电力载波通信抄表集中器硬件设计

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1、东北农业大学毕业说明书入学年级：2012 年秋 学生姓名： 学 号： 所学专业：电气化及其自动化东北农业大学 中国 哈尔滨 2014年目录摘要21电力载波通信技术21.1电力线载波通信中信号传输特征分析21.2常用低压电力线载波通信技术21.3扩频通信技术21.3.1扩频通信的工作原理21.3.2扩频通信的特点21.4电力线载波通信的实现21.4.1国外的电力线载波专用 mode 芯片32电力载波抄表系统整体设计32.1自动抄表系统的组成33电力载波抄表集中器的硬件设计43.1电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计43. 1. 1集中器的功能及技术指标43.1.2集中器的结构框图43.2集中器

2、主控器的设计53.2.1主控器的作用53. 2. 2主控器的选型53.2.3单片机w77e58的简单介绍53.3数椐存储器的扩展53.3.1数据存储器 ram 的选择63.3.2硬件电路设计63. 3. 3存储器的掉电保护63. 4时钟模块73. 4. 1设计思想73.4.2时钟模块的选择73.4.3时钟模块与单片机的链接83.5电力线载波通信电路的设计83.5.1载波通信芯片sscp300的发送与接收原理83.5.2单片机与sscp300通信的控制工作过程93.6 主控器与 mode 通信接口103.6.1mode 的简介103.6.2 主控器与 modem 通信接 口电路103.7电源电路

3、114结语1 25参考文献12摘要随着我国电力事业的迅速发展，传统的用电抄收管理方式己经不能满足市场需求，这篇论文首 先分析了高频信号在电力线中的传输特性；重点讨论了扩频通信技术在电力线载波通信中的应用； 深入研究了以扩频调制解调技术通信技术。1电力线载波通信技术电力线载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式。它 根据频率搬移、频率分割原理，将原始信号对载波进行调制，搬移到不同的线路传输频带，送到电 力线上进行传输。和其他通信方式相比，具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好 无中继和通信距离长等一系列优点。1.1电力线载波通信中信号传输特性分析由于电

4、力线并不是专为传输信号而设计的，所以有必要分析高频信号在电力线中的传输特性。 影响电力线载波传输质量的主要因素有:电力网络的阻抗特性、衰减特性及噪声的干扰。前两者制约 信号的传输距离，后者决定数据传输的质量。1.2常用的低压电力线载波通信技术(1) 窄带通信方式.窄带通信方式价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较常用。(2) 多载波调制方式.多载波调制是一种多载频并传体制，其基本原理是将输入信息转换成多路并行 信号，对相互完全正交的一组载波进行调制。(3) 扩频通信方式。扩频通信方式是一种简便、易实现、价格低廉的方式。本文的低压电力线载波 通信方式采用的就是扩频通信技术。1.3扩频通信技

5、术扩频通信是目前应用广泛的通信技术，它相对于窄带通信系统来说有一定的优势，主要表现在 扩频通信具有优越的抗干扰性能，它能够很好的克服电力线上的噪声和干扰，扩频通信用伪随机码 把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。扩频信 号具有较宽的频谱，因而分散了噪声功率，使干扰程度减小，提高了通信的可靠性。1.3.1扩频通信的工作原理在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调 制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信 号，变频至中频，然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去相关

6、解扩。再经信息解调，恢复 成原始信息输出。1.3.2扩频通信的特点(1) 抗干扰能力强(2) 具有选址能力(3) 抗多径干扰能力强1.4电力线载波通信的实现目前，低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。鉴于电力线的恶劣的通道 特性，必须采用专用的电力线载波专用MODEM芯片，这也成为电力载波抄表系统的关键技术。因此 电力线载波通信的关键就是选用一种功能强大的电力线载波专用MODEM芯片。1.4.1国外的电力线载波专用Modem芯片国外在电力线载波通信技术方面发展较早，多家国外公司陆续推出了自己的电力线载波 Modem 芯片。下面简单介绍几种常见的Modem芯片：(1) ST753

7、6 芯片ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的Modem芯片。由于它是专用Modem芯 片，所以除有一般Modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处 理手段。(2) SSCP300 芯片SSCP300是INTELLON公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波Modem芯片,利用网络接口 控制器将扩频通讯收发器和媒介存取接口高度集成化，是用于低廉的电能抄表系统的网络接口控制 器，为一个高度集成化的电力线收发器和信道存取接口。(3) PL3105 芯片PL3105芯片是北京福星晓程公司为智能仪表应用设计的产品，它内嵌直接序列扩频单元2电力载

8、波抄表系统总体设计2.1自动抄表系统的组成图3-1是基于电力线调制解调器的自动抄表系统的结构示意图，系统以供电局的计算机抄表中 心为主站，以电力变压器10KV/380V供电的每个小区为相对独立的子系统，集中器再通过公用电话 网或专用通信网(如光纤或无线电通信等)把数据传送到供电局的计算机抄表中心。由系统结构示意图可知，自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级传送完成，也可以根据实际 情况的需要进行数据双向传输，该系统可分为五个主要组成部分：(1) 电能用户表；(2)数据采集器；(3)电力线Modem； (4)集中器；(5)计算机抄表中心。图3-1系统结构示意图4抄表系统各组成部分的功能是:(1)

9、电能用户表对于电磁式电能表，需在表内加装一只传感器或光电模块，将电能表的数据转换成电信号输出 对于电子式电能表，则可以直接利用表的电脉冲输出。(2) 数据采集器 数据采集器实际上是计一费终端和数据集中器中间的一个桥梁，它的主要功能在于同时采集多 个用户电能表的电量脉冲信息，并经过处理和存储，通过电力线Modem沿低压电网送到集中器上。电力线Modem 主要是对采集器送来的数据进行调制和解调，增强对低压电网的抗干扰性和减低信道传输的误 码率。(4) 数据集中器 数据集中器是安装在小区的配电站区的，它的功能是向采集器发出命令，抄收计费终端的数据，然后再通过公用电话网络传送给远方的数据中心；数据集中

10、器能够接收的数据中心的命令，并把相 关命令再转发给辖区内的指定的数据采集器。此外，数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据， 并把抄收到的数据存储到数据存储器中。(5) 计算机抄表中心 通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设置用户编号和抄表时间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务。(6) 集中器与数据中心之间的通信 数据集中器与数据中心之间的通讯采用公用电话网络作为通讯媒介，自动抄表系统的数据中心与数 据集中器之间的通讯主要是电话线Modem模块之间的通讯，借助现有的公用电话交换网(PSTN进行 传输，来实现两地之间的数据通信功能。(7)

11、 数据采集器与数据集中器之间的通信 低压电力线载波数据不能够跨越变压器，所以数据集中器基本上是被设置在住宅小区配电站以 内，数据采集器与集中器之间的通讯采用低压电力线载波通信方式。3电力载波抄表集中器的硬件设计3.1电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计集中器是集中下属的数据采集器的数据，并发给中心服务器，集中器有两个通信对象，面对不 同对象时，需要采取不同的通信方式，集中器的信息存储和处理量较大，我们需采用处理速率较高 的处理器并进行存储器的扩展。集中器是安装在小区供电变压器低压侧，作为载波抄表系统的中心 环节，是整个系统的核心，是连接机与用户电表之间的枢纽。3.1.1集中器的功能及技术指标

12、 设计任何一个产品之前明确它的功能和技术指标是非常必要的。集中器作为电力线载波抄表的 一部分，起着上传下达的作用。集中器的主要功能有：(1) 抄收功能(2)设置功能(3)通信功能(4)数据处理(5) 校时功能3.1.2集中器的结构框图集中器本身是由主控单元、数据库存储单元、时钟单元、载波通信单元、数据传送通信单元等 部分组成。集中器既要做上位机的从机，又是载波电表的主机，其软、硬件的设计要求从根本上保 证系统可靠、稳定。集中器的组成结构框图如图4-1所示。图4-1集中器组成结构框图3.2集中器主控器的设计3.2.1主控器的作用集中器是通信的枢纽，它负责中心计算机和采集终端之间的联系.主控器是集

13、中器的核心部件， 选择时一般从以下几个指标：价格、速度、位数、电压、功耗、系统扩展与驱动能力等。另外，件 开发的难易也会在很大程度上影响用户的选择。3.2.2主控器的选型在集中器的设计中，单片机既要与上位机通信，又要和电话网进行通信，所以需要两个串口。 本文采用W77E58作为主控制器，在它的控制下进行数据的传送与接收。W77E58内含32KB Flash EPROM，工作电压为4.5V-5.5V,具有1KB片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上SRAM代替 外部SRAM，可节省更多I/O 口。其主要性能参数：(1) 8位CMOS微控制器(2) 每4个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外

14、部时钟频率为40MHZ(3) 与标准80C52管脚兼容(4) 指令与MCS-51兼容(5) 4 个 8 位 I/O 口(6) 3个16位定时/计数器(7) 12个中断源，2级中断能力(8) 片上振荡器及时钟电路(9) 二个增强型全双工串行口(10) 32KB，Flash EPROM(11) 256字节片内暂存RAM(12) 片内1KB外部数据存储器(用MOVX指令访问)(13) 可编程看门狗定时器，软件复位， 2个16位数据指针(14) 对外部RAM及外设的访问周期可以进行软件编程(15) 封装： DIP 40: W77E58-40 ， PLCC 44： W77E58P-40 ， QFP 44

15、：W77E58F-403.3数据存储器的扩展W77E58片内数据存储器为1KB的SRAM。集中器要管理电表，对其进行数据集、处理、存储，仅 片内1KB数据存储器是不够的，需要扩展外部数据存储器oSRAM的典型芯片有2KB的6116、8KB的 6264以及32KB的62256，其中6264芯片应用最为广泛。3.3.1数据存储器RAM的选择本文采用6264作为扩展的数据存储器。6264是28脚双列直插式8KB X8位静态随机读取RAM, 它具有容量大、功耗低、价格便宜、集成度高、速度快、设计和使用方便等特点。6264的技术特性：(a)使用单一的+5V电源供电；(b)最大存取时间为200ns；(c)额定功耗200mW； (d)采用CMOS工艺制造；(e)输入和输出引脚均与TTL电平直接兼容；IfHrG1111551呂5IT4133AlAll AiSBPLM24%