CN103441913B - 低压直流电力线总线通信系统和通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明为低压直流电力线总线通信系统和通信方法，本系统的低压直流电源的2条电力线和正极引出的载波线共同构成总线。总线连接多个节点，节点的电压转换模块供电；调制解调模块连接载波线、与可编程控制器模块PLC连接。各节点有唯一的ID号。总线有1个PLC连接人机界面的主控节点、1或多个PLC连接通信模块的通信节点，其余为PLC连接受控设备的受控节点。本通信方法为人机界面向主控节点输入控制程序；主控节点发送载波控制信号，各受控节点由ID识别接收本节点的指令、控制所接的受控设备并反馈执行信息，通信节点监控和调理载波线上的信号。本发明通信质量稳定，抗干扰，传输距离长，通信线路简单，适用于各类车船上直流电器的控制系统。

Description

低压直流电力线总线通信系统和通信方法

技术领域

本发明涉及一种电力线通信技术，尤其是一种低压直流电力线总线通信系统和通信方法。

背景技术

电力线通信技术是利用高压电力线(35kV及以上)、中压电力线(10kV)或低压配电线(380/220V)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。目前交流电力线载波通信技术已发展几十年，低速（1200bps以下）电力线通信已经很普遍。交流电力线载波通信常采用频移键控（FSK）、正交幅度调制（QAM）、格栅编码调制（TCM）、扩频/码分多址CDMA等实现方案。

但当前直流电力线通信技术还不成熟，应用不普遍。直流电力线目前仍多采用专用信号线通信，分设电源线与信号线。这使得线路复杂，负载能力，抗干扰能力方面存在不足。

现有的低压直流电力线通信中，主要使用HART通信协议，即采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信，由于局限于4～20mA模拟信号，此种低压直流电力线通信技术只适合应用于现场智能仪表和控制室设备之间通信的特定场合。

而在汽车、工程机械和电动车等由电池供电的系统中，模拟信号电流值可达1A以上，HART通信协议明显不适用。目前尚未见在汽车，电动车等低压电力线供电情况下，采用低压电力线通信实现控制信号传输的报道。

发明内容

本发明的目的是为了实现以低压直流电力线通信为物理层的一种总线系统，在为设备供电的同时提供设备监控通信信道。本发明提供一种低压直流电力线总线通信系统，两线为低压正负极直流电力线，再从电源正极引出一条载波线，三线构成总线，连接多个控制节点，其中有一个主控节点和多个受控节点。

本发明的另一目的是公开上述低压直流电力线总线通信系统的通信方法。

本发明设计的低压直流电力线总线通信系统，包括低压直流电源引出的正负极直流电力线，还有从低压直流电源正极引出的一条载波线，三线共同构成总线。

总线上连接多个节点，节点的主要组成有：电压转换模块、调制解调模块和可编程控制器模块。电压转换模块连接正负极直流电力线和本节点的调制解调模块和可编程逻辑控制器模块，为本节点的其它模块提供所需电压；调制解调模块连接载波线，并与可编程控制器模块连接。各节点有唯一的ID号。

总线上的节点包括1个主控节点、1个或多个通信节点，其余为受控节点。受控节点的可编程控制器模块通过I/O端口连接受控设备；或者，受控节点和主控节点的可编程控制器模块通过I/O端口连接受控设备。主控节点的可编程控制器模块与人机界面连接，人机界面用于输入系统配置信息和控制信息。

通信节点的可编程控制器模块连接通信模块，经通信模块为总线上的节点提供通信服务并监控总线状态。通信节点获取主控节点和各受控节点之间交换的信息，通过报文解析，监控受控节点状态。当发现故障信息时，将故障信息和发出故障信息的节点的ID号发送至主控节点。

当总线传输距离过长，或者总线节点过多，载波线上传输的信号衰减严重信号功率下降。当通信节点检测到载波线上传输的主控节点信号功率小于初始设定值的50%，通信节点的可编程控制器模块对载波线上传输的物理信号进行放大调理，再经通信模块发送到载波线上，以保证总线上其它节点通信可靠。根据总线传输的距离、总线上节点的数量及环境条件确定信号衰减情况，决定通信节点的数量。

为了便于设置和控制，主控节点位于总线的最前端，即最靠近低压直流电源，主控节点后为多个受控节点。

低压直流电源配置转换接口，转换接口有与低压直流电源插座相配合的正、负极插头，还有正、负极电力线和载波线的三个插孔，正、负极插头分别连接正负极插孔，正极插头的另一引出线经适配电阻连接载波线插孔。

适配电阻R根据直流电源电压V₀、各节点的调制解调器模块的电压V_i以及节点的个数N进行选择。当各节点的调制解调器模块的电压范围与直流电源电压不相配时，转换接口增加接口电压转换模块，接口电压转换模块的2个输入端分别连接正、负极插头，接口电压转换模块的正极输出端经适配电阻连接载波线插孔。

低压直流电力线通信总线系统的通信方法主要步骤如下：

Ⅰ、根据各受控节点的ID号，通过主控节点的人机界面向主控节点的可编程控制器输入对本系统各节点所连接的受控设备的控制程序；

Ⅱ、主控节点的可编程控制器按控制程序发出的控制指令，经其调制解调模块调制为载波信号送到载波线传输；

Ⅲ、各受控节点通过ID识别、从载波线接收发给本节点的载波指令信号，经该受控节点的调制解调模块解调为控制指令，送入该受控节点的可编程控制器，根据所收到的主控节点的控制指令产生控制信号，经该受控节点的对外控制接口模块送入该受控节点连接的受控设备进行控制；

Ⅳ、当步骤Ⅲ中的受控节点向其所连接的被控设备发送了控制指令，该受控节点的可编程控制器经其调制解调模块发送此ID号节点控制指令已执行的信息，经载波线反馈到主控节点；

Ⅴ、系统运行过程中，通信节点获取载波线上传输的主控节点和各受控节点发送的信息，并进行分析，区分所得信息是控制信息还是故障信息，当发现故障信息时，将故障信息和其发出节点的ID号发送至主控节点。

当通信节点检测到载波线上主控节点信号功率小于初始设定值的50%，通信节点的可编程控制器对载波线上传输的物理信号进行放大调理，再经通信模块发送到载波线上。

与现有技术相比，本发明低压直流电力线总线通信系统和通信方法的优点为：1）实现了低压直流电力线通信，直流电力线的特性决定本系统通信质量的稳定性高；2）独立的载波线路只传输调制信号，不传输电能，增强了信号的抗干扰能力；3）在电源功率和电力线衰减特性内，负载能力强和传输距离远；4）简化了低压电力线供电设备的控制信号的通信线路，避免复杂的布线和线束过多，专用转换接口简化了接入方式；5）设计简单实用，抗干扰能力强，可用于汽车、船只、工程机械、电动车上电器设备和灯光等直流供电及控制场合。

附图说明

图1为本低压直流电力线总线通信系统实施例结构示意图；

图2为图1中转换接口电路结构示意图；

图3为图1中受控节点右前方节点结构示意图；

图4为图1中主控节点结构示意图；

图5为图1中通信节点结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本低压直流电力线总线通信系统实施例为用于汽车车灯供电控制的低压直流电力线通信系统，图1为本例整体结构示意图，汽车上配有低压直流电源转换接头，由此引出正极电力线、负极电力线和载波线W，三线构成的总线上连接一个主控节点、一个通信节点和4个受控节点，主控节点位于总线的最前端，通信节点位于最后端，4个受控节点位于主控节点和通信节点之间。

4个受控节点分别为右前方节点、右后方节点、左前方节点、左后方节点。4个受控节点的受控设备为连接车的左右前后各灯的各继电器模块。左、右前方节点的受控设备分别为连接左、右照明灯，左、右前示宽灯和左、右前转向灯的左、右前继电器模块；左、右后方节点的受控设备分别为连接左、右后示宽灯和左、右后转向灯的左、右继电器模块，即每个受控节点可以通过继电器模块控制2或3个灯的独立工作。各节点ID号如下：主控节点为01，通信节点为02，右前方节点11，右后方节点21，左前方节点12，左后方节点22。

转换接口电路结构如图2所示，该转换接口一端有与低压直流电源插座相配合的正、负极插头，另一端还有正、负极电力线和载波线W的三个插孔，正、负极插头分别连接正负极插孔，本例的转换接口配有接口电压转换模块，接口电压转换模块的2个输入端分别连接正、负极插头，接口电压转换模块的正极输出端经适配电阻R连接载波线插孔。

本例受控节点右前方节点的结构如图3所示，包括电压转换模块、调制解调模块和可编程控制器模块，调制解调模块连接载波线W，并与可编程控制器模块连接，电压转换模块连接直流电源DC的正负极直流电力线和本节点的调制解调模块和可编程控制器模块。可编程控制器模块连接对外控制接口模块，连接受控设备，本节点的受控设备为连接右照明灯，右前示宽灯和右前转向灯的右前继电器模块。其它受控节点结构与此结构相同，只是继电器模块所接的受控灯不同。

本例主控节点的结构如图4所示，其主体结构与受控节点相同，包括电压转换模块、调制解调模块和可编程控制器模块，主控节点的可编程控制器模块接有人机界面接口，本例的主控接点所接人机界面为键盘。

本例通信节点的结构如图5所示，其主体结构与受控节点相同，包括电压转换模块、调制解调模块和可编程控制器模块，其可编程控制器连接通信模块。

本例各节点的调制解调模块选用半双工通信MODEM(LM1893)，其工作电压范围为13-40V。本例可编程控制器模块选取带有串行异步通信接口的通用单片机。调制信号采用直接耦合方式，调制方式为频移键控（FSK），调制信号为电压形式。

配合各节点的调制解调模块MODEM(LM1893)，经测试计算，转换接口的适配电阻阻值选取在100欧姆，以获得较大驱动能力。

本用于汽车车灯供电控制的低压直流电力线总线通信系统实施例的使用方法主要步骤如下：

Ⅰ、根据各受控节点的ID号，通过主控节点的人机界面键盘向主控节点的可编程控制器输入对本系统各节点所连接的受控设备的控制指令。

Ⅱ、主控节点的可编程控制器发出控制指令，经其调制解调模块调制为载波信号送到载波线W传输。

Ⅲ、各受控节点从载波线W下载本ID号的载波指令信号，经该受控节点的调制解调模块解调为控制指令，送入该受控节点的可编程控制器，根据所收到的主控节点的控制指令产生控制信号，经该受控节点的对外控制接口模块送入该受控节点连接的受控设备，本例受控设备为连接不同车灯的各继电器模块，控制灯的明灭。

Ⅳ、当步骤Ⅲ中的受控节点向其所连接的受控设备发送了控制指令，该受控节点的可编程控制器经其调制解调模块发送此ID号节点控制指令已执行的信息，经载波线W传输到主控节点。

Ⅴ、系统运行过程中，通信节点获取载波线W上传输的主控节点和各受控节点发送的信息，并进行分析，区分所得信息是控制信息还是故障信息，当发现故障信息时，将故障信息和其发出节点的ID号发送至主控节点。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.低压直流电力线总线通信系统，包括低压直流电源引出的正负极直流电力线，其特征在于：

还有从低压直流电源正极引出的一条载波线，三线共同构成总线；

总线上连接多个节点，节点的主要组成有：电压转换模块、调制解调模块和可编程控制器模块；电压转换模块连接正负极直流电力线和本节点的调制解调模块和可编程逻辑控制器模块，调制解调模块连接载波线，并与可编程控制器模块连接；各节点有唯一的ID号；

总线上的节点包括1个主控节点、1个或多个通信节点，其余为受控节点；受控节点的可编程控制器模块通过I/O端口连接受控设备，或者，受控节点和主控节点的可编程控制器模块通过I/O端口连接受控设备；主控节点的可编程控制器模块与人机界面连接；

通信节点的可编程控制器模块连接通信模块。

2.根据权利要求1所述的低压直流电力线总线通信系统，其特征在于：

所述主控节点位于总线的最前端，即最靠近低压直流电源，主控节点后为多个受控节点。

3.根据权利要求1所述的低压直流电力线总线通信系统，其特征在于：

所述低压直流电源配置转换接口，转换接口有与低压直流电源插座相配合的正、负极插头，还有正、负极电力线和载波线的三个插孔，正、负极插头分别连接正负极插孔，正极插头的另一引出线经适配电阻连接载波线插孔。

4.根据权利要求3所述的低压直流电力线总线通信系统，其特征在于：

当各节点的调制解调器模块的电压范围与直流电源电压不相配时，转换接口增加接口电压转换模块，接口电压转换模块的2个输入端分别连接正、负极插头，接口电压转换模块的正极输出端经适配电阻连接载波线插孔。

5.根据权利要求1所述的低压直流电力线总线通信系统的通信方法，其特征在于主要步骤如下：

Ⅰ、根据各受控节点的ID号，通过主控节点的人机界面向主控节点的可编程控制器模块输入对本系统各节点所连接的受控设备的控制程序；

Ⅱ、主控节点的可编程控制器模块按控制程序发出的控制指令，经其调制解调模块调制为载波信号送到载波线传输；

Ⅲ、各受控节点通过ID识别、从载波线接收发给本节点的载波指令信号，经该受控节点的调制解调模块解调为控制指令，送入该受控节点的可编程控制器模块，根据所收到的主控节点的控制指令产生控制信号，经该受控节点的对外控制接口模块送入该受控节点连接的受控设备进行控制；

Ⅳ、当步骤Ⅲ中的受控节点向其所连接的被控设备发送了控制指令，该受控节点的可编程控制器模块经其调制解调模块发送此ID号节点控制指令已执行的信息，经载波线反馈到主控节点；

Ⅴ、系统运行过程中，通信节点获取载波线上传输的主控节点和各受控节点发送的信息，并进行分析，区分所得信息是控制信息还是故障信息，当发现故障信息时，将故障信息和其发出节点的ID号发送至主控节点。

6.根据权利要求5所述的低压直流电力线总线通信系统的通信方法，其特征在于：

所述步骤Ⅴ中，当通信节点检测到载波线上主控节点信号功率小于初始设定值的50％，通信节点的可编程控制器模块对载波线上传输的物理信号进行放大调理，再经通信模块发送到载波线上。