CN101826893B - 一种利用电力线进行载波通讯的智能电表及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种利用电力线进行载波通讯的智能电表及其工作方法。涉及电力线载波通信技术。它包括主控芯片、计量芯片、载波通信芯片和载波发送接收电路，载波发送接收电路由发送电路和接收电路组成；接收电路包括过零点检测、取样放大电路、MCU、自适应滤波电路和鉴频器。步骤：1)、电路待机；2.1)、工作模式一；2.2)、工作模式二；2.2.1)、主控信号有无的判断，电路调整；2.2.2)、信号接收；2.2.3)、通信。本发明针对电力线上干扰信号多的特点而专门设计，分为发送、接收电路，接收电路中也有相互关联的两块，过零点检测、取样放大电路首先“捕捉”有无信号，有的话，MCU进行计算，然后根据结果由针对性地控制滤波电路“开门”，放入控制信号，使信号更加纯净。

Description

一种利用电力线进行载波通讯的智能电表及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种利用电力线载波通信技术来进行用户端和主站之间数据交换的智能电表的电路及其工作方法。

背景技术

低压载波信道具有实施简单、覆盖面广、维护容易、线路零成本以及电源与通信介质统一等特点，充分提高了电力线路与频率的资源利用率等优点，使得低压电力线载波通信技术获得了广泛的关注，利用低压电力线通信是智能电网信息交换的理想途径。然而，电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。具体地说有以下几个方面：

一是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域内传送；

二是不同信号耦合方式对电力线载波信号损失不同，耦合方式有线-地耦合和线-中耦合，线-地耦合和线-中耦合相比，电力线载波信号损失要少10dB以上。

三是低压载波信道存在信号衰减大的特点。当电力线上负荷很重时，电力线上阻抗可达几十欧姆，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，载波信号可以传输到几公里以上。但当电力线上负荷很重时，载波信号只能传输几十米。所以只有进一步提高载波信号的功率才能满足数据传输的要求，但提高载波信号功率会增加产品成本和体积，而且单一提高载波信号功率往往不是最有效的方法。

四是电力线上存在高噪声、线路阻抗变化大(时变性)、噪声源繁多且干扰强等诸多不利因素。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的，感性的，容性的，大功率的，小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种干扰，而且幅度都比较大。用耦合电感耦合下来的噪声幅度甚至可能达到信号幅度的10倍左右。

五是电力线引起数据信号变形。电力线是一个分布参数的网络，不同点对数据信号的影响不一样，同时电力线是时刻动态变化的，不同时间对数据信号的影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形的信号，所以必须加以特殊处理。

综上所述，电力线上的高衰减，高噪声，高变形，使电力线成为一个不理想的通讯媒体，是一个通信环境非常恶劣的通信信道，在低压电力线上进行可靠的数据通信，至今仍然是国内外学术界和技术界非常关注的一个课题。但由于现代化通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能，其中数据信号的信噪比决定信号传输的远近。目前也出现了一些改进技术，如扩频通信、跳频、多载波调制等技术措施，以进一步提高电力线载波通信的实时抄收率和可靠性。

现有的电力线载波技术一般只选用一个载波频点，且信号接收和信号发送通过同一个耦合电路实现，电能表的网络ID在出厂时设定，电能表安装完成后由人工在主站将其加入网络，国家电网公司目前正在进行的2级单相远程预付费载波智能电表也属于这一类。但由于耦合电路没有自适应性，因此当负载阻抗发生变化，接收信号的频率、幅度等发生变化时，有用信号可能被大幅度衰减，使通信失败或造成误码。现有技术如图1所示，电容C1和变压器初级电感组成一个高通滤波器，它的作用是阻止50Hz或60Hz的工频信号通过。电容的容抗与信号频率成反比，频率越高容抗越小，电感的感抗与信号频率成正比，频率越高感抗越大。载波信号的频率一般为几百KHz，远远高于工频信号频率，而滤波器参数正是为此而设计，因此，当50Hz或60Hz的工频信号通过时，变压器初级基本没有电压，当载波信号通过时，电容两端基本没有电压。此电路的不足在于几十KHz以上的信号都能通过，从而使各种干扰信号都进入接收通道。同时，若由于接入很大的容性致使载波信号的频率和幅度严重偏离和降低时，载波信号又严重衰减乃至不能通过，从而导致误码率的增大乃至通信失败。R5、L2、C4、L3、C5组成带通滤波器，其中心频率即载波通信频率，带宽比载波通信信号带宽要宽一些。因此，当干扰信号通过时不能很好的进行滤除，造成误码率的提高。当载波信号的频率和幅度严重偏离和降低时，由于其中心频率是按理想的载波信号频率设定的，因此本已严重衰减的信号又再一次进行衰减，造成抄收数据不准确或抄收失败。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种进入的频率范围小，能有效去除干扰信号，且能精确判断识别有用信号的利用电力线进行载波通讯的智能电表。

本发明的智能电表的技术方案是：它包括主控芯片、计量芯片、载波通信芯片和载波发送接收电路，所述载波发送接收电路与电力线的两线相连，用于接收远端指令信息，并向远端回馈数据信息，所述载波发送接收电路由发送电路和接收电路组成；

所述接收电路包括过零点检测电路、取样放大电路、MCU、自适应滤波电路和鉴频器；

所述过零点检测电路与电力线的两线相连，它包括串接电力线L、N其中一根上的至少两个电阻、二极管和光电耦合器，所述二极管与光电耦合器反向并联连接在电力线L、N两线之间，在所述至少两个电阻其中之一的两端设有A、B两输出点；

所述取样放大电路包括用于连接所述A、B两输出点的接口、两串接的放大器、交流耦合电容和信号输出口；所述A输出点连接前一放大器的反相端，B输出点连接前一放大器的同相端，前一放大器输出端连接所述交流耦合电容，所述交流耦合电容再连接后一放大器的反相端，后一放大器同相端接地，后一放大器输出端连接所述MCU；

MCU连接所述载波通信芯片；

所述自适应滤波电路包括依次串接的自适应滤波电路一、变压器和自适应滤波电路二，MCU通过控制线路分别与自适应滤波电路一和自适应滤波电路二相连；所述自适应滤波电路二再通过鉴频器与所述载波通信芯片相连；

所述自适应滤波电路一还与电力线两线相连，包括串并RLC网络，所述串并RLC网络包括R1、L1、L2、串接电容组一、并接电容组一、与控制各电容的模拟开关以及变压器的初级，R1连接电力线两线之一，再串接L1，L1与串接电容组一相连，并接电容组一、L2变压器初级并联连接在串接电容组一与电力线两线另一线之间；所述自适应滤波电路二包括变压器次级、R2、L3、L4、串接电容组二和并接电容组二；所述变压器次级连接R2，所述R2、L3、L4、串接电容组二和并接电容组二的连接方式与自适应滤波电路一中各器件连接方式相同，L4的输出端连接所述鉴频器。

所述模拟开关连接所述MCU，接收MCU的控制。

载波通讯芯片连接有时钟电路。

本发明智能电表的工作方法是：按以下步骤工作：

1)、电路待机；

MCU中记载远端主控信号的编码规律，以及设定的频率、带宽参数，以及根据接收到的主控信号求出该信号频率、带宽的计算程序，以及将前述求出的频率、带宽数据与设定频率、带宽比较，再指令相应模拟开关动作的指令程序；

2.1)、工作模式一；

载波通讯芯片按设定时间指令发送电路工作，发送电路将计量芯片中的计量数据通过电力线向远端发送；

2.2)、工作模式二；

当由于信号杂乱、拥堵，远端未能在规定时间点接收到有效数据时，远端向所述智能电表发送再次报送指令的主控信号；

2.2.1)、主控信号有无的判断，电路调整；

MCU接收到符合所述编码规律的主控信号后，求出信号频率，根据信号频率以及指令程序调整自适应滤波电路的对应模拟开关，使信号能在自适应滤波电路的对应频带通过；

2.2.2)、信号接收；

电力线上的主控信号通过自适应滤波电路、鉴频器进入载波通信芯片；

2.2.3)、通信；

载波通信芯片将接收的主控信号，传输给主控芯片，主控芯片根据主控信号，形成发送数据包，再通过载波通信芯片、发送电路、电力线发送给远端。

本发明当电力线负载阻抗发生较大变化时，尤其是接入大的容性负载时，造成数据信号的中心频率和幅度发生较大偏移和衰减时，耦合电路尽可能不再使信号发生二次较大衰减，同时通过对信号进行处理，使载波通信芯片能较好的进行数据解调，降低误码率和减少通信失败率。即使通信失败，也能提前进行判断。

本发明将载波通信接收通道和发射通道进行分离，即分为接收通道和发射通道两个独立通道。其中发射通道不变，因为发射通道发射的信号此时还没有经过电力线负载，至于经过电力线负载以后在通信另一端发生衰减，由对方按照本发明接收通道的处理方法进行同样的处理。

接收通道利用现有的过零点处理电路，从电阻上进行信号取样，取样信号两端分别接入高速线性运算放大器的同相端和反相端，形成差分放大。当然，该放大器的选取应尽可能地使载波中心频率的一定带宽内的信号不失真的传输到运放输出端。当然此运放的放大倍数比较小，因为载波信号是叠加在50Hz或60Hz的工频信号上的，其幅度小于工频信号幅度。该放大器的输出信号经隔直电容去除低频信号后送入下一级高速线性运算放大器的反相端，该放大器放大倍数较大，因为此时大幅度的低频信号已经去除，放大倍数大以便尽可能地提取幅度较小的高频信号。同时，两级反相放大也使信号相位还原为原来的相位，以便后续信号提取时与原始通信信号进行编码规律的比较。

当收到抄收准备命令(主控信号)时，MCU对取样放大电路中的第二级放大器的输出信号进行采集。由于载波信号上叠加了许多干扰信号，干扰信号的功率和频率也多种多样，因此使发出的规则数据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形的信号。因此直接从接收信号中找出发送准备抄收命令的信号编码规律是困难的，必须加以特殊处理。对采集信号进行傅立叶变换求得信号频谱，通过设定频率上下限阈值和幅度阈值，将肯定是频率阈值以外的信号置零，通过将幅度阈值以下的频谱数据置零，以便去除功率较小的干扰信号。

信号处理器(MCU)对经过以上滤波处理后的信号数据进行傅立叶反变换，以便还原信号。由于此时信号已经进行了以上预处理，因此信号质量将大幅提高。由于发送的准备抄收信号命令的编码规律是预先约定的，容性大的负载尽管会对信号的中心频率和幅度产生严重影响，但信号编码规律不变，因此可通过对处理后的信号进行识别，以便判断有没有收到命令信号。若没有，则说明载波通信失败，发送通信失败信息给载波通信芯片。

若有，则说明通信正常。此时，MCU指令自适应滤波电路“开门”，截取有用数据信号，其余置零，再次进行傅立叶变换，此时求得的信号频率即为经过电力线负荷后的载波信号频率，该频率同时送给载波通信芯片。根据此频率调整初级和次级自适应匹配滤波器的参数，即可使该信号基本不失真地送到载波通信芯片，以进行信号解调，完成抄收任务。自适应匹配滤波器的参数是通过模拟开关的切换，以接入或断开相应的电容，从而调整匹配滤波器的中心频率和带宽，以使载波通信信号无衰减的通过。变压器的作用是将载波通信芯片与强电进行安全隔离。

附图说明

图1是本发明的电路框图

图2是本发明中过零点检测电路的电路图

图3是本发明中取样放大电路的电路图

图4是本发明中自适应滤波电路的电路图

图5是本发明中发送电路的电路图

图6是现有技术中载波发送/接收电路的电路图

具体实施方式

本发明的智能电表如图1-5所示，它包括主控芯片、计量芯片、载波通信芯片和载波发送接收电路，所述载波发送接收电路与电力线的两线相连，用于接收远端指令信息，并向远端回馈数据信息，所述载波发送接收电路由发送电路和接收电路组成；

所述接收电路包括过零点检测电路、取样放大电路、MCU、自适应滤波电路和鉴频器；

所述过零点检测电路与电力线的两线相连，它包括串接电力线L、N其中一根上的至少两个电阻、二极管和光电耦合器，所述二极管与光电耦合器反向并联连接在电力线L、N两线之间，在所述至少两个电阻其中之一的两端设有A、B两输出点；

所述取样放大电路包括用于连接所述A、B两输出点的接口、两串接的放大器、交流耦合电容和信号输出口；所述A输出点连接前一放大器的反相端，B输出点连接前一放大器的同相端，前一放大器输出端连接所述交流耦合电容，所述交流耦合电容再连接后一放大器的反相端，后一放大器同相端接地，后一放大器输出端连接所述MCU；

MCU连接所述载波通信芯片；

所述自适应滤波电路包括依次串接的自适应滤波电路一、变压器和自适应滤波电路二，MCU通过控制线路分别与自适应滤波电路一和自适应滤波电路二相连；所述自适应滤波电路二再通过鉴频器与所述载波通信芯片相连；

所述自适应滤波电路一还与电力线两线相连，包括串并RLC网络，所述串并RLC网络包括R1、L1、L2、串接电容组一、并接电容组一、与控制各电容的模拟开关以及变压器的初级，R1连接电力线两线之一，再串接L1，L1与串接电容组一相连，并接电容组一、L2变压器初级并联连接在串接电容组一与电力线两线另一线之间；所述自适应滤波电路二包括变压器次级、R2、L3、L4、串接电容组二和并接电容组二；所述变压器次级连接R2，所述R2、L3、L4、串接电容组二和并接电容组二的连接方式与自适应滤波电路一中各器件连接方式相同，L4的输出端连接所述鉴频器。

所述模拟开关连接所述MCU，接收MCU的控制。

载波通讯芯片连接有时钟电路。

本发明智能电表的工作方法是：按以下步骤工作：

1)、电路待机；

MCU中记载远端主控信号的编码规律，以及设定的频率、带宽参数，以及根据接收到的主控信号求出该信号频率、带宽的计算程序，以及将前述求出的频率、带宽数据与设定频率、带宽比较，再指令相应模拟开关动作的指令程序；

2.1)、工作模式一；

载波通讯芯片按设定时间指令发送电路工作，发送电路将计量芯片中的计量数据通过电力线向远端发送；

2.2)、工作模式二；

当由于信号杂乱、拥堵，远端未能在规定时间点接收到有效数据时，远端向所述智能电表发送再次报送指令的主控信号；

2.2.1)、主控信号有无的判断，电路调整；

MCU接收到符合所述编码规律的主控信号后，求出信号频率，根据信号频率以及指令程序调整自适应滤波电路的对应模拟开关，使信号能在自适应滤波电路的对应频带通过；

2.2.2)、信号接收；

电力线上的主控信号通过自适应滤波电路、鉴频器进入载波通信芯片；

2.2.3)、通信；

载波通信芯片将接收的主控信号，传输给主控芯片，主控芯片根据主控信号，形成发送数据包，再通过载波通信芯片、发送电路、电力线发送给远端。

正常工作时，接收回路信号处理器处于低功耗等待状态。当载波芯片发出准备通信命令后，同时向信号处理器发送分析命令，信号处理器收到准备命令后，通知信号处理器A/D开始采样，采样一帧数据后，对采集数据进行傅立叶变换，求得信号的频谱。此时的信号包含了有用信号及各干扰信号，信号频谱包含了有用信号及各干扰信号的频谱。此时通过设定频率上下限阈值和幅度阈值，将频率阈值以外的信号置零，以便将有用信号频带以外的信号去除，将幅度阈值以下的频谱数据置零，以便去除功率较小的干扰信号。然后，再对以上处理后的数据进行傅立叶反变换还原数据，此时的信号将会比原始数据要好得多。由于通信命令的编码规律已事先存储于信号处理器的存储单元中，此时将数据与存储单元中数据进行比较，若其中有与命令信号相同规律的数据，则说明信号处理器采集到正确的命令信号，通信正常。若没有，则说明此时通信不正常，信号处理器向载波芯片发送通信失败命令，由载波通信芯片决定是重新采集还是留待以后再采。若有，则说明通信正常，在还原的信号数据中取出有用信号，再次进行傅立叶变换，精确求出信号频率及带宽，并将结果送给载波芯片，供载波芯片在解调时使用。同时，根据计算的信号频率结果，对接收通道的两级带通滤波器进行参数调整，为方便起见，本方案中只对电容进行调节，各组合后对应频率的带通滤波器系数已预先计算好，并存储在信号处理器相应的存储单元中，因此信号处理器根据频率结果直接控制相应的模拟开关的通断，以便将带通滤波器设置到最佳状态，以便有用信号尽可能不失真的送到载波芯片的数据口进行处理，从而减少误判。载波芯片收到正确回报后，进行正常的通信，以完成各项任务。本发明针对电力线上干扰信号多的特点而专门设计，分为发送、接收电路，接收电路中也有相互关联的两块，过零点检测、取样放大电路首先“捕捉”有无信号，有的话，MCU进行计算，然后根据结果由针对性地控制滤波电路“开门”，放入控制信号，使信号更加纯净。

Claims (4)

1.一种利用电力线进行载波通讯的智能电表，它包括主控芯片、计量芯片、载波通信芯片和载波发送接收电路，所述载波发送接收电路与电力线的两线相连，用于接收远端指令信息，并向远端回馈数据信息，其特征在于，所述载波发送接收电路由发送电路和接收电路组成；

所述接收电路包括过零点检测电路、取样放大电路、MCU、自适应滤波电路和鉴频器；

所述过零点检测电路与电力线的两线相连，它包括串接电力线L、N其中一根上的二极管、光电耦合器和至少两个电阻，所述二极管与光电耦合器反向并联连接在电力线L、N两线之间，在所述至少两个电阻其中之一的两端设有A、B两输出点；

所述取样放大电路包括用于连接所述A、B两输出点的接口、两串接的放大器、交流耦合电容和信号输出口；所述A输出点连接前一放大器的反相端，B输出点连接前一放大器的同相端，前一放大器输出端连接所述交流耦合电容，所述交流耦合电容再连接后一放大器的反相端，后一放大器同相端接地，后一放大器输出端连接所述MCU；

MCU连接所述载波通信芯片；

所述自适应滤波电路包括依次串接的自适应滤波电路一、变压器和自适应滤波电路二，MCU通过控制线路分别与自适应滤波电路一和自适应滤波电路二相连；所述自适应滤波电路二再通过鉴频器与所述载波通信芯片相连；

所述自适应滤波电路一还与电力线两线相连，包括串并RLC网络，所述串并RLC网络包括R1、L1、L2、串接电容组一、并接电容组一、与控制各电容的模拟开关以及变压器的初级，R1连接电力线两线之一，再串接L1，L1与串接电容组一相连，并接电容组一、L2变压器初级并联连接在串接电容组一与电力线两线另一线之间；所述自适应滤波电路二包括变压器次级、R2、L3、L4、串接电容组二和并接电容组二；所述变压器次级连接R2，所述R2、L3、L4、串接电容组二和并接电容组二的连接方式与自适应滤波电路一中各器件连接方式相同，L4的输出端连接所述鉴频器。

2.根据权利要求1所述的一种利用电力线进行载波通讯的智能电表，其特征在于，所述模拟开关连接所述MCU，接收MCU的控制。

3.根据权利要求1所述的一种利用电力线进行载波通讯的智能电表，其特征在于，载波通讯芯片连接有时钟电路。

4.一种利用电力线进行载波通讯的智能电表的工作方法，其特征在于，按以下步骤工作：

1)、电路待机；

MCU中记载远端主控信号的编码规律，以及设定的频率、带宽参数，以及根据接收到的主控信号求出该信号频率、带宽的计算程序，以及将前述求出的频率、带宽数据与设定频率、带宽比较，再指令相应模拟开关动作的指令程序；

2.1)、工作模式一；

载波通讯芯片按设定时间指令发送电路工作，发送电路将计量芯片中的计量数据通过电力线向远端发送；

2.2)、工作模式二；

当由于信号杂乱、拥堵，远端未能在规定时间点接收到有效数据时，远端向所述智能电表发送再次报送指令的主控信号；

2.2.1)、主控信号有无的判断，电路调整；

MCU接收到符合所述编码规律的主控信号后，求出信号频率，根据信号频率以及指令程序调整自适应滤波电路的对应模拟开关，使信号能在自适应滤波电路的对应频带通过；

2.2.2)、信号接收；

电力线上的主控信号通过自适应滤波电路、鉴频器进入载波通信芯片；

2.2.3)、通信；

载波通信芯片将接收的主控信号，传输给主控芯片，主控芯片根据主控信号，形成发送数据包，再通过载波通信芯片、发送电路、电力线发送给远端。

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