摘 要： 設(shè)計了基于電力載波的遠(yuǎn)程抄表電能表，計量準(zhǔn)確度高，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(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(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)集中器和計算機(jī)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(jī)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(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(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(dá)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(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(fù)半周，D11、D12對PSK信號進(jìn)行限幅和對三極管提供穩(wěn)壓[4]。
Q5、Q6對PSK信號進(jìn)行后級功率放大，C14進(jìn)行信號的耦合和隔直，L03對輸出信號進(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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)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(jìn)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(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12行8列的二維數(shù)組，調(diào)用時可以對EXT_ADR進(jìn)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(fù)載，且負(fù)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(xiàn)
[1] 樊建學(xué)，盛新富.低壓電力線載波集中抄表系統(tǒng)的研究[J]. 繼電器，2005，33(17)：49-52.
[2] 魏永靜，徐建政，張民.電力線擴(kuò)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(yuǎn)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(jī)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.