一、配電線通訊

　　中低壓交流配電線用于電能的輸送同時(shí)，也可作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。電力線載波通訊（PLC）技術(shù)就是通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)在配電線上進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，相對(duì)較為低廉的成本，使這項(xiàng)技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。

　　圖1就是PLC技術(shù)典型的應(yīng)用——遠(yuǎn)程電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的示意圖。

　　電表通過(guò)電力線與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò)的管理者。它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)集中采集、命令傳送等工作；同時(shí)還通過(guò)上行線路（PSTN或RF等）與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。一臺(tái)集中器可管理幾十至幾百只電表。

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，集中器會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間間隔讀取各個(gè)電表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程集中抄表。

　　1.1 EDF項(xiàng)目

　　當(dāng)今世界上許多國(guó)家都已采用或即將部署智能電表系統(tǒng)并采用自動(dòng)遠(yuǎn)程集抄方式。目前備受關(guān)注的就是法國(guó)ERDF的Linky電表項(xiàng)目。

　　歐盟的電力配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，法國(guó)電力集團(tuán)（EDF）的子公司--法國(guó)電網(wǎng)輸送公司（ERDF）已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)涉及總數(shù)量3500萬(wàn)只電表的項(xiàng)目。該項(xiàng)目從2012年至2017年，將把法國(guó)國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)電表統(tǒng)一更換成新型的Linky智能電表。智能電表通訊采用電力線載波（PLC）技術(shù)。

　　項(xiàng)目對(duì)PLC的主要技術(shù)要求如下：

　　物理層：IEC 61334-5-1 和 EN 50065-1

　　調(diào)制方式：S-FSK

　　通信載波頻率：Fm (傳號(hào)頻率)：63.3KHz；Fs(空號(hào)頻率)：74KHz

　　通信速率：2400 Baud

　　物理層與電力線50Hz同步

　　應(yīng)用層：IEC 62056-53和IEC 61334-5-511

　　1.2安森美半導(dǎo)體與PLC通訊

　　安森美半導(dǎo)體針對(duì)低/中壓電力線上數(shù)據(jù)通訊而研發(fā)了S-FSK PLC Modem，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已有超過(guò)8年的成功應(yīng)用。Modem是采用S-FSK調(diào)制方式的窄帶PLC收發(fā)器，是目前經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗(yàn)證的器件。

　　產(chǎn)品從早期的AMIS-30585發(fā)展到如今第二代產(chǎn)品AMIS-49587。

　　AMIS-49587完全滿足ERDF的技術(shù)要求，已被Linky智能電表供應(yīng)商選中作為PLC通信的器件。

　　下文中，結(jié)合EDF Linky電表項(xiàng)目的需求，介紹AMIS-49587的特點(diǎn)。

　　二、涵蓋PHY和MAC Layer的收發(fā)器

　　2.1 Linky電表OSI層參考模型：

　　Linky項(xiàng)目采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

　　- 物理層PHY 采用IEC 61334-5-1標(biāo)準(zhǔn)。

　　- 數(shù)據(jù)鏈路層DLL（包括MAC和 LLC子層）采用IEC 61334-5-1/ IEC 61334-4-32標(biāo)準(zhǔn)

　　- 應(yīng)用層Application Layer 采用IEC 62056-53/IEC 61334-4-511標(biāo)準(zhǔn)

　　AMIS-49587突出的特點(diǎn)在于其作為PLC收發(fā)器除了完成物理層S-FSK信號(hào)的收發(fā)、調(diào)制解調(diào)外，還向上包含了MAC子層的處理。這個(gè)特點(diǎn)使用戶得以把更多的精力放在應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)。通過(guò)AMIS-49587進(jìn)行邏輯鏈路層（LLC Layer）數(shù)據(jù)包的交換，底層的幀頭、幀校驗(yàn)等都會(huì)被自動(dòng)添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開(kāi)發(fā)方面的工作量。

　　2.2 物理層采用優(yōu)化的 S-FSK

　　電力配電線并不是為信號(hào)傳送而專門設(shè)計(jì)的，它的阻抗處于隨時(shí)變化中，也極易引入外界的各種電磁干擾。調(diào)制方式的選擇力求在成本較低的情況下使其針對(duì)電力線特殊情況具有良好的通訊效果。

　　FSK（頻移鍵控）是經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)成本較低的頻率調(diào)制方式：利用兩個(gè)獨(dú)立的載頻傳送二進(jìn)制0和1。S-FSK（Spread FSK）是讓這兩個(gè)頻率盡可能遠(yuǎn)離，（>10KHz）使兩個(gè)頻率傳輸質(zhì)量相對(duì)獨(dú)立，以更好的應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中常見(jiàn)的窄帶干擾的影響。

　　圖3中我們可以看到：在噪聲能量比較平均的寬帶干擾下，兩個(gè)載頻的接收信號(hào)信噪比相似。接收器濾除掉其他頻率，在f0 （空號(hào)頻率）和f1（傳號(hào)頻率）產(chǎn)生兩個(gè)解調(diào)信號(hào)-dS和dM，如果dS>dM，認(rèn)為收到數(shù)據(jù)“0”；反之認(rèn)為是數(shù)據(jù)“1”，這種情況接收器工作在FSK模式；如果遇到窄帶干擾使其中一個(gè)載頻下的信噪比很差時(shí)，接收器將忽略這個(gè)信道，用另一個(gè)較好信道的解調(diào)信號(hào)與一個(gè)內(nèi)部閾值T作比較來(lái)決定收到“1”還是“0”。此時(shí)接收器工作在幅移鍵控ASK模式。

　　此外，Modem內(nèi)部處理器的解調(diào)算法尤為重要。其對(duì)接收靈敏度影響很大。Linky項(xiàng)目要求接收機(jī)在S-FSK信號(hào)有效值2mV至2V內(nèi)都可正常識(shí)別。

　　靈活的調(diào)制解調(diào)模式、先進(jìn)可靠的解調(diào)算法使AMIS-49587具有優(yōu)異的抵抗電力線上干擾的性能。

　　2.3 物理層幀格式

　　AMIS-49587按照IEC61334-5-1物理幀格式來(lái)傳送數(shù)據(jù)。

　　2.4 MAC幀與物理幀

　　物理幀以時(shí)間片（或稱時(shí)隙，Time Slot）為發(fā)送間隔。幀起點(diǎn)被稱為時(shí)間片指示器Slot indicator，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)電力線電壓50Hz的過(guò)零點(diǎn)?？蛻舳耍–lient，也就是主機(jī)）必須在過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送物理幀。IEC61334-5-1的整個(gè)系統(tǒng)都是以時(shí)間片為同步依據(jù)的，了解這一點(diǎn)十分重要。

　　以2400bps速率為例，傳送1個(gè)時(shí)間片或物理幀的時(shí)間需要150mS。

　　物理幀由前導(dǎo)碼Preamble、起始子幀定界符Start Subframe. Delimiter、MAC子幀(Data)和暫停域Pause組成。

　　物理幀總是起始于基本時(shí)間片的整數(shù)倍，這時(shí)刻稱作時(shí)間片指示器。在時(shí)間片同步后，每個(gè)裝置的物理層就可以通過(guò)它的內(nèi)部時(shí)鐘獨(dú)立地跟蹤時(shí)間片指示器。

　　前導(dǎo)碼和起始子幀定界符（AAAAh和54C7h）具有重要意義。接收方可以在接收這4個(gè)字節(jié)期間：

　　1） 調(diào)整確定接收增益

　　2） 測(cè)量信噪比

　　3） 確定解調(diào)方式 FSK 或ASK

　　4） 幀檢查，是否是合法的物理幀的開(kāi)始

　　5） 調(diào)整服務(wù)器（Server，也就是從機(jī)）與客戶端（Client）同步

　　如圖5所示：物理幀將MAC幀“包裝”后發(fā)送。一個(gè)物理幀有38個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)域，可以發(fā)送一個(gè)MAC子幀。長(zhǎng)MAC幀可以由多達(dá)7個(gè)MAC子幀組成。有多個(gè)MAC子幀的長(zhǎng)MAC幀會(huì)被拆分成幾個(gè)子幀，由相應(yīng)數(shù)量的物理幀順序發(fā)送。接收方全部接收后，再把它們整合起來(lái)。

　　MAC幀頭Header由子幀數(shù)、初始可信值IC、當(dāng)前可信值CC、差值可信值DC、源地址、目的地址以及填充長(zhǎng)度Pad Length組成。可信值的使用會(huì)在后面中繼的章節(jié)中詳細(xì)介紹。LLC幀作為數(shù)據(jù)被包含在MAC幀中。

　　三、安森美半導(dǎo)體PLC解決方案

　　方案主要由PLC Modem ，AMIS-49587、驅(qū)動(dòng)放大器NCS5650及耦合變壓器組成。

　　PLC信號(hào)的發(fā)送路徑（紅色箭頭）：AMIS-49587調(diào)制出的S-FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)NCS5650進(jìn)行放大后經(jīng)變壓器耦合到電力線上。變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換和阻抗匹配，也用于強(qiáng)弱電的隔離。NCS5650除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大外，其兩級(jí)運(yùn)放的結(jié)構(gòu)還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對(duì)電力線接入設(shè)備有嚴(yán)格限制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能夠保證系統(tǒng)對(duì)電力線的高頻干擾注入滿足EN 50065規(guī)范的要求。

　　藍(lán)色箭頭標(biāo)注出了接收路徑：變壓器從電力線耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)AMIS-49587內(nèi)置放大器構(gòu)成的低通濾波器在內(nèi)部ARM進(jìn)行FSK解調(diào)分析。

　　圖6中黑色箭頭是50Hz的過(guò)零檢測(cè)信號(hào)引腳。系統(tǒng)依靠這個(gè)信號(hào)進(jìn)行同步定時(shí)。

　　圖中藍(lán)色虛線框內(nèi)是電表內(nèi)的應(yīng)用處理器，負(fù)責(zé)通訊應(yīng)用層處理及計(jì)量。其與PLC Modem的接口是簡(jiǎn)單的SCI串行口。

　　方案的供電十分簡(jiǎn)單：一路12V--供給線路放大器，用于驅(qū)動(dòng)PLC信號(hào)耦合變壓器；一路3.3V給AMIS-49587供電。

　　3.1 AMIS-49587功能框圖

　　我們?cè)倭私庖幌翧MIS-49587的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　AMIS-49587的是一個(gè)32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運(yùn)行S-FSK調(diào)制解調(diào)的算法，同時(shí)也管理著與外部MCU的通訊。嵌入軟件儲(chǔ)存在片內(nèi)ROM中。

　　芯片左邊是模擬部分：FSK信號(hào)合成輸出、接收解調(diào)以及系統(tǒng)時(shí)鐘和50Hz的鎖相環(huán)。

　　芯片包含了所有S-FSK信號(hào)處理、MCU接口管理等模擬、數(shù)字部分。變壓器驅(qū)動(dòng)由于是功率放大部分成為收發(fā)器板上的發(fā)熱源。為了防止高熱可能給系統(tǒng)帶來(lái)影響，AMIS-49587并沒(méi)有把信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)納入這顆IC中，而是采用外置方案。

　　3.2 獨(dú)特的系統(tǒng)中繼方案

　　在網(wǎng)絡(luò)通訊中，長(zhǎng)距離的信息傳送需要中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587支持采用Repetition with Credit算法進(jìn)行中繼。在這種中繼方案中，系統(tǒng)沒(méi)有需要預(yù)先設(shè)定的中繼器Repeater。其理念是每一個(gè)服務(wù)器端（即電表）都可以是其它服務(wù)器的Repeater，幫助把信息或命令接續(xù)傳遞。即使收到的幀目的地址不匹配，如果需要轉(zhuǎn)發(fā)，服務(wù)器也會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)采用以時(shí)間片和聲（Chorus)方式，這種方式依賴于整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一與時(shí)間片同步。

　　Repetition with Credit中繼算法采用了叫做可信值管理的辦法?？尚胖捣譃?級(jí)，由客戶端（集中器）進(jìn)行管理。系統(tǒng)規(guī)定：如果服務(wù)器被配置成了Repeater，如果收到的MAC幀的當(dāng)前可信值大于0，這個(gè)服務(wù)器就要在下一個(gè)時(shí)間片到來(lái)時(shí)把這一幀重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)前可信值減一。直到當(dāng)前可信值為0時(shí)幀重復(fù)的過(guò)程終止。在這種機(jī)制下，在同一時(shí)間片，可能存在許多服務(wù)器同時(shí)重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，這就是和聲。

　　下面（見(jiàn)圖8）以一個(gè)單MAC幀的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程為例，來(lái)說(shuō)明Repetition with Credit機(jī)制。

　　1） 集中器在時(shí)間片K給電表5發(fā)出一幀并在MAC幀頭設(shè)定了初始可信值為2。電表（Module PLC）1和2因?yàn)榫嚯x較近在時(shí)間片K正確收到這一幀。

　　2） 由于這一幀的可信值（Credit）大于0，集中器、電表1和2收到后在時(shí)間片K+1開(kāi)始重復(fù)這一幀，當(dāng)前可信值減一，變?yōu)?。電表3和4在這個(gè)時(shí)間片收到這一幀。但電表5由于線路太遠(yuǎn)還是沒(méi)有收到。

　　3） 電表3和4在K+2重復(fù)同一幀。當(dāng)前可信值減一，集中器、電表1和2也在同時(shí)重復(fù)，與3和4“和聲”。電表5正確收到這一幀。由于當(dāng)前可信值已變?yōu)?，下一時(shí)間片所有電表不再重復(fù)發(fā)送這一幀。

　　系統(tǒng)可設(shè)定初始可信值為7，假定一臺(tái)集中器和一臺(tái)電表的通訊距達(dá)300m。如果有了帶有7級(jí)可信值管理的中繼，通信距離將可達(dá)到2400m。

　　在這個(gè)中繼機(jī)制中，有三個(gè)變量IC、CC、DC分別代表初始可信值、當(dāng)前可信值以及差值可信值。集中器根據(jù)算法設(shè)置初始可信值。當(dāng)前可信值CC會(huì)在幀轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中隨每轉(zhuǎn)發(fā)逐一遞減。差值可信值DC對(duì)中間的轉(zhuǎn)發(fā)器沒(méi)有意義，只在目的地址電表處，IC減去CC，得到差值可信值DC。該電表會(huì)在回復(fù)幀中把DC值發(fā)送回給集中器，集中器可以根據(jù)這個(gè)值修訂下次訪問(wèn)該電表的初始可信值。

　　由于電力線阻抗、干擾狀況等處于時(shí)時(shí)變化中，PLC通訊的質(zhì)量也在不斷變化?？尚胖邓惴ㄊ箍蛻舳丝梢詫?shí)時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳送。

　　由AMIS-49587組成PLC網(wǎng)絡(luò)廢棄了傳統(tǒng)的具有諸多弊端的路由方案，沒(méi)有復(fù)雜的路由表，不需要人工設(shè)定和調(diào)整中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)的找到路由線路，并且持續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)。

　　此外，在Linky項(xiàng)目中，還引入了Repeater Call 機(jī)制。定期運(yùn)行的這個(gè)機(jī)制通過(guò)先進(jìn)的算法調(diào)整傳輸路徑中轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)置，減少不必要的電表參與“和聲”，以減少可能的串?dāng)_或回聲，這是對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由的進(jìn)一步優(yōu)化。

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)建立

　　由AMIS-49587組成的網(wǎng)絡(luò)采用主從結(jié)構(gòu)，一個(gè)客戶端（也稱主機(jī)或集中器）與多個(gè)服務(wù)器（從機(jī)或電表）組成網(wǎng)絡(luò)。一般通訊的發(fā)起者是客戶端。按照IEC 61334-5-511，客戶端運(yùn)行“發(fā)現(xiàn)Discovery” 和“注冊(cè)Register”服務(wù)?！鞍l(fā)現(xiàn)”查找新加入或因故重新加入網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器。如果服務(wù)器進(jìn)行了正確的應(yīng)答，進(jìn)入注冊(cè)過(guò)程，將被分配獨(dú)立的MAC地址。

　　客戶端會(huì)定期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)、注冊(cè)服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)Plug & Play。也會(huì)定期進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Ping服務(wù)以確定服務(wù)器是否在網(wǎng)和消除可能的地址沖突。

　　3.3.1 智能同步Smart synchronization

　　主從網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器必須先與客戶端綁定（綁定后只回復(fù)該客戶端）才能完成注冊(cè)進(jìn)而正常與客戶端通訊。這個(gè)過(guò)程叫與客戶端同步。服務(wù)器與一個(gè)客戶端同步后，將不再應(yīng)答其它客戶端。客戶端訪問(wèn)超時(shí)或服務(wù)器主動(dòng)解除同步時(shí)，重新進(jìn)入客戶端搜索狀態(tài)。

　　剛上電的服務(wù)器與50Hz鎖定后會(huì)不斷分析信道，查找前導(dǎo)碼（AAAAh）和起始子幀定界符（54C7h），如果偵聽(tīng)到，而且接下來(lái)正確收到客戶端發(fā)出的物理幀后，即可與該客戶端同步，并接受注冊(cè)。

　　在同步過(guò)程中，AMIS-49587采用了更加智能的Smart Synchronization：在一定時(shí)間內(nèi)（可設(shè)定），新入網(wǎng)服務(wù)器可以先后與多個(gè)客戶端同步再主動(dòng)解除同步，期間記錄每個(gè)客戶端信號(hào)的強(qiáng)度(SNR)。在設(shè)定時(shí)間到來(lái)時(shí)，該服務(wù)器會(huì)選擇與信號(hào)強(qiáng)的客戶端同步。

　　該機(jī)制非常有效的解決了抄表系統(tǒng)中常見(jiàn)的多臺(tái)區(qū)/多相信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題。由于電表都會(huì)自動(dòng)找到近的集中器與之同步，不需要人工干預(yù)，使網(wǎng)絡(luò)路徑自動(dòng)得到了優(yōu)化，也極大的減少了施工中的工作量。

　　3.3.2 報(bào)警Alarm機(jī)制

　　AMIS-49587構(gòu)成的PLC網(wǎng)絡(luò)中還具有報(bào)警機(jī)制。當(dāng)電表有故障發(fā)生時(shí)，要求其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)報(bào)警，以便管理人員及時(shí)得知并處理。主動(dòng)上報(bào)相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)雙向通訊。Linky電表會(huì)在物理幀的Pause時(shí)間段的3個(gè)字節(jié)發(fā)出Alarm警報(bào)。主機(jī)收到后會(huì)發(fā)起Discovery服務(wù)，以便調(diào)查具體故障原因。

　　Alarm另一個(gè)非常有用的功用是新電表剛接入時(shí)，會(huì)通過(guò)Alarm提示集中器發(fā)起Discovery。這會(huì)加快新表的接入過(guò)程。不必非得等待主機(jī)例行的Discovery服務(wù)到來(lái)。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　安森美半導(dǎo)體的AMIS-49587是完全遵從IEC-61334標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的電力線載波收發(fā)器。在完成物理層調(diào)制解調(diào)外，嵌入MAC層的處理是這款芯片獨(dú)到的特點(diǎn)，使其成為具有協(xié)議解析功能的PLC收發(fā)器。客戶在使用這款收發(fā)器傳送或接收的數(shù)據(jù)時(shí)，不需要太多關(guān)注協(xié)議的細(xì)節(jié)。

　　可信值“和聲”中繼模式取消了繁雜的路由表，在集中器控制下系統(tǒng)自動(dòng)找到并持續(xù)調(diào)整路由線路，使長(zhǎng)距離通訊變得簡(jiǎn)單可靠的同時(shí)極大地減少了施工維護(hù)工作量。智能同步、Repeater Call 模式的加入更是進(jìn)一步實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。

　　安森美半導(dǎo)體還為PLC應(yīng)用專門開(kāi)發(fā)了線路驅(qū)動(dòng)器--NCS5650。集成了高帶寬運(yùn)算放大器和高達(dá)2A輸出電流的功率放大器。兩級(jí)運(yùn)放的結(jié)構(gòu)使其非常容易配制成4階低通濾波器，以便滿足各種規(guī)章（如EN 50065）對(duì)電力線高頻注入的嚴(yán)格限制。

　　安森美半導(dǎo)體的PLC解決方案非常適用于自動(dòng)化抄表、燈光控制、家用電器以及其它區(qū)域集中控制等場(chǎng)合。方案簡(jiǎn)單易用，實(shí)施效果和可靠性已在歐洲工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有超過(guò)8年的驗(yàn)證。