萬照坤

1 引言

電力線載波自動抄表系統(tǒng)融合了通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及先進的管理服務(wù)理念，由于采用雙工通信，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、遠程監(jiān)控、實時或定時完成系統(tǒng)計量表的抄、核、收、查、控等功能。通過將其應(yīng)用于遠程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)抄表自動化，強化對用戶的用電信息、計量信息的實時采集和異常分析。因此，亟需對電力線載波通信信道在遠程自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用方式進行詳細探究。

2 電力線載波通信信道特性

電力載波通信技術(shù)是利用電力線作為信息傳輸媒介來進行信息傳輸。電力線是為傳輸50Hz交流電能而設(shè)計的，其傳輸特性難以直接滿足載波通信的要求，電力載波信道特性復(fù)雜，通信環(huán)境惡劣，主要特性如下。

2.1 噪聲干擾大

電力線所處的環(huán)境復(fù)雜，并在電力線上接有各種各樣的大功率用電用器，當(dāng)這些大功率用電器工作時，會產(chǎn)生噪聲干擾信號，這些干擾信號會沿著電網(wǎng)傳播。研究表明：這些噪聲主要包括有色背景噪聲、窄帶干擾噪聲、突發(fā)性噪聲和周期脈沖噪聲等，會造成電壓電流的劇烈變化等特點，對電力線載波通信的質(zhì)量影響最大，必須采取先進的技術(shù)手段加以克服。

2.2 信號衰減復(fù)雜

在電力線上接有各種大功率用電設(shè)備，用電設(shè)備的突然切入或斷開，除了產(chǎn)生突發(fā)性噪聲以外，對載波信號傳輸產(chǎn)生嚴重影響，使載波信號的衰減變得非常復(fù)雜。研究表明：電力線上的信號衰減不僅與距離的變化有關(guān)，還跟工頻電源的相位有關(guān)。

2.3 隨機性與時變性較強

電力線主要用于傳輸電能，直接面向用電用戶，電網(wǎng)的用電負載隨時都會發(fā)生變化，使信道的傳輸函數(shù)隨時間變化而變化，因此，電力載波通信信道是隨機變化的，具有較強的時變性。

3 電力線載波通信信道在遠程自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用方式

遠程自動抄表主要是通過現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動采集電表、水表等計量表的讀書。這個遠程系統(tǒng)主要包括了用戶基本用電信息的記錄的最底層、對用戶電能表存儲的數(shù)據(jù)進行采集、存儲和輸送的采集層、接收采集層信息并下達抄表命令的集中層和對系統(tǒng)各部分的控制與管理等最多功能的數(shù)據(jù)中心這個系統(tǒng)最高層。多種方式比較，選擇用電力線的通信媒體方案，就可以充分的利用現(xiàn)有的已經(jīng)鋪設(shè)完好的電力線網(wǎng)，無須重新拉線，顯得最具竟爭力和應(yīng)用前景。電力線載波通信，是將信息調(diào)制為高頻信號（一般為50～500kHz）并疊加在電力線路上進行通信的技術(shù)。其優(yōu)勢是利用電力線作為通信信道，不必另外鋪設(shè)通信信道，大大節(jié)省投資，維護工作量少，可靈活實現(xiàn)“即插即用”。

4 基于電力線載波通信的遠程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用實例

4.1 系統(tǒng)組成及工作原理

本住宅小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)由用戶抄表控制器、交流220V電力線、通信轉(zhuǎn)換器、CAN通信總線、CAN總線接口卡和小區(qū)管理計算機等組成，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.2.1 用戶抄表控制器硬件設(shè)計

用戶抄表控制器由微處理器、數(shù)據(jù)輸入接口電路、看門狗及數(shù)據(jù)存儲電路和電力載波通信接口電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，微處理器采用了目前應(yīng)用廣泛、功耗低、性價比高，且具有8K字節(jié)可在線重復(fù)編程的FlASh只讀程序存儲器、256字節(jié)RAM、32位I/O口線、3個16位定時/計數(shù)器和兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)的ATMEl公司生產(chǎn)的寬工作電壓、高性能CMOS8位單片機AT89C52。數(shù)據(jù)輸入接口電路采用了光電隔離輸入和分時采集數(shù)據(jù)的措施，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性?？撮T狗及數(shù)據(jù)存儲電路采用了可編程控制集成電路X5045.該集成電路具有上電復(fù)位、電壓監(jiān)控、看門狗定時器和串行EEpROM四種功能，且存儲容量為512×8位，用于存儲單片機的重要數(shù)據(jù)。電力載波通信接口電路采用了ST公司生產(chǎn)的ST7538芯片作為信號調(diào)制解調(diào)芯片，該芯片是一款半雙工、同步/異步、FSK調(diào)制解調(diào)器，它專為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計，具有功能強、集成度高、抗干擾性好等多種特點，已在電力載波通信中得到了廣泛的應(yīng)用。它使用單電源供電，具有看門狗、輸出電流電壓控制、時鐘輸出、起始檢測和超時機制等功能。它有8種載波頻率可供選擇，在同一時刻只能選擇一種載波頻率使用。通過串行口與微處理器交換數(shù)據(jù)，在使用TXD、RXD、ClR/T交換數(shù)據(jù)時，由REG－DATA和RXDX來管理數(shù)據(jù)的傳輸，其工作模式有四種：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、寫控制寄存器和讀控制寄存器等，其電力載波通信接口電路如圖3所示。

本用戶抄表控制器工作過程為：AT89C52微處理器分時循環(huán)接收從數(shù)據(jù)輸入端口輸入的各表數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與其上一次接收的數(shù)據(jù)進行比較，若二者相等則不發(fā)送數(shù)據(jù)，若二者不等則發(fā)送數(shù)據(jù).發(fā)送數(shù)據(jù)時，ST7538通過其RAI端對交流220V電力線上是否有載波通信信號進行檢測，若有，則繼續(xù)保持監(jiān)測，若無，則微處理器就控制ST7538將表傳來的數(shù)據(jù)加于載波上，經(jīng)功率放大、濾波后，再經(jīng)高頻變壓器T將數(shù)據(jù)通過電力線上傳至本用戶所在樓的通信轉(zhuǎn)換器。

4.2.2 通信轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計

通信轉(zhuǎn)換器由微處理器、電力載波通信接口電路、看門狗及數(shù)據(jù)存儲電路和CAN總線通信接口電路等組成。其中，微處理器也采用了ATMEl公司生產(chǎn)的寬工作電壓、高性能CMOS8位單片機AT89C52.電力載波通信接口電路和看門狗及數(shù)據(jù)存儲電路與前述用戶抄表控制器的相似。CAN總線通信接口電路采用了CAN控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動器82C250.SJA1000是phIlIpS公司生產(chǎn)的支持CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器，它的引腳和電氣參數(shù)與其早期產(chǎn)品pCA82C200完全兼容、支持11位和29位標識碼、通信速率高達1MBpS、可與多種微處理器接口、適應(yīng)溫度范圍大。82C250是物理總線和CAN總線控制器之間的接口，其可提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，具有與ISO11898標準完全兼容、高速率、過熱保護、低電流待機、未上電節(jié)點不會干擾總線等特性，其CAN總線接口電路如圖4所示。

圖4 CAN總線通信接口電路

4.2.3 CAN總線接口卡硬件設(shè)計

CAN總線接口卡由微處理器、CAN總線通信接口電路、RS232通信接口電路等組成，微處理器也采用8位單片機AT89C52.CAN總線通信接口電路與前述的相同。RS232通信接口電路采用了美信公司專為計算機的RS232標準串口設(shè)計的接口電路芯片MAX232，它使用單電源＋5V供電，含有2路發(fā)送和接收器，可實現(xiàn)TTl/COMS電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換，能耗低。RS232通信接口電路較常見。

4.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由用戶抄表控制器程序、通信轉(zhuǎn)換器程序、CAN總線接口卡程序和小區(qū)管理計算機程序等組成。這里僅對用戶抄表控制器程序設(shè)計進行一下介紹，抄表控制器上電后，首先對其進行初始化，然后接收各計量表的數(shù)據(jù)并暫存，接著監(jiān)測電力載波通信線是否空閑，若空閑就發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，繼續(xù)監(jiān)測，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，延時30s再繼續(xù)進行下一個循環(huán)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。相鄰的兩個數(shù)據(jù)接收和發(fā)送循環(huán)間之所以延時30s，是考慮到該抄表系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集實時性要求不是太高。具體的程序流程圖如圖5所示。

圖5 用戶抄表控制器程序流程圖

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要結(jié)合實例，對電力線載波通信信道在遠程自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用方式進行了詳細探究，經(jīng)使用證明，其數(shù)據(jù)傳輸可靠，運行穩(wěn)定、安全，能夠有效克服電力載波通信距離短的不足的缺陷，同時安裝、使用方式便捷，值得推廣和應(yīng)用。

[1]高新賀，劉萌，徐廣，等.基于電力線載波通信技術(shù)的自動抄表系統(tǒng)路由算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（5）：70～73.

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