电力线MAC/PHY集成收发器INT51X1及其应用

摘要：介绍了美国Inellon公司的电力线MAC/PHY集成收发器INT51X1的功能结构和主要特点，介绍了它的引脚功能，同时以中压配电网PFDM通信系统的研究开发为例，给出了INT51XI的应用实例。 关键词：电力线通信；集成收发器；INT51X1；正交频分复用 电力线通信ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）技术是利用配电网中／低压线路传输高速数据、话音、图象等多媒体业务信号的一种通信技术，目的是通过低压线路来为用户提供一种“无新线（Ｎｏ ｎｅｗ ｗｉｒｅ）”的宽带接入方案；而用中压线路来为配电网自动化提供一个可靠的数据传输平台。由于该技术的发展前景十分看好，因此，早在２０世纪９０年代初，一些国家即开始在这方面进行研究，但由于技术不成熟，发展速度缓慢。进入２１世纪以来，随着ＰＬＣ技术的突破，电力线通信技术的发展速度明显加快目前正朝着实用化方向发展。 电力线不同于普通的通信线路，它的信道具有时域上不恒定、不可控的特点。因此，必须采取抗干扰、抗阻抗失配、抗多径衰落的有效技术手段，并需解决好信号冲突问题，才可能用电力线作为传输媒质，从而实现高速数据通信。多载波正交频分复用（ＯＦＤＭ）是解决这些问题的有效方法。该技术利用电力线的高频频谱资源，以多个相互正交的载波对数据进行调制，最终将串行数据流变换为并行处理；其调制和解调过程可利用傅立叶变换对ＤＦＴ／ＩＤＦＴ来实现。Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司推出的ＩＮＴ５１Ｘ１芯片是当前最完善的ＯＦＤＭ处理芯片，它符合ＨｏｍｅＰｌｕｇ １．０．１技术标准，传输速率最高可达１４Ｍｂｐｓ。而且，它集成有ＵＳＢ １．１、以太网和ＭＩＩ／ＧＰＳＩ接口以及ＡＤＣ、ＤＡＣ和ＡＧＣ控制器，使用比较方便，从而为ＰＬＣ通信装置的研究开发提供了一款比较理想的解决方案。 １　ＩＮＴ５１Ｘ１的功能结构及主要特性 ＩＮＴ５１Ｘ１是专用于电力线的ＭＡＣ／ＰＨＹ集成收发器，它使用Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司专有的电力数据包（ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ）正交频分复用技术，有８４个子载波，采用ＲＯＢＯ／ＤＢＰＳＫ／ＤＱＰＳＫ调制方法；ＩＮＴ５１Ｘ１可根据收发端信噪比来分配子载波，以克服噪声及多径衰落的影响；它在低信噪比信道中完成同步不需要导频。其内部结构如图１所示，可以看出由Ｉ／Ｏ模块、ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＭＡＣ模块、ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＰＨＹ模块以及ＡＤＣ／ＤＡＣ模块组成。 在ＩＮＴ５１Ｘ１中，ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＭＡＣ模块主要完成链路层功能，是芯片的核心部分，本模块包括一个精简指令集（ＲＩＳＣ）的处理器内核、一个含有ＯＦＤＭ数据处理、加密／解密算法和信道优化算法的程序存贮器（ＲＯＭ），还有一个链接序列、数据存贮器（ＲＡＭ）以及两个直接数据传送通道（ＤＭＡ）。从用户发往电力线网络或从物理层来的所有数据都可在ＭＡＣ模块中通过一定的算法进行信号处理。ＭＡＣ采用载波侦听多路存取／冲突避免（ＣＳＭＡ ／ＣＡ）协议来访问公共的电力线信道，并辅以自动重传请求ＡＲＱ和电力数据包的优先权机制，从而确保了传输的可靠性。而且，由于电力数据包优先等级可灵活设定，因而使得ＩＮＴ５１Ｘ１具有较强的突发段处理能力。而允许电力线上的多帧传输则极大地减轻了对网络收端的要求，并使得网络吞吐量达到最大，从而保证了最短延迟时间和最优的信号稳定性。此外，ＭＡＣ还具有流量控制功能。ＩＮＴ５１Ｘ１的这些功能可确保在特别恶劣的电力线信道上也能为用户提供优良的服务品质（ＱｏＳ）。 ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ ＰＨＹ模块主要用来实现物理层功能，提供建立、维持和拆除物理连接的电气手段，保证电力线上比特流的透明传输。本模块主要由一个物理层逻辑序列、一个与ＭＡＣ子层ＤＭＡ通道对应的先进先出（ＦＩＦＯ）堆栈以及一个前向模拟通道组成，此外，还集成有对外加运算放大器的自动增益控制（ＡＧＣ）功能。它的前向模拟通道包含一对高速的１０位Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器，采样速度为５０Ｍｂｐｓ，该模块的参考电压独立于片内，可低功耗操作。在其后接入运算放大器和滤波器，然后通过电力线耦合装置便可与电力线进行连接。 Ｉ／Ｏ模块中集成了ＭＡＣ与主机、外围设备间的各种接口，因此，功能非常丰富。与主机的接口有ＵＳＢ接口、媒质独立接口ＭＩＩ或通用串行接口ＧＰＳＩ（选用）、管理数据接口ＭＤＩ；与外设的接口有Ｅ２ＰＲＯＭ接口ＳＰＩ、仿真接口ＪＴＡＧ以及用于运行状态监视的ＬＥＤ接口。在这些接口中，ＭＩＩ是一种标准工业接口，其发送／接收都以四位并行方式进行，并由ＭＡＣ时钟同步，同时，ＭＩＩ还带有ＣＳＭＡ／ＣＤ协议。ＧＰＳＩ是一种灵活的双向串行接口，接口线数目少于ＭＩＩ。当主机通过ＭＩＩ／ＧＰＳＩ接口与ＩＮＴ５１Ｘ１传输数据时，数据帧格式如下： 〈帧间间隔〉〈前导码〉〈定界符〉〈ｄａｔａ〉〈帧校验序列〉 其中前导码为５６位“１”、“０”相间的数字序列，用于同步；１个字节的定界符规定为Ｄ５Ｈ；ｄａｔａ数据格式遵循ＩＥＥＥ８０２．３标准最后的帧校验序列为４字节的ＣＲＣ校验结果。 主机通过ＭＤＩ可以方便地访问ＩＮＴ５１Ｘ１内部的控制／状态寄存器，从而完成对ＩＮＴ５１Ｘ１的设定以及对ＩＮＴ５１Ｘ１实时运行状态的监视。ＩＮＴ５１Ｘ１的控制／状态寄存器均为１６ ｂｉｔ寄存器。状态寄存器可实时反映链路状态、传输速率、前导码判决、自动协商、模糊检测等信息，控制寄存器的定义如图２所示，由图２可见，通过控制寄存器可实现许多功能。 上电后，ＩＮＴ５１Ｘ１的初始化通过ＳＰＩ接口读取预先写入Ｅ２ＰＲＯＭ的数据来完成。 除上述主要功能特点外，ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的安全性能也非常完善，它采用ＤＥＳ的５６位密钥管理方式，除ＩＮＴ５１Ｘ１设定的缺省密钥外，还可以由用户自定义密钥，从而确保电力线传输的可靠安全。 ２　ＩＮＴ５１Ｘ１引脚说明 ＩＮＴ５１Ｘ１ 采用μＢＧＡ封装，有１４４引脚，芯片供电电压为３．３Ｖ，芯片内核供电电压为１．５Ｖ。ＩＮＴ５１Ｘ１有ＵＳＢ、ＰＨＹ、ＨＯＳＴ／ＤＴＥ三种工作模式，部分复用信号引脚因模式不同，其功能定义也不同。以ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式为例，其信号引脚定义如下： （１）ＭＩＩ接口引脚的功能 ＭＩＩ－ＲＸ０～ＭＩＩ－ＲＸ３：接收数据线； ＭＩＩ－ＲＸＣＬＫ：接收时钟线； ＭＩＩ－ＲＸＤＶ：接收数据有效端； ＭＩＩ－ＲＸ－ＥＲ：接收错误指示端； ＭＩＩ－ＣＯＬ：冲突检测； ＭＩＩ－ＴＸ０～ＭＩＩ－ＴＸ３：发送数据线； ＭＩＩ－ＴＸＣＬＫ：发送时钟； ＭＩＩ－ＴＸＥＮ：发送使能； ＭＩＩ－ＣＲＳ：载波侦听； ＭＩＩ－ＴＸ－ＥＲ：发送错误。 （２）ＭＤＩ接口引脚的功能 ＭＩＩ－ＭＤＩＯ：管理数据输入输出； ＭＩＩ－ＭＤＣＬＫ：管理数据Ｉ／Ｏ时钟； ＳＰＩ：接口引脚； ＳＰＩ－ＤＯ：通过该端可将数据输出至Ｅ２ＰＲＯＭ； ＳＰＩ－ＤＩ：数据从Ｅ２ＰＲＯＭ读入； ＳＰＩ－ＣＬＫ：ＳＰＩ时钟； ＳＰＩ－ＣＳ：选通Ｅ２ＰＲＯＭ。 芯片中的其它信号线在三种模式中都相同，其中模拟前端ＡＦＥ的控制／数据线２６条（包括ＡＤＣ输入、ＤＡＣ输出、运放的ＡＧＣ控制等）、ＬＥＤ线３条、ＪＴＡＧ线５条、时钟２条、测试线２条、以及多条电源和地线；三种模式的选择可由ＭＯＤＥ０和ＭＯＤＥ１两个引脚的状态来决定。 限于篇幅，关于引脚的详细信息在此不再详述，有兴趣者可查阅相关资料。 ３　ＩＮＴ５１Ｘ１在电力线通信中的应用 作为一款电力包集成收发器，ＩＮＴ５１Ｘ１能利用高频特性恶劣的电力线来实现高速数据传输。由于本芯片高度集成了电力包的数据处理功能及对外相关接口，因此，使用时仅需进行简单的初始化而不需复杂的编程，使用非常方便。现以笔者开发的中压配电网ＯＦＤＭ通信系统的研究为例来介绍ＩＮＴ５１Ｘ１的应用。 ３．１ 模式选择 通过对ＩＮＴ５１Ｘ１的引脚ＭＯＤＥ０和ＭＯＤＥ１的设置，可以选择ＩＮＴ５１Ｘ１ ＵＳＢ、ＰＨＹ或ＨＯＳＴ／ＤＴＥ等工作模式，具体选择方式如表１所列。 表1 工作模式选择方法 MODE1 MODE0 选择的模式 0 0 保留 0 1 USB 1 0 PHY 1 1 HOST/DTE ＵＳＢ模式实际是将ＩＮＴ５１Ｘ１视为一个ＵＳＢ装置与ＵＳＢ主机相连。ＰＨＹ模式则是将ＩＮＴ５１Ｘ１等效于一个以太网的物理层设备ＰＨＹ与微处理器或以太网控制器连接。ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式将ＩＮＴ５１Ｘ１视为一个网络主机或一个数据终端，然后通过ＭＩＩ接口与以太网ＰＨＹ或其它数据装置相连。这样，ＩＮＴ５１Ｘ１就充当了以太网和电力线网之间的网桥，从而将那些数据装置接入电力线网络。 该设计的应用目的是要利用中压电力线沟通中压配电网上的所有配电自动化装置，从而构建配电网自动化的通信网络。显然，本设计应选择ＨＯＳＴ／ＤＴＥ模式。 ３．２ 通信终端设计 该配电自动化装置应配备在配电网沿线各处，其任务是采集配电线路和各种电力设备的运行参数并将其送往配电自动化主站，同时接收自动化主站的相关控制命令，以对线路和电力设备进行控制。为了用电力线传送这些参数和命令，笔者设计了如图３所示的通信终端。 本设计在ＩＮＴ５１Ｘ１电力线侧设计了一个模拟前端模块（ＡＦＥ Ｍｏｄｕｌｅ），该模块内含增益可调的发送放大器和接收放大器，其发送和接收支路分别串有一个ＬＣ带通滤波器。该带通滤波器的通频带为４～２１ＭＨｚ，系ＯＦＤＭ调制所占用的频段。耦合设备（Ｃｏｕｐｌｅｒ）是将ＡＦＥ连往电力线的特殊装置，主要功能是以较低的介入损耗传输高频信号，同时阻止电力线的工频电流进入通信终端。在ＩＮＴ５１Ｘ１的用户侧采用的是ＴＩ公司的高速ＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＶＣ５４７１），此ＤＳＰ内嵌ＭＩＩ接口，并以此连接ＩＮＴ５１Ｘ１，同时用ＵＡＲＴ串口与配电自动化装置（图中Ｄａｔａ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）相连。配电自动化装置发送的数据由ＤＳＰ按前述ＭＩＩ数据帧格式封包，并经ＭＩＩ接口传送到ＩＮＴ５１Ｘ１，继而转换为ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的形式送到电力线，再由目的地的通信终端接收。从电力线送来本终端的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ则由ＩＮＴ５１Ｘ１解包并转换成ＭＩＩ帧，最后经ＤＳＰ传送给自动化装置。 ４　结束语 ＩＮＴ５１Ｘ１是一种高度集成的单片电力线收发器，是ＩＮＴ５１３０＋ＩＮＴ１０００套片的换代产品，也是当前开发电力线ＯＦＤＭ通信的主流产品。该芯片功能强大，使用灵活，而且可靠性高。但据笔者试验发现，其传输速率只能达到８Ｍｂｐｓ左右，而达不到理论上的１４Ｍｂｐｓ，但这对电力线通信来说，由于其带宽要求不是特别大，因而也完全能够满足应用需要。