（电子科学与技术专业论文）电力载波集中抄表器设计与开发.pdf

硕l 学位论文 a b s t r a c t c e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gs y s t e mr e f e r st oa ni n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e m w h i c hc a nr e c o r dt h eu s e r s c o n s u m p t i o no fe l e c t r i ce n e r g yw i t h o u tp o w e re m p l o y e e s p r e s e n t i n g t h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e rr e a d i n gm e t h o dh a ss o m ed e 6 c i e n c i e ss u c h a sh e a v yw o r kl o a d ，l o ww o r ke f 6 c i e n c y ，w h i c hg r e a t l yi n f l u e n c e st h ei m a g eo f p o w e r e n t e r p r i s e h o w e v e r ， l o w - t e n s i o nn e t w o r kh a s m a n ys u p e r i o r i t i e s ，s u c h a sw i d e c o v e r a g e ， c o n v e n i e n tjo i n s ， e s p e c i a l l yi t c a nc o m m u n i c a t ew i t h o u ta n ya d d i t i o n a l l i n e s ，e c o n o m i z i n gm u c hm a n p o w e r ，m a t e r i a la n dn n a n c i a lr e s o u r c e s p r o p o s e di nt h e p r e s e n tt h e s i s ，t h ec e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gd e v i c eo fp o w e rc a r r i e re m p l o y sp o w e r l i n e sa st h ep r i m a r yc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ，a n dr e a d st h ed a t ao fe l e c t r i ce n e r g y m e t e r sb yp o w e rc a r r i e ro rr s 4 8 5 a f t e rt h ec o l l e c t e dd a t aa r ep r o c e s s e db yc p ua n d m e a s u r e m e n tm o d u l e s ，t h e ya r et r a n s f e r e dt ot h em a s t e rs t a t i o nt h r o u g he t h e r n e to r 3 gn e t w o r ks i g n a l s i nt h et h e s i s ，n r s t l yt h eb a c k g r o u n d ，s o u r c ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c ha r e i n t r o d u c e d ，m e a n w h i l et h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o n so fc e n t r a l i z e dm e t e r r e a d i n gd e v i c e so fp o w e rc a r r i e ra th o m ea n da b r o a da r ed e s c r i b e d t h e nt h eo v e r a l l d e s i g no fc e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gd e v i c e so fp o w e rc a r r i e ri sa n a l y z e d ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo f s p r e a ds p e c t r u m o fp o w e rc a r r i e r ，t h e d i g i t a l m o d u l a t i o ns y s t e m ，t h ec h o i c eo fc a r r i e r c h i p s a n dt h e i rt e c h n i c a li n d e x e sa r e i n t r o d u c e di nt h ep a p e r e a c hm o d u l eu n i to fh a r d w a r ec i r c u i t ，w h i c hi s d e s i g n e d b a s e do ni t sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，i sp r e s e n t e di nt h et h e s i s c o n c e n t r a t o rh a r d w a r e i n c l u d e sap o w e rm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ， m e t e r i n gm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h ep o w e rm o d u l ea d o p t sc p u ，c a r r i e rm o d u l e ，3 gm o d u l ea n ds oo nt o s u p p l yp o w e rr e s p e c t i v e l yi no r d e rt oe n h a n c ei t sa n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y t h e c h i po fc p ui sa t 9 1s a m 9 2 6 0p r o d u c e db ya t m e l ，a n dt h ed e s i g no fi t sp e r i p h e r a l c i r c u i ti si n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h ec h i po fc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i st c s 0 81cp r o d u c e db yd i n g x i ni nq i n g d a o ，a n di t i sac o m m u n i c a t i o nc h i pb a s e d o nd i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ， w h o s em o d u l a t i o nm o d ei s f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ( f s k ) t h ec h i p71m 6 5 15i su s e di nm e t e r i n gm o d u l ew h o s em e a s u r e m e n t d a t aa r er e g a r d e da st h er e f 色r e n c es t a n d a r db u tn o ta sab a s i sf o rc h a r g i n g t h ec h i po f 3 gc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sm u 2 0 3p r o d u c e db yh u a w e i ，a n di tc o m m u n i c a t ew i t h t h em a s t e rs t a t i o n t h r o u g ht h e n e t w o r ko fu n i c o mw c d m a t h es o f t w a r e 电力载波集中抄表器设计与开发 d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fc o n c e n t r a t o re m p l o y se m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e ml i n u xw h i c hd e s i g n st h eb o o tl o a d e ra n dt h ed r i v e rl i n u x i ti s w o r t h m e n t i o n i n gt h a ta l lt h ea p p l i c a t i o nl a y e rs o f t w a r ef u n c t i o n sa n dt h e i rf l o wc h a r t sa r e p r e s e n t e di nt h et h e s i s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ep o w e rs e c t o r ，t h e a u t h o rt e s t sa n da n a l y z e st h ec e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gd e v i c ei ni t sp o w e rd i s s i p a t i o n ， l i g h t n i n gs u r g e s ，s t a t i ca n dg r o u pp u l s ei n t e r f 色r e n c ea n dh i g h l o wt e m p e r a t u r e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e a d i n ge f n c i e n c ya n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo f t h ec e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gd e v i c eb o t hr e a c ht h er e l e v a n ts t a n d a r d si np o w e rs e c t o r a f t e rt h ec e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gd e v i c e su n d e r g ot r i a le r e c t i o na n do p e r a t i o ni na f e wc i t i e s ，t h e i ro p e r a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e yp o s s e s ss t a b l ep e r f o r m a n c ea n d g o o dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：c e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n g ；p o w e rc a r r i e r ；a t 9 1s a m 9 2 6 0 ；3 g 硕：i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 随着社会经济发展与能源需求不断增加，智能电网不断发展和优化，人们对 能源计量和有效管理有更高要求，对电力局的运营管理、优质服务有了更新更高 的期望。供电企业的传统上门抄表方式己不能满足用户要求和企业需求【1 2 】。由于 传统抄表方式需要现场人员到场抄表，因此，在同一时间里，无法完成对所有电 力用户消耗电能和电能表数据进行抄读，这样抄读数据的随机性大、出错率高。 而且同时不能计算每个变电站下的功率损耗，也无法监控电能表是否处于开短路 或部分短路等状况，由此人们迫切需要一种集中抄表系统的出现。集中抄表器是 指利用电子、计算机网络、和通信等技术自动读取和处理电能表数据，对居民的 用水、热、电、气表信息加以综合处理的系统。相比传统的现场人员抄表方式， 电力载波集中抄表的方式可以进行集中抄表、数据和计量分析、开短路检测、功 耗统计等1 3j 。既为电力用户的缴费带来便利，也为电力部门收费提供方便，同时 也为电能表数据、开短路检测、计量数据和功耗统计提供参考【4 ，5 】。 电力载波集中抄表器运用当代的电力载波通信技术、移动通信技术和互联网 技术。该系统可以抄收电能表数据、计量参考分析、防窃电监控、红外抄收数据 等功能，并具有智能化程度高、成功率高、稳定性强及方便等优点。通过用电管 理集中抄表器的使用，提高了供电企业的形象，并更有效的管理低压电力用户， 很大程度上提高用电管理水平，实现了现代智能化有效的管理【6 j 。 电力载波通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s ，p l c ) 简单说是在电力线上进 行通信，是指利用电力线传输数据和语音通信的网络通信方式，其信息包含电力 信号和己调制为高频信号的有效信息。电力线通信系统主要分为两种：一种是指 窄带p l c ，另一种是宽带p l c 。窄带p l c 的传输速率不高( 低于1o o k b i t s ) ，在 自动控制方面应用较多。宽带p l c 能提供数据传输速率很高，能应用与语音视频、 互联网等多种电信业务【7 弗j 。电力载波集中抄表器采用宽带p l c 方式。 电力载波具有以下优点：( 1 ) 投资少。p l c 网络以电力线作为传输通道，不 需要专门的铺线，可以利用电网现有的配电网络，节省敷设新的电信网络的费用， 节省了大量的人力、物力和财力。( 2 ) 连接方便。现有的配电网络已经接入了家 家户户，因此用户无需专门买特定的通信设备，只要有2 2 0 v 家电的插头，就可 以随时可实现网络的接入。( 3 ) 传输速率高。p l c 通信速率为1 2 0 0 m b i t s ，能够 将整个家庭用电设备构成个局域网，人们能够随时可用网络来控制自己家电设 电力载波集中抄表器设计与开发 备。( 4 ) 安全性高。电力线上网的用户操作端与电力线输出端通过lb 力调制解调 器进行隔离确保安全。( 5 ) 总是在线状态。p l c 属于“插电可用”，只要电力局正 常供电，不需要像电信网络那样拨号上网，入电源就可以连接网络。( 6 ) 应用范 围广。无论是城市还是农村，电力线基本已经渗透到有人类的每个地方，其覆盖 率是其它任何通信网络无法超越的。 一个完整的集中抄表系统包括电表、采集器、集中抄表器和主站设备，其核 心是集中抄表器。集中抄表器通过低压电力线载波通道抄收采集器或实时电能表 的数据，完成对电用户用量的分析、统计、查询、报表等工作，并对参数进行在 线设置，完成小区单元单元、楼数、表地址、用户档案的建立，并完成数据收 集、存储和管理。p l c 系统不需要单独搭建通信渠道，节约投资成本，后期维护 费用也相对较少，而且通电即可使用。现代电力载波抄表器一般使用扩频通信方 式，复杂数据传输的难题也游刃而解，抗干扰能力增强、抗衰减性提高和更加稳 定可靠。以前的集中抄表器的远程与主站通信主要采用g p r s 或电话线网络，随 着移动电信业行业的发展，3 g 网络无处不在，现在很多主站都是通过 w c d m a 、t d s d m a 或c d m a 2 0 0 0 连接，通信速率和可靠性好很多。 尽管p l c 技术在海内外得到了很大的发展空间，特别是在远程集中抄表、 数字化家庭、电力线打电话、计算机联网和小区安全监控等。然而高速p l c 技 术的研究与实验，还处于开始阶段。所以开发出适用于电力系统的高速数据传输 技术具有很大的发展前景。并且电力线网络覆盖面积之广是任何通信网络不能超 越的，这使得通信集中抄表器的设置和移动非常方便。因此，对电力载波远程集 中抄表器的研究无论理论上还是实践上都有重要的意义和价值【9 j 。 1 2 国内外发展趋势及研究现状 1 2 1 国外发展趋势及研究状况 电力载波集中抄表器是利用现代的载波通信技术、电子技术、自动控制技术 和计算机互联网等技术，通过专门收发设备对表计进行数据读取、存储和处理的 装置 1 0 ，1 。 在国外，电力载波集中抄表器的技术发展很早，技术相对比较成熟。上世纪 七八十年代，欧美国家就开始研究了集中抄表技术。19 8 6 年，集中抄表研究协会 a m r a ( a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n ga s s o c i a t i o n ) 在美国成立，该协会成立目的是为了 推广a m r 技术。以色列也在上个世纪八十年代末，也成功的开发出电力载波集 中抄表器【1 2 】。九十年代末，随着集中抄表技术逐步走向成熟和需求的进一步增加， a m r 系统在向着自动智能化、结构简单、低消耗、高技术、高增值目标发展。许 多发达资本主义国家将集中抄表系统广泛的应用于配网自动化管理之中。近年来， 硕士学位论文 由于智能电网迅猛的发展和节能管理的不断需要，集中抄表越发显示出巨大的优 势i 】3 | 。意大利为了达到在2 0 2 0 年，总能源消耗量减少2 0 的目标，特别重视节 能应用及智能电网的相关建设。通过2 0 0 5 2 0 10 年5 年的持续建设，意大利已经 将智能电表( a m i ) 的全国覆盖率提升至8 5 以上，成为目前全球智能表计覆盖 比率最高的国家，a m r 在这种情况下也是飚速发展。2 0 0 7 年8 月，西班牙政府 出台法律，要求到2 0 14 年，所有电网运营商都必须采用集中抄表管理系统。 1 2 2 国内发展趋势及研究状况 九十年代初，集中抄表技术被引进中国，但是由于电力载波通信技术的瓶颈， 一直没有得到大规模的应用。虽然相对国外，中国的电力载波集中抄表系统起步 很晚，但是发展还是很迅速的。上世纪九十年代初期，国内才开始研究和开发集 中抄表器。九十年代中期才在实验室出现一些样机系统。低压变压器是低压网络 的核心，它和一个小区或区域的供电设备组成整个网络。电力载波集中抄表器一 般是以小区或变压器为单位的，通过集中抄表器对低压用户电表进行数据抄读和 集中处理4 1 5 】。上世纪末年，在中国，大部分采用是国外的电力载波芯片，几种 典型的芯片如利用电力线m o d e m 的l m l 8 9 3 和s t 7 5 3 6 ，它们可实现电力线上的 数字通信。但是这些芯片具有许多的通信盲点，抗干扰能力差。为了能够更好的 满足通信速率和可靠性方面的要求以及适应多用户环境的电力线载波通信，基于 扩频技术的电力线载波通信技术的芯片得到了长足的发展【16 | 。现在主流的电力载 波芯片包括青岛鼎信的t c s 0 81c 芯片、珠海钱龙的l t 8 1o 芯片、瑞斯康微电子 的载波芯片、s g s t h o m s o n 公司的s t 7 5 3 8 芯片、长沙新竹数码的x z 3 8 6 芯片、 福星晓程的p l 310 5 芯片、青岛东软的p l c i 3 6 c 系列芯片、清华力合的l m e 2 2 0 0 芯片和e c h e l o n 公司的p l 3 1 2 0 & p l 3 1 5 0 等芯片。目前国内电力载波通信芯片 市场占有率上，青岛鼎信约占6 0 份额、福星晓程约占3 0 份额，其它芯片约占 10 份额。在电力线载波上面实现数字通信，人们在不断地尝试，大体上可以分 为传统窄带载波通信方式和扩频通信方式。载波扩频通信方式一般采用f s k 和 b p s k 的调制方式。但传统的窄带载波通信方式的抄收成功率在现场达不到要求， 并且抗干扰能力差。扩频通信方式的通信成功率达到9 0 多，满足现场的要求。 1 3 论文选题来源 该课题来源于威胜集团集中抄表器及通信开发部的项目。本项目主要开发一 个通过电力载波抄收电能表数据，通过3 g 网络或者以太网传输数据给主站，也 可以通过红外掌机查询数据，并带c t 检测和计量功能的集中抄表器。该集中抄 表器的设计要求是：下行通过电力线或r s 4 8 5 连接电能表，但r s 4 8 5 通信不常用， 上行通过以太网或者3 g 网络传输数据给主站，并具备现场查看数据和设置的功 电力载波集中抄表器设计与开发 能。该集中抄表器计量模块的数据只是做电表数据参考的作用，提高电表的数据 的正确性和可靠性，但不作为用户收费的依据。 1 4 本文研究主要内容 本课题通过学习电力载波通信和移动通信3 g 网络学习和研究，开发出基于 青岛鼎信载波芯片t c s 0 8 l c 的通信模块和华为公司的芯片m u 2 0 3 的3 g 通信模 块的集中抄表器。通过电力载波抄表和3 g 通信网络传输，我们发现该集中抄表 器达到无法比拟的抄收效果。在国内，开发出这种效率的集中抄表器还是非常少 的，在应有上具有很大的意义。 本文的内容和结构大体分为5 章，安排如下： 第1 章绪论。分析了本课题的研究背景和意义，描述了电力载波集中抄表器 在国内外趋势和研究现状，介绍了选题来源，并总结了该论文的内容和结构安排。 第2 章电力载波集中抄表器总体设计及相关技术。首先详细的阐述了电力载 波集中抄表器设计要求和技术指标和集中抄表器总体设计方案。接着介绍电力载 波集中抄表相关技术，包括扩频通信和f s k 数字调制方式。 第3 章集中抄表器硬件设计与实现。详细描述了集中抄表器硬件系统的电源 管理模块、控制模块、计量模块、通信模块。控制模块采用a r m 9 芯片 a t 9 1s a m 9 2 6 0 ，包括时钟电路、看门狗电路和维护口电路等电路。计量模块包括 p t 采样、c t 采样和c t 检测和计量芯片接口电路。通信模块包括r s 4 8 5 电路、 红外模块、以太网模块、电力载波通信模块和3 g 通信模块。 第4 章集中抄表器的软件设计与实现。首先介绍了集中抄表器软件开发环 境，给出了l i n u x 内核软件设计和应用层软件设计方法。重点对整个应用层软件 总功能软件、c t 检测、载波通信模块、3 g 通信的流程进行了详细设计。 第5 章实验测试和分析。按照国家电网要求标准的实验结果和现场运行状况 分析。对集中抄表器做了功耗实验、静电实验、脉冲群干扰实验、雷冲浪涌实验、 载波通信性能实验等。通过实验结果表明，该集中抄表器性能稳定、抄表成功率 高、抗干扰能力强，表明该设计方案合理可靠。 最后，对本文的工作进行总结与展望。 4 硕二l ：学位论文 第2 章电力载波集中抄表器总体设计及相关技术 本文设计的电力载波集中抄表器是通过电力载波通信方式抄收电能表的数 据，通过3 g 通信方式将数据传递给主站，进行数据分析和统计。本章给出系统 的主要功能要求和技术指标，并提出了基于a t m e l 公司的高性能a r m 芯片 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 的系统总体设计方案。 2 1 集中抄表器设计要求及技术指标 根据国家电网颁布的标准d l t 6 4 5 19 9 7 、d l t 6 4 5 2 0 0 7 规约要求，确定了 电力载波集中抄表器的功能要求和技术指标。 2 1 1 集中抄表器的功能要求 ( 1 ) 抄收功能：按设定抄收周期自动抄收各电表累计电能量及其它信息，可 执行6 费率4 8 时段抄收。并具备接收控制中心命令进行实时全部抄收和随机抄收 功能，最大可抄收10 2 4 块载波表计，及无限制无线电表。 ( 2 ) 设置功能：可设置集中抄表周期、抄收间隔、抄读间隔等，并有防止非 授权人员操作的措施。 ( 3 ) 扩展功能：可接收控制中心命令或按照设定冻结时间，实现指定时间对 电能表累计电能量的冻结。 ( 4 ) 控制功能：可接收控制中心命令，控制预付费用户的供电和断电。 ( 5 ) 维护功能：可用3 g g p r s c d m a 、u s b 、r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 和本地无线 接口，用于数据备份和升级维护，程序、参数远程升级。 ( 6 ) 校时功能：支持主站远程校时，支持具有校时功能的电表其它设备校时。 ( 7 ) 自诊断功能：可自动进行白检，发现设备( 包括通信) 有异常时做记录存 档并报警。 ( 8 ) 压缩功能：12 8 b i t 分组加密和矢量压缩处理，保证数据传输安全、高效。 ( 9 ) 防窃电要求：要求集中抄表器有开盖检测、开短路及部分短路检测。 2 1 2 集中抄表器的技术指标 ( 1 ) 环境要求：环境湿度小于等于4 0 ，环境温度为1 6 一18 。 ( 2 ) 功耗要求：消耗的视在功率应不大于15 v a 、有功功率应不大于1 0 w 。 ( 3 ) 静电要求：接触放电为8 k v ，空气放点为15 k v 。 ( 4 ) 雷击浪涌要求：差模测试电压为4 k v ，共模测试电压为6 k v 。 电力载波集中抄表器设计与开发 ( 5 ) 脉冲群抗干扰要求：接触放电为8 k v ，空气放点为1 5 k v 。 ( 6 ) 高温要求：温度为7 0 ，持续时间为8 小时，要求通信成功率达到9 2 。 ( 6 ) 低温要求：温度为2 5 ，持续时间为8 小时，要求通信成功率达到9 2 。 ( 7 ) 设备电压允许误差：a c d c 2 2 0 ，相对误差允许3 0 。 ( 8 ) 输入电压要求：载波模块电压变化为0 7 1 2 u ，成功率达到9 7 。 ( 9 ) 绝缘强度要求：电压为4 k v ，要求不产生击穿或火花现象。 2 2 集中抄表器总体设计 根据集中抄表器的设计要求和性能指标，本装置需要较多的通信串口，实时 性要求较强，要求可以实现嵌入式l i n u x 操作系统2 5 ，36 1 。本文采用a t m e l 的 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 作为操作平台。整体硬件设计采用模块化设计思想，图2 1 为集中 抄表器总体设计方案，主要包括电源管理模块、控制模块、计量模块、通信模块、 存储器和人机界面等。 电 能 表 r s 4 8 5 1a r s 4 8 5 1b r s 4 8 5 2 a r s 4 8 5 2 b r s 4 8 5 3 a r s 4 8 5 3 b r s 4 8 5 电路 野 叫 口2 a 叫 口3 穗f 群 模块i p t 采样同，。i 戤斟裟萎罄 r 眄叫 r 万叫 时钟电路 2 5 6 m bn a n d f l a s h 2 5 6 m bs d r a m a t 9 1s a m 9 2 6 0 主板 l n u x 操作系统 罩3 瓣审i 模块f 以太网控制器 以太网模块 维护口 切换| 一 电路1n 西门 俐电路 l j 遥信输入 一开盖检测 1 6 0 1 6 0 液晶 看门狗 电路 电源管 理电路 电脑 掌机 图2 1 集中抄表器总体设计框图 集中抄表器通过电力载波或3 路r s 4 8 5 电路实时抄收电能表数据，将抄回来 的数据进行存储、分析，其数据存储在数据存储器中。然后将抄收的数据通过以 太网模块或3 g 通信模块将数据传送给主站服务器，主站服务器能及时进行数据 分析与通信。并且主站服务器可以发送数据给集中抄表器，集中抄表器再将接收 6 颁：学位论文 的命令传递给也能表，实现用户智能化管理。电源模块给整个集中抄表器供电， 且带自备电池，当电压过低和外部断电时，切换到电池电路给整个系统供电。控 制模块是整个系统的核心，a t 9 1s a m 9 2 6 0 芯片和外围电路以及接口电路构成整 个控制模块。计量模块采用m a x i m 的t e r i d i a n 三相功率测量片上系统专门计量芯 片7 1m 6 515 。首先通过p t 和c t ( 包括c t 检测功能) 分别对三相电压u a 、u b 、 u c 和三相电流i a 、i b 、i c 采样后输入计量芯片计量，然后输出无功功率脉冲和有 功功率脉冲，该脉冲作用是校表。集中抄表器所计量的数据通过u a r t 5 与控制 模块通信，可以查看数据是否正常，该数据不做收费标准，只是作电表数据参考。 通信模块包括载波通信模块、3 g 通信模块、r s 4 8 5 通信模块、红外通信模块和以 太网模块。载波通信模块采用青岛鼎信公司的鼎信载波模块t c s 0 8 l c ，集中抄表 器载波模块和电表之间通信采用d l t 6 4 5 规约，载波模块通过u a r t 4 与控制模 块进行数据交换。3 g 通信模块采用华为公司开发的m u 2 0 3 ，该模块应用u m t s3 g 通信标准，也可以使用g p r s 二代通信，通过u a r t o 与a t 9 1s a m 9 2 6 0 进行数 据交换。以太网模块采用美国国家半导体公司d p 8 3 8 4 8 以太网收发器芯片，以太 网模块与a t 9 1 s a m 9 2 6 0 平台c p u 采用r m i i 通信。集中抄表器与主站通信采用 i e c 6 2 0 5 6 规约和q g d w l 3 0 2 0 0 5 规约。红外口和r s 2 3 2 维护口共用d e b u g ， 现场人员可以使用掌机通过红外方式或r s 2 3 2 维护口由查看数据和参数设置。遥 信开盖检测电路作用是当非电力工作人员打开集中抄表器时，集中抄表器就会报 警。看门狗电路防止程序跑飞和上电时对整个系统进行复位。 2 2 1a t 9 1s a m 9 2 6 0 芯片简介 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 是一款高性能、廉价、低功耗的a r mr i s c 处理器1 2 8 j ，可在 多种领域使用，如嵌入式系统、控制系统、消费教育类多媒体等。其特点如下： ( 1 ) 主频和数据缓存。18 0 m h z 的主频速度，8 k b 数据缓存空间，8 k b 指令 缓存空间。可以选择采用a r m 或t h u m b 指令处理。 ( 2 ) 存储器。3 2 b i t 的外部总线接口，支持可以寻址的四个存储段，具有 s d r a m l p s d r ，静态存储器，压缩闪存，自带错误检查和纠正s l c 的n a n d 闪 存。两个4 k b 内部s r a m ，单循环访问系统的速度。一个3 2 k b 内部r o m ，嵌入 引导例程。 ( 3 ) 外围设备接口。符合国际电信联盟要求的6 0 1 6 5 6 图像传感器接口，可 以进行视频图像数据处理。u s b 设备和带片上收发器主u s b 接口。带1 0 1 0 0 m b d s 的以太网接口m a c 控制器，兼容i e e e 8 0 2 3 标准。使用地址检测器、统计和控 制寄存器、接收和传输块，和d m a 的接口，地址检测寄存器确认4 个特定的4 8 b i t 地址。它可以识别所有的广播地址，并对外部地址匹配信号响应。1 个高速内存 卡主机，1 个同步串行控制器，1 个两线接口，2 个主从串行外设接口，2 个三通 电力载波集中抄表器设计与开发 道3 2 位定时器计数器，4 通道的1o b i t 的模数转换器。 ( 4 ) 电源管理、时钟、复位信号。c p u 外围采用3 3 v 电源供电，各个接口 的驱动电压也都是3 3 v ，内核采用1 8 v 电源稳压器给a m r 9 供电。6 个定时器， 3 2 位看门狗定时器；定期间隔计时器和实时计时器。内部低功耗3 2 删2r c 振荡 器，可以选择3 2 7 6 8 h z 的低功率和3 2 0 m h z 主振荡器。有2 个可编程的外部时 钟信号。1 个p l l 锁相环系统和一个锁相环为u s b 优化。 ( 5 ) 普通i o 口。3 个3 2 位的并行输入输出控制器；9 6 个可编程的输入输 出口，高达2 个外围i o 多路的传输线路。 ( 6 ) a t 9 1 s a m 9 2 6 0 具有6 个u a i 盯s 。a t 9 1 s a m 9 2 6 0 具有6 个u a r t s ，其 中1 个是d e b u gu n i t 调试接口，另外5 个是通用异步接收发送装置。 ( 7 ) j t a g 接口。a t 9 ls a m 9 2 6 0 的j t a g 接口是标准的4 线t m s 、t c k 、 t d i 、t d o ，分别为模式选择、测试时钟输入、测试数据输入和测试数据输出线。 2 2 2 载波芯片t c s 0 8 1c 简介 载波芯片选择青岛鼎信公司的芯片t c s 0 8 1c ，其性能指标如表2 1 所示。 表2 1 鼎信载波芯片指标 载波特性利用过零检测技术，载波通信发生在线路零点的前后 1 6 6 7 m s 之间；三相间收发互不干扰。 信号载频 信号带宽 信号频率 扩频码长度 发送功率 最大发送电平 接收灵敏度 接收最大频移 静态电流 抗阻抗变化能力 抗干扰能力 通信能力 温度与发射频率 4 2 l k h z 3 3 k h z 4 1 6 k h z 、4 2 6 k h z 8 0 1 5 w ；负载2 q ，发送电平1 0 5 v 1 3 0 d bu v ；发送电平= 1 0 5 v 5 0 m v 士6 k h z 3 2 m a 在电网等效阻抗o 5 1 0 0 欧姆的范围内，可以正常通信。 s 小 = - 1o d b 市电与载波模块之间加2 个衰减器，载波模块与电能表之间 加1 个衰减器，测试1 0 0 0 次通信命令，成功率在9 6 以上。 发射频率取决于晶振频率( 1 0 m h z ) ，发射频率的温度曲线取 决于晶振的温度曲线。 芯片t c s 0 8 1 c 的工作电压为5 v ，载波通信速率有6 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、2 4 0 0 b p s 、4 8 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s ，串口通信速率有9 6 0 0 b p s 、1 4 4 0 0 b p s 、1 9 2 0 0 b p s 、3 8 4 0 0 b p s 、 8 硕：f ：学位论文 5 6 0 0 0 b p s 、5 7 6 0 0 b p s 、1 15 2 0 0 b p s 。t c s 0 8 l 是一款根据我国载波市场需求，结合 电网的特点专门研制应用于电力线通信介质的载波通信芯片。单相模块只能一个 通道发送载波，三相模块同时最多两个通道发送载波。载波可以接收国家电网标 准的d l t 6 4 5 19 9 7 2 0 0 7 规约和鼎信公司的载波规约。鼎信载波规约支持d l t 6 4 5 格式数据的封装转发和数据域透明传输等模式。t c s 0 81c 可以侦听到电力线上的 其它主节点的通信情况，并且将侦听到的数据返回，该功能为解决台区串扰提供 必要的信息1 3 引。该芯片有以下特点：( 1 ) 采用过零检测电路，噪声的功率随着频 率的升高而减弱，过零点的噪声功率非常小，特别是在大于3 5 0 k 的频段。( 2 ) 采用f s k 调制，抗干扰能力强。( 3 ) 选择4 2 1k 做为载波的通信频率，并在过零 点进行传输，阻抗稳定，噪声影响更小。( 4 ) 过零点传输信号可抗电泵、抗无功 补偿等装置产生的噪声。( 5 ) 可以自动识别电表的通信波特率。 2 3 载波扩频通信( s p r e a ds p e c t m mc o m m u n i c a t i o n ) 技术 2 3 1 扩频通信系统基本原理 电力载波集中抄表器采用扩频通信技术抄收电能表数据。扩频通信是指在发 送端使用扩频码调制，使信号所占的频带宽度大于所传信息所需的带宽；在接收 端使用相关技术来解调并恢复原始信息数据。扩展频谱系统具有很强的抗干扰能 力，被广泛运用于军用和民用通信之中【1 。7 ，1 8 】。扩频通信系统模型如图2 2 所示。 信 源 信 道 编 码 f一一一一一一一一一：ji圈一一一j 扫圈回广 猴 莩h 篙 扩 频 解 调 载 波 解 调 一发送端一h 一接收端制 。广 l 1 同步 i _ j 图2 2 扩频通信系统模型 扩频通信系统中，在发送端，信源端先把待传信息转换为电信号。再通过信 号调制成为数字信号，进行扩频调制，既用扩频码将数字信号调制到很宽的频谱 上面。然后再通过载波调制方式将调制后的信号发送出去。在接收端，接收发送 的调制信号后，经过混频后得到一中频信号，再用本地扩频码进行解扩，恢复成 窄带信号，再通过相关解调，还原出原始信号1 9 ，20 1 。扩频通信中的关键点有：( 1 ) 接收同步；( 2 ) 信道编码；( 3 ) 抗干扰。扩频通信系统具有以下特点：( 1 ) 抗干 扰能力强；( 2 ) 可进行多址通信；( 3 ) 安全保密；( 4 ) 数字和模拟信号兼容；( 5 ) 9 电力载波集中抄表器设计与开发 抗衰落能力强；( 6 ) 抗多径。 2 3 2 数字调制方式 数字信号传输方式包括基带传输与带通传输。由于低频信号分量一般丰富存 在数字基带信号中，具有带通的滤波特性，所以大多数信道不能直接传输基带信 号。为了使信号与信道的特征相匹配，载波信号必须用数字基带信号对其进行调 制。数字调制是指载波信号由数字基带信号控制，将数字基带信号转换为数字带 通信号过程。带通传输也叫做频带传输，又由于通过正弦载波的幅度、频率和相 位来传输数字基带信号，所以带通传输也叫载波传输2 1 ，22 1 。 数字调制技术有两种方法：( 1 ) 通过模拟调制方法去实现数字式调制，将数 字基带信号当做模拟信号处理方式的一种特殊方式；( 2 ) 利用数字信号的离散取 值特点通过开关键控，实现数字调制。这种方法称为键控法，分别对载波振幅、 相位和频率进行键控，从而获得振幅键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) 、相移键 控( p h a s e s h i f tk e y i n g ，p s k ) 和频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) 2 3 ，2 4 1 。跟 a s k 、p s k 相比，f s k 频带最宽，抗干扰能力强。本文的载波通信模块采用的是 f s k 的调制方式，而且都是二进制数字调制方式。 频移键控是用载波频率变化来传递数字信息，而幅度与相位是保持不变的。 在2 f s k 中，载波频率随二进制基带信号在斤和厶两个频率点间变化。它的表达 式如式( 2 1 ) 所示： 邮) ：j 肌( q h 锄) ( 2 1 ) p “1 = 、 ( 2 1 ) 一 【彳c o s ( 哆f + 臼玎) 其中，当发送信号为“1 ”时，取第1 个表达式，当发送信号为“0 ”时，取第2 个表达式。2 f s k 信号波形可以分解为2 个正弦波型号的叠加，也可以看做两个 不同载频的2 a s k 信号的叠加。因此上式又可表达成( 2 2 ) ： 厂厂 p ( ，) = l g o 一班) i c o s ( q ，+ 钱) + l 饥g ( ，一耐) i c o s ( 哆f + 6 。) ( 2 2 ) l ”jlhj 式中：g ( t ) 常数单个为矩形脉冲，脉冲宽度为t ，q 、哆为角速度。当口。概 率为p 时候，口。取1 ，否则取0 ；而饥为口。的反码，吮取1 的概率是l - p ，否则取 0 。而a 。和6 。表示第n 个信号码元( 0 或1 ) 的初始相位。在2 f s k 中，吼和6 。一 般不携带信息，通常取值为0 。 2 f s k 产生的方法也有两种，即采用模拟调频电路和键控法来获取，键控法是 指在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同独立频率源选 择，使其在每个t 时间段输出斤或厶两个载波任一个。键控法产生2 f s k 信号原 理图如图2 3 所示。 1 0 硕二t j 学位论文 图2 3 键控法产生2 f s k 信号原理图 2 f s k 信号解调方法有包络检波法与相干解调。解调过程是分为上下两路 2 a s k 信号各自进行解调，再做判决。这里的判决是直接将两路信号取样值的大 小进行比较，可以不专门设置门限。判决应该与调制规则相呼应，调制时如果规 定二进制信号“l ”对应载波频率，那么接收时上支路的样值较大，判为“1 ”，否 则判为“0 ”。此外，2 f s k 信号解调还有其他解调办法，如鉴频法、差分检测法、 过零检测法等。本文选择芯片采用的解调方式为相干解调，原理图如图2 4 所示。 2 4 本章小结 图2 42 f s k 相干解调原理图 本章根据根据国家电网颁布的标准d l t 6 4 5 19 9 7 2 0 0 7 规约要求，确定了电 力载波集中抄表器的功能要求和技术指标。接着详细描述了集中抄表器总体设计、 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 芯片和t c s 0 8 1 芯片简介。最后详细的介绍