多功能HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 錚， 崔 澳， 耿淑琴， 萬培元， 徐鯤鵬， 武占俠

（1.北京智芯微電子科技有限公司， 北京 100192； 2.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部， 北京 100124）

0 引 言

電力用戶用電信息采集系統(tǒng)中，由于低壓電力線高速載波通信（HPLC）信道的復(fù)雜特性，可能會(huì)出現(xiàn)用戶電能表和變壓器臺(tái)區(qū)的隸屬關(guān)系與實(shí)際不一致的情況，導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通信困難或電費(fèi)下發(fā)困難等問題[1-5]。

在研發(fā)電力線載波通信相關(guān)設(shè)備時(shí)，到外場測試需要花費(fèi)大量的人力和物力，且不能靈活配置電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，十分不便[6-7]。為此，很有必要構(gòu)建一套電力線組網(wǎng)測試系統(tǒng)，為研究人員提供統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境，從而克服場外測試的諸多問題，節(jié)約項(xiàng)目開支和開發(fā)時(shí)間[8-10]。

現(xiàn)有技術(shù)僅能模擬理論無噪聲的理想載波組網(wǎng)環(huán)境，無法對(duì)每個(gè)測試單元內(nèi)部的噪聲無法分別進(jìn)行控制，不能模擬實(shí)際的組網(wǎng)環(huán)境[11]。為了保障載波組網(wǎng)拓?fù)浞旨?jí)，需要采用屏蔽箱屏蔽空間耦合信號(hào)來避免發(fā)生載波跨級(jí)通信，但如果被測設(shè)備的載波發(fā)射功率較大，則可能超過屏蔽箱的物理隔離能力[12-13]。

本文設(shè)計(jì)一種多功能的HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠控制每一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的噪聲水平，并且控制各測試單元之間的信號(hào)衰減和延遲，從而提供更便利和真實(shí)的測試環(huán)境。其次，還提出一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的設(shè)計(jì)方法，該方法能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屏蔽箱來幫助屏蔽非相鄰級(jí)設(shè)備發(fā)出的串?dāng)_信號(hào)。

1 HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)由中央控制單元、多功能測試單元和路由衰減器三種組件組成。多功能測試單元和路由衰減器之間的載波測試通路通過射頻連接線連接，能夠屏蔽噪聲信號(hào)。每兩個(gè)多功能測試單元之間都會(huì)通過路由衰減器進(jìn)行中繼連接，由路由衰減器調(diào)整衰減值來構(gòu)成多種模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中央控制單元與這兩種組件之間通過通信模塊進(jìn)行無線通信，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。多功能HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多功能HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 中央控制單元設(shè)計(jì)

中央控制單元與每一個(gè)測試單元及路由衰減器進(jìn)行無線通信，控制整個(gè)組網(wǎng)測試系統(tǒng)的運(yùn)行，是整個(gè)系統(tǒng)最重要的控制單元。其主要由PC 機(jī)、與PC 機(jī)相連的通信模塊、高通濾波器及通信接口組成，如圖2 所示。

圖2 中央控制單元結(jié)構(gòu)圖

PC 機(jī)能夠運(yùn)行控制軟件和測試軟件，測試軟件包括組網(wǎng)、抄表、校時(shí)等測試項(xiàng)目，并兼顧測試數(shù)據(jù)的匯總功能。中央控制單元通過通信模塊對(duì)外進(jìn)行無線通信，該通信模塊作為控制網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有通信模塊的組網(wǎng)通信。

1.3 多功能測試單元設(shè)計(jì)

在載波通信組網(wǎng)中，由于實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離不同，設(shè)備之間的信號(hào)會(huì)因?yàn)榫嚯x不同而發(fā)生不同程度的衰減和延遲；又因?yàn)殡娏€復(fù)雜的信道條件，會(huì)帶來許多通信噪聲。組網(wǎng)測試系統(tǒng)如果直接對(duì)電能表和集中器的通信模塊進(jìn)行測試，并不能模擬真實(shí)的電力線載波組網(wǎng)環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的多功能測試單元不僅可以測試局端或者表端載波設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，還可以對(duì)被測設(shè)備發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行延遲模擬和耦合噪聲等處理，模擬真實(shí)組網(wǎng)環(huán)境。

典型被測局端設(shè)備為集中器載波通信模塊（CCO），主要作為載波網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點(diǎn)；典型被測表端設(shè)備為單/三相電能表載波通信模塊（STA），作為載波網(wǎng)絡(luò)的中繼及終端節(jié)點(diǎn)。多功能測試單元包括模擬信號(hào)部分、數(shù)字控制部分、通信模塊、接口電路和電源模塊等，如圖3所示。模擬信號(hào)部分包括信號(hào)繼電器組、前置衰減器及模擬前端電路；數(shù)字控制部分包括FPGA 和MCU 控制器電路；模擬和數(shù)字部分通過數(shù)字隔離器分隔，兩部分都擁有獨(dú)立的電源和接地，目的是防止信號(hào)相互串?dāng)_，影響衰減效果。

圖3 多功能測試單元結(jié)構(gòu)

1.3.1 模擬信號(hào)部分

模擬信號(hào)部分包括前置衰減器、信號(hào)繼電器組、延遲模擬器及模擬前端電路。

1） 前置衰減器：用于對(duì)被測通信信號(hào)進(jìn)行預(yù)衰減，控制信號(hào)幅度。

2） 信號(hào)繼電器組：用于切換不同的工作模式，控制被測信號(hào)是否通過數(shù)字控制電路和延遲模擬單元等。

3） 延遲模擬器：內(nèi)部由LC 延時(shí)網(wǎng)絡(luò)和物理電纜組成，采用此方式模擬延遲操作較為簡便、更為靈活，可用于定性實(shí)驗(yàn)測試。

4） 模擬前端電路：能夠?qū)Χ喙δ軠y試單元內(nèi)部的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)增益控制等處理。

本文的模擬前端電路使用兩塊AD9866 芯片，AD9866 在多功能測試單元中的電路圖如圖4 所示。

圖4 模擬前端的電路圖

AD9866 兼具12 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路功能，因此經(jīng)常用來取代分立式的ADC 和DAC，而且該芯片的數(shù)字接口比較靈活，易與數(shù)字后端電路實(shí)現(xiàn)簡單連接。

AD9866 還具備6 位自動(dòng)增益控制（AGC）接口，其中AGC 電路具有-12～48 dB 的可編程增益，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)被測設(shè)備通信信號(hào)的增益大小，保證通信穩(wěn)定。兩塊AD9866 的RX_P 和RX_N 接口處均連接濾波器電路，防止通信信號(hào)和載波信號(hào)相互影響，如圖5所示。

圖5 濾波器電路

1.3.2 數(shù)字控制部分

數(shù)字控制部分包括FPGA 和MCU 控制器電路。

1） FPGA。FPGA 是一種半定制可編程的器件，具有成本低、靈活性強(qiáng)以及外部接口豐富的優(yōu)點(diǎn)，能夠在降低制造成本的同時(shí)靈活地制定內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)?；谝陨咸攸c(diǎn)，F(xiàn)PGA 能夠較好地完成多功能測試單元數(shù)字控制部分的設(shè)計(jì)需求。本文的FPGA 選用XC6SLX45_FG484 芯片，負(fù)責(zé)多功能測試單元的噪聲信號(hào)發(fā)生、信號(hào)采集、信號(hào)延遲以及基本的數(shù)字邏輯信號(hào)處理。

2） MCU 控制器電路。本文的MCU 控制器電路使用STM32 系列芯片STM32F103RCT6-LQFP64，其電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。MCU 負(fù)責(zé)控制對(duì)外的無線通信模塊和通信接口，以及LED、LCD 等顯示信息，同時(shí)可以控制FPGA 的工作狀態(tài)，還可外掛TF 卡用于存儲(chǔ)信號(hào)激勵(lì)及記錄采樣數(shù)據(jù)。

圖6 MCU 控制器電路圖

完成對(duì)數(shù)字控制部分的電路設(shè)計(jì)后繪制數(shù)字控制部分的PCB 版圖，如圖7 所示。

圖7 數(shù)字控制部分的PCB 版圖

1.3.3 通信模塊及接口電路

測試單元對(duì)外采用有線及無線方式進(jìn)行通信。測試單元與路由衰減器之間使用射頻連接線連接，構(gòu)成多種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能為數(shù)據(jù)傳輸提供較好的信道條件并屏蔽噪聲；測試單元和中央控制單元之間采用無線通信方式可徹底隔絕與外部電氣的連接，減少外部電路對(duì)信號(hào)通道的干擾，并可由中央控制單元同時(shí)控制多個(gè)裝置協(xié)同工作，以及遠(yuǎn)程配置FPGA 的工作模式和參數(shù)等。

1.3.4 電源模塊

多功能測試單元內(nèi)配備可選的后備電源，包括電池管理電路及大容量鋰離子電池組，可脫離電網(wǎng)獨(dú)立工作。內(nèi)部電源網(wǎng)絡(luò)配置有大容量儲(chǔ)能電容及分布安裝的退耦電容，能夠降低裝置內(nèi)電源噪聲對(duì)有效信號(hào)的影響。

1.3.5 多功能測試單元的主要功能實(shí)現(xiàn)

多功能測試單元的功能具體如下：

1） 生成周期模擬噪聲。利用FPGA 內(nèi)置的DDS 單元生成數(shù)字激勵(lì)，經(jīng)DAC 轉(zhuǎn)化為周期模擬噪聲信號(hào)，注入信號(hào)通路，實(shí)現(xiàn)周期噪聲的模擬。

2） 生成自定義噪聲。通過MCU 讀取TF 卡中自定義或現(xiàn)場噪聲錄播文件，將文件信息經(jīng)由FPGA 輸出給DAC，輸出自定義噪聲信號(hào)，注入信號(hào)通路，可以用于測試載波通信的抗噪聲能力，模擬真實(shí)噪聲環(huán)境進(jìn)行測試。

3） 生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲。FPGA 可以生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲，可以讓白噪聲的強(qiáng)度根據(jù)被測設(shè)備信號(hào)的功率大小自動(dòng)調(diào)整。該噪聲可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屏蔽箱，在保證白噪聲不會(huì)覆蓋被測設(shè)備信號(hào)的前提下，能夠提高本單元內(nèi)的載波通信本底噪聲，降低載波信號(hào)的信噪比，屏蔽非相鄰級(jí)設(shè)備的串?dāng)_信號(hào)，使載波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞旨?jí)更穩(wěn)定。

4） 模擬信號(hào)延遲。多功能測試單元提供兩種方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳播延時(shí)模擬：第一種方式為讓被測信號(hào)通過延遲模擬器；第二種方式為讓被測信號(hào)先經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，通過FPGA 進(jìn)行延時(shí)處理，后將數(shù)據(jù)流輸出至DAC，還原模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延時(shí)傳輸模擬。采用此種方式，在典型采樣率50 MSPS 的條件下，信號(hào)理論延時(shí)分辨率為20 ns，在信號(hào)光速傳輸?shù)臈l件下對(duì)應(yīng)物理長度分辨率為3×108×20×10-9= 6 m，模擬信號(hào)帶寬為25 MHz。采用此方式模擬信號(hào)延時(shí)較為精確。

5） 虛擬電能表。FPGA 還擁有虛擬電能表功能，支持抄收多個(gè)電能表數(shù)據(jù)項(xiàng)，并可產(chǎn)生電能表事件上報(bào)信號(hào)。虛擬電能表的參數(shù)可以由中央控制單元進(jìn)行設(shè)定。

1.4 路由衰減器

路由衰減器是改變載波物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼拜d波衰減的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。路由衰減器的對(duì)外接口包括通信接口和四路載波接口，分別負(fù)責(zé)無線通信和HPLC 組網(wǎng)通信。

圖8 路由衰減器結(jié)構(gòu)

路由衰減器的主控模塊通過通信模塊連接中央控制單元，由中央控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以切換不同的衰減值。其主控模塊作為主要控制元件，可以通過調(diào)節(jié)路由衰減器內(nèi)部的多個(gè)數(shù)控衰減模塊，控制其各個(gè)載波接口之間的衰減值，從而控制載波信號(hào)的傳導(dǎo)路徑及強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)不同的物理載波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

其中每個(gè)數(shù)控衰減模塊使用3 塊HMC472A 芯片進(jìn)行串聯(lián)。HMC472A 芯片為寬帶6 位數(shù)字衰減器，單片總衰減值能達(dá)到31.5 dB，衰減精度較高，能夠模擬實(shí)際中的通信網(wǎng)絡(luò)的各種情況。數(shù)控衰減模塊中單片HMC472A 芯片和其連接的低通濾波器電路如圖9所示。

圖9 單片HMC472A 芯片及其連接的濾波器電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

本文對(duì)中央控制單元進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，用于控制多功能測試單元和路由衰減器的工作狀態(tài)，便于工作模式的選擇和模擬噪聲、模擬衰減以及模擬延遲參數(shù)的設(shè)置，組網(wǎng)測試系統(tǒng)工作的軟件流程如圖10 所示。

圖10 組網(wǎng)測試系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)共具備三種工作模式：衰減模擬模式、延遲模擬模式和噪聲模擬模式，每種模式都可以獨(dú)立工作，對(duì)被測設(shè)備通信信號(hào)或者虛擬電能表信號(hào)進(jìn)行HPLC 信號(hào)模擬和測試。

中央控制單元不僅可以協(xié)同控制多個(gè)多功能測試單元和路由衰減器，還可以單獨(dú)控制每一個(gè)單元的工作狀態(tài)，使每一級(jí)的噪聲、衰減和延遲水平不相同，進(jìn)而復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場復(fù)雜的電力線通信環(huán)境。

2.2 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)有技術(shù)的組網(wǎng)測試系統(tǒng)使用屏蔽箱來屏蔽非相鄰級(jí)設(shè)備發(fā)出的串?dāng)_信號(hào)，但當(dāng)被測設(shè)備發(fā)送功率較大或者被測設(shè)備相隔太近時(shí)，則可能超過屏蔽箱的物理隔離能力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浜臀锢硗負(fù)洳荒軐?duì)應(yīng)。

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲可以自適應(yīng)追蹤被測設(shè)備功率，既可以減小本單元載波信號(hào)的信噪比值，又不會(huì)因?yàn)樯傻脑肼晱?qiáng)度過大導(dǎo)致淹沒本單元的有效信號(hào)。該噪聲能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)屏蔽箱來淹沒除相鄰分級(jí)單元有效信號(hào)之外的串?dāng)_信號(hào)，增強(qiáng)被測載波設(shè)備物理拓?fù)浞旨?jí)的穩(wěn)定性，還能夠簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低系統(tǒng)成本。生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的流程如圖11 所示，具體可以劃分為以下步驟：

圖11 生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的流程

1） 程序初始化后，首先根據(jù)檢測到的功率大小匹配目標(biāo)噪聲強(qiáng)度。

目標(biāo)噪聲強(qiáng)度是提前設(shè)定好的若干離散的固定數(shù)值，在設(shè)定時(shí)先將被測設(shè)備可控范圍內(nèi)的功率均分為若干組，根據(jù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲既要淹沒除相鄰分級(jí)單元有效信號(hào)之外的串?dāng)_信號(hào)，又不能噪聲過大，導(dǎo)致覆蓋本單元有效信號(hào)的原則，每一段被測設(shè)備的功率范圍匹配一個(gè)固定數(shù)值的目標(biāo)噪聲強(qiáng)度，保證被測設(shè)備在可控范圍內(nèi)發(fā)出任意功率都能自適應(yīng)匹配一個(gè)強(qiáng)度適中的背景白噪聲。

2） 檢測當(dāng)前波形發(fā)生器正在輸出的噪聲強(qiáng)度。

3） 計(jì)算當(dāng)前輸出的噪聲強(qiáng)度和目標(biāo)噪聲強(qiáng)度的噪聲幅差，并將噪聲幅差的數(shù)值進(jìn)行分類，根據(jù)噪聲幅差的大小可將其分為三類：較大、較小和極小。

4） 由于數(shù)字控制的自動(dòng)增益控制電路（AGC）控制精度低但控制范圍大，模擬控制的AGC 控制精度高但控制范圍小，故結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)控制精度高且控制范圍大。

當(dāng)噪聲幅差極小時(shí)，則直接輸出當(dāng)前強(qiáng)度的白噪聲；當(dāng)噪聲幅差較小時(shí)，則通過模擬AGC 對(duì)噪聲強(qiáng)度進(jìn)行微調(diào)后輸出該噪聲，且再對(duì)微調(diào)過的噪聲進(jìn)行檢測、分類和下一輪調(diào)整，直到噪聲幅差分類為極??；當(dāng)噪聲幅差較大時(shí)，則先通過數(shù)字AGC 對(duì)噪聲強(qiáng)度進(jìn)行較大數(shù)值的粗調(diào)，再通過模擬AGC 對(duì)噪聲強(qiáng)度進(jìn)行微調(diào)后輸出該噪聲，同樣也對(duì)調(diào)整過的噪聲再進(jìn)行檢測、分類和下一輪調(diào)整，直到噪聲幅差分類為極小。

5） 在輸出新的噪聲強(qiáng)度之后，經(jīng)過固定的時(shí)鐘周期，進(jìn)行一次初始化，回到檢測被測設(shè)備功率大小步驟開始循環(huán)，重復(fù)步驟1）～步驟4），使白噪聲信號(hào)的強(qiáng)度可以自適應(yīng)追蹤被測載波設(shè)備的功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成

組網(wǎng)測試系統(tǒng)構(gòu)成各種載波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)被測設(shè)備進(jìn)行測試的過程為：首先將13個(gè)多功能測試單元和13個(gè)路由衰減器交替擺放；然后用射頻線將每個(gè)組件都與相鄰組件相連；再通過路由衰減器調(diào)整各個(gè)通路的衰減值來修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將衰減值調(diào)到最大即可斷開該通路連接。

如圖12 所示，白色圓圈為安裝電能表通信模塊（STA）的多功能測試單元，灰色圓圈為安裝集中器通信模塊（CCO）的多功能測試單元，黑色方塊為路由衰減器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為HPLC 通信中常見的樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，多個(gè)測試單元為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，相鄰網(wǎng)絡(luò)層級(jí)載波通信可以直達(dá)，非相鄰網(wǎng)絡(luò)層級(jí)載波通信則需要中繼。

圖12 樹狀網(wǎng)絡(luò)示意圖

實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中載波拓?fù)淝ё內(nèi)f化[11，13]，均可通過路由衰減器的不同配置在測試系統(tǒng)中進(jìn)行模擬，使被測載波設(shè)備形成多種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)合多功能測試單元的模擬噪聲和模擬延遲，能夠在實(shí)驗(yàn)室形成與現(xiàn)場環(huán)境相似的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種多功能HPLC 組網(wǎng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多功能測試單元中強(qiáng)大的數(shù)字控制部分，可以精確模擬信號(hào)延遲并生成多種電力線噪聲耦合被測設(shè)備信號(hào)，用于抗干擾測試；還可以生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲，用于代替屏蔽箱屏蔽串?dāng)_信號(hào)，在簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)增強(qiáng)物理拓?fù)浞旨?jí)的穩(wěn)定性。通過路由衰減器中的數(shù)控衰減器，使得每條測試通路上的被測信號(hào)可以被不同程度地衰減，能夠模擬真實(shí)電力線信號(hào)衰減并實(shí)現(xiàn)多種組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模擬。在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建一套更加貼近電力系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境的模擬組網(wǎng)測試系統(tǒng)，減少通信模塊測試實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、設(shè)備和人力投入，提高實(shí)驗(yàn)的有效性和可靠性。本文研究對(duì)HPLC 相關(guān)算法和設(shè)備的研發(fā)具有重要意義。