CN106788608A

CN106788608A - 一种电力线载波通信系统

Info

Publication number: CN106788608A
Application number: CN201710213231.4A
Authority: CN
Inventors: 刘景才
Original assignee: Jorya Chuangkin Energy Technology (tianjin) Co Ltd
Current assignee: Jorya Chuangkin Energy Technology (tianjin) Co Ltd
Priority date: 2017-04-01
Filing date: 2017-04-01
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明提供了一种电力线载波通信系统，其包括信号提取模块、一级滤波放大模块、二级放大模块、电力载波模块以及MCU模块。使用时，所述信号提取模块从电力线上进行信号提取，然后将所述提取信号传递给所述一级滤波放大模块进行一级滤波放大，然后在经由二级放大模块放大后，传递给所述电力载波模块，经由所述电力载波模块调解的信号会发送给所述MCU模块，经其调制后形成载频信号，在通过PWM方式发送至发射接口，电信号转换成光信号发送出去。

Description

一种电力线载波通信系统

技术领域

本发明属于电力领域中涉及使用的通信系统，尤其是其中的一种电力线载波通信系统。

背景技术

随着社会的发展，人类对电力能源的使用越来越广泛。几乎可以说，人们的日常生活都离不开身边的电力网络系统。

同时，由于电力系统的低压配电网是一个用户多、分布广、用户必需的动力能源传输网络，所以若是使用现有的低压电力线作为通信媒介，不但可以不占用无线频道资源，同时也不需要铺设专用的通信线路，这样就省去了庞大的铺线工程，大大降低通信系统的成本；而且在线路维护上，也相对简单。这也就使得低压电力线载波通信技术，具有诱人的应用前景和潜在的巨大市场，其推广使用具有十分重要的意义。

但是，在电力线上搭载高频或是低频的调制信号，在技术上并不是一件轻而易举的事情。具体来讲，对于数据通信而言，采用电力线作为通信载体并不是一个很理想的选择，而且电力线通信环境非常恶劣，其中主要的问题在于噪声干扰和信号衰减。

其中电力线通信的噪声主要来源于低压电网相连的负载以及无线广播的干扰；而且，信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。另外，电力线通信的噪声和信号衰减是随时间变化的，这些都对系统的设计提出了很高的要求。

对此，业界不断的进行相关电力线载波芯片的研发，以及整体的系统设计，以期能获得更好的系统通信的抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力线载波通信系统，其具有良好的抗干扰性能，能够解决电力线通讯中稳定性较差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电力线载波通信系统，其包括信号提取模块、一级滤波放大模块、二级放大模块、电力载波模块以及MCU模块；其中所述一级滤波放大模块包括MAX275芯片模块，其包括两个独立的二阶有源滤波电路 , 以分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波。使用时，所述信号提取模块从电力线上进行信号提取，然后将所述提取信号传递给所述一级滤波放大模块进行一级滤波放大，然后在经由二级放大模块放大后，传递给所述电力载波模块，经由所述电力载波模块调解的信号会发送给所述MCU模块，经其调制后形成载频信号，在通过PWM方式发送至发射接口，电信号转换成光信号发送出去。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述MAX275芯片模块包括二阶有源滤波器，其电路采用4运放设计，电路中的运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，进而能够同时提供低通和带通滤波输出。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述二阶有源滤波器电路内部最后一级运放的输入端接有一个电阻，用于避免外部寄生电容对内部积分电容产生影响。其中涉及使用的所述电阻，其阻值可以是5 kΩ，但不限于，具体阻值可随实际需要进行更改。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述MAX275芯片模块在系统中接成并联形式，其并联外接第一组电阻和第二组电阻，其中所述第一组外接电阻对应第一中心频率，所述第二组外接电阻对应第二中心频率；其中所述第一中心频率和第二中心频率分别对应数字信号中的“l”和“0”。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述第一组外接电阻包括并联的R1a、R2a、R3a和R4a；其中所述第二组外接电阻包括并联的R1b、R2b、R3b和R4b；电路调整时，先调整R2a、R4a或是R2b、R4b，选准中心频率F0再调整R1a、R3a或是R1b、R3b，调整Q值。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述信号提取模块包括与待提取信号电力线串联接的两个电容，其后电性连接有高频变压器，所述高频变压器连接所述一级滤波放大模块。在一个具体实施方式中，其中所述电容的容值具体可以是0.47uF左右；所述高频变压器绕成1：1的形式，电感量选在10mH左右，但不限于。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述高频变压器的次级一端接地，另一端作为后续所接的所述一级滤波放大模块的接入端。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述电力载波模块包括MC3361 单片窄带调频接收芯片，其内包括电性连接的振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路；其工作电源电压范围为：Vcc=2.5V～7.0V。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述MC3361单片窄带调频接收芯片，其包括16个引脚，其中输入信号自第1引脚输入，经过初步处理成为标准正弦波信号，所述标准正弦波信号输入至所述MC3361接收芯片的第16引脚，作为所述MC3361接收芯片的第一中频IF输入信号，其在所述MC3361 接收芯片内部第二混频级进行混频处理，处理后的信号为第二中频信号，由第3 引脚输出，再经第5引脚输入到所述MC3361接收芯片的限幅放大器进行高增益放大，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第9引脚输出信号，信号经过第10引脚和第11引脚构成的有源滤波电路，再输入到第12引脚进行载频检测并控制电子开关，最终经过解调的信号由第13引脚输出，直接输入到所述MCU模块的引脚，由所述MCU模块进行处理。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述MCU模块包括STM32型芯片，其采用ARMCortex-M3内核，其中所述STM32型芯片通过UART 接口接收信号数据，在通过程序控制输出BFSK 调制信号。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明涉及的一种电力线载波通信系统，其采用MC3361芯片和MAX275芯片相结合的方式，作为电力载波技术抗干扰的设计手段，能够有效的达成对采集信号的抗干扰、滤波功能。

而且，其涉及使用的硬件成本低、软件流程简单、性能稳定，可直接与各种电力设备连接，并且支持RS485 信号或RS232 信号，还有电力线连接，非常适合推广使用非常适合在电力系统中广泛使用。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式提供的一种电力线载波通信系统的逻辑结构图；

图2是图1所示的电力线载波通信系统，其一级滤波放大模块采用的MAX275芯片的内部结构图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明涉及的一种电力线载波通信系统的技术方案作进一步的详细描述。

请参阅图1所示，本发明的一个实施方式提供了一种电力线载波通信系统，其包括其包括信号提取模块、一级滤波放大模块、二级放大模块、电力载波模块以及MCU模块。使用时，所述信号提取模块从电力线上进行信号提取，然后将所述提取信号传递给所述一级滤波放大模块进行一级滤波放大，然后在经由二级放大模块放大后，传递给所述电力载波模块，经由所述电力载波模块调解的信号会发送给所述MCU模块，经其调制后形成载频信号，在通过PWM方式发送至发射接口，电信号转换成光信号发送出去。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述信号提取模块包括与待提取信号电力线串联接的两个电容，其后电性连接有高频变压器，所述高频变压器连接所述一级滤波放大模块。

具体的，所涉及使用的两个串联电容，其容值为0.47uF左右。所述高频变压器绕成1：1的形式，电感量选在10mH左右。所述信号提取模块电路起到两个作用，一是最大限度地阻止工频电压及其倍频信号进入后续的滤波电路；二是使频率为122．88kHz和131．65kHz的有用信号顺利进入后续的滤波电路。

对于工频信号而言，电容相当于13kΩ左右的等效阻抗，电感则相当于3Ω左右的等效阻抗。工频电压在变压器初级产生的电压效应约为50mv，对工频电压衰减4个数量级左右。对于有用信号按125kHz计算1的电容效应为5Ω左右，电感效应为7.5kn左右，基本上不衰减。

由于所述高频变压器的次级一端接地，另一端作为后续所述一级滤波放大模块的接入端，所以所述高频变压器可等效为理想变压器。综合考虑，电容C取值应适中，一般不小于0.1uF；电感一般设计在10mH左右。电感取值也应适中，过小会造成当多个负载并联在电力线上时，等效负载阻抗过小，线路衰减过大，对信号传输不利。电感过大一是引入过强的工频及其倍频信号电压进入滤波电路；二是变压器的次级负载一般为几十千欧，没有必要过分增大电感量。

请参阅图2所示，，其中所述一级滤波放大模块具体可以是MAX275芯片模块，其包括两个独立的二阶有源滤波电路 , 以分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波。

由图示可见，其电路采用4运放设计，其中运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，可同时提供低通和带通滤波输出。电路内部最后一级运放的输入端接有一个5 kΩ电阻，其作用是避免外部寄生电容对内部积分电容产生影响。

进一步的，其中所述MAX275芯片模块采用20脚DIP或SO封装形式，引脚排列如图中所示。使用时只要根据相关公式计算出合适的外接电阻，经过简单的连接就能很好地满足设计要求。其主要引脚的功能和主要参数如下（内部的两个独立二阶有源滤波器分别用A、B表示）：

V＋、V－：正、负电源输入端；

INA、INB：信号输入端；

LPIA、LPIB：低通滤波输入端；

LPOA、LPOB：低通滤波输出端；

BPIA、BPIB：带通滤波输入端；

BPOA、BPOB ：带通滤波输出端；

FCA、FCB：频率控制端。

其中所述MAX275芯片模块的主要性能参数如下：

● 频率范围：100 ~300 k Hz；

● 频率精度：±0.9％；

● 频率精度温漂：－24 ppm／℃；

● Ｑ值温漂：38 ppm／℃；

● 宽带噪声：6μ VRMS（1 Hz ~ 10 Hz），42 Μvrms(10 Hz ~ 10 k Hz)；

● 失调电压：± 125 mV（低通输出），± 50 mV（带通输出）；

● 失调电压温漂：20 μV／℃；

● 谐波失真：－89 dB （FTEST =1 k Hz），－83 dB （FTEST =10 k Hz）；

● 输出电压摆幅：±4.5 V（PL＝5KΩ）；

● 电源电压范围：－2.37 V～＋5.50 V；

图中所示的MAX275芯片接成并联形式，外部电阻R1a、R2a、R3a、R4a对应于中心频率fl，具体的，其中fl=22.88 kHz；R1b、R2b、R3b、R4b对应于中心频率f2，具体的，其中f2=131.65kHz。

中心频率fl、f2分别对应数字信号中的“l”和“0”。由于四对电阻对应两个独立单元，输入端并联后通过所述高频变压器次级线圈接地，即所述高频变压器的次级一端接地，另一端作为MAX275的R1a，R1b的接入端，输出电路通过电阻R5a、R5b将输出信号送入加法运算放大器的输入端，因此，两个独立的带通滤波器没有任何牵引效应。

进一步的，本发明涉及的这种MAX275芯片模块的这种接法非常适合于强干扰环境下的双峰带通滤波电路。实验证明，并联方式远优于串联方式，环境越恶劣，效果越明显。该电路调整起来也比较方便，一般先调整R2a、R4a(R2b、R4b)，选准中心频率F0再调整R1a、R3a(R1b、R3b），调整Q值，该过程可反复进行。

进一步的，在一个具体实施方式中，其中外接电阻R1~R4的阻值计算公式为：

R2=2 X 109／F0；R4=R2-5KΩ；R3=Q (2X109）/ F0 X (RX／RY)；

R1=2X109／F0 HOLP X(RX／RY）（低通滤波）或R1=R3／HOBP（带通滤波）。

其中式中F0为中心频率／截止频率，Q为品质因数，HOLP为低通滤波器增益，HOBP为带通滤波器增益。需要注意的是，RX／RY取决于频率控制端FC的接法：若FC接地，RX／RY =1／5；若FC接正电源，RX／RY =4；若FC接负电源，RX／RY =1／25。R1～R4中若有阻值过大或过小的现象，可适当采取后两种接法达到调整电阻值的目的。但在对噪声比较敏感的情况下，不推荐使用。

因为调整Q值对中心频率有影响。由MAX275芯片模块构成的切比雪夫双峰带通滤波器，从带通到带阻有非常好的衰减特性。Q值越大，峰越尖。从另一角度来讲，Q值越大，对中心频率的信号放大倍数相应越大。

在一个具体实施方式中，其中外界电阻R1a=63.5kΩ，R2a=15.2kΩ，R3a=75kΩ，R4a=10.2kΩ；R1B=63.5kΩ，R2b=16.3kΩ，R3b=75kΩ，R4b=11.3kΩ。

以上两组数据可作为参考，但不限于，具体采用的阻值数值可随具体需要而定。另外，其中Q值不宜太大．如输入的“l”、“0”产生一定频偏时，会因Q值过高、通频带过窄，而不利于捕捉信号。不过Q值过低。则抗干扰能力相对下降，滤波效果变差。如果输入的“0’、“1”信号频率稳定性好，可适当增大Q值，这需要在实际应用中，根据具体电路及环境情况适当调整Q值。

综上，所述信号提取模块对电力线中信号进行提取并完成隔离220V，以获取高频信号，所述MAX275芯片模块完成滤波和一级放大，所述二级放大模块完成有用信号进一步放大，经二级放大后有用信号强度可提高l~2个数量级，并输送给所述电力载波模块。

其中所述电力载波模块，在一个实施方式中，其包括包括MC3361单片窄带调频接收芯片，其内包括电性连接的振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路，其工作电源电压范围为：Vcc=2.5V～7.0V。具体可采用双列直插16脚塑料封装（DIP16）或是微形的双列16脚塑料封装（SOP16）。

进一步的，其中所述MC3361 单片窄带调频接收芯片，其包括16个引脚，其中输入信号自第1引脚输入，经过初步处理成为标准正弦波信号，所述标准正弦波信号输入至所述MC3361接收芯片的第16 引脚，作为所述MC3361接收芯片的第一中频IF 输入信号，其在所述MC3361接收芯片内部第二混频级进行混频处理，处理后的信号为第二中频信号，由第3引脚输出，再经第5引脚输入到所述MC3361接收芯片的限幅放大器进行高增益放大，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第9 引脚输出信号，信号经过第10 引脚和第11引脚构成的有源滤波电路，再输入到第12引脚进行载频检测并控制电子开关，最终经过解调的信号由第13 引脚输出，直接输入到所述MCU模块的引脚，由所述MCU模块进行处理。

进一步的，在一个具体实施方式中，其中所述MC3361接收芯片的内部振荡电路与第1引脚和第2引脚的外接元件组成第二本振级，第一中频IF输入信号10.7MHz从MC3361接收芯片的第16引脚输入，在内部第二混频级进行混频，其差频为：10.700-10.245=0.455MHz，也即455kHz第二中频信号。

所述第二中频信号由第3引脚输出，由455kHz陶瓷滤波器选频，再经第5引脚送入所述MC3361接收芯片的限幅放大器进行高增益放大，限幅放大级是整个电路的主要增益级。第8引脚的外接元件组成455kHz鉴频谐振回路，经放大后的第二中频信号内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第9引脚输出音频信号。

其中第12引脚~第15引脚为载频检测和电子开关电路，通过外接少量的元件即可构成载频检测电路，用于调频接收机的静噪控制。所述MC3361接收芯片内部还置有一级滤波信号放大级，加上少量的外接元件可组成有源选频电路，为载频检测电路提供信号，该滤波器第10引脚为输入端，第11引脚为输出端。第6引脚和第7引脚为第二中放级的退耦电容。

其中所述MCU模块包括STM32型芯片，其采用ARM Cortex-M3内核，其中所述STM32型芯片通过UART 接口接收信号数据，在通过程序控制输出BFSK 调制信号。

进一步的，在一个具体实施方式中，其中所述STM32型芯片通过内部程序控制通过PWM 接口完成调制。外部设备与MCU模块通过串行接口连接，接收到数据后，首先将数据传输给所述STM32型芯片，所述STM32型芯片通过UART 接口接收到数据，然后通过程序控制输出BFSK调制信号，调制后的信号直接发送至发送接口并发送出去。

进行BFSK 调制时，使用STM32串行接口接收外部设备发送的数据，BFSK的调制频率由程序控制，信号“1”对应于270KHz 载频，信号“0”对应于240KHz 载频。STM32型芯片将调制后的载频信号通过PWM方式发送至发射接口，电信号转换成光信号。

本发明涉及的一种电力线载波通信系统，其采用MC3361芯片和MAX275芯片相结合，以作为电力载波技术抗干扰的设计手段，能够有效的达成对采集信号的抗干扰、滤波功能。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。

Claims

1.一种电力线载波通信系统；其特征在于，其包括信号提取模块、一级滤波放大模块、二级放大模块、电力载波模块以及MCU模块；其中所述一级滤波放大模块包括MAX275芯片模块，其包括两个独立的二阶有源滤波电路 , 以分别同时进行低通和带通滤波，也可通过级联实现四阶有源滤波；

使用时，所述信号提取模块从电力线上进行信号提取，然后将所述提取信号传递给所述一级滤波放大模块进行一级滤波放大，然后在经由二级放大模块放大后，传递给所述电力载波模块，经由所述电力载波模块调解的信号会发送给所述MCU模块，经其调制后形成载频信号，在通过PWM方式发送至发射接口，电信号转换成光信号发送出去。

2.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述MAX275芯片模块包括二阶有源滤波器，其电路采用4运放设计，电路中的运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，进而能够同时提供低通和带通滤波输出。

3.根据权利要求2所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述二阶有源滤波器电路内部最后一级运放的输入端接有一个电阻，用于避免外部寄生电容对内部积分电容产生影响。

4.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述MAX275芯片模块在系统中接成并联形式，其并联外接第一组电阻和第二组电阻，其中所述第一组外接电阻对应第一中心频率，所述第二组外接电阻对应第二中心频率；其中所述第一中心频率和第二中心频率分别对应数字信号中的“l”和“0”。

5.根据权利要求4所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述第一组外接电阻包括并联的R1a、R2a、R3a和R4a；其中所述第二组外接电阻包括并联的R1b、R2b、R3b和R4b；电路调整时，先调整R2a、R4a或是R2b、R4b，选准中心频率F0再调整R1a、R3a或是R1b、R3b，调整Q值。

6.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述信号提取模块包括与待提取信号电力线串联接的两个电容，其后电性连接有高频变压器，所述高频变压器连接所述一级滤波放大模块。

7.根据权利要求6所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述高频变压器的次级一端接地，另一端作为后续所接的所述一级滤波放大模块的接入端。

8.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述电力载波模块包括MC3361 单片窄带调频接收芯片，其内包括电性连接的振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路；其工作电源电压范围为：Vcc=2.5V～7.0V。

9.根据权利要求8所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述MC3361单片窄带调频接收芯片，其包括16个引脚，其中输入信号自第1引脚输入，经过初步处理成为标准正弦波信号，所述标准正弦波信号输入至所述MC3361接收芯片的第16引脚，作为所述MC3361接收芯片的第一中频IF 输入信号，其在所述MC3361 接收芯片内部第二混频级进行混频处理，处理后的信号为第二中频信号，由第3 引脚输出，再经第5引脚输入到所述MC3361接收芯片的限幅放大器进行高增益放大，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第9引脚输出信号，信号经过第10引脚和第11引脚构成的有源滤波电路，再输入到第12引脚进行载频检测并控制电子开关，最终经过解调的信号由第13引脚输出，直接输入到所述MCU模块的引脚，由所述MCU模块进行处理。

10.根据权利要求1所述的一种电力线载波通信系统；其特征在于，其中所述MCU模块包括STM32型芯片，其采用ARM Cortex-M3内核，其中所述STM32型芯片通过UART 接口接收信号数据，在通过程序控制输出BFSK 调制信号。