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1、 “两线制”电源线控制器设计（By W00DSTOCK）摘要： 本系统以在传输线中调制矩形脉冲为主体设计框架，以两块 TI的低功耗单片机 MSP430F1611为控制端和接收端的主控制器，控制串联在传输线中的两个开关管产生矩形脉冲，两端单片机通过检测脉冲个数实现不同信号的双向传输和识别，从而达到信号加载在供电线上传输的目的。同时系统具有多等级调灯泡亮度、界面显示反馈信息的功能，且整个系统具有低功耗、高效率的特点。关键词：电源；两线制；脉冲调制；MSP430；高效率 一、 系统方案论证1. 信号传输方案论证方案一：耦合调制直流信号图表 1.1 电容耦合式直流信号调制结构图如图表 1.1 所示，通
2、过电容 C1 将前端 MCU 产生的不同信号耦合到传输线中，后端通过电容 C2 将被耦合进传输线的信号选择出来，后端 MCU 通过判断调制信号的频率来判断对不同信号的识别，从而对灯泡工作状态进行调整，同样的方法，后端 MCU 也可以将信息传回前端 MCU。该方案的优点：电路设计思路明确易懂，所需器件较少；缺点：耦合信号容易被干扰，电路的调试和对器件（如耦合电容）的选择比较麻烦方案二：并联开关管方法调制图表 1.2 并联开关法调制 结构图如图表 1.2 所示，MCU 通过控制并联在传输线上的开关管，来控制 R1与 R2 或 R3 串联分压，从而对传输线中的电压进行扰动，实现信号的调制传输。MCU
3、 通过检测扰动脉冲的个数或频率来识别信号所对应的信息，然后对灯泡的工作状态做出调整，或对反馈信息进行相应处理。该方案的优点是：电压波动范围可设定在灯泡均能正常工作的范围，信号抗干扰能力较强；缺点：开关管、后级处理器、灯泡之间均是并联关系，而其整体又与 R1 串联，R1、R2、R3 之间的匹配关系难以确定，而且 R1 串联在主电路中耗能，影响整体系统的效率。方案三：串联开关管方法调制图表 1.3 串联型开关管调制结构图如图表 1.3 所示，MCU 通过控制串联在传输线中的开关管的开关，使传输线处于通、断状态的快速切换，从而实现信号的调制和传输。MCU 通过检测传输线中的电压矩形脉冲或电流矩形脉冲
4、，来识别不同的信号，从而做出相应的处理动作。该方案的优点：信号调制方式简单、传输信号抗干扰能力强，整体系统工作效率高；缺点：后级电路需要较大的电容来维持信号传输过程中的供电，而且反馈信号采集方式相对比较麻烦。综合比较，基于对信号传输的可靠性和整机的工作效率的考虑，我们选择方案三。2. MCU选择方案论证方案一：51 系列51 系列的单片机具有价格便宜、技术成熟、可参考资料多的优点；但是51 单片机内部资源少，处理速度相对较慢。方案二：TI 低功耗 MSP430 单片机TI 公司的 16 单片机 MSP430 系列具有处理速度较快、内部资源丰富，低功耗等特点；但是 430 系列单片机抗干扰能力较
5、差。综合比较，基于节省硬件开销、确保系统工作稳定以及高效率的角度的考虑，选择方案二。二、 理论分析与计算1. 信号传输电路的分析及计算根据题目设计要求，系统供电来自于直流稳压电源，由于实测发现直流稳压电压纹波较大，自身相当于一个干扰源，而且传输线设定的是 5 米以上，信号在长距离传输时也会衰减，所以如何使信号更加稳定、准确地传输是系统设计的关键。当开关管在串联在传输线中时，在信号传输过程中，脉冲信号的低电平幅值近乎为 0，幅值较大的波动有利于提高传输信号可靠性。信号的传输延迟由传输线分布参数中的串联电感和并联电容来决定，单位长度传输线上的传输延迟d T 表示为：Td(s /in ) =( L/
6、 in)(C /in )1/2脉冲信号在传输线上的整体传输情况如图表 4所示，其中Zs为源端阻抗， Zo为传输线阻抗， Zl为负载阻抗。图表 2.1 脉冲信号在传输线的特点图表2.1中 Hx（w）表示信号通过传输线的衰减函数； A(w)和R1(w)表示传输线源端的输入接收函数和反射函数；T(w)和R2(w)表示传输线终端的传输函数和反射函数，表达式分别如下：由以上表达式可知如果传输线特性阻抗与源端阻抗和终端负载不匹配时，传输信号会在阻抗不连续处产生反射，反射信号会在终端和源端往返多次，直至衰减为零。信号的叠加就引起了传输信号的失真和振铃。但是为了使有用功率尽量高，电路前后两端很难做到阻抗匹配，
7、所以信号传输过程中会有明显损失，为减少系统对不同信号加载信息的识别误差，不同信号的区分应该很明显，而且在接收端，MCU对信号的有效检测范围应该适当地增加。为了减少负载电路对信号传输的干扰，后级负载可以用二极管做隔离（图表1.3中二极管） ，使得两端开关管之间的干扰源尽量的少。另外，传输线同时承担着为后级电路供电的责任，在考虑信号传输稳定性的同时也应考虑到信号线上的功率，后级负载灯泡额定工作电流0.8A，两个灯泡同时工作在最亮状态时，传输线上的电流大于1.6A，所以开关管需要选用大功率三极管或者场效应管。从整个系统的工作效率来考虑，场效应管导通内阻小，对传输信号的电压影响较小，而从场管驱动电路的
8、难以程度考虑，P沟道场效应管在作为串联型开关管更简单实用。2. 信号检测的设计如图表 1.3 所示，当后端 MCU 闭合，前端 MCU 开关 K1 产生脉冲信号时，传输线中会产生 VppVcc 的矩形脉冲，根据题目要求 Vcc=15V，所以无法用单片机 I/0 口直接采集脉冲信号，需要做电平转换。我们在设计电平转换电路时，采用光耦做幅值转换，将脉冲输出幅值设置为 3.3V。当后端 MCU 回传脉冲信号时，K1 闭合，K2 开关产生脉冲，由于此时前端线路相当于直接接在 Vcc，所以从电压中获取传输信号的方式是不可取的，但是电路的通断会直接影响到电路中的电流变化，所以如果采集传输线中的电流变化，则
9、可以获得后端电路发送的脉冲信号。3. 传输协议的设计与计算本系统通过发送脉冲信号来传输信息，信息接收端通过捕获下降沿个数获得脉冲信号所对应的信息含义，具体如下表。信号含义 发送个数 捕获范围发送控制甲灯亮度提升 5 3-7发送控制甲灯亮度降低 10 8-12发送控制乙灯亮度提升 15 13-17发送控制乙灯亮度降低 20 18-22回传甲灯亮度等级 1 10 8-12回传甲灯亮度等级 2 15 13-17回传甲灯亮度等级 3 20 18-22回传甲灯亮度等级 4 25 23-27回传乙灯亮度等级 1 30 28-32回传乙灯亮度等级 2 35 33-37回传乙灯亮度等级 3 40 38-42回
10、传乙灯亮度等级 4 45 43-47信号传输过程中，受分布参数的影响，脉冲频率过高时，传输线中的信号失真程度会比较严重，所以合适的脉冲频率利于信号传输的稳定性。经实测，当信号频率低于 1KHz 时，双方通信错误率较低。三、 电路与程序设计1. 电路设计与参数计算 HeadrVCMU-KGND传SQOFETptoislR.+09I7A图表 3.1 主电路电路图VCMU-K1OptoislarR2eGND086I/75.4d 传PH图表 3.2 场管驱动电路本系统设计方案中，信号传输是依靠场管 Q1 和 Q2 的开关，选用 P 沟道场效应管时，串联型开关电路控制电路相对简单。本方案中我们选用的是I
11、RF9540 P 沟道增强型场效应管。在本系统中，由于需要 MCU 控制，所以电路中需要很多稳定电压电路，下图是主要电路中的几个 DC-DC 转换电路。3L9uncF+XAjSv图表 3.3 稳压电路被控电路中，我们采用 PWM 波调制的方式来调节灯泡的亮度，当开关管完全饱和导通时，灯泡中的电流接近 0.6A，所以普通的三极管无法达到设计要求，在选用三极管时，我们选用了大功率三极管 TI094。在负载电路与信号传输线之间，我们使用了肖特基二极管IN5822 做了隔离，这样使得后级电容既可以对前级脉冲信号进行滤波处理，降低其对灯泡工作状态的影响，又可以减小电容对信号线上传输脉冲的干扰。 Q泡WB
12、E图表 3. 负载电路根据设计要求，系统需要将被控制电路的工作状态回传给前端控制电路，在采集反馈信息时，由于灯泡被 PWM 波调制，所以电路中的电流信息是 PWM 式的，若通过采集电流信息来反馈，对电流的滤波处理不容易做，而且电流波动比较大。我们在设计反馈信息采集时，使用光敏电阻的方式来采集。 1KR3es2D ZnrGN5VAdj0Pot4Ha.uFCp6图表 3.4 反馈采集电路2. 程序设计前端控制 MCU 部分程序设计框架：开始初始化定时器、显示等待发送信号发送命令等待信号回传更新显示数据等待发送和接收回传信号后端被控制 MCU 部分程序设计框架：四、 系统测试及结果分析1. 测试使用
13、的仪器设备测试使用的仪器设备如表 4.1 所示。 表 4-1 测试使用的仪器设备序号 名称、型号、规格 数量 备注1 SP1641B 型函数信号发生器1 产生测试脉冲2 台式万用表 1 测试电路中 DC-DC模块3 直流稳压电源/3A 1 系统供电4 DS1102 数字示波器 1 查看电路中实际脉冲波形2. 测试方法A 硬件调试 DC-DC部分调试使用台式万用表分别测试前后级电路中的 DC-DC 转换电路输出，当前后级电路中 5V、3.3V 输出无误，则硬件电路连接基本无误。开始初始化 AD 和定时器AD 采集和等待接收信号调节灯亮度检测灯的状态回传信号 脉冲信号传输测试脉冲信号采用 DDS
14、输出的 1KHz 方波，首先在前端 Q1 驱动端输入 1KHz测试脉冲，然后是 Q2 完全导通，分别在后端输入端和经过幅值变换的脉冲采集端使用示波器查看波形。图表 4.1 DDS 输入测试波形图表 4.2 实测波形回传信号测试时，使 Q1 完全导通，在 Q2 驱动端输入 1KHz 测试脉冲，然后再传输线前端电流检测模块输出端使用示波器查看波形。3. 测试数据A.传输线中脉冲损失比率(每种脉冲信号发送 10次)：发送脉冲个数 接收脉冲平均个数 损失比率2 1.8 0.1010 9.2 0.0820 19.0 0.0530 28.5 0.0540 36.0 0.10B.我们采用光敏电阻反馈灯泡的亮
15、度等级，下表记录了实测的一些数据：工作状态 检测电压/V 判断范围/V甲灯亮度等级 4 0.82-0.84 0.80-0.88甲灯亮度等级 3 0.94-1.22 0.90-1.30甲灯亮度等级 2 1.82-1.87 1.80-1.90甲灯亮度等级 1 2.62-2.67 2.60-2.70乙灯亮度等级 4 0.70-0.76 0.70-0.80乙灯亮度等级 3 1.02-1.08 0.90-1.30乙灯亮度等级 2 1.80-1.86 1.80-1.90乙灯亮度等级 1 2.60-2.66 2.60-2.70C.信号传输误码率:信号类型 误码率发送控制信号 0.12回传信号 0.204.
16、测试结果分析综合 A、B、C 三种测试，信号在电路中的传输稳定度还是比较不错的，但是信号回传的误码率较高，经分析及结合实测，发现光敏电阻由于受被 PWM 波调制的灯泡亮度闪烁影响，电压值波动范围较大，使得 AD采集的判断不够准确，从而会引起较大的信号误传。(后话：1，光敏电阻供电采用 7805 或 1117-3.3 等稳压芯片比较合适2，整个系统在关闭两个灯泡时，耗电只有 50mA。3，如果只反馈灯泡的开 或者 关的状态，完全没必要在灯泡前端加LM7812,它会是整机效率降低)参考文献1 童诗白，华成英 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2003年3 全国大学生电子设计竞赛组委会 第四届全国电子设计竞赛获奖作品选编 北京理工大学出版社 2001 年4 电子线路基础教程，科学出版社，2003 年 1 月5黄智伟 主编，王彦、陈文光、朱卫华 编著全国大学生电子设计竞赛训练教程电子工业出版6MSP430 系列超低功耗 16 位单片机原理与应用
