PL2101在路灯控制系统中的应用

摘要：新型直序扩频半双工异步调制解调顺PL2101具有功能多、抗干扰能力强等特点。利用它通过电力线载波应用系统可实现路灯的集约化及自动化管理和控制。文中介绍了用PL2101对路灯进行集约化自动控制设计的基本原理及软硬件实现方法，同时给出了其设计原理图和主、从控站的程序流程图。

    关键词：电力线载波 路灯控制 PL2101芯片 通信协议

1 引言

为实现校园路灯控制的自动化，笔者应用PL2101芯片开发了基于电力线载波的路灯控制系统。该系统采用电力载波通信方式，它将所有的路灯连接到计算机上，并通过计算机监视所控区域内的路灯工作状态，可随时设定开关时间、路灯开启比例或单独革一个路灯的开与关。任一路路灯的工作电流和温度均可随时查询，路灯损坏时可实时报警，并可显示具体地理位置，以便于快速维修；当夜晚（或光线较暗）来临且处在交通高峰时，路灯全部开启，交通高峰期后，进入按比例开启，如午夜之后70%；在凌晨之前时段，路灯开启比例可以降到40%等，这样既兼顾了照明需要，又减少了电力浪费。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
2 系统工作原理

该系统由三个层次组成，分为总控站、主控站及从控站。总控站由PC机组成，可与主控站通过光缆或无线电连接，以实现对各个主控站的管理，并设定开关灯时间及执行开灯比例指令，同时对主控站返回的信息进行汇总，对有故障的路灯通过图文显示出来，以便准确确定其所在的位置。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    主控站内部结构如图1所示。主控站通过光缆或无线方式来接收总控机的指令，并通过电力线载波的串行通信方式来对从控站进行监控。一个通信数据包由8字节数据组成，第一、二字节是主控标识，第三字节是命令，第四、五字节是从站地址，第六至第八字节为数据。从理论上讲，一个主控站最多可控制6万个从站。主控站采用广播方式发送命令数据，从机站收到通信包后进行数据分析，分析的内容：一是识别主机是否是自己的上级主控站，二是识别从机地址是否是自己的地址，只有在全部确认无误后，主控站才执行命令和相应的操作。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    从控站的内部逻辑结构如图2所示，每个从控站可控制三组路灯，它通过电力载波接收电路来接收主控站的指令，并执行相应的操作，完成对工作电流的采样及处理，判断路灯是否工作正常，以便采取合理的保护措施；同时，它可以对现场工作温度进行采样处理，以便在温度超出正常工作范围时采取保护措施，同时将相关信息返送回主控站中。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
3 硬件设计

3.1 主要元件的选择与性能

PL2101是一个新型的直序扩频半双异步调制解调器，载频为120kHz，带宽为15kHz，传输速率为500bps，接收灵敏度高达30μV，另外，PL2101还具有上电复位、电压监测电路、看门狗定时器及可编程实时时钟等附属功能电路。该电路抗干扰能力强，灵敏度高，且与TTL电平兼容。此外，PL2101与MCS51系列单片机的接口非常简单，因而完全能够满足系统要求。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    AT89C2051和89C55WD系列单片机是具有Flash存储器且指令与MCS51完全兼容的、javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>高性价比的微处理器。其中89C2051带有2kB Flash存储器，可用于从控站。89C55WD则具有20kB Flash存储器，可用于主控站。

    TLC0832是一款8bit二通道三总线的A/D转换器，其特点是体积小巧、占用单片机资源少，且性能优良。

3.2 电路设计

该设计中的接收放大电路如图3所示。其中D7用于箝位，以防止过大的浪涌电流；C5、L1及Q1组成输入信号选频放大电路，以对输入的微小信号进行放大，从而提高接收灵敏度。

    发射放大电路如图4所示。这种发射放大电路非常简单，主要由4个三极管组成，四个二极管起保护作用。从控机数据处理及控制电路原理如图5所示。当PL2101收到的载频信号经内部电路处理后，它将解调出数据bit信息，并经RXD输出，同时HEAD同步输出低电平。当AT89C2051的INT1产生断并接收bit后，会根据预定格式合成相应的指令信息；同时根据指令中所规定的时间设置来修改开关灯时间及开灯的比例，并执行开关灯的操作等。另外，它还将在开灯后监控电流、温度等参数，以便在严重超标时执行保护措施，同时及时给主控机发送故障原因信息。

主控机信息处理电路如图6所示。它的调制与解调电路与从控机一致，在图中增加了中文液晶显示和一个12键键盘，可用于现场进行电路参数设置。与总控机之间的通信采用行通信协议，并通过中断由SBUF进行收发，员时经SN75176转换成RS-485电平。其物理结构可以是光纤或无线数据传输设备。
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
    总控机的作用是在PC机上用VB开发整个城市路灯控制系统的线咱图，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>它可在某一路灯发生故障时，准确及时地显示出故障发生的具体位置和可能的故障原因。

3.3 软件设计

该系统软件要用C51语言编写，并采用全部模块化编程。从控机中的单片机程序模块包括对PL2101的接收以及电流和温度采样、路灯控制等，其主程序流程如图7所示。主控机中的程序模块主要包括对总控机通信数据的接收、键盘的扫描、显示以及对从控机发送数据等，其主程序流程如图8所示。图9为其中断程序。

4 结束语

该城市路灯控制系统开发完成后，目前已被应用在860只路灯的小型应用控制系统中。实际使用证明：该系统性能稳定良好。