1、电力载波通信抄表集中器硬件设计摘 要随着我国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
2、 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。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、看门狗模块、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，抄表系统III目录摘要-11 绪论-11.1 电力线载波通信的意义及发展状况-11.2 低压电力线通信的特点-11.3 国内
3、外研究现状和动态-21.4 设计电力载波抄表集中器的目的和意义-21.5 课题的可行性分析-21.6 本文的主要任务-32 电力载波通信技术-32.1 电力线载波通信中信号传输特征分析-32.2 常用低压电力线载波通信技术-42.3 扩频通信技术-42.3.1 扩频通信的工作原理-42.3.2 扩频通信的特点-42.4 电力线载波通信的实现-52.4.1 国外的电力线载波专用 mode 芯片-53 电力载波抄表系统整体设计-53.1 自动抄表系统的组成-64 电力载波抄表集中器的硬件设计-64.1 电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计-64.1.1 集中器的功能及技术指标-84.1.2 集中
4、器的结构框图-84.2 集中器主控器的设计-84.2.1 主控器的作用-94.2.2 主控器的选型-94.2.3 单片机 w77e58 的简单介绍-104.3 数椐存储器的扩展-104.3.1 数据存储器 ram 的选择-124.3.2 硬件电路设计-124.3.3 存储器的掉电保护-134.4 时钟模块-134.4.1 设计思想-134.4.2 时钟模块的选择-144.4.3 时钟模块与单片机的链接-144.5 电力线载波通信电路的设计-154.5.1 载波通信芯片 sscp300 的发送与接收原理-164.5.2 单片机与 sscp300 通信的控制工作过程-184.6 主控器与 mode
5、 通信接口-194.6.1mode 的简介-204.6.2 主控器与 modem 通信接口电路-21IV4.7 电源电路-224.8 本章小结-235 结论-235.1 总结-235.2 结束语-23参考文献-2411 绪论1.1 电力线载波通信的意义及发展状况当今世界，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
6、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
7、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
8、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
9、，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2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 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
10、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
11、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
12、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
13、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 课题的可行性分析本课题所设计的自动
14、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3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 本文的主要任务本课题是在总结前人的自动抄表系统
15、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 接口电路处理器 处理器接口电路 载波芯片图 1-1 载波接口电路2 电力线载波通信技术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、
16、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
17、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
18、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4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
19、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
20、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
21、，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
22、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5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
23、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。2.3 扩频通信技术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
24、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。
25、(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
26、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。62.4.1 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
27、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：(1) 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 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
28、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
29、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
30、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。(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。3 电力载波抄表系统总体设计3.1 自动抄表系统的组成
