1、东北农业大学毕业说明书电力载波通信抄表集中器硬件设计入学年级：2012年秋学生姓名：孟建鑫学 号：122033002011006所学专业：电气化及其自动化东北农业大学中国 哈尔滨2014年 目 录摘要21电力载波通信技术-2 1.1电力线载波通信中信号传输特征分析-2 1.2常用低压电力线载波通信技术-2 1.3扩频通信技术-2 1.3.1扩频通信的工作原理-2 1.3.2扩频通信的特点-2 1.4电力线载波通信的实现-21.4.1国外的电力线载波专用mode芯片-32电力载波抄表系统整体设计-3 2.1自动抄表系统的组成-33电力载波抄表集中器的硬件设计-4 3.1电力线载波远程抄表系统集中
2、器的硬件设计-43.1.1集中器的功能及技术指标-43.1.2集中器的结构框图-43.2集中器主控器的设计-53.2.1主控器的作用-53.2.2主控器的选型-53.2.3单片机w77e58的简单介绍-53.3数椐存储器的扩展-53.3.1数据存储器ram的选择-63.3.2硬件电路设计-63.3.3存储器的掉电保护-63.4时钟模块-73.4.1设计思想-73.4.2时钟模块的选择-73.4.3时钟模块与单片机的链接-83.5电力线载波通信电路的设计-83.5.1载波通信芯片sscp300的发送与接收原理-83.5.2单片机与sscp300通信的控制工作过程-93.6主控器与mode通信接口
3、-103.6.1mode的简介-103.6.2主控器与modem通信接口电路-103.7电源电路-114结语-125参考文献-12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，这篇论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。1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。和其他通信方式相比，具有投资少、施工期短、设备简单、通
4、信安全、实时性好、无中继和通信距离长等一系列优点。1.1电力线载波通信中信号传输特性分析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。1.2常用的低压电力线载波通信技术(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。(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并行信号，对相互完全正交的一组载波进行调制。(3) 扩频通信方式。扩频通信方式是一种简便、易实现
5、、价格低廉的方式。本文的低压电力线载波通信方式采用的就是扩频通信技术。1.3扩频通信技术扩频通信是目前应用广泛的通信技术，它相对于窄带通信系统来说有一定的优势，主要表现在扩频通信具有优越的抗干扰性能，它能够很好的克服电力线上的噪声和干扰，扩频通信用伪随机码把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。扩频信号具有较宽的频谱，因而分散了噪声功率，使干扰程度减小，提高了通信的可靠性。1.3.1扩频通信的工作原理在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收
6、到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息输出。1.3.2扩频通信的特点 (1) 抗干扰能力强 (2) 具有选址能力 (3) 抗多径干扰能力强1.4电力线载波通信的实现目前，低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。鉴于电力线的恶劣的通道特性，必须采用专用的电力线载波专用MODEM芯片，这也成为电力载波抄表系统的关键技术。因此电力线载波通信的关键就是选用一种功能强大的电力线载波专用MODEM芯片。1.4.1国外的电力线载波专用Modem芯片国外在电力线载波通信技术方面发展较早，多家国外公司陆续推出了自己的电力线载波
7、Modem芯片。下面简单介绍几种常见的Modem芯片：(1) ST7536芯片ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的Modem芯片。由于它是专用Modem芯片，所以除有一般Modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。 (2) SSCP300芯片SSCP300是INTELLON公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波Modem芯片,利用网络接口控制器将扩频通讯收发器和媒介存取接口高度集成化，是用于低廉的电能抄表系统的网络接口控制器，为一个高度集成化的电力线收发器和信道存取接口。(3) PL3105芯片PL3105芯片是北京福星晓程
8、公司为智能仪表应用设计的产品，它内嵌直接序列扩频单元2 电力载波抄表系统总体设计2.1自动抄表系统的组成图3-1是基于电力线调制解调器的自动抄表系统的结构示意图，系统以供电局的计算机抄表中心为主站，以电力变压器10KV/380V供电的每个小区为相对独立的子系统，集中器再通过公用电话网或专用通信网(如光纤或无线电通信等)把数据传送到供电局的计算机抄表中心。 由系统结构示意图可知，自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级传送完成，也可以根据实际情况的需要进行数据双向传输，该系统可分为五个主要组成部分：(1) 电能用户表；(2) 数据采集器；(3) 电力线Modem；(4) 集中器；(5) 计算机抄表中
9、心。 ModemModem电话网专业网电力线Modem采集器集中器低压/电力网电力线Modem供电局计算机抄表中心电能表 图3-1 系统结构示意图4抄表系统各组成部分的功能是:(1) 电能用户表对于电磁式电能表，需在表内加装一只传感器或光电模块，将电能表的数据转换成电信号输出；对于电子式电能表，则可以直接利用表的电脉冲输出。(2) 数据采集器数据采集器实际上是计一费终端和数据集中器中间的一个桥梁，它的主要功能在于同时采集多个用户电能表的电量脉冲信息，并经过处理和存储，通过电力线Modem沿低压电网送到集中器上。(3) 电力线Modem主要是对采集器送来的数据进行调制和解调，增强对低压电网的抗干
10、扰性和减低信道传输的误码率。(4) 数据集中器数据集中器是安装在小区的配电站区的，它的功能是向采集器发出命令，抄收计费终端的数据，然后再通过公用电话网络传送给远方的数据中心；数据集中器能够接收的数据中心的命令，并把相关命令再转发给辖区内的指定的数据采集器。此外，数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据，并把抄收到的数据存储到数据存储器中。(5) 计算机抄表中心通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设置用户编号和抄表时间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务。(6) 集中器与数据中心之间的通信数据集中器与数据中心之间的通讯采用公用电话网络作为通
11、讯媒介，自动抄表系统的数据中心与数据集中器之间的通讯主要是电话线Modem模块之间的通讯，借助现有的公用电话交换网（PSTN进行传输，来实现两地之间的数据通信功能。 (7) 数据采集器与数据集中器之间的通信低压电力线载波数据不能够跨越变压器，所以数据集中器基本上是被设置在住宅小区配电站以内，数据采集器与集中器之间的通讯采用低压电力线载波通信方式。3 电力载波抄表集中器的硬件设计3.1电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计集中器是集中下属的数据采集器的数据，并发给中心服务器，集中器有两个通信对象，面对不同对象时，需要采取不同的通信方式，集中器的信息存储和处理量较大，我们需采用处理速率较高的处理器
12、并进行存储器的扩展。集中器是安装在小区供电变压器低压侧，作为载波抄表系统的中心环节，是整个系统的核心，是连接机与用户电表之间的枢纽。3.1.1集中器的功能及技术指标设计任何一个产品之前明确它的功能和技术指标是非常必要的。集中器作为电力线载波抄表的一部分，起着上传下达的作用。集中器的主要功能有：(1) 抄收功能(2) 设置功能(3) 通信功能(4) 数据处理(5) 校时功能3.1.2集中器的结构框图集中器本身是由主控单元、数据库存储单元、时钟单元、载波通信单元、数据传送通信单元等部分组成。集中器既要做上位机的从机，又是载波电表的主机，其软、硬件的设计要求从根本上保证系统可靠、稳定。集中器的组成结
13、构框图如图4-1所示。电力载波收发电路时钟模块数据存储模块主控单元Modem接口电路公用电话网低压电力网图4-l 集中器组成结构框图3.2集中器主控器的设计 3.2.1 主控器的作用集中器是通信的枢纽，它负责中心计算机和采集终端之间的联系.主控器是集中器的核心部件，选择时一般从以下几个指标：价格、速度、位数、电压、功耗、系统扩展与驱动能力等。另外，件开发的难易也会在很大程度上影响用户的选择。3.2.2 主控器的选型在集中器的设计中，单片机既要与上位机通信，又要和电话网进行通信，所以需要两个串口。本文采用W77E58作为主控制器，在它的控制下进行数据的传送与接收。W77E58内含32KB Fla
14、sh EPROM，工作电压为4.5V-5.5V，具有 1KB片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上SRAM代替外部SRAM，可节省更多I/O口。其主要性能参数：(1) 8位CMOS微控制器 (2)每4个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为40MHZ (3)与标准80C52管脚兼容 (4)指令与MCS-51兼容 (5) 4个8位I/O口 (6) 3个16位定时/计数器 (7) 12个中断源，2级中断能力 (8)片上振荡器及时钟电路 (9)二个增强型全双工串行口 (10)32KB，Flash EPROM (11)256字节片内暂存RAM (12)片内1KB外部数据存储器（用MOV
15、X指令访问） (13)可编程看门狗定时器，软件复位，2个16位数据指针 (14)对外部RAM及外设的访问周期可以进行软件编程 (15)封装： DIP 40: W77E58-40 ，PLCC 44：W77E58P-40 ， QFP 44： W77E58F-403.3数据存储器的扩展W77E58片内数据存储器为1KB的SRAM。集中器要管理电表，对其进行数据集、处理、存储，仅片内1KB数据存储器是不够的，需要扩展外部数据存储器。SRAM 的典型芯片有2KB 的6116、8KB 的6264 以及32KB的62256,其中6264 芯片应用最为广泛。3.3.1数据存储器RAM的选择本文采用6264作为
16、扩展的数据存储器。6264是28脚双列直插式8KB 8位静态随机读取RAM，它具有容量大、功耗低、价格便宜、集成度高、速度快、设计和使用方便等特点。6264的技术特性：(a) 使用单一的+5V电源供电；(b) 最大存取时间为200ns；(c) 额定功耗200mW；(d) 采用CMOS工艺制造；(e) 输入和输出引脚均与TTL电平直接兼容；CS为片选信号OE为输出允许信号WE为写信号A0A12为13根地址线D0D7为8位数据线 图4-2 6264电路原理图逻辑符号13.3.2硬件电路设计图4-3 单片机存储器的扩展电路W77E58单片机由于受管脚的限制，在扩展存储器时，数据线和地址线是复用的。P
17、2口的P2.0- P2.4作为高5位地址线，在扩展了外部数据存储器后，PO和P2口P2.0- P2.4不能再用于其它功能。由于W77E58的低8位地址和数据分时复用，因此需要外部地址锁存器74LS373和ALE锁存信号来锁存低8位地址，它在下降沿锁存地址。3.3.3 存储器的掉电保护在单片机系统中，当主电源 DC 5V 失去时，我们称之为掉电。单片机允许在电压低至 2V 甚至更加小一些的电压供电时，仍然可以保证其最基本的运行。所以在系统正常工作时应该给电池充电。电池在主电源正常供电时，需要由主电源对其进行充电；当主电源失去时，又由电池放电以保持单片机系统的运行。图4-4 数据存储器的掉电保护电
18、路在本系统中，采集的用户电表数据都存储在外部扩展的数据存储器中，存储器一旦掉电，将失去所有数据，所以必须给数据存储器加掉电保护，防止数据的丢失。正常工作时，由VCC 5V电源供电，此时，VCC 5V 电源通过 D1 和 R1 ，对保护用电池进行充电，以保证电池电量的充足。当主电源失去后，电池通过 R1+R2 ，对存储器供电端口进行供电，供电电流通过 R1+R2 之后，会有压降，到达存储器的 VCC 端口时，电压就会比 3.6 低，一般会在 2V2.5 左右，但可以防止存储器中的数据丢失。3.4时钟模块3.4.1设计思想电力线载波抄表系统是一个与时间记录有很大关系的系统，上位机不但要从集中器采集
19、电表数据，还要知道固定时刻电表数据的值，因此实时时钟是必不可少的.将时钟放在集中器上还有利于上位机对时钟进行精确校时。3.4.2 时钟模块的选择本文选用的DS12887是DALLAS半导体公司新推出的实时时钟芯片,可直接取代DS1287,该芯片引脚少、体小、使用方便、价格便宜，功能丰富，应用广泛。它在工业控制及智能仪器仪表中有广泛用途,一般PC机内的时钟信号就是由DS12887提供的。DS12887的特点：(1)可作为个人计算机的时钟和日历；(2)与MCl46818B和DS1287的管脚兼容；(3)在没有外部电源的情况下可工作10年；(4)自带晶体振荡器及锂电池；(5)可计算到2100年前的秒
20、、分、小时、星期、日、月、年七种日历信息并带闰年补偿；(6)用二进制码或BCD码来表示日历和闹钟信息；(7)并有128字节带掉电保护的RAM。DS12887的管脚图如下：AD0-AD7：地址/数据，应接P0口；MOT：总线类型选择，与89C51连接时接地； CS：片选 ；AS：地址选通，与89C51连接时接ALE；R/W：读/写控制，与89C51连接时接WD； DS：数据选通，与89C51连接时接RD； RESET：复位，接+5V；图4-5 DS12887的管脚图 IRQ：中断请求输出。3.4.3 时钟模块与单片机的连接时钟芯片在智能电量测量仪的设计中有着广泛的应用，显示积累值及当前时间。DS
21、12887芯片在为系统提供时间信息的同时，还保证了积累值及其它重要数据在掉电情况下不致丢失 ，对时间的读取可以采用查询方式，即查询到位IRQ/为0时读时间，也可以采用中断方式使芯片每秒钟中断一次，在中断程序中读时间，为了提高工作效率 通常采用中断方式。16DS12887芯片与单片机的接口电路如图所示,因为与51系列单片机连接，所以MOT接地；片选CS接138译码器的Y2端；IRQ端接一上拉电阻连到W77E58的中断INT1端，即采用中断方式读取时钟参数，当允许DS12887向单片机申请中断，SQW端输出为500ns的方波；数据模式为BCD码，时间采取24h模式。由于DS12887内部带有锂电池
22、，可保证其正常工作达十年之久。所以不管外部供电电压如何，一旦启动DS12887的计时功能，它将自动地进行年、月、日、星期、时、分、秒的计时。并能保证在25环境温度的情况下，计时精度在1min/月的范围内。3.5电力线载波通信电路设计低压扩频载波模块主要由SSCP300低压电力线扩频载波网络控制器、前置功放和电力线藕合电路构成，负责对单片机送来的数据进行线性扫频调制，放大后藕合到电力线上，该模块与配变集中器的设计通信距离为1000米。在信道特性最恶劣的情况下，也要保证不小于600米。低压电力线载波通信的原理结构框图如图4- 7所示。 SSCP300缓冲器滤波器功率放大器前级放大器带通滤波器载波耦
23、合低压电力线图4-7 低压电力线载波通信的原理结构框图扩频通信技术是将信息在载波调制的基础上再进行扩频调制，将信号频带展宽成比信息带宽大得多的宽频信息带进行通信的一种信息传输方式。扩频通信具有很强的抗干扰性能，通过相关分析实现可靠的数据传输。线性调频信号的产生可由一个锯齿波信号调制压控振荡器来实现（与扫频信号相似）。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展，从而提高信噪比。最后对检出的信号进行解调及相关处理，恢复原始信息。3.5.1载波通信芯片SSCP300的发送与接收原理从SSCP300输出的信号幅度小、驱动能力弱，而且有各种谐波，因此要放大滤波，然后通过耦合电路将信号调制到电力
24、线上。电力线传来的载波信号由SSCP300接收，需一个带通滤波器，经过预放大再送到SSCP300的接收端，再送给单片机进行处理，单片机中存储的数据经过现有的电话网传送给控制计算机，控制计算机根据数据对供配电进行控制。下图为电力线载波通信模块图4-9 SSC300和SSCP111构成的电力线载波通信模块电力线载波通信模块是由SSC P300和SSC P111构成的,且由主处理器W77E58控制核心控制的。SSC P111媒介接口和电力线耦合电路部分完成缓冲放大、低通滤波和信号耦合等功能。SSC P300网络接口控制器,实现具体的数据链路层功能(包括数据包的发送和接收、发送字节到符号的转换、接收符
25、号到字节的转换及CRC的产生和校验等)。3.5.2单片机与SSCP300通信的控制工作过程单片机W77E58是整个模块工作的控制核心。首先解析上位机发送的命令和数据,根上位机的要求向电力线媒介发送和接收数据包，单片机对载波通信的控制是通过和SSC P300的交互来完成的。关于数据结构的详细信息和令协议的详细信息,请参见SSC P300的资料。 图4-11 SSCP300和单片机的通信 53.5.3 RS-232/RS485接口标准MODEM的通信接口采用的是RS-232标准。低电平规定为+3V+l5V之间，高电平为-3V-15V之间。MAX232是多路RS-232电平转换芯片，分别提供了两路T
26、TL/CMOS电平输入，RS-232电平输出及两路RS-232电平输入，TTL/CMOS输出的转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，只需+5V电源便可实现TTL电平与RS-232电平转换，使用起来十分方便。芯片的外围电路也很简单，只需4个电容就可正常工作。其通信接口电路如下图：图4-12单片机与计算机的通信7MAX-485芯片的1脚R0为接收器的输出，接TTL电平RXD信号；4脚DI为发送器输入，接TTL电平TXD信号；3脚DE为发送使能端，接+5V；2脚RE/为接受使能端，接地。因为MAX-485一端接计算机，如果直接与单片机连接会引入干扰信号，所以在MAX-485和单片机连接时，
27、需要加光电隔离器，防止干扰信号进入单片机系统，影响系统正常工作。3.6主控器与MODEM通信接口随着当代社会信息化的飞速发展，借用公用电话交换网进行信息传输的技术己经达到成熟阶段。这是因为公用电话网为模拟电话线路，数字信号不能直进入这样的信道，必须通过一个中间设备MODEM，它用来实现数字信到模拟信号和模拟信号到数字信号的相互转换，是一个重要的数据通信备。3.6.1 MODEM简介MODEM是一种智能型信号转换器，可将数据调制成音频信号，通过电话通信网传到对方的调制解调器。MSM7512B其主要特点为：(1) 可以和单片机的串行口直接相接；(2) 低功耗、单电源供电（3V5V）；(3) 两个状
28、态位： CD/为载波检测位（低有效）； RS/为数据发送使能位（低有效）；(4) MOD1、MOD2工作模式选择位；(5) AOG输入信号电平选择位；(6) 采用CCITTV.21标准，可进行1 200 bit半双工或1 200 bit收75 bit发两种方式的数据传送。3.6.2 主控器与MODEM通信接口电路 图4-13 MSM7512B与主控器的连接图4-14 MSM7512B与电话网的连接MSM7512B的工作模式选择MOD2和MOD1均接地，使芯片工作处于模式1，即采取1200bps速率的半双工工作方式。需要发送的数据存储在W77E58芯片内部RAM的对应单元，发送时从串行接口TXD
29、端输出，送到MSM7512B的XD端进行调制，变成相应频率的音频信号从AO输出，送到有线传输线路，经有线传输到下属各站点。R37/R30和R38/R31的比值即为输入、输出的放大倍数，可根据需要选择不同的阻值。3.7电源电路通常电子电路都需要电压稳定的直流电源供电。本文设计的稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压等四部分组成。其中，电源变压器将交流电网220V的电压变为电路所需的电压，本文中为5V电源。本文采用典型的稳压电源电路，电路图如下所示：图4-15稳压电源电路图10如图所示电路为输出电压 5V、输出电流1.5A的稳压电源。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标
30、准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。 4结语自动抄表技术这几年发展很快，尤其是在网络化测量技术、传感器技术、通讯技术飞速进步的强劲支撑下，表现出与燃气、水、热量等自动抄表技术的更加紧密地结合，并明显加快了融入现代综合化网络测量技术的步伐。二十一世纪是网络化时代，在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速发展下抄表方案也层出不穷。各种方案都有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。相信自动抄表系
31、统会有更加广阔的发展前景!5参 考 文 献1 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术M.北京：北京航天航空大学出版社，1993.2 张鑫.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，2005.3 庹华荣.基于扩频技术的电力线调制解调器设计D.安徽：合肥工业大学，2005.4 于晶晶.电力载波远程抄表系统的研究D.西安：西安科技大学，2006.5 李志俊.基于扩频载波芯片SSC P300的小区自动抄表系统D.武汉：武汉理工大学，2005.6 易小龙.电力载波通信技术在远程自动抄表系统中的应用J. 应用科技,2001, 28（1）：17-18.7 潘超群.单片机控制技术在通信中的应用MCS-51M
32、.北京：电子工业出版社，2008. 8 潘丽珍.电力线载波通信技术在远程抄表系统集中器中的应用研究D.太原：太原理工大学，2005.9 刘思久，王伟.基于P300芯片组的电力线载波通信模件开发J.电器与仪表，2003， 40（456）：37-41.10 康光华.电子技术基础 模拟部分（第5版）M.北京：高等教育出版社，2006.11 蒋瑞兰.低压扩频远程电能集抄系统研究D.兰州：兰州理工大学，2006.12 温明.基于公众电话网的远程数据采集系统的设计与实现D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.13 夏为民. 扩频技术在电力线载波通信中的应用研究M.南京:南京理工大学,2002.14 佟云峰.
33、时钟芯片DS12887在单片机系统中的应用J. 昆明冶金高等专科学校学报,2001, 17（1）：44-46.15 刘刚，韩恒，郝紫阳.DS12887在测量仪表中的应用J.安康学院学报，2007，19（2）：83-86.16 周向红，范伟. DS12887实时时钟芯片及应用研究J.企业技术开发，2006， 25（2）：6-8.17 宋一弘,高树江,刘伟东.基于P300电力线载波模块的智能住宅系统J. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版)，2002， 18（4）：425-427.18 张大伟.采用P300/P111芯片的电力线载波信道机的设计J.沈阳工业学院学报，2002，21（3）：26-30.19 史贤俊,聂子玲.基于SSC P300的电力线扩频载波通信电路的设计J.国外电子元器件,2002， 1：4-7.成 绩论文评阅组签字18
