基于CPLD的高压电力线FSK MODEM设计

4 硬件设计

4.1 输入缓冲及输出缓冲

计算机一般是通过串口传输数据，所以要用RS232TTL转换芯片MAX232来进行电平转换，同时通过缓冲器CD4050来隔离并驱动后级，如图2所示。



4.2 输出滤波器，输出放大器

因为需要滤掉载波下限频率的三次倍频7380Hz（2460Hz×3）以上的频率，因此该滤波器的截至频率设计为 4000Hz（>3260Hz）。为了减小体积，这里采用了Maxim公司的开关电容（switched capacitor）滤波器MAX7411。MAX7411是一个五阶低通椭圆开关电容滤波器，具有非常快的下降度且电路十分简洁。图3是由 MAX7411构成的滤波器。



INPUT为输入频率fIN，OUTPUT为输出频率fout‘CLOCK为截至频率fc。该滤波器的效果如表2所列。
由表2可见，在1.25fc处信号衰减达到-38.5dB，已经可以忽略了。

表2 MAX7411的滤波参数

参  数	条  件	最  小	典   型	最 大	单  位
插入增益	fIN=0.38fc	-0.4	-0.2	0.4	dB
	fIN=0.68fc	-0.4	0.2	0.4
	fIN=0.87fc	-0.4	-0.2	0.4
	fIN=0.97fc	-0.4	0.2	0.4
	fIN=fc	-0.7	-0.2	0.2
	fIN=1.25fc		-38.5	-34
	fIN=1.43fc		-37.2	-35
	fIN=3.25fc		-37.2	-35

我们的截止频率是4000Hz，即4000=1.25×fC。所以fc=3200Hz。该频率由CPLD产生。
为了能够推动后级设备，必须在滤波器之后加上输出放大器，这里采用FC411。电路为普通的反相放大器电路。

4.3 输入放大器和波形变换电路

如图4所示，输入的FSK和正弦信号经过运放TLE2037放大后，输入比较器LM311进行过零点检测。由于在接地处有较强的噪音，因此必须在电路设计上考虑抗干扰的问题，如采取隔离、浮地等措施。LM311是一款高速比较器，比较速度最在为165ns，它的输出兼容TTL和MOS电路。 LM311通过过零检测，把FSK波形转换成方波输入CPLD，由CPLD进行频率分析，从而实现解频的目的。



5 软件设计

该系统软件最主要的部分就是调制和解调软件的设计，还有一部分是滤波器的时钟产生及工作状态指示与工作模式选择。
此系统可以选择300bps、600bps、1200bps三种波特率，由外部的跳线决定。
工作指示用来指示波特率及系统是否繁忙。如果需要还可以输出同步的时钟信号。

5.1 调制部分

如图5所示，在时钟的上升沿检测数据输入引脚的状态，如果状态变化，则检测当前的波形是否完整（为了保证相位的稳定，要求必须在最靠近波形零点的地址切换频率），如是则切换输出频率。



5.2 解调部分

如图6所示，在时钟的上升沿检测FSK信号的频率，并切换输出的数据。



结语

原来采用MCU调制和解调，但是MCU的速度极大的影响了系统性能，尤其是抗干扰能力，使得决定采用高速的比较器和CPLD来进行调制和解调，使得系统的整体性能得到了较大的提高，目前已用于100kV的高压电力线上的控制数据传输。

参考文献

   1. 林明权 VHDL 数字控制系统设计范例 2003
   2. 宋万杰 CPLD 技术及其应用 2002

作 者：电子科技大学 欧磊 张红雨  
来 源：单片机与嵌入式系统应用2004（1）