基于SSCP200的自动抄表系统

国防科学技术大学 陈轶 潘孟春 吴峻

【摘要】简述了扩频载波通信的原理，从应用的角度介绍了一个基于SSCP200的自动抄表系统，实际中取得了较为满意的结果。
     【关键词】自动抄表 载波通信 扩频通信

1 前言
    电力线载波通信是以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。电力线连通家家户户，甚至每一个房间，每一个用电设备。若能在电力线上实现可靠安全的通信，对于实现用电设备的监测和控制，在经济性，便利性等方面都有无可比拟的优势。
    从技术角度而言，在利用电力线作为传输媒介的通讯过程中，主要存在着以下几个不利因素，它们对于电力线上信号的传输都有着较大的影响：（1）高噪声。主要来自开关电源，电动机等一些特殊的用电设备；（2）阻抗变化范围大。这主要是由于线路上的感性负载和容性负载的随机接入所造成的谐振，线路的反射及驻波效应等；（3）损耗大。电力线中的损耗由多方面引起的：包括线路的串联电感和并联负载，及不同相位之间的耦合造成的损耗等等。
    为了排除以上所述的各类干扰，在目前的电力线通讯产品中，主要使用两种方式，即窄带通讯方式和扩频通讯方式。因为窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现，所以在以往的应用中比较流行；但在目前的实际应用中，为了实现用于家庭或经济产品上的通讯与控制网络，需要更为可靠的多用户环境的电力线通讯技术，扩频载波通讯技术就应运而生了。
    扩频通讯是将基带信号的频谱扩展到很宽的频带，然后再进行传输，如图1(略)所示。
扩频通讯相对于窄带通讯而言具有一定技术上的优势，主要表现在抗干扰方面。因为扩频载波信号的带宽通常较大（几十至几百kHz），所以其受干扰的频率范围所占比例相对减小，换句话讲，就是各种噪声仅能影响到一小部分所要传输的信号，大多数的信号都能够完整、正确的到达目的地，所以对于各种类型的干扰都具有较强的抵抗性。 
    一般来讲，目前的实现扩频有三种途径：即直接序列调制、跳频载波和利用Chirps扫描频率进行载波。Intellon公司的相关系列产品就是利用Chirps扫描频率进行载波来对信号进行扩频的。由于其所依托的技术，使得其产品在速度、抗干扰性、可靠性及价格等诸多方面具有其市场优势。为此，我们选用了Intellon公司的代表产品P200，组建了小区范围内的自动抄表系统。

2 系统组成
本系统主要由以下的3个部分组成：
（1） 采集单元（RTU）；
（2） 集中器；
（3） 用电管理部门的中心基站。
如图2(略)所示。采集单元RTU装在用户的电表里，RTU读出表的数据，通过电力线传输数据到集中器。集中器是位于用户变压器的低压侧，集中器贮存用电数据并且进行一些数据的处理，最后，所有的集中器把数据通过Modem电话线传到基站。每个RTU监视着电表中转盘的运动轨迹，存贮用电数据到内置的非易失性存储器中，监测任何不正常的使用状况，并立刻把不正常的使用状况的位置传到集中器。每个集中器是装在配电变压器的二次测，它每几分种就从多至500个RTU中通过电力线收集数据。基站是服务器计算机，它直接从集中器中收集数据。数据收集方式可以是通过基站PC的调制解调器收集数据或者通过标准的RS-232接口，从手提电脑通过专用的串行数据电缆直接连接在集中器上收集。基站与手提电脑二者都使用Windows软件，将用户的数据送入数据库处理保存。

3 硬件单元
硬件单元包括如下：
（1） 采集单元（RTU）；
（2） 集中器
（3） 中继器。

3．1采集单元（RTU）
    采集单元RTU是一个电子线路，它装在用户电表的里面。RTU通过光电转换或检测脉冲数，采集电能消耗量，周期地和自动地把这些数据通过电力线传到集中器。其中电力线载波通信部分使用SSCP200电力线网络接口控制器。这是一个高度集成化的扩频载波收发和信道存取接口，适用于低廉的网络产品。同时该公司还提供了SSCP111媒介接口IC。拥有这两片高度集成化的芯片，就可以完成网络中每个控制节点的功能。
SSCP200节点方框图如图3(略)所示。
SSC P200与主系统的接口是由一个使用5条I/O线的SPI（串行外围接口）。I/O线的定义如下表。
模拟数据信号是通过信号输入脚（SI）与信号输出脚（SO）在交流电力线与SSCP200之间进行传输。在接收模式下，电力线的模拟信号通过外部电力线耦合电路传输到输入滤波器。这个带通滤波器所允许通过的频率为100kHz到400kHz。最终，信号传输到SSCP200的引脚SI进行处理。
在发送模式下，信号由SSCP200的SO脚输出，先通过一预制滤波器，再经过SSC P111媒介接口IC进行信号放大。SSCP111是一个应用于电力线网络系统的高度集成化的高效放大器。当SSCP200中的TS信号为逻辑0时，P111中的放大器停止工作，将其输出设置出高阻态，并在接收操作时，将放大器与接受电路隔离开来，还能降低节点的能耗。当三态开关处于工作状态时（逻辑1），电力线通讯信号就通过电力线耦合电路传输到电力线上。实际使用中，由于负载影响以及噪音，强电磁的干扰严重，需要加大发射端的功率，因此，笔者没有使用P111放大器，而是用OPA549和LF353配合，实现了功耗要求范围内的最大输出。由于RTU内电路相对简单以及体积成本的考虑，RTU内的处理器选用了较为廉价实用的AT89C2051。外围存储器采用了EEPROM，但只有在断电时，CPU收到电压低信号，利用电容储存的电流，电路才把内存数据写入存储单元（EEPROM）并保持在非电维持的存储器中，从而避免了每个数据重复写入带来的EEPROM的寿命问题，即产品的寿命问题。

3．2集中器
    集中器是通信的枢纽。它负责中心计算机和采集终端之间的联系。一方面接收来自计算机的各种操作命令并下传采集终端；另一方面，将采集终端的各种信息回传管理中心计算机，同时还存储所辖表计的数据和有关参数，并具有定时和实时抄收采集终端（智能表）数据，实时监视采集终端（智能表）的工作状态等功能。集中器的结构如图4(略)所示。
    从图4可见，集中器上行通信采取Modem通过电话线与中心基站联系，或是通过串口直接与笔记本联系。下行通信则是采用电力载波方式的连接方式。集中器内的电力线通信部分与RTU基本相似，只是由于采集的数量，速度的要求，所以处理器芯片采取了高速信号处理DSP芯片。

3．3中继器
    由于衰减严重，变电站与RTU的距离远近不一，所以在距离远，信号微弱的地方需要加接中继器。中继器的作用是单纯的存储转发，接受到的数据原样发出。中继器的结构与RTU相似，只是发射功率可以调节得更高。

4 中心基站
    中心基站是个计算机系统，用来存储和分析从集中器输入的数据信息，并将结果报告给用电管理部门。这包括提供各种统计数据如分地区、分时段或分用户类别的用电量；供电系统的重要参数如线损及负荷分布等等。而且提供开放式的软件平台，用户可根据应用需要开发自己的应用软件，因此，该系统软件具有很强的兼容性。

5 其他问题
（1） 对载波信号而言，用电负载多为容性负载。对于线路中高频信号的衰减很大，因此，在线路中用户端串入感性线圈，能有效的抑制衰减。
（2） 除了硬件中继外，还可以引入软件中继。如果集中器无法与例如六楼的RTU取得联系，但能够联系到五楼的RTU，于是可以通过五楼的RTU去联系六楼的RTU。以此类推，确保每个RTU都能与集中器建立联系。缺点是增加了软件的复杂性。
（3） 由于电力线路上的通讯信号在各相线路上存在耦合，即一相线路中的信号会被耦合到另一相线路，变电站中的集中器是无法判断出RTU在哪一相中的。所以要为每个RTU设立唯一的ID号，然后，在三相中逐一搜索。

6 小结
    由于我国的电网特性，电网结构，居民住宅分布状况，电力线载波通信的应用领域方面与国外有一些不同之处，所以在运用国外芯片时，存在这样那样的缺陷。要真正解决这一瓶颈，需要国内电力线载波通讯领域的公司及相关科研人员，根据我国的电网的情况，定制出适合我国国情的电力载波芯片。

参考文献
1 邓文等 电能自动抄表技术及相关思考[J]。电测与仪表，2001（1）。
2 Intellon SSC P200 and P300 Hardware Design Reference[Z].
3 鄢新华 电力线载波通讯芯片市场与应用前景[Z] 2000。
4 王赞基 电力线载波通信技术及其应用[J]电力系统自动化，2000（11）。