当前模式下，信号通过外围的并联谐振电路滤波后，从RX-IN端读取到芯片，同时，系统将关闭发送电路（包括接口电路在内），用于降低功耗。信号的滤波可通过窄带带通滤波器进行，其幅度可通过片内自动增益电路调节。为了减小信道噪声，在解调信号前应先将信号和片内正弦波发生器进行混频，而后，再进行带通滤波器滤波，最后再将信号解调出来。

图6 ST7540芯片内部结构

6 结束语

本文基于电力载波远程通信原理提出了一种远程通信系统。首先介绍了该载波耦合电路的基本模型及设计结构，重点介绍了耦合电路、功率放大及控制电路滤波电路、放大电路、ST7540载波芯片等。

最后通过实际电路检验该远程控制系统的性能指标。研究表明，该接口电路既有较高的载波信号加载效率，较好的幅频特性，又能完全地隔离接地电阻测试仪的工频信号，远程通信系统性能指标能够满足实际需求。

[1]刘晓胜，胡永军，张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J].电气应用，2006（2）：5，7．

[2]刘晓胜，张良，周岩，等.低压电力线载波通信新型组网模型性能分析[J].电工技术学报，2012，27（11）：271-276．

[3]朱旭，唐显锭，蒋紫东，等.基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计[J].照明工程学报，2012，23（2）：66-70．

[4]王君红，刘宝，袁若权，等.基于电力载波通讯的远程控制系统设计及应用[J].化工自动化及仪表，2009，36（1）：49-51．

[5]匡杨.基于现场总线的电力线载波通信系统的设计[D].武汉：武汉理工大学，2009．

[6]曾素琼.基于复合耦合技术的低压电力线载波通信接口电路设计[J].低压电器，2010（20）：22-25.

[7]曾素琼.嵌入式电力线载波通信模块设计及其智能应用[J].计算机测量与控制，2012，27（11）：2294-2299．

[8]刘述钢，刘宏立.低压电力线载波通信的无源耦合电路设计[J].电子应用技术，2011，37（4）：98-101．

[9]汪明达.低压电力线载波高速通信技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007．

[10]李建岐，陆阳，高鸿坚.基于信道认知在线可定义的电力线载波通信方法[J].中国电机工程学报，2015，35（20）：5235-5242．

[11]肖元强，曹敏，李川，等.基于PSO的低压电力线载波通信阻抗自适应匹配[J].中国电力，2015，47（1）：133-136．

[12]何世彪，吴红桥，王杰强.电力线载波通信定时同步算法及其FPGA实现[J].计算机应用，2011，31（11）：2918-2921．

[13]易平波，刘志英，田军.基于ST7540的电力载波通信滤波器设计[J].通信技术，2010，43（4）：43-45．

[14]王作东.新型FSK电力线收发器ST7540及其应用[J].现代电子技术，2006，228（13）:56-61.

[15]向敏，王时贺，赵星宇.一种基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2013，25（2）：161-165．