【導(dǎo)讀】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。的基礎(chǔ)上，提出了一種采用低壓電力線載波通信技術(shù)的遠程自動抄表系統(tǒng)。三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即上位機管理系統(tǒng)、集中器和載波電表。重點分析研究了集中器及其與。各組成部分的通信。由于我國低壓電力線上存在的高削減、高噪聲、高變形，必須采用。特殊的通信技術(shù)。力線載波專用MODEM芯片SSCP300的內(nèi)部工作原理。在此基礎(chǔ)上，采用SSCP300. 集中器是連接上位。機與終端載波電表之間的樞紐，起著上傳下達的作用。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，本文重點研究設(shè)計了集中器的硬件系統(tǒng)。機通信接口電路以及電力線載波通信電路及其外圍電路等。

　　

【正文】 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。擴展的數(shù)據(jù)存儲器 6264 為8KB，需 13 根地址線 , 尋址范圍為 :0000H1FFFH。擴展的程序存儲器 2764 為 8 KB，需 13 根地址線 , 尋址范圍為 :1000H2FFFH。 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。當(dāng) WR/為低電平，片選端 CE/為低電平時，將 P0 口和 P2 口的 上的數(shù)據(jù)寫到 A0~A13 選中的存儲單元中。在擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器后， PO 和 P2 口 不能再用于其它功能。由于 W77E58 的低 8 位地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用，因此需要外部地址鎖存器 74LS373 和 ALE 鎖存信號來鎖存低 8 位地址，它在下降沿鎖存地址。 存儲器的掉電保護 在單片機系統(tǒng)中，當(dāng)主電源 DC 5V 失去時，我們稱之為掉電。掉電之后，單片機會停止工作，時鐘會停止往前走， 存儲器的數(shù)據(jù)容易丟失， 這種結(jié)果在許多場合往往是不希望的，為了保證單片機在主電壓失去時仍然能夠保持運行，人們就利用干電池對單片機系統(tǒng)繼續(xù)進行供電。 單片機允許在電壓低至 2V 甚至更加小一些的電壓供電時 ，仍然可以保證其最基本的運行。 電池在主電源失去時，對單片機 存儲器 的繼續(xù)運行提供能源，此時的電池能源是非常寶貴的 ，而且 隨著保護時間的延長，電池的電量也會用三門峽職業(yè)技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 第 18 頁 共 46 頁 18 完的。所以，保護電路有一個最長保護時間的參數(shù)，使用中不能超過，否則，保護就會失效。當(dāng)電池經(jīng)過保護時間的使用之后，就需要補充電能，以便下一次保護時能夠 正常投入保護工作。所以 在系統(tǒng)正常工作時應(yīng)該 給電池充電。電池在主電源正常供電時，需要由主電源對其進行充電；當(dāng)主電源失去時，又由電池放電以保持單片機系統(tǒng)的運行。 圖 44 數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護電路 在本系統(tǒng)中，采集的用戶電表數(shù)據(jù)都存儲在外部擴展的數(shù)據(jù)存儲器中，存儲器一 旦掉電，將失去所有數(shù)據(jù)，所以必須給數(shù)據(jù)存儲器加掉電保護，防止數(shù)據(jù)的丟失。正常工作時， 由 VCC 5V 電源供電，此時， VCC 5V 電源通過 D1 和 R1 ，對保護用電池進行充電，以保證電池電量的充足。適當(dāng)選擇 R1 的大小，可以保證充電電流和充電時間都比較合理。 當(dāng)主電源失去后， 電池通過 R1+R2 ，對 存儲器 供電端口進行供電，供電電流通過 R1+R2 之后，會有壓降，到達 存儲器 的 VCC 端口時，電壓就會比 低，一般會在 2V— 左右， 但可以防止存儲器中的數(shù)據(jù)丟失。 時鐘模塊 設(shè)計思想 電力線載波抄表系統(tǒng)是一個與時間記錄有很大關(guān)系的系統(tǒng)，上位機不但要從集中器采集電表數(shù)據(jù)，還要知道固定時刻電表數(shù)據(jù)的值，因此實時時鐘是必不可少的。將時鐘放在集中器上，既可以滿足系統(tǒng)對時間信息的基本要求，也不會給系統(tǒng)增加過多的負擔(dān)。當(dāng)平時運行抄收命令時，集中器會每抄收一塊電表就加上當(dāng)時的時間。將時鐘放在集中器上還有利于上位機對時鐘進行精確校時。 第 19 頁 共 46 頁 19 時鐘模塊的選擇 [15] 本文選用的 DS12887 是 DALLAS 半導(dǎo)體公司新推出的實時時鐘芯片 ,可直接取代DS1287,該芯片引腳少、體小、使用方便、 價格便宜， 功能豐富 ， 應(yīng)用廣泛。它在工業(yè)控制及智能儀器儀表中有廣泛用途 ,一般 PC 機內(nèi)的時鐘信號就是由 DS12887 提供的。DS12887 的特點 ： (1)可作為個人計算機的時鐘和日歷 ； (2)與 MCl46818B 和 DS1287 的管腳兼容 ； (3)在沒有外部電源的情況下可工作 10 年 ； (4)自帶晶體振蕩器及鋰電池 ； (5)可計算到 2100 年前的秒、分、小時、星期、日、月、年七種日歷信息并帶閏年補償 ；(6)用 二進制碼或 BCD 碼 來 表 示 日歷和鬧鐘信息 ； (7)并有 128 字節(jié)帶掉電保護的 RAM。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 連接時接地； CS：片選 ； AS：地址選通，與 89C51 連接時接 ALE； R/W：讀 /寫控制，與 89C51 連接時接 WD； DS：數(shù)據(jù)選通，與 89C51 連接時接 RD； RESET：復(fù)位，接 +5V； 圖 45 DS12887 的管腳圖 IRQ：中斷請求輸出。 時鐘模塊與單片機的連接 [14] 時鐘芯片在智能電量測量儀的設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用，顯示積累值及當(dāng)前時間。DS12887 芯片在為系統(tǒng)提供時間信息的同時 ，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 ，對時間的讀取可以采用查詢方式，即查詢到位 IRQ/為 0 時讀時間，也可以采用中斷方式使芯片每秒鐘中斷一次，在中斷程序中讀時間，為了提高工作效率 通常采用中斷方式。 [16]DS12887 芯片與單片機的接口電路如圖所示 ,因為與 51 系列單片機連接，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鐘參數(shù)，當(dāng)允許 DS12887 向單片機申請中斷，SQW 端輸出為 500ns 的方波；數(shù)據(jù)模式為 BCD 碼， 時間采取 24h 模式。由于 DS12887內(nèi)部帶有鋰電池，可保證其正常工作達十年之久。所以不管外部供電電壓如何，一旦啟動 DS12887 的計時功能，它將自動地進行年、月、日、星期、時、分、秒的計時。并能保證在 25℃環(huán)境溫度的情況下，計時精度在 177。 1min/月的范圍內(nèi)。 三門峽職業(yè)技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 第 20 頁 共 46 頁 20 圖 46 單片機與時鐘芯片 DS12887 的連接電路 電力線載波通信電路設(shè)計 電力線載波電路是負責(zé)與載波電表的通信，能同時接收多路電力載通信，每一路電力載波均有獨立的收發(fā)系統(tǒng)。載波電路是整個系統(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。需要配合外圍功率放大電路和接收回路才能工作，載波通信的距離與外圍電路設(shè)計優(yōu)劣、功率小等密切相關(guān)。從 SSCP300 輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱，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調(diào)制到電力線上。電力線傳來的載波信號由 SSCP300 接收，需一個帶通濾波器，經(jīng)過預(yù)放大再送到 SSCP300 的接收端，再送給單片機進行處理，單片機中存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)有的電話網(wǎng)傳送給控制計算機，控制計算機根據(jù)數(shù)據(jù)對供配電進行控制。 低壓擴頻載波模塊主要由 SSCP300 低壓電力線擴頻載波網(wǎng)絡(luò)控制器、前置功 放和電力線藕合電路構(gòu)成，負責(zé)對單片機送來的數(shù)據(jù)進行線性掃頻調(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行掃頻解調(diào)后送給單片機。這種數(shù)據(jù)通信采用了收發(fā)分時控制的半雙工通訊。該模塊與配變集中器的設(shè)計通信距離為 1000 米。在信道特性最惡劣的情況下，也要保證不小于 600 米。 低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 7 所示。 第 21 頁 共 46 頁 21 圖 47 低壓電力線載波通信的原理結(jié)構(gòu)框圖 電力線載波通信是電力線載波抄表集中器的核心任務(wù)，采用先進的載波調(diào)制原理，充分 利用電子技術(shù)和微處理器技術(shù)，開發(fā)通用的電力線載波通信設(shè)備則是電力線載波抄表的重要基礎(chǔ)工作。本文將以 SSC P300 為核心器件，就其工作原理、電路設(shè)計開發(fā)展開討論。 擴頻通信技術(shù)是將信息在載波調(diào)制的基礎(chǔ)上再進行擴頻調(diào)制，將信號頻帶展寬成比信息帶寬大得多的寬頻信息帶進行通信的一種信息傳輸方式。擴頻通信具有很強的抗干擾性能，通過相關(guān)分析實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。線性擴頻是指在發(fā)送數(shù)據(jù)信號的一個周期內(nèi)，其載波的頻率作線性變化。線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生可由一個鋸齒波信號調(diào)制壓控振蕩器來實現(xiàn)（與掃頻信號相似）。發(fā)送時將該線性調(diào)頻波 作為載波來對傳送的基帶信號（信息數(shù)據(jù)）進行擴頻調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后形成相當(dāng)帶寬的低功率譜密度信號，通過輸出放大器和媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇椋唤邮諘r電力線上的線性擴頻信號通過耦合 [濾波網(wǎng)絡(luò)輸入，并可采用匹配濾波器對線性調(diào)頻信號進行壓縮處理，使信號在一個很短的時間內(nèi)輸出集中的能量。而與濾波器不匹配的信號在時間上沒有壓縮，甚至反被擴 展，從而提高信噪比。最后對檢出的信號進行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息。 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 了擴頻載波電力線的傳輸技術(shù) ,是符合 CEBus 標(biāo)準(zhǔn)的低價位產(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)。 圖 410 給出了 SSCP300 網(wǎng)絡(luò)接口控制器的節(jié)點圖， SSCP300 提供了通訊中的數(shù)據(jù)鏈路功能和物理層協(xié)議服務(wù) ,主處理器負責(zé)與 SSCP300 的通信及執(zhí)行特殊的應(yīng)用工作 ,SSCP300 提供數(shù)據(jù)鏈路功能和物理層的協(xié)議 LinkLa 服務(wù)。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 ,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。模擬通過信號首先從其S SCP 3 0 0 緩沖器 濾波器 功率放大器 前級放大器 帶通濾波器 載波耦合 低壓電力線 三門峽職業(yè)技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 第 22 頁 共 46 頁 22 SI 腳進入 SSCP300,然后被緩存放大器 (Amp)所放大 ,放大后的信號通過 A/D 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號 ,以便于對信號實施數(shù)字信號處理。對輸入信號的數(shù)字信號處理 ,包括一個配套的濾波相關(guān)器以檢測擴頻 “ Chirps” 的波形 ,而載體檢測和媒介狀態(tài)信息則被從 DSP 電路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路層 (DLL)的微處理器 ,以 便于將分組解碼 ,協(xié)議功能和最終的分組傳輸?shù)街魈幚砥?。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。 DSP 可產(chǎn)生擴頻載波 (SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài) ,通過D/A 產(chǎn)生擴頻 “ Chirps” 模擬波形。當(dāng)三態(tài)信號被置為高時 ,此波形經(jīng)緩存后從 SO 腳輸出 ,經(jīng)功率放大模塊 (如 P111)和變壓器耦合到電力線上 ,為了保障擴頻信號能夠線性傳輸變壓器應(yīng)為 1∶ 1,主處理器與 SSCP300 通過發(fā)布指令進行通信。 [17] 從 SSCP300 輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱，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調(diào)制到電力線上。電力線傳來的載波信號由 SSCP300 接收，需一個帶通濾波器，經(jīng)過預(yù)放大再送到 SSCP300 的接收端，再送給單片機進行處理，單片機中存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)有的電話網(wǎng)傳送給控制計算機，控制計算機根據(jù)數(shù)據(jù)對供配電進行控制。 利用擴頻載波技術(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。 PDCI 用于連接計算機和計算機、計算機和嵌入式設(shè)備 ,實現(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。 SSPM用于將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)耦合到電力線上 ,實現(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)。 SSPM 是由 SSC P300 和 SSC P111 構(gòu)成的 ,而 SSPM 是由主處理器 W77E58 控制核心控制的 ,SSC P111 媒介接口和電力線耦合電路部分完成緩沖放大、低通濾波和信號耦合等功能。 SSC P300 網(wǎng)絡(luò)接口控制器 ,實現(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)生和校驗等 )。主處理器 W77E58 作為控制核心 ,控制通過 5 線的串行外圍接口 (SPI)把即將發(fā)送的分組先傳輸?shù)?SSC P300 內(nèi)部的 DLL 處理器 ,而 DLL 處理器則將數(shù)據(jù)傳輸給 DSP 功能塊。 DSP可以通過使用一個 300 點的 ROM 查詢表來產(chǎn)生擴頻載波 (SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài) ,此表可以驅(qū)動 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生 SSCCH IRPS波的模擬波形。 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，主處理通過 5 線的串行外圍接口 SP2 將從 S2輸入的解調(diào)后信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)分組接收進來，而 PDCI 實現(xiàn) SSPM 和上位機的通信。我們選擇使用計算機和嵌入式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口 RS232 和 RS485 作為 SSPM和上 位機的通訊方式。 [18] 下圖為電力線載波通信模塊 第 23 頁 共 46 頁 23 圖 49 S