基于標準電能高頻脈沖高保真傳輸的方法

翟曉卉，孫艷玲，何毓函，張國棟，劉蜜

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

·班組創新·

基于標準電能高頻脈沖高保真傳輸的方法

翟曉卉1，孫艷玲1，何毓函1，張國棟2，劉蜜1

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

介紹傳統標準電能高頻脈沖信號傳輸方法的不足，提出了一種利用標準電能高頻脈沖進行一對多傳輸高保真傳輸的方法，并基于RS485接口芯片進行系統設計和電路設計。根據系統原理論述該方法實現的過程，通過試驗論證高頻脈沖高保真傳輸方法的正確性和可行性，該方法適用性強、成本低、集成度高。

標準電能；高頻脈沖；高保真傳輸；信號傳輸

0　引言

隨著科學技術的不斷發展，計算機技術及微電子器件的應用越來越廣泛［1］，電能計量技術也越發成熟，高等級的電能標準越來越多，電能計量標準的等級要求越來越高［2］，同時，用電信息采集終端檢測裝置精度要求也越來越高。標準電能高頻脈沖進行一對多傳輸的過程中，會因為外界信號干擾產生噪音、衰減、使標準電能脈沖失真，影響標準電能脈沖的保真度，進而影響計量的準確度［3］。標準高頻電能脈沖是電子式電能表重要的輸出信號，這就對標準電能脈沖的傳輸方法提出了更高的要求，電能信號的高頻率、低失真傳輸和多表位檢測是亟待解決的技術問題。

針對電能高頻脈沖信號在傳輸過程中容易被外界隨機信號干擾引起噪音、衰減等造成信號傳輸失真、變形和不能驅動多數量接收電路等問題，提出了一種實現標準電能高頻脈沖高保真傳輸的技術和方法，采用RS485接口電路對標準電能高頻脈沖信號的發送和接收實現標準電能高頻脈沖信號的高保真、一對多傳輸，有效地解決標準電能脈沖信號在長線傳輸以及一對多的傳輸中的問題，實現多路大量數據的高效同步傳輸，提高數據傳輸效率［4］。

1　傳統高頻脈沖信號傳輸方法

傳統標準電能高頻脈沖信號傳輸方法是通過信號源發出的高頻脈沖信號，直接單相傳輸到單片機進行數據通信，實現高頻脈沖信號和單片機單元之間的數據交換，如圖1所示。

圖1　傳統TTL電平信號傳輸方法

圖2　系統原理

在傳統的信號傳輸方法中，由于TTL信號為數字信號0和1，在傳輸過程中受高低電平電壓上、下限閾值限制，信號在傳輸過程中會有壓降損耗，當距離太遠時，就會存在壓降損耗而不能保證原有信號的正確接收。例如，當發送的是高電平信號時，損耗后達不到TTL高電平下限電壓閾值，就會導致接收方接收到的是低電平信號，從而使數據傳輸錯誤。傳統的信號傳輸方法不能滿足信號傳輸的正確性。

2　新型標準電能高頻脈沖信號傳輸的方法

2.1技術方案

在TTL電平信號傳輸的過程中，為了保證信號的高保真信號傳輸，采用RS485對脈沖源的TTL信號進行轉換，由TTL信號轉成差分信號，進行信號的傳輸。TTL信號為數字信號，而差分信號為模擬量，只要在兩點之間存在微小的電壓差，經過模塊轉換解析后差值是正值就可以認為是高電平，差值是負值就可認為是低電平。因此在傳輸的過程中，抗干擾性能力比較強。在接收信號時，又采用RS485進行信號的接收和轉換，把差分信號還原成TTL信號，被還原后TTL信號可被單片機識別。總體方案見圖2。

2.2抗噪原理

標準電能高頻脈沖信號傳輸是為了能夠保證脈沖源發出的高頻脈沖信號不失真地傳遞［5］。采用RS485完成信號的接收和轉換。信號在傳輸過程中，具有明顯的抗噪能力。從原理上講，在差分信號傳輸線路上可以看出，若是理想狀況，線路沒有干擾時，在發送側，可以理解為：

IN=IN+-IN-

在接收側，可以理解為：

IN+-IN-=OUT

所以：OUT=IN

在實際線路傳輸中，線路存在干擾，并且同時出現在差分線上，在發送側，仍然是：

IN＝IN＋－IN－

線路傳輸干擾同時存在于差分對上，假設干擾為q，則接收則：

（IN＋＋q）－（IN－＋q）＝OUT

所以：

OUT＝IN

由此可見，噪聲被抑制。

2.3高頻脈沖信號轉成差分信號的過程

將非平衡傳輸的TTL電平信號轉換成平衡傳輸的LVDS（Low Voltage Differertial Signaling）信號，由一個RS485芯片來完成，又將平衡傳輸的LVDS差分信號轉換成非平衡傳輸的TTL電平信號，由另一個RS485芯片來完成，如圖3所示。按照IEEE規定，終端匹配電阻為100 Ω，通常選擇100 Ω或120 Ω。

圖3　信號傳輸組成

應用到系統中，其實現的過程為：系統采用脈沖驅動電路發出標準電能高頻脈沖時，經功率放大，電平轉換芯片對標準電能高頻信號調制成差分信號，經雙絞總線式傳輸到各電能表校驗臺的誤差處理單元，差分信號再經電平轉換芯片接收并還原成標準電能高頻脈沖信號輸送至單片機單元進行信息處理，實現標準電能高頻脈沖信號的高保真、一對多傳輸。

該方法不僅能保證標準電能高頻脈沖信號傳輸的高保真特性，還可以實現點對點、一點對多點的連接，具有功耗低、誤碼率低、串擾低和輻射低等特點，終端適用性強、成本低、集成能力強、抗干擾與驅動能力強。

2.3.1發送單元電路設計

發送單元主要是選用RS485接口芯片SN65HVD3088ED，通過5 V電壓供電，電路設計如圖4所示。RS485接口芯片的接收發送使能引腳固定接在5V直流電壓上，實現發送功能。TTL電平信號通過發送引腳DI傳入RS485接口芯片，最終轉換為差分信號從接口芯片的A、B端輸出。

圖4　TTL信號發送轉換電路

2.3.2接收單元電路設計

接收單元電路同樣選用RS485接口芯片SN65HVD3082ED，通過5V電壓供電，電路設計如圖5所示。RS485接口芯片的接收發送使能引腳固定接在直流地上，實現接收功能。差分信號由接口芯片的A、B引腳輸入。通過RS485接口芯片轉換，變成TTL電平信號由接收引腳RO送出。

圖5　TTL信號接收轉換電路

2.4結果驗證

在實驗室通過示波器對該方法進行模擬驗證。所選示波器和差分探頭需要至少1GHz帶寬，示波器良好接地，使用3pin的AC輸入線，在示波器上除了連接差分探頭外，在其他通道上連接1個電壓探頭。采用的探頭耦合設置為交流耦合，Bandwidth設置為FULL，衰減設置為1；示波器時間軸設置為2 ns/格，軌跡亮度設置為100%；用低通道上的差分探頭測試時鐘信號（CLK），另一個差分探頭測試數據信號（Data），觸發源選擇測試時鐘信號的通道，觸發電平調到0，把示波器的Fastacq功能打開，測試點選擇在輸入端口的測試點，也可選擇在信號終端匹配電阻端進行測試，測試波形如圖6所示。

圖6　信號讀取

在信號輸入、輸出時，波形的高低電平如圖7所示，比對分析輸出和輸入信號的高低電平，輸入時間延時tr，輸出時間延時tf，輸出信號只存在時間上的延時，并無變形等失真現象，從而實現了標準電能高頻脈沖信號的高保真傳輸，因此在傳輸過程中，也能進行一對多傳輸。

圖7　信號波形圖

3　結語

標準電能高頻脈沖信號在一對多傳輸過程中容易被外界隨機信號干擾引起噪音、衰減等，造成信號傳輸失真、變形或傳輸速率低等問參考文獻

題，提出一種利用RS485接口芯片對標準電能高頻脈沖信號發送和接收的技術方案，實現TTL信號的傳輸。該方案已于成功應用到國網山東省電力公司電力科學研究院的用電信息采集終端檢測裝置中，經實際運行，數據傳輸穩定，不僅能保證標準電能高頻脈沖信號傳輸的高保真特性，而且終端適用性強、成本低、功耗低、傳送速度高、集成性高、抗干擾能力強，具有較好的應用推廣價值。

［1］李愛傳，李琳，于海芙.基于組態王的持水率計刻度標定監控系統設計［J］.煤炭技術，2011（5）：227－228.

［2］黃若谷.電能計量裝置的誤差及應用設計研究［J］.中華民居（下旬刊），2013（12）：186－186.

［3］王一鶴.水表計量準確度的影響因素分析［J］.科技風，2013（11）：232－232.

［4］張愛國.感應式電能和信號同步傳輸技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

［5］肖斌.退化圖像不變性識別研究［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

High Fidelity Transmission Based on the High Frequency Pulse of the Standard Power

ZHAI Xiaohui1，SUN Yanling1，HE Yuhan1，ZHANG Guodong2，LIU Mi1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan，250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan，250003，China）

Shortcomings of the traditional transmission method of the standard high-frequency pulse signal are briefly introduced.A high fidelity transmission method of the standard high frequency pulse is put forward.The system and circuit of the Hi-Fi transmission method are designed based on the RS485 interface chip.The process of the method is discussed according to principles of the system，and the correctness and feasibility are demonstrated by tests.The method is of wide applicability，low cost and high integration.

standard electric energy；high frequency impulse；Hi-Fi transmission；signal transmission

TB971

B

1007－9904（2015）12－0072－03

2015－08－16

翟曉卉（1982），女，工程師，主要從事電能計量工作。