【正文】 onsumption administrative departments to investigate and research widely, a remote meter reading system adopting carrier munication technology of the lowvoltage power line munication (PLC) had been proposed in this paper. It had work structure of three layers，. the puter administrative system，concentrator and carrier meter. And the functions and characteristics of the whole system together with its every ponent had been analyzed. Because high attenuation， high noise and high distortion exist in the lowvoltage power lines of our country ,special munication technology must be adopted.First of all, the transmission characteristic when highfrequency signal was transmitted through power lines was analyzed. Secondly, the application of spread spectrum munication technology to carrier munication of the power line was emphatically discussed. Thirdly，the interior principle of the special MODEM IC SSC P300 adopting Spreadspectrum modem munication technology was deeply studied. Based on this，SSC P300 was selected to the reliable data transmission between the concentrator of the longdistance meter reading system and the terminal signal carrier ammeter. Being the heart of the automatic meter reading system，the concentrator connected the puter 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 mainly posed of MCU external expanded RAM，clock module，watchdog module，the puter munication interface circuit and the PLC munication circuit together with its peripheral circuits電力線載波通信就是以電力網(wǎng)作為信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。但在該網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)通信一直是全世界科技工作者的研究課題。 低壓電力線通信的特點(diǎn)總的說(shuō)來(lái)，低壓電力線信道的特點(diǎn)主要包括下面幾個(gè)方面的內(nèi)容：(1) 噪聲和干擾大低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中，各式各樣的家用電器和辦公設(shè)備產(chǎn)生的噪聲和干擾嚴(yán)重污染著電力線通信環(huán)境。同時(shí)，由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，負(fù)荷情況復(fù)雜，各節(jié)點(diǎn)阻抗不匹配，所以信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號(hào)的衰減變得極其復(fù)雜。由于用戶負(fù)荷的隨機(jī)接入和切除，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化以及不可抗拒的自然因素，如雷電等的影響，使得其干擾表現(xiàn)出很強(qiáng)的隨機(jī)性和時(shí)變性，從而難以找到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)加以描述。中國(guó)電力科學(xué)研究院自 1997 年開(kāi)始研究電力線載波通信 PLC(Power Line Carrier)技術(shù)，主要考慮 PLC 技術(shù)用于低壓抄表系統(tǒng)，1998 年開(kāi)發(fā)出樣機(jī)，并通過(guò)了試驗(yàn)室功能測(cè)試，1999 年在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試運(yùn)行，獲得了產(chǎn)品登記許可。它的研究成功不僅可以替代人工日常抄表工作，提高工作效率，減少人為差錯(cuò)，加強(qiáng)用戶管理，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理工作的全面自動(dòng)化，是電力部門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。發(fā)展自動(dòng)抄表技術(shù)是提高物業(yè)管理水平的需要，也是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然需要。到目前為止，國(guó)內(nèi)外己有一些企業(yè)開(kāi)發(fā)出了用于電力線載波通信的產(chǎn)品: 如開(kāi)發(fā)的電力線載波抄表系統(tǒng)在技術(shù)上取得了可喜的進(jìn)步和成功，但尚未能符合用戶使用要求，由于專用芯片的原因，抄表系統(tǒng)的抄到率最高僅能達(dá)到 90%左右。 課題的可行性分析本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要的難點(diǎn)是解決低壓電力線載波通訊技術(shù)和電話網(wǎng)通訊技術(shù)，隨著擴(kuò)頻載波技術(shù)被應(yīng)用到在低壓電力線載波通訊中，在規(guī)定的通信距離中，其抄表的成功率高達(dá) 100%，在我國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制成功；而電話網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，己經(jīng)被實(shí)踐所檢驗(yàn)，基本上不存在任何問(wèn)題。 本文的主要任務(wù)本課題是在總結(jié)前人的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。和其他通信方式相比，具有投資少、施工期短、設(shè)備簡(jiǎn)單、通信安全、實(shí)時(shí)性好、無(wú)中繼和通信距離長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。 電力線載波通信中信號(hào)傳輸特性分析 [8]由于電力線并不是專為傳輸信號(hào)而設(shè)計(jì)的，所以有必要分析高頻信號(hào)在電力線中的傳輸特性。理論和實(shí)驗(yàn)表明低壓電力線上的輸入阻抗不僅與傳輸信號(hào)的頻率有關(guān)系，而且與低壓電力線上所連接的負(fù)載有關(guān)系。但是，由于負(fù)載類型的不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實(shí)際情況非常復(fù)雜，甚至使輸入阻抗的變化不可預(yù)測(cè)。因此，高頻信號(hào)在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。這些復(fù)雜現(xiàn)象的組合，使信號(hào)的衰減隨距離的變化關(guān)系變得非常復(fù)雜，有可能出現(xiàn)近距離點(diǎn)的衰減比遠(yuǎn)距離點(diǎn)還大的現(xiàn)象。電力線上的干擾可分為:非人為干擾和人為干擾。通常情況下，前兩類干擾更為突出。但同時(shí)，出于實(shí)用的角度，為了獲得合理的性價(jià)比，又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi)。但窄帶技術(shù)的缺點(diǎn)是抗干擾能力較差，盡管窄帶通信中的接收器具有較窄的通帶，使得僅有一小部分噪聲能進(jìn)入接收器，但由于此類接收裝置中的濾波器具有高品質(zhì)因數(shù)，瞬間的脈沖噪聲會(huì)使其發(fā)生自干擾，引起它對(duì)傳輸來(lái)的信號(hào)產(chǎn)生誤操作。由于各載波之間的正交性，完全消5 / 43除了彼此之間的串?dāng)_，同時(shí)利用相同的正交載波組在接收端恢復(fù)原始信號(hào)。本文的低壓電力線載波通信方式采用的就是擴(kuò)頻通信技術(shù)。擴(kuò)頻信號(hào)具有較寬的頻譜，因而分散了噪聲功率，使干擾程度減小，提高了通信的可靠性。再經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。因此，抗干擾能力將是擴(kuò)頻通信的最基本特點(diǎn)。故具有抗頻率選擇性衰落的能力。擴(kuò)頻系統(tǒng)將多徑反射信號(hào)作為干擾噪聲處理。采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，能在很大程度上克服電力線上強(qiáng)衰減、強(qiáng)干擾的缺陷，大大提高通信系統(tǒng)的生存能力。下面簡(jiǎn)單介紹幾種常見(jiàn)的 Modem 芯片：(1) ST7536 芯片　　ST7536 是 SGSTHOMSON 公司專為電力線載波通訊而設(shè)計(jì)的 Modem 芯片。另外它無(wú) CSMA（網(wǎng)絡(luò)載波偵聽(tīng)）功能，這些限制了它的應(yīng)用。SSC P300 提供了數(shù)據(jù)鏈接層的控制邏輯，符合 EIA600 標(biāo)準(zhǔn)的通道訪問(wèn)及通信服務(wù)提供與SPI 兼容的主處理器接口?？蛇M(jìn)行即插即用(g) 為 20 腳的 S0IC 封裝，大小約為 X (3) PL3105 芯片PL3105 芯片是北京福星曉程公司為智能儀表應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，它內(nèi)嵌直接序列擴(kuò)頻單元。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)，因此該電路應(yīng)用在電力線通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。采集器的作用是采集多個(gè)用戶的電表數(shù)據(jù)，通過(guò)電力 Modem 的調(diào)制解調(diào)，并經(jīng) 22OV 低壓電力網(wǎng)用載波方式送到集中器，集中器再通過(guò)公用電話網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)(如光纖或無(wú)線電通信等) 把數(shù)據(jù)傳送到供電局的計(jì)算機(jī)抄表中心。并且當(dāng)接收到上層的命令時(shí)，數(shù)據(jù)采集器能夠向計(jì)費(fèi)終端發(fā)出抄表或者斷電的命令。(5) 計(jì)算機(jī)抄表中心通過(guò)通信網(wǎng)對(duì)集中器送來(lái)的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和儲(chǔ)存、校對(duì)抄錄時(shí)間、設(shè)置用戶編號(hào)和抄表時(shí)間、發(fā)布抄錄命令以及統(tǒng)計(jì)和計(jì)價(jià)、為收取電費(fèi)、線損計(jì)算、負(fù)荷控制提供服務(wù)。 4 電力載波抄表集中器的硬件設(shè)計(jì) 電力線載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器的硬件設(shè)計(jì)集中器是集中下屬的數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)，并發(fā)給中心服務(wù)器，集中器有兩個(gè)通信對(duì)象，面對(duì)不同對(duì)象時(shí)，需要采取不同的通信方式，在于數(shù)據(jù)采集器通信時(shí)，使用電力線載波通信，并通過(guò)電話線與中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)通信。集中器作為電力線載波抄表的一部分，起著上傳下達(dá)的作用。(3) 通信功能集中器接收上位機(jī)下載數(shù)據(jù)，包括電表數(shù)量、表號(hào)、抄表參數(shù)以及中繼管理需要的信息，可根據(jù)設(shè)置抄收載波電表的數(shù)據(jù)。集中器既要做上位機(jī)的從機(jī)，又是載波電表的主機(jī)，其軟、11 / 43硬件的設(shè)計(jì)要求從根本上保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。電力載波收發(fā)電路時(shí)鐘模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 主控單元Modem 接口電路 公用電話網(wǎng)低壓電力網(wǎng)圖 4l 集中器組成結(jié)構(gòu)框圖 集中器主控器的設(shè)計(jì) 主控器的作用 [11]集中器是通信的樞紐，它負(fù)責(zé)中心計(jì)算機(jī)和采集終端之間的聯(lián)系。主控器是集中器的核心部件，選擇時(shí)一般從以下幾個(gè)指標(biāo)：價(jià)格、速度、位數(shù)、電壓、功耗、系統(tǒng)擴(kuò)展與驅(qū)動(dòng)能力等。 主控器的選型 [11]在集中器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)既要與上位機(jī)通信，又要和電話網(wǎng)進(jìn)行通信，所以需要兩個(gè)串口。經(jīng)過(guò)這種改進(jìn)以后，在相同的時(shí)鐘頻率下，它的指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn) 8051 要快許多。由于采用全靜態(tài) CMOS 設(shè)計(jì)，W77E58 能夠在低時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。 W77E58中建有一個(gè)更加快速，性能更好的8位CPU ，它的內(nèi)核經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，提高了時(shí)鐘速度和存儲(chǔ)器訪問(wèn)周期速度。這種設(shè)計(jì)使得W77E58能夠更有效的訪問(wèn)慢速或快速外部RAM及外設(shè)。他的指令集基本與8051相同；多了一條DEC DPTR ( 操作碼 A5H, DPTR減 1)指令。由于采用全靜態(tài) CMOS設(shè)計(jì)，W77E58 能夠在低時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，在相同指令吞吐量的情況下，電源消耗也降低。當(dāng)處理器用MOVC 或MOVX指令執(zhí)行外部程序、訪問(wèn)外部設(shè)備/存儲(chǔ)器時(shí)，P0口可用作地址 /數(shù)據(jù)總線。PP3 口是I/O 口同時(shí)具有不同的功能 。(2) 串行口W77E58有2個(gè)增強(qiáng)型串行口，功能與標(biāo)準(zhǔn)8052串行口相似。(3) 定時(shí)器W77E58有3個(gè)16位定時(shí)器，其功能與8052體系中的定時(shí)器類似。該定時(shí)器可用作系統(tǒng)監(jiān)控器，或超長(zhǎng)周期定時(shí)器。(5) 電源管理類似于標(biāo)準(zhǔn)80C52，W77E58有空閑和掉電2種節(jié)電方式。(6) 程序存儲(chǔ)器W77E58提供32KB大小的程序存儲(chǔ)器，這些 ROM區(qū)與 8052的ROM 區(qū)功能類似，所有指令都從這些區(qū)域中取出執(zhí)行。不同于其他8051的衍生產(chǎn)品，W77E58 還內(nèi)建一個(gè) 1KB字節(jié)的MOVX SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。當(dāng)?shù)刂贩秶^(guò) 03FFH后，系統(tǒng)將自動(dòng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。另外W77E58 還有標(biāo)準(zhǔn)的256字節(jié)暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片上MOVX SRAM，同外部RAM一樣只可由MOVX指令來(lái)訪問(wèn)，但是片上MOVX SRAM 擁有最快的訪問(wèn)速度。溢出時(shí)，如果看門狗有效（且看門狗定時(shí)器復(fù)位打開(kāi)），將引起系統(tǒng)復(fù)位。如果不及時(shí)檢查，整個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)崩潰。當(dāng)使能看門狗定時(shí)器復(fù)位后，這個(gè)復(fù)位會(huì)在其溢出并經(jīng)過(guò)512 個(gè)時(shí)鐘周期后結(jié)束。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 的選擇本文采用 6264 作為擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。P2 口的 作為高 5 位地址線，P0 口作為低 8 位地址/ 數(shù)據(jù)總線，P0、P2 口的 共同組成 13 位地址，尋址范圍為:0000H3FFFH。當(dāng) WR/為低電平，片選端 CE/為低電平時(shí)，將 P0 口和 P2 口的 上的數(shù)據(jù)寫到 A0~A13 選中的存儲(chǔ)單元中。掉電之后，單片機(jī)會(huì)停止工作，時(shí)鐘會(huì)停止往前走，存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)容易丟失，這種結(jié)果在許多場(chǎng)合往往是不希望的，為了保證單片機(jī)在主電壓失去時(shí)仍然能夠保持運(yùn)行，人們就利用干電池對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行供電。當(dāng)電池經(jīng)過(guò)保護(hù)時(shí)間的使用之后，就需要補(bǔ)充電能，以便下一次保護(hù)時(shí)能夠正常投入保護(hù)工作。正常工作時(shí)，由 VCC 5V 電源供電，此時(shí)，VCC 5V 電源通過(guò) D1 和 R1 ，對(duì)保護(hù)用電池進(jìn)行充電，以保證電池電量的充足。將時(shí)鐘放在集中器上，既可以滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間信息的基本要求，也不會(huì)給系統(tǒng)增加過(guò)多的負(fù)擔(dān)。它在工業(yè)控制及智能儀器儀表中有廣泛用途,一般 PC 機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)就是由 DS12887 提供的。DS12887 芯片在為系統(tǒng)提供時(shí)間信息的同時(shí)，還保證了積累值及其它重要數(shù)據(jù)在掉電情況下不致丟失 ，對(duì)時(shí)間的讀取可以采用查詢方式，即查詢到位 IRQ/為 0 時(shí)讀時(shí)間，也可以采用中斷