加油加氣站電力線載波通信組網(wǎng)的設計

摘 要

摘要：利用電力線載波通信技術(shù)對加油加氣站組網(wǎng)，可以解決現(xiàn)有加油加氣站有線通信系統(tǒng)成本高和施工困難的問題。論述了加油加氣站通信系統(tǒng)的組成、載波通信模塊的硬件組成、軟件
摘要：利用電力線載波通信技術(shù)對加油加氣站組網(wǎng)，可以解決現(xiàn)有加油加氣站有線通信系統(tǒng)成本高和施工困難的問題。論述了加油加氣站通信系統(tǒng)的組成、載波通信模塊的硬件組成、軟件設計。
關(guān)鍵詞：加油站；加氣站；載波通信；電力線
Design of Power Line Carrier Communication Network in Gasoline/Gas Filling Station
LIU Guang-zhi，SHA0 Fei，DONG Pei
Abstract：Using the power line carrier communication technology for networking the gasoline/gas filling station can solve the problems of high cost and difficult construction of wire communication system in the existing gasoline/gas filling station. The composition of communication system in gasoline/gas filling station，the hardware composition and software design of carrier communication module are described.
Key words：gasoline filling station；gas filling station；carrier communication；power line
    目前加油、加氣站智能網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的需求越來越高，智能網(wǎng)絡管理系統(tǒng)既可以進行收費管理，又可以實現(xiàn)與加油、加氣機的聯(lián)動控制。加油、加氣站的通信系統(tǒng)和通信接口基本相同，為敘述方便以下只說加油機和加油站。現(xiàn)在智能加油站系統(tǒng)的主站計算機和加油機之間的通信以有線連接為主，存在施工量大、綜合成本高、維護費用高、舊站改造施工難度大等問題。針對這些問題，筆者設計了一款載波通信模塊，它利用電力線的輸電電纜作為通信介質(zhì)，在現(xiàn)有加油站系統(tǒng)的基礎上，增加少數(shù)幾個載波通信模塊，就可以實現(xiàn)主站計算機和加油機的通信，完成系統(tǒng)組網(wǎng)。
1 系統(tǒng)組成及硬件組成
1.1 系統(tǒng)組成
加油站的通信系統(tǒng)見圖1。
 

    從圖1中可以看出，只要在現(xiàn)有加油站的主站計算機處增加一個主模塊，每臺加油機處增加一個從模塊就可以完成通信的組網(wǎng)。主模塊接收主站計算機的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到電力線上。從模塊接收到數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)發(fā)給加油機。加油機收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容完成相應動作然后再把返回數(shù)據(jù)發(fā)給從模塊，從模塊再把此數(shù)據(jù)發(fā)回到電力線上。主模塊接收到返回數(shù)據(jù)再發(fā)給主站計算機，完成一次通信過程。主模塊和從模塊(以下合稱載波通信模塊)是這個系統(tǒng)中的關(guān)鍵設備，以下介紹載波通信模塊的實現(xiàn)。
1.2 載波通信模塊的硬件組成
   載波通信模塊的硬件組成見圖2。整個模塊的核心就是微控制器(Micro Control Unit，MCU)ATmega64L，它是美國愛特梅爾公司生產(chǎn)的AVR單片機。它芯片內(nèi)有64kb的程序儲存器(以下簡稱FlashROM)，4kb的靜態(tài)隨機儲存器(以下稱SRAM)，2kb的電可擦除可編程只讀儲存器(以下簡稱EEPROM)，兩個通用異步收發(fā)器(以下稱USART)，內(nèi)部還集成了看門狗。這些特點使這個MCU非常適合用在這個系統(tǒng)中。MCU的一個USART設計成232接口或485接口。另一個USART直接和PLC138-Ⅲ或PLC136M的串口相連。MCU芯片內(nèi)的EEPROM可以儲存一些掉電非易失數(shù)據(jù)[1]。
 

   圖2中的232接口或485接口是與加油機或與主站計算機相連的接口?，F(xiàn)有的加油機的通信接口基本都是232接口或485接口。而主站計算機一般都有232接口。即使主站計算機沒有232接口，把計算機的USB接口轉(zhuǎn)成232接口非常容易。232接口和485接口的轉(zhuǎn)換也非常容易。
   圖2中的PLC138-Ⅲ和PLC136M是專門為電力線介質(zhì)作為通信信道而設計的擴頻通信芯片。通信的中心頻率為270kHz。它采用直接序列擴頻通信方式，63位偽隨機編碼發(fā)送和接收。具有較高的通信可靠性、優(yōu)秀的幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略、完善的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信協(xié)議集等特點，并且具有低成本、低功耗、外圍器件少、抗干擾性強、誤碼率低、保密性強、功率譜密度低等優(yōu)點，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。PLC138-Ⅲ用在主模塊上，PLC136M用在從模塊上。兩種芯片的外圍管腳和電路完全相同，因此無論是主模塊還是從模塊，它們的硬件電路和板圖完全相同，只需要在裝配時給不同的模塊分別裝上不同的芯片即可。
   圖2中耦合單元電路見圖3。這個電路實際上是通過一個電感為500μH、匝數(shù)比為1:1的高頻耦合變壓器完成數(shù)據(jù)從載波通信芯片到電力線或電力線到載波通信芯片之間的傳遞。同時它還保證了電力線和通信電路之間強電和弱電的電氣隔離。在耦合變壓器前分別用三組帶通濾波器直接連接到電力線的A、B、C三相上。耦合變壓器的另一個輸出端直接和電力線的零線連接。濾波器的電感為33μH，電容為0.01μF。電感和電容串聯(lián)在270kHz的電路時構(gòu)成串聯(lián)諧振。對載波信號來說，它的阻抗幾乎為0，但對于工頻的信號阻抗很大。因此，這個電路能強烈抑制工頻信號的干擾，但能讓載波信號順利通過。
 

    從圖2可以看出，當MCU向電力線上發(fā)數(shù)據(jù)時，ATmega64L先把數(shù)據(jù)發(fā)給載波通信芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)載波通信芯片擴頻調(diào)制后再經(jīng)過功率放大，最后由耦合單元發(fā)送到電力線上。從電力線上接收數(shù)據(jù)時，耦合單元把擴頻信號先從電力線上耦合進來，再經(jīng)過衰減濾波，最后由載波通信芯片接收。載波通信芯片把擴頻信號解調(diào)后，還原出最初數(shù)據(jù)再送給ATmega64L。與計算機或加油機通信則直接通過232接口或485接口完成。
2 載波通信模塊的軟件設計
    載波通信模塊的軟件根據(jù)主模塊和從模塊的不同而不同。主模塊的主要功能是儲存上位機下載的加油機檔案、搜索和儲存路由信息、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。從模塊的主要功能是響應主站命令去控制加油機動作和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。在圖1中，可以看到無論是主模塊還是從模塊都要作一個協(xié)議轉(zhuǎn)換。這是因為載波通信芯片是以電力公司的《多功能電能表通信規(guī)約》DL/T 645—1997協(xié)議進行通信的。這和現(xiàn)有加油站的通信協(xié)議不同(現(xiàn)有加油機的通信協(xié)議都是廠家自己制定的)。所以MCU要把主站計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)按645協(xié)議的框架放到數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域里才可以發(fā)給從模塊。
2.1 主模塊的日常任務
    主站計算機通過232接口或485接口發(fā)送數(shù)據(jù)給主模塊。接收數(shù)據(jù)由主模塊MCU的中斷程序完成。這時主模塊的MCU要判斷收到的數(shù)據(jù)幀是一個要控制加油機的命令幀還是要給自己裝載從模塊檔案的命令幀(檔案實際就是一個從模塊的地址，從模塊根據(jù)這個地址來識別主站發(fā)來的命令是否是發(fā)給自己的命令。主模塊的路由搜索任務也是根據(jù)這個地址去搜尋具有相同地址的從模塊)。如果是要控制加油機的命令幀，則要把這個命令經(jīng)過協(xié)議翻譯后發(fā)給載波通信芯片。載波通信芯片再把這個命令發(fā)到電力線上。如果是一個要裝載從模塊檔案的命令幀，則把檔案儲存在MCU的EEPROM內(nèi)。這個檔案不需要下發(fā)到從模塊內(nèi)(從模塊的地址在系統(tǒng)安裝完成后就已經(jīng)被設置好了)。
2.2 主模塊的路由搜索任務
    電力線是為傳輸大能量的工頻電能而設計的。對于傳輸高頻小能量的載波通信信號，存在線路衰減大、阻抗不匹配、負載變化大等問題，由此而導致傳輸距離有限并且通信不穩(wěn)定等問題。因此，載波通信中所有從模塊都有中繼功能，來彌補上述問題。這就要求主模塊必須具有自動學習、選擇中繼路由的能力，并把路由結(jié)果的信息儲存在掉電非易失儲存器里。
    路由算法見圖4。主模塊開始工作后，只要沒有主站命令就開始根據(jù)自己儲存的從模塊的檔案逐個去搜索下面的加油機(即發(fā)一幀帶有目的地址的數(shù)據(jù)幀，以下簡稱握手幀)。從模塊收到握手幀后，把握手幀中的地址和自己的地址比較，地址相同則返回一個握手應答幀，完成一次握手。例如圖4中主模塊和1號機、2號機、n號機等握手。對于直接通信不到的從模塊，如圖4中的n+1號機等，則通過1號機、2號機、n號機等能直接通信到的從模塊發(fā)中繼幀和它們握手。主模塊的MCU會把這個路由搜索結(jié)果生成一個鏈表暫時存在SRAM內(nèi)，然后繼續(xù)學習。每1h把這個鏈表儲存到EEPROM一次。這是因為ATmega64L內(nèi)的EEPROM只有10×104次的擦寫次數(shù)，如果每次都寫到EEPROM里，那么用不了多長時間EEPROM就會被寫壞。電力線的通信狀況雖然有變化，但也不是時時刻刻都在變。所以，也沒必要時時刻刻都放到EEPROM。通過這樣設計，EEPROM的壽命可延長至10年以上。為提高通信可靠性，一般會給從模塊多保存幾條路由路徑，以備冗余[2]。
 

2.3 從模塊的軟件設計
    從模塊一直處于監(jiān)聽電力線上信號的狀態(tài)。當主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)信號到電力線上時，從模塊的載波通信芯片PLC136M完整收完一幀數(shù)據(jù)后，發(fā)給從模塊的MCU。從模塊MCU由中斷程序完成數(shù)據(jù)接收。然后把收到數(shù)據(jù)中的地址和自己的地址進行比較。地址不相同則繼續(xù)處于監(jiān)聽信號的狀態(tài)，如果地址相同再判斷是握手幀還是要控制加油機的命令幀。如果是路由握手幀，則再返回一個握手應答幀，如果是控制加油機的命令幀，則經(jīng)過協(xié)議翻譯下發(fā)給加油機。加油機根據(jù)命令完成相應動作后會給主站一個完成應答幀。MCU再把這個應答幀經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)給PLC136M，PLC136M再發(fā)到電力線上。中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀由載波通信芯片PLC136M自己完成。PLC136M內(nèi)部集成了中繼幀轉(zhuǎn)發(fā)的功能，所以中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀不會發(fā)給從模塊的MCU。
3 結(jié)語
    通信模塊采用先進的電力載波通信方式，通信可靠，無需布線?？梢栽诂F(xiàn)有加油機的基礎上，增加一個主模塊和若干個從模塊，就可以完成加油站在站內(nèi)的組網(wǎng)?？梢猿浞掷矛F(xiàn)有資源，易施工，綜合成本低，不受環(huán)境條件限制，可以節(jié)省材料成本和施工成本，而且通信可靠。這個系統(tǒng)既可以用于加油站的站內(nèi)組網(wǎng)，也可以用于加氣站的站內(nèi)組網(wǎng)。
參考文獻：
[1] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[2] 樊建學，盛新富.低壓電力線載波集中抄表系統(tǒng)的研究[J].繼電器，2005，(17)：49-51.
 
(本文作者：劉廣智1 邵飛2 董佩1 1.陜西省燃氣設計院 陜西西安 710043；2.西安晨泰科大科技開發(fā)有限公司 陜西西安 710016)