CN106656267A - 一种基于电力载波的通讯装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力载波的通讯装置及方法，装置包括以RISE3501芯片为核心的控制模块、载波接收电路、载波发送电路、载波信号耦合电路，载波信号耦合电路与电力线相连，所述控制模块通过I2C的通信方式与微型逆变器主控板连接以进行数据交换，交换的数据依次经控制模块、载波发送电路、载波信号耦合电路后发送到电力线，所述电力线携带的信息依次经载波信号耦合电路、载波接收电路、控制模块后发送到微型逆变器主控板。本发明装置基于电力载波进行实时监测，无需增加额外的通信线，实现了上位机和下位机的通信，具有布线简单、成本低的优点。

Description

一种基于电力载波的通讯装置及方法

技术领域

本发明涉及通讯研究领域，特别涉及一种基于电力载波的通讯装置及方法。

背景技术

目前电力载波的通信主要是应用在并网逆变器上，现在的并网逆变器大多数没有直接对上位机的通信，但在实际应用中有时需要对并网逆变器实时监测，因此又必须要求与上位机进行通信。为此，现在多采用串行通信方式进行通信。当并网逆变器数量较多时，其他通信方式会增加很多的通信线，导致布线的麻烦，成本的提高。

为此，寻求一种可实现多台下位机与上位机通信，且不需要另外的通信线的通讯装置和方法具有重要的实用价值和研究意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于电力载波的通讯装置，该装置直接通过电力线实现多台下位机与上位机通信，且不需要另外的通信线，可以用于光伏逆变器与上位机之间的通信。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述通讯装置的通讯方法，该方法直接通过电力线进行实时监测，实现了上位机和下位机的通信。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于电力载波的通讯装置，包括以RISE3501芯片为核心的控制模块、载波接收电路、载波发送电路、载波信号耦合电路，载波信号耦合电路与电力线相连，所述控制模块通过I2C的通信方式与微型逆变器主控板连接以进行数据交换，交换的数据依次经控制模块、载波发送电路、载波信号耦合电路后发送到电力线，所述电力线携带的信息依次经载波信号耦合电路、载波接收电路、控制模块后发送到微型逆变器主控板。上述装置基于电力载波，实现了上位机和下位机的通信。

优选的，所述RISE3501芯片中采用两个I/O口模拟I2C通信中的SDA、SCL线，通过上述I/O口与微型逆变器主控板相连。微型逆变器主控板采集的功率、温度等信息通过上述I/O口发送到RISE3501芯片。

优选的，所述载波接收电路包括三阶带通(BPF)滤波器和衰减控制电路，载波信号从载波信号耦合电路的输出端TX_OUT接口进入载波接收电路，依次通过三阶带通滤波器和衰减控制电路后进入RISE3501芯片中的PCG_Vin接口引脚。

优选的，所述载波信号耦合电路包括一聚酯电容、耦合线圈和一TVS二极管(瞬态抑制二极管)，聚酯电容串接在电力线上交流电的一个输入端上，用来隔离50HZ交流电和通过有用的高频载波信号，所述耦合线圈为1:1的耦合线圈(2.2mH)以传输有用的载波信号，同时隔离高压；所述TVS二极管并联在耦合线圈的后方，以防止快速冲击，保护后端电路。

优选的，所述通讯装置内还包括一过零检测电路，该过零检测电路与RISE3501芯片连接，用于判断相位。

一种基于上述通讯装置的通讯方法，包括步骤：

微型逆变器主控板将采集到的环境信息和工作状态信息发送到以RISE3501芯片为核心的控制模块，控制模块依次通过载波发送电路、载波信号耦合电路后发送到电力线，电力线与集中器相连；多台微型逆变器主控板有序的给集中器发送各自运行的信息；

电力线携带的信息依次经载波信号耦合电路、载波接收电路、控制模块后发送到微型逆变器主控板；

在上述信息传输过程中，从机采用以帧发送的数据结构，数据结构为：[起始帧，从机ID，数据1，……数据m，结束帧]，当当前从机接收到主机发来自己对应的识别符时，从机会按上述数据结构的顺序发送数据；当其他从机接收到起始帧时，它们忽视后面收到的任何数据，直到接收到结束帧。从而可避免由于从机误判而导致通讯错乱的情况。

具体的，微型逆变器主控板将采集到的环境信息和工作状态信息发送到电力线上，包括步骤：

(1)正常工作时，微型逆变器主控板检测与以RISE3501芯片为核心的控制模块的连接状态，如果没有连接好，RISE3401芯片将不断向微型逆变器主控板发送握手序列，直到握手成功；此时微型逆变器主控板向RISE3501芯片发送符合645规约的指令，将RISE3501芯片置于发送状态；

微型逆变器主控板采用一定时长的定时中断，将采集的信息通过I2C的方式发送到RISE3501芯片上；

(2)RISE3501芯片内部的RX模块接收I2C传来的应用数据包，并按照电力载波通讯EIA709.2物理层的标准调制信号，将调制好的电力载波信号经过DAC_OUT引脚发送至载波发送电路；TX模块用作解调来自电力线的信号，重组数据包，数据包协议包括EIA709.1网络层控制协议以及EIA709.2的电力线物理层标准；

(3)载波发送电路在保证载波信号不失真的情况下，对信号进行放大，然后将放大后的信号发送到载波信号耦合电路；

(4)载波信号耦合电路用于隔离电网的50HZ工频信号，而只能通过高频的载波信号，然后将信号发送到电力线上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)通信线较少。现有技术中至少需要两根通讯线或者另外接通讯模块，本发明可以直接通过电力线进行实时监测。

(2)多机通信便利。由于使用电力线通信，每个逆变器不需要额外的通信线，在多机工作的时候，监测时，除去了繁杂的连线，提供了极大便利。

(3)成本较低。对比传统的可以远距离传输的通信方式如ZIGBEE等，本发明基于电力线进行数据传输，需要的成本低。

附图说明

图1是本实施例通讯装置的连接关系图。

图2是本实施例中载波接收电路的电路图。

图3是本实施例中载波信号耦合电路的电路图。

图4是本实施例中过零检测电路的电路图。

图5是本实施例主机的流程图。

图6是本实施例从机的主程序流程图。

图7是本实施例从机的接收中断程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例一种基于电力载波的通讯装置，包括以RISE3501芯片为核心的控制模块、载波接收电路、载波发送电路、载波信号耦合电路，载波信号耦合电路与电力线相连，控制模块通过I2C的通信方式与微型逆变器主控板(DSP)连接以进行数据交换，交换的数据依次经控制模块、载波发送电路、载波信号耦合电路后发送到电力线，所述电力线携带的信息依次经载波信号耦合电路、载波接收电路、控制模块后发送到微型逆变器主控板。

本实施例采用的RISE3501芯片是52架构的单片机，有高度集成性。RISE3501内部集成了协议栈以及自动路由方案，所以不需要编写底层的协议算法。只需对RISE3501芯片的内部寄存器进行配置，即可实现电力载波通信的任务。其工作主要包括两个部分，一部分是与DSP间的通讯，一部分是载波发送及接收。与DSP之间的通讯是利用两个I/O口模拟成I2C通信中SDA、SCL线，从而与DSP进行通讯。而载波发收及接送则是通过操作芯片内部的特殊功能寄存器来实现功能。

参见图2，本实施例载波接收电路包括三阶带通(BPF)滤波器和衰减控制电路，载波信号从TX_OUT进入，通过三阶带通滤波器和衰减控制电路进入RISE3501-PCG_Vin接口引脚。图中CA控制为RISE3501增益控制引脚，当进入RISE3501信号过大时，CA控制使得信号在进入芯片之前先进行20dB的衰减处理。

在本实施例所述载波发送电路中，载波模块工作电平为12V，载波发送信号控制寄存器由底层软件配置，DAC_XDAC_OUT芯片引脚输出电平约为1.34Vpp，经过后续放大电路后，TX_OUT输出电平在空载情况下有10Vpp输出；增加负载至1欧时，输出电平达到2～3Vpp左右；实际输出信号大小根据负载不同而有所差异。载波信号经过放大后通过耦合电路直接被发送到电力线上。其中，TX_EN_CTRL、DAC_XDAC_OUT为RISE3501引脚，该引脚由微处理底层控制。

参见图3，本实施例载波信号耦合电路包括一聚酯电容、耦合线圈和一TVS二极管，交流电的输入端L先串联一个0.22uF/275V聚酯电容，用来隔离50HZ交流电和通过有用的高频载波信号。并用一个1:1的耦合线圈(2.2mH)以传输有用的载波信号，同时起到隔离高压作用，让大部分高压将在聚酯电容上，使后面的电路不带高压以保护人身安全。TVS二极管防止快速冲击，保护后端电路。

参见图4，本实施例过零检测电路都是正过零导通，50HZ/220V交流信号经过过零检测电路的正过零延时为0.6ms，60HZ/110V交流信号经过过零检测电路的正过零延时为0.75ms。如果该电路硬件参数发生变动，则需测试过零点检测延时时间，测试延时时间不得超过1.3ms。过零检测端口ZERO连到RISE3501对应引脚，过零检测电路用于判断相位。

本实施例中，一个主要创新点在于实现了多机通讯传输数据，这里多机通讯即实现在同一条电力线上，多台微型逆变器主控板有序的给集中器(或上位机)发送各自运行的状态，流程参见图5。将微型逆变器称为从机，而集中器(或上位机)称为主机。从电力载波通讯的角度来说，主机的主要任务是依次给各个从机发送数据请求，并且接收从机传来的数据。从机主要的任务是当接收到主机特定的请求时，将数据通过电力线把数据发送到主机。对于主机，其在工作过程中，先初始化通讯设置，然后在开始并网工作时，发送第i个从机的数据请求，然后等待接收第i个从机的数据100ms。100ms后，如果正常接收到该从机的数据，则在上位机显示该从机的运行状况，否则，在上位机显示该从机失去连接。重复上述步骤，直到所有的从机均发送了数据请求。

参见图6、7，本实施例从机的通讯方法，包括步骤：

S1：正常工作时，DSP检测与以RISE3501芯片为核心的控制模块的连接状态，如果没有连接好，RISE3401芯片将不断向DSP发送握手序列，直到握手成功；此时DSP向RISE3501芯片发送符合645规约的指令，将RISE3501芯片置于发送状态；DSP采用500ms的定时中断，将采集的信息(功率、温度等)通过I2C的方式发送到RISE3501芯片上。

S2：RISE3501芯片内部的RX模块会接收I2C传来的应用数据包，并按照电力载波通讯EIA709.2物理层的标准调制信号，将调制好的电力载波信号经过DAC_OUT引脚发送至载波发送电路；TX模块用作解调来自电力线的信号，重组数据包，数据包协议包括EIA709.1网络层控制协议以及EIA709.2的电力线物理层标准；

S3：载波发送电路在保证载波信号不失真的情况下，对信号进行放大，然后将放大后的信号发送到载波信号耦合电路。

RISE3501芯片的载波后信号输出引脚DAC_OUT电平只有1.34Vpp左右。载波发送电路实际上就是保证载波信号在不失真的情况下，放大到10VPP左右。

S4：载波信号耦合电路用于隔离电网的50HZ工频信号，而只能通过高频的载波信号，然后将信号发送到电力线上；

S5：电力线上的信息经过载波信号耦合电路、载波接收电路处理后发送到RISE3501芯片，RISE3501芯片对信息进行处理，发送到DSP。

载波接收电路主要是通过一个三阶带通滤波器将高频和低频的杂波滤出，然后通过CAGC引脚控制衰减电路，使到达RISE3501引脚的电压不会过大。

本实施例可实现多机通讯传输数据，由于所有数据都在同一条数据线传输，为了防止从机发送数据时，其他从机误认为是主机传来的请求号，所以设置了以帧发送的数据结构。从机发送的数据帧的结构如下表：

表1从机发送的数据帧的结构

起始帧(ff)

从机ID

数据1

数据2

数据3

数据4

数据5

结束帧(ee)

当从机接收到主机发送的请求数据时，先判断数据中是否有自己对应的识别符(从机ID)时，如果是，则从机会按上表的顺序将存储的数组数据按帧发送给主机。如果数据没有自己的ID，则忽视后面收到的任何数据，直到接收到结束帧。这样即可避免由于从机误判而导致通讯错乱的情况。

本发明所述的移动终端包括但不限于移动电话、口袋计算机(Pocket PersonalComputer，PPC)、掌上电脑、计算机、笔记本电脑、个人数字助理(Personal DigitalAssistant，PDA)等。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

可通过各种手段实施本发明描述的技术。举例来说，这些技术可实施在硬件、固件、软件或其组合中。对于硬件实施方案，处理模块可实施在一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、电子装置、其他经设计以执行本发明所描述的功能的电子单元或其组合内。

对于固件和/或软件实施方案，可用执行本文描述的功能的模块(例如，过程、步骤、流程等)来实施所述技术。固件和/或软件代码可存储在存储器中并由处理器执行。存储器可实施在处理器内或处理器外部。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电力载波的通讯装置，其特征在于，包括以RISE3501芯片为核心的控制模块、载波接收电路、载波发送电路、载波信号耦合电路，载波信号耦合电路与电力线相连，所述控制模块通过I2C的通信方式与微型逆变器主控板连接以进行数据交换，交换的数据依次经控制模块、载波发送电路、载波信号耦合电路后发送到电力线，所述电力线携带的信息依次经载波信号耦合电路、载波接收电路、控制模块后发送到微型逆变器主控板。

2.根据权利要求1所述的基于电力载波的通讯装置，其特征在于，所述RISE3501芯片中采用两个I/O口模拟I2C通信中的SDA、SCL线，通过上述I/O口与微型逆变器主控板相连。

3.根据权利要求1所述的基于电力载波的通讯装置，其特征在于，所述载波接收电路包括三阶带通滤波器和衰减控制电路，载波信号从载波信号耦合电路的输出端TX_OUT接口进入载波接收电路，依次通过三阶带通滤波器和衰减控制电路后进入RISE3501芯片中的PCG_Vin接口引脚。

4.根据权利要求1所述的基于电力载波的通讯装置，其特征在于，所述载波信号耦合电路包括一聚酯电容、耦合线圈和一TVS二极管，聚酯电容串接在电力线上交流电的一个输入端上，用来隔离50HZ交流电和通过有用的高频载波信号，所述耦合线圈为1:1的耦合线圈以传输有用的载波信号，同时隔离高压；所述TVS二极管并联在耦合线圈的后方，以防止快速冲击，保护后端电路。

5.根据权利要求1所述的基于电力载波的通讯装置，其特征在于，所述通讯装置内还包括一过零检测电路，该过零检测电路与RISE3501芯片连接，用于判断相位。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的基于电力载波的通讯装置的通讯方法，其特征在于，包括步骤：

微型逆变器主控板将采集到的环境信息和工作状态信息发送到以RISE3501芯片为核心的控制模块，控制模块依次通过载波发送电路、载波信号耦合电路后发送到电力线，电力线与集中器相连；多台微型逆变器主控板有序的给集中器发送各自运行的信息；

电力线携带的信息依次经载波信号耦合电路、载波接收电路、控制模块后发送到微型逆变器主控板；

在上述信息传输过程中，从机采用以帧发送的数据结构，数据结构为：[起始帧，从机ID，数据1，……数据m，结束帧]，当当前从机接收到主机发来自己对应的识别符时，从机会按上述数据结构的顺序发送数据；当其他从机接收到起始帧时，它们忽视后面收到的任何数据，直到接收到结束帧。

7.根据权利要求6所述的通讯方法，其特征在于，微型逆变器主控板将采集到的环境信息和工作状态信息发送到电力线上，包括步骤：

(1)正常工作时，微型逆变器主控板检测与以RISE3501芯片为核心的控制模块的连接状态，如果没有连接好，RISE3401芯片将不断向微型逆变器主控板发送握手序列，直到握手成功；此时微型逆变器主控板向RISE3501芯片发送符合645规约的指令，将RISE3501芯片置于发送状态；

微型逆变器主控板采用一定时长的定时中断，将采集的信息通过I2C的方式发送到RISE3501芯片上；

(2)RISE3501芯片内部的RX模块接收I2C传来的应用数据包，并按照电力载波通讯EIA709.2物理层的标准调制信号，将调制好的电力载波信号经过DAC_OUT引脚发送至载波发送电路；TX模块用作解调来自电力线的信号，重组数据包，数据包协议包括EIA709.1网络层控制协议以及EIA709.2的电力线物理层标准；

(3)载波发送电路在保证载波信号不失真的情况下，对信号进行放大，然后将放大后的信号发送到载波信号耦合电路；

(4)载波信号耦合电路用于隔离电网的50HZ工频信号，而只能通过高频的载波信号，然后将信号发送到电力线上。