基于AMIS?49587的電力線載波智能電表設(shè)計

摘 要： 智能電表的研發(fā)是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，承擔(dān)著電能數(shù)據(jù)采集、計量、傳輸和控制的任務(wù)。以電力線載波通信為手段，采用安森美半導(dǎo)體的AMIS?49587通信芯片，以Atmel公司的ATMEGA32L單片機為控制核心，以Cirrus Logic 公司的CS5463芯片為電能計量芯片，設(shè)計智能電表。該電表具有實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程自動抄表、雙向通信、遠(yuǎn)程控制等功能。

關(guān)鍵詞： 智能電表； 電力線載波； 智能電網(wǎng)； 電能數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN710?34； TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0147?04

歐美國家近幾年十分重視智能電網(wǎng)的建設(shè)。中國將在未來五年投資2 500億美元建設(shè)和開發(fā)智能電網(wǎng)，以便更加高效地分配電力和收取電費。作為智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一的智能電表，承擔(dān)著電能數(shù)據(jù)采集、計量、傳輸和控制的任務(wù)。目前，由于各國對智能電表的發(fā)展方向和服務(wù)定位要求不同， 智能電表的概念各國也不統(tǒng)一。國際法制計量組織（OIML）對智能電能表做了一個比較寬泛的描述，認(rèn)為從廣義上講，智能電能表可以描述為具有基本計量功能和在雙向通信基礎(chǔ)上的附加功能的儀表[1]。

采用電力線載波通信技術(shù)（Power Line Communication，PLC）的智能電表，利用現(xiàn)有電力線輸配電線路作為傳輸媒介，通過載波方式，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞和信息交換，以完成即時讀取、遠(yuǎn)程控制等功能[2]。

1 智能電表系統(tǒng)方案

1.1 低壓電力線載波通信的原理

電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。由于依賴堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸媒介，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠，路由合理、可同時復(fù)用遠(yuǎn)動信號等特點，是惟一不需要線路投資的有線通信方式。

低壓電力線載波通信的數(shù)據(jù)上行基本原理是，將數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)信號，調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)功率放大電路放大后，由耦合電路耦合至低壓配電線上（380/220 V用戶線）。經(jīng)電力線將高頻信號傳輸至接收方，如數(shù)據(jù)集中器，濾除干擾后，經(jīng)放大電路放大，由解調(diào)電路還原出數(shù)字信號[3]。當(dāng)數(shù)據(jù)下行時，路徑與上述相反。

1.2 PLC智能電表總體設(shè)計

基于電力線載波通信技術(shù)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖1所示。電網(wǎng)電力線上的電壓、電流信息經(jīng)電能采樣電路采集、電能計量電路計量后，送往微處理器進行數(shù)據(jù)處理，由PLC通信模塊調(diào)制后經(jīng)低壓電力線上傳。數(shù)據(jù)上行至數(shù)據(jù)集中器后，經(jīng)解調(diào)電路還原出的數(shù)字信號，可以由用戶戶內(nèi)網(wǎng)（HAN）傳遞到局域網(wǎng)（LAN），再傳輸?shù)綇V域網(wǎng)（WAN）。通過網(wǎng)絡(luò)管理將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的電力公司中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、自動抄表等功能。

同樣道理，來自廣域網(wǎng)的信號，如用戶因拖欠電費，由電力公司發(fā)出的停電控制信號，經(jīng)局域網(wǎng)（住宅小區(qū)物業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)）至用戶戶內(nèi)網(wǎng)，經(jīng)PLC技術(shù)通過低壓電力線，數(shù)據(jù)下行至智能電表，經(jīng)PLC電路解調(diào)出數(shù)字信號，通過微處理器進行數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動控制電路（如繼電器等），從而決定用戶供電的通斷，實現(xiàn)智能控制。

2 硬件電路設(shè)計

2.1電能采樣計量電路

電能計量芯片采用美國Cirrus Logic公司的CS5463芯片。它包含兩個Δ?Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、功率計算功能、電能/頻率轉(zhuǎn)換器和一個串行接口的完整的功率測量芯片。它可以精確測量瞬時電壓、電流和計算IRMS、VRMS、瞬時功率、有功功率、無功功率。CS5463具有與微控制器通信的雙向串口，可編程的電能?脈沖輸出功能，方便的片上系統(tǒng)校準(zhǔn)，符合IEC， ANSI， JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

電能采樣與計量電路原理圖如圖2所示。圖中T1為電壓互感器，Vin+，Vin-為采樣到的差分電壓；T2為電流互感器，Iin+，Iin-為采樣到的差分電流。CS5463由程序自動完成輸入信號的檢測，通過向串口SDI寫入8位命令字來啟動數(shù)據(jù)的讀和寫，啟動讀命令后，串口在接著的SCLK周期由SDO輸出數(shù)據(jù)[5]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與控制電路

智能電表的數(shù)據(jù)處理由單片機完成。微處理器采用Atmel公司的AVR單片機ATMEGA32L，具有32 B的系統(tǒng)可編程FLASH，2 KB的片內(nèi)SRAM，1 024 B的E2PROM。數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，自帶看門狗定時器，在強烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。是精簡指令集CPU中的高性能器件[6]。CS5463與ATMEGA32L之間采用SPI三線端口通信方式。外圍擴展有顯示電路、控制電路等。電路如圖3所示。

數(shù)據(jù)上行時，微處理器ATMEGA32L通過控制和CS5463相連接的串行接口，讀取CS5463內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后經(jīng)電力線載波通信上傳，同時通過液晶顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)下行時，電力線載波芯片解調(diào)后的數(shù)據(jù)，由ATMEGA32L微處理器控制繼電器決定電能的輸送。存儲電路的作用是在停電前存儲數(shù)據(jù)，防止來電后系統(tǒng)數(shù)據(jù)出錯。

電能采樣計量電路原理圖

數(shù)據(jù)處理與控制電路原理圖

2.3 電力線載波通信電路

2.3.1 電力線載波通信芯片[7]

電力線載波通信芯片采用美國安森美半導(dǎo)體公司（ON Semiconductor）的AMIS?49587調(diào)制解調(diào)器芯片。這是一款遵從IEC 61334?5?1標(biāo)準(zhǔn)和EN 50065?1規(guī)范的電力線調(diào)制解調(diào)器。采用擴頻型頻移鍵控（S?FSK）調(diào)制方式，盡管S?FSK的數(shù)據(jù)率比正交頻分復(fù)用（OFDM）低，但能應(yīng)對電網(wǎng)中常見的窄帶干擾，更適合在智能電表中應(yīng)用。而相移鍵控（PSK）調(diào)制技術(shù)雖然成本低，但可靠性不高。S?FSK調(diào)制方式與傳統(tǒng)的FSK調(diào)制方式相比，將[fs]和[fm]的頻率離得更遠(yuǎn)，在這兩個頻率點上，干擾的抑制和信號的衰減是相互獨立的。AMIS?49587設(shè)置的每對頻率的間隔范圍是9～9.5 kHz，而傳統(tǒng)芯片提供的是10 kHz。

AMIS?49587支持比2.4 Kb更高的半雙工可調(diào)節(jié)通信速率，調(diào)制信號能自動同步到主頻，并與50 Hz電氣網(wǎng)絡(luò)頻率物理同步。內(nèi)部具有發(fā)射模塊、接收模塊、通信控制模塊、時鐘控制模塊等電路。其封裝有PLCC28和QFN52兩種。AMIS?49587的易用性也很突出。由于內(nèi)嵌協(xié)議處理功能，使設(shè)計人員無需涉及PHY和MAC協(xié)定傳輸細(xì)節(jié)問題，節(jié)省多達(dá)50%的軟件開發(fā)耗費，從而減少設(shè)計時間，降低總成本。這器件藉串行接口直接連接至用戶微控制器。

AMIS?49587是分配線載波通信的連接裝置。兩個主要應(yīng)用為主機模式，典型應(yīng)用是數(shù)據(jù)集中器；從機模式，典型應(yīng)用是智能電表內(nèi)部的PLC調(diào)制解調(diào)器。兩個次要應(yīng)用為監(jiān)控模式，對電力線上數(shù)據(jù)以監(jiān)測，即物理層框架正確性檢測；測試模式，用以檢測PLC調(diào)制解調(diào)器所連續(xù)產(chǎn)生的[fs]和[fm]是否符合EN 50065?1標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 電力線載波通信電路

AMIS?49587具有靈活的調(diào)制解調(diào)模式、可靠的解調(diào)算法，良好的抵抗電力線干擾的性能。本設(shè)計的功率運算放大電路采用安森美公司的高效能低失真線路驅(qū)動芯片NCS5650，對信號進行功率放大同時實現(xiàn)低通濾波功能。電力線載波通信模塊原理圖如圖4所示。

電力線載波芯片AMIS?49587與ATMEGA32L之間采用UART通信方式。電力線調(diào)制解調(diào)器AMIS?49587的通信速率為2 400 b/s，工作在A、B頻段內(nèi)。NCS5650是軌對軌雙運放，實現(xiàn)載波信號放大和濾波輸出。放大后的載波信號經(jīng)變壓器耦合至電力線上。NCS5650電流驅(qū)動能力高達(dá)2 A。其雙運放及周圍器件可以連接成4階低通濾波器，防止頻率在載波頻率以上的信號進入配電網(wǎng)。其內(nèi)部高通濾波器的設(shè)置滿足歐盟嚴(yán)格的電力線信號標(biāo)準(zhǔn)。FFP信號的接收是將變壓器耦合過來的信號，經(jīng)AMIS?49587內(nèi)部運放進行高通濾波，濾除50 Hz信號后，將信號進行FFP調(diào)制，以還原成數(shù)字信號。系統(tǒng)需要與50 Hz同步，AMIS?49587芯片上設(shè)有M50 Hz_IN引腳，如果需要可加入光電隔離器件。

3 軟件設(shè)計[8]

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，調(diào)制解調(diào)器軟件設(shè)計主要包括主程序、初始化程序、復(fù)位程序、SCI通信程序、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序。

電力線載波智能電表軟件流程圖

應(yīng)用微控制器軟件設(shè)計主要包括主程序、初始化程序、復(fù)位程序、SCI通信程序、數(shù)據(jù)采集和顯示程序、數(shù)據(jù)保存程序、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序。系統(tǒng)還包括若干個中斷程序[7]。

本設(shè)計遵從IEC61334?5?1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用主從網(wǎng)絡(luò)，避免了通信的沖突與碰撞。采用精確的調(diào)制解調(diào)算法，先進可靠的中繼來提高抗干擾能力。具體傳輸距離視實際應(yīng)用環(huán)境而定，一般電網(wǎng)環(huán)境下，通信距離200 m以上。

4 結(jié) 語

智能電表是在現(xiàn)有電表基礎(chǔ)上發(fā)展起來的功能強大的智能電表。現(xiàn)有電能計量電路本身已經(jīng)相當(dāng)成熟，無需改變很多。通信能力是智能電能表的靈魂，因此如何實現(xiàn)在雙向通信模式，通過各項附加功能的測試和驗證是智能電表設(shè)計的關(guān)鍵。此外，單靠電表是無法實現(xiàn)智能的，需要依托網(wǎng)絡(luò)，通過系統(tǒng)實現(xiàn)智能化。通過先進的傳感和量測技術(shù)，實現(xiàn)故障定位，電能質(zhì)量監(jiān)測與竊電監(jiān)測等功能。隨著低壓電力線載波通信技術(shù)的日趨成熟，自動抄表系統(tǒng)（AMR）將占主導(dǎo)性地位。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱中文，周韶園.智能電能表的概念、標(biāo)準(zhǔn)化和檢測方法初探[J].電測與儀表，2011，48（6）：48?53.

[2] 孫海翠，張金波.低壓電力線載波通信技術(shù)研究與應(yīng)用[J].電測與儀表，2006，43（8）：54?57.

[3]吳文忠.基于LonWorks技術(shù)的智能電表的研制[J].電測與儀表，2011，48（3）：66?70.

[4] 晏政，劉正元.基于CS5460A的數(shù)字電能計量表的設(shè)計研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009（6）：114?116.

[5] 孫春志，孫靜，王威廉.基于CS5463智能單向電表的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2012，35（3）：28?31.

[6] 葉國文.基于ATMMEGA32的指紋識別防盜門鎖地設(shè)計[J].微計算機信息，2008，24（4?2）：300?301，312.

[7] 黃璟.基于AMIS?49587的電力線載波數(shù)傳模塊[J].安陽工學(xué)院學(xué)報，2011，10（2）：50?53.

[8] 林建宇.基于擴頻通信技術(shù)的智能電表設(shè)計[J].電測與儀表，2010，47（7A）：57?60.