基于電力線載波芯片ST7538實現TTU通信模塊的設計

在電力供配電系統中，配電變壓器監(jiān)測終端（TTU）用于對配電變壓器的信息采集和控制，它實時監(jiān)測配電變壓器的運行工況，并能將采集的信息傳送到主站或其他的智能裝置，提供配電系統運行控制及管理所需的數據。一般要求TTU能實時監(jiān)測線路、柱上配電變或箱式變的運行工況，及時發(fā)現、處理事故和緊急情況，并具有就地和遠方無功補償和有載調壓的功能。由此可見，TTU除具有數據采集與控制功能外，另一個重要功能就是通信功能。

電力線載波通信技術出現于20世紀20年代初期，它以電力線路為傳輸通道，具有可靠性高、投資少、見效快、與電網建設同步等得天獨厚的優(yōu)點。電力線載波又分為高壓電力線載波（電力線載波中通常指35 kV及以上電壓等級）、中壓電力線載波（10 kV電壓等級）和低壓電力線載波（380/220 V電壓等級）。

1 、配變監(jiān)測終端通信模塊的硬件設計

1.1配電自動化對TTU通信的要求

根據配電自動化系統的要求，配變監(jiān)測終端TTU對上應能與配電子站或主站進行通信，將終端采集的實時信息上報，同時接收子站/主站下達的各種控制命令，對下要求可與附近的配變監(jiān)測終端（TTU）或其他智能設備進行通信。因此，對配變監(jiān)測終端通信功能的要求比較嚴格，無論通信方式、通信協議、通信接口都要滿足配網自動化系統的要求，主要包括：

（1）通信的可靠性：配變監(jiān)測終端的通信應能抵制惡劣的氣候條件，如雨、雪、冰雹和雷陣雨，還有長期的紫外線照射、強電磁干擾等。

（2）較高的性價比：考慮通信系統的費用，選擇費用和功能及技術先進性的最佳組合，追求最佳性價比。

（3）配電通信的實時性：電網故障時TTU快速及時地傳送大量故障數據，配變監(jiān)測終端的通信系統必須具有雙向通信的能力，具有半雙工或全雙工的能力。

（4）通信方式的標準化及通用性：配變監(jiān)測終端的通信系統包括發(fā)送器、接收器。使用中常常需要與其他配電設備進行通信，因此應盡量選擇具有通用性、標準化程度高的通信方式及設備，便于使用和維護。

1.2 TTU通信模塊的構成

1.2.1 通信模塊的整體框圖

TTU的通信模塊整體框圖如圖1所示。

接口通過電力線接收來自主站的命令信息，經過濾波放大后，命令經過解調送到控制器，然后控制器通過串口將主站命令發(fā)送給數據采集與處理模塊。數據采集與處理模塊根據接收到的主站命令對配電變壓器的數據進行采集，經過分析處理后，將數據信息通過串口發(fā)送給通信模塊的控制器，再經過調制，最后經由接口發(fā)送到電力線上，等待主站接收。

1.2.2 電力線載波芯片的選擇

在電力線載波通信中，電力線載波芯片起著至關重要的作用，它直接影響到信息的準確傳送，因此電力線載波芯片的選擇是十分重要的。

XR2210/XR2206套片或LM1893是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調制解調芯片，并不是專門針對電力線載波通信設計的。LM1893是美國國家半導體公司生產的modem芯片，采用FSK調制解調方式，它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內基本沒有采用。SSC P300是Intellon公司采用現代最新通信技術設計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻（Chirp方式）調制解調技術、現代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協議，可稱為智能modem芯片，體現了modem芯片的發(fā)展趨勢。但它是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標準、電網特性，特別針對家庭自動化而設計的。頻率范圍100 kHz“400 kHz，電網電壓480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不適合我國50 Hz電網頻率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通信而設計的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段，目前，在國內電力線載波抄表領域應用廣泛。

本文選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基礎上推出的一款為家庭和工業(yè)領域電力線網絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK調制解調器芯片。ST7538內部集成了發(fā)送和接收數據的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，內部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網中，可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實現可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運算放大器、時鐘輸出、超時溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源狀態(tài)輸出等，大大減少了ST7538應用電路的外圍器件數量，是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，為家庭和工業(yè)環(huán)境應用而設計，采取了多種抗干擾技術。

1.2.3 硬件電路的設計

通信模塊包括微處理器部分、載波部分、信號濾波部分和電力線信號耦合保護部分。整個通信模塊各部分的連接如圖2所示。

微處理器選擇ARM芯片，它與TTU的數據采集與處理模塊通過串口進行通信，及時發(fā)送主站的命令以及傳送TTU采集到的配變數據。

電力線載波芯片ST7538與微處理器之間通過SPI口進行通信，通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實現微控制器與ST7538的數據交換。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。微處理器與ST7538之間的通信采用同步方式，CLR/T作為參考時鐘。ST7538處于接收數據狀態(tài)時，RxTx為低，待發(fā)數據從TxD腳進入ST7538，時鐘上升沿時被采樣，并送入FSK調制器調制，調制信號經D/A轉換、濾波和自動電平控制電路（ALC），再通過差分放大器輸出到電力線。ST7538處于接收數據狀態(tài)時，RxTx為高，信號由模擬輸入端RAI腳進入ST7538，經過一個帶寬±10 kHz的帶通濾波器，送入一個帶有自動增益AGC的放大器。此信號再經過解調、濾波和鎖相變成串行數字信號，輸出給微處理器ARM。

信號濾波部分包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。輸入濾波電路采用并聯電流諧振電路，濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲。輸出濾波電路采用串聯電壓諧振電路，避免無用信號耦合到電力線上。

電力線信號耦合保護電路由功率放大器、輸出保護匹配電路和輸入增益平衡匹配電路3個基本部分組成，其耦合方式采用電容耦合。

2 、配變監(jiān)測終端通信模塊的軟件設計

2.1通信協議的制定

通信模塊的通信協議根據DNP3.0規(guī)約制定，數據鏈路層的數據采用一種可變幀長格式：FT3。一個FT3幀被定義為一個固定長度的報頭，隨后是可以選用的數據塊，每個數據塊附有一個16 位的 CRC 校驗碼。固定的報頭含有兩個字節(jié)的起始字，一個字節(jié)的長度（LENGH），一個字節(jié)的鏈路層控制字 （CONTROL），一個16位的目的地址，一個16位的源地址和一個16位的CRC校驗碼，其幀格式如表1所示。

起始字：2字節(jié)，0x0564。

長度：1字節(jié)，是控制字、目的地址、源地址和用戶數據之和，255≥長度≥5。

目的地址：2個字節(jié)，低字節(jié)在前。

源地址：2個字節(jié)，低字節(jié)在前。

用戶數據：跟在報頭之后的數據塊，每16個字節(jié)一塊，最后一個塊包含剩下的字節(jié)，可以是1”16個字節(jié)。每個數據塊都有一個CRC循環(huán)冗余碼掛在后面。

CRC循環(huán)冗余碼：2個字節(jié)。在一個幀內，掛在每個數據塊之后。

控制字與功能碼：通信控制字包含有本幀的傳輸方向，幀的類型以及數據流的控制信息。功能碼的具體設定為：

對于原發(fā)送方的幀：

0：使遠方鏈路復位

1：使遠方進程復位

3：發(fā)送用戶數據，須對方確認

4：發(fā)送用戶數據，不須對方確認

9：詢問鏈路狀態(tài)

對于從方發(fā)送幀：

0：肯定確認

1：否定確認

11：回答鏈路狀態(tài)

2.2 通信模塊的軟件設計方案

通信模塊平時工作在載波接收狀態(tài)，接收到一幀數據后解調給TTU數據采集端，TTU采集端接收并返回數據，數據調制后經電力線傳給主站經解調后給采集終端。在規(guī)定的時間內RS485接收到數據時進行載波發(fā)送，數據發(fā)送結束后返回接收狀態(tài)。若在規(guī)定的時間內RS485沒有接收到數據也自動返回載波接收狀態(tài)。通信模塊的軟件流程如圖3所示。

當通信模塊判斷有幀命令接收時，開始解調，即載波接收，限定時間為5 s，在解調過程中同時判斷幀命令，有則重新連續(xù)解調。有幀命令接收時才允許串口接收，限定時間為1.5 s。接收幀命令開始解調后，即向串口發(fā)送命令，TTU數據采集端接收到命令后，根據命令的指示進行數據的采集與處理，分析數據狀態(tài)，并把采集與分析結果發(fā)送到串口。當通信模塊接收幀頭找到后1.5 s內收到采集端的返回數據，則將數據進行調制，向電力線發(fā)送，即載波發(fā)送，限時5 s，若幀頭找到后1.5 s內沒有收到采集端的返回數據，則禁止接收TTU采集端的數據。載波發(fā)送完畢，通信模塊再次回到接收狀態(tài)，等待主站的下一次命令。

本文實現了配電變壓器監(jiān)測系統通信模塊的設計，該模塊基于電力線載波通信技術，通過電力線與配電主站進行通信，無需另架線路，具有性價比好，集成度高，工作可靠的優(yōu)點。通信模塊與配電變壓器的數據采集與分析處理模塊結合在一起，構成配電變壓器的監(jiān)測終端，使配電變壓器監(jiān)測終端集采集、處理、通信于一體，改善了配電變壓器監(jiān)測終端的功能，優(yōu)化了其設計，提高了整個監(jiān)測終端的性能，具有很好的發(fā)展前景。

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