加油加气站电力线载波通信组网的设计

摘 要

摘要：利用电力线载波通信技术对加油加气站组网，可以解决现有加油加气站有线通信系统成本高和施工困难的问题。论述了加油加气站通信系统的组成、载波通信模块的硬件组成、软件
摘要：利用电力线载波通信技术对加油加气站组网，可以解决现有加油加气站有线通信系统成本高和施工困难的问题。论述了加油加气站通信系统的组成、载波通信模块的硬件组成、软件设计。
关键词：加油站；加气站；载波通信；电力线
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、加气站智能网络管理系统的需求越来越高，智能网络管理系统既可以进行收费管理，又可以实现与加油、加气机的联动控制。加油、加气站的通信系统和通信接口基本相同，为叙述方便以下只说加油机和加油站。现在智能加油站系统的主站计算机和加油机之间的通信以有线连接为主，存在施工量大、综合成本高、维护费用高、旧站改造施工难度大等问题。针对这些问题，笔者设计了一款载波通信模块，它利用电力线的输电电缆作为通信介质，在现有加油站系统的基础上，增加少数几个载波通信模块，就可以实现主站计算机和加油机的通信，完成系统组网。
1 系统组成及硬件组成
1.1 系统组成
加油站的通信系统见图1。
 

    从图1中可以看出，只要在现有加油站的主站计算机处增加一个主模块，每台加油机处增加一个从模块就可以完成通信的组网。主模块接收主站计算机的数据，然后把数据发送到电力线上。从模块接收到数据后再转发给加油机。加油机收到数据后根据数据内容完成相应动作然后再把返回数据发给从模块，从模块再把此数据发回到电力线上。主模块接收到返回数据再发给主站计算机，完成一次通信过程。主模块和从模块(以下合称载波通信模块)是这个系统中的关键设备，以下介绍载波通信模块的实现。
1.2 载波通信模块的硬件组成
   载波通信模块的硬件组成见图2。整个模块的核心就是微控制器(Micro Control Unit，MCU)ATmega64L，它是美国爱特梅尔公司生产的AVR单片机。它芯片内有64kb的程序储存器(以下简称FlashROM)，4kb的静态随机储存器(以下称SRAM)，2kb的电可擦除可编程只读储存器(以下简称EEPROM)，两个通用异步收发器(以下称USART)，内部还集成了看门狗。这些特点使这个MCU非常适合用在这个系统中。MCU的一个USART设计成232接口或485接口。另一个USART直接和PLC138-Ⅲ或PLC136M的串口相连。MCU芯片内的EEPROM可以储存一些掉电非易失数据[1]。
 

   图2中的232接口或485接口是与加油机或与主站计算机相连的接口。现有的加油机的通信接口基本都是232接口或485接口。而主站计算机一般都有232接口。即使主站计算机没有232接口，把计算机的USB接口转成232接口非常容易。232接口和485接口的转换也非常容易。
   图2中的PLC138-Ⅲ和PLC136M是专门为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信芯片。通信的中心频率为270kHz。它采用直接序列扩频通信方式，63位伪随机编码发送和接收。具有较高的通信可靠性、优秀的帧中继转发策略、完善的网络数据通信协议集等特点，并且具有低成本、低功耗、外围器件少、抗干扰性强、误码率低、保密性强、功率谱密度低等优点，从而提高了整个系统的可靠性。PLC138-Ⅲ用在主模块上，PLC136M用在从模块上。两种芯片的外围管脚和电路完全相同，因此无论是主模块还是从模块，它们的硬件电路和板图完全相同，只需要在装配时给不同的模块分别装上不同的芯片即可。
   图2中耦合单元电路见图3。这个电路实际上是通过一个电感为500μH、匝数比为1:1的高频耦合变压器完成数据从载波通信芯片到电力线或电力线到载波通信芯片之间的传递。同时它还保证了电力线和通信电路之间强电和弱电的电气隔离。在耦合变压器前分别用三组带通滤波器直接连接到电力线的A、B、C三相上。耦合变压器的另一个输出端直接和电力线的零线连接。滤波器的电感为33μH，电容为0.01μF。电感和电容串联在270kHz的电路时构成串联谐振。对载波信号来说，它的阻抗几乎为0，但对于工频的信号阻抗很大。因此，这个电路能强烈抑制工频信号的干扰，但能让载波信号顺利通过。
 

    从图2可以看出，当MCU向电力线上发数据时，ATmega64L先把数据发给载波通信芯片，数据经载波通信芯片扩频调制后再经过功率放大，最后由耦合单元发送到电力线上。从电力线上接收数据时，耦合单元把扩频信号先从电力线上耦合进来，再经过衰减滤波，最后由载波通信芯片接收。载波通信芯片把扩频信号解调后，还原出最初数据再送给ATmega64L。与计算机或加油机通信则直接通过232接口或485接口完成。
2 载波通信模块的软件设计
    载波通信模块的软件根据主模块和从模块的不同而不同。主模块的主要功能是储存上位机下载的加油机档案、搜索和储存路由信息、转发数据帧。从模块的主要功能是响应主站命令去控制加油机动作和转发数据帧。在图1中，可以看到无论是主模块还是从模块都要作一个协议转换。这是因为载波通信芯片是以电力公司的《多功能电能表通信规约》DL/T 645—1997协议进行通信的。这和现有加油站的通信协议不同(现有加油机的通信协议都是厂家自己制定的)。所以MCU要把主站计算机发来的数据按645协议的框架放到数据帧的数据域里才可以发给从模块。
2.1 主模块的日常任务
    主站计算机通过232接口或485接口发送数据给主模块。接收数据由主模块MCU的中断程序完成。这时主模块的MCU要判断收到的数据帧是一个要控制加油机的命令帧还是要给自己装载从模块档案的命令帧(档案实际就是一个从模块的地址，从模块根据这个地址来识别主站发来的命令是否是发给自己的命令。主模块的路由搜索任务也是根据这个地址去搜寻具有相同地址的从模块)。如果是要控制加油机的命令帧，则要把这个命令经过协议翻译后发给载波通信芯片。载波通信芯片再把这个命令发到电力线上。如果是一个要装载从模块档案的命令帧，则把档案储存在MCU的EEPROM内。这个档案不需要下发到从模块内(从模块的地址在系统安装完成后就已经被设置好了)。
2.2 主模块的路由搜索任务
    电力线是为传输大能量的工频电能而设计的。对于传输高频小能量的载波通信信号，存在线路衰减大、阻抗不匹配、负载变化大等问题，由此而导致传输距离有限并且通信不稳定等问题。因此，载波通信中所有从模块都有中继功能，来弥补上述问题。这就要求主模块必须具有自动学习、选择中继路由的能力，并把路由结果的信息储存在掉电非易失储存器里。
    路由算法见图4。主模块开始工作后，只要没有主站命令就开始根据自己储存的从模块的档案逐个去搜索下面的加油机(即发一帧带有目的地址的数据帧，以下简称握手帧)。从模块收到握手帧后，把握手帧中的地址和自己的地址比较，地址相同则返回一个握手应答帧，完成一次握手。例如图4中主模块和1号机、2号机、n号机等握手。对于直接通信不到的从模块，如图4中的n+1号机等，则通过1号机、2号机、n号机等能直接通信到的从模块发中继帧和它们握手。主模块的MCU会把这个路由搜索结果生成一个链表暂时存在SRAM内，然后继续学习。每1h把这个链表储存到EEPROM一次。这是因为ATmega64L内的EEPROM只有10×104次的擦写次数，如果每次都写到EEPROM里，那么用不了多长时间EEPROM就会被写坏。电力线的通信状况虽然有变化，但也不是时时刻刻都在变。所以，也没必要时时刻刻都放到EEPROM。通过这样设计，EEPROM的寿命可延长至10年以上。为提高通信可靠性，一般会给从模块多保存几条路由路径，以备冗余[2]。
 

2.3 从模块的软件设计
    从模块一直处于监听电力线上信号的状态。当主模块发送数据信号到电力线上时，从模块的载波通信芯片PLC136M完整收完一帧数据后，发给从模块的MCU。从模块MCU由中断程序完成数据接收。然后把收到数据中的地址和自己的地址进行比较。地址不相同则继续处于监听信号的状态，如果地址相同再判断是握手帧还是要控制加油机的命令帧。如果是路由握手帧，则再返回一个握手应答帧，如果是控制加油机的命令帧，则经过协议翻译下发给加油机。加油机根据命令完成相应动作后会给主站一个完成应答帧。MCU再把这个应答帧经过协议转换后发给PLC136M，PLC136M再发到电力线上。中继转发帧由载波通信芯片PLC136M自己完成。PLC136M内部集成了中继帧转发的功能，所以中继转发帧不会发给从模块的MCU。
3 结语
    通信模块采用先进的电力载波通信方式，通信可靠，无需布线。可以在现有加油机的基础上，增加一个主模块和若干个从模块，就可以完成加油站在站内的组网。可以充分利用现有资源，易施工，综合成本低，不受环境条件限制，可以节省材料成本和施工成本，而且通信可靠。这个系统既可以用于加油站的站内组网，也可以用于加气站的站内组网。
参考文献：
[1] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[2] 樊建学，盛新富.低压电力线载波集中抄表系统的研究[J].继电器，2005，(17)：49-51.
 
(本文作者：刘广智1 邵飞2 董佩1 1.陕西省燃气设计院 陕西西安 710043；2.西安晨泰科大科技开发有限公司 陕西西安 710016)