變電站數據采集器專線MODEM的設計?

李永興 劉連義

（威勝信息技術股份有限公司 長沙 410205）

1 引言

在變電站的數據采集終端與電能表數據采集主站（又稱主站）之間的數據通信一般都是電力線載波通信方式，通信距離可達到數千米。因此對設備間的數據通信裝置提出較高的要求，工程上通常采用專線MODEM通信裝置來實現［1～2］，以保證變電站的數據的采集、監控的可靠性。

目前現有的專線MODEM通信裝置的設計一般采用專用的通信芯片來完成傳輸信號的調制解調任務［3］，常見的專用的調制解調芯片是MSM7512B［4～5］和ML7020兩種，ML7020的功能較為強大［6］，有多種工作模式，在使用ML7020時，一般采用兩片芯片，一片用于調制，另一片用于解調，并由相應的處理器進行對其進行控制。

但采用專線MODEM芯片方案的設計具有以下缺點:1）專用的調制解調芯片生產廠家稀少，導致專用的調制解調芯片價格居高不下，且使用ML7020需要使用額外的單片機進行控制，增加了額外的成本；2）芯片生產廠家稀少，形成了技術上的封鎖，造成了采購困難。為解決上述問題，本文提出了一種成本低廉電路簡單的專線MODEM通信裝置的設計，并已經到現場使用，效果非常理想。

2 總體設計及功能

專線MODEM裝置［7］為一個嵌入到變電站的數據采集終端的模塊，與采集終端通過串口通信，與主站是通過兩對差分線來進行通信。專線MODEM裝置實際的用途是對數據采集終端上傳主站的信號進行調制發送，對接收到的主站的信號進行解調發送給數據采集終端。

圖1 專線MODEM框圖

圖1 為專線裝置的框圖，可以看出專線MODEM通信裝置主要包括兩部分:調制輸出與輸入解調。設計中采用以1700Hz為中心頻率，頻偏為400Hz的FSK調試解調。取瑞薩單片機R5F100FE作為專線MODEM的處理器，對數據終端通過串口發過來的信號進行通過一組I/O口將數字信號模擬成正弦波信號輸出，信號經過單片機輸出后經過運算放大器處理，再經過音頻變壓器進行隔離，通過一系列保護器件后輸出；對接收到主站的調制信號也同樣經過保護器件，通過音頻變壓器隔離后，再經過比較器進行初步整形后至單片機進行解調后通過串口發送至數據采集終端［8］。

3 硬件電路設計

3.1 FSK調制輸出電路分析與設計

專線MODEM采用FSK進行信號調制，實現將數字信號轉換成模擬的頻率信號，即將波特率為1200bps的串口信號轉換成由1300Hz的正弦波信號來表示高電平1，用頻率為2100Hz的正弦波表示低電平0的數字信號。

3.1.1 D/A轉換電路的設計

專線MODEM的設計是采用價格低廉且體積比較小的R5F100FE單片機來實現的，此單片機上沒有自帶D/A轉換電路，但專線MODEM要求輸出連續的調制波。所以直接利用單片機多余的I/O口資源加上外圍分立器件搭建了D/A電路。

圖2為D/A轉換電路，此電路是根據R/2R原理進行設計的［9］。圖中P20～P27為單片機的一組I/O口，根據所要輸出的值轉換成8位的2進制數由此P2口輸出。輸出只是控制各個引腳的高低電平，外圍的R/2R電路根據疊加定理［10］來進行計算輸出。圖2中的C48電容用來濾波，減少輸出正弦波毛刺。

圖2 D/A轉換電路

3.1.2 輸出電路的設計

經過調制后的頻率信號由圖2中的FSK_OUT腳輸出，對輸出的信號還要經過一系列的處理才能傳送至專線線路上。

圖3中調制信號FSK_OUT經過電容C56進行隔直，進入運算放大器。此處的運算放大器設置成跟隨器，增大輸出阻抗，避免調制信號受到負載的影響。經過跟隨器的信號進行隔直后通過變壓器耦合至差分線形式輸出，在輸出的差分線上加固態放電管和防雷管進行保護。在FSK_OUT輸出端上的電阻R46至關重要，此電阻主要是為FSK調制波在進到運算放大器之前提供參考電平。如果不加此電阻，輸出的調制波會發生很大程度的畸變，正弦波的波峰處會有塌陷。

3.1.3 隔離保護電路設計

為保證調制信號不受到信號傳輸差分線上的干擾，將調理后的調制信號利用音頻變壓器L7進行隔離，信號通過隔離變壓器耦合至差分線上。由于差分線要引出專線MODEM，所以在差分線上增加固態放電管進行保護［11］。

圖3 專線調制信號調理電路

3.2 FSK解調電路分析與設計

專線信號的解調即將輸入的調制信號轉換成數字信號后由模擬串口發給終端。專線MODEM上由單片機完成，信號的解調是單片機將轉換成方波的頻率信號解碼成波特率為1200bps的串口信號發給數據采集終端。

3.2.1 專線解調信號調理電路

圖4為專線線路上信號進入專線MODEM后的信號調理電路。專線上的頻率信號進入專線MODEM后，先經過防雷管和固態放電管后至隔離變壓器。差分信號進入隔離變壓器后通過隔直電容C50后經過運算放大器構成的比較器，比較器將連續的正弦波或者準正弦波轉換成方波，方波進入單片機經過處理后生成波特率為1200bps的方波。

圖4 專線信號解調電路

3.2.2 比較器電路器設計

在解調回路中，專線信號經過隔離變壓器后會有一個隔直電容，經過隔直電容后就會進到運算放大器［12］。此處的運算放大器采用TL082IDR來構成比較器。運算放大器為雙電源，信號由負端輸入，正端作為比較參考點。圖4上所使用的電阻R31，R32，R33，R34均為2k，此四個電阻前兩個用于給出輸入信號的直流參考電平；后兩個電阻為固定比較器作為比較參考的信號的參考電平［13～14］。

4 FSK調制解調算法

變電站數據采集通信MODEM采用的調制解調方法，包括調制輸出方法和輸入解調方法，解調方法還包括用主控制器輸入/輸出口進行解調誤差修正的方法，這些方法共同用于完成該通信裝置的調制輸出和解調輸入。

4.1 輸出調制方法

用第一種頻率f1的正弦波表示高電平1，用第二種頻率f2的正弦波表示低電平0。當調制輸出電路的輸入端電平發生變化時，調制輸出電路的輸出端輸出的波形連續，調制輸出波形的峰峰值為Vpp，將一個周期的正弦波按時間n等分，依據

生成離散的正弦波形碼表，其中n≥2，m為從0到n-1的正整數，D為生成的正弦波形碼表的值。如果變換為高電平，則立即將間隔時間調整為t1=1/(n·f1)，以第一頻率f1按照正弦波形碼表輸出正弦波；如果變換為低電平，則將其調整至t2=1/(n·f2)，以第二頻率f2按照正弦波形碼表輸出正弦波［15］，調制輸出方法流程圖如圖5所示。

圖5 輸出調制方法流程圖

4.2 輸入解調方法

用第一種頻率為f1，周期為T1的正弦波表示高電平1，用第二種頻率為f2，周期為T2的正弦波表示低電平0，且T1大于T2。主控制器測量輸入脈沖信號的高/低電平時間寬度 t，若 t≥T1·0.8 ，則認為被調制信號為高電平，將解調輸出口置為高電平；若t≤T2·1.2，則認為被調制信號為低電平，將解調輸出口置為低電平；當解析出來的被調制信號電平與之前解調輸出的電平不一致，則解調輸出口立即切換為解析出來的電平。

圖6 輸入解調方法流程圖

若t不滿足以上兩個范圍，則利用算式sin(2·π·f1·t1)=sin(π -2·π·f2·t2) 計算出 t1 和 t2。式中t1為時間t內前一種調制頻率信號所占時間，t2為時間t內后一種調制頻率信號所占時間，且t=t1+t2。并將解調輸出口繼續保持t1時間的電平狀態，當t1時間滿后立即切換為相反電平狀態［16］，輸入解調方法流程圖如圖6所示。

4.3 解調誤差修正方法

首先，將解調輸出的波形輸入主控制器的第一輸入/輸出口，將主控制器的第二輸入/輸出口連接數據采集終端的通信端口；第二步，第一輸入/輸出口檢測到下降沿中斷后，關閉第一輸入/輸出口的下降沿中斷檢測功能與定時器定時中斷功能，同時設置定時器定時中斷時間為標準通信波特率的一個比特時間的一半，然后啟動定時器；第三步，當定時器產生定時中斷時，設置定時器定時中斷時間為標準通信波特率的一個比特時間，同時讀取第一輸入/輸出口的電平狀態輸出至第二輸入/輸出口；第四步，重復第三步直至第10位時開啟第一輸入/輸出口下降沿中斷檢測功能；最后，重復第四步直至第11位時關閉定時器定時中斷功能［17］，解調誤差修正方法流程圖如圖7所示。

圖7 解調誤差修正方法流程圖

5 調制輸出與輸入解調波形測試

專線MODEM設計好后，在通信試驗的過程中對各個關鍵點的波形進行了測試。專線MODEM在不發送任何信號即處于空閑狀態的時線路上會產生頻率為1300Hz的正弦波。由單片機通過R/2R網路進行發生。用示波器對差分線上的波形進行了測試。

圖8 專線輸出載波波形

當單片機正常工作時，對專線MODEM串口發送信號如圖8所示，同時測試串口信號以及解調輸出信號，其波形如圖9。從圖中可以看出高低電平對應的調制信號均輸出良好，且切換位置處銜接良好。

圖9 調制輸出波形

將專線MODEM上的輸出輸入端子環結起來，進行自發自收，測試解調回來經過比較器以后的波形如圖10所示。比較器可以直接將頻率信號轉換成脈寬不等的方波，頻率為1300Hz或者2100Hz，但是也帶有不是這兩個頻率的方波即為兩種頻率切換過程中出現的方波。

圖10 經過比較器以后的波形

經過比較器整形后的方波經過單片機采樣通過特定的算法進行解碼，由一個I/O口輸出后，經過另外一個I/O口進行二次采樣，最終生成波特率為1200bps標準的數字信號傳輸到數據采集終端。如圖11所示，圖中白色方波為數據采集終端向專線MODEM發送的波形，灰色的是將差分線收發環接，專線MODEM解調后發送給數據采集終端的波形。從圖中可以看出，兩個波形完全可以對應上，只是解調后的波形與發送出的波形相差1.04ms。

圖11 解調后的波形

6 結語

針對變電站專線通信設計的專線MODEM通過專線MODEM的回環自發自收測試，以及調制解調各關鍵點的波形測試和現場通信測試，完全滿足變電站專線MODEM的通信要求，通信可靠，抗干擾能力與ML7020專線方案相當，但是大大降低了專線MDOEM的成本和簡化了設計電路，技術上也打破了專用芯片的壟斷。