【正文】 ....................29 主程序設(shè)計 ......................................................30 集中器向上位機的數(shù)據(jù)傳輸 ........................................31 單片機與擴頻芯片 SSCP300 的數(shù)據(jù)傳輸 ..............................32 本章小結(jié) ............................................................346 結(jié)論 ...................................................................35 總結(jié) ................................................................35 結(jié)束語 ..............................................................35致 謝 ....................................................................36參 考 文 獻 ..............................................................37附 錄 ....................................................................381 緒論 電力線載波通信的意義及發(fā)展狀況當今世界，作為輸送能源的電力線是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網(wǎng)絡(luò)。要使電力網(wǎng)成為一個新的通信網(wǎng)，技術(shù)手段只有載波通信。因為電源線路是每個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，同時由于利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字通信，可以大大減少通信網(wǎng)建設(shè)的費用，因而利用電源線路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)有著可觀的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。在技術(shù)上高壓載波通信主要為業(yè)內(nèi)業(yè)務(wù)通信，由于網(wǎng)絡(luò)專一性，其簡單的數(shù)據(jù)通信在國內(nèi)外基本成熟，進入千家萬戶的民用電力網(wǎng)才是最大的通信物理網(wǎng)絡(luò)。由于低壓電力線上實現(xiàn)通信又很多技術(shù)難點，如網(wǎng)絡(luò)不規(guī)范、節(jié)點多、隔離多、隨機干擾等。本文研究的對象正是低壓電力線通信。己有的研究結(jié)果表明，噪聲的大量存在是實現(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。(2) 信號衰減大1 / 43信號在電力線上傳輸過程中的衰減是低壓載波通信遇到的另一難點。信號的衰減隨著傳輸距離的增加而增加，同時，信號的衰減與頻率、工頻電源的相位有關(guān)，一般來說，隨著頻率的增加，信號的衰減也將增加，而在某些特殊的頻段，由于反射、諧振及傳輸線效應(yīng)等的影響，衰減會出現(xiàn)突然劇增。(3) 隨機性和時變性低壓電力線直接面向用戶的特點導(dǎo)致其干擾具有隨機性和時變性，這是低壓載波通信面臨的又一挑戰(zhàn)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和動態(tài)在國外，自動抄表系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展比較早，歐美等國在上個世紀七、八十年代就開始試驗探索自動抄表技術(shù)，70 年代美國引進歐洲音頻電力負荷控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了負荷監(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)，九十年代初自動抄表技術(shù)逐漸成熟，在世界各地得到了迅猛的發(fā)展。90 年代初，自動抄表技術(shù)被引進到中國，早期的 AMR 系統(tǒng)主要用于大電網(wǎng)的電能量考核結(jié)算。1999 年 5 月開始進行 PLC 系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。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。目前，國內(nèi)雖然出現(xiàn)了一些自動抄表系統(tǒng)，但是安裝量并不大，而且技術(shù)并不成熟，成功率低，所以自動抄表系統(tǒng)的研究還是有較大的發(fā)展空間。 設(shè)計電力載波抄表集中器的目的和意義自動抄表系統(tǒng)是指采用通訊和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)的一項新技術(shù)。采用自動抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，而且可提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫而造成賬單出錯，使相關(guān)管理部門能及時準確獲得數(shù)據(jù)信息，由于用戶不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時間，還能迅速查詢賬單，故這種技術(shù)越來越受到用戶的歡迎。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)。盡管如此，目前我國在該方面的技術(shù)屬先進行列。但是隨著市場需求和技術(shù)的發(fā)展，將來的民用電力線載波通信必將成為一個很大的通信網(wǎng)。因此，本自動抄表系統(tǒng)在技術(shù)層面來講是可行的。綜合以上兩個方面，可見本課題所設(shè)計的自動抄表系統(tǒng)是完全切實可行的。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。由于通信所使用的頻率一般在幾百 KHZ以上，因此可以避開 50HZ 工頻電流的干擾。從六七十年代以來，利用 10kV 以上中高壓電力線作為信號傳輸通道的電力線載波電話已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，對高壓電力線進行高頻信號傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)非常深入和成熟。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行分析。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。(1) 低壓電力線上輸入阻抗及其變化輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)，研究輸入阻抗對于提高發(fā)送機的效率，增加網(wǎng)絡(luò)的輸入功率有重大意義。在理想情況下，當沒有負載時，電力線相當于一根均勻分布的傳輸線。當電力線上有負載時，所有頻率的輸入阻抗都會減小。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，使發(fā)送機功率放大器的輸出阻抗和接收機的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設(shè)計帶來很大的困難。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開。顯然，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關(guān)系。但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象。對于民用電網(wǎng)，其三相電源所接的負載大小和性質(zhì)都不相同，所以同樣強度的信號在三相電線上的衰減也不同。(3) 低壓電力線傳輸干擾特性分析在低壓電力線上進行數(shù)據(jù)通信時的另一個需要認真研究的重要問題是電力線上干擾的特殊性質(zhì)。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。干擾可分為周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時不變的連續(xù)干擾和隨機產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。通過以上討論可以看到，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機性、時變性大，難以找到一個較為準確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號傳輸特性的分析多以定性分析和實驗數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。這種精確數(shù)學(xué)模型的缺乏，對低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應(yīng)能力。這些對系統(tǒng)的設(shè)計而言是一個很大的挑戰(zhàn)。 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格低廉并且較易實現(xiàn)，所以在以往的應(yīng)用中比較常用。而使用低品質(zhì)因數(shù)的濾波器又會使通帶帶寬加大，令更多的噪聲進入接收器，所以窄帶通信對脈沖噪聲的抵抗性較差。因此，多載波調(diào)制方式技術(shù)的實質(zhì)是將時分多路的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化成為頻分多路的數(shù)據(jù)傳輸。(3) 擴頻通信方式實用擴頻技術(shù)在 50 年代中發(fā)展起來，起初擴頻技術(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，使得其理論和實踐發(fā)展迅速。擴頻通信方式是一種簡便、易實現(xiàn)、價格低廉的方式。 擴頻通信技術(shù)擴頻通信是目前應(yīng)用廣泛的通信技術(shù)，它相對于窄帶通信系統(tǒng)來說有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在擴頻通信具有優(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，擴頻通信用偽隨機碼把基帶信號(信息數(shù)據(jù)窄帶信號)的頻譜進行擴展，形成相當帶寬的低功率譜密度信號發(fā)射。這些特征使擴頻通信信號不易受干擾，也不容易干擾他人。 擴頻通信的工作原理在發(fā)送端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。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)送端相同的擴頻碼序列去相關(guān)解擴。 擴頻通信的特點 [4]擴頻通信是一種新型的通信體制，是通信領(lǐng)域中一個重要的發(fā)展方向。特別是在干擾的環(huán)境下，采用擴頻通信技術(shù)是提高通信設(shè)備抗干擾能力最有效的措施。(2) 具有選址能力由于采用編碼信號形式，對一個或一組接收機分配規(guī)定的碼組作為地址，而對其它的接收機分配不同的碼組。(3) 抗多徑干擾能力強擴展頻譜信號占據(jù)的頻帶很高，當由于某種原因引起衰落時，只會使小部分頻譜衰落，而不會使整個信號產(chǎn)生嚴重畸變。此外，在存在多徑干擾的場合，由于偽隨機碼尖銳的相關(guān)特性使多徑射束完全獨立。而當碼元很窄，偽隨機碼長度很長時，多徑反射信號不會同時到達接收點。故具有很強的抗多徑干擾能力。 電力線載波通信的實現(xiàn)目前，低壓電力線載波通信已經(jīng)朝著使用擴頻通信技術(shù)的方向發(fā)展。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)。 國外的電力線載波專用 Modem 芯片國外在電力線載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續(xù)推出了自己的電力線載波 Modem 芯片。由于它是專用 Modem 芯片，所以除有一般 Modem 芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段。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，它最高波特率只能達到 400 bps。它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢。它采用了擴頻（Chirp 方式）調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代 DSP 技術(shù)、CSMA 技術(shù)以及標準的CEBUS 協(xié)議，可以稱為智能 MODEM 芯片，體現(xiàn)了 Modem 芯片的發(fā)展趨勢。另外，P300 應(yīng)用時，需要接到電力線上所需的外部電路是非常少。SSCP30O 的特性如下 :(a) 有符合 EIA600 標準的物理層收發(fā)器(b) 具有集成化的 DLL 處理器，滿足與 EIA600 標準兼容的信道存取特征(c) 提供針對電力線(LP)擴頻載波(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) 可以在低壓下進行操作(f) 需要最少的外部元件。其擴頻通信單元是專門針對我國電力網(wǎng)絡(luò)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的。(4) SCll28 芯片SCll28 芯片是面向電力線載波通信市場而開發(fā)研制的專用擴頻調(diào)制解調(diào)器電路。SC1128 芯片內(nèi)部集成了擴頻/解擴、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、輸入信號放大、看門狗、工作電壓檢測以及與單片機(MUC)串口通信等功能。 3 電力載波抄表系統(tǒng)總體設(shè)計 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)以供電局的計算機抄表中心為主站，以電力變壓器 10KV/380V 供電的每個小區(qū)為相對獨立的子系統(tǒng)，在這些子系統(tǒng)中，集中器又相當于主站，電能表以及數(shù)據(jù)采集器為從站。 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可知，自動抄表系統(tǒng)是將電表數(shù)據(jù)從下而上逐級傳送完成，也可以根據(jù)實際情況的需要進行數(shù)據(jù)雙向傳輸，該系統(tǒng)可分為五個主要組成部分：(1) 電能用戶表；(2) 數(shù)據(jù)采集器；(3) 電力線 Modem；(4) 集中器；(5) 計算機抄表中心。(2) 數(shù)據(jù)采集器9 / 43數(shù)據(jù)采集器實際上是計一費終端和數(shù)據(jù)集中器中間的一個橋梁，它的主要功能在于同時采集多個用戶電能表的電量脈沖信息，并經(jīng)過處理和存儲，通過電力線 Modem沿低壓電網(wǎng)送到集中器上。(3) 電力線 Modem主要是對采集器送來的數(shù)據(jù)進行調(diào)制和解調(diào)，增強對低壓電網(wǎng)的抗干擾性和減低信道傳輸?shù)恼`碼率。此外，數(shù)據(jù)集中器還可以定時抄收計費終端的數(shù)據(jù)，并把抄收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器中。(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)計中，我們利用單片機進行兩地間的數(shù)據(jù)通信，通過單片機及對應(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 進行傳輸，來實現(xiàn)兩地之間的數(shù)據(jù)通信功能。反之亦然(7) 數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器之間的通信低壓電力線載波數(shù)據(jù)不能夠跨越變壓器，所以數(shù)據(jù)集中器基本上是被設(shè)置在住宅小區(qū)配電站以內(nèi)，數(shù)據(jù)采集器與集中器之間的通訊采用低壓電力線載波通信方式。集中器的信息存儲和處理量較大，我們需采用處理速率較高的處理器并進行存儲器的擴展。 集中器的功能及技術(shù)指標 [8]設(shè)計任何一個產(chǎn)品之前明確它的功能和技術(shù)指標是非常必要的。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)。(2) 設(shè)置功能可通過上位機對集中器進行設(shè)置，包括抄表時間設(shè)置、固定中繼設(shè)置等。(4) 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的存儲、凍結(jié)等。 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、時鐘單元、載波通信單元、數(shù)據(jù)傳送通信單元等部分組成。主控