CN105187680A - 变电站数据采集通信modem及调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站数据采集通信MODEM，用于数据采集终端与主站通信，包括主控制器、调制输出电路和输入解调电路，调制输出电路采用数字/模拟转换电路将调制输出的信号转换为模拟量信号进行输出；输入解调电路采用比较器将输入的调制模拟信号转换为脉冲信号供主控制器采样并还原为标准串口信号；本发明还公开了一种该变电站数据采集通信MODEM采用的调制解调方法，用于完成该通信装置的调制输出、解调输入以及通讯过程的校验位自适应。本发明采用硬件和软件相结合的方式完成装置的通信，避免了采用专用的调制解调芯片和额外的控制器，成本较低，采购方便；通信方法固化在通用的主控制器内，修改和应用灵活，适用性广。

Description

变电站数据采集通信MODEM及调制解调方法

技术领域

本发明涉及数据传输领域，具体涉及一种变电站数据采集通信MODEM及调制解调方法。

背景技术

在变电站的数据采集过程中，变电站的数据采集终端与电能表数据采集主站（又称主站）之间的通信，是通过专线MODEM通信装置来完成的。采用专线MODEM通信装置能够可靠的将数据采集终端所采集的数据通过专线上传到主站，通信距离可达到数千米，可靠性极强。

现有的专线MODEM通信装置一般采用专用的通信芯片来完成传输信号的调制解调工作。目前市面上最常见的专用的调制解调芯片是MSM7512B和ML7020两种，ML7020的功能较为强大，有几种工作模式，现在主要使用ML7020。

目前，专线MODEM通信模块一般采用如图1的方案：图1中的单片机R5F100FE主要功能是设置两片ML7020的工作模式，通信模块上电后单片机对ML7020的寄存器进行配置，将一片设置为调制模式，一片设置为解调模式。图中上面那一片ML7020用于信号调制输出，下面这片ML7020用于对输入的调制信号进行解调。调制输出的信号是以差分对的方式输出；输入的调制信号同样以差分对的方式输入。两片芯片与电能量采集终端是以串口的方式进行通信。串口通信波特率固定为1200bps。此方案支持V.23通信协议。

但是，现有的专线MODEM通信装置具有以下缺点：

（1）专用的调制解调芯片生产厂家很少，导致专用的调制解调芯片价格居高不下，采购困难；

（2）目前所使用的调制解调芯片需要使用额外的单片机进行控制，使得产品成本较高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种成本低廉、应用灵活的变电站数据采集通信MODEM。

本发明的目的之二在于提供一种该变电站数据采集通信MODEM采用的调制解调方法。

本发明提供的这种变电站数据采集通信MODEM，用于数据采集终端与主站之间的通信，包括主控制器、调制输出电路和输入解调电路，其特征在于调制输出电路采用数字/模拟转换电路将调制输出的信号转换为模拟量信号进行输出；输入解调电路采用比较器将输入的调制模拟信号转换为脉冲信号供主控制器采样。

所述的数字/模拟转换电路为由R/2R网络组成的硬件电路。

所述主控制器将采样到的脉冲信号解调后由第一输入/输出口输出，再由第二输入/输出口重采样消除误差后从第三输入/输出口输出，以提高解调输出信号的信号质量和准确性。

所述的主控制器为至少带有2个定时器、1个外部中断检测输入/输出口和12个输入/输出口的控制器。

本发明提供的一种变电站数据采集通信MODEM采用的调制解调方法，包括调制输出方法和输入解调方法，其特征在于所述的调制输出方法包括如下步骤：

（1）用第一种频率f1的正弦波表示高电平1，用第二种频率f2的正弦波表示低电平0；当调制输出电路的输入端电平发生变化时，调制输出电路的输出端输出的波形连续，调制输出波形的峰峰值为V_pp；

（2）将一个周期的正弦波按时间n等分，依据公式生成离散的正弦波形码表，其中n≥2，m为从0到n-1的正整数，D为生成的正弦波形码表的值；

（3）根据（2）中一个周期的等份数量，计算生成第一种频率波形的间隔时间，生成第二种频率波形的间隔时间；

（4）当调制输出电路的输入端电平发生变换时，如果变换为高电平，则立即将间隔时间调整为t1，以第一频率f1按照正弦波形码表输出正弦波，如果变换为低电平，则将间隔时间调整至t2，以第二频率f2按照正弦波形码表输出正弦波；

（5）当调制输出电路的输入端电平发生变换时，取出正弦波形码表的顺序不发生变化，用于保证数字/模拟电路输出的波形连续性；

其特征还在于所述的输入解调方法包括如下步骤：

（1）用第一种频率为f1、周期为T1的正弦波表示高电平1，用第二种频率为f2、周期为T2的正弦波表示低电平0，且T1大于T2；

（2）主控制器测量输入脉冲信号的高/低电平时间宽度t；

（3）若t大于等于，则认为被调制信号为高电平，将解调输出口置为高电平；若t小于等于，则认为被调制信号为低电平，将解调输出口置为低电平；

（4）若t不满足（3）中的范围，利用算式计算出t1和t2，式中t1为时间t内前一种调制频率信号所占时间，t2为时间t内后一种调制频率信号所占时间，且t=t1+t2；当步骤（3）解析出来的被调制信号电平与之前解调输出的电平不一致，则解调输出口立即切换为解析出来的电平；

（5）若t满足步骤（4），则将解调输出口继续保持t1时间的电平状态，当t1时间满后立即切换为相反电平状态。

所述的第一种频率的正弦波为频率为1300Hz正弦波，第二种频率的正弦波为频率为2100Hz的正弦波。

所述的解调方法还包括用主控制器输入/输出口进行解调误差修正的方法，包括如下步骤：

（1）将解调输出的波形输入主控制器的第一输入/输出口，将主控制器的第二输入/输出口连接数据采集终端的通信端口；

（2）当第一输入/输出口检测到下降沿中断后，关闭第一输入/输出口的下降沿中断检测功能与定时器定时中断功能，同时设置定时器定时中断时间为标准通信波特率的一个比特时间的一半，然后启动定时器；

（3）当定时器产生定时中断时，设置定时器定时中断时间为标准通信波特率的一个比特时间，同时读取第一输入/输出口的电平状态输出至第二输入/输出口；

（4）重复步骤（3）直至第10位时开启第一输入/输出口下降沿中断检测功能；

（5）重复步骤（4）直至第11位时关闭定时器定时中断功能。

所述的标准通信波特率为1200bps。

所述的第一输入/输出口为带有下降沿检测功能的输入/输出口。

所述的调制解调方法还包括通信自适应校验位的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）调制输出电路模块的输入端仅检测电平变换，不检测实际发送的数据；

（2）在解调并经过误差修正输出波形的第10比特位时开启输入/输出口下降沿触发中断功能，用于串口通信起始位同步；

（3）若此字节数据无奇偶校验位，则第10位必定为停止位，为高电平，当采样到下降沿时，该字节数据结束；

（4）若此数据帧有奇偶校验位，则第10位为奇偶校验位，第11位为停止位，为高电平，不会产生下降沿，从而完成一个字节数据的通信；

（5）若从第10位开始采样，仅采样到一位数据就采样到了下降沿，则该数据帧无奇偶校验位；否则该数据帧存在奇偶校验位。

本发明提供的这种变电站数据采集通信MODEM及调制解调方法，采用硬件和软件相结合的方式完成了信号的调制、解调、误差修正和通信校验位的自适应，避免了采用专用的调制解调芯片和额外的单片机控制器，成本较低，采购也比较方便；同时，本发明提供的通信方法固化在通用的主控制器内，修改和应用比较灵活，适用性广。

附图说明

图1为背景技术的功能模块图。

图2为本发明的功能模块图。

图3为本发明的调制输出电路电路原理图。

图4为本发明的通信方法的调制输出方法流程图。

图5为本发明的通信方法的输入解调电路原理图。

图6为本发明的通信方法的输入解调方法流程图。

图7为本发明的通信方法的解调波形误差修正方法流程图。

具体实施方式

如图2所示，为本发明的功能模块图：本发明提供的变电站数据采集通信MODEM用于数据采集终端与主站之间的通信，包括主控制器、调制输出电路、运算放大器、输出音频变压器、输出保护器、解调输入电路、输入音频变压器和输入保护器；主控制器输出的信号通过调制输出电路调制后，通过运算放大器放大，并通过输出音频变压器和输出保护器件转换为差分对的方式输出至主站；主站通过差分对的方式输出信号，通过输入保护器件、输入音频变压器和解调输入电路送入主控制器；主控制器将接收到的解调输入电路的信号再通过一个输入/输出口输出并利用另一输入/输出口采样，从而提高输入解调信号的质量。

如图3所示，为本发明的调制输出电路原理图：调制输出电路是由R/2R电阻网络组成的数字/模拟转换器，主控制器的41~34共8个引脚，分别对应信号P20~P27，8个引脚各自串联一个阻值为2kΩ的电阻，串联的电阻共8个，在图中的标号依次为R15、R17、R18、R20、R21、R22、R29和R59，在串联2kΩ的电阻后，再在每两个信号之间并联一个1kΩ的电阻，并联的电阻共8个，在图中的标号依次为R40、R43、R54、R55、R56、R57和R58，同时，41号引脚在串联电阻后，还要通过一个2kΩ的滤波电阻（图中标号R39）接地，34号引脚串联电阻后，通过一个0.1uF的滤波电容（图中标号C48）接地，然后输出调制信号FSK_OUT。

如图4所示，为本发明的通信方法的调制输出方法流程图，该方法包括如下步骤：

（1）用频率f1=1300Hz的正弦波表示高电平1,用频率f2=2100Hz的正弦波表示低电平0；当调制模块的输入端电平发生变化时，调制模块的输出端输出的波形连续，调制输出波形的峰峰值为V_pp；

（2）将一个周期的正弦波n等分，依据公式生成离散的正弦波形码表，公式中n≥2，m为从0~n-1的正整数；

（3）根据（2）中一个周期的等份数量，计算生成第一种频率波形的间隔时间，生成第二种频率波形的间隔时间；

（4）当调制输出电路的输入端电平发生变换时，如果变换为高电平，则立即将间隔时间调整为t1，以第一频率f1按照正弦波形码表输出正弦波，如果变换为低电平，则将间隔时间调整至t2，以第二频率f2按照正弦波形码表输出正弦波；

（5）当调制输出电路的输入端电平发生变换时，取出正弦波形码表的顺序不发生变化，用于保证数字/模拟电路输出的波形连续性。

如图5所示，为本发明的通信方法的输入解调电路的电路原理图：两路输入的信号为接收正极信号（图中标示RXD+）和接收负极信号（图中标示RXD-），两路输入信号直接连接到变压器的原边的4号引脚和6号引脚，变压器的原边的两路信号之间通过三个固态放电管（图中标号为V8、V11和V19）连接，同时接收正极信号（图中标示RXD+）通过固态放电管和安规电容（图中标示C47）接地；变压器的副边3号引脚连接信号（图中标示ATS_003），1号引脚通过滤波电容（图中标示C50）连接运算放大器的负极，运算放大器的负极同时通过第一上拉电阻（图中标示R131）接电源正极（图中标示V3P3A），也通过第一下拉电阻（图中标示R132）接电源负极（图中标示V3P3N），运算放大器的正极直接通过第二上拉电阻（图中标示R33）接电源正极（图中标示V3P3A），也通过第二下拉电阻（图中标示R34）接电源负极（图中标示V3P3N）；运算放大器的输出端通过第二滤波电容（图中标示C49）后形成信号FSK_IN，连接到主控制器的引脚25和26，同时也通过第三滤波电容（图中标示C53）接地。

如图6所示，为本发明的通信方法的输入解调方法流程图，该方法包括如下步骤：

（1）用第一种频率为f1、周期为T1的正弦波表示高电平1，用第二种频率为f2、周期为T2的正弦波表示低电平0，且T1大于T2；

（2）主控制器测量输入脉冲信号的高/低电平时间宽度t；

（3）若t大于等于，则认为被调制信号为高电平，将解调输出输入/输出口置为高电平；若t小于等于，则认为被调制信号为低电平，将解调输出输入/输出口置为低电平；

（4）若t不满足（3）中的范围，利用算式计算出t1和t2，式中t1为时间t内前一种调制频率信号所占时间，t2为时间t内后一种调制频率信号所占时间，且t=t1+t2；

（5）当步骤（3）解析出来的被调制信号电平与之前解调输出的电平不一致，则解调输出输入/输出口立即切换为解析出来的电平；

（6）若t满足步骤（4），则将解调输出的输入/输出继续保持t1时间的电平状态，当t1时间满后立即切换为相反电平状态。

如图7所示为本发明的波形修正方法流程示意图：其具体方法包括：

（1）将解调输出的波形输入主控制器的第一输入/输出口，将主控制器的第二输入/输出口连接数据采集终端的通信端口；

（2）当第一输入/输出口检测到下降沿中断后，关闭第一输入/输出口的下降沿中断检测功能与定时器定时中断功能，同时设置定时器定时中断时间为标准通信波特率(1200bps)的一个比特时间的一半，然后启动定时器；

（3）当定时器产生定时中断时，设置定时器定时中断时间为标准通信波特率的一个比特时间，同时读取第一输入/输出口的电平状态输出至第二输入/输出口；

（4）重复步骤（3）直至第10位时开启第一输入/输出口下降沿中断检测功能；

（5）重复步骤（4）直至第11位时关闭定时器定时中断功能。

本发明还包括通信自适应校验位的方法，包括以下步骤：

（1）调制输出电路模块的输入端仅检测电平变换，不检测实际发送的数据；

（2）在解调并经过误差修正输出波形的第10比特位时开启输入/输出口下降沿触发中断功能，用于串口通信起始位同步；

（3）若此字节数据无奇偶校验位，则第10位必定为停止位，为高电平，当采样到下降沿时，该字节数据结束；

（4）若此数据帧有奇偶校验位，则第10位为奇偶校验位，第11位为停止位，为高电平，不会产生下降沿，从而完成一个字节数据的通信；

（5）若从第10位开始采样，仅采样到一位数据就采样到了下降沿，则该数据帧无奇偶校验位；否则该数据帧存在奇偶校验位。

Claims (10)

1.一种变电站数据采集通信MODEM，用于数据采集终端与主站之间的通信，包括主控制器、调制输出电路和输入解调电路，其特征在于调制输出电路采用数字/模拟转换电路将调制输出的信号转换为模拟量信号进行输出；输入解调电路采用比较器将输入的调制模拟信号转换为脉冲信号供主控制器采样。

2.根据权利要求1所述的变电站数据采集通信MODEM，其特征在于所述的数字/模拟转换电路为由R/2R电阻网络组成的硬件电路。

3.根据权利要求1所述的变电站数据采集通信MODEM，其特征在于所述主控制器将采样到的脉冲信号解调后由第一输入/输出口输出，再由第二输入/输出口重采样消除误差后从第三输入/输出口输出，以提高解调输出信号的信号质量和准确性。

4.根据权利要求1之一所述的变电站数据采集通信MODEM，其特征在于所述的主控制器为至少带有2个定时器、1个外部中断检测输入/输出口和12个输入/输出口的控制器。

5.一种根据权利要求1~4之一所述的变电站数据采集通信MODEM所采用的调制解调方法，包括调制输出方法和输入解调方法，其特征在于所述的调制输出方法包括如下步骤：

（1）用第一种频率f1的正弦波表示高电平1，用第二种频率f2的正弦波表示低电平0；当调制输出电路的输入端电平发生变化时，调制输出电路的输出端输出的波形连续，调制输出波形的峰峰值为V_pp；

（2）将一个周期的正弦波按时间n等分，依据公式生成离散的正弦波形码表，其中n≥2，m为从0到n-1的正整数，D为生成的正弦波形码表的值；

（3）根据（2）中一个周期的等份数量，计算生成第一种频率波形的间隔时间，生成第二种频率波形的间隔时间；

（4）当调制输出电路的输入端电平发生变换时，如果变换为高电平，则立即将间隔时间调整为t1，以第一频率f1按照正弦波形码表输出正弦波，如果变换为低电平，则将间隔时间调整至t2，以第二频率f2按照正弦波形码表输出正弦波；

（5）当调制输出电路的输入端电平发生变换时，取出正弦波形码表的顺序不发生变化，用于保证数字/模拟电路输出的波形连续性；

其特征还在于所述的输入解调方法包括如下步骤：

（1）用第一种频率为f1、周期为T1的正弦波表示高电平1，用第二种频率为f2、周期为T2的正弦波表示低电平0，且T1大于T2；

（2）主控制器测量输入脉冲信号的高/低电平时间宽度t；

（3）若t大于等于，则认为被调制信号为高电平，将解调输出口置为高电平；若t小于等于，则认为被调制信号为低电平，将解调输出口置为低电平；

（4）若t不满足（3）中的范围，利用算式计算出t1和t2，式中t1为时间t内前一种调制频率信号所占时间，t2为时间t内后一种调制频率信号所占时间，且t=t1+t2；

（5）当步骤（3）解析出来的被调制信号电平与之前解调输出的电平不一致，则解调输出口立即切换为解析出来的电平；

（6）若t满足步骤（4），则将解调输出口继续保持t1时间的电平状态，当t1时间满后立即切换为相反电平状态。

6.根据权利要求5所述的调制解调方法，其特征在于所述的第一种频率的正弦波为1300Hz正弦波，第二种频率的正弦波为2100Hz的正弦波。

7.根据权利要求5所述的调制解调方法，其特征在于所述的解调方法还包括用主控制器输入/输出口进行解调误差修正的方法，包括如下步骤：

（1）将解调输出的波形输入主控制器的第一输入/输出口，将主控制器的第二输入/输出口连接数据采集终端的通信端口；

（2）当第一输入/输出口检测到下降沿中断后，关闭第一输入/输出口的下降沿中断检测功能与定时器定时中断功能，同时设置定时器定时中断时间为标准通信波特率的一个比特时间的一半，然后启动定时器；

（3）当定时器产生定时中断时，设置定时器定时中断时间为标准通信波特率的一个比特时间，同时读取第一输入/输出口的电平状态输出至第二输入/输出口；

（4）重复步骤（3）直至第10位时开启第一输入/输出口下降沿中断检测功能；

（5）重复步骤（4）直至第11位时关闭定时器定时中断功能。

8.根据权利要求7所述的调制解调方法，其特征在于所述的标准通信波特率为1200bps。

9.根据权利要求7所述的调制解调方法，其特征在于所述的第一输入/输出口为带有下降沿检测功能的输入/输出口。

10.根据权利要求5所述的调制解调方法，其特征在于所述的调制解调方法还包括通信自适应校验位的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）调制输出电路模块的输入端仅检测电平变换，不检测实际发送的数据；

（2）在解调并经过误差修正输出波形的第10比特位时开启输入/输出口下降沿触发中断功能，用于串口通信起始位同步；

（3）若此字节数据无奇偶校验位，则第10位必定为停止位，为高电平，当采样到下降沿时，该字节数据结束；

（4）若此数据帧有奇偶校验位，则第10位为奇偶校验位，第11位为停止位，为高电平，不会产生下降沿，从而完成一个字节数据的通信；

（5）若从第10位开始采样，仅采样到一位数据就采样到了下降沿，则该数据帧无奇偶校验位；否则该数据帧存在奇偶校验位。