CN109920229A - 基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块 - Google Patents

Abstract

于电力通信技术领域，提供了一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，包括载波芯片、载波发送电路、载波接收电路，耦合电路、过零电路、停电上报电路、接口电路、微功率无线电路和DC‑DC电路；载波芯片的载波信号输入端依次通过载波接收电路和耦合电路与电力线连接，载波信号输出端依次通过载波发送电路和耦合电路与电力线连接；过零电路用于将电力线中的工频交流电的过零信号以脉冲的方式发送给载波芯片；载波芯片的通信端子通过接口电路与电能表连接；停电上报电路的停电信号输出端与载波芯片的停电信号输入端连接。本发明实现了电力线单载波、电力线多载波和微功率无线通信的融合，具有较好的适用性。

Description

基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块

技术领域

本发明属于电力通信技术领域，具体涉及一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块。

背景技术

国家电网智能抄表方案，分为电力线窄带通信、电力线宽带通信、微功率无线通信方式。当前已安装通信模块主要是电力线窄带通信方案，窄带通信方案分为单载波通信方式和多载波通信方式，单载波通信具有通信距离远的特点，但通信速率较慢；多载波通信具有通信速率快的特点，但通信距离相比单载波通信偏弱。且单载波和多载波方案不能互通，对通信模块的更换维护造成不便。部分地区电力线信道较差，仅有载波通信的方案容易造成抄表失败。

随着国家电网对用电信息采集系统通信网络的建设，以及费控、线损分析、电能量检测、四表集抄等新型业务，逐步涌现除高速率、远距离、互联互通等多种发展趋势。现有技术中的用于低压电力线的通信的电路，但大多存在通信速率低、通信性能差、电路可靠性低、电路结构复杂以及方案不兼容等问题。

发明内容

针对当前单载波和多载波不能互通，以及电力线信道较差时载波通信异常的问题，本发明提供了一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，以实现电力线单载波、电力线多载波和微功率无线通信的融合。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，包括载波芯片、载波发送电路、载波接收电路，耦合电路、过零电路、停电上报电路、接口电路、微功率无线电路和DC-DC电路；所述载波芯片的载波信号输入端依次通过载波接收电路和耦合电路与电力线连接，载波信号输出端依次通过载波发送电路和耦合电路与电力线连接，所述耦合电路用于隔离电力线中的工频信号，所述过零电路的输入端与电力线连接，输出端输出的脉冲信号与载波芯片的脉冲信号输入端连接，用于将电力线中的工频交流电的过零信号以脉冲的方式发送给载波芯片，从而为过零通信以及相位判别提供依据；所述载波芯片的通信端子通过所述接口电路与电能表连接；所述停电上报电路的电源端通过接口电路与电能表连接，停电信号输出端与所述载波芯片的停电信号输入端连接；所述限流电路用于监测载波发送电路中的电流信号，并在载波发送电路中的电流信号较大时，切断所述载波发送电路的供电；所述DC-DC电路的电源端通过接口电路与电能表连接，用于将电能表提供的12V直流电压进行降压后给电力抄表通信模块供电。

所述载波芯片的型号为SSC1655。

所述限流电路包括电阻R43、电阻R44、电阻R42、电阻R41、电阻R45、电阻R46、电阻R47、电容C41、三极管V41、三极管V42、三极管V43，所述电阻R43与电阻R44并联后，一端与12V电源连接，另一端与12V-VCC电源连接；所述电阻R42的一端与12V-VCC电源连接，另一端与三极管V42的基极连接；三极管V42的发射极与12V电源连接，集电极与三极管V41的基极连接；三极管V41的集电极输出12V-SVCC电源给所述载波发送电路的电源端连接，发射极与12V-VCC电源连接；电阻R45一端与12V电源连接，另一端通过电阻R46与三极管V43的集电极连接；三极管V43的发射极接地，集电极通过电阻R47与载波芯片的使能信号输出端连接；电阻R41的一端与三极管V41的发射极连接，另一端与三极管V41的集电极连接；电容C41的一端与12V-SVCC电源连接，另一端与GND连接。

所述耦合电路包括变压器T1、双向击穿二极管F1和F2、电容C1，所述耦合电路的一次侧的一端通过电容C1与电力线L连接，另一端与电力线N连接，所述耦合电路的二次侧分别与所述载波发送电路输出端和载波接收电路的输入端连接；所述双向击穿二极管F1和F2分别并联在所述耦合电路的一次侧和二次侧的两端；

所述载波发送电路包括功率放大芯片ESPA16，所述限流电路输出的12V-SVCC电源与功率放大芯片ESPA16的电源输入端连接，所述载波芯片输出的载波信号经电阻R31后与功率放大芯片ESPA16的信号输入引脚连接，所述载波芯片输出的载波信号还通过电阻R31、电阻R35后与功率放大芯片ESPA16的信号输出引脚连接，所述功率放大芯片ESPA16的信号输出引脚依次通过电阻R36和电容C36与耦合电路的二次侧连接；

所述载波接收电路包括模拟开关芯片SGM3157和两个三阶带通滤波器，所述两个三阶带通滤波器的输入端与耦合电路的二次侧连接，输出端分别与所述模拟开关芯片SGM3157的两个输入端连接，所述模拟开关芯片SGM3157的输出端与所述载波芯片的载波信号输入端连接。

所述过零电路中，二极管VD61的阳极与电力线N连接，阴极经电阻R61、电阻R62后与光耦E61的输入正极连接；光耦E61的输入正极经电阻R63后与电力线L连接；电容C61与电阻R63并联；电容C62的一端连与光耦E61的输入正极连接，另一端经二极管V62后与电力线L连接；稳压二极管VD63并联连接在电容C62两端，电阻R64的一端与电力线L连接，另一端与三极管V61的基极连接；三极管V61的集电极与光耦E61的输入负极连接，电容C63连接在三极管V61的发射极和基极之间；光耦E61的输出端通过输出端输出的脉冲信号与载波芯片的脉冲信号输入端连接，光耦E61的输出端还通过并联连接的电阻R65和电容C65接地。

所述停电上报电路包括充电电路、升压电路、12V检测电路和模块插拔检测电路；所述充电电路用于将电能表提供的电能储存到超级电容中；所述12V检测电路用于检测电能表是否停电，并在电能表停电时控制升压电路将超级电容中储存的电能升压到12V后给电力抄表通信模块供电，还用于将停电信号上报给所述载波芯片；所述模块插拔检测电路用于检测电力抄表通信模块是否从电表拔下，并在电力抄表通信模块从电表拔下时，控制所述12V检测电路停止停电上报；所述载波芯片用于在接收到停电信号后，控制所述载波发送电路发送载波信号至集中器，或控制所述微功率无线电路发送无线信号，上报集中器。

所述充电电路包括电阻R101、三极管V101、三极管V102、电阻R106、电阻R107、精密稳压源TS101，电阻R4、电阻R102、电阻R103和超级电容C101，电阻R101的一端、三极管V102的发射极和电阻R106的一端均与电源正极连接，电阻R101的另一端与三极管V101的发射极连接，三极管V101的集电极与电阻R102的一端和超级电容C101的正极连接，三极管V101的基极与三极管V102的集电极连接，三极管V102的基极与电阻R106的另一端和电阻R107的一端连接，电阻R107的另一端与精密稳压源TS101的一端连接，精密稳压源TS101的控制端与电阻R102的另一端和电阻R103的一端连接，电阻R103的另一端、超级电容C101的负极和精密稳压源TS101的另一端均与GND连接；

所述升压电路包括电源芯片U1、电感L101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C105、电阻R105、电阻R108、电阻R109、肖特基二极管VD101和肖特基二极管VD102，电容C103的一端和电感L101的一端与超级电容C101的正极连接，电容C103的另一端与GND连接，电感L101的另一端与肖特基二极管VD102的正极和电源芯片U1的SW引脚连接，肖特基二极管VD102的负极作为升压电路的输出端输出12V电源，肖特基二极管VD102的负极还通过肖特基二极管V101与电表连接，电源芯片U1的FB引脚与电阻R108和电阻R109的一端连接，电阻R108的另一端与GND连接，电阻R109的另一端与肖特基二极管VD102的负极连接，电容C105与电阻R109并联连接，电阻R109的另一端还通过电容C102接地，电源芯片U1的EN端通过电阻R105与电源正极连接，电源正极通过电容C104接地；

所述12V检测电路包括电阻R110、电阻R111、三极管V103和电阻R112，所述电阻R110的一端与电表电源输出端连接，另一端与电阻R111的一端和三极管V103的基极连接，电阻R111的另一端和三极管V103的发射极接地，三极管V103的集电极通过电阻R4与三极管V101的基极连接，三极管V103的集电极还与电源芯片U1的EN引脚连接，三极管V103的集电极还与电阻R112的一端连接，电阻R112的另一端作为停电信号的输出端与载波芯片的输入端连接；

所述模块插拔检测电路包括三极管V104、三极管VD103、电阻R114、电阻R112、电阻R113、和电容C106，所述电阻R114的一端与电源正极连接，另一端作为GND_DEC与三极管VD103的一端、电容C106的一端和三极管V104的基极连接，三极管VD103的另一端、电容C106的另一端和三极管V104的发射极接地，三极管V104的集电极与电阻R112的另一端连接，三极管V104的集电极还通过电阻R113与GND连接。

微功率无线电路的主芯片型号为RTF5361。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，实现了电力线单载波、电力线多载波和微功率无线通信的融合，具有较好的适用性，对于要求较高的通信速率部分台区，可使用多载波通信，对于要求较高的通信距离部分台区，可使用单载波通信，从而实现高速率、远距离通信，对于电力线信道较差的部分台区，载波不通，可使用微功率无线通信，此外，该电力抄表通信模块还具有停电上报功能，可以支持12V掉电检测，支持12V插拔检测。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块的结构框图；

图2为本发明实施例中载波芯片的电路原理图；

图3为本发明实施例中DC-DC电路的电路原理图；

图4为本发明实施例中接口电路的电路原理图；

图5为本发明实施例中限流电路的电路原理图；

图6为本发明实施例中耦合电路的电路原理图；

图7为本发明实施例中载波发送电路的电路原理图；

图8为本发明实施例中载波接收电路中的三阶带通滤波器的电路原理图；

图9为本发明实施例中载波接收电路中的模拟开关芯片SGM3157的电路原理图；

图10为本发明实施例中过零电路的电路原理图；

图11为本发明实施例中停电上报电路的电路原理图；

图12为本发明实施例中微功率无线电路的电路原理图；

图13为本发明实施例中LED电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，包括载波芯片、载波发送电路、载波接收电路，耦合电路、过零电路、停电上报电路、接口电路、微功率无线电路和DC-DC电路；所述载波芯片的载波信号输入端依次通过载波接收电路和耦合电路与电力线连接，载波信号输出端依次通过载波发送电路和耦合电路与电力线连接，所述耦合电路用于隔离电力线中的工频信号，所述过零电路的输入端与电力线连接，输出端输出的脉冲信号与载波芯片的脉冲信号输入端连接，用于将电力线中的工频交流电的过零信号以脉冲的方式发送给载波芯片，从而为过零通信以及相位判别提供依据；所述载波芯片的通信端子通过所述接口电路与电能表连接；所述停电上报电路的电源端通过接口电路与电能表连接，停电信号输出端与所述载波芯片的停电信号输入端连接；所述限流电路用于监测载波发送电路中的电流信号，并在载波发送电路中的电流信号较大时，切断所述载波发送电路的供电；所述DC-DC电路的电源端通过接口电路与电能表连接，用于将电能表提供的12V直流电压进行降压后给电力抄表通信模块供电。

如图2所示，为载波芯片的电路原理图；本发明实施例中，载波芯片采用青岛东软载波电力线载波通信芯片SSC1655，它将模拟前端、基带调制解调、数字信号处理、CPU内核及丰富的功能外设集于一体，提供物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、适配层(ADP)、网络层(NET)、应用层(APP)等完整的电力线通信解决方案。芯片内部集成32位处理器，PLC通信系统采用OFDM调制方式，内部设计了通信性能优良的专用算法，模拟前端具有高输出动态范围，同时，接收端设计了宽增益调节范围可适应高低输入信号的变化。芯片支持单载波和多载波通信方式，可和东软载波1643方案以及东软载波1653方案互通，芯片同时支持G3-PLC标准，海外频段CENELEC-A，CENELEC-B，FCC，ARIB通信均可以支持。

如图3所示，为本发明实施例中DC-DC电路的电路原理图，其中，DC-DC电路通过接口电路从电能表获取12V直流电压，并将该12V电压转化为3.3V直流电压后为载波芯片供电和其它电路供电。

如图4所示，为本发明实施例中，接口电路的电路原理图，其中，电阻R92、R93、R96为接收引脚的上拉电阻；电阻R91、R94、R95为接收引脚的限流电阻，载波芯片为3.3V系统，而电表插针可能是5V电平，需要串联电阻防止静态功耗过大和保护载波芯片接收引脚。电阻R71、R72、R73、R81和MOS管V71、V73为串口发送的OD开漏电路，其中电阻R71、R81为上拉电阻，电阻R72用于IO限流防护；电阻R76、R79、R74、R75为STA接口OD开漏电路，其中电阻R74为上拉电阻，电阻R75用于IO限流防护，R79为V72的下拉电阻。接口电路主要用于载波芯片和电能表的MCU通讯，STA和TXD通信接口使用外部MOS管实现OD开路。此外，接口电路还用于本发明的电力抄表通信模块从电能表获取能量。

如图5所示，本发明实施例中，限流电路包括电阻R43、电阻R44、电阻R42、电阻R41、电阻R45、电阻R46、电阻R47、电容C41、三极管V41、三极管V42和三极管V43，所述电阻R43与电阻R44并联后，一端与12V电源连接，另一端与12V-VCC电源连接；所述电阻R42的一端与12V-VCC电源连接，另一端与三极管V42的基极连接；三极管V42的发射极与12V电源连接，集电极与三极管V41的基极连接；三极管V41的集电极输出12V-SVCC电源给所述载波发送电路的电源端连接，发射极与12V-VCC电源连接；电阻R45一端与12V电源连接，另一端通过电阻R46与三极管V43的集电极连接；三极管V43的发射极接地，集电极通过电阻R47与载波芯片的使能信号输出端连接；电阻R41的一端与三极管V41的发射极连接，另一端与三极管V41的集电极连接；电容C41的一端与12V-SVCC电源连接，另一端与GND连接。

本实施例中，限流电路主要用于实现过流关断功能，现场负载较重的情况下，载波发送电流较大，有将电表拉复位风险。此部分电路，在电流大于150mA的情况，关断发送电路的12V供电。其中，电阻R47和三极管V43为控制信号SSC_ON/OFF输入部分，SSC_ON/OFF电平为高时，三极管V43导通，电阻R46左侧为低电平，电阻R45和R46分压，在未限流的情况下三极管V41的基极电平为电阻R45和R46的分压电平。三极管V41导通为发送电路提供12V电压。当载波发送电路中电流较大，超过150mA时，R43和R44电阻压差较大，超过0.7V，三极管V42导通，使三极管V41基级电压接近12V，三极管V41关断，12V电压在电阻R41中通过，由于R41电阻较大，无法通过较大电流，即关短了载波发送电路的12V电压供给，载波无法放大输出。

如图6所示，本发明实施例中，耦合电路包括变压器T1、双向击穿二极管F1和F2、电容C1，所述耦合电路的一次侧的一端通过电容C1与电力线L连接，另一端与电力线N连接，所述耦合电路的二次侧分别与所述载波发送电路输出端和载波接收电路的输入端连接；所述双向击穿二极管F1和F2分别并联在所述耦合电路的一次侧和二次侧的两端。

耦合电路中，电容C1为安规电容，对于50Hz低频相当于开路，对于高频载波信号相当于短路，用于隔离50Hz和传输高频信号；隔离变压器T1用于强弱电隔离，还用于发送信号的放大和接收信号的阻抗变换；F1、F2用于防护电力线干扰，保护载波发送电路和接收电路。耦合电路为高通电路，主要作用是隔离强弱电信号，将50Hz工频过滤，仅允许高频载波信号传输。

如图7所示，载波发送电路包括功率放大芯片ESPA16，所述限流电路输出的12V-SVCC电源与功率放大芯片ESPA16的电源输入端连接，所述载波芯片输出的载波信号经电阻R31后与功率放大芯片ESPA16的信号输入引脚连接，所述载波芯片输出的载波信号还通过电阻R31、电阻R35后与功率放大芯片ESPA16的信号输出引脚连接，所述功率放大芯片ESPA16的信号输出引脚依次通过电阻R36和电容C36与耦合电路的二次侧连接。

载波发送电路的功能是把从SSC1655载波芯片输出的模拟信号进行放大，并经过简单的滤波之后，将信号通过耦合电路耦合到电力线上，满足电力线传输的要求。本实施例使用青岛东软载波自主研发的功率放大芯片ESPA16，载波芯片输出的载波信号经过电容C31耦合到输入电阻R31，然后进入功率放大芯片的输入引脚，R35为反馈电阻，可通过R31和R35计算运放增益，电容C35并联到电阻R35，可消除自激振荡。R33连接SSC1655芯片GPIO，有限流作用，R34为下拉电阻，运放默认为不使能状态。R32连接Vmid，提供1/2VCC的直流偏置，C32为滤波电容。R36为输出电阻，有限流作用，C36连接耦合电路，将放大后的交流信号耦合到耦合电路。C34和C38为滤波及稳压用电容。载波发送电路使用青岛东软载波自主研发的功率放大芯片ESPA16，具有高能效，低失真的特点。

本发明实施例中，载波接收电路包括模拟开关芯片SGM3157和两个三阶带通滤波器，如图8所示为三阶带通滤波器的电路原理图，图9为模拟开关芯片SGM3157的电路原理图；所述两个三阶带通滤波器的输入端与耦合电路的二次侧连接，输出端分别与所述模拟开关芯片SGM3157的两个输入端连接，所述模拟开关芯片SGM3157的输出端与所述载波芯片的载波信号输入端连接。

本实施例中，载波接收电路用于滤除载波信号带外信号，提高接收信号的信噪比。但单载波和多载波通信频率不同，需两套滤波器，这里通过设置模拟开关芯片SGM3157，可以程序控制选择使用哪一种滤波器。载波接收电路用于滤除电力线中的杂波干扰，减少噪声对载波信号的影响；

两种接收滤波器由3阶带通滤波器组成，电路结构相同，参数不同，这里仅描述一种。如图8所示，电阻R1、R3为匹配电阻；电感L1、L2、L3、和电容C2、C3、C4、C5、C6、C7构成三阶带通滤波器；两个二极管形成的TS1起钳位作用，可将进入载波芯片的电压钳位在-0.7V到4.0V之间，对载波芯片起保护作用；电容C39、C8为耦合电容，隔直通交。U3为模拟开关SGM3157，当Filter_EN为高电平时，Ain_2导通，为低电平时Ain_1导通。

如图10所述，为本发明实施例中过零电路的电路原理图；过零电路中，二极管VD61的阳极与电力线N连接，阴极经电阻R61、电阻R62后与光耦E61的输入正极连接；光耦E61的输入正极经电阻R63后与电力线L连接；电容C61与电阻R63并联；电容C62的一端连与光耦E61的输入正极连接，另一端经二极管V62后与电力线L连接；稳压二极管VD63并联连接在电容C62两端，电阻R64的一端与电力线L连接，另一端与三极管V61的基极连接；三极管V61的集电极与光耦E61的输入负极连接，电容C63连接在三极管V61的发射极和基极之间；光耦E61的输出端通过输出端输出的脉冲信号与载波芯片的脉冲信号输入端连接，光耦E61的输出端还通过并联连接的电阻R65和电容C65接地。

过零电路的工作原理为：在工频正半周让电容C62积蓄能量，在工频过零点处开启三极管V61放电，使光耦E61导通，输出脉冲信号。工频零点开启V61的时刻由二极管VD63的稳压值以及电阻R61、R62、R63的分压决定。光耦E61可以隔离强电信号；二极管VD61用于半波整流；二极管VD63和电容C62用于电压钳位和电能保存，从而为过零脉冲信号提供能量；三极管V61用于过零点检测和电流放大，进而驱动光耦E61，光耦E61输出脉冲信号ZCP_DET到载波芯片；电阻R61、R62、R63和电容C61用于输入限流，输入电压分压电路；VD62提供VD63、C62充电回路。过零检测电路将工频交流电的过零信号以脉冲的方式告知载波芯片，从而为过零通信以及相位判别提供依据。该电路具有精度高，低功耗的特点。该电路具有精度高，低功耗的特点。

本发明实施例中，停电上报电路包括充电电路、升压电路、12V检测电路和模块插拔检测电路；所述充电电路用于将电能表提供的电能储存到超级电容中；所述12V检测电路用于检测电能表是否停电，并在电能表停电时控制升压电路将超级电容中储存的电能升压到12V后给电力抄表通信模块供电，还用于将停电信号上报给所述载波芯片；所述模块插拔检测电路用于检测电力抄表通信模块是否从电表拔下，并在电力抄表通信模块从电表拔下时，控制所述12V检测电路停止停电上报；所述载波芯片用于在接收到停电信号后，控制所述载波发送电路发送载波信号至集中器，或控制所述微功率无线电路发送无线信号，上报集中器。

如图11所示，为本发明实施例中停电上报电路的电路原理图。其中，所述充电电路包括电阻R101、三极管V101、三极管V102、电阻R106、电阻R107、精密稳压源TS101，电阻R4、电阻R102、电阻R103和超级电容C101，电阻R101的一端、三极管V102的发射极和电阻R106的一端均与电源正极连接，电阻R101的另一端与三极管V101的发射极连接，三极管V101的集电极与电阻R102的一端和超级电容C101的正极连接，三极管V101的基极与三极管V102的集电极连接，三极管V102的基极与电阻R106的另一端和电阻R107的一端连接，电阻R107的另一端与精密稳压源TS101的一端连接，精密稳压源TS101的控制端与电阻R102的另一端和电阻R103的一端连接，电阻R103的另一端、超级电容C101的负极和精密稳压源TS101的另一端均与GND连接。

所述升压电路包括电源芯片U1、电感L101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C105、电阻R105、电阻R108、电阻R109、肖特基二极管VD101和肖特基二极管VD102，电容C103的一端和电感L101的一端与超级电容C101的正极连接，电容C103的另一端与GND连接，电感L101的另一端与肖特基二极管VD102的正极和电源芯片U1的SW引脚连接，肖特基二极管VD102的负极作为升压电路的输出端输出12V电源，肖特基二极管VD102的负极还通过肖特基二极管V101与电表连接，电源芯片U1的FB引脚与电阻R108和电阻R109的一端连接，电阻R108的另一端与GND连接，电阻R109的另一端与肖特基二极管VD102的负极连接，电容C105与电阻R109并联连接，电阻R109的另一端还通过电容C102接地，电源芯片U1的EN端通过电阻R105与电源正极连接，电源正极通过电容C104接地。

所述12V检测电路包括电阻R110、电阻R111、三极管V103和电阻R112，所述电阻R110的一端与电表电源输出端连接，另一端与电阻R111的一端和三极管V103的基极连接，电阻R111的另一端和三极管V103的发射极接地，三极管V103的集电极通过电阻R4与三极管V101的基极连接，三极管V103的集电极还与电源芯片U1的EN引脚连接，三极管V103的集电极还与电阻R112的一端连接，电阻R112的另一端作为停电信号的输出端与载波芯片的输入端连接。

所述模块插拔检测电路包括三极管V104、三极管VD103、电阻R114、电阻R112、电阻R113、和电容C106，所述电阻R114的一端与电源正极连接，另一端作为GND_DEC与三极管VD103的一端、电容C106的一端和三极管V104的基极连接，三极管VD103的另一端、电容C106的另一端和三极管V104的发射极接地，三极管V104的集电极与电阻R112的另一端连接，三极管V104的集电极还通过电阻R113与GND连接。

图11所示的停电上报电路，具有充电快，且高效放电的特点。可以支持12V掉电检测，支持12V插拔检测。其中，充电电路中，电容C101为超级电容；可控精密稳压源TL431可设置使超级电容充电到2.7V后，不再充电，超级电容电压为2.7V。升压电路中，有单相导通功能的肖特基二极管VD102起隔离作用，在电表停电后，此部分电路将超级电容存储的电能通过升压电路升压到12V，该12V电压由电源芯片U1的SW引脚经二极管VD102输出，给模块所有电路供电，主要是载波芯片，无线芯片以及发送电路供电。此外，二极管VD101可防止停电后电流倒灌到电表。12V检测电路中，有12V供电时三极管V103集电极电平为低，无12V供电时V103集电极电平为高；停电信号通过电阻R112后，由POWER_DET引脚输出到载波芯片。

模块插拔检测电路中，模块未拔下情况下GND_DEC通过接口电路和GND连接到一起，三极管V104的基级和发射极电压相等，三极管V104不能导通；模块拔下后，GND_DEC通过R114和3.3V相连，这时三极管V104基级电压大于发射级，且大于开启电压0.6V，V104导通，POWER_DET引脚为低电平，停止停电上报。POWER_DET引脚与SSC1655芯片连接，1655芯片判断停电后，控制发送电路发送载波信号或控制无线芯片发送无线信号，上报集中器模块。

此外，本发明实施例中，微功率无线电路的主芯片型号为RTF5361。如图12所示，为微功率无线电路的电路原理图，无线电路芯片使用东软载波自主研发的无线芯片RTF5361，具有低功耗、传输距离远的特点。其中，主芯片D121为无线芯片RTF5361；G121为20M无源晶振，C138、C139为晶振匹配电容；C121为数字电源旁路电容；L121为隔离电感，和电容C123、C124、C125、C140可组成低通滤波电路，C123、C124、C125、C140为旁路电容，电源滤波用；芯片20引脚为POWER_DOWN模式使能引脚，C122为旁路电容；芯片10引脚为数字稳压电源输出，C136和C137为旁路电容，滤除噪声，R121起隔离作用；芯片5引脚为模拟稳压电源输出，C132、C133为旁路电容；电感L122和电容C126为低通滤波，为发送提供可靠电源；电感L123、L124、L125和电容C127、C128、C129、C130为发送谐振电路；电容C123、C135和电感L126、L127为单端转差分电路。在载波通信效果较差时，可使用无线通信。

此外，本发明的电力抄表通信模块还包括与载波芯片连接的LED电路，其电路原理图如图13所示，其中，发光二极管HL71为接收指示灯，电阻R77为其限流电阻；发光二极管HL72发送指示灯电路，R78为其限流电阻。LED电路中的指示灯用于指示系统进行载波发送和接送时的工作状态。

本发明提供了一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，实现了电力线单载波、电力线多载波和微功率无线通信的融合，具有较好的适用性，对于要求较高的通信速率部分台区，可使用多载波通信，对于要求较高的通信距离部分台区，可使用单载波通信，从而实现高速率、远距离通信，对于电力线信道较差的部分台区，载波不通，可使用微功率无线通信，此外，该电力抄表通信模块还具有限流和停电上报功能，可以支持12V掉电检测，支持12V插拔检测。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，包括载波芯片、载波发送电路、载波接收电路，耦合电路、过零电路、停电上报电路、接口电路、微功率无线电路和DC-DC电路；所述载波芯片的载波信号输入端依次通过载波接收电路和耦合电路与电力线连接，载波信号输出端依次通过载波发送电路和耦合电路与电力线连接；所述耦合电路用于隔离电力线中的工频信号；所述过零电路的输入端与电力线连接，输出端输出的脉冲信号与载波芯片的脉冲信号输入端连接，用于将电力线中的工频交流电的过零信号以脉冲的方式发送给载波芯片，从而为过零通信以及相位判别提供依据；所述载波芯片的通信端子通过所述接口电路与电能表连接；所述停电上报电路的电源端通过接口电路与电能表连接，停电信号输出端与所述载波芯片的停电信号输入端连接；所述限流电路用于监测载波发送电路中的电流信号，并在载波发送电路中的电流信号较大时，切断所述载波发送电路的供电；所述DC-DC电路的电源端通过接口电路与电能表连接，用于将电能表提供的12V直流电压进行降压后给电力抄表通信模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，所述载波芯片的型号为SSC1655。

3.根据权利要求1所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，所述限流电路包括电阻R43、电阻R44、电阻R42、电阻R41、电阻R45、电阻R46、电阻R47、电容C41、三极管V41、三极管V42、三极管V43，所述电阻R43与电阻R44并联后，一端与12V电源连接，另一端与12V-VCC电源连接；所述电阻R42的一端与12V-VCC电源连接，另一端与三极管V42的基极连接；三极管V42的发射极与12V电源连接，集电极与三极管V41的基极连接；三极管V41的集电极输出12V-SVCC电源给所述载波发送电路的电源端连接，发射极与12V-VCC电源连接；电阻R45一端与12V电源连接，另一端通过电阻R46与三极管V43的集电极连接；三极管V43的发射极接地，集电极通过电阻R47与载波芯片的使能信号输出端连接；电阻R41的一端与三极管V41的发射极连接，另一端与三极管V41的集电极连接；电容C41的一端与12V-SVCC电源连接，另一端与GND连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，所述耦合电路包括变压器T1、双向击穿二极管F1和F2、电容C1，所述耦合电路的一次侧的一端通过电容C1与电力线L连接，另一端与电力线N连接，所述耦合电路的二次侧分别与所述载波发送电路输出端和载波接收电路的输入端连接；所述双向击穿二极管F1和F2分别并联在所述耦合电路的一次侧和二次侧的两端；

所述载波发送电路包括功率放大芯片ESPA16，所述限流电路输出的12V-SVCC电源与功率放大芯片ESPA16的电源输入端连接，所述载波芯片输出的载波信号经电阻R31后与功率放大芯片ESPA16的信号输入引脚连接，所述载波芯片输出的载波信号还通过电阻R31、电阻R35后与功率放大芯片ESPA16的信号输出引脚连接，所述功率放大芯片ESPA16的信号输出引脚依次通过电阻R36和电容C36与耦合电路的二次侧连接；

所述载波接收电路包括模拟开关芯片SGM3157和两个三阶带通滤波器，所述两个三阶带通滤波器的输入端与耦合电路的二次侧连接，输出端分别与所述模拟开关芯片SGM3157的两个输入端连接，所述模拟开关芯片SGM3157的输出端与所述载波芯片的载波信号输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，所述过零电路中，二极管VD61的阳极与电力线N连接，阴极经电阻R61、电阻R62后与光耦E61的输入正极连接；光耦E61的输入正极经电阻R63后与电力线L连接；电容C61与电阻R63并联；电容C62的一端连与光耦E61的输入正极连接，另一端经二极管V62后与电力线L连接；稳压二极管VD63并联连接在电容C62两端，电阻R64的一端与电力线L连接，另一端与三极管V61的基极连接；三极管V61的集电极与光耦E61的输入负极连接，电容C63连接在三极管V61的发射极和基极之间；光耦E61的输出端通过输出端输出的脉冲信号与载波芯片的脉冲信号输入端连接，光耦E61的输出端还通过并联连接的电阻R65和电容C65接地。

6.根据权利要求1所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，所述停电上报电路包括充电电路、升压电路、12V检测电路和模块插拔检测电路；所述充电电路用于将电能表提供的电能储存到超级电容中；所述12V检测电路用于检测电能表是否停电，并在电能表停电时控制升压电路将超级电容中储存的电能升压到12V后给电力抄表通信模块供电，还用于将停电信号上报给所述载波芯片；所述模块插拔检测电路用于检测电力抄表通信模块是否从电表拔下，并在电力抄表通信模块从电表拔下时，控制所述12V检测电路停止停电上报；所述载波芯片用于在接收到停电信号后，控制所述载波发送电路发送载波信号至集中器，或控制所述微功率无线电路发送无线信号，上报集中器。

7.根据权利要求6所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，所述充电电路包括电阻R101、三极管V101、三极管V102、电阻R106、电阻R107、精密稳压源TS101，电阻R4、电阻R102、电阻R103和超级电容C101，电阻R101的一端、三极管V102的发射极和电阻R106的一端均与电源正极连接，电阻R101的另一端与三极管V101的发射极连接，三极管V101的集电极与电阻R102的一端和超级电容C101的正极连接，三极管V101的基极与三极管V102的集电极连接，三极管V102的基极与电阻R106的另一端和电阻R107的一端连接，电阻R107的另一端与精密稳压源TS101的一端连接，精密稳压源TS101的控制端与电阻R102的另一端和电阻R103的一端连接，电阻R103的另一端、超级电容C101的负极和精密稳压源TS101的另一端均与GND连接；

所述升压电路包括电源芯片U1、电感L101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C105、电阻R105、电阻R108、电阻R109、肖特基二极管VD101和肖特基二极管VD102，电容C103的一端和电感L101的一端与超级电容C101的正极连接，电容C103的另一端与GND连接，电感L101的另一端与肖特基二极管VD102的正极和电源芯片U1的SW引脚连接，肖特基二极管VD102的负极作为升压电路的输出端输出12V电源，肖特基二极管VD102的负极还通过肖特基二极管V101与电表连接，电源芯片U1的FB引脚与电阻R108和电阻R109的一端连接，电阻R108的另一端与GND连接，电阻R109的另一端与肖特基二极管VD102的负极连接，电容C105与电阻R109并联连接，电阻R109的另一端还通过电容C102接地，电源芯片U1的EN端通过电阻R105与电源正极连接，电源正极通过电容C104接地；

所述12V检测电路包括电阻R110、电阻R111、三极管V103和电阻R112，所述电阻R110的一端与电表电源输出端连接，另一端与电阻R111的一端和三极管V103的基极连接，电阻R111的另一端和三极管V103的发射极接地，三极管V103的集电极通过电阻R4与三极管V101的基极连接，三极管V103的集电极还与电源芯片U1的EN引脚连接，三极管V103的集电极还与电阻R112的一端连接，电阻R112的另一端作为停电信号的输出端与载波芯片的输入端连接；

所述模块插拔检测电路包括三极管V104、三极管VD103、电阻R114、电阻R112、电阻R113、和电容C106，所述电阻R114的一端与电源正极连接，另一端作为GND_DEC与三极管VD103的一端、电容C106的一端和三极管V104的基极连接，三极管VD103的另一端、电容C106的另一端和三极管V104的发射极接地，三极管V104的集电极与电阻R112的另一端连接，三极管V104的集电极还通过电阻R113与GND连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于单载波多载波和无线通信融合的电力抄表通信模块，其特征在于，微功率无线电路的主芯片型号为RTF5361。