ST7538结构框图

目前市面上的电力线载波技术分窄带和宽带两大种。ST7538作为很有代表性的窄带通讯芯片在远程抄表、灯光控制、智能家电等领域已经有了广泛的应用。

图1 ST7538结构方框图(略)

图1是ST7538的结构方框图，主要由MCU接口、接收通道、发送通道、电源部分和辅助功能等部分组成。

ST7538性能特点及通信模型

ST7538性能特点包括：

·采用BCD第五代技术

·使用10V单电源

·在接收状态下功耗只有5mA

·有8个通信频道、采用BFSK调制模式

·采用16MHz的晶振，内置一个数字内核

·内部集成了MS功率有1W的信号功放

·接收灵敏度很高，在高灵敏度下为500uV

图2 ST7538在应用中的通信模型(略)

图2是ST7538在应用中的通信模型。其中底层是MAC层，ST7538和MCU在底层的MAC之上承担一定的功能，分别为协议层、API和应用层。ST7538充当一个MCU和电力线之间的中介，它通过串口与MCU进行通信，然后再把信息发送到电力线上。这比以往ST公司的芯片有了更高的集成度，只需要一个ST7538芯片再加上MCU就可完成除MAC层以上的所有功能。功耗也比以前有了较大的改进。

ST7538的频点是根据欧洲的电力线载波标准来选择的。欧洲的电力线载波标准把电力线载波的频段控制在3～184.6kHz之内。而ST7538的频点处于60～132.5kHz的8个频点上，其中有6个频点是在60～86.5kHz之间，这是属于欧洲所讲的A频带，也就是电力供应商所占用的频段；而95～125kHz的频段是属于消费类无通信协议的应用；125～140kHz是属于需要通信协议的消费类电子产品应用。在美国，3～500kHz的频段都属于一般应用，也就是可以用做通用用途。

应用实例

图3是采用ST7538的自动抄表应用框图。ST7538在其中作为数据收发器件，把MCU处理的数据送到电力线上，并把电力线上的命令采集回来反馈给MCU，然后由MCU进行相应的控制，同时MCU还配有红外接口和LCD数字显示。

图3 采用ST7538的自动抄表应用框图(略)

对收发耦合电路要求：轻载时必须有很好的选择性，也就是Q值要高；重载时损耗要小，并且线性度要好，避免线性失真造成的斜波；耦合电路必须与开关电源一起工作。

对三相数据采集器，因为ST7538是一个半双功的器件，并且在指定时间内只能在一项内收发数据，所以要有一个多路开关的设计，来保证数据通路的畅通，并且做到很好的频率隔离和信道隔离。

电力线载波通信的特点

使用电力线载波通信进行数据传输不利的因素，主要有：电力线上的阻抗；电力线上的噪声；典型的连接损耗；驻波等等。

a 阻抗和频率的关系：电力线上阻抗变化很大，某些时刻会有很小的阻抗，阻抗大小和频率关系很大，基本上呈现频率越高阻抗越高的趋势。

b 电力线上噪声情况：电力线上存在白噪声，而且在某些固定频点会有一些尖峰。

c 在电力线的标准连接上也有固定的信号衰减，一般在同一个支路上信号衰减会有10-15dB，在不同的支路上信号衰减有20~35dB，在某些特别恶劣的情况有可能会有50~60dB的衰减。

d 驻波效应会在每1/8波长上起作用，相对应的100KHz上的波长是375m，150kHz的1/8波长是250m。在一些比较重要的应用上应该有一个阻抗适配器来应付长距离的数据传输，比如远程抄表还有路灯控制。

ST7538的电力线载波通信实现

a 接收

ST7538的接收通道：接收通道输入范围在500 Vms - 2Vms；收发频点分别是：60kHz，66kHz，72kHz，76kHz，82kHz, 86kHz, 110kHz, 132.5kHz；4档波特率分别是：600bit/s，1200bit/s，2400bit/s，4800bit/s；频偏有两挡，分别是：0.5和1；芯片内有自动增益补偿，在-30db到10db间调整。

信号接收后，通过一个4极点Sallen-Key滤波，然后经过自动增益控制，进入一个8级点的滤波器，然后通过乘法器与内部的20kHz标准信号相乘，得到调制在20kHz上的标准信号,然后从这个标准信号解码出我们需要的信息。

b 发送

ST7538的发送通道：芯片内部有一个72频点的信号源、一个8位的数模转换器，通过信号源和数模转换产生信号，再通过信号功放加载到电力线上。芯片可以对输出的信号幅度进行自动控制。芯片内部还有温度保护功能，过热时会停止工作。

对于发送出去的信号有相应的幅度控制，它是一种先恒压后恒功率的模式。通过外部电阻设定，可以对输出电流和电压分别进行选择。当外部负载较小时，加载到电力线上的信号会在限定的电压伏值以内；当电力线上的负载较重时，如果输出电流超过了预制的门坎电频，那么输出的电流就会限定在我们指定的值上。

c 辅助功能：

除了收发和数据采集等功能外，ST7538还包括一些辅助功能，包括了内置的5V、100mA的低压降稳压电源。这个稳压源还包括一个输出正常的信号表示引脚。芯片主时钟是16MHz的，同时能输出4MHz、8MHz、16MHz时钟信号，供MCU使用。内置了过零检测功能，还有一个带宽为7 MHz的运放，在接收端有一个4极点带通滤波器，它的输出可以在片上获得。

d 数字功能：

与MCU的复位控制功能，内部集成了可编程的看门狗功能，载波检测功能，在使用的频点检测功能，内部控制字的状态检测，超时停机功能，数据接收时可设置为数据包模式。
ST7538与MCU之间的接口是4线同步串口，波特率可在600bit/s-4800bit/s之间切换。

e 超时条件：

当控制字第7和8位设置为10或01时，如果传输时间长于1或3秒，超时条件将成立。这时芯片将锁定125ms，然后对芯片进行复位。当芯片启动时，如果RxTx是低，并且有复位信号，那么超时输出将会持续至少125ms。然后如果RxTx在复位状态后置高的话，超时输出将会复位。温度保护的情况，当芯片内置的信号放大器发生温度保护时，超时条件并不会锁定，Tout会在温度降到低于温度保护的预值时复位。

演示板

ST公司为ST7538的开发提供了应用演示板，由电源、信号耦合电路与PC机的接口、MCU等部分构成，核心是载波芯片ST7538。详细信息请登陆www.st.com查询。

问答选编

问：我在毕业时做了电力通信设计，是用单片机模拟 时钟，有受到电力干扰，不知道ST7538有这方面 的抑制功能吗？

答：芯片内部集成了滤波和保护电路，对电力线上的 干扰有过滤作用。但是更重要的是外围滤波电 路的设计和系统的设计以及电路板设计，尤其是 数字模拟混合电路，更应注意在系统设计上防止 干扰，而不是单纯依赖器件本身的功能。

问：（1）电力线上网猫的速度可以达到14Mbps，本产 品与电力猫有何区别？（2）在电力猫中网桥与猫 必须是在同一个回路中，如通过变压器就不能进 行载波通迅，本产品是否也有这样的问题？（3） 本产品的传输距离可以达到多少？传输的距离 与速率之间的关系？

答：（1）本产品用于窄带应用，但原理是一样的。而 调制技术是不同的。（2）也有同样的问题。变压 器会明显削减信号。（3）利用我们的内置放大器， 传输最大距离可达300～500m。理论上载波频 率越低，同样的距离下信号削减更小。

问：电力线载波通讯芯片ST7538与专用的FSK调制 芯片有什么不同?如果我把它用在非电力线的FSK 通讯中可以吗?

答：可以用于所有FSK应用中，只要载波频率和带宽 适合你的需要。

问：FSK方案比之PSK或者其他扩频方案在PLC领域 有何优势？其数据速率是否还有提高的可能？

答：在欧洲和美国的电流调整率中，FSK可以更好地 使用频带，因此具有更高的数据速率。还有提高 数据速率的可能性，但对电力线通讯来说，在EN 调整率下不会提高太多。

问：能否传输视频信号？

答：器件窄带宽不适合传输视频信号。

问：此芯片对于电网所产生的各类干扰是怎样屏蔽的?

答：芯片中设计了良好的信号耦合变换滤波器电路， 用来处理电力线干扰。

问：ST7538能否自身完成比特流的无差错传输（意 思就是说，不需要用户来进行差错编码）？

答：不行。需要外部处理器进行处理。

问：ST7538如何保证保密的安全性？

答：用安全的方式在传输中编码来进行。

问：ST7538是模拟还是数字的？带宽多少？

答：ST7538使用SPI来同MCU通信，电力线接口是模拟的。带宽600～4800bps。

问：ST7538的供电是否要与电力线隔离？

答：不需要。但电力线接口必须隔离。

问：用ST7538组网可以吗？最多可以到多少数量？

答：可以。ST7538的数量并不是问题，但在同一时 刻同一信道下不允许超过一个器件进行传输。

问：如何保证上电复位时间和顺序？

答：使用内部5V稳压器来为ST7538的数字部分供 电。要正确设计5V输出的接地、电容和电感。

问：该芯片能不能用在电机的监控上？

答：可以，有一些用于机车牵引控制。

问：由于ST7538内部集成了有1W的功放大器，请 问其是否要比同类芯片的发热要厉害？其在高 温段的工作性能如何？

答：ST7538在传输中会产生热量。工作温度在85℃ 下都能可靠工作。

问：“更重要的是外围滤波电路的设计和系统的设 计......”，但根据本人多年的电力线载波研究，电 力线上什么频段的杂波都有，而且还与用户使用 负载的时间不同而不同。请问如何能做到过滤 干扰？

答：是的，电力线上存在各种干扰。因此我们选择带 通滤波器来只让载波频率通过。但在载波频率 中FSK还是不能避免噪声。因此在需要时对载波 频率进行转换是很有帮助的。

问：请问是否只能在同相的电力线传输？

答：是的。

问：此芯片如何适应电网不断变化的负载特性？

答：器件在模拟输出端有电路和电压控制。在模拟 输入端有自动增益控制。

问：（1）ST7538是否存在载波检测延时？（2）载波信 号指示的的响应需要多少周期？

答：（1）存在，0.5ms或更多。（2）可以在ST7538的 寄存器中设置。