電力專用寬帶電力線載波通信芯片的設(shè)計與應(yīng)用

周春良，周芝梅，樊文杰，王連成，馮 曦，唐曉柯

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設(shè)計分析實驗室，北京 100192；2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

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電力專用寬帶電力線載波通信芯片的設(shè)計與應(yīng)用

周春良1,2，周芝梅1,2，樊文杰1,2，王連成1,2，馮 曦1,2，唐曉柯1,2

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設(shè)計分析實驗室，北京 100192；2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

在分析用電信息采集系統(tǒng)及其對電力線載波通信技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，針對目前窄帶載波和寬帶載波存在的問題，設(shè)計出一種新型的高性能、低成本、低功耗的電力專用寬帶電力線載波通信芯片。詳述了該芯片的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)中兩種典型通信單元的不同需求，提出了基于該芯片的模塊實現(xiàn)方案。

寬帶電力線載波通信；用電信息采集系統(tǒng)；終端模塊；局端模塊

0 引言

隨著國家智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的全面展開，尤其是用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的全面推進(jìn)，電力線載波通信技術(shù)憑借電力線天然資源優(yōu)勢得到大范圍的推廣和應(yīng)用，已成為智能電網(wǎng)本地接入最主要的通信方式。但目前大量使用的電力線窄帶載波通信技術(shù)存在通信速率低、穩(wěn)定可靠性差等缺陷，無法滿足智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)信息雙向交互業(yè)務(wù)的要求。同時HomePlug、G.hn等國際寬帶電力線通信標(biāo)準(zhǔn)主要針對的是因特網(wǎng)高速接入、音視頻傳輸?shù)仁覂?nèi)應(yīng)用場景，強(qiáng)調(diào)的是大帶寬、高速率，在傳輸距離、成本、功耗等方面也不能很好地滿足用電信息采集的室外應(yīng)用需求[1]。因此有必要開展針對用電信息采集的電力專用寬帶電力線載波通信技術(shù)研究，進(jìn)行相應(yīng)芯片研發(fā)及其應(yīng)用開發(fā)，加速電力線載波通信技術(shù)從窄帶向?qū)拵н^渡，提高智能用電環(huán)節(jié)的通信技術(shù)水平和綜合服務(wù)能力。

1 系統(tǒng)分析

如圖1所示，用電信息采集系統(tǒng)通常由主站、通信信道和采集設(shè)備三部分組成。主站一般由營銷系統(tǒng)服務(wù)器、前置采集服務(wù)器和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。通信信道是指主站與集中器之間的遠(yuǎn)程通信信道，包括GPRS/CDMA公網(wǎng)、LTE230專網(wǎng)、光纖和以太網(wǎng)等。采集設(shè)備主要有集中器、采集器和電表,設(shè)備之間的本地信道主要是電力線載波和485(無線抄表用微功率)。為了適應(yīng)不同的供電半徑和電表的分散程度，載波抄表可分為“集中器+載波表”的全載波、“集中器+載波采集器+485表”的半載波，以及“集中器+(載波采集器+485表)+載波表”的混合載波三種方式。在寬帶載波抄表系統(tǒng)中，定義了三種角色:中央?yún)f(xié)調(diào)器CCO、代理協(xié)調(diào)器PCO和站點STA。CCO是網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點，負(fù)責(zé)完成組網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理等功能，對應(yīng)的設(shè)備實體為集中器本地通信單元。STA為從節(jié)點，負(fù)責(zé)完成相應(yīng)電表信息采集和狀態(tài)上報，同時充當(dāng)PCO角色，進(jìn)行站點間數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，對應(yīng)的設(shè)備實體為安裝在電表、采集器中的通信單元。寬帶載波通信網(wǎng)絡(luò)通常形成以CCO為中心、以PCO為中繼代理、連接所有STA的多層級樹形網(wǎng)絡(luò)[2]。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)簡圖

2 芯片設(shè)計

針對用電信息采集系統(tǒng)中載波通信主節(jié)點CCO和從節(jié)點STA的特點，在芯片設(shè)計時須同時考慮兩種通信單元不同的性能和成本要求。

2.1 芯片結(jié)構(gòu)

芯片整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用二級AMBA總線架構(gòu):一級為32位高性能AHB總線、二級為32位低速APB外設(shè)總線。

圖2 芯片整體結(jié)構(gòu)

AHB總線是一個矩陣式結(jié)構(gòu)，總線的主設(shè)備包括CPU核、系統(tǒng)DMA、載波MAC硬件模塊及物理層模塊(PLC MAC HW/PLC PHY)；從設(shè)備包括SDRAM控制器及其配置接口、BootROM、SPI Flash控制器、系統(tǒng)DMA、載波模塊配置接口以及AHB2APB橋等。

APB總線上的設(shè)備主要包括以太網(wǎng)接口SPI_MAC、定時器Timer、串口UART、I2C控制器、GPIO模塊、PWM模塊、系統(tǒng)控制單元SCU等。APB總線上的各種SPI控制器及串口都支持DMA模式。

此外，芯片還集成了高性能、低功耗的模擬前端AFE，AFE主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、低通濾波器LPF和可編程增益放大器PGA。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

用電信息采集系統(tǒng)中寬帶載波通信面臨的主要問題是覆蓋范圍、可靠性、成本和功耗，通信速率較HomePlug等標(biāo)準(zhǔn)可大幅降低，典型10 Mb/s物理層數(shù)據(jù)速率已能滿足所有應(yīng)用需要[3],為此芯片在多方面進(jìn)行了專門的設(shè)計。

在頻段選擇方面，芯片基本工作頻段為2～12 MHz，向下可擴(kuò)展至500 kHz，同時應(yīng)用小帶寬模式或載波屏蔽方式，芯片可工作在6 MHz以下。芯片工作頻段避開了有較大周期性噪聲(與工頻相關(guān))和脈沖干擾的窄帶載波工作的低頻段。與HomePlug的2～30 MHz相比，芯片工作頻段較低、帶寬較窄，一方面可避開衰減較快的高頻段，提高了通信距離；另一方面可使時鐘采樣率成倍降低，結(jié)合較低階的調(diào)制技術(shù)，能大大降低對模擬前端及線路驅(qū)動器的性能要求，從而降低芯片的功耗和成本。

電力線信道存在著很大的突發(fā)脈沖干擾、多徑時延和頻率選擇性衰落，為此芯片物理層采用了先進(jìn)的信道編碼技術(shù)和多載波OFDM調(diào)制技術(shù)[4]。利用Turbo碼強(qiáng)大的糾錯能力及信道交織對誤碼數(shù)據(jù)的分散化，可以糾正大部分突發(fā)脈沖干擾引起的錯誤。采用OFDM調(diào)制技術(shù)，把高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為低速并行數(shù)據(jù)，結(jié)合較長的保護(hù)間隔，可以有效解決多徑時延引起的符號間干擾[5]。此外芯片還采用了增強(qiáng)的拷貝交織技術(shù)，形成時頻二維分集，接收機(jī)可以就單個拷貝和多個拷貝合并分別進(jìn)行譯碼與CRC校驗，從而大大提高電力線信道的魯棒性，有效對抗窄帶脈沖干擾和噪聲。

相比于無線信道，電力線的時變特性較慢，故在OFDM符號中沒有導(dǎo)頻，信道估計通過前導(dǎo)來獲得。前導(dǎo)是一個具有良好相關(guān)性的周期性序列，由SYNCP和SYNCM組成。SYNCP最長為10.5個符號，可用來做自動增益控制AGC、幀同步、頻偏估計、符號同步等；SYNCM為2.5個符號，可用來做信道估計。芯片前導(dǎo)長度比HomePlug長，提高了低信噪比下同步捕獲的能力。

在MAC層，芯片采用了CSMA/CA與TDMA相結(jié)合的信道沖突避免機(jī)制及數(shù)據(jù)分段、重組和重傳機(jī)制，可有效提高點到點通信可靠性。在網(wǎng)絡(luò)層，芯片支持自動快速組網(wǎng)、自動中繼、動態(tài)路由和多路徑尋址，可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和可靠性。

在時鐘設(shè)計方面，芯片CPU和總線之間采用同步設(shè)計，但支持整數(shù)倍頻關(guān)系，通過時鐘使能信號來控制，在芯片初始化時性能瓶頸在外設(shè)，CPU和總線同頻；在正常工作時，可根據(jù)應(yīng)用需求來設(shè)置，達(dá)到性能和功耗之間的平衡。在封裝方面，芯片支持兩種封裝形式，同時采用了SDRAM合封技術(shù)，來減少芯片整體管腳數(shù)量和封裝尺寸，降低BOM成本，滿足模塊小尺寸的要求。

3 芯片應(yīng)用

針對用電信息采集系統(tǒng)中采集器、電表和集中器對載波通信的不同需求，應(yīng)用寬帶載波芯片，可開發(fā)相應(yīng)的三種通信模塊，前兩種硬件電路基本相似，統(tǒng)稱為終端模塊，后一種稱為局端模塊。終端模塊強(qiáng)調(diào)低功耗、低成本和小體積，局端模塊側(cè)重高性能。

終端模塊硬件平臺如圖3所示，提供UART業(yè)務(wù)物理接口,支持多功能電能表通信DL/T 645協(xié)議，可實現(xiàn)電表信息的遠(yuǎn)程抄讀等功能。此外針對采集器提供485和紅外通信接口，可通過485總線和紅外抄讀電表，且支持?jǐn)?shù)據(jù)透傳功能。

圖3 終端硬件平臺

局端硬件平臺如圖4所示，配備UART、10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)物理接口，支持DL/T 645協(xié)議，可實現(xiàn)電表信息的遠(yuǎn)程抄讀、遠(yuǎn)程費(fèi)控等功能。

圖4 局端硬件平臺

實際應(yīng)用中，95%以上的通信模塊是終端模塊，成本和功耗是一個重要的考慮因素。終端模塊只需處理單相信號且接口較少，芯片采用小封裝形式，合封2 MB SDRAM，工作時CPU與總線頻率為2∶1。硬件平臺主要由載波通信芯片、線路驅(qū)動器LineDriver、LC帶通濾波器BPF、耦合變壓器Coupling Transformer四部分組成。LineDriver用于對發(fā)送模擬信號進(jìn)行放大，BPF用于對接收模擬信號進(jìn)行濾波，Coupling Transformer用于收發(fā)模擬信號與電力線之間的耦合。芯片提供兩個串口，一個用于調(diào)試，另一個用來與電力終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。操作系統(tǒng)、協(xié)議棧及應(yīng)用層軟件在系統(tǒng)啟動時通過BootCode從片外SPI Flash存儲器加載到芯片內(nèi)部的CCM和SDRAM存儲器中。

局端模塊在終端模塊基礎(chǔ)上，增加了以太網(wǎng)接口作網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，此外局端模塊須支持三相信號處理，對應(yīng)有3個耦合變壓器，需芯片產(chǎn)生三相分時切換的控制信號。局端模塊接口較多，采用大封裝形式，同時對存儲容量及性能要求較高，合封8 MB SDRAM，工作時CPU與總線頻率為3∶1。此外也可采用3個終端模塊并列的方式來實現(xiàn)局端模塊的功能，每個模塊處理一相，其中一個充當(dāng)主控，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯聚、分發(fā)和與集中器的通信，這種方案性能稍高，但成本高、功耗大，較少采用。

4 結(jié)論

基于電力專用寬帶電力線載波通信芯片的通信模塊已經(jīng)完成了基本的原型驗證并投入了試點應(yīng)用，結(jié)果表明，在組網(wǎng)速度、抄收成功率、抄收速度、并發(fā)抄表等方面較窄帶載波有明顯的優(yōu)勢，在傳輸距離、成本和功耗方面較HomePlug等寬帶芯片有很大的改善，這對加快寬帶載波的推廣、加速智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)有著重要的參考意義。

[1] Liu Jianming, Zhao Bingzhen, Geng Liang，et al. Current situations and future developments of PLC technology in China[C]. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 2012:60-65.

[2] 國家電網(wǎng)公司.電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議第5部分：基于寬帶載波通信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(征求意見稿)[S].2014.

[3] Liu Jianming, Zhao Bingzhen, Geng Liang，et al. Communication performance of broadband PLC technologies for smart grid[C]. IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, 2011:491-496.

[4] 戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術(shù)研究進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010,34(5):161-172.

[5] 何世彪，王杰強(qiáng)，韓彥凈，等. OFDM低壓電力線通信系統(tǒng)的符號同步及其FPGA實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,38(4):94-97.

Design and application of broadband PLC chip special for electric power

Zhou Chunliang1,2, Zhou Zhimei1,2, Fan Wenjie1,2, Wang Liancheng1,2, Feng Xi1,2, Tang Xiaoke1,2

(1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China;2. Beijing Engineering Research Center of High-Reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China)

Based on the analysis of electric energy data acquisition system and its requirement for power line communication(PLC) technology，a new type of high performance, low cost and low power broadband PLC chip special for electric power is designed aiming at the existing problem of current narrowband PLC and broadband PLC. The chip structure and key technology are described in detail, and combined with the different requirements of two type typical communication units for electric energy data acquisition system in smart grid, a module implementation solution based on this chip is provided.

broadband PLC; electric energy data acquisition system; terminal module; central module

TN492

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.010

周春良，周芝梅，樊文杰,等.電力專用寬帶電力線載波通信芯片的設(shè)計與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：34-36，43.

2017-01-09)

周春良(1977-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：通信芯片與系統(tǒng)實現(xiàn)。

周芝梅(1977-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：信號處理與專用集成電路設(shè)計。

樊文杰(1982-)，男，本科，工程師，主要研究方向：無線通信算法與芯片設(shè)計。