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摘要：详细阐述实现载波抄表采集器硬件电路与软件设计的具体方案，其中着重分析载波通信设计思路。
关键词：采集器；PL3105；载波通信
引言
随着低压电力载波技术的飞速发展，使载波通信技术的实际应用变为现实。电力部门及时地把这项科技进步成果应用于抄表工作当中，将传统的人工现场抄表方式改为自动远程抄表方式。为了实现这种转变，需要配备自动远程抄表系统，一种方案是把用户正在使用的电子式电能表换成具有载波功能的电子式电能表，直接通过电力线把用户的用电信息传送到数据集中器中，再由数据集中器将各个用户的用电信息经以太网或用GPRS通信方式发送到抄表管理中心；另一种方案是不必更换用户正在使用的电能表，只需把若干电能表的脉冲输出线接到一块载波抄表采集器上，用采集器接收这些电能表的用电信息，再用载波通信方式通过电力线将用电信息经过数据集中器，最终传递到抄表管理中心。显然前一种方案所用的设备投资要远大于后者，因而，载波抄表采集器的使用将为自动远程抄表系统在电力行业的推广普及提供了一种价格低廉而又切实可行的途径。本文基于PL3105芯片研制成功的载波抄表采集器就是这种采集器之一。
硬件设计
载波抄表采集器是自动远程抄表系统的一个重要环节，它能够把一些用户电能表的用电量，通过脉冲数据线采集到载波抄表采集器中，一方面将这些用电量存储在采集器的存储单元内，以便于显示和查询；另一方面利用低压电力线以载波通信方式把它们传给远处的数据集中器。
本载波抄表采集器是根据微处理器PL3105在电力线载波通信方面所具有的优越性能而设计的，成为一种具有数据采集、显示、查询以及远程传输等功能的智能仪器。它的硬件电路是由PL3105单元、脉冲采集单元、载波通信单元、红外通信单元、数据存储单元、数据显示单元和电源单元等部分组成，其硬件结构框图如图1所示。以下分别对部分单元的硬件设计进行阐述。
PL3105
PL3105是专为面向未来的开放式自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统，它采用8051指令兼容的高速微处理器，软件易于开发，具有8/16位双模式ALU、8倍速于标准51。尤其在电力线载波通信方面具有更大的优势，它的扩频通信单元是PL2000系列专用电力线载波通信集成电路的升级内核，具有更强的抗干扰能力，更高的数据通信速率和更大的软件可配置灵活性。
脉冲采集单元
采集单元设计了21个采集通道，可满足住宅小区一个单元用户的需要。在设计这部分电路时，为了增加载波抄表采集器对外界各种干扰的抵抗能力，采用光耦器件NEC2501来隔离采集器的内、外信号，并为外部输入脉冲信号提供独立的电源供电。采集到的脉冲信号经光耦器件转换后，通过三态放大收发器MC74HC245送到微处理器PL3105的FO接口，在PL3105内对这些信号做出相应的处理。
载波通信单元
载波通信采用直接序列扩频的BPSK调制解调方式：将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息。载波通信的扩频、解扩工作完全由SoC内部的硬件电路实现，解扩阈值可以软件调节。另外，需要配合外围功率放大和接收回路等电路共同构成载波通信的硬件部分。低压电力载波通信结构框图如图2所示。载波通信采用帧同步方式的串行移位通信，半双工方式，速率500bps，中心频率为120KHz，带宽为±7.5KHz。
载波通信所需的直序扩频调制电路已在PL3105芯片内集成化，外围配置电路主要包括功率放大与滤波电路、载波耦合与接收电路，其电路如图3(a)和(b)所示。
由PL3105输出的载波信号波形为0-5V变化的方波，包含丰富的谐波，用推挽电路进行功率放大。由于放大后的信号波形含谐波，为减少对电网的谐波污染，需要进行滤波整形。经过LC串联电路完成滤波整形后，再通过耦合线圈耦合到低压电力线上。载波发射功率的大小与电源幅值的高低、电源电流提供能力密切相关，一定范围内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效加大发射功率、从而延长通信距离。在接收电路中，收到的强发射信号经过有效吸收衰减后，由LC并联谐振回路对信号进行带通滤波，谐振中心频率设计为120KHz，良好的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度。
红外通信单元
PL3105内置了红外通信模块，需要配合的外围电路由发送电路和接收电路组成。发送电路的设计采用三极管9014驱动红外发射管TASL6200，接收电路选取红外接收管TSOPl838。红外线调制频率为38KHz，通过设置有关寄存器使能红外通信后，按红外通信规约收发数据。
数据显示与存储单元
数据显示电路的设计用ZLG7289B芯片直接驱动8位共阴极数码管(LED)，ZLG7289B采用SPI串行总线与微控制器PL3105接口，占用I/O接口线较少。数据存储单元选用铁电非易失性数据存储器FM24C16A，存取数据速度快，保存数据时间长。
软件设计
本载波抄表采集器软件采用51汇编语言编写，将查询方式与中断方式相结合构成软件的总体设计。其中脉冲采集、载波通信和红外通信都采用了上述两种方式编程，数据显示与按键查询仅用查询一种方式编程。利用PL3105内置电源监控模块编写了掉电处理程序，用于断电时保存采集的脉冲数。用PL3105内置看门狗监控器来提高采集器的抗干扰能力。
脉冲采集软件
脉冲采集软件的设计使用PL3105内部定时器TO中断，设定5毫秒中断一次，在中断服务子程序中，检测21个采集通道(对应21块电能表)输入的脉冲，如果输入脉冲宽度大干15毫秒，采集器就把该脉冲作为一个有效的脉冲，然后对采集的脉冲做累加，并把结果存到PL3105的内存RAM里。对于电子式电能表的脉冲输出，设计要求脉冲宽度大于80毫秒，因此不会出现漏采脉冲的情况。这样，就可以把小于15毫秒的干扰脉冲滤掉。
在脉冲处理子程序中，当脉冲数累加达到1度电时，把这一度电加到原有用电量记录上，作为新的用电量记录，并将它存到铁电存储器FM24C16A相应的单元内。当载波抄表采集器断电时，由掉电处理子程序把不足1度电的脉冲数存到铁电存储器FM24C16A中。这种处理方法既能保证对每个通道采集的用电量进行可靠的保存，又可减少擦写铁电存储器FM2zlCl6A的次数，延长该器件的使用寿命。
载波通信软件 载波通信设计为总线方式通信，载波抄表采集器的常态设置为接收状态，不同采集通道对应的电能表必须分配不同的通信地址。采集器接收到校验正确的命令后，只有地址相同的采集通道才允许按通信规约进行应答。由于载波通信速率相对主频低很多，为提高CPU效率，接收和发送均设计为外部中断方式处理，每次进入中断，完成对Ibit数据的接收或发送处理。
图4为载波通信接收过程框图。载波通信控制单元解扩出Ibit数据后，产生一次中断。接收时首先采用16bits接收窗口、Ibit滑动方式来接收通信的同步帧头OX09、OXAF，帧头接收成功后，后续数据按每8bits一个字节的方式进行截取，得到传送的有效数据。接收过程中，按有关的通信规约进行地址判别、长度接收、校验计算，把符合通信规约的数据暂存到接收缓冲区。之后，分别进行表号、脉冲常数和底数的设置或读取等处理。
图5为载波通信发送过程框图，用于采集器载波通信的应答。当设置为载波发送状态时，载波通信控制单元发送完1bit的扩频数据后，自动产生一次中断，允许下1bit数据发送。根据捕获和同步过程需要，首先发送至少40bits的全“1”，然后按比特发送同步帧头OX09、OXAF，之后，根据有关通信规约按比特发送通信地址、数据长度、数据体、校验等字节。数据全部发送完成后，载波抄表采集器即可转入接收状态。但为确保待发送数据的最后一个比特发送成功，必须在发送完最后1bit数据后等到下一次发送中断到来后，才可以从载波发送状态转换到接收状态。载波通信没有发送完全部数据前，PL3105必须及时向PLM_RST寄存器写入“A2H”，使计数器复位，避免自动提前进入载波接收状态。
红外通信软件
设计红外通信软件时，PL3105初始化设置红外通信使能位，并使PL3105处于红外接收允许状态。在采集器接收到红外手持抄表器(PDA)发送的数据后，进入中断服务子程序，根据645通信规约按字节判断接收内容。当这些字节内容符合645通信规约要求时，把它们存到缓冲区，然后在红外数据处理子程序中，分别做设置或读取表号、脉冲常数和底数的处理。完成上述过程后，按照645通信规约进行应答准备，并将应答内容逐个字节依次发送出去。
数据显示与查询软件
在数据显示软件中，设计实时循环显示每个通道对应电能表的示数，两个周期间隔10秒钟，不显示数据。数据显示子程序在主程序的循环周期中只需调用一次，每次仅显示一个通道电能表的示数，延时5秒钟后，在显示子程序中显示下一个通道的内容，对于没有连接电能表的通道，在程序中判断表号为0后，跳越过去显示下一个通道。如果采集器没有连接任何电能表，即所有通道的表号均为0，就显示——“符号”不再循环。
本采集器为查询数据设计了一个按键，在查询数据子程序中，首先判断是否有按键按下，经去抖动处理后，确定有按键按下时，松开按键后执行显示查询内容的相关程序。每按一次按键，显示一个通道的内容，依次为表号、脉冲常数和示数，间隔3秒钟。显示完以上内容后，在5秒时间内若无按键按下，则返回循环显示电能表的示数。在有按键按下时，主程序循环周期中仅调用查询数据子程序，不再调用循环显示示数子程序。
结语
在自动远程抄表系统中，按以上方案设计的载波抄表采集器，具有良好的性价比，而且SoC芯片可通过ISP方式编程，产品升级与功能扩展更加灵活、方便。载波通信具有很高的接收灵敏度和很强的抗干扰能力，实验条件下，在1000米距离内，达到了令人满意的通信成功率。经过实验室测试，笔者设计的载波抄表采集器符合电力行业标准中的各项技术要求，实现了低成本、远距离、高可靠性的设计目标。
关键词：采集器；PL3105；载波通信
引言
随着低压电力载波技术的飞速发展，使载波通信技术的实际应用变为现实。电力部门及时地把这项科技进步成果应用于抄表工作当中，将传统的人工现场抄表方式改为自动远程抄表方式。为了实现这种转变，需要配备自动远程抄表系统，一种方案是把用户正在使用的电子式电能表换成具有载波功能的电子式电能表，直接通过电力线把用户的用电信息传送到数据集中器中，再由数据集中器将各个用户的用电信息经以太网或用GPRS通信方式发送到抄表管理中心；另一种方案是不必更换用户正在使用的电能表，只需把若干电能表的脉冲输出线接到一块载波抄表采集器上，用采集器接收这些电能表的用电信息，再用载波通信方式通过电力线将用电信息经过数据集中器，最终传递到抄表管理中心。显然前一种方案所用的设备投资要远大于后者，因而，载波抄表采集器的使用将为自动远程抄表系统在电力行业的推广普及提供了一种价格低廉而又切实可行的途径。本文基于PL3105芯片研制成功的载波抄表采集器就是这种采集器之一。
硬件设计
载波抄表采集器是自动远程抄表系统的一个重要环节，它能够把一些用户电能表的用电量，通过脉冲数据线采集到载波抄表采集器中，一方面将这些用电量存储在采集器的存储单元内，以便于显示和查询；另一方面利用低压电力线以载波通信方式把它们传给远处的数据集中器。
本载波抄表采集器是根据微处理器PL3105在电力线载波通信方面所具有的优越性能而设计的，成为一种具有数据采集、显示、查询以及远程传输等功能的智能仪器。它的硬件电路是由PL3105单元、脉冲采集单元、载波通信单元、红外通信单元、数据存储单元、数据显示单元和电源单元等部分组成，其硬件结构框图如图1所示。以下分别对部分单元的硬件设计进行阐述。
PL3105
PL3105是专为面向未来的开放式自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统，它采用8051指令兼容的高速微处理器，软件易于开发，具有8/16位双模式ALU、8倍速于标准51。尤其在电力线载波通信方面具有更大的优势，它的扩频通信单元是PL2000系列专用电力线载波通信集成电路的升级内核，具有更强的抗干扰能力，更高的数据通信速率和更大的软件可配置灵活性。
脉冲采集单元
采集单元设计了21个采集通道，可满足住宅小区一个单元用户的需要。在设计这部分电路时，为了增加载波抄表采集器对外界各种干扰的抵抗能力，采用光耦器件NEC2501来隔离采集器的内、外信号，并为外部输入脉冲信号提供独立的电源供电。采集到的脉冲信号经光耦器件转换后，通过三态放大收发器MC74HC245送到微处理器PL3105的FO接口，在PL3105内对这些信号做出相应的处理。
载波通信单元
载波通信采用直接序列扩频的BPSK调制解调方式：将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息。载波通信的扩频、解扩工作完全由SoC内部的硬件电路实现，解扩阈值可以软件调节。另外，需要配合外围功率放大和接收回路等电路共同构成载波通信的硬件部分。低压电力载波通信结构框图如图2所示。载波通信采用帧同步方式的串行移位通信，半双工方式，速率500bps，中心频率为120KHz，带宽为±7.5KHz。
载波通信所需的直序扩频调制电路已在PL3105芯片内集成化，外围配置电路主要包括功率放大与滤波电路、载波耦合与接收电路，其电路如图3(a)和(b)所示。
由PL3105输出的载波信号波形为0-5V变化的方波，包含丰富的谐波，用推挽电路进行功率放大。由于放大后的信号波形含谐波，为减少对电网的谐波污染，需要进行滤波整形。经过LC串联电路完成滤波整形后，再通过耦合线圈耦合到低压电力线上。载波发射功率的大小与电源幅值的高低、电源电流提供能力密切相关，一定范围内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效加大发射功率、从而延长通信距离。在接收电路中，收到的强发射信号经过有效吸收衰减后，由LC并联谐振回路对信号进行带通滤波，谐振中心频率设计为120KHz，良好的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度。
红外通信单元
PL3105内置了红外通信模块，需要配合的外围电路由发送电路和接收电路组成。发送电路的设计采用三极管9014驱动红外发射管TASL6200，接收电路选取红外接收管TSOPl838。红外线调制频率为38KHz，通过设置有关寄存器使能红外通信后，按红外通信规约收发数据。
数据显示与存储单元
数据显示电路的设计用ZLG7289B芯片直接驱动8位共阴极数码管(LED)，ZLG7289B采用SPI串行总线与微控制器PL3105接口，占用I/O接口线较少。数据存储单元选用铁电非易失性数据存储器FM24C16A，存取数据速度快，保存数据时间长。
软件设计
本载波抄表采集器软件采用51汇编语言编写，将查询方式与中断方式相结合构成软件的总体设计。其中脉冲采集、载波通信和红外通信都采用了上述两种方式编程，数据显示与按键查询仅用查询一种方式编程。利用PL3105内置电源监控模块编写了掉电处理程序，用于断电时保存采集的脉冲数。用PL3105内置看门狗监控器来提高采集器的抗干扰能力。
脉冲采集软件
脉冲采集软件的设计使用PL3105内部定时器TO中断，设定5毫秒中断一次，在中断服务子程序中，检测21个采集通道(对应21块电能表)输入的脉冲，如果输入脉冲宽度大干15毫秒，采集器就把该脉冲作为一个有效的脉冲，然后对采集的脉冲做累加，并把结果存到PL3105的内存RAM里。对于电子式电能表的脉冲输出，设计要求脉冲宽度大于80毫秒，因此不会出现漏采脉冲的情况。这样，就可以把小于15毫秒的干扰脉冲滤掉。
在脉冲处理子程序中，当脉冲数累加达到1度电时，把这一度电加到原有用电量记录上，作为新的用电量记录，并将它存到铁电存储器FM24C16A相应的单元内。当载波抄表采集器断电时，由掉电处理子程序把不足1度电的脉冲数存到铁电存储器FM24C16A中。这种处理方法既能保证对每个通道采集的用电量进行可靠的保存，又可减少擦写铁电存储器FM2zlCl6A的次数，延长该器件的使用寿命。
载波通信软件 载波通信设计为总线方式通信，载波抄表采集器的常态设置为接收状态，不同采集通道对应的电能表必须分配不同的通信地址。采集器接收到校验正确的命令后，只有地址相同的采集通道才允许按通信规约进行应答。由于载波通信速率相对主频低很多，为提高CPU效率，接收和发送均设计为外部中断方式处理，每次进入中断，完成对Ibit数据的接收或发送处理。
图4为载波通信接收过程框图。载波通信控制单元解扩出Ibit数据后，产生一次中断。接收时首先采用16bits接收窗口、Ibit滑动方式来接收通信的同步帧头OX09、OXAF，帧头接收成功后，后续数据按每8bits一个字节的方式进行截取，得到传送的有效数据。接收过程中，按有关的通信规约进行地址判别、长度接收、校验计算，把符合通信规约的数据暂存到接收缓冲区。之后，分别进行表号、脉冲常数和底数的设置或读取等处理。
图5为载波通信发送过程框图，用于采集器载波通信的应答。当设置为载波发送状态时，载波通信控制单元发送完1bit的扩频数据后，自动产生一次中断，允许下1bit数据发送。根据捕获和同步过程需要，首先发送至少40bits的全“1”，然后按比特发送同步帧头OX09、OXAF，之后，根据有关通信规约按比特发送通信地址、数据长度、数据体、校验等字节。数据全部发送完成后，载波抄表采集器即可转入接收状态。但为确保待发送数据的最后一个比特发送成功，必须在发送完最后1bit数据后等到下一次发送中断到来后，才可以从载波发送状态转换到接收状态。载波通信没有发送完全部数据前，PL3105必须及时向PLM_RST寄存器写入“A2H”，使计数器复位，避免自动提前进入载波接收状态。
红外通信软件
设计红外通信软件时，PL3105初始化设置红外通信使能位，并使PL3105处于红外接收允许状态。在采集器接收到红外手持抄表器(PDA)发送的数据后，进入中断服务子程序，根据645通信规约按字节判断接收内容。当这些字节内容符合645通信规约要求时，把它们存到缓冲区，然后在红外数据处理子程序中，分别做设置或读取表号、脉冲常数和底数的处理。完成上述过程后，按照645通信规约进行应答准备，并将应答内容逐个字节依次发送出去。
数据显示与查询软件
在数据显示软件中，设计实时循环显示每个通道对应电能表的示数，两个周期间隔10秒钟，不显示数据。数据显示子程序在主程序的循环周期中只需调用一次，每次仅显示一个通道电能表的示数，延时5秒钟后，在显示子程序中显示下一个通道的内容，对于没有连接电能表的通道，在程序中判断表号为0后，跳越过去显示下一个通道。如果采集器没有连接任何电能表，即所有通道的表号均为0，就显示——“符号”不再循环。
本采集器为查询数据设计了一个按键，在查询数据子程序中，首先判断是否有按键按下，经去抖动处理后，确定有按键按下时，松开按键后执行显示查询内容的相关程序。每按一次按键，显示一个通道的内容，依次为表号、脉冲常数和示数，间隔3秒钟。显示完以上内容后，在5秒时间内若无按键按下，则返回循环显示电能表的示数。在有按键按下时，主程序循环周期中仅调用查询数据子程序，不再调用循环显示示数子程序。
结语
在自动远程抄表系统中，按以上方案设计的载波抄表采集器，具有良好的性价比，而且SoC芯片可通过ISP方式编程，产品升级与功能扩展更加灵活、方便。载波通信具有很高的接收灵敏度和很强的抗干扰能力，实验条件下，在1000米距离内，达到了令人满意的通信成功率。经过实验室测试，笔者设计的载波抄表采集器符合电力行业标准中的各项技术要求，实现了低成本、远距离、高可靠性的设计目标。