基于AMIS?49587的电力线载波智能电表设计
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摘 要： 智能电表的研发是智能电网发展的关键技术，承担着电能数据采集、计量、传输和控制的任务。以电力线载波通信为手段，采用安森美半导体的AMIS?49587通信芯片，以Atmel公司的ATMEGA32L单片机为控制核心，以Cirrus Logic 公司的CS5463芯片为电能计量芯片，设计智能电表。该电表具有实时监测、远程自动抄表、双向通信、远程控制等功能。
关键词： 智能电表； 电力线载波； 智能电网； 电能数据采集
中图分类号： TN710?34； TM933.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0147?04
欧美国家近几年十分重视智能电网的建设。中国将在未来五年投资2 500亿美元建设和开发智能电网，以便更加高效地分配电力和收取电费。作为智能电网数据采集设备之一的智能电表，承担着电能数据采集、计量、传输和控制的任务。目前，由于各国对智能电表的发展方向和服务定位要求不同， 智能电表的概念各国也不统一。国际法制计量组织（OIML）对智能电能表做了一个比较宽泛的描述，认为从广义上讲，智能电能表可以描述为具有基本计量功能和在双向通信基础上的附加功能的仪表[1]。
采用电力线载波通信技术（Power Line Communication，PLC）的智能电表，利用现有电力线输配电线路作为传输媒介，通过载波方式，实现双向数据传递和信息交换，以完成即时读取、远程控制等功能[2]。
1 智能电表系统方案
1.1 低压电力线载波通信的原理
电力线载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将数字信号进行高速传输的技术。由于依赖坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠，路由合理、可同时复用远动信号等特点，是惟一不需要线路投资的有线通信方式。
低压电力线载波通信的数据上行基本原理是，将数据采集器采集的数据信号，调制到高频载波上，经功率放大电路放大后，由耦合电路耦合至低压配电线上（380/220 V用户线）。经电力线将高频信号传输至接收方，如数据集中器，滤除干扰后，经放大电路放大，由解调电路还原出数字信号[3]。当数据下行时，路径与上述相反。
1.2 PLC智能电表总体设计
基于电力线载波通信技术的智能电网系统框图如图1所示。电网电力线上的电压、电流信息经电能采样电路采集、电能计量电路计量后，送往微处理器进行数据处理，由PLC通信模块调制后经低压电力线上传。数据上行至数据集中器后，经解调电路还原出的数字信号，可以由用户户内网（HAN）传递到局域网（LAN），再传输到广域网（WAN）。通过网络管理将数据发送到远端的电力公司中央信息系统，实现远程监测、自动抄表等功能。
同样道理，来自广域网的信号，如用户因拖欠电费，由电力公司发出的停电控制信号，经局域网（住宅小区物业管理网络）至用户户内网，经PLC技术通过低压电力线，数据下行至智能电表，经PLC电路解调出数字信号，通过微处理器进行数据处理后，驱动控制电路（如继电器等），从而决定用户供电的通断，实现智能控制。
2 硬件电路设计
2.1电能采样计量电路
电能计量芯片采用美国Cirrus Logic公司的CS5463芯片。它包含两个Δ?Σ模/数转换器（ADC）、功率计算功能、电能/频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率。CS5463具有与微控制器通信的双向串口，可编程的电能?脉冲输出功能，方便的片上系统校准，符合IEC， ANSI， JIS工业标准[4]。
电能采样与计量电路原理图如图2所示。图中T1为电压互感器，Vin+，Vin-为采样到的差分电压；T2为电流互感器，Iin+，Iin-为采样到的差分电流。CS5463由程序自动完成输入信号的检测，通过向串口SDI写入8位命令字来启动数据的读和写，启动读命令后，串口在接着的SCLK周期由SDO输出数据[5]。
2.2 数据处理与控制电路
智能电表的数据处理由单片机完成。微处理器采用Atmel公司的AVR单片机ATMEGA32L，具有32 B的系统可编程FLASH，2 KB的片内SRAM，1 024 B的E2PROM。数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，自带看门狗定时器，在强烈的电磁干扰条件下可以防止程序跑飞。是精简指令集CPU中的高性能器件[6]。CS5463与ATMEGA32L之间采用SPI三线端口通信方式。扩展有显示电路、控制电路等。电路如图3所示。
数据上行时，微处理器ATMEGA32L通过控制和CS5463相连接的串行接口，读取CS5463内部寄存器的数据，数据处理后经电力线载波通信上传，同时通过液晶显示数据。数据下行时，电力线载波芯片解调后的数据，由ATMEGA32L微处理器控制继电器决定电能的输送。存储电路的作用是在停电前存储数据，防止来电后系统数据出错。
电能采样计量电路原理图
数据处理与控制电路原理图
2.3 电力线载波通信电路
2.3.1 电力线载波通信芯片[7]
电力线载波通信芯片采用美国安森美半导体公司（ON Semiconductor）的amis?49587调制解调器芯片。这是一款遵从IEC 61334?5?1标准和EN 50065?1规范的电力线调制解调器。采用扩频型频移键控（S?FSK）调制方式，尽管S?FSK的数据率比正交频分复用（OFDM）低，但能应对电网中常见的窄带干扰，更适合在智能电表中应用。而相移键控（PSK）调制技术虽然成本低，但可靠性不高。S?FSK调制方式与传统的FSK调制方式相比，将[fs]和[fm]的频率离得更远，在这两个频率点上，干扰的抑制和信号的衰减是相互独立的。AMIS?49587设置的每对频率的间隔范围是9～9.5 kHz，而传统芯片提供的是10 kHz。
AMIS?49587支持比2.4 Kb更高的半双工可调节通信速率，调制信号能自动同步到主频，并与50 Hz电气网络频率物理同步。内部具有发射模块、接收模块、通信控制模块、时钟控制模块等电路。其封装有PLCC28和QFN52两种。AMIS?49587的易用性也很突出。由于内嵌协议处理功能，使设计人员无需涉及PHY和MAC协定传输细节问题，节省多达50%的软件开发耗费，从而减少设计时间，降低总成本。这器件藉串行接口直接连接至用户微控制器。
AMIS?49587是分配线载波通信的连接装置。两个主要应用为主机模式，典型应用是数据集中器；从机模式，典型应用是智能电表内部的PLC调制解调器。两个次要应用为监控模式，对电力线上数据以监测，即物理层框架正确性检测；测试模式，用以检测PLC调制解调器所连续产生的[fs]和[fm]是否符合EN 50065?1标准。
2.3.2 电力线载波通信电路
AMIS?49587具有灵活的调制解调模式、可靠的解调算法，良好的抵抗电力线干扰的性能。本设计的功率运算放大电路采用安森美公司的高效能低失真线路驱动芯片NCS5650，对信号进行功率放大同时实现低通滤波功能。电力线载波通信模块原理图如图4所示。
电力线载波芯片AMIS?49587与ATMEGA32L之间采用UART通信方式。电力线调制解调器AMIS?49587的通信速率为2 400 b/s，工作在A、B频段内。NCS5650是轨对轨双运放，实现载波信号放大和滤波输出。放大后的载波信号经变压器耦合至电力线上。NCS5650电流驱动能力高达2 A。其双运放及周围器件可以连接成4阶低通滤波器，防止频率在载波频率以上的信号进入配电网。其内部高通滤波器的设置满足欧盟严格的电力线信号标准。FFP信号的接收是将变压器耦合过来的信号，经AMIS?49587内部运放进行高通滤波，滤除50 Hz信号后，将信号进行FFP调制，以还原成数字信号。系统需要与50 Hz同步，AMIS?49587芯片上设有M50 Hz_IN引脚，如果需要可加入光电隔离器件。
3 软件设计[8]
系统采用模块化设计思想，调制解调器软件设计主要包括主程序、初始化程序、复位程序、SCI通信程序、数据发送和接收程序。
电力线载波智能电表软件流程图
应用微控制器软件设计主要包括主程序、初始化程序、复位程序、SCI通信程序、数据采集和显示程序、数据保存程序、数据发送和接收程序。系统还包括若干个中断程序[7]。
本设计遵从IEC61334?5?1协议标准，采用主从网络，避免了通信的冲突与碰撞。采用精确的调制解调算法，先进可靠的中继来提高抗干扰能力。具体传输距离视实际应用环境而定，一般电网环境下，通信距离200 m以上。
4 结 语
智能电表是在现有电表基础上发展起来的功能强大的智能电表。现有电能计量电路本身已经相当成熟，无需改变很多。通信能力是智能电能表的灵魂，因此如何实现在双向通信模式，通过各项附加功能的测试和验证是智能电表设计的关键。此外，单靠电表是无法实现智能的，需要依托网络，通过系统实现智能化。通过先进的传感和量测技术，实现故障定位，电能质量监测与窃电监测等功能。随着低压电力线载波通信技术的日趋成熟，自动抄表系统（AMR）将占主导性地位。
参考文献
[1] 朱中文，周韶园.智能电能表的概念、标准化和检测方法初探[J].电测与仪表，2011，48（6）：48?53.
[2] 孙海翠，张金波.低压电力线载波通信技术研究与应用[J].电测与仪表，2006，43（8）：54?57.
[3]吴文忠.基于LonWorks技术的智能电表的研制[J].电测与仪表，2011，48（3）：66?70.
[4] 晏政，刘正元.基于CS5460A的数字电能计量表的设计研究[J].电子技术应用，2009（6）：114?116.
[5] 孙春志，孙静，王威廉.基于CS5463智能单向电表的设计[J].电子测量技术，2012，35（3）：28?31.
[6] 叶国文.基于ATMMEGA32的指纹识别防盗门锁地设计[J].微计算机信息，2008，24（4?2）：300?301，312.
[7] 黄.基于AMIS?49587的电力线载波数传模块[J].安阳工学院学报，2011，10（2）：50?53.
[8] 林建宇.基于扩频通信技术的智能电表设计[J].电测与仪表，2010，47（7A）：57?60.