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(mén)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(chǎng)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?yè)Q成具有載波功能的電子式電能表，直接通過(guò)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(guò)電力線將用電信息經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)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(lái)的開(kāi)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(kāi)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(shì)，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(jí)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(duì)外界各種干擾的抵抗能力，采用光耦器件NEC2501來(lái)隔離采集器的內(nèi)、外信號(hào)，并為外部輸入脈沖信號(hào)提供獨(dú)立的電源供電。采集到的脈沖信號(hào)經(jīng)光耦器件轉(zhuǎn)換后，通過(guò)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(duì)這些信號(hào)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(lái)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(hào)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(hào)波形含諧波，為減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，需要進(jìn)行濾波整形。經(jīng)過(guò)LC串聯(lián)電路完成濾波整形后，再通過(guò)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(zhǎng)通信距離。在接收電路中，收到的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)有效吸收衰減后，由LC并聯(lián)諧振回路對(duì)信號(hào)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(guò)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(zhǎng)。