教育資料（2021-2022年收藏的）智能抄表硬件設(shè)計(jì)方案DOC

1、智能電網(wǎng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告智能抄表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案1智能抄表技術(shù)概述隨著自動(dòng)化程度的提高和電能需求的不斷增長(zhǎng)，電費(fèi)查詢(xún)支出在生產(chǎn)成本中占的比例逐漸加大。供電單位對(duì)于電能精細(xì)化的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的人力抄表和電話(huà)抄表工作量大，效率低，人為誤差嚴(yán)重，漏抄，估抄，冒抄現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此必須按照切實(shí)可行的方法解決這些問(wèn)題。而快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、實(shí)時(shí)的獲取用電的各類(lèi)數(shù)據(jù)，是做好費(fèi)用自動(dòng)結(jié)算，用量分析，計(jì)量表運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)、負(fù)荷處理等應(yīng)用管理工作的基礎(chǔ)。為此采用計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信和嵌入式等技術(shù)設(shè)計(jì)了分布式電能表遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)，提出了三級(jí)管理手段，將用戶(hù)的用電信息準(zhǔn)確和及時(shí)地回傳到數(shù)據(jù)中心，便于電力企業(yè)計(jì)量、統(tǒng)計(jì)和

2、收費(fèi)等日益繁重的工作，大大提高了管理層次和自動(dòng)化水平。智能抄表系統(tǒng)是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過(guò)智能抄表系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司同電力系統(tǒng)用戶(hù)之間的有效可靠互動(dòng)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主站層、接入層、上行通信層以及終端層的有效協(xié)調(diào)與控制。主站層主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集與管理。上行通信層則主要是用來(lái)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)的相互有效的鏈接的。智能抄表系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)于完善智能電網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)電力資源的合理配置具有重要意義。歐美在智能抄表系統(tǒng)的研究處于領(lǐng)先水平，以美國(guó)為例，美國(guó)的智能電網(wǎng)建設(shè)注重用戶(hù)端，主要針對(duì)用戶(hù)的具體用電要求及變化來(lái)實(shí)施智能化管理，其實(shí)現(xiàn)方式包括智能電表、智能化抄表與以家庭為單位的規(guī)劃用電管理， 主要建設(shè)了基于

3、無(wú)線(xiàn)方式的智能抄表及通訊網(wǎng)絡(luò)。ADI公司直接參與部分州的智能電網(wǎng)的建設(shè)，在智能電表及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上取得了不俗的成績(jī)。智能抄表系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：集中器、采集器和通信系統(tǒng)。1)數(shù)據(jù)采集根據(jù)不同業(yè)務(wù)對(duì)采集數(shù)據(jù)的要求,編制自動(dòng)采集任務(wù),包括任務(wù)名稱(chēng)、任務(wù)類(lèi)型、采集群組、采集數(shù)據(jù)項(xiàng)、任務(wù)執(zhí)行起止時(shí)間、采集周期、執(zhí)行優(yōu)先級(jí)、正常補(bǔ)采次數(shù)等信息,并管理各種采集任務(wù)的執(zhí)行,檢查任務(wù)執(zhí)行情況。2)數(shù)據(jù)管理采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理技術(shù),對(duì)采集的各類(lèi)原始數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)和管理,為“SG186” 一體化平臺(tái)提供數(shù)據(jù)的匯總、存儲(chǔ)、共享和分析利用。按照訪(fǎng)問(wèn)者受信度、數(shù)據(jù)頻度、數(shù)據(jù)交換量的不同,對(duì)外提供統(tǒng)一

4、的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)接口,為其它系統(tǒng) 放有權(quán)限的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。數(shù)據(jù)管理功能提供系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用級(jí)完備的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機(jī)制。3)控制功能用屯信息采集系統(tǒng)通過(guò)對(duì)終端設(shè)置負(fù)荷定值、電量定值、電費(fèi)定值以及控制相關(guān)參數(shù)的配置和下達(dá)控制命令,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率定值控制、電量定值控制和電費(fèi)定值控制功能,系統(tǒng)亦可直接向終端下達(dá)遠(yuǎn)程直接開(kāi)關(guān)控制命令,實(shí)現(xiàn)遙控功能。系統(tǒng)具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制和點(diǎn)對(duì)面控制兩種基本方式。2智能抄表集中器硬件設(shè)計(jì)方案 集中器在整個(gè)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)抄表中起著承上啟下的作用。是整個(gè)通信系統(tǒng)的橋梁。決定著系統(tǒng)的整體性能。集中器以單片機(jī)MCU控制單元為核心。主要由電源供給電路、藍(lán)牙通信電路、有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信電路、鍵盤(pán)顯

5、示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、RS232計(jì)算機(jī)接口電路和能源控制電路等部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示：圖2-1集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)采用ATMEL公司的ATmega162，它有16K FLASH,1K RAM，35個(gè)I/O 口，2個(gè)UART,1個(gè)SPI和3個(gè)外部中斷源，可以很好的滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。1）藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì) 這里采用nRF903芯片，該芯片提供了由9個(gè)I/O組成的接口與微控制器連接，分別負(fù)責(zé)對(duì)nRF903進(jìn)行配置。 工作模式的選擇。管腳TXEN、STBY和PWR_DWN分別負(fù)責(zé)nRF903接收模式、發(fā)射模式、掉電模式、和標(biāo)準(zhǔn)模式的切換。管腳CS、CFG_CLK和CFG_DATA組成的串行接口

6、實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、通道、輸出功率和輸出時(shí)鐘頻率的配置，它們均SPI接口。故可以與ATmega162的SPI口直接連接。nRF903的發(fā)射和接口共用一個(gè)管腳，不能同時(shí)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行半雙工通信，故需加一個(gè)10K的電阻實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和隔離。在通信時(shí)，當(dāng)C_SENSE輸出電壓為“0”時(shí)，說(shuō)明通信對(duì)方?jīng)]有發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)C_SENSE為“1”時(shí)，說(shuō)明通信對(duì)方可能發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)需要進(jìn)行處理。單片機(jī)可以從CLK_OUT知道nRF903是否工作正常。2）RS232接口電路 由于抄表工作人員會(huì)隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設(shè)置，而手持終端設(shè)備一般是PC機(jī)，故在集中器設(shè)計(jì)RS232接口電路是必要的。本系統(tǒng)

7、中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其接口電路如下圖2-2所示：圖2-2 接口電路圖 ATmega162的MOSI與DIN連接作用發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)，MOSI與DOUT連接作為收數(shù)據(jù)線(xiàn)。MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內(nèi)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)UART到RS232電平的轉(zhuǎn)換。MAX311E的中斷信號(hào)（IRQ）與ATmega162的外部中斷IN1相連，以便當(dāng)PC機(jī)有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時(shí)，直接給MCU一個(gè)中斷信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的程序。3）Modem/NMC35i接口電路 在與上位機(jī)進(jìn)行呼叫連接和數(shù)據(jù)交換時(shí)，首選的方式是PSIN電話(huà)網(wǎng)，其次是GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)。一般嵌入式工

8、業(yè)Modem采用串行RS-232接口與MCU連接，內(nèi)含2路接受、4路發(fā)送而MC35i也是通過(guò)RS-232接口與自已得無(wú)線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)相連，內(nèi)含3路接收、5路發(fā)送。故可以選用一個(gè)接口電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與它們連接的問(wèn)題，這里選用MAX3238可以實(shí)現(xiàn)此功能。電路如下圖2-3所示：圖2-3Modem/NMC35i接口電路 電路中RXD、TXD直接連ATmega162的RXD0TXD0，可以獨(dú)立進(jìn)行串行通信而與其他通信鏈路互不干擾。RING連ATmega162的外部中斷INT0，當(dāng)通信模塊有振鈴信號(hào)時(shí)通知MCU執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。3采集器硬件方案設(shè)計(jì)1）電壓通道采集電路位于電源板上的交釆模塊分主要分為三部分:

9、電壓釆集電路、電流釆集電路和電能量釆集電路。三項(xiàng)多功能電能計(jì)量芯片ADE7758的電壓通道輸入釆用單端電壓輸入,標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號(hào)電為土0.5V(相對(duì)于VN端),這里我們采用5個(gè)200K電阻與1個(gè)1K電阻串聯(lián)分壓的形式進(jìn)行釆樣27,在輸入額定電壓為220V的情況下,經(jīng)分壓采樣獲得的采樣電壓約為-220mV220mV，電壓通道模擬量采集電路。圖3-1電壓通道采集電路2）電流通道采集電路ADE7758的電流通道采用全差分電壓輸入,最大的差分輸入信號(hào)為±0.5V。在設(shè)計(jì)電流通道模擬量采集電路時(shí),采用變頻比為300:1的電流互感器以及兩個(gè)阻值為7.5的采樣電阻,在輸入最大電流為300mA的情

10、況下,采樣電壓約為300mV，電流通道模擬量采集電路。圖3-2電流通道采集電路3）電能量采集量為了設(shè)計(jì)方便,這里我們采用三項(xiàng)多功能電能計(jì)量芯片ADE7758作為電能量的計(jì)量芯片。ADE7758是一款高準(zhǔn)確度的三相電能計(jì)量芯片,帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口。ADE7758集成了二階D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)字積分器,基準(zhǔn)電路,溫度傳感器,以及所有進(jìn)行有功,無(wú)功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件。ADE7758適用于計(jì)量各種三相配置條件下的有功,無(wú)功和視在電能,如WYE和DELTA系統(tǒng),包括三線(xiàn)和四線(xiàn)制。4 通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方案一遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的通信系統(tǒng)方案包括集中器與采集器的底層通信方

11、案和管理中心與集中器的上層通信方案。底層數(shù)據(jù)采集一般采用總線(xiàn)型通信方式的方案。這種方式以一條串行總線(xiàn)連接各分散的采集器，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的互連。在這種方式下，信道上節(jié)點(diǎn)較多，傳輸速率不是很高，傳輸距離短。常用的模式有紅外線(xiàn)通信、RS-485總線(xiàn)、儀表總線(xiàn)和低壓電力載波通信等。上層通信系統(tǒng)是以安裝在管理中心的系統(tǒng)工作站為中心點(diǎn)，以發(fā)散的形式分別通過(guò)通信信道與分散于各區(qū)域的集中器連接，形成1對(duì)N的連接形式。在這種方式下，信道的通信數(shù)據(jù)量大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。根據(jù)信道介質(zhì)不同可分為電話(huà)線(xiàn)、光纖、無(wú)線(xiàn)和城域網(wǎng)等多種模式。本設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)框圖如下所示，在集中器和管理中心之間的通信上采用了蜂窩移動(dòng)無(wú)線(xiàn)

12、網(wǎng)(GSM/GPRS)，在集中器與采集器之間的通信上采用了低壓電力載波通信。圖4-1 通信系統(tǒng)框圖管理中心與集中器之間是通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，需要在數(shù)據(jù)采集模塊和管理中心中加裝GSM模塊。由于這種模塊(其實(shí)是無(wú)鍵盤(pán)、無(wú)顯示屏的手機(jī))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，所以利用它的RS-232標(biāo)準(zhǔn)的接口很容易和單片機(jī)連接在一起，構(gòu)造出AT賀氏指令，來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊。在通信形式上是主從方式，每次通信都由管理中心發(fā)起，集中器在接到通信命令后，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答處理。集中器與采集器之間是利用低壓電力線(xiàn)進(jìn)行通信。由于電力網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)共享媒體，因此一個(gè)集中器和它所負(fù)責(zé)的所有采集器組成了一個(gè)相當(dāng)于以太網(wǎng)形式的網(wǎng)絡(luò)

13、。集中器和所有的采集器相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只對(duì)目的地址和本節(jié)點(diǎn)地址相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。在通信形式上也是主從方式，每次通信都由集中器發(fā)起，采集器在接到通信命令后，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答處理。4.1 電力載波模塊設(shè)計(jì)電力載波模塊基于SSC P300進(jìn)行設(shè)計(jì)。Intellon公司的SSC P300符合EIA-600 CEBus通信協(xié)議，其擴(kuò)頻信號(hào)覆蓋了從100KHz400KHz所有帶寬，若某些頻率的信號(hào)因受到干擾而無(wú)法到達(dá)接收機(jī)，剩下部分的信號(hào)仍能成功到達(dá)，采取適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)編碼可恢復(fù)正確的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)總體方案如下圖所示。圖4-2 電力載波模塊總體方案設(shè)計(jì)由單片機(jī) AT89

14、c51 單元 MCU 和芯片Intellon P300組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口控制中心，負(fù)責(zé)處理來(lái)自經(jīng)過(guò)輸入濾波電路處理的電力載波信號(hào)，通過(guò)輸出電路向電力線(xiàn)發(fā)送載波數(shù)據(jù)。并控制命令線(xiàn) CON 和串行通信線(xiàn) TXD、RXD 與上級(jí)應(yīng)用單元進(jìn)行通信。MCU 作為控制核心，完成分組的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號(hào)的轉(zhuǎn)換、接收符號(hào)到字節(jié)的轉(zhuǎn)換以及循環(huán)校驗(yàn)碼的產(chǎn)生和校驗(yàn)等。即將要發(fā)送的數(shù)據(jù)先由MCU轉(zhuǎn)換成符合EIA-600CEBus的符號(hào)，組成分組傳送到P300，由其進(jìn)一步處理后發(fā)送出去。而由P300處理后得到的分組傳送到MCU，由其轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)，并判別是何指令，從而指示用戶(hù)用表完成相應(yīng)的操作，如接通、斷開(kāi)等。

15、P300 與主處理器的接口是通過(guò)一個(gè)5線(xiàn)的串行外圍接口(SPI)及復(fù)位信號(hào)RST 來(lái)完成的，SPI的數(shù)據(jù)輸入(SDI)和數(shù)據(jù)輸出(SDO)線(xiàn)允許數(shù)據(jù)由P300傳出或傳至P300時(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)。P300還提供了SPI數(shù)據(jù)時(shí)鐘(SCLK)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提供時(shí)序信號(hào)。而P300的服務(wù)請(qǐng)求是由低電平有效的中斷信號(hào)(INT)來(lái)完成的。P300低電平有效的片選信號(hào)（CS）可將SPI 接口置為有效或是無(wú)效。 要發(fā)送的分組首先傳到P300的數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)的微處理器，它再將之傳送給其數(shù)字信號(hào)處理模塊。數(shù)字信號(hào)處理模塊使用一個(gè)300點(diǎn)的片內(nèi)ROM查詢(xún)表來(lái)產(chǎn)生擴(kuò)頻載波(SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài)，此表可驅(qū)動(dòng)片

16、內(nèi)8位DAC產(chǎn)生線(xiàn)性?huà)哳l的模擬波形。當(dāng)三態(tài)信號(hào)TS被置高時(shí)，此波形經(jīng)緩沖后從SO管腳輸出。以上即為調(diào)制過(guò)程，解調(diào)過(guò)程是相反的過(guò)程，模擬通信信號(hào)首先從其SI管腳進(jìn)入P300，然后由緩沖放大器放大，放大后的信號(hào)通過(guò)一個(gè)一位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D），轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理（DSP），對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理使用一個(gè)匹配相關(guān)濾波器以檢測(cè)擴(kuò)頻載波波形。然后載波監(jiān)測(cè)信息和媒介狀態(tài)信息從DSP部分傳輸?shù)紻LL的微處理器，以便于將分組解碼，協(xié)議功能和最終的分組傳輸?shù)街魈幚砥鳌?P300與電力線(xiàn)的接口由輸出濾波、放大電路和輸入濾波、放大電路及電力線(xiàn)耦合電路構(gòu)成。模擬信號(hào)是通過(guò)信號(hào)入（S

17、I）和信號(hào)出（SO）管腳在P300與交流電力線(xiàn)之間進(jìn)行傳輸?shù)摹?在發(fā)送模式下，擴(kuò)頻載波“chirps”從P300的SO管腳傳輸?shù)捷敵鰹V波器，然后輸入到輸出放大器，此放大器由P300的三態(tài)信號(hào)(TS)來(lái)決定其是否工作。一旦信號(hào)被放大，則輸出信號(hào)通過(guò)媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇橹腥?。在接收模式下，模擬通訊信號(hào)通過(guò)外部媒介耦合電路傳輸?shù)捷斎霝V波器，此帶通濾波器可通過(guò)頻率為100KHz到400KHz的信號(hào)，經(jīng)放大后傳輸?shù)絇300的SI管腳。4.1.1電力線(xiàn)耦合電路此電路主要是將信號(hào)由電力線(xiàn)接進(jìn)來(lái)。由于電力輸送工作在50Hz，相對(duì)于載波頻率來(lái)說(shuō)是低頻率，故先將在信號(hào)進(jìn)來(lái)之前進(jìn)行高通濾波處理，然后通過(guò)12:12

18、的線(xiàn)圈將信號(hào)耦合進(jìn)來(lái)。為防止瞬間過(guò)載對(duì)設(shè)備造成損害，在線(xiàn)圈的電力線(xiàn)一側(cè)增加防高壓元件，而在設(shè)備一側(cè)增加穩(wěn)壓電路。圖4-3電力線(xiàn)耦合電路變壓器T1為100KHz400KHz的擴(kuò)頻載波信號(hào)提供了一個(gè)線(xiàn)性的傳輸功能；電容C1限制了變壓器電流以免變壓器鐵心的飽和；電阻R1在設(shè)備與電力線(xiàn)斷接以后可對(duì)C1進(jìn)行放電，因而減輕了C1中存儲(chǔ)的高壓而帶來(lái)的對(duì)設(shè)備的損壞和破壞；穩(wěn)壓二級(jí)管W1和W2可用來(lái)鉗制加在SSC P300模擬支持電路上的電壓；而金屬氧化壓敏電阻M1則可以在電力線(xiàn)瞬間高壓下提供保護(hù)。4.1.2輸入濾波電路 輸入濾波電路是一前置帶通濾波器，主要是把載波信號(hào)從耦合電路進(jìn)來(lái)的較寬的信號(hào)中，按特定的帶寬

19、范圍提取出來(lái)，送往后級(jí)電路處理。圖4-4輸入濾波電路4.1.3輸入緩存和瞬間高壓保護(hù)電路 經(jīng)過(guò)濾波后的輸入信號(hào)要經(jīng)由下圖中Q1、R4R7組成的晶體管放大器進(jìn)行緩存。此放大器的信號(hào)增益為20dB，之所以定位這個(gè)值是因?yàn)樗梢蕴峁┓宸逯禐?mV的靈敏電壓。而其它的增益值盡管可以提高接收的靈敏度，但同時(shí)降低了抗噪聲干擾的能力。圖中R3，R4兩個(gè)電阻為放大器設(shè)置了直流工作點(diǎn)，將SSC P300的SI管腳輸入的直流電壓設(shè)置為電源電壓的一半。二極管D3用來(lái)做溫度補(bǔ)償以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。而二極管D1、D2將加在SSC P300 SI管腳的信號(hào)鉗制在電源提供的電壓范圍內(nèi)，這也為SSC P300提供了額外

20、的瞬間高壓保護(hù)。圖4-5輸入緩存和瞬間高壓保護(hù)電路4.1.4 輸出電路 這部分電路主要是把要發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行功率放大，并在三態(tài)開(kāi)關(guān)打開(kāi)期間，通過(guò)高壓耦合電路耦合到電力線(xiàn)上。在發(fā)送模式下，P300 內(nèi)部產(chǎn)生的“chirps”波形的信號(hào)輸出到 SO 管腳，在進(jìn)行功率放大之前先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波。圖4-6輸出電路4.1.5 SSC P111 功率放大電路成功發(fā)送的距離取決于功率放大器的驅(qū)動(dòng)能力、電力線(xiàn)特性和接收機(jī)的靈敏度。由于電力線(xiàn)特性無(wú)法控制，而要提高接收機(jī)的靈敏度代價(jià)又很高，因此通常都是靠提高發(fā)送功率來(lái)完成的。故我們采用了Intellon公司的P111專(zhuān)用芯片把要發(fā)送到電力線(xiàn)上的SSC信號(hào)進(jìn)行放大。

21、P111電力線(xiàn)媒介接口芯片為電力線(xiàn)的收發(fā)器提供了輸出功率放大器和輸出三態(tài)開(kāi)關(guān)的功能。其中，輸出功率放大器滿(mǎn)足EIA-600 CEBus標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于輸出到普通阻抗和低阻抗電力線(xiàn)時(shí)所指定的電壓值，而且它還提供了過(guò)溫保護(hù)裝置以提高系統(tǒng)的可靠性。圖 4-7 SSC P111 功率放大電路4.1.6 SSC P300 其它接口電路 （1）時(shí)鐘接口 SSC P300 的晶振輸出管腳(XOUT)和晶振輸入管腳(XIN)將片上振蕩器與外部 12MHz 的晶振相連。另外，還需要一個(gè)1M歐姆的電阻(R17)與晶振并聯(lián)，以及晶振兩端與地之間各一個(gè)30pF的電容。圖4-8時(shí)鐘接口電路（2）電源 整個(gè)電路需要兩個(gè)外部電源

22、。一個(gè)+5V直流電源，其標(biāo)準(zhǔn)電流為30mA，用于SSC P300；另外一個(gè)+10V直流電源VAA，其標(biāo)準(zhǔn)電流為250mA，用于外部放大器。雖然外部放大器的電壓需要直流11V，但是一般使用9V或10V直流電源。SSC P300的數(shù)字(VDDD)和(VDDA)電源必須進(jìn)行隔離，使得信號(hào)從芯片的數(shù)字部分傳輸?shù)侥M部分時(shí)，將噪聲的漏值降到最小。上圖中由R19、C19組成的濾波器可將SSC P300的模擬電源(+5VA)隔離，由 R18、C17組成的濾波器可將SSC P300的數(shù)字電源(+5VD)隔離。而晶體管緩存電路Q(chēng)1為了使SSC P300信號(hào)輸入腳的噪聲耦合降到最小，也由+5V提供電源。4.2 G

23、SM模塊GSM無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)模塊是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GSM無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種終端設(shè)備。GSM模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的AT Command接口提供了一種移動(dòng)臺(tái)(MS)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的通用接口。GSM07.05對(duì)短消息作了詳細(xì)的規(guī)定。在模塊接收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的短消息時(shí)，能夠通過(guò)串口發(fā)送指示信息，同時(shí)數(shù)據(jù)終端設(shè)備也可以向模塊發(fā)送各種命令。在這里選用西門(mén)子的TC35無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)模塊，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖4-9 TC35模塊功能結(jié)構(gòu)框圖從功能上看主要由四部分組成：GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源ASIC(Applicat

24、ion specific integrated circuit)和Flash ROM。GSM基帶處理器是整個(gè)模塊的核心，它由一個(gè)C166CPU和一個(gè)DSP處理器內(nèi)核組成，控制著模塊內(nèi)各種信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過(guò)程。GSM射頻部分是個(gè)單片收發(fā)器，它由一個(gè)外差式接收器、一個(gè)上變頻調(diào)制環(huán)路發(fā)送器、一個(gè)射頻鎖相環(huán)路和一個(gè)全集成中頻合成器這四個(gè)功能塊組成，共同完成對(duì)射頻信號(hào)的接收和發(fā)送等處理。GSM模塊電流變化非常大，空閑時(shí)電流小于3mA，而在通話(huà)期間電流最大可達(dá)2A，這就對(duì)供電電路提出了較高的要求。模塊電源ASIC部分使用線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器把外部輸入的電源電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后供GSM基帶處理器和GSM

25、射頻部分使用，此外它還輸出一個(gè)2.9V/70mA的電源供模塊外的其他電路使用。GSM射頻部分的功率放大器對(duì)電源要求不高，所以可直接使用外部的輸入電壓。Flash ROM用來(lái)存儲(chǔ)一些用戶(hù)配置信息、電話(huà)本和其他信息。TC35接口電路如下圖所示，構(gòu)成了一個(gè)基本的應(yīng)用電路。只需利用數(shù)據(jù)接口的TXD和RXD管腳對(duì)TC35進(jìn)行控制，就可完成短消息方式的數(shù)據(jù)傳輸。圖4-10 TC35接口電路由于TC35模塊輸入輸出信號(hào)的TTL正邏輯電平最高是+2.9V，而不是+5V，這與MCU的CMOS標(biāo)準(zhǔn)電平不兼容，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如下圖所示，采用7417集電極開(kāi)路緩沖器，結(jié)合上拉電阻實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。圖4-11

26、TC35 數(shù)據(jù)輸出電平轉(zhuǎn)換電路 TC35 數(shù)據(jù)輸入電平轉(zhuǎn)換電路TC35默認(rèn)的串行通信方式是8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)校驗(yàn)位，波特率在1.2kbit/s到115kbit/s之間自動(dòng)可調(diào)。值得注意的是TXD和RXD信號(hào)與單片機(jī)的連接為：TXDTXD、RXDRXD，因?yàn)門(mén)C35管腳定義是針對(duì)外部連線(xiàn)，對(duì)于TC35來(lái)說(shuō)TXD是信號(hào)輸入腳，RXD是信號(hào)輸出腳。5通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案二5.3.1 通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù) ZigBee2007 的協(xié)議棧，ZigBee 支持 5 級(jí)的深度，也就是 6 個(gè)層級(jí)，協(xié)調(diào)器為第一級(jí)，下一級(jí)可以是路由器或者終端，再下一級(jí)也可以是路由器或者終端，但是只有協(xié)調(diào)器或者路由器可以有子

27、節(jié)點(diǎn)，終端沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)，路由器還有父節(jié)點(diǎn)。從圖中我們可以看到，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，通過(guò) COM 口和通信模塊進(jìn)行通信，通信模塊位于 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，是 ZigBee 的協(xié)調(diào)器，控制著網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)，包括密鑰等等，它負(fù)責(zé)啟動(dòng)和組建網(wǎng)絡(luò)。通信模塊下面可以有 6 個(gè)具有路由功能的 ZigBee 設(shè)備子設(shè)備，或者說(shuō)是 20 個(gè) ZigBee 設(shè)備（包括 14 個(gè)終端設(shè)備和 6 個(gè)路由設(shè)備）。在第二層級(jí)的每個(gè)路由模塊（測(cè)量節(jié)點(diǎn)）下面也可以連接 6 個(gè)路由設(shè)備（測(cè)量節(jié)點(diǎn)）或者 14個(gè)終端設(shè)備（測(cè)量節(jié)點(diǎn)）。后面的第三層級(jí)、第四層級(jí)、第五層級(jí)、第六層級(jí)的設(shè)備都可以是路由模塊或者終端設(shè)備。這些設(shè)備是否具

28、有測(cè)量功率的功能，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)安裝。這些設(shè)備如果用于測(cè)量用戶(hù)的用電數(shù)據(jù)的同時(shí)，還需要進(jìn)行中繼功能的，我們需要在此用戶(hù)的家中安裝具有路由功能的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，如果安裝在用戶(hù)家中單純用于測(cè)量用電數(shù)據(jù)的，那么我們只需要安裝一個(gè)終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)。由于 ZigBee 工作在 2.4GHz 的頻段，波長(zhǎng)比較短，傳輸距離和穿透能力都比較弱，所以在某些節(jié)點(diǎn)距離比較遠(yuǎn)的時(shí)候需要加入一些只有路由功能的 ZigBee 模塊。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行后是一個(gè)樹(shù)行結(jié)構(gòu)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備會(huì)在運(yùn)行后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，一定的路由算法，在將用電數(shù)據(jù)傳輸回通信模塊的時(shí)候會(huì)自動(dòng)選擇最佳的路徑。也就是在某一時(shí)刻 A 設(shè)備將用戶(hù)的

29、用電數(shù)據(jù)傳回通信模塊，需要經(jīng)過(guò)具有路由功能的 B、C、D 才傳回通信模塊，但是假如網(wǎng)絡(luò)中有些數(shù)據(jù)發(fā)生了改變，A 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳回通信模塊可能只經(jīng)過(guò)了 B、C、F。ZigBee 數(shù)據(jù)交換的時(shí)候通過(guò) ZigBee 信道雙向傳輸。測(cè)量節(jié)點(diǎn)就是由 ZigBee 芯片 CC2530 和 STPM01 功率測(cè)量模塊組成。通信模塊和只具有路由模塊的 ZigBee 設(shè)備主要是 CC2530 芯片。而我們只需要在應(yīng)用端口的設(shè)定時(shí)，對(duì)相應(yīng)的端口賦予不同的定義，則可以實(shí)現(xiàn)通信功能和路由功能的變換。圖 5-1 通信系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)5.3.2通信模塊結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)通信模塊需要和上位機(jī)通信，所以他應(yīng)該包括電平轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)他

30、需要和其他網(wǎng)絡(luò)通信，所以它需要天線(xiàn)模塊，整個(gè)通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖5.2所示。圖 5-2通信模塊結(jié)構(gòu)框圖5.3.3 CC2530通信模塊設(shè)計(jì)5.3.3.1 CC2530簡(jiǎn)介CC2530 是德州儀器公司推出主要用于 Zigbee 應(yīng)用的一款芯片。它不僅成本非常低,而且能建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 包含了的 RF 收發(fā)器、增強(qiáng)型 8051CPU，8KBRAM，可編程閃存和多種其他強(qiáng)大的功能。CC2530 根據(jù)閃存的大小劃分為四種不同的版本：CC2530F256/128/64/32,分別具有 256/128/64/32KB 的閃存。CC2530擁有不同的工作模式，使他也滿(mǎn)足超低功耗系統(tǒng)的要求。

31、工作模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短更確保了低能源消耗。 模塊框圖如圖5.3 所示，模塊大致分為三種類(lèi)型：CPU 和內(nèi)存相關(guān)的模塊；時(shí)鐘、外設(shè)和電源管理相關(guān)的模塊以及無(wú)線(xiàn)電相關(guān)的模塊。CPU 內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051 兼容內(nèi)核。它有三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，一單周期訪(fǎng)問(wèn) SFR、DATA 和主SRAM。它還包括一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè) 18 輸入的擴(kuò)展中斷。中斷控制器提供了 18個(gè)中斷源，分為六個(gè)中斷組，每組與四個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)相關(guān)。當(dāng)設(shè)備從空閑模式回到活動(dòng)模式，也會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷服務(wù)請(qǐng)求。一些中斷還可以從睡眠模式喚醒設(shè)備。內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因?yàn)樗ㄟ^(guò) SFR 總線(xiàn)，把 CPU 和 DMA 控制器和物理存儲(chǔ)器

32、和所有外設(shè)連接在一起。內(nèi)存仲裁器有四個(gè)存取訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，訪(fǎng)問(wèn)每一個(gè)可以映射到三個(gè)物理存儲(chǔ)器之一；8-KB SRAM 映射到 DATA 存儲(chǔ)空間和 XDATA 存儲(chǔ)空間的一部分。8-KB SRAM 是一個(gè)超低功耗的 SRAM，當(dāng)數(shù)字部分掉電時(shí)能否保留自建的內(nèi)容，這對(duì)于超低功耗應(yīng)用時(shí)一個(gè)很要的功能。閃存塊為設(shè)備提供了內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲(chǔ)器，映射到 CODE 和 XDATA 存儲(chǔ)空間。除了保存程序代碼和常量，非易失性程序存儲(chǔ)器允許應(yīng)用程序保存必須保留的數(shù)據(jù)，這樣在設(shè)備重新啟動(dòng)之后可以使用這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)核和外設(shè)由一個(gè) 1.8V 低差穩(wěn)壓器供電。另外CC2530 包括一個(gè)電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)使用不同供電模式的長(zhǎng)電池壽命的低功耗應(yīng)用運(yùn)行。CC2530 包括了許多不同的外設(shè)，如 IO 控制器，定時(shí)器，SPI 功能模塊等，允許應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)先進(jìn)的應(yīng)用。圖 5-3 CC2530結(jié)構(gòu)框圖CC2530 設(shè)備內(nèi)置了一個(gè) IEEE 802.15.4 兼容無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，這就是 RF 內(nèi)核控制模擬無(wú)線(xiàn)模塊。同時(shí)，CC2530 還為 MCU 和無(wú)線(xiàn)設(shè)備之間提供了一個(gè)接口，這樣就可以實(shí)現(xiàn)確定發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動(dòng)操作和確定無(wú)線(xiàn)設(shè)備時(shí)間的順序。無(wú)線(xiàn)設(shè)備還包括了一個(gè)數(shù)據(jù)包過(guò)濾和地址識(shí)別模塊。 CC2530