三相电力载波中继器的制造方法
专利名称:三相电力载波中继器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种载波中继器，特别是涉及一种三相电力载波中继器，用于低压电力载波集中抄表系统。本实用新型第一微处理器主芯片（A）、第二微处理器主芯片（B）和第三微处理器主芯片（C），上述三个微处理器主芯片结构相同，第一微处理器主芯片（A）分别与红外通讯模块、外部存储模块、电源处理模块、载波信号处理模块连接。所述第一微处理器主芯片（A）、第二微处理器主芯片（B）和第三微处理器主芯片（C）之间为串行通讯。本实用新型产品采用A相单相供电方式，通过将载波接收电路进行限幅后的信号送入PL3201进行捕获、同步及解扩处理，经由内嵌的8051型微处理器控制处理，再对数据进行扩频，扩频后的信号经120kHz的载波频率调制后输出。此信号通过电力线接口电路进行功率放大、滤波并耦合到低压电力线上，实现电力线载波通信。
【专利说明】
三相电力载波中继器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种载波中继器，特别是涉及一种三相电力载波中继器，用于低压电力载波集中抄表系统。
【背景技术】
[0002]电力线载波通讯是利用高压电力线(通常指35kV及以上电压等级)、中压电力线(指1kV电压等级)或低压配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。该方式节省了通讯线路的基建投资和日常的维护费用，也不占用较多的频率资源，具有一定的经济可行性，应用前景十分广泛。然而，由于电力线最初的设计是以传输电能为目的，与专门进行数据传输的双绞线、同轴电缆以及光纤等介质相比，具有负载多、噪声干扰强、信道衰减大、信道时延长、通信环境恶劣等特点。在电力线载波抄表系统中，这些特点制约了信号传输的距离，同时降低了通信的可靠性，从而影响了抄表范围和准确性等系统性能。因此在实际应用中，还需要通过中继技术来弥补这些缺憾。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种组网简单且高效、可用手持设备查看电力数据，数据传输可靠性高，且传输距离远的三相电力载波中继器。
[0004]技术解决方案
[0005]本实用新型包括:微处理主芯片，所述微处理主芯片采用内嵌增强型8051兼容微处理器PL3201，其中:包括微处理器主芯片包括:第一微处理器主芯片、第二微处理器主芯片和第三微处理器主芯片，上述三个微处理器主芯片结构相同，第一微处理器主芯片分别与红外通讯模块、外部存储模块、电源处理模块、载波信号处理模块连接；电源处理模块与220V市电电源连接，所述第一微处理器主芯片、第二微处理器主芯片和第三微处理器主芯片之间为串行通讯。
[0006]进一步:微处理器主芯片的第一微处理器主芯片负责载波通讯链路协议为N6或N12的判断和单复费率的判断，负责与红外通讯模块的信号处理，及与外部存储模块3进行数据交互。
[0007]进一步:第一微处理器主芯片、第二微处理器主芯片和第三微处理器主芯片采用一主二从式结构，并依次负责三相电路载波信号的处理，其中第一微处理器主芯片为主控芯片进行主从判断，第二微处理器主芯片只负责B相电的载波信号处理，第三微处理器主芯片只负责相电的载波信号处理。
[0008]所述外部存储器采用AT24C04存储芯片。
[0009]所述电源处理模块采用DB104S整流桥和MC7805电源芯片；整体为单电源供电，SP从A相提取整个电路的供电电源，分相控制载波信号。
[0010]本实用新型区别于其他同类产品的重要特点有:
[0011]I)利用主芯片的高集成度，整体设计上减少了外围器件的数量，稳定性较高；
[0012]2)主芯片采用一主二从式的结构，对三相电的载波信号进行分相控制，从第一微处理器主芯片中相提取整个电路的供电电源，有较高的独立性，信号处理速度快，可靠性尚;
[0013]3)在对接口电路的设计中，选择了合适的电容和电感元件，选用性能更佳的功率放大电路，达到了低成本、远距离、高质量的通信效果；
[0014]4)最大限度的降低了接收回路的噪声，提高了接收信噪比，具有良好的抗干扰性能和较高的接收灵敏度；
[0015]5)PCB布板空间较大，各个模块之间的电气隔离度高，布板安全距离加大；
[0016]6)载波链路通讯支持N6协议、N12协议；
[0017]7)可有效提高复杂台区下抄读载波电表数据的成功率和抄读稳定性；
[0018]8)自身具备计量功能；
[0019]9)本实用新型实用计量芯片价位优廉，一种规格、原材料统一，产品差异化带来利润增加；
[0020]10)需要人工设置中继结点及路线，组网简单、快速、高效、灵活。
[0021]简言之，本实用新型是采用人工中继的方式，将具有数据中转功能的装置，安装在某集中器与远端数据终端之间的固定地方，主要功能是将双方发送的数据进行功率放大后转发，大大提高了低压电力线的通信成功率。本实用新型设计方案中通过将载波接收电路进行限幅后的信号送入PL3201进行捕获、同步及解扩处理，经由内嵌的8051型微处理器控制处理，再对数据进行扩频，扩频后的信号经120kHz的载波频率调制后输出。此信号通过电力线接口电路进行功率放大、滤波并耦合到低压电力线上，实现电力线载波通信。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型网络结构图；
[0023]图2为本实用新型工作原理框图；
[0024]图3为本实用新型主控芯片A与外围电路连接图；
[0025]图4为本实用新型480KHZ外置陶瓷滤波器电路连接图；
[0026]图5为本实用新型主控芯片B与外围电路连接图；
[0027]图6为本实用新型主控芯片C与外围电路连接图；
[0028]图7为本实用新型A相载波通信接口电路连接图；
[0029]图8为本实用新型B相载波通信接口电路连接图；
[0030]图9为实本用新型C相载波通信接口电路连接图；
[0031 ]图10为本实用新型分别给A、B、C主芯片提供AVDD的电路连接图；
[0032]图11为本实用新型分别给A、B、C主芯片提供DVDD的电路连接图；
[0033]图12为本实用新型单复费率判断电路连接图；
[0034]图13为本实用新型外部存储电路连接图；
[0035]图14为本实用新型红外通讯模块2电路连接图；
[0036]图15为本实用新型主控芯片编程电路连接图；
[0037]图16为本实用新型电源处理电路连接图；
[0038]图17为本实用新型主程序工作流程框图；
[0039]图18为本实用新型载波功能设置初始化工作流程框图；
[0040]图19为本实用新型清载波接收缓存工作流程框图；
[0041 ]图20为本实用新型载波发送工作流程框图；
[0042]图21为本实用新型N6、N12载波发送判断工作流程框图；
【具体实施方式】
[0043]参照图1:本实用新型用于三相智能电能表的数据中继。
[0044]参照图2:本实用新型的微处理主芯片I采用内嵌增强型8051兼容微处理器，微处理器主芯片I与红外通讯模块2、外部存储模块3、电源处理模块4、载波信号处理模块5连接；电源处理模块4与220V市电电源连接;微处理器主芯片I的A芯片为主控芯片，B芯片和C芯片只负责各自线路上的载波信号处理。
[0045]主控芯片A负责通讯模式的判断和单复费率的判断，负责与红外通讯模块2的电路连接，和与外部存储模块3进行数据交互。
[0046])硬件主要电路模块电路连接及工作原理:
[0047]参照图3:PL3201是具有电力线载波通信功能的内嵌8051增强型高速微处理器的新型SoC(System on Chip)产品。该芯片采用新型的CMOS数/模混合工艺制造，具有成本低、性能高、功能强大等特点，能够很方便地应用于电力线通信领域。由于该芯片系统集成度高，可省去大量的外围电路。同时，在PL3201内集成了载波通信单元，该单元采用四相相移键控(QuadraurePhaseShiftKey ing，QPSK)调制方式。其载波中心频率为120kHz，伪随机码速率可达到30K。由于采用了QPSK调制技术，在带宽不变的情况下，数据传输速率是BPSK调制方式的2倍，根据伪随机码的速率不同数据速率可达到IKbps和500bps ο同时采用了 63位Gold/Kasami序列，从而实现了码分多址，其地址数目最多可达41个，其中33个Gold序列，8个kasami序列，使台区之间的干扰减小到最小。
[0048]本实用新型采用的主控芯片PL3201的其它特性如下:
[0049]2内置扩频通信调制/解调电路，兼容PL3105通讯方式；
[0050]2内置256 bytes + 1024 bytes SRAM(静态随机存储器)；
[0051 ] 2内置16K bytes E2PR0M(电可擦除/可编程)程序存储器；
[0052]2内置60 bytes E2PR0M(电可擦除/可编程)数据存储器；
[0053]2内置两个可灵活配置的全双工多功能UART;
[0054]2内置三个8/16位定时/计数器，一个看门狗定时器以及三个外部中断源；
[0055]2内置可兼容多种协议的红外线通信解码电路；
[0056]2内置可数字频率校正的实时钟，并具有秒脉冲输出；
[0057]2内置串行程序存储器编程接口，支持在系统编程(ISP);
[0058]2采用5V单电源供电；
[0059]2采用0.35um超大规模数/模混合CMOS制造工艺；
[0060]2按照该芯片管脚由小到大分模块依次进行描述(以主控芯片A为例，B芯片和C芯片与A相同):
[0061 ] 2MODE-A为复位信号输入端，经过C26的保护电路，正常工作时为高电平；
[0062]2PSK_0UT是载波发射电路的发射端，对应的载波接收端连在芯片的SIGIN管脚；
[0063]2UP-OKA为确认芯片主从工作的信号输入端；
[0064]2TXD-B与UARTl的RXD复用，与它对应TXD-H与UARTl的TXD复用；
[0065]2PlO-A和Pll-A分别为烧写程序用的串行时钟和数据输入输出端；
[0066]2SDA24、SCL24、C0NTR0L三个管脚分别连接外部存储芯片的串口数据、串口时钟输入和控制管脚，完成与外部存储芯片的通讯；
[0067]2XTlI和XTlO连接XTl、C39和C40给出9.6MHz的振荡，以保证完成载波通讯；
[0068]238K_TX和38K_RX为红外通讯的发送和接收口 ；
[0069]2Pl.7是判断单复费率的信号输入端；
[0070]2FLTI与FLTO是一对混频信号端子，其中FLTO为滤波信号输入，当混频信号经过带通滤波后由此管脚进入内部限幅放大器，FLTI为混频信号输出端，内部混频器输出的信号由此管脚输出进入外部陶瓷滤波器BI;其中R7为FLTI管脚的上拉电阻；
[0071 ] 2SIGIN-A为载波接收电路的扩频通信信号输入端。
[0072]参照图4:480KHz外置陶瓷滤波器电路，输入端接一个4.7ΚΩ的上拉电阻。
[0073]参照图5和图6:分别为B芯片及外围电路和C芯片及外围电路，具体参照图1所述的内容。
[0074]参照图7、图8和图9:载波通信系统主要由载波接收电路、载波放大电路和载波耦合单元等三个部分组成。
[0075]载波接收电路
[0076]接收电路滤除来自电网中的噪声，这些噪声会降低PL3201的解调功能。对于接收电路，选用无源滤波器要优于有源滤波器，是因为有源滤波器会产生与接收信号相当的白噪声。本系统选用无源带通滤波器(A相由C35、C50、L17和Rl组成;B相由C8、C51、L18和R2组成;C相由C9、C52、L19和R3组成)，采用并联谐振回路形式。并联回路的中心频率由电容器和电感器的值决定(A相电路中的Cl和1^1，8相电路中的02和1^，(:相电路中的03和1^5决定各相的并联回路中心频率)，设计为120 kHz。经过并联谐振电路的120KHz的信号，途经D8和DlI组成的钳位电路吸收低压电力线上的尖峰干扰、限幅后，使SIGIN的电压小于700mv。
[0077]载波放大电路
[0078]这部分电路是用来将主控芯片产生的载波调制信号进行功率放大，滤除掺杂在信号中的噪声和伪信号，从而将处理后的信号以较高的效率耦合到低压电力线上。
[0079]PL3201产生的载波信号由A主芯片的P3.7输出，经功率放大电路放大后，含有谐波。系统主要的传输干扰频率是发送信号的二次谐波和三次谐波(PL3201的载波中心频率为120 kHz，二次谐波和三次谐波分别为240kHz和360kHz)，为了减少对电网的谐波污染，需进行滤波整形。
[0080]参照图7中，QUQlO构成NPN型复合管，Q4、Q7构成PNP型复合管，从而组成互补对称式功率放大电路。载波功能被使能后，载波信号在PSK_0UT端时，波形为方波，包含丰富的谐波;上波形经C12和R19滤波，D13稳压，Q4和Ql组成的射极跟随器放大，Dl限幅保护；同样道理，下波形经C32和R20滤波，D14稳压，QlO和Q7放大，D2限幅保护;至此PSK_0UT端的方波信号被放大。由于放大后的信号，富含谐波，为减少对电网的谐波污染，经过Cl和LI组成的滤波整形，经由双向二极管V24限压保护，再通过耦合线圈Tl耦合到低压电力线上。减小Cl和增大LI将减小发射电流和改善波形。反之增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整Cl和LI将影响线圈的发射功率和自身功耗。
[0081 ] 参照图8中，Q2、Q12构成NPN型复合管，Q5、Q8构成PNP型复合管，从而组成互补对称式功率放大电路。载波功能被使能后，载波信号在PSK_0UT端时，波形为方波，包含丰富的谐波；上波形经C7和R29滤波，D15稳压，Q5和Q2组成的射极跟随器放大，D5限幅保护；同样道理，下波形经C44和R4滤波，D16稳压，Q12和Q8放大，D6限幅保护;至此PSK_0UT端的方波信号被放大。由于放大后的信号，富含谐波，为减少对电网的谐波污染，经过C2和L2组成的滤波整形，经由双向二极管V25限压保护，再通过耦合线圈T2耦合到低压电力线上。减小C2和增大L2将减小发射电流和改善波形。反之增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整C2和L2将影响线圈的发射功率和自身功耗。
[0082]参照图9中，Q3、Q14构成NPN型复合管，Q6、Q9构成PNP型复合管，从而组成互补对称式功率放大电路。载波功能被使能后，载波信号在PSK_0UT端时，波形为方波，包含丰富的谐波；上波形经ClO和R5滤波，D17稳压，Q6和Q3组成的射极跟随器放大，D9限幅保护；同样道理，下波形经Cl I和R6滤波，D18稳压，Q14和Q9放大，DlO限幅保护;至此PSK_0UT端的方波信号被放大。由于放大后的信号，富含谐波，为减少对电网的谐波污染，经过C3和L5组成的滤波整形，经由双向二极管V26限压保护，再通过耦合线圈T3耦合到低压电力线上。减小C3和增大L5将减小发射电流和改善波形。反之增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整C3和L5将影响线圈的发射功率和自身功耗。
[0083]载波耦合电路
[0084]当PL3201处于发送状态时，载波耦合电路将PL3201产生的调制信号耦合到低压电力线上；当PL3201处于接收状态时，载波耦合电路将低压电力线上的载波信号耦合过来，由SIGIN脚送入PL3201。载波耦合部分由变压器、电容器C41、C42、C43和电感器组成。电容器将变压器与电力线隔离，过滤电力线上的50Hz的信号，这样就会阻止低频信号进入电路而使某些高频信号通过。万一电容器C41、C42、C43因短路而失去过滤50Hz信号的能力，接口电路就会被损坏，故要选用具有短路保护功能的X2型电容器。
[0085]参照图10:电路中大容量的钽电容并接一个小容量的电容以滤除高频交流电，使直流电变平滑，电阻的作用是用于EMC防范及限流的。
[0086]参照图11:电路中大容量的电解电容器并接一个小容量的电容以滤除高频交流电，使直流电变平滑。
[0087]参照图12:根据现场台区运行的具体情况，选择合适的电路;单费率时只焊接R15，不焊接R14，PL3201芯片的第42管脚(P1-7)置为高电平；复费率时只焊接R14，不焊接R15，PL3201芯片的第42管脚(P1-7)置为低电平。
[0088]参照图13:外部存储器使用AT24C04芯片，芯片的SDA、SCL和WP分别与控制A相的主控芯片的对应控制管脚相连，并同样连接4.7ΚΩ的上拉电阻，保证处于输入态时保持高电平;芯片的VCC管脚连接I个0.1yf滤波电容，提供平滑的直流电源;芯片的AO?A2管脚未使用，与VSS相连，即接地;J5为调试接口，当短接J5时，可以对整个AT24C04器件的512字节进行读写操作，正常工作时，器件前256个地址数据被保护，只能读，不可写入，后256个字节数据可进行读写操作。
[0089]参照图14: A主芯片的P3.0(38K_RX)管脚接4.7K Ω的上拉电阻，P3.1 (38K_TX)管脚接20Κ Ω的上拉电阻，红外接收管U5具有解调的作用。当Ρ3.1 (38Κ_ΤΧ)输出高电平时，经过RllO分压，Qll信号放大，通过D24发送红外信号;P3.1(38K_TX)输出低电平时，经调制过的38Κ红外信号经接收管解调后发送给芯片的接收端P3.0(38K_RX)。其中R115完成对D24的保护功能。
[0090]参照图15:该部分是对A、B、C三块主芯片分别进行程序烧写的接口原理图。将主芯片的M0DE、P10、P11管脚引出，其中MODE管脚需要接1K的上拉电阻，保证处于输入态时保持高电平;另外，编程端口还需要给主芯片提供工作电源。
[0091]参照图16:作为整个系统的电源提供部分，设计电源由电力线通过T401变压、DB 104S整流，输出12V直流稳压电源，转换成VHH和VCC供给各个模块电路。
[0092]载波发射功率的大小与VHH电源幅值的高低、电源电流提供能力密切相关，一定范围内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效加大发射功率、从而延长通信距离。
[0093]软件整体工作流程:
[0094]主程序部分参照图17:
[0095]设备上电后，首先进入系统初始化模块。对各个管脚、参数设置默认值，在初始化模块中首先对看门狗进行设置，不显示使能，打开全局中断；其次进行载波功能初始化设置，清载波接收缓存。
[0096]之后把载波接收标志位清零，接着程序进入循环等待，如果有中断进来就把看门狗复位，再判断载波接收成功标志，接收成功则关闭全局中断，清载波接收缓存，载波信号处理最后开启全局中断，接收不成功则程序进入循环等待。
[0097]载波功能设置初始化部分参照图18:
[0098]设置载波发送前导序列寄存器，载波通信单元在每次为发送状态，硬件会首先发送40个伪码周期的全“I”序列用于使接收端与发送端伪随机码产生同步;把写保护的寄存器进行取消写保护操作，设置通信控制寄存器I为写入状态；程序向SSC_ADR寄存器写入03H，选中载波通信控制寄存器2的地址，再判断SSC_DAT寄存器是否为正确的接收状态，否的话则设置为正确值;设置伪随机码捕获寄存器的值设为30H，设置外部中断为下降沿触发并打开中断功能。
[0099]清载波缓存部分参照图19:
[0100]先延时等待，之后把N6和NI2判断标志位置O，把载波发送成功标志位置O，载波数据长度计数清零，最后做载波接收初始化清零操作。
[0101]载波发送工作部分参照图20:
[0102]首先关闭中断，接着开启载波功能且为发送模式，数据发送使能，发送灯亮接收灯灭。
[0103]N12载波发送判断工作参照图21:
[0104]先判断载波信号是N6协议还是N12协议的数据，如果是N6协议，则载波发送冗余校验位清O，计算载波接收缓存校验和，接着把载波数据写入接收缓存，之后进入载波发送程序;如果是NI 2协议，则计算载波接收缓存校验和，接着把载波数据写入接收缓存，之后进入载波发送程序。
[0105]载波中断工作部分:
[0106]首先把载波通信地址入栈保护，接着把载波通信地址寄存器做清零操作，将载波数据临时存入缓存，之后再判断载波数据的状态是应该发送还是接收。如果是发送状态，则判断数据是否有溢出，溢出情况下则依次执行如下操作:①清载波接收缓存②载波发送标志位置O③载波发送状态关闭④收和发的LED灯灭⑤打开载波通讯控制寄存器2⑥开启载波通讯功能，打开中断，定位接收数据状态，之后打开总中断，载波地址出栈。载波发送数据没有溢出则往载波通信缓存区寄存器写入数据，载波地址出栈。
[0107]如果程序判断是载波接收信号，则判断载波接收数据是否溢出，判断溢出后则清载波接收缓存，载波通信地址出栈;如果判断载波数据没有溢出，则判断载波信号的前导字节是否正确，正确就接收载波数据，载波通信地址出栈，否则清载波接收缓存，载波通信地址出栈。
【主权项】
1.三相电力载波中继器，包括:微处理主芯片(1)，其特征在于，所述微处理主芯片采用内嵌增强型8051兼容微处理器PL3201，其中:包括微处理器主芯片包括:第一微处理器主芯片(A)、第二微处理器主芯片(B)和第三微处理器主芯片(C)，上述三个微处理器主芯片结构相同，第一微处理器主芯片(A)分别与红外通讯模块02、外部存储模块(3)、电源处理模块(4)、A相载波信号处理模块(5)连接;电源处理模块(4)与220V市电电源连接;所述第一微处理器主芯片(A)、第二微处理器主芯片(B)和第三微处理器主芯片(C)之间为串行通讯。2.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，微处理器主芯片(I)的第一微处理器主芯片(A)负责判断载波链路通讯为N6协议或N12协议，负责单复费率的判断，负责与红外通讯模块(2)的信号处理，负责与外部存储模块(3)进行数据交互。3.根据权利要求1或2所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第一微处理器主芯片(A)、第二微处理器主芯片(B)和第三微处理器主芯片(C)采用一主二从式结构，并依次负责三相电路载波信号的处理，其中第一微处理器主芯片(A)为主控芯片进行主从判断。4.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第二微处理器主芯片(B)只负责B相电的载波信号处理，第三微处理器主芯片(C)只负责C相电的载波信号处理。5.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，外部存储器采用AT24C04存储芯片。6.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，电源处理模块(3)采用DB104S整流桥和MC7805电源芯片;整体为单电源供电，即从A相提取整个电路的供电电源，分相控制载波信号。7.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，载波链路通讯支持N6协议、NI 2协议。8.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第一微处理器主芯片(A)通过检测Pl.7管脚电平信号来判断是单费率模式还是复费率模式。9.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第一微处理器主芯片(A)可与红外通讯模块进行数据交互，用电现场支持用手持PDA设备查看电力数据。
【文档编号】H04B3/54GK205725745SQ201620361484
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】杜宝龙, 杨辉
【申请人】内蒙古云谷电力科技股份有限公司
【专利摘要】本实用新型涉及一种载波中继器，特别是涉及一种三相电力载波中继器，用于低压电力载波集中抄表系统。本实用新型第一微处理器主芯片（A）、第二微处理器主芯片（B）和第三微处理器主芯片（C），上述三个微处理器主芯片结构相同，第一微处理器主芯片（A）分别与红外通讯模块、外部存储模块、电源处理模块、载波信号处理模块连接。所述第一微处理器主芯片（A）、第二微处理器主芯片（B）和第三微处理器主芯片（C）之间为串行通讯。本实用新型产品采用A相单相供电方式，通过将载波接收电路进行限幅后的信号送入PL3201进行捕获、同步及解扩处理，经由内嵌的8051型微处理器控制处理，再对数据进行扩频，扩频后的信号经120kHz的载波频率调制后输出。此信号通过电力线接口电路进行功率放大、滤波并耦合到低压电力线上，实现电力线载波通信。
【专利说明】
三相电力载波中继器
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种载波中继器，特别是涉及一种三相电力载波中继器，用于低压电力载波集中抄表系统。
【背景技术】
[0002]电力线载波通讯是利用高压电力线(通常指35kV及以上电压等级)、中压电力线(指1kV电压等级)或低压配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。该方式节省了通讯线路的基建投资和日常的维护费用，也不占用较多的频率资源，具有一定的经济可行性，应用前景十分广泛。然而，由于电力线最初的设计是以传输电能为目的，与专门进行数据传输的双绞线、同轴电缆以及光纤等介质相比，具有负载多、噪声干扰强、信道衰减大、信道时延长、通信环境恶劣等特点。在电力线载波抄表系统中，这些特点制约了信号传输的距离，同时降低了通信的可靠性，从而影响了抄表范围和准确性等系统性能。因此在实际应用中，还需要通过中继技术来弥补这些缺憾。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种组网简单且高效、可用手持设备查看电力数据，数据传输可靠性高，且传输距离远的三相电力载波中继器。
[0004]技术解决方案
[0005]本实用新型包括:微处理主芯片，所述微处理主芯片采用内嵌增强型8051兼容微处理器PL3201，其中:包括微处理器主芯片包括:第一微处理器主芯片、第二微处理器主芯片和第三微处理器主芯片，上述三个微处理器主芯片结构相同，第一微处理器主芯片分别与红外通讯模块、外部存储模块、电源处理模块、载波信号处理模块连接；电源处理模块与220V市电电源连接，所述第一微处理器主芯片、第二微处理器主芯片和第三微处理器主芯片之间为串行通讯。
[0006]进一步:微处理器主芯片的第一微处理器主芯片负责载波通讯链路协议为N6或N12的判断和单复费率的判断，负责与红外通讯模块的信号处理，及与外部存储模块3进行数据交互。
[0007]进一步:第一微处理器主芯片、第二微处理器主芯片和第三微处理器主芯片采用一主二从式结构，并依次负责三相电路载波信号的处理，其中第一微处理器主芯片为主控芯片进行主从判断，第二微处理器主芯片只负责B相电的载波信号处理，第三微处理器主芯片只负责相电的载波信号处理。
[0008]所述外部存储器采用AT24C04存储芯片。
[0009]所述电源处理模块采用DB104S整流桥和MC7805电源芯片；整体为单电源供电，SP从A相提取整个电路的供电电源，分相控制载波信号。
[0010]本实用新型区别于其他同类产品的重要特点有:
[0011]I)利用主芯片的高集成度，整体设计上减少了外围器件的数量，稳定性较高；
[0012]2)主芯片采用一主二从式的结构，对三相电的载波信号进行分相控制，从第一微处理器主芯片中相提取整个电路的供电电源，有较高的独立性，信号处理速度快，可靠性尚;
[0013]3)在对接口电路的设计中，选择了合适的电容和电感元件，选用性能更佳的功率放大电路，达到了低成本、远距离、高质量的通信效果；
[0014]4)最大限度的降低了接收回路的噪声，提高了接收信噪比，具有良好的抗干扰性能和较高的接收灵敏度；
[0015]5)PCB布板空间较大，各个模块之间的电气隔离度高，布板安全距离加大；
[0016]6)载波链路通讯支持N6协议、N12协议；
[0017]7)可有效提高复杂台区下抄读载波电表数据的成功率和抄读稳定性；
[0018]8)自身具备计量功能；
[0019]9)本实用新型实用计量芯片价位优廉，一种规格、原材料统一，产品差异化带来利润增加；
[0020]10)需要人工设置中继结点及路线，组网简单、快速、高效、灵活。
[0021]简言之，本实用新型是采用人工中继的方式，将具有数据中转功能的装置，安装在某集中器与远端数据终端之间的固定地方，主要功能是将双方发送的数据进行功率放大后转发，大大提高了低压电力线的通信成功率。本实用新型设计方案中通过将载波接收电路进行限幅后的信号送入PL3201进行捕获、同步及解扩处理，经由内嵌的8051型微处理器控制处理，再对数据进行扩频，扩频后的信号经120kHz的载波频率调制后输出。此信号通过电力线接口电路进行功率放大、滤波并耦合到低压电力线上，实现电力线载波通信。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型网络结构图；
[0023]图2为本实用新型工作原理框图；
[0024]图3为本实用新型主控芯片A与外围电路连接图；
[0025]图4为本实用新型480KHZ外置陶瓷滤波器电路连接图；
[0026]图5为本实用新型主控芯片B与外围电路连接图；
[0027]图6为本实用新型主控芯片C与外围电路连接图；
[0028]图7为本实用新型A相载波通信接口电路连接图；
[0029]图8为本实用新型B相载波通信接口电路连接图；
[0030]图9为实本用新型C相载波通信接口电路连接图；
[0031 ]图10为本实用新型分别给A、B、C主芯片提供AVDD的电路连接图；
[0032]图11为本实用新型分别给A、B、C主芯片提供DVDD的电路连接图；
[0033]图12为本实用新型单复费率判断电路连接图；
[0034]图13为本实用新型外部存储电路连接图；
[0035]图14为本实用新型红外通讯模块2电路连接图；
[0036]图15为本实用新型主控芯片编程电路连接图；
[0037]图16为本实用新型电源处理电路连接图；
[0038]图17为本实用新型主程序工作流程框图；
[0039]图18为本实用新型载波功能设置初始化工作流程框图；
[0040]图19为本实用新型清载波接收缓存工作流程框图；
[0041 ]图20为本实用新型载波发送工作流程框图；
[0042]图21为本实用新型N6、N12载波发送判断工作流程框图；
【具体实施方式】
[0043]参照图1:本实用新型用于三相智能电能表的数据中继。
[0044]参照图2:本实用新型的微处理主芯片I采用内嵌增强型8051兼容微处理器，微处理器主芯片I与红外通讯模块2、外部存储模块3、电源处理模块4、载波信号处理模块5连接；电源处理模块4与220V市电电源连接;微处理器主芯片I的A芯片为主控芯片，B芯片和C芯片只负责各自线路上的载波信号处理。
[0045]主控芯片A负责通讯模式的判断和单复费率的判断，负责与红外通讯模块2的电路连接，和与外部存储模块3进行数据交互。
[0046])硬件主要电路模块电路连接及工作原理:
[0047]参照图3:PL3201是具有电力线载波通信功能的内嵌8051增强型高速微处理器的新型SoC(System on Chip)产品。该芯片采用新型的CMOS数/模混合工艺制造，具有成本低、性能高、功能强大等特点，能够很方便地应用于电力线通信领域。由于该芯片系统集成度高，可省去大量的外围电路。同时，在PL3201内集成了载波通信单元，该单元采用四相相移键控(QuadraurePhaseShiftKey ing，QPSK)调制方式。其载波中心频率为120kHz，伪随机码速率可达到30K。由于采用了QPSK调制技术，在带宽不变的情况下，数据传输速率是BPSK调制方式的2倍，根据伪随机码的速率不同数据速率可达到IKbps和500bps ο同时采用了 63位Gold/Kasami序列，从而实现了码分多址，其地址数目最多可达41个，其中33个Gold序列，8个kasami序列，使台区之间的干扰减小到最小。
[0048]本实用新型采用的主控芯片PL3201的其它特性如下:
[0049]2内置扩频通信调制/解调电路，兼容PL3105通讯方式；
[0050]2内置256 bytes + 1024 bytes SRAM(静态随机存储器)；
[0051 ] 2内置16K bytes E2PR0M(电可擦除/可编程)程序存储器；
[0052]2内置60 bytes E2PR0M(电可擦除/可编程)数据存储器；
[0053]2内置两个可灵活配置的全双工多功能UART;
[0054]2内置三个8/16位定时/计数器，一个看门狗定时器以及三个外部中断源；
[0055]2内置可兼容多种协议的红外线通信解码电路；
[0056]2内置可数字频率校正的实时钟，并具有秒脉冲输出；
[0057]2内置串行程序存储器编程接口，支持在系统编程(ISP);
[0058]2采用5V单电源供电；
[0059]2采用0.35um超大规模数/模混合CMOS制造工艺；
[0060]2按照该芯片管脚由小到大分模块依次进行描述(以主控芯片A为例，B芯片和C芯片与A相同):
[0061 ] 2MODE-A为复位信号输入端，经过C26的保护电路，正常工作时为高电平；
[0062]2PSK_0UT是载波发射电路的发射端，对应的载波接收端连在芯片的SIGIN管脚；
[0063]2UP-OKA为确认芯片主从工作的信号输入端；
[0064]2TXD-B与UARTl的RXD复用，与它对应TXD-H与UARTl的TXD复用；
[0065]2PlO-A和Pll-A分别为烧写程序用的串行时钟和数据输入输出端；
[0066]2SDA24、SCL24、C0NTR0L三个管脚分别连接外部存储芯片的串口数据、串口时钟输入和控制管脚，完成与外部存储芯片的通讯；
[0067]2XTlI和XTlO连接XTl、C39和C40给出9.6MHz的振荡，以保证完成载波通讯；
[0068]238K_TX和38K_RX为红外通讯的发送和接收口 ；
[0069]2Pl.7是判断单复费率的信号输入端；
[0070]2FLTI与FLTO是一对混频信号端子，其中FLTO为滤波信号输入，当混频信号经过带通滤波后由此管脚进入内部限幅放大器，FLTI为混频信号输出端，内部混频器输出的信号由此管脚输出进入外部陶瓷滤波器BI;其中R7为FLTI管脚的上拉电阻；
[0071 ] 2SIGIN-A为载波接收电路的扩频通信信号输入端。
[0072]参照图4:480KHz外置陶瓷滤波器电路，输入端接一个4.7ΚΩ的上拉电阻。
[0073]参照图5和图6:分别为B芯片及外围电路和C芯片及外围电路，具体参照图1所述的内容。
[0074]参照图7、图8和图9:载波通信系统主要由载波接收电路、载波放大电路和载波耦合单元等三个部分组成。
[0075]载波接收电路
[0076]接收电路滤除来自电网中的噪声，这些噪声会降低PL3201的解调功能。对于接收电路，选用无源滤波器要优于有源滤波器，是因为有源滤波器会产生与接收信号相当的白噪声。本系统选用无源带通滤波器(A相由C35、C50、L17和Rl组成;B相由C8、C51、L18和R2组成;C相由C9、C52、L19和R3组成)，采用并联谐振回路形式。并联回路的中心频率由电容器和电感器的值决定(A相电路中的Cl和1^1，8相电路中的02和1^，(:相电路中的03和1^5决定各相的并联回路中心频率)，设计为120 kHz。经过并联谐振电路的120KHz的信号，途经D8和DlI组成的钳位电路吸收低压电力线上的尖峰干扰、限幅后，使SIGIN的电压小于700mv。
[0077]载波放大电路
[0078]这部分电路是用来将主控芯片产生的载波调制信号进行功率放大，滤除掺杂在信号中的噪声和伪信号，从而将处理后的信号以较高的效率耦合到低压电力线上。
[0079]PL3201产生的载波信号由A主芯片的P3.7输出，经功率放大电路放大后，含有谐波。系统主要的传输干扰频率是发送信号的二次谐波和三次谐波(PL3201的载波中心频率为120 kHz，二次谐波和三次谐波分别为240kHz和360kHz)，为了减少对电网的谐波污染，需进行滤波整形。
[0080]参照图7中，QUQlO构成NPN型复合管，Q4、Q7构成PNP型复合管，从而组成互补对称式功率放大电路。载波功能被使能后，载波信号在PSK_0UT端时，波形为方波，包含丰富的谐波;上波形经C12和R19滤波，D13稳压，Q4和Ql组成的射极跟随器放大，Dl限幅保护；同样道理，下波形经C32和R20滤波，D14稳压，QlO和Q7放大，D2限幅保护;至此PSK_0UT端的方波信号被放大。由于放大后的信号，富含谐波，为减少对电网的谐波污染，经过Cl和LI组成的滤波整形，经由双向二极管V24限压保护，再通过耦合线圈Tl耦合到低压电力线上。减小Cl和增大LI将减小发射电流和改善波形。反之增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整Cl和LI将影响线圈的发射功率和自身功耗。
[0081 ] 参照图8中，Q2、Q12构成NPN型复合管，Q5、Q8构成PNP型复合管，从而组成互补对称式功率放大电路。载波功能被使能后，载波信号在PSK_0UT端时，波形为方波，包含丰富的谐波；上波形经C7和R29滤波，D15稳压，Q5和Q2组成的射极跟随器放大，D5限幅保护；同样道理，下波形经C44和R4滤波，D16稳压，Q12和Q8放大，D6限幅保护;至此PSK_0UT端的方波信号被放大。由于放大后的信号，富含谐波，为减少对电网的谐波污染，经过C2和L2组成的滤波整形，经由双向二极管V25限压保护，再通过耦合线圈T2耦合到低压电力线上。减小C2和增大L2将减小发射电流和改善波形。反之增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整C2和L2将影响线圈的发射功率和自身功耗。
[0082]参照图9中，Q3、Q14构成NPN型复合管，Q6、Q9构成PNP型复合管，从而组成互补对称式功率放大电路。载波功能被使能后，载波信号在PSK_0UT端时，波形为方波，包含丰富的谐波；上波形经ClO和R5滤波，D17稳压，Q6和Q3组成的射极跟随器放大，D9限幅保护；同样道理，下波形经Cl I和R6滤波，D18稳压，Q14和Q9放大，DlO限幅保护;至此PSK_0UT端的方波信号被放大。由于放大后的信号，富含谐波，为减少对电网的谐波污染，经过C3和L5组成的滤波整形，经由双向二极管V26限压保护，再通过耦合线圈T3耦合到低压电力线上。减小C3和增大L5将减小发射电流和改善波形。反之增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整C3和L5将影响线圈的发射功率和自身功耗。
[0083]载波耦合电路
[0084]当PL3201处于发送状态时，载波耦合电路将PL3201产生的调制信号耦合到低压电力线上；当PL3201处于接收状态时，载波耦合电路将低压电力线上的载波信号耦合过来，由SIGIN脚送入PL3201。载波耦合部分由变压器、电容器C41、C42、C43和电感器组成。电容器将变压器与电力线隔离，过滤电力线上的50Hz的信号，这样就会阻止低频信号进入电路而使某些高频信号通过。万一电容器C41、C42、C43因短路而失去过滤50Hz信号的能力，接口电路就会被损坏，故要选用具有短路保护功能的X2型电容器。
[0085]参照图10:电路中大容量的钽电容并接一个小容量的电容以滤除高频交流电，使直流电变平滑，电阻的作用是用于EMC防范及限流的。
[0086]参照图11:电路中大容量的电解电容器并接一个小容量的电容以滤除高频交流电，使直流电变平滑。
[0087]参照图12:根据现场台区运行的具体情况，选择合适的电路;单费率时只焊接R15，不焊接R14，PL3201芯片的第42管脚(P1-7)置为高电平；复费率时只焊接R14，不焊接R15，PL3201芯片的第42管脚(P1-7)置为低电平。
[0088]参照图13:外部存储器使用AT24C04芯片，芯片的SDA、SCL和WP分别与控制A相的主控芯片的对应控制管脚相连，并同样连接4.7ΚΩ的上拉电阻，保证处于输入态时保持高电平;芯片的VCC管脚连接I个0.1yf滤波电容，提供平滑的直流电源;芯片的AO?A2管脚未使用，与VSS相连，即接地;J5为调试接口，当短接J5时，可以对整个AT24C04器件的512字节进行读写操作，正常工作时，器件前256个地址数据被保护，只能读，不可写入，后256个字节数据可进行读写操作。
[0089]参照图14: A主芯片的P3.0(38K_RX)管脚接4.7K Ω的上拉电阻，P3.1 (38K_TX)管脚接20Κ Ω的上拉电阻，红外接收管U5具有解调的作用。当Ρ3.1 (38Κ_ΤΧ)输出高电平时，经过RllO分压，Qll信号放大，通过D24发送红外信号;P3.1(38K_TX)输出低电平时，经调制过的38Κ红外信号经接收管解调后发送给芯片的接收端P3.0(38K_RX)。其中R115完成对D24的保护功能。
[0090]参照图15:该部分是对A、B、C三块主芯片分别进行程序烧写的接口原理图。将主芯片的M0DE、P10、P11管脚引出，其中MODE管脚需要接1K的上拉电阻，保证处于输入态时保持高电平;另外，编程端口还需要给主芯片提供工作电源。
[0091]参照图16:作为整个系统的电源提供部分，设计电源由电力线通过T401变压、DB 104S整流，输出12V直流稳压电源，转换成VHH和VCC供给各个模块电路。
[0092]载波发射功率的大小与VHH电源幅值的高低、电源电流提供能力密切相关，一定范围内提高电源幅值、增大电源功率，可以有效加大发射功率、从而延长通信距离。
[0093]软件整体工作流程:
[0094]主程序部分参照图17:
[0095]设备上电后，首先进入系统初始化模块。对各个管脚、参数设置默认值，在初始化模块中首先对看门狗进行设置，不显示使能，打开全局中断；其次进行载波功能初始化设置，清载波接收缓存。
[0096]之后把载波接收标志位清零，接着程序进入循环等待，如果有中断进来就把看门狗复位，再判断载波接收成功标志，接收成功则关闭全局中断，清载波接收缓存，载波信号处理最后开启全局中断，接收不成功则程序进入循环等待。
[0097]载波功能设置初始化部分参照图18:
[0098]设置载波发送前导序列寄存器，载波通信单元在每次为发送状态，硬件会首先发送40个伪码周期的全“I”序列用于使接收端与发送端伪随机码产生同步;把写保护的寄存器进行取消写保护操作，设置通信控制寄存器I为写入状态；程序向SSC_ADR寄存器写入03H，选中载波通信控制寄存器2的地址，再判断SSC_DAT寄存器是否为正确的接收状态，否的话则设置为正确值;设置伪随机码捕获寄存器的值设为30H，设置外部中断为下降沿触发并打开中断功能。
[0099]清载波缓存部分参照图19:
[0100]先延时等待，之后把N6和NI2判断标志位置O，把载波发送成功标志位置O，载波数据长度计数清零，最后做载波接收初始化清零操作。
[0101]载波发送工作部分参照图20:
[0102]首先关闭中断，接着开启载波功能且为发送模式，数据发送使能，发送灯亮接收灯灭。
[0103]N12载波发送判断工作参照图21:
[0104]先判断载波信号是N6协议还是N12协议的数据，如果是N6协议，则载波发送冗余校验位清O，计算载波接收缓存校验和，接着把载波数据写入接收缓存，之后进入载波发送程序;如果是NI 2协议，则计算载波接收缓存校验和，接着把载波数据写入接收缓存，之后进入载波发送程序。
[0105]载波中断工作部分:
[0106]首先把载波通信地址入栈保护，接着把载波通信地址寄存器做清零操作，将载波数据临时存入缓存，之后再判断载波数据的状态是应该发送还是接收。如果是发送状态，则判断数据是否有溢出，溢出情况下则依次执行如下操作:①清载波接收缓存②载波发送标志位置O③载波发送状态关闭④收和发的LED灯灭⑤打开载波通讯控制寄存器2⑥开启载波通讯功能，打开中断，定位接收数据状态，之后打开总中断，载波地址出栈。载波发送数据没有溢出则往载波通信缓存区寄存器写入数据，载波地址出栈。
[0107]如果程序判断是载波接收信号，则判断载波接收数据是否溢出，判断溢出后则清载波接收缓存，载波通信地址出栈;如果判断载波数据没有溢出，则判断载波信号的前导字节是否正确，正确就接收载波数据，载波通信地址出栈，否则清载波接收缓存，载波通信地址出栈。
【主权项】
1.三相电力载波中继器，包括:微处理主芯片(1)，其特征在于，所述微处理主芯片采用内嵌增强型8051兼容微处理器PL3201，其中:包括微处理器主芯片包括:第一微处理器主芯片(A)、第二微处理器主芯片(B)和第三微处理器主芯片(C)，上述三个微处理器主芯片结构相同，第一微处理器主芯片(A)分别与红外通讯模块02、外部存储模块(3)、电源处理模块(4)、A相载波信号处理模块(5)连接;电源处理模块(4)与220V市电电源连接;所述第一微处理器主芯片(A)、第二微处理器主芯片(B)和第三微处理器主芯片(C)之间为串行通讯。2.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，微处理器主芯片(I)的第一微处理器主芯片(A)负责判断载波链路通讯为N6协议或N12协议，负责单复费率的判断，负责与红外通讯模块(2)的信号处理，负责与外部存储模块(3)进行数据交互。3.根据权利要求1或2所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第一微处理器主芯片(A)、第二微处理器主芯片(B)和第三微处理器主芯片(C)采用一主二从式结构，并依次负责三相电路载波信号的处理，其中第一微处理器主芯片(A)为主控芯片进行主从判断。4.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第二微处理器主芯片(B)只负责B相电的载波信号处理，第三微处理器主芯片(C)只负责C相电的载波信号处理。5.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，外部存储器采用AT24C04存储芯片。6.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，电源处理模块(3)采用DB104S整流桥和MC7805电源芯片;整体为单电源供电，即从A相提取整个电路的供电电源，分相控制载波信号。7.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，载波链路通讯支持N6协议、NI 2协议。8.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第一微处理器主芯片(A)通过检测Pl.7管脚电平信号来判断是单费率模式还是复费率模式。9.根据权利要求1所述的三相电力载波中继器，其特征在于，第一微处理器主芯片(A)可与红外通讯模块进行数据交互，用电现场支持用手持PDA设备查看电力数据。
【文档编号】H04B3/54GK205725745SQ201620361484
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】杜宝龙, 杨辉
【申请人】内蒙古云谷电力科技股份有限公司
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