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一、配電線通訊 中低壓交流配電線用于電能的輸送同時，也可作為傳輸介質實現數據通訊。電力線載波通訊（PLC）技術就是通過載波方式將模擬或數字信號在配電線上進行高速傳輸的技術。用電力線作為數據傳輸介質，利用已有的電力配電網絡進行通信不需要重新布線，信號不會因為通過建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，相對較為低廉的成本，使這項技術在電表自動抄表系統，燈光控制等許多領域受到青睞。 圖1就是PLC技術典型的應用案例——遠程電表自動抄表系統的示意圖。 電表通過電力線與集中器進行數據交換。集中器通常位于變壓器附近，是網絡的核心管理者。它負責網絡管理、數據集中采集、命令傳送等工作；同時還通過上行線路（PSTN或RF等）與主站進行數據交換和信息傳遞。一臺集中器可管理幾十至幾百只電表。 在這個系統中，集中器會按照設定的時間間隔讀取各個電表的運行數據，并把數據傳送給主站，實現自動遠程集中抄表。 1.1 EDF項目 當今世界上許多國家都已采用或即將部署智能電表系統并采用自動遠程集抄方式。目前備受關注的就是法國ERDF的Linky電表項目。 歐盟最大的電力配電網運營商，法國電力集團（EDF）的子公司--法國電網輸送公司（ERDF）已經啟動了一個涉及總數量3500萬只電表的項目。該項目從2012年至2017年，將把法國國內的傳統電表統一更換成新型的Linky智能電表。智能電表通訊采用電力線載波（PLC）技術。 項目對PLC的主要技術要求如下： 物理層：IEC 61334-5-1 和 EN 50065-1 調制方式：S-FSK 通信載波頻率：Fm (傳號頻率)：63.3KHz；Fs(空號頻率)：74KHz 通信速率：2400 Baud 物理層與電力線50Hz同步 應用層：IEC 62056-53和IEC 61334-5-511 1.2安森美半導體與PLC通訊 安森美半導體針對低/中壓電力線上數據通訊而研發了S-FSK PLC Modem，在工業現場已有超過8年的成功應用。Modem是采用S-FSK調制方式的窄帶PLC收發器，是目前唯一經過多年市場驗證的器件。 產品從早期的AMIS-30585發展到如今第二代產品AMIS-49587。 AMIS-49587完全滿足ERDF的技術要求，已被Linky智能電表供應商選中作為PLC通信的核心器件。 下文中，結合EDF Linky電表項目的需求，介紹AMIS-49587的特點。 二、涵蓋PHY和MAC Layer的收發器 2.1 Linky電表OSI層參考模型： Linky項目采用3層網絡結構： - 物理層PHY 采用IEC 61334-5-1標準。 - 數據鏈路層DLL（包括MAC和 LLC子層）采用IEC 61334-5-1/ IEC 61334-4-32標準 - 應用層Application Layer 采用IEC 62056-53/IEC 61334-4-511標準 AMIS-49587最突出的特點在于其作為PLC收發器除了完成物理層S-FSK信號的收發、調制解調外，還向上包含了MAC子層的處理。這個特點使用戶得以把更多的精力放在應用層的開發。通過AMIS-49587進行邏輯鏈路層（LLC Layer）數據包的交換，底層的幀頭、幀校驗等都會被自動添加。這在很大程度上減少了客戶軟件開發方面的工作量。 2.2 物理層采用優化的 S-FSK 電力配電線并不是為信號傳送而專門設計的，它的阻抗處于隨時變化中，也極易引入外界的各種電磁干擾。調制方式的選擇力求在成本較低的情況下使其針對電力線特殊情況具有良好的通訊效果。 FSK（頻移鍵控）是經典的實現成本較低的頻率調制方式：利用兩個獨立的載頻傳送二進制0和1。S-FSK（Spread FSK）是讓這兩個頻率盡可能遠離，（>10KHz）使兩個頻率傳輸質量相對獨立，以更好的應對電網中常見的窄帶干擾的影響。 圖3中我們可以看到：在噪聲能量比較平均的寬帶干擾下，兩個載頻的接收信號信噪比相似。接收器濾除掉其他頻率，在f0 （空號頻率）和f1（傳號頻率）產生兩個解調信號-dS和dM，如果dS>dM，認為收到數據“0”；反之認為是數據“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載頻下的信噪比很差時，接收器將忽略這個信道，用另一個較好信道的解調信號與一個內部閾值T作比較來決定收到“1”還是“0”。此時接收器工作在幅移鍵控ASK模式。 此外，Modem內部處理器的解調算法尤為重要。其對接收靈敏度影響很大。Linky項目要求接收機在S-FSK信號有效值2mV至2V內都可正常識別。 靈活的調制解調模式、先進可靠的解調算法使AMIS-49587具有優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物理幀格式來傳送數據。 2.4 MAC幀與物理幀 物理幀以時間片（或稱時隙，Time Slot）為發送間隔。幀起點被稱為時間片指示器Slot indicator，這一點對應電力線電壓50Hz的過零點。客戶端（Client，也就是主機）必須在過零點開始發送物理幀。IEC61334-5-1的整個系統都是以時間片為同步依據的，了解這一點十分重要。 以2400bps速率為例，傳送1個時間片或物理幀的時間需要150mS。 物理幀由前導碼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間片的整數倍，這時刻稱作時間片指示器。在時間片同步后，每個裝置的物理層就可以通過它的內部時鐘獨立地跟蹤時間片指示器。 前導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個字節期間： 1） 調整確定接收增益 2） 測量信噪比 3） 確定解調方式 FSK 或ASK 4） 幀檢查，是否是合法的物理幀的開始 5） 調整服務器（Server，也就是從機）與客戶端（Client）同步 如圖5所示：物理幀將MAC幀“包裝”后發送。一個物理幀有38個字節數據域，一次可以發送一個MAC子幀。長MAC幀可以由多達7個MAC子幀組成。有多個MAC子幀的長MAC幀會被拆分成幾個子幀，由相應數量的物理幀順序發送。接收方全部接收后，再把它們整合起來。 MAC幀頭Header由子幀數、初始可信值IC、當前可信值CC、差值可信值DC、源地址、目的地址以及填充長度Pad Length組成。可信值的使用會在后面中繼的章節中詳細介紹。LLC幀作為數據被包含在MAC幀中。 三、安森美半導體PLC解決方案 方案主要由PLC Modem ，AMIS-49587、驅動放大器NCS5650及耦合變壓器組成。 PLC信號的發送路徑（紅色箭頭）：AMIS-49587調制出的S-FSK信號經過NCS5650進行放大后經變壓器耦合到電力線上。變壓器實現電壓變換和阻抗匹配，也用于強弱電的隔離。NCS5650除了對信號進行功率放大外，其兩級運放的結構還組成了衰減特性很陡的4階低通濾波器。在對電力線接入設備有嚴格限制的歐洲，只有增加類似的濾波器，才能夠保證系統對電力線的高頻干擾注入滿足EN 50065規范的要求。 藍色箭頭標注出了接收路徑：變壓器從電力線耦合過來的信號經過AMIS-49587內置放大器構成的低通濾波器在內部ARM進行FSK解調分析。 圖6中黑色箭頭是50Hz的過零檢測信號引腳。系統依靠這個信號進行同步定時。 圖中藍色虛線框內是電表內的應用處理器，負責通訊應用層處理及計量。其與PLC Modem的接口是簡單的SCI串行口。 方案的供電十分簡單：一路12V--供給線路放大器，用于驅動PLC信號耦合變壓器；一路3.3V給AMIS-49587供電。 3.1 AMIS-49587功能框圖 我們再了解一下AMIS-49587的內部結構。 AMIS-49587的核心是一個32位ARM處理器，完成物理層和MAC層的處理，運行S-FSK調制解調的算法，同時也管理著與外部MCU的通訊。嵌入軟件儲存在片內ROM中。 芯片左邊是模擬部分：FSK信號合成輸出、接收解調以及系統時鐘和50Hz的鎖相環。 芯片包含了所有S-FSK信號處理、MCU接口管理等模擬、數字部分。變壓器驅動由于是功率放大部分成為收發器板上的發熱源。為了防止高熱可能給系統精度帶來影響，AMIS-49587并沒有把信號的功率驅動納入這顆IC中，而是采用外置方案。 3.2 獨特的系統中繼方案 在網絡通訊中，長距離的信息傳送需要中繼來實現。安森美半導體的AMIS-49587支持采用Repetition with Credit算法進行中繼。在這種中繼方案中，系統沒有需要預先設定的中繼器Repeater。其核心理念是每一個服務器端（即電表）都可以是其它服務器的Repeater，幫助把信息或命令接續傳遞。即使收到的幀目的地址不匹配，如果需要轉發，服務器也會將其轉發。轉發采用以時間片和聲（Chorus)方式，這種方式依賴于整個系統統一與時間片同步。 Repetition with Credit中繼算法采用了叫做可信值管理的辦法。可信值分為7級，由客戶端（集中器）進行管理。系統規定：如果服務器被配置成了Repeater，如果收到的MAC幀的當前可信值大于0，這個服務器就要在下一個時間片到來時把這一幀重復轉發，當前可信值減一。直到當前可信值為0時幀重復的過程終止。在這種機制下，在同一時間片，可能存在許多服務器同時重復轉發，這就是和聲。 下面（見圖8）以一個單MAC幀的轉發過程為例，來說明Repetition with Credit機制。 1） 集中器在時間片K給電表5發出一幀并在MAC幀頭設定了初始可信值為2。電表（Module PLC）1和2因為距離較近在時間片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收到后在時間片K+1開始重復這一幀，當前可信值減一，變為1。電表3和4在這個時間片收到這一幀。但電表5由于線路太遠還是沒有收到。 3） 電表3和4在K+2重復同一幀。當前可信值減一，集中器、電表1和2也在同時重復，與3和4“和聲”。電表5正確收到這一幀。由于當前可信值已變為0，下一時間片所有電表不再重復發送這一幀。 系統最大可設定初始可信值為7，假定一臺集中器和一臺電表的通訊距達300m。如果有了帶有7級可信值管理的中繼，通信距離將可達到2400m。 在這個中繼機制中，有三個變量IC、CC、DC分別代表初始可信值、當前可信值以及差值可信值。集中器根據算法設置初始可信值。當前可信值CC會在幀轉發過程中隨每一次轉發逐一遞減。差值可信值DC對中間的轉發器沒有意義，只在目的地址電表處，IC減去CC，得到差值可信值DC。該電表會在回復幀中把DC值發送回給集中器，集中器可以根據這個值修訂下次訪問該電表的初始可信值。 由于電力線阻抗、干擾狀況等處于時時變化中，PLC通訊的質量也在不斷變化。可信值算法使客戶端可以實時根據網絡通信狀況進行動態管理，以實現可靠的數據傳送。 由AMIS-49587組成PLC網絡廢棄了傳統的具有諸多弊端的路由方案，沒有復雜的路由表，不需要人工設定和調整中繼轉發器，網絡會自動的找到最佳路由線路，并且持續進行動態的調節。 此外，在Linky項目中，還引入了Repeater Call 機制。定期運行的這個機制通過先進的算法調整傳輸路徑中轉發器的設置，減少不必要的電表參與“和聲”，以減少可能的串擾或回聲，這是對網絡路由的進一步優化。 3.3 網絡建立 由AMIS-49587組成的網絡采用主從結構，一個客戶端（也稱主機或集中器）與多個服務器（從機或電表）組成網絡。一般通訊的發起者是客戶端。按照IEC 61334-5-511，客戶端運行“發現Discovery” 和“注冊Register”服務。“發現”查找新加入或因故重新加入網絡的服務器。如果服務器進行了正確的應答，進入注冊過程，將被分配獨立的MAC地址。 客戶端會定期運行發現、注冊服務，以實現系統Plug & Play。也會定期進行點對點的Ping服務以確定服務器是否在網和消除可能的地址沖突。 3.3.1 智能同步Smart synchronization 主從網絡中，服務器必須先與客戶端綁定（綁定后只回復該客戶端）才能完成注冊進而正常與客戶端通訊。這個過程叫與客戶端同步。服務器與一個客戶端同步后，將不再應答其它客戶端。客戶端訪問超時或服務器主動解除同步時，重新進入客戶端搜索狀態。 剛上電的服務器與50Hz鎖定后會不斷分析信道，查找前導碼（AAAAh）和起始子幀定界符（54C7h），如果偵聽到，而且接下來正確收到客戶端發出的物理幀后，即可與該客戶端同步，并接受注冊。 在同步過程中，AMIS-49587采用了更加智能的Smart Synchronization：在一定時間內（可設定），新入網服務器可以先后與多個客戶端同步再主動解除同步，期間記錄每個客戶端信號的強度(SNR)。在設定時間到來時，該服務器最后會選擇與信號最強的客戶端同步。 該機制非常有效的解決了抄表系統中常見的多臺區/多相信號串擾問題。由于電表都會自動找到最近的集中器與之同步，不需要人工干預，使網絡路徑自動得到了優化，也極大的減少了施工中的工作量。 3.3.2 報警Alarm機制 AMIS-49587構成的PLC網絡中還具有報警機制。當電表有故障發生時，要求其通過網絡報警，以便管理人員及時得知并處理。主動上報相當于在網絡中實現雙向通訊。Linky電表會在物理幀的Pause時間段的3個字節發出Alarm警報。主機收到后會發起Discovery服務，以便調查具體故障原因。 Alarm另一個非常有用的功用是新電表剛接入時，會通過Alarm提示集中器發起Discovery。這會加快新表的接入過程。不必非得等待主機例行的Discovery服務到來。 四、結束語 安森美半導體的AMIS-49587是完全遵從IEC-61334標準開發的電力線載波收發器。在完成物理層調制解調外，嵌入MAC層的處理是這款芯片獨到的特點，使其成為具有協議解析功能的PLC收發器。客戶在使用這款收發器傳送或接收的數據時，不需要太多關注協議的細節。 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自動找到并持續調整最佳路由線路，使長距離通訊變得簡單可靠的同時極大地減少了施工維護工作量。智能同步、Repeater Call 模式的加入更是進一步實時動態的對網絡進行了優化。 安森美半導體還為PLC應用專門開發了線路驅動器--NCS5650。集成了高帶寬運算放大器和高達2A輸出電流的功率放大器。兩級運放的結構使其非常容易配制成4階低通濾波器，以便滿足各種規章（如EN 50065）對電力線高頻注入的嚴格限制。 安森美半導體的PLC解決方案非常適用于自動化抄表、燈光控制、家用電器以及其它區域集中控制等場合。方案簡單易用，實施效果和可靠性已在歐洲工業現場有超過8年的驗證。 |
