1 引言

　　電力線通信plc（power line communication）技術在2001年6月國際組織homeplug制定的 homeplug 1.0版標準確定后，隨著各國電力公司對plc態度的大幅轉變，短期內plc與wlan、xdsl等其它技術合作，并待日后用戶習慣與技術成熟后再進行統一整合的趨勢已然成形。plc技術可利用配電網中/低壓線路傳輸高速數據、圖像、語音等多媒體業務信號，用于低壓民用電力線（110v～220v單相交流電）進行數據通信傳輸大抵可分為寬帶接入型與家庭網絡型兩種解決方案。寬帶接入型主要利用低壓配電網，是指從中壓變電站到用戶電表的一對多點通訊架構，以解決最后1000米的問題。至于家庭網絡型是指通過電力線在用戶家中組建高速lan。在中壓線路中，可以通過其通信方式為配電自動化系統建立可靠的數據傳輸平臺。對該技術的研究和開發將有助于充分發揮電力系統資源的巨大優勢。

　　2 ofdm技術簡介

　　2.1 ofdm技術的歷史和現狀

　　電力線作為通信介質不同于其它類型，電力線上存在不同系統噪聲和隨機噪聲,而且由于線路上一般都會有很多電力電氣設備，形成不可預測的干擾源。另外，電力電氣設備的使用、關閉都是無法規定的，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確的數學模型來描述，電力線信道在時域上不恒定，不可控。隨著數字通信、dsp、internet等技術的發展，采用抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落的ofdm（多載波正交頻分復用）技術逐漸克服電力線上傳輸特性的一些缺點, 實現了在電力線上進行高速數據通信。chang.r.w在1966年就首先提出了ofdm的概念模型，不過解決 ofdm技術工程實現問題的卻是weinstein和ebert，他們在1971年提出了利用動態傅立葉變換（dft）和逆傅立葉變換（ifft）實現基帶信號的調制解調的思想，使得ofdm的技術實現難度為之大幅度降低。目前ofdm技術已經在移動通信、數字視頻廣播（dvb）、數字音頻廣播（dab）以及數字用戶線xdsl序列等領域得到了廣泛的應用。

　　2.2 ofdm技術的基本原理

　　ofdm是一種多載波傳輸技術，其最大的特點是傳輸速率高，對碼間干擾和信道衰落具有很強的抵御能力。其基本思想是變換串行數據流為并行處理，即將串行數據轉換為若干個并行數據分配給同樣數目的不同的正交子載波以達到并行數據傳輸的目的，有效的抑制了碼間干擾，也不需要復雜的信道均衡處理。

　　假設1個周期內傳送的碼元序列d0,d1,…,dn-1通過串——并轉換器分別調制在n個子載波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,是指在傳統的頻分復用（fdma）系統中2個相鄰子載波的頻率相差系統的碼元傳輸速率為fs,2個相鄰子信道的中心頻點至少相差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,它們在頻域上是相互交疊的。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子信道信號。

　　3 int51x1芯片的主要特性與其功能結構

　　3.1 int51x1的主要特性與功能結構

　　int51x1是美國intellon公司推出的目前很完善的ofdm處理芯片，符合homeplug1.0.1技術標準，其上行傳輸速率最高可達到14mbps。它集成了usb1.1、以太網和mii/gpsi多種接口，還集成了adc、dac和agc控制器，是plc通信裝置研發的一款理想處理器。int51x1是專用于電力線的mac/phy集成收發器，它使用intellon公司專有的電力數據包（powerpacket）正交頻分復用技術，84個子載波，選擇采用robo/dbpsk/dqpsk調制方法，可以根據收發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，不需要導頻。其內部結構由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:

　　
圖1 int51x1內部結構圖

　　powerpacket mac模塊主要完成鏈路層功能，是int51x1的核心部分。本模塊包括一個精簡指令集（risc）的處理器內核，一個含有ofdm數據處理、加密/解密算法、信道優化算法的程序存儲器（rom），還有一個鏈接序列、數據存儲器（ram）已經兩個直接數據傳送通道（dma）。從用戶發往電力線網絡或從物理層來的所有數據都在mac模塊中通過一定的算法進行信號處理。mac采用載波偵聽多路存取/沖突避免（csma /ca）協議訪問公共的電力線信道，輔以自動重傳請求arq和電力數據包的優先權機制確保傳輸的可靠性。由于電力數據包優先等級的靈活設定，使得 int51x1具有較強的突發業務處理能力，允許電力線上的多幀傳輸，極大的減輕了對網絡收端的要求，使網絡吞吐量達到最大，同時保證了最短延遲時間和最優的信號穩定性。由于采用自由競爭的介質訪問方式，任一單節點都可以作為整個網絡的控制器。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良的服務品質。

　　powerpacket phy模塊實現物理層功能，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。該模塊主要由一個物理層邏輯序列、一個與mac子層dma通道對應的先進先出（fifo）隊列以及一個前向模擬通道組成，此外，還集成有對外加運算放大器的自動增益控制電路（agc）。一對高速的10位a/d、d/a轉換器構成了前向模擬通道，其采樣速率為50mbps，參考電壓獨立于片內，低功耗操作，在其后接上運算放大器和濾波器，通過電力線耦合裝置，便可與電力線連接。

　　i/o模塊集成了mac與主機、外圍設備間的各種接口，功能豐富全面。與主機接口有usb接口、媒質獨立接口mii或通用串行接口 gpsi（選用）、管理數據接口mdi;與外設接口有e prom接口spi、仿真接口jtag已經用于運行狀態監視的led接口。mii是一種標準的工業接口，其發送/接收都以四位并行的形式進行，由mac時鐘同步，并帶有csma/cd協議。通過mii接口，int51x1可以跟以太網mac控制器直接相連。

　　主機通過mdi可以方便的訪問int51x1內部的控制/狀態寄存器，從而完成對int51x1的設定和監視int51x1的實時運行狀態。 int51x1的控制/狀態寄存器均為16位的寄存器。狀態寄存器實時反映鏈路狀態、傳輸速率、前導碼判決、自動協商、模糊檢測等信息。

　　上電后，int51x1的初始化由其通過spi接口讀取預先寫入e prom的數據完成。powerpacket采用des的56位密鑰管理，除int51x1設定的缺省密鑰以外，還可以由用戶自定義密鑰，確保電力線傳輸的可靠安全性。

　　3.2 int51x1的引腳說明

　　int51x1采用μbga封裝，144引腳，供電電壓3.3v，芯片內核供電電壓1.5v。它有usb、phy、host/dte3種工作模式選擇，部分復用信號引腳如mii接口信號、mdi接口信號、spi接口信號等因模式不同而功能定義不同，其它的信號線在3種模式中都相同，有對模擬前端afe的控制數據線26條，主要是adc輸入、dac輸出、運放的agc控制等;有led（3線）。jtag（5線），時鐘（2線），測試（2線），以及多條電源和地線;3種模式的選擇有mode0和mode1兩個引腳的狀態決定。

　　3.3 微處理器w90n740的簡介

　　w90n740是臺灣winbond公司開發的基于32位arm核的高性能、低功耗微處理器。w90n740采用arm7tdmi內核，內建兩個10/100mb mac以太網絡控制器，并采用winbond獨家專利的網絡地址轉換加速器nat accelerator。該器件用硬件方式加速網絡封包的轉換，不僅減少了中央處理器的負擔，同時也大幅提高了寬頻的整體系統效能。而芯片方式集成的usb控制器則可透過usb界面連結各種電腦周邊設備，以增添產品附加值。此外，w90n740內部還集成了ebi（external bus interface）控制器、系統管理器、gdma控制器等。因而在許多應用領域，用該器件設計的系統成本比目前同類產品要低。加上arm公司開發環境支持匯編語言、ｃ和ｃ++，其軟件開發也十分方便。因此，w90n740雖不是主流產品，但也是許多網絡電子產品的選擇方案之一。

　　4 ofdm配電自動化系統設計

　　4.1 系統通信終端和子站的設計

　　（1） 通信終端的軟硬件構成。通信終端硬件電路設計參見圖2。

　　
圖2 通信終端硬件電路設計圖

　　通信終端以int51x1和w90n740為核心，int51x1選phy模式，組成eth-plc路由器。w90n740通過外總線接口 ebi加接1片2m×16位數據寬度的flash外部程序存儲器共4m字節，另配2片4m×16位數據寬度的sdram，共16m字節sdram。 int51x1主機側經mii接口與w90n740 ethernet mac controller 0連接，w90n740再經 ethernet mac controller 1接eth phy（rtl8201），從rtl8201芯片引出rj－45接口與網絡交換機連接;電力線側afe取12v sip規格，以coupler與10kv電力線耦合，coupler只含耦合部分，不含電源部分，并在所有串接開關兩端跨接高頻橋路。終端需要的工作電源品種比較多, 有+12v、+5v、+3.3v、+1.8v、+1.5v,由整流和相應的dc-dc模塊獲得。

　　終端通過jtag燒寫工具燒寫嵌入式linux內核（uclinux-2.4.x）以及10/100m以太網接口驅動、串口驅動等源代碼到flash芯片，另外在uclinux上加載了tcp/ip協議棧，使其可以通過交換機與主機pc進行面向連接的通信。

　　（2） 子站的軟硬件構成。子站與終端的設計基本相似因此不再附圖說明。w90n740通過片內串口uart與ftu、ttu等自動化設備接口，通過片內 ethernet mac控制器與int51x1接口。由于子站與終端之間的通信是通過電力載波完成，故子站設計去掉了rtl8201芯片加rj-45接口。w90n740通過ebi加接128kb的flash（sst29le010-150-4i-nh），3.3v芯片，32-lead，plcc封裝，片內8kb i-cache設置為sram，并加接3.3v的rs-232轉換器（max2323）。coupler修改為10kv配電線相適應的參數隔離高壓，電力線側特性阻抗取300～400ω，電源部分單獨拉出。

　　在int51x1的eeprom中寫入初始化數據，w90n740則以arm7編寫程序固化到外加的flash外部存儲器，實現從rs- 232口接收ftu/ttu數據打包經mac發給int51x1;經mac接收int51x1數據解包送往ftu/ttu以及子站上電初始化等功能。

　　4.2 ofdm配電自動化系統軟件的設計開發

　　配電自動化（da）主站是配電自動化系統的控制與管理中心，一般采用客戶/服務器方式構成計算機局域網網絡系統，以scada和gis（地理信息系統）作為基本平臺，配合各種應用軟件完成da/dms（配電自動化/配電管理系統）的功能。圖3是本系統的功能模塊簡要圖示。

　　
圖3 系統功能模塊框圖

　　每個參數各建一個單獨的表，加上用戶信息共計十余項記錄，并配以操作日志詳細記載用戶操作記錄便于管理。主站pc主控軟件在 visual c++6.0平臺上開發，能運行于windows2000 professional、windows2000 server、 windows nt和windows xp professional等各種流行的windows平臺。數據庫專選一臺pc作為服務器安裝，獨立于主控機器。

　　上位機與下位機之間主要采用socket流套接字通信方式，提供雙向、有序的無重復并且無邊界記錄的數據流服務，并面向連接。系統使用自定義的符合電力通信規約的協議，網絡中傳輸的ip數據報文封裝格式如下:版本（ipv4）、首部長度、服務類型、總長度、標志、生存時間、協議、首部校驗和、源ip地址、目的ip地址、選項、填充（可選）、數據。其中ip數據報封裝長度為64kb，數據量不足則填充全0字節，所有控制命令與數據參數定義為一個抽象的struct（結構體）數據類型對象。上位機遵循socket通信流程，啟動進程初始化之后即開始listen（）（監聽）自定義端口3188，收到終端的connect（）之后accept（）并最終實現3次握手過程為該終端建立一個可靠的連接，然后繼續監聽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芯片經由電力線傳送過來的數據。

　　5 結束語

　　載波通信是電力系統在高壓電力網上的傳統通信手段，但其在低壓電力線上的缺點一直沒有得到很好的解決。擴頻通信為低壓電力線載波通信提供了一個有效的解決方式，相信在不久的將來，低壓電力線載波通信能在配電自動化系統中得到更深入的應用，并更高效的發揮出電力系統的優勢。

　　作者簡介

　　徐 斌（1981-） 男 碩士研究生 主要研究方向:通信網絡技術、電力線通信和計算機網絡通信與安全等。
　　殷小貢（1945-） 男 教授 博士生導師 主要研究方向:信號處理、通信網絡技術和電力線通信等。

　　參考文獻

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　　【2】 殷小貢,楊玲君,萬波. 電力線ofdm處理器int51x1及其開發. 繼電器,2004年32（17）
　　【3】 w90n740 reference manual. winbond electronics corp. 2003
　　【4】 陳堂,趙祖康等. 配電系統及其自動化技術. 北京:中國電力出版社,2003．
　　【5】 e.lakerrvi,e.j.holmes. 范明天等譯. 配電網絡規劃與設計. 北京:中國電力出版社,2000．
　　【6】 int51x1 integrated powerline mac/phy transceiver with usb and ethintegrated bridges．intellon corp．2003