專利名稱：一種利用電力線進行載波通訊的智能電表及其工作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用電力線載波通信技術來進行用戶端和主站之間數據交換的 智能電表的電路及其工作方法。
背景技術：
低壓載波信道具有實施簡單、覆蓋面廣、維護容易、線路零成本以及電源與通信介 質統一等特點，充分提高了電力線路與頻率的資源利用率等優點，使得低壓電力線載波通 信技術獲得了廣泛的關注，利用低壓電力線通信是智能電網信息交換的理想途徑。然而，電 力線是給用電設備傳送電能的，而不是用來傳送數據的，所以電力線對數據傳輸有許多限 制。具體地說有以下幾個方面一是配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電 變壓器區域內傳送；二是不同信號耦合方式對電力線載波信號損失不同，耦合方式有線-地耦合和 線_中耦合，線-地耦合和線_中耦合相比，電力線載波信號損失要少IOdB以上。
三是低壓載波信道存在信號衰減大的特點。當電力線上負荷很重時，電力線上阻 抗可達幾十歐姆，造成對載波信號的高削減。實際應用中，當電力線空載時，載波信號可以 傳輸到幾公里以上。但當電力線上負荷很重時，載波信號只能傳輸幾十米。所以只有進一 步提高載波信號的功率才能滿足數據傳輸的要求，但提高載波信號功率會增加產品成本和 體積，而且單一提高載波信號功率往往不是最有效的方法。四是電力線上存在高噪聲、線路阻抗變化大(時變性)、噪聲源繁多且干擾強等諸 多不利因素。電力線上接有各種各樣的用電設備，阻性的，感性的，容性的，大功率的，小功 率的。各種用電設備經常頻繁開閉，就會給電力線上帶來各種干擾，而且幅度都比較大。用 耦合電感耦合下來的噪聲幅度甚至可能達到信號幅度的10倍左右。五是電力線引起數據信號變形。電力線是一個分布參數的網絡，不同點對數據信 號的影響不一樣，同時電力線是時刻動態變化的，不同時間對數據信號的影響也不一樣，這 就使發出的規則數據信號經過電力線后，接收到的信號是嚴重變形的信號，所以必須加以 特殊處理。綜上所述，電力線上的高衰減，高噪聲，高變形，使電力線成為一個不理想的通訊 媒體，是一個通信環境非常惡劣的通信信道，在低壓電力線上進行可靠的數據通信，至今仍 然是國內外學術界和技術界非常關注的一個課題。但由于現代化通訊技術的發展，使電力 線載波通訊成為可能，其中數據信號的信噪比決定信號傳輸的遠近。目前也出現了一些改 進技術，如擴頻通信、跳頻、多載波調制等技術措施，以進一步提高電力線載波通信的實時 抄收率和可靠性?，F有的電力線載波技術一般只選用一個載波頻點，且信號接收和信號發送通過同 一個耦合電路實現，電能表的網絡ID在出廠時設定，電能表安裝完成后由人工在主站將其 加入網絡，國家電網公司目前正在進行的2級單相遠程預付費載波智能電表也屬于這一類。但由于耦合電路沒有自適應性，因此當負載阻抗發生變化，接收信號的頻率、幅度等發生變化時，有用信號可能被大幅度衰減，使通信失敗或造成誤碼?，F有技術如圖1所示，電 容Cl和變壓器初級電感組成一個高通濾波器，它的作用是阻止50Hz或60Hz的工頻信號通 過。電容的容抗與信號頻率成反比，頻率越高容抗越小，電感的感抗與信號頻率成正比，頻 率越高感抗越大。載波信號的頻率一般為幾百KHz，遠遠高于工頻信號頻率，而濾波器參數 正是為此而設計，因此，當50Hz或60Hz的工頻信號通過時，變壓器初級基本沒有電壓，當載 波信號通過時，電容兩端基本沒有電壓。此電路的不足在于幾十KHz以上的信號都能通過， 從而使各種干擾信號都進入接收通道。同時，若由于接入很大的容性致使載波信號的頻率 和幅度嚴重偏離和降低時，載波信號又嚴重衰減乃至不能通過，從而導致誤碼率的增大乃 至通信失敗。R5、L2、C4、L3、C5組成帶通濾波器，其中心頻率即載波通信頻率，帶寬比載波 通信信號帶寬要寬一些。因此，當干擾信號通過時不能很好的進行濾除，造成誤碼率的提 高。當載波信號的頻率和幅度嚴重偏離和降低時，由于其中心頻率是按理想的載波信號頻 率設定的，因此本已嚴重衰減的信號又再一次進行衰減，造成抄收數據不準確或抄收失敗。

發明內容
本發明針對以上問題，提供了一種進入的頻率范圍小，能有效去除干擾信號，且能 精確判斷識別有用信號的利用電力線進行載波通訊的智能電表。本發明的智能電表的技術方案是它包括主控芯片、計量芯片、載波通信芯片和載 波發送接收電路，所述載波發送接收電路與電力線的兩線相連，用于接收遠端指令信息，并 向遠端回饋數據信息，所述載波發送接收電路由發送電路和接收電路組成；所述接收電路包括過零點檢測電路、取樣放大電路、MCU、自適應濾波電路和鑒頻 器；所述過零點檢測電路與電力線的兩線相連，它包括串接電力線L、N其中一根上的 至少兩個電阻、二極管和光電耦合器，所述二極管與光電耦合器反向并聯連接在電力線L、N 兩線之間，在所述至少兩個電阻其中之一的兩端設有A、B兩輸出點；所述取樣放大電路包括用于連接所述A、B兩輸出點的接口、兩串接的放大器、交 流耦合電容和信號輸出口 ；所述A輸出點連接前一放大器的反相端，B輸出點連接前一放大 器的同相端，前一放大器輸出端連接所述交流耦合電容，所述交流耦合電容再連接后一放 大器的反相端，后一放大器同相端接地，后一放大器輸出端連接所述MCU;MCU連接所述載波通信芯片；所述自適應濾波電路包括依次串接的自適應濾波電路一、變壓器和自適應濾波電 路二，MCU通過控制線路分別與自適應濾波電路一和自適應濾波電路二相連；所述自適應 濾波電路二再通過鑒頻器與所述載波通信芯片相連；所述自適應濾波電路一還與電力線兩線相連，包括串并RLC網絡，所述串并RLC網 絡包括R1、Li、L2、串接電容組一、并接電容組一、與控制各電容的模擬開關以及變壓器的 初級，Rl連接電力線兩線之一，再串接Li，Ll與串接電容組一相連，并接電容組一、L2變 壓器初級并聯連接在串接電容組一與電力線兩線另一線之間；所述自適應濾波電路二包括 變壓器次級、R2、L3、L4、串接電容組二和并接電容組二 ；所述變壓器次級連接R2，所述R2、 L3、L4、串接電容組二和并接電容組二的連接方式與自適應濾波電路一中各器件連接方式相同，L4的輸出端連接所述鑒頻器。所述模擬開關連接所述MCU，接收MCU的控制。載波通訊芯片連接有時鐘電路。本發明智能電表的工作方法是按以下步驟工作1)、電路待機；
MCU中記載遠端主控信號的編碼規律，以及設定的頻率、帶寬參數，以及根據接收 到的主控信號求出該信號頻率、帶寬的計算程序，以及將前述求出的頻率、帶寬數據與設定 頻率、帶寬比較，再指令相應模擬開關動作的指令程序；2.1)、工作模式一；載波通訊芯片按設定時間指令發送電路工作，發送電路將計量芯片中的計量數據 通過電力線向遠端發送；2. 2)、工作模式二；當由于信號雜亂、擁堵，遠端未能在規定時間點接收到有效數據時，遠端向所述智 能電表發送再次報送指令的主控信號；2. 2. 1)、主控信號有無的判斷，電路調整；MCU接收到符合所述編碼規律的主控信號后，求出信號頻率，根據信號頻率以及 指令程序調整自適應濾波電路的對應模擬開關，使信號能在自適應濾波電路的對應頻帶通 過；2. 2. 2)、信號接收；電力線上的主控信號通過自適應濾波電路、鑒頻器進入載波通信芯片；2. 2. 3)、通信；載波通信芯片將接收的主控信號，傳輸給主控芯片，主控芯片根據主控信號，形成 發送數據包，再通過載波通信芯片、發送電路、電力線發送給遠端。本發明當電力線負載阻抗發生較大變化時，尤其是接入大的容性負載時，造成數 據信號的中心頻率和幅度發生較大偏移和衰減時，耦合電路盡可能不再使信號發生二次較 大衰減，同時通過對信號進行處理，使載波通信芯片能較好的進行數據解調，降低誤碼率和 減少通信失敗率。即使通信失敗，也能提前進行判斷。本發明將載波通信接收通道和發射通道進行分離，即分為接收通道和發射通道兩 個獨立通道。其中發射通道不變，因為發射通道發射的信號此時還沒有經過電力線負載，至 于經過電力線負載以后在通信另一端發生衰減，由對方按照本發明接收通道的處理方法進 行同樣的處理。接收通道利用現有的過零點處理電路，從電阻上進行信號取樣，取樣信號兩端分 別接入高速線性運算放大器的同相端和反相端，形成差分放大。當然，該放大器的選取應盡 可能地使載波中心頻率的一定帶寬內的信號不失真的傳輸到運放輸出端。當然此運放的放 大倍數比較小，因為載波信號是疊加在50Hz或60Hz的工頻信號上的，其幅度小于工頻信號 幅度。該放大器的輸出信號經隔直電容去除低頻信號后送入下一級高速線性運算放大器的 反相端，該放大器放大倍數較大，因為此時大幅度的低頻信號已經去除，放大倍數大以便盡 可能地提取幅度較小的高頻信號。同時，兩級反相放大也使信號相位還原為原來的相位，以 便后續信號提取時與原始通信信號進行編碼規律的比較。
當收到抄收準備命令(主控信號)時，MCU對取樣放大電路中的第二級放大器的輸出信號進行采集。由于載波信號上疊加了許多干擾信號，干擾信號的功率和頻率也多種 多樣，因此使發出的規則數據信號經過電力線后，接收到的信號是嚴重變形的信號。因此直 接從接收信號中找出發送準備抄收命令的信號編碼規律是困難的，必須加以特殊處理。對 采集信號進行傅立葉變換求得信號頻譜，通過設定頻率上下限閾值和幅度閾值，將肯定是 頻率閾值以外的信號置零，通過將幅度閾值以下的頻譜數據置零，以便去除功率較小的干 擾信號。信號處理器(MCU)對經過以上濾波處理后的信號數據進行傅立葉反變換，以便還 原信號。由于此時信號已經進行了以上預處理，因此信號質量將大幅提高。由于發送的準 備抄收信號命令的編碼規律是預先約定的，容性大的負載盡管會對信號的中心頻率和幅度 產生嚴重影響，但信號編碼規律不變，因此可通過對處理后的信號進行識別，以便判斷有沒 有收到命令信號。若沒有，則說明載波通信失敗，發送通信失敗信息給載波通信芯片。若有，則說明通信正常。此時，MCU指令自適應濾波電路“開門”，截取有用數據信 號，其余置零，再次進行傅立葉變換，此時求得的信號頻率即為經過電力線負荷后的載波信 號頻率，該頻率同時送給載波通信芯片。根據此頻率調整初級和次級自適應匹配濾波器的 參數，即可使該信號基本不失真地送到載波通信芯片，以進行信號解調，完成抄收任務。自 適應匹配濾波器的參數是通過模擬開關的切換，以接入或斷開相應的電容，從而調整匹配 濾波器的中心頻率和帶寬，以使載波通信信號無衰減的通過。變壓器的作用是將載波通信 芯片與強電進行安全隔離。


圖1是本發明的電路框2是本發明中過零點檢測電路的電路3是本發明中取樣放大電路的電路4是本發明中自適應濾波電路的電路5是本發明中發送電路的電路6是現有技術中載波發送/接收電路的電路圖
具體實施例方式本發明的智能電表如圖1-5所示，它包括主控芯片、計量芯片、載波通信芯片和載 波發送接收電路，所述載波發送接收電路與電力線的兩線相連，用于接收遠端指令信息，并 向遠端回饋數據信息，所述載波發送接收電路由發送電路和接收電路組成；所述接收電路包括過零點檢測電路、取樣放大電路、MCU、自適應濾波電路和鑒頻 器；所述過零點檢測電路與電力線的兩線相連，它包括串接電力線L、N其中一根上的 至少兩個電阻、二極管和光電耦合器，所述二極管與光電耦合器反向并聯連接在電力線L、N 兩線之間，在所述至少兩個電阻其中之一的兩端設有A、B兩輸出點；所述取樣放大電路包括用于連接所述A、B兩輸出點的接口、兩串接的放大器、交 流耦合電容和信號輸出口 ；所述A輸出點連接前一放大器的反相端，B輸出點連接前一放大器的同相端，前一放大器輸出端連接所述交流耦合電容，所述交流耦合電容再連接后一放 大器的反相端，后一放大器同相端接地，后一放大器輸出端連接所述MCU ；MCU連接所述載波通信芯片；所述自適應濾波電路包括依次串接的自適應濾波電路一、變壓器和自適應濾波電 路二，MCU通過控制線路分別與自適應濾波電路一和自適應濾波電路二相連；所述自適應 濾波電路二再通過鑒頻器與所述載波通信芯片相連；所述自適應濾波電路一還與電力線兩線相連，包括串并RLC網絡，所述串并RLC網 絡包括R1、Li、L2、串接電容組一、并接電容組一、與控制各電容的模擬開關以及變壓器的 初級，Rl連接電力線兩線之一，再串接Li，Ll與串接電容組一相連，并接電容組一、L2變 壓器初級并聯連接在串接電容組一與電力線兩線另一線之間；所述自適應濾波電路二包括 變壓器次級、R2、L3、L4、串接電容組二和并接電容組二 ；所述變壓器次級連接R2，所述R2、 L3、L4、串接電容組二和并接電容組二的連接方式與自適應濾波電路一中各器件連接方式 相同，L4的輸出端連接所述鑒頻器。所述模擬開關連接所述MCU，接收MCU的控制。載波通訊芯片連接有時鐘電路。本發明智能電表的工作方法是按以下步驟工作1)、電路待機；MCU中記載遠端主控信號的編碼規律，以及設定的頻率、帶寬參數，以及根據接收 到的主控信號求出該信號頻率、帶寬的計算程序，以及將前述求出的頻率、帶寬數據與設定 頻率、帶寬比較，再指令相應模擬開關動作的指令程序；2.1)、工作模式一；載波通訊芯片按設定時間指令發送電路工作，發送電路將計量芯片中的計量數據 通過電力線向遠端發送；2. 2)、工作模式二；當由于信號雜亂、擁堵，遠端未能在規定時間點接收到有效數據時，遠端向所述智 能電表發送再次報送指令的主控信號；2. 2. 1)、主控信號有無的判斷，電路調整；MCU接收到符合所述編碼規律的主控信號后，求出信號頻率，根據信號頻率以及 指令程序調整自適應濾波電路的對應模擬開關，使信號能在自適應濾波電路的對應頻帶通 過；2. 2. 2)、信號接收；電力線上的主控信號通過自適應濾波電路、鑒頻器進入載波通信芯片；2. 2. 3)、通信;載波通信芯片將接收的主控信號，傳輸給主控芯片，主控芯片根據主控信號，形成發送數據包，再通過載波通信芯片、發送電路、電力線發送給遠端。正常工作時，接收回路信號處理器處于低功耗等待狀態。當載波芯片發出準備通信命令后，同時向信號處理器發送分析命令，信號處理器收到準備命令后，通知信號處理器 A/D開始采樣，采樣一幀數據后，對采集數據進行傅立葉變換，求得信號的頻譜。此時的信號 包含了有用信號及各干擾信號，信號頻譜包含了有用信號及各干擾信號的頻譜。此時通過設定頻率上下限閾值和幅度閾值，將頻率閾值以外的信號置零，以便將有用信號頻帶以外的信號去除，將幅度閾值以下的頻譜數據置零，以便去除功率較小的干擾信號。然后，再對 以上處理后的數據進行傅立葉反變換還原數據，此時的信號將會比原始數據要好得多。由 于通信命令的編碼規律已事先存儲于信號處理器的存儲單元中，此時將數據與存儲單元中 數據進行比較，若其中有與命令信號相同規律的數據，則說明信號處理器采集到正確的命 令信號，通信正常。若沒有，則說明此時通信不正常，信號處理器向載波芯片發送通信失敗 命令，由載波通信芯片決定是重新采集還是留待以后再采。若有，則說明通信正常，在還原 的信號數據中取出有用信號，再次進行傅立葉變換，精確求出信號頻率及帶寬，并將結果送 給載波芯片，供載波芯片在解調時使用。同時，根據計算的信號頻率結果，對接收通道的兩 級帶通濾波器進行參數調整，為方便起見，本方案中只對電容進行調節，各組合后對應頻率 的帶通濾波器系數已預先計算好，并存儲在信號處理器相應的存儲單元中，因此信號處理 器根據頻率結果直接控制相應的模擬開關的通斷，以便將帶通濾波器設置到最佳狀態，以 便有用信號盡可能不失真的送到載波芯片的數據口進行處理，從而減少誤判。載波芯片收 到正確回報后，進行正常的通信，以完成各項任務。本發明針對電力線上干擾信號多的特點 而專門設計，分為發送、接收電路，接收電路中也有相互關聯的兩塊，過零點檢測、取樣放大 電路首先“捕捉”有無信號，有的話，MCU進行計算，然后根據結果由針對性地控制濾波電路 “開門”，放入控制信號，使信號更加純凈。
權利要求
一種利用電力線進行載波通訊的智能電表，它包括主控芯片、計量芯片、載波通信芯片和載波發送接收電路，所述載波發送接收電路與電力線的兩線相連，用于接收遠端指令信息，并向遠端回饋數據信息，其特征在于，所述載波發送接收電路由發送電路和接收電路組成；所述接收電路包括過零點檢測電路、取樣放大電路、MCU、自適應濾波電路和鑒頻器；所述過零點檢測電路與電力線的兩線相連，它包括串接電力線L、N其中一根上的至少兩個電阻、二極管和光電耦合器，所述二極管與光電耦合器反向并聯連接在電力線L、N兩線之間，在所述至少兩個電阻其中之一的兩端設有A、B兩輸出點；所述取樣放大電路包括用于連接所述A、B兩輸出點的接口、兩串接的放大器、交流耦合電容和信號輸出口；所述A輸出點連接前一放大器的反相端，B輸出點連接前一放大器的同相端，前一放大器輸出端連接所述交流耦合電容，所述交流耦合電容再連接后一放大器的反相端，后一放大器同相端接地，后一放大器輸出端連接所述MCU；MCU連接所述載波通信芯片；所述自適應濾波電路包括依次串接的自適應濾波電路一、變壓器和自適應濾波電路二，MCU通過控制線路分別與自適應濾波電路一和自適應濾波電路二相連；所述自適應濾波電路二再通過鑒頻器與所述載波通信芯片相連；所述自適應濾波電路一還與電力線兩線相連，包括串并RLC網絡，所述串并RLC網絡包括R1、L1、L2、串接電容組一、并接電容組一、與控制各電容的模擬開關以及變壓器的初級，R1連接電力線兩線之一，再串接L1，L1與串接電容組一相連，并接電容組一、L2變壓器初級并聯連接在串接電容組一與電力線兩線另一線之間；所述自適應濾波電路二包括變壓器次級、R2、L3、L4、串接電容組二和并接電容組二；所述變壓器次級連接R2，所述R2、L3、L4、串接電容組二和并接電容組二的連接方式與自適應濾波電路一中各器件連接方式相同，L4的輸出端連接所述鑒頻器。
2.根據權利要求1所述的一種利用電力線進行載波通訊的智能電表，其特征在于，所 述模擬開關連接所述MCU，接收MCU的控制。
3.根據權利要求1所述的一種利用電力線進行載波通訊的智能電表，其特征在于，載 波通訊芯片連接有時鐘電路。
4.一種利用電力線進行載波通訊的智能電表的工作方法，其特征在于，按以下步驟工作[1)、電路待機；MCU中記載遠端主控信號的編碼規律，以及設定的頻率、帶寬參數，以及根據接收到的 主控信號求出該信號頻率、帶寬的計算程序，以及將前述求出的頻率、帶寬數據與設定頻 率、帶寬比較，再指令相應模擬開關動作的指令程序；[2. 1)、工作模式一；載波通訊芯片按設定時間指令發送電路工作，發送電路將計量芯片中的計量數據通過 電力線向遠端發送；[2. 2)、工作模式二；當由于信號雜亂、擁堵，遠端未能在規定時間點接收到有效數據時，遠端向所述智能電 表發送再次報送指令的主控信號；2. 2. 1)、主控信號有無的判斷，電路調整；MCU接收到符合所述編碼規律的主控信號后，求出信號頻率，根據信號頻率以及指令程 序調整自適應濾波電路的對應模擬開關，使信號能在自適應濾波電路的對應頻帶通過； 2. 2. 2)、信號接收；電力線上的主控信號通過自適應濾波電路、鑒頻器進入載波通信芯片； 2. 2. 3)、通信；載波通信芯片將接收的主控信號，傳輸給主控芯片，主控芯片根據主控信號，形成發送 數據包，再通過載波通信芯片、發送電路、電力線發送給遠端。
全文摘要
一種利用電力線進行載波通訊的智能電表及其工作方法。涉及電力線載波通信技術。它包括主控芯片、計量芯片、載波通信芯片和載波發送接收電路，載波發送接收電路由發送電路和接收電路組成；接收電路包括過零點檢測、取樣放大電路、MCU、自適應濾波電路和鑒頻器。步驟1)電路待機；2.1)工作模式一；2.2)工作模式二；2.2.1)主控信號有無的判斷，電路調整；2.2.2)信號接收；2.2.3)通信。本發明針對電力線上干擾信號多的特點而專門設計，分為發送、接收電路，接收電路中也有相互關聯的兩塊，過零點檢測、取樣放大電路首先“捕捉”有無信號，有的話，MCU進行計算，然后根據結果由針對性地控制濾波電路“開門”，放入控制信號，使信號更加純凈。
文檔編號H04B3/54GK101826893SQ20101014418
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月12日 優先權日2010年4月12日
發明者李耀祖, 潘建華, 石榮 申請人:揚州市萬泰電器廠有限公司