（交通信息工程及控制专业论文）基于PL3201的多功能电能表设计.pdf

中文摘要 摘要：随着我国经济的发展和电力体制改革的推进，未来几年，国内市场对 电能表有大量的需求，同时，随着电子技术和通信技术的发展，许多功能更加强 大的集成电路成为我们进行系统设计的首选，同时，电力系统中自动抄表和电费 分时计量也对多功能电能表提出了更大的挑战。本课题正是在这样的背景下产生 的，研究并实现了一种基于s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的多功能电能表。 经典的多功能电能表设计都是以m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 为控制单元，外 围电路由计量芯片，载波芯片，红外通信芯片，时钟芯片等组成，系统设计较为 复杂，成本较高。本文提出的多功能电能表以p l 3 2 0 1 为主芯片，在单芯片上实现 了电能计量、载波通信、红外通信、实时钟单元，充分满足了用户对多功能电能 表提出的高性能需求，极大的简化了设计难度，并提高了系统可靠性，多功能电 能表单芯片解决方案是一种全新的尝试。 论文以安徽电能表规范为基础，充分分析了多功能电能表的需求，并介绍了 电能计量和载波通信的基本原理，针对各种功能模块的划分，进行了系统的硬件 和软件设计，并就设计中的难点重点问题进行了讨论。论文对软件部分的阐述最 为详细，为了充分发挥单芯片系统的功能，其内嵌功能模块需要逐一调试，为了 实现可靠性及抗干扰设计，论文从多个角度采取了不同的解决方法。最后，本设 计得到了最终实现。 本论文的重点放在p l 3 2 0 1 的应用上，目前国内这样的单芯片解决方案比较少。 难点放在载波通信模块的实现上。因为本方案首次在抄表通信中采用了码分多址 的技术，使得不同台区之间的抄表干扰在很大程度上得到降低。 本系统对于多功能电能表的开发提供了较好的参考作用，具有一定的现实意 义。 关键词：s o c 多功能电能表载波通信 分类号：t p 2 1 6 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：孵曲t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h et h er e v o l u t i o no fp o w e r s y s t e mi no t l rc o u n t r y , d o m e s t i cm a r k e tw i l lh a v ep l e n t yo fd e m a n d so nm u f f f u n c t i o n p o w e rm e t e ri nn e x ty e a r s a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ca n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m a n yp o w e r f u li n t e g r a t ec i r c u i tb e c o m et h ef i r s tc h o i c ei n 0 1 1 fd e s i g n f u t h e r r n o r e ，am o r eb i gc h a l l e n g ei sb r i n gf o r w a r di nt h ea u t o r e a dp o w e r m e t e rs y s t e ma n dt h ep o w e rf a r et i m e - s h a r i n gm e a s u r e m e n t t h i sp a p e ri so c c u r r e di n t h i sb a c k g r o u n d ，a n dt h e n ，d e s i g na n di m p l e m e n tak i n do fm u t i f u n c t i o np o w e rm e t e r b a s e do ns o c t h em u t i - f u n c t i o np o w e rm e t e ri nt h i sa r t i c l ei m p l e m e n t e dp o w e rm e a s u r e m e n t ， c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，r e a l t i m ec e l lo ns i n g l ec h i p t h i s d e s i g nf u l f i l l e da l lh i 曲一p o w e r e dr e q u i r e m e n tw h i c hi sp u tf o r w a r db yu s e r , t h i sm e t h o d w i l lm a k et h ed e s i g ne a s y , a n di m p r o v et h es y s t e mr e l i a b i l i t y , t h i ss o l u t i o ni san e wt r i a l t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep o w e rm e t e rc r i t e r i o no fa nh u i a n da n a l y z et h e r e q u i r e m e n to fm u t i f u n c t i o np o w e rm e t e rf u l l y , a l s oi n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fp o w e r m e a s u r e m e n ta n dc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n , a n dt h e n ，d e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n d e t a i l a n dd i s c u s st h ek e yp o i n ta n dd i f f i c u l t i e s t h ee x p a t i a t eo fs o f t w a r ei st h eb e s t p a r t i c u l a r i no r d e rt oe x e r t i o nt h ef u n c t i o no ft h es i n g l ec h i ps y s t e m ，e a c he m b e d d e d f u n c t i o nm o d u l en e e dt od e b u go n eb yo n e ，f o rs a k eo fr e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n g ， d i f f e r e n tm e t h o d si su s e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h eo r i g i n a lt a r g e ti si m p l e m e n t e di nt h i s p a p e r t h ee m p h a s e so ft h i sp a p e ri st h ea p p l i c a t i o no ft h ep l 3 2 0 1 。a n dn o w , t h es i n g l e c h i ps y s t e ms o l u t i o ni su n c o m m o l l n l ed i f f i c u l t yo f t h i sa r t i c l ei so nt h er e a l i z a t i o no f t h ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l e b yu s i n gc d m at e c h n o l o g yi nt h i sd e s i g n ，t h e i n t e r - j a m m i n go f r e a d m e t e ri nd i f f e r e n ta x e aw i l lb ed e c r e a s e di na l m o s td e g r e e t h es y s t e mp r o v i d e du p s t a n d i n gc o n s u l tt ot h ed e v e l o p m e n to fm u t i f u n c t i o n p o w e rm e t e r , h a v i n gp r a c t i c a lm e a n i n g k e y w d r d s ： s o c ( s y s t e m o nc h i p ) ；m u l t i - f u n c t i o n p o w e rm e t e r ；c a r r i e r e o m m u n i e a t i o n c l a s s n o ：t p 2 1 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师魏学业教授的悉心指导下完成的，魏学业教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 魏老师对我的关心和指导。 魏学业教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向魏学业老师表示衷心的谢意。 魏学业教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，谢涛、肖硕、张屹等同学对我学习，生活以 及论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 丝 塞銮逗 盔 堂 亟堂焦途塞 垡 缝 l 绪论 1 , 1 本课题研究背景 电能是最重要的能源，它的应用在生产技术上曾引起划时代的变革。在现代 社会中电能己广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。电能表是 当前电能计量和经济结算的主要工具。它的准确与否真接关系到国家与用户的经 济利益。随着电子技术、自动控制技术和计算机技术的迅猛发展，电能计量装置 也发生了巨大变革。 中国是一个幅员辽阔，人口众多，环境气候差异相对较大，经济发展非常不 均衡的发展中国家，电能表产品现实状况复杂、需求多样，因而市场潜力巨大。 目前，我国电能表生产企业有数百家，生产能力近2 亿台，实际年产量也有6 、7 千万台。但品牌规格齐全并有较大规模的只有数十家，其中拥有核心技术的又更 为少之。 较早出现且至今仍在我国和许多国家普遍采用的感应系宅能表，虽简单且价 格便宜，但受其工作原理以及材料工艺等条件的局限其测量准确度很难提高，且 功能单一，不适应工业现代化和供用电管理现代化飞速发展的需求。于是，电子 式电能表应运而生。近年来，微电子技术、计算机技术和通信技术的高速发展， 有力地推动了电子式电能表技术的迅速更新与进步。商准确度、高可靠性的元器 件以及大规模电路集成技术和电路制造的表面贴装技术等应用于电子式电能表的 开发与生产，使电子式电能表寿命提高，功能多种多样，且仍在不断扩展，电能 表产品中的电子式电能表比重正在快速加大，这其中单相电子式电能表、电卡式 预付费电子式电能表、单相_ - 相电子式多功能电能表将是主要需求目标，并逐步 使供用电管理的微机化和自动化成为现实。【l 】 本文正是基于这样的背景下进行的，设计基于p l 3 2 0 1 的多功能电能表。 1 2电能表的发展趋势及现状 1 2 1感应式电能表( 机械表) 最早出现的电能表是根据旋转磁场理论制作的感应式电能表，其核心是电磁 线圈和转动部件，经过一百多年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术也 已相当成熟。感应式电能表具有制造简单、可靠性好和价格低廉等特点因此， 至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应系电能表仍作为 一种计量工频电能的仪表被广泛使用。 1 2 2机电一体式电能表 随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。 电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准 确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。感应式电能表由于受其原理和结构 等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。基于微电子技术和计算机技 术的不断发展，人们开发出了基于感应电能表的机电体式电能表，以天津地区 推广的最早大概在1 9 9 2 年，这种电能表是利用感应系电能表的测量机构作为工 作元件，使用光电传感器完成电能脉冲的采集，经微处理器处理后，对电能脉冲 进行计量。实际就是增加了电路部分进行存储，控制，显示等。 1 2 3全电子式电能表 全电子式电能表最早用于进行计量鉴定，也就是做标准表随着元器件性能 的提高和价格的下降，全电子式电能表计量精度较高，全电子式电能表于前面两 种电能表最本质的区别是在电能的计量上，使用了数字乘法器，在一块集成芯片 上完成电能采样和a d 转换，比较先进的是4a d 转换原理。全电子式电能表 能实现将来的复费率及用电控制，便于实现抄表自动化系统，而且生产成本较低， 全电子式电能表逐步开始大量民用，耳自口使用数量已经远远超过机械表。 2 】 1 2 4多功能电能表现状 目前的电能表市场中全电子电能表所占比例逐年增加，机械表由于先天住在 通信方面的不足，所以很难在集中自动化抄表方面有发展，机电一体式电能袁虽 可以进行电能信息的远程通信，但其可提供的用电信息比较少，例如频率，有功， 无功等，另外实现复费率计量也比较困难。虽然基于机电一体式的电能表实现了 预付费，但鉴于安全性和其他方面的原因，国家并不主张大范围的使用这种电能 表。全电子电能表克服了上面两种表的缺点，可以方便的计量电能的各种信息， 并且实现远程通信完成抄表工作和实现配电网络自动化近年来随着全国用电缺 口的急刷扩大，国家发改委决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励用户合 2 韭夏銮道盔堂亟 堂 毽淦銮绪迨 理移峰用电，这一政策的出台，带动了全国各地供电部门对复费率、多功能电表 需求的快速上升。这些都对多功能电能表的研制提出了要求，但电能表所能提供 的数据越多，读取与抄收这些数据的工作就越繁杂，传统的人工抄表对于每月单 一数据这种方式已然问题百出，更加无法满足台区管理考核及分时计费对大量信 息与数据的实时传输要求。【3 】【4 】 1 3多功能电能表简介 1 3 1计量功能 目前的多功能电能表般使用一块电能计量芯片及外围电路来完成，普遍使 用的有a d i 公司的a d 系列，包括三相电能计量芯片和单相电能计量芯片，如 a d e 7 7 5 8 ，a d e 7 7 5 5 等，当然还有其他公司例如珠海炬力、杭州士兰的芯片。其 计量参数包括电压，电流，频率，有功和无功电能，合相及分相电能。股都可 以实现复费率功能。 1 3 2红外通信功能 目前电能表的抄表方式已由最初的手工操作进步到目前应用广泛的抄表器自 动抄表，并正由本地向远程自动抄表的方向拓展手工抄表是指抄表员到电能表 现场使用纸和笔进行现场抄表，记录，这是对于没有通信接口的电能表丽言的。 本地自动抄表主要依靠红外方式，可以进行菲接触式数据传输，相比手工抄表， 有了很大的提高，关键是杜绝了人为因素引起的电能计量错误。这种使用手持抄 表器( 即掌上电脑) 抄表是进行本地抄表的主要方式。掌上电脑系统一般使用一 个嵌入式微处理器，例如p o w e r p c ，抄表时由抄表员主动发送抄表命令给电能表， 电能表具有红外发射和接收模块，也就是红外管，由微处理器控制发射特定频率 的红外信息，由掌上电脑接收并存储、显示出用户的电能信息。 1 3 3预付费功能 预付费电能表一般是使用磁卡或i ( 3 卡进行电能信息的存储和控制，这种收费 方式部分解决了收电费难的问题，其原理为系统通过i c 卡进行输送电能，般使 用的i c 卡有a t m e l 公司的普通串行存储卡，a t 2 4 c 系列，还有逻辑加密系列如西 门子的$ 4 4 系列，也有使用c p u 卡的。这种方式同时可以实行用电控制。这种方 式曾被国家电力公司建议使用，并没有大范围推广，主要是不安全等问题。 】3 4远程通信功能 远程自动抄表是一种不需要人员到达现场就能自动抄表的方式，可以采用低 压电力线，现场总线，公用电话网等等，将电能表的数据自动的传输到电能计费 管理中心进行处理，这种方式是一种先进的抄表方式，不但降低了劳动强度，而 且还大大提高了抄表的准确性和及时性。 的保障电力企业的合法权益并方便用户。 是r s 4 8 5 总线，另一个是低压电力线。 它便于实现配电系统自动化，从而有效 一般使用两种通道进行数据传输；一个 低压电力线载波( p l c ) 是电力系统所特有的、基本的通信方式。电力线载波 通信是指利用现有的电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技 术。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有路出合理、 可同时复用远动信号等特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。载波通信 电路主要包括载波通信集成电路，功率放大器和电力线耦合器。通信集成电路将 数据信号调制成可在电力线上传输的高频载波信号，其频率一般为5 0 k h z - 5 0 0 k h z 。 这些高频信号通过功率放大和祸合电路与低压电力线接口。【5 】 1 4 论文的选题背景及意义 论文的选题是在研究了多功能电能表的现状的基础上提出的。随着用户需求 与技术的不断发展，未来的电能表( 尤其是民用) 必然向着多功能、信息化。它 所能提供给用电管理部门和电能用户的数据信息越来越多，实时性越来越强。采 用集中自动抄表系统对各用户实行远程抄表与授电控制是电力体制改革深入后， 收费模式与台区管理体现出的重要发展趋势。 众所周知，多功能电表较普通电能表的电路结构要复杂得多，元器件种类多， 调试生产程序繁杂，因而质量保证更为困难。绝大多数传统电能表制造厂商目前 仍在沿用通用微处理器( m c u ) + 功能简单的专用电能计量i c 的所谓双芯片解决 方案( 实际使用的主要芯片数量会在四到五片) ，并且上述方案其客只能实现复费 率分时计量，因为很多诸如无功功率，有效电压，电流等计量参数现有的单相专用 计量i c 根本无法提供，自然基于上述基本计量参数派生的其它数据也就无从谈 起此外，上述这种解决方案的不足还在于缺乏远程数据通信与授电控制的手段 随着超大规模数，模混合集成电路制造工艺与集成电路设计水平的迅速提高， s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的整体解决方案正在快速渗透至从2 1 2 业领域到民用产品， 4 丝盏窑适盔堂亟堂篷迨毫缓途 从精密仪器到消费电子的各个领域。对整个系统中多个核心器件与周边电路的高 度集成不仅仅带来产品体积的缩小、外围元器件的减少以及能耗的降低，更重要 的是由于单个硅片上元器件的高度一致性大大改善了整个产品的性能与可靠性。 越来越多的模拟器件在s o c 中被数字信号处理单元( d s p ) 所取代，整个产品对 诸如温度、湿度、电磁环境以及长时间工作漂移等达到极低的敏感程度，因而在 性能及长期工作的稳定性上远远超越了多个芯片组加周边模拟器件的传统设计方 案。电子式( 数字) 电能表尤其是数字多功能电能表的s o c 化，是电能表计的未 来发展趋势。f 6 1 由此看来，开发基于专用s o c 的多功能电能表是必要的，因为多功能电能表 专用s o c 系统设计具有高度集成、功能强大、产品实现简单的特点。 1 5论文的工作安排和结构安排 本文主要研究基于s o c 单芯片p l 3 2 0 1 的多功能电能表。本设计外围电路实现 简单，整个芯片的体系结构和嵌入式资源配置可以适应高可靠性多功能电能表的 设计需求。计量模块由内置的单相电能计量单元组残，其核心解决方案基于- 么 a d 转换原理，通过控制内置的电能计量寄存器完成对电能及二次加工派生的功率 因数，正反向，抄压，欠压等诸多测量参数。载波通信单元是由内置的载波扩频 通信内核并增加简单的发射，接收模块完成，不仅通信速率与抗干扰能力大幅度 提高，并且其多址通信的能力彻底解决了多个相邻台区同时抄表造成的相互干扰。 微处理器采用精简指令集的8 0 5 1 内核，采用了流水线指令机制，能在相同时钟频 率下取得更高的运算速度。此外，红外、实时时钟及校准单元均做出了详细的设 计过程。 本论文的主要工作； 1 ) 提出基于p l 3 2 0 1 芯片的多功能电能表解决方案。 2 ) 根据功能需求进行系统的硬件和软件详细设计。 3 ) 编写软件代码和调试系统功能模块。 4 ) 从抗干扰角度优化整个系统。 论文共5 章。基本安排如下： 第一章：绪论介绍论文的技术背景，对多功能电能表的现状和发展趋势进 行了概述，提出了论文的选题背景及意义，说明了论文所做的工作及论文机构安 排 第三章：多功能电能表系统设计首先说明了系统构成和相关技术原理，然 后从多功能电能表系统的功能需求入手，阐述了多功能电能表系统各部分的硬件 丝塞 变塑盔堂亟主鲎毽 迨窑缮途 组成情况，包括主芯片、电能计量模块、载波通信模块，红外通信模块、l c d 显 示模块、铁电存储器模块，继电器模块、实时钟模块。 第三章：多功能电能表软件详细设计。具体阐述了本系统的软件详细设计， 包括主程序流程、各中断处理流程、费率转换处理流程、数据冻结处理流程。 第四章：校表及抗干扰设计。首先给出了多功能电能表校表步骤，然后分析 了对多功能电能表造成千扰的类型，详细阐述了在本设计中使用的硬件抗干扰技 术和软件抗干扰技术。 第五章：总结与展望。总结了论文所做的工作，并对论文的不足与前景进行 了陵望。 6 丝塞銮亟盍堂巫圭堂鱼途塞玺盐链生壁盘丕缝邀过 2 多功能电能表系统设计 2 1 系统的总体结构 该多功能电能表以p l 3 2 0 1 为核心，内核使用增强型5 1 内核，系统模块包括： 通信模块，电能计量模块，显示模块，存储模块，电源模块，控制模块。总体设 计框图如图2 1 所示，其中通信模块包括载波通信外围电路，包括发射和接收； 红外发射接收模块。电能计量模块包括电能采样外围电路，锰铜片方式，电阻分 压采样。显示模块使用4 3 2 = 1 2 9 段的液晶屏显示。存储器模块使用铁电存储器 f m 2 4 c 1 6 ，存储容量为1 6 k ，读写时闻为微秒级。主电源模块采用通用的7 8 l 0 5 ； 后备电源使用s a f t 锂电池。控制模块使用x c 2 0 2 3 继电器驱动芯片配合j m x 一9 4 f 系列继电器，最大电流3 0 a 。整个系统的结构如下图：f 7 】 火线 零线 图2 1 多功能电能表系统结构豳 f i g u r e 2 1t i es y s l e mf r a m ec h a r t 2 2载波通信原理介绍 载波通信的成功率主要取决于接收载波信号的信噪比要求和通信芯片的接收 灵敏度由于电网谐波系数规定、电表体积和成本的限制，载波发送功率不可能 过大，同时电网上的噪声极其复杂，所以在接收端载波信号经常还不到l m v ，而 7 踅塞銮疆盔堂亟主堂焦途塞墨盈篷皇篮叁丕煞遮过 且被大量的噪声淹没，所以抄表的成功率主要取决于载波通信芯片的性能，而载 波通信芯片性能的优势取决于芯片本生的通信模式和该芯片是否符合实际载波信 道的要求。要实现可靠的电力线载波通信，首先要对低压电力线的载波传输特性 进行系统的分析，决定低压电力线载波信道的传输特性是：载波信号衰减和电力 的线路噪声干扰。【8 1 2 2 1电力线载波的干扰 低压电力线般是由铜或其他电的良导体加工丽成，其本身的阻抗很小，电 力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。由于2 2 0 v 电力线不是专用的通信 线，电力线上有大量的用电负载和电力设备( 如无功补偿电容等) ，这些器件对载 波信号的衰减非常严重，其高频等效阻抗变化范围很大，有时小于0 1 欧姆，有时 又突然增加到几十欧姆，这就使其信号衰减值严重时会达到1 0 0 d b 以上。另外， 当电力线路负载严重时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分 的功率。可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上， 我们可以将耦合起的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。实验 表明，信号的衰减是距离的函数，一股为4 0 一1 0 0 d b k m 。在农村电网上衰减最大， 5 0 0 m 就达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ；在郊区，2 5 0 m 也能达到2 5 d b ；但 在工业区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b 。【9 】 电力线路上的干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声具有瞬间、 高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造 成信号误码率高，使得接收装置无法对信号进行正确的接收；另外，它还有可能 使接收设备内部产生自于扰，严重影响整个系统的工作。所以，通信接收电路对 这种干扰的抵御就显得尤为重要。等幅振荡波干扰源包括有意干扰源和无意干扰 源两种。前者如对讲机等家庭用品，其工作频率都在1 0 0 k h z 到3 0 0 k h z 之间；而 后者( 如电源开关等) 产生的主谐波频率也都在5 0 k h z 以上。这些频率范围恰恰 是大多数载波信号的频率范围，因而这种干扰所占的比重也较高。人们分别对不 同地域( 城市、工业区、乡村) 作了大量试验，结论是可以用干扰噪声的时变线 性滤波电路作为低压电力线的基本参考模型来克服电力线的噪声。低压电力线路 的背景噪声主要来源于以下几个方面：1 、可控硅器件和一些电源电路产生的6 0 h z 的倍频谐波；2 、由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电 动机产生的干扰；3 ，开关电子设备产生的单脉冲噪声；4 ，非同步周期的噪声， 如电视机的行扫描频率。背景噪声是典型离散高斯型的，它对载波通信系统影响 较稳定。其余的脉冲噪声，它是由于电力线路中负载或其他原因而产生的突发性 的干扰噪声，脉冲噪声对通信系统可以产生突发性影响引起瞬间的高误码率，甚 至造成通信中断。在这两种噪声中，对载波通信系统产生主要影响的是脉冲噪声。 由于我国对电器上网的电磁兼容性没有欧美国家控制得严格，因此我国电力网得 衰减和干扰要比欧美国家严重得多，电力线得通信环境也更加恶劣。这对我国从 事低压电力线通信技术研究得工作者来说，提出了更加严峻得挑战。 通过前面对低压电力线载波信道传输特性得分祈可以看出，低压电力线载波 通信得客观环境是非常恶劣得，要达到稳定通信的效果必须采用先进的技术手段 来克服这些困难。【1 0 】 2 2 2扩展频谱通信的定义 所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方 式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通 过个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无 关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收，解扩及恢复所传信息数据”。 这一定义包含了以下三方面的意思： 一、信号的频谱被展宽了。 我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。 例如人类的语音的信息带宽为3 0 0 h z 3 4 0 0 h z ，电视图像信息带宽为数 m h z 。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号柬传输 信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅 信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也 只是其视频信号带宽的一倍多这些都属于窄带通信【1 1 1 一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有 几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达1 0 0 一1 0 0 0 ，属于宽带 通信。 二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。 我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的咏冲信号， 其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。l 微秒的脉冲的带宽约 为l l d l t z 。因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信 号。如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄 的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所 9 采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号 一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。 1 2 】 三、在接收端用相关解调来解扩 正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信 息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行 相关解调，恢复所传的信恳。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩 展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号， 而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和 解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。 2 2 3扩频技术理论证明 在s h a n n o n 和h a r t l e y 信道容量定理中可以明显看出频谱扩展的作用： c = bl o 醇( 1 + s n ) 式中：c 是信道容量、单位为比特每秒( b p s ) ，它是在理论上可接受的误码率( b e r ) 下所允许的最大数据速率；b 是要求的信道带宽，单位是h z ：s n 是信噪比。c 表示通信信道所允许的信息量，也表示了所希望得到的性能，带宽( b ) 则是付出 的代价，因为频率是一神有限的资源，s n 表示周围的环境或者物理特性( 障碍物、 干扰发射台、冲突等) 。用于恶劣环境( 噪声和干扰导致极低的信噪比) 时，从上 式可以看出：需要提高信号带宽( b ) 来维持或提高通信的性能，甚至于信号的功率 可以低于噪声基底。( 公式中并没有禁止这种条件) 。 在信道中对于给定的信噪比要无差错发射信息，我们仅仅需要提高发射的带 宽。这个原理似乎简单、明了，但是由于对基带扩频( 扩展到一个非常大的量级) 的同时还需要相应的解扩处理，具体实现起束将非常复杂。 扩频技术在具体实旌时由多种方案，但思路相同：把索引( 也称为码或序列) 加入到通信信道，插入码的方式正好定义了所讨论的扩频技术，术语“扩频”指 将信号带宽扩展几个数量级，在信道中加入索引即可实现扩频。【1 3 】 扩频技术更加精确的定义是：扩频是通过注入一个更高频率的信号将基带信 号扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更 宽的频带内使其看起来如同噪声一样。扩展带宽与初始信号之比称为处理增益 ( d b ) ，典型的扩频处理增益可以从1 0 d b 到6 0 d b 。 采用扩频技术，在天线之前发射链路的某处简单的引入相应的扩频码，这个过程 1 0 称为扩频处理，结果将信息扩散到一个更宽的频带内。在接收链路中数据恢复之 前移去扩频码，称为解扩。解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。显然t 在 信息传输通路的两端需要预先知道扩频码。( 在一些情况下，它应该仅仅被两个当 事人知道。) 【1 4 】 图2 2 扩频通信简图 f i g u r e 2 2s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nc h a r t 扩频处理的带宽效果如下图： 图2 3 扩频处理带宽图 f i g u r e 2 3s p r e a ds p e c t r u mf r e q u e n c yb a n d c h a r t 解扩处理后的带宽效果见下图： 图2 4 解扩处理带宽图 f i g u r e 2 4u n s p r e a ds p e c t r u mf r e q u e n c yb a n dc h a r t 2 3电能计量原理介绍 2 3 1电能计量公式 电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流用户在某一时刻消耗电 能的“速度”我们称为瞬时功率，它在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流 值的乘积，将所有这样的“瞬间”消耗的电能加在一起就得到了总的用户消耗电 能的数量。因此，有功电能的计算可以用电压与电流瞬时值的乘积在时间上做积 分得到： e = l p d t = i u i d t 对于电压电流均为正弦信号的交流电，上式等价成如下形式： e = l p d l = l u l c o s 簪d t 其中u ，1 分别为交流电压、电流信号幅度的l 2 ，称为交流有效值。矿是电 压信号领先于电流信号的相位差值，c o s 矽称为功率因数，它表征了电网中实际消 耗电能的平均功率( 有功功率) 与u 和i 的乘积( 视在功率) 的比值在实际电网 中，电压电流信号基本上都不是只包含5 0 h z 频率分量的正弦信号，而是含有很多 诸如1 0 0 h z , 1 5 0 h z , 2 0 0 h z - 等称之为谐波的信号。此外，电网负载尤其是丌关电源 还会引入各种各样的噪声，引起电压的谐波和波形畸变。事实上我们可以发现瞬 时功率信号p = u i 本身是一个含有直流分量和高频分量的信号，而任何频率不为0 的频率分量从长期来看对于时问积分都没有贡献，因此电能计量数学上就相当于 计算瞬时功率p 的直流分量在时间上的积分这正是p l 3 2 0 1 进行有功电能计量 的原理。 1 5 】 有功功率是从瞬时功率信号推导计算出来的，瞬时功率信号是电流和电压信 号直接相乘得到的。为了得到有功功率分量( 即直流分量) ，只要对瞬时功率信号 进行低通滤波就行了。下图示出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进 行低通滤波来获取有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形 在不同功率因数情况下的有功功率。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因 此具有优良的温度和时间稳定性。 c h l c h 2 v i v x i 2 麟时功率箭号一p ( i )瞬时有功功率府号 豁 f 1 f 2 ；l ：； c f 图2 5 功翠测苗豳 f i g u r e 2 5p o w e rr f l e a s u t e r f t e i i tc h a r t 功率因数的考虑 上述从瞬时功率信号获取有功功率信息的方法( 即低通滤波) 对于电压和电 流信号不同相的情况下也是有效的。下图示出了相移功率因数( p f ) 等于l 和o 5 两种情况，后者也就是电流信号滞后于电压信号6 0 度。假设电压和电流波形都是 正弦的，那么瞬时功率信号中的有功功率分量( 即直流分量) 为： ( v i 2 ) x c 0 $ 6 0 这是正确的有功功率计算方法。 v x i 2 o v岛一_ ，鞲vv 籀华徽 巾难羚仪湓议 图2 6 瞬时功率测量圈 f i g u r e 2 6i n s t a n t a n e o u sp o w e rm e a s u r e m e n tc h a r t 非正弦电压和电流 上述有功功率计算方法也适用于非f 弦电流和电压波形。在实际应用中，所 有电压和电流波形都会含有一定的谐波成分，瞬时电压和电流可用傅立叶变换表 达成它们的谐波分量之和： v ( t ) = v o + 压+ + s i n ( h o o t + a ) o 式中： v m ：瞬时电压 ：电压平均值 k ：h 次电压谐波有效值 口。：h 次电压谐波相位角 f ( f ) = ，0 + 互厶s i n ( h e a t + l ? 。) 0 式中f ( f ) ：瞬时电流 厶：电流的直流分量 j ：h 次电流谐波有效值 屈：h 次电流谐波的相位角 利用以上两式，有功功率p 可以用它们的基波有功功率( 丑) 和谐波有功功 率( 昂) 之和来表示 1 4 p 2 只+ 其中： 墨。k i ic o s # l 破5 吒一届 乃= 厶c o s # 。 1 0 串h2 吐h p h 可以看出，由电压和电流波形提供的各次谐波都产生谐波有功功率分量。从 前面已经看出，在纯正弦波情况下功率因数的计算是精确的，而谐波是由一系列 纯正弦波组成的，因此谐波功率因数和有功功率的计算也是正确的。【1 6 】 2 3 2有功计量的数字信号处理 p l 3 2 0 1 使用双路1 6 b i t s 的型a d c 将电压，电流模拟信号转换成数字信 号，并在芯片内部进行数字信号处理运算得到有功功率。两个a d c 对束自电流和 电压传感器的电压信号进行数字化，这两个a d c 都是t 6 位二阶模数转换器， 过采样速率达9 0 0 k h z 。模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口( 可 以与传感器直接相连) ，也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道中的p g a 迸一 步简化了传感器接口。电流通道中的h p f 滤掉电流信号中的直流分量，从而消除 了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。 1 高通滤波器 对于输入的电压流信号首先做了同样的高通滤波运算，这是因为电压电流交 流信号在采样时尤其是经过运放后会引入一定的直流偏置，从而对功率计量引入 误差。所有p l 3 2 0 1 芯片采用了i i r 高通滤波器去除电压电流信号中的直流信号， 其频响特性见下图。 墓0 ， t 0 差- 2 0 1 3 0 五 呈4 0 吉8 0 雩 拿6 0 g 茎4 0 2 0 0 oj 0 8s 32 0 0 f r e q e n c , t ( h z ) f l 乞 o5 口如0 1 5 。 2 0 0 f r e q e n c y ( h z ) 图2 7 频车响膨剀 f i g u r e 2 7f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r t i i r 型滤波器的一个缺点是具有非线性相位的频响特性，即对于信号中的不同 频率分量引起的相位延迟不同。但由于p l 3 2 0 1 芯片对电压信号和电流使用同样的 i i r 型滤波器，对电压与电流信号中的同频率分量将产生同样的相位延时，因此他 们的相角差没有改变，因而不会对同频率的电压电流乘积积分值产生影响，而我 们知道对总电能的时间积分有贡献的是正是所有同频的电压电流的乘积不同 频率的电压电流乘积的积分将为0 。因此这一点与其他同类功率计量芯片不同，高 通滤波器将不会由于非线性相位效应对电能计量产生不利影响。 2 o f f s e t 处理 为了避免p c b 或传感器问的微弱信号耦合对功率计量产生影响以及为大量 程应用时对电流采样设备( 锰铜电阻或c t ) 的非线性提供补偿，p l 3 k 系列芯片 供了o f f s e t 校正寄存器( 0 0 o i h ) 。这个寄存器在一般情况将不需要被使用， 在实际应用时设置缺省设为全零。 3 符号指示 p l 3 2 0 1 系列芯片供两个管脚p d i r 和q d i r 分别用于指示当i j i 有功功率和 无功功率的符号，若但强电压信号和电流信号相位夹角大于9 0 度，( 可能是由于 负载端有发电机或者是由于电表接线反向) p d i r 将输出高电平指示。同样，当电 流信号相位领先于电压信号相位时，( 可能时由于负载端容性负载提供的负无功功 率大于感性负载提供的正无功功率) q d i r 将输出高电平指示。 4 绝对值处理 1 6 为了防止电表接线错误或者是被恶意篡改导致的负有功功率计量的出现， p l 3 2 0 1 提供了可选择的绝对值处理功能。通过设置m o d 引脚为高电平，将对电 压，电流乘积信号经过低通滤波器后的数值取绝对值运算，这时无论电压电流的夹 角是多少，计算得到的有功功率将永远为正。 5 相位补偿 现代电能表的设计，电压信号的采集通常使用电压互感器或电阻分压的方法， 丽电流信号的采集通常使用电流互感器或锰铜电阻分压的办法。无论使用哪种方 法，由于元器件的个体差异都不能做到使电压和电流在采集过程中各自引入的相 位差异完全相同，这会对功率计量带来不可忽略的误差。所有p l 3 k 系列芯片均可 通过设置数字相位校正寄存器( d p c ) 对信号采样过程中引入的相位差异进行补 偿。d p c 是单字节寄存器，可设置的范围从3 l 到3 i 。需要注意的是d p c 设置 需用反码表示，即通过第一位表示符号( i 为负数) ，后七位表示绝对值。调节 d p c 能够校正的相位范围在- 0 9 3 。- - o 9 3 。之间，设置d p c 为正时，将增大当静 相位的电压电流信号间的相角，反之则会减小相角。 无功计量的数字信号处理 根据i e e e 标准术语词典1 0 0 定义，无功功率在数学上定义为： q ；y ：k + 厶+ s i n 死 其中的和k 和厶分别为电压电流n 次谐波信号的有效值。在实际应用中，测 量无功功率通常有三种方法： 分别是延时法，三角型法和9 0 度相移法。它们的优势对比见下表 方法具体实现优点缺点 延时法将电压信号实现方法简只能测量固 延时i 4 周期后与 堕 定频率的电压电 电流相乘累流信号，而实际电 加网的频率会有一 定允许范围内的 偏差，这会带来严 重误差；对存在谐 波 的条件下误 差更为严重。 功率三角法首先根据电同时适用于功率三角形 压电流的有效值5 0 h z 电网和6 0 h z关系仅对于电压 1 7 韭塞銮通太堂亟堂僮迨塞多功篮电篮盍丕统遮让 计算视在功率，根电网电流为标准的正 据实在功率和有弦信号时成立，计 功功率利用功率量带有谐波的电 三角形关系计算压电流将导致不 无功功率可忽略的误差。 9 0 度相移法将电压信号符合无功功引入h i l b e r t 首先经过一个9 0率定义的测量方滤波器增加了设 度h i l b e r t 相移滤法，适用于各种电计的复杂性。 波器，再将相移后网频率，适用于包 的电压信号与