專利名稱：一種嵌入式低壓電力載波通信模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于有線通信技術領域，具體涉及電力線載波通訊技術。
背景技術：
電力線載波通訊Power Line Communication,簡稱PLC是指利用現有的電力 傳輸線路，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。由于該技術 使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸媒介，因此具有信息傳輸穩定可靠、 路由合理、可同時復用遠動信號等特點，是唯一不需要線路投資的有線通信方 式。我國研究PLC技術起步較晚，相關產品功能單一，通常均為針對某種電網 特性、電網結構而設計，且多為不可編程的器件，存在通信效率低，可靠性不 高，通用性差的缺陷，用戶使用不方便。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種嵌入式低壓電力載波通信模塊。該設備將電 力線載波通信技術與嵌入式技術相融合，設計了以嵌入式處理器為核心的電力 載波硬件模塊，并提供標準接口，編寫了電力線載波通訊協議棧軟件，從而可 建立起一種高效可靠的通用電力載波通訊平臺。
本實用新型包括電力線耦合電路、信號接收電路、信號發送電路、主控芯 片、外部設備接口、電源電路。電力線耦合電路將電力線，與信號接收電路和 信號發送電路耦合連接在一起；兩信號接收發電路又分別連接在主控芯片上； 主控芯片通過外部設備接口的UART接口、 PWM接口、脈沖計數器接口、 SPI 接口、模擬信號測量接口、 LED接口對應連接外部設備；電源電路分別為信號 收發電路和主控芯片提供獨立的工作電源。所述的電力線耦合電路由信號耦合變壓器、電容、電阻、壓敏電阻、浪涌 保護二極管、肖特基二極管、以及熔斷器和接口組合構成；電力線耦合電路是 載波信號輸入和輸出的通路，并起隔離220V/50Hz工頻的作用。
所述的信號接收電路由前級濾波器與增益控制放大器兩部分串聯構成；信 號接收電路用來接收電力線上的載波信號，并對信號進行濾波與放大處理。
所述的信號發送電路由放大電路和功率輸出電路兩部分連接構成；信號發 送電路是將主控芯片送出的載波調制差模信號進行幅值調節和功率放大，再通 過耦合電路送至電力線進行傳輸。
所述的主控芯片內部集成了電力線調制解調器、帶中斷控制器的處理器、 DMA控制器、計數器、看門狗定時器、內置flash存儲器和內部SRAM、外部 擴展SRAM接口、 UART/IrDA接口、可編程脈寬調制PWM接口 、可編程脈沖 計數器PC接口、 SPI接口、模擬信號測量ASM接口；其外圍電路還包括主晶 振電路、RTC晶振電路、復位電路。
所述的電源電路包括開關電源和彼此獨立的穩壓電路；開關電源所提供的 兩路直流輸出，通過三個獨立的穩壓電路U201 U203輸出+12V、+3.3V和1.8V 的直流電壓，并分別連接信號接收電路(2)、信號發送電路(3)、主控芯片(4) 的電源輸入端。
本實用新型的通信協議XCP分為三層，即物理層、數據鏈路層和協議層， 物理層采用DMT調制解調及載波技術，以電力線作為傳輸介質，建立通信實體 之間傳輸所需要的物理連接。數據鏈路層規定了幀的格式，采用自動重復請求 發送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數據通信出錯，實現通信數據 無差錯傳送。協議層完成各種控制命令的解析處理，進行數據的重組和封裝， 并通過索引方式對設備端點進行綁定，建立應用設備之間的虛擬通道。本實用新型硬件電路結構簡單、成本低廉、運行可靠；其通信協議有效的 實現了信息的同步，能夠為數據的高速可靠傳輸提供保證；本實用新型不僅能 夠實現控制信息的傳輸，也可用于圖片及文件的電力線傳輸，傳輸速率可達 2400bps，具有廣闊的市場前景。
附圖1為本實用新型實施例的功能結構框圖。
附圖2為本實用新型實施例電力線耦合電路原理圖。
附圖3為本實用新型實施例信號接收電路的原理圖。
附圖4為本實用新型實施例信號發送電路的原理圖。
附圖5為本實用新型實施例主控芯片的內部結構框圖。
附圖6為本實用新型實施例主控芯片的電路的原理圖。
附圖7為本實用新型實施例的電源電路原理圖。
附圖8為本實用新型實施例的通信協議層次結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的實施例進行具體說明
參考附圖1 7，本實用新型的實施例包括電力線耦合電路1、信號接收電 路2、信號發送電路3、主控芯片4、外部設備接口5、電源電路6;電力線耦合 電路1的PWR一CON端的接口對應連接電力線，其RXSIGP端對應連接信號接 收電路2的RXSIGP端，其TXSIGP、 TXSIGN端對應連接信號發送電路3的 TXSIGP、 TXSIGN端；信號接收電路2的RXP、 RXN、 AGC0 AGC7端對應 連接電力線載波通信專用SOC4的RXP、 RXN、 AGC0 AGC7端；信號發送電 路3的TXP、 TXN、 TX—EN端對應連接主控芯片4的TXP、 TXN、 TX一EN端； 主控芯片4通過外部設備接口5的UART接口、 PWM接口、脈沖計數器接口、SPI接口、模擬信號測量接口、 LED接口對應連接外部設備；電源電路6的 PWR—CON端的接口對應連接電力線，其+12V、十3.3V和1.8V三路獨立的直流 電壓輸出端分別對應連接信號接收電路2、信號發送電路3、主控芯片4中的電 源輸入端。
參考附圖2，本實用新型實施例的電力線耦合電路1包括信號耦合變壓器 T301、電容C301、電阻R301、壓敏電阻RV1、浪涌保護二極管D301、肖特基 二極管D302和D303、以及熔斷器Fl和接口 Jl;接口 Jl的1端通過熔斷器Fl 同時連接電容C301、電阻R301、壓敏電阻RV1的一端，C301、電阻R301的 另一端同時連接浪涌保護二極管D301的一端、肖特基二極管D302的負極和 D303的正極，以及信號耦合變壓器T301的5端；接口 Jl的2端連接壓敏電阻 RV1和浪涌保護二極管D301的另一端、肖特基二極管D302的正極和D303的 負極，以及信號耦合變壓器T301的6端；信號耦合變壓器T301的1、 2端分別 對應連接TXSIGP、 TXSIGN端，3、 4端分別連接邏輯地、RXSIGP端。
圖中T301是實現了高壓與低壓的隔離的信號耦合變壓器，在設計時需要考 慮電力線路側的阻抗特性，進而來確定變壓器初次級線圈的匝數比或阻抗比。 電容C301用來阻斷220V/50Hz的工頻高壓，并阻止耦合變壓器飽和；電阻R301 的作用是在離線時使電容放電，防止在設備插頭的兩端出現高壓。由于載波的 頻率比較高，遠遠大于電網的頻率，因此載波信號可以順利通過耦合電路，而 低頻高壓被隔斷。電力線上設備的接入和斷開，都有可能引起尖峰脈沖，并導 致后級信號收發電路的永久損壞，因此高壓保護措施是至關重要的，圖中壓敏 電阻RV1以及二極管D101 D103可以有效地避免后級電路被擊穿。設備剛上電 時電容C3Ol上的電壓為0，而此時如果電力線剛好處于電壓的峰值附近，將會 有300V左右的髙壓直接加在變壓器兩端，引起很大的電流，并在耦合變壓器次級產生尖峰脈沖，從而損壞后級電路。由于壓敏電阻的響應速度比較緩慢，無
法徹底消除這個尖峰脈沖，因此接入一個浪涌保護二極管1.5KE6.8CA，其響應 時間是5ns，能夠吸收200A電流，可有效地消除電流尖峰脈沖，但它的動態電 阻比較大，所以還需要利用D302和D303這兩個肖特基二極管進一步實現電壓 鉗位。
參考附圖3，本實用新型實施例的信號接收電路2由前級濾波器與增益控制 放大器兩部分串聯構成；其中，前級濾波器是由電阻R425 R426、電容C421 C426、電感L401 L404組合連接構成的帶通濾波器，其作用一方面將載波頻帶 以外的雜波濾除，另一方面保證前后級之間的阻抗匹配，從而達到順利傳遞載 波信號的目的。由于載波頻率與XPLC-L30主晶振頻率有關，因此濾波器中器 件參數的選擇在主晶振頻率改變時也應做相應的變化。而增益控制放大器則是 由兩級子放大器串聯匹配構成的復合放大器，其第一級子放大器由運算放大器 U403A、電阻R407 R409、電容C403構成一個固定放大倍數的交流負反饋同相 比例放大器和一個由四路可控模擬開關U401、電阻R401 R404構成的數字電位 器組成；第二級子放大器由運算放大器U403B、電阻R417 R419、電容C413 構成一個固定放大倍數的交流負反饋同相比例放大器和一個由四路可控模擬開 關U402、電阻R411 R414構成的數字電位器組成；通過控制模擬開關的開合可 以獲得不同的阻值。
接收到的載波信號RXSIGP通過前級帶通濾波器后，由數字電位器和電阻 R406進行分壓，形成同相比例放大器的輸入信號，通過調節數字電位器的阻值， 可改變放大器的輸入電壓并在輸出端獲得不同的輸出電壓，從而在整體上實現 了對接收載波信號RXSIGP的增益控制。XPLC-I30通過8位增益控制信號 AGC0 AGC7實現對兩級放大電路的增益控制。載波信號RXSIGP經過濾波和放大后形成RXP和RXN信號，并送至XPLC-L30進行解調和處理。
參考附圖4，本實用新型實施例的信號發送電路3由放大電路和功率輸出電 路兩部分連接構成；該電路由一片LM324 (四運放U501A U501D)及電阻、 電容等構成兩級差動放大電路，實現對差模調制信號的幅值調節；功率輸出級 由三極管T501、 T502和電阻R515 R521構成，TX—EN是XPLC-L30送來的發 送允許信號，用來控制功率放大器的輸出。
參考附圖5、 6，本實用新型實施例的主控芯片4內部集成了電力線調制解 調器、帶中斷控制器的處理器、DMA控制器、計數器、看門狗定時器、內置flash 存儲器和內部SRAM、外部擴展SRAM接口、 UART/M)A接口、可編程脈寬調 制PWM接口 、可編程脈沖計數器PC接口 、 SPI接口 、模擬信號測量ASM接口 ； 其外圍電路還包括主晶振電路、RTC晶振電路、復位電路。
其中的接口部分包括數字接口和模擬接口 ，該芯片中主要提供了 2個UART 接口、 2個PWM接口、 4路脈沖計數器接口、 1個SPI接口、 3路模擬信號測量 接口、 4路LED接口等。
參考附圖7，本實用新型實施例的電源電路6包括開關電源和彼此獨立的穩 壓電路；開關電源所提供的兩路直流輸出，通過三個獨立的穩壓電路U201 U203輸出+12V、十3.3V和1.8V的直流電壓，并分別連接信號接收電路(2)、信 號發送電路(3)、主控芯片(4)的電源輸入端。電源電路6主要考慮防止引入干 擾，保證供電的穩定性，并提供足夠的電源功率余量。由于采用獨立的DC-DC 模塊進行隔離，可以避免系統中各部分之間的相互干擾。
參考附圖8，本實用新型實施例的通信協議XCP分為三層，即物理層、數據 鏈路層和協議層，物理層采用DMT調制解調及載波技術，以電力線作為傳輸介 質，建立通信實體之間傳輸所需要的物理連接。數據鏈路層規定了幀的格式，采用自動重復請求發送機制，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數據通信出 錯，實現通信數據無差錯傳送。協議層完成各種控制命令的解析處理，迸行數 據的重組和封裝，并通過索引方式對設備端點進行綁定，建立應用設備之間的 虛擬通道。
本實用新型實施例所實現的主要技術指標如下
1、 調制制式寬頻。
2、 通訊方式半雙工。
3、 載波頻率多頻率、自動切換。
4、 最大頻偏20KHz。
5、 寄生調幅30%。
6、 最大允許線路衰耗270dB。
權利要求1.一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，其特征在于包括電力線耦合電路(1)、信號接收電路(2)、信號發送電路(3)、主控芯片(4)、外部設備接口(5)、電源電路(6)；電力線耦合電路(1)的PWR_CON端的接口對應連接電力線，其RXSIGP端對應連接信號接收電路(2)的RXSIGP端，其TXSIGP、TXSIGN端對應連接信號發送電路(3)的TXSIGP、TXSIGN端；信號接收電路(2)的RXP、RXN、AGC0～AGC7端對應連接主控芯片(4)的RXP、RXN、AGC0～AGC7端；信號發送電路(3)的TXP、TXN、TX_EN端對應連接主控芯片(4)的TXP、TXN、TX_EN端；主控芯片(4)通過外部設備接口(5)的UART接口、PWM接口、脈沖計數器接口、SPI接口、模擬信號測量接口、LED接口對應連接外部設備；電源電路(6)的PWR_CON端的接口對應連接電力線，其+12V、+3.3V和1.8V三路獨立的直流電壓輸出端分別對應連接信號接收電路(2)、信號發送電路(3)、主控芯片(4)中的電源輸入端。
2. 根據權利要求1所述的一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，其特征在于 所述的電力線耦合電路(l)包括信號耦合變壓器T301、電容C301、電阻 R301、壓敏電阻RV1、浪涌保護二極管D301、肖特基二極管D302和D303、 以及熔斷器F1和接口 Jl;接口 Jl的1端通過熔斷器F1同時連接電容C301、 電阻R301、壓敏電阻RV1的一端，C301、電阻R301的另一端同時連接浪 涌保護二極管D301的一端、肖特基二極管D302的負極和D303的正極，以 及信號耦合變壓器T301的5端；接口 Jl的2端連接壓敏電阻RV1和浪涌 保護二極管D301的另一端、肖特基二極管D302的正極和D303的負極，以 及信號耦合變壓器T301的6端；信號耦合變壓器T301的1、 2端分別對應 連接TXSIGP、 TXSIGN端，3、 4端分別連接邏輯地、RXSIGP端。
3. 根據權利要求1所述的一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，其特征在于所述的信號接收電路(2)由前級濾波器與增益控制放大器兩部分串聯構成；其中，前級濾波器是由電阻R425 R426、電容C421 C426、電感L401 L404組合連接構成的帶通濾波器，而增益控制放大器則是由兩級子放大器 串聯匹配構成的復合放大器，其第一級子放大器由運算放大器U403A、電阻 R407 R409、電容C403構成一個固定放大倍數的交流負反饋同相比例放大 器和一個由四路可控模擬開關U401、電阻R401 R404構成的數字電位器組 成，第二級子放大器由運算放大器U403B、電阻R417 R419、電容C413構 成一個固定放大倍數的交流負反饋同相比例放大器和一個由四路可控模擬 開關U402、電阻R411 R414構成的數字電位器組成。
4. 根據權利要求1所述的一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，其特征在于 所述的信號發送電路(3)由放大電路和功率輸出電路兩部分連接構成；其中， 放大電路由運算放大器U501A U501D及對應匹配的電阻、電容、電感構 成兩級差動放大電路，功率輸出電路由三極管T501 、T502和電阻R515 R521 構成。
5. 根據權利要求1所述的一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，其特征在于.-所述的主控芯片(4)內部集成了電力線調制解調器、帶中斷控制器的處理器、 DMA控制器、計數器、看門狗定時器、內置flash存儲器和內部SRAM、外 部擴展SRAM接口、 UART/IrDA接口、可編程脈寬調制(PWM)接口、可 編程脈沖計數器(PC)接口、 SPI接口、模擬信號測量(ASM)接口；其外 圍電路還包括主晶振電路、RTC晶振電路、復位電路。
6. 根據權利要求1所述的一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，其特征在于 所述的電源電路(6)包括開關電源和彼此獨立的穩壓電路；開關電源所提 供的兩路直流輸出，通過三個獨立的穩壓電路U201 U203輸出+12V、+3.3V 和1.8V的直流電壓，并分別連接信號接收電路(2)、信號發送電路(3)、主 控芯片(4)的電源輸入端。
專利摘要一種嵌入式低壓電力載波通信模塊，包括電力線耦合電路1、信號接收電路2、信號發送電路3、主控芯片4、外部設備接口5、電源電路6。電力線耦合電路1將電力線，與信號接收電路2和信號發送電路3耦合連接在一起；兩信號接收發電路又分別連接在主控芯片4上；主控芯片4通過外部設備接口5的UART接口、PWM接口、脈沖計數器接口、SPI接口、模擬信號測量接口、LED接口對應連接外部設備；電源電路6分別為信號收發電路和主控芯片提供獨立的工作電源。本實用新型電路結構簡單、成本低廉、運行可靠；其通信協議有效的實現了信息的同步，能夠為數據的高速可靠傳輸提供保證；本實用新型不僅能夠實現控制信息的傳輸，也可用于圖片及文件的電力線傳輸，傳輸速率可達2400bps，具有廣闊的市場前景。
文檔編號H04B3/54GK201374695SQ200920006060
公開日2009年12月30日 申請日期2009年3月9日 優先權日2009年3月9日
發明者劉鑫榮, 楊書華, 軍 柏 申請人:青島大榮實業有限公司