該項目描述了一種使用直流電源線進行數據通信的方法，同時不間斷地提供電力。這是通過 RLC 耦合電路以及提供調制 (TX) 和解調 (RX) 的可編程混合信號 GreenPAK? IC 來實現的。

發送/接收操作

該電力線上的通信信號是經過開關鍵 (OOK) 調制的。GreenPAK IC 使用電路內部生成的 62kHz 載波對 UART 數字信號執行 OOK 調制/解調。圖1顯示了A端和B端之間的UART通信。TXD_和RXD_是每一端系統MCU看到的數字UART信號；PL_TX/RX 是耦合到/來自電源線的信號。

圖 1：操作時序圖

電路分析

RLC 耦合電路如圖7 所示。分析與非理想（上升沿等于10ns）階躍信號下的電路有關。非理想階躍信號的s域模型可以通過時域表達式的拉普拉斯變換得到。

電路的s域模型是通過用其s域模型替換電路元件得到的，并簡化得到的表達式(a>b>c>d)。這個過程如圖2所示。R1代表GPIO的輸出阻抗。

圖 2：s 域中的 RLC 電路簡化

將電路的模態與輸入信號相乘，得到s域的響應函數：

時域響應可以通過對函數進行拉普拉斯逆變換得到：

響應曲線如圖3所示。PL_TX的上升沿和下降沿轉換為脈沖。圖 4 總結了電路的影響。為了防止 PL_RX 引腳接收到負電壓，RC-R 電路將脈沖直流偏置到 VDD/2。

圖 3：RLC 電路響應

圖 4：電路時序圖

GreenPAK 設計

該SLG46108V在免費的開發GreenPAK Designer軟件在圖5所示（設計文件可在網上點擊這里）。

圖 5：SLG46108 GreenPAK 設計

Pin7（UART_TX）用于接收串口信號。調制后通過Pin8（PL_TX/RX）發送到電源線。Pin7（UART_TX）設置為數字輸入，不帶上拉電阻的施密特觸發器。

從 PL_TX/RX 接收到的信號經過解調輸出到 Pin6（UART_RX），Pin6 設置為數字輸出推挽。

Pin8 (PL_TX/RX) 配置為數字輸入/輸出。Pin7（UART_TX）為低電平時，PL_TX/RX 為輸出模式，否則為輸入模式。

此設計是針對 9600bps 的波特率，因此載波頻率需要大于 48kHz。我們將 OSC 電源模式配置為強制開機，OSC 頻率為 2Mhz/8，輸出 0 秒除以 4 以獲得 62.6kHz 載波。

如圖1所示，當UART_TX為低電平時，PL_TX/RX輸出載波。當UART_TX 為高電平時，PL_TX/RX 處于高阻輸入狀態。

當PL_TX/RX停止輸出載波并被RC-R電路重新偏置到VDD/2后，我們就可以開始對PL_TX/RX輸入的信號進行解調。重新偏置到 VDD/2 所需的時間可以通過示波器測量。我們將 DLY3 設置為大于測量時間的上升沿延遲 24us，當 DLY3 輸入為低時，2 位 LUT3 設置為高。

如圖 6 所示，PL_TX/RX 接收來自電源線的信號，將其轉換為數字脈沖，然后通過 DLY1（上升沿延遲 16us）進行解調。為了保證解調后的低電平時間與調制前的低電平時間相同，將解調信號延遲DLY0（下降沿延遲16us）。

由于 PL_TX/RX 的偏置電壓為 VDD/2，當 PL_TX/RX 處于數字輸入模式時，器件將消耗大約 70uA 的額外電流。

圖 6：解調

圖 7 顯示了帶有 SLG46108 插座的 PCB 上的電源線接口示意圖。圖 8 顯示了 PCB 及其原型的圖片。兩個 IC 插座將直接插入 2×10 母插座，如圖 9 所示。

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圖 7：PCB 原理圖

圖 8：帶有原型的 PCB

該板使用兩個 Arduino 板進行測試，如圖 9 所示，Arduino A 由 USB 供電，Arduino B 由電源線供電。圖 10 顯示了測試中使用的 Arduino 編程。Arduino A 每 10 毫秒發送一個字符“A”，Arduino B 返回接收到的字符。圖 11 顯示了在測試中獲得的波形。圖 12 顯示了 PLA_TX/RX 發送的信號的詳細信息。圖 13 顯示了 PLB_TX/RX 接收到的脈沖的詳細信息。

圖 9：使用 Arduino 進行測試

圖 10：Arduino 編程

圖 11：電力線通信波形

圖 12：PLA_TX/RX 發送信號的細節

圖 13：PLB_TX/RX 接收到的信號細節

結論

本文介紹了如何實現基于 GreenPAK 和電容耦合的低成本、低功耗、直流電力線通信。與其他解決方案相比，GreenPAK 的主要優勢在于可以根據需要修改通信方式或內容。例如，您可以輕松修改載波頻率以適應所需的通信波特率。此外，您可以使用GreenPAK IC內部的DFF組成并串組件，直接將IO狀態串行化并傳輸至電源線，無需MCU介入。包含 ACMP 的 GreenPAK 可以輕松地將電池電量信息傳輸到電源線。

審核編輯 黃昊宇