1 引言 電力線通信plc（power line communication）技術(shù)在2001年6月國(guó)際組織homeplug制定的homeplug 1.0版標(biāo)準(zhǔn)確定后，隨著各國(guó)電力公司對(duì)plc態(tài)度的大幅轉(zhuǎn)變，短期內(nèi)plc與wlan、xdsl等其它技術(shù)合作，并待日后用戶習(xí)慣與技術(shù)成熟后再進(jìn)行統(tǒng)一整合的趨勢(shì)已然成形。plc技術(shù)可利用配電網(wǎng)中/低壓線路傳輸高速數(shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音等多媒體業(yè)務(wù)信號(hào)，用于低壓民用電力線（110v～220v單相交流電）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信傳輸大抵可分為寬帶接入型與家庭網(wǎng)絡(luò)型兩種解決方案。寬帶接入型主要利用低壓配電網(wǎng)，是指從中壓變電站到用戶電表的一對(duì)多點(diǎn)通訊架構(gòu)，以解決最后1000米的問(wèn)題。至于家庭網(wǎng)絡(luò)型是指通過(guò)電力線在用戶家中組建高速lan。在中壓線路中，可以通過(guò)其通信方式為配電自動(dòng)化系統(tǒng)建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。對(duì)該技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)將有助于充分發(fā)揮電力系統(tǒng)資源的巨大優(yōu)勢(shì)。 2 ofdm技術(shù)簡(jiǎn)介 2.1 ofdm技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀 電力線作為通信介質(zhì)不同于其它類型，電力線上存在不同系統(tǒng)噪聲和隨機(jī)噪聲,而且由于線路上一般都會(huì)有很多電力電氣設(shè)備，形成不可預(yù)測(cè)的干擾源。另外，電力電氣設(shè)備的使用、關(guān)閉都是無(wú)法規(guī)定的，這使得電力線的特性常常處在變化中，因此, 電力線傳輸特性難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，電力線信道在時(shí)域上不恒定，不可控。隨著數(shù)字通信、dsp、internet等技術(shù)的發(fā)展，采用抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落的ofdm（多載波正交頻分復(fù)用）技術(shù)逐漸克服電力線上傳輸特性的一些缺點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)了在電力線上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。chang.r.w在1966年就首先提出了ofdm的概念模型，不過(guò)解決ofdm技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的卻是weinstein和ebert，他們?cè)?971年提出了利用動(dòng)態(tài)傅立葉變換（dft）和逆傅立葉變換（ifft）實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的調(diào)制解調(diào)的思想，使得ofdm的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度為之大幅度降低。目前ofdm技術(shù)已經(jīng)在移動(dòng)通信、數(shù)字視頻廣播（dvb）、數(shù)字音頻廣播（dab）以及數(shù)字用戶線xdsl序列等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2.2 ofdm技術(shù)的基本原理 ofdm是一種多載波傳輸技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是傳輸速率高，對(duì)碼間干擾和信道衰落具有很強(qiáng)的抵御能力。其基本思想是變換串行數(shù)據(jù)流為并行處理，即將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)并行數(shù)據(jù)分配給同樣數(shù)目的不同的正交子載波以達(dá)到并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，有效的抑制了碼間干擾，也不需要復(fù)雜的信道均衡處理。 假設(shè)1個(gè)周期內(nèi)傳送的碼元序列d0,d1,…,dn-1通過(guò)串——并轉(zhuǎn)換器分別調(diào)制在n個(gè)子載波f0,f1,…,fn-1上,這些子載波滿足正交特性,其頻譜相互重疊。所謂子載波頻譜正交,是指在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（fdma）系統(tǒng)中2個(gè)相鄰子載波的頻率相差系統(tǒng)的碼元傳輸速率為fs,2個(gè)相鄰子信道的中心頻點(diǎn)至少相差fs的3倍～5倍,以防止鄰道干擾,而ofdm的相鄰子載波十分接近,大大提高了頻譜利用率,它們?cè)陬l域上是相互交疊的。研究表明,只要子載波之間滿足特定的正交約束條件,采用變頻和積分的手段就可以有效地分離出各個(gè)子信道信號(hào)。 3 int51x1芯片的主要特性與其功能結(jié)構(gòu) 3.1 int51x1的主要特性與功能結(jié)構(gòu) int51x1是美國(guó)intellon公司推出的目前很完善的ofdm處理芯片，符合homeplug1.0.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其上行傳輸速率最高可達(dá)到14mbps。它集成了usb1.1、以太網(wǎng)和mii/gpsi多種接口，還集成了adc、dac和agc控制器，是plc通信裝置研發(fā)的一款理想處理器。int51x1是專用于電力線的mac/phy集成收發(fā)器，它使用intellon公司專有的電力數(shù)據(jù)包（powerpacket）正交頻分復(fù)用技術(shù)，84個(gè)子載波，選擇采用robo/dbpsk/dqpsk調(diào)制方法，可以根據(jù)收發(fā)端信噪比分配子載波，用以克服噪聲和多徑衰落的影響。它在低信噪比信道中完成同步，不需要導(dǎo)頻。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由i/o模塊、powerpacket mac模塊、powerpacket phy模塊以及adc/dac模塊組成，如圖1所示: [align=center] 圖1 int51x1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[/align] powerpacket mac模塊主要完成鏈路層功能，是int51x1的核心部分。本模塊包括一個(gè)精簡(jiǎn)指令集（risc）的處理器內(nèi)核，一個(gè)含有ofdm數(shù)據(jù)處理、加密/解密算法、信道優(yōu)化算法的程序存儲(chǔ)器（rom），還有一個(gè)鏈接序列、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）已經(jīng)兩個(gè)直接數(shù)據(jù)傳送通道（dma）。從用戶發(fā)往電力線網(wǎng)絡(luò)或從物理層來(lái)的所有數(shù)據(jù)都在mac模塊中通過(guò)一定的算法進(jìn)行信號(hào)處理。mac采用載波偵聽(tīng)多路存取/沖突避免（csma/ca）協(xié)議訪問(wèn)公共的電力線信道，輔以自動(dòng)重傳請(qǐng)求arq和電力數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權(quán)機(jī)制確保傳輸?shù)目煽啃?。由于電力?shù)據(jù)包優(yōu)先等級(jí)的靈活設(shè)定，使得int51x1具有較強(qiáng)的突發(fā)業(yè)務(wù)處理能力，允許電力線上的多幀傳輸，極大的減輕了對(duì)網(wǎng)絡(luò)收端的要求，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大，同時(shí)保證了最短延遲時(shí)間和最優(yōu)的信號(hào)穩(wěn)定性。由于采用自由競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)方式，任一單節(jié)點(diǎn)都可以作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制器。此外，mac還具有流量控制功能，它的這些功能確保了在特性惡劣的電力線信道上也能為用戶提供優(yōu)良的服務(wù)品質(zhì)。 powerpacket phy模塊實(shí)現(xiàn)物理層功能，主要建立、維持和拆除物理連接的電氣手段，保證電力線上比特流的透明傳輸。該模塊主要由一個(gè)物理層邏輯序列、一個(gè)與mac子層dma通道對(duì)應(yīng)的先進(jìn)先出（fifo）隊(duì)列以及一個(gè)前向模擬通道組成，此外，還集成有對(duì)外加運(yùn)算放大器的自動(dòng)增益控制電路（agc）。一對(duì)高速的10位a/d、d/a轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了前向模擬通道，其采樣速率為50mbps，參考電壓獨(dú)立于片內(nèi)，低功耗操作，在其后接上運(yùn)算放大器和濾波器，通過(guò)電力線耦合裝置，便可與電力線連接。 i/o模塊集成了mac與主機(jī)、外圍設(shè)備間的各種接口，功能豐富全面。與主機(jī)接口有usb接口、媒質(zhì)獨(dú)立接口mii或通用串行接口gpsi（選用）、管理數(shù)據(jù)接口mdi;與外設(shè)接口有e prom接口spi、仿真接口jtag已經(jīng)用于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的led接口。mii是一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口，其發(fā)送/接收都以四位并行的形式進(jìn)行，由mac時(shí)鐘同步，并帶有csma/cd協(xié)議。通過(guò)mii接口，int51x1可以跟以太網(wǎng)mac控制器直接相連。 主機(jī)通過(guò)mdi可以方便的訪問(wèn)int51x1內(nèi)部的控制/狀態(tài)寄存器，從而完成對(duì)int51x1的設(shè)定和監(jiān)視int51x1的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。int51x1的控制/狀態(tài)寄存器均為16位的寄存器。狀態(tài)寄存器實(shí)時(shí)反映鏈路狀態(tài)、傳輸速率、前導(dǎo)碼判決、自動(dòng)協(xié)商、模糊檢測(cè)等信息。 上電后，int51x1的初始化由其通過(guò)spi接口讀取預(yù)先寫入e prom的數(shù)據(jù)完成。powerpacket采用des的56位密鑰管理，除int51x1設(shè)定的缺省密鑰以外，還可以由用戶自定義密鑰，確保電力線傳輸?shù)目煽堪踩浴? 3.2 int51x1的引腳說(shuō)明 int51x1采用μbga封裝，144引腳，供電電壓3.3v，芯片內(nèi)核供電電壓1.5v。它有usb、phy、host/dte3種工作模式選擇，部分復(fù)用信號(hào)引腳如mii接口信號(hào)、mdi接口信號(hào)、spi接口信號(hào)等因模式不同而功能定義不同，其它的信號(hào)線在3種模式中都相同，有對(duì)模擬前端afe的控制數(shù)據(jù)線26條，主要是adc輸入、dac輸出、運(yùn)放的agc控制等;有l(wèi)ed（3線）。jtag（5線），時(shí)鐘（2線），測(cè)試（2線），以及多條電源和地線;3種模式的選擇有mode0和mode1兩個(gè)引腳的狀態(tài)決定。 3.3 微處理器w90n740的簡(jiǎn)介 w90n740是臺(tái)灣winbond公司開(kāi)發(fā)的基于32位arm核的高性能、低功耗微處理器。w90n740采用arm7tdmi內(nèi)核，內(nèi)建兩個(gè)10/100mb mac以太網(wǎng)絡(luò)控制器，并采用winbond獨(dú)家專利的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換加速器nat accelerator。該器件用硬件方式加速網(wǎng)絡(luò)封包的轉(zhuǎn)換，不僅減少了中央處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也大幅提高了寬頻的整體系統(tǒng)效能。而芯片方式集成的usb控制器則可透過(guò)usb界面連結(jié)各種電腦周邊設(shè)備，以增添產(chǎn)品附加值。此外，w90n740內(nèi)部還集成了ebi（external bus interface）控制器、系統(tǒng)管理器、gdma控制器等。因而在許多應(yīng)用領(lǐng)域，用該器件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本比目前同類產(chǎn)品要低。加上arm公司開(kāi)發(fā)環(huán)境支持匯編語(yǔ)言、ｃ和ｃ++，其軟件開(kāi)發(fā)也十分方便。因此，w90n740雖不是主流產(chǎn)品，但也是許多網(wǎng)絡(luò)電子產(chǎn)品的選擇方案之一。 4 ofdm配電自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)通信終端和子站的設(shè)計(jì) （1） 通信終端的軟硬件構(gòu)成。通信終端硬件電路設(shè)計(jì)參見(jiàn)圖2。 [align=center] 圖2 通信終端硬件電路設(shè)計(jì)圖[/align] 通信終端以int51x1和w90n740為核心，int51x1選phy模式，組成eth-plc路由器。w90n740通過(guò)外總線接口ebi加接1片2m×16位數(shù)據(jù)寬度的flash外部程序存儲(chǔ)器共4m字節(jié)，另配2片4m×16位數(shù)據(jù)寬度的sdram，共16m字節(jié)sdram。int51x1主機(jī)側(cè)經(jīng)mii接口與w90n740 ethernet mac controller 0連接，w90n740再經(jīng)ethernet mac controller 1接eth phy（rtl8201），從rtl8201芯片引出rj－45接口與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接;電力線側(cè)afe取12v sip規(guī)格，以coupler與10kv電力線耦合，coupler只含耦合部分，不含電源部分，并在所有串接開(kāi)關(guān)兩端跨接高頻橋路。終端需要的工作電源品種比較多, 有+12v、+5v、+3.3v、+1.8v、+1.5v,由整流和相應(yīng)的dc-dc模塊獲得。 終端通過(guò)jtag燒寫工具燒寫嵌入式linux內(nèi)核（uclinux-2.4.x）以及10/100m以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)等源代碼到flash芯片，另外在uclinux上加載了tcp/ip協(xié)議棧，使其可以通過(guò)交換機(jī)與主機(jī)pc進(jìn)行面向連接的通信。 （2） 子站的軟硬件構(gòu)成。子站與終端的設(shè)計(jì)基本相似因此不再附圖說(shuō)明。w90n740通過(guò)片內(nèi)串口uart與ftu、ttu等自動(dòng)化設(shè)備接口，通過(guò)片內(nèi)ethernet mac控制器與int51x1接口。由于子站與終端之間的通信是通過(guò)電力載波完成，故子站設(shè)計(jì)去掉了rtl8201芯片加rj-45接口。w90n740通過(guò)ebi加接128kb的flash（sst29le010-150-4i-nh），3.3v芯片，32-lead，plcc封裝，片內(nèi)8kb i-cache設(shè)置為sram，并加接3.3v的rs-232轉(zhuǎn)換器（max2323）。coupler修改為10kv配電線相適應(yīng)的參數(shù)隔離高壓，電力線側(cè)特性阻抗取300～400ω，電源部分單獨(dú)拉出。 在int51x1的eeprom中寫入初始化數(shù)據(jù)，w90n740則以arm7編寫程序固化到外加的flash外部存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)從rs-232口接收f(shuō)tu/ttu數(shù)據(jù)打包經(jīng)mac發(fā)給int51x1;經(jīng)mac接收int51x1數(shù)據(jù)解包送往ftu/ttu以及子站上電初始化等功能。 4.2 ofdm配電自動(dòng)化系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 配電自動(dòng)化（da）主站是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的控制與管理中心，一般采用客戶/服務(wù)器方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以scada和gis（地理信息系統(tǒng)）作為基本平臺(tái)，配合各種應(yīng)用軟件完成da/dms（配電自動(dòng)化/配電管理系統(tǒng)）的功能。圖3是本系統(tǒng)的功能模塊簡(jiǎn)要圖示。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)功能模塊框圖[/align] 每個(gè)參數(shù)各建一個(gè)單獨(dú)的表，加上用戶信息共計(jì)十余項(xiàng)記錄，并配以操作日志詳細(xì)記載用戶操作記錄便于管理。主站pc主控軟件在visual c++6.0平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，能運(yùn)行于windows2000 professional、windows2000 server、windows nt和windows xp professional等各種流行的windows平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)專選一臺(tái)pc作為服務(wù)器安裝，獨(dú)立于主控機(jī)器。 上位機(jī)與下位機(jī)之間主要采用socket流套接字通信方式，提供雙向、有序的無(wú)重復(fù)并且無(wú)邊界記錄的數(shù)據(jù)流服務(wù)，并面向連接。系統(tǒng)使用自定義的符合電力通信規(guī)約的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膇p數(shù)據(jù)報(bào)文封裝格式如下:版本（ipv4）、首部長(zhǎng)度、服務(wù)類型、總長(zhǎng)度、標(biāo)志、生存時(shí)間、協(xié)議、首部校驗(yàn)和、源ip地址、目的ip地址、選項(xiàng)、填充（可選）、數(shù)據(jù)。其中ip數(shù)據(jù)報(bào)封裝長(zhǎng)度為64kb，數(shù)據(jù)量不足則填充全0字節(jié)，所有控制命令與數(shù)據(jù)參數(shù)定義為一個(gè)抽象的struct（結(jié)構(gòu)體）數(shù)據(jù)類型對(duì)象。上位機(jī)遵循socket通信流程，啟動(dòng)進(jìn)程初始化之后即開(kāi)始listen（）（監(jiān)聽(tīng)）自定義端口3188，收到終端的connect（）之后accept（）并最終實(shí)現(xiàn)3次握手過(guò)程為該終端建立一個(gè)可靠的連接，然后繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)端口等候與其他終端的通信，終端與子站之間則以廣播式呼叫接受其以int51x1芯片經(jīng)由電力線傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。 5 結(jié)束語(yǔ) 載波通信是電力系統(tǒng)在高壓電力網(wǎng)上的傳統(tǒng)通信手段，但其在低壓電力線上的缺點(diǎn)一直沒(méi)有得到很好的解決。擴(kuò)頻通信為低壓電力線載波通信提供了一個(gè)有效的解決方式，相信在不久的將來(lái)，低壓電力線載波通信能在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中得到更深入的應(yīng)用，并更高效的發(fā)揮出電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 參考文獻(xiàn) 【1】孫德勝,郭志忠. 配電自動(dòng)化系統(tǒng)綜述. 繼電器，1999,27（3） 【2】 殷小貢,楊玲君,萬(wàn)波. 電力線ofdm處理器int51x1及其開(kāi)發(fā). 繼電器,2004年32（17） 【3】 w90n740 reference manual. winbond electronics corp. 2003 【4】 陳堂,趙祖康等. 配電系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù). 北京:中國(guó)電力出版社,2003． 【5】 e.lakerrvi,e.j.holmes. 范明天等譯. 配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì). 北京:中國(guó)電力出版社,2000． 【6】 int51x1 integrated powerline mac/phy transceiver with usb and ethintegrated bridges．intellon corp．2003 作者簡(jiǎn)介 徐 斌（1981-） 男 碩士研究生 主要研究方向:通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電力線通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與安全等。 殷小貢（1945-） 男 教授 博士生導(dǎo)師 主要研究方向:信號(hào)處理、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電力線通信等。