引言

　　隨著低壓電力載波技術(shù)的飛速發(fā)展，使載波通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。電力部門及時(shí)地把這項(xiàng)科技進(jìn)步成果應(yīng)用于抄表工作當(dāng)中，將傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)抄表方式改為自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表方式。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，需要配備自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，一種方案是把用戶正在使用的電子式電能表?yè)Q成具有載波功能的電子式電能表，直接通過電力線把用戶的用電信息傳送到數(shù)據(jù)集中器中，再由數(shù)據(jù)集中器將各個(gè)用戶的用電信息經(jīng)以太網(wǎng)或用GPRS通信方式發(fā)送到抄表管理中心；另一種方案是不必更換用戶正在使用的電能表，只需把若干電能表的脈沖輸出線接到一塊載波抄表采集器上，用采集器接收這些電能表的用電信息，再用載波通信方式通過電力線將用電信息經(jīng)過數(shù)據(jù)集中器，最終傳遞到抄表管理中心。顯然前一種方案所用的設(shè)備投資要遠(yuǎn)大于后者，因而，載波抄表采集器的使用將為自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)在電力行業(yè)的推廣普及提供了一種價(jià)格低廉而又切實(shí)可行的途徑。本文基于PL3105芯片研制成功的載波抄表采集器就是這種采集器之一。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　載波抄表采集器是自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它能夠把一些用戶電能表的用電量，通過脈沖數(shù)據(jù)線采集到載波抄表采集器中，一方面將這些用電量存儲(chǔ)在采集器的存儲(chǔ)單元內(nèi)，以便于顯示和查詢；另一方面利用低壓電力線以載波通信方式把它們傳給遠(yuǎn)處的數(shù)據(jù)集中器。

　　本載波抄表采集器是根據(jù)微處理器PL3105在電力線載波通信方面所具有的優(yōu)越性能而設(shè)計(jì)的，成為一種具有數(shù)據(jù)采集、顯示、查詢以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ艿闹悄軆x器。它的硬件電路是由PL3105單元、脈沖采集單元、載波通信單元、紅外通信單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)顯示單元和電源單元等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以下分別對(duì)部分單元的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

圖1 載波抄表采集器硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　PL3105

　　PL3105是專為面向未來的開放式自動(dòng)抄表、智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的單芯片片上系統(tǒng)，它采用8051指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā),具有8/16位雙模式ALU、8倍速于標(biāo)準(zhǔn)51。尤其在電力線載波通信方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，它的擴(kuò)頻通信單元是 PL2000 系列專用電力線載波通信集成電路的升級(jí)內(nèi)核，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，更高的數(shù)據(jù)通信速率和更大的軟件可配置靈活性。

　　脈沖采集單元

　　采集單元設(shè)計(jì)了21個(gè)采集通道，可滿足住宅小區(qū)一個(gè)單元用戶的需要。在設(shè)計(jì)這部分電路時(shí)，為了增加載波抄表采集器對(duì)外界各種干擾的抵抗能力，采用光耦器件NEC2501來隔離采集器的內(nèi)、外信號(hào)，并為外部輸入脈沖信號(hào)提供獨(dú)立的電源供電。采集到的脈沖信號(hào)經(jīng)光耦器件轉(zhuǎn)換后，通過三態(tài)放大收發(fā)器MC74HC245送到微處理器PL3105的I/O接口，在PL3105內(nèi)對(duì)這些信號(hào)做出相應(yīng)的處理。

　　載波通信單元

　　載波通信采用直接序列擴(kuò)頻的BPSK調(diào)制解調(diào)方式：將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼序列擴(kuò)展到較寬的頻帶上，在接收端用同樣的偽隨機(jī)碼序列來進(jìn)行同步接收，恢復(fù)信息。載波通信的擴(kuò)頻、解擴(kuò)工作完全由SoC 內(nèi)部的硬件電路實(shí)現(xiàn)，解擴(kuò)閾值可以軟件調(diào)節(jié)。另外，需要配合外圍功率放大和接收回路等電路共同構(gòu)成載波通信的硬件部分。低壓電力載波通信結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。載波通信采用幀同步方式的串行移位通信，半雙工方式，速率500bps，中心頻率為120KHz，帶寬為±7.5KHz。

圖2 載波通信結(jié)構(gòu)框圖

　　載波通信所需的直序擴(kuò)頻調(diào)制電路已在PL3105芯片內(nèi)集成化，外圍配置電路主要包括功率放大與濾波電路、載波耦合與接收電路，其電路如圖3(a)和(b)所示。

圖3（a）功率放大與濾波電路

圖3（b）載波耦合與接受電路

　　由PL3105輸出的載波信號(hào)波形為0-5V 變化的方波，包含豐富的諧波，用推挽電路進(jìn)行功率放大。由于放大后的信號(hào)波形含諧波，為減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，需要進(jìn)行濾波整形。經(jīng)過LC串聯(lián)電路完成濾波整形后，再通過耦合線圈耦合到低壓電力線上。載波發(fā)射功率的大小與電源幅值的高低、電源電流提供能力密切相關(guān)，一定范圍內(nèi)提高電源幅值、增大電源功率，可以有效加大發(fā)射功率、從而延長(zhǎng)通信距離。在接收電路中，收到的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過有效吸收衰減后，由LC并聯(lián)諧振回路對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，諧振中心頻率設(shè)計(jì)為120KHz，良好的選頻回路可以有效提高載波接收靈敏度。

　　紅外通信單元

　　PL3105 內(nèi)置了紅外通信模塊，需要配合的外圍電路由發(fā)送電路和接收電路組成。發(fā)送電路的設(shè)計(jì)采用三極管9014驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管TASL6200，接收電路選取紅外接收管TSOP1838。紅外線調(diào)制頻率為38KHz，通過設(shè)置有關(guān)寄存器使能紅外通信后，按紅外通信規(guī)約收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)單元

　　數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計(jì)用ZLG7289B芯片直接驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管(LED)，ZLG7289B 采用SPI 串行總線與微控制器PL3105接口，占用I/O 接口線較少。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元選用鐵電非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器FM24C16A，存取數(shù)據(jù)速度快，保存數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　本載波抄表采集器軟件采用51匯編語(yǔ)言編寫，將查詢方式與中斷方式相結(jié)合構(gòu)成軟件的總體設(shè)計(jì)。其中脈沖采集、載波通信和紅外通信都采用了上述兩種方式編程，數(shù)據(jù)顯示與按鍵查詢僅用查詢一種方式編程。利用PL3105內(nèi)置電源監(jiān)控模塊編寫了掉電處理程序，用于斷電時(shí)保存采集的脈沖數(shù)。用PL3105內(nèi)置看門狗監(jiān)控器來提高采集器的抗干擾能力。

　　脈沖采集軟件

　　脈沖采集軟件的設(shè)計(jì)使用PL3105內(nèi)部定時(shí)器T0中斷，設(shè)定5毫秒中斷一次，在中斷服務(wù)子程序中，檢測(cè)21個(gè)采集通道(對(duì)應(yīng)21塊電能表)輸入的脈沖，如果輸入脈沖寬度大于15毫秒，采集器就把該脈沖作為一個(gè)有效的脈沖，然后對(duì)采集的脈沖做累加，并把結(jié)果存到PL3105的內(nèi)存RAM里。對(duì)于電子式電能表的脈沖輸出，設(shè)計(jì)要求脈沖寬度大于80毫秒，因此不會(huì)出現(xiàn)漏采脈沖的情況。這樣，就可以把小于15毫秒的干擾脈沖濾掉。

　　在脈沖處理子程序中，當(dāng)脈沖數(shù)累加達(dá)到1度電

時(shí)，把這一度電加到原有用電量記錄上，作為新的用電量記錄，并將它存到鐵電存儲(chǔ)器FM24C16A相應(yīng)的單元內(nèi)。當(dāng)載波抄表采集器斷電時(shí)，由掉電處理子程序把不足1度電的脈沖數(shù)存到鐵電存儲(chǔ)器FM24C16A中。這種處理方法既能保證對(duì)每個(gè)通道采集的用電量進(jìn)行可靠的保存，又可減少擦寫鐵電存儲(chǔ)器FM24C16A的次數(shù)，延長(zhǎng)該器件的使用壽命。

　　載波通信軟件

　　載波通信設(shè)計(jì)為總線方式通信，載波抄表采集器的常態(tài)設(shè)置為接收狀態(tài)，不同采集通道對(duì)應(yīng)的電能表必須分配不同的通信地址。采集器接收到校驗(yàn)正確的命令后，只有地址相同的采集通道才允許按通信規(guī)約進(jìn)行應(yīng)答。由于載波通信速率相對(duì)主頻低很多，為提高CPU效率，接收和發(fā)送均設(shè)計(jì)為外部中斷方式處理，每次進(jìn)入中斷，完成對(duì)1bit 數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送處理。

　　圖4為載波通信接收過程框圖。載波通信控制單元解擴(kuò)出1bit 數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一次中斷。接收時(shí)首先采用16 bits 接收窗口、1bit 滑動(dòng)方式來接收通信的同步幀頭0X09、0XAF，幀頭接收成功后，后續(xù)數(shù)據(jù)按每8bits 一個(gè)字節(jié)的方式進(jìn)行截取，得到傳送的有效數(shù)據(jù)。接收過程中，按有關(guān)的通信規(guī)約進(jìn)行地址判別、長(zhǎng)度接收、校驗(yàn)計(jì)算，把符合通信規(guī)約的數(shù)據(jù)暫存到接收緩沖區(qū)。之后，分別進(jìn)行表號(hào)、脈沖常數(shù)和底數(shù)的設(shè)置或讀取等處理。

圖4 載波通信接收過程框圖

　　圖5為載波通信發(fā)送過程框圖，用于采集器載波通信的應(yīng)答。當(dāng)設(shè)置為載波發(fā)送狀態(tài)時(shí)，載波通信控制單元發(fā)送完1bit 的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)后，自動(dòng)產(chǎn)生一次中斷，允許下1bit 數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)捕獲和同步過程需要，首先發(fā)送至少40bits的全“1”，然后按比特發(fā)送同步幀頭0X09、0XAF，之后，根據(jù)有關(guān)通信規(guī)約按比特發(fā)送通信地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)體、校驗(yàn)等字節(jié)。數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成后，載波抄表采集器即可轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。但為確保待發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一個(gè)比特發(fā)送成功，必須在發(fā)送完最后1bit 數(shù)據(jù)后等到下一次發(fā)送中斷到來后，才可以從載波發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)。載波通信沒有發(fā)送完全部數(shù)據(jù)前，PL3105必須及時(shí)向PLM_RST寄存器寫入“A2H”，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，避免自動(dòng)提前進(jìn)入載波接收狀態(tài)。

圖5 載波通信發(fā)射過程框圖

　　紅外通信軟件

　　設(shè)計(jì)紅外通信軟件時(shí)，PL3105初始化設(shè)置紅外通信使能位，并使PL3105處于紅外接收允許狀態(tài)。在采集器接收到紅外手持抄表器(PDA)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，根據(jù)645通信規(guī)約按字節(jié)判斷接收內(nèi)容。當(dāng)這些字節(jié)內(nèi)容符合645通信規(guī)約要求時(shí)，把它們存到緩沖區(qū)，然后在紅外數(shù)據(jù)處理子程序中，分別做設(shè)置或讀取表號(hào)、脈沖常數(shù)和底數(shù)的處理。完成上述過程后，按照645通信規(guī)約進(jìn)行應(yīng)答準(zhǔn)備，并將應(yīng)答內(nèi)容逐個(gè)字節(jié)依次發(fā)送出去。

　　數(shù)據(jù)顯示與查詢軟件

　　在數(shù)據(jù)顯示軟件中，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)循環(huán)顯示每個(gè)通道對(duì)應(yīng)電能表的示數(shù)，兩個(gè)周期間隔10秒鐘，不顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示子程序在主程序的循環(huán)周期中只需調(diào)用一次，每次僅顯示一個(gè)通道電能表的示數(shù)，延時(shí)5秒鐘后，在顯示子程序中顯示下一個(gè)通道的內(nèi)容，對(duì)于沒有連接電能表的通道，在程序中判斷表號(hào)為0后，跳越過去顯示下一個(gè)通道。如果采集器沒有連接任何電能表，即所有通道的表號(hào)均為0，就顯示“——”符號(hào)，不再循環(huán)。

　　本采集器為查詢數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵，在查詢數(shù)據(jù)子程序中，首先判斷是否有按鍵按下，經(jīng)去抖動(dòng)處理后，確定有按鍵按下時(shí)，松開按鍵后執(zhí)行顯示查詢內(nèi)容的相關(guān)程序。每按一次按鍵，顯示一個(gè)通道的內(nèi)容，依次為表號(hào)、脈沖常數(shù)和示數(shù)，間隔3秒鐘。顯示完以上內(nèi)容后，在5秒時(shí)間內(nèi)若無按鍵按下，則返回循環(huán)顯示電能表的示數(shù)。在有按鍵按下時(shí)，主程序循環(huán)周期中僅調(diào)用查詢數(shù)據(jù)子程序，不再調(diào)用循環(huán)顯示示數(shù)子程序。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，按以上方案設(shè)計(jì)的載波抄表采集器，具有良好的性價(jià)比，而且SoC 芯片可通過ISP方式編程，產(chǎn)品升級(jí)與功能擴(kuò)展更加靈活、方便。載波通信具有很高的接收靈敏度和很強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)驗(yàn)條件下，在1000米距離內(nèi)，達(dá)到了令人滿意的通信成功率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，筆者設(shè)計(jì)的載波抄表采集器符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了低成本、遠(yuǎn)距離、高可靠性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。