基于电力线载波技术的系统设计

　　在控制电路单元，用单片机实现对电流信号的采集和对电力线载波数据发送功能的控制。它使整个数据采集系统成为一个智能化的有机整体。单片机采用ATMEL的AT89C2051，它包含2KB内存、128B的内存、15根I/O口线、两个定时计数器和一个全双工的串行口。在设计中，用到了AT89C2051的T1定时器和串行口以及P1端口线。由于该单片机与MCS-51相兼容，因此在硬件电路设计和软件编程方面更加方便。

　　数据采集单元主要由MRCS传感器和ADC0832组成。ADC0832是带有串行输入输出功能的8位逐次逼近式模/数转换器，其转换时间为80μs。它的两个模拟量输入通道是可编程的，可以由串行输入口DI的三位控制字指定通道，并选择单端输入和差分输入两种工作方式之一。MRCS将电流信号以电压信的形式提供给ADC0832。选择ADC0832的CH1为单端输入工作方式，CH0为不工作。DI端输入的控制字为"111"，可将DI固定接高电平。当单片机的P1.2口将ADC0832的CS脚置低电平时，在CLK的前三个脉冲上升沿，从DI端输入控制字"111"，在接下来的八个脉冲完成转换过程。按照逐次逼近式的机理，依先高位后低位的顺序，转换一位，存储一位。并在下降沿由DO端输出一位；在后续七个脉冲的下降沿又将存储好的转换结果按照先低位后高位的顺序从DO端输出。因此，一次完整的模/数转换过程完成，转换后的八位数据就从P1.0口读入到单片机中。

　　从实际应用角度出发，系统在具体采集处理功能的基础上，必须要有通信接口，具备远程传输功能。实现电力线载波通信的关键问题是如何根据电力线的特性选择合适的MODEM芯片及设计可靠的接口电路。因为电力线上的用电设备种类繁多，对载波信号传输过程所产生的干扰大部分是低频调幅性干扰，所以电力MODEM芯片的调制方式应该采用抗脉冲干扰强的调频方式，同时应适当提升载波信号功率以加大传输距离。在本系统中选择FSK制式的LM1893。

　　电力线载波发送电路主要由LM1893和电力线接口（PLI）组成。AT89C2051通过串行口与LM1893通信，通信采用标准异步通信方式，并通过控制LM1893的收发状态完成数据传输。选用定时器1作为波特率发生器，串行口采用波特率可变工作方式1。该方式为标准异步通信，其通信格式为每帧10位。AT89C2051的P1.7口控制LM1893的5脚TX/RX，决定数据是发送还是接收。当为高电平时，LM1893处于发送状态。AT89C2051的串行输出口TXD与LM1893调制解调数据输入端17脚连接，由单片机采集的数据就从LM1893的17脚送入，经过FSK调制成150kHz的FSK载波信号，送10脚输出载波信号。在与电力线的接口电路中，使用大功率齐纳管和电阻组成限幅电路，起保护作用。它能避免系统受到诸如强雷电脉冲等瞬时过电压的干扰。而二极管T和变压器TN则组成调谐功率放大电路。在这里，变压器既耦合了载波信号，又使通信电路完全地隔离电力网工频信号。载波信号的发送则经过耦合变压器与电力线相连。三极管T则用于载波信号的发送功率放大。通过T的功率放大，载波信号的输出功率能够提高近10倍。

　　2 系统的软件设计

　　在本系统中，软件采用模块化结构设计，用MCS-51汇编语言编写。由于采用模块化技术，使系统程序更加简洁，占用内存容量少。

　　系统软件主要包括以下程序：

（1）初始化程序，主要完成以下工作：初始化MCU、初始化LM1893、初始化串行口；

（2）模/数转换子程序，主要完成以下工作：ADC0832复位、控制字移入ADC0892，启动模/数转换、按先高位后低位接收数据、按先低位后高位接收数据；

（3）载波发送子程序，主要完成以下工作：设置串行口的工作方式、启动串行口的发送。

　　按照图5所示的系统软件流程图编码，便 可实现由流数据的采集和远程传送，在远端的计算机主控系统就可以接收数据，并进行分析、处理和显示。

　　为了保证电力线通讯的顺利进行，本系统采用的通信协议遵守《地区电网数据采集与监控系统通用技术条件》，并且参照了X-10协议。在电力线载波通信的过程中，因为通信方式为半双工方式，所以一定要有包含控制机制的传输协议，以确保数据的可靠传输。每次通信为一个固定帧长的报文，帧的数据格式为：同步字、起始字、源地址、目的地址、控制字、数据块、校验码、结束字。控制字包含命令码和数据块长度。其长度为一个字节，高四位为命令码（0：数据块发送，1：数据块接收。3：数据传送正确。4：数据传送错误）；低四位为数据块长度，当命令为数据发送或数据接收时，给出数据块的长度。数据块的长度为1至16个字节。

　　作为一种新型的半导体传感器，电流传感器（MRCS）与霍尔电流传感器相比，具有新的特性和优点。本文设计的电流数据采集系统采用了具有数据调制解调功能和具有与电力线连接功能的LM1893，其优点在于：（1）无需铺设昂贵的电缆系统；（2）不占用无线电频率资源。该系统设计思想还可以用于电力监控系统和其它工作控制系统的远动数据采集中，实现对电力参数的监控。