低壓電力線" title="低壓電力線">低壓電力線載波通信是指利用已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛用于集中自動(dòng)抄表系統(tǒng)。采用集中自動(dòng)抄表對(duì)各用戶(hù)實(shí)行遠(yuǎn)程抄表與授電控制是電力體制改革深入后，收費(fèi)模式與臺(tái)區(qū)管理體現(xiàn)出的重要發(fā)展趨勢(shì)。眾所周知，傳統(tǒng)的抄表模塊目前仍沿用通用處理器（MCU）＋功能簡(jiǎn)單的通信集成電路（載波或紅外等），設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，外圍元器件較多?；谄舷到y(tǒng)SoC的PL3201多功能數(shù)字抄表模塊解決方案，主要單元均集成于單芯片上，更為重要的是它首次在載波通信模塊設(shè)計(jì)中使用了碼分多址CDMA技術(shù)，很好地解決了多臺(tái)區(qū)抄表的串?dāng)_問(wèn)題。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
　　本方案以多功能芯片PL3201為核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)SoC。該芯片集成了載波通信直接序列擴(kuò)頻單元，其優(yōu)點(diǎn)在于：
　　(1)擴(kuò)頻通信技術(shù)可以在較低信噪比下實(shí)現(xiàn)可靠通信；
　　(2)由于在擴(kuò)頻通信中使用偽隨機(jī)碼" title="偽隨機(jī)碼">偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻碼的一個(gè)很重要特點(diǎn)是其有足夠的獨(dú)立地址數(shù)實(shí)現(xiàn)碼分多址的要求。
　　載波通信電路主要包括載波通信集成電路、功率放大器和電力線耦合器。通信集成電路將數(shù)據(jù)信息調(diào)制成可在電力線上傳輸?shù)母哳l載波信號(hào)，其頻率一般為50k~500kHz。這些高頻載波信號(hào)通過(guò)功率放大和耦合電路與低壓電力線接口。載波通信的成功率主要取決于接收載波信號(hào)的信噪比和通信芯片的接收靈敏度。載波信號(hào)衰減和電力線路噪聲干擾決定著低壓電力線載波通道的傳輸特性。電力線的阻抗很小，因此其自身阻抗不是產(chǎn)生衰減的主要原因。主要原因是電力線上有大量的用電負(fù)載和電力設(shè)備，其高頻等效阻抗的變化范圍很大。實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)的衰減是距離的函數(shù)，一般為40～100dB/km。通過(guò)以上分析，低壓電力線載波通信的客觀環(huán)境非常惡劣，要達(dá)到穩(wěn)定通信的效果必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段克服這些困難。
　　所謂碼分多址，是在通信系統(tǒng)中分配給每個(gè)用戶(hù)一套正交碼，通過(guò)正交性，對(duì)不同用戶(hù)進(jìn)行區(qū)分。PN碼一般由反饋型線性移位寄存器產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)整線性移位寄存器的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生不同的偽隨機(jī)序列。本方案使用的擴(kuò)頻單元偽隨機(jī)碼序列有Gold序列， Gold序列是m序列的復(fù)合碼。它由兩個(gè)碼長(zhǎng)相等、碼時(shí)鐘速率相同的m序列優(yōu)選對(duì)模2和構(gòu)成，由此產(chǎn)生的序列碼數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于m序列。在使用電力線載波技術(shù)進(jìn)行抄表的系統(tǒng)中，PL3201是眾多智能電表中的一個(gè)亮點(diǎn)，該芯片集成了CDMA電力線載波擴(kuò)頻通信內(nèi)核，恰當(dāng)?shù)剡m應(yīng)了抄表系統(tǒng)碼分多址的特性。通過(guò)設(shè)置PL3201的內(nèi)部通信寄存器，可以選擇擴(kuò)頻使用的碼地址。這樣做的好處是，在規(guī)劃集抄網(wǎng)絡(luò)時(shí)，同一片臺(tái)區(qū)的集中器和終端可以采用同一擴(kuò)頻碼址，而相鄰臺(tái)區(qū)采用另一擴(kuò)頻碼址。設(shè)置了不同擴(kuò)頻碼址的設(shè)備之間的通信完全透明，彼此只相當(dāng)于噪聲干擾，因此只要在安裝規(guī)劃時(shí)統(tǒng)一設(shè)置不同的擴(kuò)頻碼，不同臺(tái)區(qū)之間就可以同時(shí)進(jìn)行各自的抄收通信而無(wú)沖突影響。在進(jìn)行載波通信時(shí)，必須將通信雙方的偽隨機(jī)碼序列、速率、地址設(shè)置成一致，才能正常通信。
1．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　該系統(tǒng)為典型的單片機(jī)系統(tǒng)，SoC產(chǎn)品PL3201為其提供了各種內(nèi)嵌的功能模塊，其中載波通信模塊使用的擴(kuò)頻單元為QDPSK直序擴(kuò)頻，載波中心頻率為120kHz,使用63位擴(kuò)頻碼，數(shù)據(jù)速率1kbps。其載波通信電路如圖1所示。

　　(1)圖1中，SIGIN為PL3201載波接收端，SIGOUT為PL3201載波發(fā)送端，L-220V、N-220V為電力線。載波信號(hào)發(fā)射端由PL3201內(nèi)部調(diào)制擴(kuò)頻電路完成，載波發(fā)送端波形大致為0～5V方波，并包含有豐富的諧波信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和濾波整形電路后，耦合到電力線上。
　　(2)陶瓷濾波器為通頻帶，在中頻480kHz附近，載波信號(hào)接收端經(jīng)過(guò)信號(hào)衰減，諧振電路完成對(duì)有用信號(hào)的帶通濾波。進(jìn)入到SIGIN端為120kHz、幅值為0.7V左右的有用信號(hào)，接收信號(hào)進(jìn)入芯片后進(jìn)行混頻處理。芯片內(nèi)部將接收到的120kHz有用信號(hào)與600kHz的內(nèi)部本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到480kHz的中頻帶寬的差頻信號(hào)?；祛l信號(hào)經(jīng)過(guò)陶瓷濾波器濾波后再進(jìn)入芯片進(jìn)行內(nèi)部解擴(kuò)和有效數(shù)據(jù)的還原。
1．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件中載波分為兩個(gè)部分，載波接收部分和載波發(fā)射部分。其流程圖如圖2所示。

　　載波通信時(shí)，CPU使用外部中斷2，可以使用查詢(xún)和中斷兩種方式，其內(nèi)部有專(zhuān)用的載波寄存器。載波通信采用幀同步方式，與常見(jiàn)的異步通信方式操作基本相同，使軟件處理復(fù)雜度大大降低。
　　載波通信發(fā)送過(guò)程：載波單元在每次置為發(fā)送狀態(tài)后，硬件會(huì)自動(dòng)首先發(fā)送40個(gè)偽碼周期的全“1”序列，用于使接收端與發(fā)送端偽隨機(jī)碼同步，通過(guò)配置載波發(fā)送前導(dǎo)序列寄存器的值來(lái)改變發(fā)送全“1”序列的個(gè)數(shù)。將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織完成后，按字節(jié)方式寫(xiě)入SSC_BUF寄存器后，載波單元自動(dòng)發(fā)送該字節(jié)，當(dāng)判斷到載波通信狀態(tài)寄存器的收發(fā)狀態(tài)指示位為“1”時(shí)（上1字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完后產(chǎn)生的指示標(biāo)志），可以發(fā)送下1字節(jié)數(shù)據(jù)，直到全部數(shù)據(jù)發(fā)送完成。
　　載波通信接收過(guò)程：載波通信單元置為接收態(tài)后，硬件會(huì)在每次偽隨機(jī)碼同步后，開(kāi)始從數(shù)據(jù)流中搜尋幀頭序列，當(dāng)檢出幀頭序列后，才真正開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。通過(guò)置幀頭標(biāo)志（FHF）與數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好標(biāo)志（DRT）相配合，完成數(shù)據(jù)的接收和識(shí)別。在進(jìn)行載波通信時(shí)，必須將通信雙方的偽隨機(jī)碼序列、速率、地址設(shè)置成一致，才能正常通信。實(shí)際應(yīng)用中將使載波通信具有較高的保密性，同時(shí)可以徹底解決多臺(tái)區(qū)間的通信串?dāng)_。
2 運(yùn)行結(jié)果及分析
　　2004年8月由某第三方公司在北京某大型住宅區(qū)將本電能表抄表模塊評(píng)估板與其他三家國(guó)內(nèi)載波抄表通信產(chǎn)品一起做了一次通信性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所選擇的電網(wǎng)區(qū)域用戶(hù)密集（同一配變下共計(jì)1 500多戶(hù)），電網(wǎng)分叉復(fù)雜，供電覆蓋范圍大（共計(jì)23棟100多個(gè)單元），是典型的惡劣通信信道環(huán)境。圖3是在該小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)采集的電力線上傳輸信號(hào)的波形，注意兩處高聳的部分是家用電器及其開(kāi)關(guān)電源引起的周期性噪聲，中間平坦的波形是通信信號(hào)。該模塊在這樣的干擾情況下仍然可以穩(wěn)定正常地傳輸數(shù)據(jù)。

　　其現(xiàn)場(chǎng)部分樓體示意圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中將四家產(chǎn)品的評(píng)估板統(tǒng)一設(shè)置為接收狀態(tài)并置于圖示中①號(hào)樓位置，而將設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)的各評(píng)估板放到其他位置逐一測(cè)試。如果位置①的相應(yīng)接收設(shè)備正確接收到數(shù)據(jù)包則顯示成功信息。在位置②，由于距離較近，所有通信產(chǎn)品均順利通過(guò)。在位置③，PL3201評(píng)估板首先順利通過(guò)，而其他三家通信產(chǎn)品接收成功率最高為50%。接下來(lái)PL3201 還繼續(xù)在④號(hào)位置、⑤號(hào)位置相繼通過(guò)了測(cè)試，顯示出絕對(duì)的性能優(yōu)勢(shì)。后經(jīng)過(guò)單獨(dú)誤碼及誤包率測(cè)試，不同位置PL3201 的通信情況如表1所示。通過(guò)PL系列芯片的自身通信對(duì)比試驗(yàn)，由于PL3201 采用了全新的數(shù)字信號(hào)處理及CDMA技術(shù)，因而在低信噪比情況下的誤包率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前幾代產(chǎn)品，表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗干擾能力。

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