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)場抄表方式改為自動遠(yuǎn)程抄表方式。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，需要配備自動遠(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換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遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的一個重要環(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在采集器的存儲單元內(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，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個采集通道，可滿足住宅小區(qū)一個單元用戶的需要。在設(shè)計(jì)這部分電路時，為了增加載波抄表采集器對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，并為外部輸入脈沖信號提供獨(dú)立的電源供電。采集到的脈沖信號經(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)對這些信號做出相應(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。由于放大后的信號波形含諧波，為減少對電網(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、從而延長通信距離。在接收電路中，收到的強(qiáng)發(fā)射信號經(jīng)過有效吸收衰減后，由LC并聯(lián)諧振回路對信號進(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)顯示與存儲單元
數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計(jì)用ZLG7289B芯片直接驅(qū)動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)存儲單元選用鐵電非易失性數(shù)據(jù)存儲器FM24C16A，存取數(shù)據(jù)速度快，保存數(shù)據(jù)時間長。
軟件設(shè)計(jì)
本載波抄表采集器軟件采用51匯編語言編寫，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21個采集通道(對應(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有效的脈沖，然后對采集的脈沖做累加，并把結(jié)果存到PL3105的內(nèi)存RAM里。對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，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器FM24C16A相應(yīng)的單元內(nèi)。當(dāng)載波抄表采集器斷電時，由掉電處理子程序把不足1度電的脈沖數(shù)存到鐵電存儲器FM24C16A中。這種處理方法既能保證對每個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器FM24C16A的次數(shù)，延長該器件的使用壽命。
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。接收時首先采用16 bits 接收窗口、1bit 滑動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、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，載波通信控制單元發(fā)送完1bit 的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)后，自動產(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必須及時向PLM_RST寄存器寫入“A2H”，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，避免自動提前進(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，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，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、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)時循環(huán)顯示每個通道對應(yīng)電能表的示數(shù)，兩個周期間隔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，每次僅顯示一個通道電能表的示數(shù)，延時5秒鐘后，在顯示子程序中顯示下一個通道的內(nèi)容，對于沒有連接電能表的通道，在程序中判斷表號為0后，跳越過去顯示下一個通道。如果采集器沒有連接任何電能表，即所有通道的表號均為0，就顯示“——”符號，不再循環(huán)。
本采集器為查詢數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一個按鍵，在查詢數(shù)據(jù)子程序中，首先判斷是否有按鍵按下，經(jīng)去抖動處理后，確定有按鍵按下時，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，顯示一個通道的內(nèi)容，依次為表號、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，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
在自動遠(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，具有良好的性價比，而且SoC 芯片可通過ISP方式編程，產(chǎn)品升級與功能擴(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)。