梁 明，吳志勇，王 博，孫圓圓，馬鶴樓

（1.華北電力大學信息電力研究中心，北京 102206；2.中博信科（北京）技術有限公司，北京 100085）

基于BPL的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)級芯片MCBPL1500A的研制

梁 明1,2，吳志勇1，王 博1,2，孫圓圓1，馬鶴樓1

（1.華北電力大學信息電力研究中心，北京 102206；2.中博信科（北京）技術有限公司，北京 100085）

0 引言

寬帶電力線通信（Broadband Power-line Communication，BPL)是近年來電力系統(tǒng)與有線通信領域研究的重點，是指利用輸電和供電的電力線進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g。BPL以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點，被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一。盡管通過電力線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信因其便利性和低成本而具有誘人的市場前景，但是長期以來，它一直受傳輸信道本身特性的限制而沒能得到很大的發(fā)展。隨著正交頻分復用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,OFDM)技術的成熟應用以及微電子技術的不斷進步和發(fā)展，今天的BPL技術已經有了突破性的進展，使電力網(wǎng)數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)真正的產品化不僅僅成為可能，而且已經成為一種新的強有力的技術手段。另一方面，工業(yè)自動化技術發(fā)展不可能離開國際主流信息技術發(fā)展[1-2]，而以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用越來越廣，并形成了工業(yè)以太網(wǎng)的多種協(xié)議和標準。為此，開發(fā)出將BPL和以太網(wǎng)技術相結合，適合工業(yè)控制和電力系統(tǒng)自動化領域的專用電力線通信芯片屬于填補市場空白，必將對工業(yè)控制信息化產生積極的推動作用。

1 芯片架構設計

芯片采用在FPGA中融入ARM7內核-Actel CoreMP7，并利用VHDL硬件描述語言完成所有功能模塊設計。FPGA與IP核相結合的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方案快捷高效、價格低廉，避免了ASIC流片帶來的各種風險。

硬件開發(fā)系統(tǒng)采用Actel基于融合技術的混合信號FPGA(Actel Fusion Mixed-signal FPGA)M7AFS 1500-FG484工業(yè)型芯片。軟核系統(tǒng)開發(fā)采用Actel的Libero集成開發(fā)系統(tǒng)，該工具集可以進行設計、綜合和仿真，能夠快速有效地實施整個設計流程，包括平面設計、放置和布線、時序約束及分析、功率分析和生成程序文件。

在對BPL的基本原理進行深入學習研究的基礎上，根據(jù)我國低壓電力線信道傳輸特性、衰減特性和噪聲特性，設計了BPL基帶處理系統(tǒng)。應用VHDL硬件描述語言完成了BPL基帶處理系統(tǒng)各組成模塊的設計。完整實現(xiàn)了從系統(tǒng)架構的設計劃分、每個子模塊的硬件描述與實現(xiàn)、設計的仿真與驗證到下載至FPGA進行在線實測的全部設計流程。在設計過程中，注重對于數(shù)字設計方法學的研究與積累，努力尋求簡潔高效的實現(xiàn)方案，并且通過靈活使用IPcore的方法加快工作進度，提高設計質量。從最終的結果來看，整個設計無論是功能實現(xiàn)還是性能指標(占用面積、工作速度)，都取得了預期的效果。系統(tǒng)采用模塊化設計，每個子模塊可以單獨使用，為電力線通信芯片開發(fā)的下一步工作提供良好的工作平臺和技術基礎。芯片架構如圖1所示。

圖1 MCBPL1500A芯片架構

2 芯片主要技術指標

MCBPL1500A芯片運行穩(wěn)定，最高主頻可達350MHz。其主要技術指標如下：1）BGA484封裝，芯片面積約27mm×27mm，工作溫度為-40℃～85℃，3.3V單電源供電；2）支持10Mbit/s和100Mbit/s以太網(wǎng)商業(yè)產品，可通過對接口程序的設置來實現(xiàn)3種不同的工作模式——作為局端、作為終端和作為中繼，通過數(shù)據(jù)包的不同包頭來判定信息來自局端、終端還是中繼；3）內嵌圖像采集DSP模塊，可以壓縮或解壓縮非標準動態(tài)JPEG數(shù)據(jù)流，完全兼容ISO/IEC 10918-1JPEG標準；4）采用ARM7內核處理器，與 ARM7TDMI-STM兼容，32/16位RISC架構，3級指令流水線。

芯片具有以下外部接口：1）1個USB接口，可用于芯片系統(tǒng)設置、外接工控顯示終端、接口頻道選擇、接口數(shù)據(jù)交換約定等；2）1個10/100M以太網(wǎng)接口；3）2個UART以及2個I2C接口，均可用于接RTU、傳感器、接口卡等；4）1個IEEE1394接口，外接攝像機；5）32位GPIO(通用輸入輸出接口)。

3 芯片設計關鍵技術

由圖1芯片架構可以看出，芯片的設計涉及BPL基帶調制、時鐘生成、Ethernet、電源和存儲器管理、IP軟核和DSP移植、應用程序接口設計等諸多技術。以下就BPL基帶調制、時鐘生成及Ethernet這3個較大模塊做簡介。

3.1 BPL基帶調制模塊

由于電力線最初是為傳輸電力，而不是為了傳輸信息而設計的，電力線傳輸特性決定于負載配置狀況和各種負載的阻抗特性。多個用戶電力線網(wǎng)絡可以認為是帶有很多支路的梯狀網(wǎng)絡，每個支路阻抗代表一電器設備的有源阻抗。這些阻抗不斷改變著閉合或斷開狀態(tài)，因此電力線的傳輸特性隨時發(fā)生變化。圖2中的2條曲線就是在同一個中低壓電力網(wǎng)的不同地點測得的輸入阻抗與頻率關系圖。

圖2 輸入阻抗－頻率關系圖

此外，信號在電力線上傳輸時存在衰減現(xiàn)象，傳輸距離對信號衰減的大小起著決定性的影響，隨著距離的增加，衰減會迅速增加。雖然很難寫出衰減與距離的函數(shù)關系，但經過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，衰減/距離比變化為40～100dB/km。在農村衰減最大，500m就達到50dB；在城市，250m大約為20dB；在郊區(qū)，25m也能達到25dB；在工業(yè)區(qū)衰減較小，750m長的線路僅為30dB。如果接收機的放大器按照最大衰減量設計，那么在衰減較小的時候放大器的輸出將會嚴重飽和，影響解調器的工作。反之，如果不考慮最大衰減量，則在有些時候解調器的輸入會達不到足夠的信噪比，使解調失敗。

在中低壓電力線上進行信息傳輸時要認真研究的另一個重要問題是電力線上干擾的特殊性質[3]。電力線上的干擾可以分為非人為干擾和人為干擾。非人為干擾是指一些自然干擾，如雷電在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設備產生的，它對通信有著嚴重的影響。經過研究己經發(fā)現(xiàn)，電力線上的干擾不能被簡單地認為是可加性高斯白噪聲[4]?？梢越频貙⑵浞殖?類：周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時不變的連續(xù)干擾和隨機產生的突發(fā)干擾。通常情況下，前2類干擾占主導地位。

通過對電力線信道特性分析可知，電力線作為通信信道其信道環(huán)境十分惡劣，難以找到一個精確的解析式或數(shù)學模型加以描述，信道噪聲、信道衰落和多徑效應嚴重影響著數(shù)據(jù)通信質量[5-6]。這對載波通信接收機的設計影響很大，需要采用合適的通信技術來對抗其復雜的信道特性。而OFDM調制技術具有抗多徑時延、抗頻率選擇性衰落、傳輸速率高、頻帶利用率高、均衡技術簡單等特點，非常適用于電力線通信。為此，MCBPL1500A芯片的BPL基帶處理系統(tǒng)中采用OFDM調制技術。整個OFDM基帶處理系統(tǒng)分為上行發(fā)射部分和下行接收部分。OFDM參數(shù)的選擇取決于給定信道的帶寬、時延擴展以及所要求的信息傳輸速率。通過仿真和實驗，確定系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

3.2 時鐘生成模塊

在芯片設計中采用的是基于時鐘觸發(fā)沿的同步時序電路，這對時鐘的周期、占空比、延時和抖動都提出了很高的要求。為此，設計了專用的時鐘生成模塊(Clocks Generator)來產生系統(tǒng)所需的所有時鐘信號，Actel的M7AFS1500-FG484FPGA芯片提供了高性能時鐘管理器(DCM)，可以用來生成高質量的時鐘信號，為時鐘生成模塊的設計帶來了方便。設計所使用的M7AFS1500-FG484芯片具有4個DCM模塊，可用來進行時鐘延時消除、頻率合成、時鐘相位調整等功能。DCM由3部分所組成，最低層是數(shù)字延遲鎖相環(huán) (DLL)，其次分別為數(shù)字頻率合成器(DFS)和數(shù)字移相器(DPS)。時鐘管理單元原理結構如圖3所示。

表1 OFDM調制參數(shù)設置表

圖3 時鐘管理單元原理結構

時鐘生成模塊主要使用DLL和DFS的倍頻、分頻以及頻率合成功能來得到發(fā)射處理器所需的所有時鐘信號。綜合后得到的時鐘周期分析如表2所示，時序分析結果顯示整個設計最大的時鐘周期延遲（Period Delay）來自SYS_CLK，為9.322ns，換算成時鐘頻率為107MHz，遠高于系統(tǒng)所要求的20MHz。而其他時鐘的周期延遲均小于9.322ns，其中頻率要求最高的CB-CLK（80MHz）的最高工作頻率達到了147.76MHz。所有時鐘完全符合芯片工作對時序的要求。

表2 時鐘周期分析

3.3 Ethernet模塊

以太網(wǎng)接口模塊的功能是處理主機訪問網(wǎng)絡終端的操作，把來自上層的數(shù)據(jù)包封裝成幀，再編碼成信號發(fā)送到網(wǎng)絡上，或者把從網(wǎng)絡上接收到的信號組合成幀，送往OSI模型的上層設備處理。由于芯片的設計專用于電力系統(tǒng)監(jiān)控中，故在設計中選擇ODVA設計的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet Industrial Protocol,Ethernet/IP)，在OSI的第一、二層符合標準的IEEE802.3以太網(wǎng)規(guī)范。在物理層中介質更換為電力線，在數(shù)據(jù)鏈路層采用了基于載波監(jiān)聽多址訪問/沖突避免(CSMA/CA)的廣播共享方式[7-8]。并根據(jù)監(jiān)控需求對原有TCP/IP協(xié)議棧中不必要的部分進行了簡化，使其滿足專用芯片的需求即可。專用TCP/IP協(xié)議消除了標準TCP/IP協(xié)議棧對流量控制的繁瑣過程，僅保留必要功能，同時通過專用算法加強對會話連接的控制、縮短連接超時的時間、增加連接數(shù)量等手段，增強系統(tǒng)抵御攻擊的能力，最終實現(xiàn)監(jiān)控的持續(xù)安全工作。

TCP/IP協(xié)議的基本傳輸單位是數(shù)據(jù)包(Datagram),TCP協(xié)議負責把數(shù)據(jù)分成若干個數(shù)據(jù)包，并給每個數(shù)據(jù)包加上包頭，包頭上有相應的編號，以保證在數(shù)據(jù)接收端能將數(shù)據(jù)還原為原來的格式。IP協(xié)議在每個包頭上再加上接收端主機地址，如果傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等情況，TCP協(xié)議會自動要求數(shù)據(jù)重新傳輸，并重新組包。數(shù)據(jù)信息和控制命令的傳輸過程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

物理層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼和解碼以及頻率選擇，而且定義了基本的機械和電氣特性，包括把局端和終端連接在網(wǎng)絡上的電力線、接口以及信號選項等。OFDM調制中有7個工作頻段，室外4個(2.4MHz±1MHz，4.8MHz±1MHz，8.4MHz±1MHz，10.8MHz±1MHz)，室內3個(19.8MHz±1MHz，22.8MHz±1MHz，25.2MHz ±1MHz)，每個工作頻段數(shù)據(jù)傳輸速率約9Mbit/s(使用大約2MHz頻譜)，其中上行4.5Mbit/s，下行4.5Mbit/s。

4 芯片的測試應用

為方便用戶使用，編寫了基于芯片資源的全套應用程序接口(API)，使得用戶能夠脫離硬件的束縛，快速方便開發(fā)自己的產品。MCBPL1500A芯片的應用推廣工作勢頭良好，該芯片在CDC-226A熱風爐控制系統(tǒng)項目中的應用如圖5所示。

圖5 MCBPL1500A芯片在熱風爐控制系統(tǒng)中的應用

該熱風爐自控系統(tǒng)中設有6個BPL終端和1個BPL局端?？梢酝ㄟ^設置芯片的工作模式，使芯片處于BPL終端/局端模式。

1 號BPL終端外接1個智能數(shù)據(jù)采集卡，可以采集水煤氣發(fā)生爐與熱風爐的煤氣流量、壓力大小，通過電力線傳送給BPL交換機，再傳送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控系統(tǒng)通過軟件預定的參數(shù)值對調節(jié)閥和變頻器進行控制。2、3號BPL終端分別外接1個智能數(shù)據(jù)采集卡，可以分別采集2個熱風爐體拱頂溫度，實現(xiàn)對拱頂溫度的監(jiān)測，并及時控制2座熱風爐的冷風閥、熱風閥、煤氣閥，決定2個熱風爐的燃燒及送風狀態(tài)。4號BPL終端外接1個智能數(shù)據(jù)采集卡，可以采集煙道的溫度，并通過電力線傳送給BPL交換機，再傳送到監(jiān)控中心，及時準確地得知煙道溫度情況。5、6號BPL終端分別外接1個攝像頭，用來監(jiān)測2座燃燒爐里火焰燃燒情況。由于該MCBPL1500A芯片內嵌圖像采集DSP模塊，可將圖像信號直接壓縮成圖像文件實現(xiàn)非實時的信息傳送，以達到圖像監(jiān)控的目的。BPL交換機建立各BPL終端與主站服務器之間的連接與數(shù)據(jù)交換，有效實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，包括各個監(jiān)測點的溫度、壓力、閥門狀態(tài)、報警畫面和歷史紀錄等，確保熱風爐安全、可靠、高效運行。

該芯片在熱風爐自動控制系統(tǒng)中運行穩(wěn)定，性能可靠。傳輸速率和穩(wěn)定性基本滿足控制要求，可以使操作人員準確及時了解2個爐體火焰燃燒情況，并及時切換工作方式，達到了預期效果。

5 結語

寬帶電力線通信作為一種通信技術，在未來幾年有著極其誘人的發(fā)展前景和潛在的巨大市場[9]。尤其是在工業(yè)監(jiān)控方面，隨著工業(yè)信息化的升級以及安全工程的逐步完善，低成本可靠的通信手段將會占據(jù)主導地位。

從技術上看，MCBPL1500A芯片遵循EtherNet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議，在設計中舍棄了室內和室外電磁干擾較強的頻段，保留了現(xiàn)有的2MHz帶寬的7個工作頻段，在工廠、發(fā)電廠、變電站等大電流運行條件下工作具備較強的抗干擾性能，可用于圖像監(jiān)控，制造成本低；同時由于采用了Actel融合架構的芯片開發(fā)平臺和高性能Flash內存工藝的融合器件，使得該芯片具有超低功耗性能，適用于實時性和穩(wěn)定性要求很高的工業(yè)控制網(wǎng)和電力系統(tǒng)自動化內部通信網(wǎng)，達到了工業(yè)級控制水平，為BPL技術開辟了一個全新的應用領域。

[1]馮冬芹，金建祥，褚健.工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)協(xié)議剖析[J].可編程控制器與工廠自動化，2005(1)：6-9.

[2]陳宇.基于以太網(wǎng)技術的分散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡性能測試與分析[J].貴州電力技術,2009(12):25-27.

[3]呂英杰,鄒和平,趙兵.國內低壓電力線載波通信應用現(xiàn)狀分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(4):33-36.

[4]盧志忠，孫紅敏，李玉清.低壓電力線載波通信信道傳輸特性分析[J].黑龍江電力，2002(6)：413-415.

[5]李根旺，趙富海.信號在電力線上傳輸應用中特性的研究[J].現(xiàn)代電子技術，2005(9)：30-32.

[6]劉峰.電力線路通道建設的思考[J].貴州電力技術,2008(1):39-40.

[7]孫圓圓.BPL工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)級芯片的系統(tǒng)與結構設計[D].北京：華北電力大學，2008.

[8]李鵬,李郁俠,任麗麗,等.基于ARM-Linux與超聲波技術的多功能監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(4):77-80.

[9]孫建軍，吳太虎.電力線通信(PLC)技術的發(fā)展[J].自動化與儀器儀表，2003(5)：1-7.

Development of Chipset MCBPL1500A for Industrial Monitoring and Control Based on BPL

LIANG Ming1,2,WU Zhi-yong1,WANG Bo1,2,SUN Yuan-yuan1,MA He-lou1
(1.RCIEPT，North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.ZBAIST Beijing Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Designed and developed of the Actel Fusion programmable system chip and SoC development platform,MCBPL1500A is an EtherNet/IP Chipset based on Broadband Power-Line Communication (BPL)for industrial monitoring and control,it helps achieve a convenient low-cost,stable and reliable newindustrialcontrolnetworkofelectricpowersystem.Atypicalcase for the correspondingapplication is shown toverifyits performance and functionality.This paper briefly introduces the overall architecture ofMCBPL1500A,presents its main features,describes thekeytechnologies,andoutlinesthepotentialapplicationareas.

BPL；industrial monitoring and control；chipset；EtherNet/IP；MCBPL1500A

在Actel可編程系統(tǒng)芯片和融合技術SoC開發(fā)平臺上，設計并開發(fā)了基于寬帶電力線通信(BPL)的EtherNet/IP工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)級芯片-MCBPL1500A,該芯片融合了寬帶電力線通信技術和EtherNet/IP技術，實現(xiàn)了一種便利低廉、穩(wěn)定可靠的新型工業(yè)控制網(wǎng)絡，并通過一個典型案例進行了相應的驗證應用開發(fā)。文章概要地介紹了芯片的整體架構、主要技術指標、關鍵技術以及測試應用情況。

寬帶電力線通信；工業(yè)監(jiān)控；芯片；以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議；MCBPL1500A

1674-3814（2010）07-0068-05

TN915.853

A

2010-03-29。

梁 明（1956—），男，博士，教授，碩士研究生導師，主要研究方向為移動通訊、信息電力，計算機應用；

吳志勇（1981—），男，碩士研究生，主要研究方向為信號與信息處理。

（編輯 馮 露）