專利名稱：基于Prime標準的載波電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種載波電路，特別涉及一種基于Prime標準的載波電路。
背景技術：
目前國內電力線載波通信多采用窄帶電力線載波通信方式，其在電力線上的傳輸速率最高只有2kbps。正常電力線環境下，絕大多數的數據傳輸僅僅工作在幾百bps。而在國際上，電力線AMI (智能表計通信網絡)體系要求電力數據采集器密度高達15分鐘一次，數據通信速率高達100kbit/S，實時性強、交互雙向通信，因此，現有的窄帶電力線通信方式無法滿足上述要求。而真正的寬帶載波BPL(Broadband over power lines)是一種允許互聯網數據在電力線上進行傳輸的技術，通信速率從10兆到最高200兆bps，但是，由于
這種通信的實現存在價格昂貴、通信距離短、穩定性差等技術瓶頸，實現該技術的產品不成熟。也就是說，目前基于Prime載波電路不是真正意義上的寬帶載波。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種具有實用性且可應用的基于Prime標準的載波電路。本實用新型提供的這種基于Prime標準的載波電路，包括載波信號阻抗匹配單元、載波接收單元、載波發送單元、過零檢測單元、載波PHY層控制單元、載波轉換子層單元和電源單元；載波信號阻抗匹配單元與電力線進行阻抗匹配，將載波發送單元傳來的信號耦合發送至電力線，同時負責接收由電力線傳來的載波信號，并將接收的載波信號發送至載波接收單元；載波接收單元將接收到的載波信號進行信號整形、鉗位和濾波處理后發至載波PHY層控制單元；載波PHY層控制單元將接收到的載波信號進行信號解調以及底層數據流的解析，然后將數據信號傳至載波轉換子層單元；載波轉換子層單元對接收到的數據信號進行數據應用協議解析，并將解析完的信息通過串口發送至電能表，由此完成電力線數據的傳遞；電能表將數據信息通過載波轉換子層單元傳至載波PHY層控制單元；載波PHY層控制單元對數據信息進行頻率生成得到載波頻率信號，同時將該頻率信號通過載波轉換子層單元傳送至載波發送單元；載波發送單元將接收的載波頻率信號進行功率放大，再通過載波信號阻抗匹配電路，耦合發送至電力線；過零檢測單元將由電力線傳來的信號進行過零檢測并產生數字信號后，發送至載波PHY層控制單元，用于給發送至電力線的載波信號提供過零基準；電源單元給上述六個功能單元供電。所述載波PHY層控制單元采用意法半導體公司的載波通信芯片，其型號為ST7590。所述電源單元采用德州儀器公司的高效DC/DC芯片，其型號為TPS54331。本實用新型是基于國際Prime通用標準的OFDM電力線通信的載波電路，通過關鍵芯片的選型及其外圍電路的設計，實現了載波通信速率的大幅提高，從而為實現了真正意義上的寬帶載波通信提供硬件支持。
圖I是本實用新型的功能模塊圖。圖2是本實用新型的載波信號阻抗匹配單元電路圖。圖3是本實用新型的載波接收單元電路圖。圖4是本實用新型的載波發送單元電路圖。圖5是本實用新型的過零檢測單元電路圖。圖6是本實用新型的載波PHY層控制單元主芯片電路圖。圖7是本實用新型的載波PHY層控制單元外置SPi的flash存儲器電路圖。圖8是本實用新型的載波PHY層控制單元外置SRAM存儲器電路圖。圖9是本實用新型的載波轉換子層單元電路圖。圖10是本實用新型的電源單元電路圖。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型包括載波信號阻抗匹配單元，載波接收單元，載波發送單元，過零檢測單元，載波PHY層控制單元，載波轉換子層單元和電源單元。載波信號阻抗匹配單元與電力線阻抗匹配，將載波發送單元傳來的信號耦合發送至電力線，同時負責接收由電力線傳來的載波信號，并將接收的載波信號發送至載波接收單元。載波接收單元將接收到的載波信號進行信號整形、嵌位和濾波處理，然后發至載波PHY層控制單元。載波PHY層控制單元將接收到的載波信號進行檢頻、解析底層數據流，再將數據信號傳至載波轉換子層單元。載波轉換子層單元對接收到的數據信號進行數據應用協議解析，并將解析完的信號通過串口發送至電能表，由此完成電力線數據傳遞。電能表將數據信息通過載波轉換子層單元傳至載波PHY層控制單元。載波PHY層控制單元對數據信息進行頻率生成得到載波頻率信號，其將該信號通過載波轉換子層單元傳送至載波發送單元。載波發送單元將接收的載波頻率信號進行功率放大，增強信號的傳輸距離，再通過載波信號阻抗匹配電路，耦合發送至電力線；過零檢測單元將由電力線傳來的信號進行過零檢測并產生數字信號后，發送至載波PHY層控制單元，用于給發送至電力線的載波信號提供過零基準；電源單元給上述功能單元供電。如圖2所示，載波信號阻抗匹配單元包括LC諧振電路和定制的信號耦合變壓器Tl。載波信號接入信號耦合變壓器Tl的端子3 ;其端子I接信號VN，其端子2通過電感L3串聯C9與220V強電信號VA相連，其端子4接地；電感L3的2腳通過瞬態放電管V4與220V強電信號VN相連。由電感L3和電容C9組成LC諧振電路，因為器件本身的特點形成了頻點范圍，從而能與電力線阻抗信號耦合。瞬態放電管V4主要是保護整個電路不受電力線雷擊、浪涌、噪聲、大功率激變等惡劣環境的影響。如圖3所示，載波接收單元是通過如下電路連接實現載波信號的接收功能的。接收數據信號RX_IN通過電容C17串聯電阻R13接至Tl的端子3 ；電感L4、電容C18和瞬態放電管V7三者并聯后接于電阻R13的I腳和地之間。電感L4和電容C18組成一組外圍簡單的寬幅度的諧振濾波電路，信號分壓電阻R13用于保護單片機內部的ADC模塊的輸入電壓值，電容C17起隔直流通交流的作用，并承受一定的電壓值。載波通信芯片(型號為ST7590)內部含有AGC和ADC信號采樣單元，通過軟件設置其內部寄存器數值，從而接收電力線有效信號。如圖4所示，載波發送單元包括兩個一階濾波器和一個內置PA，發送數據信號TX_OUT接至電阻R5的I腳，同時通過電容Cll串聯電阻R7接至電阻R8的I腳，該電阻的2腳再串聯電阻R9接至內置PA的同相輸入端。電源信號V5P0通過電阻R5串聯電阻RlO接地；電壓信號V15P0通過電阻R6串聯電阻Rll接地，其中電阻 R6的I腳與電阻R7的I腳相連。電阻R7的2腳通過電容C13接地；電阻R9的2腳通過電容C14接地。電阻R8的2腳通過電容C4接至內置PA的輸出端；其反相輸入端通過電阻R2串聯電容C8接地；其反相輸入端通過電阻R3連接至其輸出端。電源信號V15P0通過電阻R4接至內置PA的輸出端，該輸出端通過電阻R12接地；同時，該電源信號接至肖特基二極管Vl的陰極端，該二極管的陽極端接至肖特基二極管V5的陰極端，該二極管V5的陰極端接地。內置PA輸出端將載波信號通過電容C12與載波信號阻抗匹配單元相連。載波通信芯片內置一個輸出功率增益可調節的PA，但由于該內置PA的輸入依賴于信號的品質和反饋信號，因此本實用新型針對上述問題做了如下處理。對于載波信號的品質，本實用新型采用外部二階濾波器，從而保證載波信號品質。電阻R5和電阻R10，電阻R6和電阻Rll分別是信號的直流偏置修正點，耦合電容Cll始終承受一定的電壓，因此對該電容的選擇要求較高。電阻R7和電感C13，電阻R8、電阻R9和電感C14分別組成了兩個一階的濾波器。載波通信芯片輸出信號進行處理，并對接收內置PA的輸出反饋信號進行濾波處理，其中電阻R8和電阻R9的數值可根據反饋信號和輸出信號嚴格計算得到。ST7590內置PA的正向輸入端和反向輸入端的信號需要根據電阻R2和電阻R3的數值，調整內部PA的增益，從而實現信號最大程度的耦合至電力線上。電阻R4和電阻R12，肖特基二極管Vl和肖特基二極管V5，這兩組器件不僅完成信號直流偏置點的選擇，同時可有效防止因信號幅值過大、發送電流過大等情況燒毀內部PA的發生。如圖5所示，過零檢測單元包括光耦U2，信號VA通過電阻R14串聯電阻R15接至光耦U2的I腳，信號VN通過電阻R18串聯電阻R19接入光耦U2的2腳，二極管V8的陰極接光耦I腳，其陽極接光耦的2腳。電源V5P0接至光耦的4腳，該4腳通過電容C19接地；光耦的3腳通過電阻R20接地，同時該管腳通過電容C20與信號ZC_IN相連。此部分電路需要長時間上電工作，由于增加了二極管V8，大幅降低了電路的功耗。本發明中的過零檢測電路采用一種基本的電路方案，通過單片機的ADC采集220VAC的正向導通信號，其中四個電阻R14、R15、R18、R19阻值總和，應保證在47k Ω -300k Ω范圍內，否則會導致電路靜態功耗較高。如圖6至圖8所示，載波PHY層控制單元包括外置SPi的flash存儲器D1、載波通信芯片D2和外置SRAM存儲器D3。載波通信芯片D2的I腳發出電力線控制信號PLC_TXD ；其2腳接收電力線信號PLC_RXD ;其3腳、21腳、59腳、68腳、76腳和93腳接電源V3P3 ;其6腳至20腳、80腳至90腳、92腳以及94腳均與外置SRAM存儲器D3的對應管腳相連；其22腳、28腳、38腳、56腳、62腳、69腳和98腳與電源V1P8相連；其33腳、35腳、49腳、50腳、58腳、60腳、64腳、67腳和97腳接地；其23腳與信號TCK相連；其24腳與信號TDO相連；其25腳與信號TDI相連；其26腳通過電阻R28(阻值為IOkQ )與電源V3P3相連，此管腳同時與信號ST_RST相連；其31腳和32腳之間接晶振XL2 ;其39腳通過電阻R49與電源信號V5P0相連，同時生成輸出信號V5P0_0UT ;其40腳與信號ZC_IN相連；其41腳與信號RX.IN相連；其42腳與信號TX_OUT相連；其43腳與信號PA_IN+相連；其44腳與信號PA_IN-相連；電阻R30與電容C30并聯后接于其45腳與地之間；其46腳和47腳接電源信號V1P5 ;其51腳和52腳與信號PA_OUT相連；其54腳通過電阻R48與電源信號V1P8相連，同時與信號V1P8_0UT相連；其61腳與信號GPI09相連；其66腳與信號GPI06相連；其70腳通過電阻R21接地；其71腳與信號GPI05相連；其75腳與信號GPI03相連；其77腳與信號GP102相連；其78腳與信號GPIOl相連；其91腳與信號SCLKl相連；其96腳與信號MOSIl相連；其97腳與信號MISOl相連。本實用新型主要是基于型號為ST7590的載波通信芯片的載波電路。該芯片內置Prime國際載波標準協議，并通過國際Prime認證，且該芯片對外接口協議采用國際通用DLMS/C0SEM架構的IEC61334-4-32應用層數據通信標準。該芯片實現載波PHY和MAC層控制，且外圍需要連接2Mbits的flash存儲器和128K bytes的SRAM存儲器等存儲設備。·該芯片外圍電路配備調試指示燈，低電平有效，通過兩個通用GPIO管腳(GPI03與GPI05,即該芯片的75腳和71腳)實現控制功能。同時，外置SPi的flash存儲器用于程序存儲，實現通過電力線方式進行升級程序或本地串口升級程序。該芯片外置SRAM存儲器，用于芯片程序運行時的程序調用。該單元芯片內部的底層模擬信號發生器負責產生載波頻率信號。如圖9所示，載波轉換子層單元采用一片36MHz單片機(其型號為STM32F101)，用于完成載波底層管理、通信協議轉換、芯片接口初始化、通信數據基礎應用等功能，從而保證本電路方案可以應用在基于國網DLT645-1997/2007或國際DLMS/C0SEM標準的電表上。該單片機外圍電路，要求保證單片機通用管腳初始化具有高電平，從而可以降低其靜態功耗；增加的指示燈作為電源上電指示以及串口通信指示。本實用新型外置一片512Kbits的EEPROM存儲芯片，用于保存表計中繼節點信息以及集中器路由路徑信息等。如圖10所示，電源單元采用一片美國德州儀器公司的高效DC/DC芯片，其型號為TPS54331。該芯片的輸出電流高達3A，開關頻率為570kHz，遠遠大于通信頻點(42kHz至88kHz)，可以很好避免對電力線信號的干擾。本電源單元為載波信號阻抗匹配單元、載波接收單元、載波發送單元、過零檢測單元、載波PHY層控制單元和載波轉換子層單元供電。
權利要求1.一種基于Prime標準的載波電路，其特征在于，包括載波信號阻抗匹配單元、載波接收單元、載波發送單元、過零檢測單元、載波PHY層控制單元、載波轉換子層單元和電源單元；載波信號阻抗匹配單元與電力線進行阻抗匹配，將載波發送單元傳來的信號耦合發送至電力線，同時負責接收由電力線傳來的載波信號，并將接收的載波信號發送至載波接收單元；載波接收單元將接收到的載波信號進行信號整形、鉗位和濾波處理后發至載波PHY層控制單元；載波PHY層控制單元將接收到的載波信號進行信號解調以及底層數據流的解析，然后將數據信號傳至載波轉換子層單元；載波轉換子層單元對接收到的數據信號進行數據應用協議解析，并將解析完的信息通過串口發送至電能表，由此完成電力線數據的傳遞；電能表將數據信息通過載波轉換子層單元傳至載波PHY層控制單元；載波PHY層控制單元對數據信息進行頻率生成得到載波頻率信號，同時將該頻率信號通過載波轉換子層單元傳送至載波發送單元；載波發送單元將接收的載波頻率信號進行功率放大，再通過載波信號阻抗匹配電路，耦合發送至電力線；過零檢測單元將由電力線傳來的信號進行過零檢測并產生數字信號后，發送至載波PHY層控制單元，用于給發送至電力線的載波信號提供過零基準；電源單元給上述六個功能單元供電。
2.根據權利要求I所述的基于Prime標準的載波電路，其特征在于，所述載波PHY層控制單元采用意法半導體公司的載波通信芯片，其型號為ST7590。
3.根據權利要求I所述的基于Prime標準的載波電路，其特征在于，所述電源單元采用德州儀器公司的高效DC/DC芯片，其型號為TPS54331。
專利摘要本實用新型公開了一種基于Prime標準的載波電路，包括載波信號阻抗匹配單元、載波接收單元、載波發送單元、過零檢測單元、載波PHY層控制單元、載波轉換子層單元和電源單元。從電力線過來的載波信號通過載波信號阻抗匹配單元傳至載波接收單元，在通過載波PHY層控制單元經由載波轉換子層單元以及串口將信號傳至電能表；電能表將數據信息通過串口以及載波轉換子層單元傳至載波PHY層控制單元，進行頻率生成得到載波頻率信號后通過載波轉換子層單元傳送至載波發送單元，在通過載波信號阻抗匹配單元耦合至電力線。本實用新型是基于國際Prime標準OFDM電力線通信載波電路，該電路大幅提高了載波通信的速率。
文檔編號H04L5/00GK202750088SQ20122048348
公開日2013年2月20日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者王成, 邱仁峰, 胡北珍 申請人:長沙威勝信息技術有限公司