臺灣博碩士論文加值系統

電力線傳送數據之探討
中文摘要
摘要

在本論文中，我們對電力線做了一些特性的量測，以期對電力線成為一個通訊媒體有更深一層的認識。
我們使用信號產生器、計頻器及示波器實際量測電力線對不同頻率所產生的電位衰減。並撰寫一個位元組遺失率的測量程式，來量測Server端到Client端經過不同長度的電力線後所產生的位元組遺失比率，並驗證跨越不同無溶絲開關與不同相位電源之通訊情形。
在實施應用上，我們使用製作完成的電力通訊器來控制字幕機，將電腦上的文數字傳送到字幕機顯示。我們還實際撰寫一個電腦校時的程式，透過電力線將Server端電腦的日期及時間主動地或被要求後傳送到Client端電腦，並調整Client端電腦的日期及時間與Server一致，以驗證電力線可以用來傳送數據訊號。
由實驗結果顯示，電力線對不同頻率產生不同的衰減，距離的長度與電器設備的多寡等干擾因素，也會影響資料傳輸的遺失率。

A Study on Data Transmission by Power Line


Student：Chyi-Taur Lin　　　　　　　　 Advisors：Dr. Wei-Chih Hsu



Department of Computer and Communication Engineering
National Kaohsiung First University of Science and Technology
英文摘要
ABSTRACT
This paper presents a characteristical measurement of power line to probe the possibility as a kind of communicational medium. The electric potential attenuation of power line against frequency has been measured by means of signal generator, frequency counter, and ocsilloscope. We wrote a program to measure the byte-loss rates of the server-to-client data transmission on the power lines with different lengths. Besides,we also investigated the influences of no-fuse breaker and the power with different phases on data transmission.
In application, we constructed a PC-based power line communicator to control a programmable message sign. The alphanumerical characters were sent from the computer to the message sign for display. We also programmed a timing corrector to actively or passively transmit the date and the time of the server computer to the client computer for alignment. The experiments show that power line is capable of data transmission.
The experimental results reveal that the electrical attenuation of power line varies with frequency. The transmission distance and the numbers of connected appliances also affect the loss rate of data transmission.

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iv
目錄 v
表目錄 x
圖目錄 xi
一、緒論 1
1.1、研究動機與背景 1
1.2、研究方法 2
1.3、論文架構 3
二、文獻探討 4
2.1、電力傳輸網路架構 4
2.2、電力線傳輸信號起源與發展 7
2.3、電力線通訊基本原理 8
2.4、電力線通訊特點 11
2.4.1、電力線之規格 13
2.5、電力線上的干擾雜訊 15
2.5.1、強雜訊 15
2.5.2深衰減 18
2.5.3、高畸變 19
2.5.4、時變不定結構特性： 20
2.6、電力線通訊調變技術 21
2.6.1、使用鎖相迴路的窄頻(Narrow Band)傳輸 21
2.6.2、展頻(Spread Spectrum)傳輸 22
2.7、電力線通訊的關鍵技術 23
2.7.1、電力線通訊標準(Standard)依據 23
2.7.1、技術背景 24
2.7.2、當前發展 25
2.7.3、主要技術和規範 27
2.7.4、展頻通訊技術 28
2.7、各國電力線通訊技術的發展 32
2.7.1、主要幾款國外電力線載波晶片的優點與缺點 33
2.8、標準與系統集成 35
2.8.1、開放標準的歷史與作用 35
2.8.2、與電力線通訊有關的開放標準 36
2.9、各國PLC技術的應用與現狀 38
2.9.1、德國 38
2.9.2、美國 38
2.9.3、瑞士 39
2.9.4、日本 39
2.9.5、奧地利 40
2.9.6、英國 41
2.9.7、瑞士 41
2.9.8、韓國 42
三、電力線通訊技術介紹 43
3.1、X-10技術簡介 43
3.1.1、X-10通訊協定 43
3.1.2、X-10相關產品 45
3.1.2.1、Decorator Dimmer Switch 45
3.1.1.2、ActiveHome Two Way Lamp Module 45
3.1.2.3、Power House Three Pin Appliance Module 46
3.1.2.4、The Power House Eagle Eye Motion Sensor 46
3.2、CEBus技術簡介 47
3.2.1、CEBus訊號格式 47
3.2.2、CEBus各層(Layer)功能介紹 49
3.2.3、CEBus的應用說明 52
3.2.4、CEBus防碰撞(collision)策略 54
3.2.5、CEBus之安全性(Security) 54
3.2.6、CEBus之隨機轉發(random forward) 57
3.2.7、CEBus相關產品 59
3.2.7.1、GE-Smart Manager Plus 59
3.2.7.2、GE-Smart Smart Switch 59
3.2.7.3、GE-Smart Appliance Port 60
3.2.8、Intellon晶片介紹 61
3.2.8.1、SSC P200/P300簡介 61
3.2.8.2、應用概述 61
3.2.8.3、SSC P200與主處理器的介面 62
3.2.8.4、SSC P200與媒介的介面 62
3.2.8.5、SSC P200功能描述 63
3.2.8.6、SSC P200電力線節點應用範例： 64
3.2.8.7、電力線耦合電路 64
3.2.8.8、耦合電路變壓器規範 65
3.2.8.9、接收輸入濾波器 65
3.2.8.10、輸入緩衝器： 65
3.2.8.11、發送模式電路原理 66
3.2.8.12、額外的要求和考慮 66
3.2.8.13、SSC P111瞬間電壓保護 68
3.2.8.14、電力線節點的規則與規範 68
3.3、LonWorks技術介紹 70
3.3.1、LONWORKS網路技術 71
3.3.2、Lonworks控制網路的組成及其網路結構 72
3.3.2.1、Lontalk通訊協定 72
3.3.2.2、神經元晶片 74
3.3.2.3、控制與連接器件 75
3.3.2.4、網路作業系統 76
3.3.3、LonWorks綜合整理 78
3.3.3.1、基於LONWORKS控制網路的系統特點 78
3.3.4、LONWORKS網路與RS-485匯流排網路比較 79
3.3.5、通訊協定-ANSI 709 81
3.3.6、LonWorks應用範圍 84
3.3.6.1、安防、報警、監控 84
3.3.6.2、家電控制 85
3.3.6.3、三表集抄 85
3.3.6.4、住戶資訊功能 85
3.3.7、家庭資訊/智慧型解決方案 85
3.3.7.1、家庭智慧型系統 85
3.3.7.2、寬帶網與LONWORKS網路的互連 86
3.3.7.3、LONWORKS在其他行業中的應用 87
3.10、電力線通訊技術比較 88
四、模組及其電路設計 90
4.1、模組介紹 90
4.2、電路設計與製作 94
4.2.1、電源電路製作 94
4.2.2、RS-232信號強波器設計 96
4.2.3、成品電路對週邊串列埠之介接 99
4.3、晶片規劃設計 100
4.3.1、晶片介紹 100
4.3.2、接腳功能 101
4.4、耦合電路設計 104
4.4.1、相間耦合 104
4.4.2、信號耦合 105
五、量測分析與應用實作 106
5.1電力線特性量測分析 106
5.1.1、使用儀器及材料列表 106
5.1.2、量測方法 106
5.1.3、量測資料分析 107
5.2、位元組遺失率與距離之量測分析 110
5.2.1、量測方法 110
5.2.2、驗證方法 111
5.2.3、程式操作說明 113
5.2.4、測試資料分析 114
5.2.5、傳送端(Send)程式說明 122
5.2.6、傳送端(Send)程式列表 123
5.2.8、接收端(Receive)程式說明 129
5.2.9、接收端(Receive)程式列表 131
5.3、電力線通訊器傳送字幕機控制信號應用 139
5.3.1、字幕機規格 139
5.3.2、實驗方法 139
5.3.1、程式操作說明 140
5.4、電力線通訊器傳送電腦校時信號應用 143
5.4.1、功能說明 143
5.4.2、程式操作說明 143
5.4.3、程式流程圖 145
5.4.3、Server端程式說明 147
5.4.4、Server端執行程式列表 149
5.4.5、Client端程式說明 154
5.4.6、Client端執行程式列表 156
5.5、跨越無熔絲開關位元組遺失率之比較 163
5.5.1、量測方法 163
5.5.2、量測資料分析 164
六、結論與未來展望 165
6.1、結論 165
6.2、未來展望 166
參考文獻 167




表目錄
表2.4.1、AWG線材規格表………………………………………………… 13
表2.7.1、電力線通訊速率和載波頻率分類…………………………… 23
表2.7.2、歐洲、美國、及大陸目前使用的規範名稱及載波頻率範圍.. 23
表3.2.1、non-preamble與preamble時間長度………………………….... 54
表3.2.2、CEBus設備輸出電壓範圍………………………………………. 54
表3.2.8.1、輸入濾波器響應………………………………………………… 71
表3.2.8.2、電壓保護器…………………………………………………….... 71
表3.10.1、功能比較…………………………………………………………. 88
表3.10.2、控制器比較………………………………………………………. 88
表3.10.3、模組比較…………………………………………………………. 89
表4.1.1、模組規格…………………………………………………………… 90
表4.1.2、CN1接腳功能…………………………………………………….. 91
表4.1.3、Jumper setting, JP1, JP2, JP3……………………………………. 92
表4.1.4、AC coupling pin out assignment………………………………… 92
表4.2.1、電力線通訊器與個人電腦之連接………………………………. 99
表4.2.2、電力線通訊器與字幕機之連接…………………………………. 99
表4.3.1、ST7536接腳功能…………………………………………………. 101
表4.3.2、振盪器頻率與速率……………………………………………….. 103
表5.1.1、電力線頻率響應量測儀表………………………………………. 107
表5.1.3、電力線各頻率之量測電壓值(Vpp)…………………………….. 108
表5.2.1、位元組遺失率量測結果(未加負載)……………………………. 117
表5.2.2、位元組遺失率量測結果(加入其它負載)………………………. 118
表5.2.3、測試用資料樣本(Pattern)……………………………………….. 119
表5.3.4、測試結果存檔範例……………………………………………….. 119
表5.5.1、電力線跨越無熔絲開關比較 164





圖目錄
圖2.1.1、電力系統示意圖........................................................... 4
圖2.1.2、電壓昇降壓.................................................................. 5
圖2.1.3、電力線傳輸網路........................................................... 5
圖2.1.4、一般住宅怖線.............................................................. 6
圖2.1.5、典型大樓電力配線圖................................................... 6
圖2.3.1、電力線使用通訊頻譜.................................................... 8
圖2.3.2、電力線通訊耦合線路.................................................... 8
圖2.3.3、頻率與容抗(Xc)關係圖................................................ 9
圖2.3.4、頻率與感抗(XL)關係圖................................................ 10
圖2.4.1、雙相配電盤佈線........................................................... 11
圖2.4.2、三相配電盤佈線........................................................... 11
圖2.4.3、不同相位間之信號衰減................................................ 12
圖2.4.4、不同相位之耦合........................................................... 13
圖2.5.1、強雜訊......................................................................... 15
圖2.5.2、開關式電源.................................................................. 15
圖2.5.3、開關式電源頻譜........................................................... 15
圖2.5.4、變頻電機...................................................................... 16
圖2.5.5、變頻電機頻譜.............................................................. 16
圖2.5.6、調光、調壓用可控矽設備............................................ 16
圖2.5.7、通訊設備干擾.............................................................. 17
圖2.5.8、天線效應干.................................................................. 17
圖2.5.9、深衰減......................................................................... 18
圖2.5.10、長距離傳輸衰減......................................................... 18
圖2.5.11、阻流和分流衰減......................................................... 18
圖2.5.12、異相傳輸衰減............................................................ 18
圖2.5.13、高畸變....................................................................... 19
圖2.5.14、電力線網路傳輸幅頻特性........................................... 19
圖2.5.15、起伏不平的相頻特性.................................................. 19
圖2.5.15、電力線網路時變特性.................................................. 20
圖2.5.16、某一天的阻抗記錄曲線.............................................. 20
圖2.6.1、窄頻調變..................................................................... 21
圖2.6.2、相移調變使用鎖相迴路................................................ 21
圖2.6.3、展頻傳送..................................................................... 22
圖2.6.4、展頻接收..................................................................... 22
圖2.7.1、CENELEC與FCC規範界定範圍.................................. 24
圖2.7.2、直接序列展頻示意圖................................................... 29
圖2.7.3、跳頻方法的示意圖....................................................... 29
圖3.1.1、X-10信號傳送............................................................. 43
圖3.1.2、X-10傳送開始碼......................................................... 44
圖3.1.3、X-10傳送週期............................................................ 44
圖3.1.4、Decorator Dimmer Switch............................................ 45
圖3.1.5、ActiveHome Two Way Lamp Module............................. 45
圖3.1.6、Power House Three Pin Appliance Module..................... 46
圖3.1.7、The Power House Eagle Eye Motion Sensor................... 46
圖3.2.1、Chirp訊號波形........................................................... 47
圖3.2.2、電力線Control Channel preamble編碼範例波形........... 48
圖3.2.3、電力線Control Channel non-preamble編碼範例波形.... 48
圖3.2.4、OSI各層(Layer)與CEBus model之對應....................... 49
圖3.2.5、CEBus Packet Timing................................................... 50
圖3.2.6、CEBus Packet Format................................................... 50
圖3.2.7、CEBus Physical Layer Sublayer.................................... 51
圖3.2.8、家用PL網的拓撲....................................................... 56
圖3.2.9、阻波器的使用............................................................. 57
圖3.2.10、GE-Smart Manager Plus.............................................. 59
圖3.2.11、GE-Smart Smart Switch.............................................. 59
圖3.2.1、SSC P200..................................................................... 61
圖3.2.2、SSC P300..................................................................... 61
圖3.2.3、典型的SSC P200網路節點圖...................................... 62
圖3.2.4、典型電力線節點.......................................................... 64
圖3.2.5、電力線耦合電路......................................................... 64
圖3.2.6、耦合電路變壓器.......................................................... 65
圖2.9.1、LonWorks各Layer之功能........................................... 63
圖2.9.1、LonWorks各Layer之功能........................................... 74
圖2.9.3、LonWorks網路拓撲..................................................... 77
圖2.9.4、LonWorks系統結構..................................................... 77
圖2.9.5、LonWorks產品使用頻譜與CENELEC對應.................. 83
圖2.9.6、LonWorks架構智慧型住宅.......................................... 85
圖4.1.1、模組接線方塊圖......................................................... 90
圖4.1.2、Jump及接頭位置........................................................ 91
圖4.1.3、RS-232連接器定義..................................................... 93
圖4.1.4、模組照片(不含電源及RS-232介面) ............................ 93
圖4.1.5、模組線路方塊圖.......................................................... 93
圖4.2.1、電源供應器方塊圖...................................................... 94
圖4.2.2、變壓器降壓電源電...................................................... 94
圖4.2.3、無變壓器電源電路..................................................... 95
圖4.2.4、電源電路與電力線模組之連接.................................... 96
圖4.2.5、TTL Level轉換RS-232 Level...................................... 96
圖4.2.6、RS-232強波器線路圖................................................. 97
圖4.2.7、RS-232強波器與通力線模組連接............................... 98
圖4.2.8、成品照片.................................................................... 98
圖4.3.1、ST7536晶片外型........................................................ 100
圖4.3.2、ST7536晶片接腳圖.................................................... 101
圖4.3.3、ST7536尺寸規格........................................................ 104
圖4.4.1、相間耦合電路............................................................ 105
圖4.4.2、耦合電路圖................................................................. 106
圖5.1.2、測試接線圖................................................................ 107
圖5.1.3、測試用電力線(10M) .................................................. 108
圖5.1.4、示波器........................................................................ 108
圖5.1.5、信號產生器................................................................ 108
圖5.1.6、計頻器....................................................................... 108
圖5.1.1、1.6 mm及2.0mm電力線頻率響應之量測..................... 109
圖5.2.1、位元組遺失率量測接線圖(中間未加其它負載) ............. 111
圖5.2.2、位元組遺失率量測接線圖(中間有其它負載).................. 112
圖3.2.3、接收端程式驗證方法................................................... 113
圖5.2.4、位元組遺失率量測傳送端程式畫面.............................. 114
圖5.2.5、位元組遺失率量測接收端程式畫面.............................. 115
圖5.2.6、位元組遺失率量測結果曲線(未加負載) ....................... 116
圖5.2.7、位元組遺失率量測曲線(加入其它負載) ....................... 117
圖5.3.1、字幕機........................................................................ 140
圖5.3.2、控制LED字幕機連接圖.............................................. 140
圖5.3.3、字幕機控制程式畫面一............................................... 141
圖5.3.4、字幕機控制程式畫面二 .............................................. 142
圖5.3.5、字幕機控制程式畫面三............................................... 142
圖5.3.6、字幕機控制程式畫面四............................................... 143
圖5.3.1、電力模組傳送電腦校時信號接線圖.............................. 144
圖5.4.2、SyncDTServer執行畫面............................................... 145
圖5.4.3、SyncDTClient執行畫面............................................... 145
圖5.4.4、Server端程式流程圖................................................... 146
圖5.4.5、Client端程式流程圖................................................... 147
圖5.5.1、電力線通訊器跨越無熔絲開關連接圖 163
圖6.2.1、緩衝控制器................................................................. 169

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