一９５６８１２
委纠犬学
硕 位论文
（２００６届）
电力线通信技术应用研究及其在
远程电表中的应用
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ＰＬＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ
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研究生姓名 指导教师姓名 专业名称
田宏伟
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机应用技术
研究方向嵌入式技术 论文提交日期 ！！堂±！爿
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
中文摘要
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用 中文摘要
低压电力线通信（ＰｏｗｅｒＬｉｎｅ ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＰＬ 是解决“最后一公里”问题的
最具竞争力 方案之一，具有无需布线、覆盖范围广等优点。课题在深入理解应 用于电力线通信的ＯＦＤＭ调制解调技术的基础上，利用Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司最新推出的 ＰＬ 信芯片组ＩＮＴ５５００ 设计并实现了电力线通信调制 器，实现了电力线 通信与Ｉｎｔｅｒａｃｔ的结合，并在该调制 器的基础上将电力线通信技术应用于远程 电表当中，给出了基于ＰＬ 术的远程电表的技术方案和模拟实现。 论文首先介绍了课题的相关背景和技术基础，接着给出了电力线通信调制 器的总体设计、硬件模块划分和各个硬件模块的具体实现。接下来给出了电力线调 制解调器的基本测试例程及上网的测试，初步实现了电力线宽带通信。论文接下来 介绍了基于ＰＬＣ技术的远程电表，给出了硬件、软件的模块划分和具体实现，同时 给出了与远程抄表软件的通信接口和简单的模拟抄表系统。经过测试，电力线通信 调制 器初步实现了电力线通信，ＰＬＣ远程电表的模拟抄表通信可靠。文中也述 及了技术要点、测试问题及作者在开发过程中的一些体会。
关键词：电力线通信ＰＬ 调制 器，ＩＮＴ５５００，远程电表
作
者：田宏伟
指导老师：王宜怀
Ａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
ＰＬＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ＯＦＤＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ＰＬ ｔｈｉｓ
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ｌａｔｅｓｔ ＰＬＣ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｈｉｐ－－ＩＮＴ５５００ＣＳ．Ｔｈｅｎ
ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＰＬＣ ｍｏｄｅｍ，ｔｈｅ ＰＬＣ
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ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｍ，ＩＮＴ５５００，ｒｅｍｏｔｅ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｔｅｒ
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Ｓｕｐｅｒｖｉｓｅｄ ｂｙ
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研究生签名：固绻维
日期：趔。￡：理
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保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的
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研究生签名．ｊ丑廛望日
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第一章概述
第一章概述
低压电力线是为传输５０Ｈｚ的工频电能而铺设的，是一种分布非常广泛的线路 资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据和语音信号【１】。但是由于低压电力 线通信环境恶劣，存在着信号衰耗大、阻抗变化大、干扰大等技术问题（２】，这些问 题一直困扰着人们。可喜的是，随着近几年信号调制技术的进步、嵌入式软硬件技 术的发展和新型集成电路的不断出现使得电力线通信（ＰＬｃ）逐步从实验室走向实 用，成为具有良好发展前景的通信技术之一。 本章首先介绍了电力线通信技术的概念及历史、Ｉｎｔｅｍｅｔ时代电力线通信技术的 国内外研究现状，然后提出了电力线通信与Ｉｎｔｅｍｅｔ相结合的宽带上网方案，并在 电力线上网的基础上给出了基于ＰＬ 术的远程单相复费率电表（简称基于ＰＬＣ 技术的远程电表）的设计与实现，最后介绍了本文工作和论文结构。
１．１电力线通信技术的历史发展
１．１．１电力线通信技术的概念 电力线通信（ＰｏｗｅｒＬｉｎｅ ｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＰＬ 是指建立在电力输送网基础上
的、实现电力通信网络内部各节点之间以及与其他通信网络之间进行网络通信的系 统【３１。由于覆盖范围广、一线两用、各类用电器均可直接作为网络终端等优势，电 力线通信已经成为当前通信研究的一个热点领域。电力线通信从广义上讲包含应用 于高压输电网和中、低压配电网的窄带电力线载波通信，以及在中、低压配电线路 上实现的宽带数据通信【４】。 本文提到的电力线通信（ＰＬＣ）是低压电力线通信，是通过低压电力线高速传 送数据信号（包括语音、图像、视频）的通信方式，但所传送的信号不能通过变压器。
１．１．２电力线通信技术的历史
通过电力线载波方式来传送网络信息，其历史可以追溯到２０世纪２０年代。那 时主要集中在ｌ １０ｋＶ以上的高压远距离传输，工作频率为１５０ｋＨｚ以下，该频段成 为欧洲电技术标准化委员会电力线通信的正式频段【５１。到２０世纪５０年代，低频高 压电力线通信技术已广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域。２０ 世纪５０年代至９０年 期的３０多年，电力线通信开始应用在中压和低压电网上，
第一章概述
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
其开发工作主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电 等领域。
１．１．３
Ｉｎｔｅｒｎｏｔ时代电力线通信技术的国内外研究现状
２０世纪９０年代，随着Ｉｎｔｅｍｅｔ的发展，数据业务成为通信服务的主流。在这一 背景之下，ＰＬＣ的优势才真正为人们所认识，成为通信研究的新热点。在其发展过 程中，走在最前面的是传输技术的发展。伴随着半导体加工工艺的发展、调制方式 的改进以及现 字信号处理技术的应用，ＰＬＣ传输速率得以不断提高嘲。许多国 家的研究机构和企业纷纷开展宽带电力线通信技术的研究、开发和试验，推动着 ＰＬ 术的不断发展，同时也出现了相关的一些国际性组织，更进一步地促进了电 力线通信技术的规范和有序发展。 （１）国外研究现状 在ＰＬＣ宽带电力通信芯片的研发上，国外技术领先一步，目前宽带电力线通信 芯片均由国外研发生产。目前国际上专用电力线调制解调芯片主要有：以色列Ｙｉｔｒａｎ 公司传输速率为２．５Ｍｂｐｓ的芯片、美国Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司１４Ｍｂｐｓ芯片、西班牙ＤＳ２公 司４５Ｍｂｐｓ和２００Ｍｂｐｓ芯片，其中美国Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司１４Ｍｂｐｓ芯片应用最为普遍， 目前大部分ＰＬＣ系统都是基于该芯片开发的。２００５年６月美国ＩｎｔｅＵｏｎ公司推出 了芯片速率为８５Ｍｂｐｓ的芯片组，也就是本设计中使用的电力线宽带通信芯片组。 法国Ｓｐｉｄｃｏｍ公司也开发了２２４Ｍｂｐｓ芯片， 测试之中。 随着ＰＬ 术的发展，许多国家也意识到其发展潜力广阔，纷纷加大对电力线 通信试验的投入。欧盟为促进ＰＬ 术的发展，从２００４年１月１日开始启动了 一个称之为ＯＰＥＲＡ（Ｏｐｅｎ
ＰＬＣ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ａｌｌｉａｎｃｅ）的计划，旨在联合欧
洲的主要ＰＬ 究开发力量致力于制定欧洲的ＰＬＣ统一技术标准、推动大规模商 业化应用，并将ＰＬＣ作为实现“ｅＥｕｒｏｐｅ”（信息化欧洲）的重要技术手段。美国 联邦通信委员会（ＦＣ 一直在鼓励启用新的基于现有设施的宽带平台，促进美国 的宽带业务。２００４年２月１２日，ＦＣ 准对某些技术规则的修改意见，目的是 通过促进电力线宽带接入技术的推广应用，把美国电力网的巨大潜力利用起来。美 国、欧洲等国许多大的电力企业也积极进行中压及低压ＰＬＣ的试验，美国 ｎｅｒｇｙ 等１７家电力企业、德国、奥地利、西班牙等１５个欧洲国家的３２个电力企业建立 了ＰＬＣ试验网络，有的还进行了ＰＬＣ商业化运营，如德国的ＭＶＶ等。亚洲开展 ＰＬ 究和试验的国家和地区除中国大陆外，还有日本、韩国、新加坡、中国香港、
２
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第一章概述
中国台湾等地，日本对ＰＬ 态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今 日的积极推动的三个阶段。目前日本的东京电力、新加坡电力、香港中华电力等建 立了一定规 试验网络。据不完全统计，截止２００４年年底，ＰＬ 试验网络遍 及欧洲、亚洲、北美洲、南美洲、非洲以及大洋洲的４０多个国家和地区【』Ｊ。 （２）国内研究和开发现状 国外在电力线通信技术方面的进展，引起了国家电力公司的高度重视和相关科 研单位的密切关注。国家电力（电网）公司先后八 项，由中国电力科学研究院 国电通信中心等单位承担电力线高速数据通信技术相关课题的研究工作。由于我国 低压配电网的网络结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的理 论研究成果和开发的系统不能完全适应我国的实际。
中国电力科学研究院从１９９９年开始承担国家电力公司第一个电力线高速数据
通信技术项目的研究工作，对电力线信道特性、电力线数据通信机理进行了系统的 理论研究和大量测试，２０００年研制出国内第一套传输速率为２Ｍｂｐｓ的ＰＬＣ产品， ２００１年在沈阳建立了国内第一个ＰＬＣ宽带接入试验小区，实现了宽带上网、视频 点播、数字化小区 等功能。２００１年和２００３年分别研制出传输速率为１４Ｍｂｐｓ 和４５Ｍｂｐｓ的产品，２００３年和沈阳供电公司合作在沈阳开通了国内第一个４５Ｍｂｐ；。 全电力线接入的宽带小区。福建电力试验研究院２００１年研制出传输速率为１４Ｍｂｐｓ 的产品，并在多个城市进行试验，深圳国电科技公司２００４年利用西班牙ＤＳ２公司
的芯片研制出２００Ｍｂｐｓ的ＰＬ 品。 （３）相关国际性组织的建立
随着ＰＬ 术的发展，一些国际性ＰＬＣ组织相继成立，如ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线
联盟（ＨｏｍｅＰｌｕｇ
Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ
Ａｌｌｉａｎｃｅ）、电力线通信技术论坛（ＰＬＣ Ｆｏｒｕｍ）和电力线
Ｌｏｃａｌ
作为可供选择的本地接入系统协会ＰＡＬＡＳ（Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ硒ａｌｌ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ
Ａｃｃｅｓｓ）
等。其中ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线联盟由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等１３家公司于 ２００１年４月成立，致力于创造共同的家用电线网络通讯技术标准。美国Ａｄｖａｎｃｅｄ
Ｍｉｃｒｏ
Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＡＭＤ）、Ｃｏｎｅｘａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｅｎｉｋｉａ，Ｉｎｔｅｌｌｏｎ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ｐａｎａｓｏｎｉｅ，
美国Ｓ３下属的Ｄｉａｍｏｎｄ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ、Ｔａｎｄｙ／ＲａｄｉｏＳｈａｃｋ以及Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ等 都加入了该联盟。目前，ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线联盟已有９０家公司参与该组织标准的制 定工作，并已制定了第一个标准草案ＨｏｍｅＰｌｕｇ １．０规范。这些组织正在研究ＰＬＣ 技术标准、市场推进和政府管制政策等问题。
第一章概述
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
１．１．４为什么在Ｉ ｎｔｅｒｎｅｔ时 ＬＣ可以重放光彩
不难看出，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的发展使得ＰＬ 新焕发光彩，主要原因是ＰＬＣ可以作为 一种解决“最后一公里”问题的良好的方案。那么什么是“最后一公里”问题呢？ “最后一公里”是最随着光纤网的发展、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的普及而提出的问题，最早是指电 信服务商在公用模拟电话通信网建设中接入工程的入户部分，真正的“最后一公里” 是指从光纤节点到每个用户家庭之间不大于２公里的距离。由于光纤能够提供极高 带宽，而传统的电话线带宽只有几十ｋＨｚ，因此从光纤节点到用户终端之间的狭窄 信息通道就形成接入网络的“瓶颈”，从而导致信息传输速度缓慢。这就是一直困 扰着相当一部分用户和电信运营商的“最后一公里”问题，也是通信向宽带、智能、 个人化方向发展的主要瓶颈ＩＳ〕。 采用哪种通信方式来解决“最后一公里”的问题成为宽带网络运营商们不断探 索和关注的问题。于是人们想到了具有覆盖面广、连接方便、室内无需布线等显著 优点的低压电力线。但是必须把它与现代网络技术结合起来，应用最新的嵌入式技 术开发相关设备，才能 电力线通信的历史遗留问题。什么是电力线通信的历史 遗留问题呢？这就是速率低、功能少、稳定性低。由于这些遗留问题，十年前还只 有极少数人认真考虑将其作为一种宽带通信手段。 然而，随着调制技术的进步，人们在ＰＬ 术中引入了ＯＦＤＭ（ 频分多 路复用）技术，就使得电力线上的高速数据传输成为可能，ＯＦＤＭ技术第二章技术 背景里面有简要介绍。利用ＯＦＤＭ技术的调制 芯片的不断更新和嵌入式软硬 件技术的快速发展，使得电力线通信技术在Ｉｎｔｅｍｅｔ时 新焕发光彩。
１．２电力线通信技术的应用前景
目前电力线通信技术主要应用在因特网宽带接入即宽带电力线上网，除此之外， 电力线通信还有很广阔的应用范围，例如可以利用“电力线上网”的永久在线，构建 保安监控、医疗急救等系统【９】；随着Ｉｎｔｅｒａｃｔ的快速发展，技术领先的网络电视、网 络冰箱等网络化、智能化的家用电器都可以利用电力线进行互联和上网，这些电器都 可以认为是基于电力线通信技术的独立终端设备。应该说，这两种电力线通信技术的 主要应用前景都十分广阔。
４
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第一章概述
１．２．１宽带电力线上网
使用宽带电力线通信技术解决“最后一公里”是电力线通信技术的主要应用，表 １．１为“最后一公里”解决方案的几种通信方式的比较【ｌｏｌ。从表中可以看出，与传统 的以太网、ｘＤＳＬ、ＨＦＣ等正在被使用的宽带接入技术相比，ＰＬ 术实现宽带接入 将具有更强的竞争力：面向最广大的用户群；可提供最广泛的业务服务；较低的使用 费用。
表１—１“最后一公里“解决方案的几种通信方式的比较 通信方式
ＩＳＤＮ
最大速率（ｂｐ幻
１２８ｋ
物理介质 双绞线 度稳定
优点 电话和数据传输共享，接入速 不干扰普通电话使用，频带专
缺点 费用较普通电话线稍贵， 接入速度仍然偏低 频宽受距离限制．费用较 高，目前仅在少数地区使 用，点对点组网，局端设 备较贵，不适应建设独立 的数字化小区的需要． 必须拥有现成的有线电 视两络接入，并改造为双
下行ＩＭ～８Ｍ
ＡＤＳＬ
用。接入速度快，不平衡传输， 双绞线 适应网络访问规律．由于其基 于电话交换网络建设，因此建 设成本较低，建设速度快。不 受停电影响。
上行５１２ｋ～ ２Ｍ
ＦＩＦＣ系统
下行小于３０Ｍ 上行２Ｍ
接入速率与距离无关，决定于 同轴电缆 接入的用户数，多用户共享带 宽，可组网，不平衡传输。
向传输，改造费用大；在 新区域开办服务和铺设． 线路造价高昂，用户增多”’ 时，接入性能下降．受停 电影响，需加备用电源．
无需新线，分布广泛．接入方 便，多用户共享带宽，接入成 本低，建设费用低，两级结构．
１Ｍ～４５Ｍ．可
ＰＬＣ
未达到实用化阶段，没有 技术标准，受停电影响， 徭加备用电源，接入性能 受电同特性影响．共享通 信介质，限制着可以提供 给每个用户的带宽大小。 需室外天线，易受建筑物 阻挡，对天气、气候状况 敏感，易受其它同频段的 电台的干扰。 需要建设完善的光纤网 络，建设成本高。对于没 有敷设五类缆的用户，需 要布线。
以更高
电力线
电力线接入部分采用一点对多 点结构，与局端连接采用点对 点结构，可以独立建设数字化 小区服务，可以提供许多附加 增值服务。 建设速度快，无需布线，移动
电力线宽 带接入
８０２．１１无
线局域网 接入
１～２Ｍ，可达
１０Ｍ
大气
性强，建设成本较低，采用扩 频技术，抗干扰能力强．保密 性好
光纤 宽带接入
可达数１０Ｇ以
光纤和超 五类线缆
用户接入带宽高，可达１０Ｍ或 １００Ｍ．可靠性高，性能稳定
１．２．２基于电力线通信技术的独立终端设备 基于电力线通信技术的独立终端设备是ＰＬＣ应用的一种未来发展趋势，目前作者 所了解的基于电力线通信技术的独立终端设备主要用在中压配电自动化系统中。配电
第一章概述
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
自动化装置配备在配电网沿线各处，任务是采集配电线路和各种电力设备的运行参 数，送往配电自动化主站；同时接收配电自动化主站的相关控制命令，对线路和电力 设备进行控制【ｌｌ】。 本文的第二个设计目标——基于ＰＬＣ技术的远程单相复费率电表就是一种远程 终端设备。 ??单相复费率电表是具有分时计费功能的单相电能表【１２１，是在为了由于经济的迅速 发展引起的用电矛盾而实行的分时电价的背景下产生的。使用复费率电表，实行负荷 低谷时用电优惠政策，对用户来说，可以减少电费支出；对于电网来说，有利于提高 负荷率，使电网运行更经济，这对供用电双方都有利。
１．３本文的两个目标
本文有两个目标，首先提出基于Ｉｎｔｃｍｃｔ与ＰＬ 术相结合的上网方案，并进行 基础的开发，同时在ＰＬＣ上网方案的基础上设计与实现基于ＰＬ 术的远程电表。
１．３．１基于Ｉｎｔｅｎｅｔ与ＰＬＣ技术相结合的宽带上网方案 图１．１所示为目前主流的小区电力线宽带上网的示意图，图中的ＰＬ 端设备和
ＰＬ 制解调器为电力线通信设备，用来实现宽带上网， “最后一公里”问题。
一电力线 …??ＲＪ４５网线
”Ｂ
ｍｉ
Ｉｎｔｃｍｃｔ接入光缆
图１—１居民小区宽带上网示意图
Ｉｎｔｅｒａｃｔ信号经过小区机房后转换为以太网信号送往每座居民楼，然后经过居民
６
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第一章概述
楼每个单元内的电力线局端设备将以太网信号调制为电力线信号，通过电力线，每个 家庭内的 机只需要一个ＰＬＣ调制 器就可以上网。除了小区宽带上网之外， 这项应用对办公室、家庭、农村上网也很有意义。 本设 思路是应用美国Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司最新推出的电力线宽带通信芯片组 ＩＮＴ５５００ＣＳ〔１３】进行电力线通信的基础研究，主要工作为开发电力线宽带上网使用的电 力调制解调器，最高传输带宽可以达到８５Ｍｂｐｓ，通过使用ＰＬ 制解调器实现模拟 小区的电力线宽带上网。
１．３．２基于ＰＬＣ技术的远程电表
基于ＰＬ 术的远程电表在居民小区的应用示意图如图１－２所示，这种电表的 通信方式类似于用户家中的ＰＬ 制解调器，其功能为采集用户家中的电量并通过 电力线将数据传输给本单元的局端设备，然后通过以太网传送给小区中的电量采集系
统。作者在远程电表设计时留有较大的扩展空间，后续开发人员可以在其基础上进行
更复杂的开发、增加譬如单元楼视频监控等多种附加功能。
电力公司
一电力线 …１０４５两线
……Ｉｎｔｅｍｅｔ接入光缆
固１—２应用ＰＬ 程电表的居民小区示意图
１．４本文工作
为了实现上述两个目标， 本文需完成以下工作 （１）选择设计方案 在设 件和软件之前， 首先要选择好设计方案。
第一章概述
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
（２）制作实验电路板 ①芯片选型； ②了 片的外围电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图 ③绘制Ｐ 电路图，联系厂家制作电路板； 他元器件的选型与采购等： ⑤焊接、测试，完成硬件系统。 （３）软件设计及测试 ①Ｍ 方软件的设计与测试； ②设计软硬件结合测试的Ｐ 和Ｍ 方测试程序； ②完成软硬件总体测试； ③总结整个开发过程中的经验
１．５论文结构
全文共六章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了电力线通信ＰＬ 历史、发展和现状，给出了毕业设计的核心内 容和设计步骤； 第二章介绍了电力线通信传输技术、嵌入式以太网和远程电表的相关基础； 第三章讲述了应用ＰＬ 术的宽带上网方案的初步实现，包括实现电力线通信 的ＳＤ．５５００型电力线调制 器的硬件设计与实现，以及成品测试程序的编写； 第四章讲述了基于ＰＬ 术的远程复费率电表的硬件设计与模块测试： 第五章讲述了基于ＰＬ 术的远程复费率电表的软件设计与测试； 第六章为结束语，对整个设计做了总结。
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第二章相关技术基础
第二章相关技术基础
虽然低压电力线作为传输介质对高速数据传输有许多不利因素，但是在Ｉｎｔｅｍｅｔ 时代电力线通信却能够异军突起，成为 “最后一公里”问题的极具竞争力的方
案之一，主要原因是在于适合电力线通道特性的信号调制技术——正交频分多路复
用（ＯＦＤＭ）调制技术的应用和半导体工艺的不断发展。ＩｎｔｅＵｏｎ公司的专利技术 ＰｏｗｅｒＰａｅｋｅｔ便是以ＯＦＤＭ为物理层的基本传输技术，该技术能够提供高速的电力 线数据传输，目前应用广泛。随着电力线通信的广泛应用，各项标准和协议也随之 出台对其进行规范，目的是使用户享受到安全、快速的电力线宽带通信。 本章首先简要介绍了电力线通信的关键技术： 频分多路复用技术和在该技 术上发展的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术；接下来介绍了与电力线通信相关的协议、标准以及 技术指标；最后给出了复费率家用电表的若干技术要求。
２．１电力线通信的关键技术要素和技术指标
电力线通信的关键技术要素包含抗干扰能力强的ＯＦＤＭ信号调制技术和被
ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线联盟采用的ＩｎｔｅＵｏｎ公司的专利技术——ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术，包括
物理层和介质访问控制层所使用的技术。ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线联盟以这项技术为基础， 制定了通信技术方面的ＨｏｍｅＰｌｕｇ １．０协议；在电磁干扰性方面，各种标准已经在制 定之中，所有这些都是为了能够使用户享受到安全、快速的电力线宽带通信。
２．１．１
ＯＦＤＭ信号调制技术
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ
ＯＦＤＭ的英文全称是Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ
Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，中文全称是
频分多路复用。这种思想早在２０世纪６０年代〔Ａ】就已经提出，但是由于使用
当时元器件实现起来复杂度太高，所以一直没有发展。在２０世纪７０年代，Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ 等人提出了一种使用离 立叶（ＤＦＴ）实现ＯＦＤＭ的方法，为ＯＦＤＭ的实用化
奠定了理论基础【１４Ｊ。
在传统的数字通信系统中，符号序列被调制到一个载波上进行串行传输，每个 符号的频率可以占用信道的全部可用带宽。ＯＦＤＭ信号调制方式是将可用的频谱分 为Ｎ个频带较窄、相对低速率传输的子载波，子载波的幅频响应相互重叠和 。 每个子载波可以分别使用不同的调制方式也可以使用相同的调制方式，比较常用的
９
第二章相关技术基础
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
有ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ和ＱＡＭ等调制方式。串行传输的符号序列也被分为长度为Ｎ的 段，每个段内的Ｎ个符号分别调制到Ｎ个子载波上一起发送。可以看出，ＯＦＤＭ 是将一组高速传输的串行数据流转换为低速传输的并行数据流，并将这些并行数据 调制到相互正交的子载波上，实现并行数据传输。虽然每个子载波的传输速率并不 高，但是所有的子信道加在一起可以获得很高的传输速率 近年来，由于数字信号处理技术的飞速发展，ＯＦＤＭ作为一种可以有效对抗信 号间干扰的高速传输技术，得到了广泛应用。目前ＯＦＤＭ技术已经成功的应用于 ＡＤＳＬ、无线本地环路、数字音频广播、高清晰度电视ＨＤＴＶ、无线局域网ＷＬＡＮ 等系统中【１５ｌ。
２．１．２
ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术
Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司是全球领先的电力线通信 方案的半导体器件供应商。凭借其 ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ专利技术，该公司从建立初期就成为电力线通信方面的领导者。 ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术是第一个投入市场的电力线通信技术，传输速率在民用电力线上 高达１４Ｍｂｐｓ。由于技术的先进性，ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线联盟以它为基础，制定了该联
盟的第一个工业标准ＨｏｍｅＰｌｕ９１．０协议。
ＰｏｗｅｒＰａｅｋｅｔ是一个全面的网络方案，包括网络模型中的物理层ＰＨＹ和介质访 问控制层ＭＡ ＰｏｗｅｒＰａｅｋｅｔ技术中的物理层使用前面介绍的正交频分多路复用 （ＯＦＤＭ）作为基本的传输技术，除此之外，还加入了维特比（Ｖｉｔｅｒｂｉ）译码和ＲＳ
（Ｒｅｅｄ
Ｓｏｌｏｍｏｎ）前向纠错码作为纠错技术：在处理帧控制信息时采用了Ｔｕｒｂｏ编
码方式；ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术的ＭＡ 协议采用与８０２．１１相似的带有冲突避免的载 波侦听多路访问协议（ ＭＡ〕ＣＡ），该协议采用侦听机制和在发送之前随机选择 延迟事件的策略来避免冲突。同时还增加了几种特 性用于支持优先级控制、公平的竞争机制１１６】。 （１）ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的物理层 ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ占用的频段为４．５ＭＨｚ～２１ＭＨｚ。 ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术中的ＯＦＤＭ调制使用了差分 相位调制技术，图２．１为差分相位调制的原理，在
图２－１
符号时１ ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ差分相位调制
这种调制方式下，数据被编码为同一载波上的时间顺序上的当前符号与前一符号之
间的相位差。
１０
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第二章相关技术基础
ＯＦＤＭ波形通常使用快速傅立叶逆变换（ｔＦＦＴ）得到，在这个变换中，包含复杂 信号的频域数据来调制载波。ＩＦＦＴ的输出是时域的信号，称为ＯＦＤＭ符号。每个 符号的持续时间等于各个子载波间隔的倒数。由于傅立叶变换是可逆的，所以这些 数据可以通过 傅立叶变换进行复原，将时域信号转换为频域信号。图２－２就是
保护间隔和循环前缀 ＯＦＤＭ符号
厂———————八————〕
载波 频域 图２－２频域信号和时域信号的互相转换 时域
频域信号和时域信号之间的互相转换。
在图２－２可以看到，时域信号中除了包含ＯＦＤＭ符号和保护间隔（是必须有的） 之外还包含循环前缀，使用循环前缀技术是ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的一个技巧，循环前缀是 时间为最后几毫秒的ＯＦＤＭ符号的复制。循环前缀是传输数据中可以丢弃的部分， 它可以受到符号之间干扰的影响和破坏。如果不使用循环前缀，那么傅立叶变换中
的某些采样信号可能会包含来自前面一个或者后面一个的ＯＦＤＭ符号的能量。
ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的帧结构如图２．３所示，包含帧起始定界符、有效负荷和帧结束定 界符。其中有效负荷包括帧头、帧体和校验部分。定界符由一个前导序列和采用卷
积编码的帧控制域组成。
帧起始定界符 帧头 帧体 帧校验序列 帧结束定界符
２５位 ６字节 ６宇节 ５字节 Ｉ前导码 帧控制域 段控制 目标地址 源地址
长度可变 帧体有效数据 有效负荷 填充
２字节
ＦＣ，Ｓ
２５位
前导码ｌ帧控制域
图２－３ ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ帧
帧的有效数据部分包含帧头、帧体和校验部分，它的传输速率依据收发双方之 间的信道特性而定，具有速率自适应能力。速率自适应通过三种方式实现：关闭某
些载波不让其传输数据；改变载波的调制方式——在ＤＱＰＳＫ或ＤＢＰＳＫ两种方式
之间切换、在３／４和１／２之间改变卷积方式的前向纠错速率。这种“最佳有效数据 传输速率的自动协商”技术是ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ在电力线上实现高速数据传输的基础。 同时ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术中还有一种编码模式——“ＲＯＢＯ”模式，它是提供最
第二章相关技术基础
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
低的传输速率，最可靠的编码模式。该模式的所有载波均采用ＤＢＰＳＫ调制且采用 高可靠性的纠错方式。这种模式主要用于尚未进行通道适应的初始通信、广播式的 通信或在通道状况较差时的单点通信，可以保证最可靠的数据传输。
（２）ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的ＭＡＣ层
ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ的介质访问控制层同时使用物理载波侦听和虚拟载波侦听的技术 来检测是否有另外一个站点在传输数据。物理载波侦听监测其他站点传输的ＯＦＤＭ 符号。虚拟载波侦听随时跟踪传输介质是否被其他站点占用。这些信息都存储在每 个定界符的帧控制域中，接收者就可以根据包含在每个定界符控制域中的信息来判 断当前传输将持续的时间。 冲突检测：由于电力线网络布局范围大且带有不 性，所以在传输期间冲突 不能够被直接检测到，举个形 例子来说：传输者对于自身的情况听得清清楚楚， 但是对于远端站点的冲突传输就像处于“失聪”状态。ＭＡＣ层的冲突是通过未接 收到目标站点的期望应答来确定的。所有单播传输都需要使用响应定界符
Ｒｅｓｏｐｏｎｓｅ
ｄｅｌｉｍｔｅｒ来进行 。ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ同时也使用消极应答，当接收到的帧
出错或者由于自身资源有限无法处理接收到的帧时，接收方就会发送这种消极应 答，如ＮＡＣＫ或者ＦＡＩＬ。 信道访问：ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔＭＡ 的信道访问机制与以太网相似，使用带有指数 补偿的随机竞争窗 制。竞争窗 面有一段优先级决议周期，在这个周期内， 如果一个站点的帧位于高优先级的队列中， 这个站点获得竞争窗口的机会要比 低优先级的站点大。当一个节点完成传输，则其他的节点如果有数据包在传输队列 中，则在优先级决议周期内声明自己的优先级。使用ＯＦＤＭ符号的编码方式允许 网络中所有站点决定是否有其他更高优先级的站点声明使用竞争窗口。
２．１．３协议和标准
由于目前各种电力线通信技术正在试验比较和不断发展，现在还没有形成统一 制式的局面。电力线高速通信技术标准可分为通信技术专用标准和有关的电磁兼容 标准两大类。由于目前没有统一的通信协议和电磁兼容性标准，所以作者介绍一下 目前应用较多的ＨｏｍｅＰｌｕ９１．Ｏ技术规范。 （１）通信技术协议 在通信技术协议方面，ＨｏｍｅＰｌｕｇ电力线联盟在２００１年推出了以ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ
１２
电力线通信技术应用研究及其在远程电 的应用
第二章相关技术基础
技术为基础的传输速率为１４Ｍｂｐｓ的１．０版技术规范，即将推出速率为２００Ｍｂｐｓ的 Ａｖ版技术规范。本文使用的电力线通信增强型芯片组ＩＮＴ５５００ＣＳ向下兼容１．０版 本。下面简要介绍一下ＨｏｍｅＰｌｕ９１．０技术规范。 ＨｏｍｅＰｌｕ９１．０规范是基于 频分复用（ＯＦＤＭ）的一种利用电力线作为媒介的 高速网络系统标准，为在家庭环境下利用交流电源线进行数据通信而设计，
ＨｏｍｅＰｌｕｇ
１．０有以下特点【”】：
①具有可与１０ＢＡＳＥ—Ｔ以太网相媲美的１３Ｍｂｐｓ的最大的物理层负载率，并可 以扩展到更高的速率；
．
②自适应速率收发器可以根据对等连接基础的最小包错误率优化数据传输率， 也就是可以根据线路情况动态调节数据传输率； ③ＯＦＤＭ多音频调制可以在线路存在延时和高频选择性信道的情况下，不使
用均衡器就提供强劲的通信：
频掩码功能可用来和其他电力线服务兼容或符合国际调整的要求； ⑤ＭＡＣ层自动重复请求（ＡＲＱ）可以保证在高噪音情况下的可靠性； ⑥类似于ＩＥＥＥ ８０２．１１的带优先级信号的信道存取确保了高优先级帧的优先．
●
顺序；
⑦可选用与ＩＥＥＥ
８０２．３
ａｕｓｅ２２媒介独立接ＣＩ（ＭＩＩ）兼容的接１３。
（２）电磁兼容标准 ２００３年４月美国Ｆ 发布了关于电力线宽带ＢＰＬ技术及其系统的“调查公告
（Ｉｎｑｕｉｒｙ）”，计划在Ｆ Ｐａｒｔｌ５中增加有关电力线宽带的内容。２００４年２月又发布 了“建议规则制定公告（Ｎｏｔｉｃｅ
ｏｆ Ｐｒｏｐｏｓｅｄ
Ｒｕｌｅｍａｋｉｎｇ）”，建议修改有关电力线宽
带的一些技术管制规则，寻求电力线宽带及其他射频设备辐射干扰的统一测量办 法，要求电力线宽带设备采用适当的干扰排除技术，避免对公众安全、业余无线电 爱好者等用户的有害干扰。一旦发生问题，这些技术会自动让电力线宽带设备停止 运行或动态减少辐射功率以及避免在特定功率上运营而产生有害干扰。 ２００４年７月，由ＩＥＥＥ电力工程协会电力系统通信委员会发起的“电力线宽带 标准工作组Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｏｖｅｒ
ＰｏｗｅｒＬｉｎｅ
Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ”宣布开始着手制定
《电力线宽带硬件标准（ＳｔａｎｄａｒｄｆｏｒＢｒｏａｄｂａｎｄｏｖｅｒＰｏｗｅｒＬｉｎｅＨａｒｄｗａｒｅ）》ＩＥＥＥ Ｐ１６７５，计划于今年中期完成制定工作，ＩＥＥＥ Ｐ１６７５将为电力公司提供一个在架空 或地埋电力线上进行硬件安装的完整标准，主要内容为：为电力线宽带的外围硬件
第二章相关技术基础
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
设备提供安装、测试和验收的标准，不涉及中继器等通信节点的硬件、数据传输、 协议等内部的规范【１羽。 ２．１．４通信速度、干扰因素等技术指标 （１）通信速度 ＯＦＤＭ信号调制技术将信道可用带宽划分为若干相对窄的子带，其总传输速率 接近系统的设计容量。在自适应ＯＦＤＭ系统中，根据信道条件，采用最优化的调 制电平和功率分配可以实现１０Ｍｂｐｓ甚至１００Ｍｂｐｓ的数据传输【４】。 （２）通信距离 当电力线空载时，点对点载波信号可以传输几公里。但当电力线上负荷较大时， 采用ＰＬ 术只能传输２００米左右，要想实现更长距离的数据传输，可以采用增加
中继的方式。
（３）干扰因素 将低压电力线作为通信信道，其遇到的主要干扰有【１９１： ①低压电力线上的负载介入较多，电气频率特性各不相同，阻抗时变性和随 机性大，很难做到阻抗匹配，且存在着较大的频率不一的干扰信号。 力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达１ 欧姆以下，造成对载波信号的高削减。 ⑨电力线上存在着高噪声。电力线上皆有各种各样的用电设备，有阻性的、 感性的和容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电 力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。 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，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、参差不齐的信号。 （４）安全性
＾，
由于ＰＬ 术是利用现有的２２０Ｖ低压电力线进行数据传输，与专用通信线路的弱 电信号不同，所以必须保证使用者的安全，ＰＬＣ设备一般采用如下保护措施： ①利用线圈的感应耦合原理，将高频信号通过线圈耦合到电力线中和从电力线 上分离。使得ＰＬＣ设备的内部线路与２２０Ｖ电力线从物理上隔离开来，不会直接连接。 ②ＰＬＣ设备的电路设计中，强电和弱电分开设计，保证信号线路中不会出现高
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第二章相关技术基础
电压。
③ＰＬＣ设备的电路中，设置过压保护装置，避免由于感应或短路而造成对计
算机和用户的伤害。
中国电力科学研究院对目前国内外的电力线通信系统进行了大量的实际测试，对 特定的试验结果上进行总结，得到如下结论口０】： ①ＰＬＣ系统的使用不会干扰其他无线业 工作； ②如果ＰＬＣ系统进行很好的功率控制，不会影响近距离的短波无线电接收机
的收听效果：
③电网的剧烈负荷变化对ＰＬＣ系统的运行有一定影响，但影响幅度不大； 用电器，特别是质量不合格的带有开关电源的电器设备对ＰＬＣ系统的性 能有一定影响，但可以通过使用阻波器加以改善； ⑤ＰＬＣ网络能够适应电网及负荷的变化，能够为用户提供稳定持续的Ｉｎｔｅｍｅｔ
接入服务。
２．２嵌入式以太网技术
嵌入式以太网技术（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｅｔｈｅｍｃｔ）是指将以太网标准应用于嵌入式系统组
网的技术。图２－４给出了嵌入式以太网模型。由于以太网通
应用层 裁剪的Ｔ ／ＵＤＰ 裁剪的ｍ 以太 ＡＣ 以太网ＰＩＰ／” 图２－４嵌入式以太网模型
信时遵循ＴＣＰ仰协议，因此，嵌入式以太网也需要支持
ＴＣＰ／ＩＰ协议。同时由于嵌入式系统资源的有限性以及应用
的特定性，一般并不实现全部Ｔ ／ＩＰ协议，而采用经过裁
减的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈。在保留传统ＴＣＰ／ＩＰ协议优点的同时，
必须对它进行精简，尽可能做到 精简、存储开销小，
从而满足嵌入式系统的要求。
２．３家用电表的若干技术的要求
经国家技术监 批准，国内于１９９５年首次发布了“复费率（分时）电度表”（ＧＢ／Ｔ １５２８４０４）。实施了若干年后并参Ｎ１ＥＣ规范，经修订，国家质量监 验检疫总局于 ２００２年８月５日发布了 ＧＢ／Ｔ １５２８４．９４的新标准——“多费率电能表特殊要求”
（ＧＢ／Ｔ １５２８４．２００２）。标准规定了固定安装的、测量参比频率为５０Ｈｚ（或６０Ｈｚ）交流有
功和／或无功电能的多费率电能表的分类、要求、试验方法和检验规则等。在标准的
第二章相关技术基础
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
“要求”部分。ＧＢ／Ｔ １５２８４－２００２对电能表的功能、机械、电气、准确度、气候条件、
电磁兼容、输出装置、电能示值误差和平均寿命等的特殊要求作了规定。它应具有下 列基本功能【２‘１： （１）有日历和时钟；在２４小时内至少可任意编程８个时段（最小间隔１５分
钟）；
（２）至少有两个费率计数器； （３）至少存储上月总电能和各费率电能量值（被测量值可用机电计数器或电 子显示器显示），通过数据通信接口可以读出；
．
（４）每月只允许一次时间指示偏差＋／－１０分钟内的校准功能； （５）对电子显示器具有自检、计数器复零（应有防止非授权人进行操作的措
施）及显示方式选择等功能；
（６）应该能记录最后一 程日期及已编程的总次数。
１６
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第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
第三章电力线通信与ｌ ｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
电力线通信与Ｉｎｔｅｍｅｔ相结合是当前研究的热点，一方面电力线是最为普及、覆 盖范围最广的一种物理介质，远远超过有线电视网络甚至电话线路的覆盖面，另一方 面“最后一公里”问题、“宽带不宽”都是目前宽带介入市场需要解决的问题。Ｉｎｔｅｌｌｏｎ 公司生产的电力线宽带通信芯片，依靠其拥有专利的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术提供可靠稳定 的电力线宽带通信，利用电力线通信较好地解决了上述宽带市场出现的问题，已经成 为目前使用最普遍的电力线通信芯片。 本设计应用ＩｍｅＵｏｎ公司于２００５年６月份量产的增强型低压电力线宽带通信芯片 组ＩＮＴ５５００ ，将电力线通信与Ｉｎｔｅｍｅｔ结合起来实现宽带上网。本章首先进行总体
描述和技术要点分析，然后给出了用于电力线宽带上网的电力线调制 器的芯片选
型和硬件设计，以及电力线调制 器的成品测试，最后给出了作者在整个设计和制 作以及测试过程的体会。
３．１总体描述与技术要点分析
３．１．１总体描述
本设 主要目标是电力线通信调制 器（以下称ＰＬＣ调胄４解调器）的设计， 通过电力线通信调制 器，可以实现两台ＰＣ机之间点对点的通信，也可以实现电 力线通信与〕Ｉｎｔｅｍｅｔ的结合实现宽带上网。 图３．１所示为通过两个ＰＬＣ 调制 器实现点对点的电力 线高速数据通信。两个ＰＬＣ调制
器分别通过Ｐ０４５网线与两
台Ｐ 相连，另外一端通过电 力线接入电源插座，通过普通
｜最
Ｚ三
一电力线
…¨ＲＪ４５网线
图３－１ ＰＬ 制解调器的点对点连接
２２０Ｖ电力线进行点对点的数据传输。 图３－２所示为通过ＰＬ 制解调器模拟小区宽带上网，图中的交换机模拟小区 机房中的出口路由器和交换机，ＰＬ 制解调器Ａ模拟小区住宅楼某单元的ＰＬ 端设备，将Ｉｎｔｅｍｅｔ信号注入到电力线中。图中右侧虚框中模拟实际小区用户家中的
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
上网环境。在实际应用中，根据Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司的建议，用户的数量不超过２０个为宜。
ｌ￡童 》淼…√
能。 ３．１．２硬件模块划分
调制 嚣
么一凰』｜白ｌ… 曰¨Ｃ＝即
一电力线
…¨ＲＪ４５网线
图３－２模拟小区ＰＬ 制解调器宽带上网
与电话线网络等专用网络不同，电力线网络属于开放式网络，所以在进行小区上 网的方案中局端设备需要具有端 离、ＰＬＣ调制 器加入认证等功能，这些功能 可以确保小区用户上网的时候不能访问同一单元、同一小区内的其他用户的机器。由 于本设计主要目标是能够实现电力线通信的基础技术，所以在设计中没有加入上述功
ＰＬ 制解调器的主要功能是进行电力线通信信号和以太网通信信号之间的转 换，所以硬件模块既包含电力线通信模块也包含以太网通信模块，如图３．３所示，虚 线框内的是电力线通信模块，实线框内的是以太网通信模块。两个模块的交叉部分就 是本设计用到的电力线通信ＭＡ ＰＨＹ集成收发芯片ＩＮＴ５５００，本章在芯片介绍一节 对其进行详细介绍。
一
电力线通信模块Ｌ——————七薹薹Ｂ嚣爵
发送数
据总线
船嚣
阖｛以太黜信敞
图３－３电力猫硬件连接总体框图
图中以太网通信模块主要的芯片有Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司生产的电力线宽带通信芯片组 ＩＮＴ５５００ＣＳ中的电力线通信ＭＡ ＰＨＹ集成收发芯片ＩＮＴ５５００和Ｂｒｏａｄｃｏｍ公司生产 的带有ＭＩＩ接口的以太网物理层芯片Ａ ０１ＬＫＱＴ（以后简称Ａ ０１），ＩＮＴ５５００与 ＡＣｌ０１之间通过ＭＩＩ总线进行数据通信。同时该模块使用了内部含有隔离变压器的 ＲＪ４５接口底座，用来通过ＲＪ４５网线连接ＰＣ机、交换机等带有网络接 设备。
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
电力线通信模块同样包含ＩＮＴ５５００，同时也包含ＩＮＴ５５００ 芯片组中的模拟前 端芯片ＩＮＴｌ２００，ＩＮＴ５５００和ＩＮＴｌ２００通过独立的接收、发送数据总线进行数据传输。 电力线通信模块还包括几个主要的电路，如保护电路、信号耦合 电路、接收滤波 电路、发送滤波电路和电源模块等等。 下面通过ＰＬ 制解调器在电力线上收发数据的流程来介绍相关模块的功能： 从电力线上接收数据时，电力线上的ＯＦＤＭ信号经过信号耦合 电路从２２０Ｖ 电力线上 下来； 后的信号经过接收滤波电路过滤掉频率位于４．５ＭＨｚ至 ２１ＭＨｚ之外的信号；过滤后的信号接下来发送给模拟前端芯片ＩＮＴｌ２００；ＩＮＴｌ２００ 将信号转换成ＩＮＴ５５００可以处理的数据并通过数据总线发送给ＩＮＴ５５００；ＩＮＴ５５００ 将数据解析出来之后转换为以太帧数据通过以太网物理层芯片ＡＣｌ０１转换成以太网
的物理信号，通过ＲＪ４５网线传输给Ｐ 。 ＰＣ方发送数据时，首先将数据转换为以太网上的物理信号，经过ＩＵ网线后通过
ＰＬ 制解调器的ＲＪ４５接 交给Ａ ０１；Ａ ０１将以太网上的物理信号转换为以 太帧数据并通过ＭＩＩ接 输给ＩＮＴ５５００；ⅢＴ５５００将以太帧数据进行格式转换后发 送给模拟前端芯片ＩＮＴｌ２００调制为０Ⅱ）Ｍ信号，然后经过发送滤波电路进行信号过
滤；由于电力线网络结构比较复杂，所以可能存在信号强度不够的问题，这就需要使
用信号放大芯片进行信号放大，以增加传送距离；经过放大后信号经过耦合 电路
即可调制到电力线中。
３．２硬件介绍
电力线通信芯片是ＰＬＣ调制 器的核心部件，所以选择合适的电力线通信芯 片非常重要。目前国内外开发研制的电力线通信系统中的芯片使用最多的是美国 Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司生产的ＩＮＴ５１ｘｌ电力线通信芯片，该芯片可以实现在电力线上的１４Ｍｂｐｓ
的传输速率。作者选用的芯片——｛ｎｔｅｕｏｎ公司生产的ＩＮＴ５５００芯片组是ＩＮＴ５１ｘｌ的
更新换代产品，在电力线上的传输速率可以达到８５Ｍｂｐｓ。据作者了 目前国内有 几家大公司已经研制出使用该芯片组的ＰＬＣ调制 器产品。 ３．２．１电力线宽带通信芯片组ＩＮＴ５５００ ＩＮＴ５５００ＣＳ是美国Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司于２００５年第二 推出的的增强型低压电力线 宽带通信芯片组，芯片组包含电力线通信ＭＡ ＰＨＹ集成收发芯片ＩＮＴ５５００和模拟
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
前端芯片ＩＮＴｌ２００。
（ｉ）ＩＮＴ５５００芯片介绍田ｌ 电力线通信ＭＡ ＰＨＹ集成收发芯片ＩＮＴ５５００采用了Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司获得专利的 ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ正交频分多路复用（ＯＦＤＭ）技术，该芯片完全兼容Ｈｏｍｅｐｌｕ９１．０协议 最高传输速率可以达到８５Ｍｂｐｓ。图３－４为ＩＮＴ５５００的内部结构图，ＩＮＴ５５００引脚图 见附录Ａ．Ｉ。
图３—４ ＩＮＴ５５００内部结构图
ＩＮＴ５５００具有以下特点：
（１）兼容电力线通信协议ＨｏｍｅＰｌｕｇ １．０协议： （２）支持ＱＡＭ ２５６／６４／１６，ＤＱＰＳＫ，ＤＢＰＳＫ和ＲＯＢＯ调制机制，能够获得更 高的数据吞吐量； （３）低功耗；
（４）使用获得专利的ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ通信技术 在嘈杂环境中保持数据传输的高
可靠性；
（５）智能化的依据信噪比分配可用频率通道的自适应功能保证在恶 电力线 通信信道中进行高达８５Ｍｂｐｓ的可靠传输，得到可靠保证； （６）集成了前向纠错，无竞争访问和ｓｅｇｍｅｎｔ ｂｕｒｓｔｉｎｇ等ＱｏＳ特性； （７）实现了ｋｅｙ管理的５６位ＤＥＳ ｌｉｎｋ加密用于电力线通信信息安全； （８）使用优先级机制和自动重传请求（ＡＲＱ）机制一同 传输的可靠性。
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第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
ＩＮＴ５５００有两种工作方式：Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ工作方式和ＰＨＹ工作方式。Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ方 式下ＩＮＴ５５００类似于以太网的ＭＡ 芯片，它可以通过ＭＩＩ接 接符合
ＩＥＥＥ８０２．３ｕ标准的带ＭＩＩ接
表３—１ ＩＮＴ５５００芯片川Ｉ接 脚说明（Ｈ。ｓｔ／ＤＴＥ模式） 引脚名称 ＴＸＤ〔０’３〕
ＴＸ ＥＮ ＴＸ ＥＲ ＴＸ
以太网物理层芯片。ｆｒｉｌｌ主要为数
据链路层中的ＭＡ 层与物理
所在引脚
６２’６４、６７ ５９ ８４
７２
功能描述 ４位数据发送端 输出） 数据发送允许信号输出脚 数据发送出错信号输出脚 数据发送时钟信号输入脚 ４位数据接收端口 接收效据有效信号输入脚 接收数据出错信号输入脚 数据接收时钟信号输入脚 ＭＩＩ管理数据时钟输出脚 ＭＩＩ管理数据输入输出脚 ＭＩＩ载波侦听输入脚 ＭＩＩ冲突检测输入脚
层提供接 它的发射、接收以 及同步信号都是以四位总线的形 式进行。ＰＨＹ方式下的 ５５００ 类似于以太网物理层芯片，它可 以连接符合ＩＥＥＥ８０２．３ｕ标准的带 ＭＩＩ接 以太网ＭＡＣ层芯片或
带有ＭＡ 块的ＭＣＵ，第四章
ｇｘｅ〔０’３〕
Ｒｘ Ｄｖ
５３’５Ｚ、４９’４８
５４
ＲＸ ＥＲ Ｒｘ ｃ
ＭＤｃＬＫ
５８ ５７
４７ ４４ ６９
如１０
Ｓ
Ｌ
６８
中讲述的基于ＰＬ 术的远程电
表中使用的Ｍ ５２７１主控芯片便是带有ＭＡ 块的微处理器。
ＩＮＴ５５００的ＭＩＩ接 脚功能说明如表３．１所示，由于ＩＮＴ５５００工作在不同模式 下的ＭＩＩ接 脚的输入输出方向不同，所以表中只对Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式下的ＭＩＩ接口
引脚进行说明。
（２）ＩＮＴｌ２００芯片介绍∞ｌ ＩＮＴｌ２００为ＩＮＴ５５００的配套模拟芯片，该芯片内部主要包含一个１０位的模数转 换模块和一个８位的数模转换模块，模数转换模块的采样率为５０ＭＳＰＳ（ｍｉｌｌｉｏｎ ｓａｍｐｌｅ
ｐｅｒ
ｓｅｃｏｎｄ），数模转换模块的采样率为ＩＯＯＭＳＰＳ。模数转换模块的功能为将电力线上
接收到的ＯＦＤＭ信号转换为数字信号后通过发送数据线发送到ＩＮＴ５５００；数模转换 模块的功能是将ＩＮＴ５５００发送过来的数字信号转换为模拟信号送往电力线。ＩＮＴｌ２００
引脚图见附录Ａ．２。 ３．２．２以太网物理芯片ＡＣｌ０１ＬＫＯＴ
ＡＣｌ０１ＬＫＱＴ是由美国Ｂｒｏａｄｃｏｍ公司生产的单通道、低功耗、使用广泛的 １０／１００ＢＡＳＥ．ＴＸ／ＦＸ物理层收发器，其主要性能如下【２４】： （１）兼容ＩＥＥＥ８０２．３和ＩＥＥＥＳ０２．３ｕ（１０ＢＡＳＥ—Ｔ／１００ＢＡＳＥ．Ｔ／１００ＢＡＳＥ－ＦＸ）标准； ）支持全双工和半双工模式；
２Ｉ
第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上两
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
（３）内部集成了一个２．５ｖ电压调节器，可以在３．３Ｖ或２．５Ｖ电压下工作 （４）带有ＭＩＩ接口； （５）多功能ＬＥＤ输出； （６）线缆长度指示功能； （７）ＨＰ自动协商ＭＩＤ／ＭＤＩＸ； （８）八个可编程中断： （９）内部带有诊断寄存器。
３．２．３启动代码存储芯片Ｍ２５Ｐ１０＿Ａ
ＩＮＴ５５００有两种不同的启动方式：从外部Ｆｌａｓｈ启动和主机控制启动。本设计中 使用的是从外部Ｆｌａｓｈ存储器启动，使用的Ｆｌａｓｈ存储器是意法半导体公司（ＳＴ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）公司生产的１兆位串行Ｆｌａｓｈ芯片存储芯片Ｍ２５Ｐ１０－Ａ，用于存储ＰＬＣ
调制 器的ＭＡ 址等信息，该芯片引脚图如图３．５所示，引脚详细说明见表３－２。
Ｍ２５Ｐ１０．Ａ有以下特性嘲：
（１）１页（２５６字节）的典型编程时间为１．５毫秒；一个块（２５６ｋ 位）的典型擦除时间为２秒；典型整体擦除时间为３秒： （２）支持宽范围电压２．７Ｖ０３．６Ｖ；最高时钟频率为２５ＭＨｚ； （３）深度休眠模式下的最小电流为ｌ微安； （４）超过１０万 擦除／写入循环；数据 能够保持年限超过２０年。 需要注意的是，意法半导体公司在 Ｍ２５Ｐ１０－Ａ之前生产了Ｍ２５Ｐ１０串行Ｆｌａｓｈ芯 片，Ｍ２５Ｐ１０．Ａ是其增强版本。主要区别在于 页大小增加、编程时间短、时钟频率增加， 虽然只是加了一个后缀，但是在编程时的差 别比较大。 ３．２．４电力线信号耦合 装置 使用电力线进行数据通信，必须能够将高频的数据信号从电力线上“拿”下来或 者“放”到电力线上去，而我们知道电力线上的电压较高、电流较大，不能将信号线 和电力线直接相连，所以必须使用一种非接触式的设备才行，这就是电力线信号耦合
表３－２ Ｍ２５Ｐ１００”－Ａ引脚说明 引脚序号 功能说明（Ｉ为输入。为输出） （Ｄ芯片选择，低电平有效 （ｏ）串行数据输出 Ｏ）写保护，有效时不能进行擦除 写入操作低电平有效 电源地 （Ｄ串行数据输入 ｍ串行时钟信号输入 （Ｄ用来暂停串行数据通信 低电平有效 ３．３Ｖ电源供给脚
圈３－５ Ｍ２５Ｐ１０引脚
１磊
２ ＳＯ
３丽
４ＧＮＤ ５ ＳＩ
６Ｓ Ｃ ７葡瓦石 ８Ｖ
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第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结台实现宽带上网
装置的功能，该装置为电容宽带耦合装置，另外一种常见的耦合装置是电感耦合装置
由于本设计中没有采用电感型装置，故在此不再描ＲＸ＿Ｐ——、
述。其电路原理如图３－６所示。其中Ｔ１为电力线 ＜
＜
信号耦合变压器，ｃｌ为高频电容，Ｄ１为防雷管，３Ｄ（＿一Ｐ——、
ＭＯＶＩ为压敏电阻。
＜
一固，。 电力线耦合电路示意图
高频电容一端连接电力线，另一端与耦合变压
器相连。该电容为高压电容（耐压值≥２７５Ｖ），既
耦合高频载波信号，又起到高压工频隔离的作用。耦合变压器Ｔ１不仅具有隔离作用， 同时也实现了信号线平衡一不平 变化和阻抗的变化作用。由耦合电容ｃ１和耦合 变压器Ｔ１的初级线圈组成高通滤波电路，阻止了５０Ｈｚ的工频电流，并尽可能的减少
衰减低频噪 干扰信号，而对高频载波信号，提供尽可能小的衰减及线形幅频、相 频特性【”。
需要注意的是，在实际使用中，由于耦合电路直接与电力线连接，所以除了考虑
绝缘之外，还应能够防止电网上由于雷击等造成的过压问题，因而使用压敏电阻和防 雷管是必须的。
ｑ．ｔ
由于ＩＮＴ５５００芯片组刚刚推出不久，所以目前在市场上很难买到与之配套的耦合’
变压器，作者查找了国内外很多厂商后向
广东汉仁公司申请了ＩＮＴ５１Ｘ１配套的耦 合变压器经过改造用于ＩＮＴ５５００的电路 板中。不久之前，在网上查ＮｂｅｌｆＬｌｓｅ公司
生产该类型的耦合变压器，型号为 ￥５５７．７７００．２７唧，其内部结构和实物图如
图３．７所示，详细参数在表３．３中列出。
图３－７ Ｓ５５７－７７００－２７内部结构图与实物图
匝数比
Ｗ１：Ｗ２：１『３：Ｗ４ ｌ：ｌ：ｌ：ｌ＿２
初级线圈电感 （单位ＩｌＩＩ）
Ｗ１ ９．５ Ｗ４ １３．５
ＤＣＲ直流电阻 （单位Ｏ）
Ｗｌ Ｗ２ Ｗ３ Ｗ４
最大承受电压 Ｗｌ：Ｗ２：的：Ｗ４
１５００
０．１
３．２．５
ＰＲＪ００５以太网滤波变压器
ＰＲ．１００５是ＰＰＴ深圳市脉普特通讯技术有限公司推出的一款１０ＮＵｌ００Ｍ以太网滤 波变压器，采用ＩＬｌ４５连接底座的封装，遵循ＩＥＥＥ８０２．３ｕ的规范。所谓以太网滤波变
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压器又称为网络隔离芯片或网络隔离变压器。它在网络通信过程中所起的作用主要有 两个：一是传输数据，把物理层输出的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信 号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；二是隔离网线连 接的不同网络设备间的不同电平，防止网线传输不同电压时损坏设备。除此之外，以 太网滤波变压器还能对设备起到一定的防雷保护作用〔２８１。 以太网滤波变压器的使用根据耦合电路功能而定，具体可参考以太网滤波变压器 资料【２９１。图３．８给出了ＰＲＪ００５网络变压器的原理图以及实物图。引脚含义简要说明
如下：
（４、５脚）：一般接＋３．３Ｖ Ｒ－、ＲＨ６、３脚）：数据信号发送引脚，分别接Ｍ 的ＲＸＮ、ＲＸＰ
Ｔ．、Ｔ＋（２、１脚）：数据信号发送引脚，分别接Ｍ 的ＴＸＮ、ＴＸＰ
Ｊ６、Ｊ３、Ｊ２、Ｊ１：连接双绞线的４根传输线
图
３．３硬件设计与布板
３．３．１
ＩＮＴ５５００的支撑电路设计
玳Ｔ５５００的支撑电路包括晶振部分电路和电源部分电路，如图３－９所示引脚
ＸＩＮ
５０和ＸＯＵＴ ５０分别为晶振输入引脚和输出引脚，晶振频率为５０ＭＨｚ。为了满
足高速通信时的稳定性，同时也为了满足ＨｏｍｅＰｌｕｇ中规定的时钟在不同温度、生产 条件下频率容差要达到百万分之２５（２５ｐｐｍ）的要求，这里选用的晶振为＋／－１０ｐｐｍ 的晶振；在Ｐ 板布线时，晶振电路应靠近处理器，用最短的连线连接，并远离其 他布线【３０】。ＶＳＳ、ＶＤＤ ＩＯ和ＶＤＤ ＩＮＴ５５００的电源引脚，ＩＮＴ５５００共有９个
ＶＤＤ
ＩＯ电源引脚、１１个ＶＤＤ＿ 源引脚、和２０个对应的ＶＳＳ引脚，为了简化起
见，在图中只列出示意性的引脚，ＶＳＳ接电源地，ＶＤＤ ＩＯ提供ＩＮＴ５５００输入输出
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引脚电源，接＋３．３Ｖ，ＶＤＤ 芯片内
核提供电源接＋１．８Ｖ，为提高电源稳定 性，在ＶＤＤ和ＶＳＳ间连接两个滤波电
容。
＝ ¨ Ｉ｜幢０ＭＱｌＯＭ３ ｐＦ
黼３３ｐＦ
Ｉ｜
．ｒｒｍ
ｌＬ
－．
脚分
ＩＮＴ５５００
Ｘｎｑ ５０
１
Ｉ—同心ｚ Ｖ三绝
ＸＯＵＴ
５０
支撑电路设计完成后，应检测一下电 源是否正常供电、晶振能否起振、芯片
ＶＤＤ １０
。”一半１心半懈 ．…—亨
…一尘Ｍ占ｌＯｕＦ １
ＶＳＳ ＶＤＤ Ｃ
能否 工作。通过电源指示灯和万用 Ｉ电源部分：Ｉ
表，可以了解电源是否 供电以及电
ＶＳＳ
图３＿９ ＩＮＴ５５００支撑电路
压值是否正确；通过示波器检测晶振频 率，可以知道晶振的运行情况。
３．３．２
ＩＮＴ５５００的启动配置电路设计
在本章３．２．１节曾经提到ＩＮＴ５５００有两种工作模式：Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式和ＰＨＹ模式， 同时３．２．３也提到该芯片有两种不同的启动方式：从外部Ｆｌａｓｈ启动和主机控制启动。 所以，如果要启动并使用ＩＮＴ５５００芯片， 必须要设置及确定好启动方式和工作模式
具体采用哪种启动方式，工作
表３－４ 引脚
ＡＳＣ ＥＮ Ｉ
ＮＴ５５００配置选项 数值 低电平 低电平 高电平 低电平 低电平 高电平 低电平 高电平 设置 保留，必须设为低 Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式 ＰＨＹ模式 保留，必须设为低 ５０蛆｛ｚ（推荐） ７５硼ｚ 从串行Ｆｌａｓｈ启动 主机控制启动
在哪种模式之下是通过几个外
部引脚的高低电平来 的。
功能描述 保留 运行模式 保留 时钟速度 启动方式
ＡＳ ＤＡＴＡ／ｕＯＤＥ
ＡｓＣ ｃＬＫ
这些引脚的名称和配置功能如
表３－４所示。
ＡＳｃ＿Ｐ嘞删／Ｍ＾ Ｃｕ【
通用１０引脚６
玳Ｔ５５００芯片手册同时要
求，如果要进入Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ工作
墨－萎挲萎ｉ定Ｇ的ＰＩ电Ｏ平１荛鼎西粥Ｖ妊俺国ｍ
模式，启动时还需要几个通用 求，其中要求
ＧＰｌ０３为低电平，ＧＰｌ０２
注：低电平是指通过３．３ｋｏ电阻接地，高电平是指通过３．３ｋｏ电 阻接３．３Ｖ电压
和鼎”Ｔ＿｝哥—；ｊ！＝ｒ３＿３Ｖ妊—丁崦斗—ｉ！＝ｒ国ｍ Ｌ＿——。”＿Ｊ Ｌ——一ＪＨ
图３－１０ ＧＰＩＯ的引脚连接
．
和ＧＰｌ０４为高电平，此处
所指的高低电平都是经过３．３ｋＯ的电阻进行上拉和下拉的。但是在设计电路图的时候 这几个引脚同时作为电力线通信和以太网通信指示灯的控制输出引脚，所以为了能够 在启动的时候满足电平要求，又可以在程序 运行的时候指示通信状态，故将电路 设计成图３－１０所示，能够满足要求。
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在ＰＨＹ工作模式下，ＩＮＴ５５００的工作方式类似于以太网的物理芯片，通过带有 ＭＡ 块的ＭＣＵ或者微处理器就可以使用ＭＩＩ接 之通信。与以太网物理芯片 相同，ＩＮＴ５５００需要设置ＭＩＩ接口的总线速率、ＩＮＴ５５００的ＭＩＩ物理地址以及是否进
入ＭＩＩ ｉｓｏｌａｔｅ模式。在ＭＩＩ ｉｓｏｌａｔｅ模式下所有的ＭＩＩ输入信号都被忽略，所有的ＭＩＩ
输出信号都处于高
表３－５
ＩＮＴ５５００
ＰＨＹ模式配置 电压值 低电平 高电平 低：低 高：低 低：高 高：高 低电平 高电平 设置
阻态，只有ＭＩＩ管
引脚
ＩＳＯＬ＾＝ｒＥ／ＧＰＩＯｌ
功能描述
Ｍ１１ ｉｓｏｌａｔｅ选择
理信号ｍ
ＭＤｌ０ 工作。
砌ｉｓｏｌａｔｅ关ｆ默认１
Ⅷｉｓｏｌａｔｅ开启
二迸制０００１０ 二进制０００００ 二进制００１００ ２．５ＭＨｚｆｌ０１ｖｌｂｐｓ）
２５ＭＨｚ（１００Ｍｂｐｓ）
物理地址为二进制００００１
详细的玳Ｔ５５００ ＰＨＹ模式配置见表 ３．５。在第４章中远
ＰＨＹ＿ＡＤＲＳＥＬ〔Ｉ〕／ＧＰｌ０２ ＰＨＹ＿ＡＤＲＳＥＬ〔２〕／ＧＰｌ０３
ＭＩＩ物理地址
ＭＩＩ＿ Ｋ／ＧＰｌ０４
ＭＩＩ总线速度
程抄表的设计中使用到的ＩＮＴ５５００工作在ＰＨＹ模式下。
３．３．３
ＩＮＴ５５００与ＩＮＴｌ２００的硬件连接
图３．１ｌ所示为ＩＮＴ５５００与ＩＮＴｌ２００的引脚连接图。图中的引脚可以分为芯片间
通信无关引脚和相关引脚。
芯片间通信无关引脚包括以下引脚：
（１）ＡＳＣ ＥＮ、ＡＳＣ Ｋ为保留引
ＡＦＥ Ｋ
肌１２００
０Ｓ Ｎ
脚，需过电阻接地；
（２）ＡＳＣ
ＥＮ
ＡＴＸＭＯＤＥ
Ａ１Ｘ ＥＮ Ａ１Ｘ ＭＯＤＥ Ａ１Ｘ Ｋ
Ｄ姐Ａ伍ｄＯＤＥ引脚用于选
＾似ＳｎｑＣ
ＡＲｘ ＳＹＮＣ
ＡＴＸ Ｋ
＾积Ｓ１ｎｑＣ
ＡＴＸ＿ＤＡＴＡ〔Ｉ－５】
ＡＲＸ Ｋ ＡＲＸ ＳＹＮＣ ＡＲＸ
择ＩＮＴ５５００的工作模式，通过上拉电阻接 ３．３Ｖ为ＰＨＹ模式：通过下拉电阻接地为 Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式；
（３）ＡＦＥ ＰＷＲＤＷＮｍｄＡＣ Ｋ用来
ＡＴＸ＿ＤＡＴＡ〔Ｉ一５】
ＡＲＸ Ｋ
ＡＲＸ＿ＤＡＴＡ〔Ｉ??５】
ＡＳＣ Ｋ ＡＳＣ ＥＮ
ＤＡＴＡ〔Ｉ一５】
ＡＳＣ Ｋ
ＡＳＣ ＥＮ ＡＳＣ
ＡＳＣ
ＤＡＩ川０ＤＥ
ＤＡＩ圳ＯＩ
选择启动时外部时钟频率，需接上拉或下 拉电阻，低电平为５０ＭＨｚ，高电平为
ＡＦＥ
ＰＷＲＤ、ⅣＮ
４×３．３ＫＯ
ＰＷＲＩ）Ｎ
７５＾们ｚ：
（４）ＡＦＥ＿ＣＬＫ是ＩＮＴ５５００为ＩＮＴｌ２００
图３－１１
ＩＮＴ５５００与ＩＮＴｌ２００连接图
提供的时钟信号，本例中为２５ＭＨｚ。ＩＮＴｌ２００内部根据此信号返回两路１００ＭＨｚ的 时钟信号作为ＩＮＴ５５００与ＩＮＴｌ２００通信的参考时钟，对应图中的ＡＴＸ＿ＣＬＫ和
ＡＲＸ Ｋ。
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第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上髓
其余引脚用作ＩＮＴ５５００和ＩＮＴｌ２００之间的数据通信传输。
ＡＴＸ＿ Ｋ厂〕厂〕厂〕厂〕厂〕厂〕厂〕厂〕
ＡＴＸ＿ＤＡＴＡ〔５：：】二二二）＠互趣至Ｘ亟歌至弓ｇ互埏匦汇
ＡＴＸ＿ＭＯＤＥ——〕、
图３－１ ２ ＩＮＴ５５００向ＩＮＴｌ２００发送数据的时序
ＡＴＸ＿ＳＹＮＣ
．／一—、、
．厂——＼
．厂—、．厂—、、
图３．１２为ＩＮＴ５５００向ＩＮＴｌ２００发送数据的时序，发送数据时，ＩＮＴｌ２００在
ＡＴＸ
ＳＹＮＣ的每个上升沿等待接收数据，ＩＮＴ５５００和ＩＮＴｌ２００之间的数据格式为８
位数据，通过ＡＴＸ＿ＤＡＴＡ〔５：２〕传输，每次４位，ＡＴＸ＿ＳＹＮ 电平的时候接收高字
节，高电平的时候接收低字节，一个完整的ＡＴＸ—ＳＹＮ 期接收一个字节，
ＡＴＸ
仅当传输５位的增益控制字
ｎｉ ｎｔｒｏｌ 据数收接。效有时 ａＧ（〕１〔ＡＴＡＤ．与 Ｗｏｒｄ）
发送数据的传输大致相同，ＩＮＴｌ２００在每个ＡＲＸ—ＳＹＮ 上升沿通过 ＡＲＸ＿ＤＡＴＡ〔５：２〕发送４位数据，ＡＲＸ＿ＳＹＮＣ低电平的时候发送高字节，高电平的时 候发送低字节，一个完整的ＡＴＸ ＳＹＮＣ周期发送一个字节。 ３．３．４以太网模块的硬件设计
本设计中ＩＮＴ５５００工作在Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式下，芯片中的以太网ＭＡＣ层处于工作 状态，此时需要外接以太网物理层芯片接收以太网数据。本设计中使用Ａ ０１与
ＩＮＴ５５００相连接，同时Ａ ０１
ＩＮＴ５５呻 ＡＣｌ０１ＬＫＱＴ
需要连接隔离变压器和ＲＪ４５底
座，由于本设计中选用的
ｍ
１０
ｍ１０
ＭＤＣ
ＭＤ Ｋ
俯 ．’Ｔ
ＴＸＮ
ｌｅｆｔ３〔０－３〕
ＲＸ Ｄ、’
ＲＸ Ｋ
篙ｖ〔ｏ－３１
ＲＸ Ｋ
ＰＲＪ００５是含有隔离变压器的
ＲＪ４５底座，所以只需要Ａ ０１
ＲＸ ＥＲ １Ｘ ：
ＲＸ口
１Ｘ Ｋ ＴＸＥＲ
ＲｘＰ
ＲＸＮ
ＴＸ凰
Ｔｘ ＥＮ
与ＰＲＪ００５连接即可，中间无需 经过隔离变压器。以太网模块 的硬件连接如图３．１３所示。
ＴＸＤ〔０－３〕

Ｓ
＝＝＝审
曰吲
ＴＸＤ〔Ｏ－３】
Ｌ ｓ，ＲＥＰＥＡｒＥＲ
牡’ １） —ｆ～
２ ５Ｖ Ｉ ｝ ＰＲＪ００５
图３－１３以太网模块硬件连接图
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３．３．５数据接收电路
２２０ＤＦ Ｉｌ Ｉｌ
黯
０．６８ｕＨ
，、，＿、ｒｎ
０．６５ｕＨ
１５０ｐＦ
ＩＩ
２２１０Ｉｐ’幽ｅＬ．
ｌｌ一
２２０ｐＦ Ｉｌ
６８ ．２鎏ｕ
ｒ，
ＩＩ Ｉｌ １５０ＤＦ
Ｔ
｝ＩＩ
２２节０ｐ一１００Ｑ ｌｌ一
ＰＬ
图３—１４致据接收电路
图３．１４所示为ＰＬ 制解调器中的数据接收电路，接收电路主要的功能为对 接收信号进行滤波，图中左侧虚线框中为低通滤波电路，右侧虚线框中为高通滤波 电路，作者对该电路使用ＥＷＢ进行仿真，仿真图如图３．１５所示。图３．１５中使用 的模拟仪器为波特图仪，波特图仪类似于实际实验室中使用的频率特性测试仪，用 来测量电路的频率幅频和相频特性。
图３—１５数据接收电路仿真结果
从图中可以看到有两个信号最低点，这两点对应高频滤波和低频滤波电路中的 谐振频率。通过波特图仪可以得到左侧最低点对应频率为４．３２９ＭＨｚ，右侧最低点 对应的频率为２４．７７ＭＨｚ。所有频率低于４，３２９ＭＨｚ和高于２４．７７ＭＨｚ的信号经过该 电路后都被过滤掉，保证了接收到的信号满足ＨｏｍｅＰｌｕｇ规定的４ＭＨｚ～２２ＭＨｚ的
要求。
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３．３．６数据发送电路
萨 瞥
４７３５‘硼
ｏ
Ｔ
｜
４＝９ｋ Ｉ
３．
Ｑ幽
图３。１ ６致据发送电路
图３．１６所示为ＰＬ 制解调器中的数据发送电路，发送电路除了对发送信号 进行滤波外还对信号进行放大处理。图中左侧虚线框中为低通滤波电路，右侧虚线 框中为信号放大电路，使用的放大器为ＡＤ８０１８。ＡＤ８０１８是由美国ＡＤ公司生产的 ｘＤＳＬ电流放大器，该芯片中包含两个低畸变、高速电流放大器，工作频带宽度可 达１３５Ｍｂｐｓ，翻转速率可以达到３７０Ｖ／ｕｓ，输出电流最小为３５０ｍＡ。
图３—１７数据发送电路仿真结果
作者同样对该电路使用ＥＷＢ进行仿真，仿真图如图３．１７所示。由于ＡＤＳ０１８ 仅仅对信号进行放大，而不影响信号，所以将ＡＤ８０１８从电路中去除后进行仿真对 频率特性没有影响。波特图仪中最低点的读数７０．５５ＭＨｚ，超过该频率后信号发生
衰减。
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３．３．７信号耦合 模块
Ｕ５
图３－１８电力线耦合电路图
图３．１８为电力线耦合电路图，ＰＬ 制解调器使用一个能为高频信号提供低 阻抗路径的信号耦合电路，信号耦合变压器Ｔ３的初级与Ｏ．００４７ｕＦ的电容 １组成
一个高通滤波器，计算可得这个滤波器能够过滤掉Ｏ．７３４姗ｚ频率以下的信号，可
以看出该电路可以削弱电力线上的低频电压信号，而让高频的通信信号通过。
图中的光耦Ｕ５型号为ＰＳ２５６１．１．Ｖ，该芯片与电阻Ｒ３４和二极管Ｄ１０组成了过零检 测电路，主要作用是降低电力线ｄＰＯＦＤＭ信号的时移【３１１。 ３．３．８电源模块
电源部分需要为整个电路板提供电源，根据Ｉｎｔｅｌｌｏｎ手册提供的数据川，３．３Ｖ电压 提供的电流为２８５ｍＡ，１．８ｖ内核电压提供的电流为３２５ｍＡ，５Ｖ电压提供的电流为
２５ｍＡ，故整个电路板的典型功率为３．３×０．２８５＋１．８Ｘ０．３２５＋５ＸＯ．０２５＝１．６５Ｗ，功率最
大的时候整个模块的功耗大约在２Ｗ左右。由于使用５Ｖ电压，所以考虑选用５Ｖ的开关 电源模块，目前市面上比较容易购买到的的５Ｖ开关电源模块有０．５Ａ和１Ａ两种，作者 选用了０．５ 力源公司生产开关电源模块。
３．４电路板成品测试
电路板制作完成之后，需要进行成品测试工作。作者首先使用ＩｎｔｅＵｏｎ公司提 供的软件设置ＰＬ 制解调器的ＭＡＣ地址等基本信息，然后通过固件下载程序到 外部Ｆｌａｓｈ中，硬件部分的跳线设置好之后就可以进行通信测试了。 通信测试部分作者首先根据ＩｎｔｅＵｏｎ公司提供的ＨｏｍｅＰｌｕｇ ＭＡ 理帧的详细 介绍和用于Ｐ 与ＰＬＣ调制 器通信的ＡＰＩ函数编写了本地设备查找程序和两
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个ＰＬＣ调制 器传输速度的测试程序。
３．４．１信息配置和固件下载 电路板制作完成之后，需要做一些前期测试的准备工作，这些工作包括：１、 对ＰＬＣ调制 器ＭＡＣ地址以及指示灯引脚分配等进行配置，生成一个配置文件； ２、将Ｉｎｔｅｌｌｏｎ提供的固件程序和第１步生成的配置文件下载到外部Ｆｌａｓｈ芯片中， 用来启动ＰＬ 制解调器。作者使用Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司提供的ＰＬ 制解调器的配置程
序Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ’ｓ Ｂｌｏｃｋ Ｅｄｉｔｏｒ ｆｏｒ ＩＮＴ５５００
ＭＡＣ １．４和固件下载程序ＤＶｌｌ０Ｘ
ｕｔｎｉｔｙ来分别完成这两项工作。 ＭＡＣ １．４的运行界面如图３．１９所示，该
ｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｂｌｏｃｋ Ｅｄｉｔｏｒ ｆｏｒ ＩＮＴ５５００
程序中有多个标签，用到的主要是图 中配置ＭＡＣ地址和设备信息的ＩＤ
标签栏和用于指示灯引脚分配的
ＬＥＤ
Ｍａｐｐｉｎｇｓ标签栏。图中将当前
的ＰＬＣ调制 器的ＭＡ 址设为
００．Ｂ０．５２．０Ｂ． ．ＢＦ生产厂家名称为
Ｓｏｏｃｈｏｗ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，产品名称为
ＳＤ．ＰＬＣ。ＬＥＤ引脚分配一栏内容比 较简单，故不再详细介绍，配置好将 配置信息存储为配置文件。
配置文件准备好之后就可以使
用ＤＶｌｌ０Ｘ
Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ’ｓ
图３—１９ ＰＬｃ调制解调器配置程序界面
Ｕｔｉｌｉｔｙ进行
固件下载了，由于固件下载的步骤比较繁琐，所以在此不再详细介绍，具体内容见 参考文献ｐ２】。 除了提供固件下载的程序，Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司同时给出了用户协议接 用户协议接 含ＨｏｍｅＰｌｕｇ
ＭＡ 理帧的帧格式及管理帧各个域的详细说明。同时Ｉｎｔｅｌｌｏｎ
公司还提供了用于与ＰＬＣ调制 器通信的Ｐ ＡＰＩ函数。
３．４．２ ＨｏｍｅＰＩｕｇ
ＭＡｃ管理帧
ＨｏｍｅＰｌｕｇＭＡ 理帧是ＩＮＴ５５００芯片中的用户协议接口，通过了解 帧的 结构，用户可以编程访问使用ＩＮＴ５５００开发的ＰＬ 制解调器。表３－６为ＨｏｍｅＰｌｕｇ
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ＭＡ 理帧的帧格式，每个ＭＡＣ 帧中包含目的地址、源地址和数据部分。数
据部分包括ＨｏｍｅＰｌｕｇ
ＭＡ 理项数据和可选数据。ＭＡＣ 项数据如表中所示，
包括ＭＴＹＰＥ域、Ｍ ＲＬ域和多个ＭＡ 理项。ＭＴＹＰＥ是固定的、由ＩＥＥＥ定
义的ＨｏｍｅＰｌｕｇ设备的类型；ＭＣＴＲＬ域用来指示当前帧中包含多少个ＭＡＣ 项
每个 项由三部分组成： 项头ＭＥＨＤＲ、管理项长度ＭＥＬＥＮ和 项数据 ＭＭＥＮＴＲＹ。一个ＨｏｍｅＰｌｕｇ管理帧中可以包含多个管理项。
亘姿墼塑
：ｌ！竺！！！！ｌ：：二二二：二二二二二二
由于篇幅关系，ＨｏｍｅＰｌｕｇ管理帧中每个域的具体内容在此不再介绍。在此以 设备查找程序中用到的ＩＮＴ５５００专用的 项为例，简要介绍一下管理项的内容。 查找本地设备涉及的管理项有设备描述符请求 项和设备描述符应答管理 项，这两个管理项为ＩＮＴ５５００专用的管理项，使用该项的 帧的ＭＴＹＰＥ域为 ０ｘ０２，Ｍ ＲＬ域为ｌ，表明每个 帧中只有一个管理项。ＨｏｍｅＰｌｕｇ规定ＭＴＹＰＥ 域为０ｘ０２的管理项为厂家定 义的 项，该管理项头三个 字节为唯一的组织标识符
ＯＵＩ（Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌｌｙ
Ｕｎｉｑｕｅ 域
ＯＵＩ Ｏ ｌ ２
表３－７设备描述符请求管理项 所在字节 所在位
仙 瑚
瑚
７
定义
ＯＵＩ〔２３—１６１ ０ＵＩｆｌ５．引
数值
Ｏｘ００ Ｏｘ０４ ｏｘ８７
０ＵＩ【Ｍ１
请求或者应答 消息ＩＤ
ＭＭＥ方向
ｍ
３
鲫
０【请求】
１６
Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ），其余域为厂家自定 义。表３．７为设备描述符请求管理项，??表３－８为设备描述符应答 项。
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
ＰＣ方可以发送包含设备描述符请求 项的 帧给ＰＬ 制解调器，ＰＬＣ 调制 器会响应并发送一个包含设备描述符应答 项的 帧，应答 帧中 带有ＰＬ 制解调器的协议版本、生产厂商名称、产品名称和是否本地设备等内容。
域
ＯＵｌ ０ Ｉ
所在 字节
所在位
定义
ＯＵＩ【２３—１６１ ＯＵＩ〔１５－８】 ＯＵＩ『７＾州 ０ｘ００ ０ｘ０４
０）【８７
数值
Ｍ
７＾由 ７＾旬
７
２
ＭＭＥ方向 消息ＩＤ 保留 协议版本标志 连接标志 协议版本 生产厂商 字符串长度 生产厂商字符串 产品名称 字符串长度 产品名称字符串
３
请求或者应答
１【应答１
１６
＆旬
４
他
１
消息ｍ
保留 协议版本 本地或远程连接 ＭＡ 件协议版本 生产厂商字符串域的长度 生产厂商的名称 产品名称字符串的长度 产品的名称
０
１一表明协议版本位
于协议版本域 ０－－－设各是本地设各
０
ｌ一设备是远程设各
５—８
９
注ｌ
１０－－Ｘ
字符串型
Ｘ＋ｌ
Ｘ＋２－
字符串型
３．４．３通信用＾ＰＩ函数
Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司在提供ＨｏｍｅＰｌｕｇ管理帧格式的同时还提供了用于编写与使用 ＩＮＴ５５００开发的设备通信程序的ＡＰＩ函数。这些ＡＰＩ函数的 位于ｖｉｐｅｒＡＰＩ．ｈ中， 实现部分位于ｖｉｐｅｒＡＰＩ．ｅｐｐ中。 下面介绍一下其中的两个ＡＰＩ函数，发送一个ＩＮＴ５５００专用的ＭＡＣ 帧和 设备描述符应答管理帧处理的ＡＰＩ函数。 （１）发送一个ＩＮＴ５５００专用 帧的ＡＰＩ函数 图３．２０为发送一个ＩＮＴ５５００专用 帧的流程图，该函数的入口参数在函数 的 中列出。首先程序获得本地网 ＭＡ 址，然后初始化一个ＨｏｍｅＰｌｕｇ ＭＡ 理帧，分配内存并填充本机和目标设备的ＭＡ 址；由于发送的是ＩＮＴ５５００
‘
第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
专用的管理帧，所以管理项的个数为１，同时设置 ＭＥＴＹＰＥ域为０ｘ０２；接下来就是按照ＩＮＴ５５００管理 项的内容进行填充，如果发送的是设备描述符请求， 则填充的内容就是表３．７设备描述符请求管理项中所 示的各项数据。 （２）设备描述符应答 帧处理ＡＰＩ函数 该函数处理流程比较简单，入口参数为接收到的 ＩＮＴ５５００专用的 项。具体处理过程为首先 出 项中的版本域，然后根据连接标志判断该设备是 本地设各还是远端设备，最后一起将该设备相关的产 品名称、厂家名称解析出来，将这些数据放于特定的 缓冲区中。
３．４．４设备查找Ｐ 程序
ｌ发送ＩＮＴ５５００专用 帧
０
ｌ获得本机的网卡ＭＡ 址
０
初始化一个ＭＭＥ帧并填充本机 和目标ＭＡＣ地址
‘
设置本帧 项数目为１
上
设置帧头中的ＭＥＴＹＰＥ为０ｘ０２
上
设置３字节ＯＵＩ为０ｘ００ ０４８７
上
设置ＭＩＤ域为入 ｍｉｄ
上
根据入口的数据指针和长度填充 帧的数据域
‘
将该帧通过ＰＣ机网卡发送出去
图３－２０发送ｌＮＴ５５００ 帧流程图
根据ＩＮＴ５５００芯片手册中提供的ＨｏｍｅＰｌｕｇ管理
项的帧格式以及Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司提供的应用于Ｖ ＋６．０的ＡＰＩ函数，作者编写了本地 设备查找程序，界面如图３．２１所示。图中显示了本地设备及其ＭＡ 址。
图３—２１设备查找Ｐｃ方程序界面
３．４．５两个ＰＬｃ调制 器之间速度测试的Ｐｃ方程序 通过设备查找软件能够搜索到本地的设备，而且两个ＰＬ 能够查找到，说明
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第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
两个设备与Ｐ 可以 成功通信。接下来进行
的是两个ＰＬ 制解 调器在电力线上点对 点的测试，作者在设备 查找程序的基础上增
加了速度测试功能，界
面如图３．２２所示。两 个ＰＬＣ调制 器之 间的距离为３米，ＰＬＣ
图３－２２两台ＰＬＣ调制 器通信测试
调制 器ｌ为测试软件所在的Ｐｃ连接的设备，ＰＬ 制解调器２为通过电力线
与ＰＬＣ调制 器１相连，两者的通信速率测试结果为６２．１２Ｍｂｐｓ。 ３．４．６使用ＰＬＣ调制 器的两台ＰＣ之间速度测试 该测试使用两个ＰＬＣ调 制解调器分别连接两台ＰＣ 进行测试，两台Ｐ 的球 地址分别为１９２．１６８．１４９．１７０ 和１９２．１６８．１４９．１６７，在ＩＰ为 １９２．１６８．１４９．１６７的ＰＣ机上
ｐｉｎｇ另外一台Ｐ 通过响应
时间判断两者之间通信的速 度快慢。图３．２３所示为测试
图３—２３两台Ｐｃ通过ＰＬ 制解调器的Ｐｉｎｇ测试结果
结果，两个ＰＬＣ之间的距离为３米，可见通过ＰＬ 制解调器，两台Ｐｃ之间的 通信速度比较高。 ３．４．７实际上网速度测试 实际上网测试时，一个ＰＬＣ调制 器通过ＲＪ４５网线连接ＰＣ机网卡，另外 一端接电源插座；另外一个ＰＬＣ调制 器通过ＩＬｌ４５网线连接到实验室的交换机， 另外一端接电源插座。两个ＰＬＣ调制 器的距离为３米。上网速度测试通过访问 测速网站进行，本次测试访问的是位于昆山市的测试服务器。测试结果如图３??２４
第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
所示，测试的下载速度为
２７２．７９ｋｂｐｓ。
３．５硬件设计与测试的体会
在电力猫设计和制作过程中 遇到的困难和问题很多，问题虽 然解决了，但是留给自己的思考
却很多，这些思考对于自己以后 的设计提供了很多的经验，而且
也给了解决问题的思路和方法。
图３－２４实际上网测试结果
（１）测试的时候需要多次试验 问题，但是同时也要加以思者 问题：作者在将电路板后焊接好，运行Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司提供固件下载程序将启动 等写入到Ｆｌａｓｈ中。按照手册要求步骤先使用网线将ＰＬＣ调制 器和ＰＣ机 连接起来，然后立即运行固件下载这个程序，但是却没有像手册中说明的 给出 找到设备的提示，于是又试了几次，一直都不行。 ：反复试了多次以后，作者思考手册中的连接是不是指要等到Ｗ’ｍｄｏｗｓ 任务栏中的网络标识提示已经建立了１００Ｍｂｐｓ的连接后再运行程序？果然之后就 找到了设备。在不清楚硬件部分到底有没有问题的情况下，为了 是硬件问题还 是自己操作的问题是需要多做几次测试的。但是如果做了一些试验之后仍然不行， 需要调整一下自己的思路，如果再沿着这个方向下去是否能真 问题， 应该试着转换一下思维，在“山重水尽疑无路”的情况下会突然发现“柳暗花明又
一村”。
（２）在对比中发现问题 问题：固件下载到Ｆｌａｓｈ中后，可以在Ｐ 查找到ＰＬＣ设备，但是两台ＰＬＣ 调制 器不能通信。 ：首先需要 原理图中是否正确，对照自己的原理图和Ｉｎｔｅｌｌｏｎ提供原 理图的发现没有出入。通过示波器中发现耦合线圈上有一块电路板有波形而另外一 块没有。作者首先从发现没有波形的地方按照原理图向上查找，看看到底是在哪一 块出问题。于是仔细对比两块板子发送和接收部分的Ｐ 元件，经过对比发现， 有一块板子的元件一不小心焊错了。替换元件后波形可以产生，但是波形与另外一
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第三章电力线通信与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合实现宽带上网
块板子的波形不一致，一开始有些匪夷所思，难以把握问题所在。后来在确认两块 电路板的元件都一致的情况下，仔细观察电路板的时候发现原先有波形的电路板有 几个元件可能存在虚焊。补焊之后，两块板子的波形就一致了。 从实际测试的结果来看，虽然点对点测试能够达到较高的通信速率，但是在从 上网速度来看，ＰＬＣ调制 器没有完全达到宽带的目标，有待于进一步改进，提 高上网速度。
第四章基于ＰＬＣ技术的远程电袁的硬件设计与模块测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
ＰＬ 制解调器在上网测试时速度没有达到期望目标，但是实际测试中点对点 速度较快，因此可以满足传输速率不高的应用要求，譬如远程电表。远程电表目前 居民小区中普及，数据传输量不大，速率要求较低，将ＰＬ 术应用于远程电 表中可以很好的满足这些要求。远程电表中ＩＮＴ５５００处于ＰＨＹ模式，需要与电表 中主控芯片进行数据通信，ＰＬＣ调制 器只需使用跳线帽选择几组跳线即可进入 ＰＨＹ模式。 本章首先提出了基于ＰＬＣ技术的远程电表的总体设计和硬件模块划分，接下来 介绍了硬件模块的芯片选型、设计与制作，然后给出了硬件基本模块的软硬件结合 测试，最后分析了硬件测试过程中遇到的问题和解决措施。
４．１总体设计
基于ＰＬ 术的远程电表的总体功能有两点：１、采集小区用户家中的电量数 据并存储在电表中；２、接收远端抄表系统发送的抄表命令，将电量数据通过电力
线发送出去至电力公司的远程抄表系统。本设计主要完成上述功能中的第一个功
能，同时给出与远程抄表系统的通信接口协议。 图４－１所示为使用基于ＰＬ 术的远程电表在居民小区应用的示意图。从图
中可以看出远程电表由三部分电路组成——电量采集模块、Ｍ ５２７１主控板及ＰＬＣ
调制 模块。
；
；固
；
巳ｍｅｍ：螭黛 、、－－／……
固４－１使用家用ＰＬｃ远程电表的居民小区示意图
３８
，一ｑ—７’—＼
线 接入光缆
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第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
电量采集模块负责采集电量，该模块与电力线相连，将小区用户家中的电量采
集累加，然后发送给ＭＣＦ５２７１主控板；
ＭＣＦ５２７１主控板负责请求和存储电量数据、分析抄表命令并做相应处理、对电 量数据加密并封装为以太帧、与ＰＬ 制解调器通过ＭＩＩ端 信； ＰＬ 制解调器为第三章讲述的ＰＬＣ调制 器，但是ＩＮＴ５５００芯片工作在 ＰＨＹ模式下。在这种模式下，ＰＬ 制解调器通过ＭＩＩ接 主控板进行数据通 信：将电力线的数据转换为以太帧发送给主控板；将主控板发送过来的以太帧数据 转换为电力线数据。
．
４．２硬件介绍
基于ＰＬ 术的远程电表首先需要满足采集电量的基本要求，在本设计中选用
了能够较好的满足这些要求并且带有ＳＰＩ接 电量采集芯片——ＡＤ公司生产的
ＡＤＥ７７５６单相有功电能计量芯片，为方便起见，以下简称电量采集芯片。由于是基 于ＰＬＣ技术的远程电表，所以在本设计中ＭＣＦ５２７１主控板中使用的主控芯片为
Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ半导体公司生产的ＣｏｌｄＦｉｒｃ系列微处理器Ｍ ５２７１，该芯片内部含有以
太网ＭＡ 块，可以与ＰＬＣ调制 器进行通信。
４．２．１
ＡＤ７７５６电量采集芯片
目前国内大多数单相有功电能表都使用ＡＤ公司生产的芯片进行开发。ＡＤ公 司生产的电能计量芯片根据输出电能的接 同可以分为两种类型，脉冲式电能输 出芯片和ＳＰＩ接 电能输出芯片。使用脉冲式电能计量芯片可能会由于主控芯片 的测量误差而出现电量计算的误差，而使用ＳＰＩ接口则不存在这个问题，故作者选 用了带有ＳＰＩ接 电能计量芯片ＡＤＥ７７５６。以下介绍了ＡＤＥ７７５６的主要性能以 及用来有功电能计算的原理，这里有功电能就是用户家中实际消耗的电量。 （１）ｈＯＥ７７５６主要性能 ＡＤＥ７７５６是一个带有ＳＰＩ接口和脉冲输出的高精度的专用电能计量芯片【３孔。其 主要特性如下： ①精度负荷ＩＥＣ ６８７，１０３６国际标准要求： ②在１０００：１的动态范围内误差小于Ｏ．１％； ③能够检测电压下降并可通过用户编程设置门限电压：
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
供采样波形数据； ⑤提供功率、相位及输入偏差校准； ⑥带有串行外围接 ＰＩ； ⑦脉冲输出频率可调： ⑧具有ＩＲＱ中断请求和状态寄存器半满或溢出警告功能 （２）有功功率和有功电能的计算原理 电功率定义为电能从电源流向负载的速率，并由电压和电流波形的乘积来表 示。所得到的瞬时功率波形称为瞬时功率信号，它等于每一瞬时的能流速率。功率 的单位是瓦特（Ｗ）或焦耳，秒（Ｊ／ｓ）。 瞬时电压ｖ（ｔ）＝√２Ｖ ｓｉｎ（∞ｔ），瞬时电流ｉ（ｔ）＝√２Ｉ ｓｉｎ（（－）ｔ）其中Ｖ＝电压有 效值Ｉ＝电流有效值；
瞬时功率ｐ（ｔ）为瞬时电压与瞬时电流的乘积： ｐ（Ｄ＝ｖ（０ｉ（ｔ）＝２ＶＩ ｓｉｎ２（∞ｔ）＝ＶＩ－ｖＩｃｏｓ（２∞ｔ）：
在整数倍线电压周期内的平均功率为：
１帅Ｔ
Ｐ２音Ｊ：ｐ（ｔ）ｄｔ。ＶＩ
其中Ｔ＝线电压周期Ｐ称作有功功率或有效功率 有功功率等于瞬时功率信号ｐ（ｔ）的直流分量即ＶＩ。这是用来计算ＡＤＥ７７５６中
有功功率的表达式。功率定义为电能流动的速率，所以可以用数学公式Ｐ＝！箬表

示，其中Ｐ为功率，Ｅ为电能。相反，电能可以根据功率积分得到，Ｅ＝Ｉ肋。
ＡＤＥ７７５６通过在４０位有功电能寄存器（ＡＥＮＥＲＧＹ〔３９：０〕）中对有功功率信号 进行连续累加来完成有功功率信号的积分，这种离 间累加等效于连续时间内的
积分。
Ｅ２
ｆＰ出２舰｛乏ｐｏ丁）‘ｒ）其中ｎ为离 间采样数，Ｔ为是采样周期
通过这种积分就获得了用户实际使用的有功电能即电量。
４．２．２
ＭＣＦ５２７１微处理器
基于ＰＬ 术的远程电表，除了完成采集电量的任务外还需要与ＩＮＴ５５００进 行数据传输，因此需要选择一个主控芯片来完成这个复杂任务。考虑到ＩＮＴ５５００可
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第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
以工作在以ＰＨＹ模式下，因此选型的时候就需要考虑所选芯片必须含有以太网
ＭＡ ，作者通过对比和选择，最终准备选择两款芯片其中的一种，这两款芯片
是Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的１６位ＭＣＵ ＭＣ９Ｓ１２ＮＥ６４和３２位微处理器ＭＣＦ５２７１，
ＭＣ９Ｓ１２ＮＥ６４的特点是内部集成了以太网的ＭＡＣ和ＰＨＹ模块，Ｍ ５２７１内部集 成了以太网ＭＡＣ层。本设计刚开始，作者想使用ＮＥ６４作为主控芯片，但是考虑
到远程电表将数据发送给ＩＮＴ５５００的时候仅仅需要芯片内部有一个以太网ＭＡ
块就足够了，ＮＥ６４中的物理层芯片则发挥不了用途，另外作者前期准备的时候到 网络上搜索目前小区内实现自动化的项目时发现小区的安防目前也是住户考虑的 重点问题之一，据此作者想到，如果能够将远程电表利用起来，在不进行电量采集 的时候采集楼道内放置的摄像头采集到的视频图像，然后通过电力线发送到小区的
安防中心，应该说也是对远程电表的充分利用。而Ｍ ５２７１芯片最高主频能够达
到１５０ＭＨｚ，同时内部包含有类似于ＤＳＰ功能的ｅＭＡＣ模块和硬件加密模块，所以 作者认为虽然Ｍ ５２７１在价格上稍高于ＮＥ４但是考虑到将来的扩展，Ｍ ５２７１
应该说是最佳的选择。
（１）ＭｃＦ５２７１微处理器主要性能
ＭＣＦ５２７１微处理器是Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ半导体公司于２００４年推出的一款高性能、低成本的
采用 ｌｄｅＦｉｒｅＶ２内核的３２位微处理器。该芯片内部集成了１０／１００Ｍｂｐｓ以太网ＭＡｃ的 快速以太网控制模块ＦＥ 具有硬件ＤＥｓ，３ＤＥＳ，ＡＥＳ加密功能；队列式串行外围接口 ＱＳＰＩ、ＩＩＣ接口、增强乘法加法运算单元ｅＭＡ 具有６４ｋ字节的片内ＲＡＭ，８ｋ字节的 可配置ｃａｃｈｅ：３２位的ＳＤＲＡＭ控制器瞰ｌ。其引脚图和内部功能模块框分别参见附录Ｂ．１
和附录Ｂ．２。
（２）快速以太网控制器ＦＥＣ简介 ＭＣＦ５２７１集成的快速以太网控制器（ＦＥ 支持１０Ｍｂｐｓ和１００Ｍｂｐｓ的以太网和 符合ＩＥＥＥ８０２．３协议的网络，该模块具有如下特性： ①支持三种不同的以太网标准物理接 １００ＭｂｐｓＩＥＥＥ ８０２．３ＭＩＩ接口１０Ｍｂｐｓ
ＩＥＥＥ
８０２．３ＭＩＩ接１：３和１０Ｍｂｐｓ７线接 工业标准）；
②ＩＥＥＥ ８０２．３全双工流量控制； ③在５０ＭＨｚ的系统时钟下即可支持全双工操作（２００Ｍｂｐｓ吞吐量）；在２５ＭＨｚ 的系统时钟下即可支持半双工操作（１００Ｍｂｐｓ吞吐量）；
４１
第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
果检测到冲突则无需经过处理器总线，直接从发送ＦＩＦＯ缓冲区进行数据
重传：
⑤自动刷新接收ＦＩＦＯ缓冲区以去除冲突碎片，同时自动进行地址识别，无需 利用处理器总线。
图４—２
ＦＥ 块图
ＦＥ 块的内部结构如图４．２所示。图中描述符控制器是一个ＲＩＳ 构的控 制器，该控制器具有以下功能： ①初始化ＤＭＡ传输，对ＤＭＡ通道进行高层控制； ②解释缓冲块描述符； ③对接收到的以太帧进行地址识别； 成用于发送冲突补偿定时器的随机数。 图中的ＭＩＩ模块功能为对外部的网络物理层设备进行控制和读取状态，与标准 含义的ＭＩＩ接口不同。其中ＥＭＤ 数据 时钟，ＥＭＤＩＯ为串行输入输出引脚， 所有的物理设备控制信号和状态信号都从该引脚输入输出。标准ＭＩＩ接口中的数据 发送和接收引脚位于图中的发送和接收模块。 ＤＭＡ模块提供了多个数据传输通道，通过这些通道，ＦＥＣ模块中的数据发送／ 接收、描述符发送，接收就可以独立运行，互不干扰。需要注意的是这里的ＤＭＡ是 指快速以太网控制模块的ＤＭＡ引擎，该ＤＭＡ引擎只负责对快速以太网的数据进 行传输，与通用含义的ＤＭＡ不相同。
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第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
ＭＣＦ５２７１微处理器中的ＦＥＣ模块使用了缓冲块描述符的概念。以太网最大的 数据帧长度可以达到１５１８个字节，而且可能短时间内收到多个以太帧，如果仅仅 使用ＦＥ 块中的存储器来存储显然是不够的，所以ＦＥＣ模块的以太帧数据必须 暂存在ＦＥＣ外部的存储器中，这其中可能存在的一种情况是一帧的数据存放在多个 缓冲块中。为了处理这种情况，必须有一种方法将这些缓冲块联系起来，缓冲块描
述符（Ｂｕｆｆｅｒ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒｓ）就是起这个作用的。缓冲区描述符包含起始地址（３２位
对齐的指针）、数据长度和状态／控制信息，ＤＭＡ引擎根据缓冲区描述符发送数据。 （３）队列式串行外设接口ＱＳＰＩ简介及内部逻辑功能 串行外设接口ＳＰＩ是Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司提出的同步串行外设接口，它允许 Ｕ与
各种外设接口器件以串行方式进行通信和交换信息０５１。 ＭＣＦ５２７１芯片提供队列式串行外围接口（Ｑｕｅｕｅｄ
Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），
称其为队列式ＳＰＩ，是因为该模块可以提供可编程传输队列，允许同时有１６个用户 排队等候数据传输，而且在传输时不需要ＣＰＵ参与。该模块具有如下特性ｔ ①无需用户干预，可编程队列最多支持１６个传输； ②支持从８位到１６位的传输长度； ③４个外设片选信号，最多可以控制１５个外围设备； 主频７５ＭＨｚ的情况下，可以设置的波特率从１４７．１Ｋｂｐｓ到１８．７５Ｍｂｐｓ； ⑤可编程控制的的传输前后的延时时间； ⑥可编程ＱＳＰＩ时钟相位和极性： ⑦对于连续传输，提供环绕模式。
ＭＣＦ５２７１使用８０个字节的静态ＲＡＭ执行队列操作，这部分ＲＡＭ是ＱＳＰＩ和
Ｕ可以共同访问的静态ＲＡＭ空间，它分为以下３部分，１６个命令控制字节（简 称命令ＲＡＭ），１６个数据发送字（简称发送ＲＡＭ）和１６个数据接收字（简称接收 ＲＡＭ）。这８０个字节被组织成１６个队列项，每个队列项包含１个指令控制字节、２ 个数据发送字节和２个数据接收字节。 需要进行数据通信时，用户首先进行ＱｓＰＩ初始化操作：将命令队列写入命令 ＲＡＭ，将待发送的数据写入发送ＲＡＭ，然后允许ＱＳＰＩ数据传输。ＱＳＰＩ执行队列 中的命令并通过ＱｓＰＩ中断寄存器Ｑｍ的ＳＰＩＦ标志位指示命令已经执行完毕。当 ＱＳＰＩ数据传输结束后，ＱＤＬＹＲ寄存器中的ＳＰＥ位自动清零。此时可以读取接收
ＲＡＭ中收到的数据。
４３
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
４．２．３交流型电流互感器
从４．２２节可以看到，如果需要进行有功电能的 ，电压有效值和电流有效 值是两个比较重要的参数，电压的有效值的获得比较简单，可以使用电阻网络采集 ２２０Ｖ电力线上的电压信号，通过一定的运算 就能够获得，需要注意的是只能采集电压信 号，也就是说必须使用电阻对电路中的电流 进行限制。电流的获得就相对比较难一些， 因为一般来讲，家庭用电时的电流电流较大 而且电流值是不是恒定的，所以不能够像采
集电压信号那样经过电阻网络分压就能获 得。
电 源 负 荷
目前通用的解决方法是使用交流型电流 互感器来获得电流，电流互感器（以后用
ｒｒｅｎｔ
国４－３电流互感器原理结构图
Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ表示）主要的功能
是交换交流电流，基本结构如图４－３所示，一 组与输电线路串联而流过较大的 被测电流１１，一 组有较少的匝数ｎ１。二 组串联电流线圈如电能表、电流表 等组成二次回路。二 组通过二次电流１２，二 组有较多的匝数ｎ２，１２通过 二次回路的阻抗很小，电流互感器与电力变压器相似，ｌｌ／１２ａｎｌ／ｎ２〔３６】。
４．２．４实时时钟芯片
电量采集板中同时带有一块时钟芯片，是由飞利浦半导体生产的Ｐ ８５６３，它 是一种低功耗的 ＯＳ实时时钟／日历芯片，可以在１．¨５．５Ｖ之间的供电电压下工 作ｐＴ〕。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器。所有的地址和数 据通过１２ 线接口传输，串行传递最大总线速度为４００Ｋｂｉｔｓ／ｓ。每次读写数据后， 内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。图４．４给出了该芯片的管脚图。引脚功能简
介如下：
ＯＳ （１脚）：振荡器输入。 ＯＳ （２脚）：振荡器输出； ＩＮＴ（３脚）：中断开漏输出，低电平有效； ＶＳＳ（４脚）：接地： ＳＤＡ（５脚）：串行数据Ｉ／Ｏ；
ｏｓｃＩ
ＶＤＤ
ＯＳ
ＩＮＴ
ＫＯＵＴ
ＳＣＬ
Ｖ＊
ＳＤＡ
图４＿４ ＰＯＦ８５６３的管脚图
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
ＳＣＬ（６脚）：串行时钟输入： ＫＯＵＴ（７脚）：时钟输出（开漏）
ＶＤＤ（８脚）： 源；
４．３硬件设计与制作
如图４．５所示，基于ＰＬ 术的远程电表硬件部分包含ＭＣＦ５２７１主控板、电 量采集板和ＰＬＣ调制 器，三部分电路板相对独立，并没有设计在一块电路板中 电量采集板负 集电量，ＭＣＦ５２７１主控板通过ＳＰＩ、１２Ｃ等接 电量采集板进 行数据传输，同时通过符合ＩＥＥＥＳ０２．３规范的ＭＩＩ接 ＰＬ 制解调器进行以太 帧数据传输，ＰＬ 制解调器负责以太帧和电力线通信数据之间的转换。
火线 零线
圈４－５基于ＰＬ 术的远程电表模块圈
４．３．１
ＭＣＦ５２７１主控板设计
ＭＣＦ５２７１主控板的设计参考了Ｆｒｅｅｓｃａｌｃ公司的ＭＣＦ５２７１评估开发板的设计原理
【３引。Ｍ ５２７１评估开发板使用的ＣｏｌｄＦｉｒｃ微处理器为１９６８１脚的ＢＧＡ封装，焊接比较
困难，而且１６０引脚ＱＦＰ封装的芯片与之功能相似，同样可以满足本设计需要的功能 同时易于焊接，故作者使用ＱＦＰｌ６０封装的芯片制作主控板。本节主要介绍主控板的 基本模块，通信接１：３部分如ＳＰＩ、１２Ｃ在电量采集板的介绍中进行说明，主控板与ＰＬＣ 调制 器接 主要部分为ＭＩＩ接口，所以本节中略去了主控板－与ＰＬ 制解调器 接口的介绍，而代以介绍Ｍ ５２７１微处理器与ＩＮＴ５５００之间的通过ＭＩＩ接 连接。 （１）Ｍ ５２７１主控板板的启动配置模块 ＭＣＦ５２７１可以工作在多种模式下，这些配置可以通过微控制器的外围引脚的设 定来控制，如图４．６所示，ＲＣＯＮ、ＪＴＡＧ＿ＥＮ、ＣＬＫＭＯＤ〔０：１〕为Ｍ ５２７１的外围引脚， 故可以通过拨码开关设定，ＲＣＯＮ为复位配置选择脚，ＪＴＡＧ＿ＥＮ用来设置是否进入调
第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
试模式， ＫＭＯＤ〔０：Ｉ〕用来设置时 钟频率。另外一些配置需要通过对数 据总线中的Ｄ１６、１９－１３２１、Ｄ２４、Ｄ２５ 进行信号接电阻上拉至３．３Ｖ或下拉 至地来 。为了防止这些配置对数 据总线进行数据传输时的的干扰，故 使用一片７４Ｌ ２４５进行缓冲，同时 兼有隔离的作用。具体各个引脚的配
表４—１ ＭＣＦ５２７１主控存储器映象 地址范围
Ｏｘ００００ ００００—０ｘＯＯＦＦ ＦＦＦＦ
设备 １６Ｍ字节ＳＤＲＡＭ ６４ｋ字节内部ＳＲＡＭ ２Ｍ字节外部Ｆｌ∞ｈ
片选信号
∞
无
Ｏ
０ｘ２０００００００一Ｏｘ２０００
ＦＦＦＦ
０ｘＦＦＥ０—００００－０ｘＦＦＦＦ ＦＦＦＦ
（３）Ｍ ５２７１与ＩＮＴ５５００的连接 ＩＮＴ５５００工作在ＰＨＹ模式下的时候类似于以太网物理层芯片，可以与带有ｆｒｉｌｌ 接口的Ｍ 相连。图４．７所示为ＭＣＦ５２７１与ＩＮＴ５５００连接方式。由于此时ＩＮＴ５５００ 工作在ＰＨＹ模式下，所以ＭＩＩ接口的信号方向与Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式下的方向相反。
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
ＭＣＦ５２７１芯片ＭＩＩ接口的信号线可以分为三组：用作数据管理的信号线 ＥＭＤＩＯ和ＥＭＤＣ；反映介质状态的信号 线Ｅ Ｌ和ＥＣＲＳ；其余为接收／发送信
号线。
ＥＭＤＩＯ为双向信号，在玳Ｔ５５００和 ＭＣＦ５２７１之间传输控制信息和状态信 息。控制信息由ＭＣＦ５２７１发给ＩＮＴ５５００， 状态信息由ⅢＴ５５００反馈给Ｍ ５２７ｌ。 ＥＭＤＣ为输出信号，作为ＥＭＤＩＯ数据传 输的参考时钟。 ＥＣＯＬ为输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质上有冲突。Ｅ Ｓ为 输入信号，该信号有效时，表示检测到传输介质忙；否则表示传输通道处于空闲状
态，可以进行传输。
图４－７ ＭＣＦ５２７１与ＩＮＴ５５００连接图
ＥＲＸＤ〔０．３１用来接收ＩＮＴ５５００发送的４位数据；ＥＲＸＤＶ用来表示从ＩＮＴ５５００ 接收到的数据是否有效，高电平为有效；ＥＲＸＣＬＫ为ＩＮＴ５５００提供给Ｍ ５２７１的 数据接收时钟信号，其工作频率为数据接收速度的２５％；ＥＲＸＥＲ为输入信号，该 信号有效时表示检测到当前在ＩＮＴ５５００上传输的帧出错。 ＥＴＸＤ〔０．３】用来向ＩＮＴ５５００发送４位数据；ＥＴＸＥ为输出信号，该信号有效时 表示ＭＩＩ总线上有数据，可以启动发送操作。ＥＴＸ Ｋ为输出信号，作为数据发送 的参考时钟信号。 ４．３，２电量采集板 电量采集板电路包括电量 采集电路、ＡＤＥ７７５６与主控芯 片的通信接口、实时时钟芯片 ＰＣＦ８５６３的工作电路与对外通 信接 （１）电量采集电路 图４．８所示为电量采集电
ＡＧＮＤ
路，其中 为电流互感器，
图４－８电量采集模块
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
电量采集芯片为ＡＤＥ７７５６。电路中电压和电流输入通道均采用差分信号输入。普通 电力线中的电流经过电流互感器 后接到实际负载上，电流互感器将电流转换成 电压信号，再经过Ｒ１与Ｃ４、Ｒ１０与Ｃ６组成的滤波电路滤波后进入ＡＤＥ７７５６的差 分信号输入引脚Ｖ１Ｐ和Ｖ１Ｎ。电力线的２２０Ｖ电压信号经过Ｒ７、Ｒ６和Ｒ８分压及 Ｒ８与ｃ８组成的滤波电路滤波后转换为２５０ｍＶ的电压信号，作为ＡＥＤ７７５６的Ｖ２Ｐ 的输入。 （２）ＡＤＥ７７５６与Ｍ ５２７１主控板的接口模块 ＡＤＥ７７５６与ＭＣＦ５２７１主控板的接 分包括用于通信的ＳＰＩ接口和ＡＤＥ７７５６ 的反馈信号。 如图４－９所示，图中使用两片７４０４芯片对 输入输出信号进行电压转换。７４０４芯片内部含
有６路缓冲器，本设计中使用了每片芯片中的
ＡＤＥ７７５６
ＲＥＳＥＴ ＤⅡ呵 ＳＣＬＫ
ｎｑ ＲＥＳＥＴ ｎ叮ＤＩＮ ＳＣＬＫ ＩＮ
４路缓冲器，７４０４芯片为漏极开路输出，所以 从主控芯片方输入的５ｖ／３．３Ｖ信号经过７４０４后
都可以转换为５Ｖ信号。向主控芯片方输出的
ＤＯＵ呵
４ ０ＵＴ ＤＯＵＴ
ｍＱ
ＯＵＴ＿ＩＲＱ
０ＵＴ ＳＡＧ ０ＵＴ ＺＸ
信号可以转换为３．３Ｖ信号。
图中的ＩＮ
ＤＩＮ、ＩＮ
ＳＡＧ
烈 ＳＣＬＫ、ＩＮ 和
圉４－９ ＡＤＥ７７５６与ＭＯＪ的接口部分
ｏｕＴ＿ＤＯＵＴ引脚为ＳＰＩ接口的引脚： ＩＮ ＲＥＳＥＴ为从主控芯片方输入的复位 控制’信号；ＯＵＴ ＩＲＱ为ＡＤＥ７７５６的中
断请求输出信号；ＯＵＴ
ＺＸ为通道２的
电压波形过零输出引脚，用于对电力线进
行过零检测；ＯＵＴ ＳＡＧ为电力线电压过
低和５Ｖ工作电压过低检测输出信号。 （３）实时时钟模块
图４－１０实时时钟模块
图４．１０为实时时钟模块，Ｐ ８５６３通过纽扣电池供电，Ｍ ５２７１主控板通过 １２ ＰＣＦ８５６３进行通信，Ｓ 为主控芯片发送的时钟信号，ＳＤＡ为数据双向 数据通信引脚。主控芯片可以设置Ｐ ８５６３当前时间和读取Ｐ ８５６３当前时间。
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第四章基于ＰＬＣ技术的远程电袭的硬件设计与模块测试
４．４硬件基本模块的软硬件结合测试
４．４．１
ＭＣＦ５２７１主控板板最小系统测试程序
在Ｍ ５２７１主控板的晶振电路、电源模块、启动配置电路和ＢＤＭ相关的电路 焊接完毕后，电路板就可以首先进行最小系统的测试，一般而言，最小系统的测试 可以通过控制连接在通用ＩＯ引脚上的ＬＥＤ指示灯来实现。 此时程序在内部ＳＲＡＭ中运行，尚未焊接外部ＳＤＲＡＭ，这样做主要是为了防
止外部ＳＤＲＡＭ出现问题引起的最小系统测试不能通过。Ｍ ５２７１的通用ＩＯ引脚
的初始化和普通的８位ＭＣＵ的初始化步骤相似，首先初始化方向寄存器，然后就 可以对与该引脚相关的数据寄存器进行操作，将某个数据寄存器置０，则相应引脚 输出低电平，如果置Ｉ，则相应引脚输出高电平。系统初始化函数如表４．２所示。
表４～２系统初始化函数表
４．４．２
ＭＣＦ５２７１主控板与ＡＤＥ７７５６的通信测试
ＭＣＦ５２７１中的ＱＳＰＩ模块与ＡＤＥ７７５６进行通信，读取该芯片中电量寄存器的
数值，ＭＣＦ５２７１的ＱＳＰＩ部分的函数与电量读取的测试程序的函数如表４－３所示。
表４－３ ＱＳＰＩ函数表 文件名 ＱＳＰＩ．Ｃ 函数 编号
１ ２
函数名
ＱＳＰＩ Ｉｎｉｔ（ｕｉｎｔ８ ｂａｌｌｍ
参敦及功能 ＱＳＰＩ模块初始化 ＱＳＰＩ模块发送一字节 同时接收一字节 ＱＳＰＩ模块发送ｎ字节 同时接收ｎ字节 从ＡＤＥ７７５６中读取５ 字节的电量效据
ＱＳＰＩ＿ＳｃｎｄＲｃｃｌ（ｖｏｉｄ） ＱＳＰＬｓｃｎｄＲｅｃＮ（ｕｉｎｔ８ ｎ）
ｕｉｎｔ８
３
ＥｎｅｒｇｙＴｅｓｔ．ｃ
ｌ
Ｅｎｄ’ｇｙ＿Ｒｅａｄ（ｕｉｎｔ８ ｅｎｅｒｓｙ〔５〕）
下面是Ｍ ５２７１ ＱＳＰＩ模块的初始化步骤，完成初始化之后就可以进行ＱＳＰＩ
数据传输了。 （１）Ｍ ５２７１的ＱＳＰＩ引脚信号有效，不作为通用ＩＯ 片选信号为 Ｏ
匿鹜圈魉溪遨弱煎强嘲
（２）设置ＱＭＲ寄存器来确定ＳＰＩ传输长度、工作模式、波特率等；
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
（３）设置Ｑｍ寄存器中的中断允许位
４．４．３
ＭＣＦ５２７１主控板与Ｐ ８５６３的通信测试
ＭＣＦ５２７１主控板的１２Ｃ模块用于与实时时钟芯片Ｐ ８５６３进行通信，设置和 读取当前时间。Ｍ ５２７１的１２Ｃ模块的函数与时间设置和读取的测试程序函数介绍
在在表４．４中列出。
表４－４ ＩＩｃ函数表 文件名 函效 编号
ｌ ２ ３ ４ １２ ｃ ５
函数名
ｖｏｉｄ １２Ｃ Ｓｔａｒｔ（ｖｏｉｄ） ｖｏｉｄ １２Ｃ Ｓｔｏｐ（ｖｏｉｄ） ｖｏｉｄ １２Ｃ ＳｅｎｄＢｙｔ盯ｕｉｎｔｇ ｃｈ） ｕｉｎｔ８ １２Ｃ ＲｅｃｅｉｖｅＢｙｔｅ（ｖｏｉｄ） ｕｉｎｔｇ １２Ｃ
参数及功能 通过ＳＤＡ上的沿跳变，启动１２Ｃ总线 通过ＳＤＡ上的沿跳变，停止１２Ｃ总线 通过１２ 线发送一个字节的数据 通过１２ 线接收一个字节的数据 每发送一个字节后。判断从设备是否会 发应答（低电平） 每接收一个字节后，如果要继续接收． 则要发应答 接收一个字节后，如果要不再接收， 则不发应答 读取日期和时间，存放于ｂｕｆｆ所指的 缓冲区中 设置日期和时间，将缓冲区中的数据 写到时钟芯片中
ＷａｉｔＡｃｋ（ｖｏｉｄ）
６
ｖｏｉｄ
１２ｃ＿＿ｓｅｎｄＡｃｋ（ｖｏｉｄ） １２ ＳｅｎｄＮｏｔＡｃｋ（ｖｏｉｄ） Ｒｃａｄ’Ｉ’ｎｎｃ（ｕｉｎｔ８ ＲｃｇＡｄｄｒ，ｕｉｎｔ８＋ｂｕｆｆ；
ｕｉｎｔ８ ｃｏｕｎｔ）
７
ｖｏｉｄ ｕｉＩｌｔ８
ｌ ＰＣＦ８５６３Ｔｅｓｔ．ｃ ２
ｕｉｍ８ ＲｍｄＴｉｍｅ（ｕｉｎｔ８ ＲｅｇＡｄｄｒ，ｕｉｎｔｇ＋ｂｕｇ
ｕｉｎｔ８ ｃｏｕｎｔ）
由于篇幅有限，在此只给出１２ 置和读取ＰＣＦ８５６３时间和日期的函数头，
ＰＣＦ８５６３中的相关寄存器存放着时间和百期，测试程序通过１２ 线设置和读取这
些寄存器中的值。
５０
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第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
／＊ＲｅａｄＴｉｌｌｌｏ：读取时间日期一……～…一……一＋
十 ＋功能：从给定的地址开始．读给定个数的数据．放到缓冲区中 ?? 牛参数：ＲｅｇＡｄｄｒ－－起始寄存器地址ｂｕｆｆ一存放数据缓冲区 ＋ ?? ｃｏｕｎｔ一读取的个数 ?? ＋返回：０－－成功１一失败 ＋ ＋备注：寄存器地址－－Ｏｘ０２：ｌＤ／０ｘ０３：分／ｏｘ０４：小时 ?? ＋０ｘ０６：星期／０ｘ０７：月（世纪）／０ｘ０８：年 ●———————————————————??———————————————————————————??——————————————一＋／
ｏｉｎｔ８ ＲｃａｄＴｉｍ“ｕｉｎｔ８ ＲｅｇＡｄｄｒ，ｕｉｎｔ８．ｂｕｉｆ，ｕｉｎｔ８
／＊ＳｅｔＴｉｍｅ：设置时间日期————一??
’功 ＋参
＋
ｃｏｕｎｔ）
＋返 回：卜成功卜一失败 ｝备注：寄存器地址—０ｘ０２：ＴＤ／０ｘ０３：分／Ｏｘ０４：小时 ｝０ｘ０６：星期／０ｘ０７：月（世纪）／Ｏｘ０８：年
ｕｉｎｔ８
能：从给定的地址开始，将缓冲区中的数据写到时钟芯片中 数：Ｒｅｇ＾ｄｄｒ一起始寄存器地址ｂｕｆｆ一存放数据缓冲区 ｃｏｕｎｔ一要写的个数
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
Ｒｃ舡ｌＴｉｍｅ（ｕｉｎｔ８ ＲｃｇＡｄｄｒ，ｕｉｏｔ８＋ｂｕｉｆ，ｕｉｎ培ｃｏｕｎｔ）
４．４．４
ＭＣＦ５２７１主控板与ＰＬＣ调制 器的通信测试
ＭＣＦ５２７１与ＰＬ 制解调器之间的通信测试主要工作在于ＭＣＦ５２７１ ＦＥ 块 的初始化、以太帧发送和接收等函数的实现，表４．５列出了ＦＥ 块的函数及通信
测试程序。
表４－５ ＦＥ 数表 文件名 函致 编号
１ ２ ＦＥ ｃ ３ ４ ５ ｖｏｉｄ ＦＥＣ
函数名
Ｉａｉｔ ｆｕｉｎ蠕ｍＯｄｅ，ｃｏｉｌｓｔ
参数及功能 ｕｉｎｔ８＋ｐａ） 初始化快速以太网控制器模块 设定以太网控制器模块的ＭＡＣ地址 发送一个以太网帧 接收一帧中断处理函数 快速以太网控制器模块中断处理函数 发送数据测试程序 接收数据测试程序
ｖｏｉｄ ＦＥＣ Ｓｅｔ Ａｄｄｒｅｓｓ（ｃｏａｓｔ ｕｉｎｔ８＋ｐａ）
ｉａｔＦＥＣ＿Ｓｅｎｄ（ｕｉａｔＳ＋ｄｓｔ，ｕｉｎｔ８＋ｓｉｃ，
ｕｉｎｔ〕６乜，Ｄｃ，ＮＢＵＦ＋ｎｂｕｔ）
ｖｏｉｄ ＦＥＣ Ｒｘ ＨａｎｄｌｅｔｔＮｌＦ＋ｏｉｌ） ｉｎｔ ＦＥ ｈｑ ｖｏｉｄ ｖｏｉｄ
ＨｕｎｄｌｅＫｖｏｉｄ）
Ｍ５５００１砸ｃ
ｌ ２
Ｓ??ｍｄＴｅｓｔ（ｖｏｉｄ） ＲｅｃＴｃｓｔ（ｖｏｉｄ）
下面是Ｍ ５２７１ ＦＥ 块的初始化步骤，初始化功能为设定本机的ＭＡＣ地
址、初始化接收，发送缓冲块、选择工作模式为１０Ｍｂｐｓ还是１００Ｍｂｐｓ等。 （１）根据入 数ｐａ指向内容设置本机的ＭＡ 址；
（２）设置接收缓冲块大小，每个缓冲块存放一个以太帧，由于最大的以太帧
长度为１５１８字节，但是ＭＣＦ＿ＦＥ ＥｔｖｍＢＲ中写入的数据需要被１６整除，月似该
●
寄存器赋值１５２０；同时设置接收／发送缓冲块描述符的首地址；
嬲翟露震露阐
５ｌ
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
（３）初始化接收控制寄存器和发送接收寄存器，根据入 数 ＦＥＣ工作 模式。
ＦＥ 块初始化完成之后就可以进行接收发送一帧以太帧的测试，图４．１ｌ所 示为ＭＣＦ５２７１发送一个以太帧的流程。调用该函数时首先需要准备好一个网络缓 冲块并填充数据，该函数在缓冲块后添加以太帧头通过ＭＩＩ接 送出去，本设计
中是发送给ＰＬ 制解调器的ＩＮＴ５５００。 测试主控板与ＰＬ 制解调器的通信，首先将
主控板与远程电表使用的ＰＬＣ调制 器连接好， 然后通过电力线连接到一个电力线上网用的ＰＬＣ 调制 器（烈Ｔ５５００工作在Ｈｏｓｔ／ＤＴＥ模式），该 ＰＬ 制解调器通过ＩＬｌ４５网线连接到ＰＣ机的网
卡。
首先测试主控板发送数据是否成功，测试程序 准备缓冲块并填充数据，然后调用发送以太帧程 序，每隔１秒发送一次，ＰＣ方通过网络包捕捉软 件进行捕捉，如果捕捉到主控板发送的数据包，则 表明主控板发送数据成功。 测试主控板接收数据是否成功，只要在Ｐ 运行ｐｉｎｇ命令，测试程序收到以太帧后会进入接收 中断，将以太帧中的ＭＡＣ地址与Ｐ 网卡的
图４－１ １发送一个以太帧流程图
ＭＡ 址进行对比，如果一致则闪烁指示灯表明接收成功。
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第四章基于ＰＬＣ技术的远程电表的硬件设计与模块测试
４．５软硬件结合测试遇到的问题及应对措施
（１）ＳＤＲＡ＾Ｉ没有焊接好引起的问题 问题：在ＭＣＦ５２７１及其外部配置部分都已经焊接好的情况下，作者首先在最 小系统的配置下在ＳＲＡＭ中运行了通用ＩＯ引脚控制ＬＥＤ的测试程序，在最小系 统的测试成功后，作者紧接着焊接好的外部ＳＤＲＡＭ，但是准备在ＳＤＲＡＭ中运行 相通的测试程序时时连调试状态都不能进入。 ：因为先前焊接的模块都是经过测试没有问题的，所以现在出现的问题肯 定与焊接相关，经过仔细观察ＳＤＲＡＭ的引脚，觉得焊接时可能存在虚焊，所以使
用万用表测量ＳＤＲＡＭ的引脚是否与Ｍ ５２７１对应的引脚连接良好，测量却没有
发现有接触不良的情况。作者起先考虑到可能是由于ＳＤＲＡＭ频率较高，在布线的 时候如果两根线的长度相差太大，则容易引起数据丢失，这样的话就只能重新设计
板图来纠 个问题，这是最为棘手的问题，如果有办法来测试就好多了。如果数
据丢失的现象是因为传输频率太高引起的，那么降低频率会不会避免这个问题呢， 作者将原来的１００ＭＨｚ的主频降低到２５ＭＨｚ，但是此时仍然不能进入调试状态。如 果连调试状态都不能进入，怎么继续模块测试呢？作者突然联想到已经测试好的 ＳＲＡＭ的程序能不能利用呢，由于ＭＣＦ５２７１内部集成了ＳＤＲＡＭ控制器，只要初 始化好了就可以像读写内部ＳＲＡＭ 方便地读写ＳＤＲＡＭ，所以作者在ＳＲＡＭ 中运行的程序中加入Ｃｏｄｅｗａｒｒｉｏｒ的例程提供的ＳＤＲＡＭ初始化函数，另外自己编 写了对ＳＤＲＡＭ某个地址进行写入和读出的函数，如果在第Ｎ位的位置上数据不相 同，则让ＬＥＤ闪动Ｎ次，经过多次测试，发现只有最高位数据不对，根据原理图 将对应引脚焊接之后ＳＤＲＡＭ的问题解决。后来才发现，原来在使用万用表测量引 脚的时候万用表探针压在该引脚上，反而使得引脚与焊盘接触良好。 （２）ＰＬＣ调制 器与ＭＣＦ５２７１主控板不能 通信 问题：使用跳线帽进行了跳线，选择ＰＬ 制解调器的ＩＮＴ５５００进入ＰＨＹ模
耋黛 ：主妊〕 ＥＤ：６８００丌。ｗ晶〕鼻新∞ ｌ二！： Ｉ：：！：嚣ｌ
控板进行通信测试不成
引脚 引脚
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
：设 路
＾点
的时候希望能够使 用跳线选择ＩＯ引脚 的高低电平，但是电
路设计得不成功。
ＩＯ
引脚
匪警３．３Ｖ鼎。芭Ｂ／霉ＬＥＤ竭６８０ｆ１３Ｖ Ｌｑ””Ｌ篓柚淼 Ｇ淼ＮＤ
一。
‘一
鼎—Ｈ汁——一
图４－１３ ＰＬ 制解调器中的连接方式
Ｉｎｔｃｌｌｏｎ推荐使用的电路如图４．１２所示，不能进行引脚电平转换，也就不能进行模 式切换。本设计中使用的电路如图４．１３所示，如果希望ＩＯ引脚上电时为高电平， 则跳线跳到３．３Ｖ地方即可；如果希望ＩＯ引脚上电时为低电平，如果跳线跳到ＧＮＤ 地方，则由于３．３ｋＱ电阻、６８００电阻及ＬＥＤ的分压作用，Ａ点的电压为２．１５Ｖ， 在ＩＮＴ５５００看来仍然是高电平。同理，图５中的Ｂ点在跳线跳到３．３Ｖ处的时候电 压为１．２Ｖ，在ＩＮＴ５５００看来仍然是低电平，所以一直不能进入ＰＨＹ模式。
故根据以上情况，可以将跳线设计成图４－１４｝Ｙｒ
示电路，因为在ｐｈｉ／模式下无需使用ＬＥＤ显示当 前状态，故图中的连接方式可以很好的满足要求。
引脚
ＩＯ。．端詈 周３’３ｖ
ｌ‘Ｎ
３３ｋＱ
ｌ‰
图４－１４恪改后的连接方式接方式
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第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
前一章中比较详细地介绍了基于ＰＬ 术的远程电表的硬件设计及模块测试， 本章主要介绍整个系统的软件设计和实现过程。从软件的总体设计开始，介绍了对 远程电表的软件进行模块化的分割和设计以及实现要点，接下来列出了与远程抄表 软件（以下称为后端软件）的接 议，并给出主要模块的测试技术总结，以及一 个简单的抄表程序示例，最后给出了作者的设计体会。
５．１软件总体设计
基于ＰＬ 术的远程电表的软件可以划分为两个部分：主控芯片方程序以及与 后端软件的接 两者相互独立。主控芯片方软件主要完成以下功能： （１）定时电量采集：与ＡＤＥ７７５６通信，通过ＳＰＩ接 取电量数据； （２）电量数据存储：读取实时时钟获得当前时间，判断当前时段，将读取到 的电量数据按照时段进行相应存储； （３）数据通信和加密解密：接收和解析后端软件发送的命令数据包、构造和 发送应答数据包：并完成命令数据的解密和应答数据的加密； （４）命令响应：对后端软件发送的命令做出响应； （５）掉电处理：检测到电压过低和掉电情况后及时进行重要数据存储。 后端软件接口主要包含通信协议的设计，如果将接 比较合理，则对于 后端软件的开发人员来说相当方便。
５．２软件模块分割与设计
根据以上功能分析，软件共划分为５个模块：电量采集和存储模块、数据加密 模块、嵌入式以太网模块和掉电处理模块。 电量采集和存储模块完成定时电量采集和电量数据存储功能； 嵌入式以太网模块完成数据通信功能，该模块包含与ＰＬＣ调制 器的通信的 底层驱动程序，同时包含网络协议，负责网络数据的解包打包功能； 数据加密 模块用来对后端软件的命令 和本地应答数据的加密； 掉电处理模块完成检测到电力线电压低于闷值时对重要数据的存储；
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电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
命令响应模块对后端软件的命令进行响应。 下面分别对每个模块进行详细说明，命令响应模块按照５．４节中的抄表系统命 令及应答表编写，在本节中不做介绍。 ５．２．１电量采集和存储模块 电量采集模块主要功能为通过ＭＣＦ５２７１的ＱＳＰＩ接口访问ＡＤＥ７７５６中的寄存 器即可实现电量读取。该软件模块在基本硬件的测试中已经实现，而且已经封装起 来不再改动，同时留出该模块函数的入口和出 所以可以直接使用。为了避免频 繁读取电量数据，软件中设置一个读取时间，使用一个定时器用来计时，当达到读 取时间时，定时器产生定时中断，在中断处理程序中置电量读取标志位，主程序中 扫描该标志位判断是否需要读取电量数据。 目前国内的复费率电量计费一般将一天时间划分为 三个时段，分别为用电高峰时段（简称峰时）、用电低谷 时段（简称谷时）和用电平常时段（简称平时），每个时 段的电价不同。电量数据存放在Ｆｌａｓｈ中，其中包括上月
总电量、上月峰时电量、上月谷时电量和上月平时电量， Ｉ
数据存储流程
ｊ
读取时钟
．
１Ｌ
阒断时段并将当前电量分别ｌ Ｉ累加到总电量和当前时段电Ｉ
量ＲＡＭ缓冲区中
以及为了防止意外情况而同时存储的本月已用总电量、本
月峰时电量、本月谷时电量和本月平时电量。各时段的电
ｌ
＜到达３０分钟？＞岁
Ｉ是
ｌ
数据写入Ｆｌａｓｈ
价（费率）同样存储在Ｆｌａｓｈ中，可以远程修改，由于不 会频繁变动，所以与电量数据的存储位置不同。 存储模块处理流程如图５．１所示，接收到采集的电量 后首先读取当前时间，根据时间判断当前所处时段，然后 将电量存储到ＲＡＭ中的总电量和所处时段电量缓冲区 中去；将电量写入Ｆｌａｓｈ的时间间隔为３０分钟，到达３０
分钟则将ＲＡＭ缓冲区的电量写入Ｆｌａｓｈ中；如果达到本
＼＼
／到达本月结束＼ｊ
时间？／／
卜—一
１Ｌ是
Ｉ将本月电量写入Ｆｌａｓｈ中上 １月电量存储区，井将本月电
量存储区清空
月结束时间，则将本月已用总电量和各个时段的电量写入 Ｆｌａｓｈ中的上月电量存储区，并将Ｆｌａｓｈ和ＲＡＭ中本月的 电量全部清零。 ５．２．２数据加密解密模块
结
卜
．
束
图５－１数据存储流程
由于远程电表使用的传输网络是电力线网络，属于一种相对开放的网络，所以
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第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
就存在前端模块的数据可能面临着较多的网络数据的干扰，另外也存在着网络数据 可能被拦截和修改的危险。一种解决方法是统一数据格式，同时对传输的数据进行 加密。作者使用的ＭＣＦ５２７１芯片本身就自带着硬件加密模块，可以实现ＤＥＳ、３ＤＥＳ 和ＡＥＳ加密和解密，本设计中使用ＡＥＳ加密。 ＡＥＳ是１９９７年１月由ＮＩＳＴ提出的，其目的是开发一种新的能保证政府信息 安全的编码算法。ＡＥＳ算法汇聚了强安全性、高效性、易用性和灵活性等优点ｐ９】。 ＭＣＦ５２７１的硬件加密模块实现的ＡＥＳ加密算法的加密和 使用同一个密 钥，加密示意图如图５－２所示，ＡＥＳ加密使用的密钥长度为１２８位，每次处理的数 据块长度也是１２８位。
１２８位密钥
明
文
圈
图５－２ ＡＥＳ加密处理示意图
一圈 团
十 ＋ ＋
下面为硬件加密模块的初始化程序：
序硬件加密模块初始化
锄能：韧始化硬件加密模块寄存器以设置加密算法、加密模式、密钥等
??参数：ＡＥＳＫｅｙ一指向ＡＥＳ密钥变量的酋地址 ??返回：无
ｖｏｉｄ
＋—————————??——————————－———－———??———??——————————??——————————————————————－－————————一＋／
ＡＥＳＩｎｉｔ（ｕＩＮＴ３２＊ＡＥＳＫｅｙ）
ｆ
ＭＣＦ５２７１一ＳＫＨＡ
Ｓ蝴Ｗ＝ＡＬＧ＿ＡＥＳ Ｉ Ｉ
ＰＦ．Ｒ ＥＯＢ ＤＩＲ．＿ＥＮＣＲＹＰＴ：
／，／加／解密算法选择ＡＥＳ加密 ／／加／ 模式为ｃｉｐｅｒ模式 ／／初始时为加密方式
／．初始化ＳＫＨＡ控制寄存器，允许ＳＫＨＡ中断ｖ
ＳＫ ＝Ｓ肼＾－Ｊ盯刚＾引Ｅ： Ａ设置ＳＫＨＡ数据寄存器，用来保存对称密钥‖
ＭＣＦ５２７１一ＳＫＨＡ
ＵｃＦ５２７１一ＳⅢ＾Ｓ柑∞１＝＊ＡＥＳＫｅｙ： ¨ ５２７１－ｓⅪ饥＿Ｓ时蕊２＝●（＾ＥＳＫｅｙ＋１）：
％Ｆ５２７１－ＳＫＨＡ＿Ｓ瞰ｍ３＝＋（住ＳＫｅｙ＋２）： ＭＣＦ５２７１＿ＳＫＨＡ＿Ｓ）ＯＱ）Ｒ车＝＊（ＡＥＳＫｅｙ＋３）： ／牛将密钥的字节数救入ＳＩＱ４Ａ密钥字节数寄存器ＳＩＱ（ＳＲ吖
ＭＣＦ５２７１＿ＳＩＱｔＡ＿ＳＫＫＳＲ＝ＡＥＳ＿ＫＥＹ＿ＳｔＺＥ：
／／ＡＥＳ的密钥字节数为１６
一将消息的位数写入ＳＫＩ．ＩＡ数据字节数寄存器ＳＫＤＳＲ吖 ＭＣＦ５２７１ ＳＩ；ＨＡ＿￥１Ｑ）ＳＲ＝ＡＥＳ＿ＯＡＴＡ＿ＳＩＺＥ： ／／ＡＥＳ的数据字节数为１６ ）
５．２．３嵌入式以太网模块
实现以太网数据传输，必须先 使用哪一种网络协议，在网络ＯＳＩ七层模型
５７
第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
中需要选择的主要是传输层的协议，传输层的上层协议与选用的传输层协议有很大 联系，而如果在以太网中，传输层以下协议基本一致，所以网络协议的焦点就在选 择ＵＤＰ和Ｔ 两种协议中的一种。 虽然ＴＣＰ能保证数据传输的可靠性，但它的可靠性是靠复杂的协议完成的。若 采用ＴＣＰ通信，则需建立连接、维持连接和拆除连接，这将大大增加嵌入式设备的 处理时间。而ＵＤＰ头结构相对于ＴＣＰ头结构更加紧凑，因而具有较高的传输效率。 虽然它提供的是不可靠连接，但数据的完整性可以很容易由应用层超时和包重传机 制解决，因此，ＵＤＰ仍然被应用层经常使用。
．
由于本设计中数据传输量小，而且数据经过加密，基于这两点，作者选用了 ＵＤＰ协议。下面就面临着一个问题：如何实现网络协议？目前主要方法是移植适用 于微处理器的简化的ＴＣＰ／ＩＰ协议，如ｕＩＰ协议、１ｗＩＰ、ＯＰＥＮＴ 等。作者选择了 Ｆｒｃｅｓｃａｌｅ公司提供的ｂｏｏｆｌｏａｄｃｒ ｄＢＵＧ中的ＴＣＰ／ＩＰ协议 ，包括ＵＤＰ、ＩＰ、Ｉ Ｐ 和ＡＲＰ的协议代码，ｄＢＵＧ同时提供了网络部分的底层驱动程序。为了便于理解 ｄＢＵＧ中的网络协议 ，需要首先了 下ｄＢＵＧ中的底层驱动程序，然后介绍 了网络部分的处理流程。 （１）底层驱动程序 底层驱动程序主要负责网络缓冲块队列的初始化及添加、移除等工作。程序在 初始化的时候生成三个先入先出（Ｆ珥Ｏ）网络缓冲块链表：发送链表、接收链表和 空闲链表，图５．３所示为发送链表和空闲链表。
鎏嚣表示该缓冲块等待发送
；；；；！；；！表示该缓冲块数据已披取走
图５－３睇Ｆ５２７１ ＦＥ 块发送链表和空闲链表圈
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
当需要发送数据时，程序首先从空闲列表中 取出一个网络缓冲块，在缓冲块中填充应用层数
据及各层的封装数据，最后在网络缓冲块中形成
一个以太帧，最后将这个缓冲块添加到发送链表
中。
使用ＦＥ 块发送一个以太帧时，需要首先 生成一个缓冲块描述符与该帧所在的网络缓冲块 关联起来，缓冲块描述符中包含该网络缓冲块的
地址及长度等信息，然后将该缓冲块描述符告知 ＤＭＡ引擎，ＤＭＡ引擎自动根据缓冲块描述符中 的信息将该帧数据发送出去。
ｌ将特发送应用层数据和填充数据 进行ＡＥＳ加密处理
弗否
Ｉ
请求一个网络缓冲块
ｆ网络数据发送子程序ｌ
ｌ
ｌ设置网络缓冲块应用层效据的偏移ｌ
Ｉ
ｌ加密后的数据放入以两络缓冲块偏 ｌ 移为起始地址的数据区
ｌ
ｌ设置缓冲块中有效数据的长度 Ｉ 为应用层数据的长度
发送完一帧数据后会产生发送完毕中断，在
中断处理函数中，已发送帧所在的缓冲块重新进
Ｉ
ｌ设置网络缓冲块传输层效据的俯移
ｌ
瞄行ＵＤＰ封装．以网络缓冲块偏捌
行初始化，并添加到空闲缓冲块链表中。 （２）网络部分处理流程
网络部分处理流程包括ＵＤＰ包的解包和打 包，使用的网络协议包括ＵＤＰ、ＩＰ和ＡＲＰ协议，
ｌ为起始地址的数据区存放ＵＤＰ数ｌ
据包头
ｌ
Ｉ ｌ 缓冲块中有效数据的长度＋＝ ＵＤｐ数据报头的长度
ｌ
Ｉ设置网络缓冲块 据的偏移
在此通过发送应答数据包的流程介绍一下网络部
分的处理流程。
ｌ
雌行ＩＰ封装，以网络缓冲块偏移刿 虹始地址的数据区存放驴数据报刿
ｌ
缓冲块中有效数据的长度＿
据报头的长度
图５．４是带有加密的网络数据发送予程序，
准备发送数据时，程序首先从网络缓冲块队列中
Ｉ
设置网络缓冲块以太帧数据的偏移ｌ
申请一个网络缓冲块，如果分配不成功则返回调 用程序，提示进行重发。如果分配成功，则将将 待发送的应用层数据进行ＡＥＳ加密，由于ＡＥＳ 加密每个块大小是１６个字节，而应用层的数据可 能不能被１６整除，故需要进行填充，此处填充 ＳＦＦ，有效数据通过应用层数据的长度字段确定。 应用层数据准备好之后，就需要进行ＵＤＰ封装、 Ｄ封装和以太帧封装，封装为以太帧后，根据以
ｌ
进行以太帧封装，网络缓冲块偏移 为起始地址的数据区存放以太帧头
Ｉ
缓冲块中有效数据的长度ｐ
以太帧头的长度
Ｉ
根据网络缓冲块中数据长度、有效 数据组装成以太帧发送出去
图５＿４网络数据发送子程序
太帧数据的有效长度进行ＣＲＣ校验 ，ＣＲＣ
第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
校验和帧尾由芯片自动附加，然后将该帧发送出去。
’
在流程图中，有几个处看起来是繁琐的，譬如以太帧头加上ＩＰ数据报头加上 ＵＤＰ报头的长度都是固定的，为什么还要单独分开呢？其实这里面包含的是与网络 模型相一致的分层的思想，虽然在本设计中应用层数据区的偏移和其他部分的长度 是固定的，但是如果将其设为一个常量，每一层的处理就不能忠实地体现网络分层 的模型。而使用分层模型处理写成的程序，如果让一个网络初学者来看这个程序， 他也可以根据程序的流程更好的了解网络处理程序，而不致于感觉程序与网络分层 模型不一致。 ５．２．４掉电处理模块 目前小区在日常情况下很少发生停电现象，但不排除会发生偶然事件，所以电 表程序中必须加入掉电处理部分。检测到电压低于阈值离真正断电之间存在短暂的 时间，在这个时间内，程序必须能够快速的将重要的数据（如用户的用电量、当前 时间等）进行存储。本设计中使用的存储器与电表程序驻留的Ｆｌａｓｈ芯片是同一块
芯片。
检测到电压过低和掉电时程序将重要数据存储在Ｆｌａｓｈ芯片的最后一个块中，
同时在重要数据后面添力ｎ￥ＡＡ和￥５５。当芯片重新上电时，首先对Ｆｌａｓｈ芯片最后一
个块进行读取，如果数据最后两个字节分别时ＳＡＡ和￥５５则说明在曾经发生过掉电， 而且调电前的数据就存储在这个位置。接着程序将这些重要数据写入原来应该保存 的位置，并将这个块全部擦除。这样就能较好的保存掉电前的重要数据而不致于引
起数据混乱。
５．３软件模块实现要点
５．３．１掉电数据存储位置的选择 如果检测到掉电的时候将重要的数据写回原来的位置，则必定要先将这些数据 所在的块进行擦除，然
时间名称 典型值【注１Ｉ
Ｏ．７ ２５ ５ ７ １５０ ２１０
最大值ｌ注２１
１５
单位 秒 秒 微秒 微秒
后才能将数据写入。 但是从表５．１中 可以看到，１个块擦除 的典型时间是Ｏ．７秒
块擦除时间 芯片擦除时间 字节编程时间 字编程时间
注１：典型值是在温度２５”（２、电压３．ＯＶ、１００００００次周期取平均的结果 注２：晟大值是在温度９０”（２、电压２．７Ｖ、１００００００次周期取平均的结果
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第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
钟，在比较恶 条件下，块擦除的时间甚至可以达到１５秒，即使是０．７秒，相对 于停电的瞬间来说也是比较长的，更何况多数的情况是大于这个时间的。相对于块 擦除的较长时间，字编程的时间要短的多，假设在比较恶劣的情况下编程１００个字 的时间也只有２１毫秒。所以作者修改了原先的思路，检测到掉电的时候不将重要 数据写回原来在Ｆｌａｓｈ中的位置，而是在Ｆｌａｓｈ芯片的最后一个块作为存储掉电前重
要数据的区域。 ５．３．２网络协议的通用性和可扩展性
在前面曾经提及网络程序与网络模型相对应的分层处理的思想，虽然本设计中 只是用到了ＵＤＰ、ＩＰ和ＡＲＰ协议，但是其基本思想一经理 添加其他的协议也
不是很困难的事情。 譬如作者在调试网络程序的时候有一段时间数据发送和接收总是时好时坏，于 是作者只能在网络的各层处理程序加入串 出命令显示是否到了该层，但是增加
的调试信息显示起来比较杂乱，干扰了正常的输出信息，所以作者就在程序中添加 ｐｉｎｇ命令的处理，当网络传输出现问题的时候，使用该命令调试是否是高层协议处
理的问题还是硬件的问题。
５．４主要模块的测试技术总结
５．４．１电量采集精度
本设计中的电量采集精度由两方面的硬件的精度来保证：１、采用的电量采集 芯片ＡＤＥ７７５６为高精度电量采集芯片，经过校准后完全满足ＩＥＣ６８７／１０３６标准中 对于精度的要求：２、选用的电流互感器为精度０．０５％的高精度互感器，能够很好的 提高电流采集精度。 ５．４．２数据传输稳定性的保证 前面在介绍ＵＤＰ的时候曾经提到，ＵＤＰ是一个简单的面向数据报的传输层协 议，不提供可靠性，它把应用程序传给ＩＰ层的数据发送出去，但是并不保证它们 能到达目的地，数据的完整性一般是由应用层超时和包重传机制 。在本设计中 有一个数据除了保证数据完整性外，还需要对时间有一定的要求，这就是设定当前 时间命令。 在５．３．１节对远程电表的要求中间有一条就是“每月只允许一次时间指示偏差
６１
第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
＋／－１０分钟内的校准功能”，这就需要时间校准，虽然每个月可能时间误差比较小， 但是随着时间的增加，如果没有进行及时的校准，则会使偏差过大，影响电表计费。 所以，在本设计中增加了时间校准功能，也就是每个月初期进行一次当前时间的重 新设定。 但是由于包括电力线网络在内的任何网络都有时间延迟，而且可能会发生异常 情况，引起数据包丢失，所以在本设计中，对ＰＬ 程电表的当前时间命令应答的 进行了精确的时间限制：即如果发出时间设置数据包后在ＲＥＳＰＯＮＳＥ ＴＩＭＥ（目前 设置为３秒）内没有应答数据包返回，则发送新的时间设置数据包；如果在 ＲＥＳＰＯＮＳＥ＿ＴＩＭＥ内有应答数据包返回，但是应答数据包中的电表当前时间超过发 送数据包的设定时间大于等于１秒，则表明时间设置数据包在传输过程中延时过长， 此时需要重新对该电表进行时间校准。通过在Ｐ 运行模拟的服务器程序，对以 太网接口的通信速率、通信可靠性等进行测试。
５．５与后端软件的接 计
由于软件分为前后两端模块，而且模块之间需要进行数据传输，所以必须规定 两个模块之间的接 后端软件命令在下页表５．２中列出，由于表格较大，所以放 在下一页中。表中同时包含抄表系统命令对应的电表应答数据，同时包含待扩展的 保留命令。与后端软件的通信协议使用ＵＤＰ协议。 ＵＤＰ协议是传输层的协议，如果接收抄表系统发送过来的请求并作出响应则属 于报文数据的格式。报文数据是经过硬件ＡＥＳ加密后的数据，加密前的数据分为 抄表系统命令数据和电表应答数据。
５．６后端软件的示例
在验证了通信协议的可靠性 之后作者编写了一个简单的远程 抄表程序，在实验室进行模拟抄 表，初始时间和电量为随意设置， 得到的结果如图５．５所示。模拟试
验共使用了两个远程电表，ＩＰ地址
图５－－５简单远程抄表程序模拟抄表示倒
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用——笪亘童堡至 璺垫查塑垩塑皇塞竺竺堡望兰！！！坚
分别为２１０．２９．１７４．１９８和２１０．２９．１７４．１９７，Ｐ 的口地址为２１０．２９．１７４．１９９。每个 远程电表采集一台Ｐ 所用电量，抄表程序每隔３０分钟修改当前时间为下一月， 并采集一次远程电表上月电量，经过 后将上月电量数据存放在数据库中并显示
出来。
表５－２后端软件命令及应答表
５．７设计体会
（１）软件设计时应按照合理的编程规范 好的程序不仅仅是体现在程序的 '性和运行效率上，良好的程序版式可以让 阅读程序的人赏心悦目，从而更便于程序的维护和后期开发。子程序的长短、文件
第五章基于ＰＬＣ技术的远程电表的软件设计与测试
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
的大小、行的缩进对齐、层 嵌套、注释位置等等都是在编写程序过程中应该注 意的地方。在进行软件设计时，适当的注释是非常有必要的。注释清晰的程序便于 阅读，相反，缺乏注释得程序难以理 时间长了甚至编程者本人都不清楚该段代 码的功能是什么。这样的程序使后期的调试和维护异常困难。当然注释也不是越多 越好，注释太多反而使得程序拖沓冗长，结构不清晰。一般在注释子程序时，应在 程序头说明程序名、功能、入１３、出 编程者、调用举例等内容。这样，使用者 可以不必了解程序的具体实现细节，按说明调用即可。 软件系统往往并不是一个程序“一统到底”，合理地进行软件功能模块划分是 非常必要的。为避免以后推倒重来，在设 初期就要对整体做好把握，各部分功 能进行合理的切割并尽量保证每个功能模块的独立性，明 自的入 出口，不 能多个模块牵扯不清。当软件有错误时，能迅速定位，且不需“牵一发而动全身”。 只有如此才能保证最终得到一件完美的软件产品。 （２）测试要充分 测试是项目开发过程中重要的一环。嵌入式系统的测试包括硬件和软件两方面 的测试。只有硬件稳定可靠，才能保证软件的可靠性。通常情况下，硬件和软件的 测试是交互进行的。原理设计正确基本上能保证硬件正确工作，因此，测试过程中， 主要的测试还在于软件。 软件测试应先进行各模块测试，再进行集成测试。编程者往往对自己的程序非 常自信， 一写完，几次测试后没发现问题便认为程序是正确的。而实际上，程 序潜伏的错误因为没有经过充分测试而未能发现，这样的程序在集成到系统中之后 一旦出现问题，便很难定位，因而使得后续的调试维护工作极其困难。
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
第六章结束语
第六章结束语
本文主要完成了以下工作： （１１深入理 ＯＦＤＭ调制技术、ＰｏｗｅｒＰａｃｋｅｔ技术和网络协议： （２）设计并实现了电力线通信和Ｉｎｔｅｍｅｔ相结合实现宽带上网的设备——ＰＬｃ
调制 器；
（３）编写了具有查找本地和远程ＰＬＣ调制 器和测试两个ＰＬ 制解调器之 间通信速率的Ｖ ＋程序；
ＰＬ 制解调器的基础上设计了基于ＰＬ 术的远程电表方案，并完成
了基于ＰＬＣ技术的远程电表软硬件设计和实现，进行了针对各个硬件模块的单独测 试和整体测试；并编写了远程电表电量读取的ＰＣ方模拟程序。
由于毕业设计的时间有限，作者设计和实现的ＰＬＣ调制 器和ＰＬ 程电
表虽然实现了初步的电力线通信和电流采集功能，但是还存在较多不完善的地方， 需要做进一步的改进： （１）ＰＬＣ调制 器通信速率：需要进一步优化印刷电路板的设计，更好的考 虑电源部分和高频电路部分的抗干扰问题，可以尝试将电路板设计为四层电路板， 使电源部分与通信信号分布在不同的电路层，同时可以缩短通信信号线路的长度， 降低由于线路过长引起的信号 ； （２）成本问题：虽然使用ＩＮＴ５５００芯片组成功实现了基于ＰＬＣ技术的远程电表， 并没有考虑成本问题，主要因为目前ＩＮＴ５５００芯片组刚刚推出，芯片成本较高，但 是根据半导体技术的一般发展规律和Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司推出的前期产品的价格趋势来看， ＩＮＴ５５００芯片组的成本会降低到一般用户可以接受的价格； （３）ＰＬＣ调制 器和远程电表的稳定性和实用化：应用研究的目的是能够实 现最终产品的实用化，虽然本设计中初步实现了ＰＬＣ调制 器的通信和远程电表 的功能，但是距离稳定和实用化还有一段距离，还需要对电路的可靠性和ＭＣＵ软 件进一步的优化；
参考文献
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
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堕墨垒
皇塑望望鱼茎查堡旦里墨墨墨壅垩垦皇室！壅星
附录Ａ ｌＮＴ５５００ＣＳ相关资料
Ａ．１〕ＮＴ５５００芯片引脚图
业一ｕ
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辫辨 髓蹭辫Ｏｉ兽ｏ§’霁 §
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皇垄垡望笪垫查生旦堡窒墨基垄垩堡皇墨！生旦
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ＡＶＳＳ ＤＡ ＯＬｒｒＰ ＤＡＣ ＩｏＵＴＮ ＡＶＳＳ
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附录Ｂ
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中应用
附录Ｂ ＭＣＦ５２７１相关资料
Ｂ．１
ＭＣＦ５２７１模块框图
Ｂ．２
ＭＣＦ５２７１芯片引脚图
鼗糕罐勰鞭鬻髓糍
７ｌ
攻读硕 位期阃参与的科研项目和发表的论文
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
攻读硕 位期间参与的科研项目和发表的论文
【１】田宏伟，王宜怀．ＢＤＭ模式下ＭＰＣ５５５外部Ｆｌａｓｈ编程的设计与实现．现 子技 术，２００６年５月． 〔２】Ｉ 造设备稼动率采集与ｗ曲查询系统鉴定单位：江苏省科学技术厅，鉴定时
间：２００５．１２．１７．
〔３】非接触式读写模块设计．苏州大学第六届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞 赛二等奖．
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
致谢
寒来暑往，冬去春来，转瞬间三年的研究生生活即将结束。在此首先要感谢我 的导师王宜怀教授和他的夫人张建英老师，感谢他们在学习和生活中给我无微不至 关心和帮助。在王老师的谆谆教诲下，我学会了独立思考、严密地分析问题、解决 问题。王老师渊博的知识、严谨的治学态度、孜孜不倦、敢于突破的精神以及豁达 的处世态度，使我终生受益。
感谢陆晓峰和刘晓升老师，他们在我碰到问题时都提出了宝贵的意见。感谢我
的同学刘雪兰、郑洪静、蒋建辉、帅辉明、徐清、徐风亮等，他们在我的课题研究 过程中给予了很大的帮助，同时感谢刘辉、叶旺胜对我论文的校对。 感谢在我的毕业设计中无偿提供帮助的厂家，包括提供晶振的杭州应达利公 司、提供电力线调制 器耦合线圈的上海勤慧欣电子公司、提供电流互感器的河 北辛集互感器公司等。 最后也是最重要的，我要感谢我的父母。这篇论文能够完成与他们的支持是分 不开的，是他们提供给我一个良好的生活环境，使得我能全身心地投入到我的学习
中。
电力线通信技术应用研究及其在远程电表中的应用
作者： 学位授予单位： 田宏伟 苏州大学
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