【正文】 號(hào)WE 為寫(xiě)信號(hào)A0~A12 為 13 根地址線D0~D7 為 8 位數(shù)據(jù)線 圖 42 6264 電路原理圖邏輯符號(hào) [1] 硬件電路設(shè)計(jì)圖 43 單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路W77E58 單片機(jī)由于受管腳的限制，在擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的。圖 44 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的掉電保護(hù)電路在本系統(tǒng)中，采集的用戶電表數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器一旦掉電，將失去所有數(shù)據(jù)，所以必須給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器加掉電保護(hù)，防止數(shù)據(jù)的丟失。所以不管外部供電電壓如何，一旦啟動(dòng) DS12887 的計(jì)時(shí)功能，它將自動(dòng)地進(jìn)行年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)。擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾性能，通過(guò)相關(guān)分析實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。利用擴(kuò)頻載波技術(shù)開(kāi)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。單片機(jī)通過(guò)發(fā)送命令讀取這些數(shù)據(jù)結(jié)來(lái)判斷發(fā)生的事件及當(dāng)前狀態(tài),并通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的命令做出相 SSC P300 之間的傳送是通過(guò) SPI 接口實(shí)現(xiàn)的。本文中的電平轉(zhuǎn)換采用 MAXIM 公司的 MAX485 芯片完成。芯片的外圍電路也很簡(jiǎn)單，只需 4 個(gè)電容就可正常工作。 單片機(jī)與 SSCP300 通信的控制工作過(guò)程單片機(jī) W77E58 是整個(gè)模塊工作的控制核心。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(guò)D/A 產(chǎn)生擴(kuò)頻“Chirps”模擬波形。低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 7 所示。 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(cè)量?jī)x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。所以，保護(hù)電路有一個(gè)最長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間的參數(shù)，使用中不能超過(guò)，否則，保護(hù)就會(huì)失效。 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。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(chǔ)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)?shù)却隣顟B(tài)控制信號(hào)使能后， 是輸入口。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。W77E58 是一個(gè)快速 8051 兼容微控制器；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。 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(kù)存儲(chǔ)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。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(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。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(duì)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。 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。在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，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)。 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。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(hào)會(huì)遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象。因此，在使用電力線作為信號(hào)傳輸媒介之前，需要對(duì)它的信道特性進(jìn)行分析。近 10 年來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、以色列、中國(guó)等國(guó)的科技人員一直從事這方面的技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)。(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)。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。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。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。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。 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。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。電力線上的干擾可分為:非人為干擾和人為干擾。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)。因此，抗干擾能力將是擴(kuò)頻通信的最基本特點(diǎn)。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。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。 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。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。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。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。(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。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。溢出時(shí)，如果看門(mén)狗有效（且看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)位打開(kāi)），將引起系統(tǒng)復(fù)位。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。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。并能保證在 25℃環(huán)境溫度的情況下，計(jì)時(shí)精度在177。線性擴(kuò)頻是指在發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，其載波的頻率作線性變化。PDCI 用于連接計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)和嵌入式設(shè)備,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的上層(應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層)的通信協(xié)議。關(guān)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息和令協(xié)議的詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn) SSC P300 的資料。其通信接口電路如下圖：圖 412 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信 [7]MAX485 芯片的 1 腳 R0 為接收器的輸出，接 TTL 電平 RXD 信號(hào)；4 腳 DI 為發(fā)送器輸入，接 TTL 電平 TXD 信號(hào)； 3 腳 DE 為發(fā)送使能端，接 +5V；2 腳 RE/為接受使能端，接地。MAX232 內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5V 電源便可實(shí)現(xiàn) TTL 電平與 RS232 電平轉(zhuǎn)換，使用起來(lái)十分方便。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(hào)的轉(zhuǎn)換、接收符號(hào)到字節(jié)的轉(zhuǎn)換及 CRC 的產(chǎn)生和校驗(yàn)等)。將欲發(fā)送的分組先從主處理器傳輸?shù)絻?nèi)部的 DLL 微處理器,而 DLL 微處理器則將數(shù)據(jù)傳輸給 DSP 功能塊。在信道特性最惡劣的情況下，也要保證不小于 600 米。DS12887 的管腳圖如下：AD0AD7：地址/數(shù)據(jù)，應(yīng)接 P0 口；MOT：總線類型選擇，與 89C51 連接時(shí)接地； CS：片選 ；AS：地址選通，與 89C51 連接時(shí)接 ALE；R/W：讀/寫(xiě)控制，與 89C51 連接時(shí)接 WD； DS：數(shù)據(jù)選通，與 89C51 連接時(shí)接 RD； RESET：復(fù)位，接+5V；圖 45 DS12887 的管腳圖 IRQ：中斷請(qǐng)求輸出。 電池在主電源失去時(shí)，對(duì)單片機(jī)存儲(chǔ)器的繼續(xù)運(yùn)行提供能源，此時(shí)的電池能源是非常寶貴的，而且隨著保護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，電池的電17 / 43量也會(huì)用完的。集中器要管理電表，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)集、處理、存儲(chǔ)，僅片內(nèi) 1KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是不夠的，需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于這片區(qū)域只有256字節(jié)，因此僅適用于數(shù)據(jù)量較小的場(chǎng)合。在空閑模式下，CPU 核心停止工作，而定時(shí)器、串行口、中斷時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行。 有CP/RL2 的復(fù)用功能是等待狀態(tài)中的控制信號(hào)。它只能用MOVX指令來(lái)訪問(wèn)，可由軟件來(lái)選擇是否使用這個(gè)片上SRAM。在它內(nèi)部 20kB 的程序存儲(chǔ)器，而且擴(kuò)展能力強(qiáng)，完全能滿足系統(tǒng)的要求。(5) 校時(shí)功能集中器可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)校時(shí)，調(diào)整時(shí)間誤差。(4) 數(shù)據(jù)集中器數(shù)據(jù)集中器是安裝在小區(qū)的配電站區(qū)的，它的功能是向采集器發(fā)出命令，抄收計(jì)費(fèi)終端的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)公用電話網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)集中器能夠接收的數(shù)據(jù)中心的命令，并把相關(guān)命令再轉(zhuǎn)發(fā)給轄區(qū)內(nèi)的指定的數(shù)據(jù)采集器。SCSP300 與主處理器一起構(gòu)造的與 CE Bus 兼容的產(chǎn)品，在各種低廉的電力線7 / 43網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，充當(dāng)著基本的通訊單元。此外，擴(kuò)頻通信還具有信號(hào)功率譜密度低，有利于信號(hào)隱蔽，實(shí)現(xiàn)多擴(kuò)頻系統(tǒng)具有一系列其它系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了強(qiáng)干擾環(huán)境中的通信問(wèn)題。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。盡管低壓電力線載波通信存在上述所說(shuō)的這些困難，用低壓電力線作為通信信道仍然是可行的，只是需要采用一些特殊的技術(shù)手段?？偟膩?lái)說(shuō)，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減就越厲害。但在 220V/380V 低壓電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸，與高壓電力線載波通信有很大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗大、信號(hào)衰減強(qiáng)、干擾大且時(shí)變大等特點(diǎn)。隨著電價(jià)的改革，供電部門(mén)為迅速出賬，需要從用戶處盡快獲取更多的數(shù)據(jù)信息，如電能需量、分時(shí)電量和負(fù)荷曲線等，自動(dòng)抄表為實(shí)現(xiàn)上述需求提供了切實(shí)可行的技術(shù)手段。在 100 400kHz 頻帶內(nèi)，信號(hào)的平均衰減為 40dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20dB。而電力線現(xiàn)在的功能僅僅是傳送電能，如何利用網(wǎng)絡(luò)資源潛力，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)窄帶通信或?qū)拵ㄐ?，使之成為繼電信、電話、無(wú)線通信和衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技人員的又一目標(biāo)。重點(diǎn)分析研究了集中器及其與各組成部分的通信。由于低壓電力線上實(shí)現(xiàn)通信又很多技術(shù)難點(diǎn)，如網(wǎng)絡(luò)不規(guī)范、節(jié)點(diǎn)多、隔離多、隨機(jī)干擾等。1999 年 5 月開(kāi)始進(jìn)行 PLC 系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。因此，本自動(dòng)抄表系統(tǒng)在技術(shù)層面來(lái)講是可行的。在理想情況下，當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí)，電力線相當(dāng)于一根均勻分布的傳輸線。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電在電力線上引起的干擾。(3) 擴(kuò)頻通信方式實(shí)用擴(kuò)頻技術(shù)在 50 年代中發(fā)展起來(lái)，起初擴(kuò)頻技術(shù)只用于軍用通信、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域，由于它具有許多特點(diǎn)，使得其理論和實(shí)踐發(fā)展迅速。(2) 具有選址能力由于采用編碼信號(hào)形式，對(duì)一個(gè)或一組接收機(jī)分配規(guī)定的碼組作為地址，而對(duì)其它的接收機(jī)分配不同的碼組。由于它是專用 Modem 芯片，所以除有一般 Modem 芯片的信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能外，還針對(duì)電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號(hào)處理手段。SC1128 芯片內(nèi)部集成了擴(kuò)頻/解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換、內(nèi)置電子表、輸出驅(qū)動(dòng)、輸入信號(hào)放大、看門(mén)狗、工作電壓檢測(cè)以及與單片機(jī)(MUC)串口通信等功能。集中器的信息存儲(chǔ)和處理量較大，我們需采用處理速率較高的處理器并進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。一方面接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的各種操作命令并下傳采集終端；另一方面，將采集終端的各種信息回傳管理中心計(jì)算機(jī)，同時(shí)還存儲(chǔ)所轄表計(jì)的數(shù)據(jù)和有關(guān)參數(shù)，并具有定時(shí)和實(shí)時(shí)抄收采集終端( 智能表 )數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視采集終端(智能表) 的工作狀態(tài)等功能。W77E58 內(nèi)含 32KB Flash EPROM，工作電壓為 ，具有 1KB 片上外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，當(dāng)用戶應(yīng)用時(shí)使用片上 SRAM 代替外部 SRAM，可節(jié)省更多 I/O 口。機(jī)器周期縮短至4個(gè)時(shí)鐘周期，是W77E58速度提高的主要原因。當(dāng)作為定時(shí)器使用時(shí)，可將它們?cè)O(shè)置為每4個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，或者每 12個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。這1KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址范圍為0000H03FFH ?？撮T(mén)狗溢出中斷以及看門(mén)狗復(fù)位功能可由軟件設(shè)置，將2者的功能合并或分離（即看門(mén)狗定時(shí)器溢出并使系統(tǒng)復(fù)位以及看門(mén)狗定時(shí)器僅溢出，而不會(huì)引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位）。擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264為 8KB，需 13 根地址線, 尋址范圍為:0000H1FFFH。適當(dāng)選擇 R1 的大小，可以保證充電電流和充電時(shí)間都比較合理。1min/月的范圍內(nèi)。線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生可由一個(gè)鋸齒波信號(hào)調(diào)制壓控振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)（與掃頻信號(hào)相似） 。SSPM用于將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)耦合到電力線上,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 主處理器 W77E58 作為控制核心,控制通過(guò)