摘?要:現(xiàn)今電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)電力線載波通訊(PLC)已經(jīng)廣泛被采用,通過在數(shù)字智能電表數(shù)字電表的通信接口上加裝電表通訊模塊,通訊模塊可將用戶電表之用電量數(shù)據(jù)、電表狀態(tài)數(shù)據(jù)信息等讀取出來,再由微處理器(MCU)將讀取的數(shù)據(jù)處理并輸出串行的調(diào)制數(shù)據(jù)信號,再將調(diào)制后數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線介質(zhì)上進(jìn)行傳輸給集中器,集中器再將數(shù)據(jù)信號集中處理,并由集中器通訊模塊將處理好的信息傳送給后臺上位機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)收費系統(tǒng),從而實現(xiàn)自動抄表功能。
關(guān)鍵詞:HPLC;載波通訊模塊;設(shè)計
一、 引言
隨著科技進(jìn)步和發(fā)展,電力系統(tǒng)中用戶電量統(tǒng)計和費用計算與繳費,已經(jīng)由手工抄錄逐步或全面被自動遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)所取代,從而節(jié)省了大量的人力、物力等。電表通訊模塊是自動抄表系統(tǒng)中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章結(jié)合工作實際,以自動抄表系統(tǒng)之三相PLC通訊模塊為例,簡要分析電表PLC通訊模塊硬件電路設(shè)計內(nèi)容。
一、 模塊概況
(一)PLC通訊模塊產(chǎn)品
PLC通訊模塊以載波芯片MCU為核心進(jìn)行設(shè)計,模塊以電力線為通信介質(zhì),實現(xiàn)載波通信功能,采用OFDM技術(shù)的載波調(diào)制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使其具有在較強(qiáng)抗衰減和抗干擾能力可靠通信,適用于低壓環(huán)境自動抄表系統(tǒng)。
(二)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):要求符合國家電網(wǎng)公司《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》,以及符合《DL/T 645-2007多功能電能表通信協(xié)議》相關(guān)技術(shù)規(guī)范等。
(三)PLC通訊模塊研發(fā)內(nèi)容
PLC電表載波通訊模塊(以下簡稱通訊模塊)是基于MCU載波核心微處理器芯片設(shè)計的,以電力線為通信介質(zhì),實現(xiàn)載波通信功能的產(chǎn)品,它利用OFDM技術(shù)方式的載波調(diào)制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,多用于低電壓用戶環(huán)境自動抄表系統(tǒng)中。
所以文章謹(jǐn)以三相PLC載波通訊模塊為例簡析其硬件電路設(shè)計。
二、 PLC通訊模塊硬件設(shè)計簡述
PLC通訊模塊硬件設(shè)計研發(fā)內(nèi)容包含:各電路單元原理圖設(shè)計和PCB電路板設(shè)計等。
(一)PLC通訊模塊硬件電路原理圖設(shè)計
PLC通訊模塊硬件原理圖電路設(shè)計包含:
(a)MCU載波基帶電路設(shè)計
PLC通訊模塊以載波信號微處理器芯片為核心,通過弱電接口可以使通訊模塊與電表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和交互,通過強(qiáng)電接口的變壓器可以完成載波數(shù)據(jù)信號發(fā)送和接收。MCU載波基帶電路主要完成UART收發(fā)信號的數(shù)據(jù)加密解密解析等處理,硬件電路設(shè)計主要按照MCU設(shè)計規(guī)格書要求設(shè)計提供時鐘電路,信號接口電路等外圍電路。該部分原理圖見附圖1之MCU相關(guān)部分。
(b)強(qiáng)電/弱電通信接口電路設(shè)計
1. 弱電接口設(shè)計說明
弱電接口和強(qiáng)電接口的引腳定義遵循國網(wǎng)公司的型式規(guī)范要求。
(A)弱電口引腳主要信號有:
> EVENTOUT,輸入信號,電表事件狀態(tài)輸出;
> STA,輸出信號,接收時地址匹配正確,模塊輸出低電平。
> /RST,輸入,復(fù)位管腳,電表輸出(低電平有效),可用于復(fù)位通信模塊。
> DCE_RXD,輸入,電表通信信號接收引腳;
> /SET,輸入,模塊設(shè)置使能。
>供電電源:VDD,工作電源3.3V±0.3V,由終端提供給模塊。
> DEC_TXD,輸出,通信模塊給電表發(fā)送數(shù)據(jù)信號;
>電源:VCC,通信模塊模擬電源,電壓范圍:12V±1V。
2. 載波耦合接口(強(qiáng)電)設(shè)計說明
載波通信接口引腳功能
可通過MCU軟件切換選擇任一相線載波耦合進(jìn)行通信。
電網(wǎng) A/B/C 相線作為信號耦合接入端任選其一。
零線N電網(wǎng)零線作為信號耦合接入端。
接口電路設(shè)計之原理圖見圖1接口電路設(shè)計部分
(c)載波發(fā)射/載波接收濾波硬件電路(TX/RX)設(shè)計
載波接收通路硬件電路(RX)設(shè)計上,采用LC濾波網(wǎng)絡(luò)對降壓耦合變壓器接收來自電網(wǎng)線上的載波調(diào)試信號進(jìn)行濾波,經(jīng)RX濾波后,濾除干擾信號,將有用的頻率的載波信號篩選出來(頻段1~4頻率帶寬:700khz~12Mhz)
載波發(fā)送通路硬件電路(TX)設(shè)計上:信息經(jīng)載波微處理芯片MCU處理并調(diào)制成寬帶載波電信號后,濾波預(yù)放大,再送入寬帶載波功率放大器進(jìn)行放大至相應(yīng)的等級的功率信號,限幅后再經(jīng)變壓器耦合輸出至電力線上。
發(fā)射/接收濾波硬件電路原理圖件圖1中所示。
(d)DCDC直流電路設(shè)計
DCDC降壓電路:將電表側(cè)供電12V降壓成3.3V,為MCU基帶電路及相關(guān)電路供電。
電路設(shè)計上,采用一顆降壓芯片等器件將超級電容12V降壓為3.3V,為模塊基帶電路供電。
硬件電路原理圖件附圖1中所示
(e)Flash Memory電路設(shè)計
原理圖電路設(shè)計vf上,采用一顆flash存儲芯片等器件組成。flash存儲器保存軟件程序,chipID,產(chǎn)品ID等信息。
存儲器硬件電路原理圖如圖1中所示
(f)過零點檢測電路設(shè)計
原理圖設(shè)計上,整形電路將工頻50Hz整形為50Hz方波信號,送給MCU按照算法以判別工頻信號過零點時序,為系統(tǒng)制收發(fā)載波時序提供時基基準(zhǔn)。
過零點檢測電路原理圖如附圖1中所示
(g)停電數(shù)據(jù)上報電路設(shè)計
停電時,模塊及時將用戶及電表狀態(tài)數(shù)據(jù)信息上報給上位機(jī)服務(wù)器端。電路設(shè)計上,采用一顆升壓芯片等器件將超級電容2.7V升壓為12V,為模塊供電,模塊系統(tǒng)及時將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器端。其原理圖見圖1所示。
(h)PCB電路板設(shè)計等
根據(jù)電網(wǎng)協(xié)議接口規(guī)范要求,進(jìn)行PCB電路板設(shè)計:a. 按規(guī)范要求設(shè)計好接插件器件等封裝;b. 定位好接口位置和間距;c. 該模塊采用4層板設(shè)計,并將弱電接口低電壓電路與高電壓的強(qiáng)電接口使用變壓器或光耦等器件隔離開等。繪制好的三相電表PCB板圖(略)
三、 結(jié)語
文章簡析PLC通信模塊硬件設(shè)計方面的內(nèi)容,簡述相關(guān)功能單元的設(shè)計情況,旨在讓讀者了解通信模塊設(shè)計內(nèi)容。篇幅所限,水平所限,請海涵。謝謝!
作者簡介:陳國宏,南京南瑞微電子技術(shù)有限公司。