電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)論文--電力載波通信抄表集中器硬件設計

1、<p>　　專 科 實 習 報 告</p><p>　　題 目 電力載波通信抄表集中器硬件設計</p><p>　　學生姓名 朱丹峰 批 次 </p><p>　　專 業(yè) 電氣化工程學 學 號 </p><p>　　學習中心

2、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1電力線載波通信的意義及發(fā)展狀況1</p><p>　　1.2低壓電力線通信的特點1</p><p>

3、;　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和動態(tài)2</p><p>　　1.4設計電力載波抄表集中器的目的和意義2</p><p>　　2 電力線載波通信技術3</p><p>　　2.1電力線載波通信中信號傳輸特性分析3</p><p>　　2.2常用的低壓電力線載波通信技術4</p><p>　　2.3擴頻通信技術4&

4、lt;/p><p>　　2.3.1擴頻通信的工作原理5</p><p>　　2.3.2擴頻通信的特點[4]5</p><p>　　2.4電力線載波通信的實現(xiàn)5</p><p>　　2.4.1國外的電力線載波專用Modem芯片5</p><p>　　3 電力載波抄表系統(tǒng)總體設計7</p><p&

5、gt;　　3.1自動抄表系統(tǒng)的組成7</p><p>　　4 電力線載波抄表系統(tǒng)集中器軟件的設計8</p><p>　　4.1通信協(xié)議的制定8</p><p>　　4.2集中器軟件設計9</p><p>　　4.2.1主程序設計9</p><p>　　4.2.2 集中器向上位機的數(shù)據(jù)傳輸10</p&g

6、t;<p>　　4.2.3單片機與擴頻芯片SSCP300的數(shù)據(jù)傳輸12</p><p><b>　　結 論14</b></p><p><b>　　致 謝15</b></p><p>　　參 考 文 獻16</p><p><b>　　緒 論</b>

7、;</p><p>　　1.1電力線載波通信的意義及發(fā)展狀況</p><p>　　當今世界，作為輸送能源的電力線是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網(wǎng)絡。而電力線現(xiàn)在的功能僅僅是傳送電能，如何利用網(wǎng)絡資源潛力，在不影響傳輸電能的基礎上實現(xiàn)窄帶通信或寬帶通信，使之成為繼電信、電話、無線通信和衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來國內(nèi)外科技人員的又一目標。要使電力網(wǎng)成為一個新的通信網(wǎng)，技術手段只有

8、載波通信。電力線載波通信就是以電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。因為電源線路是每個家庭最為普通也是覆蓋最為寬廣的一種物理媒介，其覆蓋面超過有線電視網(wǎng)絡甚至電話線路，同時由于利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字通信，可以大大減少通信網(wǎng)建設的費用，因而利用電源線路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的技術有著可觀的經(jīng)濟效益和應用前景。</p><p>　　電力線載波通信又分為35KV以上的高壓載波通信、10KV配電網(wǎng)的載波通信和民用（400V以下

9、）電力線載波通信。在技術上高壓載波通信主要為業(yè)內(nèi)業(yè)務通信，由于網(wǎng)絡專一性，其簡單的數(shù)據(jù)通信在國內(nèi)外基本成熟，進入千家萬戶的民用電力網(wǎng)才是最大的通信物理網(wǎng)絡。但在該網(wǎng)絡上實現(xiàn)通信一直是全世界科技工作者的研究課題。由于低壓電力線上實現(xiàn)通信又很多技術難點，如網(wǎng)絡不規(guī)范、節(jié)點多、隔離多、隨機干擾等。也可以說民用電力網(wǎng)對通信而言是一個不確定、無規(guī)則、網(wǎng)絡特性呈拓撲特性的非標準通信網(wǎng)，是通信網(wǎng)絡的一大挑戰(zhàn)課題。本文研究的對象正是低壓電力線通信。&l

10、t;/p><p>　　1.2低壓電力線通信的特點</p><p>　　總的說來，低壓電力線信道的特點主要包括下面幾個方面的內(nèi)容：</p><p>　　(1) 噪聲和干擾大</p><p>　　低壓電力線網(wǎng)絡中，各式各樣的家用電器和辦公設備產(chǎn)生的噪聲和干擾嚴重污染著電力線通信環(huán)境。己有的研究結果表明，噪聲的大量存在是實現(xiàn)數(shù)據(jù)在低壓電力線上優(yōu)質傳輸?shù)?/p>

11、主要障礙之一?，F(xiàn)在把各種噪聲干擾主要來源歸納為4個方面：</p><p>　　(a) 可控硅器件和一些電源電路產(chǎn)生的60Hz的倍頻諧波(注:美國電力線頻率為60Hz)； </p><p>　　(b) 平滑頻譜噪聲，其頻譜平坦，可以看作有限帶寬的白噪聲，家電中的小電機是產(chǎn)生這類噪音的根源；</p><p>　　(c) 單脈沖干擾，通常由開關切換、閃電、溫度調節(jié)器或電容

12、充放電引起；</p><p>　　(d) 非同步周期噪聲，如電視的行掃描頻率對電網(wǎng)的干擾。</p><p><b>　　(2) 信號衰減大</b></p><p>　　信號在電力線上傳輸過程中的衰減是低壓載波通信遇到的另一難點。同時，由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，負荷情況復雜，各節(jié)點阻抗不匹配，所以信號會產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號的衰減變得極

13、其復雜。信號的衰減隨著傳輸距離的增加而增加，同時，信號的衰減與頻率、工頻電源的相位有關，一般來說，隨著頻率的增加，信號的衰減也將增加，而在某些特殊的頻段，由于反射、諧振及傳輸線效應等的影響，衰減會出現(xiàn)突然劇增。在100-- 400kHz頻帶內(nèi)，信號的平均衰減為40dB，標準偏差為20dB。</p><p>　　(3) 隨機性和時變性</p><p>　　低壓電力線直接面向用戶的特點導致其干

14、擾具有隨機性和時變性，這是低壓載波通信面臨的又一挑戰(zhàn)。由于用戶負荷的隨機接入和切除，網(wǎng)絡結構的變化以及不可抗拒的自然因素，如雷電等的影響，使得其干擾表現(xiàn)出很強的隨機性和時變性，從而難以找到一個準確的數(shù)學模型來加以描述。</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和動態(tài)</p><p>　　在國外，自動抄表系統(tǒng)的技術發(fā)展比較早，歐美等國在上個世紀七、八十年代就開始試驗探索自動抄表技術，70年代

15、美國引進歐洲音頻電力負荷控制系統(tǒng)的基礎上開發(fā)研制了負荷監(jiān)控及抄表系統(tǒng)，80年代，以色列研制成功低壓電力線載波集中抄表技術，九十年代初自動抄表技術逐漸成熟，在世界各地得到了迅猛的發(fā)展。近年來，美國、以色列、德國和英國的科技人員一直從事這方面的技術研究與開發(fā)。90年代初，自動抄表技術被引進到中國，早期的AMR系統(tǒng)主要用于大電網(wǎng)的電能量考核結算。中國電力科學研究院自1997年開始研究電力線載波通信PLC(Power Line Carrier)

16、技術，主要考慮PLC技術用于低壓抄表系統(tǒng)，1998年開發(fā)出樣機，并通過了試驗室功能測試，1999年在現(xiàn)場進行試運行，獲得了產(chǎn)品登記許可。1999年5月開始進行PLC系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。主要對我國低壓配電網(wǎng)絡的傳輸特性進行了測試，并對測試結果進行了數(shù)據(jù)處理和分析，基本取得了我國低壓配電網(wǎng)傳輸特性和參數(shù)，為進行深入研究和系統(tǒng)開發(fā)提供依據(jù)。采用低壓電力線載波則具有它的先天優(yōu)勢，只要解決相關的技術性問題，它的成本將是最低的。它的研究成功不僅可以

17、替代人工日常抄表</p><p>　　目前，國內(nèi)雖然出現(xiàn)了一些自動抄表系統(tǒng)，但是安裝量并不大，而且技術并不成熟，成功率低，所以自動抄表系統(tǒng)的研究還是有較大的發(fā)展空間。本課題就是在這種情況下，將現(xiàn)場總線技術、低壓電力線載波通訊技術和電話通訊技術結合起來，以實現(xiàn)遠程集中式抄表系統(tǒng)的自動化和智能化。</p><p>　　1.4設計電力載波抄表集中器的目的和意義</p><p&

18、gt;　　自動抄表系統(tǒng)是指采用通訊和計算機網(wǎng)絡等技術自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)的一項新技術。發(fā)展自動抄表技術是提高物業(yè)管理水平的需要，也是網(wǎng)絡和計算機技術迅速發(fā)展的必然需要。采用自動抄表技術，不僅能節(jié)約人力資源，而且可提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫而造成賬單出錯，使相關管理部門能及時準確獲得數(shù)據(jù)信息，由于用戶不再需要與抄表者預約上門抄表時間，還能迅速查詢賬單，故這種技術越來越受到用戶的歡迎。隨著電價的改革，供電部門為迅速出賬，需要從用戶

19、處盡快獲取更多的數(shù)據(jù)信息，如電能需量、分時電量和負荷曲線等，自動抄表為實現(xiàn)上述需求提供了切實可行的技術手段。</p><p>　　近10年來，美國、英國、德國、以色列、中國等國的科技人員一直從事這方面的技術研究與開發(fā)。到目前為止，國內(nèi)外己有一些企業(yè)開發(fā)出了用于電力線載波通信的產(chǎn)品:如開發(fā)的電力線載波抄表系統(tǒng)在技術上取得了可喜的進步和成功，但尚未能符合用戶使用要求，由于專用芯片的原因，抄表系統(tǒng)的抄到率最高僅能達到9

20、0%左右。盡管如此，目前我國在該方面的技術屬先進行列。實踐證明用進口通用通信芯片不可能實現(xiàn)我國民用電力網(wǎng)的可靠載波通信。但是隨著市場需求和技術的發(fā)展，將來的民用電力線載波通信必將成為一個很大的通信網(wǎng)。</p><p>　　2 電力線載波通信技術</p><p>　　2.1電力線載波通信中信號傳輸特性分析</p><p>　　由于電力線并不是專為傳輸信號而設計的，所以

21、有必要分析高頻信號在電力線中的傳輸特性。影響電力線載波傳輸質量的主要因素有:電力網(wǎng)絡的阻抗特性、衰減特性及噪聲的干擾。前兩者制約信號的傳輸距離，后者決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量。</p><p>　　(1) 低壓電力線上輸入阻抗及其變化</p><p>　　輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)，研究輸入阻抗對于提高發(fā)送機的效率，增加網(wǎng)絡的輸入功率有重大意義。理論和實驗表明低壓電力線上的輸入阻抗

22、不僅與傳輸信號的頻率有關系，而且與低壓電力線上所連接的負載有關系。在理想情況下，當沒有負載時，電力線相當于一根均勻分布的傳輸線。由于分布電感和分布電容的影響，輸入阻抗會隨著頻率的增大而減小。當電力線上有負載時，所有頻率的輸入阻抗都會減小。但是，由于負載類型的不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實際情況非常復雜，甚至使輸入阻抗的變化不可預測。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，使發(fā)送機功率放大器的輸出阻抗和接收機的輸入阻抗難以與之保持匹配

23、，因而給電路設計帶來很大的困難。</p><p>　　(2) 低壓電力上高頻信號的衰減及其變化</p><p>　　高頻信號在低壓電力線上的衰減是低壓電力線載波通信遇到的又一個實際困難。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質的負載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開。因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。顯然，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關系?？?/p>

24、的來說，信號傳輸?shù)木嚯x越遠，信號衰減就越厲害。但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、駐波等復雜現(xiàn)象。這些復雜現(xiàn)象的組合，使信號的衰減隨距離的變化關系變得非常復雜，有可能出現(xiàn)近距離點的衰減比遠距離點還大的現(xiàn)象。對于民用電網(wǎng)，其三相電源所接的負載大小和性質都不相同，所以同樣強度的信號在三相電線上的衰減也不同。這種現(xiàn)象有時就表現(xiàn)為雖然接收端和發(fā)送端的位置不變，但接在不同的相上，通信的誤碼率不

25、同。</p><p>　　(3) 低壓電力線傳輸干擾特性分析</p><p>　　在低壓電力線上進行數(shù)據(jù)通信時的另一個需要認真研究的重要問題是電力線上干擾的特殊性質。電力線上的干擾可分為:非人為干擾和人為干擾。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設備產(chǎn)生的，并對數(shù)據(jù)通信有嚴重的影響。干擾可分為周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時不變

26、的連續(xù)干擾和隨機產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。通常情況下，前兩類干擾更為突出。</p><p>　　通過以上討論可以看到，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復雜，而且隨機性、時變性大，難以找到一個較為準確的解析式或數(shù)學模型加以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號傳輸特性的分析多以定性分析和實驗數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。即使有些學者提出了一些模型，但是這些模型也往往是附加了許多假設和限制，因而也是不精確的或適用面

27、很窄。這種精確數(shù)學模型的缺乏，對低壓電力線載波通信設備的設計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應能力。但同時，出于實用的角度，為了獲得合理的性價比，又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi)。這些對系統(tǒng)的設計而言是一個很大的挑戰(zhàn)。盡管低壓電力線載波通信存在上述所說的這些困難，用低壓電力線作為通信信道仍然是可行的，只是需要采用一些特殊的技術手段。</p><p>　　2.2常用的低壓電力線載波通信技術</p>

28、<p>　　(1) 窄帶通信方式</p><p>　　窄帶通信方式價格低廉并且較易實現(xiàn)，所以在以往的應用中比較常用。但窄帶技術的缺點是抗干擾能力較差，盡管窄帶通信中的接收器具有較窄的通帶，使得僅有一小部分噪聲能進入接收器，但由于此類接收裝置中的濾波器具有高品質因數(shù)，瞬間的脈沖噪聲會使其發(fā)生自干擾，引起它對傳輸來的信號產(chǎn)生誤操作;而使用低品質因數(shù)的濾波器又會使通帶帶寬加大，令更多的噪聲進入接收器，所以

29、窄帶通信對脈沖噪聲的抵抗性較差。</p><p>　　(2) 多載波調制方式</p><p>　　多載波調制是一種多載頻并傳體制，其基本原理是將輸入信息轉換成多路并行信號，對相互完全正交的一組載波進行調制。因此，多載波調制方式技術的實質是將時分多路的數(shù)據(jù)傳輸轉化成為頻分多路的數(shù)據(jù)傳輸。由于各載波之間的正交性，完全消除了彼此之間的串擾，同時利用相同的正交載波組在接收端恢復原始信號。</

30、p><p>　　(3) 擴頻通信方式</p><p>　　實用擴頻技術在50年代中發(fā)展起來，起初擴頻技術只用于軍用通信、制導等軍事領域，由于它具有許多特點，使得其理論和實踐發(fā)展迅速。擴頻通信技術在90年代才開始應用到民用上，目前己經(jīng)在低壓電力線通信上得到廣泛應用，并已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，成為電力線載波通信的熱點。擴頻通信方式是一種簡便、易實現(xiàn)、價格低廉的方式。本文的低壓電力線載波通信方式采用的

31、就是擴頻通信技術。</p><p><b>　　2.3擴頻通信技術</b></p><p>　　擴頻通信是目前應用廣泛的通信技術，它相對于窄帶通信系統(tǒng)來說有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在擴頻通信具有優(yōu)越的抗干擾性能，它能夠很好的克服電力線上的噪聲和干擾，擴頻通信用偽隨機碼把基帶信號(信息數(shù)據(jù)窄帶信號)的頻譜進行擴展，形成相當帶寬的低功率譜密度信號發(fā)射。接收端使用相關處理方法，

32、把要接收的寬帶擴頻信號恢復成基帶信號。這些特征使擴頻通信信號不易受干擾，也不容易干擾他人。擴頻信號具有較寬的頻譜，因而分散了噪聲功率，使干擾程度減小，提高了通信的可靠性。</p><p>　　2.3.1擴頻通信的工作原理</p><p>　　在發(fā)送端輸入的信息先經(jīng)信息調制形成數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調制到射頻發(fā)送出去。在接收

33、端收到的寬帶射頻信號，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的擴頻碼序列去相關解擴。再經(jīng)信息解調，恢復成原始信息輸出。</p><p>　　2.3.2擴頻通信的特點</p><p>　　擴頻通信是一種新型的通信體制，是通信領域中一個重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的通信方式相比較，它具有如下的特點:</p><p>　　(1) 抗干擾能力強</p><p

34、>　　擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力是其它所有通信方式無法比擬的。特別是在干擾的環(huán)境下，采用擴頻通信技術是提高通信設備抗干擾能力最有效的措施。因此，抗干擾能力將是擴頻通信的最基本特點。</p><p>　　(2) 具有選址能力</p><p>　　由于采用編碼信號形式，對一個或一組接收機分配規(guī)定的碼組作為地址，而對其它的接收機分配不同的碼組。這樣，用不同的編碼序列去調制發(fā)射機，就能實現(xiàn)選擇地址

35、的目的。</p><p>　　(3) 抗多徑干擾能力強</p><p>　　擴展頻譜信號占據(jù)的頻帶很高，當由于某種原因引起衰落時，只會使小部分頻譜衰落，而不會使整個信號產(chǎn)生嚴重畸變。故具有抗頻率選擇性衰落的能力。此外，在存在多徑干擾的場合，由于偽隨機碼尖銳的相關特性使多徑射束完全獨立。只有當多徑時延小于碼元寬度時，才發(fā)生輕度衰落。而當碼元很窄，偽隨機碼長度很長時，多徑反射信號不會同時到達接

36、收點。擴頻系統(tǒng)將多徑反射信號作為干擾噪聲處理。故具有很強的抗多徑干擾能力。此外，擴頻通信還具有信號功率譜密度低，有利于信號隱蔽，實現(xiàn)多擴頻系統(tǒng)具有一系列其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，有效地解決了強干擾環(huán)境中的通信問題。</p><p>　　2.4電力線載波通信的實現(xiàn)</p><p>　　目前，低壓電力線載波通信已經(jīng)朝著使用擴頻通信技術的方向發(fā)展。采用擴頻通信技術，能在很大程度上克服電力線上強衰減

37、、強干擾的缺陷，大大提高通信系統(tǒng)的生存能力。鑒于電力線的惡劣的通道特性，必須采用專用的電力線載波專用MODEM芯片，這也成為電力載波抄表系統(tǒng)的關鍵技術。因此電力線載波通信的關鍵就是選用一種功能強大的電力線載波專用MODEM芯片。</p><p>　　2.4.1國外的電力線載波專用Modem芯片</p><p>　　國外在電力線載波通信技術方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續(xù)推出了自己的電力線載波

38、Modem芯片。下面簡單介紹幾種常見的Modem芯片：</p><p>　　(1) ST7536芯片　　ST7536是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通訊而設計的Modem芯片。由于它是專用Modem芯片，所以除有一般Modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。ST7536也是較早的電力線載波Modem

39、芯片，調制解調技術是較落后的FSK方式，加上三字節(jié)容錯，它最高波特率只能達到400 bps。另外它無CSMA（網(wǎng)絡載波偵聽）功能，這些限制了它的應用。它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢。</p><p>　　(2) SSCP300芯片</p><p>　　SSCP300是INTELLON公司采用現(xiàn)代最新通訊技術設計的電力線載波Modem芯片,利用網(wǎng)絡接口控制器將擴頻通訊收發(fā)

40、器和媒介存取接口高度集成化，是用于低廉的電能抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口控制器，為一個高度集成化的電力線收發(fā)器和信道存取接口。它采用了擴頻（Chirp方式）調制解調技術、現(xiàn)代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBUS協(xié)議，可以稱為智能MODEM芯片，體現(xiàn)了Modem芯片的發(fā)展趨勢。SSC P300提供了數(shù)據(jù)鏈接層的控制邏輯，符合EIA-600標準的通道訪問及通信服務提供與SPI兼容的主處理器接口。另外，P300應用時，需要接到電力線上所需的外部

41、電路是非常少。SCSP300與主處理器一起構造的與CE Bus兼容的產(chǎn)品，在各種低廉的電力線網(wǎng)絡應用中，充當著基本的通訊單元。SSCP30O的特性如下:</p><p>　　(a) 有符合EIA-600標準的物理層收發(fā)器</p><p>　　(b) 具有集成化的DLL處理器，滿足與EIA-600標準兼容的信道存取特征</p><p>　　(c) 提供針對電力線(LP

42、)擴頻載波(SSC)的通訊技術</p><p>　　(d) 具有串行外圍接口(SPI)與主處理器的接口</p><p>　　(e) 可以在低壓下進行操作</p><p>　　(f) 需要最少的外部元件;可進行即插即用</p><p>　　(g) 為20腳的S0IC封裝，大小約為1.3CM X 1.0CM</p><p>

43、;　　(3) PL3105芯片</p><p>　　PL3105芯片是北京福星曉程公司為智能儀表應用設計的產(chǎn)品，它內(nèi)嵌直接序列擴頻單元。其擴頻通信單元是專門針對我國電力網(wǎng)絡惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的。由于采用了直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術，所以在抗干擾、抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能價格比等方面有著更加出眾的表現(xiàn)。</p><p>　　(4) SCll28芯片&l

44、t;/p><p>　　SCll28芯片是面向電力線載波通信市場而開發(fā)研制的專用擴頻調制解調器電路。由于采用了直接序列擴頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術，因此該電路應用在電力線通信方面具有較強的抗干擾及抗衰減性能。SC1128芯片內(nèi)部集成了擴頻/解擴、調制解調、D/A和A/D轉換、內(nèi)置電子表、輸出驅動、輸入信號放大、看門狗、工作電壓檢測以及與單片機(MUC)串口通信等功能。該芯片在小型多功能應用系統(tǒng)中可以起到

45、降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)功能的作用。</p><p>　　3 電力載波抄表系統(tǒng)總體設計</p><p>　　3.1自動抄表系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖3-1是基于電力線調制解調器的自動抄表系統(tǒng)的結構示意圖，系統(tǒng)以供電局的計算機抄表中心為主站，以電力變壓器10KV/380V供電的每個小區(qū)為相對獨立的子系統(tǒng)，在這些子系統(tǒng)中，集中器又相當于主站，電能表以及數(shù)據(jù)采集器為

46、從站。采集器的作用是采集多個用戶的電表數(shù)據(jù)，通過電力Modem的調制解調，并經(jīng)22OV低壓電力網(wǎng)用載波方式送到集中器，集中器再通過公用電話網(wǎng)或專用通信網(wǎng)(如光纖或無線電通信等)把數(shù)據(jù)傳送到供電局的計算機抄表中心。</p><p>　　由系統(tǒng)結構示意圖可知，自動抄表系統(tǒng)是將電表數(shù)據(jù)從下而上逐級傳送完成，也可以根據(jù)實際情況的需要進行數(shù)據(jù)雙向傳輸，該系統(tǒng)可分為五個主要組成部分：</p><p>

47、　　(1) 電能用戶表；</p><p>　　(2) 數(shù)據(jù)采集器；</p><p>　　(3) 電力線Modem；</p><p><b>　　(4) 集中器；</b></p><p>　　(5) 計算機抄表中心。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結構示意圖</p><p&g

48、t;　　抄表系統(tǒng)各組成部分的功能是:</p><p><b>　　(1) 電能用戶表</b></p><p>　　對于電磁式電能表，需在表內(nèi)加裝一只傳感器或光電模塊，將電能表的數(shù)據(jù)轉換成電信號輸出；對于電子式電能表，則可以直接利用表的電脈沖輸出。</p><p><b>　　(2) 數(shù)據(jù)采集器</b></p>

49、<p>　　數(shù)據(jù)采集器實際上是計一費終端和數(shù)據(jù)集中器中間的一個橋梁，它的主要功能在于同時采集多個用戶電能表的電量脈沖信息，并經(jīng)過處理和存儲，通過電力線Modem沿低壓電網(wǎng)送到集中器上。并且當接收到上層的命令時，數(shù)據(jù)采集器能夠向計費終端發(fā)出抄表或者斷電的命令。</p><p>　　(3) 電力線Modem</p><p>　　主要是對采集器送來的數(shù)據(jù)進行調制和解調，增強對低壓電網(wǎng)

50、的抗干擾性和減低信道傳輸?shù)恼`碼率。</p><p><b>　　(4) 數(shù)據(jù)集中器</b></p><p>　　數(shù)據(jù)集中器是安裝在小區(qū)的配電站區(qū)的，它的功能是向采集器發(fā)出命令，抄收計費終端的數(shù)據(jù)，然后再通過公用電話網(wǎng)絡傳送給遠方的數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)集中器能夠接收的數(shù)據(jù)中心的命令，并把相關命令再轉發(fā)給轄區(qū)內(nèi)的指定的數(shù)據(jù)采集器。此外，數(shù)據(jù)集中器還可以定時抄收計費終端的數(shù)據(jù)，并

51、把抄收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器中。</p><p>　　(5) 計算機抄表中心</p><p>　　通過通信網(wǎng)對集中器送來的電量數(shù)據(jù)進行分類和儲存、校對抄錄時間、設置用戶編號和抄表時間、發(fā)布抄錄命令以及統(tǒng)計和計價、為收取電費、線損計算、負荷控制提供服務。</p><p>　　(6) 集中器與數(shù)據(jù)中心之間的通信</p><p>　　數(shù)據(jù)集中器與

52、數(shù)據(jù)中心之間的通訊采用公用電話網(wǎng)絡作為通訊媒介，自動抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)集中器之間的通訊主要是電話線Modem模塊之間的通訊，在電力線載波集中抄表器的設計中，我們利用單片機進行兩地間的數(shù)據(jù)通信，通過單片機及對應的控制電路和FSK(移頻鍵控)調制解調器（MODEM）相結合，借助現(xiàn)有的公用電話交換網(wǎng)（PSTN進行傳輸，來實現(xiàn)兩地之間的數(shù)據(jù)通信功能。</p><p>　　圖3-2 集中器與上位機的通信框圖<

53、/p><p>　　發(fā)送端從PC的RS-232口出來，經(jīng)RS-232/TTL電平轉換芯片將RS-232電平轉換成TTL電平送到調制解調器，調制解調器將數(shù)據(jù)調制成音頻信號，通過電話通信網(wǎng)傳到對方的調制解調器，對方的調制解調器將音頻信號解調成數(shù)據(jù)，再送到對方的單片機中，進行數(shù)據(jù)處理。反之亦然</p><p>　　(7) 數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器之間的通信</p><p>　　低

54、壓電力線載波數(shù)據(jù)不能夠跨越變壓器，所以數(shù)據(jù)集中器基本上是被設置在住宅小區(qū)配電站以內(nèi)，數(shù)據(jù)采集器與集中器之間的通訊采用低壓電力線載波通信方式。</p><p>　　4 電力線載波抄表系統(tǒng)集中器軟件的設計</p><p>　　4.1通信協(xié)議的制定</p><p>　　本協(xié)議是參照電力部門規(guī)定的通信協(xié)議來編寫的，在某些具體的數(shù)據(jù)格式上采用了特有的組織方式。協(xié)議的規(guī)定是為了

55、使用方便、系統(tǒng)可靠。</p><p>　　4.2集中器軟件設計</p><p>　　集中器系統(tǒng)軟件使用匯編語言進行編寫，這種語言具有功能浮點運算、編程靈活和移植性好等優(yōu)點。</p><p>　　(1) 軟件設計思想</p><p>　　在設計應用軟件時應考慮以下幾個方面：</p><p>　　(a) 程序承擔的任務：任

56、何一個系統(tǒng)的設計，都有其具體的應和明確的工藝要求，程序設計的首要任務就是確定程序承擔的任務；</p><p>　　(b) 程序的時序性:單片機是按時序運行的，所以程序設計到抄表任務的執(zhí)行順序和時間要求；</p><p>　　(c) 程序的適應性：所謂適應性，就是要求設計出來的程序靈活性，主要考慮將來系統(tǒng)擴展時必要的修改，增加通用性。</p><p>　　本文采用模塊

57、化設計思想，將一個完整的程序分成若干個可以成某些任務的功能模塊，各模塊又分為若干子模塊，各子模塊之間立，又受主程序模塊的控制。使整個系統(tǒng)層次分明，邏輯清楚，便的編制、調試、修改和查錯。利用模塊化技術，可以將錯誤控制限在模塊內(nèi)部而不影響整體，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護性。</p><p>　　(2) 軟件設計任務</p><p>　　根據(jù)集中器要完成的功能，軟件結構主要包括：主程序模

58、塊(集中器接收上位機的命令、集中器抄收下位載波電表的數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)塊、時鐘模塊等。</p><p>　　(a)上位機下發(fā)給集中器的指令</p><p>　　全抄指令：上位機與集中器建立通信鏈路后下發(fā)的全抄指令，應將存儲在RAM中的所有電表數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機；集中器和載波電表的通信主要指集中器根據(jù)上位機下載的定時抄收電表數(shù)據(jù)；根據(jù)上位機下發(fā)指令實時抄收電表數(shù)據(jù)。</p><p

59、><b>　　(b)時鐘模塊</b></p><p>　　當上位機下發(fā)校時指令時，MCU可對時鐘進行寫操作，在定時抄表程序中，MCU要讀取時間數(shù)據(jù)，與上位機下載時間相比較，從而執(zhí)行相應的程序。</p><p><b>　　(c)數(shù)據(jù)存儲模塊</b></p><p>　　集中器會將抄收回來的電表數(shù)據(jù)進行處理、存儲。當上

60、位機下發(fā)抄表指令后，集中器便將存儲在RAM的所有電表數(shù)據(jù)讀出并發(fā)送至上位機。</p><p>　　4.2.1主程序設計</p><p>　　在所有的操作中，定時讀取各載波電表的數(shù)據(jù)是最主要的也是最復雜的，本文主要介紹集中器定時抄取載波電表數(shù)據(jù)的程序設計。</p><p>　　上電復位信號使系統(tǒng)復位，系統(tǒng)都將重新進行初始化，包括串口初始化等。接著檢測集中器和電表的數(shù)據(jù)

61、庫是否存在后，才能保證抄表工作準確；若數(shù)據(jù)庫已下載，當數(shù)據(jù)庫下載完成并退出與上位機的通信后集中器進入抄表狀態(tài)。</p><p>　　圖4-1 抄表循環(huán)程序流程圖</p><p>　　MCU采用查詢的方式獲取時間數(shù)據(jù)，當讀取到的時間數(shù)據(jù)為設定抄表時間數(shù)據(jù)時，先判斷數(shù)據(jù)庫是否下載，接著判斷所有表已抄標志，若為1，說明系統(tǒng)已經(jīng)進行過抄表操作；若為0，說明當月的電表讀數(shù)還沒有抄取，于是啟動抄表循環(huán)

62、程序。從抄表循環(huán)程序退出來后，系統(tǒng)還會檢查到表是否成功，若成功為1，則證明所有表都已成功讀??；若為0，則說明系統(tǒng)曾經(jīng)進行過抄表操作，但沒有把所有表的數(shù)據(jù)成功讀完，需重新調用抄表循環(huán)程序。在集中器的主程序中要不斷的查詢是否有上位機下發(fā)的命令，如果有則先根據(jù)上位機下發(fā)的命令，執(zhí)行相應的程序，抄表循環(huán)程序流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　4.2.2 集中器向上位機的數(shù)據(jù)傳輸</p><p&

63、gt;　　與集中器相連接的MODEM在進行初始化設置時將自動應答功能開啟，這樣呼叫方MODEM撥號后，等待集中器MODEM送來的載波信號，集中器MODEM檢測到預定的響鈴次數(shù)后便自動摘機，然后與呼叫方進行載波連接。如果雙方在預定時間沒有檢測到載波信號MODEM會自動釋放線路，同時返回結果碼，一旦載波建立成功后，MODEM便會返回結果碼，表明雙方連接成功，可進行數(shù)據(jù)通信。</p><p>　　集中器向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)

64、的流程圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 集中器向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖</p><p>　　如果串口接收到數(shù)據(jù)則開始計時，并繼續(xù)查詢串口，若在10秒內(nèi)串口接收到數(shù)據(jù)，表示載波建立成功保持集中器與上位機的連接，開始與上位機進行通信。數(shù)據(jù)傳送完成后，使MODEM從聯(lián)機狀態(tài)返回到命令狀態(tài)，延時一段時間后發(fā)送掛機命令，一次數(shù)據(jù)通信結束。若第一次響鈴10秒后還未接收到結果碼l，則表示載

65、波無效，上次響鈴為有人打電話或者是連接出現(xiàn)錯誤，集中器不與上位機連接而繼續(xù)運行其他程序。發(fā)送完一包數(shù)據(jù)后，集中器若接收到上位機發(fā)送的“W”指令，說明發(fā)送有錯誤，要求重發(fā)本包數(shù)據(jù)。</p><p>　　調制電路的工作過程是這樣的:從終端到中心的鏈路建立之后，先控制MOD2和MOD1使MSM7512B工作在接收狀態(tài)，使能“MODEM狀態(tài)中斷”，等待數(shù)據(jù)采集中心的應答信號；當有應答信號時，MSM7512B的CD/引腳變

66、的有效，觸發(fā)W77E58的“MODEM狀態(tài)中斷”，在中斷過程中，查詢是否為正確的應答信號，如果是，則禁止“MODEM狀態(tài)中斷”，使能“發(fā)送數(shù)據(jù)空中斷”，控制DTRB和DTRA引腳使MSM7512B切換到發(fā)送模式，控制RTSB/引腳使能MSM7512B的發(fā)送，控制RTSB/引腳選擇M7512B的發(fā)送幅度為-4dBm，然后就可以從存儲器中取出數(shù)據(jù)通過PSTN向數(shù)據(jù)采集中心發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不是正確的應答信號，則繼續(xù)等待應答信號。MSM7512B

67、的最高波特率為120ObpS，因此，設置W77E58的波特率時，最高不能超過1200bps，否則MSM7512B不能正常工作。</p><p>　　4.2.3單片機與擴頻芯片SSCP300的數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　編程序的時候,主處理器和SSC P300之間的交互歸結為4個基本的子程序,就可以完成命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。這四種操作分別是初始化、寫、讀、中斷服務程序。</p>

68、;<p>　　圖4-3 SSCP300初始化流程圖</p><p>　　圖4-4 SSCP300讀事務子程序</p><p>　　圖4-5 SSCP300寫事務子程序</p><p>　　主控制器在每次上電時必須初始化SSC P300系統(tǒng)信息,因為系統(tǒng)信息是掉電丟失的，系統(tǒng)信息是通過一個寫操作寫入SSC P300的。經(jīng)過初始化操作以后,主控制器就可以

69、使用寫操作發(fā)送數(shù)據(jù)包了，數(shù)據(jù)包的發(fā)送完成和數(shù)據(jù)包接收完成的通知(給處理器)是通過向主處理器發(fā)出中斷申請來實現(xiàn)的.在中斷服務程序中,需要使用讀操作來確定具體的中斷原因。數(shù)據(jù)包的獲取是通過讀操作來完成的。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本系統(tǒng)具有技術水平高、可靠性好、數(shù)據(jù)準確、適應性強、功能全、模塊體積小、功耗低，系統(tǒng)操作界面簡單易懂、

70、安裝維護方便。這套系統(tǒng)的使用極大地減少電力部門的勞動量，同時提高了電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理水平，有很好的社會效益和經(jīng)濟效益，對系統(tǒng)稍加擴充，便可完成對煤氣表、自來水表的自動抄收，從而推進智能化小區(qū)的建設。但在運行中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如與集中器連網(wǎng)的電話線有時出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的抄表成功率有時不高，這還有待改進。</p><p>　　自動抄表技術這幾年發(fā)展很快，尤其是在網(wǎng)絡化測量技術、傳感器技術、通訊技術</p>

71、;<p>　　飛速進步的強勁支撐下，表現(xiàn)出與燃氣、水、熱量等自動抄表技術的更加緊密地結合，</p><p>　　并明顯加快了融入現(xiàn)代綜合化網(wǎng)絡測量技術的步伐。二十一世紀是網(wǎng)絡化時代，在計算機技術，微電子技術和網(wǎng)絡技術等的迅速發(fā)展下抄表方案也層出不窮。各種方案都有其特點，有其相適應的應用環(huán)境和存在的條件，不能一概而論，甚至在特殊情況下還需要將其結合在一起，揚長避短可發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。相信自動抄表系統(tǒng)會

72、有更加廣闊的發(fā)展前景!</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，1993.</p><p>　　[2] 張鑫.單片機原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[3] 庹華榮.

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