趙靜

（云南電網公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100）

1 寬帶電力線通信技術

電力線是用來傳輸50Hz電能的，不是專門為數(shù)據(jù)或者語音傳輸而設計的信道，將其作為通信介質，情況十分復雜，具有線路阻抗小、變化大，信號衰減強、時變性大、干擾大，且存在多徑時延等缺點。隨著通信技術的發(fā)展，新的調制方式，特別是OFDM 調制方式的出現(xiàn)能很好地解決這些問題。

因此電力線高速數(shù)據(jù)通信技術,近年來得到快速發(fā)展，許多地區(qū)也已實現(xiàn)利用電力線上網。而本設計就是在此項技術的基礎上實現(xiàn)的。

2 系統(tǒng)結構設計

傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)結構，一般是電能表通過采集器、集中器和RS-485/RS-232總線連接，然后通過電話或電力線等有線網絡，或者無線通信網絡傳輸?shù)焦╇姽芾聿块T服務器。這種方案需要專門鋪設線路而且數(shù)據(jù)傳輸速率較低，并且要租用電信或移動公司的線路，花費較高。而本設計是在現(xiàn)有的電子電表上嵌入TCP/IP協(xié)議棧，利用寬帶電力線作為網絡傳輸?shù)男诺?，并通過以太網控制器，接入以太網。系統(tǒng)結構如圖1所示。

這種設計具有以下優(yōu)點：

1)基于IP寬帶局域網，采用TCP/IP協(xié)議，不需要鋪設專用的通信線路。

2)系統(tǒng)配置靈活，既可應用于行業(yè)主管部門，也可應用于小區(qū)管理。

3)利用標準的通信協(xié)議，便可以對各類電能表進行組網通信。

圖1 系統(tǒng)結構

圖2 單片機和RTL8019AS接口電路

4)管理中心可設在Internet上任意位置，可實現(xiàn)多級管理。特別適合行業(yè)管理部門或大型物業(yè)管理公司。

5)遠距離傳輸網絡采用IP寬帶網，接人可選用寬帶局域網或電力線網絡。

6)系統(tǒng)容量大，數(shù)據(jù)高速安全。

7)可同時提供電力線上網服務。

3 嵌入式電表的硬件和軟件設計

根據(jù)電力系統(tǒng)對電能計量的要求，結合裝有寬帶電力線的智能小區(qū)的管理模式，設計了基于寬帶電力線通信的嵌入式電表。

3.1 硬件設計

3.1.1 控制單元MCU

MCU作為智能嵌入式電表的核心部分，是實現(xiàn)自動抄表的關鍵所在。它主要擔負著對計量電路的數(shù)據(jù)處理和各種操作，如計算、存儲、顯示等，另外，還要根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議和TCP/IP協(xié)議將用戶電表的電量傳給上位機，以供管理人員統(tǒng)計、管理。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，MCU 選用C8051F02X。

美國Cygnal公司的C8051F02X系列單片機是集成在1塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機。該單片機具有32/64位數(shù)字I/O端口(引腳)、25 MIPS 高速流水線式8051單片機內核、64 k系統(tǒng)可編程Flash存儲器、64 k地址的外部存儲器接口、4 352(4 096+256)B片內RAM、各自獨立的 SPI、SMBUS/I 2C 和2個UART串行接口等。其最突出的優(yōu)點就是，通過設置交叉開關寄存器控制片內數(shù)字資源映射到外部I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應用，選擇通用I/O端口和所需要的數(shù)字資源。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲

由于在日常生活中會出現(xiàn)停電現(xiàn)象，在停電其間電表不能正常工作，MCU里面很多的重要數(shù)據(jù)(如用戶的用電量)需要及時存儲，否則，停電之后再上電訪問MCU時，會出現(xiàn)偏差(與停電前不相符)，給管理上帶來極大的不便。所以在掉電檢測電路檢測到MCU的電源低于正常工作電壓時。在很短的時間內，將MCU重要的數(shù)據(jù)存人外部數(shù)據(jù)存儲單元。

3.1.3 掉電檢測

掉電檢測電路，主要是檢測MCU的工作電壓是否處于正常范圍，一旦發(fā)現(xiàn)異常，便輸出信號提醒MCU進行數(shù)據(jù)保護處理。

3.1.4 以太網控制器RTL8019AS簡介

Realtek公司生產的RTL8019AS以太網控制器是一款高度集成的通用以太網接口芯片 ，該單片機接口簡單、功能強。RTL8019AS的主要特性如下：

1)符號EthernetII與IEEE 802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標準。

2)全雙工，收發(fā)可同時達到10 Mbit/s的速率。

3)內置16 k的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求。

4)支持 UTP、AUI、BNC 自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結構的自動極性修正。

5)允許4個診斷LED引腳可編程輸出。

6)支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇。

7)支持Flash存儲器的讀寫。

3.2 接口電路設計

單片機與RTL8019AS的接口電路如圖2所示。實現(xiàn)的網絡接口采用UTP(無屏蔽雙絞線)RJ-45接口。

在圖2中，ICCS16B是RTL8019AS 16/8位工作方式的選擇腳，當該腳為低電平時，工作在8位模式下；當為高電平時，工作在16位模式下。因為C8051F02X是8位單片機，所以ICCS16B通過下拉電阻接地。RTL8019AS的INTO接單片機的INTO腳。采用中斷工作方式由硬件地址連線可以計算當P2口為 (0COXXH-0DFXXH)，就可選中RTL8019AS的I/O地址240H-25FH。

采用10BASE-T布線標準通過雙絞線進行以太網通信，而RTL8019AS內置了10BASE-T收發(fā)器。所以網絡接口的電路比較簡單。外接1個隔離LPT10。TPIN±為接收線，TPOUT±為發(fā)送線，經隔離后分別與RJ一45接口的RX±、TX±端相連。

時鐘電路通過T1和T2接口、1個20 MHz晶振以及2個電容，實現(xiàn)全雙工方式。

3.3 軟件設計

嵌入式智能電表的功能軟件設計，主要包括以下一些程序模塊：對轉換電路輸出脈沖的采集、處理、顯示，完成和上位機的各種數(shù)據(jù)通信，如校對時鐘、上傳電量、定時抄讀、中繼上下表計等；可靠上電判斷；掉電檢測以及相應的數(shù)據(jù)處理；時鐘調用。在復費率的情況下，還有峰、平、谷時段的設置及判斷等。本文重點介紹一下和以太網連接的TCP/IP協(xié)議。

要想將電表接入到以太網中，必須通過軟件執(zhí)行TCP/IP協(xié)議棧。TCP/IP是一系列協(xié)議的總稱，是實現(xiàn)Internet通信的必不可少的部分，共包括十幾個協(xié)議標準。

在這里，要實現(xiàn)的是通過網絡讀取電表的讀數(shù)，由于操作簡單，不需要全部協(xié)議，只要執(zhí)行幾個必備的就可以了，如ICMP(因特網控制報文協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議)、IP(網絡層協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)。其中，IP 協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心協(xié)議，屬于IP層，負責將數(shù)據(jù)分組從源地址發(fā)送到目的地址，每一個分組中都含有一個目的IP地址，同時為了網絡間的連接，還要提供ARP，實現(xiàn)IP地址到主機MAC地址的映象。

現(xiàn)在適用于8051嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的公開源碼很多，可以很方便地移植到系統(tǒng)中，而且運行穩(wěn)定。下面重點介紹數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送過程。

(1)發(fā)送過程

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式封裝，同時需要設置以太網源地址和目的地址、協(xié)議類型，再按所設置的協(xié)議類型來設置數(shù)據(jù)段，之后啟動遠程DMA，并通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，再啟動本地DMA，然后發(fā)出傳送命令，完成幀的發(fā)送。

(2)接收數(shù)據(jù)

當RTL8019AS接收到1個以太網幀時，檢查這個幀的目的地址和CRC校驗正確時，便啟動本地DMA，把數(shù)據(jù)讀入接收緩沖區(qū)，然后，通過中斷通知單片機，單片機通過遠程DMA把RTL8019AS中的數(shù)據(jù)讀走。

4 寬帶電力接入端設計

電力Modem用于信號的調制解調及信號的傳送。電力線調制解調器主要是由電力線通信收發(fā)器、以太網物理層收發(fā)器、系統(tǒng)可編程單元、耦合電路和電源電路組成 ，如圖3所示。

本寬帶電力線接入端選用的是Intellon公司電力線通信收發(fā)芯片INT51xl。此芯片是一個高速率的MAC/PHY電力線收發(fā)器，利用它不需要鋪設任何新的線路，就可以在電力線上實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

INT51xl可以在惡劣的電力線通信環(huán)境下，實現(xiàn)速率為14 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，同時能夠根據(jù)信道上的信噪比(SNR)選擇可用頻率，以抵制頻率選擇性深度衰減、噪聲和多徑衰落。在低SNR的信道中，不使用導頻就可以實現(xiàn)同步。

在INT51xl中，MAC采用具有避免沖突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)方案，并具有優(yōu)先權設置和自動重復請求(ARQ)、通過報文封裝支持Ethernet報文可靠傳輸?shù)奶攸c。在保證服務質量(QoS)的前提下，為多媒體有效載荷(包括聲音、數(shù)據(jù)、音頻和視頻)提供必需的帶寬。

INT51x是采用Intellon公司的專利技術PowerPacket實現(xiàn)的，是與HomePlug1.0協(xié)議完全兼容的一款集成了電力線通信媒介訪問控制(MAC)層、物理(PHY)層和模擬前端(AFE)的電力線通信收發(fā)芯片。

它提供了USB1.1和以太網接口2種接口，內部還集成了媒體支持接口MII和普通串行接口GP-SI。為了實現(xiàn)外部MAC控制器的互聯(lián)，還提供了管理數(shù)據(jù)接口MDI和較為簡單的串行外圍接口SPI兩種選擇，以協(xié)助MII和GPSI接口的管理控制。

本設計運用以太網接口(INT51xl通過管腳D2、D3來選擇接口方式)，并需要芯片核心工作電壓1.5 V和I/O工作電壓3.3 V兩種工作電壓。

圖3 電力線接入端系統(tǒng)結構

以太網接口電路包括以太網控制芯片、隔離變壓器、RJ一45接口3部分。接收以太網上傳來的數(shù)據(jù)包，以太網控制芯片采用Micrel公司的KS8721B，它是一種高性能、高度集成的10/100 M自適應收發(fā)器，外加1個MII接口，完全兼容INT51xl的MII接口。

系統(tǒng)可編程單元選用串行EEPROM AT93C46，其中1塊用于存儲和保存MAC層地址和用戶默認的密鑰。通過高速同步串行通信接口SPI和INT51xl相連，完成高速數(shù)據(jù)通信。耦合電路起的作用，包括與電網的安全隔離以及從電力線提取高頻電力線通信信號到INT51x的模擬前端，或將INT51x的模擬前端的高頻電力線通信信號注入電力線上。

5 系統(tǒng)軟件設計

抄表軟件運行于Windows系統(tǒng)，使用VC++編寫，通過ODBC接口與Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)連接。抄表系統(tǒng)管理中心服務器與以太網的通信程序，主要功能包括：

(1)遠程抄取并存儲整個系統(tǒng)各個基表內的所有數(shù)據(jù)。

(2)實時計算出應交納的費用，便于用戶隨時查詢。

(3)可以進行實時的用電分析及實時監(jiān)控。用戶數(shù)據(jù)管理功能，包括對每個數(shù)據(jù)項的修改、查詢，用戶的增添、刪除、排序等，以及著重顯示拖欠費用的用戶，以供提醒。

6 抄表系統(tǒng)的可靠性分析

由于抄表系統(tǒng)屬于計費系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信量不大，因此在所有的通信指標里，可靠性排在首位。而我們知道，寬帶電力線通信主要是用來提供接入網絡服務的，它的實時性、高帶寬和高可靠性都超出抄表系統(tǒng)所要求的性能指標。

寬帶電力線通信同時也是彌補傳統(tǒng)電力線載波或者其他總線通信可靠性能差缺陷的最佳選擇。因為從硬件和軟件2個方面采取了一定措施，盡量減少線路故障等外在因素帶來的影響。如前面硬件電路里加上數(shù)據(jù)存儲單元，以備在線路斷了的情況下，可以把重要的數(shù)據(jù)存儲起來；在軟件網絡安全上，設計了加密算法，對每個設備設置密碼，同時對所發(fā)送的數(shù)據(jù)采取加密措施，保證了數(shù)據(jù)通信安全可靠。

7 結束語

相信隨著寬帶電力線通信的發(fā)展，以及智能化小區(qū)的建設，以太網抄表方式將會有更光明的前景。

[1]魏柳欽，曹國朗，孫蕊.遠程自動抄表技術及應用.[J].加入WTO和中國科技與可持續(xù)發(fā)展——挑戰(zhàn)與機遇、責任和對策（上冊）.2002.09.05.