李 錚, 崔 澳, 耿淑琴, 萬(wàn)培元, 徐鯤鵬, 武占俠
(1.北京智芯微電子科技有限公司, 北京 100192; 2.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部, 北京 100124)
電力用戶用電信息采集系統(tǒng)中,由于低壓電力線高速載波通信(HPLC)信道的復(fù)雜特性,可能會(huì)出現(xiàn)用戶電能表和變壓器臺(tái)區(qū)的隸屬關(guān)系與實(shí)際不一致的情況,導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通信困難或電費(fèi)下發(fā)困難等問(wèn)題[1-5]。
在研發(fā)電力線載波通信相關(guān)設(shè)備時(shí),到外場(chǎng)測(cè)試需要花費(fèi)大量的人力和物力,且不能靈活配置電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),十分不便[6-7]。為此,很有必要構(gòu)建一套電力線組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng),為研究人員提供統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境,從而克服場(chǎng)外測(cè)試的諸多問(wèn)題,節(jié)約項(xiàng)目開(kāi)支和開(kāi)發(fā)時(shí)間[8-10]。
現(xiàn)有技術(shù)僅能模擬理論無(wú)噪聲的理想載波組網(wǎng)環(huán)境,無(wú)法對(duì)每個(gè)測(cè)試單元內(nèi)部的噪聲無(wú)法分別進(jìn)行控制,不能模擬實(shí)際的組網(wǎng)環(huán)境[11]。為了保障載波組網(wǎng)拓?fù)浞旨?jí),需要采用屏蔽箱屏蔽空間耦合信號(hào)來(lái)避免發(fā)生載波跨級(jí)通信,但如果被測(cè)設(shè)備的載波發(fā)射功率較大,則可能超過(guò)屏蔽箱的物理隔離能力[12-13]。
本文設(shè)計(jì)一種多功能的HPLC 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠控制每一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的噪聲水平,并且控制各測(cè)試單元之間的信號(hào)衰減和延遲,從而提供更便利和真實(shí)的測(cè)試環(huán)境。其次,還提出一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的設(shè)計(jì)方法,該方法能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屏蔽箱來(lái)幫助屏蔽非相鄰級(jí)設(shè)備發(fā)出的串?dāng)_信號(hào)。
本文提出的HPLC 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)由中央控制單元、多功能測(cè)試單元和路由衰減器三種組件組成。多功能測(cè)試單元和路由衰減器之間的載波測(cè)試通路通過(guò)射頻連接線連接,能夠屏蔽噪聲信號(hào)。每?jī)蓚€(gè)多功能測(cè)試單元之間都會(huì)通過(guò)路由衰減器進(jìn)行中繼連接,由路由衰減器調(diào)整衰減值來(lái)構(gòu)成多種模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中央控制單元與這兩種組件之間通過(guò)通信模塊進(jìn)行無(wú)線通信,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。多功能HPLC 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 多功能HPLC 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)
中央控制單元與每一個(gè)測(cè)試單元及路由衰減器進(jìn)行無(wú)線通信,控制整個(gè)組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行,是整個(gè)系統(tǒng)最重要的控制單元。其主要由PC 機(jī)、與PC 機(jī)相連的通信模塊、高通濾波器及通信接口組成,如圖2 所示。
圖2 中央控制單元結(jié)構(gòu)圖
PC 機(jī)能夠運(yùn)行控制軟件和測(cè)試軟件,測(cè)試軟件包括組網(wǎng)、抄表、校時(shí)等測(cè)試項(xiàng)目,并兼顧測(cè)試數(shù)據(jù)的匯總功能。中央控制單元通過(guò)通信模塊對(duì)外進(jìn)行無(wú)線通信,該通信模塊作為控制網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有通信模塊的組網(wǎng)通信。
在載波通信組網(wǎng)中,由于實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離不同,設(shè)備之間的信號(hào)會(huì)因?yàn)榫嚯x不同而發(fā)生不同程度的衰減和延遲;又因?yàn)殡娏€復(fù)雜的信道條件,會(huì)帶來(lái)許多通信噪聲。組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)如果直接對(duì)電能表和集中器的通信模塊進(jìn)行測(cè)試,并不能模擬真實(shí)的電力線載波組網(wǎng)環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的多功能測(cè)試單元不僅可以測(cè)試局端或者表端載波設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸,還可以對(duì)被測(cè)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行延遲模擬和耦合噪聲等處理,模擬真實(shí)組網(wǎng)環(huán)境。
典型被測(cè)局端設(shè)備為集中器載波通信模塊(CCO),主要作為載波網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點(diǎn);典型被測(cè)表端設(shè)備為單/三相電能表載波通信模塊(STA),作為載波網(wǎng)絡(luò)的中繼及終端節(jié)點(diǎn)。多功能測(cè)試單元包括模擬信號(hào)部分、數(shù)字控制部分、通信模塊、接口電路和電源模塊等,如圖3所示。模擬信號(hào)部分包括信號(hào)繼電器組、前置衰減器及模擬前端電路;數(shù)字控制部分包括FPGA 和MCU 控制器電路;模擬和數(shù)字部分通過(guò)數(shù)字隔離器分隔,兩部分都擁有獨(dú)立的電源和接地,目的是防止信號(hào)相互串?dāng)_,影響衰減效果。
圖3 多功能測(cè)試單元結(jié)構(gòu)
1.3.1 模擬信號(hào)部分
模擬信號(hào)部分包括前置衰減器、信號(hào)繼電器組、延遲模擬器及模擬前端電路。
1) 前置衰減器:用于對(duì)被測(cè)通信信號(hào)進(jìn)行預(yù)衰減,控制信號(hào)幅度。
2) 信號(hào)繼電器組:用于切換不同的工作模式,控制被測(cè)信號(hào)是否通過(guò)數(shù)字控制電路和延遲模擬單元等。
3) 延遲模擬器:內(nèi)部由LC 延時(shí)網(wǎng)絡(luò)和物理電纜組成,采用此方式模擬延遲操作較為簡(jiǎn)便、更為靈活,可用于定性實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
4) 模擬前端電路:能夠?qū)Χ喙δ軠y(cè)試單元內(nèi)部的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)增益控制等處理。
本文的模擬前端電路使用兩塊AD9866 芯片,AD9866 在多功能測(cè)試單元中的電路圖如圖4 所示。
圖4 模擬前端的電路圖
AD9866 兼具12 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路功能,因此經(jīng)常用來(lái)取代分立式的ADC 和DAC,而且該芯片的數(shù)字接口比較靈活,易與數(shù)字后端電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單連接。
AD9866 還具備6 位自動(dòng)增益控制(AGC)接口,其中AGC 電路具有-12~48 dB 的可編程增益,能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)被測(cè)設(shè)備通信信號(hào)的增益大小,保證通信穩(wěn)定。兩塊AD9866 的RX_P 和RX_N 接口處均連接濾波器電路,防止通信信號(hào)和載波信號(hào)相互影響,如圖5所示。
圖5 濾波器電路
1.3.2 數(shù)字控制部分
數(shù)字控制部分包括FPGA 和MCU 控制器電路。
1) FPGA。FPGA 是一種半定制可編程的器件,具有成本低、靈活性強(qiáng)以及外部接口豐富的優(yōu)點(diǎn),能夠在降低制造成本的同時(shí)靈活地制定內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)?;谝陨咸攸c(diǎn),F(xiàn)PGA 能夠較好地完成多功能測(cè)試單元數(shù)字控制部分的設(shè)計(jì)需求。本文的FPGA 選用XC6SLX45_FG484 芯片,負(fù)責(zé)多功能測(cè)試單元的噪聲信號(hào)發(fā)生、信號(hào)采集、信號(hào)延遲以及基本的數(shù)字邏輯信號(hào)處理。
2) MCU 控制器電路。本文的MCU 控制器電路使用STM32 系列芯片STM32F103RCT6-LQFP64,其電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。MCU 負(fù)責(zé)控制對(duì)外的無(wú)線通信模塊和通信接口,以及LED、LCD 等顯示信息,同時(shí)可以控制FPGA 的工作狀態(tài),還可外掛TF 卡用于存儲(chǔ)信號(hào)激勵(lì)及記錄采樣數(shù)據(jù)。
圖6 MCU 控制器電路圖
完成對(duì)數(shù)字控制部分的電路設(shè)計(jì)后繪制數(shù)字控制部分的PCB 版圖,如圖7 所示。
圖7 數(shù)字控制部分的PCB 版圖
1.3.3 通信模塊及接口電路
測(cè)試單元對(duì)外采用有線及無(wú)線方式進(jìn)行通信。測(cè)試單元與路由衰減器之間使用射頻連接線連接,構(gòu)成多種組網(wǎng)結(jié)構(gòu),能為數(shù)據(jù)傳輸提供較好的信道條件并屏蔽噪聲;測(cè)試單元和中央控制單元之間采用無(wú)線通信方式可徹底隔絕與外部電氣的連接,減少外部電路對(duì)信號(hào)通道的干擾,并可由中央控制單元同時(shí)控制多個(gè)裝置協(xié)同工作,以及遠(yuǎn)程配置FPGA 的工作模式和參數(shù)等。
1.3.4 電源模塊
多功能測(cè)試單元內(nèi)配備可選的后備電源,包括電池管理電路及大容量鋰離子電池組,可脫離電網(wǎng)獨(dú)立工作。內(nèi)部電源網(wǎng)絡(luò)配置有大容量?jī)?chǔ)能電容及分布安裝的退耦電容,能夠降低裝置內(nèi)電源噪聲對(duì)有效信號(hào)的影響。
1.3.5 多功能測(cè)試單元的主要功能實(shí)現(xiàn)
多功能測(cè)試單元的功能具體如下:
1) 生成周期模擬噪聲。利用FPGA 內(nèi)置的DDS 單元生成數(shù)字激勵(lì),經(jīng)DAC 轉(zhuǎn)化為周期模擬噪聲信號(hào),注入信號(hào)通路,實(shí)現(xiàn)周期噪聲的模擬。
2) 生成自定義噪聲。通過(guò)MCU 讀取TF 卡中自定義或現(xiàn)場(chǎng)噪聲錄播文件,將文件信息經(jīng)由FPGA 輸出給DAC,輸出自定義噪聲信號(hào),注入信號(hào)通路,可以用于測(cè)試載波通信的抗噪聲能力,模擬真實(shí)噪聲環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。
3) 生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲。FPGA 可以生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲,可以讓白噪聲的強(qiáng)度根據(jù)被測(cè)設(shè)備信號(hào)的功率大小自動(dòng)調(diào)整。該噪聲可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屏蔽箱,在保證白噪聲不會(huì)覆蓋被測(cè)設(shè)備信號(hào)的前提下,能夠提高本單元內(nèi)的載波通信本底噪聲,降低載波信號(hào)的信噪比,屏蔽非相鄰級(jí)設(shè)備的串?dāng)_信號(hào),使載波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞旨?jí)更穩(wěn)定。
4) 模擬信號(hào)延遲。多功能測(cè)試單元提供兩種方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳播延時(shí)模擬:第一種方式為讓被測(cè)信號(hào)通過(guò)延遲模擬器;第二種方式為讓被測(cè)信號(hào)先經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),通過(guò)FPGA 進(jìn)行延時(shí)處理,后將數(shù)據(jù)流輸出至DAC,還原模擬信號(hào),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延時(shí)傳輸模擬。采用此種方式,在典型采樣率50 MSPS 的條件下,信號(hào)理論延時(shí)分辨率為20 ns,在信號(hào)光速傳輸?shù)臈l件下對(duì)應(yīng)物理長(zhǎng)度分辨率為3×108×20×10-9= 6 m,模擬信號(hào)帶寬為25 MHz。采用此方式模擬信號(hào)延時(shí)較為精確。
5) 虛擬電能表。FPGA 還擁有虛擬電能表功能,支持抄收多個(gè)電能表數(shù)據(jù)項(xiàng),并可產(chǎn)生電能表事件上報(bào)信號(hào)。虛擬電能表的參數(shù)可以由中央控制單元進(jìn)行設(shè)定。
路由衰減器是改變載波物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼拜d波衰減的核心部件,其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。路由衰減器的對(duì)外接口包括通信接口和四路載波接口,分別負(fù)責(zé)無(wú)線通信和HPLC 組網(wǎng)通信。
圖8 路由衰減器結(jié)構(gòu)
路由衰減器的主控模塊通過(guò)通信模塊連接中央控制單元,由中央控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,以切換不同的衰減值。其主控模塊作為主要控制元件,可以通過(guò)調(diào)節(jié)路由衰減器內(nèi)部的多個(gè)數(shù)控衰減模塊,控制其各個(gè)載波接口之間的衰減值,從而控制載波信號(hào)的傳導(dǎo)路徑及強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)不同的物理載波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
其中每個(gè)數(shù)控衰減模塊使用3 塊HMC472A 芯片進(jìn)行串聯(lián)。HMC472A 芯片為寬帶6 位數(shù)字衰減器,單片總衰減值能達(dá)到31.5 dB,衰減精度較高,能夠模擬實(shí)際中的通信網(wǎng)絡(luò)的各種情況。數(shù)控衰減模塊中單片HMC472A 芯片和其連接的低通濾波器電路如圖9所示。
圖9 單片HMC472A 芯片及其連接的濾波器電路圖
本文對(duì)中央控制單元進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì),用于控制多功能測(cè)試單元和路由衰減器的工作狀態(tài),便于工作模式的選擇和模擬噪聲、模擬衰減以及模擬延遲參數(shù)的設(shè)置,組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)工作的軟件流程如圖10 所示。
圖10 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)共具備三種工作模式:衰減模擬模式、延遲模擬模式和噪聲模擬模式,每種模式都可以獨(dú)立工作,對(duì)被測(cè)設(shè)備通信信號(hào)或者虛擬電能表信號(hào)進(jìn)行HPLC 信號(hào)模擬和測(cè)試。
中央控制單元不僅可以協(xié)同控制多個(gè)多功能測(cè)試單元和路由衰減器,還可以單獨(dú)控制每一個(gè)單元的工作狀態(tài),使每一級(jí)的噪聲、衰減和延遲水平不相同,進(jìn)而復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電力線通信環(huán)境。
現(xiàn)有技術(shù)的組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)使用屏蔽箱來(lái)屏蔽非相鄰級(jí)設(shè)備發(fā)出的串?dāng)_信號(hào),但當(dāng)被測(cè)設(shè)備發(fā)送功率較大或者被測(cè)設(shè)備相隔太近時(shí),則可能超過(guò)屏蔽箱的物理隔離能力,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浜臀锢硗負(fù)洳荒軐?duì)應(yīng)。
本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲可以自適應(yīng)追蹤被測(cè)設(shè)備功率,既可以減小本單元載波信號(hào)的信噪比值,又不會(huì)因?yàn)樯傻脑肼晱?qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致淹沒(méi)本單元的有效信號(hào)。該噪聲能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)屏蔽箱來(lái)淹沒(méi)除相鄰分級(jí)單元有效信號(hào)之外的串?dāng)_信號(hào),增強(qiáng)被測(cè)載波設(shè)備物理拓?fù)浞旨?jí)的穩(wěn)定性,還能夠簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低系統(tǒng)成本。生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的流程如圖11 所示,具體可以劃分為以下步驟:
圖11 生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲的流程
1) 程序初始化后,首先根據(jù)檢測(cè)到的功率大小匹配目標(biāo)噪聲強(qiáng)度。
目標(biāo)噪聲強(qiáng)度是提前設(shè)定好的若干離散的固定數(shù)值,在設(shè)定時(shí)先將被測(cè)設(shè)備可控范圍內(nèi)的功率均分為若干組,根據(jù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲既要淹沒(méi)除相鄰分級(jí)單元有效信號(hào)之外的串?dāng)_信號(hào),又不能噪聲過(guò)大,導(dǎo)致覆蓋本單元有效信號(hào)的原則,每一段被測(cè)設(shè)備的功率范圍匹配一個(gè)固定數(shù)值的目標(biāo)噪聲強(qiáng)度,保證被測(cè)設(shè)備在可控范圍內(nèi)發(fā)出任意功率都能自適應(yīng)匹配一個(gè)強(qiáng)度適中的背景白噪聲。
2) 檢測(cè)當(dāng)前波形發(fā)生器正在輸出的噪聲強(qiáng)度。
3) 計(jì)算當(dāng)前輸出的噪聲強(qiáng)度和目標(biāo)噪聲強(qiáng)度的噪聲幅差,并將噪聲幅差的數(shù)值進(jìn)行分類,根據(jù)噪聲幅差的大小可將其分為三類:較大、較小和極小。
4) 由于數(shù)字控制的自動(dòng)增益控制電路(AGC)控制精度低但控制范圍大,模擬控制的AGC 控制精度高但控制范圍小,故結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)控制精度高且控制范圍大。
當(dāng)噪聲幅差極小時(shí),則直接輸出當(dāng)前強(qiáng)度的白噪聲;當(dāng)噪聲幅差較小時(shí),則通過(guò)模擬AGC 對(duì)噪聲強(qiáng)度進(jìn)行微調(diào)后輸出該噪聲,且再對(duì)微調(diào)過(guò)的噪聲進(jìn)行檢測(cè)、分類和下一輪調(diào)整,直到噪聲幅差分類為極??;當(dāng)噪聲幅差較大時(shí),則先通過(guò)數(shù)字AGC 對(duì)噪聲強(qiáng)度進(jìn)行較大數(shù)值的粗調(diào),再通過(guò)模擬AGC 對(duì)噪聲強(qiáng)度進(jìn)行微調(diào)后輸出該噪聲,同樣也對(duì)調(diào)整過(guò)的噪聲再進(jìn)行檢測(cè)、分類和下一輪調(diào)整,直到噪聲幅差分類為極小。
5) 在輸出新的噪聲強(qiáng)度之后,經(jīng)過(guò)固定的時(shí)鐘周期,進(jìn)行一次初始化,回到檢測(cè)被測(cè)設(shè)備功率大小步驟開(kāi)始循環(huán),重復(fù)步驟1)~步驟4),使白噪聲信號(hào)的強(qiáng)度可以自適應(yīng)追蹤被測(cè)載波設(shè)備的功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。
組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成各種載波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程為:首先將13個(gè)多功能測(cè)試單元和13個(gè)路由衰減器交替擺放;然后用射頻線將每個(gè)組件都與相鄰組件相連;再通過(guò)路由衰減器調(diào)整各個(gè)通路的衰減值來(lái)修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將衰減值調(diào)到最大即可斷開(kāi)該通路連接。
如圖12 所示,白色圓圈為安裝電能表通信模塊(STA)的多功能測(cè)試單元,灰色圓圈為安裝集中器通信模塊(CCO)的多功能測(cè)試單元,黑色方塊為路由衰減器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為HPLC 通信中常見(jiàn)的樹(shù)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),多個(gè)測(cè)試單元為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層級(jí),相鄰網(wǎng)絡(luò)層級(jí)載波通信可以直達(dá),非相鄰網(wǎng)絡(luò)層級(jí)載波通信則需要中繼。
圖12 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)示意圖
實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中載波拓?fù)淝ё內(nèi)f化[11,13],均可通過(guò)路由衰減器的不同配置在測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行模擬,使被測(cè)載波設(shè)備形成多種物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)合多功能測(cè)試單元的模擬噪聲和模擬延遲,能夠在實(shí)驗(yàn)室形成與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相似的電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)。
本文設(shè)計(jì)一種多功能HPLC 組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)多功能測(cè)試單元中強(qiáng)大的數(shù)字控制部分,可以精確模擬信號(hào)延遲并生成多種電力線噪聲耦合被測(cè)設(shè)備信號(hào),用于抗干擾測(cè)試;還可以生成動(dòng)態(tài)自適應(yīng)白噪聲,用于代替屏蔽箱屏蔽串?dāng)_信號(hào),在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)增強(qiáng)物理拓?fù)浞旨?jí)的穩(wěn)定性。通過(guò)路由衰減器中的數(shù)控衰減器,使得每條測(cè)試通路上的被測(cè)信號(hào)可以被不同程度地衰減,能夠模擬真實(shí)電力線信號(hào)衰減并實(shí)現(xiàn)多種組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模擬。在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建一套更加貼近電力系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境的模擬組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng),減少通信模塊測(cè)試實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、設(shè)備和人力投入,提高實(shí)驗(yàn)的有效性和可靠性。本文研究對(duì)HPLC 相關(guān)算法和設(shè)備的研發(fā)具有重要意義。