電力線載波通信有線通信.doc

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抄表系統(tǒng)及其方法 本發(fā)明公開了一種抄表系統(tǒng)包括電力線寬帶載波通信單元、無線通信單元、時鐘單元、控制單元以及存儲單元；所述電力線寬帶載波通信單元用于收發(fā)通過電力線載波方式傳送的抄表信號；所述無線通信單元用于收發(fā)通過無線通信方式傳送的抄表信號；控制單元用于信道狀況的偵測，根據(jù)偵測結(jié)果控制抄表系統(tǒng)在電力線寬帶載波通信以及無線通信之間的信道自動切換，切換信道后進(jìn)行自動組網(wǎng)，并將從電力線寬帶載波通信單元以及無線通信單元接收到的抄表信號進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換生成電表數(shù)據(jù)。本抄表系統(tǒng)利用寬帶載波通信可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸率高、數(shù)據(jù)容量大、雙向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，將無線通信方式以及電力線通信方式相互結(jié)合，使抄表布線等現(xiàn)場施工工作變得簡便靈活。 電力線載波Power Line Carrier - PLC通信是利用高壓電力線在電力載波領(lǐng)域通常指35kV及以上電壓等級中壓電力線指10kV電壓等級或低壓配電線380/220V用戶線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式 PLC 　　= Power Line Carrier,電力線載波 　　電力線載波(PLC)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力線載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。 近年來電力線載波技術(shù)突破了僅限于單片機(jī)應(yīng)用的限制，已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化時代，并且隨著電力線載波技術(shù)的不斷發(fā)展和社會的需要中/低壓電力載波通信的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用亦出現(xiàn)了方興未艾的局面。電力線載波通信這座被國外傳媒喻為未被挖掘的金山正逐漸成為一門電力通信領(lǐng)域乃至關(guān)系到千家萬戶的熱門專業(yè)。 但是電力線載波通訊因?yàn)橛幸韵氯秉c(diǎn)，導(dǎo)致PLC主要應(yīng)用－－“電力上網(wǎng)”未能大規(guī)模應(yīng)用： 　　1、配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送； 　　2、三相電力線間有很大信號損失（10 dB -30dB）。通訊距離很近時，不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸； 　　3、不同信號藕合方式對電力載波信號損失不同，藕合方式有線-地藕合和線-中線藕合。線-地藕合方式與線-中線藕合方式相比，電力載波信號少損失十幾dB，但線-地藕合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用； 　　4、電力線存在本身因有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ，則周期為20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時間約2ms，因定干擾必須加以處理。有一種利用波形過0點(diǎn)的短時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^0點(diǎn)時間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應(yīng)用； 　　5、電力線對載波信號造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時，線路阻抗可達(dá)1歐姆以下，造成對載波信號的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸?shù)綆坠?。但?dāng)電力線上負(fù)荷很重時，只能傳輸幾十米。 雖然技術(shù)問題隨著時間的發(fā)展，最終都能被解決被克服，但是從目前國內(nèi)寬帶網(wǎng)建設(shè)的情況來看，留給PLC的時間和空間并不寬裕。2000年以來各大運(yùn)營商大規(guī)模推出ADSL、光纖、無線網(wǎng)絡(luò)等多種寬帶接入業(yè)務(wù)，留給電力線上網(wǎng)的生存空間，已經(jīng)不斷被其他接入方式壓縮。現(xiàn)在，PLC除了在遠(yuǎn)程抄表上有所應(yīng)用外，已沒有了當(dāng)初的豪言壯語。 　　隨著家庭智能系統(tǒng)這個話題的興起，也給PLC帶來了一個新的舞臺。在目前的家庭智能系統(tǒng)中，以PC機(jī)為核心的家庭智能系統(tǒng)是最受人熱捧的。該系統(tǒng)的觀念就是，隨著電腦的普及，可以將所有家用電器需要處理的數(shù)據(jù)都交給電腦來完成。這樣就需要在家電與PC間構(gòu)建一個數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在大家都看好無線，但是在家庭這個環(huán)境中，“墻多”這一特征嚴(yán)重影響著無線傳輸?shù)馁|(zhì)量，特別是在別墅和躍層式住宅中這一缺陷更加明顯。如果架設(shè)專用有線網(wǎng)絡(luò)除了增加成本，那么家電的位置今后也無法隨意挪動。 PLC的最大特點(diǎn)：不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，無疑成為了解決這智能家居數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨钢弧Ｍ瑫r因?yàn)閿?shù)據(jù)僅在家庭這個范圍中傳輸，束縛PLC應(yīng)用的5大困擾將不復(fù)存在，遠(yuǎn)程對家電的控制我們也能通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)先連接到PC然后再控制家電方式實(shí)現(xiàn)，PLC調(diào)制解調(diào)模塊的成本也遠(yuǎn)低于無線模塊。 電力線載波通信方式的比較 PLC已經(jīng)有效地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，它具有通道可靠性高，抗破壞能力強(qiáng)，投資少，不需要架設(shè)專用線路等優(yōu)點(diǎn)。鑒于這些特點(diǎn)，電力系統(tǒng)一直都致力于發(fā)展和實(shí)現(xiàn)電力的實(shí)時監(jiān)控和調(diào)度，并取得較好的成果，因此在很長的時間里，電力線載波在電力系統(tǒng)通信中占有主導(dǎo)地位。 電力線載波（Power Line Carrier，PLC）通信是利用電力線作為信息傳輸媒介，并通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。其最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，自20世紀(jì)20年代推出以來，PLC已經(jīng)有效地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，它具有通道可靠性高，抗破壞能力強(qiáng)，投資少，不需要架設(shè)專用線路等優(yōu)點(diǎn)。鑒于這些特點(diǎn)，電力系統(tǒng)一直都致力于發(fā)展和實(shí)現(xiàn)電力的實(shí)時監(jiān)控和調(diào)度，并取得較好的成果，因此在很長的時間里，電力線載波在電力系統(tǒng)通信中占有主導(dǎo)地位。 低壓電力線載波通道特性 目前，廣泛應(yīng)用的電力線載波通道主要集中在中、高壓電力線上。低壓配電網(wǎng)由于直接面向用戶，各種不同性質(zhì)的負(fù)荷在任意的時間和位置可隨機(jī)斷開或連接，這使其通信環(huán)境極其惡劣。電力線并非專為傳輸信號而設(shè)計(jì)，對于高頻信號電力線，它是一根非均勻傳輸線，利用電力線作為傳輸媒介的通信過程中，存在負(fù)荷情況復(fù)雜，噪聲干擾強(qiáng)且具有時變性，信號衰減大，信道容量小等問題。影響電力線通信質(zhì)量的原因主要有以下三種。 1.高頻信號的衰減及失真 由于電力線上隨機(jī)接入和斷開各種感性負(fù)載或容性負(fù)載，高頻信號在傳輸中必然存在衰減。一般來說，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號衰減越嚴(yán)重，但是由于電力線是非均勻的傳輸線，負(fù)載阻抗不匹配，這就會出現(xiàn)駐波、反射等問題，不僅會使信號衰減，還會造成信號失真。 2.輸入阻抗不定 低壓電力網(wǎng)直接面對用戶，接入的負(fù)載類型各不相同，這使得不同頻率的阻抗也各不相同。而且電力線上的阻抗并非一成不變，因?yàn)樨?fù)載接入是隨機(jī)的，無法根據(jù)某特定的阻抗選擇固定的頻率與之匹配，這給設(shè)計(jì)帶來很大的困難。 3.傳輸干擾 電力線上存在著人為和非人為的干擾，人為的干擾主要是接入電力線的設(shè)備造成的，非人為的干擾是由一些如雷電等自然現(xiàn)象引起的。各種干擾都會對信號傳輸質(zhì)量造成不利影響。 電力線載波常用通信方式 低壓電力線載波常用通信方式主要有窄帶通信、正交頻分復(fù)用和擴(kuò)頻通信技術(shù)。 1.窄帶通信技術(shù) 窄帶通信方式是早期電力線載波采取的通信方式，主要包括相移監(jiān)控（PSK）和頻移鍵控（FSK）方式。PSK方式用兩種不同的相位表示“0”、“1”，通常是用0和180。FSK方式用兩種不同的頻率表示“0”、“1”。窄帶通信方式成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，早期應(yīng)用較多，但是抗干擾能力差，目前使用不多。 2.正交頻分復(fù)用方式 正交頻分復(fù)用（OFDM）是將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多個并行數(shù)據(jù)并分配給相應(yīng)的多個正交的子載波，從而在一根線上實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸而相互之間不受干擾。OFDM實(shí)際上就是多路窄帶載波同時傳送，其特點(diǎn)是通信速率高，但是電路成本較高，主要應(yīng)用于對通信速率要求高的場合。 3.擴(kuò)頻通信技術(shù) 擴(kuò)頻通信（SS）是在信號發(fā)射端將信號頻譜擴(kuò)展后進(jìn)行傳輸，在接收端將接收到的信號解擴(kuò)還原出原始信息。擴(kuò)頻通信常用的四種擴(kuò)頻方式為直接序列擴(kuò)頻（DS）、線性調(diào)頻、跳頻（FH）和跳時（FT）。當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是直接序列擴(kuò)頻方式。 擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)是抗人為干擾，抗窄帶干擾能力強(qiáng)，早期應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域。通信時先將普通數(shù)據(jù)調(diào)制為基帶信號，再用偽隨機(jī)碼（PN碼）對基帶信號經(jīng)行擴(kuò)頻調(diào)制，將頻譜拓寬，形成寬帶信號利用電力線傳輸。在接收端用相同偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)，將寬帶信號恢復(fù)為發(fā)送時的基帶信號，最后按照常規(guī)的處理手段將基帶信號解調(diào)得到信息。 擴(kuò)頻通信的理論依據(jù)是信息論和抗干擾理論的基本公式。信息論中的香農(nóng)信道容量公式為 C=Blog2（1＋S/N） （1） 式中C——信道容量，單位b/s； B——信道帶寬，單位Hz； S——信號功率，單位W； N——噪聲功率，單位W。 為了增加傳輸速率C，可以增加帶寬B或信噪比S/N。同樣，在信道容量確定的情況下，如果帶寬足夠大，即使在信號被噪聲淹沒，也可以保證可靠傳輸，故而擴(kuò)頻通信的抗干擾能力較強(qiáng)。 電力線載波芯片 1.國內(nèi)外載波芯片概況 早期電力線載波通信使用的是模擬載波機(jī)，至今我國部分地區(qū)仍在使用，現(xiàn)在隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了載波專用集成芯片。國外使用較早的有XR2210/XR2206，這是基于FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片。Intellon公司的SSCP200/300載波芯片采用了擴(kuò)頻技術(shù)，主要針對智能家居，對通信距離要求不高。Echelon公司的PLT－22采用的是BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，Lonwoks網(wǎng)絡(luò)專用，成本較高。 國內(nèi)電網(wǎng)環(huán)境相對國外的較惡劣，國外的載波芯片能適用于國內(nèi)電網(wǎng)的較少，國內(nèi)企業(yè)針對我國電網(wǎng)環(huán)境研發(fā)出了專用載波芯片。深圳力合微電子推出了LME2200C電力線通信調(diào)制解調(diào)器；深圳昊元設(shè)計(jì)的HYT3101電力線載波通信芯片內(nèi)嵌有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；北京智源利合公司的SC1128擴(kuò)頻通信芯片采用直接序列擴(kuò)頻，將擴(kuò)頻解擴(kuò)，調(diào)制解調(diào)等電路全部集成在芯片內(nèi)部，可以有效降低系統(tǒng)使用成本；北京福星曉程公司的PL3000系列芯片是國內(nèi)應(yīng)用較多的電力線載波專用芯片，直接序列擴(kuò)頻，內(nèi)部不僅集成載波通信電路，還包含有電能計(jì)量電路，是針對載波抄表設(shè)計(jì)的。 2.直接序列擴(kuò)頻 直接序列擴(kuò)頻是國內(nèi)載波擴(kuò)頻通信芯片使用較多的一種擴(kuò)頻方式，圖1和圖2分別是擴(kuò)頻和解擴(kuò)的原理圖。 圖1 擴(kuò)頻發(fā)射原理 圖2 解擴(kuò)原理 直接序列擴(kuò)頻將待發(fā)射的數(shù)據(jù)與一列PN碼相乘，得到擴(kuò)頻后的序列，對載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生的載波信號經(jīng)過必要的信號放大后耦合到電力線上傳輸。接收端將電力線上的載波信號經(jīng)濾波和功率放大與本地振蕩器產(chǎn)生的序列混頻、濾波，然后用相同的PN碼解擴(kuò)得到原始數(shù)據(jù)。 3.福星曉程PL3106 福星曉程是國內(nèi)較早研究電力線載波的企業(yè)，其載波芯片采用的是相位調(diào)制。PL3106內(nèi)部不僅集成載波通信所需的調(diào)制/解調(diào)、擴(kuò)頻/解擴(kuò)等功能，還含有一個增強(qiáng)型8051內(nèi)核，使用者可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境編程，PL3106是一款通用性較強(qiáng)的芯片，除了必要的載波通信功能，還包括AD轉(zhuǎn)換、PWM輸出以及紅外調(diào)制等，可應(yīng)用于數(shù)字載波電表。同時還有與鍵盤、數(shù)碼管顯示配套的接口。其通信速率有500bit/s和250bit/s兩種，相應(yīng)的PN碼分別是15位和31位，用戶可以自己選擇速率，通信方式為異步半雙工。載波中心頻率120kHz，帶寬15kHz。載波信號發(fā)射及接收電路原理圖如圖3所示。 原理圖上方推挽電路是對輸出的載波信號進(jìn)行功率放大，PSK OUT端是PL3106輸出的載波信號，其發(fā)射功率的大小決定于VHH電源的幅值以及電流的大小，較大的發(fā)射功率可以保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃?。圖中的VD3、VD4起嵌位作用，用來吸收電力線上的尖峰干擾。VDI、VD2有穩(wěn)壓作用。發(fā)射回路的電容C14和電感L1用于調(diào)整發(fā)射電流和波形，增大L1和減小C14將減小發(fā)射電流并改善波形，反之將增大發(fā)射電流和波形失真。調(diào)整L1和C14時將影響線圈的發(fā)射功率和自身功耗。 圖3 載波通信接口原理圖 圖3的下方是載波接收電路，電容C15、C16和電感L2組成并聯(lián)諧振電路，具有對120kHz信號的選頻作用。VD5、VD6有限幅作用，使輸入SIGIN的電壓低于700mV。芯片內(nèi)置兩路放大器，對收到的載波信號進(jìn)行放大以提高靈敏度。 載波信號經(jīng)由SIGIN引腳輸入芯片，芯片將接收到的120kHz信號與600kHz本振信號混頻，得到480kHz的差頻信號?；祛l信號由FLTI引腳輸入到陶瓷濾波器，經(jīng)濾波器濾波后輸入芯片F(xiàn)LTO引腳，由內(nèi)部的硬件解擴(kuò)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)還原。陶瓷濾波器的中心頻率為480kHz，帶寬為5kHz。 4.東軟PLCi38－Ⅲ、PLCi36M－Ⅲ 青島東軟的載波芯片采用的也是直接序列擴(kuò)頻，與福星曉程不同的是PLCi系列是頻率調(diào)制，而福星曉程是相位調(diào)制。PLCi38－Ⅲ和PLCi36M－Ⅲ屬于東軟第三代載波芯片，載波中心頻率為270kHz，不像PL3106一塊芯片集成了諸多功能，通用性強(qiáng)，PLCi系列的功能相對單一，屬于專用型，封裝形式為雙列直插28引腳，實(shí)際可用的引腳是15個，遠(yuǎn)比PL3106的引腳要少。傳輸速率為9600bit/s，通信方式為異步半雙工，與福星曉程不同之處在于主從之分，PLCi38－Ⅲ的工作方式為主動發(fā)送，PLCi36M－Ⅲ的工作方式為主動接收。兩款芯片的應(yīng)用電路一樣，載波通信原理圖如圖4所示。 圖4 載波通信接口原理圖 圖4下方是載波發(fā)射電路，上方是接收濾波電路。SSOUT端輸出載波信號，載波發(fā)射電路中的TS1是一顆20V的肖特基穩(wěn)壓管，這里是利用它的正向?qū)妷旱偷奶攸c(diǎn)，來保護(hù)P溝道的MOS管。US6M2是內(nèi)部各有一個P溝道和N溝道的MOS管，作用是對載波信號進(jìn)行放大，這個電路的耐流為1A，過大有可能燒毀MOS管。右下方的電路的作用是當(dāng)15V電源電壓被拉低時控制其輸出電流，保證15V電源電壓不至于被拉到太低而使整個系統(tǒng)無法正常工作。 圖4上方的接收電路包括信號耦合電路和帶通濾波器，目的在于提高頻帶內(nèi)的信號接收功率并抑制來自電力線上的噪聲干擾，使無源濾波網(wǎng)絡(luò)的插入損耗最小。這是一個三階巴特沃茲濾波器，其中心頻率為277kHz，帶寬108kHz。