引言
隨著低壓電力載波技術的飛速發展，使載波通信技術的實際應用變為現實。電力部門及時地把這項科技進步成果應用于抄表工作當中，將傳統的人工現場抄表方式改為自動遠程抄表方式。為了實現這種轉變，需要配備自動遠程抄表系統，一種方案是把用戶正在使用的電子式電能表換成具有載波功能的電子式電能表，直接通過電力線把用戶的用電信息傳送到數據集中器中，再由數據集中器將各個用戶的用電信息經以太網或用GPRS通信方式發送到抄表管理中心；另一種方案是不必更換用戶正在使用的電能表，只需把若干電能表的脈沖輸出線接到一塊載波抄表采集器上，用采集器接收這些電能表的用電信息，再用載波通信方式通過電力線將用電信息經過數據集中器，最終傳遞到抄表管理中心。顯然前一種方案所用的設備投資要遠大于后者，因而，載波抄表采集器的使用將為自動遠程抄表系統在電力行業的推廣普及提供了一種價格低廉而又切實可行的途徑。本文基于PL3105芯片研制成功的載波抄表采集器就是這種采集器之一。
硬件設計
載波抄表采集器是自動遠程抄表系統的一個重要環節，它能夠把一些用戶電能表的用電量，通過脈沖數據線采集到載波抄表采集器中，一方面將這些用電量存儲在采集器的存儲單元內，以便于顯示和查詢；另一方面利用低壓電力線以載波通信方式把它們傳給遠處的數據集中器。
本載波抄表采集器是根據微處理器PL3105在電力線載波通信方面所具有的優越性能而設計的，成為一種具有數據采集、顯示、查詢以及遠程傳輸等功能的智能儀器。它的硬件電路是由PL3105單元、脈沖采集單元、載波通信單元、紅外通信單元、數據存儲單元、數據顯示單元和電源單元等部分組成，其硬件結構框圖如圖1所示。以下分別對部分單元的硬件設計進行闡述。
圖1 載波抄表采集器硬件結構框圖
PL3105
PL3105是專為面向未來的開放式自動抄表、智能信息家電以及遠程監控系統而設計的單芯片片上系統，它采用8051指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發,具有8/16位雙模式ALU、8倍速于標準51。尤其在電力線載波通信方面具有更大的優勢，它的擴頻通信單元是 PL2000 系列專用電力線載波通信集成電路的升級內核，具有更強的抗干擾能力，更高的數據通信速率和更大的軟件可配置靈活性。
脈沖采集單元
采集單元設計了21個采集通道，可滿足住宅小區一個單元用戶的需要。在設計這部分電路時，為了增加載波抄表采集器對外界各種干擾的抵抗能力，采用光耦器件NEC2501來隔離采集器的內、外信號，并為外部輸入脈沖信號提供獨立的電源供電。采集到的脈沖信號經光耦器件轉換后，通過三態放大收發器MC74HC245送到微處理器PL3105的I/O接口，在PL3105內對這些信號做出相應的處理。
載波通信單元
載波通信采用直接序列擴頻的BPSK調制解調方式：將要發送的信息用偽隨機碼序列擴展到較寬的頻帶上，在接收端用同樣的偽隨機碼序列來進行同步接收，恢復信息。載波通信的擴頻、解擴工作完全由SoC 內部的硬件電路實現，解擴閾值可以軟件調節。另外，需要配合外圍功率放大和接收回路等電路共同構成載波通信的硬件部分。低壓電力載波通信結構框圖如圖2所示。載波通信采用幀同步方式的串行移位通信，半雙工方式，速率500bps，中心頻率為120KHz，帶寬為±7.5KHz。
圖2 載波通信結構框圖
載波通信所需的直序擴頻調制電路已在PL3105芯片內集成化，外圍配置電路主要包括功率放大與濾波電路、載波耦合與接收電路，其電路如圖3(a)和(b)所示。
圖3（a）功率放大與濾波電路
圖3（b）載波耦合與接受電路
由PL3105輸出的載波信號波形為0-5V 變化的方波，包含豐富的諧波，用推挽電路進行功率放大。由于放大后的信號波形含諧波，為減少對電網的諧波污染，需要進行濾波整形。經過LC串聯電路完成濾波整形后，再通過耦合線圈耦合到低壓電力線上。載波發射功率的大小與電源幅值的高低、電源電流提供能力密切相關，一定范圍內提高電源幅值、增大電源功率，可以有效加大發射功率、從而延長通信距離。在接收電路中，收到的強發射信號經過有效吸收衰減后，由LC并聯諧振回路對信號進行帶通濾波，諧振中心頻率設計為120KHz，良好的選頻回路可以有效提高載波接收靈敏度。
紅外通信單元
PL3105 內置了紅外通信模塊，需要配合的外圍電路由發送電路和接收電路組成。發送電路的設計采用三極管9014驅動紅外發射管TASL6200，接收電路選取紅外接收管TSOP1838。紅外線調制頻率為38KHz，通過設置有關寄存器使能紅外通信后，按紅外通信規約收發數據。
數據顯示與存儲單元
數據顯示電路的設計用ZLG7289B芯片直接驅動8位共陰極數碼管(LED)，ZLG7289B 采用SPI 串行總線與微控制器PL3105接口，占用I/O 接口線較少。數據存儲單元選用鐵電非易失性數據存儲器FM24C16A，存取數據速度快，保存數據時間長。
軟件設計
本載波抄表采集器軟件采用51匯編語言編寫，將查詢方式與中斷方式相結合構成軟件的總體設計。其中脈沖采集、載波通信和紅外通信都采用了上述兩種方式編程，數據顯示與按鍵查詢僅用查詢一種方式編程。利用PL3105內置電源監控模塊編寫了掉電處理程序，用于斷電時保存采集的脈沖數。用PL3105內置看門狗監控器來提高采集器的抗干擾能力。
脈沖采集軟件
脈沖采集軟件的設計使用PL3105內部定時器T0中斷，設定5毫秒中斷一次，在中斷服務子程序中，檢測21個采集通道(對應21塊電能表)輸入的脈沖，如果輸入脈沖寬度大于15毫秒，采集器就把該脈沖作為一個有效的脈沖，然后對采集的脈沖做累加，并把結果存到PL3105的內存RAM里。對于電子式電能表的脈沖輸出，設計要求脈沖寬度大于80毫秒，因此不會出現漏采脈沖的情況。這樣，就可以把小于15毫秒的干擾脈沖濾掉。
在脈沖處理子程序中，當脈沖數累加達到1度電
時，把這一度電加到原有用電量記錄上，作為新的用電量記錄，并將它存到鐵電存儲器FM24C16A相應的單元內。當載波抄表采集器斷電時，由掉電處理子程序把不足1度電的脈沖數存到鐵電存儲器FM24C16A中。這種處理方法既能保證對每個通道采集的用電量進行可靠的保存，又可減少擦寫鐵電存儲器FM24C16A的次數，延長該器件的使用壽命。
載波通信軟件
載波通信設計為總線方式通信，載波抄表采集器的常態設置為接收狀態，不同采集通道對應的電能表必須分配不同的通信地址。采集器接收到校驗正確的命令后，只有地址相同的采集通道才允許按通信規約進行應答。由于載波通信速率相對主頻低很多，為提高CPU效率，接收和發送均設計為外部中斷方式處理，每次進入中斷，完成對1bit 數據的接收或發送處理。
圖4為載波通信接收過程框圖。載波通信控制單元解擴出1bit 數據后，產生一次中斷。接收時首先采用16 bits 接收窗口、1bit 滑動方式來接收通信的同步幀頭0X09、0XAF，幀頭接收成功后，后續數據按每8bits 一個字節的方式進行截取，得到傳送的有效數據。接收過程中，按有關的通信規約進行地址判別、長度接收、校驗計算，把符合通信規約的數據暫存到接收緩沖區。之后，分別進行表號、脈沖常數和底數的設置或讀取等處理。
圖4 載波通信接收過程框圖
圖5為載波通信發送過程框圖，用于采集器載波通信的應答。當設置為載波發送狀態時，載波通信控制單元發送完1bit 的擴頻數據后，自動產生一次中斷，允許下1bit 數據發送。根據捕獲和同步過程需要，首先發送至少40bits的全“1”，然后按比特發送同步幀頭0X09、0XAF，之后，根據有關通信規約按比特發送通信地址、數據長度、數據體、校驗等字節。數據全部發送完成后，載波抄表采集器即可轉入接收狀態。但為確保待發送數據的最后一個比特發送成功，必須在發送完最后1bit 數據后等到下一次發送中斷到來后，才可以從載波發送狀態轉換到接收狀態。載波通信沒有發送完全部數據前，PL3105必須及時向PLM_RST寄存器寫入“A2H”，使計數器復位，避免自動提前進入載波接收狀態。
圖5 載波通信發射過程框圖
紅外通信軟件
設計紅外通信軟件時，PL3105初始化設置紅外通信使能位，并使PL3105處于紅外接收允許狀態。在采集器接收到紅外手持抄表器(PDA)發送的數據后，進入中斷服務子程序，根據645通信規約按字節判斷接收內容。當這些字節內容符合645通信規約要求時，把它們存到緩沖區，然后在紅外數據處理子程序中，分別做設置或讀取表號、脈沖常數和底數的處理。完成上述過程后，按照645通信規約進行應答準備，并將應答內容逐個字節依次發送出去。
數據顯示與查詢軟件
在數據顯示軟件中，設計實時循環顯示每個通道對應電能表的示數，兩個周期間隔10秒鐘，不顯示數據。數據顯示子程序在主程序的循環周期中只需調用一次，每次僅顯示一個通道電能表的示數，延時5秒鐘后，在顯示子程序中顯示下一個通道的內容，對于沒有連接電能表的通道，在程序中判斷表號為0后，跳越過去顯示下一個通道。如果采集器沒有連接任何電能表，即所有通道的表號均為0，就顯示“——”符號，不再循環。
本采集器為查詢數據設計了一個按鍵，在查詢數據子程序中，首先判斷是否有按鍵按下，經去抖動處理后，確定有按鍵按下時，松開按鍵后執行顯示查詢內容的相關程序。每按一次按鍵，顯示一個通道的內容，依次為表號、脈沖常數和示數，間隔3秒鐘。顯示完以上內容后，在5秒時間內若無按鍵按下，則返回循環顯示電能表的示數。在有按鍵按下時，主程序循環周期中僅調用查詢數據子程序，不再調用循環顯示示數子程序。
結語
在自動遠程抄表系統中，按以上方案設計的載波抄表采集器，具有良好的性價比，而且SoC 芯片可通過ISP方式編程，產品升級與功能擴展更加靈活、方便。載波通信具有很高的接收靈敏度和很強的抗干擾能力，實驗條件下，在1000米距離內，達到了令人滿意的通信成功率。經過實驗室測試，筆者設計的載波抄表采集器符合電力行業標準中的各項技術要求，實現了低成本、遠距離、高可靠性的設計目標。