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电力载波集中器设计


东 北 农 业 大 学 成 栋 学 院

毕 业 论 文

论文题目:电力载波通信抄表集中器设计 学生姓名: 指导老师: 所学专业: 丁修增 谭克竹 讲师

。 。 。 。 。 。

电气工程及其自动化

2014 年 6 月

Chengdong Colle

ge of Northeast Agricultural University

Thesis

Thesis topic:The design of concentrator for power line carrier based on auto meter reader Student name: Ding Xiuzeng 。 Tutor name: Tan Kezhu Lecture 。 Specialty: Electrical Engineering and Automation ,

June 2014

电力载波通信抄表集中器设计

电力载波通信抄表集中器设计 摘 要
随着我们国家电力事业的迅速发展,传统的用电抄收管理方式己经不能满足市场需求。本文在 大量收集查阅国内外有关远程抄表系统资料、深入用户及用电管理部门广泛调研的基础上,提出了 一种采用低压电力线载波通信技术的远程自动抄表系统。该系统具有三层网络结构,即上位机管理 系统、集中器和载波电表。重点分析研究了集中器及其与各组成部分的通信。由于我国低压电力线 上存在的高削减、高噪声、高变形,必须采用特殊的通信技术。 本文首先分析了高频信号在电力线中的传输特性;重点讨论了扩频通信技术在电力线载波通信 中的应用;深入研究了以扩频调制解调技术通信技术为基础的、高性能的电力线载波专用 MODEM 芯 片 SSC P300 的内部工作原理。在此基础上,采用 SSC P300 实现了远程抄表系统中集中器与终端载 波电表之间可靠的数据传输。集中器是连接上位机与终端载波电表之间的枢纽,起着上传下达的作 用。根据中华人民共和国电力行业标准规定的集中器的主要功能及性能指标要求,本文重点研究设 计了集中器的硬件系统和软件系统。其中硬件系统主要包括主控制器、外部扩展数据存储器、时钟 模块、上位机通信接口电路以及电力线载波通信电路及其外围电路等。 关键词:电力线载波,扩频通信技术,集中器,载波抄表系统

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电力载波通信抄表集中器设计

The design of concentrator for power line carrier based on auto meter reader ABSTRACT
With the rapid development of power undertaking of our country, the traditional ways of meter reading can not satisfy the demand of market any more. Based on the vast collecting and consulting of the concerned information of the remote meter reading system of the home and abroad and going deep into the consumers and power consumption administrative departments to investigate and research widely, a remote meter reading system adopting carrier communication technology of the low-voltage power line communication (PLC) had been proposed in this paper. It had network structure of three layers,i.e. the computer administrative system, concentrator and carrier meter. And the functions and characteristics of the whole system together with its every component had been analyzed. Because high attenuation,high noise and high distortion exist in the low-voltage power lines of our country ,special communication technology must be adopted. First of all, the transmission characteristic when high-frequency signal was transmitted through power lines was analyzed. Secondly, the application of spread spectrum communication technology to carrier communication of the power line was emphatically discussed. Thirdly,the interior principle of the special MODEM IC SSC P300 adopting Spread-spectrum modem communication technology was deeply studied. Based on this,SSC P300 was selected to the reliable data transmission between the concentrator of the long-distance meter reading system and the terminal signal carrier ammeter. Being the heart of the automatic meter reading system,the concentrator connected the computer with the terminal carrier meter. The hardware system of the concentrator was emphatically designed according to the main functions and the demands for performance targets of the concentrator stated in the power trade standard of PRC. It was
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mainly composed of MCU external expanded RAM,clock module,watchdog module,the computer communication interface circuit and the PLC communication circuit together with its peripheral circuits· . KEY WORDS:carrier power line, spread spectrum communication technology, concentrator, meter reading system.

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目 录
摘 要 .............................................................................. I

ABSTRACT ................................................................ II 1. 绪论 .................................................................. 1
1.1 电力线载波通信的意义和发展状况 ................................................ 1 1.2 低压电力线通信的特点 .......................................................... 1 1.3 有关国内外研究现状和动态 ...................................................... 2 1.4 设计电力载波抄表集中器的目的和意义 ............................................ 2 1.5 该课题的可行性分析 ............................................................ 3 1.6 对于本文的主要任务 ............................................................ 3

2. 电力线载波通信技术介绍 ................................................ 4
2.1 电力线载波通信中信号传输特性分析 .............................................. 4 2.2 常用的低压电力线载波通信技术 .................................................. 5 2.3 扩频通信技术介绍 .............................................................. 6 2.3.1 扩频通信的工作原理 ........................................................ 6 2.3.2 扩频通信的特点 ............................................................ 6 2.4 电力线载波通信的实现 .......................................................... 6 2.4.1 国外的电力线载波专用 Modem 芯片 ............................................ 7

3. 电力载波抄表系统总体设计 .............................................. 9
3.1 自动抄表系统的组成 ............................................................ 9

4. 电力载波抄表集中器的硬件设计 ......................................... 11 4.1 电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计 ............................. 11
4.1.1 集中器的功能及技术指标 ................................................... 11 4.1.2 集中器的结构框图 ......................................................... 11 4.1.3 硬件设计 ................................................................. 12 4.1.4 存储器的掉电保护 ......................................................... 13 4.2 时钟模块 ..................................................................... 13 4.2.1 设计思想 ................................................................. 14 4.2.2 时钟模块的选择 ........................................................... 14 4.2.3 时钟模块与单片机的连接 ................................................... 14 4.3 电力线载波通信电路设计 ....................................................... 15
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4.3.1 载波通信芯片 SSCP300 的发送与接收原理 ..................................... 16 4.3.2 单片机与 SSCP300 通信的控制工作过程 ....................................... 18 4.3.3 RS-232/RS485 接口标准 .................................................... 19 4.4 主控器与 MODEM 通信接口 ....................................................... 20 4.4.1 MODEM 简介 ............................................................... 21 4.4.2 主控器与 MODEM 通信接口电路 ............................................... 21 4.5 电源电路 ..................................................................... 23 4.6 集中器硬件总电路图 ........................................................... 24

5. 电力线载波抄表系统集中器软件的设计 ................................... 25
5.1 通信协议的制定 ............................................................... 25 5.2 集中器软件设计 ............................................................... 25 5.2.1 主程序设计 ............................................................... 26 5.2.2 集中器向上位机的数据传输 ................................................. 27 5.2.3 单片机与扩频芯片 SSCP300 的数据传输 ....................................... 28 5.3 本章小结 ..................................................................... 30

6. 结论 ................................................................. 31
6.1 总结 ......................................................................... 31 6.2 结束语 ....................................................................... 31

致 谢 ................................................................... 32 参 考 文 献 ............................................................. 33

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1. 绪论
1.1 电力线载波通信的意义和发展状况
当今世界,作为输送能源的电力线是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络。而电力线现 在的功能仅仅是传送电能,如何利用网络资源潜力,在不影响传输电能的基础上实现窄带通信或宽 带通信,使之成为继电信、电话、无线通信和卫星通信之后的又一通信网,是多年来国内外科技人 员的又一目标。要使电力网成为一个新的通信网,技术手段只有载波通信。电力线载波通信就是以 电力网作为信道,实现数据传递和信息交换。因为电源线路是每个家庭最为普通也是覆盖最为宽广 的一种物理媒介,其覆盖面超过有线电视网络甚至电话线路,同时由于利用现有的电力网实现数字 通信,可以大大减少通信网建设的费用,因而利用电源线路实现数据通信的技术有着可观的经济效 益和应用前景。 电力线载波通信又分为 35KV 以上的高压载波通信、 10KV 配电网的载波通信和民用 (400V 以下) 电力线载波通信。在技术上高压载波通信主要为业内业务通信,由于网络专一性,其简单的数据通 信在国内外基本成熟,进入千家万户的民用电力网才是最大的通信物理网络。但在该网络上实现通 信一直是全世界科技工作者的研究课题。由于低压电力线上实现通信又很多技术难点,如网络不规 范、节点多、隔离多、随机干扰等。也可以说民用电力网对通信而言是一个不确定、无规则、网络 特性呈拓扑特性的非标准通信网,是通信网络的一大挑战课题。本文研究的对象正是低压电力线通 信。

1.2 低压电力线通信的特点
总的说来,低压电力线信道的特点主要包括下面几个方面的内容: (1) 噪声和干扰大 低压电力线网络中,各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信 环境。 己有的研究结果表明, 噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优质传输的主要障碍之一。 现在把各种噪声干扰主要来源归纳为 4 个方面: (a) 可控硅器件和一些电源电路产生的 60Hz 的倍频谐波(注:美国电力线频率为 60Hz); (b) 平滑频谱噪声,其频谱平坦,可以看作有限带宽的白噪声,家电中的小电机是产生这类噪 音的根源; (c) 单脉冲干扰,通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起; (d) 非同步周期噪声,如电视的行扫描频率对电网的干扰。 (2) 信号衰减大 信号在电力线上传输过程中的衰减是低压载波通信遇到的另一难点。同时,由于低压配电网直 接面向用户,负荷情况复杂,各节点阻抗不匹配,所以信号会产生反射、谐振等现象,使得信号的 衰减变得极其复杂。信号的衰减随着传输距离的增加而增加,同时,信号的衰减与频率、工频电源
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的相位有关, 一般来说, 随着频率的增加, 信号的衰减也将增加, 而在某些特殊的频段, 由于反射、 谐振及传输线效应等的影响,衰减会出现突然剧增。在 100-- 400kHz 频带内,信号的平均衰减为 40dB,标准偏差为 20dB。 (3) 随机性和时变性 低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性,这是低压载波通信面临的又 一挑战。由于用户负荷的随机接入和切除,网络结构的变化以及不可抗拒的自然因素,如雷电等的 影响,使得其干扰表现出很强的随机性和时变性,从而难以找到一个准确的数学模型来加以描述。

1.3 有关国内外研究现状和动态
在国外,自动抄表系统的技术发展比较早,欧美等国在上个世纪七、八十年代就开始试验探索 自动抄表技术, 70 年代美国引进欧洲音频电力负荷控制系统的基础上开发研制了负荷监控及抄表系 统,80 年代,以色列研制成功低压电力线载波集中抄表技术,九十年代初自动抄表技术逐渐成熟, 在世界各地得到了迅猛的发展。近年来,美国、以色列、德国和英国的科技人员一直从事这方面的 技术研究与开发。90 年代初,自动抄表技术被引进到中国,早期的 AMR 系统主要用于大电网的电能 量考核结算。中国电力科学研究院自 1997 年开始研究电力线载波通信 PLC(Power Line Carrier) 技术,主要考虑 PLC 技术用于低压抄表系统,1998 年开发出样机,并通过了试验室功能测试,1999 年在现场进行试运行,获得了产品登记许可。1999 年 5 月开始进行 PLC 系统的研究开发工作。主要 对我国低压配电网络的传输特性进行了测试,并对测试结果进行了数据处理和分析,基本取得了我 国低压配电网传输特性和参数,为进行深入研究和系统开发提供依据。采用低压电力线载波则具有 它的先天优势,只要解决相关的技术性问题,它的成本将是最低的。它的研究成功不仅可以替代人 工日常抄表工作,提高工作效率,减少人为差错,加强用户管理,而且能够实现远程监控管理工作 的全面自动化,是电力部门实现远程自动抄表的发展趋势,具有广阔的应用前景。 目前, 国内虽然出现了一些自动抄表系统, 但是安装量并不大, 而且技术并不成熟, 成功率低, 所以自动抄表系统的研究还是有较大的发展空间。本课题就是在这种情况下,将现场总线技术、低 压电力线载波通讯技术和电话通讯技术结合起来,以实现远程集中式抄表系统的自动化和智能化。

1.4 设计电力载波抄表集中器的目的和意义
自动抄表系统是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据的一项新技术。发展 自动抄表技术是提高物业管理水平的需要,也是网络和计算机技术迅速发展的必然需要。采用自动 抄表技术,不仅能节约人力资源,而且可提高抄表的准确性,减少因估计或誊写而造成账单出错, 使相关管理部门能及时准确获得数据信息,由于用户不再需要与抄表者预约上门抄表时间,还能迅 速查询账单,故这种技术越来越受到用户的欢迎。随着电价的改革,供电部门为迅速出账,需要从 用户处尽快获取更多的数据信息,如电能需量、分时电量和负荷曲线等,自动抄表为实现上述需求 提供了切实可行的技术手段。 近 10 年来,美国、英国、德国、以色列、中国等国的科技人员一直从事这方面的技术研究与
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开发。到目前为止,国内外己有一些企业开发出了用于电力线载波通信的产品 :如开发的电力线载 波抄表系统在技术上取得了可喜的进步和成功, 但尚未能符合用户使用要求, 由于专用芯片的原因, 抄表系统的抄到率最高仅能达到 90%左右。尽管如此,目前我国在该方面的技术属先进行列。实践 证明用进口通用通信芯片不可能实现我国民用电力网的可靠载波通信。但是随着市场需求和技术的 发展,将来的民用电力线载波通信必将成为一个很大的通信网。

1.5 该课题的可行性分析
本课题所设计的自动抄表系统主要的难点是解决低压电力线载波通讯技术和电话网通讯技术, 随着扩频载波技术被应用到在低压电力线载波通讯中,在规定的通信距离中,其抄表的成功率高达 100%,在我国已经开发研制成功;而电话网络经过多年的发展,己经被实践所检验,基本上不存在 任何问题。因此,本自动抄表系统在技术层面来讲是可行的。在经济实用性方面,本课题设计的自 动抄表系统有着绝对的优势,本系统在设计中所采用的通讯媒介是低压电力线网络和现有的电话网 络,不需要另外再铺设通讯设施,因此在经济实用性方面也是完全可行的。综合以上两个方面,可 见本课题所设计的自动抄表系统是完全切实可行的。

1.6 对于本文的主要任务
本课题是在总结前人的自动抄表系统的基础上,结合我国的实际情况,设计出一种经济实用的 自动抄表系统。该系统底层通讯方式采用低压电力线载波通信的方式,载波芯片使用 Intel Lon 公 司的 SSCP300 扩频载波芯片;上层通讯采用电话网络。

载波芯片

接口电路

接口电路

载波芯片

处理器

处理器

图 1-1 载波接口电路

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2. 电力线载波通信技术介绍
电力线载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通信,是电力系统特有的一种通信方式。它 根据频率搬移、频率分割原理,将原始信号对载波进行调制,搬移到不同的线路传输频带,送到电 力线上进行传输。由于通信所使用的频率一般在几百 KHZ 以上,因此可以避开 50HZ 工频电流的干 扰。和其他通信方式相比,具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继和通 信距离长等一系列优点。 从六七十年代以来,利用 10kV 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已经获 得广泛应用,对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但在 220V/380V 低压电 力线上进行信号传输, 与高压电力线载波通信有很大区别, 突出表现在工作环境恶劣、 线路阻抗大、 信号衰减强、干扰大且时变大等特点。因此,在使用电力线作为信号传输媒介之前,需要对它的信 道特性进行分析。

2.1 电力线载波通信中信号传输特性分析
由于电力线并不是专为传输信号而设计的,所以有必要分析高频信号在电力线中的传输特性。 影响电力线载波传输质量的主要因素有:电力网络的阻抗特性、衰减特性及噪声的干扰。前两者制 约信号的传输距离,后者决定数据传输的质量。 (1) 低压电力线上输入阻抗及其变化 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数,研究输入阻抗对于提高发送机的效率,增加 网络的输入功率有重大意义。理论和实验表明低压电力线上的输入阻抗不仅与传输信号的频率有关 系,而且与低压电力线上所连接的负载有关系。在理想情况下,当没有负载时,电力线相当于一根 均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响,输入阻抗会随着频率的增大而减小。当电力 线上有负载时,所有频率的输入阻抗都会减小。但是,由于负载类型的不同,使不同频率的阻抗变 化也不同,所以实际情况非常复杂,甚至使输入阻抗的变化不可预测。由于低压电力线输入阻抗的 剧烈变化,使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配,因而给电路设 计带来很大的困难。 (2) 低压电力上高频信号的衰减及其变化 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。对高频信号而 言,低压电力线是一根非均匀分布的传输线,各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接 或断开。因此,高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然,这种衰减与通信距离、信号 频率等都有密切关系。总的来说,信号传输的距离越远,信号衰减就越厉害。但是,由于电力线是 非均匀不平衡的传输线, 接在上面的负载的阻抗也不匹配, 所以信号会遇到反射、 驻波等复杂现象。 这些复杂现象的组合,使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂,有可能出现近距离点的衰减 比远距离点还大的现象。对于民用电网,其三相电源所接的负载大小和性质都不相同,所以同样强 度的信号在三相电线上的衰减也不同。这种现象有时就表现为虽然接收端和发送端的位置不变,但
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接在不同的相上,通信的误码率不同。 (3) 低压电力线传输干扰特性分析 在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是电力线上干扰的特殊性 质。电力线上的干扰可分为:非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些自然现象,如雷电在 电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的,并对数据通信有严重的 影响。干扰可分为周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性 干扰。通常情况下,前两类干扰更为突出。 通过以上讨论可以看到,低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂,而且随机性、时 变性大,难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述,这也是为什么一直以来对低压电力 线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试分析为主的原因。即使有些学者提出了一 些模型,但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制,因而也是不精确的或适用面很窄。这种精 确数学模型的缺乏,对低压电力线载波通信设备的设计提出了很高的要求,即要求其有很好的自适 应能力。 但同时, 出于实用的角度, 为了获得合理的性价比, 又要求其成本要限制在一定的范围内。 这些对系统的设计而言是一个很大的挑战。尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难,用 低压电力线作为通信信道仍然是可行的,只是需要采用一些特殊的技术手段。

2.2 常用的低压电力线载波通信技术
(1) 窄带通信方式 窄带通信方式价格低廉并且较易实现,所以在以往的应用中比较常用。但窄带技术的缺点是抗 干扰能力较差,尽管窄带通信中的接收器具有较窄的通带,使得仅有一小部分噪声能进入接收器, 但由于此类接收装置中的滤波器具有高品质因数,瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰,引起它对传 输来的信号产生误操作;而使用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大,令更多的噪声进入接收 器,所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。 (2) 多载波调制方式 多载波调制是一种多载频并传体制,其基本原理是将输入信息转换成多路并行信号,对相互完 全正交的一组载波进行调制。因此,多载波调制方式技术的实质是将时分多路的数据传输转化成为 频分多路的数据传输。由于各载波之间的正交性,完全消除了彼此之间的串扰,同时利用相同的正 交载波组在接收端恢复原始信号。 (3) 扩频通信方式 实用扩频技术在 50 年代中发展起来,起初扩频技术只用于军用通信、制导等军事领域,由于 它具有许多特点,使得其理论和实践发展迅速。扩频通信技术在 90 年代才开始应用到民用上,目 前己经在低压电力线通信上得到广泛应用, 并已经取得了很大的发展, 成为电力线载波通信的热点。 扩频通信方式是一种简便、易实现、价格低廉的方式。本文的低压电力线载波通信方式采用的就是 扩频通信技术。
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2.3 扩频通信技术介绍
扩频通信是目前应用广泛的通信技术,它相对于窄带通信系统来说有一定的优势,主要表现在 扩频通信具有优越的抗干扰性能,它能够很好的克服电力线上的噪声和干扰,扩频通信用伪随机码 把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展,形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。接收端 使用相关处理方法,把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。这些特征使扩频通信信号不易受干 扰,也不容易干扰他人。扩频信号具有较宽的频谱,因而分散了噪声功率,使干扰程度减小,提高 了通信的可靠性。

2.3.1 扩频通信的工作原理
在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调 制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信 号,变频至中频,然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调,恢复 成原始信息输出。

2.3.2 扩频通信的特点
扩频通信是一种新型的通信体制,是通信领域中一个重要的发展方向。与传统的通信方式相比 较,它具有如下的特点: (1) 抗干扰能力强 扩频系统的抗干扰能力是其它所有通信方式无法比拟的。特别是在干扰的环境下,采用扩频通 信技术是提高通信设备抗干扰能力最有效的措施。因此,抗干扰能力将是扩频通信的最基本特点。 (2) 具有选址能力 由于采用编码信号形式,对一个或一组接收机分配规定的码组作为地址,而对其它的接收机分 配不同的码组。这样,用不同的编码序列去调制发射机,就能实现选择地址的目的。 (3) 抗多径干扰能力强 扩展频谱信号占据的频带很高,当由于某种原因引起衰落时,只会使小部分频谱衰落,而不会 使整个信号产生严重畸变。故具有抗频率选择性衰落的能力。此外,在存在多径干扰的场合,由于 伪随机码尖锐的相关特性使多径射束完全独立。 只有当多径时延小于码元宽度时, 才发生轻度衰落。 而当码元很窄,伪随机码长度很长时,多径反射信号不会同时到达接收点。扩频系统将多径反射信 号作为干扰噪声处理。故具有很强的抗多径干扰能力。此外,扩频通信还具有信号功率谱密度低, 有利于信号隐蔽,实现多扩频系统具有一系列其它系统无法比拟的优点,有效地解决了强干扰环境 中的通信问题。

2.4 电力线载波通信的实现
目前,低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。采用扩频通信技术,能在
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很大程度上克服电力线上强衰减、强干扰的缺陷,大大提高通信系统的生存能力。鉴于电力线的恶 劣的通道特性,必须采用专用的电力线载波专用 MODEM 芯片,这也成为电力载波抄表系统的关键技 术。因此电力线载波通信的关键就是选用一种功能强大的电力线载波专用 MODEM 芯片。

2.4.1 国外的电力线载波专用 Modem 芯片
国外在电力线载波通信技术方面发展较早,多家国外公司陆续推出了自己的电力线载波 Modem 芯片。下面简单介绍几种常见的 Modem 芯片: ST7536 芯片 ST7536 是 SGS-THOMSON 公司专为电力线载波通讯而设计的 Modem 芯片。 由于它是专用于的 Modem 芯片,所以除有一般 Modem 芯片的信号调制解调功能外,还针对电力线应用加入了许多特别的信号 处理手段。目前,在国内电力线载波抄表领域应用广泛,只是各公司应用水平不同。ST7536 也是较 早的电力线载波 Modem 芯片,调制解调技术是较落后的 FSK 方式,加上三字节容错,它最高波特率 只能达到 400 bps。另外它无 CSMA(网络载波侦听)功能,这些限制了它的应用。它通讯距离不是 很理想;需要作中继器时,通讯速度太慢。 (2) SSCP300 芯片 SSCP300 是 INTELLON 公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波 Modem 芯片,利用网络接口 控制器将扩频通讯收发器和媒介存取接口高度集成化,是用于低廉的电能抄表系统的网络接口控制 器,为一个高度集成化的电力线收发器和信道存取接口。它采用了扩频(Chirp 方式)调制解调技 术、现代 DSP 技术、CSMA 技术以及标准的 CEBUS 协议,可以称为智能 MODEM 芯片,体现了 Modem 芯片的发展趋势。SSC P300 提供了数据链接层的控制逻辑,符合 EIA-600 标准的通道访问及通信服 务提供与 SPI 兼容的主处理器接口。另外,P300 应用时,需要接到电力线上所需的外部电路是非常 少。SCSP300 与主处理器一起构造的与 CE Bus 兼容的产品,在各种低廉的电力线网络应用中,充当 着基本的通讯单元。SSCP30O 的特性如下: (a) 有符合 EIA-600 标准的物理层收发器 (b) 具有集成化的 DLL 处理器,满足与 EIA-600 标准兼容的信道存取特征 (c) 提供针对电力线(LP)扩频载波(SSC)的通讯技术 (d) 具有串行外围接口(SPI)与主处理器的接口 (e) 可以在低压下进行操作 (f) 需要最少的外部元件;可进行即插即用 (g) 为 20 脚的 S0IC 封装,大小约为 1.3CM X 1.0CM (3) PL3105 芯片 PL3105 芯片是北京福星晓程公司为智能仪表应用设计的产品, 它内嵌直接序列扩频单元。其扩 频通信单元是专门针对我国电力网络恶劣的信道环境所研制开发的。由于采用了直接序列扩频、数 字信号处理、直接数字频率合成等新技术,所以在抗干扰、抗衰落性能以及国内外同类产品性能价 格比等方面有着更加出众的表现。
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(4) SCll28 芯片 SCll28 芯片是面向电力线载波通信市场而开发研制的专用扩频调制解调器电路。 由于采用了直 接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术,因此该电路应用在电力线通信方面具有 较强的抗干扰及抗衰减性能。SC1128 芯片内部集成了扩频/解扩、调制解调、D/A 和 A/D 转换、内 置电子表、输出驱动、输入信号放大、看门狗、工作电压检测以及与单片机(MUC)串口通信等功能。 该芯片在小型多功能应用系统中可以起到降低系统成本并提高系统功能的作用。

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3. 电力载波抄表系统总体设计
3.1 自动抄表系统的组成
图 3-1 是基于电力线调制解调器的自动抄表系统的结构示意图,系统以供电局的计算机抄表中 心为主站,以电力变压器 10KV/380V 供电的每个小区为相对独立的子系统,在这些子系统中,集中 器又相当于主站,电能表以及数据采集器为从站。采集器的作用是采集多个用户的电表数据,通过 电力 Modem 的调制解调,并经 22OV 低压电力网用载波方式送到集中器,集中器再通过公用电话网 或专用通信网(如光纤或无线电通信等)把数据传送到供电局的计算机抄表中心。 由系统结构示意图可知,自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级传送完成,也可以根据实际 情况的需要进行数据双向传输,该系统可分为五个主要组成部分: (1) 电能用户表; (2) 数据采集器; (3) 电力线 Modem; (4) 集中器; (5) 计算机抄表中心。
供电局计算机 抄表中心 Modem 电话网 专业网 Modem 集中器

电能表

采集器

电力线 Modem

低压/ 电力网

电力线 Modem

图 3-1 系统结构示意图 抄表系统各组成部分的功能是: (1) 电能用户表 对于电磁式电能表, 需在表内加装一只传感器或光电模块, 将电能表的数据转换成电信号输出; 对于电子式电能表,则可以直接利用表的电脉冲输出。 (2) 数据采集器 数据采集器实际上是计一费终端和数据集中器中间的一个桥梁,它的主要功能在于同时采集多 个用户电能表的电量脉冲信息,并经过处理和存储,通过电力线 Modem 沿低压电网送到集中器上。 并且当接收到上层的命令时,数据采集器能够向计费终端发出抄表或者断电的命令。 (3) 电力线 Modem 主要是对采集器送来的数据进行调制和解调,增强对低压电网的抗干扰性和减低信道传输的误 码率。 (4) 数据集中器
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数据集中器是安装在小区的配电站区的, 它的功能是向采集器发出命令, 抄收计费终端的数据, 然后再通过公用电话网络传送给远方的数据中心;数据集中器能够接收的数据中心的命令,并把相 关命令再转发给辖区内的指定的数据采集器。此外,数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据, 并把抄收到的数据存储到数据存储器中。 (5) 计算机抄表中心 通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设置用户编号和抄表时 间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务。 (6) 集中器与数据中心之间的通信 数据集中器与数据中心之间的通讯采用公用电话网络作为通讯媒介,自动抄表系统的数据中心 与数据集中器之间的通讯主要是电话线 Modem 模块之间的通讯, 在电力线载波集中抄表器的设计中, 我们利用单片机进行两地间的数据通信,通过单片机及对应的控制电路和 FSK(移频键控)调制解调 器(MODEM)相结合,借助现有的公用电话交换网(PSTN 进行传输,来实现两地之间的数据通信功 能。
PC RS-2 32/T TL 转换 M O D E M 电 话 网 接 口 电 话 线 接 口 M O D E M 单 片 机

图 3-2 集中器与上位机的通信框图 发送端从 PC 的 RS-232 口出来,经 RS-232/TTL 电平转换芯片将 RS-232 电平转换成 TTL 电平送 到调制解调器,调制解调器将数据调制成音频信号,通过电话通信网传到对方的调制解调器,对方 的调制解调器将音频信号解调成数据,再送到对方的单片机中,进行数据处理。反之亦然 (7) 数据采集器与数据集中器之间的通信 低压电力线载波数据不能够跨越变压器,所以数据集中器基本上是被设置在住宅小区配电站以 内,数据采集器与集中器之间的通讯采用低压电力线载波通信方式。

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4. 电力载波抄表集中器的硬件设计
4.1 电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计
集中器是集中下属的数据采集器的数据,并发给中心服务器,集中器有两个通信对象,面对不 同对象时,需要采取不同的通信方式,在于数据采集器通信时,使用电力线载波通信,并通过电话 线与中心服务器实现通信。集中器的信息存储和处理量较大,我们需采用处理速率较高的处理器并 进行存储器的扩展。集中器是安装在小区供电变压器低压侧,作为载波抄表系统的中心环节,是整 个系统的核心,是连接机与用户电表之间的枢纽。

4.1.1 集中器的功能及技术指标
设计任何一个产品之前明确它的功能和技术指标是非常必要的。集中器作为电力线载波抄表的 一部分,起着上传下达的作用。集中器的主要功能有: (1) 抄收功能 根据设置的抄收方式采集抄收电表的数据。集中器可根据上位机下载的定时抄表,在每月一次 按时启动月冻结抄表;具有实时抄表和对某些特定表进行抄表的功能。 (2) 设置功能 可通过上位机对集中器进行设置,包括抄表时间设置、固定中继设置等。 (3) 通信功能 集中器接收上位机下载数据,包括电表数量、表号、抄表参数以及中继管理需要的信息,可根 据设置抄收载波电表的数据。 (4) 数据处理 数据处理包括数据的存储、冻结等。 (5) 校时功能 集中器可通过上位机进行系统校时,调整时间误差。

4.1.2 集中器的结构框图
集中器本身是由主控单元、数据库存储单元、时钟单元、载波通信单元、数据传送通信单元等 部分组成。集中器既要做上位机的从机,又是载波电表的主机,其软、硬件的设计要求从根本上保 证系统可靠、稳定。 主控器是集中器的核心,数据的采集、处理与传送都是在主控器的控制下进行的,外部扩展数 据存储模块和时钟模块。数据存储器主要用于存储参数、变量、集中器自身的参数、所负责电表的 参数以及电表电量等;实时时钟为集中器定时抄表提供时间标准;上行通道即集中器与上位机之间 的通信线路,采用公用电话网络作为通信介质,上位机与集中器进行通信时要设置集中器连线所连 接的电话号码;下行通道即集中器与载波电表之间的通信,采用以 SSC P300 为核心的电力载波方
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式进行抄表通信。集中器的组成结构框图如图 4-1 所示。
主 控 单 元 时钟模块 电力载波收发电路 低压电力网

数据存储模块

Modem 接口电路

公用电话网

图 4-l

集中器组成结构框图

4.1.3 硬件电路设计

图 4-2 单片机存储器的扩展电路 W77E58 单片机由于受管脚的限制,在扩展存储器时,数据线和地址线是复用的。P2 口的 P2.0P2.4 作为高 5 位地址线,P0 口作为低 8 位地址/数据总线,P0、P2 口的 P2.0- P2.4 共同组成 13 位地址,寻址范围为:0000H-3FFFH。扩展的数据存储器 6264 为 8KB,需 13 根地址线, 寻址范围 为:0000H-1FFFH。扩展的程序存储器 2764 为 8 KB,需 13 根地址线, 寻址范围为:1000H-2FFFH。 W77E58 的 P0、P2 口和 6264 的 A0-A12 地址线相连接,P0 口 P0.0-P0.7 双向数据线相连;RD/是用 于访问外部数据的读选通,连接 6264 的输出允许端 OE/;WR/是用于访问外部数据的写选通信号, 连接 6264 的输入使能端。当 WR/为低电平,片选端 CE/为低电平时,将 P0 口和 P2 口的 P2.0- P2.4 上的数据写到 A0~A13 选中的存储单元中。在扩展了外部数据存储器后,PO 和 P2 口 P2.0- P2.4 不 能再用于其它功能。 由于 W77E58 的低 8 位地址和数据分时复用,因此需要外部地址锁存器 74LS373
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和 ALE 锁存信号来锁存低 8 位地址,它在下降沿锁存地址。

4.1.4 存储器的掉电保护
在单片机系统中,当主电源 DC 5V 失去时,我们称之为掉电。掉电之后,单片机会停止工作, 时钟会停止往前走,存储器的数据容易丢失,这种结果在许多场合往往是不希望的,为了保证单片 机在主电压失去时仍然能够保持运行,人们就利用干电池对单片机系统继续进行供电。 单片机允 许在电压低至 2V 甚至更加小一些的电压供电时,仍然可以保证其最基本的运行。 电池在主电源 失去时,对单片机存储器的继续运行提供能源,此时的电池能源是非常宝贵的,而且随着保护时间 的延长,电池的电量也会用完的。所以,保护电路有一个最长保护时间的参数,使用中不能超过, 否则,保护就会失效。当电池经过保护时间的使用之后,就需要补充电能,以便下一次保护时能够 正常投入保护工作。所以在系统正常工作时应该给电池充电。电池在主电源正常供电时,需要由主 电源对其进行充电;当主电源失去时,又由电池放电以保持单片机系统的运行。

图 4-3 数据存储器的掉电保护电路

在本系统中,采集的用户电表数据都存储在外部扩展的数据存储器中,存储器一旦掉电,将失 去所有数据,所以必须给数据存储器加掉电保护,防止数据的丢失。正常工作时,由 VCC 5V 电源 供电,此时,VCC 5V 电源通过 D1 和 R1 ,对保护用电池进行充电,以保证电池电量的充足。适 当选择 R1 的大小, 可以保证充电电流和充电时间都比较合理。 当主电源失去后, 电池通过 R1+R2 , 对存储器供电端口进行供电,供电电流通过 R1+R2 之后,会有压降,到达存储器的 VCC 端口时, 电压就会比 3.6 低,一般会在 2V—2.5 左右,但可以防止存储器中的数据丢失。

4.2 时钟模块
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4.2.1 设计思想
电力线载波抄表系统是一个与时间记录有很大关系的系统,上位机不但要从集中器采集电表数 据,还要知道固定时刻电表数据的值,因此实时时钟是必不可少的。将时钟放在集中器上,既可以 满足系统对时间信息的基本要求,也不会给系统增加过多的负担。当平时运行抄收命令时,集中器 会每抄收一块电表就加上当时的时间。将时钟放在集中器上还有利于上位机对时钟进行精确校时。

4.2.2 时钟模块的选择
本文选用的 DS12887 是 DALLAS 半导体公司新推出的实时时钟芯片,可直接取代 DS1287,该芯片 引脚少、体小、使用方便、价格便宜,功能丰富,应用广泛。它在工业控制及智能仪器仪表中有广 泛用途,一般 PC 机内的时钟信号就是由 DS12887 提供的。DS12887 的特点: (1)可作为个人计算机的时钟和日历; (2)与 MCl46818B 和 DS1287 的管脚兼容; (3)在没有外部电源的情况下可工作 10 年; (4)自带晶体振荡器及锂电池; (5)可计算到 2100 年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七种日历信息并带闰年补偿; (6)用二进制码或 BCD 码来表示日历和闹钟信息; (7)并有 128 字节带掉电保护的 RAM。DS12887 的管脚图如下:

AD0-AD7:地址/数据,应接 P0 口; MOT:总线类型选择,与 89C51 连接时接地; CS:片选 ; AS:地址选通,与 89C51 连接时接 ALE; R/W:读/写控制,与 89C51 连接时接 WD; DS:数据选通,与 89C51 连接时接 RD; RESET:复位,接+5V; IRQ:中断请求输出。 图 4-4 DS12887 的管脚图

4.2.3 时钟模块与单片机的连接
时钟芯片在智能电量测量仪的设计中有着广泛的应用,显示积累值及当前时间。DS12887 芯片 在为系统提供时间信息的同时,还保证了积累值及其它重要数据在掉电情况下不致丢失 ,对时间 的读取可以采用查询方式,即查询到位 IRQ/为 0 时读时间,也可以采用中断方式使芯片每秒钟中断 一次,在中断程序中读时间,为了提高工作效率 通常采用中断方式。[16]DS12887 芯片与单片机的 接口电路如图所示,因为与 51 系列单片机连接, 所以 MOT 接地; 片选 CS 接 138 译码器的 Y2 端; IRQ
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端接一上拉电阻连到 W77E58 的中断 INT1 端,即采用中断方式读取时钟参数,当允许 DS12887 向单 片机申请中断,SQW 端输出为 500ns 的方波;数据模式为 BCD 码,时间采取 24h 模式。由于 DS12887 内部带有锂电池,可保证其正常工作达十年之久。所以不管外部供电电压如何,一旦启动 DS12887 的计时功能,它将自动地进行年、月、日、星期、时、分、秒的计时。并能保证在 25℃环境温度的 情况下,计时精度在±1min/月的范围内。

图 4-5 单片机与时钟芯片 DS12887 的连接电路

4.3 电力线载波通信电路设计
电力线载波电路是负责与载波电表的通信,能同时接收多路电力载通信,每一路电力载波均有 独立的收发系统。载波电路是整个系统的核心,本文采用 SSC P300 作为电力线载波专用调制解调 芯片。需要配合外围功率放大电路和接收回路才能工作,载波通信的距离与外围电路设计优劣、功 率小等密切相关。 从 SSCP300 输出的信号幅度小、 驱动能力弱, 而且有各种谐波, 因此要放大滤波, 然后通过耦合电路将信号调制到电力线上。电力线传来的载波信号由 SSCP300 接收,需一个带通滤 波器,经过预放大再送到 SSCP300 的接收端,再送给单片机进行处理,单片机中存储的数据经过现 有的电话网传送给控制计算机,控制计算机根据数据对供配电进行控制。 低压扩频载波模块主要由 SSCP300 低压电力线扩频载波网络控制器、前置功放和电力线藕合电 路构成,负责对单片机送来的数据进行线性扫频调制,放大后藕合到电力线上,对通过电力线送来 的载波信号进行扫频解调后送给单片机。这种数据通信采用了收发分时控制的半双工通讯。该模块
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与配变集中器的设计通信距离为 1000 米。在信道特性最恶劣的情况下,也要保证不小于 600 米。 低压电力线载波通信的原理结构框图如图 4- 6 所示。
S 低 压 电 力 线 载 波 C 耦 P 合 带通滤波器 前级放大器 3 0 0 功率放大器 滤波器 缓冲器 S

图 4-6 低压电力线载波通信的原理结构框图 电力线载波通信是电力线载波抄表集中器的核心任务,采用先进的载波调制原理,充分利用电 子技术和微处理器技术,开发通用的电力线载波通信设备则是电力线载波抄表的重要基础工作。本 文将以 SSC P300 为核心器件,就其工作原理、电路设计开发展开讨论。 扩频通信技术是将信息在载波调制的基础上再进行扩频调制,将信号频带展宽成比信息带宽大 得多的宽频信息带进行通信的一种信息传输方式。扩频通信具有很强的抗干扰性能,通过相关分析 实现可靠的数据传输。线性扩频是指在发送数据信号的一个周期内,其载波的频率作线性变化。线 性调频信号的产生可由一个锯齿波信号调制压控振荡器来实现(与扫频信号相似) 。发送时将该线 性调频波作为载波来对传送的基带信号(信息数据)进行扩频调制,实现频谱扩展后形成相当带宽 的低功率谱密度信号,通过输出放大器和媒介耦合电路传输到媒介;接收时电力线上的线性扩频信 号通过耦合[滤波网络输入,并可采用匹配滤波器对线性调频信号进行压缩处理,使信号在一个很 短的时间内输出集中的能量。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩,甚至反被扩展,从而提 高信噪比。最后对检出的信号进行解调及相关处理,恢复原始信息。

4.3.1 载波通信芯片 SSCP300 的发送与接收原理
SSCP300 是 Intellon 公司推出的网络接口控制器提供了扩频载波电力线的传输技术 ,是符合 CEBus 标准的低价位产品,P300 提供了 EIA-600 标准中的数据链路服务,物理层收发器,串行外围接 口的主机接口;通讯中的数据链路功能的物理层的数据链路模式(DLL),控制模式(CON)和监控模式 (MON)。 图 4-7 给出了 SSCP300 网络接口控制器的节点图,SSCP300 提供了通讯中的数据链路功能和物 理层协议服务,主处理器负责与 SSCP300 的通信及执行特殊的应用工作,SSCP300 提供数据链路功能 和物理层的协议 LinkLa 服务。其中特殊的 DLL 服务包含了对通信分组的发送和接收,对发送的字符 由字节向符号转化,对于接收的分组由符号向节字转化,以及发送信道的存取和 CRC 的产生与校验, 电力线模拟功能包括将信号频率耦合到媒体上,放大信号以驱动媒体的阻抗,对输入信号滤波。模拟 通过信号首先从其 SI 脚进入 SSCP300,然后被缓存放大器(Amp)所放大,放大后的信号通过 A/D 转化
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为数字信号,以便于对信号实施数字信号处理。对输入信号的数字信号处理,包括一个配套的滤波相 关器以检测扩频“Chirps”的波形,而载体检测和媒介状态信息则被从 DSP 电路传输到数据链路层 (DLL)的微处理器,以便于将分组解码,协议功能和最终的分组传输到主处理器。将欲发送的分组先 从主处理器传输到内部的 DLL 微处理器,而 DLL 微处理器则将数据传输给 DSP 功能块。 DSP 可产生扩 频载波(SSC)的高层状态和低层状态,通过 D/A 产生扩频“Chirps”模拟波形。当三态信号被置为高 时,此波形经缓存后从 SO 脚输出,经功率放大模块(如 P111)和变压器耦合到电力线上,为了保障扩 频信号能够线性传输变压器应为 1∶1,主处理器与 SSCP300 通过发布指令进行通信。 从 SSCP300 输出的信号幅度小、驱动能力弱,而且有各种谐波,因此要放大滤波,然后通过耦 合电路将信号调制到电力线上。电力线传来的载波信号由 SSCP300 接收,需一个带通滤波器,经过 预放大再送到 SSCP300 的接收端,再送给单片机进行处理,单片机中存储的数据经过现有的电话网 传送给控制计算机,控制计算机根据数据对供配电进行控制。 利用扩频载波技术开发多用户环境下的电力线 Modem 通信网络的通信模块是由电力线数据通信 接口(PDCI)和电力线调制解调器(SSPM)构成。 PDCI 用于连接计算机和计算机、 计算机和嵌入式设备, 实现网络通信的上层(应用层和网络层)的通信协议。SSPM 用于将数据包中的数据耦合到电力线上, 实现网络通信的物理层和数据链路层的网络服务。SSPM 是由 SSC P300 和 SSC P111 构成的,而 SSPM 是由主处理器 W77E58 控制核心控制的,SSC P111 媒介接口和电力线耦合电路部分完成缓冲放大、低 通滤波和信号耦合等功能。SSC P300 网络接口控制器,实现具体的数据链路层功能(包括数据包的发 送和接收、发送字节到符号的转换、接收符号到字节的转换及 CRC 的产生和校验等)。主处理器 W77E58 作为控制核心,控制通过 5 线的串行外围接口(SPI)把即将发送的分组先传输到 SSC P300 内 部的 DLL 处理器,而 DLL 处理器则将数据传输给 DSP 功能块。DSP 可以通过使用一个 300 点的 ROM 查询表来产生扩频载波(SSC)的高层状态和低层状态,此表可以驱动 8 位 D/A 转换器以产生 SSC"CH IRPS"波的模拟波形。SSC P300 从电力线上耦合并解调出来产生解调后的信号,主处理通过 5 线的 串行外围接口 SP2 将从 S2 输入的解调后信号经过信号转换得到的数据分组接收进来,而 PDCI 实现 SSPM 和上位机的通信。我们选择使用计算机和嵌入式设备的标准接口 RS-232 和 RS-485 作为 SSPM 和上位机的通讯方式。 下图为电力线载波通信模块

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图 4-7 SSC300 和 SSCP111 构成的电力线载波通信模块

图 4-8 基于 SC300 和 SSCP111 的辅助电路 电力线载波通信模块是由 SSC P300 和 SSC P111 构成的,且由主处理器 W77E58 控制核心控制的。 SSC P111 媒介接口和电力线耦合电路部分完成缓冲放大、低通滤波和信号耦合等功能。 SSC P300 网络接口控制器,实现具体的数据链路层功能(包括数据包的发送和接收、发送字节到符号的转换、 接收符号到字节的转换及 CRC 的产生和校验等)。

4.3.2 单片机与 SSCP300 通信的控制工作过程
单片机 W77E58 是整个模块工作的控制核心。首先解析上位机发送的命令和数据,根上位机的要 求向电力线媒介发送和接收数据包, 单片机对载波通信的控制是通过和 SSC P300 的交互来完成的。
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电力线媒介的实时网络通信是由 SSC P300 管理的,SSC P300 提供的由主制器通过 SPI 端口管理的功 能使得主处理器获得最佳的网络应用层的实现。SSC P300 内部供多个数据结构设定其运行方式和表 征其运行状态。单片机通过发送命令读取这些数据结来判断发生的事件及当前状态,并通过发送相 应的命令做出相应的处理操作.命令和数据结在主控制器和 SSC P300 之间的传送是通过 SPI 接口实 现的。关于数据结构的详细信息和令协议的详细信息,请参见 SSC P300 的资料。 主处理器 W77E58 作为控制核心,控制通过 5 线的串行外围接口(SPI)把即将发送的分组先传输 到 SSC P300 内部的 DLL 处理器,而 DLL 处理器则将数据传输给 DSP 功能块。DSP 可以通过使用一个 300 点的 ROM 查询表来产生扩频载波(SSC)的高层状态和低层状态。SSC P300 从电力线上耦合并解 调出来产生解调后的信号。主处理器通过 5 线的串行外围接口 SP2 将从 S2 输入的解调后信号经过 信号转换得到的数据分组接收进来。我们选择使用计算机和嵌入式设备的标准接口 RS-232 作为集 中器和上位机的通讯方式。

图 4-9 SSCP300 和单片机的通信

4.3.3 RS-232/RS485 接口标准
MODEM 的通信接口采用的是 RS-232 标准。RS-232 是早期为促进公用电话网络进行数据通信制 定的标准,其逻辑电平对地是对称的,完全与 TTL、CMOS 逻辑电平不同。 低电平规定为+3V~+l5V 之间,高电平为-3V~-15V 之间。MAX232 是多路 RS-232 电平转换芯片,分别提供了两路 TTL/CMOS 电平输入,RS-232 电平输出及两路 RS-232 电平输入,TTL/CMOS 输出的转换。MAX232 内部有电压倍 增电路和转换电路,只需+5V 电源便可实现 TTL 电平与 RS-232 电平转换,使用起来十分方便。芯片 的外围电路也很简单,只需 4 个电容就可正常工作。 但是 RS-232 传输距离太短,只是用短距离传输。实际中常采用 RS-485 标准进行长距离数据通 信,目前常用的与 TTL 的电平接口是 MAX-485 和 MAX-489, 其片内含有一个发送器和一个接收器,
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MAX-485 为差分平衡型收发器。 由 MAX-485 芯片构成的 PC 与单片机之间的通信为长距离半双工通信, 利用 MAX-485 与 PC 机配置的 RS-232C 串行接口通信,必须外配一个 RS-232 /RS-485 转换器,可将 RS-232 转换为 RS-485 电平,而 W77E58 的串行通信口输出的是 TTL 电平,因此必须通过电平转换 才能符合串行通信标准。本文中的电平转换采用 MAXIM 公司的 MAX485 芯片完成。 其通信接口电路如下图:

图 4-10 单片机与计算机的通信 MAX-485 芯片的 1 脚 R0 为接收器的输出,接 TTL 电平 RXD 信号;4 脚 DI 为发送器输入,接 TTL 电平 TXD 信号;3 脚 DE 为发送使能端,接+5V;2 脚 RE/为接受使能端,接地。因为 MAX-485 一端接 计算机,如果直接与单片机连接会引入干扰信号,所以在 MAX-485 和单片机连接时,需要加光电隔 离器,防止干扰信号进入单片机系统,影响系统正常工作。

4.4 主控器与 MODEM 通信接口
随着当代社会信息化的飞速发展,借用公用电话交换网进行信息传输的技术己经达到成熟阶段。 在单片机应用系统中,特别是在传输数据量不是很大、通信数据不是很频繁的时候,使用 MODEM, 并利用公用电话交换网进行数据传输不失为一种可行的方法。集中器与上位机之间的通信采用公用 电话线,在数据传输时必须通 MODEM 进行。这是因为公用电话网为模拟电话线路,数字信号不能直 进入这样的信道,必须通过一个中间设备 MODEM,它用来实现数字信到模拟信号和模拟信号到数字 信号的相互转换,是一个重要的数据通信备。 本文直接应用标准的外置式调制解调器,不仅接口简单,而且扩展能好。如果采用专用调制解 调器芯片,自己设计外围电路、电话接口不仅费时费力、成本高、开发周期长,而且通用性差。

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4.4.1 MODEM 简介
MODEM 是一种智能型信号转换器,可将数据调制成音频信号,通过电话通信网传到对方的调制 解调器。数据通信系统中采用的调制解调器芯片主要有 MSM7512B、AM7910 等,本文采用 MSM7512B 芯片进行通信。MSM7512 是日本 OKI 公司生产的一种价格低廉、功耗低、性能良好的调制解调芯 片。该芯片满足 ITU-TV.23 协议标准,由单电源(3~5V)供电,采用 FSK 半双工调制解调方式, 通信速率为 1200bps,低功耗(典型值仅 25mW) ,稳定性好,具有片内回音消除电路,模拟输出可 直接连入 PSTN;并具有 TTL 接口,其 FSK 输出信号可直接驱动 600Ω 的通信电路,外围电路简单, 可方便地与数字系统及计算机系统相连。MSM7512B 其主要特点为: (1) 可以和单片机的串行口直接相接; (2) 低功耗、单电源供电(3V~5V) ; (3) 两个状态位: CD/为载波检测位(低有效) ; RS/为数据发送使能位(低有效) ; (4) MOD1、MOD2 工作模式选择位; (5) AOG 输入信号电平选择位; (6) 采用 CCITTV.21 标准,可进行 1 200 bit 半双工或 1 200 bit 收/75 bit 发两种方式的数 据传送。 MSM7512B 主要由调制器(发送器) 、解调器(接收器) 、接口控制逻辑组成。AI 是信号输入端, 即解调器的输入端。AO 是信号输出端,即调制器输出端。通过控制 MOD1、MOD2 可使 MSM7512B 在 4 种不同的工作方式下工作。 具有载波检测功能, 当内部检测到从 2 脚 (AI) 输入的 FSK 载波信号时, 其 10 脚(CD/)输出为低电平,否则为高电平。该电平的变化可用来指示芯片的解调工作状态。而 要使 Modem 发送数据,还需要计算机置/RS 脚为低电平。对单片机来说,发送、接收数据就是对串 行通讯口(SBUF)进行写、读。工作方式可设置成中断方式或查询方式。另外它的 6 脚 X1 和 7 脚 X2 之间外接晶振,芯片内部已有接地电容,无须在外电路中接电容。

4.4.2 主控器与 MODEM 通信接口电路

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图 4-11 MSM7512B 与主控器的连接

图 4-12 MSM7512B 与电话网的连接 MSM7512B 的工作模式选择 MOD2 和 MOD1 均接地,使芯片工作处于模式 1,即采取 1200bps 速率
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的半双工工作方式。需要发送的数据存储在 W77E58 芯片内部 RAM 的对应单元,发送时从串行接口 TXD 端输出,送到 MSM7512B 的 XD 端进行调制,变成相应频率的音频信号从 AO 输出,送到有线传输 线路,经有线传输到下属各站点。下属各站点的反馈数据进入有线传输信道后送到中央控制器中的 MSM7512B 的 AI 端进行解调,解调后的数据从 RD 端输出,经过 W77E58 的串行口 RXD 接收端存到对 应的 RAM 单元。在 MSM7512B 芯片上,数据经调制后送出的音频信号(AO)和接收的待解调成串行 数据的音频信号(AI)是分开的,而且不平衡的信号,因此必须配合外部接口电路变成平衡的信号 再送到公用电话通信网的有线系统中。R37/R30 和 R38/R31 的比值即为输入、输出的放大倍数,可 根据需要选择不同的阻值。

4.5 电源电路集中器总电路图
通常电子电路都需要电压稳定的直流电源供电。本文设计的稳压电源由电源变压器、整流、滤 波和稳压等四部分组成。其中,电源变压器将交流电网 220V 的电压变为电路所需的电压,本文中 为 5V 电源。本文采用典型的稳压电源电路,电路图如下所示:

图 4-13 稳压电源电路图 如图所示电路为输出电压 5V、输出电流 1.5A 的稳压电源。它由电源变压器 B,桥式整流电路 D1~D4,滤波电容 C28、C10,防止自激电容 C29、C30 和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方 便地搭成的。 220V 交流市电通过电源变压器变换成为交流低电压,再经过桥式整流电路 D1~D4 和滤波电容 C28 的整流和滤波,在固定式三端稳压器 LM7805 的 VIN 和 GND 两端形成一个并不十分 稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压 经过 LM7805 的稳压和 C30 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、 稳定度好的直流输出电压。 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳 压电源集成电路,以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,成为目前 稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

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4.6 集中器硬件总电路图

图 4-14 总电路图
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5. 电力线载波抄表系统集中器软件的设计
电力线载波抄表系统的硬件水平由于扩频技术的发展使其成为可能,而软件中继技术的应用使 这种可能变成了现实。要使这种建立在网络协议层面上的通信系统得以正确实施,优秀的软件和良 好的协议是必不可少的。系统中各个单元都有对应的软件,整个系统的软件设计既是一个整体,又 相互独立,其间靠通信协议相互联系。本章首先介绍集中器与上位机以及集中器与载波电表之间的 通信协议,然后介绍集中器的软件设计。

5.1 通信协议的制定
本协议是参照电力部门规定的通信协议来编写的,在某些具体的数据格式上采用了特有的组织 方式。协议的规定是为了使用方便、系统可靠。

5.2 集中器软件设计
集中器系统软件使用汇编语言进行编写,这种语言具有功能浮点运算、编程灵活和移植性好等 优点。 (1) 软件设计思想 在设计应用软件时应考虑以下几个方面: (a) 程序承担的任务:任何一个系统的设计,都有其具体的应和明确的工艺要求,程序设计的 首要任务就是确定程序承担的任务; (b) 程序的时序性:单片机是按时序运行的,所以程序设计到抄表任务的执行顺序和时间要求; (c) 程序的适应性:所谓适应性,就是要求设计出来的程序灵活性,主要考虑将来系统扩展时 必要的修改,增加通用性。 本文采用模块化设计思想,将一个完整的程序分成若干个可以成某些任务的功能模块,各模块 又分为若干子模块,各子模块之间立,又受主程序模块的控制。使整个系统层次分明,逻辑清楚, 便的编制、调试、修改和查错。利用模块化技术,可以将错误控制限在模块内部而不影响整体,提 高了系统的可靠性、灵活性和可维护性。 (2) 软件设计任务 根据集中器要完成的功能,软件结构主要包括:主程序模块(集中器接收上位机的命令、集中 器抄收下位载波电表的数据)、数据块、时钟模块等。
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电力载波通信抄表集中器设计

(a)上位机下发给集中器的指令 全抄指令:上位机与集中器建立通信链路后下发的全抄指令,应将存储在 RAM 中的所有电表数 据发送至上位机;集中器和载波电表的通信主要指集中器根据上位机下载的定时抄收电表数据;根 据上位机下发指令实时抄收电表数据。 (b)时钟模块 当上位机下发校时指令时,MCU 可对时钟进行写操作,在定时抄表程序中,MCU 要读取时间数 据,与上位机下载时间相比较,从而执行相应的程序。 (c)数据存储模块 集中器会将抄收回来的电表数据进行处理、存储。当上位机下发抄表指令后,集中器便将存储 在 RAM 的所有电表数据读出并发送至上位机。

5.2.1 主程序设计
在所有的操作中,定时读取各载波电表的数据是最主要的也是最复杂的,本文主要介绍集中器 定时抄取载波电表数据的程序设计。 上电复位信号使系统复位,系统都将重新进行初始化,包括串口初始化等。接着检测集中器和 电表的数据库是否存在后,才能保证抄表工作准确;若数据库已下载,当数据库下载完成并退出与 上位机的通信后集中器进入抄表状态。

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图 5-1 抄表循环程序流程图 MCU 采用查询的方式获取时间数据,当读取到的时间数据为设定抄表时间数据时,先判断数据 库是否下载,接着判断所有表已抄标志,若为 1,说明系统已经进行过抄表操作;若为 0,说明当 月的电表读数还没有抄取,于是启动抄表循环程序。从抄表循环程序退出来后,系统还会检查到表 是否成功,若成功为 1,则证明所有表都已成功读取;若为 0,则说明系统曾经进行过抄表操作, 但没有把所有表的数据成功读完,需重新调用抄表循环程序。在集中器的主程序中要不断的查询是 否有上位机下发的命令,如果有则先根据上位机下发的命令,执行相应的程序,抄表循环程序流程 图如图 5-1 所示。

5.2.2 集中器向上位机的数据传输
与集中器相连接的 MODEM 在进行初始化设置时将自动应答功能开启, 这样呼叫方 MODEM 拨号后, 等待集中器 MODEM 送来的载波信号,集中器 MODEM 检测到预定的响铃次数后便自动摘机,然后与呼 叫方进行载波连接。如果双方在预定时间没有检测到载波信号 MODEM 会自动释放线路,同时返回结 果码,一旦载波建立成功后,MODEM 便会返回结果码,表明双方连接成功,可进行数据通信。 集中器向上位机发送数据的流程图如图 5-2 所示。

图 5-2 集中器向上位机发送数据流程图
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如果串口接收到数据则开始计时,并继续查询串口,若在 10 秒内串口接收到数据,表示载波 建立成功保持集中器与上位机的连接,开始与上位机进行通信。数据传送完成后,使 MODEM 从联机 状态返回到命令状态,延时一段时间后发送挂机命令,一次数据通信结束。若第一次响铃 10 秒后 还未接收到结果码 l,则表示载波无效,上次响铃为有人打电话或者是连接出现错误,集中器不与 上位机连接而继续运行其他程序。发送完一包数据后,集中器若接收到上位机发送的“ W”指令, 说明发送有错误,要求重发本包数据。 调制电路的工作过程是这样的:从终端到中心的链路建立之后, 先控制 MOD2 和 MOD1 使 MSM7512B 工作在接收状态, 使能 “MODEM 状态中断” , 等待数据采集中心的应答信号; 当有应答信号时, MSM7512B 的 CD/引脚变的有效,触发 W77E58 的“MODEM 状态中断” ,在中断过程中,查询是否为正确的应答 信号, 如果是, 则禁止 “MODEM 状态中断” , 使能 “发送数据空中断” , 控制 DTRB 和 DTRA 引脚使 MSM7512B 切换到发送模式,控制 RTSB/引脚使能 MSM7512B 的发送,控制 RTSB/引脚选择 M7512B 的发送幅度 为-4dBm,然后就可以从存储器中取出数据通过 PSTN 向数据采集中心发送数据,如果不是正确的应 答信号,则继续等待应答信号。MSM7512B 的最高波特率为 120ObpS,因此,设置 W77E58 的波特率 时,最高不能超过 1200bps,否则 MSM7512B 不能正常工作。.

5.2.3 单片机与扩频芯片 SSCP300 的数据传输
编程序的时候,主处理器和 SSC P300 之间的交互归结为 4 个基本的子程序,就可以完成命令和 数据的发送和接收。这四种操作分别是初始化、写、读、中断服务程序。

图 5-3 SSCP300 初始化流程图

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图5-4 SSCP300读事务子程序

图5-5 SSCP300写事务子程序

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主控制器在每次上电时必须初始化 SSC P300 系统信息,因为系统信息是掉电丢失的,系统信息 是通过一个写操作写入 SSC P300 的。经过初始化操作以后,主控制器就可以使用写操作发送数据包 了,数据包的发送完成和数据包接收完成的通知(给处理器)是通过向主处理器发出中断申请来实现 的.在中断服务程序中,需要使用读操作来确定具体的中断原因。数据包的获取是通过读操作来完成 的。

5.3 本章小结
本章简单介绍了集中器的软件系统。包括集中器与上位机以及集中器与载波电表之间的通信协 议、集中器主程序的流程图、集中器向上位机的数据传输流程图和单片机与扩频芯片 SSCP300 的数 据传输流程图。由于软件设计不是本文的主要任务,在此不做详细介绍。

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6. 结论
6.1 总结
本系统具有技术水平高、可靠性好、数据准确、适应性强、功能全、模块体积小、功耗低,系 统操作界面简单易懂、安装维护方便。这套系统的使用极大地减少电力部门的劳动量,同时提高了 电力系统的现代化管理水平, 有很好的社会效益和经济效益, 对系统稍加扩充, 便可完成对煤气表、 自来水表的自动抄收,从而推进智能化小区的建设。但在运行中也发现了一些问题,如与集中器连 网的电话线有时出现故障,系统的抄表成功率有时不高,这还有待改进。

6.2 结束语
自动抄表技术这几年发展很快,尤其是在网络化测量技术、传感器技术、通讯技术飞速进步的 强劲支撑下,表现出与燃气、水、热量等自动抄表技术的更加紧密地结合,并明显加快了融入现代 综合化网络测量技术的步伐。二十一世纪是网络化时代,在计算机技术,微电子技术和网络技术等 的迅速发展下抄表方案也层出不穷。各种方案都有其特点,有其相适应的应用环境和存在的条件, 不能一概而论,甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起,扬长避短可发挥出更大的优势。相信自 动抄表系统会有更加广阔的发展前景!

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致 谢
首先,非常感谢我的辅导老师谭克竹,本论文是在谭老师的悉心指导下完成的,从论文的选题 到最后完稿无不渗透着谭老师的心血和智慧。谭老师有着严谨的学术作风、忘我的工作热情、不断 进取的创新精神,而这都是我索要学习的方面。在我论文的撰写过程中老师给了我很多帮助和很好 的建议。在此,谨向谭老师致以我最诚挚的谢意! 其次,感谢我所有的专业课老师,感谢他们几年来在各个方面对我们的关怀和指导教育。他们 所讲授的知识,开阔了我的思路和视野,并且培养了我与他人在学习和工作中的协作能力,这一切 使我受益匪浅。感谢论文主审和答辩委员会的全体成员,他们辛勤的工作和诚恳的建议使得我的论 文更加完善。 感谢我的家人, 是他们的支持和生活上无微不至地关心和帮助使我能够顺利完成学业。 感谢我的同学、以及其他所有同学,他们在我论文编写过程中给了很多帮助和很好的建议。感谢给 予我关心和帮助的所有亲人和朋友们。

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参 考 文 献
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