用于工业控制的窄带PLC IC

在我们的行业中，似乎一遍又一遍地发生的一件事是一个新的产品领域的出现，它在工程领域引起了很大的轰动，然后在黑暗、干燥的角落里苦苦挣扎了多年。这项技术听起来太好了！我们可以用它来彻底改变我们的产品。然后这项技术萎靡不振，并徘徊了几年，一些公司提供了一些新版本。但是，它从未真正进入大时代。几年后，它终于成为一种非常可行的方法，并被各地使用。

这种情况经常发生，因为产品并没有真正达到炒作产生的预期。或者，可能有太多竞争版本，以至于没有人完全弄清楚该转向哪条路。然后技术成熟并且运行良好，你会看到它无处不在。

在我看来，电力线通信（PLC）就是这种情况。几年前，PLC似乎是许多通信问题的解决方案。但后来它消失了，现在它似乎终于大踏步前进了。它被用于公用事业智能电网和抄表应用程序、家庭自动化以及我们稍后将讨论的许多其他领域。当然，它的最大优势是不需要新布线。而且，PLC可以在相当长的距离上使用。

实际上，通过电力线发送数据在很久以前就被认为是一件整洁的事情。在用于配电的同一对电线上发送通信信号的概念可以追溯到1924年的专利，实现“通过电力电路进行载波传输”。用于语音电话的PLC始于20世纪初，到1920年代末在欧洲和美国普及。

电力线通信方法现在分为宽带和窄带。宽带用于在家中发送高速数据，如以太网，而窄带则以更悠闲的速度工作，用于公用事业仪表抄表、工业命令和控制、家庭自动化和许多照明控制应用。

可以肯定的是，PLC的工作环境很恶劣。未扭曲的电源线不仅像天线一样工作，而且在工业环境或家中总是有多个电路，通信信号可能必须传输到主电路面板，然后找到到达目的地接收器的途径。来自主面板的每个电路都有多个抽头，从而形成非常复杂的阻抗和噪声环境，以发送RF信号。电力线通常是一种极其困难和嘈杂的通信介质，其特点是几种不可预测的强烈干扰形式。

宽带PLC

宽带系统尤其难以应对干扰和产生干扰。HomePlug AV于2005年推出，现在是宽带PLC的中流砥柱，适配器的物理速率为200Mbps，500Mbps，现在超过1Gbps。虽然 HomePlug 连接的理论最大值可能为 200Mbps，但大多数连接的实际速度约为 30Mbps 到 50Mbps——只要可靠且一致，大多数时候仍然足以将视频从路由器随机播放到电视。HomePlug通过了IEEE 1901规范，该规范确保了互操作性。

窄带可编程控制器

但今天我们想谈谈窄带电力线通信。

通过长距离电力线（交流和高压直流）进行通信是电网基础设施的重要组成部分。自动公用事业仪表抄表现在是大多数地方的常态。照明、HVAC 和电器的家庭自动化是一个重要且不断增长的使用领域。所有这些领域都使用窄带PLC。 工业控制系统的设计者正在利用这项技术。其他快速兴起的应用包括路灯、自动售货机、太阳能电池板和电动汽车充电的控制。

用于使用电力线的通信技术已经发展。最初部署的方案包括基本单载波频移键控（FSK）和相移键控（PSK）调制的变化。这些技术在可靠地应对恶劣电力线环境方面的能力有限，因此，早期的PLC系统遇到了问题。

目前窄带有两个主要标准：G3和PRIME。通常，G3（或类似的IEEE P1901.2）标准更侧重于鲁棒性。对于工业应用，您必须确定数据会到达，也许不是以最高速度到达，但它确实到达了。G3 提供 20.36Kbps、34.76Kbps 和 46Kbps（带编码）数据速率、前向纠错 （FEC） 以及与 6LoWPAN/IPv6 的兼容性。G3在欧洲的CENELEC-A或-B频段（20Kbps-40Kbps）上运行，并可在整个FCC频段上使用，在美国提供高达400Kbps的数据速率。它提供第 2 层 128 位 AES 加密以提供数据安全性。

OFDM解决了这个问题

G3和PRIME利用正交频分复用（OFDM），这是一种通过噪声信道传输大量数字数据的技术。它结合了许多慢速数据速率载波，以形成整体更高的数据速率。自动选择一组载波频率或信道以远离干扰。多个子信号以不同的（正交）频率同时传输。每个数据子载波都使用PSK或QAM进行调制。这与纠错一起，确保在非常嘈杂的环境中可以毫无错误地接收数据。

图1.多个恒定振幅的 OFDM 子载波的频谱。

使OFDM成为实用传输系统的诀窍是将子载波调制速率与子载波连接起来。通过将子载波间距设置为符号速率的倒数，峰值和零点完美排列，使得在任何子载波频率下，子载波都是正交的，并且它们之间没有干扰。

用于工业控制的窄带PLC控制器IC

一些芯片供应商生产支持 PRIME、G3 和 IEEE 1901.2 标准的控制器。OFDM和纠错技术使窄带PLC在典型的电气噪声环境中非常适合工业控制系统。这些技术确实使用了一些相当繁重的数学函数，并且需要一些严重的计算能力。如今，这不是什么大问题，但要确定您选择的控制器芯片具有处理特定环境的马力。

窄带PLC控制器IC的一个例子是Maxim的ZENO MAX79356，它使用两个流水线32位RISC处理器。该芯片已通过G3-PLC认证，其可编程性确保其能够处理标准的修订和国家变化。

MAX79356在监听模式下的最大功耗仅为80.6mW。该 IC 包括一个完整的模拟前端 （AFE），并具有用于高安全性的 AES-CCM 加密引擎。该器件采用 48 引脚 LQFP 封装，工作温度范围为 -40° 至 85°C。

审核编辑：郭婷