CN102044980A - 交流电网通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交流电网通信系统，包括：调制开关，设置在电器侧的AC/DC转换模块和信号识别模块；所述调制开关包括MCU模块，彼此串联的电源开关和可控硅，其中所述MCU模块连接到所述可控硅的控制极，进而产生精确的控制信号以控制所述可控硅在开启状态和调制状态间切换；所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流输入信号并将所述接收到的交流输入信号转换成相位调制信号；所述信号识别模块，用于接收所述相位调制信号，并基于设定的通信协议将所述相位调制信号转换成用于调制开关和电器间通信的通信信号。实施本发明的交流电网通信系统，解决了原有通信速率受限于火线电压震荡频率的问题，大大提高了通信速率。
Description
技术领域
本发明涉及通信系统，更具体地说，涉及一种交流电网通信系统。
背景技术
在传统的交流电网络中，火线和地线只能为用电器提供能量，而无法向用电器传递信号。必要的控制输入都位于用电器自身并且都是低电压下的直流输入信号。为了解决该问题，申请日为2009年7月16日，名为“交流电网通信系统”的发明专利申请CN200910108765.6提供了一种交流电网通信系统，其采用调制开关在二极管通路和正常通路之间进行切换(如图1所示)，通过AC/DC转换模块上产生全波整流信号和半波整流信号，从而实现与电器通信的目的。该技术方案的优点在于信号的调制方式简单，易于调制和解调。但是其传输速率因受制于火线电压震荡频率，完成一次半波传输需要20ms的时间(如图2所示)，而完成一次“0”、“1”信号的传输需要多个连续的半波信号，需要的时间更长，因此其通信速率远低于50Hz。因此，从效率的角度看半波状态下电网上的供电能力下降了一半，在实际应用中可能导致某些用电器无法正常工作。
因此，需要一种更高效的交流电网通信系统以提高通信的速率和降低对电网供电的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的交流电网通信系统的效率较低，通信速度较慢的缺陷，提供一种具有更高的通信速率且对电网供电影响较小的高效交流电网通信系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种交流电网通信系统，包括：
连接到交流输入电源的调制开关，设置在接入到所述交流电网的电器侧的AC/DC转换模块和信号识别模块；
所述调制开关包括MCU模块，彼此串联的电源开关和可控硅，其中所述MCU模块连接到所述可控硅的控制极，进而产生精确的控制信号以控制所述可控硅在开启状态和调制状态间切换；
所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流输入信号并将所述接收到的交流输入信号转换成相位调制信号；
所述信号识别模块，用于接收所述相位调制信号，并基于设定的通信协议将所述相位调制信号转换成用于调制开关和电器间通信的通信信号。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述电源开关的动触头连接到交流电源端，闭合触点连接到所述可控硅的阳极，所述可控硅的阴极连接到AC/DC模块。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述电源开关的动触头连接到交流电源端，闭合触点连接到所述可控硅的阴极，所述可控硅的阳极连接到AC/DC模块。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述相位调制信号位于π附近的相位区域。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述信号识别模块接收持续第一时间以上的高电平信号以生成标识有效操作开始的起始通信信号；所述信号识别模块接收自下降沿起持续第二时间以上的低电平信号以成生逻辑0信号；所述信号识别模块接收自下降沿起持续第三时间的低电平随后拉高并保持第四时间以上的高电平以成生逻辑1信号。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述第一时间为400us，所述第二时间为60us，所述第三时间小于5us，所述第四时间为55us。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述AC/DC转换模块包括整流全桥，直流输出二极管和直流输出电容、调制状态输出二极管、调制状态输出电容和第一电阻；
其中所述整流全桥的第一输入端经所述调制开关连接到交流电源，第二输入端连接到交流地，所述整流全桥的第一输出端连接到直流输出二极管的阳极和所述调制状态输出二极管的阳极，所述直流输出二极管的阴极连接到直流输出电容的正极，所述直流输出电容的负极连接到所述整流全桥的第二输出端和所述调制状态输出电容的负极，所述调制状态输出二极管的阴极连接到调制状态输出电容的阳极，所述第一电阻连接到所述调制状态输出电容的两端。
在本发明所述的交流电网通信系统中，所述AC/DC转换模块进一步包括变压器，其中所述变压器原边的一端经所述调制开关连接到交流电源，所述变压器的原边的另一端连接到交流地，所述整流全桥的第一和第二输入端连接到变压器的副边的两端。
在本发明所述的交流电网通信系统中，进一步包括设置在电器侧的信息反馈模块，用于判定和反馈电器的通信状态，其中所述电器的通信状态包括空闲状态、接收状态和执行状态。
实施本发明的交流电网通信系统，通过对调制开关进行改进，解决了原有通信速率受限于交流输入电源的电压震荡频率的问题，大大提高了通信速率。此外，由于调制时选取的相位在“π”附近，最大程度的避免了对交流输入电源的能量传输的影响，提高了系统的稳定性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术的调制开关的电路原理图；
图2是现有技术的调制开关的信号传输示意图；
图3是本发明的交流电网通信系统的调制开关的电路原理图；
图4是本发明的交流电网通信系统的原理框图；
图5是本发明的交流电网通信系统的一个实施例的电路原理图；
图6是本发明的交流电网通信系统的另一个实施例的电路原理图；
图7是本发明的交流电网通信系统的信号传输示意图；
图8是本发明的交流电网通信系统的时隙示意图；
图9是根据本发明的交流电网通信系统的信息反馈示意图。
具体实施方式
图4是本发明的交流电网通信系统的原理框图。如图4所示，本发明交流电网通信系统包括：连接到交流输入电源的调制开关，设置在接入到所述交流电网的电器侧的AC/DC转换模块和信号识别模块。其中所述MCU模块连接到所述可控硅的控制极，进而产生精确的控制信号以控制所述可控硅在开启状态和调制状态间切换。所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流输入信号并将所述接收到的交流输入信号转换成相位调制信号；所述信号识别模块，用于接收所述相位调制信号，并基于设定的通信协议将所述相位调制信号转换成用于调制开关和电器间通信的通信信号。
图3示出了本发明的调制开关的电路原理图，如图3所示，所述调制开关包括MCU模块，彼此串联的电源开关和可控硅。其中所述电源开关的动触头连接到交流电源端，闭合触点连接到所述可控硅的阳极，所述可控硅的阴极连接到AC/DC模块。
在本发明的另一优选实施例中，也可设计成，所述电源开关的动触头连接到交流电源端，闭合触点连接到所述可控硅的阴极，所述可控硅的阳极连接到AC/DC模块。
上述两种实施方式的控制原理基本相同，下面以图3示出的实施例对本发明的交流电网通信系统作进一步的介绍。根据本发明的介绍，本领域技术人员能够理解，当可控硅的阳极和阴极反向连接时形成的交流电网通信系统的工作过程和原理，在此就不再累述。
图5是本发明的交流电网通信系统的一个实施例的电路原理图。如图5所示，所述AC/DC转换模块包括整流全桥BR1，直流输出二极管D1和直流输出电容C1、调制状态输出二极管D2、调制状态输出电容C2和第一电阻R。所述整流全桥BR1的第一输入端经调制开关连接到交流电源，第二输入端连接到交流地。所述整流全桥BR1的第一输出端连接到直流输出二极管D1的阳极和所述调制状态输出二极管D2的阳极，所述直流输出二极管D1的阴极连接到直流输出电容C1的正极，所述直流输出电容C1的负极连接到所述整流全桥BR1的第二输出端和所述调制状态输出电容C2的负极，所述调制状态输出二极管D2的阴极连接到调制状态输出电容C1的阳极，所述第一电阻R连接到所述调制状态输出电容C2的两端。
在该实施例中，直流输出电容C1提供直流输出电压，取值10uF。调制状态输出电容C2及电阻R用于全波信号检测，取值1pF和10M。
图6示出了本发明的交流电网通信系统的另一实施例。其操作原理和结构与图5基本类似，而区别在于，图6中示出的实施例进一步包括用于隔离的变压器T。其中所述变压器T原边的一端经所述调制开关连接到交流电源，所述变压器的原边的另一端连接到交流地，所述整流全桥BR1的第一和第二输入端连接到变压器T的副边的两端。
除图5和6示出的实施例以外，根据本发明的交流电网通信系统还可采用其他的方式实现，具体结构和工作原理可参见，申请日为2009年6月30日，名为“交流系统中的直流控制装置”的发明专利申请CN 200910108431.9和申请日为2009年7月16日，名为“交流电网通信系统”的发明专利申请CN200910108765.6的描述，这两篇专利在此结合引用，以作参考。
图7是本发明的交流电网通信系统的信号传输示意图。下面结合图3、5和图7对本发明的交流电网通信系统的工作原理作进一步的说明。用图3所示的包含可控硅的相位调制开关后，可以在任意相位对交流输入信号进行调制，即AC/DC转换模块可以将接收到的交流输入信号转换成如图7所示的相位调制信号；而信号识别模块可基于所述相位调制信号接收检测信号，从而基于该检测信号生成通信信号，从而完成更复杂的信号传输。
虽然可控硅可以对交流输入信号的任意相位进行调制，但考虑到实际应用中用电器工作稳定性的问题，因此在本发明的优选实施例中，调制时选取的相位区域在“π”附近。
要实现电网上的数据通信首先必须定义通信时隙，即定义操作数通信信号，逻辑“0”和逻辑“1”。此外，为了明确通信的起始时刻，还须定义起始通信信号，即“START”信号。
图8给出了一种时隙定义的方式。检测信号为高电平，且超过400us时，生成“START”信号。当检测信号下降时，从下降沿开始，低电平持续至少60us时，生成逻辑0信号。当检测信号下降时，从下降沿开始在5us之内拉回高电平，并保持55us以上的高电平，生成逻辑1信号。
本领域技术人员知悉，虽然此处示出了一个优选时隙定义的实施例。但是本发明并不受到此处具体时间长度的限制。比如，“START”信号可以是高电平超过100us，200us，300us或其他任何合适的数值。逻辑0信号可以是当检测信号下降时，从下降沿开始，持续至少40us，50us，55us或是其他任何合适的数值的低电平。逻辑1信号可以时当检测信号下降时，从下降沿开始，在3us或2us之内拉回高电平，并保持60us，70us或其他合适数值以上的高电平时间。
在本发明的其他优选实施例中，本领域技术人员可以根据需要，设置表示结束的“END”信号等等；也可选取任何其他合适时间长度的高或低电平或其组合来表示“START”信号、逻辑1和/或逻辑。
由于交流电网特性的限制，只能实现从调制开关到电器的单向通信，而无法实现从电器到调制开关的通信。为此，可以在电器端增加信息反馈模块，进而采用声音或光等方式反馈人可以接收的信号。如图9所示为一种采用LED灯的反馈方式。电器的通信状态可分为“空闲状态”，“接收状态”，“执行状态”3个状态，可以用“灯灭”，“闪烁”，“常亮”3种方式显示。在本发明的其他实施例中，还可以采用显示模块来显示“空闲状态”，“接收状态”，“执行状态”。在本发明的另一实施例中，可以采用讯响器来表示。譬如，讯响器发出“滴”的响声表示“接收状态”，发出“嘟”的响声表示执行状态”，而不发出响声表示“空闲状态”。本领域技术人员还可根据需要，采用其他的方式来表示不同的运行状态。在本发明的另一实施例中，除了显示通信状态外，各个电器还可包括存储模块，用来根据指令存储、更新数据。
实施本发明的交流电网通信系统，通过对调制开关进行改进，解决了原有通信速率受限于交流电源的电压震荡频率的问题，大大提高了通信速率。此外，由于调制时选取的相位在“π”附近，最大程度的避免了对交流电源的的能量传输的影响，提高了系统的稳定性。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
Claims (9)
1.一种交流电网通信系统，其特征在于，包括：
连接到交流输入电源的调制开关，设置在接入到所述交流电网的电器侧的AC/DC转换模块和信号识别模块；
所述调制开关包括MCU模块，彼此串联的电源开关和可控硅，其中所述MCU模块连接到所述可控硅的控制极，进而产生精确的控制信号以控制所述可控硅在开启状态和调制状态间切换；
所述AC/DC转换模块，用于在所述调制开关的控制下接收交流输入信号并将所述接收到的交流输入信号转换成相位调制信号；
所述信号识别模块，用于接收所述相位调制信号，并基于设定的通信协议将所述相位调制信号转换成用于调制开关和电器间通信的通信信号。
2.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述电源开关的动触头连接到交流电源端，闭合触点连接到所述可控硅的阳极，所述可控硅的阴极连接到AC/DC模块。
3.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述电源开关的动触头连接到交流电源端，闭合触点连接到所述可控硅的阴极，所述可控硅的阳极连接到AC/DC模块。
4.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述相位调制信号位于π附近的相位区域。
5.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述信号识别模块接收持续第一时间以上的高电平信号以生成标识有效操作开始的起始通信信号；所述信号识别模块接收自下降沿起持续第二时间以上的低电平信号以成生逻辑0信号；所述信号识别模块接收自下降沿起持续第三时间的低电平随后拉高并保持第四时间以上的高电平以成生逻辑1信号。
6.根据权利要求5所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述第一时间为400us，所述第二时间为60us，所述第三时间小于5us，所述第四时间为55us。
7.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述AC/DC转换模块包括整流全桥，直流输出二极管和直流输出电容、调制状态输出二极管、调制状态输出电容和第一电阻；
其中所述整流全桥的第一输入端经所述调制开关连接到交流电源，第二输入端连接到交流地，所述整流全桥的第一输出端连接到直流输出二极管的阳极和所述调制状态输出二极管的阳极，所述直流输出二极管的阴极连接到直流输出电容的正极，所述直流输出电容的负极连接到所述整流全桥的第二输出端和所述调制状态输出电容的负极，所述调制状态输出二极管的阴极连接到调制状态输出电容的阳极，所述第一电阻连接到所述调制状态输出电容的两端。
8.根据权利要求7所述的交流电网通信系统，其特征在于，所述AC/DC转换模块进一步包括变压器，其中所述变压器原边的一端经所述调制开关连接到交流电源，所述变压器的原边的另一端连接到交流地，所述整流全桥的第一和第二输入端连接到变压器的副边的两端。
9.根据权利要求1所述的交流电网通信系统，其特征在于，进一步包括设置在电器侧的信息反馈模块，用于判定和反馈电器的通信状态，其中所述电器的通信状态包括空闲状态、接收状态和执行状态。
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