刘玉全电力载波通信抄表集中器硬件设计VIP

刘玉全：电力载波通信抄表集中器硬件设计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，抄表系统辽宁工程技术大学成人教育学院毕业设计（论文）Hardware Design of Power Line Communication Meter Reading ConcentratorABSTRACTWith 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 circuitsKEYWORDS： carrier power line, spread spectrum communication technology, concentrator, meter reading system刘玉全：电力载波通信抄表集中器硬件设计目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 电力线载波通信的意义及发展状况 .11.2 低压电力线通信的特点 .11.3 国内外研究现状和动态 .21.4 设计电力载波抄表集中器的目的和意义 .21.5 课题的可行性分析 .31.6 本文的主要任务 .32 电力线载波通信技术 .42.1 电力线载波通信中信号传输特性分析 8.42.2 常用的低压电力线载波通信技术 13 .52.3 扩频通信技术 .62.3.1 扩频通信的工作原理 .62.3.2 扩频通信的特点 4 .62.4 电力线载波通信的实现 .72.4.1 国外的电力线载波专用 Modem 芯片 .73 电力载波抄表系统总体设计 .93.1 自动抄表系统的组成 .94 电力载波抄表集中器的硬件设计 .114.1 电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计 .114.1.1 集中器的功能及技术指标 8 .114.1.2 集中器的结构框图 .114.2 集中器主控器的设计 .124.2.1 主控器的作用 11.124.2.2 主控器的选型 11.124.2.3 单片机 W77E58 的简单介绍 .134.3 数据存储器的扩展 .154.3.1 数据存储器 RAM 的选择 .154.3.2 硬件电路设计 .164.3.3 存储器的掉电保护 .174.4 时钟模块 .184.4.1 设计思想 .18I4.4.2 时钟模块的选择 15.184.4.3 时钟模块与单片机的连接 14.194.5 电力线载波通信电路设计 .194.5.1 载波通信芯片 SSCP300 的发送与接收原理 .204.5.2 单片机与 SSCP300 通信的控制工作过程 .234.6 主控器与 MODEM 通信接口 .244.6.1 MODEM 简介 .254.6.2 主控器与 MODEM 通信接口电路 .264.7 电源电路 .274.8 本章小结 .285 电力线载波抄表系统集中器软件的设计 .295.1 通信协议的制定 .295.2 集中器软件设计 .295.2.1 主程序设计 .305.2.2 集中器向上位机的数据传输 .315.2.3 单片机与扩频芯片 SSCP300 的数据传输 .325.3 本章小结 .346 结论 .356.1 总结 .356.2 结束语 .35致 谢 .36参 考 文 献 .37附 录 .38陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 01 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) 信号衰减大电力载波通信抄表集中器硬件设计 1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陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2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电力载波通信抄表集中器硬件设计 3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，接在陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4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