基于低壓電力線載波通信的智能電表終端設(shè)計(jì)

摘要：以國產(chǎn)芯片PL3201為核心，采用ADE7755為計(jì)量芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單相智能電表。該設(shè)計(jì)克服了以往必須采用采集器才能對用戶數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)難題。其特點(diǎn)在于直接采用電力線通信，不需再進(jìn)行專線安裝，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。
關(guān)鍵詞：電力線載波；智能電表；PL3201；ADE7755

0 引言
隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，居民用電不斷增長，用戶電表數(shù)目也隨之以數(shù)倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農(nóng)村，居民居住相對分散，有時(shí)抄表員需要費(fèi)好幾天才能抄完一個(gè)村莊的電表，而且還有可能出現(xiàn)漏抄；在城市，居民居住聚集，面對高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準(zhǔn)確、可靠地抄表，已經(jīng)成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設(shè)計(jì)將低壓電力線載波通信技術(shù)和擴(kuò)頻通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有遠(yuǎn)程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴(kuò)頻通信技術(shù)
我國在高壓電力線上的通信技術(shù)世界領(lǐng)先，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而在低壓(220 V)電力線上載波通信仍然存在許多技術(shù)難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發(fā)人員最為關(guān)心的問題。在電力線上的通信技術(shù)一般有基于鎖相環(huán)路的窄帶傳輸技術(shù)、基于相關(guān)器的擴(kuò)頻技術(shù)、過零傳輸技術(shù)等幾種。目前擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術(shù)。其芯片內(nèi)集成的載波通信單元采用QPSK(四相相移鍵控)調(diào)制方式；可變偽隨機(jī)碼速率(帶寬)的多地址通信技術(shù)，其載波中心頻率為120 kHz，偽隨機(jī)碼速率可達(dá)到15 Kb／s和30Kb／s。
由于它采用了QPSK調(diào)制技術(shù)，在帶寬不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率是BPSK調(diào)制方式的一倍。根據(jù)偽隨機(jī)碼的速率不同，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1Kb／s和500 b／s。同時(shí)采用了63位Gold／Kasami序列，從而實(shí)現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達(dá)41個(gè)，其中33個(gè)Gold序列，8個(gè)Kasami序列，將使臺(tái)區(qū)之間的干擾減小到最小；同時(shí)PL3201向下兼容PL3105的通信方式(BPSK二相相移鍵控)，及其15／31位偽隨機(jī)碼模式，此外PL32 01的載波調(diào)制輸出信號可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式。
擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端(簡稱發(fā)端)采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳輸信息所需的寬度；在接收端(簡稱收端)采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息的數(shù)據(jù)。根據(jù)C．E．Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關(guān)系式，即香農(nóng)公式：
C=B×log(1+S／N)
式中：C為信道容量，指單位時(shí)間內(nèi)信道中無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，其單位為b／s；B為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號功率，單位為W；N為噪聲功率，單位為W；S／N為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比。由公式可以看出在信道容量C不變的情況下，帶寬B與信噪比S／N成反比例關(guān)系，即只要增加帶寬B就可以有效抑制信噪比S／N。擴(kuò)頻通信正是基于這種理論使通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 智能電表的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 基本框圖及電路原理
智能電表是無線抄表系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端，其包含核心單片機(jī)PL3201、電源、電量測量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時(shí)鐘電路和最新國標(biāo)32段LCD顯示等8個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。