摘 要： 設計了基于電力載波的遠程抄表電能表，計量準確度高，實現了數據遠程傳遞、防竊電功能報警、斷電數據保存及液晶顯示計量信息等功能。整個系統設計集成度高，硬件電路穩定可靠，系統控制軟件實時可靠，使得采用PL3201 SOC芯片架構的電能表的功耗更低，計量準確度較傳統的電子式電表更高，遠程抄表功能便于集成化管理各用戶電能數據，能做到實時監測電能信息，防止竊電事故和電網異常事故的發生。
關鍵詞： 電力載波；電能計量；液晶顯示；直序擴頻通信
城市化規模的不斷加大，住宅小區的住戶密集度不斷增多，電能表的安裝位置變得偏僻，給小區的物管抄收電能數據帶來壓力，為避免電工上門抄表及保證電能表數據穩定可靠，采用電力載波電能表，可以通過數據接收器、數據集中器和計算機電能管理系統軟件，對小區住戶電能表數據實現快捷方便的操作管理[1]。
1 系統構成與工作原理
電能表技術由傳統的機械轉盤式電表逐漸向電子脈沖采樣計數的電子式電能表轉變。電能表計數向低功耗、高精度、實現復費率方向發展[2]。本設計采用復費率、高精度的電能計量芯片PL3201。PL3201芯片內集成的載波通信單元采用QPSK（四相相移鍵控）調制方式，可變偽隨機碼速率（帶寬）的多地址通信技術。
2 電能表硬件電路組成
電能表包括電源電路、數據存儲電路、電力載波電路和液晶顯示電路，主要完成電能表的計量和顯示，同時具有精度校正功能。
2.1 PL3201電力載波通信
PL3201芯片內集成的載波通信單元采用QPSK（四相相移鍵控）調制方式，可變偽隨機碼速率（帶寬）的多地址通信技術。其載波中心頻率為120 kHz，偽隨機碼速率可達到15 kHz和30 kHz，由于采用了QPSK調制技術，在帶寬不變的情況下，數據傳輸速率是BPSK調制方式的一倍，根據偽隨機碼速率的不同，數據速率可達到1 kb/s和500 b/s。同時采用63位Gold/Kasami序列，實現了碼分多址，其地址數目最多可達41個，其中33個Gold序列，8個kasami序列，將使臺區之間的干擾減小到最小；同時PL3201向下兼容BPSK二相相移鍵控，及其15/31位偽隨機碼模式。此外PL3201的載波調制輸出信號可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式，在PL3201采用了先進糾錯數據傳輸更為穩定可靠[4]。
2.2 電源電路
此電源電路中采用了SOC芯片，涉及到模擬地(GND)、數字地(DGND)、模擬電源(VCC)、數字電源(VDD)及12 V模擬正電源。在電源部分的設計就要綜合考慮兼顧整體，從電源上保證系統的穩定工作。
2.3 電能計量電路
計量電路可以由軟件來控制選取兩路電流采樣信號中的某一路。在計量模塊內部與電壓采樣結果進行乘法處理，計算得到有功功率、無功功率。上電復位時默認為第1路ADC采樣作為電流通道的輸入。
2.4 PL3201儲存器
PL3205內置的嵌入式準16 bit微處理器儲存器配置方式與8051基本相同，在物理結構上分成3個儲存空間：片內程序儲存器、1 KB片內數據儲存器及256 B片內數據儲存器和特殊功能寄存器。
2.5 PL3201芯片
主控制器是電能表的關鍵處理器，是指揮電能表正常運轉的神經中樞。
本設計采用北京福星曉程電子公司的PL3201，此芯片有著穩定和優異的抗干擾特性。芯片采用增強型51處理器內核，內部集成了電力載波調制解調模塊、3組高速高精度16 bit AD轉換器，集成RTC實時時鐘控制單元。
2.6 PL3201電力載波寄存器
載波通信單元中斷使能位有效時，CPU的外部中斷2將會被自動配置到載波通信中，用于數據字節發送或接收完畢的中斷請求。
2.7 電力載波硬件電路
電力載波硬件電路如圖1所示。電路原理介紹：PSK_OUT是電力載波的輸出QPSK（四相相移鍵控）調制信號，三極管Q7、Q8是載波功率放大的初級功放，Q8放大正弦波的正半周，Q7放大正弦波的負半周，D11、D12對PSK信號進行限幅和對三極管提供穩壓[4]。
Q5、Q6對PSK信號進行后級功率放大，C14進行信號的耦合和隔直，L03對輸出信號進行整形，并濾掉電網的外來尖峰脈沖。最終在T03處耦合到電力線上。T03同時承擔從電力線上耦合接收外來載波信號，D06是雙向二極管防止外來雷電的損害。R13、C12、C11、L02構成一帶通濾波器，中心頻率點在120 kHz。
2.8 液晶顯示
在整個電能表系統設計中，為了給用戶提供直觀的顯示輸出和可視抄表，一般都有計費計量的顯示輸出。傳統的機械式電能表通常采用計數字輪來累加計數，本設計選用了129B的液晶顯示模塊，液晶顯示內容豐富(包括基本的數字顯示和關鍵漢字顯示)，功耗低，可利用PL3201的內置24X4段碼驅動電路，無需外加顯示驅動電路；刷新速度快，利用內部顯示控制寄存器即可完成循環動態顯示，無需增加CPU的額外處理開銷。
2.9 系統掉電模塊
掉電檢測電路主要檢測微處理器的工作電壓是否處于正常范圍內,一旦出現異常便輸出信號,提醒微處理器進行數據保護處理。
3 系統軟件設計
采用符合國家電力行業標準的數據通信協議標準，在數據的加解密，數據的編碼糾錯方面有自己的獨立設計，保證數據傳遞的穩定可靠。系統軟件設計合理，系統掉電能及時檢測，電能數據能保證可靠保存。有一個用戶按鍵接口，用按鍵可切換顯示數據的內容，包括電能電量信息、實時電壓電流數據和系統時鐘數據。配套使用電力載波接收器，通過串口讀取電能表內部數據，并進行數據調校。
3.1 電能計量程序塊
如圖2所示，寄存器初始化后，定義電壓雙字節的特殊寄存器、電能計量存儲器和轉換結果的全局變量，然后取消寄存器保護，讀取電能寄存器的數值和轉換電壓電流寄存器的數值。
3.2 液晶顯示模塊程序塊
用F129B的液晶顯示段碼，根據EXT_ADR的地址從低到高進行排列，組合成一個12行8列的二維數組，調用時可以對EXT_ADR進行遞增或遞減，再對用后面的注釋選擇要顯示的字符編碼。
4 系統調試載波通信模塊測試
測試時最大可能地模擬實際環境，整個測試系統如圖3所示。
外接純阻性負載，且負載功耗保持穩定。實測數據為通過串口讀取的轉換結果，如表1所示。
由于現在居民小區每家每戶都鋪設有220 V的電力線路，這為實現基于電力載波的自動抄表系統提供了很好的條件。電能表作為最底層的單元,通過電力線與數據集中器相互傳輸數據，完成各種通信，實現自動抄表。
參考文獻
[1] 樊建學，盛新富.低壓電力線載波集中抄表系統的研究[J]. 繼電器，2005，33(17)：49-52.
[2] 魏永靜，徐建政，張民.電力線擴頻載波技術在抄表中的應用[J].自動化與儀器儀表，2005(6)：50-52.
[3] 趙鋼，周啟龍.基于低壓電力線載波遠程抄表系統的研究與設計[J].東北電力技術，2005，26(11)：21-23.
[4] 王有緒，許杰，李拉成.PIC系列單片機接口技術及應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.