CN102006339A

CN102006339A - 基于ofdm技术的交直流电源线工业现场电话机

Info

Publication number: CN102006339A
Application number: CN2010105564106A
Authority: CN
Inventors: 孙兆岳; 李令远; 胡守伟
Original assignee: SHANGHAI NANHUA ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI NANHUA ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2011-04-06

Abstract

本发明涉及一种即插即用，接线方便简单，抗干扰能力强的工业现场电话机。所述的基于OFDM技术的交直流工业现场电话机，包括交直流电源线，信号耦合电路，EMI/EMC抑制电路，OFDM调制解调器，多媒体微处理器，耳麦，手柄，键盘，显示器，功放，扬声器等。本发明有益效果：话机接入网络即可使用，用户不需考虑阻抗匹配；强大的抗电磁干扰能力，电源和通讯共用一根两芯电缆，也无需屏蔽线。

Description

基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机

【技术领域】

本发明涉及工业现场电话机，具体涉及基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机。

【背景技术】

在港口、矿山、油田等领域，由于设备庞大，地域空旷，而且设备工作、检修需要各岗位配合，信息传送能否顺畅直接影响到生产的安全、效率，因此设备生产厂家、使用单位都非常重视。近年来，在设备上运用逆变、变频技术后，通讯可靠性更是受到强电磁干扰的威胁，为抑制电磁干扰，通常信号采用屏蔽技术、平衡技术传输，既增加了成本，效果又不理想。特别是语音通讯，需要三方或多方通话，多年来一直采用模拟方式，在设备运行时，信噪比很小，人声淹没在噪声里，人们不得不寻找新技术，新方法。

国内设备用电话机多为模仿国外多年前的同类产品，技术落后，在一些强干扰应用场合使用，功能低下，甚至无法使用。话机间为模拟通讯，对线路距离敏感，安装时基本需要调试，线路阻抗不匹配直接影响通话。对线路敷设要求严格，设备维护时更改接地或移动线路位置，就有可能窜入干扰，从而影响通话质量。对电缆要求高，一般为4或5芯屏蔽线，布线成本高。话机有主机、从机之分，有的需要交换机。

正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被看作一种复用技术。OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰，同时又提高了频谱利用率。OFDM技术实际上是MCM(多载波调制)的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

工业现场电话机领域GAI-TRONICS公司(http://gai-tronics.com.cn)产品最具代表性，GAI-TRONICS系统要通过交换中心交互，对于空间狭小的设备来说，安装不方便。《基于DSP的电力线载波OFDM调制解调器》(EDN china杂志)公开了数字信号处理器作为OFDM调制解调器在电力线载波的应用；MAXIM公司的MAX2990芯片公开了一种10kHz至490kHz、基于OFDM的电力线通信调制解调器，但基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机，网络及通讯方法未见报道。

【发明内容】

本发明的目的是，提供一种易于扩展，方便组网，即插即用，接线方便简单，抗干扰能力强的工业现场电话机。

本发明的再一的目的是，提供一种基于OFDM技术的交直流工业现场电话机的用途。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：基于OFDM技术的交直流工业现场电话机，包括交直流电源线，信号耦合电路，EMI/EMC抑制电路，OFDM调制解调器，多媒体微处理器，耳麦，手柄，键盘，显示器，功放，扬声器等，从耳麦或手柄进来的语音信号由多媒体微处理器处理，经OFDM调制解调器调制，从信号耦合电路信号耦合后输出到交直流电源线上；交直流电源线上的信号输入到信号耦合电路，由OFDM调制解调器解调后输入到多媒体微处理器处理后通过耳麦，手柄或扬声器输出音频信号。信号耦合电路，包括耦合电容，高频耦合变压器，交直流电源线的负端和高频耦合变压器串联后的输出及交直流电源线的正端输出和耦合电容并联，后经EMI/EMC抑制电路为基于OFDM技术的交直流工业现场电话机供电。多媒体微处理器包括核心处理模块，音频压缩模块，音频解压模块，混频模块，ADC模块，DAC模块，进入多媒体微处理器的音频信号经ADC模块采集后，由音频压缩模块压缩，经核心处理模块，将数据打包后输出给OFDM调制解调器调制；从OFDM调制解调器解调后进入多媒体微处理器的数据包，由核心处理模块解包，经音频解压模块解压缩，混频模块混频，再经DAC模块转换成音频信号输出。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：基于OFDM技术的交直流工业现场电话机在港口、矿山、油田工业现场电话网络中的应用。

本发明有如下有益效果：话机接入网络即可使用，用户不需考虑阻抗匹配；强大的抗电磁干扰能力，即使线路和变频器输出线平行敷设，仍然可获得清晰、纯净的声音；音质和音量不随话机间的距离远近而发生变化；电源和通讯共用一根两芯电缆，即使在强干扰下，也无需屏蔽线。

【附图说明】

图1是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机原理示意图。

图2是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机信号耦合电路原理图。

图3是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络拓扑结构示意图。

图4是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络的通讯方法广播和报警方法流程图。

图5是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络的通讯方法点对点通话方法流程图。

图6是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络的通讯方法多方通话方法流程图。

图7是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络测试接线图。

【具体实施方式】

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

附图1所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机原理示意图，其中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

01.交直流电源线 02.信号耦合电路

03.EMI/EMC抑制电路 04.OFDM调制解调器

05.多媒体微处理器 51.核心处理模块

52.音频压缩模块 53.ADC模块

54.音频解压模块 54.混频模块

55.DAC模块 06.键盘

61.报警键 07.显示器

08.手柄 81.广播键

09.耳麦 10.功放

11.扬声器

实施例1，通过OFDM载波方式把信号调制在+/-24V直流电源上，实现话机间的数据交换，即交直流电源线01是+/-24V直流电源线。交直流电源线01后经过浪涌和短路保护电路，由保险丝(或自恢复保险丝)，36V瞬变电压保护管(TVS)组成，当电压值超过TVS击穿电压时，TVS钳制在36V，保护后端各器件在安全电压范围内，如果高压持续时间过长，TVS损坏，保险丝动作，电话机脱离系统，保证损失最小。当电话机有器件短路或电流过大，保险丝也动作，电话机脱离系统，保证系统正常工作。

21.耦合电容 22.高频耦合变压器

信号耦合电路，包括耦合电容21，高频耦合变压器22，交直流电源线01的负端和高频耦合变压器22串联后的输出及交直流电源线的正端输出和耦合电容21并联，后经EMI/EMC抑制电路03为基于OFDM技术的交直流工业现场电话机供电。因高频耦合变压器22匝数较少，电源流经变压器所产生的直流偏磁可忽略，因耦合电容C对后端电路交流旁路，因话机并联连接，当C值足够大时，可看作所有话机耦合变压器并联。

功放10采用TI的TPA3110，双声道，15W/声道，可短时输出25W，BTL连接，输出为40W。多媒体微控制器05采用国产单片机AX系列，由珠海建荣提供，8051内核，单周期指令，内置DSP，USB，CRC，MII，PLL，DAC等，5个定时器，可执行8位，16位，24位指令，主频可至200mHz，实测在160mHz下可稳定工作。手柄08家用话机形状相同，采用动圈式送话器和受话器，手柄08中间内侧有一广播按键，手柄通话、广播两用，按下按键即为广播，通话时环境太吵，可以使用广播，转换灵活。键盘06采用12键标准布局。显示器07采用三位0.56英寸七段数码管。

从耳麦09或手柄08进来的语音信号由多媒体微处理器05处理，经OFDM调制解调器04调制，从信号耦合电路信号02耦合后输出到交直流电源线01上；交直流电源线01上的信号输入到信号耦合电路02，由OFDM调制解调器04解调后输入到多媒体微处理器05处理后通过耳麦09，手柄08或扬声器11输出音频信号。

多媒体微处理器05包括核心处理模块51，音频压缩模块52，音频解压模块54，混频模块55，ADC模块53，DAC模块56，进入多媒体微处理器05的音频信号经ADC模块采集53后，由音频压缩模块52压缩，经核心处理模块51，将数据打包后输出给OFDM调制解调器04调制；从OFDM调制解调器04解调后进入多媒体微处理器05的数据包，由核心处理模块51解包，经音频解压模块54解压缩，混频模块55混频，再经DAC模块56转换成音频信号输出。

01.交直流电源线100.基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机

基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络，包括交直流电源线01，还包括若干基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机100，并联在交直流电源线01上。基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机100包括键盘06，可通过键盘06设置本机电话号码。键盘06上设有报警键61，按下报警键61后，可打开网络上所有基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机的功放10，通过扬声器11发出报警音。基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机100包括手柄08，手柄08上设有广播键81，按下广播键81后可以关闭本机功放10，打开网络上其他基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机功放10，通过扬声器11广播通话。

下表是所述基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络的通讯方法数据帧构成表。

为了系统便于升级和扩展，通讯协议采用了802.3u；协议格式<帧间隔><报头><起始分隔符><数据体><帧校验>。网络上的电话机运行程序生成数据帧，包括以下步骤：用多播电话号码或目标电话号码作为被叫电话号码；用本机电话号码作为主叫电话号码；用一个数据帧数据长度作为数据长度字节；用摘机命令、广播命令、拨号命令，线忙命令或报警命令作为命令字节；用打开状态、关闭状态、语音数据状态作为链路状态字节；用语音数据作为数据段；用32位CRC校验作为校验字节。

为实现报警功能，包括以下程序：主叫电话机摘机后按住报警键，打开功放，发出被叫电话号码是广播电话号码，主叫电话号码是本机电话号码，命令字节数据是报警命令，链路状态字节数据是打开状态的数据帧；所述的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络上所有的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机接收到上述数据帧后打开功放，发出报警音；所述的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络上所有的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机定时关闭接受广播状态，并关闭功放。

为了在基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络实现广播通话功能，包括以下程序：主叫电话机摘机后按住广播键，关闭功放，发出被叫电话号码是广播电话号码，主叫电话号码是本机电话号码，命令字节数据是广播命令，链路状态字节数据是语音数据状态的数据帧；所述的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络上其他基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机接收到上述数据帧后打开功放，接收广播通话；所述的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络上所有的基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机定时关闭接受广播状态，并关闭功放；主叫电话机松开广播键后，上述接受广播状态关闭以前，任一其他基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话机摘机后进入多方通话状态。

为了在基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络实现点对点通话功能，包括以下程序：主叫电话机拨号后发出被叫电话号码是键盘拨号键入的目标电话号码，主叫电话号码是本机电话号码，命令字节数据是拨号命令，链路状态字节数据是关闭状态的数据帧；被叫电话机收到上述数据帧后发出振铃音，摘机后回复主叫电话机命令字节数据是摘机命令，链路状态字节数据是打开状态的数据帧，或回复命令字节数据是线忙命令，链路状态字节数据是关闭状态的数据帧；主被叫电话机发出命令字节数据是摘机数据，链路状态字节数据是语音状态，数据段是语音数据的数据帧进行点对点通话；通话状态的电话机拨号新的目标电话号码，新的电话机加入通话链路，多个电话机进入多方通话状态。

为了在基于OFDM技术的交直流电源线工业现场电话网络实现多方通话功能，包括以下程序：呼叫电话机根据语音检测语音大小，超过阈值，发送语音数据帧，否则放弃；接听电话机经过地址验证，如果是新的呼叫电话号码，分配新的数据缓存，如果是旧的呼叫号码使用已经分配的数据缓存；接听电话机使用对应数据缓存接收呼叫电话机的语音数据帧，并复位对应定时器；接听电话机定时器定时时间到，释放对应数据缓存。由于对数据缓存加入了定时器，定时器为零时，数据缓存释放，而定时器赋值是通过地址(电话号码)辨别、确认赋值的，因此，当同一电话在定时内无数据更新时，数据缓存无新数据写入，数据缓存释放，从而可以重新分配地址(电话号码)，加入新的话机。电话机录音加入了阈值，声音大于-15分贝时，才有音频输出，因此当无声音时，数据接收端电话在定时内接收不到数据，自动拆线；在有数据收到时重新接入。根据人的习惯，当听到其他人说话时，基本保持听状态，即一人说多人听，当有人抢话时，基本处于两人说，多人听状态，结合缓存动态分配机制，多方通话仍然自然。

测试仪器：两台示波器，VFD-F500变频器，240V转12V变压器，24V开关电源，笔记本做1000KHZ声音发音器；产品测试的目的：由VFD-F500变频器做干扰源(VFD-F500能产生AC220V-0HZ～400HZ的频率)产生不同频率的干扰，来测DT001在干扰前后的通话波形图，观察通话波形图是否受外界的干扰而影响通话波形；测试结果：在强干扰下，通讯未受影响，通话流畅，声音在有干扰何物干扰时无明显变化，基本满足现场使用要求。

实施例2：采用交流220V电源线供电，即电话机并联在交流220V电力线上；多媒体微处理器采用意法半导体的多媒体芯片

Cortex^TM-M3，内置USB，CRC，MII，PLL，DAC，ADC等，主频可至72M；信号耦合电路和EMI/EMC抑制电路作相应改动，以适应交流220V电力线。其他与实施例1相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.基于OFDM技术的交直流工业现场电话机，包括交直流电源线，信号耦合电路，EMI/EMC抑制电路，OFDM调制解调器，多媒体微处理器，耳麦，手柄，键盘，显示器，功放，扬声器等，其特征在于：从耳麦或手柄进来的语音信号由多媒体微处理器处理，经OFDM调制解调器调制，从信号耦合电路信号耦合后输出到交直流电源线上；交直流电源线上的信号输入到信号耦合电路，由OFDM调制解调器解调后输入到多媒体微处理器处理后通过耳麦，手柄或扬声器输出音频信号。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的交直流工业现场电话机，所述的信号耦合电路，包括耦合电容，高频耦合变压器，其特征在于：所述的交直流电源线的负端和高频耦合变压器串联后的输出及交直流电源线的正端输出和耦合电容并联，后经EMI/EMC抑制电路为所述基于OFDM技术的交直流工业现场电话机供电。

3.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的交直流工业现场电话机，所述的多媒体微处理器包括核心处理模块，音频压缩模块，音频解压模块，混频模块，ADC模块，DAC模块，其特征在于：进入多媒体微处理器的音频信号经ADC模块采集后，由音频压缩模块压缩，经核心处理模块，将数据打包后输出给OFDM调制解调器调制；从OFDM调制解调器解调后进入多媒体微处理器的数据包，由核心处理模块解包，经音频解压模块解压缩，混频模块混频，再经DAC模块转换成音频信号输出。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于OFDM技术的交直流工业现场电话机在港口、矿山、油田工业现场电话网络中的应用。