電表通訊模塊硬件電路設(shè)計概要

摘?要：現(xiàn)今電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)電力線載波通訊（PLC）已經(jīng)廣泛被采用，通過在數(shù)字智能電表數(shù)字電表的通信接口上加裝電表通訊模塊，通訊模塊可將用戶電表之用電量數(shù)據(jù)、電表狀態(tài)數(shù)據(jù)信息等讀取出來，再由微處理器（MCU）將讀取的數(shù)據(jù)處理并輸出串行的調(diào)制數(shù)據(jù)信號，再將調(diào)制后數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線介質(zhì)上進(jìn)行傳輸給集中器，集中器再將數(shù)據(jù)信號集中處理，并由集中器通訊模塊將處理好的信息傳送給后臺上位機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)收費系統(tǒng)，從而實現(xiàn)自動抄表功能。

關(guān)鍵詞：HPLC;載波通訊模塊;設(shè)計

一、 引言

隨著科技進(jìn)步和發(fā)展，電力系統(tǒng)中用戶電量統(tǒng)計和費用計算與繳費，已經(jīng)由手工抄錄逐步或全面被自動遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)所取代，從而節(jié)省了大量的人力、物力等。電表通訊模塊是自動抄表系統(tǒng)中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章結(jié)合工作實際，以自動抄表系統(tǒng)之三相PLC通訊模塊為例，簡要分析電表PLC通訊模塊硬件電路設(shè)計內(nèi)容。

一、 模塊概況

（一）PLC通訊模塊產(chǎn)品

PLC通訊模塊以載波芯片MCU為核心進(jìn)行設(shè)計，模塊以電力線為通信介質(zhì)，實現(xiàn)載波通信功能，采用OFDM技術(shù)的載波調(diào)制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使其具有在較強(qiáng)抗衰減和抗干擾能力可靠通信，適用于低壓環(huán)境自動抄表系統(tǒng)。

（二）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：要求符合國家電網(wǎng)公司《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范》，以及符合《DL/T 645-2007多功能電能表通信協(xié)議》相關(guān)技術(shù)規(guī)范等。

（三）PLC通訊模塊研發(fā)內(nèi)容

PLC電表載波通訊模塊（以下簡稱通訊模塊）是基于MCU載波核心微處理器芯片設(shè)計的，以電力線為通信介質(zhì)，實現(xiàn)載波通信功能的產(chǎn)品，它利用OFDM技術(shù)方式的載波調(diào)制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，多用于低電壓用戶環(huán)境自動抄表系統(tǒng)中。

所以文章謹(jǐn)以三相PLC載波通訊模塊為例簡析其硬件電路設(shè)計。

二、 PLC通訊模塊硬件設(shè)計簡述

PLC通訊模塊硬件設(shè)計研發(fā)內(nèi)容包含：各電路單元原理圖設(shè)計和PCB電路板設(shè)計等。

（一）PLC通訊模塊硬件電路原理圖設(shè)計

PLC通訊模塊硬件原理圖電路設(shè)計包含：

（a）MCU載波基帶電路設(shè)計

PLC通訊模塊以載波信號微處理器芯片為核心，通過弱電接口可以使通訊模塊與電表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和交互，通過強(qiáng)電接口的變壓器可以完成載波數(shù)據(jù)信號發(fā)送和接收。MCU載波基帶電路主要完成UART收發(fā)信號的數(shù)據(jù)加密解密解析等處理，硬件電路設(shè)計主要按照MCU設(shè)計規(guī)格書要求設(shè)計提供時鐘電路，信號接口電路等外圍電路。該部分原理圖見附圖1之MCU相關(guān)部分。

（b）強(qiáng)電/弱電通信接口電路設(shè)計

1. 弱電接口設(shè)計說明

弱電接口和強(qiáng)電接口的引腳定義遵循國網(wǎng)公司的型式規(guī)范要求。

（A）弱電口引腳主要信號有：

> EVENTOUT，輸入信號，電表事件狀態(tài)輸出;

> STA，輸出信號，接收時地址匹配正確，模塊輸出低電平。

> /RST，輸入，復(fù)位管腳，電表輸出（低電平有效），可用于復(fù)位通信模塊。

> DCE_RXD，輸入，電表通信信號接收引腳;

> /SET，輸入，模塊設(shè)置使能。

>供電電源：VDD，工作電源3.3V±0.3V，由終端提供給模塊。

> DEC_TXD，輸出，通信模塊給電表發(fā)送數(shù)據(jù)信號;

>電源：VCC，通信模塊模擬電源，電壓范圍：12V±1V。

2. 載波耦合接口（強(qiáng)電）設(shè)計說明

載波通信接口引腳功能

可通過MCU軟件切換選擇任一相線載波耦合進(jìn)行通信。

電網(wǎng) A/B/C 相線作為信號耦合接入端任選其一。

零線N電網(wǎng)零線作為信號耦合接入端。

接口電路設(shè)計之原理圖見圖1接口電路設(shè)計部分

（c）載波發(fā)射/載波接收濾波硬件電路（TX/RX）設(shè)計

載波接收通路硬件電路（RX）設(shè)計上，采用LC濾波網(wǎng)絡(luò)對降壓耦合變壓器接收來自電網(wǎng)線上的載波調(diào)試信號進(jìn)行濾波，經(jīng)RX濾波后，濾除干擾信號，將有用的頻率的載波信號篩選出來（頻段1～4頻率帶寬：700khz～12Mhz）

載波發(fā)送通路硬件電路（TX）設(shè)計上：信息經(jīng)載波微處理芯片MCU處理并調(diào)制成寬帶載波電信號后，濾波預(yù)放大，再送入寬帶載波功率放大器進(jìn)行放大至相應(yīng)的等級的功率信號，限幅后再經(jīng)變壓器耦合輸出至電力線上。

發(fā)射/接收濾波硬件電路原理圖件圖1中所示。

（d）DCDC直流電路設(shè)計

DCDC降壓電路：將電表側(cè)供電12V降壓成3.3V，為MCU基帶電路及相關(guān)電路供電。

電路設(shè)計上，采用一顆降壓芯片等器件將超級電容12V降壓為3.3V，為模塊基帶電路供電。

硬件電路原理圖件附圖1中所示

（e）Flash Memory電路設(shè)計

原理圖電路設(shè)計vf上，采用一顆flash存儲芯片等器件組成。flash存儲器保存軟件程序，chipID，產(chǎn)品ID等信息。

存儲器硬件電路原理圖如圖1中所示

（f）過零點檢測電路設(shè)計

原理圖設(shè)計上，整形電路將工頻50Hz整形為50Hz方波信號，送給MCU按照算法以判別工頻信號過零點時序，為系統(tǒng)制收發(fā)載波時序提供時基基準(zhǔn)。

過零點檢測電路原理圖如附圖1中所示

（g）停電數(shù)據(jù)上報電路設(shè)計

停電時，模塊及時將用戶及電表狀態(tài)數(shù)據(jù)信息上報給上位機(jī)服務(wù)器端。電路設(shè)計上，采用一顆升壓芯片等器件將超級電容2.7V升壓為12V，為模塊供電，模塊系統(tǒng)及時將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器端。其原理圖見圖1所示。

（h）PCB電路板設(shè)計等

根據(jù)電網(wǎng)協(xié)議接口規(guī)范要求，進(jìn)行PCB電路板設(shè)計：a. 按規(guī)范要求設(shè)計好接插件器件等封裝;b. 定位好接口位置和間距;c. 該模塊采用4層板設(shè)計，并將弱電接口低電壓電路與高電壓的強(qiáng)電接口使用變壓器或光耦等器件隔離開等。繪制好的三相電表PCB板圖（略）

三、 結(jié)語

文章簡析PLC通信模塊硬件設(shè)計方面的內(nèi)容，簡述相關(guān)功能單元的設(shè)計情況，旨在讓讀者了解通信模塊設(shè)計內(nèi)容。篇幅所限，水平所限，請海涵。謝謝！

作者簡介：陳國宏，南京南瑞微電子技術(shù)有限公司。