单相智能电表之电力线载波通信1、研究设计背景1.1 综述低压电力线载波PLC（Power Line Carrier）通信是以低压配电线（380 V / 220 V电力线）作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式。电力线 网络是目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值。国外对此研究已有 近百年的历史，在理论和技术上有着绝对的优势。我国电力网比较独特，直接利 用国外先进技术和产品并不能取得令人满意的效果。目前国内参与低压电力载波 通信研究的公司、高校及研究机构日益增多，已经在通信信道的特性分析和建模、 关键的调制技术的研究、通信芯片及相应产品的研制和应用、市场化运营及相关 法规制定等方面取得了一定的成果。1.2 发展历程及现状1.2.1 国外发展情况电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理介质，因此，电力线载波通 信作为上一世纪20年代的产物，现在利用电力线高速数据通信技术仍然是国内外 许多大公司的热点。97年英国的Norweb通讯公司和加拿大Nor tel（北电网络）利用丌发的数字电 力线载波技术，实现了在低压配电网上进行的1Mbit / s的速率数据传输的远程通 信，并进行了该技术市场推广。随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产 品的传输速率也从1Mbit/s发展到2、14、24Mbit/s甚至更高。国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片，其中主要有美国Int ellon公司的 14、54、85和200Mbit / s芯片，西班牙DS2公司45和200Mbit / s芯片等等。其中 以美国Intellon公司的14 Mbit / s芯片应用最为普遍，大部分电力线载波系统都 是基于该芯片开发的。目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展， 在2004年启动了 0PERA（0pen PLC European Research Alliance的 计划，致力于 制定欧洲统一的PLC技术标准，推动大规模的商业化应用，并将PLC作为实现信息 化欧洲的重要技术手段。美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究， 并发布了第一个PLC标准Home. Plu91. 0。日本对PLC的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极 推动的三个阶段。到目前为止，PLC的试验网络已经遍及各大洲许多国家，未来PLC商业化只是 一个时间问题。1.2.2 国内发展情况相比国外而言，我国的电力载波通信起步较晚，但发展迅速。最早展开研究 的是1997年由中国电力科学研究院进行的对我国低压配电网传输特性和参数的 测试和分析。 90年代末期，针对国内电网特性而设计的载波处理方案的制定使得 早期产品在稳定性上逐步接近实用。2000年我国开始引进国外的PLC芯片，研制 了2 Mbps样机。2000年末，国家电力总公司颁布了关于利用电力线载波集中抄表 技术的若干技术条件。国家电力公司国电通信中心于2001年初成立了电力线通信 推广办公室。 2001年底，福建电力实验研究院开发成功了“电力线高速数据通信” 技术的核心产品一电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率可以达到10 Mbps o 2002年初，国家电力公司在北京广华轩小区进行了通过电力线上网的试验, 小区用户反映良好。2003年我国成功研制出了EPLC45M和EPL. 14M系统。2006 年以中电飞华公司为代表，已在北京开通了5个以上的电力线上网实验小区，用 户反映非常满意，只是网速会在特定的时候突然衰减。近十年来，包括清华大学、西安交通大学和华中科技人学在内的高校和科研 单位及困内相关公司对低压电力载波通信进行了大量研究，并取得了一定的成果 91。国内前期的研究主要侧蕈于利用国外已有的固化PLC调制技术和芯片进行扩 展开发。近几年针对国内配电网的信道特性所进行的调制技术的研究及载波芯片 研制取得了突破。但是目前国内相关的法律法规及政策还不健全，如何充分开发 和利用宝贵的电力网络资源，实现低压电力载波通信高速、安全和大规模的应用， 仍需要很长一段时间的研究和摸索。1.3 电力线载波通信前景以及研究重点由于低压电力载波通信技术已经逐渐成为国内外通信领域的研究热点，其具 有极大的市场潜力和广阔的应用前景。由于我国低压电力网非常独特，通信环境 相当恶劣，不利于通信信道的分析和建模，更不能直接利用国外的技术和产品。但随着国内越来越多的研究机构和公司的参与，我国的低压电力学载波通信出现 论文方兴未艾的局面。自主电力载波芯片的研制标志着我国在这一领域迈出了实 质性的一大步。目前国外不少重量级公司（例如Microsoft、Intellon、3C0M、AMD 等） 都不惜高昂的研发费用，致力于高速、可靠、安全的低压电力载波通信系统 的研发。考虑到与国外的差距和发展现状，我困低压电力载波通信在未来510 年内的研究重点将包括四个方面：（1）低压电力线通信信道的分析和建模；（2） 载波通信关键技术的研究lrlOJ新；（3）高速、安全且低功耗的电力载波芯片和 模块的研制； （4）相关组织、技术标准和法律法规的建设。其具体的应用方向除 了远程自动抄表及监控管理系统、家居智能化以及新型智能化小区外，在农业节 水灌溉监测与控制和农产品流通过程信息化方面也将有着广阔的应用前景。2、研究设计过程2.1 功能模块介绍 单相智能电表总的框图如下图所示：图 1 、单相智能电表框图采集器信号采集，通过穿将若干用户单元的信号转换成数字信号传递到单 片机的 I/O 口，输入的采集信号将接受单片机的处理、存储并在接收到发送信号 以后，通过对通信芯片的控制，把信号转化为能够在电力线传到的特殊波形信号 使信号在电力线网络上进行传导，然后在另一端的电力载波通信芯片将侦测到该 信号，并将其转换为数字信号传输给集中器，集中器通过与上位计算机的通信将 采集到的信号统一处理并加以控制，以达到整个网络实现的通信目的。其中，电力线载波通信系统由载波耦合电路、信号发送电路（信号功率放大 电路和功率输出控制电路）、滤波接收单元（接受滤波电路和解调电路）、电力 线载波扩频通信芯片等组成。其主要模块框图如下图 2 所示：图 2 、电力线载波通信模块框架图2.2 软件介绍本次设计当中，主要用 Protel 99 SE 软件进行设计和仿真。Protel99SE 是 Protel 公司近 10 年来致力于 Windows 平台开发的最新结晶， 能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设 计数据管理。因而今天的Pro tel最新产品已不是单纯的PCB （印制电路板）设 计工具，而是一个系统工具，覆盖了以 PCB 为核心的整个物理设计。 最新版本 的Pro tel软件可以毫无障碍地读Oread、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设 计文件，以便用户顺利过渡到新的 EDA 平台。Protel99 SE 共分 5 个模块，分别是原理图设计、 PCB 设计（包含信号完整 性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、 PLD 设计。 以下是一些 Protel99SE 的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB,在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、 引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB）,也可以进行反向注释（由 PCB 到原理图），以保持电气原理图和 PCB 在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；方便易用的 数模混合仿真（兼容 SPICE 3f5）；支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件;PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查; 智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的 PGA、 BGA 封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的 CAM 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文 件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB 启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合； 专家导航帮您解决信号完整性问题。2.3 常用电力线载波通信技术2.3.1 窄带通信方式窄带通信方式价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较常用。但窄 带技术的缺点是抗干扰能力较差，尽管窄带通信中的接收器具有较窄的宽带，使 得仅有一小部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中的滤波器具有高品质 因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰，引起它对传输来的信号产生误操作； 而是用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大，令更多的噪声进入接收器，所 以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。2.3.2 双音多频调制方式双音多频是利用数字合成技术的一种编码方式，是窄带频率调制的一种，传 输信号的方式不是脉冲而是由两个音频信号组成的混合信号，在程控电话系统中 已经有广泛应用。2.3.3 线性调频脉冲方式此方式多用于类似于以太网的 CSMA 网络，它利用一系列短促的、可自同 步的扫描频率 Chirps 作为载体，每个 Chirps 一般持续 100 毫秒，它代表了最基 本的通信符号时间。由于 Chirps 信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其 线性加速度也较高，而等幅震荡波干扰的频率加速度一般是稳定的，所以只要将 滤波器设计成只能通过具有特定角速度的信号，就可以将等幅震荡波干扰排除在 外。2.3.4 多载波调制方式多载波调制是一种多载频并传体制，其基本原理是将输入信息转换成多路并 行信号，对相互完全正交的一组载波进行调制。因此，多载波调制方式技术的实 质是将时分多路的数据传输转换为频分多路的数据传输。由于各载波之间的正交 性，完全消除了彼此之间的串扰，同时可以在接收端利用相同的正交载波组来恢 复原始信号。2.3.5 扩频通信方式实用扩频技术在上个世纪50 年代中发展起来，起初扩频技术只用于军用通 信、制导等军事领域，由于它具有许多特点，使得其理论和实践发展迅速。扩频 通信技术在90 年代才开始应用到民用上，目前已经在低压电力线通信商得到广 泛应用，并已经取得了很大的发展，成为电力线载波通信的热点。扩频通信方式 是一种简便、易实现、价格低廉的方式。2.4 芯片选择以及介绍国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线 载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美 洲地区电网(480Y/277V, 208Y/120Vac)的标准频率范围100kHz450kHz和针对 欧洲地区电网(400Y/230Vac)的标准频率范围9kHz150kHz。各家公司在标准频 率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线 载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电 网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。实现电 力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强 大和性能优越的电力线载波专用modem芯片的设计和应用。为此，在进行本项 目的设计时，我们在芯片选择上花了极大的功夫。