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(tài)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(tǒng)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(shù)據(jù)、圖像、語音等多媒體業(yè)務信號，用于低壓民用電力線（110v～220v單相交流電）進行數(shù)據(jù)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(tǒng)建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸平臺。對該技術的研究和開發(fā)將有助于充分發(fā)揮電力系統(tǒng)資源的巨大優(yōu)勢。 2 ofdm技術簡介 2.1 ofdm技術的歷史和現(xiàn)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(tǒng)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(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確的數(shù)學模型來描述，電力線信道在時域上不恒定，不可控。隨著數(shù)字通信、dsp、internet等技術的發(fā)展，采用抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落的ofdm（多載波正交頻分復用）技術逐漸克服電力線上傳輸特性的一些缺點, 實現(xiàn)了在電力線上進行高速數(shù)據(jù)通信。chang.r.w在1966年就首先提出了ofdm的概念模型，不過解決ofdm技術工程實現(xiàn)問題的卻是weinstein和ebert，他們在1971年提出了利用動態(tài)傅立葉變換（dft）和逆傅立葉變換（ifft）實現(xiàn)基帶信號的調制解調的思想，使得ofdm的技術實現(xiàn)難度為之大幅度降低。目前ofdm技術已經在移動通信、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(shù)據(jù)流為并行處理，即將串行數(shù)據(jù)轉換為若干個并行數(shù)據(jù)分配給同樣數(shù)目的不同的正交子載波以達到并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康模行У囊种屏舜a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(tǒng)的頻分復用（fdma）系統(tǒng)中2個相鄰子載波的頻率相差系統(tǒng)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(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）正交頻分復用技術，84個子載波，選擇采用robo/dbpsk/dqpsk調制方法，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: [align=center] 圖1 int51x1內部結構圖[/align] powerpacket mac模塊主要完成鏈路層功能，是int51x1的核心部分。本模塊包括一個精簡指令集（risc）的處理器內核，一個含有ofdm數(shù)據(jù)處理、加密/解密算法、信道優(yōu)化算法的程序存儲器（rom），還有一個鏈接序列、數(shù)據(jù)存儲器（ram）已經兩個直接數(shù)據(jù)傳送通道（dma）。從用戶發(fā)往電力線網絡或從物理層來的所有數(shù)據(jù)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(xié)議訪問公共的電力線信道，輔以自動重傳請求arq和電力數(shù)據(jù)包的優(yōu)先權機制確保傳輸?shù)目煽啃?。由于電力?shù)據(jù)包優(yōu)先等級的靈活設定，使得int51x1具有較強的突發(fā)業(yè)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(yōu)的信號穩(wěn)定性。由于采用自由競爭的介質訪問方式，任一單節(jié)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(yōu)良的服務品質。 powerpacket phy模塊實現(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(shù)據(jù)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(tài)監(jiān)視的led接口。mii是一種標準的工業(yè)接口，其發(fā)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(xié)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(tài)寄存器，從而完成對int51x1的設定和監(jiān)視int51x1的實時運行狀態(tài)。int51x1的控制/狀態(tài)寄存器均為16位的寄存器。狀態(tài)寄存器實時反映鏈路狀態(tài)、傳輸速率、前導碼判決、自動協(xié)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(shù)據(jù)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?shù)目煽堪踩浴? 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(shù)據(jù)線26條，主要是adc輸入、dac輸出、運放的agc控制等;有l(wèi)ed（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(tài)決定。 3.3 微處理器w90n740的簡介 w90n740是臺灣winbond公司開發(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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)成本比目前同類產品要低。加上arm公司開發(fā)環(huán)境支持匯編語言、ｃ和ｃ++，其軟件開發(fā)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(tǒng)設計 4.1 系統(tǒng)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。 [align=center] 圖2 通信終端硬件電路設計圖[/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(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(xié)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(shù)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(shù)據(jù)，w90n740則以arm7編寫程序固化到外加的flash外部存儲器，實現(xiàn)從rs-232口接收ftu/ttu數(shù)據(jù)打包經mac發(fā)給int51x1;經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配電自動化系統(tǒng)軟件的設計開發(fā) 配電自動化（da）主站是配電自動化系統(tǒng)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(tǒng)，以scada和gis（地理信息系統(tǒng)）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(tǒng)）的功能。圖3是本系統(tǒng)的功能模塊簡要圖示。 [align=center] 圖3 系統(tǒng)功能模塊框圖[/align] 每個參數(shù)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(fā)，能運行于windows2000 professional、windows2000 server、windows nt和windows xp professional等各種流行的windows平臺。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流服務，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，網絡中傳輸?shù)膇p數(shù)據(jù)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(xié)議、首部校驗和、源ip地址、目的ip地址、選項、填充（可選）、數(shù)據(jù)。其中ip數(shù)據(jù)報封裝長度為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)定義為一個抽象的struct（結構體）數(shù)據(jù)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(jiān)聽）自定義端口3188，收到終端的connect（）之后accept（）并最終實現(xiàn)3次握手過程為該終端建立一個可靠的連接，然后繼續(xù)監(jiān)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(shù)據(jù)。 5 結束語 載波通信是電力系統(tǒng)在高壓電力網上的傳統(tǒng)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(tǒng)中得到更深入的應用，并更高效的發(fā)揮出電力系統(tǒng)的優(yōu)勢。 參考文獻 【1】孫德勝,郭志忠. 配電自動化系統(tǒng)綜述. 繼電器，1999,27（3） 【2】 殷小貢,楊玲君,萬波. 電力線ofdm處理器int51x1及其開發(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(guī)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 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。