基于PL3105的電力載波抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)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(dòng)遠(yuǎn)程抄表方式。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，需要配備自動(dòng)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(gè)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(dòng)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(jià)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(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的一個(gè)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(chǔ)在采集器的存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(gè)采集通道，可滿足住宅小區(qū)一個(gè)單元用戶的需要。在設(shè)計(jì)這部分電路時(shí)，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(dòng)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(chǔ)單元

數(shù)據(jù)顯示電路的設(shè)計(jì)用ZLG7289B芯片直接驅(qū)動(dòng)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(chǔ)單元選用鐵電非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器FM24C16A，存取數(shù)據(jù)速度快，保存數(shù)據(jù)時(shí)間長。