加油加氣站電力線載波通信組網(wǎng)的設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：利用電力線載波通信技術(shù)對(duì)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(wèn)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(duì)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(wèn)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(shè)計(jì)。
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(luò)管理系統(tǒng)的需求越來(lái)越高，智能網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)既可以進(jìn)行收費(fèi)管理，又可以實(shí)現(xiàn)與加油、加氣機(jī)的聯(lián)動(dòng)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(shuō)加油機(jī)和加油站?，F(xiàn)在智能加油站系統(tǒng)的主站計(jì)算機(jī)和加油機(jī)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(hù)費(fèi)用高、舊站改造施工難度大等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)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(chǔ)上，增加少數(shù)幾個(gè)載波通信模塊，就可以實(shí)現(xiàn)主站計(jì)算機(jī)和加油機(jī)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(jiàn)圖1。
 

    從圖1中可以看出，只要在現(xiàn)有加油站的主站計(jì)算機(jī)處增加一個(gè)主模塊，每臺(tái)加油機(jī)處增加一個(gè)從模塊就可以完成通信的組網(wǎng)。主模塊接收主站計(jì)算機(jī)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(jī)。加油機(jī)收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容完成相應(yīng)動(dòng)作然后再把返回?cái)?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?cái)?shù)據(jù)再發(fā)給主站計(jì)算機(jī)，完成一次通信過(guò)程。主模塊和從模塊(以下合稱載波通信模塊)是這個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，以下介紹載波通信模塊的實(shí)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(jiàn)圖2。整個(gè)模塊的核心就是微控制器(Micro Control Unit，MCU)ATmega64L，它是美國(guó)愛(ài)特梅爾公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)。它芯片內(nèi)有64kb的程序儲(chǔ)存器(以下簡(jiǎn)稱FlashROM)，4kb的靜態(tài)隨機(jī)儲(chǔ)存器(以下稱SRAM)，2kb的電可擦除可編程只讀儲(chǔ)存器(以下簡(jiǎn)稱EEPROM)，兩個(gè)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(diǎn)使這個(gè)MCU非常適合用在這個(gè)系統(tǒng)中。MCU的一個(gè)USART設(shè)計(jì)成232接口或485接口。另一個(gè)USART直接和PLC138-Ⅲ或PLC136M的串口相連。MCU芯片內(nèi)的EEPROM可以儲(chǔ)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(jī)或與主站計(jì)算機(jī)相連的接口?，F(xiàn)有的加油機(jī)的通信接口基本都是232接口或485接口。而主站計(jì)算機(jī)一般都有232接口。即使主站計(jì)算機(jī)沒(méi)有232接口，把計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)的擴(kuò)頻通信芯片。通信的中心頻率為270kHz。它采用直接序列擴(kuò)頻通信方式，63位偽隨機(jī)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(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議集等特點(diǎn)，并且具有低成本、低功耗、外圍器件少、抗干擾性強(qiáng)、誤碼率低、保密性強(qiáng)、功率譜密度低等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了整個(gè)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(wú)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(shí)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(jiàn)圖3。這個(gè)電路實(shí)際上是通過(guò)一個(gè)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(shí)它還保證了電力線和通信電路之間強(qiáng)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(gè)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(shí)構(gòu)成串聯(lián)諧振。對(duì)載波信號(hào)來(lái)說(shuō)，它的阻抗幾乎為0，但對(duì)于工頻的信號(hào)阻抗很大。因此，這個(gè)電路能強(qiáng)烈抑制工頻信號(hào)的干擾，但能讓載波信號(hào)順利通過(guò)。
 

    從圖2可以看出，當(dāng)MCU向電力線上發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，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(kuò)頻調(diào)制后再經(jīng)過(guò)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(shí)，耦合單元把擴(kuò)頻信號(hào)先從電力線上耦合進(jìn)來(lái)，再經(jīng)過(guò)衰減濾波，最后由載波通信芯片接收。載波通信芯片把擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)后，還原出最初數(shù)據(jù)再送給ATmega64L。與計(jì)算機(jī)或加油機(jī)通信則直接通過(guò)232接口或485接口完成。
2 載波通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
    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(chǔ)存上位機(jī)下載的加油機(jī)檔案、搜索和儲(chǔ)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(yīng)主站命令去控制加油機(jī)動(dòng)作和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。在圖1中，可以看到無(wú)論是主模塊還是從模塊都要作一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)檩d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(jìn)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(jī)的通信協(xié)議都是廠家自己制定的)。所以MCU要把主站計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)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(wù)
    主站計(jì)算機(jī)通過(guò)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(shí)主模塊的MCU要判斷收到的數(shù)據(jù)幀是一個(gè)要控制加油機(jī)的命令幀還是要給自己裝載從模塊檔案的命令幀(檔案實(shí)際就是一個(gè)從模塊的地址，從模塊根據(jù)這個(gè)地址來(lái)識(shí)別主站發(fā)來(lái)的命令是否是發(fā)給自己的命令。主模塊的路由搜索任務(wù)也是根據(jù)這個(gè)地址去搜尋具有相同地址的從模塊)。如果是要控制加油機(jī)的命令幀，則要把這個(gè)命令經(jīng)過(guò)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(gè)命令發(fā)到電力線上。如果是一個(gè)要裝載從模塊檔案的命令幀，則把檔案儲(chǔ)存在MCU的EEPROM內(nèi)。這個(gè)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(shè)置好了)。
2.2 主模塊的路由搜索任務(wù)
    電力線是為傳輸大能量的工頻電能而設(shè)計(jì)的。對(duì)于傳輸高頻小能量的載波通信信號(hào)，存在線路衰減大、阻抗不匹配、負(fù)載變化大等問(wèn)題，由此而導(dǎo)致傳輸距離有限并且通信不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，載波通信中所有從模塊都有中繼功能，來(lái)彌補(bǔ)上述問(wèn)題。這就要求主模塊必須具有自動(dòng)學(xué)習(xí)、選擇中繼路由的能力，并把路由結(jié)果的信息儲(chǔ)存在掉電非易失儲(chǔ)存器里。
    路由算法見(jiàn)圖4。主模塊開(kāi)始工作后，只要沒(méi)有主站命令就開(kāi)始根據(jù)自己儲(chǔ)存的從模塊的檔案逐個(gè)去搜索下面的加油機(jī)(即發(fā)一幀帶有目的地址的數(shù)據(jù)幀，以下簡(jiǎn)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(gè)握手應(yīng)答幀，完成一次握手。例如圖4中主模塊和1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)、n號(hào)機(jī)等握手。對(duì)于直接通信不到的從模塊，如圖4中的n+1號(hào)機(jī)等，則通過(guò)1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)、n號(hào)機(jī)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(huì)把這個(gè)路由搜索結(jié)果生成一個(gè)鏈表暫時(shí)存在SRAM內(nèi)，然后繼續(xù)學(xué)習(xí)。每1h把這個(gè)鏈表儲(chǔ)存到EEPROM一次。這是因?yàn)锳Tmega64L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(zhǎng)時(shí)間EEPROM就會(huì)被寫壞。電力線的通信狀況雖然有變化，但也不是時(shí)時(shí)刻刻都在變。所以，也沒(méi)必要時(shí)時(shí)刻刻都放到EEPROM。通過(guò)這樣設(shè)計(jì)，EEPROM的壽命可延長(zhǎng)至10年以上。為提高通信可靠性，一般會(huì)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(shè)計(jì)
    從模塊一直處于監(jiān)聽(tīng)電力線上信號(hào)的狀態(tài)。當(dāng)主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)到電力線上時(shí)，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(jìn)行比較。地址不相同則繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)信號(hào)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(jī)的命令幀。如果是路由握手幀，則再返回一個(gè)握手應(yīng)答幀，如果是控制加油機(jī)的命令幀，則經(jīng)過(guò)協(xié)議翻譯下發(fā)給加油機(jī)。加油機(jī)根據(jù)命令完成相應(yīng)動(dòng)作后會(huì)給主站一個(gè)完成應(yīng)答幀。MCU再把這個(gè)應(yīng)答幀經(jīng)過(guò)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(huì)發(fā)給從模塊的MCU。
3 結(jié)語(yǔ)
    通信模塊采用先進(jìn)的電力載波通信方式，通信可靠，無(wú)需布線。可以在現(xiàn)有加油機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)主模塊和若干個(gè)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(gè)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(xiàn)：
[1] 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[2] 樊建學(xué)，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?xì)庠O(shè)計(jì)院 陜西西安 710043；2.西安晨泰科大科技開(kāi)發(fā)有限公司 陜西西安 710016)