多功能HPLC组网测试系统的设计与实现.pdf
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1、现代电子技术Modern Electronics TechniqueOct.2023Vol.46 No.202023年10月15日第46卷第20期0 引 言电力用户用电信息采集系统中,由于低压电力线高速载波通信(HPLC)信道的复杂特性,可能会出现用户电能表和变压器台区的隶属关系与实际不一致的情况,导致某些节点出现通信困难或电费下发困难等问题15。在研发电力线载波通信相关设备时,到外场测试需要花费大量的人力和物力,且不能灵活配置电网拓扑结构,十分不便67。为此,很有必要构建一套电力线组网测试系统,为研究人员提供统一的实验室测试环境,从而克服场外测试的诸多问题,节约项目开支和开发时间810。现有
2、技术仅能模拟理论无噪声的理想载波组网环境,无法对每个测试单元内部的噪声无法分别进行控制,不能模拟实际的组网环境11。为了保障载波组网拓扑分级,需要采用屏蔽箱屏蔽空间耦合信号来避免发生载波跨级通信,但如果被测设备的载波发射功率较大,则可能超过屏蔽箱的物理隔离能力1213。DOI:10.16652/j.issn.1004373x.2023.20.005引用格式:李铮,崔澳,耿淑琴,等.多功能HPLC组网测试系统的设计与实现J.现代电子技术,2023,46(20):2127.多功能HPLC组网测试系统的设计与实现李 铮1,崔 澳2,耿淑琴2,万培元2,徐鲲鹏1,武占侠1(1.北京智芯微电子科技有限公
3、司,北京 100192;2.北京工业大学 信息学部,北京 100124)摘 要:低压电力线高速载波通信(HPLC)相关设备和算法在研发时缺乏便捷、可靠的测试系统,为此,设计一种多功能 HPLC组网测试系统。该系统由中央控制单元、多功能测试单元和路由衰减器三种组件组成。系统工作时,由中央控制单元远程控制多功能测试单元和路由衰减器,多功能测试单元组成电力载波组网中的多种通信节点,路由衰减器控制各个节点之间的信号衰减。所设计的组网测试系统能够生成动态自适应白噪声,用于代替传统的屏蔽箱来屏蔽串扰信号;还能够对被测设备通信信号进行模拟延迟、模拟噪声和模拟衰减等处理,在实验室复现真实电力线载波组网测试环境
4、。该系统用于验证拓扑识别等算法或测试HPLC相关设备,能够为繁杂的场外实验节省大量时间、人力和资金投入。关键词:低压电力线高速载波通信;组网测试系统;中央控制单元;多功能测试单元;路由衰减器;动态自适应白噪声;信号模拟中图分类号:TN913.634;TM73 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2023)20002107Design and implementation of multifunctional HPLC networking test systemLI Zheng1,CUI Ao2,GENG Shuqin2,WAN Peiyuan2,XU Kunpeng1,WU Zhan
5、xia1(1.Beijing Zhixin Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China;2.Faculty of Information Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:In allusion to the lack of convenient and reliable test system during the development of HPLC related equipment and algor
6、ithm,a multifunctional HPLC networking testing system is designed.The system is composed of central control unit,multifunctional test unit and routing attenuator.When the system works,the central control unit can remotely control the multifunctional test unit and the route attenuator.The multifuncti
7、onal test unit is used to constitute a variety of communication nodes in the power carrier network,and the route attenuator is used to control the signal attenuation between each node.The designed networking test system can generate dynamic adaptive white noise,which can be used to shield crosstalk
8、signals instead of the traditional shielding box.It can also simulate delay,noise and attenuation of the communication signal of the tested equipment,and reproduce the real test environment of power line carrier network in the laboratory.The system can be used to verify algorithms such as topology r
9、ecognition or test HPLC related equipment,which can save a lot of time,manpower and capital investment for complicated offsite experiments.Keywords:HPLC;networking test system;central control unit;multifunctional testing unit;routing attenuator;dynamic adaptive white noise;signal simulation收稿日期:2022
10、1220 修回日期:202302022121现代电子技术2023年第46卷 本文设计一种多功能的HPLC组网测试系统,该系统能够控制每一级网络的噪声水平,并且控制各测试单元之间的信号衰减和延迟,从而提供更便利和真实的测试环境。其次,还提出一种动态自适应白噪声的设计方法,该方法能够代替传统的屏蔽箱来帮助屏蔽非相邻级设备发出的串扰信号。1 HPLC组网测试系统硬件设计1.1 系统总体架构设计本文提出的 HPLC组网测试系统由中央控制单元、多功能测试单元和路由衰减器三种组件组成。多功能测试单元和路由衰减器之间的载波测试通路通过射频连接线连接,能够屏蔽噪声信号。每两个多功能测试单元之间都会通过路由衰减
11、器进行中继连接,由路由衰减器调整衰减值来构成多种模拟拓扑结构。中央控制单元与这两种组件之间通过通信模块进行无线通信,并实现远程控制。多功能 HPLC 组网测试系统架构如图 1所示。图1 多功能HPLC组网测试系统架构1.2 中央控制单元设计中央控制单元与每一个测试单元及路由衰减器进行无线通信,控制整个组网测试系统的运行,是整个系统最重要的控制单元。其主要由PC机、与PC机相连的通信模块、高通滤波器及通信接口组成,如图2所示。图2 中央控制单元结构图PC 机能够运行控制软件和测试软件,测试软件包括组网、抄表、校时等测试项目,并兼顾测试数据的汇总功能。中央控制单元通过通信模块对外进行无线通信,该通
12、信模块作为控制网络的中央节点,协调整个系统内所有通信模块的组网通信。1.3 多功能测试单元设计在载波通信组网中,由于实际节点间的距离不同,设备之间的信号会因为距离不同而发生不同程度的衰减和延迟;又因为电力线复杂的信道条件,会带来许多通信噪声。组网测试系统如果直接对电能表和集中器的通信模块进行测试,并不能模拟真实的电力线载波组网环境。本文设计的多功能测试单元不仅可以测试局端或者表端载波设备的数据传输,还可以对被测设备发出的信号进行延迟模拟和耦合噪声等处理,模拟真实组网环境。典型被测局端设备为集中器载波通信模块(CCO),主要作为载波网络的中央节点;典型被测表端设备为单/三相电能表载波通信模块(S
13、TA),作为载波网络的中继及终端节点。多功能测试单元包括模拟信号部分、数字控制部分、通信模块、接口电路和电源模块等,如图 3所示。模拟信号部分包括信号继电器组、前置衰减器及模拟前端电路;数字控制部分包括 FPGA 和 MCU 控制器电路;模拟和数字部分通过数字隔离器分隔,两部分都拥有独立的电源和接地,目的是防止信号相互串扰,影响衰减效果。图3 多功能测试单元结构1.3.1 模拟信号部分模拟信号部分包括前置衰减器、信号继电器组、延迟模拟器及模拟前端电路。1)前置衰减器:用于对被测通信信号进行预衰减,控制信号幅度。22第20期2)信号继电器组:用于切换不同的工作模式,控制被测信号是否通过数字控制电
14、路和延迟模拟单元等。3)延迟模拟器:内部由 LC延时网络和物理电缆组成,采用此方式模拟延迟操作较为简便、更为灵活,可用于定性实验测试。4)模拟前端电路:能够对多功能测试单元内部的模拟信号进行数模转换、模数转换和自动增益控制等处理。本 文 的 模 拟 前 端 电 路 使 用 两 块 AD9866 芯 片,AD9866在多功能测试单元中的电路图如图4所示。图4 模拟前端的电路图AD9866 兼具 12 位的数模转换和模数转换电路功能,因此经常用来取代分立式的 ADC 和 DAC,而且该芯片的数字接口比较灵活,易与数字后端电路实现简单连接。AD9866 还具备 6 位自动增益控制(AGC)接口,其中
15、 AGC电路具有1248 dB的可编程增益,能够自动调节被测设备通信信号的增益大小,保证通信稳定。两块AD9866的RX_P和RX_N接口处均连接滤波器电路,防止通信信号和载波信号相互影响,如图5所示。图5 滤波器电路1.3.2 数字控制部分数字控制部分包括FPGA和MCU控制器电路。1)FPGA。FPGA 是一种半定制可编程的器件,具有成本低、灵活性强以及外部接口丰富的优点,能够在降低制造成本的同时灵活地制定内部电路结构和外部结构。基于以上特点,FPGA能够较好地完成多功能测试单元数字控制部分的设计需求。本文的 FPGA 选用XC6SLX45_FG484芯片,负责多功能测试单元的噪声信号发生
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