青岛东软载波芯片PLCi38-III-E说明文档

目录

1. PLCI38-III-E 扩频通信芯片概述......................................................................................................3 1.1. PLCI38-III-E 芯片特点................................................................................................................3 1.2. PLCI38-III-E 主要应用范围.......................................................................................................4 1.3. PLCI38-III-E 引脚图.....................................................................................................................4 1.4. 引脚定义....................................................................................................................................5 1.5. 主要电气特性...........................................................................................................................6 1.6. 封装信息....................................................................................................................................6 2. 引脚描述............................................................................................................................................7 2.1. 晶体振荡器................................................................................................................................7 2.2. 185kHz 方波信号输出...............................................................................................................8 2.3. 终端设备数据输入RX 和终端设备数据输出TX...........................................................10 2.3.1. 电气特性...........................................................................................................................10 2.3.2. 数据通信标准..................................................................................................................10 2.4. 访问本地数据指示RXLED 和终端设备发送数据指示TXLED.....................................11 2.4.1. 访问本地数据指示RXLED............................................................................................11 2.4.2. 终端设备发送数据指示TXLED....................................................................................11 2.5. ZCP_DET 本地交流电过零检测............................................................................................12 2.5.1. 推荐电路...........................................................................................................................12 2.5.2. 电气参数...........................................................................................................................12 2.6. 扩频调制信号输入／输出（SSCIN ／SSCOUT ）............................................................14 3. 信号耦合电路（Signal Coupling Circuit ）................................................................................16 3.1. 设计目标..................................................................................................................................16 3.2. 电路组成. (16)

EASTSOFT ? PLCI38-III-E

电力线载波扩频通信芯片 – 应用开发指南 R&D GUIDE FOR PLCI38-III-E DATA SHEET

e

E A S T S O

F T

3.2.1. 电路元器件说明 (16)

3.2.2. 抑制瞬时电压冲击 (17)

3.2.3. 抑制通频带内的电压冲击 (17)

3.2.4. 信号耦合电路对发送电路和接收电路的影响 (18)

4. 信号发送部分（Transmitting Section） (19)

4.1. 发送电路组成 (19)

4.2. 电路元器件说明 (19)

5. 接收电路 (21)

5.1. 低功耗窄带模拟前端AFE3361 (21)

5.1.1. AFE3361描述 (21)

5.1.2. AFE3361主要特点 (21)

5.1.3. 最大额定值 (22)

5.1.4. 电气特性 (22)

5.1.5. AFE3361的典型应用电路 (23)

6. 电源系统 (24)

1. PLCI38-III-E扩频通信芯片概述

EASTSOFT? PLCI38-III-E是专门为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信芯片。该芯片具有通信可靠性高、帧中继转发策略、完善的网络数据通信协议集等特点，并且具有低成本、低功耗、外围器件少等特点。

PLCI38-III-E芯片实现了基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换。数据链路层采用高级数据链路控制协议，应用层通信协议兼容于DL/T645-1997及DL/T645-2007规范。

PLCI38-III-E芯片应用在电力线载波通信编程器（抄控器）或集中器中，为电力行业或其它公共事业部门提供了一种最佳的AMR的解决方案。

1.1. PLCI38-III-E芯片特点

扩频通信技术；

高性能数字信号处理技术；

高效率前向纠错；

BFSK调制、半双工通信；

码速率高达20.8k波特；

工作方式为主动方式（主动发送）；

高效率节点帧中继转发机制，支持七级路由深度；

合理高效的压缩算法，最大程度的压缩报文，以提高通讯能力与稳定性；

支持相位检测(需要本地交流电过零检测电路)；

支持大数据量传输，应用数据(DL/T-645数据域)可达176字节；

四层网络结构：物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、应用层（Application Layer）。其中，数据链路层的设

计是基于高级数据链路层协议，应用层通信协议兼容于DL/T645-1997及

DL/T645-2007规范；

1.2. PLCI38-III-E主要应用范围

自动读表AMR

家居自动化

报警和安全监控系统

1.3. PLCI38-III-E引脚图

28-引脚PDIP封装

1.4. 引脚定义

引脚引脚名称描述

1 VDD 电源，+5V。

2 SSCIN 扩频调制信号输入

3 NC

4 NC

5 NC

6 NC

7 NC

8 VSS 参考地

9 CLKIN 晶体振荡器输入，20MHz。

10 CLKOUT 晶体振荡器输出，20MHz。

11 NC

12 PWM185K 185kHz频率方波信号输出，可作为模拟前端的本振信号源。

13 SSCOUT 扩频调制信号输出，中心频率f0=270kHz，带宽BW=30kHz。

14 ZCP_DET 本地交流电过零检测输入。

15 TXLED 载波通信（发送）指示，高电平有效，通常可用于LED显示。

16 RXLED 载波通信（接收）指示，高电平有效，通常可用于LED显示。

17 TX 终端设备数据输出，异步串行通信，速率9600bps。

18 RX 终端设备数据输入，异步串行通信，速率9600bps。

19 VSS 参考地

20 VDD 电源，+5V。

21 NC

22 NC

23 RTS 向上位机（ROUTER）提出发送数据请求（请求时置高）

24 CTS ROUTER允许发送状态（高电平为允许发送）

25 NC

26 NC

27 NC

28 NC

1.5. 主要电气特性

参数名称参数值

4.5V～+

5.5V

电源电压 +

0.3V～+ 7.8V

输入输出引脚电压范围 -

输出引脚最大输出电流25mA

输入引脚最大吸收电流25mA

最大功耗0.05W

40oC～+ 85oC

工作温度范围 -

1.6. 封装信息

单位毫米Millimeters 英寸Inches

尺寸最小值典型值最大值最小值典型值最大值

A 3.56 3.81 4.06 0.140 0.150 0.160

A1 0.38 0.015

A2 3.18 3.30 3.43 0.125 0.130 0.135 A3 3.18 3.30 3.43 1.345 1.365 1.385

B 7.09 7.80 8.51 0.279 0.307 0.335

B1 7.62 7.94 8.26 0.300 0.313 0.325 B2 8.13 8.89 10.92 0.320 0.350 0.430

C 34.16 34.67 35.18 1.345 1.365 1.385

C1 1.02 1.33 1.65 0.040 0.053 0.065 C2 0.41 0.48 0.56 0.016 0.019 0.022 C3 2.54 0.100

C4 0.20 0.29 0.38 0.008 0.012 0.015 α(o) 5 10 15 5 10 15

2. 引脚描述

2.1. 晶体振荡器

PLCI38-III-E时钟频率为20MHz。PLCI38-III-E的内部时基信号由内部的振荡电路和外部的石英晶体组成的振荡器提供，晶体振荡电路如图2-1所示。

图2-1 晶体振荡电路

由于PLCI38-III-E的初始信号捕获的基准时钟完全依赖系统的时基信号，因此，对系统的时钟频率的稳定度要求相对较高。具体参数要求见表2-1。

表2-1 晶体振荡器参数要求

器件参数要求

C1 15pF

C2 15pF

标称频率频差负载电容振荡方式石英晶体谐振器

20.000000MHz±10ppm 12.5pF 基频AT

注意：在布板时，应尽量使石英晶体谐振器和负载电容靠近CLKIN和CLKOUT引脚，并将石英晶体谐振器外壳接地，其引脚周围应有大面积铺铜接地区域，以取得抑制各种干扰的效果。

2.2. 185kHz方波信号输出

由PLCI38-III-E内部产生的频率为185kHz的方波信号，通常作为通信系统模拟前端IC的本地振荡信号源。该信号的周期为5.4μs，占空比为1:1，高电平为VCC，是一个标准的频率为185kHz的方波信号。

如果使用它作为模拟前端IC的本地振荡信号源，推荐使用一个外部带通滤波器（L63、C63）来提取185kHz基频信号，抑制基频外的谐波分量。另外，需要根据模拟前端对本振信号幅度的要求，适当调整限流电阻R63。

典型的模拟前端本振信号形成电路如图2-2所示。

图2-2 典型的模拟前端本振信号形成电路

器件参数说明：

PWM185K方波信号，以及经过带通滤波器滤波后的波形和频谱如图2-3所示。

a) PWM185K波形

b) AFE LO Input波形

c) AFE LO Input频谱

图2-3 模拟前端本振信号波形图

2.3. 终端设备数据输入RX 和终端设备数据输出TX

2.3.1. 电气特性

终端设备数据输入RX 和终端设备数据输出TX端口是电力线载波通信系统与数据终端设备之间的唯一接口。RX和TX工作在异步串行通信模式，使用NRZ格式。其电气特性见表2-2。

表2-2 RX和TX的电气特性

引脚参数描述最小值典型值最大值单位

V OL输出低电平0.6 V TX

V OH输出高电平VDD - 0.7V

V IL输入低电平VSS 0.15VDD V RX

V IH输入高电平 2.0 VDD V 该接口通常与外部的智能设备连接。

2.3.2. 数据通信标准

PLCI38-III-E的数据终端通信协议是依据中华人民共和国电力行业标准DL/T645-1997及DL/T645-2007《多功能电能表通信规约》而设计，简化整个系统的结构、降低系统的成本、提高系统的可靠性。其主要特点包括：

字节格式：1位起始位、8位数据位、1位偶校验、1位停止位；

通信速率：9600bps；

数据通信协议：符合DL/T 645 – 1997及DL/T645-2007。关于与数据终端设备之间的数据交换，参见PLCI38-III-E Application Note。

2.4. 访问本地数据指示RXLED和终端设备发送数据指示TXLED

2.4.1. 访问本地数据指示RXLED

当远程网络节点访问本地数据时，如果PLCI38-III-E正确地接收到访问本地节点的有效数据帧（来自SSCIN引脚输入的扩频调制信号）时，则通过RXLED引脚输出高电平来指示远程网络节点正在访问本地数据的通信行为。

该引脚通常用于控制LED显示。RXLED的电气特性见表2-3描述。RXLED的应用电路原理如图2-4所示。

2.4.2. 终端设备发送数据指示TXLED

当数据终端设备请求PLCI38-III-E发送数据时，如果PLCI38-III-E正确地接收到数据终端设备的请求发送数据帧（来自RX引脚输入的DL/T645-1997有效响应帧），则PLCI38-III-E将MAC数据帧经过扩频调制后，通过SSCOUT引脚发送至通信网络，并通过TXLED引脚输出高电平来指示本地数据终端设备请求数据发送的有效性。

该引脚通常用于控制LED显示。TXLED的电气特性见表2-5描述。TXLED的应用电路原理如图2-4所示。

表2-3 RXLED和TXLED的电气特性

图2-4 RXLED和TXLED的典型应用电路

注释：RXLED和TXLED可根据实际应用情况进行取舍，限流电阻值可根据LED的要求进行选择，推荐0.62k?~ 2.2k?之间。

2.5. ZCP_DET本地交流电过零检测

过零检测主要用于本地相位检测，在具有相位检测的各模块中均需要加装此电路。其原理是通过计算各节点间的过零信号时间差得到具体相位。

注：相位基准由集中器提供。

2.5.1. 推荐电路

图2-5 过零检测电路

图中：

PHASE：火线

ZERO：零线

ZCP_DET：过零信号输出，连接PLCI38-III-E的ZCP_DET(14)引脚

2.5.2. 电气参数

需要满足在220V市电条件下：

上升沿零点（芯片引脚检测到由低转为高电平时刻）滞后实际市电的零点400±50us；

下降沿零点（芯片引脚检测到由高转为低电平时刻）滞后实际市电的零点450±50us；

以下为推荐电路ZCHK实测波形：（施密特输入高电平为2V；低电平为0.8V）

图2.6 零点检测效果图（Channel1为ZCHK信号，Channel2为市电分压波形）

图2.7 上升沿零点偏差

图2.8 下降沿零点偏差

2.6. 扩频调制信号输入／输出（SSCIN ／SSCOUT ）

PLCI38-III-E 采用直接序列扩频通信方式，63位伪随机编码。

所谓扩频通信这一术语，就是扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication ）的含义，它的基本技术特征是被传输的信息所占用的信号带宽远大于信息本身的带宽。另外，扩频通信还具有如下特征:

它是一种数字传输方式；

在发送端，信号带宽的展宽是通过高码率的伪随机编码对传输信息进行调制来实现的；

在接收端，需要使用相同的伪随机编码对扩频信号进行相关解调来还原被传输的信息。

扩频通信的理论依据是信息论中关于信道容量的著名定理，即香农（C.E.Shannon ）公式：

1(log 2N

S

W C +

= 式中，

C – 信道容量（用信息传输速率表示）； W – 信号带宽；

S – 信号功率; N – 噪声功率；

香农公式表明：当信号的传输速率C 一定时，信号带宽W 和信噪比S/N 是可以互换的，即可以通过增大信号带宽来降低对信噪比的要求。当带宽增大到一定程度，信号功率可以接近噪声功率，甚至信号被噪声淹没的情况下，仍然能保持可靠的通信。扩频通信就是以宽带传输技术来换取信噪比上的益处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

扩频通信具有以下优点： 抗干扰性强，误码率低； 抗多径干扰； 保密性强；

功率谱密度低，具有隐蔽性和截获概率低；

易于实现码分多址。

处理增益G P ，亦称扩频增益（Spreading Gain ），是扩频通信系统的重要性能指标。处理增益G P 定义为频谱扩展前的信息带宽ΔF 与频带扩展后的信号带宽W 之比，即

F

W

G P Δ=

处理增益G P 反映了扩频通信系统对信噪比的改善程度。 PLCI38-III-E 扩频通信系统的扩频增益：

dB F W G P 18330

1083.20log 10log 103

≈×=Δ=

扩频调制信号输入／输出（SSCIN ／SSCOUT ）的详细介绍将在发送部分和接收部分中，结合具体的电路一起进行详细描述。

3. 信号耦合电路（Signal Coupling Circuit）

3.1. 设计目标

信号耦合电路是将载波通信单元与电力线（Powerline）连接的关键单元。其主要功能包括：

滤除220V AC／50Hz（或110V AC／60Hz）的交流信号；

抑制瞬时电压冲击（如：雷击造成的过电压、电网电压的浪涌和尖峰电压、及静电放电电压等）；

能够高效率地将发射信号注入电力线，保证在电力线上的有效信号功率。满足相关标准对输出信号电平和谐波电平的要求；

对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收；

最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，具有良好的带通滤波的功能。3.2. 电路组成

根据通信系统的载波中心频率fc＝270kHz的要求，信号耦合电路的设计如图3-1所示。

图3-1 信号耦合电路

3.2.1. 电路元器件说明

在信号耦合电路中，电容C11滤除交流50Hz信号，采用隔离变压器T2使电力线回路和通信单元安全隔离，并由电容C11和隔离变压器的次级线圈电感L构成高通滤波器的功能。

电容C81采用长寿命高性能的安规电容，在考虑产品质量的前提下，建议选用OKAYA、优普或更好品牌的0.15uF/310V AC、0.15uF/305V AC、0.15uF/300V AC的安规电容。

3.2.2. 抑制瞬时电压冲击

瞬时电压冲击（如：括雷击造成的过电压冲击、电网电压的浪涌和尖峰电压、某些用电设备所产生的尖峰干扰脉冲、工业火花，及静电放电电压等）会对电路系统起到破坏和干扰作用。因此，必须采取严格的防护和抑制措施。在信号耦合电路中，采用氧化锌压敏电阻器件对瞬时电压冲击进行抑制。

压敏电阻的标称电压应按下式选择：

V

V

AC rms480

%

110

220

2

4.1≈

×

×

×

=

考虑到压敏电阻对于雷击造成的过电压的吸收，最大通流容量应大于5000A。

根据分析，压敏电阻RV1选择MYG3-20K510，对于某些应用场合亦可选用MYG3-14K420，其性能如下：

压敏电压最大允许回路电压最大限制电压

（8／20us）

最大通流容量

（8／20us）

型号

V1mA(V)ACrms(V)DC(V)VC(V)IP(A)一次

(A) 二次(A)

MYG3-20K510 820 510 670 135**** **** 4000

MYG3-14K420 680 420 560 112050 4500 2500

3.2.3. 抑制通频带内的电压冲击

在信号耦合电路中，利用双向瞬态电压抑制器（Transient V oltage Suppressor，即TVS 管）对通频带内的冲击电压进行抑制。

由于通信系统的发送部分的最大电源电压限制在15V之内，因此最大发送信号的峰值电压为30V。因此，TVS管的选择如下：

选取最大反向工作电压V RM = 16V，则击穿电压V(BR) = 19.2V；

根据击穿电压，选取最大箝位电压V C = 1.3 x V(BR) = 24.96V;

根据分析，TVS管选择P6KE22C或P6KE22CA，其性能如下：

型号IRM

(μA)

VRM

(V)

V(BR)

(V)

IR

(mA)

VC

(V)

IPP

(A)

P6KE22C 5 17.8 22 1

31.920 P6KE22CA 5 18.8 22 1 30.617

3.2.

4. 信号耦合电路对发送电路和接收电路的影响

关于信号耦合电路对信号发送和接收电路的影响和作用，将在信号发送部分和信号接收部分进行详细描述。

4. 信号发送部分（Transmitting Section）

4.1. 发送电路组成

电力线载波通信系统的信号发送部分由扩频调制信号输入、谐振功率放大器和信号耦合电路三部分组成。其主要任务是高效率地输出信号功率，并将载波信号有效地注入电力线。

由于发送部分和接收部分的电路结构和元器件的选择使得发送部分和接收部分的相互影响较小，因此，可以对发送部分和接收部分进行独立的综合和分析。

经研究和测量表明，电力线的阻抗分布在0.5?～80?（在3kHz～525kHz频率范围）之间，其阻抗主要依赖于用电负荷的大小、线路结构、以及配电变压器阻抗等多种因素。由于配电线路结构和配电变压器的阻抗特性相对比较稳定，因此，用电负荷的大小对电力线阻抗的变化影响较大。我们知道，用电负荷具有随机性，其主要表现为在不同的时间，用电负荷的变化，即阻抗的时变性。

研究电力线的输入阻抗，对于提高信号的发送功率和有用信号的输入功率能够起到非常重要的作用。因此，在分析发送电路部分中，设定电力线的输入阻抗为5?。

发送电路部分的设计如图4-1所示。

图4-1 发送电路部分的原理图

4.2. 电路元器件说明

TS5是一颗20V的肖特基稳压管，但在这里没有用到它的稳压特性，用到而是它的正向导通电压低的特点，来保护P沟道的MOS管，考虑到产品的可靠性，推荐这颗稳压二极管选用1N5817或SS12，或具有更低正向导通电压的二极管。

注意：不允许使用1N4148、1N4007等正向导通电压较高的二极管！更不允许省掉！否则会损伤MOS 管！

电阻R8/0.22k在这里起到保护载波芯片的作用，因为载波芯片采用的是MOSFET 工艺，不推荐驱动容性负载，而这套放大电路的输入是容性的，所以在这里串联一颗

0.22k的电阻来保护载波芯片；

US6M2内部具有一颗P沟道的MOS管和一颗N沟道的MOS管，P沟道的耐流为1A，N沟道的耐流为1.5A，这就使整个载波电路的耐流为1A，所以供给这个放大电路的电源的功率不能太大，假如电源能提供的功率非常大，当外界的阻抗很小时，就会有很大的电流流过US6M2这颗器件，当超过它的额定值时，有可能会把US6M2烧掉，所以推荐载波通信电路采用变压器供电。

图4-2 功率控制电路部分的原理图

这部分电路所起的作用是当15V电源电压被拉低到6.5V左右的时候控制其输出电流，保证15V电源电压不至于被拉低到太低而致使整个系统无法正常工作，其最突出的是可优点以很好的保证低电压试验能够通过。