电力载波通信抄表集中器硬件设计.docx

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电力载波通信抄表集中器硬件设计

东北农业大学毕业说明书

电力载波通信抄表集中器硬件设计

入学年级：

2012年秋

学生姓名：

孟建鑫

学号：

122033002011006

所学专业：

电气化及其自动化

东北农业大学

中国哈尔滨

2014年

摘要………………………………………………………………………………………………………2

1电力载波通信技术----------------------------------------------------------------2

1.1电力线载波通信中信号传输特征分析--------------------------------------------2

1.2常用低压电力线载波通信技术--------------------------------------------------2

1.3扩频通信技术----------------------------------------------------------------2

1.3.1扩频通信的工作原理-------------------------------------------------------2

1.3.2扩频通信的特点-----------------------------------------------------------2

1.4电力线载波通信的实现--------------------------------------------------------2

1.4.1国外的电力线载波专用mode芯片-------------------------------------------3

2电力载波抄表系统整体设计-------------------------------------------------------3

2.1自动抄表系统的组成---------------------------------------------------------3

3电力载波抄表集中器的硬件设计---------------------------------------------------4

3.1电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计-------------------------------------4

3.1.1集中器的功能及技术指标--------------------------------------------------4

3.1.2集中器的结构框图--------------------------------------------------------4

3.2集中器主控器的设计-----------------------------------------------------------5

3.2.1主控器的作用------------------------------------------------------------5

3.2.2主控器的选型------------------------------------------------------------5

3.2.3单片机w77e58的简单介绍-------------------------------------------------5

3.3数椐存储器的扩展-------------------------------------------------------------5

3.3.1数据存储器ram的选择----------------------------------------------------6

3.3.2硬件电路设计------------------------------------------------------------6

3.3.3存储器的掉电保护--------------------------------------------------------6

3.4时钟模块---------------------------------------------------------------------7

3.4.1设计思想----------------------------------------------------------------7

3.4.2时钟模块的选择---------------------------------------------------------7

3.4.3时钟模块与单片机的链接--------------------------------------------------8

3.5电力线载波通信电路的设计-----------------------------------------------------8

3.5.1载波通信芯片sscp300的发送与接收原理------------------------------------8

3.5.2单片机与sscp300通信的控制工作过程--------------------------------------9

3.6主控器与mode通信接口--------------------------------------------------------10

3.6.1mode的简介--------------------------------------------------------------10

3.6.2主控器与modem通信接口电路-----------------------------------------------10

3.7电源电路---------------------------------------------------------------------11

4结语---------------------------------------------------------------------------12

5参考文献-----------------------------------------------------------------------12

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，这篇论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。

1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。

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。

1.1电力线载波通信中信号传输特性分析

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。

1.2常用的低压电力线载波通信技术

（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。

（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。

（3）扩频通信方式。

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。

1.3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。

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。

1.3.1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。

1.3.2扩频通信的特点

（1）抗干扰能力强

（2）具有选址能力

（3）抗多径干扰能力强

1.4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。

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。

1.4.1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。

（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。

（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

2电力载波抄表系统总体设计

2.1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，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

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。

（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，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。

（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。

3电力载波抄表集中器的硬件设计

3.1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，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。

3.1.1集中器的功能及技术指标

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

（2）设置功能（3）通信功能（4）数据处理（5）校时功能

3.1.2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。

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

3.2集中器主控器的设计

3.2.1主控器的作用

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.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。

3.2.2主控器的选型

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。

W77E58内含32KBFlashEPROM，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，FlashEPROM

（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：

DIP40:

W77E58-40，PLCC44：

W77E58P-40，QFP44：

W77E58F-40

3.3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。

3.3.1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。

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4-26264电路原理图逻辑符号[1]

3.3.2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，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。

3.3.3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。

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。

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。

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。

3.4时钟模块

3.4.1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还有利于上位机对时钟进行精确校时。

3.4.2时钟模块的选择

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4-5DS12887的管脚图IRQ：

中断请求输出。

3.4.3时钟模块与单片机的连接

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。

[16]DS12887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。

3.5电力线载波通信电路设计

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，该模块与配变集中器的设计通信距离为1000米。

在信道特性最恶劣的情况下，也要保证不小于600米。

低压电力线载波通信的原理结构框图如图4-7所示。

图4-7低压电力线载波通信的原理结构框图

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）。

而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展，从而提高信噪比。

最后对检出的信号进行解调及相关处理，恢复原始信息。

3.5.1载波通信芯片SSCP300的发送与接收原理

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。

下图为电力线载波通信模块

图4-9SSC300和SSCP111构成的电力线载波通信模块

电力线载波通信模块是由SSCP300和SSCP111构成的,且由主处理器W77E58控制核心控制的。

SSCP111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。

SSCP300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）。

3.5.2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。

首先解析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SSCP300的交互来完成的。

关于数据结构的详细信息和令协议的详细信息,请参见SSCP300的资料。

图4-11SSCP300和单片机的通信[5]

3.5.3RS-232/RS485接口标准

MODEM的通信接口采用的是RS-232标准。

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。

芯片的外围电路也很简单，只需4个电容就可正常工作。

其通信接口电路如下图：

图4-12单片机与计算机的通信[7]

MAX-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