1 引 言

低壓電力線是為傳輸50Hz 的工頻電能而鋪設(shè)的，是一種分布非常廣泛的線路資源，長久以來，人們一直試圖通過它傳輸數(shù)據(jù)和語音信號。隨著近幾年信號調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步、嵌入式軟硬件技術(shù)的發(fā)展和新型集成電路的不斷出現(xiàn)使得電力線通信（PLC）逐步從實驗室走向?qū)嵱?，成為具有良好發(fā)展前景的通信技術(shù)之一。本文給出了基于PLC 技術(shù)的遠(yuǎn)程單相復(fù)費率電表（簡稱基于PLC技術(shù)的遠(yuǎn)程電表）的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 硬件總體設(shè)計

如圖1所示，基于PLC 技術(shù)的遠(yuǎn)程電表硬件部分包含MCF5271 主控板、電量采集板和PLC調(diào)制解調(diào)器，三部分電路板相對獨立，并沒有設(shè)計在一塊電路板中電量采集板負(fù)責(zé)采集電量，MCF5271 主控板通過SPI、I2C 等接口與電量采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時通過符合IEEE802.3 規(guī)范的MII 接口與PLC 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行以太幀數(shù)據(jù)傳輸，PLC 調(diào)制解調(diào)器負(fù)責(zé)以太幀和電力線通信數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。

圖1 基于PLC 技術(shù)的遠(yuǎn)程電表模塊圖
3 MCF5271主控板設(shè)計

MCF5271主控板的設(shè)計參考了Freescale公司的MCF5271評估開發(fā)板的設(shè)計原理MCF5271評估開發(fā)板使用的ColdFire微處理器為196引腳的BGA封裝，焊接比較困難，而且160引腳QFP封裝的芯片與之功能相似，同樣可以滿足本設(shè)計需要的功能同時易于焊接，故使用QFP160封裝的芯片做主控板。主控板與PLC調(diào)制解調(diào)器接口的主要部分為MII接口，所以略去了主控板與PLC調(diào)制解調(diào)器接口的介紹，而代以介紹MCF5271微處理器與INT5500之間的通過MII接口的連接。

1、MCF5271主控板板的存儲器擴(kuò)展

MCF5271具有外部總線接口，數(shù)據(jù)總線寬度為32位D[31∶0]，尋址范圍可以達(dá)到32位，與外界存儲器相連的地址總線寬度為24 位A。MCF5271主控板中擴(kuò)展了一片1M×16位的Flash存儲芯片AM29LV 160DB，地址總線為20位，連接MCF5271的地址總線A[20∶1]，數(shù)據(jù)總線為16位，連接D[31∶16]。兩片8M字節(jié)的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址總線寬度為12位，數(shù)據(jù)總線寬度為16位，兩片芯片使用共同的地址總線A[21∶15]和控制信號，數(shù)據(jù)總線分別連接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。

2、MCF5271與INT5500的連接

INT5500工作在PHY模式下的時候類似于以太網(wǎng)物理層芯片，可以與帶有MII接口的MCU相連。圖2所示為MCF5271與INT5500連接方式。由于此時INT5500工作在PHY模式下，所以MII接口的信號方向與Host/DTE模式下的方向相反。

圖2 MCF5271與INT5500連接圖
MCF5271芯片MII接口的信號線可以分為三組：用作數(shù)據(jù)管理的信號線EMDIO和EMDC；反映介質(zhì)狀態(tài)的信號線ECOL和ECRS；其余為接收/發(fā)送信號線。

EMDIO為雙向信號，在INT5500和MCF5271之間傳輸控制信息和狀態(tài)信息。控制信息由MCF5271發(fā)給INT5500，狀態(tài)信息由INT5500反饋給MCF5271。EMDC為輸出信號，作為EMDIO數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮⒖紩r鐘。

ECOL為輸入信號，該信號有效時，表示檢測到傳輸介質(zhì)上有沖突。ECRS為輸入信號，該信號有效時，表示檢測到傳輸介質(zhì)忙；否則表示傳輸通道處于空閑狀態(tài)，可以進(jìn)行傳輸。

ERXD[0-3]用來接收INT5500發(fā)送的4位數(shù)據(jù)；ERXDV用來表示從INT5500接收到的數(shù)據(jù)是否有效，高電平為有效；ERXCLK為INT5500提供給MCF5271的數(shù)據(jù)接收時鐘信號，其工作頻率為數(shù)據(jù)接收速度的25%；ERXER為輸入信號，該信號有效時表示檢測到當(dāng)前在INT5500上傳輸?shù)膸鲥e。

ETXD[0-3]用來向INT5500發(fā)送4位數(shù)據(jù)；ETXEN為輸出信號，該信號有效時表示MII總線上有數(shù)據(jù)，可以啟動發(fā)送操作。ETXCLK為輸出信號，作為數(shù)據(jù)發(fā)送的參考時鐘信號。

4 電量采集板

電量采集板電路包括電量采集電路、ADE7756與主控芯片的通信接口、實時時鐘芯片PCF8563的工作電路與對外通信接口。

1、電量采集電路

圖3所示為電量采集電路，其中CT為電流互感器，電量采集芯片為ADE7756。電路中電壓和電流輸入通道均采用差分信號輸入。普通電力線中的電流經(jīng)過電流互感器CT后接到實際負(fù)載上，電流互感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過R1與C4、R10與C6組成的濾波電路濾波后進(jìn)入ADE7756的差分信號輸入引腳V1P和V1N。電力線的220V電壓信號經(jīng)過R7、R6和R8分壓及R8與C8組成的濾波電路濾波后轉(zhuǎn)換為250mV的電壓信號，作為AED7756的V2P的輸入。

圖3 電量采集模塊
2、ADE7756與MCF5271主控板的接口模塊

ADE7756與MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反饋信號。如圖4所示，圖中使用兩片7404芯片對輸入輸出信號進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。7404芯片內(nèi)部含有6路緩沖器，本設(shè)計中使用了每片芯片中的4路緩沖器，7404芯片為漏極開路輸出，所以從主控芯片方輸入的5V/3.3V信號經(jīng)過7404后都可以轉(zhuǎn)換為5V信號。向主控芯片方輸出的信號可以轉(zhuǎn)換為3.3V信號。

圖4 ADE7756與MCU的接口部分
圖中的IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS 和OUT_DOUT引腳為SPI接口的引腳；IN_RESET為從主控芯片方輸入的復(fù)位控制信號；OUT_IRQ為ADE7756的中斷請求輸出信號；OUT_ZX為通道2的電壓波形過零輸出引腳，用于對電力線進(jìn)行過零檢測；OUT_SAG為電力線電壓過低和5V工作電壓過低檢測輸出信號。

3、實時時鐘模塊

圖5為實時時鐘模塊，PCFB_563通過紐扣電池供電，MCF5271主控板通過I2C接口與PCF8563進(jìn)行通信，SCL為主控芯片發(fā)送的時鐘信號，SDA為數(shù)據(jù)雙向數(shù)據(jù)通信引腳。主控芯片可以設(shè)置PCF8563當(dāng)前時間和讀取PCF8563當(dāng)前時間。

圖5 實時時鐘模塊
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于PLC技術(shù)的遠(yuǎn)程電表的軟件可以劃分為兩個部分：主控芯片方程序以及與后端軟件的接口，兩者相互獨立。主控芯片方軟件主要完成以下功能：

（1）定時電量采集：與ADE7756通信，通過SPI接口讀取電量數(shù)據(jù)；
（2）電量數(shù)據(jù)存儲：讀取實時時鐘獲得當(dāng)前時間，判斷當(dāng)前時段，將讀取到的電量數(shù)據(jù)按照時段進(jìn)行相應(yīng)存儲；
（3）數(shù)據(jù)通信和加密解密：接收和解析后端軟件發(fā)送的命令數(shù)據(jù)包、構(gòu)造和發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包；并完成命令數(shù)據(jù)的解密和應(yīng)答數(shù)據(jù)的加密；