CN101938518A - 一种低压电力线扩频通信数据链路层协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议。该低压电力线载波通信网络由一个主站与N个从站组成。主站和每个从站均有唯一的地址编码。所有数据包的传输采用帧同步格式。数据链路层采用主站时标同步，从站载波监听，分时主动发送的机制，帧格式由帧同步头、帧类型码、目标地址/源地址、长度、命令、数据、校验和等7部分组成。适用于采用载波系列芯片的载波集中器与载波数据采集、处理单元之间的主-从结构的半双工通信，也可适用于其它低速主-从结构的半双工低压电力线扩频通信中。

Description

一种低压电力线扩频通信数据链路层协议

技术领域

本发明涉及一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，适用于采用载波系列芯片的载波集中器与载波数据采集/处理单元之间的主-从结构的半双工通信，也可适用于其它低速(＜1Kbps)主-从结构的半双工低压电力线扩频通信中。

背景技术

低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介、实现数据传递和信息交换的技术，主要应用于远距离电力调度通信、远动信息传输、继电保护、工业自动控制系统、智能抄表管理系统、家用电器系统及计算机终端接口等场合。低压电力线载波通信中数据链路层的主要功能是在多个站点共享同一物理信道的情况下合理地在要求通信的站点间分配和管理信道；保证站点之间无差错地数据通信。因此合理地规划数据链路层协议，有利于提高通信的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压电力线载波通信的数据链路层协议。该协议采用主站时标同步，从站载波监听，分时主动发送的机制，改变了传统主-从结构半双工通信主机轮询、从机应答的模式。该协议不影响低压电力线载波通信的可靠性、稳定性，但提高了电力线载波通信的效率。

为达到上述目的，本发明的构思如下：低压电力线载波通信网络采用主从结构，网络中只有一个主站(载波集中器或其它数据终端)，N个从站(载波数据采集与处理单元)。通信只发生在主站和从站之间，从站相互之间不能进行通信。主站和每个从站均有唯一的地址编码。所有数据包的传输采用帧同步格式。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于：协议采用主站时标同步，从站载波监听，分时主动发送的机制；

主站与从站之间的通信包括以下步骤：

a)主站发送一个“时标同步信号”帧；

b)从站监听到主站发送的时标同步信号，计算本站允许发送的时间段，启动本站的定时器；

c)本从站允许发送的时间段到，并之前未监听到网络上有信息传送，在本从站允许发送的时间段可发送或不发送从站主动上传信息帧，关闭本站的定时器，等待a)的步骤再次出现；

d)本从站允许发送的时间段到，但之前监听到网络上有信息传送，关闭本站的定时器，不发送任何信息，等待a)的步骤再次出现；

e)主站在接收到从站发出的主动上传信息帧，给予应答。随后主站可发送命令帧或返回步骤a)：

f)从站在接收到主站发出的命令帧，给予应答。随后等待a)的步骤再次出现；

g)主站在本网络N个从站允许发送时间段全部到达之后，返回步骤a)。

数据的传送总是由主站发起，主站发送一个“时标同步信号”帧告知网络中的所有从站目前网络空闲；从站采用网络监听/分时发送的机制，当监听到主站发送一个“时标同步信号”帧，则启动自己的定时器，并根据各自的地址计算出从“时标同步信号”帧起到本站发送的延时时间；若定时器延时时间到，同时从站未监听到网络上从主站发送“时标同步信号”帧后有其他的帧信号，则向主站发送本从站的信息(帧)。若从站在定时器延时时间到之前，监听到网络上在主站发送“时标同步信号”帧后已有其他的帧信号，则认为网络忙，即使定时器延时时间到，也不发送本站的信息，必须等下一次主站发送“时标同步信号”重新启动数据通信。主站在收到从站发送的信息后，必须予以确认，并且紧接着发送“时标同步信号”帧，告知网络中的所有从站上一次数据通信结束，新的数据通信启动。

帧格式由帧同步头、帧类型码、目标地址/源地址、长度、命令、数据、校验和7部分组成。每部分由若干个字节组成。每字节为8bit二进制码，采用高位在前，低位在后的同步传输方式。

帧格式见说明书附图表1。

帧格式中每部分的定义如下：

1、帧同步头：8字节(0xff，0xff，0xff，0xff，0xff，0xff，0x09，0xaf)，用于载波芯片捕获和跟踪接收到的扩频信号。

2、帧类型码：1字节，表征目前网络上信息的性质，见说明书附图表2。

网络上传递的信息可分为六类：

a)主站发时标同步信号，帧类型码为0xe0

b)主站发广播信息，帧类型码为0x80

c)主站向从站发命令，帧类型码为0xb0

d)主站应答从站，帧类型码为0xc0

e)从站主动上传信息，帧类型码为0x30

f)从站应答主站，帧类型码为0x20

3、目标地址/源地址：1字节，主站地址：0xfc；从站地址：0x01-0xf8(最多248个从站)；广播地址：0xff；其他：保留。当主站向从站发命令或对主站应答从站时为接收该命令的从站的地址(目标地址)，当从站主动上传信息或从站应答主站时为从设备的地址(源地址)。当帧类型码为0xe0(主站发时标同步信号)时，目标地址/源地址为从站起始地址。

4、长度：1字节，表示了后续数据(命令、数据、校验和)的长度。当帧类型码为0xe0(主站发时标同步信号)时，长度等于0。

5、命令：1字节，用户定义。当帧类型码为0xe0(主站发时标同步信号)时，命令部分无。

6、数据：n字节，随命令而不一样，用户定义。当帧类型码为0xe0(主站发时标同步信号)时，数据部分无。

7、校验和：1字节，从帧类型码到数据的所有数据包内容的二进制和，再异或0xa5。

当主站发时标同步信号(帧类型码为0xe0)或主站发广播信息(帧类型码为0x80)，不需要从站应答。

不同帧类型码的帧格式见说明书附图表3。

上述的数据链路层协议中，帧类型码定义了在网络中通信的数据的类型，共六种，分别为：主站发时标同步信号帧、主站发广播信息帧、主站向从站发命令帧、从站主动上传信息帧、主站应答从站帧和从站应答主站帧。帧类型码为1字节二进制码，紧跟着帧同步头后发送。除了主站发时标同步信号帧外，其它帧都由帧同步头、帧类型码、目标地址/源地址、长度、命令、数据、校验和等七部分组成。

上述的数据链路层协议中，“主站发时标同步信号”帧不同于其它帧格式，它是一个短帧，仅由帧同步头、帧类型码(0xe0)、从站起始地址(0x00-0xf7)、长度(0x00)、校验和等五部分组成。

上述的数据链路层协议中本站允许发送时间段的计算可定义为：

本站允许发送时间段开始于：本站地址减去“时标同步信号”帧中的从站起始地址，再乘以72位位发送时间；

本站允许发送时间段终止于：本站地址减去“时标同步信号”帧中的从站起始地址，再乘以96位位发送时间。

具体描述为：

每次网络内的通信由主站发送时标同步信号(帧类型码为0xe0)开始。主站发送的时标同步信号帧中的目标地址/源地址定义为从站起始地址(X0)。

从站采用网络监听/分时发送的机制，当监听到主站发送一个“时标同步信号”帧，则启动自己的定时器，并根据各自的地址计算出从“时标同步信号”帧起到本站允许发送时间段。

本站允许发送开始时间(Tn)＝(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×延时时间1(T₇₂)

其中：T₇₂＝9×8×Tb＝9×8×(1/Fb)＝72位位发送时间

上式中Fb为网络内的数据传输速率，单位为bps；Tb为每个bit的发送时间。由于每字节为8bit二进制码，每个数据帧从开始传送到帧类型码需要9个字节，因此将延时时间1定义为传送72个位所需的时间。

本站允许发送终止时间(Te)＝(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×延时时间2(T₉₆)

其中：T₉₆＝12×8×Tb＝12×8×(1/Fb)＝96位位发送时间

上式中Fb为网络内的数据传输速率，单位为bps；Tb为每个bit的发送时间。由于每字节为8bit二进制码，每个数据帧从开始传送到帧类型码需要9个字节，再考虑到处理数据的时间，因此将单位延时时间定义为传送96个位所需的时间。

上述的数据链路层协议中从站监听到网络上有信息传送的定义为：

从站监听到网络上有帧同步头信息且后跟帧类型码不是主站发送的时标同步信息。

具体描述为：网络内的从站监听网络的状态，从站监听到主站发送的时标同步信号，以及时标同步信号帧中的从站起始地址，则启动自己的定时器，并根据各自的地址计算出从“时标同步信号”帧起到本站允许发送时间段；

若在本站允许发送时间段到达之前，监听到网络上有帧同步头信息且后跟帧类型码不是主站发送的时标同步信息，则认为网络上有信息传送——网络忙；以后若本站允许发送时间段到，亦不发送本站信息(帧)，必须等待再次监听到主站发送的时标同步信号的发生——网络空闲。

上述的数据链路层协议中从站发送或不发送从站主动上传信息帧的方法为：

从站有信息要上传给主站，发送从站主动上传信息帧；从站无信息要上传给主站，可不发送从站主动上传信息帧。

具体描述为：网络内的从站监听网络的状态，从站监听到主站发送的时标同步信号，以及时标同步信号帧中的从站起始地址，则启动自己的定时器，并根据各自的地址计算出从“时标同步信号”帧起到本站允许发送时间段；

若在本站允许发送时间段到，但之前从未监听到网络上有帧同步头信息且任何帧类型码信息，则认为网络空闲。若这时本站有信息要发送给主站，则发送从站主动上传信息帧；若本站没有信息要发送给主站，则可不发送任何信息(帧)，即不发送从站主动上传信息帧。

上述的数据链路层协议中主站发送一个“时标同步信号”帧到发送下一个“时标同步信号”帧的方法为：

主站发送一个“时标同步信号”帧后，接收到从站发出的主动上传信息帧，给予应答。随后主站可发送下一个“时标同步信号”帧；

网络有N个从站，主站发送“时标同步信号”帧后，到达结束时间(结束时间为N减去“时标同步信号”帧中的从站起始地址，再乘以96位位发送时间)，主站可发送下一个“时标同步信号”帧。

其结束时间可具体描述为：

结束时间T_s＝(从站地址N-从站起始地址(X0))×延时时间2(T₉₆)

其中：T₉₆＝12×8×Tb＝12×8×(1/Fb)＝96位位发送时间

上式中Fb为网络内的数据传输速率，单位为bps；Tb为每个bit的发送时间。

上述的数据链路层协议中，“时标同步信号”帧中的“从站起始地址”可定义为下一个可直接发送“从站主动上传信息帧”的从站地址-1。

具体描述为：

主站发的“时标同步信号”帧中包含“从站起始地址”，范围从0x00-0xf7。下一个可直接发送“从站主动上传信息帧”的从站地址＝“时标同步信号”帧中的“从站起始地址(0x00-0xf7)+1＝0x01-0xf8。

网络最多可设置248个从站(0x01-0xf8)；最大的从站地址为0xf8(＝N)；上述的结束时间最长＝248(0xf8)×96位位发送时间。

本发明与其他现有低压电力线载波通信数据链路层协议相比较，具有如下的突出特点和显著优点：本发明通过采用主站时标同步；从站载波监听、分时主动发送的机制，提高了网络通讯的实时性。只要网络空闲，从站分时发送时间到，即可主动发送信息给主站；而网络从忙到空闲的转换以及时间同步信号的发布均由主站通过发布同步时标帧来实现，网络管理简便。本发明适用于采用载波系列芯片的载波集中器(主站)与载波数据采集、处理单元(从站)之间的主-从结构的半双工通信，也可适用于其它低速(＜1Kbps)主-从结构的半双工低压电力线扩频通信中。

附图说明：

图1是主、从站在数据通信时网络上的状态示意图。

图2是主站在无从站发信息情况下的状态示意图。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：本发明提供的低压电力线载波通信的数据链路层协议采用主站时标同步，从站载波监听、分时主动发送的机制。其主从站之间的通信过程如下(见图1)：

a)在t₁时段，主站发送一个“时标同步信号”帧，且从站起始地址为0x00；

b)各从站监听到主站发送的时标同步信号，计算本站允许发送的时间段，启动本站的定时器；

1号从站允许发送的时间段＝(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×72位位发送时间～(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×96位位发送时间＝1×72位位发送时间～1×96位位发送时间；

2号从站允许发送的时间段＝(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×72位位发送时间～(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×96位位发送时间＝2×72位位发送时间～2×96位位发送时间；

3号从站允许发送的时间段＝(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×72位位发送时间～(从站地址(Xn)-从站起始地址(X0))×96位位发送时间＝3×72位位发送时间～3×96位位发送时间；

依次类推。

c)到t₂(＝t₁+T₇₂)时段，1号从站未监听到网络上有信息传送，满足发送条件，但无信息需要向主站发送，因此不发送从站主动上传信息帧。

到t₃(＝t₂+T₇₂＝t₁+2×T₇₂)时段，2号从站未监听到网络上有信息传送，满足发送条件，且有信息需要向主站发送，则发送从站主动上传信息帧，这时网络忙。

d)t₄(＝t₃+T₇₂＝t₁+3×T₇₂)时段，3号从站允许发送的时间段到，但由于此前监听到网络上有信息传送(2号从站发送从站主动上传信息帧)——网络忙，3号从站不满足发送条件，不发送信息。关闭本站的定时器，等待a)的步骤再次出现；

e)t₅时段，主站在接收到从站发出的主动上传信息帧，给予应答。随后在t₆时段主站可返回步骤a)[曲线①]或发送命令帧；

若主站返回步骤a)，再次发送一个“时标同步信号”帧，从站起始地址为0x03，下一个可直接发送“从站主动上传信息帧”的从站地址为0x04；

f)t₇时段，从站在接收到主站发出的命令帧，给予应答。随后等待a)的步骤再次出现；主站在收到从站的应答后，在t₈时段返回步骤a)[曲线②]；

若主站返回步骤a)，再次发送一个“时标同步信号”帧，从站起始地址为0x03，下一个可直接发送“从站主动上传信息帧”的从站地址为0x04；

g)若一个网络中有N个从站(见图2)，在t₁时段，主站发送一个“时标同步信号”帧，且从站起始地址为0x00；一直到t_S(＝t₁+N×T₇₂)时段，无任何从站在规定发送的时段主动向主站发送信息，既本网络N个从站允许发送时间段全部到达之后，主站则返回步骤a)再次发送时标同步信号，从站起始地址仍为0x00。

上述的帧格式如表1所示，帧类型码如表2所示，不同帧类型码的帧格式如表3所示。

表1

帧同步头

帧类型码

目标地址/源地址

长度

命令

数据

校验和

8bytes

1byte

1byte

1byte

1byte

N bytes

1byte

表2

表3

Claims (9)

1.一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于协议采用主站时标同步，从站载波监听，分时主动发送的机制；主站与从站之间的通信包括以下步骤：

a)主站发送一个时标同步信号帧；

b)从站监听到主站发送的时标同步信号，计算本站允许发送的时间段，启动本站的定时器；

c)本从站允许发送的时间段到，并之前未监听到网络上有信息传送，在本从站允许发送的时间段可发送或不发送从站主动上传信息帧，关闭本站的定时器，等待a)的步骤再次出现；

d)本从站允许发送的时间段到，但之前监听到网络上有信息传送，关闭本站的定时器，不发送任何信息，等待a)的步骤再次出现；

e)主站在接收到从站发出的主动上传信息帧，给予应答；随后主站可发送命令帧或返回步骤a)；

f)从站在接收到主站发出的命令帧，给予应答；随后等待a)的步骤再次出现；

g)主站在本网络N个从站允许发送时间段全部到达之后，返回步骤a)。

2.如权利要求1所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于帧格式由帧同步头、帧类型码、目标地址/源地址、长度、命令、数据及校验和七部分组成；每部分由若干个字节组成，每字节为8bit二进制码，采用高位在前，低位在后的同步传输方式。

3.如权利要求2所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于帧格式中的帧类型码定义了在网络中通信的数据的类型：共六种，分别为：主站发时标同步信号帧、主站发广播信息帧、主站向从站发命令帧、从站主动上传信息帧、主站应答从站帧和从站应答主站帧；帧类型码为1字节二进制码，紧跟着帧同步头后发送。

4.如权利要求1所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于所述步骤

a)的时标同步信号帧不同于权利要求2所述的其它帧格式，该时标同步信号帧是一个短帧，由帧同步头、帧类型码(0xe0)、从站起始地址(0x00-0xf7)、长度(0x00)及校验和组成。

5.如权利要求1所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于所述步骤

b)的本站允许发送时间段的计算：

开始于：本站地址减去时标同步信号帧中的从站起始地址，再乘以72位位发送时间；终

止于：本站地址减去时标同步信号帧中的从站起始地址，再乘以96位位发送时间。

6.如权利要求1所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于所述步骤

c)的从站监听到网络上有信息传送的定义：从站监听到网络上有帧同步头信息且后跟帧类型码不是主站发送的时标同步信息。

7.如权利要求1所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于所述步骤

d)的从站发送或不发送从站主动上传信息帧的方法：从站有信息要上传给主站，发送从站主动上传信息帧；从站无信息要上传给主站，可不发送从站主动上传信息帧。

8.如权利要求1所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于主站发送一个时标同步信号帧到发送下一个时标同步信号帧的方法为：主站发送一个时标同步信号帧后，接收到从站发出的主动上传信息帧，给予应答，随后主站可发送下一个时标同步信号帧；网络有N个从站，主站发送“时标同步信号”帧后，到达结束时间，该结束时间为N减去时标同步信号帧中的从站起始地址，再乘以96位位发送时间，主站可发送下一个时标同步信号帧。

9.如权利要求4所述的一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议，其特征在于时标同步信号帧中的从站起始地址：其定义为下一个可直接发送从站主动上传信息帧的从站地址-1。

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