电气工程及其自动化专业毕业论文.doc

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 Hardware Design of Power 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 line communication PLC had been proposed in this paper It had network structure of three layers i e the computer administrative system concentrator and carrier meter And the functions and characteristics of the whole system together with its every component had been analyzed Because high attenuation high noise and high distortion exist in the low voltage power lines of our country special communication technology must be adopted First of all the transmission characteristic when high frequency signal was transmitted through power lines was analyzed Secondly the application of spread spectrum communication technology to carrier communication of the power line was emphatically discussed Thirdly the interior principle of the special MODEM IC SSC P300 adopting Spread spectrum modem communication technology was deeply studied Based on this SSC P300 was selected to the reliable data transmission between the concentrator of the long distance meter reading system and the terminal signal carrier ammeter Being the heart of the automatic meter reading system 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 external expanded RAM clock module watchdog module the computer communication interface circuit and the PLC communication circuit together with its peripheral circuits KEYWORDS carrier power line spread spectrum communication technology concentrator meter reading system 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 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 8 4 2 2 常用的低压电力线载波通信技术 13 5 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 4 6 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 8 11 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 11 12 4 2 2 主控器的选型 11 12 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 4 4 2 时钟模块的选择 15 18 4 4 3 时钟模块与单片机的连接 14 19 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 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 400V 以下 电力线载波通信 在技术上高压载波通信主要为业内业务通信 由于 网络专一性 其简单的数据通信在国内外基本成熟 进入千家万户的民用电力网才是 最大的通信物理网络 但在该网络上实现通信一直是全世界科技工作者的研究课题 由于低压电力线上实现通信又很多技术难点 如网络不规范 节点多 隔离多 随机 干扰等 也可以说民用电力网对通信而言是一个不确定 无规则 网络特性呈拓扑特 性的非标准通信网 是通信网络的一大挑战课题 本文研究的对象正是低压电力线通 信 1 2 低压电力线通信的特点 总的说来 低压电力线信道的特点主要包括下面几个方面的内容 1 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 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 开始试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 并通过了试验室功能测试 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 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 载波芯片 接口电路 处理器 处理器 接口电路 载波芯片 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 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析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 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 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 网络载波侦听 功能 这些限制了它的应用 它通讯距离不是很理想 需要作中继器时 通讯速度太慢 2 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 Chirp 方式 调制解调技术 现代 DSP 技术 CSMA 技术以及标准的 CEBUS 协议 可以称为智能 MODEM 芯片 体现了 Modem 芯片的发展趋势 SSC P300 提供了数据链接层的控制逻辑 符合 EIA 600 标准的通道访问及通信服务提供与 SPI 兼容的主处理器接口 另外 P300 应用时 需要接到电力线上所需的外部电路是 非常少 SCSP300 与主处理器一起构造的与 CE Bus 兼容的产品 在各种低廉的电力线 网络应用中 充当着基本的通讯单元 SSCP30O 的特性如下 a 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 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 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 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 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 PSTN 进行传输 来实现两地之间的数据通信功能 P C M O D E M RS 232 TTL 转换 电 话 网 接 口 单 片 机 电 话 线 接 口 M O D E M 图 3 2 集中器与上位机的通信框图 7 发送端从 PC 的 RS 232 口出来 经 RS 232 TTL 电平转换芯片将 RS 232 电平转 换成 TTL 电平送到调制解调器 调制解调器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 对方的调制解调器将音频信号解调成数据 再送到对方的单 片机中 进行数据处理 反之亦然 7 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 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 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 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 对于各种各样的项目而言 51系列单片机是一种较好的 选择 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 10 32KB Flash EPROM 11 256 字节片内暂存 RAM 12 片内 1KB 外部数据存储器 用 MOVX 指令访问 13 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 限PLCC QFP封装 是和 P1 P3相同的通用I O口 P4 0有CP RL2 的复用功能是等待 状态中的控制信号 当等待状态控制信号使能后 P4 0是输入口 2 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 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 即看门狗定时器溢出并使系统复位以及看门狗定时器仅溢出 而不 会引发系统复位 看门狗定时器主要用作一个系统监控器 在实时控制的应用中尤为重要 如果出 现电源脉冲干扰或电磁干扰 处理器将会运行不确定的代码 如果不及时检查 整个 系统可能会崩溃 用户可以在软件中使用看门狗定时器来防止程序运行的错误 用户 在软件中适当的地方安排看门狗定时器复位程序 每当运行到看门狗定时器复位程序 时就将看门狗定时器复位防止看门狗定时器复位的产生 如果系统受到干扰 程序运 行发生异常 系统就可能不会运行看门狗定时器的复位代码 此时系统就会被看门狗 定时器复位 对于不同的时钟速率 看门狗定时器将会产生不同的溢出时间 当使能 看门狗定时器复位后 这个复位会在其溢出并经过512个时钟周期后结束 4 3 数据存储器的扩展 W77E58 片内数据存储器为 1KB 的 SRAM 集中器要管理电表 对其进行数据集 处理 存储 仅片内 1KB 数据存储器是不够的 需要扩展外部数据存储器 SRAM 的 典型芯片有 2KB 的 6116 8KB 的 6264 以及 32KB 的 62256 其中 6264 芯片应用最为 广泛 4 3 1 数据存储器 RAM 的选择 本文采用 6264 作为扩展的数据存储器 6264 是 28 脚双列直插式 8KB 8 位静态 随机读取 RAM 它具有容量大 功耗低 价格便宜 集成度高 速度快 设计和使用 方便等特点 在系统中加入掉电保护电路 保护数据有很高的可靠性 可以和 EEPROM 相媲美 6264 的技术特性 a 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 A0 A12 为 13 根地址线 D0 D7 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 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 8 KB 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 A0 A13 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 DC 5V 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 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 VCC 5V 电源供电 此时 VCC 5V 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 2V 2 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