基于PL2101的单片机低压电力线载波通信接口扩展

PL2101简介
PL2101采用二相相移键控，载波频率120KHz，带宽15KHz，传输速率500bps。它由单一的+5V电源供电，与单片机的接口简单，外围模拟发射/接收电路也较简单，工作时无需外接模拟混频器。PL2101内置有5种实用的功能电路：时钟电路、32 Bytes SRAM、电压监测、看门狗定时器及复位电路。其中，时钟与SRAM在主电源掉电后可由3V备用电池供电继续工作。

采用PL2101扩展单片机低压电力线载波通信接口
硬件电路设计
PL2101的半双工收发控制端、HEAD(数据同步端)、RXD_TXD (半双工数据收发、数据输入/输出端)引脚用于与单片机、DSP处理器收发数据，实现低压电力线载波通信功能；PL2101内部的寄存器采用标准I2C接口(由SCL、SDA引脚组成进行操作；另外，PL2101的 WDI(看门狗计数器清零输入端)、 RESET(上电及看门狗计数器溢出复位输出端)和PFo(电源掉电指示端)用于单片机对PL2101的工作状态监测。
采用PL2101为MSP430单片机扩展低压电力线载波通信接口的原理如图1所示。图中只画出了PL2101和MSP430F149的接口部分，PL2101的外围模拟发射/接收电路可参考芯片手册的典型电路。使用MSP430F149的P1口与PL2101的8个引脚连接。使用MSP430F149具有中断功能的 P1口的引脚P1.6连接HEAD，以实现在中断方式下发送/接收PL2101的数据；由于MSP430F149未集成I2C总线接口，因此，MSP430F149通过P1.2、P1.3引脚软件模拟I2C时序来访问PL2101的内部寄存器；另外，由于MSP430F149采用3.3V逻辑电平，PL2101采用5V COMS逻辑电平，因此不能直接连接引脚，需要进行电平转换。
数据收发软件设计
MSP430F149只需对P1口操作就可以通过PL2101进行数据收发，实现与其它单片机的低压电力线载波通信。
单片机对PL2101的发送/接收数据工作时序如图2所示。当PL2101相对单片机处于发射态时，PL2101由 HEAD的上升沿对内部解调的数据进行锁存输出，外部单片机可在HEAD的下降沿后读取PL2101从电力线接收到的数据。而当PL2101处于接收态时，PL2101在 HEAD的上升沿对RXD_TXD的数据进行锁存，可让外部单片机在 HEAD的下降沿后将数据置于RXD_TXD引脚，由PL2101发送到电力线上。
MSP430F149接收数据流程如图3所示。程序采用子程序形式，采用中断方式接收数据。MSP430F149发送数据流程与接收流程相似，可以看出，通过PL2101发送/接收数据的软件设计比较简单。
PL2101配置及监控软件设计
PL2101的配置通过对其内部寄存器的操作来实现。PL2101上电复位后，除写保护寄存器外，其它寄存器均处于写保护状态。单片机系统对PL2101上电复位后，应先向PL2101的写保护寄存器写1xxx xxxx B以打开写保护，再按电网特性向捕获门限寄存器写入相关数据来配置PL2101。
外部单片机读写PL2101内部寄存器时，先产生起始位启动I2C总线，根据芯片要求，外部单片机须发出器件代码(1011000，高7位)和读写控制位(0，表示写，最低位)，当数据正确时，PL2101将发出第1个确认位，外部单片机读出后再发出读写地址，然后外部单片机等待PL2101发送第2个确认位。
外部单片机读出PL2101发出的第2个确认位后，如果要向PL2101内部寄存器写一个字节时，则可直接发出数据，当PL2101接收完发出第3个确认位后，外部单片机则应发出停止位结束写操作。
MSP430F149写PL2101内部寄存器操作流程如图4所示。也采用子程序形式。I2C总线时序请参考有关资料，本文不作讨论。
外部单片机读出PL2101发出的第2个确认位后,若要读PL2101内部寄存器的一个字节，必须再次发出一个总线起始位、发出一次器件代码和读写控制位(1表示读)，PL2101收到后将在发出第3个确认位后接着发送8位数据，由外部单片机接收。外部单片机接收完后，可发出一个不确认位和结束位结束读操作；如果外部单片机发出确认位，则PL2101将发送下一个地址的寄存器数据，直至外部单片机发出一个不确认位和结束位结束读操作。
PL2101监控部分的软件设计比较简单，只需定时清PL2101的WDI引脚和扫描PFo引脚就可实现，对RST操作可使PL2101恢复正常工作状态。

结语
对于单片机系统的通信，除广泛应用的RS-232、485等方式外，采用基于新型接口芯片的低压电力线载波通信也是一个不错的选择。■

参考文献
1魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京:北京航空航天大学出版社,2002.
2 北京福星晓程电子科技股份有限公司.PL2101芯片手册.