CN106161307A - 采用单片机实现ook调制解调技术的低成本载波通信模块 - Google Patents
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Abstract
本发明采用通用的具备PWM功能的单片机实现OOK调制解调技术,从而实现了电力载波芯片的所有功能,成本低,外围电路简单。采用带通滤波器电路有效抑制干扰,提高了抗干扰能力。采用耦合信号恢复和阻抗隔离技术增强了总线的带载能力,增加了总线的有效通信距离。可以广泛应用在消防报警系统、消防智能应急照明与疏散指示系统、智能家居系统等系统终端数量庞大、终端要求成本低廉的总线通信系统。
Description
技术领域
电力载波通讯即PLC,是英文Power line Communication的简称。 电力载波是电力系统特有的通信方式,电力载波通讯是指利用现有电力线,在发送端通过载波方式将模拟或数字信号调制到电力线上,在接收端解调,实现设备间的通信。最大特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递。另外,对于现场总线系统,如果采用载波传输技术,可以节省两根信号线,降低系统布线成本。
背景技术
目前行业应用主要采用专用的电力载波芯片实现电力载波通信,专用芯片体积大,外围电路复杂,不利于小型化嵌入式集成,而且价格昂贵。在很多的应用环境中,电力载波芯片的成本价格占设备成本比例过高,甚至超过了设备成本,在这种情况下,对于规模巨大的监控网络,如消防报警系统、消防智能应急照明与疏散指示系统、智能家居系统等终端数量庞大,终端要求成本低廉,采用电力载波芯片带来的系统成本将大于布线施工成本,不如采用另外铺设通信线路或无线传输的方式实现设备间通信。电力载波芯片的价格昂贵限制了载波通信技术的实际应用。OOK(On-Off Keying)二进制启闭键控调制技术是ASK(Amplitude Shift Keying)幅移键控调制技术的特例,广泛应用在许多低频射频应用中的数字通信调制技术。最简单的ASK方式是当信号源要发送‘1’时,它就发送一个高幅值的载波,当需要发送‘0’时,它就发送一个低幅值的载波。OOK调制是这种方法的进一步简化版本,信号源在需要发送‘0’的时候不用发送载波。本发明采用通用的单片机技术实现OOK调制解调,从而实现了电力载波芯片的所有功能,成本低,外围电路简单。采用带通滤波器电路有效抑制干扰,提高了抗干扰能力。采用耦合信号恢复和阻抗隔离技术增强了总线的带载能力,增加了总线的有效通信距离。
发明内容
模块由发送回路和接收回路两部分构成,如附图1所示。发送回路由PWM编码单元、OOK发生单元、发送驱动单元、发送耦合单元四部分构成;接收回路由接收耦合单元、带通滤波单元、电流放大与检波单元、TTL电平恢复单元、PWM解码单元五部分构成。其中PWM编码单元、OOK发生单元和PWM解码单元在单片机内部由单片机软件实现,不需要额外的硬件。
发送回路:模块接收到本地用户设备的数据包后,然后利用单片机的PWM功能产生频率F0,占空比50%的PWM信号作为OOK调制的载波信号等待发送。将数据包中的码元0和1,数据包起始码、数据包结束码编码成不同宽度的PWM编码,然后根据数据包的PWM编码宽度控制PWM信号的输出,从而实现OOK调制信号的发送。OOK的发送宽度固定为T,T满足
T>=10/F0 (1)
即必须发送至少10个载波周期,同时T还必须满足
T<= PWM码元的最小宽度/2 (2)
即必须保证码元之间由足够的间隙,否则难以解码。本载波模块数据包采用附图1所示的PWM编码规范。
从附图1所示的PWM编码规范可以确定PWM编码的最小宽度为350μs,因此根据式(2)确定OOK的发送宽度固定为T=175μs,从而根据式(1)确定载波频率F>=10/T,可以算出F0不小于57kHz,本发明的隔离耦合型载波通信模块用于电力线载波传输,为规避电力线上的普遍干扰,F0=480kHz;直流电源线载波通信模块F0=160kHz。
接收回路:模块耦合到电源线上的OOK信号经过滤波、电流放大、检波、TTL电平信号恢复后送入单片机,利用单片机的捕获比较功能解码出数据包。
附图说明
图1. 数据包PWM编码表。
图2. OOK调制解调收发回路功能方框图。
图3. OOK调制解调隔离耦合型载波通信模块电路原理图。
图3中:(A)发送驱动单元,(B)隔离耦合单元,(C)接收耦合、阻抗隔离单元,(D)带通滤波单元,(E)电流放大、检波单元,(F)TTL电平恢复单元。
图4. OOK调制解调隔离耦合型单片机外围电路原理图。
图5. OOK调制解调直流电源线耦合型载波通信模块电路原理图。
图5中:(A)发送驱动单元,(B)接收耦合、阻抗隔离单元,(C)带通滤波单元,(D) 电流放大、低通滤波单元,(E)TTL电平恢复单元。
图6. OOK调制解调直流电源线耦合型单片机外围电路原理图。
图7.OOK调制信号耦合到直流电源线上的信号波形图。
图8.OOK调制信号耦合到220V交流电力线上的信号波形图。
图9.采用零点发送的OOK信号耦合到220V交流电力线上的信号波形图。
图10.OOK信号恢复和滤波后的信号波形图。
图11.窄带滤波电路频率衰减特性图。
图12. PWM信号OOK调制波形图。
图13. 低通滤波信号和TTL电平恢复信号波形图。
图14. 数据包OOK发送软件流程图。
图15. 数据包OOK接收软件流程图。
具体实施方式
如图3、图4、图5、图6所示,单片机通过串口接收到用户设备的数据包后,启动OOK载波信号,然后将数据包进行PWM编码,控制载波的发送,实现OOK调制,调制好的OOK信号经过发送驱动单元发送到作为总线的电源线上传输到远端。耦合到交流电力线上的信号波形如图8、图9所示;耦合到直流电源线上的信号波形如图7所示。当总线上有OOK信号时,首先通过接收耦合、阻抗隔离单元恢复OOK信号,信号波形如图10所示。OOK信号经过传输损耗后会衰减和变形,因此在接收回路上采用了接收耦合、阻抗隔离单元来恢复OOK信号,采用阻抗隔离电路可以有效减少接收端设备对OOK信号的吸收和衰减,从而增强总线的带载能力,增加总线的有效通信距离。安装在远端设备上的模块通过接收耦合、阻抗隔离单元来恢复OOK信号,经过电源线传输后的OOK信号包含很多干扰信号,经过带通滤波单元滤波后可以得到干净的OOK信号,如图10所示, 窄带滤波电路频率衰减特性如图11所示。经过滤波后的OOK信号经过电流放大、低通滤波后得到包含PWM信息的低频信号,如附图13所示,再经过TTL电平恢复单元恢复成单片机可以识别的PWM信号送入单片机,利用单片机的PWM捕获比较功能做PWM解码得到有效数据包。解码出的有效数据包通过串口发送到用户设备,完成用户设备间的通信。整个通信过程中的编码和解码全部利用单片机的软件资源实现,数据包OOK发送的软件流程图如附图14所示,数据包OOK接收的软件流程图如附图15所示。
Claims (2)
1.本发明利用单片机的PWM波形发生和捕获比较资源,通过单片机软件技术实现了OOK的调制和解调的思路和软硬件实现的具体方法,节省了调制解调专用芯片,可以大量降低系统成本。
2.本发明可以广泛应用于现场总线通信系统中,在现场总线系统中,通信模块的成本、带载能力会直接影响系统成本;对于终端数量特别多的系统,如消防报警系统、消防智能应急照明与疏散指示系统、智能家居系统等,用户一般对系统成本非常敏感;本发明模块提供了一种廉价的载波通信模块,可以有效降低系统建设成本,特别是模块电路中的接收耦合、阻抗隔离单元,电流放大与低通滤波单元的应用电路能够有效增强总线带载数量,增加总线的有效通信距离。
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