隨著我國工業化的發展，居民用電不斷增長，用戶電表數目也隨之以數倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農村，居民居住相對分散，有時抄表員需要費好幾天才能抄完一個村莊的電表，而且還有可能出現漏抄；在城市，居民居住聚集，面對高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費時費力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準確、可靠地抄表，已經成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設計將低壓電力線載波通信技術和擴頻通信技術相結合，設計出具有遠程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴頻通信技術

我國在高壓電力線上的通信技術世界領先，技術已經非常成熟。然而在低壓（220V）電力線上載波通信仍然存在許多技術難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發人員最為關心的問題。在電力線上的通信技術一般有基于鎖相環路的窄帶傳輸技術、基于相關器的擴頻技術、過零傳輸技術等幾種。目前擴頻技術的應用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術。其芯片內集成的載波通信單元采用QPSK（四相相移鍵控）調制方式；可變偽隨機碼速率（帶寬）的多地址通信技術，其載波中心頻率為120kHz,偽隨機碼速率可達到15Kb/s和30Kb/s.

由于它采用了QPSK調制技術，在帶寬不變的情況下，數據傳輸速率是BPSK調制方式的一倍。根據偽隨機碼的速率不同，數據速率可達到1Kb/s和500b/s.同時采用了63位Gold/Kasami序列，從而實現了碼分多址，其地址數目最多可達41個，其中33個Gold序列，8個Kasami序列，將使臺區之間的干擾減小到最小；同時PL3201向下兼容PL3105的通信方式（BPSK 二相相移鍵控），及其15/31位偽隨機碼模式，此外PL3201的載波調制輸出信號可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式。

擴頻技術是一種信息傳輸方式，在發送端（簡稱發端）采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳輸信息所需的寬度；在接收端（簡稱收端）采用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴以恢復所傳信息的數據。

根據C.E.Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關系式，即香農公式：

式中：C為信道容量，指單位時間內信道中無差錯傳輸的最大信息量，其單位為b/s;B 為信號頻帶寬度，單位為Hz;S為信號功率，單位為W;N 為噪聲功率，單位為W;S/N 為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比。由公式可以看出在信道容量C 不變的情況下，帶寬B 與信噪比S/N 成反比例關系，即只要增加帶寬B 就可以有效抑制信噪比S/N.擴頻通信正是基于這種理論使通信具有很強的抗干擾能力。

2.1 基本框圖及電路原理

智能電表是無線抄表系統的遠程終端，其包含核心單片機PL3201、電源、電量測量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時鐘電路和最新國標32段LCD顯示等8個模塊，結構如圖1所示。

圖1 單相智能電表的系統框圖

圖1中電量測量模塊進行電壓、電流采樣，輸出與功率成正比的脈沖。PL3201通過接收和累加來自測量模塊的脈沖數，計算出用戶用電量并存儲到相應的存儲模塊E2PROM 中。同時根據智能電表要求的循顯功能顯示當前電表用電量和各個狀態量。用戶的各種數據由PL3201以固定幀的格式通過電力載波模塊將信號放大后經公網電力線發送到集中器。集中器根據傳回的數據由監控中心分析并做相應決策，如紅燈報警、繼電器的拉合閘等控制命令，以實現對用戶的遠程監控管理。智能電表的測量和載波通信部分的原理圖如圖2所示。

圖2 智能電表載波與測量部分原理圖

2.2 智能電表測量原理

圖2中ADE7755具有雙通道采樣電路：通道1由錳銅分流器J4的全差分采樣電路獲取用戶的電流參數，其差分電壓最大輸入時為±470mV;通道2由電壓采樣電路獲取，其最大全差分輸入時為±500mV的電壓參量。所采得數據經過內部信息處理如圖3所示。

圖3中芯片的引腳5,6是采樣電流輸入通道，引腳7,8是采樣電壓輸入通道。這兩個通道的信號輸入均為模擬信號，該信號由16位二階Σ-Δ型A/D轉換器分別進行A/D轉換成數字信號。電流通道的數字信號通過高通濾波器消除直流成分，再和轉換后的電壓通道的數字信號相乘，得到瞬時功率P（t）。P（t）經過一個低通濾波器最終獲得有功功率P.P 經過數字頻率轉換器D/F轉換后，由引腳22輸出與有功功率成正比的頻率信號。整個過程只有在A/D轉換輸入和基準電壓輸入是模擬信號外，其他信息處理均在數字領域完成使得測量具有很強的抗干擾能力。在惡劣環境下仍能實現高精度和長期穩定的電能測量。設獲取的采樣電壓和電流信號是正弦信號，則瞬時電壓和電流分別為v（t）=Vcos（ωt+θv），i（t）=Icos（ωt+θi），令θ=θv-θi,θ是電壓和電流之間的相位差。由此可以得出瞬時功率P（t）和有功功率P。

式中：V 是電壓峰值；I為電流峰值；T為電壓、電流基波周期；n是基波周期數，有功功率等于瞬時功率在基波周期內的平均值。

圖3 ADE7755內部測量原理

當獲取的采樣電壓和電流是非正弦信號時，可用傅里葉變換將瞬時電壓v（t）和瞬時電流i（t）分別表示為它們諧波成分之和：