摘 要： 设计了基于电力载波的远程抄表电能表，计量准确度高，实现了数据远程传递、防窃电功能报警、断电数据保存及液晶显示计量信息等功能。整个系统设计集成度高，硬件电路稳定可靠，系统控制软件实时可靠，使得采用PL3201 SOC芯片架构的电能表的功耗更低，计量准确度较传统的电子式电表更高，远程抄表功能便于集成化管理各用户电能数据，能做到实时监测电能信息，防止窃电事故和电网异常事故的发生。
关键词： 电力载波；电能计量；液晶显示；直序扩频通信
城市化规模的不断加大，住宅小区的住户密集度不断增多，电能表的安装位置变得偏僻，给小区的物管抄收电能数据带来压力，为避免电工上门抄表及保证电能表数据稳定可靠，采用电力载波电能表，可以通过数据接收器、数据集中器和计算机电能管理系统软件，对小区住户电能表数据实现快捷方便的操作管理[1]。
1 系统构成与工作原理
电能表技术由传统的机械转盘式电表逐渐向电子脉冲采样计数的电子式电能表转变。电能表计数向低功耗、高精度、实现复费率方向发展[2]。本设计采用复费率、高精度的电能计量芯片PL3201。PL3201芯片内集成的载波通信单元采用QPSK（四相相移键控）调制方式，可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术。
2 电能表硬件电路组成
电能表包括电源电路、数据存储电路、电力载波电路和液晶显示电路，主要完成电能表的计量和显示，同时具有精度校正功能。
2.1 PL3201电力载波通信
PL3201芯片内集成的载波通信单元采用QPSK（四相相移键控）调制方式，可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术。其载波中心频率为120 kHz，伪随机码速率可达到15 kHz和30 kHz，由于采用了QPSK调制技术，在带宽不变的情况下，数据传输速率是BPSK调制方式的一倍，根据伪随机码速率的不同，数据速率可达到1 kb/s和500 b/s。同时采用63位Gold/Kasami序列，实现了码分多址，其地址数目最多可达41个，其中33个Gold序列，8个kasami序列，将使台区之间的干扰减小到最小；同时PL3201向下兼容BPSK二相相移键控，及其15/31位伪随机码模式。此外PL3201的载波调制输出信号可由软件灵活配置成正弦波输出或方波输出模式，在PL3201采用了先进纠错数据传输更为稳定可靠[4]。
2.2 电源电路
此电源电路中采用了SOC芯片，涉及到模拟地(GND)、数字地(DGND)、模拟电源(VCC)、数字电源(VDD)及12 V模拟正电源。在电源部分的设计就要综合考虑兼顾整体，从电源上保证系统的稳定工作。
2.3 电能计量电路
计量电路可以由软件来控制选取两路电流采样信号中的某一路。在计量模块内部与电压采样结果进行乘法处理，计算得到有功功率、无功功率。上电复位时默认为第1路ADC采样作为电流通道的输入。
2.4 PL3201储存器
PL3205内置的嵌入式准16 bit微处理器储存器配置方式与8051基本相同，在物理结构上分成3个储存空间：片内程序储存器、1 KB片内数据储存器及256 B片内数据储存器和特殊功能寄存器。
2.5 PL3201芯片
主控制器是电能表的关键处理器，是指挥电能表正常运转的神经中枢。
本设计采用北京福星晓程电子公司的PL3201，此芯片有着稳定和优异的抗干扰特性。芯片采用增强型51处理器内核，内部集成了电力载波调制解调模块、3组高速高精度16 bit AD转换器，集成RTC实时时钟控制单元。
2.6 PL3201电力载波寄存器
载波通信单元中断使能位有效时，CPU的外部中断2将会被自动配置到载波通信中，用于数据字节发送或接收完毕的中断请求。
2.7 电力载波硬件电路
电力载波硬件电路如图1所示。电路原理介绍：PSK_OUT是电力载波的输出QPSK（四相相移键控）调制信号，三极管Q7、Q8是载波功率放大的初级功放，Q8放大正弦波的正半周，Q7放大正弦波的负半周，D11、D12对PSK信号进行限幅和对三极管提供稳压[4]。
Q5、Q6对PSK信号进行后级功率放大，C14进行信号的耦合和隔直，L03对输出信号进行整形，并滤掉电网的外来尖峰脉冲。最终在T03处耦合到电力线上。T03同时承担从电力线上耦合接收外来载波信号，D06是双向二极管防止外来雷电的损害。R13、C12、C11、L02构成一带通滤波器，中心频率点在120 kHz。
2.8 液晶显示
在整个电能表系统设计中，为了给用户提供直观的显示输出和可视抄表，一般都有计费计量的显示输出。传统的机械式电能表通常采用计数字轮来累加计数，本设计选用了129B的液晶显示模块，液晶显示内容丰富(包括基本的数字显示和关键汉字显示)，功耗低，可利用PL3201的内置24X4段码驱动电路，无需外加显示驱动电路；刷新速度快，利用内部显示控制寄存器即可完成循环动态显示，无需增加CPU的额外处理开销。
2.9 系统掉电模块
掉电检测电路主要检测微处理器的工作电压是否处于正常范围内,一旦出现异常便输出信号,提醒微处理器进行数据保护处理。
3 系统软件设计
采用符合国家电力行业标准的数据通信协议标准，在数据的加解密，数据的编码纠错方面有自己的独立设计，保证数据传递的稳定可靠。系统软件设计合理，系统掉电能及时检测，电能数据能保证可靠保存。有一个用户按键接口，用按键可切换显示数据的内容，包括电能电量信息、实时电压电流数据和系统时钟数据。配套使用电力载波接收器，通过串口读取电能表内部数据，并进行数据调校。
3.1 电能计量程序块
如图2所示，寄存器初始化后，定义电压双字节的特殊寄存器、电能计量存储器和转换结果的全局变量，然后取消寄存器保护，读取电能寄存器的数值和转换电压电流寄存器的数值。
3.2 液晶显示模块程序块
用F129B的液晶显示段码，根据EXT_ADR的地址从低到高进行排列，组合成一个12行8列的二维数组，调用时可以对EXT_ADR进行递增或递减，再对用后面的注释选择要显示的字符编码。
4 系统调试载波通信模块测试
测试时最大可能地模拟实际环境，整个测试系统如图3所示。
外接纯阻性负载，且负载功耗保持稳定。实测数据为通过串口读取的转换结果，如表1所示。
由于现在居民小区每家每户都铺设有220 V的电力线路，这为实现基于电力载波的自动抄表系统提供了很好的条件。电能表作为最底层的单元,通过电力线与数据集中器相互传输数据，完成各种通信，实现自动抄表。
参考文献
[1] 樊建学，盛新富.低压电力线载波集中抄表系统的研究[J]. 继电器，2005，33(17)：49-52.
[2] 魏永静，徐建政，张民.电力线扩频载波技术在抄表中的应用[J].自动化与仪器仪表，2005(6)：50-52.
[3] 赵钢，周启龙.基于低压电力线载波远程抄表系统的研究与设计[J].东北电力技术，2005，26(11)：21-23.
[4] 王有绪，许杰，李拉成.PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.