基于标准电能高频脉冲高保真传输的方法

翟晓卉，孙艳玲，何毓函，张国栋，刘蜜

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南250003）

·班组创新·

基于标准电能高频脉冲高保真传输的方法

翟晓卉1，孙艳玲1，何毓函1，张国栋2，刘蜜1

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南250003）

介绍传统标准电能高频脉冲信号传输方法的不足，提出了一种利用标准电能高频脉冲进行一对多传输高保真传输的方法，并基于RS485接口芯片进行系统设计和电路设计。根据系统原理论述该方法实现的过程，通过试验论证高频脉冲高保真传输方法的正确性和可行性，该方法适用性强、成本低、集成度高。

标准电能；高频脉冲；高保真传输；信号传输

0　引言

随着科学技术的不断发展，计算机技术及微电子器件的应用越来越广泛［1］，电能计量技术也越发成熟，高等级的电能标准越来越多，电能计量标准的等级要求越来越高［2］，同时，用电信息采集终端检测装置精度要求也越来越高。标准电能高频脉冲进行一对多传输的过程中，会因为外界信号干扰产生噪音、衰减、使标准电能脉冲失真，影响标准电能脉冲的保真度，进而影响计量的准确度［3］。标准高频电能脉冲是电子式电能表重要的输出信号，这就对标准电能脉冲的传输方法提出了更高的要求，电能信号的高频率、低失真传输和多表位检测是亟待解决的技术问题。

针对电能高频脉冲信号在传输过程中容易被外界随机信号干扰引起噪音、衰减等造成信号传输失真、变形和不能驱动多数量接收电路等问题，提出了一种实现标准电能高频脉冲高保真传输的技术和方法，采用RS485接口电路对标准电能高频脉冲信号的发送和接收实现标准电能高频脉冲信号的高保真、一对多传输，有效地解决标准电能脉冲信号在长线传输以及一对多的传输中的问题，实现多路大量数据的高效同步传输，提高数据传输效率［4］。

1　传统高频脉冲信号传输方法

传统标准电能高频脉冲信号传输方法是通过信号源发出的高频脉冲信号，直接单相传输到单片机进行数据通信，实现高频脉冲信号和单片机单元之间的数据交换，如图1所示。

图1　传统TTL电平信号传输方法

图2　系统原理

在传统的信号传输方法中，由于TTL信号为数字信号0和1，在传输过程中受高低电平电压上、下限阈值限制，信号在传输过程中会有压降损耗，当距离太远时，就会存在压降损耗而不能保证原有信号的正确接收。例如，当发送的是高电平信号时，损耗后达不到TTL高电平下限电压阈值，就会导致接收方接收到的是低电平信号，从而使数据传输错误。传统的信号传输方法不能满足信号传输的正确性。

2　新型标准电能高频脉冲信号传输的方法

2.1技术方案

在TTL电平信号传输的过程中，为了保证信号的高保真信号传输，采用RS485对脉冲源的TTL信号进行转换，由TTL信号转成差分信号，进行信号的传输。TTL信号为数字信号，而差分信号为模拟量，只要在两点之间存在微小的电压差，经过模块转换解析后差值是正值就可以认为是高电平，差值是负值就可认为是低电平。因此在传输的过程中，抗干扰性能力比较强。在接收信号时，又采用RS485进行信号的接收和转换，把差分信号还原成TTL信号，被还原后TTL信号可被单片机识别。总体方案见图2。

2.2抗噪原理

标准电能高频脉冲信号传输是为了能够保证脉冲源发出的高频脉冲信号不失真地传递［5］。采用RS485完成信号的接收和转换。信号在传输过程中，具有明显的抗噪能力。从原理上讲，在差分信号传输线路上可以看出，若是理想状况，线路没有干扰时，在发送侧，可以理解为：

IN=IN+-IN-

在接收侧，可以理解为：

IN+-IN-=OUT

所以：OUT=IN

在实际线路传输中，线路存在干扰，并且同时出现在差分线上，在发送侧，仍然是：

IN＝IN＋－IN－

线路传输干扰同时存在于差分对上，假设干扰为q，则接收则：

（IN＋＋q）－（IN－＋q）＝OUT

所以：

OUT＝IN

由此可见，噪声被抑制。

2.3高频脉冲信号转成差分信号的过程

将非平衡传输的TTL电平信号转换成平衡传输的LVDS（Low Voltage Differertial Signaling）信号，由一个RS485芯片来完成，又将平衡传输的LVDS差分信号转换成非平衡传输的TTL电平信号，由另一个RS485芯片来完成，如图3所示。按照IEEE规定，终端匹配电阻为100 Ω，通常选择100 Ω或120 Ω。

图3　信号传输组成

应用到系统中，其实现的过程为：系统采用脉冲驱动电路发出标准电能高频脉冲时，经功率放大，电平转换芯片对标准电能高频信号调制成差分信号，经双绞总线式传输到各电能表校验台的误差处理单元，差分信号再经电平转换芯片接收并还原成标准电能高频脉冲信号输送至单片机单元进行信息处理，实现标准电能高频脉冲信号的高保真、一对多传输。

该方法不仅能保证标准电能高频脉冲信号传输的高保真特性，还可以实现点对点、一点对多点的连接，具有功耗低、误码率低、串扰低和辐射低等特点，终端适用性强、成本低、集成能力强、抗干扰与驱动能力强。

2.3.1发送单元电路设计

发送单元主要是选用RS485接口芯片SN65HVD3088ED，通过5 V电压供电，电路设计如图4所示。RS485接口芯片的接收发送使能引脚固定接在5V直流电压上，实现发送功能。TTL电平信号通过发送引脚DI传入RS485接口芯片，最终转换为差分信号从接口芯片的A、B端输出。

图4　TTL信号发送转换电路

2.3.2接收单元电路设计

接收单元电路同样选用RS485接口芯片SN65HVD3082ED，通过5V电压供电，电路设计如图5所示。RS485接口芯片的接收发送使能引脚固定接在直流地上，实现接收功能。差分信号由接口芯片的A、B引脚输入。通过RS485接口芯片转换，变成TTL电平信号由接收引脚RO送出。

图5　TTL信号接收转换电路

2.4结果验证

在实验室通过示波器对该方法进行模拟验证。所选示波器和差分探头需要至少1GHz带宽，示波器良好接地，使用3pin的AC输入线，在示波器上除了连接差分探头外，在其他通道上连接1个电压探头。采用的探头耦合设置为交流耦合，Bandwidth设置为FULL，衰减设置为1；示波器时间轴设置为2 ns/格，轨迹亮度设置为100%；用低通道上的差分探头测试时钟信号（CLK），另一个差分探头测试数据信号（Data），触发源选择测试时钟信号的通道，触发电平调到0，把示波器的Fastacq功能打开，测试点选择在输入端口的测试点，也可选择在信号终端匹配电阻端进行测试，测试波形如图6所示。

图6　信号读取

在信号输入、输出时，波形的高低电平如图7所示，比对分析输出和输入信号的高低电平，输入时间延时tr，输出时间延时tf，输出信号只存在时间上的延时，并无变形等失真现象，从而实现了标准电能高频脉冲信号的高保真传输，因此在传输过程中，也能进行一对多传输。

图7　信号波形图

3　结语

标准电能高频脉冲信号在一对多传输过程中容易被外界随机信号干扰引起噪音、衰减等，造成信号传输失真、变形或传输速率低等问参考文献

题，提出一种利用RS485接口芯片对标准电能高频脉冲信号发送和接收的技术方案，实现TTL信号的传输。该方案已于成功应用到国网山东省电力公司电力科学研究院的用电信息采集终端检测装置中，经实际运行，数据传输稳定，不仅能保证标准电能高频脉冲信号传输的高保真特性，而且终端适用性强、成本低、功耗低、传送速度高、集成性高、抗干扰能力强，具有较好的应用推广价值。

［1］李爱传，李琳，于海芙.基于组态王的持水率计刻度标定监控系统设计［J］.煤炭技术，2011（5）：227－228.

［2］黄若谷.电能计量装置的误差及应用设计研究［J］.中华民居（下旬刊），2013（12）：186－186.

［3］王一鹤.水表计量准确度的影响因素分析［J］.科技风，2013（11）：232－232.

［4］张爱国.感应式电能和信号同步传输技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

［5］肖斌.退化图像不变性识别研究［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

High Fidelity Transmission Based on the High Frequency Pulse of the Standard Power

ZHAI Xiaohui1，SUN Yanling1，HE Yuhan1，ZHANG Guodong2，LIU Mi1
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan，250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan，250003，China）

Shortcomings of the traditional transmission method of the standard high-frequency pulse signal are briefly introduced.A high fidelity transmission method of the standard high frequency pulse is put forward.The system and circuit of the Hi-Fi transmission method are designed based on the RS485 interface chip.The process of the method is discussed according to principles of the system，and the correctness and feasibility are demonstrated by tests.The method is of wide applicability，low cost and high integration.

standard electric energy；high frequency impulse；Hi-Fi transmission；signal transmission

TB971

B

1007－9904（2015）12－0072－03

2015－08－16

翟晓卉（1982），女，工程师，主要从事电能计量工作。