国网单相载波通道模块使用说明书V1.2

国网单相载波通道模块说明书
V1.2
青岛鼎信通讯有限公司
青岛鼎信通讯有限公司
目录
1 概述 (1)
2 主要功能与特点 (1)
2.1 上电自动读取表号 (1)
2.2 支持自动登录 (2)
2.3 支持事件上报 (2)
2.4 支持DL/T645-1997/2007和数据透明传输 (3)
2.5 支持主发模式 (3)
2.6 支持从节点中继、从节点侦听功能 (3)
3 主要参数与其使用网络负载测试 (3)
3.1 主要参数 (3)
3.2 国网单相载波通道模块使用网络负载测试的环境与记录 (4)
4 工作原理 (5)
4.1 外接接口定义与说明 (5)
4.2 工作原理框图 (6)
4.3 国网单相载波通道模块典型应用电路 (6)
5 国网单相载波通道模块的检测 (8)
5.1 检测设备与测试环境 (8)
5.2 不良现象及处理方法 (8)
6 载波通道模块生产与使用时的注意事项 (8)
6.1 ESD与电路防护 (8)
6.2 质量控制 (9)
6.3 生产工艺 (9)
7 国网单相载波通道模块的布线特点 (9)
7.1 EMC防护 (9)
7.2 芯片散热 (9)
7.3 载波接收电路 (9)
附录 A (11)
A.1 国网单相载波通道模块各管脚实测波形 (11)
A.2 国网单相载波通道模块尺寸图 (14)
A.3 器件选型 (15)
1 概述
国网单相载波通道模块是鼎信公司应用载波通道芯片TCC081C 实现载波通信功能的一款产品。

其核心技术是利用正交码进行数据扩展频谱传输，使用电力线过零分时得到最利于传输的3.3ms 微分时段同步传输，比单纯使用扩频方式的通信能力和稳定性都有巨大的提高；内置DSP 数字信号处理模块保证载波通信计算需求，使用AD 采样方式进行扩频计数，抗干扰能力大大增加。

该模块主要用于自动抄表领域，为电力行业或其它公共事业部门提供了一种优秀的自动抄表系统解决方案。

2 主要功能与特点
2.1 上电自动读取表号
载波模块上电2s 后，芯片TCC081C 会向从节点发送读取地址命令，能够自适应的选择使用四种通信速率、三种读地址命令。

四种通信速率： 1200bps 、2400bps 、4800bps 、9600bps ；三种读地址命令：
（1）DL/T645-07全AA 通配符读地址 68 AA AA AA AA AA AA 68 13 00 DF 16H （2）DL/T645-97全99 广播（GB ）读地址 68 99 99 99 99 99 99 68 01 02 65 F3 C1 16H （3）DL/T645-97全AA 通配符读地址 68 AA AA AA AA AA AA 68 01 02 65 F3 27 16H
注：通配符读地址是指定位固定情况下的抄读地址过程，如定位使用AAAAAAAAAAAAH 作通配符，从站应答帧的地址域返回实际通信地址。

模块第一次上电时，芯片将按照四种通信速率、三种读地址命令的组合抄读表号，流程示意图如下：（N 未响应；Y 读成功）
上电
结束
载波模块再次发送读地址命令，确认后更换更高速率（使用相同读地址命令）读表号。

抄读完成并且得到从节点地址一致时，芯片将此地址设为载波地址，串口的最终速率为电表支持的最高速率。

N
N
N
N
N 第二次
N
N 第一次
Y
Y
Y
Y
Y
Y
1200bps 97-GB 97-AA 07-AA
2400bps 07-AA
9600bps 07-AA 97-GB 97-AA
4800bps 07-AA 97-GB 97-AA
2400bps 97-GB 97-AA 07-AA
1200bps 97-GB
N
N
N 图 1第一次上电读表号流程图
载波模块再次上电，会使用上次抄读成功记录的最高通信速率和对应读地址命令抄读表号：若返回的地址与载波地址一致，模块接着进入正常工作状态；若不一致，载波模块会再次抄读表号，确认后进入正常工作状态；若抄读命令没有得到响应，载波模块会从上次成功记录的通信速率、读地址命令处开始继续上图的读地址流程，直至表号抄读成功或循环两次停止后抄读失败（流程的起始点不一样，循环两次后的结束点也不一样）。

TCC081C向串口下发读表号命令后，从节点的响应延迟需大于20ms，且响应必须在500ms内完成，随后TCC081C将下发下一条读表号命令，直至整个读表号过程结束。

每条读从节点地址的命令在响应TCC081C时不需要额外增加延时，否则可能造成上电读表号通信失败。

TCC081C向串口转发抄读命令后，从节点的响应延迟需大于20ms，整个响应过程（包括等待命令的时间）需在1.2s时间内完成。

但如果在500ms内TCC081C未收到响应的第一个字节，则TCC081C 串口等待超时。

如果TCC081C打开了额外延时，响应可延长在4.2s时间内回完，TCC081C串口等待超时也延长到3.5s。

2.2 支持自动登录
自动登录是指在多模块节点的网络中，登录的发起方在事先不知道节点地址号的情况下，得到某一节点地址的操作。

某一个节点发出命令，执行一定操作后，得到另一未知节点的节点地址（12位6字节）。

发出的命令带1字节数据即登录号ND：0～255，其中：
ND：0～63表示比较主节点登录（从节点根据侦听到主节点信息确定一个自己的所属主节点地址），只在主信道应答；
ND：64～127表示比较主节点登录（从节点根据侦听到主节点信息确定一个自己的所属主节点地址），主辅信道都应答；
ND：128～191，表示不比较主节点登录，只在主信道应答；
ND：192～255，表示不比较主节点登录，主辅信道都应答。

当命令中的登录号和节点内记录的登录号相同时，不响应命令；不相同时，则执行登录操作；具体操作步骤如下：
（1）登录表号；
（2）设置该表的通信号：a验证登录上的表号是否正确；b使该表不再响应该登录号的命令。

说明：目的地址为发起登录的节点地址，可使用主节点或任意从节点地址：使用主节点登录时中继级别为“0”；使用从节点登录，特征域额外延时位为“1”。

2.3 支持事件上报
事件上报：使用广播事件上报指令，主节点可得到有事件上报的从节点的地址，再使用事件提取指令得到并确认上报事件。

夹带上报：当载波响应帧控制码最高位为1时，对应的控制码为80H、90H、91H表示目的节点有事件。

事件上报分为主节点直接事件上报和从节点事件上报(支持中继)。

下发事件上报命令的主节点地址和设置快速通信号的主节点地址应一致（鼎信载波规约中的源地址）。

在执行事件快速上报时，首先要设置快速通信号，其次要上报使能，最后进行读取事件上报的报文操作。

具体操作步骤如下：
2.3.1 设置快速通信号
首先要对载波从节点写入快速通信号，并且读取快速通信号进行验证。

设置和读取快速通信号均为单表指令。

2.3.2 事件上报
2.3.2.1 事件使能
电表芯片将EVENTOUT管脚置成有效电平（高电平），TCC081C检测到后，即认为有事件发生。

2.3.2.2 执行事件上报
发送广播事件上报命令，若有从节点有事件要上报，则其中一个从节点的快速通信号会上报上来。

2.3.2.3 提取报文
主节点根据上报的快速通信号，查找对应的从节点地址，然后按相应DL/T645规约格式的事件提取命令获得此从节点的事件。

取消事件：当为事件上报模式时，TCC081C收到载波数据帧即取消事件上报状态；当为夹带上报模式时，TCC081C收到载波命令帧的控制码最高位为1时，对应的控制码为80H、90H、91H即表示清除事件上报状态。

清除事件上报状态就是将TCC081C事件上报状态清除，EVENTOUT管脚由电表芯片置成正常电平（低电平），但事件上报报文可保留以备主节点查询。

2.4 支持DL/T645-1997/2007和数据透明传输
主节点接收符合标准DL/T645协议的数据帧，并将其整合为鼎信载波帧下发至从节点；从节点将接收到的鼎信规约压缩后的DL/T645 数据帧还原为标准的DL/T645数据帧下发至基表MCU。

从节点将接收到的基表MCU 的标准DL/T645报文中的地址域和数据域截取，按照鼎信载波帧格式向上回传给主节点；主节点将接收到的响应帧数据帧还原为标准DL/T645 数据帧上传。

数据透明传输功能是指可以把任意格式的数据打包，当作载波命令的数据域进行下发，并将从串口返回的任意数据重新打包到载波命令的数据域进行回传（接收超过字节间延时，则认为接收完成）。

数据域可以是用户其它表计部分（如水表、气表等使用的其它协议）支持的任意格式的数据，另外用户根据自身的需要所做的扩展命令也可以作为透明传输的内容。

2.5 支持主发模式
主发模式是指在同一节点网络中任一载波从节点均可下发抄读命令，实现对其他从节点的数据的召读。

2.6 支持从节点中继、从节点侦听功能
每一个载波从节点都有中继级别：中继级别小于本节点，是父节点；中继级别等同于本节点，是兄弟节点；中继级别大于本节点，是子节点。

按中继级别划分，中继级别为0~15 级，0级为直抄。

对于直接抄读不成功的载波从节点，需要主节点启动中继抄读。

任一载波从节点都可以记录各相上的子节点、兄弟节点、父节点、主节点的回应信息，记录收到次数、接收信号强度的平均值、中继级别和听到的主/从节点地址等。

节点本身的中继级别由主节点对本节点的直接通信获得。

主节点读取从节点的侦听数据，根据侦听数据中的节点地址、信号品质、侦听次数等内容，建立节点的相对物理位置信息，之后根据上一次通信的成败情况，合理选取中继路由进行通信。

3 主要参数与其使用网络负载测试
3.1 主要参数
载波带宽：401~441kHz
中心频率：421kHz
码元速率：13.3 kbps
串口通信速率：1200bps、2400bps、4800bps、9600bps
载波通信速率：50bps、100bps、600bps、1200bps
工作频率：50Hz±5%
工作电压：Un=220V AC （176V~264V）
+12V DC （6.5V~24V）
+5V DC （5V±0.25V）
工作电流：
表 1单相通道模块工作电流表
电压静态电流发送电流
+12V / 120.45mA(max)
+5V 20mA(max) / 工作温度：-40℃~+75℃
相对湿度：≤75％
功耗：通信状态下小于1.4W
通讯范围：整个配变台区
3.2 国网单相载波通道模块使用网络负载测试的环境与记录
3.2.1 测试环境示意图
国网单相载波通道模块使用网络负载测试框图如下图所示。

隔离器
载波通道模块衰减器抄控器
掌机（PC机）
～220V
等效电网负载
2Ω
发送电源串联
0.22Ω电阻
直流稳压电源示波器
图 2国网单相载波通道模块使用网络负载测试环境
将稳压电源接到载波模块的发送电源上，将电压调整至Usend（发送电压）。

在载波模块的发送电源上串联小电阻（0.22欧姆），在载波发送时，用示波器测量电阻上面的电压波形。

运用积分算法，计算每个发送单元内电阻上压降对时间的积分值UT（mV×ms），然后根据公式算得发送电流：Isend ＝UT/R。

注：载波是每10ms发送3.3ms。

3.2.2 测试结果记录
在上述测试环境下对国网单相载波通道模块进行网络负载测试，得到的结果记录如下表所示。

表 2国网单相通道模块使用网络负载测试记录
电压(V) 发送电压积分
(mV*ms)
发送周期
(ms)
测试用电阻
(Ω)
电网等效负载
电阻（Ω）
电流(mA)
10 235 10 0.22 2 106.82
10.5 245 10 0.22 2 111.36
11 250 10 0.22 2 113.64
11.5 255 10 0.22 2 115.91
12 265 10 0.22 2 120.45
12.5 275 10 0.22 2 125.00
13 280 10 0.22 2 127.27 13.5 290 10 0.22 2 131.82
4 工作原理
4.1 外接接口定义与说明 4.1.1 电源接口
单相载波模块220V 电源接口采用2×4双排插针作为连接件，示意图如图3。

8AC220V-L
7AC220V-L
21AC220V-N
AC220V-N
图 3国网单相载波模块电源接口示意图
4.1.2 弱电接口及说明
单相载波模块弱电接口采用2×6双排插针作为连接件，接口示意图如图4。

1+12V
2+12V
3GND
4GND
5+5V
6TXD
7RXD
8SET
10RST
9LED0
12EVENOUT
11RESERVE
图 4国网单相载波模块弱电接口示意图
弱电接口各引脚的名称及功能描述如下面表格3所示。

表 3国网单相载波通道模块弱电接口管脚功能描述
引脚 引脚名称 描述
1 +12V 通信模块模拟部分电源，由电能表提供
2 +12V
3 GND 数字地
4 GND
5 +5V 通信模块数字部分电源，由电能表提供
6 TXD 通信模块向电能表CPU 发送信号引脚（5V TTL 电平）
7 RXD 通信模块接收电能表CPU 信号引脚（5V TTL 电平）
8 SET 编程使能输入，低电平有效 9 LED0 载波通信指示灯，高电平灯亮注一 10 RST 复位输入管脚，低电平有效
注二
11 RESERVE 保留
12
EVENOUT
电能表事件状态输出引脚
注三
注一：接收时地址匹配正确输出0.2s 高电平；发送过程输出高电平，表内CPU 判定载波发送时禁止操作继电器。

电平上拉电阻在电能表侧。

注二：载波芯片复位要求
（1）复位脉冲要求：低电平电压范围0V 到0.5V ；脉冲宽度大于100us ，无上限要求；复位脉冲必须是从高到低—保持低电平—再从低到高的全过程。

（2）复位描述：复位引脚产生复位脉冲，将导致载波芯片复位；复位2s 后载波芯片将向通信模块 TXD 引脚发送上电读表号命令。

（3）防干扰措施：复位引脚处于正常状态时，应处于高电平4.5V 到5V 状态，不能有脉冲抖动或其他干扰信号。

（4）对电能表CPU 要求：上电复位发生时，电表应保持RST 一直处于有效低电平状态；电表正常工作后，把RST 管脚拉高到+5V 。

运行中电表CPU 发生的复位发生时，电表应保持RST 一直处于有效低电平状态；电表正常工作后，把RST 管脚置为高电平。

注三：电能表事件状态输出，当有开表盖、功率反向、内部程序错误、时钟错误、存储器故障等事件发生时，输出高电平，请求查询异常事件；查询完毕输出低电平。

电平上拉电阻在电能表侧。

4.2 工作原理框图
国网单相载波通道模块的工作原理框图如下图5所示。

带通滤波器实现输入滤波
MCU
SET
RXD
TXD
输出滤波
TXA
TXB +5V
载波信号
220V
基表单元
LED
MC3361BPL 解调器
鉴频器
滤波器
+12V
+12V
+12V
2Vo ut
1
Vi n 378L05
+5V
100uF16V
2200uF25
V
GND
CPU
电源电路
421kHz
RTX
13.3kbps
421kHz
421kHz
421kHz
421kHz
图 5国网单相载波通道模块工作原理框图
4.3 国网单相载波通道模块典型应用电路
国网单相载波通道模块说明书
7
载波信号解调电路
载波信号接收滤波电路
L 4
C N S S -101 100u H /10m A
载波信号耦合电路
载波控制电路
B K D
O S C 1
O S C 2过零检测电路
载波信号发送电路
T X A
T X B
7
6
R E S E R V E -P L C E V E N O U T -P L C
静电防护电路
指示灯电路
双排单塑插针空双排单塑插针DZZ1T14-GW2TY-V1.00.07
R E S E R V E 9E v e n t O u t 10
T /S
12P L C F r e q
11V d d 14V s s 13T Z C 15T Z B
16
V s s
30N C 31N C 32T E S T 27X T A L 28A V d d
25
A V s s 26E X T A L 29
图 6国网单相载波通道模块典型应用电路
5 国网单相载波通道模块的检测
5.1 检测设备与测试环境 5.1.1 检测设备
群脉冲发生器、雷击浪涌发生器、耐压测试、数字示波器、静电放电测试仪、抄控器、高低温箱、衰减器、PC 机（掌上电脑）、直流稳压源。

5.1.2 测试环境
衰减器
带通道板的电
表
衰减器抄控器
掌机（PC 机）
隔离变压器
图 7国网单相载波通道模块测试环境
5.2 不良现象及处理方法
国网单相载波通道模块的测试过程中遇到的不良现象及检修流程如下图8所示，图中说明的各管脚波形参照附录中单相载波通道模块各管脚的实测波形图。

上电HL1、HL2是否闪烁
检查测MC3361的11脚
波形
检查10M 晶振和谐振电容
开始
TCC081C 坏
TCC081C OK
MC3361坏或MC3361外
围器件问题
测过零点电路波
形
检查过零点电路
拆掉抄控器与模块之间衰减器测
试载波通讯
检查载波接收电路
测试VT1、VT2集电极与TCC081C 的3脚（SCOUT ）波形检查载波发送电路
电源或复位电路问题
晶振坏或电容坏
Y
TCC081C 电源及复位电路
Y
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
N
图 8国网单相载波通道模块不良与检修流程
6 载波通道模块生产与使用时的注意事项 6.1 ESD 与电路防护
国网单相载波通道模块所用芯片属于ESD敏感器件。

在单相模块的生产、测试、检验过程中需要注意ESD防护。

模块测试时，检验所用电源的+12V，+5V电源回路要求并接钳位于22V，6.8V的TVS 双向二极管。

6.2 质量控制
载波模块使用的解调芯片MC3361在模块的批量生产过程中发现有烧坏情况，原因是在贴片生产过程中产生静电，由于MC3361自身保护不够，导致其6、7管脚在第一次上电过程中容易烧坏。

经过实际生产验证，针对该问题的解决方案为：
6.2.1 贴片和焊接时间间隔大于24小时，保证管脚静电得以释放
6.2.2 采用金属丝放电板放电措施，保证放电板接地良好
6.3 生产工艺
6.3.1 载波模块生产流程图
载波模块需按照下图所示的流程进行生产：
PCB 印刷锡膏
或红胶
SMT贴
片
回流焊插件波峰焊
手焊背
面插针
载波
模块
图 9载波模块生产流程
6.3.2 生产过程中的注意事项
1、工人必须佩戴有线静电手环
2、生产过程中不能有堆板现象
3、背面插针需要手焊，焊接时注意不能损坏周边器件
7 国网单相载波通道模块的布线特点
7.1 EMC防护
单相通道板的EMC防护主要由PCB布局来完成。

为了能使用户得到最佳的性能，所有PCB上的走线尽量在大规模覆铜上，并且在PCB上空余的地方尽量多的覆铜并布置一些地过孔。

滤波电容也尽量靠相应的引脚布置，这样可以得到更好的滤波性能。

布板时，晶振和负载电容尽量靠近管脚XTAL（TCC081C的28脚）和EXTAL（TCC081C的29脚），晶振外壳接地（选用晶振本身带有接地管脚的器件），晶振引脚周围应有大面积敷铜区域，以取得抑制各种干扰的效果。

7.2 芯片散热
在7805的接地管脚、发送三极管2SD2391的C极管脚上，大面积填充散热敷铜。

7.3 载波接收电路
MC3361BPL芯片的地线与FSK 输入信号在芯片设计时充分考虑了怎样减少噪声对输入信号的影响，因此必须以MC3361BPL 的第15 脚地为隔离点，让由输入滤波器后的输入电路形成隔离，保证输入的微伏级信号不混入其它噪声电路。

对于整个MC3361BPL的模拟电路部分要以电源∏型滤波器处隔离，以单点接地形式连接，去除高频信号对模拟电路的影响。

下面两图分别为MC3361BPL的第15脚单点接地PCB顶层、底层示意图。

图 10 MC3361BPL15脚单点接地PCB顶层截图图 11 MC3361BPL15脚单点接地PCB底层截图
附录 A
A.1 国网单相载波通道模块各管脚实测波形
考虑实际测试环境不同等因素的影响，载波模块各管脚测得的波形可能会存在不同或出现一定的偏差，以下提供的各实测波形仅供参考。

图A. 1 MC3361⑾脚无载波信号的实测振荡波形
图A. 2 MC3361⑾脚有载波信号的实测振荡波形
图A. 3载波接收时MC3361⑾脚，VD1实测波形图A. 4载波接收时MC3361⑾，⑼，⑶脚实测波形
图A. 5 VT1，VT2集电极载波发送成功实测波形
图A. 6 TCC081C的SSCOUT（3脚）载波发送成功实测波形
图A. 7过零点电路信号实测波形
A.2 国网单相载波通道模块尺寸图
图A. 8国网单相载波通道模块尺寸图注意事项：
1、单位：mm
2、模块整体高度15.2mm（包括PCB板厚度），其中PCB板厚度1.6mm
3、插针全长11.28mm，其中PCB板下针长8.60mm
4、灯为兼容模式，可根据自身要求采用插针的或贴片的
A.3 器件选型
为了保证载波通道模块各个方面的性能，模块中使用的许多元器件的规格都有一定的特殊要求，下面的表格列出了部分元器件的选型规格与生产厂商，以供参考。

名称物料规格参考厂商
贴片电阻RC0603-100-J YAGEO
贴片电阻RC0603-105-J YAGEO
贴片电阻RC0603-510-J YAGEO
贴片电阻RC0603-821-J YAGEO
贴片电阻RC0603-621-J YAGEO
贴片电阻RC0603-244-J YAGEO
贴片电阻RC0603-474-J YAGEO
贴片电阻RC0603-513-J YAGEO
贴片电阻RC0603-151-J YAGEO
贴片电阻RC0603-202-J YAGEO
贴片电阻RC0805-304-J YAGEO
贴片电阻RC0603-511-J YAGEO
贴片电阻RC0603-103-J YAGEO
贴片电容CC0603-105-K YAGEO
贴片电容CC0603-151 YAGEO
贴片电容CC0603-220-K YAGEO
贴片电容CC0603-224-K YAGEO
贴片电容CC0805-105-K-50V YAGEO
贴片电容CC0603-152 YAGEO
贴片电容CC0603-103-K YAGEO
贴片电容CC0603-102-K YAGEO
贴片电容CC0603-104-K YAGEO
贴片三极管BC807-40LT1 PHILIPS
贴片三极管BC817-40LT1 PHILIPS
贴片集成电路MC3361BPL-SO-16 UTC
贴片集成电路2SC4672L UTC
贴片集成电路TCC081C 青岛鼎信通讯有限公司
手插电阻200R/1W 辛亚（苏州）电子工业有限公司
手插电解47UF/16V/25V YXF 红宝石
手插电容20NF1KV(南京新玉跃) 南京新玉跃电子有限公司
手插安规电容104 300V 深圳创硕达电子有限公司
手插电感100UH(A80215041) 高雅线圈制品有限公司
手插电感1MH/10MA(A80301003) 高雅线圈制品有限公司
手插电感3UH/750MA(A80510003) 高雅线圈制品有限公司
手插中周7.25UH 1:1/100MA 高雅线圈制品有限公司
手插二极管IN4679/BZX55C2V0 ST先科
手插二极管P6KE22CA 上海君耀
手插光耦外包装标识为PS2501丝印为NEC2501NEC
手插变压器TC-X-05 山东宝岩手插鉴频器JTB421C49 江苏江佳手插滤波器LT421AW 江苏江佳手插晶振10MHZ 深圳奥德尔手插插针201S-2*6P/11.5(12-3、4)/3.0 深圳联益手插插针201S-2*4P/11.5(空3、4、5、6)/3.0 深圳联益
版本历史
版本编号/修改状
态拟制人/修
改人
拟制/修改
日期
备注
V1.0 李民2010-3-1
V1.1 王敏2010-4-22 原理图更新V1.2 孙晋亮2010-10-12。