專利名稱：自適應電力載波集中器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于自動抄表的自適應電力載波集中器。
技術背景電力行業(yè)中利用電力線載波技術實現(xiàn)自動抄表的應用可以大大提高供電 部門抄表工作的效率，減輕工作人員的抄表工作強度?，F(xiàn)在，自動抄表技術已 成為電力智能管理的潮流，是電力營銷信息系統(tǒng)必不可少的組成部分。尋求簡 單、可靠、高性價比的抄表技術是儀表通訊領域的重要研究內容。在自動抄表技術的底層通訊中最受關注的還是通過電力線載波方式。

圖1示出現(xiàn)有的一種集中器模塊結構框圖。如圖1所示，通用集中器100基本組成 部分有主控單元MCUIOI，外部存儲單元102、紅外通訊單元103、電力線載波 控制單元104、電力線耦合接口 105和電源模塊106。MCU 101是整個系統(tǒng)的核心，執(zhí)行對各項指令的操作和對外部單元數據的 存取。電力線載波通訊模塊104是載波通訊的核心部件，通過它在低壓電網上 和其它相關產品實現(xiàn)通訊，把數字信號通過調制器轉換為模擬信號，經過過放 大、整形，通過電力線耦合接口 105直接耦合在交流220V低壓電網上，解調 電路是把在電網上傳送的信號解調還原成數字信號， 一般采用FSK后或DPLSK 方式。外部存儲單元102，主要是存放一些重要數據信息和一些運算常量，一 般是電表的表示數。紅外通訊接口 103，主要是通過紅外口可以對集中器內的 數據刷新修改，為本地維護提供保障。電源模塊106提供整個系統(tǒng)的動力，一 般采用線性電源較為穩(wěn)定工作。目前的集中器結構簡單維護使用方便，電力線通訊組網迅速可靠，但也存 在一個不足。由于從用戶角度分析，通訊產品要適應一切可能的惡劣工作環(huán)境， 通訊系統(tǒng)必須保證網絡通訊正常，通常采用放大載波發(fā)送功率的方式來提高通 訊質量，但這樣諧波成分過高，對電網產生污染；或者釆用提高增益的措施， 但也往往都是不可能完全徹底解決通訊質量問題。引用IEC611334總則中一段 話，要解決配電線通訊信道上信號傳輸衰減大，噪聲電平高，耦合阻抗隨時會 有不可預測的變化的問題，只從物理層信到的通訊能力上下工夫是做不到的。發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于自動抄表的自適應電力載波 集中器，在不提高發(fā)送功率的前提下保證網絡通訊正常。本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種自適應電力載 波集中器，包括微處理器，連接于微處理器的電力載波通訊單元、外部存儲單 元、紅外通訊接口、連接于電力載波通訊單元的電力線耦合接口，以及連接在 電力載波通訊單元與電力耦合接口之間的功放電路，其特點是所述電力載波通 訊單元由專用擴頻載波芯片構成，用于以碼分多址擴頻方式與各抄表終端通 訊；所述功放電路由正弦波放大電路構成，用于對電力載波通訊單元輸出的信 號進行正弦波放大；所述集中器還包括 一糾錯編碼單元，對發(fā)送給電力載波 通訊單元的數據進行前向糾錯編碼，對從電力載波通訊單元接收的數據進行糾 錯解碼； 一巡測單元，通過執(zhí)行巡測步驟，建立與各抄表終端通訊的路由表。所述的自適應電力載波集中器，其中，所述巡測步驟包括按照抄表終端地 址順序對各抄表終端進行召測，發(fā)送報文，將召測成功的抄表終端記錄在路由 表中，將召測次數超過設定值而仍未召測成功的抄表終端記錄在異常表中。所述的自適應電力載波集中器，其中，所述巡測單元執(zhí)行第一次巡測步驟， 建立包括能夠成功召測的抄表終端的一級路由表；在第一次巡測中，如有未能 成功召測的抄表終端，建立一級異常表，并執(zhí)行第二次巡測步驟，通過一級路 由表的節(jié)點中繼轉發(fā)未成功召測的抄表終端，建立二級路由表，依次類推；如 果經過N次巡測后，仍有未能成功召測的抄表終端，則停止巡測，建立N級路由表和N級異常表，其中N=2，3，4...。所述的自適應電力載波集中器，其中，所述路由表和異常表儲存在所述外 部存儲單元中。所述的自適應電力載波集中器，其中，所述巡測單元每隔一設定時間執(zhí)行 所述巡測步驟。所述的自適應電力載波集中器，其中，所述微處理器采用基于ARM核的MCU。 所述的自適應電力載波集中器，其中，所述電力載波通訊單元采用PL3200 或者PL3201專用擴頻載波芯片。
所述的自適應電力載波集中器，其中，所述功放電路包括信號整形電路和 功率輸出電路，所述信號整形電路輸入端與所述電力載波通訊單元輸出端連 接，所述功率輸出電路輸入端與信號整形電路輸出端連接，輸出端連接到所述 電力耦合接口。本發(fā)明自適應電力載波集中器相比現(xiàn)有集中器的優(yōu)點是-1. 電力線載波通訊采用擴頻通訊碼分多址方式，偽隨機數達到63位，可在噪聲淹沒信號的環(huán)境下識別有效信號。2. 采用前向糾錯編碼技術，可以在一幀有效報文受到干擾時仍然能夠還 原，減少通訊次數提高通訊成功率。3. 主控單元硬件采用基于ARM為核心的MCU為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應 提供保障。4. 電力線載波供放電路采用AGC自動增益控制，輸出信號為正弦波，減 少諧波分量對電網的干擾。5. 動態(tài)調整中繼通訊接點，記錄每個路由生成表。
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，其中圖1是己有的電力載波集中器的結構框圖；圖2是本發(fā)明自適應電力載波集中器的結構框圖；圖3是本發(fā)明自適應電力載波集中器的功放電路的電原理圖； 圖4是本發(fā)明自適應電力載波集中器的巡測步驟流程圖； 圖5是本發(fā)明自適應電力載波集中器的中繼網絡拓撲圖； 圖6是本發(fā)明自適應電力載波集中器的發(fā)送報文流程圖；圖7是本發(fā)明自適應電力載波集中器的接收報文流程圖。
具體實施方式
圖2是本發(fā)明自適應電力載波集中器的結構框圖。請參閱圖2，本發(fā)明自 適應電力載波集中器包括微處理器1、電力載波通訊單元2、電力線耦合接口 3、 功放電路4、外部存儲單元5、紅外通訊接口 6、以及電源模塊7和電池電容8。 微處理器1連接電力載波通訊單元2，電力載波通訊單元2連接電力線耦合接 口 3，以接收輸入的調制信號，功放電路4連接在電力載波通訊單元2和電力 線耦合接口3之間，以對輸出的調制信號進行放大。外部存儲單元5和紅外通 訊接口 6連接于微處理器1，外部存儲單元5提供擴展的存儲空間，以存儲微 處理器l建立的路由表等，采用了電池電容8雙保電的方法，可靠保證斷電的 情況下，數據依然存在。紅外通訊接口 6用于對集中器內的數據刷新修改。電力載波通訊單元2采用碼分多址擴頻通訊方式進行通訊，采用PL3200 (或者PL3201)專用擴頻載波芯片，這是一塊帶有51系列核心的芯片，可以 方便通過編程來完成雙向通訊功能，采用QPSK (四相相移鍵控)調制技術，在 帶寬不變的情況下數據傳輸速率是BPSK (二相相移鍵控)的一倍，采用CDMA 碼分多址擴頻方式63位PN碼，其地址數最多可達到41個，將臺區(qū)之間的干 擾減小到最低。電力載波單元2在發(fā)送狀態(tài)時，用于將來自微處理器1的數字 信號進行QPSK調制后輸出，電力載波單元2為接收狀態(tài)時，用于設定本地與 接收到的偽隨機碼序列相位同步的捕獲門限值，PL3200 (或者PL3201)芯片的 硬件將會按每個偽碼周期對本地產生的偽碼與接收到的偽碼進行相關計算，計 算的結果與門限值比較，若小于門限值將進行碼序列相位調整，直到相關計算 結果高于設定的捕獲門限。圖3是本發(fā)明自適應電力載波集中器的功放電路的電原理圖。請結合參閱 圖3所示，功放電路4包括一個信號整形電路41和一個功放輸出電路42，信 號整形電路41是由運放NE5532及電阻電容組成的前置放大電路，其輸入端連 接在擴頻載波芯片PL3200的PSK0UT 口；功放輸出電路42是由一對互補管 BD237、 BD238及其他三極管、二極管和電阻構成的互補推挽功率放大電路，其 輸入端耦接在信號整形電路41的輸出端，其輸出端與電力線耦合接口連接； 在功率輸出電路42中還設有保護電路P6KE，防止電網的浪涌損壞電路。擴頻 載波芯片PL3200接收端采用電感、阻容濾波濾出高頻分量，通過10nf電容耦 合進入擴頻載波芯片。耦合變壓器Trans采用負溫度系數磁性材料，保證輸出 和接口信號的傳遞性能啟到較好的阻抗匹配。在本實施例中，微處理器1較佳地采用較為先進的32位基于ARM核的MCU， 具有高的指令吞吐量、出色的實時中斷響應、高性價比的宏單元，為系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和快速響應提供保障。集中器中包括一糾錯編碼單元11和一個巡測單元 12，耦接于微處理器l，分別承擔通訊中的糾錯編碼、解碼和巡測任務的執(zhí)行， 可以理解，糾錯編碼單元11和巡測單元12均可通過對微處理器1的編程實現(xiàn)。本集中器經過糾錯編碼，利用碼分多址擴頻方式直接與各抄表終端通訊，
在一般情況下，前向糾錯編碼可保證網絡通訊正常。但在電力載波通信線路環(huán) 境很惡劣的情況下，集中器可能無法直接與每個抄表終端通訊，因此本集中器 由巡測單元12采用一系列巡測步驟來建立與各抄表終端的路由表，從而形成 一個連通所有抄表終端的網絡拓撲。圖4是本發(fā)明自適應電力載波集中器的巡測步驟流程圖。請參閱圖4所示，該程序流程包括以下步驟Sl:啟動巡測任務狀態(tài)標志；S2:執(zhí)行定時巡測步驟，按照抄表終端的地址順序逐次召測，召測的過程 是對抄表終端發(fā)送報文(步驟S21)，并檢驗報文是否正確地被接收(步驟S22)， 如果沒有，則一般重復3次(步驟S23)，對于連續(xù)3次未召測成功的，記錄 在一級異常表中(步驟S24)，在所有抄表終端都巡測完后，生成一級路由表 (步驟S25);S3:檢測是否出現(xiàn)異常記錄，如果有，則啟動中繼轉發(fā)(步驟S31)，即 返回巡測步驟S2，通過一級路由表的節(jié)點中繼轉發(fā)未成功召測的抄表終端，原 則上優(yōu)先采用就近節(jié)點中繼轉發(fā)，例如采用地址編號為n-1或n+l的抄表終端 中繼地址編號為n的抄表終端，但其并非唯一可實施的例子；如果沒有異常記 錄，則返回程序主循環(huán)(步驟S32)。微處理器l每隔一定時間執(zhí)行巡測步驟，刷新路由表和異常表，按照巡測 步驟的執(zhí)行次數，生成一級、二級、 、 N級路由表和一級、二級、 、 N級 異常表，其中N為自然數，但N—般不超過3，亦即經過三次巡測后仍然未召 測到的，停止巡測，根據路由表建立如圖5所示的中繼拓樸圖，該拓樸圖包括 由本集中器構成的首接點501、由部分抄表終端構成的一級中繼點502、由部 分抄表終端構成的二級中繼點503、以及由其他抄表終端構成的三級中繼點 504，作為首節(jié)點501的集中器根據各節(jié)點的通信狀況動態(tài)調整它們所處的關 系，因此一級、二級或者三級中繼點以及它們之間的中繼關系是可隨網絡通訊 狀況變化而動態(tài)變化的，動態(tài)變化則是通過巡測步驟實現(xiàn)。巡測過程中獲得的 路由表和異常表，可儲存在外部存儲單元5中。圖6是本發(fā)明自適應電力載波集中器的發(fā)送報文流程圖。請參閱圖6所示， 上述發(fā)送報文的步驟S21進一步包括步驟調用糾錯編碼單元ll，進行糾錯編 碼(步驟S211);請求發(fā)送巡測報文(步驟S212);檢査發(fā)送啟動標志位是 否有效(步驟S213)，如果發(fā)送啟動標志位無效，可能其它任務程序占用(步
驟S214)，在發(fā)送啟動標志位有效的前提下，調用糾錯編碼單元11的糾錯編 碼程序，拼裝報文結構幀，發(fā)送報文(步驟S215)。圖7是本發(fā)明自適應電力載波集中器的接收報文流程圖。請參閱圖7所示， 上述接收報文的步驟S22進一步包括步驟先檢査接受緩沖器標志位(步驟 S221);如果接受緩沖器標志位置位的話，說明其它任務占用(步驟S222)， 如果接受緩沖器標志位為零，可以接收幀報文(步驟S223);然后調用糾錯編 碼單元11的糾錯解碼程序(步驟S224)，檢查原始報文是否完整(步驟S225); 如果正確的話，去執(zhí)行處理報文(步驟S226)，否則，轉入重發(fā)處理(步驟 S227)。其中糾錯編碼包括步驟-a. 糾錯編碼設計設計一個GF(24)上能糾三個差錯的本原RS碼，根據RS 碼參數，這是十六進制碼q=16，碼長n=q-1 = 15 。生成多項式 g (x) = (x+a) (x+a2)... (x+a6) =a4+a9x+a4x3+a14x4+aiQx5+x6 ，設計發(fā)送是全零碼C二(000000000000000 )，接受的碼字為R= ( 00a400000a300a7000 )或rW、 4 12, 73糾錯解碼包括步驟b. 計算伴隨式根據本原多項式P(x卜X4+X+l的根生成的循環(huán)群，將a多項式的4個系數抽出后順序排列，形成一個四重結構。推導出O —10 , 9 , 12S2=a13+l+ai3=l;P — 4 ,12 ,7 10S4=a7+a3+a4=0; Ss^+a^+a^O ;— 10」9j 12 12c.求差錯位置多項式通過迭帶得到o (x)=l+a7x+a4x2+a6x3,v=3,即0。=1， ofcj" a2=o4， o3=o6，其余o!二 0(i〉3);d.求差錯位置數把l，a，aV..，a14帶入d (x)檢驗，發(fā)現(xiàn)a3, a9， a12是。(x)的根。這些根的倒數a3^2,a^a6，a^a3即是差錯位置。因此，差錯出現(xiàn)的x3，X6，x12三個位置上，即e產a3， e,=a6, e3=a12 ;e, 求差錯幅值將00=1， 0產07， o2=o4， a 3= o fi，禾口 P i=a3， P i=a6, e 3=a12以及v=3， {S^S^SsS" 二 {X12 1 X14 X10 0 X12}代入o Ji= o ' + o」(I-l) |3」， 得出差錯幅值ej, =(1 a" + a2 1 +a9 a12)/(l a36 + a2a24 + a9a12 );f. 糾錯C (x) =R (x) -E (x) =R (x) = (iViXn—i+rn-2xn—2+'"riX+r0) - (e」iXji+ej2+…+ejvxjv) = (a4 x!2+a:ix6+a7x3)-(a4x'2+a3x6+a7x3)=0即C= (000000000000000)?？梢?，差錯被糾 正。如果P是擴域GF(2"的非本原，則由g(x)二(x+e)(x+^)…(x+e2t)生成 的q^2"進制碼是非本原糾t差錯的RS碼，該碼的長度就等于0的階數。非本 原RS碼的譯碼方法與本原RS碼的譯碼方法相同。本領域技術人員在閱讀上述 編碼和解碼步驟后，可容易地進行編程。以上的實施例說明僅為本發(fā)明的較佳實施例說明，本領域技術人員可依據 本發(fā)明的上述實施例說明而作出其它種種等效的替換及修改。然而這些依據本 發(fā)明實施例所作的種種等效替換及修改，屬于本發(fā)明的發(fā)明精神及由權利要求 所界定的專利范圍內。
權利要求
1.自適應電力載波集中器，包括微處理器，連接于微處理器的電力載波通訊單元、外部存儲單元、紅外通訊接口、連接于電力載波通訊單元的電力線耦合接口，以及連接在電力載波通訊單元與電力耦合接口之間的功放電路，其特征在于，所述電力載波通訊單元由專用擴頻載波芯片構成，用于以碼分多址擴頻方式與各抄表終端通訊；所述功放電路由正弦波放大電路構成，用于對電力載波通訊單元輸出的信號進行正弦波放大；所述集中器還包括一糾錯編碼單元，對發(fā)送給電力載波通訊單元的數據進行前向糾錯編碼，對從電力載波通訊單元接收的數據進行糾錯解碼；一巡測單元，通過執(zhí)行巡測步驟，建立與各抄表終端通訊的路由表。
2. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于，所述巡測 步驟包括按照抄表終端地址順序對各抄表終端進行召測，發(fā)送報文，將召測成 功的抄表終端記錄在路由表中，將召測次數超過設定值而仍未召測成功的抄表 終端記錄在異常表中。
3. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于， 所述巡測單元執(zhí)行第一次巡測步驟，建立包括能夠成功召測的抄表終端的一級路由表；在第一次巡測中，如有未能成功召測的抄表終端，建立一級異常表，并執(zhí) 行第二次巡測步驟，通過一級路由表的節(jié)點中繼轉發(fā)未成功召測的抄表終端， 建立二級路由表，依次類推；如果經過N次巡測后，仍有未能成功召測的抄表終端，則停止巡測，建立 N級路由表和N級異常表，N=2, 3,4...。
4. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于，所述路由 表和異常表儲存在所述外部存儲單元中。
5. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于，所述巡測 單元每隔一設定時間執(zhí)行所述巡測步驟。
6. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于，所述微處 理器采用基于ARM核的MCU。
7. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于，所述電力載波通訊單元采用PL3200或者PL3201專用擴頻載波芯片。
8. 如權利要求1所述的自適應電力載波集中器，其特征在于，所述功放 電路包括信號整形電路和功率輸出電路，所述信號整形電路輸入端與所述電力 載波通訊單元輸出端連接，所述功率輸出電路輸入端與信號整形電路輸出端連 接，輸出端連接到所述電力耦合接口。
全文摘要
本發(fā)明公開一種自適應電力載波集中器，包括微處理器，連接于微處理器的電力載波通訊單元、外部存儲單元、紅外通訊接口、連接于電力載波通訊單元的電力線耦合接口，以及連接在電力載波通訊單元與電力耦合接口之間的功放電路，其特點是電力載波通訊單元由專用擴頻載波芯片構成，用于以碼分多址擴頻方式與各抄表終端通訊；功放電路由正弦波放大電路構成，用于對電力載波通訊單元輸出的信號進行正弦波放大；集中器還包括一糾錯編碼單元，對發(fā)送給電力載波通訊單元的數據進行前向糾錯編碼，對從電力載波通訊單元接收的數據進行糾錯解碼；一巡測單元，通過執(zhí)行巡測步驟，建立與各抄表終端通訊的路由表。本發(fā)明可在不提高發(fā)送功率的條件下提高通訊的穩(wěn)定性，有利于減少對電力線的諧波污染。
文檔編號H04L1/02GK101136723SQ20061003061
公開日2008年3月5日 申請日期2006年8月31日 優(yōu)先權日2006年8月31日
發(fā)明者剛 姚, 尹勁豪, 浩 彭, 楊和洲, 章浩然 申請人:上海協(xié)同科技股份有限公司