基于低压电力线载波通信的智能电表终端设计

摘要：以国产芯片PL3201为核心，采用ADE7755为计量芯片设计实现单相智能电表。该设计克服了以往必须采用采集器才能对用户数据采集的远程抄表系统的技术难题。其特点在于直接采用电力线通信，不需再进行专线安装，降低了产品研发成本。
关键词：电力线载波；智能电表；PL3201；ADE7755

0 引言
随着我国工业化的发展，居民用电不断增长，用户电表数目也随之以数倍速度增加，电力公司面临着巨大的抄表困难。在广大农村，居民居住相对分散，有时抄表员需要费好几天才能抄完一个村庄的电表，而且还有可能出现漏抄；在城市，居民居住聚集，面对高层的居民楼需要工作人员爬上爬下挨家挨户抄表，这不仅费时费力，而且还给用户日常生活造成了一定的影响。因此，如何在不影响用户的情况下快速、准确、可靠地抄表，已经成为电力部门和用户的一种共同需求。为此，该设计将低压电力线载波通信技术和扩频通信技术相结合，设计出具有远程抄表功能的单相智能电表。

1 电力线载波与扩频通信技术
我国在高压电力线上的通信技术世界领先，技术已经非常成熟。然而在低压(220 V)电力线上载波通信仍然存在许多技术难题，如何克服低压电力线上特有的高阻抗、高噪声、高污染是开发人员最为关心的问题。在电力线上的通信技术一般有基于锁相环路的窄带传输技术、基于相关器的扩频技术、过零传输技术等几种。目前扩频技术的应用较为广泛，PL3201就采用了这种技术。其芯片内集成的载波通信单元采用QPSK(四相相移键控)调制方式；可变伪随机码速率(带宽)的多地址通信技术，其载波中心频率为120 kHz，伪随机码速率可达到15 Kb／s和30Kb／s。
由于它采用了QPSK调制技术，在带宽不变的情况下，数据传输速率是BPSK调制方式的一倍。根据伪随机码的速率不同，数据速率可达到1Kb／s和500 b／s。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，将使台区之间的干扰减小到最小；同时PL3201向下兼容PL3105的通信方式(BPSK二相相移键控)，及其15／31位伪随机码模式，此外PL32 01的载波调制输出信号可由软件灵活配置成正弦波输出或方波输出模式。
扩频技术是一种信息传输方式，在发送端(简称发端)采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传输信息所需的宽度；在接收端(简称收端)采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息的数据。根据C．E．Shannon在信息论研究中得出的带宽与信噪比互换的关系式，即香农公式：
C=B×log(1+S／N)
式中：C为信道容量，指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量，其单位为b／s；B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号功率，单位为W；N为噪声功率，单位为W；S／N为输入功率与噪声功率之比，称为信噪功率比，简称信噪比。由公式可以看出在信道容量C不变的情况下，带宽B与信噪比S／N成反比例关系，即只要增加带宽B就可以有效抑制信噪比S／N。扩频通信正是基于这种理论使通信具有很强的抗干扰能力。

2 智能电表的硬件电路设计
2．1 基本框图及电路原理
智能电表是无线抄表系统的远程终端，其包含核心单片机PL3201、电源、电量测量、电力载波、继电器、E2PROM、红外通信、时钟电路和最新国标32段LCD显示等8个模块，结构如图1所示。