單相智能電表之電力線載波通信1、爭論設計背景綜述低壓電力線載波PLC(PowerLineCarrier) 通信是以低壓配電線(380V／220V)作為信息傳輸媒介進展數據或語音等傳輸的一種特別通信方式。電力線網絡是目前掩蓋范圍最廣的網絡，有著巨大的潛在利用價值。國外對此爭論已有近百年的歷史，在理論和技術上有著確定的優勢。我國電力網比較獨特，直接利用國外先進技術和產品并不能取得令人滿足的效果。目前國內參與低壓電力載波通信爭論的公司、高校及爭論機構日益增多，已經在通信信道的特性分析和建模、關鍵的調制技術的爭論、通信芯片及相應產品的研制和應用、市場化運營及相關法規制定等方面取得了肯定的成果。開展歷程及現狀國外開展狀況電力線是最普及、掩蓋范圍最為寬闊的一種物理介質，因此，電力線載波通20年月的產物，現在利用電力線高速數據通信技術仍舊是國內外很多大公司的熱點。97NorwebNortel()利用丌發的數字電1Mbits的速率數據傳輸的遠程通信，并進展了該技術市場推廣。隨后，很多國家爭論機構紛紛開展了高速電力線通信技術的爭論和開發，產品1Mbit／s2、1424Mbit／s甚至更高。PLCIntellon14、5485200Mbit／sDS245200Mbits芯片等等。其中Intellon14Mbit／s芯片應用最為普遍，大局部電力線載波系統都是基于該芯片開發的。目前，電力線載波通信在歐洲開展比較快，歐盟為促進電力線載波技術開展，在2023年啟動了OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance) 的方案，致力于制定歐洲統一的PLC技術標準，推動大規模的商業化應用，并將PLC作為實現信息化歐洲的重要技術手段。美國也不甘示弱，在它提倡下成立了“家庭插電聯盟〞，致力于標準爭論，1/15PLCHome．Plu910。PLC的態度，經受了從初期疑心否認、到開放試驗、直至今日的樂觀推動的三個階段。PLC將來PLC商業化只是一個時間問題。國內開展狀況相比國外而言，我國的電力載波通信起步較晚，但開展快速。最早開放爭論1997年由中國電力科學爭論院進展的對我國低壓配電網傳輸特性和參數的90年月末期，針對國內電網特性而設計的載波處理方案的制定使得早期產品在穩定性上逐步接近有用。2023年我國開頭引進國外的PLC芯片，研制2Mbps2023年末，國家電力總公司公布了關于利用電力線載波集中抄表2023年初成立了電力線通2023信〞技術的核心產品一電力調制解調器及多個相關產品，其傳輸速率可以到達10Mbps。2023年初，國家電力公司在北京廣華軒小區進展了通過電力線上網的試驗，小區用戶2023EPLC45MEPL．14M2023年以中電飛華公司為代表，已在北京開通了 5個以上的電力線上網試驗小區，用戶反映格外滿足，只是網速會在特定的時候突然衰減。近十年來，包括清華大學、西安交通大學和華中科技人學在內的高校和科研單位及困內相關公司對低壓電力載波通信進展了大量爭論， 并取得了肯定的成果[91。國內前期的爭論主要側蕈于利用國外已有的固化PLC調制技術和芯片進展擴開放發。近幾年針對國內配電網的信道特性所進展的調制技術的爭論及載波芯片研制取得了突破。但是目前國內相關的法律法規及政策還不健全，如何充分開發仍需要很長一段時間的爭論和摸索。電力線載波通信前景以及爭論重點由于低壓電力載波通信技術已經漸漸成為國內外通信領域的爭論熱點， 其具有極大的市場潛力和寬闊的應用前景。由于我國低壓電力網格外獨特，通信環境相當惡劣，不利于通信信道的分析和建模，更不能直接利用國外的技術和產品。2/15但隨著國內越來越多的爭論機構和公司的參與，我國的低壓電力學載波通信消滅論文方興未艾的局面。自主電力載波芯片的研制標志著我國在這一領域邁出了實質性的一大步。目前國外不少重量級公司(例如Microsoft 、Intellon 、3COM、AMD)都不惜昂揚的研發費用，致力于高速、牢靠、平安的低壓電力載波通信系統5～10年內的爭論重點將包括四個方面：(1)低壓電力線通信信道的分析和建模； (2)載波通信關鍵技術的爭論lrlO,J ；(3)高速、平安且低功耗的電力載波芯片和模塊的研制；(4)相關組織、技術標準和法律法規的建設。其具體的應用方向除了遠程自動抄表及監控治理系統、家居智能化以及型智能化小區外，在農業節水澆灌監測與掌握和農產品流通過程信息化方面也將有著寬闊的應用前景。2、爭論設計過程功能模塊介紹單相智能電表總的框圖如以以下圖所示：1、單相智能電表框圖采集器信號采集，通過穿將假設干用戶單元的信號轉換成數字信號傳遞到單I/O口，輸入的采集信號將承受單片機的處理、存儲并在接收到發送信號以后，通過對通信芯片的掌握，把信號轉化為能夠在電力線傳到的特別波形信號使信號在電力線網絡上進展傳導，然后在另一端的電力載波通信芯片將偵測到該信號，并將其轉換為數字信號傳輸給集中器，集中器通過與上位計算機的通信將采集到的信號統一處理并加以掌握，以到達整個網絡實現的通信目的。其中，電力線載波通信系統由載波耦合電路、信號發送電路〔信號功率放大電路和功率輸出掌握電路〕、濾波接收單元〔承受濾波電路和解調電路〕、電力線載波擴頻通信芯片等組成。其主要模塊框圖如以以下圖2所示：3/15輸出功率掌握電路線 信號功率放大電路 載波芯片力電載波耦合電路 濾波接收單元2、電力線載波通信模塊框架圖軟件介紹本次設計當中，主要用Protel99SE 軟件進展設計和仿真。Protel99SE 是Protel 公司近10年來致力于Windows平臺開發的最結晶，能實現從電學概念設計到輸出物理生產數據，以及這之間的全局部析、驗證和設ProtelPCB〔印制電路板〕設計工PCB為核心的整個物理設計。最版本ProtelOrcad、Pads、Accel(PCAD)EDA公司設計EDA平臺。Protel99SE 5PCB設計〔包含信號完整性PLD設計。以下是一些Protel99SE的局部最功能：30多種格式的電氣連接網絡表；◆強大的全局編輯功能；◆在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；PCBPCB圖間允許雙向穿插查找元器件、引腳、網絡PCB〕，也可以進展反向注釋PCBPCB在設計上的全都性；◆滿足國際化設計要求〔包括國標標題欄輸出， GB4728國標庫〕；便利易用的數模混合仿真〔兼容SPICE3f5 〕；4/15CUPL語言和原理圖設計PLD，生成標準的JED下載文件；PCB3216-16個機加工層；◆強大的“規那么驅動〞設計環境，符合在線的和批處理的設計規那么檢查；◆智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；◆供給大量的工業化標準電路板做為設計模版；◆放置漢字功能；DXF、DWGAutoCAD等軟件的數據交換PGABGA封裝很有用〕；◆便利的打印PCB3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果；CAM件、測試點報告等；◆經過充分驗證的傳輸線特性和仿真準確計算的算法，信號完整性分析直接從PCB啟動；◆反射和串擾仿真的波形顯示結果與便利的測量工具相結合；◆專家導航幫您解決信號完整性問題。常用電力線載波通信技術窄帶通信方式窄帶通信方式價格低廉并且較易實現，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力量較差，盡管窄帶通信中的接收器具有較窄的寬帶，使得僅有一小局部噪聲能進入接收器，但由于此類接收裝置中的濾波器具有高品質因數，瞬間的脈沖噪聲會使其發生自干擾，引起它對傳輸來的信號產生誤操作；而是用低品質因數的濾波器又會使通帶帶寬加大， 令更多的噪聲進入接收器，所以窄帶通信對脈沖噪聲的抵抗性較差。雙音多頻調制方式雙音多頻是利用數字合成技術的一種編碼方式，是窄帶頻率調制的一種，傳輸信號的方式不是脈沖而是由兩個音頻信號組成的混合信號， 在程控 系統中已經有廣泛應用。線性調頻脈沖方式5/15CSMA網絡，它利用一系列短促的、可自同步的ChirpsChirps100毫秒，它代表了最根本的通Chirps信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，其線性加速度也較高，而等幅震蕩波干擾的頻率加速度一般是穩定的，所以只要將濾波器設計成只能通過具有特定角速度的信號，就可以將等幅震蕩波干擾排解在外。多載波調制方式多載波調制是一種多載頻并傳體制，其根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展調制。因此，多載波調制方式技術的實質是將時分多路的數據傳輸轉換為頻分多路的數據傳輸。由于各載波之間的正交性，完全消退了彼此之間的串擾，同時可以在接收端利用一樣的正交載波組來恢復原始信號。擴頻通信方式有用擴頻技術在上個世紀50年月中開展起來，起初擴頻技術只用于軍用通信、制導等軍事領域，由于它具有很多特點，使得其理論和實踐開展快速。擴頻通信技術在90年月才開頭應用到民用上，目前已經在低壓電力線通信商得到廣泛應用，并已經取得了很大的開展，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、價格低廉的方式。芯片選擇以及介紹國外很早對電力線載波通訊技術進展了爭論，多家公司推出了自己的電力線載波modem 芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區電網(480Y/277V，208Y/120Vac)的標準頻率范圍100kHz~450kHz 和針對歐洲地區電網(400Y/230Vac)的標準頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區電網特點，承受各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem 芯片是針對本地區電網特性、電網構造，且一般是針對家庭內部自動化而設計，在國內使用都難盡人意。實現電力線載波數據傳輸的關鍵是要抑制電力線上所存在的問題，歸結起來就是功能強大和性能優越的電力線載波專用modem 芯片的設計和應用。為此，在進展本工程的設計時，我們在芯片選擇上花了極大的功夫。6/15現有幾種電力線載波芯片比較幾種電力線載波芯片比較表FarhillSep9,2023ST7535SSCP200型號 LM1893 ST7536SSCP300PLT-22ST7537SSCP485調制方式 FSK FSKSSCBPSK窄帶132kHz()帶寬特點 窄帶100-400KHz50-300kHz115kHz()靈敏度 2mV 2mV1mV信號動態110dB 60dB范圍70dB80dB波特率時鐘 無 無無有緩存 無 無有無(1)XR2210/XR2206 LM1893這是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206 是一組FSK方式的調制解調芯片，并不是特地針對電力線載波通訊設計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導體公司生產的modem 芯片，承受FSK調制解調方式。它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款modem 芯片在國內根本沒有承受。(2)ST7536ST7536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，還針對電力線應用參與了很多特別的信號處理手段。目前，在國內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是半雙工的FSKmodem 芯片，600bps 時靈敏度為2mV，1200bps 時靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊承受了數字濾波器、AFC(自動頻率掌握)、ALC(自動輸出幅度掌握)以及軟7/15件上的3字節容錯等現代通訊技術。ST7536 也是較早的電力線載波modem芯片，調制解調技術是較落后的 FSK方式，加上 3字節容錯，最高波特率只能到達400bps。另外它無CSMA(網絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線載波抄表領域， ST7536是最適合的modem 芯片。但它通訊距離不是很抱負；需要作中繼器時，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按

1200bps 計833μs中斷一次，對更簡單的應用來講，833μs(3)SSCP300SSCP300Intellonmodem芯(Chirp)DSPCSMA技術以及標CEBusmodemmodem芯片的開展趨勢。但在國內電力線載波抄表領域使用效果還不如較早的 ST7536。究其緣由，SSCP300 Intellon公司按北美地區頻率標準、電網特性，特別針對家庭自動化而設計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可承受線－地藕合方式。由于針對家庭自動化，主要一家一戶式獨立住宅，所以在通訊距離上，它還承受陷波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網的家庭局域網的應用。(4)PLT-22PLT-22是Echelon 公司最電力載波收發器，它是針對工業掌握網而設計的。它承受BPSK調制解調技術以及多種容錯及糾錯技術，目前在中國電力線網上應用效果較抱負。但是由于它是 Lonworks網絡專用，使用該模塊設計低壓電力線載波Modem時，必需協作含嵌人式網絡操作系統的專用 Neuron芯片來完成掌握操作。因此，整個系統的本錢較高，僅適用于某些專業通信的領域，無法應用于類似民用電能表等對價格敏感的場合。國產載波芯片PL3200介紹考慮到國內電力線狀況簡單，諧波較多，通訊環境惡劣的狀況，我們最終承受北京福星曉程電子科技股份開發的PL3200系列載波芯片，該芯片能夠穩定工作于國內電力線環境。PL3200內嵌有增加型8051兼容微處理器，使得設計電路時可以到達一個芯8/15片實現多中功能的作用，大大節約了開發時間，也使得電路板整體電耗掌握在很小的范圍，增加了電路的牢靠性，PL3200內置256bytes+1024bytesSRAM bytes的EEPROM，協作8051處理器實現程序的存儲，在電能計量局部，能提供高精度電能計量，供給有功功率和無功功率瞬時值輸出，指示正負功，介于PL3200的強大功能，比照了眾多電力線 modem之后我們小組打算承受80針腳的PL3200實現工程設計。PL3200芯片主要特點是：〔1〕高精度電能計量單元〔2/解調電路120KHz載頻，帶寬15KHz500bps接收靈敏度：50mVRMS(500bps)1000m抗干擾力量：抗20倍功率的噪聲-80dB9/15〔3〕數字調校實時鐘〔451內核〔5〕16KBYTESE2PROM 片內程序存儲器，支持ISP〔在系統編程〕〔6LCD/LED/驅動電路〔7〕內置兩個全雙工串口：38KHZRS485通信模式〔8〕電源電壓監測、看門狗電路3、模塊設計結果3.1電力線耦合模塊低壓電力線是一種通信環境格外惡劣的信道，有很多問題有待進一步爭論。低壓電力線傳送著220V/50Hz的電能，在低壓電力線上并接了很多不同阻抗的用電器，低壓電力線的這一固有特點，給低壓電力線通信帶來了很大的困難。因此，低壓電力線通信必需首先解決以下兩個難題：150Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾；同時，考慮到整個通信系統的平安，必需進展強電隔離。2〕低壓電力線上并接的全部用電器的“統計載波阻抗〞要高，以確保較高的載波信號加載效率。上述問題，正是低壓電力線通信的耦合技術問題，也是耦合電路好壞的唯一評價標準。依據低壓電力線通信耦合技術的要求：一方面，必需進展強電隔離；另一方面，要確保較高的載波信號加載效率。為此，必需承受“電磁耦合〞與“阻容耦10/15合〞相結合的“復合耦合技術〞。T1有著雙重作用。一方面，耦合載波信號；另一方面，使通信電220v50Hz的強電隔離。假設不使用隔離變壓器，而是使用電感作為高通濾波器的感性元件，那么電力線就會直接連到低壓電路的公共端，電力線載波芯片無法承受如此高的電壓。由于低壓電網的工頻和本系統擴頻信號的信號頻率〔120KHz2500倍，因此電容和耦合線圈原邊電感對這兩種頻率信號的阻抗各不一樣。對于工頻信號，電容的阻抗遠大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容120KHz的載波信號，線圈原邊電感的阻抗遠遠大于電容的阻抗，所以系統載波信號幾乎都加在了耦合線圈上。這個電路能把工D7起著防沖擊電壓作用，最大雙18VD1、D2起限幅作用，用來保護后續電路。其調諧回路的諧振頻率應滿足：1f02 LC假設將中心頻率選在感 L的取值在

460kHz，電容取值為22nF,經計算可得電5.7微亨左右，即通過調整變壓器初級繞組電感量來調整中心頻率。T1將電力線與耦合電路的其余局部相隔離，從電力線上承受載波信號，濾除來自電力線上得干擾噪聲。信號功率放大電路低壓電力線一般是由銅或其他電的良導體加上而成，其本身的阻抗很小。220V電力線不是抓用的通信線，電力線上有大量的用電負載和電力設備〔如無功補償電容等〕，這些器件對載波信號的衰減格外嚴峻，其高頻等效阻抗變化范11/150.1200歐姆，這就使其信號衰減值嚴峻100dB以上