CN103716293A - 采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议 - Google Patents

Abstract

本发明采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，涉及低压电力线扩频通信中的数据链路层协议技术领域。通信网络由一个主站与N个从站组成。每个从站均有唯一、连续的地址编码。所有数据包的传输采用帧同步格式。数据链路层采用主站时标同步，从站主动上传，主站监听冲突处理的机制，由于地址是随机的，从理论上来说网络中的所有从站享有平等的网络资源；由于从站在公共时间段只要未监听到网络上已有信息传递，即可上传信息，提高了通信的实时性；由主站监听冲突并处理，保证通信的可靠性。定义帧格式由帧类型码、地址、数据长度、数据、校验和等五部分组成。协议不影响低压电力线扩频通信的可靠性、稳定性，提高了电力线载波通信效率。

Description

采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议

技术领域

本发明涉及一种低压电力线扩频通信中的数据链路层协议技术领域，具体指一种采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，适用于采用载波系列芯片的载波集中器与载波数据采集/处理单元之间的主—从结构的半双工通信，也可适用于其它低速主—从结构的半双工低压电力线扩频通信中。特别适用于通信网络中被采集对象数据或状态经常有突变，控制命令比较频繁，总体数据流量较高的场合。 

背景技术

低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介、实现数据传递和信息交换的技术，早期主要应用于远距离电力调度通信、远动信息传输、继电保护、智能抄表管理系统等，目前被逐渐应用于楼宇自动化、家用电器控制、智能家居等场合。低压电力线扩频通信中数据链路层的主要功能是在多个站点共享同一物理信道的情况下合理地在要求通信的站点间分配和管理信道；保证站点之间无差错地数据通信。因此合理地规划数据链路层协议，有利于提高通信的效率。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议。协议采用了“主站时标同步，从站主动上传，主站监听冲突处理”的通信机制，改变了传统主—从结构半双工通信主站轮询、从站应答的模式；由于从站在公共时间段只要未监听到网络上已有信息传递，即可上传信息，提高了通信的实时性；同时由主站监听冲突并处理，保证了通信的可靠性。 

为达到上述目的，本发明的构思如下： 

低压电力线扩频通信网络采用主从结构，网络中只有一个主站（载波集中器或其它数据终端），N个从站（载波数据采集与处理单元）。通信只发生在主站和从站之间，从站相互之间不能进行通信。每个从站均有唯一、连续的物理地址编码。从站的地址编码一般从1开始定义；

数据的传送总是由主站发起，主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧，告知网络中的所有从站目前网络空闲，同时也建立了一个时间上的同步标志；

网络上的时间片分成两类：一是每个从站可独立发送数据的时间段，二是公共时间段；

每个从站可独立发送数据的时间段，是由从站根据主机发的“随机地址时标同步信号”帧中的地址值，通过计算本站的虚拟动态地址而获得；

公共时间段穿插在每个从站可独立发送数据的时间段之间，时间长度为网络时间延迟所需的最长时间；

从站监听到主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧，则启动本站定时器，同时计算本站的虚拟动态地址和可独立发送数据的时间段，若定时器运行到达本站可发送数据的时间段，同时该从站从未监听到网络上有信息传送，从站可不发送或主动上传信息；

若从站在定时器运行到本站可发送数据的时间段之前，监听到网络上有信息传送，则认为网络忙，不发送本站的信息，必须等下一次主站发送“随机地址时标同步信号”重新启动数据通信；

在公共时间段，任何从站从未监听到网络上有信息传送，都可以主动上传从站抢答上传信息帧；

主站监听网络上所有信息，对下述接收到的从站主动上传信息进行处理：

1.当收到从站在可发送数据的时间段发送的主动上传信息后，必须予以确认应答；

2.当收到从站在公共时间段发送的正确的（未发生网络冲突）从站抢答上传信息帧，必须予以确认应答；

3.当收到从站在公共时间段发送的错误的（已发生网络冲突）从站抢答上传信息帧，不予以确认应答；

然后都紧接着发送“随机地址时标同步信号”帧（含新的随机地址），告知网络中的所有从站上一次数据通信结束，新的数据通信启动；

任何从站在公共时间段主动发送的从站抢答上传信息帧，若没有收到主站的确认应答，即认为发送失败。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 

一种采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特点是：协议采用了“主站时标同步，从站主动上传，主站监听冲突处理”的通信机制。主站与从站之间的通信包括以下步骤：

a.主站采用随机算法产生一个地址，并据此发送一个“随机地址时标同步信号”帧；

b.从站监听到主站发送的“随机地址时标同步信号”帧，计算本站的虚拟动态地址；

c.根据虚拟动态地址计算本从站可发送数据的时间段，启动本站的定时器；

d.本从站定时器运行到可发送数据的时间段，但之前监听到网络上有信息传送，则关闭本站的定时器，不发送任何信息，等待步骤a的再次出现；

e.本从站定时器运行到可发送数据的时间段，并之前未监听到网络上有信息传送，则本从站可不发送任何帧，不关闭本站的定时器；或发送“从站发主动上传信息帧”帧，并关闭本站的定时器，等待步骤a的再次出现；

f.本从站定时器运行到公共时间段，并之前未监听到网络上有信息传送，且本站目前有信息要传送，可发送“从站抢答上传信息帧”帧，并关闭本站的定时器，等待步骤a的再次出现；

g.主站接收到从站在可发送数据时间段发出的主动上传信息帧，给予应答；随后主站可发送命令帧或返回步骤a；

h.主站接收到从站在公共时间段发出的正确的从站抢答上传信息帧，给予应答；随后主站可发送命令帧或返回步骤a；

i.主站接收到从站在公共时间段发出的错误的从站抢答上传信息帧，认为网络上冲突已经发生，不给予应答，随后主站返回步骤a；

j.从站在接收到主站发出的命令帧，给予命令应答帧；随后等待步骤a的再次出现；

k.主站在发送命令帧后，延迟128位位发送时间返回步骤a；

l.主站在本网络N个从站可发送数据时间段和公共时间段全部到达之后，且网络上无任何信息上传，返回步骤a。

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中的帧格式从大类来分有两种：控制帧（短帧）和数据帧（长帧）。两种帧格式都由若干个字节组成；每字节包含8位二进制数据，采用高位在前，低位在后的同步传输方式。 

控制帧（短帧）由帧类型码、地址（随机地址或目标地址）两部分组成； 

数据帧（长帧）由帧类型码、地址（目标地址或源地址）、数据长度、数据及校验和五部分组成。

帧格式中每部分的定义如下： 

1、帧类型码：1字节，表征目前网络上信息的性质，见说明书附图表1。

网络上传递的信息可分为七类： 

a）主站发地址时标同步帧，帧类型码为0xe4

b)从站发抢答上传信息帧，帧类型码为0x39

c）主站发广播信息帧，帧类型码为0x94

d）主站向从站发命令帧，帧类型码为0xbc

e）主站应答从站帧，帧类型码为0xd4

f）从站发主动上传信息帧，帧类型码为0x38

h）从站应答主站命令帧，帧类型码为0x50

2、地址：1字节，主站地址：0xfc；从站地址：0x01—0xef（最多239个从站）；广播地址：0xff；其他：保留。当主站向从站发命令或主站应答从站时为接收该命令的从站的地址（目标地址），当从站主动上传信息或抢答上传信息或从站应答主站命令时为从设备的地址（源地址）。当帧类型码为0xe4（主站发随机地址时标同步信号帧）时，为随机地址，即主站通过随机算法产生的一个地址值，此地址值应是通信网络中所有从站物理地址中的一个，表示了在该“随机地址时标同步信号”帧后第一个开始分时发送的从站地址。

3、数据长度：1字节，表示了后续字节（数据、校验和）的长度。 

4、数据：n字节，用户定义。 

5、校验和：对帧类型码到校验和前的全部数据采用CRC校验，2字节，低位在前，高位在后。 

不同帧类型码的帧格式见说明书附图表2。 

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中，从站的虚拟动态地址的计算方法为； 

Z = W ＋ 1－ X           当 W ≥ X

或  Z = N ＋ 1 － X ＋ W  当 W ＜ X 

其中，Z：本站虚拟动态地址；W：本站物理地址；X：主机发“随机地址时标同步信号”帧中的地址值；N：通信网络中最大的从站物理地址。

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中本站可发送数据时间段可定义为： 

每个从站允许发送信息的时间段定义为3倍的网络时间延迟所需的最长时间。计算方法为：

定义网络时间延迟所需的最长时间为16位 位发送时间：

Te =2×8×Tb =2×8×（1／Fb）=16位 位发送时间= T₁₆

式中，Fb为网络内的数据传输速率，单位为bps；Tb为每个位的发送时间。考虑到从站处理数据的时间及其它因素，因此将每个从站允许发送信息的时间段定义为3倍的网络时间延迟所需的最长时间，即：

Tn =3×Td =3×2×8×Tb =3×2×8×（1／Fb）=48位 位发送时间= T₄₈

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中公共时间段可定义为：

公共时间段定义为网络时间延迟所需的最长时间。

计算方法为： 

定义网络时间延迟所需的最长时间为16位 位发送时间：

Te =2×8×Tb =2×8×（1／Fb）=16位 位发送时间= T₁₆

式中，Fb为网络内的数据传输速率，单位为bps；Tb为每个位的发送时间。

公共时间段：Tx = Te =2×8×Tb =2×8×（1／Fb）=16位 位发送时间= T₁₆

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中从站监听到网络上有信息传送的定义为：

从站监听到网络上在主站发送随机地址时标同步信号帧后，有其它长帧类型码的信息传送。

具体描述为： 

网络内的从站监听网络的状态，从站监听到主站发送的随机地址时标同步信号帧后，则启动自己的定时器，并根据该帧中的地址值计算本站的虚拟动态地址，根据虚拟动态地址计算本站的可发送数据时间段。

若在本站可发送数据时间段到达之前，监听到网络上有长帧类型码的信息，则认为网络上有信息传送—网络忙；以后若本站可发送数据时间段到，亦不发送本站信息（帧），必须等待再次监听到主站发送的随机地址时标同步信号的发生—网络空闲。 

若在公共时间段到达之前，监听到网络上有长帧类型码的信息，则认为网络上有信息传送—网络忙；以后公共时间段到，即使本站目前有信息要传送，亦不发送抢答上传信息帧，必须等待再次监听到主站发送的随机地址时标同步信号的发生—网络空闲。 

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中，本从站定时器运行到可发送数据的时间段，并之前未监听到网络上有信息传送，则本从站可不发送任何帧或发送“从站发主动上传信息帧”帧的定义为： 

从站有信息要上传给主站，发送“从站主动上传信息”帧；从站无信息要上传给主站，可不发送任何帧。

具体描述为： 

网络内的从站监听网络的状态，从站监听到主站发送的随机地址时标同步信号帧后，则启动自己的定时器，并根据该帧中的地址值计算本站的虚拟动态地址，根据虚拟动态地址计算本站的可发送数据时间段。

若在本站可发送数据时间段到，但之前从未监听到网络上有长帧类型码的信息，则认为网络空闲。若这时本站有信息要发送给主站，则发送“从站主动上传信息”帧；若本站没有信息要发送给主站，则不发送任何帧。 

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中，主站接收到从站在公共时间段发出的正确/错误的从站抢答上传信息帧的定义为： 

若主站接收的从站抢答上传信息帧所有帧格式都满足采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议的规范，且CRC校验正确，则认为收到正确的从站抢答上传信息帧；反之，任何帧格式不满足一种采用时标同步冲突检测的低压电力线扩频通信协议的规范，或CRC校验错误，则认为收到错误的从站抢答上传信息帧。

所述采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议中，主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧到发送下一个“随机地址时标同步信号”帧的方法为： 

主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧后，接收到从站在可发送数据时间段发出的主动上传信息帧，给予应答；随后主站可发送下一个“随机地址时标同步信号”帧。

主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧后，接收到从站在公 

共时间段发出的正确的从站抢答上传信息帧，给予应答；随后主站可发送下一个“随机地址时标同步信号”帧。

主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧后，接收到从站在公共时间段发出的错误的从站抢答上传信息帧，不给予应答；随后主站可发送下一个“随机地址时标同步信号”帧。 

网络有N个从站，主站发送“随机地址时标同步信号”帧后，N个从站可发送数据时间段和公共时间段全部到达之后，且网络上无任何信息上传，主站可发送下一个“随机地址时标同步信号”帧。 

N个从站可发送数据时间段和公共时间段计算方法为： 

T_all=（N + 1）×（T_x+ T_n）=（N + 1）×（T₁₆ + T₄₈）=（N + 1）×T₆₄

本发明与其他现有低压电力线扩频通信数据链路层协议相比较，具有如下的突出特点和显著优点：本发明通过采用“主站时标同步，从站主动上传，主站监听冲突处理”的机制，提高了网络通讯的实时性。只要网络空闲，从站分时可发送数据时间或公共时间段到，即可主动发送信息给主站；而网络从忙到空闲的转换以及时间同步信号的发布均由主站通过发布随机地址时标同步信号帧来实现，网络管理简便；由于地址是随机产生的，因此从理论上来说网络中的所有从站享有平等的网络资源；设置的公共时间段，有利于数据的实时上传。本发明适用于采用载波系列芯片的载波集中器（主站）与载波数据采集、处理单元（从站）之间的主-从结构的半双工通信，也可适用于其它低速（<1Kbps）主-从结构的半双工低压电力线扩频通信中。特别适用于通信网络中被采集对象数据或状态经常有突变，控制命令比较频繁，总体数据流量较高的场合。

附图说明

图1是从站可发送数据时间段和公共时间段的时间片示意图； 

图2是主、从站在数据通信时网络上的状态示意图；

图3是从站在公共时间段发送抢答上传信息帧时的状态示意图；

图4是主站在无从站发信息情况下的状态示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下： 

本发明提供的一种采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议采用了“主站时标同步，从站主动上传，主站监听冲突处理” 的通信机制。其主从站之间的通信过程如下（如附图2所示）：

A.在t₁时段，主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧，且该帧中的随机地址为k。 

B.各从站监听到主站发送的“随机地址时标同步信号”帧，计算本站的虚拟动态地址，再根据虚拟动态地址计算本站可发送数据时间段，启动本站的定时器。 

k号物理地址的从站，其虚拟动态地址=1；可发送数据的时间段=（1×T₆₄）~（1×T₆₄ + T₄₈） 

（k＋1）号物理地址的从站，其虚拟动态地址=2；可发送数据的时间段=（2×T₆₄）~（2×T₆₄ + T₄₈）

（k-1）号物理地址的从站，其虚拟动态地址=N（网络中最大的物理地址）；可发送数据的时间段=（N×T₆₄）~（N×T₆₄ + T₄₈）  

依次类推。

C.到t₂（= t₁+T₆₄）时段，k号物理地址的从站未监听到网络上有信息传送，满足发送条件，但无信息需要向主站发送，因此不发送任何帧。 

D.到t₃（= t₂+T₆₄= t₁+2×T₆₄）时段，(k+1)号物理地址的从站未监听到网络上有信息传送，满足发送条件，且有信息需要向主站发送，则发送从站主动上传信息帧，这时网络忙。 

E.到t₄（= t₃+T₆₄= t₁+3×T₆₄）时段，(k+2)号物理地址的从站可发送数据的时间段到，但由于此前监听到网络上有信息传送（(k+1)号物理地址的从站发送从站主动上传信息帧）—网络忙，(k+2)号物理地址的从站不满足发送条件，不发送信息。关闭本站的定时器，等待步骤A的再次出现。 

F.t₅时段，主站接收到(k+1)号物理地址的从站发出的主动上传信息帧，给予应答。随后在t₆时段主站可返回步骤A[曲线①]或发送命令帧； 

若主站返回步骤A，再次发送一个“随机地址时标同步信号”帧，随机地址为j，下一个可直接发送“从站主动上传信息帧”的从站物理地址为j。

G.t₇时段，从站在接收到主站发出的命令帧，给予应答；随后等待步骤A的再次出现；主站在收到从站的应答后，在t₈时段返回步骤A[曲线②]； 

若主站返回步骤A，再次发送一个“随机地址时标同步信号”帧，随机地址为i，下一个可直接发送“从站主动上传信息帧”的从站物理地址为i。

H.到t₁₂（= t₁+T₆₄+T₄₈）时段（如附图3所示），公共时间段到，x号物理地址的从站未监听到网络上有信息传送，且自己有信息要发送，于是该从站发送抢答上传信息帧。 

I.t₁₃时段，主站接收到x号物理地址的从站发出的抢答上传信息帧，且帧格式和校验和均正确，给予应答。随后在t₁₄时段主站可返回步骤A[曲线③]。 

J.若一个网络中有N个从站（如附图4所示），在t₁时段，主站发送一个“随机地址时标同步信号”帧，且随机地址为k；一直到t_n+1（= t₁+（ N+1）×T₆₄）时段，无任何从站在规定可发送数据的时段主动向主站发送“从站主动上传信息”帧，也无任何从站在公共时间段主动向主站发送“发送抢答上传信息帧”帧，主站则返回步骤A再次发送“随机地址时标同步信号”帧。 

所述帧类型码如表1所示，不同帧类型码的帧格式如表2所示。 

                            表1 

 表2

Claims (10)

1.一种采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：协议采用主站时标同步，从站主动上传，主站监听冲突处理的通信机制，主站与从站之间的通信包括以下步骤：

A.主站采用随机算法产生一个地址，并据此发送一个随机地址时标同步信号帧；

B.从站监听到主站发送的随机地址时标同步信号帧，计算本站的虚拟动态地址；

C.根据虚拟动态地址计算本从站可发送数据的时间段，启动本站的定时器；

D.本从站定时器运行到可发送数据的时间段，但之前监听到网络上有信息传送，则关闭本站的定时器，不发送任何信息，等待步骤A的再次出现；

E.本从站定时器运行到可发送数据的时间段，并之前未监听到网络上有信息传送，则本从站可不发送任何帧，不关闭本站的定时器；或发送从站发主动上传信息帧帧，并关闭本站的定时器，等待步骤A的再次出现；

F.本从站定时器运行到公共时间段，并之前未监听到网络上有信息传送，且本站目前有信息要传送，可发送从站抢答上传信息帧帧，并关闭本站的定时器，等待步骤A的再次出现；

G.主站接收到从站在可发送数据时间段发出的主动上传信息帧，给予应答；随后主站可发送命令帧或返回步骤A；

H.主站接收到从站在公共时间段发出的正确的从站抢答上传信息帧，给予应答；随后主站可发送命令帧或返回步骤A；

I.主站接收到从站在公共时间段发出的错误的从站抢答上传信息帧，认为网络上冲突已经发生，不给予应答，随后主站返回步骤A；

J.从站在接收到主站发出的命令帧，给予命令应答帧；随后等待步骤A的再次出现；

K.主站在发送命令帧后，延迟128位位发送时间返回步骤A；

L.主站在本网络N个从站可发送数据时间段和公共时间段全部到达之后，且网络上无任何信息上传，返回步骤A。

2.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：所述帧格式为控制帧和数据帧两种，帧格式均由若干个字节组成，每字节包含8位二进制数据，采用高位在前，低位在后的同步传输方式。

3.如权利要求2所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩通信协议，其特征在于：控制帧由帧类型码、随机地址或目标地址两部分组成；数据帧由帧类型码、目标地址或源地址、数据长度、数据及校验和五部分组成。

4.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：帧格式中的帧类型码定义了通信帧的类型分别为：控制帧包括主站发地址时标同步信号帧；数据帧包括主站发广播信息帧、主站向从站发命令帧、主站应答从站帧、从站发主动上传信息帧、从站发抢答上传信息帧、从站应答主站命令帧。

5.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：所述步骤B的虚拟动态地址的计算方法：

Z = W ＋ 1－ X           当 W ≥ X

或    Z = N ＋ 1 － X ＋ W    当 W ＜ X 

其中，Z：本站虚拟动态地址；W：本站物理地址；X：主机发随机地址时标同步信号帧中的地址值；N：通信网络中最大的从站物理地址。

6.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：所述步骤C可发送数据时间段的计算：发送数据时间段 Tn =48 位 位发送时间= T₄₈。

7.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：所述步骤D从站监听到网络上有信息传送的定义：从站监听到网络上在主站发送随机地址时标同步信号帧后，有其它控制帧类型码的信息传送。

8.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其特征在于：所述步骤E从站可不发送任何帧，或发送从站发主动上传信息帧，的定义：从站有信息要上传给主站，发送从站主动上传信息帧；从站无信息要上传给主站，可不发送任何帧。

9.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其征在于：所述步骤H公共时间段的计算：

公共时间段 Tx =16 位 位发送时间= T₁₆；

所述步骤H、I主站接收到从站在公共时间段发出的正确/错误的从站抢答上传信息帧的定义为：

若主站接收的从站抢答上传信息帧所有帧格式都满足采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议的规范，且CRC校验正确，则认为收到正确的从站抢答上传信息帧；

反之，任何帧格式不满足采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议的规范，或CRC校验错误，则认为收到错误的从站抢答上传信息帧。

10.如权利要求1所述的采用时标同步冲突检测方法的低压电力线扩频通信协议，其征在于：主站发送一个地址时标同步信号帧到发送下一个地址时标同步信号帧的步骤为：

主站发送一个随机地址时标同步信号帧后，接收到从站在可发送数据时间段发出的主动上传信息帧，给予应答；

随后主站可发送下一个随机地址时标同步信号帧；主站发送一个随机地址时标同步信号帧后，接收到从站在公共时间段发出的正确的从站抢答上传信息帧，给予应答；

随后主站可发送下一个随机地址时标同步信号帧；

主站发送一个随机地址时标同步信号帧后，接收到从站在公共时间段发出的错误的从站抢答上传信息帧，不给予应答；

随后主站可发送下一个随机地址时标同步信号帧；

网络有N个从站，主站发送随机地址时标同步信号帧后，N个从站可发送数据时间段和公共时间段全部到达之后，且网络上无任何信息上传，主站可发送下一个随机地址时标同步信号帧；

N个从站可发送数据时间段和公共时间段计算方法为：

T_all=（N + 1）×（T_x+ T_n）=（N + 1）×（T₁₆ + T₄₈）=（N + 1）×T₆₄。

公共时间段 Tx =16 位 位发送时间= T₁₆。

Images