隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，居民用電不斷增長，用戶電表數(shù)目也隨之以數(shù)倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農(nóng)村，居民居住相對分散，有時抄表員需要費好幾天才能抄完一個村莊的電表，而且還有可能出現(xiàn)漏抄；在城市，居民居住聚集，面對高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費時費力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準確、可靠地抄表，已經(jīng)成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設(shè)計將低壓電力線載波通信技術(shù)和擴頻通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出具有遠程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴頻通信技術(shù)

我國在高壓電力線上的通信技術(shù)世界領(lǐng)先，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而在低壓（220V）電力線上載波通信仍然存在許多技術(shù)難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發(fā)人員最為關(guān)心的問題。在電力線上的通信技術(shù)一般有基于鎖相環(huán)路的窄帶傳輸技術(shù)、基于相關(guān)器的擴頻技術(shù)、過零傳輸技術(shù)等幾種。目前擴頻技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術(shù)。其芯片內(nèi)集成的載波通信單元采用QPSK（四相相移鍵控）調(diào)制方式；可變偽隨機碼速率（帶寬）的多地址通信技術(shù)，其載波中心頻率為120kHz,偽隨機碼速率可達到15Kb/s和30Kb/s.

由于它采用了QPSK調(diào)制技術(shù)，在帶寬不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率是BPSK調(diào)制方式的一倍。根據(jù)偽隨機碼的速率不同，數(shù)據(jù)速率可達到1Kb/s和500b/s.同時采用了63位Gold/Kasami序列，從而實現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達41個，其中33個Gold序列，8個Kasami序列，將使臺區(qū)之間的干擾減小到最?。煌瑫rPL3201向下兼容PL3105的通信方式（BPSK 二相相移鍵控），及其15/31位偽隨機碼模式，此外PL3201的載波調(diào)制輸出信號可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式。

擴頻技術(shù)是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端（簡稱發(fā)端）采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳輸信息所需的寬度；在接收端（簡稱收端）采用相同的擴頻碼進行相關(guān)解調(diào)來解擴以恢復(fù)所傳信息的數(shù)據(jù)。

根據(jù)C.E.Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關(guān)系式，即香農(nóng)公式：

式中：C為信道容量，指單位時間內(nèi)信道中無差錯傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，其單位為b/s;B 為信號頻帶寬度，單位為Hz;S為信號功率，單位為W;N 為噪聲功率，單位為W;S/N 為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比。由公式可以看出在信道容量C 不變的情況下，帶寬B 與信噪比S/N 成反比例關(guān)系，即只要增加帶寬B 就可以有效抑制信噪比S/N.擴頻通信正是基于這種理論使通信具有很強的抗干擾能力。

2.1 基本框圖及電路原理

智能電表是無線抄表系統(tǒng)的遠程終端，其包含核心單片機PL3201、電源、電量測量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時鐘電路和最新國標32段LCD顯示等8個模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單相智能電表的系統(tǒng)框圖

圖1中電量測量模塊進行電壓、電流采樣，輸出與功率成正比的脈沖。PL3201通過接收和累加來自測量模塊的脈沖數(shù)，計算出用戶用電量并存儲到相應(yīng)的存儲模塊E2PROM 中。同時根據(jù)智能電表要求的循顯功能顯示當前電表用電量和各個狀態(tài)量。用戶的各種數(shù)據(jù)由PL3201以固定幀的格式通過電力載波模塊將信號放大后經(jīng)公網(wǎng)電力線發(fā)送到集中器。集中器根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心分析并做相應(yīng)決策，如紅燈報警、繼電器的拉合閘等控制命令，以實現(xiàn)對用戶的遠程監(jiān)控管理。智能電表的測量和載波通信部分的原理圖如圖2所示。

圖2 智能電表載波與測量部分原理圖

2.2 智能電表測量原理

圖2中ADE7755具有雙通道采樣電路：通道1由錳銅分流器J4的全差分采樣電路獲取用戶的電流參數(shù)，其差分電壓最大輸入時為±470mV;通道2由電壓采樣電路獲取，其最大全差分輸入時為±500mV的電壓參量。所采得數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部信息處理如圖3所示。

圖3中芯片的引腳5,6是采樣電流輸入通道，引腳7,8是采樣電壓輸入通道。這兩個通道的信號輸入均為模擬信號，該信號由16位二階Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器分別進行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。電流通道的數(shù)字信號通過高通濾波器消除直流成分，再和轉(zhuǎn)換后的電壓通道的數(shù)字信號相乘，得到瞬時功率P（t）。P（t）經(jīng)過一個低通濾波器最終獲得有功功率P.P 經(jīng)過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器D/F轉(zhuǎn)換后，由引腳22輸出與有功功率成正比的頻率信號。整個過程只有在A/D轉(zhuǎn)換輸入和基準電壓輸入是模擬信號外，其他信息處理均在數(shù)字領(lǐng)域完成使得測量具有很強的抗干擾能力。在惡劣環(huán)境下仍能實現(xiàn)高精度和長期穩(wěn)定的電能測量。設(shè)獲取的采樣電壓和電流信號是正弦信號，則瞬時電壓和電流分別為v（t）=Vcos（ωt+θv），i（t）=Icos（ωt+θi），令θ=θv-θi,θ是電壓和電流之間的相位差。由此可以得出瞬時功率P（t）和有功功率P。

式中：V 是電壓峰值；I為電流峰值；T為電壓、電流基波周期；n是基波周期數(shù)，有功功率等于瞬時功率在基波周期內(nèi)的平均值。

圖3 ADE7755內(nèi)部測量原理

當獲取的采樣電壓和電流是非正弦信號時，可用傅里葉變換將瞬時電壓v（t）和瞬時電流i（t）分別表示為它們諧波成分之和：