CN106656272B - 通用窄带载波及微功率无线双模通信模块 - Google Patents

通用窄带载波及微功率无线双模通信模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，属于电子电路技术领域，该模块包括3.3V电源系统、处理器单元、微功率无线通信模块、窄带载波通信模块和指示灯电路，其中，微功率无线通信模块及窄带载波通信模块通过UART‑TTL接口转换模块实现两者间的通信匹配，并且所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或窄带载波通信方式，可以适应现场的复杂的环境因素，避免过多的干扰、整合两者的优势、保证产品通信的可靠性。

Description

通用窄带载波及微功率无线双模通信模块
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种通用窄带载波及微功率无线双模通信模块。
背景技术
单一的微功率无线通信方式虽具有实现长距离表计信息采集的功能，有效解决人工抄表不方便的问题，无需布线，可自组织网络，智能调频选择，通信速率高，实时性强等优势，但在逐步安装应用过程中由于环境地域复杂性因素，部分的抄表交互成功率指标已不能满足需求。
电力线窄带载波通信是一种传统的通信方式，载波信号可通过高压或低压电力线将有效信息进行传输，不需要重复布线下实现安装，通信可靠性高，容易扩展、普及方便，适配电力线的支持，可在空间环境复杂条件中保证通信的稳定性，拥有与微功率无线通信互补延展的属性特点。
鉴于复杂的试点现场中，既存在由于电力线负载阻抗波动及用电干扰源噪声信号影响，也涉及因城市楼房或群山等密集性障碍区域及金属空间中的屏蔽衰减状况，常遇部分台区的抄表缺失回复信息，给电网员工造成很大的麻烦。
发明内容
本发明的目的是提供一种通用窄带载波及微功率无线双模通信模块（以下可简称本模块），用于扩展现有常规单模通信产品的适用性能，提高产品的通信可靠性。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，包括3.3V电源系统、UART-TTL接口转换模块、处理器单元、微功率无线通信模块、窄带载波通信模块和指示灯电路；
所述处理器单元包括载波通信处理器和外部晶体振荡器电路；
所述微功率无线通信模块包括射频单元、匹配网络模块和收发天线；所述射频单元包括射频收发IC、外部晶体振荡器、射频控制开关；
所述窄带载波通信模块包括信号耦合电路、载波接收电路、模拟解调电路、载波发送电路和过零检测电路；
所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块通过UART-TTL接口转换模块实现两者间的通信匹配，并且所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或窄带载波通信方式；
其中，所述3.3V电源系统将基表或者抄控器提供的直流电源进行DC-DC转换成3.3V直流电源后供给指示灯电路、载波通信处理器、模拟解调电路、载波接收电路、射频单元和UART-TTL接口转换模块；所述载波发送电路的电源是由基表或抄控器提供给12V电源系统，经过12V电源系统处理输送给载波发送电路；
其中，所述载波通信处理器与射频单元进行信息交换，射频单元与匹配网络模块进行信息交换，匹配网络模块通过天线来发送信号和接收信号；所述载波通信处理器与UART-TTL接口转换模块进行信息交换，UART-TTL接口转换模块与基表或抄控器进行信息交换；所述载波通信处理器传输信息给载波发送电路，并通过信号耦合电路发出至电力线；当电力线传来有效通信的载波信号时，所述信号耦合电路传输信息给载波接收电路，载波接收电路传输信息给模拟解调电路，模拟解调电路传输信息给载波通信处理器；所述信号耦合电路与电力线进行信息交换；所述电力线传输信息给过零检测电路，过零检测电路传输信息给载波通信处理器。
进一步地，所述载波通信处理器采用瑞萨公司的R7F0C901B2型芯片。
进一步地，所述射频收发IC采用美国芯科半导体公司的Si4438-C2A-GM射频芯片。
进一步地，所述收发天线采用与470MHz～510MHz频段适配的内置弹簧天线，应用线径0.8mm磷铜材质加工而成，直径5.55mm成型长度32.09mm，并以正交焊接方式安装于印制板上。
进一步地，所述窄带载波通信模块可按照需求调整解调部分元器件实现421KHz及455KHz通信频点转换。
本次介绍的窄带载波及微功率无线双模通信模块，把两种通信方式进行优势整合，互补消缺，扩展产品的适用性能，保证产品的通信及可靠性，提高用户的体验度，同时可开拓更广泛的表计行业、工控自动化及智能家居等市场。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构框图。
图2为本发明测试模块的处理器单元原理图。
图3为本发明测试模块中电源单元的原理图。
图4为本发明测试模块中信号耦合电路的原理图。
图5为本发明测试模块中载波接收电路的原理图。
图6为本发明测试模块中模拟解调电路的原理图。
图7为本发明测试模块中载波发送电路的原理图。
图8为本发明测试模块过零检测电路的原理图。
图9为本发明测试模块射频单元电路的原理图。
图10为本发明测试模块UART-TTL接口转换模块的原理图。
图11为本发明测试模块接口电路的原理图。
图12为本发明测试模块指示灯的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
如图1所示，本实施例提供的窄带载波及微功率无线双模通信模块，包括：一种通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，包括3.3V电源系统、UART-TTL接口转换模块、处理器单元、微功率无线通信模块、窄带载波通信模块和指示灯电路；
所述处理器单元包括载波通信处理器和外部晶体振荡器电路等基本外围电路；
所述微功率无线通信模块包括射频单元、匹配网络模块和收发天线；所述射频单元包括射频收发IC、外部晶体振荡器、射频控制开关；
所述窄带载波通信模块包括信号耦合电路、载波接收电路、模拟解调电路、载波发送电路和过零检测电路；
所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块通过UART-TTL接口转换模块实现两者间的通信匹配，并且所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或窄带载波通信方式；3.3V电源系统将基表或者抄控器提供的直流电源进行DC-DC转换成3.3V直流电源后供给指示灯电路、载波通信处理器、模拟解调电路、载波接收电路、射频单元和UART-TTL接口转换模块；所述载波发送电路的电源是由基表或抄控器提供给12V电源系统，经过12V电源系统处理输送给载波发送电路。
载波通信处理器与射频单元进行信息交换，射频单元与匹配网络模块进行信息交换，匹配网络模块通过天线来发送信号和接收信号，其中，载波通信处理器将模拟或数字信息高速传输给射频单元，射频单元将从载波通信处理器接收到的模拟或数字信息转换成射频电流信息传输给匹配网络模块，匹配网络模块根据接收到的信号进行分析同步并且通过天线发送出去，匹配网络模块将从天线接收到的信号传输给射频单元进行转换成射频电流，射频单元将射频电流信息传输给载波通信处理器进行处理；所述载波通信处理器与UART-TTL接口转换模块进行信息交换，UART-TTL接口转换模块与基表或抄控器进行信息交换，其中，载波通信处理器与基表或抄控器通过TTL串口调试进行通信；载波通信处理器传输信息给载波发送电路，并通过信号耦合电路发出至电力线，其中，载波发送电路对数据处理控制单元传送的载波信号进行信号功率放大，并将放大后的载波信号传送到载波耦合电路；当电力线传来有效通信的载波信号时，信号耦合电路传输信息给载波接收电路，载波接收电路传输信息给模拟解调电路，模拟解调电路传输信息给载波通信处理器；信号耦合电路与电力线进行信息交换；电力线传输信息给过零检测电路，过零检测电路传输信息给载波通信处理器。
如图2所示，处理器单元电路图，MCU电路采用瑞萨公司的R7F0C901B2型芯片；其中，R7F0C901B2型芯片的TXD2引脚和RXD2引脚作为维护用的监控接口，而TXD1与RXD1引脚则作为本模块与基表或抄控器间的本地通信UART接口，两者间通过电平转换电路连接并可选开漏与3.3V的TTL电平方式操作，以适配表端接口电平规范要求；R7F0C901B2型芯片的P17、P22、P23、P24、P51、P16、P30、P50引脚分别作为Si4438-C2A-GM射频芯片的数字电源输入SCS信号、从机串口输入MOSI信号、主机串口输入MISO信号、时钟输入SCK信号、关断模式输入SDN信号、控制器中断状态输出nIRQ信号、及两路控制的GPIO信号接口；R7F0C901B2型芯片的P137脚作为本模块过零检测方波信号的输入，P21、P20作为本模块硬件版本定义引脚，可以通过相应跳接进行抄控模块与基表模块的区分；P70、P31、P62分别作为本模块与基表模块或抄控模块间的状态检测输入、事件检测输入以及设置监控输出；P22与P15则分别作为窄带载波通信的解调信号输入与发送信号输出。
如图3所示，电源单元原理图，3.3V电源系统，由DC/DC模块构成，将基表或抄控器提供的12V直流进行DC-DC转换成3.3V直流电源后供给处理器单元、射频单元和窄带载波电路运行。
如图4～图8所示，窄带载波电路中，电力线的载波信号通过信号耦合、模拟解调、载波接收单元完成包括信号提取、扩频编码调制解扩，解调后的载波原始信号由引脚SSCIN输入，经过模数转换后，变为数字信号，R7F0C901B2芯片将该数字信号进行处理后传输到基表或抄控器，基表或抄控器回复的信息数据将通过基表或抄控器与本模块连接的串口返回，R7F0C901B2芯片接收后经过载波扩频调制后输出给发送控制单元，并经功率放大及控制后耦合注入到电力线中，由于本模块配备过零检测，信号可以在电网交流电过零点时刻传输，进一步保证通信的可靠性。
如图9所示，射频单元电路原理图，射频单元部分由Si4438-C2A-GM射频芯片及匹配网络模块组成，支持OOK/GFSK调制通信，发送功率可到+20dBm，接收灵敏度可以调整在-110dBm以上，同时接收功率消耗可到20mA以下；收发天线采用内置弹簧形式，占用空间少，安装可靠性强并可兼顾通信距离指标，而且窄带载波及微功率无线双模通信模块，可在试点现场根据接收信号进行分析同步并自动选择窄带载波或者微功率无线的通信方式。
如图10、11所示，由于基表与抄控器部分接口逻辑电平种类为开漏或3.3V的TTL形式，本实施例中窄带载波及微功率无线双模通信模块设计有UART-TTL接口转换模块，以实现两者间的通信匹配。
如图12所示，窄带载波及微功率无线双模通信模块与基表或抄控器的交互情况，可以通过指示串口数据收发状态的LED灯知悉，当本模块收到来自电力线的信号并将数据发给基表或抄控器时，接收LED将闪烁一次，同理本模块收到基表或抄控器的数据后处理发送到电力线时，发送LED将闪烁一次，直观可见。
本发明可以在电力行业及工业通信控制、数据采集设备中提供可靠的技术解决办法，整合的软硬件支持，扩展现有常规单模通信系统的适用性能，提高环境通信的稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，包括3.3V电源系统、UART-TTL接口转换模块、处理器单元、微功率无线通信模块、窄带载波通信模块和指示灯电路；
所述处理器单元包括载波通信处理器和外部晶体振荡器电路；
所述微功率无线通信模块包括射频单元、匹配网络模块和收发天线；所述射频单元包括射频收发IC、外部晶体振荡器、射频控制开关；
所述窄带载波通信模块包括信号耦合电路、载波接收电路、模拟解调电路、载波发送电路和过零检测电路；
所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块通过UART-TTL接口转换模块实现两者间的通信匹配，并且所述微功率无线通信模块及窄带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或窄带载波通信方式；
其中，所述3.3V电源系统将基表或者抄控器提供的直流电源进行DC-DC转换成3.3V直流电源后供给指示灯电路、载波通信处理器、模拟解调电路、载波接收电路、射频单元和UART-TTL接口转换模块；所述载波发送电路的电源是由基表或抄控器提供给12V电源系统，经过12V电源系统处理输送给载波发送电路；
其中，所述载波通信处理器与射频单元进行信息交换，射频单元与匹配网络模块进行信息交换，匹配网络模块通过天线来发送信号和接收信号；所述载波通信处理器与UART-TTL接口转换模块进行信息交换，UART-TTL接口转换模块与基表或抄控器进行信息交换；所述载波通信处理器传输信息给载波发送电路，并通过信号耦合电路发出至电力线；当电力线传来有效通信的载波信号时，所述信号耦合电路传输信息给载波接收电路，载波接收电路传输信息给模拟解调电路，模拟解调电路传输信息给载波通信处理器；所述信号耦合电路与电力线进行信息交换；所述电力线传输信息给过零检测电路，过零检测电路传输信息给载波通信处理器。
2.根据权利要求1所述的通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，所述载波通信处理器采用瑞萨公司的R7F0C901B2型芯片。
3.根据权利要求1所述的通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，所述射频收发IC采用美国芯科半导体公司的Si4438-C2A-GM射频芯片。
4.根据权利要求1所述的通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，所述收发天线采用与470MHz～510MHz频段适配的内置弹簧天线，应用线径0.8mm磷铜材质加工而成，直径5.55mm成型长度32.09mm，并以正交焊接方式安装于印制板上。
5.根据权利要求1所述的通用窄带载波及微功率无线双模通信模块，其特征在于，所述窄带载波通信模块可按照需求调整解调部分元器件实现421KHz及455KHz通信频点转换。
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