/ 43 电力载波通信抄表集中器硬件设计摘 要随着我国电力事业的迅速发展，传统的用电抄收管理方式己经不能满足市场需求。本文在大量收集查阅国内外有关远程抄表系统资料、深入用户及用电管理部门广泛调研的基础上，提出了一种采用低压电力线载波通信技术的远程自动抄表系统。该系统具有三层网络结构，即上位机管理系统、集中器和载波电表。重点分析研究了集中器及其与各组成部分的通信。由于我国低压电力线上存在的高削减、高噪声、高变形，必须采用特殊的通信技术。本文首先分析了高频信号在电力线中的传输特性；重点讨论了扩频通信技术在电力线载波通信中的应用；深入研究了以扩频调制解调技术通信技术为基础的、高性能的电力线载波专用MODEM 芯片 SSC P300 的内部工作原理。在此基础上，采用SSC P300 实现了远程抄表系统中集中器与终端载波电表之间可靠的数据传输。集中器是连接上位机与终端载波电表之间的枢纽，起着上传下达的作用。根据中华人民共和国电力行业标准规定的集中器的主要功能及性能指标要求，本文重点研究设计了集中器的硬件系统。其中硬件系统主要包括主控制器、外部扩展数据存储器、时钟模块、看门狗模块、上位机通信接口电路以及电力线载波通信电路及其外围电路等。关键词：电力线载波，扩频通信技术，集中器，抄表系统精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 43 页I / 43 Hardware Design ofPower Line Communication Meter Reading Concentrator ABSTRACT With the rapid development of power undertaking of our country, the traditional ways of meter reading can not satisfy the demand of market any more. Based on the vast collecting and consulting of the concerned information of the remote meter reading system of the home and abroad and going deep into the consumers and power consumption administrative departments to investigate and research widely, a remote meter reading system adopting carrier communication technology of the low-voltage power linecommunication (PLC had been proposed in this paper. It had networkstructure ofthreelayers， i.e.the computer administrativesystem ，concentratorand carrier meter. And the functions and characteristics of the whole system together with its every component had been analyzed. Becausehighattenuation，highnoiseandhighdistortionexistinthelow-voltage powerlinesofourcountry ,special communication technology must be adopted. First of all, the transmissioncharacteristic whenhigh-frequencysignal was transmittedthrough powerlineswasanalyzed.Secondly, the application of spread spectrum communication technology to carrier communication of the power line was emphatically discussed.Thirdly，theinterior principleofthespecialMODEMIC SSC P300 adopting Spread-spectrum modem communication technologywas deeply studied.Basedonthis， SSC P300 wasselected to the reliable data transmission between the concentrator of thelong-distancemeterreadingsystemandtheterminalsignal carrier ammeter. Beingtheheartoftheautomatic meterreadingsystem ，the concentrator connected the computer with the terminal carrier meter. The hardware system of the concentrator was emphatically designed according to the main functions and the demands for performance targets of the concentrator stated in the power trade standard of PRC. It was mainly composed of MCU externalexpandedRAM， clockmodule， watchdogmodule， the computer communication interface circuit and the PLC communication circuit together with its peripheral circuitsKEYWORDS ：carrier power line, spread spectrum communication technology, concentrator, meter reading system 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 43 页 / 43 目 录摘要 I ABSTRACTII 1 绪论 1 1.1 电力线载波通信的意义及发展状况1 1.2 低压电力线通信的特点1 1.3 国内外研究现状和动态2 1.4 设计电力载波抄表集中器的目的和意义2 1.5 课题的可行性分析3 1.6 本文的主要任务 3 2 电力线载波通信技术4 2.1 电力线载波通信中信号传输特性分析84 2.2 常用的低压电力线载波通信技术135 2.3 扩频通信技术 6 2.3.1 扩频通信的工作原理6 2.3.2 扩频通信的特点 46 2.4 电力线载波通信的实现7 2.4.1 国外的电力线载波专用Modem 芯片 7 3 电力载波抄表系统总体设计9 3.1 自动抄表系统的组成9 4 电力载波抄表集中器的硬件设计11 4.1 电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计11 4.1.1 集中器的功能及技术指标 811 4.1.2 集中器的结构框图11 4.2 集中器主控器的设计12 4.2.1 主控器的作用 1112 4.2.2 主控器的选型 1112 4.2.3 单片机 W77E58 的简单介绍 13 4.3 数据存储器的扩展15 4.3.1 数据存储器 RAM 的选择 15 4.3.2 硬件电路设计 16 4.3.3 存储器的掉电保护17 4.4 时钟模块 18 4.4.1 设计思想 18 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 43 页I / 43 4.4.2 时钟模块的选择 1518 4.4.3 时钟模块与单片机的连接1419 4.5 电力线载波通信电路设计19 4.5.1 载波通信芯片 SSCP300 的发送与接收原理20 4.5.2 单片机与 SSCP300 通信的控制工作过程23 4.6 主控器与 MODEM通信接口 24 4.6.1 MODEM简介 25 4.6.2 主控器与 MODEM通信接口电路 26 4.7 电源电路 27 4.8 本章小结 28 5 电力线载波抄表系统集中器软件的设计29 5.1 通信协议的制定 29 5.2 集中器软件设计 29 5.2.1 主程序设计 30 5.2.2 集中器向上位机的数据传输31 5.2.3 单片机与扩频芯片SSCP300 的数据传输 32 5.3 本章小结 34 6 结论 35 6.1 总结 35 6.2 结束语 35 致谢 36 参考文献 37 附录 38 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 43 页0 / 43 1 绪论1.1电力线载波通信的意义及发展状况当今世界，作为输送能源的电力线是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络。而电力线现在的功能仅仅是传送电能，如何利用网络资源潜力，在不影响传输电能的基础上实现窄带通信或宽带通信，使之成为继电信、电话、无线通信和卫星通信之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员的又一目标。要使电力网成为一个新的通信网，技术手段只有载波通信。电力线载波通信就是以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。因为电源线路是每个家庭最为普通也是覆盖最为宽广的一种物理媒介，其覆盖面超过有线电视网络甚至电话线路，同时由于利用现有的电力网实现数字通信，可以大大减少通信网建设的费用，因而利用电源线路实现数据通信的技术有着可观的经济效益和应用前景。电力线载波通信又分为35KV 以上的高压载波通信、 10KV 配电网的载波通信和民用 噪声和干扰大低压电力线网络中，各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。己有的研究结果表明，噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优质传输的主要障碍之一。现在把各种噪声干扰主要来源归纳为4 个方面：(a 可控硅器件和一些电源电路产生的60Hz 的倍频谐波 (注:美国电力线频率为60Hz；(b 平滑频谱噪声，其频谱平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的小电机是产生这类噪音的根源；(c 单脉冲干扰，通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起；(d 非同步周期噪声，如电视的行扫描频率对电网的干扰。(2 信号衰减大精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 43 页1 / 43 信号在电力线上传输过程中的衰减是低压载波通信遇到的另一难点。同时，由于低压配电网直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得极其复杂。信号的衰减随着传输距离的增加而增加，同时，信号的衰减与频率、工频电源的相位有关，一般来说，随着频率的增加，信号的衰减也将增加，而在某些特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响，衰减会出现突然剧增。在100- 400kHz 频带内，信号的平均衰减为40dB，标准偏差为 20dB。(3 随机性和时变性低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性，这是低压载波通信面临的又一挑战。由于用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及不可抗拒的自然因素，如雷电等的影响，使得其干扰表现出很强的随机性和时变性，从而难以找到一个准确的数学模型来加以描述。1.3国内外研究现状和动态在国外，自动抄表系统的技术发展比较早，欧美等国在上个世纪七、八十年代就开始实验探索自动抄表技术，70 年代美国引进欧洲音频电力负荷控制系统的基础上开发研制了负荷监控及抄表系统，80 年代，以色列研制成功低压电力线载波集中抄表技术，九十年代初自动抄表技术逐渐成熟，在世界各地得到了迅猛的发展。近年来，美国、以色列、德国和英国的科技人员一直从事这方面的技术研究与开发。90年代初，自动抄表技术被引进到中国，早期的AMR 系统主要用于大电网的电能量考核结算。中国电力科学研究院自1997 年开始研究电力线载波通信PLC(Power Line Carrier技术，主要考虑PLC 技术用于低压抄表系统， 1998年开发出样机，并通过了实验室功能测试， 1999 年在现场进行试运行，获得了产品登记许可。1999 年 5 月开始进行PLC 系统的研究开发工作。主要对我国低压配电网络的传输特性进行了测试，并对测试结果进行了数据处理和分析，基本取得了我国低压配电网传输特性和参数，为进行深入研究和系统开发提供依据。采用低压电力线载波则具有它的先天优势，只要解决相关的技术性问题，它的成本将是最低的。它的研究成功不仅可以替代人工日常抄表工作，提高工作效率，减少人为差错，加强用户管理，而且能够实现远程监控管理工作的全面自动化，是电力部门实现远程自动抄表的发展趋势，具有广阔的应用前景。目前，国内虽然出现了一些自动抄表系统，但是安装量并不大，而且技术并不成熟，成功率低，所以自动抄表系统的研究还是有较大的发展空间。本课题就是在这种情况下，将现场总线技术、低压电力线载波通讯技术和电话通讯技术结合起来，以实现远程集中式抄表系统的自动化和智能化。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 43 页2 / 43 1.4设计电力载波抄表集中器的目的和意义自动抄表系统是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据的一项新技术。发展自动抄表技术是提高物业管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然需要。采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，而且可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成账单出错，使相关管理部门能及时准确获得数据信息，由于用户不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询账单，故这种技术越来越受到用户的欢迎。随着电价的改革，供电部门为迅速出账，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述需求提供了切实可行的技术手段。近 10 年来，美国、英国、德国、以色列、中国等国的科技人员一直从事这方面的技术研究与开发。到目前为止，国内外己有一些企业开发出了用于电力线载波通信的产品 :如开发的电力线载波抄表系统在技术上取得了可喜的进步和成功，但尚未能符合用户使用要求，由于专用芯片的原因，抄表系统的抄到率最高仅能达到90%左右。尽管如此，目前我国在该方面的技术属先进行列。实践证明用进口通用通信芯片不可能实现我国民用电力网的可靠载波通信。但是随着市场需求和技术的发展，将来的民用电力线载波通信必将成为一个很大的通信网。1.5课题的可行性分析本课题所设计的自动抄表系统主要的难点是解决低压电力线载波通讯技术和电话网通讯技术，随着扩频载波技术被应用到在低压电力线载波通讯中，在规定的通信距离中，其抄表的成功率高达100%，在我国已经开发研制成功；而电话网络经过多年的发展，己经被实践所检验，基本上不存在任何问题。因此，本自动抄表系统在技术层面来讲是可行的。在经济实用性方面，本课题设计的自动抄表系统有着绝对的优势，本系统在设计中所采用的通讯媒介是低压电力线网络和现有的电话网络，不需要另外再铺设通讯设施，因此在经济实用性方面也是完全可行的。综合以上两个方面，可见本课题所设计的自动抄表系统是完全切实可行的。1.6本文的主要任务本课题是在总结前人的自动抄表系统的基础上，结合我国的实际情况，设计出一种经济实用的自动抄表系统。该系统底层通讯方式采用低压电力线载波通信的方式，载波芯片使用 Intel Lon 公司的 SSCP300扩频载波芯片；上层通讯采用电话网络精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 43 页3 / 43 图 1-1 载波接口电路2 电力线载波通信技术电力线载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式。它根据频率搬移、频率分割原理，将原始信号对载波进行调制，搬移到不同的线路传输频带，送到电力线上进行传输。由于通信所使用的频率一般在几百KHZ 以上，因此可以避开50HZ 工频电流的干扰。和其他通信方式相比，具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继和通信距离长等一系列优点。从六七十年代以来，利用10kV 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已经获得广泛应用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但在220V/380V 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有很大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗大、信号衰减强、干扰大且时变大等特点。因此，在使用电力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。2.1电力线载波通信中信号传输特性分析8 由于电力线并不是专为传输信号而设计的，所以有必要分析高频信号在电力线中的传输特性。影响电力线载波传输质量的主要因素有:电力网络的阻抗特性、衰减特性及噪声的干扰。前两者制约信号的传输距离，后者决定数据传输的质量。(1 低压电力线上输入阻抗及其变化输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，研究输入阻抗对于提高发送机的效率，增加网络的输入功率有重大意义。理论和实验表明低压电力线上的输入阻抗不仅与传输信号的频率有关系，而且与低压电力线上所连接的负载有关系。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。(2 低压电力上高频信号的衰减及其变化高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这载波芯片接口电路处理器处理器接口电路载波芯片精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 43 页4 / 43 根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信号在三相电线上的衰减也不同。这种现象有时就表现为虽然接收端和发送端的位置不变，但接在不同的相上，通信的误码率不同。(3 低压电力线传输干扰特性分析在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是电力线上干扰的特殊性质。电力线上的干扰可分为:非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有严重的影响。干扰可分为周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。通常情况下，前两类干扰更为突出。通过以上讨论可以看到，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大，难以找到一个较为准确的解读式或数学模型加以描述，这也是为什么一直以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试分析为主的原因。即使有些学者提出了一些模型，但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制，因而也是不精确的或适用面很窄。这种精确数学模型的缺乏，对低压电力线载波通信设备的设计提出了很高的要求，即要求其有很好的自适应能力。但同时，出于实用的角度，为了获得合理的性价比，又要求其成本要限制在一定的范围内。这些对系统的设计而言是一个很大的挑战。尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难，用低压电力线作为通信信道仍然是可行的，只是需要采用一些特殊的技术手段。2.2常用的低压电力线载波通信技术13 (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通带，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。而使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 多载波调制方式精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 43 页5 / 43 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化成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，同时利用相同的正交载波组在接收端恢复原始信号。(3 扩频通信方式实用扩频技术在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，目前己经在低压电力线通信上得到广泛应用，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。本文的低压电力线载波通信方式采用的就是扩频通信技术。2.3扩频通信技术扩频通信是目前应用广泛的通信技术，它相对于窄带通信系统来说有一定的优势，主要表现在扩频通信具有优越的抗干扰性能，它能够很好的克服电力线上的噪声和干扰，扩频通信用伪随机码把基带信号(信息数据窄带信号 的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。接收端使用相关处理方法，把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。这些特征使扩频通信信号不易受干扰，也不容易干扰他人。扩频信号具有较宽的频谱，因而分散了噪声功率，使干扰程度减小，提高了通信的可靠性。2.3.1扩频通信的工作原理在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息输出。2.3.2扩频通信的特点4 扩频通信是一种新型的通信体制，是通信领域中一个重要的发展方向。与传统的通信方式相比较，它具有如下的特点: (1 抗干扰能力强扩频系统的抗干扰能力是其它所有通信方式无法比拟的。特别是在干扰的环境下，采用扩频通信技术是提高通信设备抗干扰能力最有效的措施。因此，抗干扰能力将是扩频通信的最基本特点。(2 具有选址能力由于采用编码信号形式，对一个或一组接收机分配规定的码组作为地址，而对其精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 43 页6 / 43 它的接收机分配不同的码组。这样，用不同的编码序列去调制发射机，就能实现选择地址的目的。(3 抗多径干扰能力强扩展频谱信号占据的频带很高，当由于某种原因引起衰落时，只会使小部分频谱衰落，而不会使整个信号产生严重畸变。故具有抗频率选择性衰落的能力。此外，在存在多径干扰的场合，由于伪随机码尖锐的相关特性使多径射束完全独立。只有当多径时延小于码元宽度时，才发生轻度衰落。而当码元很窄，伪随机码长度很长时，多径反射信号不会同时到达接收点。扩频系统将多径反射信号作为干扰噪声处理。故具有很强的抗多径干扰能力。此外，扩频通信还具有信号功率谱密度低，有利于信号隐蔽，实现多扩频系统具有一系列其它系统无法比拟的优点，有效地解决了强干扰环境中的通信问题。2.4电力线载波通信的实现目前，低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。采用扩频通信技术，能在很大程度上克服电力线上强衰减、强干扰的缺陷，大大提高通信系统的生 存能力 。鉴 于电 力线 的 恶劣 的通 道特 性， 必 须采 用专 用的 电力 线 载波 专用MODEM 芯片，这也成为电力载波抄表系统的关键技术。因此电力线载波通信的关键就是选用一种功能强大的电力线载波专用MODEM 芯片。2.4.1国外的电力线载波专用Modem 芯片国外在电力线载波通信技术方面发展较早，多家国外公司陆续推出了自己的电力线载波 Modem 芯片。下面简单介绍几种常见的Modem 芯片：(1 ST7536 芯片ST7536 是 SGS-THOMSON 公司专为电力线载波通讯而设计的Modem 芯片。由于它是专用Modem 芯片，所以除有一般Modem 芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。ST7536 也是较早的电力线载波Modem 芯片，调制解调技术是较落后的FSK 方式，加上三字节容错，它最高波特率只能达到400 bps。另外它无CSMA SSCP300芯片SSCP300是 INTELLON 公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波Modem芯片,利用网络接口控制器将扩频通讯收发器和媒介存取接口高度集成化，是用于低廉的电能抄表系统的网络接口控制器，为一个高度集成化的电力线收发器和信道存取接口。它采用了扩频 有符合 EIA-600 标准的物理层收发器(b 具有集成化的 DLL 处理器，满足与 EIA-600 标准兼容的信道存取特征(c 提供针对电力线 (LP扩频载波 (SSC的通讯技术(d 具有串行外围接口 (SPI与主处理器的接口(e 可以在低压下进行操作(f 需要最少的外部元件。可进行即插即用(g 为 20脚的 S0IC封装，大小约为1.3CM X 1.0CM (3 PL3105芯片PL3105 芯片是北京福星晓程公司为智能仪表应用设计的产品，它内嵌直接序列扩频单元。其扩频通信单元是专门针对我国电力网络恶劣的信道环境所研制开发的。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，所以在抗干扰、抗衰落性能以及国内外同类产品性能价格比等方面有着更加出众的表现。(4 SCll28 芯片SCll28 芯片是面向电力线载波通信市场而开发研制的专用扩频调制解调器电路。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，因此该电路应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。SC1128 芯片内部集成了扩频/解扩、调制解调、 D/A 和 A/D 转换、内置电子表、输出驱动、输入信号放大、看门狗、工作电压检测以及与单片机(MUC串口通信等功能。该芯片在小型多功能应用系统中可以起到降低系统成本并提高系统功能的作用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 43 页8 / 43 3 电力载波抄表系统总体设计3.1自动抄表系统的组成图 3-1 是基于电力线调制解调器的自动抄表系统的结构示意图，系统以供电局的计算机抄表中心为主站，以电力变压器10KV/380V 供电的每个小区为相对独立的子系统，在这些子系统中，集中器又相当于主站，电能表以及数据采集器为从站。采集器的作用是采集多个用户的电表数据，通过电力Modem 的调制解调，并经22OV 低压电力网用载波方式送到集中器，集中器再通过公用电话网或专用通信网(如光纤或无线电通信等 把数据传送到供电局的计算机抄表中心。由系统结构示意图可知，自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级传送完成，也可以根据实际情况的需要进行数据双向传输，该系统可分为五个主要组成部分：(1 电能用户表；(2 数据采集器；(3 电力线 Modem；(4 集中器；(5 计算机抄表中心。图 3-1 系统结构示意图4 抄表系统各组成部分的功能是: (1 电能用户表Modem Modem 电话网专业网电力线Modem 采集器集中器低压 / 电力网电力线Modem 供电局计算机抄表中心电能表精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 43 页9 / 43 对于电磁式电能表，需在表内加装一只传感器或光电模块，将电能表的数据转换成电信号输出；对于电子式电能表，则可以直接利用表的电脉冲输出。(2 数据采集器数据采集器实际上是计一费终端和数据集中器中间的一个桥梁，它的主要功能在于同时采集多个用户电能表的电量脉冲信息，并经过处理和存储，通过电力线Modem 沿低压电网送到集中器上。并且当接收到上层的命令时，数据采集器能够向计费终端发出抄表或者断电的命令。(3 电力线 Modem 主要是对采集器送来的数据进行调制和解调，增强对低压电网的抗干扰性和减低信道传输的误码率。(4 数据集中器数据集中器是安装在小区的配电站区的，它的功能是向采集器发出命令，抄收计费终端的数据，然后再通过公用电话网络传送给远方的数据中心；数据集中器能够接收的数据中心的命令，并把相关命令再转发给辖区内的指定的数据采集器。此外，数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据，并把抄收到的数据存储到数据存储器中。(5 计算机抄表中心通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设置用户编号和抄表时间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务。(6 集中器与数据中心之间的通信数据集中器与数据中心之间的通讯采用公用电话网络作为通讯媒介，自动抄表系统的数据中心与数据集中器之间的通讯主要是电话线Modem 模块之间的通讯，在电力线载波集中抄表器的设计中，我们利用单片机进行两地间的数据通信，通过单片机及对应的控制电路和FSK(移频键控 调制解调器 MODEM ）相结合，借助现有的公用电话交换网 数据采集器与数据集中器之间的通信低压电力线载波数据不能够跨越变压器，所以数据集中器基本上是被设置在住宅小区配电站以内，数据采集器与集中器之间的通讯采用低压电力线载波通信方式。4 电力载波抄表集中器的硬件设计4.1电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计集中器是集中下属的数据采集器的数据，并发给中心服务器，集中器有两个通信对象，面对不同对象时，需要采取不同的通信方式，在于数据采集器通信时，使用电力线载波通信，并通过电话线与中心服务器实现通信。集中器的信息存储和处理量较大，我们需采用处理速率较高的处理器并进行存储器的扩展。集中器是安装在小区供电变压器低压侧，作为载波抄表系统的中心环节，是整个系统的核心，是连接机与用户电表之间的枢纽。4.1.1集中器的功能及技术指标8 设计任何一个产品之前明确它的功能和技术指标是非常必要的。集中器作为电力线载波抄表的一部分，起着上传下达的作用。集中器的主要功能有：(1 抄收功能根据设置的抄收方式采集抄收电表的数据。集中器可根据上位机下载的定时抄表，在每月一次按时启动月冻结抄表；具有实时抄表和对某些特定表进行抄表的功能。(2 设置功能可通过上位机对集中器进行设置，包括抄表时间设置、固定中继设置等。(3 通信功能集中器接收上位机下载数据，包括电表数量、表号、抄表参数以及中继管理需要的信息，可根据设置抄收载波电表的数据。(4 数据处理数据处理包括数据的存储、冻结等。(5 校时功能集中器可通过上位机进行系统校时，调整时间误差。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 43 页11 / 43 4.1.2集中器的结构框图集中器本身是由主控单元、数据库存储单元、时钟单元、载波通信单元、数据传送通信单元等部分组成。集中器既要做上位机的从机，又是载波电表的主机，其软、硬件的设计要求从根本上保证系统可靠、稳定。主控器是集中器的核心，数据的采集、处理与传送都是在主控器的控制下进行的，外部扩展数据存储模块和时钟模块。数据存储器主要用于存储参数、变量、集中器自身的参数、所负责电表的参数以及电表电量等；实时时钟为集中器定时抄表提供时间标准；上行通道即集中器与上位机之间的通信线路，采用公用电话网络作为通信介质，上位机与集中器进行通信时要设置集中器连线所连接的电话号码；下行通道即集中器与载波电表之间的通信，采用以SSC P300 为核心的电力载波方式进行抄表通信。集中器的组成结构框图如图4-1 所示。图 4-l 集中器组成结构框图4.2集中器主控器的设计4.2.1 主控器的作用11集中器是通信的枢纽，它负责中心计算机和采集终端之间的联系。一方面接收来自计算机的各种操作命令并下传采集终端；另一方面，将采集终端的各种信息回传管理中心计算机，同时还存储所辖表计的数据和有关参数，并具有定时和实时抄收采集终端(智能表 数据，实时监视采集终端 (智能表 的工作状态等功能。集中器上行通信采取MODME 通过电话线与中心基站联系，或是通过串口直接与计算机联系。所以选择主控器时必须考虑它的处理速度、存储空间和驱动能力。主控器是集中器的核心部件，选择时一般从以下几个指标：价格、速度、位数、电压、功耗、系统扩展与驱动能力等。另外，件开发的难易也会在很大程度上影响用户的选择。 51系列单片机有极多的器件可供选择，并且数量还在日益增多，价格便宜，技术成熟，扩展力强。因此，对于各种各样的工程而言，51系列单片机是一种较好的选择。电力载波收发电路时钟模块数据存储模块主控单元Modem 接口电路公用电话网低压电力网精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 43 页12 / 43 4.2.2 主控器的选型11在集中器的设计中，单片机既要与上位机通信，又要和电话网进行通信，所以需要两个串口。本文采用W77E58 作为主控制器，在它的控制下进行数据的传送与接收。在它内部20kB 的程序存储器，而且扩展能力强，完全能满足系统的要求。W77E58 是一个快速8051 兼容微控制器；它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。经过这种改进以后，在相同的时钟频率下，它的指令执行速度比标准8051 要快许多。一般说，按照指令的类型，W77E58 的指令执行速度是标准 8051的 1.5-3倍。整体来看， W77E58 的速度比标准的 8051快 2.5倍。在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源消耗也降低。由于采用全静态CMOS 设计， W77E58能够在低时钟频率下运行。W77E58 内含 32KB Flash EPROM，工作电压为4.5V-5.5V，具有1KB 片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上SRAM 代替外部SRAM，可节省更多 I/O 口。其主要性能参数：(1 8位 CMOS 微控制器(2每 4 个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为40MHZ (3与标准 80C52管脚兼容(4指令与 MCS-51 兼容(5 4个 8 位 I/O 口(6 3个 16位定时 /计数器(7 12个中断源， 2级中断能力(8片上振荡器及时钟电路(9二个增强型全双工串行口(1032KB，Flash EPROM (11256字节片内暂存 RAM (12片内 1KB 外部数据存储器 可编程看门狗定时器，软件复位，2 个 16位数据指针(14对外部 RAM 及外设的访问周期可以进行软件编程(15封装： DIP 40: W77E58-40 ，PLCC 44：W77E58P-40 ， QFP 44 ： W77E58F-40 4.2.3 单片机 W77E58的简单介绍W77E58与8052在管脚及指令集上兼容。它具有8052的资源如： 4个双向 8位I/O口，3个16位定时器 /计数器，全双工串行和若干中断源。W77E58中建有一个更加快速，性能更好的 8位CPU，它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。性能的提高不仅仅在于使用高频的振荡器，还在于W77E58将多数标准的 8052指令的机器周期从 12个时钟减少至 4个时钟。这样性能就提高了1.5-3倍。另外 W77E58还精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 43 页13 / 43 可调整 MOVX 指令的周期，范围为 2个机器周期、 9个机器周期。这种设计使得W77E58能够更有效的访问慢速或快速外部RAM 及外设。 W77E58内含1KB用MOVX 指令访问的数据存储器，地址范围为0000H-03FFH。它只能用 MOVX 指令来访问，可由软件来选择是否使用这个片上 SRAM。W77E58是与8052兼容的，因此具有 8052的特性；相比 8052它的速度提高，耗电量减少。他的指令集基本与8051相同；多了一条 DEC DPTR (操作码 A5H, DPTR减 1指令。8051每12个时钟周期为一个机器周期，而W77E58每4个时钟周期为一个机器周期。这样提高了 W77E58的指令执行速度。因此与 8052相比即使在时钟频率相同的情况下W77E58也可以以更高速度运行。由于采用全静态CMOS设计， W77E58能够在低时钟频率下运行，在相同指令吞吐量的情况下，电源消耗也降低。机器周期缩短至4个时钟周期，是 W77E58速度提高的主要原因。 W77E58具有所有 8052的特性，同时也具有一些新的外设及特性。(1 I/O 口W77E58有4个8位I/O口，及一个附加的 4位I/O口。当处理器用 MOVC 或MOVX 指令执行外部程序、访问外部设备/存储器时， P0口可用作地址 /数据总线。此时它内部有强上拉或下拉功能，无须再使用外部上拉。P2口主要提供 16位地址的高 8位。当用作地址线时它同样具有强上拉或下拉功能。P1、P3口是I/O口同时具有不同的功能。 P4口 串行口W77E58有2个增强型串行口，功能与标准8052串行口相似。 W77E58的串行口能以不同的方式运行，以获得时序相似。注意串行口0可以用定时器 1或2做波特率发生器，但串行口 1只能用定时器 1做波特率发生器。串行口有自动地址识别和错误检测的增强能。(3定时器W77E58有3个16位定时器，其功能与 8052体系中的定时器类似。当作为定时器使用时，可将它们设置为每4个时钟周期进行一次计数，或者每12个时钟周期进行一次计数。这位用户提供了模拟8052时钟运行的一种方式。 W77E58具有特殊的功能，看门狗定时器。该定时器可用作系统监控器，或超长周期定时器。(4 中断W77E58的中断系统与标准 8052之中断系统有细微的差别。由于存在新增功能和外设，中断源的数量和中断向量都相应得增加。W77E58提供12个中断源 2级中断能力，包括6个外部中断，定时器中断及串行I/O口中断。(5 电源管理类似于标准 80C52，W77E58有空闲和掉电 2种节电方式。另外 W77E58还提供一个精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 43 页14 / 43 新的称为经济模式的节电方式，它允许用户将时钟频率进行4、64或1024的分频。在空闲模式下， CPU核心停止工作，而定时器、串行口、中断时钟继续运行。在掉电模式下，所有时钟停止工作，芯片运行完全停止，是最省电的运行模式。(6 程序存储器W77E58提供32KB大小的程序存储器，这些ROM区与8052的ROM区功能类似，所有指令都从这些区域中取出执行。MOVC 指令同样也访问这些区域，超过片上ROM最大地址范围后，系统将访问外部存储器。(7数据存储器W77E58最多可以访问 64KB的外部数据存储器。这个存储器区域用MOVX 指令来访问。不同于其他 8051的衍生产品， W77E58还内建一个 1KB字节的 MOVX SRAM 数据存储器。这 1KB的数据存储器的地址范围为0000H-03FFH。对该数据存储器的访问是受软件控制的。当软件允许访问该区域时，访问地址范围为0000H-03FFH的MOVX 指令将读写 MOVX SRAM 数据存储器的内容。当地址范围超过03FFH后，系统将自动访问外部数据存储器。当软件禁止访问该区域时，该区域将被映射为外部数据存储器。任何访问地址为 0000H-FFFFH的MOVX 指令都将访问到外部数据存储器。这是W77E58默认的运行环境。另外 W77E58还有标准的 256字节暂存数据存储器。这片区域可以间接或直接访问。由于这片区域只有256字节，因此仅适用于数据量较小的场合。当数据量较多时，可以考虑同时使用2个数据存储器。片上 MOVX SRAM ，同外部 RAM 一样只可由MOVX 指令来访问，但是片上 MOVX SRAM 拥有最快的访问速度。(8看门狗定时器看门狗定时器是一个自行运行定时器，用户可通过编程将其设置为系统监控器，时基发生器或事件定时器。该定时器基于一组分频器，对系统时钟频率进行分割。分频器输出可选，并决定溢出时间。溢出时，如果看门狗有效且看门狗定时器复位打开），将引起系统复位。看门狗溢出中断以及看门狗复位功能可由软件设置，将2者的功能合并或分离 使用单一的 +5V 电源供电；(b 最大存取时间为 200ns；(c 额定功耗 200mW；(d 采用 CMOS 工艺制造；(e 输入和输出引脚均与TTL 电平直接兼容；CS为片选信号OE为输出允许信号WE 为写信号A0A12 为 13根地址线D0D7 为 8位数据线图 4-2 6264 电路原理图逻辑符号1 4.3.2硬件电路设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 43 页16 / 43 图 4-3 单片机存储器的扩展电路W77E58 单片机由于受管脚的限制，在扩展存储器时，数据线和地址线是复用的。P2口的 P2.0- P2.4作为高 5 位地址线， P0 口作为低 8 位地址 /数据总线， P0、P2口的 P2.0- P2.4共同组成 13 位地址，寻址范围为 :0000H-3FFFH。扩展的数据存储器6264为 8KB，需 13 根地址线 , 寻址范围为 :0000H-1FFFH。扩展的程序存储器2764为8KB，需 13 根地址线 , 寻址范围为 :1000H-2FFFH。W77E58 的 P0、P2 口和 6264 的A0-A12 地址线相连接， P0口 P0.0-P0.7双向数据线相连； RD/是用于访问外部数据的读选通，连接6264 的输出允许端OE/；WR/是用于访问外部数据的写选通信号，连接 6264的输入使能端。当WR/为低电平，片选端CE/为低电平时，将P0口和 P2口的 P2.0- P2.4 上的数据写到A0A13 选中的存储单元中。在扩展了外部数据存储器后，PO和 P2口 P2.0- P2.4不能再用于其它功能。由于W77E58 的低 8 位地址和数据分时复用，因此需要外部地址锁存器74LS373 和 ALE 锁存信号来锁存低8 位地址，它在下降沿锁存地址。4.3.3 存储器的掉电保护在单片机系统中，当主电源DC5V 失去时，我们称之为掉电。掉电之后，单片机会停止工作，时钟会停止往前走，存储器的数据容易丢失，这种结果在许多场合往往是不希望的，为了保证单片机在主电压失去时仍然能够保持运行，人们就利用干电池对单片机系统继续进行供电。单片机允许在电压低至2V 甚至更加小一些的电压供电时，仍然可以保证其最基本的运行。电池在主电源失去时，对单片机存储器的继续运行提供能源，此时的电池能源是非常宝贵的，而且随着保护时间的延长，电池的电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 43 页17 / 43 量也会用完的。所以，保护电路有一个最长保护时间的参数，使用中不能超过，否则，保护就会失效。当电池经过保护时间的使用之后，就需要补充电能，以便下一次保护时能够正常投入保护工作。所以在系统正常工作时应该给电池充电。电池在主电源正常供电时，需要由主电源对其进行充电；当主电源失去时，又由电池放电以保持单片机系统的运行。图 4-4 数据存储器的掉电保护电路在本系统中，采集的用户电表数据都存储在外部扩展的数据存储器中，存储器一旦掉电，将失去所有数据，所以必须给数据存储器加掉电保护，防止数据的丢失。正常工作时，由 VCC5V 电源供电，此时， VCC5V 电源通过 D1 和 R1 ，对保护用电池进行充电，以保证电池电量的充足。适当选择R1 的大小，可以保证充电电流和充电时间都比较合理。当主电源失去后，电池通过R1+R2 ，对存储器供电端口进行供电，供电电流通过 R1+R2 之后，会有压降，到达存储器的 VCC 端口时，电压就会比3.6 低，一般会在 2V2.5 左右，但可以防止存储器中的数据丢失。4.4时钟模块4.4.1设计思想电力线载波抄表系统是一个与时间记录有很大关系的系统，上位机不但要从集中器采集电表数据，还要知道固定时刻电表数据的值，因此实时时钟是必不可少的。将时钟放在集中器上，既可以满足系统对时间信息的基本要求，也不会给系统增加过多的负担。当平时运行抄收命令时，集中器会每抄收一块电表就加上当时的时间。将时钟放在集中器上还有利于上位机对时钟进行精确校时。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 43 页18 / 43 4.4.2 时钟模块的选择15 本文选用的 DS12887是 DALLAS 半导体公司新推出的实时时钟芯片,可直接取代DS1287,该芯片引脚少、体小、使用方便、价格便宜，功能丰富，应用广泛。它在工业控制及智能仪器仪表中有广泛用途,一般 PC 机内的时钟信号就是由DS12887 提供的。 DS12887 的特点： (1可作为个人计算机的时钟和日历；(2与 MCl46818B 和DS1287 的管脚兼容； (3在没有外部电源的情况下可工作10 年；(4自带晶体振荡器及锂电池； (5可计算到 2100 年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七种日历信息并带闰年补偿； (6用二进制码或BCD 码来表示日历和闹钟信息；(7并有 128 字节带掉电保护的 RAM 。DS12887的管脚图如下：AD0-AD7 ：地址/数据，应接 P0口；MOT：总线类型选择，与89C51连接时接地；CS：片选；AS：地址选通，与 89C51连接时接 ALE；R/W：读/写控制，与 89C51连接时接 WD；DS：数据选通，与 89C51连接时接 RD；RESET：复位，接 +5V；图 4-5 DS12887 的管脚图IRQ：中断请求输出。4.4.3 时钟模块与单片机的连接14 时钟芯片在智能电量测量仪的设计中有着广泛的应用，显示积累值及当前时间。DS12887芯片在为系统提供时间信息的同时，还保证了积累值及其它重要数据在掉电情况下不致丢失，对时间的读取可以采用查询方式，即查询到位IRQ/为 0 时读时间，也可以采用中断方式使芯片每秒钟中断一次，在中断程序中读时间，为了提高工作效率通常采用中断方式。16DS12887 芯片与单片机的接口电路如图所示,因为与51 系列单片机连接，所以MOT 接地；片选 CS 接 138译码器的 Y2 端；IRQ 端接一上拉电阻连到W77E58 的中断INT1 端，即采用中断方式读取时钟参数，当允许DS12887向单片机申请中断， SQW 端输出为 500ns的方波；数据模式为BCD 码，时间采取 24h 模式。由于DS12887 内部带有锂电池，可保证其正常工作达十年之久。所以不管外部供电电压如何，一旦启动DS12887 的计时功能，它将自动地进行年、月、日、星期、时、分、秒的计时。并能保证在25环境温度的情况下，计时精度在1min/月的范围内。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 43 页19 / 43 图 4-6 单片机与时钟芯片DS12887 的连接电路4.5电力线载波通信电路设计电力线载波电路是负责与载波电表的通信，能同时接收多路电力载通信，每一路电力载波均有独立的收发系统。载波电路是整个系统的核心，本文采用SSC P300 作为电力线载波专用调制解调芯片。需要配合外围功率放大电路和接收回路才能工作，载波通信的距离与外围电路设计优劣、功率小等密切相关。从SSCP300输出的信号幅度小、驱动能力弱，而且有各种谐波，因此要放大滤波，然后通过耦合电路将信号调制到电力线上。电力线传来的载波信号由SSCP300接收，需一个带通滤波器，经过预放大再送到SSCP300的接收端，再送给单片机进行处理，单片机中存储的数据经过现有的电话网传送给控制计算机，控制计算机根据数据对供配电进行控制。低压扩频载波模块主要由SSCP300 低压电力线扩频载波网络控制器、前置功放和电力线藕合电路构成，负责对单片机送来的数据进行线性扫频调制，放大后藕合到电力线上，对通过电力线送来的载波信号进行扫频解调后送给单片机。这种数据通信采 用了收 发分 时控 制的 半 双工 通讯 。该 模块 与 配变 集中 器的 设计 通 信距 离为1000M。在信道特性最恶劣的情况下，也要保证不小于600M。低压电力线载波通信的原理结构框图如图4- 7所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 43 页20 / 43 图 4-7 低压电力线载波通信的原理结构框图电力线载波通信是电力线载波抄表集中器的核心任务，采用先进的载波调制原理，充分利用电子技术和微处理器技术，开发通用的电力线载波通信设备则是电力线载波抄表的重要基础工作。本文将以SSC P300 为核心器件，就其工作原理、电路设计开发展开讨论。扩频通信技术是将信息在载波调制的基础上再进行扩频调制，将信号频带展宽成比信息带宽大得多的宽频信息带进行通信的一种信息传输方式。扩频通信具有很强的抗干扰性能，通过相关分析实现可靠的数据传输。线性扩频是指在发送数据信号的一个周期内，其载波的频率作线性变化。线性调频信号的产生可由一个锯齿波信号调制压控振荡器来实现 与扫频信号相似）。发送时将该线性调频波作为载波来对传送的基带信号 , 控制模式 (CON和监控模式 (MON 。图 4-10 给出了 SSCP300网络接口控制器的节点图，SSCP300提供了通讯中的数据链路功能和物理层协议服务,主处理器负责与SSCP300的通信及执行特殊的应用工作,SSCP300提供数据链路功能和物理层的协议LinkLa 服务。其中特殊的DLL 服务包含了对通信分组的发送和接收,对发送的字符由字节向符号转化,对于接收的分组由符号向节字转化 ,以及发送信道的存取和CRC的产生与校验 ,电力线模拟功能包括将信号频率耦合到媒体上 ,放大信号以驱动媒体的阻抗,对输入信号滤波。模拟通过信号首S SCP 3 0 缓冲器滤波器功率放大器前 级 放 大器带 通 滤 波器载波耦合低压电力线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 43 页21 / 43 先从其 SI 脚进入 SSCP300, 然后被缓存放大器 (Amp所放大 ,放大后的信号通过A/D 转化为数字信号 ,以便于对信号实施数字信号处理。对输入信号的数字信号处理,包括一个配套的滤波相关器以检测扩频“Chirps”的波形 ,而载体检测和媒介状态信息则被从DSP 电路传输到数据链路层(DLL 的微处理器 ,以便于将分组解码 ,协议功能和最终的分组传输到主处理器。将欲发送的分组先从主处理器传输到内部的DLL 微处理器 ,而DLL 微处理器则将数据传输给DSP 功能块。 DSP 可产生扩频载波 (SSC的高层状态和低层状态 ,通过 D/A 产生扩频“ Chirps”模拟波形。当三态信号被置为高时,此波形经缓存后从SO 脚输出 ,经功率放大模块 (如 P111和变压器耦合到电力线上 ,为了保障扩频信号能够线性传输变压器应为11,主处理器与SSCP300 通过发布指令进行通信。17 从 SSCP300输出的信号幅度小、驱动能力弱，而且有各种谐波，因此要放大滤波，然后通过耦合电路将信号调制到电力线上。电力线传来的载波信号由SSCP300接收，需一个带通滤波器，经过预放大再送到SSCP300的接收端，再送给单片机进行处理，单片机中存储的数据经过现有的电话网传送给控制计算机，控制计算机根据数据对供配电进行控制。利用扩频载波技术开发多用户环境下的电力线Modem 通信网络的通信模块是由电力线数据通信接口(PDCI和电力线调制解调器(SSPM构成。 PDCI 用于连接计算机和计算机、计算机和嵌入式设备,实现网络通信的上层(应用层和网络层 的通信协议。SSPM 用于将数据包中的数据耦合到电力线上,实现网络通信的物理层和数据链路层的网络服务。 SSPM是由 SSC P300和 SSC P111构成的 ,而 SSPM 是由主处理器W77E58 控制核心控制的 ,SSC P111 媒介接口和电力线耦合电路部分完成缓冲放大、低通滤波和信号耦合等功能。SSC P300 网络接口控制器 ,实现具体的数据链路层功能(包括数据包的发送和接收、发送字节到符号的转换、接收符号到字节的转换及CRC的产生和校验等 。主处理器W77E58 作为控制核心 ,控制通过5 线的串行外围接口(SPI把即将发送的分组先传输到SSC P300内部的 DLL 处理器 ,而 DLL 处理器则将数据传输给 DSP功能块。 DSP可以通过使用一个300点的 ROM 查询表来产生扩频载波(SSC的高层状态和低层状态 ,此表可以驱动 8 位 D/A 转换器以产生 SSCCH IRPS波的模拟波形。 SSC P300 从电力线上耦合并解调出来产生解调后的信号，主处理通过5 线的串行外围接口SP2 将从 S2 输入的解调后信号经过信号转换得到的数据分组接收进来，而 PDCI 实现 SSPM 和上位机的通信。我们选择使用计算机和嵌入式设备的标准接口 RS-232和 RS-485作为 SSPM和上位机的通讯方式。18 下图为电力线载波通信模块精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 43 页22 / 43 图 4-9 SSC300 和 SSCP111构成的电力线载波通信模块5图 4-10 基于 SC300 和 SSCP111的辅助电路5电力线载波通信模块是由SSC P300 和 SSC P111构成的 ,且由主处理器W77E58控制核心控制的。 SSC P111 媒介接口和电力线耦合电路部分完成缓冲放大、低通滤波和信号耦合等功能。 SSC P300网络接口控制器 ,实现具体的数据链路层功能(包括数据包的发送和接收、发送字节到符号的转换、接收符号到字节的转换及CRC 的产生和校验等 。4.5.2单片机与 SSCP300通信的控制工作过程单片机 W77E58 是整个模块工作的控制核心。首先解读上位机发送的命令和数据,根上位机的要求向电力线媒介发送和接收数据包，单片机对载波通信的控制是通过和精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 43 页23 / 43 SSC P300 的交互来完成的。电力线媒介的实时网络通信是由SSC P300 管理的 ,SSC P300 提供的由主制器通过SPI 端口管理的功能使得主处理器获得最佳的网络应用层的实现。 SSC P300 内部供多个数据结构设定其运行方式和表征其运行状态。单片机通过发送命令读取这些数据结来判断发生的事件及当前状态,并通过发送相应的命令做出相应的处理操作 .命令和数据结在主控制器和SSC P300之间的传送是通过SPI接口实现的。关于数据结构的详细信息和令协议的详细信息,请参见 SSC P300的资料。主处理器W77E58 作为控制核心 ,控制通过5 线的串行外围接口 (SPI把即将发送的分组先传输到 SSC P300内部的 DLL 处理器,而 DLL 处理器则将数据传输给DSP功能块。 DSP 可以通过使用一个300 点的 ROM 查询表来产生扩频载波 (SSC的高层状态和低层状态。 SSC P300 从电力线上耦合并解调出来产生解调后的信号。主处理器通过 5 线的串行外围接口SP2将从 S2输入的解调后信号经过信号转换得到的数据分组接收进来。我们选择使用计算机和嵌入式设备的标准接口RS-232 作为集中器和上位机的通讯方式。图 4-11 SSCP300和单片机的通信 5 4.5.3 RS-232/RS485接口标准MODEM 的通信接口采用的是RS-232 标准。 RS-232是早期为促进公用电话网络进行数据通信制定的标准，其逻辑电平对地是对称的，完全与TTL 、CMOS 逻辑电平不同。低电平规定为+3V+l5V 之间，高电平为 -3V-15V 之间。 MAX232 是多路RS-232电平转换芯片，分别提供了两路TTL/CMOS 电平输入， RS-232电平输出及两路 RS-232电平输入， TTL/CMOS 输出的转换。 MAX232 内部有电压倍增电路和转换电路，只需 +5V 电源便可实现TTL 电平与 RS-232电平转换，使用起来十分方便。芯精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页，共 43 页24 / 43 片的外围电路也很简单，只需4 个电容就可正常工作。但是 RS-232 传输距离太短，只是用短距离传输。实际中常采用RS-485 标准进行长距离数据通信，目前常用的与TTL 的电平接口是 MAX-485 和 MAX-489, 其片内含有一个发送器和一个接收器，MAX-485 为差分平衡型收发器。由MAX-485 芯片构成的 PC 与单片机之间的通信为长距离半双工通信，利用MAX-485 与 PC 机配置的RS-232C串行接口通信，必须外配一个RS-232 /RS-485转换器，可将 RS-232 转换为RS-485 电平，而 W77E58 的串行通信口输出的是TTL 电平，因此必须通过电平转换才能符合串行通信标准。本文中的电平转换采用MAXIM公司的MAX485 芯片完成。其通信接口电路如下图：图 4-12 单片机与计算机的通信7MAX-485 芯片的 1 脚 R0 为接收器的输出，接TTL 电平 RXD 信号； 4 脚 DI 为发送器输入，接TTL 电平 TXD 信号；3 脚 DE 为发送使能端，接 +5V；2 脚 RE/为接受使能端，接地。因为MAX-485 一端接计算机，如果直接与单片机连接会引入干扰信号，所以在MAX-485 和单片机连接时，需要加光电隔离器，防止干扰信号进入单片机系统，影响系统正常工作。4.6主控器与 MODEM 通信接口随着当代社会信息化的飞速发展，借用公用电话交换网进行信息传输的技术己经达到成熟阶段。在单片机应用系统中，特别是在传输数据量不是很大、通信数据不是很频繁的时候，使用MODEM ，并利用公用电话交换网进行数据传输不失为一种可行的方法。集中器与上位机之间的通信采用公用电话线，在数据传输时必须通精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 43 页25 / 43 MODEM 进行。这是因为公用电话网为模拟电话线路，数字信号不能直进入这样的信道，必须通过一个中间设备MODEM ，它用来实现数字信到模拟信号和模拟信号到数字信号的相互转换，是一个重要的数据通信备。本文直接应用标准的外置式调制解调器，不仅接口简单，而且扩展能好。如果采用专用调制解调器芯片，自己设计外围电路、电话接口不仅费时费力、成本高、开发周期长，而且通用性差。4.6.1 MODEM 简介MODEM 是一种智能型信号转换器，可将数据调制成音频信号，通过电话通信网 传到 对 方 的 调 制 解 调 器 。数 据 通 信 系 统 中 采 用 的 调 制 解 调 器 芯 片 主 要有MSM7512B、AM7910 等，本文采用MSM7512B 芯片进行通信。 MSM7512 是日本OKI 公司生产的一种价格低廉、功耗低、性能良好的调制解调芯片。该芯片满足ITU-TV.23 协议标准，由单电源 35V）供电，采用FSK 半双工调制解调方式，通信速率为1200bps，低功耗 可以和单片机的串行口直接相接；(2 低功耗、单电源供电 两个状态位： CD/为载波检测位 低有效）； RS/为数据发送使能位 MOD1、MOD2 工作模式选择位；(5 AOG 输入信号电平选择位；(6 采用 CCITTV.21标准，可进行 1 200 bit 半双工或 1 200 bit 收75 bit 发两种方式的数据传送。MSM7512B 主要由调制器 发送器）、解调器 接收器）、接口控制逻辑组成。AI 是信号输入端，即解调器的输入端。AO 是信号输出端，即调制器输出端。通过控制 MOD1、MOD2 可使 MSM7512B 在 4 种不同的工作方式下工作。具有载波检测功能，当内部检测到从2 脚AI）输入的 FSK 载波信号时，其10 脚CD/）输出为低电平，否则为高电平。该电平的变化可用来指示芯片的解调工作状态。而要使Modem发送数据，还需要计算机置RS 脚为低电平。对单片机来说，发送、接收数据就是对串行通讯口 SBUF）进行写、读。工作方式可设置成中断方式或查询方式。另外它的 6 脚 X1 和 7 脚 X2 之间外接晶振，芯片内部已有接地电容，无须在外电路中接电容。【7】4.6.2 主控器与 MODEM 通信接口电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 43 页26 / 43 图 4-13 MSM7512B 与主控器的连接图 4-14 MSM7512B 与电话网的连接MSM7512B 的工作模式选择MOD2 和 MOD1 均接地，使芯片工作处于模式1，即采取 1200bps 速率的半双工工作方式。需要发送的数据存储在W77E58 芯片内部精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 43 页27 / 43 RAM 的对应单元，发送时从串行接口TXD 端输出，送到MSM7512B 的 XD 端进行调制，变成相应频率的音频信号从AO 输出，送到有线传输线路，经有线传输到下属各 站点 。 下 属 各 站 点 的 反 馈数 据 进 入 有 线 传 输 信 道 后 送 到 中 央 控 制器 中 的MSM7512B 的 AI 端进行解调，解调后的数据从RD 端输出，经过W77E58 的串行口RXD 接收端存到对应的RAM 单元。在 MSM7512B 芯片上，数据经调制后送出的音频信号 AO）和接收的待解调成串行数据的音频信号极为简捷方便地搭成的。220V 交流市电通过电源变压器变换成为交流低电压，再经过桥式整流电路D1D4 和滤波电容C28 的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805 的 VIN 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化。此直流电压经过LM7805 的稳压和 C30 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 43 页28 / 43 4.8本章小结本章重点研究设计了集中器的硬件系统。主要包括主控制器、外部扩展数据存储器、外部扩展程序存储器、时钟模块、上位机通信接口电路以及电力载波通信电路及其外围电路等。配电变压器对电力线载波信号有阻隔作用，所以电力线载波信号一般在同一个配电变压器范围内传送。据有关实验结果统计，在用电负载较轻和稳定的情况下，数据输出的正确率高达99%以上，在用电负载高或有干扰的情况下，正确率略有降低。当电力线上负载很重时，电力线对载波信号形成高削减。当电力线上接有各种用电设备，频繁关闭或开启会给电力线带来各种噪声干扰，而且幅值较大。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 43 页29 / 43 5 电力线载波抄表系统集中器软件的设计电力线载波抄表系统的硬件水平由于扩频技术的发展使其成为可能，而软件中继技术的应用使这种可能变成了现实。要使这种建立在网络协议层面上的通信系统得以正确实施，优秀的软件和良好的协议是必不可少的。系统中各个单元都有对应的软件，整个系统的软件设计既是一个整体，又相互独立，其间靠通信协议相互联系。本章首先介绍集中器与上位机以及集中器与载波电表之间的通信协议，然后介绍集中器的软件设计。5.1通信协议的制定本协议是参照电力部门规定的通信协议来编写的，在某些具体的数据格式上采用了特有的组织方式。协议的规定是为了使用方便、系统可靠。5.2集中器软件设计集中器系统软件使用汇编语言进行编写，这种语言具有功能浮点运算、编程灵活和移植性好等优点。(1 软件设计思想在设计应用软件时应考虑以下几个方面：(a 程序承担的任务：任何一个系统的设计，都有其具体的应和明确的工艺要求，程序设计的首要任务就是确定程序承担的任务；(b 程序的时序性 :单片机是按时序运行的，所以程序设计到抄表任务的执行顺序和时间要求；(c 程序的适应性：所谓适应性，就是要求设计出来的程序灵活性，主要考虑将来系统扩展时必要的修改，增加通用性。本文采用模块化设计思想，将一个完整的程序分成若干个可以成某些任务的功能模块，各模块又分为若干子模块，各子模块之间立，又受主程序模块的控制。使整个系统层次分明，逻辑清楚，便的编制、调试、修改和查错。利用模块化技术，可以将错误控制限在模块内部而不影响整体，提高了系统的可靠性、灵活性和可维护性。(2 软件设计任务根据集中器要完成的功能，软件结构主要包括：主程序模块(集中器接收上位机的命令、集中器抄收下位载波电表的数据、数据块、时钟模块等。(a上位机下发给集中器的指令全抄指令：上位机与集中器建立通信链路后下发的全抄指令，应将存储在RAM中的所有电表数据发送至上位机；集中器和载波电表的通信主要指集中器根据上位机下载的定时抄收电表数据；根据上位机下发指令实时抄收电表数据。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 43 页30 / 43 (b时钟模块当上位机下发校时指令时，MCU 可对时钟进行写操作，在定时抄表程序中，MCU 要读取时间数据，与上位机下载时间相比较，从而执行相应的程序。(c数据存储模块集中器会将抄收回来的电表数据进行处理、存储。当上位机下发抄表指令后，集中器便将存储在 RAM 的所有电表数据读出并发送至上位机。5.2.1主程序设计在所有的操作中，定时读取各载波电表的数据是最主要的也是最复杂的，本文主要介绍集中器定时抄取载波电表数据的程序设计。上电复位信号使系统复位，系统都将重新进行初始化，包括串口初始化等。接着检测集中器和电表的数据库是否存在后，才能保证抄表工作准确；若数据库已下载，当数据库下载完成并退出与上位机的通信后集中器进入抄表状态。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 35 页，共 43 页31 / 43 图 5-1 抄表循环程序流程图【8】MCU 采用查询的方式获取时间数据，当读取到的时间数据为设定抄表时间数据时，先判断数据库是否下载，接着判断所有表已抄标志，若为1，说明系统已经进行过抄表操作；若为0，说明当月的电表读数还没有抄取，于是启动抄表循环程序。从抄表循环程序退出来后，系统还会检查到表是否成功，若成功为1，则证明所有表都已成功读取；若为0，则说明系统曾经进行过抄表操作，但没有把所有表的数据成功读完，需重新调用抄表循环程序。在集中器的主程序中要不断的查询是否有上位机下发的命令，如果有则先根据上位机下发的命令，执行相应的程序，抄表循环程序流程图如图 5-1 所示。5.2.2 集中器向上位机的数据传输与集中器相连接的MODEM 在进行初始化设置时将自动应答功能开启，这样呼叫方 MODEM 拨号后，等待集中器MODEM 送来的载波信号，集中器MODEM 检测到预定的响铃次数后便自动摘机，然后与呼叫方进行载波连接。如果双方在预定时间没有检测到载波信号MODEM 会自动释放线路，同时返回结果码，一旦载波建立成功后， MODEM 便会返回结果码，表明双方连接成功，可进行数据通信。集中器向上位机发送数据的流程图如图5-2 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 36 页，共 43 页32 / 43 图 5-2 集中器向上位机发送数据流程图【8】如果串口接收到数据则开始计时，并继续查询串口，若在10 秒内串口接收到数据，表示载波建立成功保持集中器与上位机的连接，开始与上位机进行通信。数据传送完成后，使MODEM 从联机状态返回到命令状态，延时一段时间后发送挂机命令，一次数据通信结束。若第一次响铃10 秒后还未接收到结果码l，则表示载波无效，上次响铃为有人打电话或者是连接出现错误，集中器不与上位机连接而继续运行其他程序。发送完一包数据后，集中器若接收到上位机发送的“W”指令，说明发送有错误，要求重发本包数据。调制电路的工作过程是这样的:从终端到中心的链路建立之后，先控制MOD2 和MOD1 使 MSM7512B 工作在接收状态，使能“ MODEM 状态中断”，等待数据采集中心的应答信号；当有应答信号时，MSM7512B 的 CD/引脚变的有效，触发W77E58的“MODEM 状态中断”，在中断过程中，查询是否为正确的应答信号，如果是，则禁止“ MODEM 状态中断”，使能“发送数据空中断”，控制DTRB 和 DTRA 引脚使 MSM7512B 切换到发送模式，控制RTSB/引脚使能MSM7512B 的发送，控制RTSB/引脚选择M7512B 的发送幅度为 -4dBm，然后就可以从存储器中取出数据通过PSTN 向数据采集中心发送数据，如果不是正确的应答信号，则继续等待应答信号。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 37 页，共 43 页33 / 43 MSM7512B 的最高波特率为120ObpS，因此，设置W77E58 的波特率时，最高不能超过 1200bps，否则 MSM7512B 不能正常工作。125.2.3单片机与扩频芯片SSCP300的数据传输编程序的时候 ,主处理器和 SSC P300之间的交互归结为4个基本的子程序 ,就可以完成命令和数据的发送和接收。这四种操作分别是初始化、写、读、中断服务程序。图 5-3 SSCP300 初始化流程图【18】精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 38 页，共 43 页34 / 43 图5-4 SSCP300读事务子程序图5-5 SSCP300写事务子程序主控制器在每次上电时必须初始化SSC P300系统信息 ,因为系统信息是掉电丢失的，系统信息是通过一个写操作写入SSC P300的。经过初始化操作以后,主控制器就可以使用写操作发送数据包了，数据包的发送完成和数据包接收完成的通知(给处理器 是通过向主处理器发出中断申请来实现的.在中断服务程序中 ,需要使用读操作来确定具体的中断原因。数据包的获取是通过读操作来完成的。5.3本章小结本章简单介绍了集中器的软件系统。包括集中器与上位机以及集中器与载波电表之间的通信协议、集中器主程序的流程图、集中器向上位机的数据传输流程图和单片机与扩频芯片SSCP300的数据传输流程图。由于软件设计不是本文的主要任务，在此不做详细介绍。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 39 页，共 43 页35 / 43 6 结论6.1总结本系统具有技术水平高、可靠性好、数据准确、适应性强、功能全、模块体积小、功耗低，系统操作界面简单易懂、安装维护方便。这套系统的使用极大地减少电力部门的劳动量，同时提高了电力系统的现代化管理水平，有很好的社会效益和经济效益，对系统稍加扩充，便可完成对煤气表、自来水表的自动抄收，从而推进智能化小区的建设。但在运行中也发现了一些问题，如与集中器连网的电话线有时出现故障，系统的抄表成功率有时不高，这还有待改进。6.2结束语自动抄表技术这几年发展很快，尤其是在网络化测量技术、传感器技术、通讯技术飞速进步的强劲支撑下，表现出与燃气、水、热量等自动抄表技术的更加紧密地结精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 40 页，共 43 页36 / 43 合，并明显加快了融入现代综合化网络测量技术的步伐。二十一世纪是网络化时代，在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速发展下抄表方案也层出不穷。各种方案都有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。相信自动抄表系统会有更加广阔的发展前景 ! 致 谢感谢我的辅导老师刘文波，本论文是在刘老师的悉心指导下完成的，从论文的选题到最后完稿无不渗透着刘老师的心血和智慧。刘老师严谨的学术作风、忘我的工作热情、不断进取的创新精神都是我学习的楷模。在我论文的撰写过程中给了我很多帮助和很好的建议。在此，谨向刘老师致以我最诚挚的谢意! 感谢我所有的专业课老师，感谢他们几年来在各个方面对我们的关怀和指导。他们所讲授的知识，开阔了我的思路，培养了我与他人在学习和工作中的协作能力，使我受益匪浅。感谢论文主审和答辩委员会的全体成员，他们辛勤的工作和诚恳的建议使得我的论文更加完善。感谢我的家人，是他们的支持和生活上无微不至地关心和帮助使我能够顺利完成精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 41 页，共 43 页37 / 43 学业。感谢我的合作伙伴王磊同学、以及其他所有同学，他们在我论文编写过程中给了很多帮助和很好的建议。感谢给予我关心和帮助的所有亲人和朋友们。参 考 文 献1李华 .MCS-51 系列单片机实用接口技术M. 北京：北京航天航空大学出版社，1993. 2 张鑫.单片机原理及应用 M. 北京：电子工业出版社， 2005. 3 庹华荣 .基于扩频技术的电力线调制解调器设计D. 安徽：合肥工业大学，2005.4 于晶晶 .电力载波远程抄表系统的研究D.西安：西安科技大学， 2006.5 李志俊 .基于扩频载波芯片 SSC P300的小区自动抄表系统 D. 武汉：武汉理工大学，2005.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 42 页，共 43 页38 / 43 6 易小龙 .电力载波通信技术在远程自动抄表系统中的应用J. 应用科技 ,2001, 281）：17-18.7 潘超群 .单片机控制技术在通信中的应用MCS-51M. 北京：电子工业出版社，2008. 8 潘丽珍 .电力线载波通信技术在远程抄表系统集中器中的应用研究D. 太原：太原理工大学， 2005.9 刘思久，王伟 .基于 P300芯片组的电力线载波通信模件开发J.电器与仪表，2003， 40456）：37-41.10 康光华 .电子技术基础模拟部分 第5版）M. 北京：高等教育出版社，2006. 11 蒋瑞兰 .低压扩频远程电能集抄系统研究D.兰州：兰州理工大学， 2006. 12 温明.基于公众电话网的远程数据采集系统的设计与实现D.哈尔滨 :哈尔滨工程大学 ,2003.13 夏为民 .扩频技术在电力线载波通信中的应用研究M. 南京 :南京理工大学,2002.14 佟云峰 .时钟芯片 DS12887在单片机系统中的应用J. 昆明冶金高等专科学校学报 ,2001, 171）：44-46.15 刘刚，韩恒，郝紫阳.DS12887在测量仪表中的应用J.安康学院学报，2007，192）：83-86.16 周向红，范伟. DS12887实时时钟芯片及应用研究J.企业技术开发，2006， 25，2002， 184）： 425-427.18 张大伟 .采用P300/P111 芯片的电力线载波信道机的设计J.沈阳工业学院学报，2002，213）：26-30.19 史贤俊 ,聂子玲 .基于SSC P300的电力线扩频载波通信电路的设计J.国外电子元器件 ,2002， 1：4-7.附 录电力载波通信抄表集中器硬件电路图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 43 页，共 43 页