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34《信息化纵横》2009年第16期硬件纵横HardwareTechnique目前，门禁系统的信道媒质有2种：(1)专线：采用专门的线路(例如电话线、闭路线等)来传输信息，其特点是布线复杂、成本高；(2)无线：无线的方式传输信息，存在阴影衰落、多径干扰及其他电磁干扰，系统的可靠性和安全性受限。本文利用家庭低压电力线这个现成布线资源，充分发掘其潜能，传输门禁控制信号，实现电力线载波门禁功能，避免了现有智能化系统在住宅内错综复杂的布线，既可用于新建住宅，又便于已建住宅的智能化改造。另外，利用经典的调制/解调芯片构建的FM调频电路，在近距离通信中以其较高的性价比和较易实现的方式成为电路设计人员的首选。笔者结合具有较强的抗干扰能力和较低的误码率的双音多频(DTMF)编码技术，设计了基于FM调频技术的低压电力线门禁系统。1系统网络拓扑结构系统网络拓扑结构如图1所示，由1个门机、多个室机以及室内低压电力线组成。图1低压电力线门禁系统网络拓扑结构基于FM的低压电力线门禁系统设计丁漩1，2，肖东海3，仲元昌3，周田3（1.重庆邮电大学法学院，重庆400065；2.重庆大学机械工程学院，重庆400044；3.重庆大学通信工程学院，重庆400044）摘要：介绍了一种基于FM的低压电力线门禁系统实现方法，在分析并建立FM数学模型的基础上，设计了FM调频发射机与FM调频接收机。该系统可以解决目前专线门禁系统和无线门禁系统的不足，进一步推进了门禁系统的实用性。实际应用结果证明，该门禁系统成本低、灵活、可靠。关键词：门禁;低压电力线;直接调频;双音多频中图分类号：TP237文献标识码：ADesignoflowvoltagepower-lineaccesscontrolsystembasedonFMDINGXuan1,2,XIAODongHai1,ZHONGYuanChang3,ZHOUTian4(1.ColleneofLawChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China;2.CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;3.CollegeofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:Thispaperpresentsanimplementationmethodoflow-voltagepowerlineaccesscontrolsystembasedonFM.IntheanalysisandsettingupFMmathematicalmodel,designsFMtransmitterandFMreceiver.Inthecommunicationprotocolsupport,MCUcontrolssignalgenerationanddecodesofthereceivedsignal.Thesystemcanresolvethecurrentshortcomingsofspecialcommunicationlineandwirelessaccesscontrolsystem,furtheradvancetheusefulnessoftheaccesscontrolsystem.Thepracticalapplicationoftheresultsshowthattheaccesscontrolsystemarelowcost,flexibleandreliable.Keywords:accesscontrol;lowvoltagepower-line;FM;DTMF《信息化纵横》2009年第16期35硬件纵横HardwareTechnique欢迎网上投稿www.pcachina.com门机安装在大门处，其中，按键安装在门外，其余部分安装在门内；每个室机制成装饰品，插在客厅、厨房、卧室、书房、卫生间等处的电力线插座上，并根据需要增减、移动,每个室机的地址码相同，保证门机发送请求信号时，每个室机能同时接收到信号；目前室内低压电力线大多采用暗线，如图1中电力零线、电力火线均内置于墙体中。2FM数学模型载波信号可表示为：(1)调制信号可表示为：(2)其中，Vm，VΩm为信号的幅值，φ(t)为总瞬时相角，Ω为转动角频率。作为调频信号，相应的矢量长度为恒值Vm，而矢量的转动角速度在载波角频率ωc上叠加按调制信号规律变化的瞬时角频率：(3)即(4)其中，kf为比例常数，单位为rad/s·V。因而，它的总瞬时相角为：(5)则调频信号的一般表达式为：(6)可见，在调频信号中，叠加在ωc上的瞬时角频率按调制信号规律变化，而叠加在ωct上的瞬时相角则按调制信号的时间积分值规律变化。以单音调制为例,将式(2)代入(6)式，则FM波表达式为：(7)(8)其中(9)(10)kf称调频灵敏度，单位为red/(Sv)。根据帕塞瓦尔定理，调频信号的平均功率等于各频谱分量平均功率之和，在单位电阻上，其值为：(11)由第一类贝塞尔函数的下列特性：(12)可将式(11)简化为：(13)上式表明，当Vm一定时，调频波的平均功率也就一定，且等于未调制时的载波功率。3系统设计3.1系统硬件设计系统硬件设计框图如图2所示。MCU作为中央处理单元，一方面接收按键命令，调度通信协议，控制DTMF产生编码信号，完成发送数据命令；另一方面响应接收数据中断，处理DTMF接收的数据，控制执行单元动作，该系统MCU选用性价比很高的STC89C52。图2系统硬件设计框图DTMF编解码芯片选用MT8880，DTMF信号分为高频组和低频组，各包含有4个频率，可以构成16种不同的信号，每种信号由2个正弦波信号叠加而成，选定2个频率ω1和ω2后可得到DTMF信号的数学表达式为：(14)3.1.1FM发射机电路图3是发射机电路图，MT8880产生的DTMF信号vΩ(t)送入锁相环LM56的2脚。通过锁相环LM567调制变为较高频率信号，即将式(14)代入式(7)得：(15)其中(16)图3FM调频发射机电路图由锁相环LM56参数可知Vm≈4V，调频波平均功率Pav=8W，锁相环输出的振荡角频率与5、6引脚外接的定时元件R、C的关系式为：(17)改变R和C可以获得不同的频率，锁相环LM567的振荡频率可以在0.01Hz～500kHz范围内连续变化，可36《信息化纵横》2009年第16期硬件纵横HardwareTechnique改变R8来获得适当的频率。调制载波频率根据电力线的频率特性一般选在100kHz～450kHz范围之内。该系统中门机的载波频率选择为300kHz，室机的载波频率选择为400kHz。为防止LM567的5脚输出的方波影响系统正常接收来自电力线的双音频信号，所以通过单片机的P1.0口控制与门的通断：当发送信号时，P1.0为高电平，与门导通；处于接收状态时，P1.0为低电平，门断开，之后的高频信号由三极管、C17及变压器对载波信号调谐放大，由耦合电容送入电力线传送。3.1.2FM接收机电路FM接收机电路如图4所示，接收信号时，由电力线传送来的信号经高压耦合电容C18、C19和变压器组成的高频滤波环路、再经LC并联、谐振回路选频，之后经过滤波、放大电路，送入锁相环LM567的3脚。当载波信号的频率与LM567的中心频率相同时，则对此信号进行解调。解调后的DTMF信号由2脚输出，送入MT8880。图4FM调频接收机电路3.2系统软件设计3.2.1通信协议根据本系统的特点，设计一套通信协议，协议的数据帧结构由16位码元组成，发送编码时，MT8880每次发送4位，4次发送1帧；接收同理。数据帧的结构如表1所示。表1门禁系统的通信协议其中，帧头为1111；ID为发送端本地ID号，可在0～15之间设置，由于门机与室机各占用一个ID，因此最多可以扩展16/2＝8户，8个ID号足够使邻居间门禁系统不产生误响；4位控制命令可以在0～15之间设置(不能与结束码相同)，这里统一设置激活门铃的码为1100，激活门锁的码为0011，结束码为0000，MT8880具有强大的锁存功能，必须用结束码清除数据。每接收4位中断1次，转入中断服务程序，判断是否正确，正确则接收下4位，否则舍弃重新接收。室机的本地帧可设定为:RST[15]={0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,1,1,1},门机同理。3.2.2程序设计门机程序流程图如图5所示，MT8880有6种工作模式[8]，本设计使用中断模式,在此模式下选择DTMF方式。当DTMF信号被接收或出现在监测时间内，IRP/CALL端下拉至低电压，STC89C52若检测到外部中断信号，则读取数据，若接收数据等于设定编码，则保存到16位数组DAT[15]中，帧头存入数组0～3中，依次往高位存，并N+1,然后准备接收下4位编码，否者N=0，等待重发，直到一帧接收完毕(即N=3)，若DAT[15]=RST[15]，则开锁；若有键按下，则转入发送程序。室机流程图与门机不同之处是将开锁换成响铃。图5门机程序流程图另外，软件设计时，需模拟MT8880的控制时序，用指令对P2口进行读写操作。控制芯片内部的CRA、CRB等寄存器，从而实现对MT8880的发送与接收控制。4实验结果及分析该系统安装在重庆大学主教学楼26楼的2611(通信与测控研究所)，门机安装在大门处，室机安插在室内办公桌上的电力线插座上，电力线长度15m。系统的主要工作参数为：门机载波频率300kHz,室机载波频率400kHz,载频波平均功率pav=8W，调制波频率由MT8880的参数决定，其中：在进行通信实验时，笔者利用泰克示波器重点监《信息化纵横》2009年第16期37硬件纵横HardwareTechnique欢迎网上投稿www.pcachina.com视了FM发射机之前的“发送波形”和FM接收机之后的“接收波形”，如图6所示。图6发送波与接收波形当门机按下请求按键时，MCU控制MT8880产生双音多频信号C1，C1经过FM调频发射机调制后耦合到电力线上，室机将耦合接收到的信号经过FM调频接收机解调后得到双音频多频信号C2。可以看出C2与C1几乎完全吻合。实验证实了FM调频发射机与FM调频接收的可靠性。该系统给出了基于FM的低压电力线门禁系统的原理及实现过程，主要讨论了在通信协议的支持下，对DTMF产生的控制信号进行调制/解调，实验证明采用低压电力线进行短距离的控制信号传递是完全可行的，且系统实现体成本、灵活、可靠。参考文献[1]LINWeiMing,HUAXiaoHui,WANGDongFang.Statusandexpectationoflow-voltagepowerlinecommunications[J].Telecom-municationsforElectricPowerSystem,2007,2(172):45-48[2]ZHOUWeiZhi.Designofautomaticmeterreadingsystemforintel-ligenthousingestatebasedonpower-linecarriercommunicationtechnique[J].electronicengineer,2003,2(29):15-24[3]樊昌信.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2001.[4]WANGJianNong.AninterfacingdesignbetweenAT89C2051single-chipmicrocomputerandchipMT8880[J].Microcomputerandinformation(Control&Automation),2005,21(10-2):86-87.[5]ZHAOKun,WANGKeChong.Thedesignofapowerlineca