摘 要： 設(shè)計了基于電力載波的遠程抄表電能表,，計量準(zhǔn)確度高，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠程傳遞,、防竊電功能報警,、斷電數(shù)據(jù)保存及液晶顯示計量信息等功能。整個系統(tǒng)設(shè)計集成度高,，硬件電路穩(wěn)定可靠,，系統(tǒng)控制軟件實時可靠，使得采用PL3201 SOC芯片架構(gòu)的電能表的功耗更低,，計量準(zhǔn)確度較傳統(tǒng)的電子式電表更高,，遠程抄表功能便于集成化管理各用戶電能數(shù)據(jù)，能做到實時監(jiān)測電能信息,，防止竊電事故和電網(wǎng)異常事故的發(fā)生,。
關(guān)鍵詞： 電力載波；電能計量,；液晶顯示,；直序擴頻通信
城市化規(guī)模的不斷加大，住宅小區(qū)的住戶密集度不斷增多,，電能表的安裝位置變得偏僻,，給小區(qū)的物管抄收電能數(shù)據(jù)帶來壓力，為避免電工上門抄表及保證電能表數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,，采用電力載波電能表,，可以通過數(shù)據(jù)接收器、數(shù)據(jù)集中器和計算機電能管理系統(tǒng)軟件,，對小區(qū)住戶電能表數(shù)據(jù)實現(xiàn)快捷方便的操作管理[1],。
1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
電能表技術(shù)由傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)盤式電表逐漸向電子脈沖采樣計數(shù)的電子式電能表轉(zhuǎn)變,。電能表計數(shù)向低功耗,、高精度、實現(xiàn)復(fù)費率方向發(fā)展[2],。本設(shè)計采用復(fù)費率,、高精度的電能計量芯片PL3201。PL3201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,，可變偽隨機碼速率（帶寬）的多地址通信技術(shù),。
2 電能表硬件電路組成
電能表包括電源電路,、數(shù)據(jù)存儲電路、電力載波電路和液晶顯示電路,，主要完成電能表的計量和顯示,，同時具有精度校正功能。
2.1 PL3201電力載波通信
PL3201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，偽隨機碼速率可達到15 kHz和30 kHz,，由于采用了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)偽隨機碼速率的不同,，數(shù)據(jù)速率可達到1 kb/s和500 b/s。同時采用63位Gold/Kasami序列,，實現(xiàn)了碼分多址,，其地址數(shù)目最多可達41個，其中33個Gold序列,，8個kasami序列,，將使臺區(qū)之間的干擾減小到最小,；同時PL3201向下兼容BPSK二相相移鍵控,，及其15/31位偽隨機碼模式。此外PL3201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,，在PL3201采用了先進糾錯數(shù)據(jù)傳輸更為穩(wěn)定可靠[4],。
2.2 電源電路
此電源電路中采用了SOC芯片，涉及到模擬地(GND),、數(shù)字地(DGND),、模擬電源(VCC)、數(shù)字電源(VDD)及12 V模擬正電源,。在電源部分的設(shè)計就要綜合考慮兼顧整體,，從電源上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
2.3 電能計量電路
計量電路可以由軟件來控制選取兩路電流采樣信號中的某一路,。在計量模塊內(nèi)部與電壓采樣結(jié)果進行乘法處理,，計算得到有功功率、無功功率,。上電復(fù)位時默認為第1路ADC采樣作為電流通道的輸入,。
2.4 PL3201儲存器
PL3205內(nèi)置的嵌入式準(zhǔn)16 bit微處理器儲存器配置方式與8051基本相同，在物理結(jié)構(gòu)上分成3個儲存空間：片內(nèi)程序儲存器,、1 KB片內(nèi)數(shù)據(jù)儲存器及256 B片內(nèi)數(shù)據(jù)儲存器和特殊功能寄存器,。
2.5 PL3201芯片
主控制器是電能表的關(guān)鍵處理器,，是指揮電能表正常運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞。
本設(shè)計采用北京福星曉程電子公司的PL3201,，此芯片有著穩(wěn)定和優(yōu)異的抗干擾特性,。芯片采用增強型51處理器內(nèi)核，內(nèi)部集成了電力載波調(diào)制解調(diào)模塊,、3組高速高精度16 bit AD轉(zhuǎn)換器,，集成RTC實時時鐘控制單元。
2.6 PL3201電力載波寄存器
載波通信單元中斷使能位有效時,，CPU的外部中斷2將會被自動配置到載波通信中,，用于數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送或接收完畢的中斷請求。
2.7 電力載波硬件電路
電力載波硬件電路如圖1所示,。電路原理介紹：PSK_OUT是電力載波的輸出QPSK（四相相移鍵控）調(diào)制信號,，三極管Q7、Q8是載波功率放大的初級功放,，Q8放大正弦波的正半周,，Q7放大正弦波的負半周，D11,、D12對PSK信號進行限幅和對三極管提供穩(wěn)壓[4],。
Q5、Q6對PSK信號進行后級功率放大,，C14進行信號的耦合和隔直,，L03對輸出信號進行整形，并濾掉電網(wǎng)的外來尖峰脈沖,。最終在T03處耦合到電力線上,。T03同時承擔(dān)從電力線上耦合接收外來載波信號，D06是雙向二極管防止外來雷電的損害,。R13,、C12、C11,、L02構(gòu)成一帶通濾波器,，中心頻率點在120 kHz。
2.8 液晶顯示
在整個電能表系統(tǒng)設(shè)計中,，為了給用戶提供直觀的顯示輸出和可視抄表,，一般都有計費計量的顯示輸出。傳統(tǒng)的機械式電能表通常采用計數(shù)字輪來累加計數(shù),，本設(shè)計選用了129B的液晶顯示模塊,，液晶顯示內(nèi)容豐富(包括基本的數(shù)字顯示和關(guān)鍵漢字顯示)，功耗低,，可利用PL3201的內(nèi)置24X4段碼驅(qū)動電路,，無需外加顯示驅(qū)動電路；刷新速度快,，利用內(nèi)部顯示控制寄存器即可完成循環(huán)動態(tài)顯示,，無需增加CPU的額外處理開銷。
2.9 系統(tǒng)掉電模塊
掉電檢測電路主要檢測微處理器的工作電壓是否處于正常范圍內(nèi),一旦出現(xiàn)異常便輸出信號,提醒微處理器進行數(shù)據(jù)保護處理,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
采用符合國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),，在數(shù)據(jù)的加解密，數(shù)據(jù)的編碼糾錯方面有自己的獨立設(shè)計,，保證數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定可靠,。系統(tǒng)軟件設(shè)計合理，系統(tǒng)掉電能及時檢測,，電能數(shù)據(jù)能保證可靠保存,。有一個用戶按鍵接口，用按鍵可切換顯示數(shù)據(jù)的內(nèi)容,，包括電能電量信息,、實時電壓電流數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時鐘數(shù)據(jù)。配套使用電力載波接收器,，通過串口讀取電能表內(nèi)部數(shù)據(jù),，并進行數(shù)據(jù)調(diào)校。
3.1 電能計量程序塊
如圖2所示,，寄存器初始化后,，定義電壓雙字節(jié)的特殊寄存器、電能計量存儲器和轉(zhuǎn)換結(jié)果的全局變量,，然后取消寄存器保護,，讀取電能寄存器的數(shù)值和轉(zhuǎn)換電壓電流寄存器的數(shù)值。
3.2 液晶顯示模塊程序塊
用F129B的液晶顯示段碼,，根據(jù)EXT_ADR的地址從低到高進行排列,，組合成一個12行8列的二維數(shù)組，調(diào)用時可以對EXT_ADR進行遞增或遞減,，再對用后面的注釋選擇要顯示的字符編碼,。
4 系統(tǒng)調(diào)試載波通信模塊測試
測試時最大可能地模擬實際環(huán)境，整個測試系統(tǒng)如圖3所示,。
外接純阻性負載,，且負載功耗保持穩(wěn)定。實測數(shù)據(jù)為通過串口讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果,，如表1所示,。
由于現(xiàn)在居民小區(qū)每家每戶都鋪設(shè)有220 V的電力線路，這為實現(xiàn)基于電力載波的自動抄表系統(tǒng)提供了很好的條件。電能表作為最底層的單元,通過電力線與數(shù)據(jù)集中器相互傳輸數(shù)據(jù),，完成各種通信,，實現(xiàn)自動抄表。
參考文獻
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[2] 魏永靜,，徐建政,，張民.電力線擴頻載波技術(shù)在抄表中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2005(6)：50-52.
[3] 趙鋼,，周啟龍.基于低壓電力線載波遠程抄表系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].東北電力技術(shù),，2005，26(11)：21-23.
[4] 王有緒,，許杰,，李拉成.PIC系列單片機接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.