CN102271010A - 具有电力线繁忙检测的电力载波芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其包括MSK解调电路及MSK调制电路；MSK解调电路通过第一调节开关与接收端相连，MSK调制电路通过第二调节开关与发射端相连，第一调节开关及第二调节开关的控制端均与线路繁忙检测模块的输出端相连，线路繁忙检测模块的输入端与第一调节开关对应于与接收端相连的一端相连；当线路繁忙检测模块检测耦合变压器的接收端繁忙时，线路繁忙检测模块通过第二调节开关断开MSK调制电路与发射端的连接，并通过第一调节开关使得MSK解调电路与接收端相连。本发明能够降低电力载波数据冲突，结构紧凑，提高了系统的稳定性和集成度，安全可靠。

Description

具有电力线繁忙检测的电力载波芯片

技术领域

本发明涉及一种用于电力载波通信的芯片，尤其是一种具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，属于电力载波的技术领域。

背景技术

最小频移键控(MSK)是频移键控(FSK)的一种特殊情况。MSK用正交的两个正弦波(频率f₀和频率f₁)来表示0和1；但是和普通FSK不一样，MSK的频率的距离(f₁-f₀)只是数据传输速率R(1/T，T是传输一位数据的时间)的一半，这大大提高了带宽效率。f_c＝(f₁+f₀)/2被称为载波中心频率。

采用最小频移键控的电力载波装置中，通过同一个耦合变压器和电力线进行发射信号及接收信号的耦合，并且是在同一个通讯频段进行信号传输。当有多个发射端同时发射时，就会造成电力载波通信的数据冲突，影响电力载波通信的信道的使用率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其能够降低电力载波数据冲突，结构紧凑，提高了系统的稳定性和集成度，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，包括用于与耦合变压器的接收端相连的MSK解调电路及与耦合变压器的发射端相连的MSK调制电路；所述MSK解调电路通过第一调节开关与接收端相连，MSK调制电路通过第二调节开关与发射端相连，第一调节开关及第二调节开关的控制端均与线路繁忙检测模块的输出端相连，所述线路繁忙检测模块的输入端与第一调节开关对应于与接收端相连的一端相连；线路繁忙检测模块根据接收端输入的接收信号对耦合变压器的接收端状态进行繁忙检测，当线路繁忙检测模块检测到耦合变压器的接收端有载波信号时，线路繁忙检测模块通过第二调节开关断开MSK调制电路与发射端的连接，并通过第一调节开关使得MSK解调电路与接收端相连。

所述线路繁忙检测模块包括匹配滤波器，所述匹配滤波器的输出端与包络检波模块相连，所述包络检波模块的输出端与滞后阀相连，所述滞后阀的输出端分别与第一调节开关及第二调节开关的控制端相连；匹配滤波器根据接收信号进行匹配关联，并向包络检波模块输入最大关联信号；所述包络检波模块对所述最大关联信号进行包络检测，并向滞后阀输入包络幅值；所述滞后阀将包络幅值与预设阈值进行比较，并根据所标记发射端的状态输出调节信号，以调节第一调节开关及第二调节开关的开关状态。

所述匹配滤波器包括第一关联匹配模块及第二关联匹配模块，所述第一关联匹配模块及第二关联匹配模块与接收信号相连，并分别对接收信号对应的载波信号进行关联匹配；第一关联匹配模块的输出端通过第一加法器及第一绝对值运算器与第一最大值运算器相连，第二关联匹配模块通过第二加法器及第二绝对值运算器与第一最大值运算器相连，所述第一最大值运算器将第一绝对值运算器及第二绝对值运算器间的较大值以最大关联信号输出。

所述包络检波模块包括比较器及第五加法器，所述比较器及第五加法器的输入端与匹配滤波器的输出端相连；比较器的输出端与两路选择开关的控制端相连，第五加法器的另一输入端与第三参数发生器相连，第五加法器将匹配滤波器输出的最大关联信号及第三参数发生器产生的第第三调整控制参数相累加，第五加法器的输出端与两路开关选择开关的输入端相连，两路选择开关的输出端与最小值运算器的输入端相连，最小值运算器的输出端与第二最大值运算器的输入端相连，所述第二最大值运算器通过检波寄存器输出包络幅值，所述检波寄存器产生的包络幅值通过第三加法器与第二参数发生器产生的第二调整控制参数作差，且第三加法器的输出端分别与第四加法器、两路选择开关及比较器的输出端相连，第四加法器的输入端还与第一参数发生器相连，第四加法器的输出端与最小值运算器的输入端相连，第二最大值运算器的输入端与信号发生器相连。

所述耦合变压器的接收端通过第一滤波器、放大电路及第一模数转换模块与线路繁忙检测模块的输入端相连，且第一模数转换模块通过第一调节开关与MSK解调电路相连，所述MSK解调电路的输出端与控制器相连，控制器的输出端与MSK调制电路相连，所述MSK调制电路通过第二调节开关与第二模数转换模块相连，第二模数转换模块通过第二滤波器及耦合驱动模块与耦合变压器的发射端相连。

所述第一模数转换模块及第二模数转换模块均为一位模数转换器。所述第一调节开关及第二调节开关包括MOSFET管。

所述第一滤波器及第二滤波器均为带通滤波器。

本发明的优点：MSK解调电路通过第一调节开关与接收端相连，MSK调制电路通过第二调节开关与发射端相连，第一调节开关与第二调节开关的控制端与线路繁忙检测模块的输出端相连，线路繁忙检测模块根据接收信号能够得到线路繁忙的标记状态，从而能够控制第一调节开关与第二调节开关的开关状态，避免电力线上数据冲突，结构紧凑，提高了系统的稳定性和集成度，确保了电力载波数据传输的可靠性，提高了数据处理的效率及信道的使用率。

附图说明

图1为本发明使用状态的结构框图。

图2为本发明线路繁忙检测模块的结构框图。

图3为本发明匹配滤波器的结构框图。

图4为本发明包络检波模块的结构框图。

图5为本发明接收信号的仿真示意图。

图6为本发明调制信号的仿真示意图。

图7为本发明线路繁忙检测输出的仿真示意图。

附图标记说明：1-耦合变压器、2-发射端、3-耦合驱动模块、4-第一滤波器、5-第一模数转换模块、6-MSK调制电路、7-控制器、8-MSK解调电路、9-第二滤波器、10-放大电路、11-第二模数转换模块、12-接收端、13-线路繁忙检测模块、14-第一调节开关、15-第二调节开关、16-接收信号、17-匹配滤波器、18-包络检波模块、19-滞后阀、20-第一绝对值运算器、21-第一最大值运算器、22-第二绝对值运算器、23-第一加法器、24-第一关联加法器、25-关联寄存器、26-第二关联加法器、27-第二加法器、28-第一参数发生器、29-第二参数发生器、30-第三加法器、31-检波寄存器、32-第二最大值运算器、33-信号发生器、34-最小值运算器、35-第四加法器、36-两路选择开关、37-第五加法器、38-第三参数发生器、39-比较器、40-第一关联匹配模块及41-第二关联匹配模块。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：采用电力载波时，耦合变压器1的发射端2同时会有多个载波信号发射，会造成电力线的繁忙及数据包的冲突，为避免上述情况，提高电力载波的稳定性及可靠性，本发明包括第一调节开关14及第二调节开关15；具体地，耦合变压器1的接收端12通过第一滤波器4、放大电路10及第一模数转换模块5与第一调节开关14的一端相连，第一调节开关14的另一端与MSK解调电路8相连，第二调节开关15的一端与MSK调制电路6相连；为了能够对电力载波信号进行处理，MSK解调电路8及MSK调制电路6与控制器7相连，所述控制器7为处理电力载波常用的微处理器，通过MSK调制电路6及MSK解调电路8能够完成以MSK方式进行电力载波信号的调制及解调。MSK调制电路6通过第二调节开关15与第二模数转换模块11相连，第二模数转换模块11通过第二滤波器9、耦合驱动模块2与耦合变压器1的发射端2相连，通过耦合变压器1的发射端2能够在电力线上以MSK方式传输载波信号。第一调节开关14及第二调节开关15的控制端均与线路繁忙检测模块13的输出端相连，线路繁忙检测模块13的输入端与第一模数转换模块5对应于与第一调节开关14相连的一端相连，通过对第一模数转换模块15输出的接收信号16进行繁忙度检测，来调节第一调节开关14及第二调节开关15的开关状态；其中，当检测到电力线具有多个发射源同时发射载波信号时，线路繁忙检测模块13输出的控制信号使得第一调节开关14闭合，第二调节开关15断开，也即达到停止向耦合变压器1的发射端2发射载波信号，同时通过MSK解调电路6进行载波信号解调，并将解调后的信号通过控制器7进行处理，达到了防止数据冲突的作用，提高了信道的使用率。通过高采样过密率来换取对模数转换器的低要求，第一模数转换模块5及第二模数转换模块11可以采用实质为一位的模数转换器；第一滤波器4及第二滤波器9均采用带通滤波器；MSK调制电路6及MSK解调电路8采用现有的电路结构。

如图2所示：为了能够达到对电力线繁忙的检测，所述线路繁忙检测模块13包括匹配滤波器17、包络检波模块18及滞后阀19，所述匹配滤波器17的输出端与包络检波模块18相连，所述包络检波模块18的输出端与滞后阀19相连，所述滞后阀19的输出端分别与第一调节开关14及第二调节开关15的控制端相连；匹配滤波器17根据接收信号16进行匹配关联，并向包络检波模块18输入最大关联信号；所述包络检波模块18对所述最大关联信号进行包络检测，并向滞后阀19输入包络幅值；所述滞后阀19将包络幅值与预设阈值进行比较，并根据所标记发射端2的状态输出调节信号，以调节第一调节开关14及第二调节开关15的开关状态。接收信号16为第一模数转换模块5进行模数转换后的数字信号。

如图3所示：所述匹配滤波器17包括第一关联匹配模块40及第二关联匹配模块41，所述第一关联匹配模块40及第二关联匹配模块41与接收信号16相连，并分别对接收信号16对应的载波信号进行关联匹配；第一关联匹配模块40的输出端通过第一加法器23及第一绝对值运算器22与第一最大值运算器21相连，第二关联匹配模块41通过第二加法器27及第二绝对值运算器20与第一最大值运算器21相连，所述第一最大值运算器21将第一绝对值运算器22及第二绝对值运算器20间的较大值以最大关联信号输出。第二关联匹配模块41内包括若干第二关联加法器26，所述第二关联加法器26的数量与MSK载波信号中表示数据0波形的频率相一致，第二关联加法器26的输入端分别与f0_0、f0_1、……、f0_i+1、f0_i+2相连，且第二关联加法器26与检波寄存器25的输出端相连，所述检波器寄存器25的数量与第二关联加法器26的数量相对应，检波寄存器25的输入端与接收信号16相连，当接收信号16的载波信号与表示0的波形数据相一致时，第二关联匹配模块41达到与接收信号16的最大匹配关联。第一关联匹配模块40内包括若干第一关联加法器24，所述第一关联加法器24的数量与MSK载波信号中表示数据1波形的频率相一致，第一关联加法器24的输入端分别与f1_0、f1_1、……、f1_i+1、f1_i+2相连，其中，f1_0、f1_1、……、f1_i+1、f1_i+2表述MSK载波信号中表述1的波形，且第一关联加法器24与检波寄存器25的输出端相连，第一关联匹配模块40与第二关联匹配模块41共用若干相应的检波寄存器25；当接收信号16的载波信号与表述1的波形数据相一致时第一关联匹配模块40就能够达到与接收信号16的最大匹配关联。第一关联匹配模块40与第二关联匹配模块41间进行关联匹配的载波信号可以互换。第一关联匹配模块40内的第一关联加法器24的输出端均与第一加法器23的输入端相连，通过第一加法器23能够累加关联，第一加法器23的输出端通过第二绝对值运算器22与第一最大值运算器21的输入端相连。第二关联匹配模块41内的第二关联加法器26的输出端均与第二加法器27的输入端相连，通过第二加法器27进行累加关联，第二加法器27通过第二绝对值运算器20与第一最大值运算器21的输入端相连。第一最大值运算器21将第一绝对值运算器20及第二绝对值运算器22输入的值进行比较，且第一最大值运算器21将第一绝对值运算器20及第二绝对值运算器22中的数值较大值以最大关联信号形式输出，达到对接收信号16的最大关联。

如图4所示：所述包络检波模块18包括比较器39及第五加法器37，所述比较器39及第五加法器37的输入端与匹配滤波器17的输出端相连；比较器39的输出端与两路选择开关36的控制端相连，第五加法器37的另一输入端与第三参数发生器38相连，第五加法器37将匹配滤波器17输出的最大关联信号及第三参数发生器38产生的第第三调整控制参数相累加，第五加法器37的输出端与两路开关选择开关36的输入端相连，两路选择开关36的输出端与最小值运算器34的输入端相连，最小值运算器34的输出端与第二最大值运算器32的输入端相连，所述第二最大值运算器32通过检波寄存器31输出包络幅值，所述检波寄存器31产生的包络幅值通过第三加法器30与第二参数发生器29产生的第二调整控制参数作差，且第三加法器30的输出端分别与第四加法器35、两路选择开关36及比较器39的输出端相连，第四加法器35的输入端还与第一参数发生器28相连，第四加法器35的输出端与最小值运算器34的输入端相连，第二最大值运算器32的输入端与信号发生器33相连。第一参数发生器28产生的第一调整控制参数为MaxDelta，第二参数发生器29产生的第二调整控制参数为(Tau+1)*2^(-nbr_frac-bits)，第三参数发生器38产生的第三调整控制参数为1-2^(-nbr_frac-bits)，其中，Tau、2^(-nbr_frac-bits)、MaxDelta为预先设置的调整参数，通过上述参数能够控制包络的上升速度和下降速度。比较器39将匹配滤波器17输出的最大关联信号及第三加法器30输出的信号进行比较，且比较器39输出其中的较大值，且比较器39输出的信号作为两路选择开关36的控制信号。第五加法器37将匹配滤波器17输出的最大关联信号及第三参数发生器38产生的第三调整控制参数进行累加，两路选择开关36将第三加法器30及第五加法器37输入值中的较大值输出，最小值运算器34将两路选择开关36及第四加法器35间输入值中的较小值输出。从上述结构得到包络检波模块18进行包络检波的工作原理为：将当前包络信号值和输入的最大关联信号值进行比较，当包络信号小于输入的最大关联信号信号时，包络信号增加变成输入信号，但增值部分不能超过MaxDelta；当包络信号大于输入的最大关联信号时，包络信号按预定的参数Tau进行衰减；通过上述比较、判断及处理后，能够通过检波寄存器31输出包络幅值。

为了能够准确的判断线路繁忙信号，根据线路繁忙信号调节MSK调制电路6及MSK解调电路8的连接状态，所述包络检波模块18输出的包络幅值输入到滞后阀19内，由滞后阀19进行比较和判断。滞后阀19进行比较判断的过程为：当之前线路状态标记为不繁忙，且包络幅值大于第一阈值时，滞后阀19将电力线的状态设置为繁忙状态；当之前线路状态标记为繁忙时，且包络幅值小于第二阈值时，滞后阀19将电力线的状态设置为不繁忙，上述第一阈值与第二阈值中，第一阈值大于第二阈值的数值。滞后阀19将上述电力线的状态输出，从而根据电力线的标记状态来控制第一调节开关14及第二调节开关15的开关状态。第一调节开关14与第二调节开关15可以采用MOSFET管，或者采用其他开关形式。滞后阀19通过将包络幅值与电力线的状态进行关联处理，能够确保对电力线状态检测的准确性，能提高电力载波的传输质量及可靠性。

如图1～图7所示：使用时，将电力载波芯片与控制器7及耦合变压器1对应连接，线路繁忙检测模块13与耦合变压器1的接收端12相应。工作时，线路繁忙检测模块13对接收信号16进行分析处理，当线路繁忙检测模块13检测到接收端12有繁忙信号时，也即耦合变压器1的发射端2同时有多个发射信号，为了提高信道使用率，就需要调节MSK调制电路6及MSK解调电路8的连接状态。线路繁忙检测模块13通过匹配滤波器17输出最大关联信号，通过包络检波模块18输出包络幅值，通过滞后阀19对包络幅值与设定阈值进行比较，并根据之前电力线的状态进行关联，能够确保电力线进行载波信号传输的稳定性及可靠性，避免电力载波芯片中第一调节开关14与第二调节开关15间频率开关动作。在电力线繁忙时，通过让第二调节开关15断开，第一调节开关14闭合，能够进一步减少电力线上进行载波数据传输的冲突，同时不会影响进行电力载波进行解调及处理的效率。图5为没有进行线路繁忙检测时，进行电力线载波的仿真示意图；图6为利用调制信号的仿真示意图；通过图6的调制信号对图5中的载波信号进行解调，同时通过线路繁忙检测模块13对线路繁忙状态进行标记，图7为进行线路繁忙状态标记的仿真示意图；从图6可以看出载波信号中包含了大量的噪声，很难分辨出信号的位置，降低了进行载波信号解调的质量。图7中的直线表示线路繁忙状态，通过这个线路繁忙状态能够精确控制第一调节开关14及第二调节开关15的开关状态，能确保电力信号载波的可靠性及效率。

本发明MSK解调电路8通过第一调节开关14与接收端12相连，MSK调制电路6通过第二调节开关15与发射端2相连，第一调节开关14与第二调节开关15的控制端与线路繁忙检测模块13的输出端相连，线路繁忙检测模块13根据接收信号16能够得到线路繁忙的标记状态，从而能够控制第一调节开关14与第二调节开关15的开关状态，避免电力线上数据冲突，结构紧凑，提高了系统的稳定性和集成度，确保了电力载波数据传输的可靠性，提高了数据处理的效率及信道的使用率。

Claims (8)

1.一种具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，包括用于与耦合变压器(1)的接收端(12)相连的MSK解调电路(8)及与耦合变压器(1)的发射端(2)相连的MSK调制电路(6)；其特征是：所述MSK解调电路(8)通过第一调节开关(14)与接收端(12)相连，MSK调制电路(6)通过第二调节开关(15)与发射端(2)相连，第一调节开关(14)及第二调节开关(15)的控制端均与线路繁忙检测模块(13)的输出端相连，所述线路繁忙检测模块(13)的输入端与第一调节开关(14)对应于与接收端(12)相连的一端相连；线路繁忙检测模块(13)根据接收端(12)输入的接收信号(16)对耦合变压器(1)的接收端(12)状态进行繁忙检测，当线路繁忙检测模块(13)检测到耦合变压器(1)的接收端(12)有载波信号时，线路繁忙检测模块(13)通过第二调节开关(15)断开MSK调制电路(6)与发射端(2)的连接，并通过第一调节开关(14)使得MSK解调电路(8)与接收端(12)相连。

2.根据权利要求1所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述线路繁忙检测模块(13)包括匹配滤波器(17)，所述匹配滤波器(17)的输出端与包络检波模块(18)相连，所述包络检波模块(18)的输出端与滞后阀(19)相连，所述滞后阀(19)的输出端分别与第一调节开关(14)及第二调节开关(15)的控制端相连；匹配滤波器(17)根据接收信号(16)进行匹配关联，并向包络检波模块(18)输入最大关联信号；所述包络检波模块(18)对所述最大关联信号进行包络检测，并向滞后阀(19)输入包络幅值；所述滞后阀(19)将包络幅值与预设阈值进行比较，并根据所标记发射端(2)的状态输出调节信号，以调节第一调节开关(14)及第二调节开关(15)的开关状态。

3.根据权利要求2所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述匹配滤波器(17)包括第一关联匹配模块(40)及第二关联匹配模块(41)，所述第一关联匹配模块(40)及第二关联匹配模块(41)与接收信号(16)相连，并分别对接收信号(16)对应的载波信号进行关联匹配；第一关联匹配模块(40)的输出端通过第一加法器(23)及第一绝对值运算器(22)与第一最大值运算器(21)相连，第二关联匹配模块(41)通过第二加法器(27)及第二绝对值运算器(20)与第一最大值运算器(21)相连，所述第一最大值运算器(21)将第一绝对值运算器(22)及第二绝对值运算器(20)间的较大值以最大关联信号输出。

4.根据权利要求2所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述包络检波模块(18)包括比较器(39)及第五加法器(37)，所述比较器(39)及第五加法器(37)的输入端与匹配滤波器(17)的输出端相连；比较器(39)的输出端与两路选择开关(36)的控制端相连，第五加法器(37)的另一输入端与第三参数发生器(38)相连，第五加法器(37)将匹配滤波器(17)输出的最大关联信号及第三参数发生器(38)产生的第第三调整控制参数相累加，第五加法器(37)的输出端与两路开关选择开关(36)的输入端相连，两路选择开关(36)的输出端与最小值运算器(34)的输入端相连，最小值运算器(34)的输出端与第二最大值运算器(32)的输入端相连，所述第二最大值运算器(32)通过检波寄存器(31)输出包络幅值，所述检波寄存器(31)产生的包络幅值通过第三加法器(30)与第二参数发生器(29)产生的第二调整控制参数作差，且第三加法器(30)的输出端分别与第四加法器(35)、两路选择开关(36)及比较器(39)的输出端相连，第四加法器(35)的输入端还与第一参数发生器(28)相连，第四加法器(35)的输出端与最小值运算器(34)的输入端相连，第二最大值运算器(32)的输入端与信号发生器(33)相连。

5.根据权利要求1所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述耦合变压器(1)的接收端(12)通过第一滤波器(4)、放大电路(10)及第一模数转换模块(5)与线路繁忙检测模块(13)的输入端相连，且第一模数转换模块(5)通过第一调节开关(14)与MSK解调电路(8)相连，所述MSK解调电路(8)的输出端与控制器(7)相连，控制器(7)的输出端与MSK调制电路(6)相连，所述MSK调制电路(6)通过第二调节开关(15)与第二模数转换模块(11)相连，第二模数转换模块(11)通过第二滤波器(9)及耦合驱动模块(3)与耦合变压器(1)的发射端相连。

6.根据权利要求5所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述第一模数转换模块(5)及第二模数转换模块(11)均为一位模数转换器。

7.根据权利要求1所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述第一调节开关(14)及第二调节开关(15)包括MOSFET管。

8.根据权利要求5所述具有电力线繁忙检测的电力载波芯片，其特征是：所述第一滤波器(4)及第二滤波器(9)均为带通滤波器。

Images