CN102315861A - 一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元(300)。所述同轴通信单元(300)包括依次相连的双工滤波器(301)、模拟前端(302)和同轴以太网数据处理单元(303)，还接有连接器接插件(304)。该单元可应用于智能电网的各项数据采集，并通过同轴电缆将采集到的数据上传至集中器或相关服务器进行处理分析，为智能电网提供基于同轴电缆的采集数据方案。

Description

一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元

技术领域

本发明涉及智能电网用电信息采集领域，具体涉及一种利用同轴电缆网络采集各类信息的可编程通信单元。

背景技术

智能电网计划(Smart power grid plan)是中国国家电网公司2009年5月21日首次公布的，其内容有：坚强智能电网以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

传统的通信方式，按信道介质分，常见的通讯有电力线载波通讯、电话线通讯和无线通讯等方式，具体特性如下。

a)电力线实施载波通讯，不需要再投资铺设通讯线路，不仅可大大节约资金投入，且还具有维护量小的特点，但传输距离有限，且容易受干扰。

b)由于电话在城镇的迅速普及，利用现有电话网进行数据通讯是一个经济有效的方案。利用电话网通讯，只需在数据集中器和工作主站处加装调制解调器即可，其传输速率可达56Kbps。但电话线通讯的线路接通时间较长，一股要几秒到十几秒，另外速率过低，不能开展其他高速率的增值应用。还有，我国的广大乡村、小城镇还没普及电话。

c)对于分布分散的集中器，利用无线方式进行数据通讯是一种较好的选择如230M小无线技术，但无线通讯方式需要慎重选择频点，并需申请频点使用权。如果使用GPRS/WCDMA(通用分组无线服务/宽带码分多址)或者CDMA 1X/EVDO(码分多址1X/Evolution Data Only)等移动公网，又存在室内覆盖死角以及需要支付昂贵的使用费。

综上，传统的通信方式由于信道介质为共享资源，容易受干扰，很难达到用电信息采集系统传输数据准确性、可靠性和实时性的要求。

传统的智能电网用电信息采集系统使用的通信单元大多为载波通信模块、GPRS/CDMA通信模块、网络通信模块(快速以太网)、230M电台通信模块、PSTN(公共交换电话网络)通信模块。目前新兴的智能电网用电信息采集系统采用的是无源光网络(PON)技术，利用光纤光缆来传递用户用电信息，但这种用电采集方式先期投入大，需要重新规划网络、铺设光缆，会造成智能电网建设周期长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于智能电网、基于同轴电缆接入的可编程通信单元，该单元接口丰富、还可以编程，使用该单元并配合现有的广播电视有线同轴网络资源不仅可解决智能电网用电信息采集和交互的问题，还可节省信息采集线路的铺设投资。

本发明所采用的技术方案是：一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元，包括同轴通信模块，同轴通信模块包括依次相连的双工滤波器、模拟前端和同轴以太网数据处理单元，同轴通信模块还通过同轴以太网数据处理单元接至连接器接插件。

所述的同轴以太网数据处理单元还接有内存、非易失性存储单元和时钟单元。

所述的单元，内存的类型为SDRAM(同步动态随机存储器)、QDR(四倍数据速率)SDRAM或DDR(双倍数据速率)SDRAM，非易失性存储单元的类型为FLASH(闪存)或EEPROM(可擦除编程只读存储器)，时钟单元包括晶体和晶振。

所述的单元，连接器接插件采用2X10、间距为2.54mm的插座和插头。

所述的单元，所述同轴通信单元上行接有同轴电缆线路终端，下行接有集中器、采集器、专变采集终端、单相智能电表或三相智能电表以及电视终端。

所述的单元，所述双工滤波器对外出两个公制F头接口，一为TV信号和数据采集信号混合接口，另一为TV信号接口。

所述的单元，同轴以太网数据单元提供LED信号、GPIO、UART串口、复位信号或网络信号。

所述的单元，网络信号采用10/100/1000BASE-T，10/100/1000/10GBASE-T或SGMII。

所述的单元，同轴以太网数据处理单元和连接器接插件之间设有物理层芯片。

所述的单元，所述通信单元外接有DC-DC电源，DC-DC电源上还接有MOS开关管。

本发明的优点：该单元接口丰富、通用性强，并可编程，使用该单元并配合现有的广播电视有线同轴网络资源不仅可解决智能电网用电信息采集和交互的问题，还可节省信息采集线路的铺设投资。用电信息采集设备集成厂家可利用本专利很轻易解决用户智能电表信息的采集工作，并将采集上来的用户用电信息通过有线电视网络显示在电视终端上。

附图说明

图1是本发明的使用场景，主要用于用电信息采集。

图2是发明模块所在位置示意图，其中可编程同轴通信模块位于各种电能信息采集终端的内置同轴通信单元中。

图3是本发明模块构成原理示意图。

图4是本发明一个实现示例的模块管脚分配图。

图5是采集器通信单元采用本发明实现示意图。

图6是集中器通信单元采用本发明实现示意图。

图7是专变采集终端通信单元采用发明实现示意图。

图8是单相智能电表采用本发明的实现示意图。

具体实施方式

本发明是利用现有CATV(有线电视)电视网络来传递用电信息的通信单元。它可以直接利用现有的CATV同轴网络，将智能电网的用电信息转换成能在同轴电缆上传输的调制信号，并在同轴线路终端(CLT)侧将采集信号转发至服务器进行处理分析，并将处理结果通过广播电视网络显示在电视终端上，通知用户相关用电信息、提示用户如何处理。

本发明提供了一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元，在此基础上可以较容易实现各种用电信息采集终端(含集中器、采集器、专变采集终端)的通信单元，并提供串口、网口、LED灯指示等接口。该同轴通信单元可以通过CABLE(电缆)口进行远程可编程(如升级、配置)，也可以通过网络接口或者串口进行本地编程。该通信单元对于电力设备集成商来说，具有接口丰富、易于移植设计、无需做线路铺设以及可编程控制等优点，便于设备集成厂家能够快速建成智能电网采集用户用电信息交互平台。

以下说明可以使本领域的技术人员能够使用和制造本发明，并且以下的说明是在特定的应用及其所需环境中的。对本领域的技术人员来说，对发明所公开的设计的各种修改是显而易见的，并且可以基于本发明公开的原理用于其它的应用或者环境/场景中(如广播电视双向改造场景)。因此本发明不局限于下文所述的具体实施场景和实施方式，而是旨在涵盖本发明所公开原理和特征的最宽泛的范围。

本发明的一个实施方式提供了一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元。该单元包括：所述双工滤波器、模拟前端和同轴以太网数据处理单元，连接器接插件。该单元可完成EoC同轴调制信号到网络接口信号和串口的变换处理以及输出/输入其他状态/控制或指示信号，并完成和远端上联的CLT的点对多点的通信协议处理。该模块具有接口丰富、易于移植设计、可在线编程等特点，可广泛应用于智能电网用电信息采集终端的通信单元。同轴数据处理单元303可以使用高通创锐讯公司的AR7400芯片，模拟前端302芯片可以使用高通创锐讯公司的AR1500芯片，内存305芯片可以使用美光公司的MT48LC16M16A2芯片，非易失性存储306芯片可以使用NUMONYX公司的M25P16芯片。双工滤波器可以使用丹东华讯的DPX101、物理层芯片307可以使用瑞昱公司的RTL8201芯片。

其中双工滤波器是用来分离EoC同轴数据调制信号和有线电视信号，并将接收到的EoC同轴数据调制信号送至模拟前端进行处理，有线电视信号送至电视终端。模拟前端主要完成同轴传输信号的线路驱动和可编程增益放大功能，并在发送侧完成低通滤波功能。同轴以太网数据单元主要用于完成同轴模拟调制信号(包括OFDM(正交频分复用)调制信号、QPSK(正交相移键控)调制信号、QAM(正交振幅调制)调制信号)到网络信号(10/100BASE-TX)和串口的变换处理以及输出其他状态或指示信号，并完成和远端上联的CLT的点对多点的通信协议处理。非易失性存贮单元用来存储同轴以太网数据单元的启动配置参数和程序文件。此外该同轴通信单元提供一个2X10的接插连接器，通过该连接器该同轴通信单元可以提供LED(发光二极管)信号、GPIO(通用输入输出)、UART(通用异步接收/发送装置)串口、复位信号、网络信号。其中：UART串口或者网络接口可以实现可编程；通信串口和网络接口可以提供给用户通信使用；复位信号(RST)可以发送复位信号给外界使用或者接收外界的复位信号复位本模块；通用输入输出(GPIO)信号可以用于控制或者输出状态或者接收控制；LED指示信号可用于外接LED提供例如LINK、LOS、ALARM等指示信息。

本发明实施方式的变型中，网络信号还可以以10/100/1000BASE-T的形式或10/100/1000/10GBASE-T或SGMII(Serial Gigabit Media Independent Interface)的形式提供。当采用10/100/1000BASE-T或10/100/1000/10GBASE-T形式的网络接口后需要占用8根信号线，而10/100BASE-TX或者SGMII信号仅需4根信号线。这样会占用其他信号线减少相关功能。

本发明实施方式的变形中，模拟前端单元可以外置于同轴以太网数据单元，也可以内嵌入与同轴以太网数据单元。

本发明实施方式的变型中，连接到连接器的信号(网络信号、串口信号、GPIO、LED指示信号)可以任意组合或剪裁。

本发明的使用场景：

图1示意了基于同轴电缆以太网(EoC)技术的用电信息采集网络，包括远端的采集系统主站、中间的同轴分配网络以及用电信息采集终端(含集中器、采集器、专变采集终端等)。

图2示意了本发明所处网络中的位置，一股的集中器203、采集器204、专变采集终端205内置了可插拔的通信单元，本发明的同轴电缆接入可编程通信单元可以内置在通信单元上或者直接作为信息采集终端使用。这些用电信息采集终端通过同轴电缆接入可编程通信单元与同轴电缆线路终端(CLT)201进行通信，进而与更上一级采集系统主站进行交互。

本发明的基于同轴电缆接入的可编程通信单元：

图3给出了一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元300的结构组成，具有接口丰富、易于移植设计、可在线编程等特点。该单元包括：所述双工滤波器301、模拟前端302和同轴以太网数据处理单元303，还接有连接器接插件304。同轴以太网数据处理单元303和连接器接插件304之间设有物理层芯片(PHY)307。其中双工滤波器是用来分离EoC同轴调制信号和有线电视信号，并将接收到的EoC同轴调制信号送至模拟前端进行处理，有线电视信号送至电视终端。模拟前端主要完成同轴传输信号的线路驱动和可编程增益放大功能，并在发送侧完成低通滤波功能。同轴以太网数据单元主要用于完成同轴模拟调制信号(包括OFDM调制信号、QPSK调制信号、QAM调制信号)到网络信号(10/100BASE-TX)和串口的变换处理以及输出其他状态或指示信号，并完成和远端上联的CLT的点对多点的通信协议处理。非易失性存贮单元用来存储同轴以太网数据单元的启动配置参数和程序文件。此外该同轴通信单元提供一个2X10的接插连接器，通过该连接器该同轴通信单元可以提供LED(发光二极管)信号、GPIO(通用输入输出)、UART(通用异步接收/发送装置，图中有两路UART0、UART1信号)串口、复位信号、网络信号(TX/RX)。网络信号在物理层芯片307和连接器接插件304之间传输。其中：UART串口或者网络接口可以实现可编程；通信串口和网络接口可以提供给用户通信使用；复位信号(RST)可以发送复位信号给外界使用或者接收外界的复位信号复位本模块；通用输入输出(GPIO)信号可以用于控制或者输出状态或者接收控制；LED指示信号可用于外接LED提供例如LINK(已连接)、LOS(信号丢失)、ALARM(告警)等指示信息。

模拟前端302、同轴以太网数据处理单元303之间传送有DACI+-(数模转换输入信号正负端)、ADCI+-(模数转换输入信号正负端)信号，双工滤波器301、模拟前端302之间传送已完成调制的TXIN+-(网络发送输入信号正负端)、RXIN+-(网络接收输入信号正负端)信号。同轴以太网数据处理单元303还与内存和非易失行存储单元有信号交互。图3中，通信单元300外接的电源信号为PWR。

图4和表1给出一种2×102.54mm间距接插连接器的可编程同轴通信单元的管脚分布示意图。图4为管脚俯视图(Top View)。

表1

PIN	功能	PIN	功能
				1	UART0_TX	11	VCC
2	UART0_RX	12	VEE
				3	UART1_TX	13	GPIO
4	UART1_RX	14	TX_DATA+
				5	RST	15	TX_DATA-
6	VEE	16	LINK_LED
				7	VCC	17	ETH_ACT_LED
8	DIAG_LED	18	ETH_LINK_LED
				9	RX_DATA-	19	ALRM_LED
10	RX_DATA+	20	GPIO

其中，UART1_TX、UART2_TX分别为UART1、UART2的发送信号，UART1_RX、UART2_RX分别为UART1、UART2的接收信号，VEE、VCC分别为电源的地(GND)和正极(如3.3V)，RX_DATA+/-分别表示网络接收信号的正负端，Tx_DATA+/-分别表示网络发送信号的正负端，DIAG_LED表示同轴电缆接入的通信单元启动自检是否正常，ETH_ACT_LED、ETH_LINK_LED分别表示LED灯中的ACT(激活状态)、LINK信号用于指示网络数据接口的活跃和连接状态，LINK_LED表示该通信单元与上联CLT是否已完成注册，ALARM_LED表示该通信单元有告警产生。

需要注意，网络数据信号还可以以10/100/1000BASE-T的形式或10/100/1000/10GBASE-T或SGMII的形式提供。当采用10/100/1000BASE-T或10/100/1000/10GBASE-T形式的网络接口后需要占用8根信号线，而10/100BASE-TX或者SGMII信号仅需4根信号线。这样会占用其他信号线减少相关功能。

需要注意，模拟前端可以外置与同轴以太网数据处理单元，也可以内嵌集成在同轴以太网数据处理单元。

需要注意，连接到连接器的信号(网络信号、串口信号、GPIO、LED指示信号)可以任意组合或剪裁。

同轴可编程通信单元在用电信息采集终端通信单元中的应用：

图5对采集器通信单元使用本发明的同轴可编程通信单元进行实现的示意图，按照电力行业标准/国家电网企业标准，采集器通信单元模块与基板的通信接口有12V电源，复位信号，串口通信信号，通信单元自身需要有指示LED，可以出快速以太网接口以支持IP视频监控等应用。可以在同轴可编程通信单元的基础上增加DC-DC(直流-直流转换)芯片，隔离缓冲器，百兆变压器及RJ45连接器，面板LED以及适当的机构件即可简单的实现该通信单元。

需要说明，图5中快速以太网口(TX(发送)、RX(接收)信号)也可以省去。

图5中，TX、RX信号依次传送至百兆变压器和RJ45端口。UART1、UART2、RST信号分别通过隔离缓冲器接至采集器通信单元的板内调试串口、通信串口和基板RST，LED信号LINK、DIAG(同轴电缆)、ALARM(告警)信号接至面板LED。DC-DC电源(12V转3.3V)接收采集器通信单元基板12V的电源输入，然后将电源PWR提供给同轴通信模块300。

图6是集中器通信单元使用本发明的实现示意图。和上述类似，但增加了GPIO作为输入以引入IGT(隔离栅晶体管)控制单板是否处于工作模式，另外增加了PCTRL(电源控制)信号以控制该通信单元的供电，PCTRL通过MOS开关管接至DC-DC电源(5V转3.3V，接收基板5V的电源输入转换成3.3V)，增加了STATE[0-4]5位ID编码，电源由12V变成了5V。

需要说明，图6中快速以太网口也可以省去。

图7是专变采集终端通信单元使用本发明的实现示意图。其实现和图6的类似，但无GPIO输入，以及IGT控制单板。

需要说明，图7中快速以太网口也可以省去。

图8是单相智能电表通信单元使用本发明的实现示意图。其实现和图5的类似，但不需要快速以太网接口，增加了EVENOUT(事件输出，对于通信单元为输入)的GPIO输入。

Claims (10)

1.一种基于同轴电缆接入的可编程通信单元，其特征在于：其包括同轴通信模块(300)，同轴通信模块(300)包括依次相连的双工滤波器(301)、模拟前端(302)和同轴以太网数据处理单元(303)，同轴通信模块(300)还通过同轴以太网数据处理单元(303)接至连接器接插件(304)。

2.根据权利要求1所述的通信单元，其特征在于：同轴以太网数据处理单元(303)还接有内存(305)、非易失性存储单元(306)和时钟单元。

3.根据权利要求2所述的通信单元，其特征在于：内存的类型为SDRAM、QDR SDRAM或DDR SDRAM，非易失性存储单元的类型为FLASH或EEPROM，时钟单元包括晶体和晶振。

4.根据权利要求1所述的通信单元，其特征在于：连接器接插件(305)采用2X10、间距为2.54mm的插座和插头。

5.根据权利要求1所述的通信单元，其特征在于：所述同轴通信模块(300)上行接有同轴电缆线路终端(201)，下行接有集中器(202)、采集器(203)或专变采集终端(204)。

6.根据权利要求1所述的通信单元，其特征在于：所述双工滤波器(301)对外出两个公制F头接口，一为TV信号和数据采集信号混合接口，另一为TV信号接口。

7.根据权利要求1所述的通信单元，其特征在于：同轴以太网数据处理单元(303)提供LED信号、GPIO、UART串口、复位信号或网络信号。

8.根据权利要求7所述的通信单元，其特征在于：网络信号以10/100/1000BASE-T、10/100/1000/10GBASE-T或SGMII的形式提供。

9.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：同轴以太网数据处理单元(303)和连接器接插件(304)之间设有物理层芯片(307)。

10.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：所述同轴通信模块(300)外接有DC-DC电源，DC-DC电源上还接有MOS开关管。

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