摘  要： 設(shè)計(jì)了基于電力載波的遠(yuǎn)程抄表電能表，計(jì)量準(zhǔn)確度高,，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳遞、防竊電功能報(bào)警,、斷電數(shù)據(jù)保存及液晶顯示計(jì)量信息等功能。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成度高,，硬件電路穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)控制軟件實(shí)時(shí)可靠,，使得采用PL3201 SOC芯片架構(gòu)的電能表的功耗更低，計(jì)量準(zhǔn)確度較傳統(tǒng)的電子式電表更高,，遠(yuǎn)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(shí)時(shí)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(jì)量,；液晶顯示；直序擴(kuò)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(jì)算機(jī)電能管理系統(tǒng)軟件,，對(duì)小區(qū)住戶電能表數(shù)據(jù)實(shí)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(jī)械轉(zhuǎn)盤式電表逐漸向電子脈沖采樣計(jì)數(shù)的電子式電能表轉(zhuǎn)變,。電能表計(jì)數(shù)向低功耗、高精度,、實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率方向發(fā)展[2],。本設(shè)計(jì)采用復(fù)費(fèi)率、高精度的電能計(jì)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(jī)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(chǔ)電路,、電力載波電路和液晶顯示電路，主要完成電能表的計(jì)量和顯示,，同時(shí)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(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 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(jī)碼速率的不同,，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1 kb/s和500 b/s。同時(shí)采用63位Gold/Kasami序列,，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BPSK二相相移鍵控,，及其15/31位偽隨機(jī)碼模式。此外PL3201的載波調(diào)制輸出信號(hào)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(jìn)糾錯(cuò)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(jì)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(jì)量電路
    計(jì)量電路可以由軟件來控制選取兩路電流采樣信號(hào)中的某一路,。在計(jì)量模塊內(nèi)部與電壓采樣結(jié)果進(jìn)行乘法處理,，計(jì)算得到有功功率、無功功率,。上電復(fù)位時(shí)默認(rèn)為第1路ADC采樣作為電流通道的輸入,。
2.4 PL3201儲(chǔ)存器
    PL3205內(nèi)置的嵌入式準(zhǔn)16 bit微處理器儲(chǔ)存器配置方式與8051基本相同，在物理結(jié)構(gòu)上分成3個(gè)儲(chǔ)存空間：片內(nèi)程序儲(chǔ)存器,、1 KB片內(nèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器及256 B片內(nèi)數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞,。
    本設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)時(shí)時(shí)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(shí),，CPU的外部中斷2將會(huì)被自動(dòng)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(qǐng)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(hào)，三極管Q7,、Q8是載波功率放大的初級(jí)功放,，Q8放大正弦波的正半周，Q7放大正弦波的負(fù)半周,，D11,、D12對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行限幅和對(duì)三極管提供穩(wěn)壓[4]。

    Q5,、Q6對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行后級(jí)功率放大，C14進(jìn)行信號(hào)的耦合和隔直,，L03對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)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(shí)承擔(dān)從電力線上耦合接收外來載波信號(hào),，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(diǎn)在120 kHz,。
2.8 液晶顯示
    在整個(gè)電能表系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)費(fèi)計(jì)量的顯示輸出,。傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表通常采用計(jì)數(shù)字輪來累加計(jì)數(shù)，本設(shè)計(jì)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(dòng)電路，無需外加顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào),提醒微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)處理,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    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(cuò)方面有自己的獨(dú)立設(shè)計(jì),，保證數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)合理,，系統(tǒng)掉電能及時(shí)檢測,，電能數(shù)據(jù)能保證可靠保存。有一個(gè)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(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)校,。
3.1 電能計(jì)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(jì)量存儲(chǔ)器和轉(zhuǎn)換結(jié)果的全局變量,，然后取消寄存器保護(hù)，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(jìn)行排列，組合成一個(gè)12行8列的二維數(shù)組,，調(diào)用時(shí)可以對(duì)EXT_ADR進(jìn)行遞增或遞減,，再對(duì)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(shí)最大可能地模擬實(shí)際環(huán)境,，整個(gè)測試系統(tǒng)如圖3所示,。
    外接純阻性負(fù)載，且負(fù)載功耗保持穩(wěn)定。實(shí)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(shí)現(xiàn)基于電力載波的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表,。
參考文獻(xiàn)
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