基于低壓電力線載波通信的智能電表終端設計

摘要：以國產芯片PL3201為核心，采用ADE7755為計量芯片設計實現單相智能電表。該設計克服了以往必須采用采集器才能對用戶數據采集的遠程抄表系統的技術難題。其特點在于直接采用電力線通信，不需再進行專線安裝，降低了產品研發成本。
關鍵詞：電力線載波；智能電表；PL3201；ADE7755

0 引言
隨著我國工業化的發展，居民用電不斷增長，用戶電表數目也隨之以數倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農村，居民居住相對分散，有時抄表員需要費好幾天才能抄完一個村莊的電表，而且還有可能出現漏抄；在城市，居民居住聚集，面對高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費時費力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準確、可靠地抄表，已經成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設計將低壓電力線載波通信技術和擴頻通信技術相結合，設計出具有遠程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴頻通信技術
我國在高壓電力線上的通信技術世界領先，技術已經非常成熟。然而在低壓(220 V)電力線上載波通信仍然存在許多技術難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發人員最為關心的問題。在電力線上的通信技術一般有基于鎖相環路的窄帶傳輸技術、基于相關器的擴頻技術、過零傳輸技術等幾種。目前擴頻技術的應用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術。其芯片內集成的載波通信單元采用QPSK(四相相移鍵控)調制方式；可變偽隨機碼速率(帶寬)的多地址通信技術，其載波中心頻率為120 kHz，偽隨機碼速率可達到15 Kb／s和30Kb／s。
由于它采用了QPSK調制技術，在帶寬不變的情況下，數據傳輸速率是BPSK調制方式的一倍。根據偽隨機碼的速率不同，數據速率可達到1Kb／s和500 b／s。同時采用了63位Gold／Kasami序列，從而實現了碼分多址，其地址數目最多可達41個，其中33個Gold序列，8個Kasami序列，將使臺區之間的干擾減小到最小；同時PL3201向下兼容PL3105的通信方式(BPSK二相相移鍵控)，及其15／31位偽隨機碼模式，此外PL32 01的載波調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。
擴頻技術是一種信息傳輸方式，在發送端(簡稱發端)采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳輸信息所需的寬度；在接收端(簡稱收端)采用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴以恢復所傳信息的數據。根據C．E．Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關系式，即香農公式：
C=B×log(1+S／N)
式中：C為信道容量，指單位時間內信道中無差錯傳輸的最大信息量，其單位為b／s；B為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號功率，單位為W；N為噪聲功率，單位為W；S／N為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比。由公式可以看出在信道容量C不變的情況下，帶寬B與信噪比S／N成反比例關系，即只要增加帶寬B就可以有效抑制信噪比S／N。擴頻通信正是基于這種理論使通信具有很強的抗干擾能力。

2 智能電表的硬件電路設計
2．1 基本框圖及電路原理
智能電表是無線抄表系統的遠程終端，其包含核心單片機PL3201、電源、電量測量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時鐘電路和最新國標32段LCD顯示等8個模塊，結構如圖1所示。