采用直接序列扩频技术实现用户供电测控系统的设计-电子发烧友网

引言

随着信息技术的发展，供电测控设备的种类越来越多，其中支持测控系统传输信息的手段也越来越多样化。作为分布最广泛的网络，电力线网络是一个动力能源传输网络，除了输送电能以外，还可以进行数据传输。

电力线载波通信（Power Line Carrier Communica—tion，PLCC）是指以电力线为信息传输媒介，信号经过载波调制技术，实现在电网各个节点之间传递的一种通信方式。但是，电力线通信信道存在噪声干扰强，阻抗随负载变化大，信号衰减大等缺点，严重制约了它的有效利用。常规的载波技术显然不能满足实际需求，必须采用具有高抗干扰能力的载波调制措施改善通信质量。目前，低压电力线载波通信技术已从传统的频带传输（ASK、FSK、PSK）发展到了扩频通信（SSC）技术、多载波正交频分多址（OFDM）技术以及光波分复用（WDM）技术等。就扩展频谱方式的不同，扩频通信系统可以分为：直接序列（Direct Sequence，DS）扩频，跳频（Frequency Hopping，FH），跳时（Time Hopping，TH），线性调频（Chirp）以及上述各种基本方式的组合，如：FH／DS，DH／TS等。

现设计了一种用户供电测控系统，系统利用电力载波通信完成用电信息的传输控制。采用了直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum Communication，DS—SSC）技术，该系统优势是用户不必重新架设线路，而是利用原来的电力线网络完成用电信息的传输，而且电力线传输不占用现有的频谱资源，同时，该系统还可以通过局域网实现远程监控。电力线载波通信还具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用等优点。

1 DS—SSC技术原理

根据信息论中著名的香农定理：

C=Blog2（1+S／N）b／s （1）

信道容量C给定后，信道带宽B与信噪比S／N可以互换。由此可以推得，在信息速率C不变的情况下，只要增加信道带宽B，就可以降低对信噪比S／N的要求。

扩频通信（SSC）技术的基础是香农定理，利用与被传输信息无关的码对信息进行频谱扩展，使扩展后的频带远远超过被传送信息所必需的最小带宽（即增大B的值），在接收机中利用同一码进行相关接收和恢复信息。

直接序列扩频（DS—SSC）技术是指用远远大于信息速率的伪随机序列（PN）与信号相乘，来达到扩展信号的带宽B。在发送端先对信号进行扩频再进行DPSK调制，扩频载波信号经过功率放大之后耦合到电力线上进行传输。在接收端DPSK解调后用于发送端同步的本地PN序列解扩即可恢复信号。

2 系统构成

基于电力线载波通信的供电测控系统是集数据采集、载波通信、网络传输、数据存储、功率计算、数据显示、计算机控制等功能于一体的自动化系统。系统由三部分构成，实现框图如图1所示。

采用直接序列扩频技术实现用户供电测控系统的设计

各个电能表把用电信息通过电力线以载波的方式传送到数据集中器，数据集中器经局域网将信息发送到用电管理中心，管理中心的上位机完成用电数据的处理，并利用载波通信方式给数据集中器以及电能表下达命令。

2．1 电子式电能表

用户电子式电能表能够同步地采集一路用户用电的电压电流、时钟校准、精确计算、存储数据，并具有载波收发及收发成功显示功能。其硬件结构框图如图2所示。

2．1．1 PL3105微处理器

为有效实现系统供电测控功能，电能表的核心处理器采用FXXC公司PL3000系列具有DS—SSC功能的专用芯片PL3105。［page］

PL3105内嵌一个高速CPU，其指令周期为1T，串口、定时器等是严格的12T。外部时钟（主时钟）在经过时钟模块后一分为二，其中一路经过2分频后得到的fosc提供给CPU和相应的资源模块，另一路直接供给载波和ISP模块，这里采用外部9．6 MHz的主频晶振。

PL3105采用了8／16位微处理器8051兼容内核，它内部集成了2路16位的A／D，3个16位定时器，2路多功能串口，LED／LCD显示控制模块，采用8个中断源两级中断。PL3105内置了16 kB的E2PROM程序存储器和1 KB的SRAM，其内部的256 B SRAM和实时钟在主电源掉电的情况下可由备用电池继续供电维持。PL3105采用直序扩频，DPSK调制／解调，半双工电力载波通信单元，500／250 b／s通信速率可选。

2．1．2 A／D锁相倍频技术

PL3105内部集成了两路A／D，其中一路用来采集负载端电压，另一路用来采集负载电流，本设计用锁相倍频技术实现负载功率的精确测量。

用户电力线为标准的50 Hz电源输入，由于实际交流电源的频率不稳，为提高计量精度，必须考虑采样与电源的同步问题，采用锁相倍频电路将负载电压和电流的模拟量离散化，电路如图3所示。

该电路可以完成严格的整周期采样，设电路锁相倍频系数为N，由于采样脉冲与电源频率严格锁定，该电路在一个电源周期内可以同步采样N点电压电流值，这样，计算机可以利用离散积分求和式（2）精确计算出负载功率：

式中，N为电源周期内的采样点数，vk，ik为电压电流的瞬时采样值；C为一常数。

采用数字锁相芯片CD4046和分频芯片CD4040构成锁相电路。该电路可以将电源的一个周期严格等分为N份，这里的N=27=128。电源电压经过电压互感器输入CD4046的BIN引脚和PL3105的ADIN2引脚。AIN和BIN端分别为4046内部鉴相器的两个输入端，分频前的方波由4046内部压控振荡器输出端VCOUT连接到4040的CLK脚，该方波频率为50 Hz×128=6 400 Hz。分频后形成的50 Hz锁定方波由Q7脚输出至4046的AIN引脚。将6 400 Hz方波作为采样中断脉冲送入PL3105的A／D中断输入端XINT1，则计算机可按照该频率进行每周期128点的A／D循环采样，并利用式（2）完成负载功率的精确测量。

2．1．3 电力线载波通信

PL3105芯片内集成了直接序列扩频调制电路，外围连接的电路主要包括功率放大、滤波、载波耦合及接收电路。

采用软件配置，载波功能被使能后，载波信号由PL3105芯片的I／O引脚PSK_OUT输出，波形为0～5 V的方波，包含丰富的谐波。功率放大电路使PSK_OUT点的方波信号放大，在一定范围内有效地加大发射功率、延长通信距离。放大后的信号富含谐波，需要进行滤波整形。设计可用电感、电容组合完成整形滤波，再通过耦合线圈T1耦合到低压电力线上。

电力线下行传输微机命令信息时，信号经载波耦合到接收电路，电感和电容组成并联谐振回路，谐振中心频率120 kHz，完成对有效信号的带通滤波。接收信号引入到芯片PL3105内部进行混频处理，SIGIN被内部上拉后平移到2．5±0．7 V。载波通信速率为500 b／s，15位伪码，同步捕获门限默认为30H，带宽±7．5 kHz。

2．1．4 数据存储

数据存储部分完成单路用户的用电信息的存储，设计采用铁电存储芯片FM24C256（如图4所示），连接到PL3105的I／O口，存储芯片的A0，A1，A2脚共同构成片选的3位地址信息，图中所示该芯片片选地址为000，存储器芯片数目可以根据现场需要自行选择。

2．2 数据集中器

数据集中器能够存储数据以便查询，并能以载波通信方式上行、下行传输信息。

它采用电力线载波专用芯片PL3105为微控制器，负责系统数据收集存储，系统通信协调处理。载波通信部分由3路（对应3相电源）载波收发处理组成，实现载波下行通信功能。上位通信部分通过RS 232转换接口接收上位机管理，响应上位机指令。它可以实现大量数据存储，最大容量为65 536户（电能表）。通信速率500 b／s，可实现多级中继。

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数据集中器设备与标准三相电力线连接，必须保证每一相电源上信息的完整传输，载波通信部分设计由3路收发处理电路组成，如图5所示。