圖1 降壓原理圖
　　3.2 模擬部分供電
　　模擬部分供電需要+5V直流電源，我們采用了非常常規(guī)的、成熟的降壓整流電路來完成，具體原理圖見圖2所示。
　　在這里，我們首先在DY-5，DY-9之間放置一個穩(wěn)壓管TVS51，對電源過壓保護(hù)，然后通過BD51橋電路進(jìn)行整形，將交流電源變成直流電源，通過C45和C54的高低濾波后，通過MC7805將輸出電壓變?yōu)橹绷鞯?5V，通過C55和C46的在此濾波，在AVCC端和AGND端得到穩(wěn)定的+5V直流電壓源，這個電壓源將作為模擬電流的供電電源。
　　
　　圖2 模擬部分供電部分原理圖
　　3.3 數(shù)字電路供電
　　數(shù)字電路部分供電電源與模擬部分略有不同，不過同樣使用的是以橋整形電路配合穩(wěn)壓管產(chǎn)生+5V和-5V的輸出電源。具體原理圖見圖3所示。
　　
　　圖3 數(shù)字電路部分供電電源原理圖
　　圖中MC7905T輸出為-5V電壓源。另外，由于SSC P300還額外需要一個+5V的驅(qū)動電壓，我們采用了從VCC隔離出另一個+5V的C_VCC，具體電路原理圖如圖4所示。
　　
　　4 用戶信號采集部分
　　
　　4.1 單個用戶信號采集部分
　　用戶電表的數(shù)據(jù)是通過傳感器采集脈沖信號，不同的電表有不同信號產(chǎn)生方式。現(xiàn)在使用的電表由兩種形式，一種式機(jī)械式，另一種是電子式。機(jī)械式電表的傳感器原理十分簡單，就是在機(jī)械旋轉(zhuǎn)表盤的盤面上打一個小孔，然后再在孔的垂直上方安一個紅外線發(fā)射器，發(fā)射連續(xù)的紅外線，小孔垂直下方放一個紅外線接收器，在接收到紅外信號的時候，接收器被激活，激活期間發(fā)出5V的高電平信號，當(dāng)電表正常運行的時候，機(jī)械表盤不停的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一圈過程中，小孔到達(dá)正確位置的時候，傳感器的接收器部分發(fā)出高電平信號，作為一次記錄的信號，并將這個信號傳遞到采集器加以處理。
　　
　　圖4 +5V電壓驅(qū)動
　　由于小孔非常小，而且表盤的旋轉(zhuǎn)速度可能比較快，因此這個高電平的維持時間可能非常短暫，但是我們不可以把這個信號脈沖信號而直接使用，因為由于孔的大小不同，紅外發(fā)生器和接收器的安裝高度也不會完全一致，另外因為用戶用電功率的不同會導(dǎo)致電表表盤的旋轉(zhuǎn)速度不同，所以發(fā)出的高電平信號不是等寬度的信號。
　　因此，我們采用光耦元件對信號進(jìn)行處理，該元件的特點是可以將信號的上升沿和下跳沿進(jìn)行微分，變成兩個間隔時間和高電平信號時間相等的脈沖信號傳遞給處理器。處理器接收到第二個脈沖時候，會將該用戶的用電信息記錄一次。圖5給出光耦使用原理圖：
　　
　　圖5 光耦使用原理圖
　　INPUT端接傳感器，OUTPUT接處理器端。其中，C3是光耦的外界濾波電阻，輸出端接的上拉電阻保證輸出正向脈沖，發(fā)光二極管是一個監(jiān)控點，每一次輸出脈沖時我們都能看見這個管子閃動。當(dāng)出現(xiàn)異常時，我們可以根據(jù)該發(fā)光二極管的狀態(tài)診斷是否是傳感器出現(xiàn)問題，從而簡化診斷過程，提高效率。
　　4.2 多個用戶信號采集
　　多個用戶信號采集的情況在硬件上只是對單個采集在數(shù)量方面的擴(kuò)展，本設(shè)計中的采集器每個可以同時采集16個用戶的信號，使用的8051處理器的P0、P1兩個I/O口被完全占用。具體原理圖可參見圖6。
　　
　　圖6 采集器多用戶信號采集原理圖
　　4.3 SSC P300 與P111的接口電路
　　SSC P300和P111以及上面第一節(jié)提及的變壓器，是配套使用的，P111是一個整形放大Chirp波的放大器，和數(shù)據(jù)的緩沖器，它可以配合INTELLON的其他載波芯片使用，如SSC P300的早期產(chǎn)品SSC P200，和SSC P300的后續(xù)產(chǎn)品SSC P485，單是其本身并沒有邏輯功能，具體的調(diào)制解調(diào)功能都要在SSC P300種完成。下面介紹SSC P300與SSC P111發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的情況，原理圖參看圖7。
　　
　　圖7 SSC P300與P111通訊原理圖
　　從圖中可見，從P111發(fā)送數(shù)據(jù)給SSC P300時，要通過濾波、放大、整形，而SSC P300發(fā)送數(shù)據(jù)給P111時，也要通過整形，濾波，放大。
　　
　　5 系統(tǒng)改進(jìn)的方向和可能采取的技術(shù)手段
　　
　　經(jīng)過對研究工作的總結(jié)，本系統(tǒng)的設(shè)計的還存在許多需要改進(jìn)的地方，由于采用配套的變壓器，所以難以應(yīng)對不同的電網(wǎng)。通訊芯片和處理器的固定使得通訊距離和通訊速率據(jù)現(xiàn)在比較低的水平。面對更高級別的網(wǎng)絡(luò)需要難以實現(xiàn)。
　　另外，在設(shè)計中，智能家庭網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能只能看到簡單的模型，只是完成了其最基本的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，其它的對各種電器的管理、連接互聯(lián)網(wǎng)功能等都還沒有實現(xiàn)，這些都有待日后對系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和完善。所以，只有依靠研發(fā)人員的不懈努力，依靠科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，才能推動具有中國特色的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的更新和進(jìn)步。
　　
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　　摘要：低壓電力線載波通信技術(shù)能夠利用低壓電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,不需要再架設(shè)專用電纜,給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及通信系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了很大的方便。本設(shè)計就是在電力線為通訊介質(zhì)的前提下，探討了家庭智能網(wǎng)絡(luò)的一部分應(yīng)用——小區(qū)自動抄表系統(tǒng)。研究對象的側(cè)重點是整個通訊系統(tǒng)中的最基本單元——采集器。
　　關(guān)鍵詞：電力載波，單片機(jī)，采集器
　　中圖分類號：TP32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2007)12-21670-03
　　
　　On Intelligent Home Power Line Carrier Data Acquisition Design
　　
　　WANG Quan
　　(SonTan College of Guangzhou University,Guangzhou 511370,China)
　　Abstract：The power line carrier communication technology can utilize the power line of low voltage to carry on data communication , not needing to set up the special-purpose cable again , the realization for the long-range data gathering and communication system offers very great convenience. This design is on the basis of using the power line as the communication medium, and we discussed the applications of a part of the family intelligence network—automatic metering system in community. The main research object of this design emphasizes on the most basic unit in the entire communication system—collecting.
　　Key words：power line carrier;MCU;collecting
　　
　　1 引言
　　
　　隨著科技的進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高，住宅智能化在當(dāng)今生活中顯得日益重要起來。但是由于現(xiàn)有布線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控、通訊、保安、管理等設(shè)備都是針對大型高層樓宇的，價格高，且難以在建成的住宅中使用，所以人們找尋并開發(fā)了一種簡單有效且經(jīng)濟(jì)的方案。
　　電力網(wǎng)是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網(wǎng)絡(luò). 由于電力線機(jī)械強(qiáng)度高, 可靠性好, 用于通信不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護(hù)費用, 因此電力線通信具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性, 在電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以及各種信息傳輸方面可以發(fā)揮重要作用。低壓電力線載波通信技術(shù)能夠利用低壓電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,不需要再架設(shè)專用電纜,給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及通信系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了很大的方便。
　　本設(shè)計就是在電力線為通訊介質(zhì)的前提下，探討了家庭智能網(wǎng)絡(luò)的一部分應(yīng)用——小區(qū)自動抄表系統(tǒng)。研究對象的側(cè)重點是整個通訊系統(tǒng)中的最基本單元——采集器。
　　雖然電力載波技術(shù)不論在歐洲、北美等地區(qū)還是國內(nèi)在“最后一公里”接入，以及構(gòu)建“智能家庭”中都有較快的進(jìn)展，具有良好的發(fā)展前景。但是相對傳統(tǒng)電信技術(shù)而言是一個新生兒，有很多不完善的地方。在技術(shù)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、合作組織、市場推廣、贏利模式和產(chǎn)業(yè)鏈的形成等方面面臨眾多的挑戰(zhàn)，該技術(shù)的成功推廣需要多方面的努力。
　　
　　2 數(shù)據(jù)采集器
　　
　　自動抄表系統(tǒng)主要由三大主要硬件單元構(gòu)成——數(shù)據(jù)采集器，集中器，中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集器是整個通訊網(wǎng)絡(luò)的最基本單元，它主要負(fù)責(zé)的是對單個電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且將每個用戶的數(shù)據(jù)分別存儲，然后當(dāng)接收到集中器的命令時，將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器，數(shù)據(jù)采集器不單可以把數(shù)據(jù)傳輸給集中器，而且可以將數(shù)據(jù)通過紅外線通訊方式，把數(shù)據(jù)傳輸給相配套的掌上電腦。這樣不僅使得數(shù)據(jù)得到更有效的保存，而且大大增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。當(dāng)然，數(shù)據(jù)采集器還要在面對很多意外情況下仍然保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠：
　　2.1 保證在突然停電的情況下，數(shù)據(jù)仍然正確保存
　　采用了IIC總線的EEPROM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，這種芯片的最大特點就是能利用旁接的大電容供應(yīng)微小電流的情況下，完好保存數(shù)據(jù)，而由于該種芯片本身需要電流非常微小，加上足夠大的電容之后，可以使得數(shù)據(jù)的保存達(dá)到2天以上，完全可以應(yīng)對停電帶來的不便。
　　2.2 在電表傳感器傳輸?shù)男盘栍忻�刺或者抖動時，正確識別信號
　　采取軟硬結(jié)合的方法進(jìn)行濾波，消除干擾，硬件上我們是信號進(jìn)入處理器之前，我們使用光耦遠(yuǎn)見，保證輸入的脈沖信號不對毛刺進(jìn)行識別，而且輸入的脈沖信號都是寬度相同的脈沖信號，這也為軟件設(shè)計提供了良好的工作環(huán)境；軟件上，我們對多路信號進(jìn)行實時判斷，在每個采集器所監(jiān)控的16個用戶單元中任意一個信號發(fā)生改變，處理器都會馬上得知，并判斷出信號的對應(yīng)用戶進(jìn)而將信號存儲在正確的單元。
　　2.3 不同時段按不同費率紀(jì)錄
　　由于電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜，收費標(biāo)準(zhǔn)越來越細(xì)化，我們會將用電的不同時段給予不同的費率，因此數(shù)據(jù)采集器自身必須要能正確判斷時段，并加以分類存儲，我們采用了IIC總線的時鐘芯片進(jìn)行管理，以實現(xiàn)該任務(wù)，時鐘芯片可以有很多種工作方式，我們主要使用了時鐘芯片的定時報警功能，在兩個不同時段的交界處，我們預(yù)先設(shè)置時鐘芯片發(fā)出報警信號，處理器在接受到信號后馬上對自身進(jìn)行調(diào)整，在進(jìn)入下一時段的用戶信息加以不同的標(biāo)注，這樣就達(dá)到了分時段管理的目的。
　　2.4 統(tǒng)一較時
　　由于不同時鐘芯片隨著工作時間的推移，在不同環(huán)境下產(chǎn)生的溫度漂移現(xiàn)象就會越來越突出，這會使得數(shù)據(jù)采集器“各自為政”，產(chǎn)生的誤差將日積月累，變得無法控制，進(jìn)而不能公平準(zhǔn)確的記錄，而實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)采集器擁有正確的時間是非常重要的。我們采用了定期由集中器發(fā)出統(tǒng)一指令，讓數(shù)據(jù)采集器統(tǒng)一校準(zhǔn)時間，這個辦法可以很好的解決這一時間問題。
　　
　　3 采集器的硬件設(shè)計原理
　　
　　3.1 電源部分
　　本設(shè)計中的供電部分都是從電力線變壓而來的，而除了供應(yīng)數(shù)字電路和模擬電路的+5V電壓之外，SSC P300還需要-5V的輸入電壓，我們首先使用了一個降壓整流電路，將電力線的220V交流電降壓，并整流為直流電，圖1為降壓的原理圖。
　　PS1為過電流保護(hù)的保險絲，CNB是壓敏保護(hù)器，電容CX和R167構(gòu)成一個濾波器，濾掉電力線上的諧波，WZ是與SSC P300配套使用的變壓器，在經(jīng)過C68和C61濾波之后，在PL端輸出的是帶有Chirp波的降壓信號，這個信號將被傳輸?shù)絊SC P111芯片將帶有Chirp波信號的電壓輸入在解調(diào)成原來的數(shù)字信號之前，進(jìn)行發(fā)大和整形，使得Chirp信號更加突出。與220V電力線并聯(lián)的DY-5，DY-9和DY-6，DY-8分別將作為整個電路板上所有元件供電的來源。兩組分別為模擬電路部分和數(shù)字電路部分供電。下面分別進(jìn)行介紹。