CN105406899B

CN105406899B - 用于海洋通信的电力线载波通信装置

Info

Publication number: CN105406899B
Application number: CN201510695741.0A
Authority: CN
Inventors: 亓夫军; 李予国; 裴建新; 刘培剑; 刘晓瑞
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: CN105406899A

Abstract

本发明公开了一种用于海洋通信的电力线载波通信装置，包括载波发射端、载波接收端及中性浮力缆线，载波发射端发射载波信号，通过中性浮力缆线传输至载波接收端进行接收；载波发射端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波调制模块、发射耦合电路及耦合变压器，载波接收端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波解调模块、接收耦合电路及去耦变压器，中性浮力线缆为轻浮力材料配重的同轴电缆。本发明在通信中不增加专门的通信电缆，大大降低了工程成本和施工难度；利用多信道耦合，达到较高的并行通信速率；各信道独自的耦合和去耦电路，保证了各独立信道载波的有效调制及解调；使用专门的同轴电缆，增强了通信的可靠性。

Description

用于海洋通信的电力线载波通信装置

技术领域

本发明涉及电力线载波通信技术领域，特别涉及一种用于海洋的电力线载波通信装置。

背景技术

海洋通信的对象，往往一方位于陆地或海上平台，另一方则是处于汪洋大海中活动的水下设备或海底观测网络。目前水下通信技术主要分为无线和有线通信。无线通信主要指水下电磁波通信以及水声通信，由于电磁波在水中有很大的衰减，水下电磁波通信存在传播距离较短且不稳定的特点，其中水下电磁波通讯以光通讯研究较多，但是水下光通信存在着光损耗、光束扩散、多径散射等缺点；相比水下电磁波通讯，水声通信则存在传播速度较慢的限制。由于水下无线通讯具有以上工程问题，在对水下传感器进行布放或者对拖曳式潜航器、水下机器人进行操控时，仍需借助有线通信。海洋有线通信使用的电缆远不同于常规电缆，其造价高昂，电缆的物理尺寸也因作业环境的特殊性而有着严格的限制，缆线里的电缆、光缆的使用数量都直接影响了缆线的造价和布放的操作难度。

电力载波通信是利用现有的电力线路来传输信号的，具体为将数据或控制信号调制在几十至几百KHz的载波频率上，通过电力线发送出去，接收端将电力线上载有信号的载波接收下来，进行解调还原出原来的数据或控制信号。这种通信方式的载体即现成的电力线，无需像有线通信一样重新铺设通信电路；也不像无线传输那样需要复杂的发送接收设备来传输信息。它无需架设额外的通信线路，也不占用宝贵的无线频谱资源。

因此，在远距离、大功率、不要求较高速率的水上水下有缆通信环境下，采用电力线载波通信技术的优越性是十分明显的：电力线载波通信技术使用了系统中给水下供电的电力线作为通信的传输媒介，不需要在线缆中布设额外的信号线，大大节约了工程的成本和技术难度尤其适合通信速率不高，网络拓扑相对简单的系统。

传统电力载波一般采用频带传输，即用载波调制的方法携带信息的数字信号的频谱搬移到较高频率上，以避开电力线的强噪声干扰。所采用的基本调制方式有幅移键控(ASK)，相移键控(PSK)，频移键控(FSK)。其中，FSK调制方式是使用两个不同频率的高频载波传送“0”、“1”信号，这样通信不必过分依赖于电力线路的质量，能较好地适应频繁变化的线路阻抗和噪声干扰，同时其所需的频带较窄，可以通过划分频带的办法实现多路复用以提高信道的利用效率。既兼顾了设备的抗干扰性能，又不致使系统复杂、昂贵。另外，由于频率调制技术相对成熟而可靠，又有着成本低廉的优势，所以在当前得到了广泛应用。在上述基本调制方式的基础上，又派生出了差分等。这些调制方法最大的弱点就是去噪声能力不强，随着配电网结构的不断复杂和人们对电力载波通信质量要求的不断提高，尤其在复杂的海洋环境下，传统的载波通信技术已经越来越不适应现在高速率、大容量的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于海洋平台的电力线载波通信装置，从而实现岸基或水面控制台与水下潜航器或观测设备之间的通信，弥补现有技术的不足。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于海洋通信的电力线载波通信装置，其特征在于包括载波发射端、载波接收端及中性浮力缆线，载波发射端发射载波信号，通过中性浮力缆线传输至载波接收端进行接收；所述载波发射端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波调制模块、发射耦合电路及耦合变压器，在发射过程中，信号经上位机串行接口和主控芯片后进入电力线载波调制模块进行调制，调制后的信号在经过发射耦合电路处理后，最终通过耦合变压器进入中性浮力缆线；所述载波接收端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波解调模块、接收耦合电路及去耦变压器，在接收过程中，信号经去耦变压器从中性浮力缆线进入接收耦合电路，然后经过电力线载波解调模块解调为标准数字信号，由主控芯片和上位机串行接口接收处理；

所述载波发射端：上位机串行接口与主控芯片相连，将上位机串行接口的信号经串行通信调制解调芯片转换成TTL电平；主控芯片与电力线载波调制模块通过SPI接口连接，将TTL电平经耦合变压器耦合至中性浮力缆线；

所述载波接收端：去耦变压器将中性浮力缆线上的载波信号耦合进电力线载波解调模块，解调后通过SPI接口送至主控芯片，再由主控芯片经串行通信调制解调芯片进行TTL电平转换，将接收到的信号送至接收端的上位机串行接口。

所述上位机串行接口采用基于MAX3232的UART串行通信接口；所述主控芯片为STM32系列单片机。

所述电力线载波调制模块和电力线载波解调模块是以ST7538芯片为基础的功能模块，均采用FSK调制方式，具有8个通信频点，能达到最高4800的波特率，ST7538芯片输出波形经耦合电路滤波后的信号耦合进电力线的接口为电力线接口，其可采用电流互感器耦合到电力线上；电力线载波调制模块和电力线载波解调模块均采用ST7538芯片的多个频点，在电力线信号耦合端将多路信号经同一耦合变压器耦合进同一路物理信道，并将多通道ST7538芯片为核心的功能模块通过SPI接口接入主控芯片STM32，从而实现从单频点到8频点的多路通信，且每一频点的调制解调芯片可通过设定ST7538芯片的24位寄存器实现双工模式或单工模式。

所述发射耦合电路为发射LC被动带通滤波电路；所述接收耦合电路包括接收LC被动带通滤波电路和接收主动带通放大器。

所述发射LC被动带通滤波电路、接收LC被动带通滤波电路和接收主动带通放大器的滤波通频带的中心频率均等于ST7538芯片相应各个通信频点值；其中，发射被动接收带通滤波电路和接收被动带通滤波电路设计为10KHz带宽，接收主动带通放大器设为6KHz带宽。

所述中性浮力缆线为轻浮力材料配重的同轴电缆，以适合水下通信。

本发明的有益效果：1.采用电力线载波通信，在对海洋设备的通信中不增加专门的通信电缆，大大降低了工程成本和施工难度；2.利用多信道耦合的方法，能够更好的实现物理信道的复用，从而达到较高的并行通信速率；3.各信道独自的耦合和去耦电路，能够保证各独立信道载波的有效调制及解调；4.使用轻浮力材料配重的的同轴电缆，适合水下通信，增强了通信的可靠性。

附图说明

图1是本发明的整体框图。

图2是本发明接收模块传输流程图。

图3是本发明发送模块传输流程图。

图4是本发明载波接收端的接收滤波电路图。

图5是本发明载波发射端的发送滤波电路图。

图6是本发明具体实施例管脚逻辑图。

图7是本发明的工作过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来详细说明本发明。

如图1-3所示，本发明包括载波发射端、载波接收端及中性浮力缆线，载波发射端发射载波信号，通过中性浮力缆线传输至载波接收端进行接收；所述载波发射端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波调制模块、发射耦合电路及耦合变压器，在发射过程中，信号经上位机串行接口和主控芯片后进入电力线载波调制模块进行调制，调制后的信号在经过发射耦合电路处理后，最终通过耦合变压器进入中性浮力缆线；所述载波接收端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波解调模块、接收耦合电路及去耦变压器，在接收过程中，信号经去耦变压器从中性浮力缆线进入接收耦合电路，然后经过电力线载波解调模块解调为标准数字信号，由主控芯片和上位机串行接口接收处理；

如图4所示，R1、C11、L3组成带衰减的LC并联带通被动滤波器，经C12耦合进由R2-R6，C10、C13、C15组成的无限增益多路反馈有源带通滤波器，最终从RAI口得到接收滤波后的波形，进而输入ST7538芯片的RAI引脚，并将输入端连至ATOP1和ATOP2，且在输入模式下ATOP1内部接地。

带衰减的LC并联带通被动滤波器计算公式：

无限增益多路反馈有源带通滤波器计算公式：

如图5所示，C16-C18，L4、R7共同组成发送滤波电路，计算关系：

其中C_p＝C₁₆(C₁₇+C₁₈)/(C₁₆+C₁₇+C₁₈)

如图6所示，主控芯片STM32和ST7538芯片之间硬件采用I/O引脚模拟的三线SPI串行接口(MISO,MOSI,SCK)相连接，并辅以CD_PD、REG_DATA、RXTX、REGOK、WD和BU六根控信号线实现STM32对ST7538的控制、状态监视和两者之间的数据交换(如下表所示)。

本实施例中硬件连接接口采用模拟三线SPI串行接口，在软件实现中，ST7538芯片要求读写寄存器必须使用三线(RXD、TXD、CLR/T)的SPI同步串行通信，而在初始化ST7538芯片时可将其设置为异步通信模式，在接下来的数据传输中将采用对ST7538芯片同步时钟依赖性相对较低的两线(RXD、TXD)异步通信方式。

此外，在模拟三线SPI串行接口和SPI同步串行通信中，ST7538芯片必须作为主机，主控芯片STM32作为从机，即通信时钟由ST7538芯片提供。

本实施例的硬件部分以一个72KHz和86KHz的双通道一收一发体系为例进行说明，如图1所示，其在端点一和端点二各需挂载一个电力线载波调制模块和一个电力线载波解调模块。在端点一配置72KHz为发射频点，86KHz为接收频点；在端点二配置72KHz为接收频点，86KHz为发射频点。

如图7所示，本发明的工作过程如下：

载波接收过程：系统启动后，先进行系统初始化，检测所需配置的参数，通过SPI通信对ST7538芯片的24位寄存器写入进行参数配置，电力线载波解调模块配置为载波频点86KHz，接收模式，波特率4800；配置后开始监听接收信道，根据CD_PD引脚电平判断有无载波，有则接收载波信号，无则继续监听；接收到的载波信号会存在主控芯片STM32内部Flash里开辟的接收缓存区内；接收完成后，由主控芯片STM32判断缓存区内的数据是否符合帧格式，符合则将数据通过串口发送，不符合则转向错误处理；待串口发送完成，则完成一次数据接收。

载波发射过程：系统启动后，先进行系统初始化，检测所需配置的参数，通过SPI通信对ST7538芯片的24位寄存器写入进行参数配置，电力线载波解调模块配置为载波频点72KHz，接收模式，波特率4800；配置后开始监听接收信道，电力线载波调制模块配置为载波频点86KHz，发送模式，波特率4800；配置后开始监听上位机串口是否有数据需要发送，如果有则接收数据存入主控芯片STM32内部Flash里开辟的发送缓存区内；接收完成，由单片机按照通信协议对发送的数据进行打包；然后检测载波发射端是否繁忙，如果是则加入发送堆栈，否则立即发送；待串口发送完成，则完成了一次数据的发送。

以上仅对本发明的特定实施例进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范围内，进行多样的变更，其都没有超出本发明请求保护的范围。

Claims

1.一种用于海洋通信的电力线载波通信装置，其特征在于包括载波发射端、载波接收端及中性浮力缆线，所述载波发射端发射载波信号，通过中性浮力缆线传输至载波接收端进行接收；所述载波发射端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波调制模块、发射耦合电路及耦合变压器，在发射过程中，信号经上位机串行接口和主控芯片后进入电力线载波调制模块进行调制，调制后的信号在经过发射耦合电路处理后，最终通过耦合变压器进入中性浮力缆线；所述载波接收端包括上位机串行接口、主控芯片、电力线载波解调模块、接收耦合电路及去耦变压器，在接收过程中，信号经去耦变压器从中性浮力缆线进入接收耦合电路，然后经过电力线载波解调模块解调为标准数字信号，由主控芯片和上位机串行接口接收处理；

所述载波接收端：去耦变压器将中性浮力缆线上的载波信号耦合进电力线载波解调模块，解调后通过SPI接口送至主控芯片，再由主控芯片经串行通信调制解调芯片进行TTL电平转换，将接收到的信号送至接收端的上位机串行接口；

所述电力线载波调制模块和电力线载波解调模块均是以ST7538芯片为基础的功能模块，均采用ST7538芯片的多个频点，在电力线信号耦合端将多路信号经同一耦合变压器耦合进同一路物理信道，并将多通道ST7538芯片为核心的功能模块通过SPI接口接入主控芯片STM32，从而实现从单频点到8频点的多路通信；

所述电力线载波调制模块和电力线载波解调模块的每一频点的调制解调芯片可通过设定ST7538芯片的24位寄存器实现双工模式或单工模式；

所述发射耦合电路为发射LC被动带通滤波电路；所述接收耦合电路包括接收LC被动带通滤波电路和接收主动带通放大器；

2.如权利要求1所述的电力线载波通信装置，其特征在于所述上位机串行接口采用基于MAX3232的UART串行通信接口。

3.如权利要求1所述的电力线载波通信装置，其特征在于所述主控芯片为STM32系列单片机。

4.如权利要求1所述的电力线载波通信装置，其特征在于所述中性浮力缆线为轻浮力材料配重的同轴电缆。