低壓電力線是為傳輸50Hz 的工頻電能而鋪設的，是一種分布非常廣泛的線路資源，長久以來，人們一直試圖通過它傳輸數據和語音信號。隨著近幾年信號調制技術的進步、嵌入式軟硬件技術的發展和新型集成電路的不斷出現使得電力線通信(PLC)逐步從實驗室走向實用，成為具有良好發展前景的通信技術之一。本文給出了基于PLC 技術的遠程單相復費率電表(簡稱基于PLC技術的遠程電表)的設計與實現。
2 硬件總體設計
如圖1所示，基于PLC 技術的遠程電表硬件部分包含MCF5271 主控板、電量采集板和PLC調制解調器，三部分電路板相對獨立，并沒有設計在一塊電路板中電量采集板負責采集電量，MCF5271 主控板通過SPI、I2C 等接口與電量采集板進行數據傳輸，同時通過符合IEEE802.3 規范的MII 接口與PLC 調制解調器進行以太幀數據傳輸，PLC 調制解調器負責以太幀和電力線通信數據之間的轉換。
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圖1 基于PLC 技術的遠程電表模塊圖
3 MCF5271主控板設計
MCF5271主控板的設計參考了Freescale公司的MCF5271評估開發板的設計原理MCF5271評估開發板使用的ColdFire微處理器為196引腳的BGA封裝，焊接比較困難，而且160引腳QFP封裝的芯片與之功能相似，同樣可以滿足本設計需要的功能同時易于焊接，故使用QFP160封裝的芯片做主控板。主控板與PLC調制解調器接口的主要部分為MII接口，所以略去了主控板與PLC調制解調器接口的介紹，而代以介紹MCF5271微處理器與INT5500之間的通過MII接口的連接。
1、MCF5271主控板板的存儲器擴展
MCF5271具有外部總線接口，數據總線寬度為32位D[31∶0]，尋址范圍可以達到32位，與外界存儲器相連的地址總線寬度為24 位A。MCF5271主控板中擴展了一片1M×16位的Flash存儲芯片AM29LV 160DB，地址總線為20位，連接MCF5271的地址總線A[20∶1]，數據總線為16位，連接D[31∶16]。兩片8M字節的SDRAM芯片HY57V641620HG，每片SDR.AM的地址總線寬度為12位，數據總線寬度為16位，兩片芯片使用共同的地址總線A[21∶15]和控制信號，數據總線分別連接MCF5271的D[15∶0]和D[16∶31]。
2、MCF5271與INT5500的連接
INT5500工作在PHY模式下的時候類似于以太網物理層芯片，可以與帶有MII接口的MCU相連。圖2所示為MCF5271與INT5500連接方式。由于此時INT5500工作在PHY模式下，所以MII接口的信號方向與Host/DTE模式下的方向相反。
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圖2 MCF5271與INT5500連接圖
MCF5271芯片MII接口的信號線可以分為三組：用作數據管理的信號線EMDIO和EMDC;反映介質狀態的信號線ECOL和ECRS;其余為接收/發送信號線。
EMDIO為雙向信號，在INT5500和MCF5271之間傳輸控制信息和狀態信息?？刂菩畔⒂蒑CF5271發給INT5500，狀態信息由INT5500反饋給MCF5271。EMDC為輸出信號，作為EMDIO數據傳輸的參考時鐘。
ECOL為輸入信號，該信號有效時，表示檢測到傳輸介質上有沖突。ECRS為輸入信號，該信號有效時，表示檢測到傳輸介質忙;否則表示傳輸通道處于空閑狀態，可以進行傳輸。
ERXD[0-3]用來接收INT5500發送的4位數據;ERXDV用來表示從INT5500接收到的數據是否有效，高電平為有效;ERXCLK為INT5500提供給MCF5271的數據接收時鐘信號，其工作頻率為數據接收速度的25%;ERXER為輸入信號，該信號有效時表示檢測到當前在INT5500上傳輸的幀出錯。
ETXD[0-3]用來向INT5500發送4位數據;ETXEN為輸出信號，該信號有效時表示MII總線上有數據，可以啟動發送操作。ETXCLK為輸出信號，作為數據發送的參考時鐘信號。
4 電量采集板
電量采集板電路包括電量采集電路、ADE7756與主控芯片的通信接口、實時時鐘芯片PCF8563的工作電路與對外通信接口。
1、電量采集電路
圖3所示為電量采集電路，其中CT為電流互感器，電量采集芯片為ADE7756。電路中電壓和電流輸入通道均采用差分信號輸入。普通電力線中的電流經過電流互感器CT后接到實際負載上，電流互感器將電流轉換成電壓信號，再經過R1與C4、R10與C6組成的濾波電路濾波后進入ADE7756的差分信號輸入引腳V1P和V1N。電力線的220V電壓信號經過R7、R6和R8分壓及R8與C8組成的濾波電路濾波后轉換為250mV的電壓信號，作為AED7756的V2P的輸入。
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圖3 電量采集模塊
2、ADE7756與MCF5271主控板的接口模塊
ADE7756與MCF5271主控板的接口部分包括用于通信的SPI接口和ADE7756的反饋信號。如圖4所示，圖中使用兩片7404芯片對輸入輸出信號進行電壓轉換。7404芯片內部含有6路緩沖器，本設計中使用了每片芯片中的4路緩沖器，7404芯片為漏極開路輸出，所以從主控芯片方輸入的5V/3.3V信號經過7404后都可以轉換為5V信號。向主控芯片方輸出的信號可以轉換為3.3V信號。
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圖4 ADE7756與MCU的接口部分
圖中的IN_DIN、IN_SCLK、IN_CS 和OUT_DOUT引腳為SPI接口的引腳;IN_RESET為從主控芯片方輸入的復位控制信號;OUT_IRQ為ADE7756的中斷請求輸出信號;OUT_ZX為通道2的電壓波形過零輸出引腳，用于對電力線進行過零檢測;OUT_SAG為電力線電壓過低和5V工作電壓過低檢測輸出信號。
3、實時時鐘模塊
圖5為實時時鐘模塊，PCFB_563通過紐扣電池供電，MCF5271主控板通過I2C接口與PCF8563進行通信，SCL為主控芯片發送的時鐘信號，SDA為數據雙向數據通信引腳。主控芯片可以設置PCF8563當前時間和讀取PCF8563當前時間。
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圖5 實時時鐘模塊
5 系統軟件設計
基于PLC技術的遠程電表的軟件可以劃分為兩個部分：主控芯片方程序以及與后端軟件的接口，兩者相互獨立。主控芯片方軟件主要完成以下功能：
(1)定時電量采集：與ADE7756通信，通過SPI接口讀取電量數據;
(2)電量數據存儲：讀取實時時鐘獲得當前時間，判斷當前時段，將讀取到的電量數據按照時段進行相應存儲;
(3)數據通信和加密解密：接收和解析后端軟件發送的命令數據包、構造和發送應答數據包;并完成命令數據的解密和應答數據的加密;
(4)命令響應：對后端軟件發送的命令做出響應;
(5)掉電處理：檢測到電壓過低和掉電情況后及時進行重要數據存儲。
后端軟件接口主要包含通信協議的設計，如果將接口設計的比較合理，則對于后端軟件的開發人員來說相當方便。
根據以上功能分析，軟件共劃分為5個模塊：電量采集和存儲模塊、數據加密解密模塊、嵌入式以太網模塊、掉電處理模塊和命令響應模塊。
電量采集和存儲模塊完成定時電量采集和電量數據存儲功能;
數據加密解密模塊用來對后端軟件的命令解密和本地應答數據的加密;
嵌入式以太網模塊完成數據通信功能，該模塊包含與PLC 調制解調器的通信的底層驅動程序，同時包含網絡協議，負責網絡數據的解包打包功能;
掉電處理模塊完成檢測到電力線電壓低于閾值時對重要數據的存儲;
命令響應模塊對后端軟件的命令進行響應。
