【正文】 ，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)。電力線上的干擾可分為:非人為干擾和人為干擾。因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。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。和其他通信方式相比，具有投資少、施工期短、設(shè)備簡單、通信安全、實(shí)時(shí)性好、無中繼和通信距離長等一系列優(yōu)點(diǎn)。 課題的可行性分析本課題所設(shè)計(jì)的自動抄表系統(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%，在我國已經(jīng)開發(fā)研制成功；而電話網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展，己經(jīng)被實(shí)踐所檢驗(yàn)，基本上不存在任何問題。發(fā)展自動抄表技術(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。中國電力科學(xué)研究院自 1997 年開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 年開發(fā)出樣機(jī)，并通過了試驗(yàn)室功能測試，1999 年在現(xiàn)場進(jìn)行試運(yùn)行，獲得了產(chǎn)品登記許可。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，所以信號會產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號的衰減變得極其復(fù)雜。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。關(guān)鍵詞：電力線載波，擴(kuò)頻通信技術(shù)，集中器，抄表系統(tǒng)I / 43Hardware Design of Power Line Communication Meter Reading ConcentratorABSTRACTWith 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 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該系統(tǒng)具有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即上位機(jī)管理系統(tǒng)、集中器和載波電表。本文首先分析了高頻信號在電力線中的傳輸特性；重點(diǎn)討論了擴(kuò)頻通信技術(shù)在電力線載波通信中的應(yīng)用；深入研究了以擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的、高性能的電力線載波專用 MODEM 芯片 SSC P300 的內(nèi)部工作原理。要使電力網(wǎng)成為一個(gè)新的通信網(wǎng)，技術(shù)手段只有載波通信。本文研究的對象正是低壓電力線通信。(3) 隨機(jī)性和時(shí)變性低壓電力線直接面向用戶的特點(diǎn)導(dǎo)致其干擾具有隨機(jī)性和時(shí)變性，這是低壓載波通信面臨的又一挑戰(zhàn)。采用低壓電力線載波則具有它的先天優(yōu)勢，只要解決相關(guān)的技術(shù)性問題，它的成本將是最低的。近 10 年來，美國、英國、德國、以色列、中國等國的科技人員一直從事這方面的技術(shù)研究與開發(fā)。綜合以上兩個(gè)方面，可見本課題所設(shè)計(jì)的自動抄表系統(tǒng)是完全切實(shí)可行的。因此，在使用電力線作為信號傳輸媒介之前，需要對它的信道特性進(jìn)行分析。當(dāng)電力線上有負(fù)載時(shí)，所有頻率的輸入阻抗都會減小。但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負(fù)載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象。干擾可分為周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時(shí)不變的連續(xù)干擾和隨機(jī)產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。 常用的低壓電力線載波通信技術(shù) [13](1) 窄帶通信方式窄帶通信方式價(jià)格低廉并且較易實(shí)現(xiàn)，所以在以往的應(yīng)用中比較常用。擴(kuò)頻通信方式是一種簡便、易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉的方式。在接收端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。(3) 抗多徑干擾能力強(qiáng)擴(kuò)展頻譜信號占據(jù)的頻帶很高，當(dāng)由于某種原因引起衰落時(shí)，只會使小部分頻譜衰落，而不會使整個(gè)信號產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。 電力線載波通信的實(shí)現(xiàn)目前，低壓電力線載波通信已經(jīng)朝著使用擴(kuò)頻通信技術(shù)的方向發(fā)展。ST7536 也是較早的電力線載波 Modem 芯片，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的 FSK 方式，加上三字節(jié)容錯(cuò)，它最高波特率只能達(dá)到 400 bps。SSCP30O 的特性如下 :(a) 有符合 EIA600 標(biāo)準(zhǔn)的物理層收發(fā)器(b) 具有集成化的 DLL 處理器，滿足與 EIA600 標(biāo)準(zhǔn)兼容的信道存取特征(c) 提供針對電力線(LP)擴(kuò)頻載波(SSC) 的通訊技術(shù)(d) 具有串行外圍接口 (SPI)與主處理器的接口(e) 可以在低壓下進(jìn)行操作(f) 需要最少的外部元件。 3 電力載波抄表系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動抄表系統(tǒng)的組成圖 31 是基于電力線調(diào)制解調(diào)器的自動抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)以供電局的計(jì)算機(jī)抄表中心為主站，以電力變壓器 10KV/380V 供電的每個(gè)小區(qū)為相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，在這些子系統(tǒng)中，集中器又相當(dāng)于主站，電能表以及數(shù)據(jù)采集器為從站。此外，數(shù)據(jù)集中器還可以定時(shí)抄收計(jì)費(fèi)終端的數(shù)據(jù)，并把抄收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器中。 集中器的功能及技術(shù)指標(biāo) [8]設(shè)計(jì)任何一個(gè)產(chǎn)品之前明確它的功能和技術(shù)指標(biāo)是非常必要的。 集中器的結(jié)構(gòu)框圖集中器本身是由主控單元、數(shù)據(jù)庫存儲單元、時(shí)鐘單元、載波通信單元、數(shù)據(jù)傳送通信單元等部分組成。所以選擇主控器時(shí)必須考慮它的處理速度、存儲空間和驅(qū)動能力。W77E58 是一個(gè)快速 8051 兼容微控制器；它的內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，提高了時(shí)鐘速度和存儲器訪問周期速度。它具有8052的資源如：4個(gè)雙向8位I/O口，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行和若干中斷源。13 / 43W77E58是與8052兼容的，因此具有8052的特性；相比8052它的速度提高，耗電量減少。(1) I/O 口W77E58有4個(gè)8位I/O口，及一個(gè)附加的 4位I/O口。當(dāng)?shù)却隣顟B(tài)控制信號使能后， 是輸入口。W77E58 具有特殊的功能，看門狗定時(shí)器。在掉電模式下，所有時(shí)鐘停止工作，芯片運(yùn)行完全停止，是最省電的運(yùn)行模式。當(dāng)軟件允許訪問該區(qū)域時(shí)，訪問地址范圍為0000H03FFH的MOVX指令將讀寫MOVX SRAM數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容。當(dāng)數(shù)據(jù)量較多時(shí)，可以考慮同時(shí)使用2個(gè)數(shù)據(jù)存儲器。如果出現(xiàn)電源脈沖干擾或電磁干擾，處理器將會運(yùn)行不確定的代碼。 SRAM 的典型芯片有 2KB 的 6118KB 的 6264 以及 32KB 的 62256,其中 6264 芯片應(yīng)用最為15 / 43廣泛。W77E58 的 P0、P2 口和 6264 的 A0A12 地址線相連接，P0 口 雙向數(shù)據(jù)線相連； RD/是用于訪問外部數(shù)據(jù)的讀選通，連接 6264 的輸出允許端 OE/；WR/是用于訪問外部數(shù)據(jù)的寫選通信號，連接 6264的輸入使能端。所以，保護(hù)電路有一個(gè)最長保護(hù)時(shí)間的參數(shù)，使用中不能超過，否則，保護(hù)就會失效。 時(shí)鐘模塊 設(shè)計(jì)思想電力線載波抄表系統(tǒng)是一個(gè)與時(shí)間記錄有很大關(guān)系的系統(tǒng)，上位機(jī)不但要從集中器采集電表數(shù)據(jù)，還要知道固定時(shí)刻電表數(shù)據(jù)的值，因此實(shí)時(shí)時(shí)鐘是必不可少的。 時(shí)鐘模塊與單片機(jī)的連接 [14]時(shí)鐘芯片在智能電量測量儀的設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，顯示積累值及當(dāng)前時(shí)間。載波電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，本文采用 SSC P300 作為電力線載波專用調(diào)制解調(diào)芯片。低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 7 所示。而與濾波器不匹配的信號在時(shí)間上沒有壓縮，甚至反被擴(kuò)展，從而提高信噪比。DSP 可產(chǎn)生擴(kuò)頻載波(SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài),通過D/A 產(chǎn)生擴(kuò)頻“Chirps”模擬波形。SSC P300 網(wǎng)絡(luò)接口控制器,實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)鏈路層功能 (包括數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號的轉(zhuǎn)換、接收符號到字節(jié)的轉(zhuǎn)換及 CRC 的產(chǎn)生和校驗(yàn)等)。 單片機(jī)與 SSCP300 通信的控制工作過程單片機(jī) W77E58 是整個(gè)模塊工作的控制核心。SSC P300 從電力線上耦合并解調(diào)出來產(chǎn)生解調(diào)后的信號。芯片的外圍電路也很簡單，只需 4 個(gè)電容就可正常工作。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，特別是在傳輸數(shù)據(jù)量不是很大、通信數(shù)據(jù)不是很頻繁的時(shí)候，使用 MODEM，并利用公用電話交換網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不失為一種可行的方法。本文中的電平轉(zhuǎn)換采用 MAXIM 公司的 MAX485 芯片完成。RS232 是早期為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平對地是對稱的，完全與 TTL、CMOS 邏輯電平不同。單片機(jī)通過發(fā)送命令讀取這些數(shù)據(jù)結(jié)來判斷發(fā)生的事件及當(dāng)前狀態(tài),并通過發(fā)送相應(yīng)的命令做出相 SSC P300 之間的傳送是通過 SPI 接口實(shí)現(xiàn)的。我們選擇使用計(jì)算機(jī)和嵌入式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口 RS232 和 RS485 作為 SSPM 和上位機(jī)的通訊方式。利用擴(kuò)頻載波技術(shù)開發(fā)多用戶環(huán)境下的電力線 Modem 通信網(wǎng)絡(luò)的通信模塊是由電力線數(shù)據(jù)通信接口(PDCI)和電力線調(diào)制解調(diào)器(SSPM)構(gòu)成。其中特殊的 DLL 服務(wù)包含了對通信分組的發(fā)送和接收,對發(fā)送的字符由字節(jié)向符號轉(zhuǎn)化,對于接收的分組由符號向節(jié)字轉(zhuǎn)化,以及發(fā)送信道的存取和 CRC 的產(chǎn)生與校驗(yàn),電力線模擬功能包括將信號頻率耦合到媒體上,放大信號以驅(qū)動媒體的阻抗,對輸入信號濾波。擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾性能，通過相關(guān)分析實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。低壓擴(kuò)頻載波模塊主要由 SSCP300 低壓電力線擴(kuò)頻載波網(wǎng)絡(luò)控制器、前置功放和電力線藕合電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對單片機(jī)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性掃頻調(diào)制，放大后藕合到電力線上，對通過電力線送來的載波信號進(jìn)行掃頻解調(diào)后送給單片機(jī)。所