【正文】 的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)有的電話網(wǎng)傳送給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)供配電進(jìn)行控制。由于 DS12887 內(nèi)部帶有鋰電池，可保證其正常工作達(dá)十年之久。將時(shí)鐘放在集中器上還有利于上位機(jī)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行精確校時(shí)。電池在主電源正常供電時(shí)，需要由主電源對(duì)其進(jìn)行充電；當(dāng)主電源失去時(shí)，又由電池放電以保持單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。由于 W77E58 的低 8 位地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，因此需要外部地址鎖存器 74LS373 和 ALE 鎖存信號(hào)來鎖存低 8 位地址，它在下降沿鎖存地址。在系統(tǒng)中加入掉電保護(hù)電路，保護(hù)數(shù)據(jù)有很高的可靠性，可以和EEPROM 相媲美。如果系統(tǒng)受到干擾，程序運(yùn)行發(fā)生異常，系統(tǒng)就可能不會(huì)運(yùn)行看門狗定時(shí)器的復(fù)位代碼，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)被看門狗定時(shí)器復(fù)位。該定時(shí)器基于一組分頻器，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率進(jìn)行分割。任何訪問地址為0000HFFFFH 的MOVX指令都將訪問到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(7) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器W77E58最多可以訪問64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于存在新增功能和外設(shè)，中斷源的數(shù)量和中斷向量都相應(yīng)得增加。注意串行口0可以用定時(shí)器 1或2做波特率發(fā)生器，但串行口1只能用定時(shí)器1做波特率發(fā)生器。P2口主要提供 16位地址的高8位。這樣提高了W77E58的指令執(zhí)行速度。這樣性能就提高了 。整體來看，W77E58 的速度比標(biāo)準(zhǔn)的 8051 快 倍。51系列單片機(jī)有極多的器件可供選擇，并且數(shù)量還在日益增多，價(jià)格便宜，技術(shù)成熟，擴(kuò)展力強(qiáng)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)參數(shù)、變量、集中器自身的參數(shù)、所負(fù)責(zé)電表的參數(shù)以及電表電量等；實(shí)時(shí)時(shí)鐘為集中器定時(shí)抄表提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；上行通道即集中器與上位機(jī)之間的通信線路，采用公用電話網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，上位機(jī)與集中器進(jìn)行通信時(shí)要設(shè)置集中器連線所連接的電話號(hào)碼；下行通道即集中器與載波電表之間的通信，采用以 SSC P300 為核心的電力載波方式進(jìn)行抄表通信。集中器可根據(jù)上位機(jī)下載的定時(shí)抄表，在每月一次按時(shí)啟動(dòng)月凍結(jié)抄表；具有實(shí)時(shí)抄表和對(duì)某些特定表進(jìn)行抄表的功能。PCMODEMRS232/TTL轉(zhuǎn)換電話網(wǎng)接口單片機(jī)電話線接口MODEM圖 32 集中器與上位機(jī)的通信框圖 【7】發(fā)送端從 PC 的 RS232 口出來，經(jīng) RS232/TTL 電平轉(zhuǎn)換芯片將 RS232 電平轉(zhuǎn)換成 TTL 電平送到調(diào)制解調(diào)器，調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)調(diào)制成音頻信號(hào)，通過電話通信網(wǎng)傳到對(duì)方的調(diào)制解調(diào)器，對(duì)方的調(diào)制解調(diào)器將音頻信號(hào)解調(diào)成數(shù)據(jù)，再送到對(duì)方的單片機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 Modem Modem電話網(wǎng)專業(yè)網(wǎng)電力線Modem采集器集中器低壓/電力網(wǎng)電力線Modem供電局計(jì)算機(jī)抄表中心電能表 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 [4]抄表系統(tǒng)各組成部分的功能是:(1) 電能用戶表對(duì)于電磁式電能表，需在表內(nèi)加裝一只傳感器或光電模塊，將電能表的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；對(duì)于電子式電能表，則可以直接利用表的電脈沖輸出。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)，所以在抗干擾、抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能價(jià)格比等方面有著更加出眾的表現(xiàn)。(2) SSCP300 芯片SSCP300 是 INTELLON 公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波 Modem 芯片,利用網(wǎng)絡(luò)接口控制器將擴(kuò)頻通訊收發(fā)器和媒介存取接口高度集成化，是用于低廉的電能抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口控制器，為一個(gè)高度集成化的電力線收發(fā)器和信道存取接口。因此電力線載波通信的關(guān)鍵就是選用一種功能強(qiáng)大的電力線載波專用 MODEM 芯片。只有當(dāng)多徑時(shí)延小于碼元寬度時(shí)，才發(fā)生輕度衰落。與傳統(tǒng)的通信方式相比較，它具有如下的特點(diǎn):(1) 抗干擾能力強(qiáng)擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力是其它所有通信方式無法比擬的。接收端使用相關(guān)處理方法，把要接收的寬帶擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成基帶信號(hào)。(2) 多載波調(diào)制方式多載波調(diào)制是一種多載頻并傳體制，其基本原理是將輸入信息轉(zhuǎn)換成多路并行信號(hào)，對(duì)相互完全正交的一組載波進(jìn)行調(diào)制。即使有些學(xué)者提出了一些模型，但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制，因而也是不精確的或適用面很窄。這種現(xiàn)象有時(shí)就表現(xiàn)為雖然接收端和發(fā)送端的位置不變，但接在不同的相上，通信的誤碼率不同。(2) 低壓電力上高頻信號(hào)的衰減及其變化高頻信號(hào)在低壓電力線上的衰減是低壓電力線載波通信遇到的又一個(gè)實(shí)際困難。前兩者制約信號(hào)的傳輸距離，后者決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。它根據(jù)頻率搬移、頻率分割原理，將原始信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，搬移到不同的線路傳輸頻帶，送到電力線上進(jìn)行傳輸。實(shí)踐證明用進(jìn)口通用通信芯片不可能實(shí)現(xiàn)我國民用電力網(wǎng)的可靠載波通信。本課題就是在這種情況下，將現(xiàn)場總線技術(shù)、低壓電力線載波通訊技術(shù)和電話通訊技術(shù)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中式抄表系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。近年來，美國、以色列、德國和英國的科技人員一直從事這方面的技術(shù)研究與開發(fā)?，F(xiàn)在把各種噪聲干擾主要來源歸納為 4 個(gè)方面：(a) 可控硅器件和一些電源電路產(chǎn)生的 60Hz 的倍頻諧波(注: 美國電力線頻率為60Hz)； (b) 平滑頻譜噪聲，其頻譜平坦，可以看作有限帶寬的白噪聲，家電中的小電機(jī)是產(chǎn)生這類噪音的根源；(c) 單脈沖干擾，通常由開關(guān)切換、閃電、溫度調(diào)節(jié)器或電容充放電引起；(d) 非同步周期噪聲，如電視的行掃描頻率對(duì)電網(wǎng)的干擾。電力線載波通信又分為 35KV 以上的高壓載波通信、10KV 配電網(wǎng)的載波通信和民用（400V 以下）電力線載波通信。根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的集中器的主要功能及性能指標(biāo)要求，本文重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)了集中器的硬件系統(tǒng)。電力載波通信抄表集中器硬件設(shè)計(jì)摘 要隨著我國電力事業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的用電抄收管理方式己經(jīng)不能滿足市場需求。集中器是連接上位機(jī)與終端載波電表之間的樞紐，起著上傳下達(dá)的作用。因?yàn)殡娫淳€路是每個(gè)家庭最為普通也是覆蓋最為寬廣的一種物理媒介，其覆蓋面超過有線電視網(wǎng)絡(luò)甚至電話線路，同時(shí)由于利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，可以大大減少通信網(wǎng)建設(shè)的費(fèi)用，因而利用電源線路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。己有的研究結(jié)果表明，噪聲的大量存在是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在低壓電力線上優(yōu)質(zhì)傳輸?shù)闹饕系K之一。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)在國外，自動(dòng)抄表系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展比較早，歐美等國在上個(gè)世紀(jì)七、八十年代就開始試驗(yàn)探索自動(dòng)抄表技術(shù)，70 年代美國引進(jìn)歐洲音頻電力負(fù)荷控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了負(fù)荷監(jiān)控及抄表系統(tǒng)，80 年代，以色列研制成功低壓電力線載波集中抄表技術(shù)，九十年代初自動(dòng)抄表技術(shù)逐漸成熟，在世界各地得到了迅猛的發(fā)展。目前，國內(nèi)雖然出現(xiàn)了一些自動(dòng)抄表系統(tǒng)，但是安裝量并不大，而且技術(shù)并不成熟，成功率低，所以自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究還是有較大的發(fā)展空間。盡管如此，目前我國在該方面的技術(shù)屬先進(jìn)行列。該系統(tǒng)底層通訊方式采用低壓電力線載波通信的方式，載波芯片使用 Intel Lon 公司的 SSCP300 擴(kuò)頻載波芯片；上層通訊采用電話網(wǎng)絡(luò) 3 / 43載波芯片 接口電路處理器 處理器接口電路 載波芯片 圖 11 載波接口電路2 電力線載波通信技術(shù)電力線載波通信是利用電力線作為傳輸通道的載波通信，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。影響電力線載波傳輸質(zhì)量的主要因素有: 電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性、衰減特性及噪聲的干擾。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，使發(fā)送機(jī)功率放大器的輸出阻抗和接收機(jī)的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設(shè)計(jì)帶來很大的困難。對(duì)于民用電網(wǎng)，其三相電源所接的負(fù)載大小和性質(zhì)都不相同，所以同樣強(qiáng)度的信號(hào)在三相電線上的衰減也不同。通過以上討論可以看到，低壓電力線上的信號(hào)衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時(shí)變性大，難以找到一個(gè)較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，這也是為什么一直以來對(duì)低壓電力線高頻信號(hào)傳輸特性的分析多以定性分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。而使用低品質(zhì)因數(shù)的濾波器又會(huì)使通帶帶寬加大，令更多的噪聲進(jìn)入接收器，所以窄帶通信對(duì)脈沖噪聲的抵抗性較差。 擴(kuò)頻通信技術(shù)擴(kuò)頻通信是目前應(yīng)用廣泛的通信技術(shù)，它相對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)來說有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在擴(kuò)頻通信具有優(yōu)越的抗干擾性能，它能夠很好的克服電力線上的噪聲和干擾，擴(kuò)頻通信用偽隨機(jī)碼把基帶信號(hào)(信息數(shù)據(jù)窄帶信號(hào))的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成相當(dāng)帶寬的低功率譜密度信號(hào)發(fā)射。 擴(kuò)頻通信的特點(diǎn) [4]擴(kuò)頻通信是一種新型的通信體制，是通信領(lǐng)域中一個(gè)重要的發(fā)展方向。此外，在存在多徑干擾的場合，由于偽隨機(jī)碼尖銳的相關(guān)特性使多徑射束完全獨(dú)立。鑒于電力線的惡劣的通道特性，必須采用專用的電力線載波專用 MODEM芯片，這也成為電力載波抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時(shí)，通訊速度太慢。其擴(kuò)頻通信單元是專門針對(duì)我國電力網(wǎng)絡(luò)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的。 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可知，自動(dòng)抄表系統(tǒng)是將電表數(shù)據(jù)從下而上逐級(jí)傳送完成，也可以根據(jù)實(shí)際情況的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，該系統(tǒng)可分為五個(gè)主要組成部分：(1) 電能用戶表；(2) 數(shù)據(jù)采集器；(3) 電力線 Modem；(4) 集中器；(5) 計(jì)算機(jī)抄表中心。(6) 集中器與數(shù)據(jù)中心之間的通信數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)中心之間的通訊采用公用電話網(wǎng)絡(luò)作為通訊媒介，自動(dòng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)集中器之間的通訊主要是電話線 Modem 模塊之間的通訊，在電力線載波集中抄表器的設(shè)計(jì)中，我們利用單片機(jī)進(jìn)行兩地間的數(shù)據(jù)通信，通過單片機(jī)及對(duì)應(yīng)的控制電路和 FSK(移頻鍵控 )調(diào)制解調(diào)器（MODEM）相結(jié)合，借助現(xiàn)有的公用電話交換網(wǎng)（PSTN 進(jìn)行傳輸，來實(shí)現(xiàn)兩地之間的數(shù)據(jù)通信功能。集中器的主要功能有：(1) 抄收功能根據(jù)設(shè)置的抄收方式采集抄收電表的數(shù)據(jù)。主控器是集中器的核心，數(shù)據(jù)的采集、處理與傳送都是在主控器的控制下進(jìn)行的，外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘模塊。另外，件開發(fā)的難易也會(huì)在很大程度上影響用戶的選擇。一般說，按照指令的類型，W77E58 的指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn) 8051 的 倍。性能的提高不僅僅在于使用高頻的振蕩器，還在于W77E58 將多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的8052指令的機(jī)器周期從12個(gè)時(shí)鐘減少至4個(gè)時(shí)鐘。8051每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，而W77E58每4個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期。此時(shí)它內(nèi)部有強(qiáng)上拉或下拉功能，無須再使用外部上拉。W77E58的串行口能以不同的方式運(yùn)行，以獲得時(shí)序相似。(4) 中斷W77E58的中斷系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)8052之中斷系統(tǒng)有細(xì)微的差別。MOVC指令同樣也訪問這些區(qū)域，超過片上 ROM最大地址范圍后，系統(tǒng)將訪問外部存儲(chǔ)器。當(dāng)軟件禁止訪問該區(qū)域時(shí)，該區(qū)域?qū)⒈挥成錇橥獠繑?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(8) 看門狗定時(shí)器看門狗定時(shí)器是一個(gè)自行運(yùn)行定時(shí)器，用戶可通過編程將其設(shè)置為系統(tǒng)監(jiān)控器，時(shí)基發(fā)生器或事件定時(shí)器。用戶可以在軟件中使用看門狗定時(shí)器來防止程序運(yùn)行的錯(cuò)誤；用戶在軟件中適當(dāng)?shù)牡胤桨才趴撮T狗定時(shí)器復(fù)位程序，每當(dāng)運(yùn)行到看門狗定時(shí)器復(fù)位程序時(shí)就將看門狗定時(shí)器復(fù)位防止看門狗定時(shí)器復(fù)位的產(chǎn)生。6264 是 28 腳雙列直插式 8KB 8 位靜態(tài)隨機(jī)讀取 RAM，它具有容量大、功耗低、價(jià)格便宜、集成度高、速度快、設(shè)計(jì)和使用方便等特點(diǎn)。在擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器后，PO 和 P2 口 不能再用于其它功能。所以在系統(tǒng)正常工作時(shí)應(yīng)該給電池充電。當(dāng)平時(shí)運(yùn)行抄收命令時(shí)，集中器會(huì)每抄收一塊電表就加上當(dāng)時(shí)的時(shí)間。 [16]DS12887 芯片與單片機(jī)的接口電路如圖所示 ,因?yàn)榕c 51 系列單片機(jī)連接，所以 MOT 接地；片選 CS 接 138 譯碼器的 Y2 端；IRQ 端接一上拉電阻連到 W77E58 的中斷 INT1 端，即采用中斷方式讀取時(shí)鐘參數(shù)，當(dāng)允許 DS12887 向單片機(jī)申請中斷，SQW 端輸出為 500ns 的方波；數(shù)據(jù)模式為 BCD 碼，時(shí)間采取 24h 模式。從 SSCP300 輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱，而且有各種諧波，因此要放大濾波，然后通過耦合電路將信號(hào)調(diào)制到電力線上。本文將以 SSC P300 為核心器件，就其工作原理、電路設(shè)計(jì)開發(fā)展開討論。 載波通信芯片 SSCP300 的發(fā)送與接收原理SSCP300 是 Intellon 公司推出的網(wǎng)絡(luò)接口控制器提供了擴(kuò)頻載波電力線的傳輸技術(shù),是符合 CEBus 標(biāo)準(zhǔn)的低價(jià)位產(chǎn)品,P300 提供了 EIA600 標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)鏈路服務(wù),物理層收發(fā)器,串行外圍接口的主機(jī)接口；通訊中的數(shù)據(jù)鏈路功能的物理層的數(shù)據(jù)鏈路模式(DLL),控制模式(CON) 和監(jiān)控模式(MON)。 [17]從 SSCP300 輸出的信號(hào)幅度小、驅(qū)動(dòng)能力弱，而且有各種諧波，因此要放大濾波，然后通過耦合電路將信號(hào)調(diào)制到電力線上。DSP 可以通過使用一個(gè) 300 點(diǎn)的 ROM 查詢表來產(chǎn)生擴(kuò)頻載波(SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài),此表可以驅(qū)動(dòng) 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生 SSCCH IRPS波的模擬波形。電力線媒介的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信是由 SSC P300 管理的,SSC P300 提供的由主制器通過 SPI 端口管理的功能使得主處理器獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)。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 作為集中器和上位機(jī)的通訊方式。實(shí)際中常采用 RS485 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行長距離數(shù)據(jù)通信，目前常用的與 TTL 的電平接口是 MAX485 和 MAX489, 其片內(nèi)含有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器，MAX485 為差分平衡型收發(fā)器。這是因?yàn)楣秒娫捑W(wǎng)為模擬電話線路，數(shù)字信號(hào)不能直進(jìn)入這樣的信道，必須25 / 43通過一個(gè)中間設(shè)備 MODEM，它用