CN101621312B - 运用单片机构建的电力线载波通信芯片 - Google Patents
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Abstract
一种运用单片机构建的电力线载波通信芯片,使用单片机和内部的高速定时器产生数字调频信号,通过IO口输出载波信号,经载波功率放大器放大,将载波信号耦合到电力线上;载波信号的调频接收芯片是MC3371或MC3372,用C2、T2等组成接收带通滤波器,用D1、D2组成限幅电路,C5、R3等组成接收放大后的载波信号,通过C6进入U2的16脚进行首次混频;来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入,选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器放大;第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚,经U2内部放大器滤波后从第9脚输出,再从第10脚输入带通滤波器滤波放大后从第11脚输出,送到U1的AD转换器;接收信号的强度从U2的13脚输出。
Description
技术领域
本发明是一种运用单片机构建的电力线载波通信芯片。
背景技术
随着电网管理要求的提高,对远程电能数据的采集的要求越见迫切。低压电力线载波通信技术已得到广泛应用,但目前的载波通信芯片总有不尽人意的缺点和不足,由于使用专用的集成电路设计,导致载波通信芯片成本偏高,或由于通信软件固化于芯片内,用户无法进行功能扩展,或由于集成太多的硬件功能导致产品质量不稳定,或供货不及时等等,对使用载波通信芯片的产业用户形成制约因素,不利于规模生产,更为严重的是核心知识属于载波芯片硬件提供商,对产业用户的自主发展不利。
运用单片机,具有市场采购容易,大厂生产提供的产品,质量可靠,成本低廉,软件自主开发,具有知识产权等优点。
发明内容
本发明的目的是使用市场上容易得到的单片机,充分利用单片机片上资源,构建电力线载波通信的核心数字处理单元,配合外围的载波功率放大器和二次变频调频接收电路,将接收到的载波信号变换到较低的频率范围,再使用单片机的AD转换器采样,用数学方法解调出接收到的数据,以克服现有技术的不足。
本发明提出的这种运用单片机构建的电力线载波通信芯片,其特征是使用通用的单片机C8051F413或C8051F330,使用内部的高速定时器产生MSK数字调频信号,通过IO口P1.7输出已调制的载波信号,调制波经通道RF-TX与R14、C18、C19、R16-19、D3、D4、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行放大,经C20、L3、T2和C2共同组成谐振耦合电路,将载波信号耦合到电力线上;所述载波信号的调频接收芯片是MC3371或MC3372,用C2、T2、L1、C2、L2、C4、C3组成接收带通滤波器,用D1、D2组成限幅电路,C5、R3、N1、R2-R5、C14组成接收放大后的载波信号,通过C6进入U2的16脚进行第一次混频;来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入,混频信号通过BPF陶瓷带通滤波器,选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器进行放大;第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚,经U2内部放大器滤波后从第9脚输出,再从第10脚输入带通滤波器滤波放大后从第11脚输出,送到U1的AD转换器;接收信号的强度RSSI从U2的13脚输出;所述的载波芯片时钟使用石英振荡器;所述的U3载波功率放大器使用双场效应对管;所述的R15提供载波芯片交流电源同步信号。
载波芯片时钟频率使用24MHz、48MHz、22.1184MHz或44.2368MHz;所述晶体振荡器还产生MSK调制的载波信号和用于接收的第一第二本振频率。
辅助接收处理的调频接收芯片是MC3371或MC3372;并使用带通中心频率为455KHz、465KHz、480KHz当中的一种陶瓷带通滤波器作为中频选频器件。
载波功率放大器是双场效应对管IRF7350。
载波芯片使用220V交流的过零同步信号。
本发明由单片机U1实现载波通信的载频信号并实现对载频的数字MSK调制,调制后的信号由U1的P1.7输出,经由R14、C18、C19、R16-R19、D2、D3、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行D类放大后、由C20、L3滤波后从T2耦合到电力线上;来自电力线的载波信号由T2耦合,L1、C2、L2、C4调谐滤波,D1、D2限幅、N1放大后进入U2的16脚;接收到的载波信号经U2第一次变频后得到第一中频,第一中频可选455kHZ、465kHz或480kHz,第一本振由单片机U1的P1.6提供,其频率应满足关系f载波+f第一中频=f第一本振,第二本振比第一中频低20kHz,由U1的P1.5提供,馈入到U2的8脚,第二次变频后的信号由U2第9脚输出,再输入到U2脚10进入U2内部选频放大后由11脚输出20kHz左右的MSK调制信号,该信号送入U1的P1.3进行高速AD采样,采样后得到的数据进行数学运算进行软件解调;U2第13脚输出的信号送入U1的P1.4,进行AD转换后作为信号强度指示U1的P0.0采样交流电压的过零点,保证载波信号的收发与交流电源同步,从而确定载波发送端与接收端之间的相位关系,区分出载波发送端所在的是交流电源的哪一相。
本发明使用通用单片机C8051F413或C8051F330为核心,辅以调频接收芯片MC3371或MC3372、晶体振荡器、陶瓷滤波器及阻容元件,以及自主开发的单片机程序,构建的电力线载波通信芯片,实现了电力抄表的载波通信功能,该通信芯片可以取代PL2000A、Mi200、ST7538等载波通信芯片,应用于电力线载波抄表领域,该芯片克服了由于使用专用的集成电路设计,导致载波通信芯片成本偏高、用户功能扩展困难、供货不及时等不足,为电力行业应用提供了市场采购容易、质量可靠、成本低廉。
附图说明
图1是本发明方法的示意图。
图2是本发明载波收发部分电路原理图。
图3是本发明载波处理芯片电路原理图。
图1-3中,各零部件的标号如下:
图1中:A-单片机构成的载波处理芯片;B-晶体振荡器;C-载波功率放大器;D-载波发送谐振耦合输出回路;E-接收带通滤波器;F-第一混频器;G-第一中频带通滤波放大器;H-第二混频器;K-选频放大器。
图2中:U1-单片机;TX1-晶体振荡器;JK1-编程接口;U1管脚11-17数字接口;U1管脚20-23及1脚载波信号接口。
图3中:U2-调频接收芯片;U3-场效应对管;U4-稳压集成块;DB-整流桥;T1-电源变压器;T2载波耦合变压器;C2-载波耦合电容。
具体实施方式
图1所示,所述载波处理芯片由单片机A为核心,在石英晶体振荡器B的驱动下按其内部程序运行;A内部有4个可编程的定时器T0-T3,定时器T0作为载波调制信号发生器,输出的已经调制的MSK信号为方波信号f载波,f载波经载波功率放大器C放大后再经选频网络D后变换为正弦波馈入电力线,来自电力线的载波信号f载波经带通滤波器和限幅器E后进入第一混频器F,第一混频器F将来自电力线的已调载波频率f载波和来自载波芯片A的第一本振频率BZ1频率为f第一本振进行混频,混频后由带通滤波器G选出第一中频f第一中频并进行中放;第一本振f第一本振由载波芯片A的定时器T1产生;第一中放G放大并限幅后的等幅调频波进入第二混频器H,同时,比第一中频f第一中频低20kHz的第二本振BZ2也进入第二混频器H;第二本振f第二本振由载波芯片的定时器T2产生,混频后得到20kHz左右的第二中频,第二中频经过带通滤波器K后进入载波芯片A进行AD转换,变为数字信号,该数字信号经过精密的数字滤波,滤除各种干扰后解调出有用的数据;载波芯片A处理并通过校验后的数据从数字接口输出,与更高级别的应用系统进行数据通信,来自应用系统的数据经过载波芯片处理后通过前述的定时器T0调制后发送;第一中放G提供信号强度RSSI,输入到载波芯片进行接收信号强度指示用。
作为例子,取晶体振荡器B=48MHz,可以得到f0=76923Hz、f1=79734Hz的MSK数字调制信号,用于载波发送;载波芯片A为接收端产生533333Hz的第一本振频率,经过第一混频得到的信号为453599Hz和456410Hz的调频第一中频,该信号在455KHz的带通滤波器的通带内,将得到有效的放大;载波芯片A为接收端产生436363Hz的第二本振;通过第二混频器H后可得到17236Hz和20047Hz的第二中频,该信号经过带通滤波器K后进入载波芯片A,载波芯片A将对17236Hz、和20047Hz的信号进行精确的数字处理和解调运算,以得到真实的数据;AC为交流电源的同步信号,为载波芯片A提供发送同步和接收相序鉴别的基准信号。
图2所示,U1为构建本发明所述的载波芯片的单片机,型号为C8051F413以及C8051F330,其特征在于内部具有4个可编程定时器、1个可编程比较器、2通道200ksps的AD转换器以及16K以上的恶程序存储空间和768字节以上的内存空间,F330可以在25M工作、F413可以工作在50MHz;TX1为外部晶体振荡器,24MHz、48MHz、22.1184MHz及44.2368MHz为本发明所使用的频率;JK1为载波芯片的程序下载和调试接口;E4-E6、C24-C26、C29为电源退耦电容,C27、C28、R22为晶体振荡器外围元件,R20、R21芯片复位电阻;引脚11到17用于载波发送与接收的接口通道,11脚ADC接收解调输入;12脚RSSI接收信号强度测量;13脚Fosc2第二本振信号输出,14脚Fosc1第一本振信号输出,15脚RF-TX载波调制信号输出,16脚AC-in交流电源同步信号输入,17脚TX-EN发射允许,用于发射指示或发射功放控制;第1、第20到23脚数字接口通道,用于与应用系统上一级处理器交换数据,第1脚复位端,接受上级复位控制;20脚TXD发送数据到上级处理器;21脚RXD接收上级处理器数据;22脚INT向上级处理器发送中断请求;23脚CS载波芯片的选通信号,可作为低功耗休眠控制信号。
图3所示,U2为所述调频变频接收芯片,型号为MC3371或MC3372,T2、C2为载波耦合回路元件,L1、C2、L2、C4、C3组成接收带通滤波器,D1、D2组成限幅电路,限制高于700mV的信号进入下级接收放大器C5、R3、N1、R2-R5、C14组成接收放大器,对接收载波信号进行放大,放大后的信号通过C6进入U2的16脚进行第一次混频;来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入,混频信号通过BPF陶瓷带通滤波器,该滤波器可使用455KHz、465KHz、480KHz;选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器进行放大;第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚,经U2内部放大器滤波后从第9脚输出,再从第10脚输入带通滤波器滤波放大后从第11脚输出,送到U1的AD转换器;接收信号的强度RSSI从U2的13脚输出。
来自载波芯片U1的MSK调制波经通道RF-TX与R14、C18、C19、R16-19、D3、D4、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行放大,该放大器为D类放大器,在RF-TX保持高电平时自动处于关闭状态;C20、L3、T2和C2共同组成谐振耦合电路,将载波信号耦合到电力线上;U3为双场效应对管,型号为IRF7350;T1为电源变压器,DB为整流器,U4为5V稳压电源,如有上级处理器,VCC电源可以共用上级系统的电源;交流电源同步信号由R15提供。
Claims (5)
1.一种运用单片机构建的电力线载波通信芯片,其特征是使用通用的单片机C8051F413或C8051F330为核心,辅以载波信号调频接收芯片、晶体振荡器、陶瓷滤波器、阻容元件以及单片机程序,其中,单片机内部的高速定时器产生MSK载波信号,MSK载波信号通过单片机的IO口P1.7输出,经通道RF-TX与电阻R14、电容C18、电容C19、电阻R16-R19、二极管D3、二极管D4、三极管N2、三极管N3及集成块U3组成的载波功率放大器进行放大;电容C20、电感L3、变压器T2和电容C2共同组成谐振耦合电路,将载波信号耦合到电力线上;载波信号调频接收芯片U2是MC3371或MC3372,用电容C2、变压器T2、电感L1、电感L2、电容C4、电容C3组成接收带通滤波器,用二极管D1、二极管D2组成限幅电路,电容C5、电阻R3、三极管N1、电阻R2-R5、电容C14组成的接收放大器放大后的载波信号,通过电容C6进入载波信号调频接收芯片U2的第16脚进行第一次混频;来自单片机的第一本振频率经过电阻R12限流后从载波信号调频接收芯片U2的第1脚输入,混频信号通过接收带通滤波器,选频后的信号从载波信号调频接收芯片U2的第5脚输入第一中频放大器进行放大;第二本振频率由电阻R10、电阻R11馈入载波信号调频接收芯片U2第8脚,经载波信号调频接收芯片U2内部放大器滤波后从第9脚输出,再从第10脚输入接收带通滤波器滤波放大后从第11脚输出,送到单片机的AD转换器;接收信号的强度RSSI从载波信号调频接收芯片U2的第13脚输出;载波芯片时钟使用石英振荡器;所述的载波功率放大器使用双场效应对管;电阻R15提供单片机交流电源同步信号。
2.根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片,其特征在于载波芯片时钟使用24MHz、48MHz、22.1184MHz或44.2368MHz;所述石英振荡器还用于接收第一和第二本振频率。
3.根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片,其特征在于接收带通滤波器选用陶瓷带通滤波器作为中频选频器件,中心频率为455KHz、465KHz或480KHz当中的一种。
4.根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片,其特征在于载波功率放大器是双场效应对管IRF7350。
5.根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片,其特征在于单片机使用220V交流的过零同步信号。
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