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刘耀辉：大家早上好，感谢大家的光临，同时也感谢主办方电子元件技术网给我们一个机会。今天我主要讲《基于 PLC技术的远程抄表解决方案》。
PLC技术因为不需要通讯额外的布线，可以直接通过电力线来传递数据，实现通讯，所以它的应用领域非常广泛，这里我举出几个典型的应用：第一可以用在路灯的控制；第二就是用在智能插座，插座有的时候还带有计量的功能，像小的电表一样，在各个节点可以实现简单的计量；第三个应用是最主要的一个，也就是PLC 在智能电表中的应用。现在的PLC，尤其是窄带PLC，最广泛的应用就是智能电表、远程的抄表系统。刚才刘博士也讲过，智能电网的概念非常火爆，实现这个智能电网，或者说我们国家坚持的智能电网，对于民用、工业用电来说，我认为它基本上实现了智能远程抄表。现在我们已经看到，在全球，无论是美洲、欧洲、亚洲、还是非洲，很多国家都部署了智能电表的项目。
同时对本次电路保护与电磁兼容研讨会的主办方 中国电子展(www.aidzz.com)、电子元件技术网(www.cntronics.com)和我爱方案网(www.52solution.com)表示感谢！没有他们的组织，就没有这次研讨会的盛况！谢谢！
接下来先谈一下智能电表在欧洲的概况。这里解释一下，为什么我选择欧洲的概况呢？主要是因为安森美PLC的解决方案是从国外先开始的，主要是在欧洲先有成功的应用，现在陆续往其它地区来推广，包括到中国地区来推广。在欧洲的概况主要是：在2020年欧盟主要的国家，大家基本上达成了共识，要把80%电表替换为智能电表。有些国家是全部用智能电表来替换原有的普通电表，这里面走在前端有几个国家，包括意大利、瑞典，差不多全国部署了智能电表。目前开始智能电表换表项目的有许多国家，比如法国、丹麦等这些国家，英国、荷兰、爱尔兰也正在计划中。
我特别强调一下法国电力集团，他们是国家主要的电力供应商。他们启动了世界上最大的电表项目，这个项目的名字叫Linky ——2012年到2017年之间在法国部署3500万智能电表。
在介绍安森美半导体产品之前先简单介绍这个Linky项目，可以看一下这个项目的概况。这里有模块1、2、3，1就是真正进户表的PLC的网络，这个表是黄色的，这些表之间有一个集中器，负责把多个进户表数据收集起来。可能一个集中器要负责几百个连接，集中器就是模块2和信心中心。说白了，集中器就是收电费、控制客户用电的机构，采用的是GPRS的控制方式。
这是所谓的ERDF电表的模型，OSI开放互连的模型。结合我们元器件的特点介绍一下网络的架构、涉及到的软件方面。我们可以看到它基本是三层的机构，我们知道这个有七层，但是在PLC这一套系统基本上采用就三层：最底是物理层，中间是NBM层，上面是应用层。
这一器件做了物理层和MAC层，就是红色包围的部分，再往上是应用层。
这是Linky项目的一些规范，Linky项目完全遵照国际标准REC61334，后面是电磁骚扰的标准。这个Linky项目规定了调制方式是 FFSK，通讯频率，代表一的频率和代表二的频率分别是63.3K和74K，最后要跟50赫兹同步。这一点后面我跟大家介绍为什么要这样。
下面转到安森美的半导体解决方案。这里的方案参考自电子元件技术网的元器件知识库( http://www.cntronics.com/public/baike )栏目或是我爱方案网的知识堂( http://www.52solution.com/knowledge )频道！
先说一下安森美PLC调制解调器的历史。我们开发这个产品在十年以前，八年以前就已经有现场的应用，早期的型号叫AMIS—30585。当时波特比较低，只有1.2K，早期开发完全是按照IEC61334标准开发的，后来我们把这个30585做了进一步的升级，我们换了一个崭新的型号，叫 AMX49587。两者主要的区别就是，我们把它的通讯速率进一步提高到2400波特，这个芯片被法国的电力公司供应商选中，另外中国许多客户也有选中这个产品。AMIS—30585和AMX49587这两个产品都是几乎可以兼容的。
这个就是我们具体关于PLC电表原理的一个框壳，黄色框包围的都是安森美提供解决方案的地方。今天主要讲的是SFSK调制解调器和功能放大器，那边是客户电表上的MCU，如果客户电表加上我们这一套PLC系统就可以变成一个实现远程抄表的智能电表。
现在我来介绍一下49587功能框图，这个到底包含什么东西？我们可以把中间分开，右边叫数字部分，左边是模拟部分，数字部分有32位的ARM。为什么要用这么高性能的MCU？主要是因为要完成调制解调。因为信号是否能传递得远，具体的调制解调是非常重要的。此外把MAC做进去，所谓MAC，简单的说就是要传递你通讯的数据，这个MAC会把你的数据自动包装好，加上一个帧头，加上帧尾，甚至加上校验，客户只需要关注如何传递你的数据就可以了。左边的模拟部分主要是SFSK的调制解调了，这边是生成，下边是发送，下面是接收部分，接收部分也有自动增益控制，这是ADC。底下是50赫兹的锁向环，用来完成过零点时这个芯片始终和电力线的50赫兹或者60赫兹不同国家的标准有一个同步。
这个就是用NC85650和AMIS—4587这两颗芯片组成的参考设计，外围主要是电子电容，其它基本是主容发挥保护二极管，加起来不到40个元器件。2012最新的第十二届电路保护与电磁兼容研讨会正在火热筹备中，现在在线抢注，可以免费获得价值300元的研讨会入场卷。在线报名地址是： http://www.cntronics.com/public/seminar/
下面来说一下调制的这种方式。SFSK大家肯定不陌生了，最早的调频FM跟SFSK是有相同渊源的技术。我们采用的方式前面加了一个S，就是 SFSK。FSK是平移键控，它是用两个载波分别代表灵活数据1和0，不同的频率代表数据0，数据1，S就是把这两个载频分开尽量的远。这个是有意义的，后面会介绍，所以我们这种方式叫SFSK。
采取这种载波方式以后，如何来应付电网常见的噪声和干扰呢？首先看上面这一部分，上面这一部分类似白噪声干扰，这种干扰比较好对付。基本上它的各个频率比较平均，这时我们会使用到两个载波——代表0的载波，代表1的载波。这是接收机的示意图，如果接收F0这边有足够大的信号，这边就会来代表一的数据。电力线上的状况是很复杂的，经常有一个窄带干扰，和在某一个频点有很强的燥声浮值。我们把两个FSK信号载波尽量地分得开、分得远，如果这时来了一个窄带干扰，结果两个信道是不会同时给淹没的。假如有一个窄带干扰正好把我们其中一个信道淹没了该怎么办呢？这个时候我们系统内部就会自动调整调制解调的策略，从FSK平移键控变成了ASK，就是浮移键控。这个时候完全看它的浮值来决定接收的数据是一还是零。比如说这个时候数据零频带已经被干扰了，它本身的信号比噪声还要低，噪声比它还要高。这个时候的接收部分，可以看到F1这个频道我们就不用了，只采用F0频道。因为只有一个接收频段，只能采取浮值控制，内部有一个阈值，如果接收来的信号超过这个阈值则认为是数据一，低于这个阈值则认为是数据零。这个过程是ARM处理器来自动进行切换的，为什么它能切换？因为每一个通讯它都要检测，接收机通过帧头来检测信噪比，判断每一个信号是否受到干扰，然后再决定采取什么样的解调方式。
这是我们物理帧的格式，大家在使用我们产品的时候不需要太关心这个物理帧的格式和真实八道数据线的数据结构，我在这里讲只是想给大家解释一下 FSK61334具体是怎么样在电力线上传输数据的。标准的物理帧是这样的，有四个字节的帧头，后面白色的部分就是真实的数据，任何数据都可以，最后三个字节是一个暂停位，三个字节用来给接收机做一些处理的时间。下一个又是一个帧头，每一个都按照这么严格的格式一一排列。我们把这样一个物理帧也叫一个时隙。为什么要求跟赫兹同步？这是因为我们后边要讲的中继的算法，比较巧妙的中继算法是跟50赫兹跟零点同步的，并且刚刚过零来发送这个物理帧，这是整个通讯系统一个定时的节点。
一个好的PLC的解决方案，如果从研究它的调制解调方式和抗噪声能力来讲，基本上就着眼于点对点的情况。更多决定它性能的是PLC系统如何组网，如何中继，这是我们要详细考察的问题。
下面主要介绍组网和中继。安森美这个PLC猫德姆有它的特点，每一个PLC模块都是可以作为其它PLC模块的中继器。传统概念要实现远距离通讯中间必须要有中继，也许需要指定哪个中间的节点作为中继器来传递下去，实现更远距离的通讯。在我们这个系统里头，是没有任何指定的中继，可以说它没有一个路由表。因为它每个PLC模块充当其它模块的中继器，同时采用和声的方式，实现信号放大，传递更远的距离。
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另外我们采取可信值管理的这种中继管理方式，可信值类似中继的集数，但不完全一样。大概可以这样理解，比如这是一个电表的集中器，电表是主从网络，集中器是主设备，这些电表就是从设备，蓝色是集中器，这些代表五个电表，分别按距离远近来排列，这里就是时隙，这个过程，我们举的这个例子是按照一个只有单麦的帧，这一个帧就是所有这次通讯的信息。现在说一下它的过程：电表在第一个时隙的时候发送了一帧，可以看到，按具体的远近，只有一二号模块收到，但是它想去找的是五号模块，这个五号模块显然没有听见，在第二帧集中器重复发的时候，一号模块和二号模块跟集中器一起来，这个就是和声。一起来传递这一帧，会不会乱呢？这里边有一点是很重要的：大家很齐的和声，怎么齐呢？就是通过50赫兹和零点，大家同时喊，比一个人声音大了，可是五还是太远没有收到，我们再来一次，这四个都跟集中器一起喊，这个时候第五块收到了。到这以后还喊不喊呢？答案是否定的。因为喊多少次是由集中器通过可信值管理设定的，它设定的是二，它每次都自动喊一，到零就自动停止了。所以这个部分叫做和声了。
这也是一个过程，可以比较清楚的看到，比如第一个表一开始发，近处的表都收到，远处的没有收到；第二次更远距离收到了，第三次最远的这个表就收到了。 |
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