CN112367100A - 一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调、单片机控制部分、电源电路和信号接口电路。通过在水下海工装备中运用这种电力载波通信控制技术，岸上指挥控制台与水下海工装备通信电缆中仅有两根电力线，减小电缆空间及重量、节约成本。所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路通过扩频通信技术，克服线缆传输信号的干扰。在实际运用中，该设备使得水下装备能够准确响应指挥控制台下达的控制指令，并将采集的相应信号传输给指挥控制台判读，解决了岸上水下通信传输问题。

Description

一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路
技术领域
本发明属于电力载波通信领域，具体涉及一种电力载波通信控制电路，用该通信电路能够通过2根供电线传输以太网数据和RS232串口数据。
背景技术
电力线载波(PLC)通信是指利用现有低压配电线(380V或220V)，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术。目前，我国电力线载波频率使用范围为40～500kHz，载波频带带宽为4kHz。在低频段使用时，存在着阻波器制作上的困难；在高频段使用时，易受广播信号的干扰，存在线路对信号衰减的不均匀性等问题。
已授权的实用新型专利CN209072488U公开了一种具有电力载波通信装置的水下机器人，包括电力载波通信装置、主控制装置、供电模块、处理器模块、供电模块、数据存储模块等，其提供一种具有电力载波通信装置的水下机器人，以电力载波通信方式实现通信，利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，不需要重新设置专用设备就能进行数据传递，能够实现可靠通信。
已公开的发明专利申请CN109552579A公开了一种小型有缆遥控式水下机器人；已授权的实用新型专利CN210704829U公开了一种遥控式水下机器人水面与水下协同控制装置，这两篇文件都公开了采用电力载波通信装置完成岸上和水下机器人通信的内容。
综上所述，现有技术存在以下缺点：在低频段使用时，存在着阻波器制作上的困难；在高频段使用时，易受广播信号的干扰，存在线路对信号衰减的不均匀性等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的设计方法，所述方法采用电力载波信号传输形式；用于岸上水下的电力载波通信电路。
本发明提出了一种用于基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的设计方法，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调、单片机控制部分和信号接口电路；其特征在于，所述方法包括：
步骤一，电力线耦合电路的设计，采用变压器实现了高压端与低压端的隔离，选定电力线路侧阻抗取和变压器初级和次级的匝数比，设置防浪涌保护电路设计防变压器饱和电路；
步骤二，设计信号接收电路，所述的信号接收电路包括前级滤波器和增益放大器，滤波器使用带通滤波器，增益放大器的放大增益≧30db；
步骤三，设计信号发射电路，所述的信号发射电路包括功率放大器，功率放大器用于将电力载波扩频调制芯片发出的调制信号进行放大，该功率放大器工作在开关状态。
步骤四，设计电力载波扩频调制芯片的调制参数为：数据速率1kb/s、四周波调制、载频为200～300kHz，带宽为100kHz。优选的，所述的电力载波扩频信号的载频为250kHz。
本发明还提出了一种用于基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的操作方法，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调、单片机控制部分和信号接口电路；所述的单片机采用W77E58，电力载波信号调制/调采用专用芯片SC1128；其特征在于，所述操作方法包括：
步骤A1，初始化单片机控制器；
步骤A2，单片机初始化电力线信号调制/解调芯片，向SRAM地址3D写入0X4D；
步骤A3，电力载波信号调制/调芯片检测到信号输入时，在串口接收端检测串口数据，当检测到信号发出时，向电力线发出串口信号；
步骤A4，完成数据信号的发送或接收后，电力载波信号调制/调芯片回到检测待机状态。
本发明还提出了一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调器、单片机控制部分、电源电路和信号接口电路；其特征在于：电力线耦合电路是采用变压器耦合，用变压器隔离工频交流电。信号耦合变压器的电力线路侧阻抗取3～30Ω，线圈初、次级的匝数比取12/21；信号耦合变压器次级线圈即是信号输入通道，该输入通道接浪涌保护电路，经电阻隔离后接二极管钳位电路输出给接收电路部分的前级滤波器；前级滤波器为带通滤波器。带通滤波器的输出连接增益放大器，放大后的载波信号送达电力载波调制/解调芯片执行载波解调；电力信号调制/解调部分采用SC1128芯片，该芯片的发射信号输出经功率放大器放大后输出到电力线耦合电路的隔离变压器次级，功率放大器工作在开关状态，电力载波SC1128芯片发出的调制信号经功率放大后，再经过电力线耦合电路进入电力线；
所述的单片机控制部分采用W77E58做系统控制器；
所述的电源部分采用变压器将电源电压降低，给信号处理部分提供+12V和+5V直流稳压输出。
优选的，电力线耦合电路包括肖特基二极管D2,肖特基二极管D3,瞬变抑制二极管TVS,电阻R4，电阻R5，电阻R7，电容C8，电容C18和变压器T5，电阻R4两端连接电力线的零线和火线，电阻R5与电容C8并联后，一端连接火线，另一端连接变压器T5初级的一端，变压器T5初级的另一端经电容C18连接电力线的零线；变压器T5次级的一端接地，变压器T5次级的另一端接瞬变抑制二极管TVS的一端和电阻R7的一端,瞬变抑制二极管TVS的另一端接地；电阻R7的另一端作为信号输出端，其连接肖特基二极管D2的阳极和肖特基二极管D3阴极，肖特基二极管D2的阴极和肖特基二极管D3阳极接地。
优选的，所述的信号接收电路包括滤波器U9和增益放大器U2，所述增益放大器的信号不失真的放大倍数大于等于75；滤波器U9的输入端连接电力线耦合电路的信号输出端，滤波器U9的输出端连接增益放大器U2的输入端。
优选的，所述的信号发射电路包括功率放大器U1，功率放大器U1的输出端连接到变压器T5变压器次级的另一端，提供载波输出。
优选的，所述的电力信号调制/解调部分采用SC1128芯片，该芯片第13脚经电阻R10连接到增益放大器U2的输出端接收被放大的载波信号；该芯片第24脚经电阻R1连接到电源vcc，同时芯片第24脚还连接功率放大器U1的输入端，提供调制后的载波输出。
优选的，所述的单片机控制部分采用W77E58做系统控制器，W77E58的P1.6口连接SC1128芯片41脚，并经电阻R3接电源Vcc；W77E58的P1.4口连接SC1128芯片40脚；W77E58的P1.5口连接SC1128芯片39脚；W77E58的P1.3口连接SC1128芯片38脚；W77E58的P1.2口连接SC1128芯片33脚；W77E58的P1.1口连接SC1128芯片36脚；W77E58的P1.0口连接SC1128芯片35脚；W77E58的P3.2口连接SC1128芯片37脚；W77E58的19脚连接SC1128芯片28脚，W77E58的9脚连接二极管D的阴极，SC1128芯片34脚连接二极管的阳极。
通过在水下海工装备中运用这种电力载波通信控制技术，岸上指挥控制台与水下海工装备通信电缆中仅有两根电力线，减小电缆空间及重量、节约成本。通过扩频通信技术，克服线缆传输信号的干扰。在实际运用中，水下装备可准确响应指挥控制台下达的控制指令，并将采集的相应信号传输给指挥控制台判读，解决了岸上水下通信传输问题。
附图说明
图1是电力载波传输示意图。
图2为本发明提供的一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的硬件电路原理图。
图3是本发明提供的一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的数据流向图。
图4是与电力线的耦合电路原理图。
图5是载波信号接收电路原理图。
图6是载波信号发射电路原理图。
图7是W77E58与SC1128连接图。
图8是控制器软件程序结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
本设计是以PLC为核心，实现水下海工电子装备和岸上指挥控制台之间的信息交互。由于数据和信号传输只在地面指挥控制台和水下海工电子装备控制板间进行，并且通过电力线通信终端连接完成，从而束缚PLC应用的困扰将不复存在。传输示意图如附图1所示。
实施例一
整体技术方案：
在控制系统中通过总线状态检测、从机主动上发的方式解决。本系统通过扩频通信技术来克服干扰，采用电力载波调制/解调SC1128芯片设计电力载波通信控制终端，载波频率为250kHz，带宽为100kHz，4周波调相，数据速率1kb/s，可实现低压电力线的通信功能。
1、硬件结构组成
本系统硬件结构主要包括电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调、单片机控制部分及信号接口电路。硬件电路图如附图2所示。附图3显示了数据流向图。
2、耦合电路设计
耦合电路是载波信号的输出和输入通路，并起到隔离220V/50Hz工频的作用。该电路考虑电力线路侧的阻抗特性，T5为信号耦合变压器，电力线路侧阻抗取3～30Ω，线圈初次级的匝数比取12/21。输入通道接浪涌保护二极管TVS，经电阻隔离后接二极管钳位电路输出给接收电路部分的前级滤波器。变压器T5实现了高压与低压的隔离。由于载波的频率比较高(100～400kHz)，远远大于电网的频率，这样就使载波信号畅通无阻。电容C8阻断低频高压，阻止变压器饱和；电阻R5取值为1MΩ，作用是在离线时使电容放电，防止在设备插头的两端出现高压。TVS1.5KE6.8CA是瞬变抑制二极管，它可以有效地避免后面电路被高压击穿。D2、D3肖特基二极管的作用也是防止高压击穿放大电路，限制钳位电压。耦合电路如附图4所示。通电后，来自电力线的载波信号经过RX端进入下级电路；来自TX端的输出信号经过TX端进入电力网。
3、信号接收电路设计
信号接收电路设计包括前级滤波器设计与增益放大器设计。滤波器为带通滤波器。其作用一方面将带外杂波滤除，另一方面保证前后级之间的阻抗匹配，以达到顺利传递信号的目的。由于主晶振的工作频率不同，载频也不同；调制周波数和数据传输速率不同，带宽也不同。因此，滤波器的参数在主晶振频率不同时也将有所变化的。这部分电路设计值与本终端适应，数据速率1kb/s、四周波调制、载频为200～300kHz，优选载频为250kHz，带宽为100kHz。增益放大的目的是将滤波后的信号不失真的放大75倍以上，达到本级增益30db以上的要求。信号接收电路如附图5所示。通电后，将经耦合电路流入的信号进行滤波和增益放大，达到下级电力载波SC1128芯片解调的信号范围，完成信号接收。
4、信号发射电路设计
信号发射电路主要为功率放大电路设计。此级功率放大是将SC1128第24脚的高压开漏输出转换成功率输出。该脚输出时接一个不小于1kΩ的上拉电阻，其灌入电流不要超过4mA，并有不低于3V峰-峰的信号电压输出。功率放大器本身工作在开关状态。信号发射电路如附图6所示。通电后，将电力载波SC1128芯片发出的调制信号，进行放大处理，顺利的经过耦合电路进入电力线。
5、电力线信号调制/解调部分
电力信号调制/解调部分选用SC1128芯片。该芯片采用CMOS技术设计的数模混合专用电路，应用先进的扩频通信技术和调制解调技术，是面向低压电力线低速率通信市场需要的专用扩频modem芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，该芯片应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。其电路内部集成了扩频器、DAC和ADC、输出驱动器、输入信号放大器、工作电压检测器、看门狗电路、串/并接口电路，使得该芯片在多功能小型系统应用中可以降低系统的成本，提高系统的性能。电路中，在微控制器控制下，完成输入信号的解调及输出信号调制工作。
6、系统微控制器与电力信号调制芯片SC1128接口
系统微控制器采用W77E58，是一个快速、高性能、功能丰富、高集成度的8位8051兼容微控制器。SC1128的第28脚为电路二分之一主晶振输出，32脚为电压监测端，该端需接5kΩ上拉电阻与5V电源相接；33脚为看门狗输入端，正常工作时应该在768ms内产生一次高低电位变化；34脚为看门狗输出端，与33脚配合，正常时输出低电平，否则输出1/3占空比的复位脉冲；35脚为电源报警输出端，与32脚电源监测输入端配合使用，当电源监测输入端监测到的电源信号低于监测值时，输出为低电平。当电源监测输入端监测到的电源信号高于监测值时，输出为高电平；36脚为收发控制端，0为接收，1为发射；37脚在发射和接受同步后产生同步脉冲信号，频率随工作主时钟和周波的变化而变化；38脚发送和接收数据；39脚为设置数据及状态的输入输出端；40脚为同步设置时钟输入端，使SC1128芯片与单片机信号同步；41脚为片选输入端，低电平芯片使能，为保证芯片正常工作，在设计中将其接5.1kΩ上拉电阻。数据收发流程如下：发射状态时，单片机将SR端(36脚)置高，SC1128芯片发出同步头(37脚)，单片机通过TX端(38脚)同步发送数据；接收状态时，单片机将SR端(36脚)置低，SC1128芯片若接收到数据，则产生同步头，通过TX端(38脚)将数据同步发送到单片机。W77E58与SC1128连接图如附图7所示。控制器软件结构如附图8所示。电路工作后，控制器和电力芯片进行软件初始化设置，当检测到信号输入时，可在串口接收端检测串口数据，当检测到信号发出时，向电力线发出串口信号。
实际通信控制系统包括一对完全相同的信号发送板和信号接收板，通过低压电力线相连，并且分别连接到两端的设备上。两板连接时零线与零线接，火线与火线接。发送板通过RS232串口和以太网接口发送不同数据，控制接收通过串口读出所发送数据。应用中，双收双发过程的通信速率要一致(周波数一致)，门限值只对接收一方有意义，门限值得高低影响通信误码率，要根据通信情况和相应速率进行设置。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的设计方法，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调、单片机控制部分和信号接口电路；其特征在于，所述方法包括：
步骤一，电力线耦合电路的设计，采用变压器实现了高压端与低压端的隔离，选定电力线路侧阻抗取和变压器初级和次级的匝数比，设置防浪涌保护电路设计防变压器饱和电路；
步骤二，设计信号接收电路，所述的信号接收电路包括前级滤波器和增益放大器，滤波器使用带通滤波器，增益放大器的放大增益≧30db；
步骤三，设计信号发射电路，所述的信号发射电路包括功率放大器，功率放大器用于将电力载波扩频调制芯片发出的调制信号进行放大，该功率放大器工作在开关状态；
步骤四，设计电力载波扩频调制芯片的调制参数为：数据速率1kb/s、四周波调制、载频为200～300kHz，带宽为100kHz。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述的电力载波扩频信号的载频为250kHz。
3.一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路的操作方法，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调、单片机控制部分和信号接口电路；所述的单片机采用W77E58，电力载波信号调制/调采用专用芯片SC1128；其特征在于，所述操作方法包括：
步骤A1，初始化单片机控制器；
步骤A2，单片机初始化电力线信号调制/解调芯片，向SRAM地址3D写入0X4D；
步骤A3，电力载波信号调制/调芯片检测到信号输入时，在串口接收端检测串口数据，当检测到信号发出时，向电力线发出串口信号；
步骤A4，完成数据信号的发送或接收后，电力载波信号调制/调芯片回到检测待机状态。
4.一种基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路包括依次连接的电力线耦合电路、信号接收电路、信号发射电路、电力线信号调制/解调器、单片机控制部分、电源电路和信号接口电路；其特征在于：电力线耦合电路是采用变压器耦合，用变压器隔离工频交流电；信号耦合变压器的电力线路侧阻抗取3～30Ω，线圈初、次级的匝数比取12/21；信号耦合变压器次级线圈即是信号输入通道，该输入通道接浪涌保护电路，经电阻隔离后接二极管钳位电路输出给接收电路部分的前级滤波器；前级滤波器为带通滤波器；带通滤波器的输出连接增益放大器，放大后的载波信号送达电力载波调制/解调芯片执行载波解调；电力信号调制/解调部分采用SC1128芯片，该芯片的发射信号输出经功率放大器放大后输出到电力线耦合电路的隔离变压器次级，功率放大器工作在开关状态，电力载波SC1128芯片发出的调制信号经功率放大后，再经过电力线耦合电路进入电力线；
所述的单片机控制部分采用W77E58做系统控制器；
所述的电源部分采用变压器将电源电压降低，给信号处理部分提供+12V和+5V直流稳压输出。
5.一种如权利要求4所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，其特征在于：电力线耦合电路包括肖特基二极管D2,肖特基二极管D3,瞬变抑制二极管TVS,电阻R4，电阻R5，电阻R7，电容C8，电容C18和变压器T5，电阻R4两端连接电力线的零线和火线，电阻R5与电容C8并联后，一端连接火线，另一端连接变压器T5初级的一端，变压器T5初级的另一端经电容C18连接电力线的零线；变压器T5次级的一端接地，变压器T5次级的另一端接瞬变抑制二极管TVS的一端和电阻R7的一端,瞬变抑制二极管TVS的另一端接地；电阻R7的另一端作为信号输出端，其连接肖特基二极管D2的阳极和肖特基二极管D3阴极，肖特基二极管D2的阴极和肖特基二极管D3阳极接地。
6.一种如权利要求5所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，其特征在于：所述的信号接收电路包括滤波器U9和增益放大器U2，所述增益放大器的信号不失真的放大倍数大于等于75；滤波器U9的输入端连接电力线耦合电路的信号输出端，滤波器U9的输出端连接增益放大器U2的输入端。
7.一种如权利要求6所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，其特征在于：所述的信号发射电路包括功率放大器U1，功率放大器U1的输出端连接到变压器T5变压器次级的另一端，提供载波输出。
8.一种如权利要求7所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，其特征在于：所述的电力信号调制/解调部分采用SC1128芯片，该芯片第13脚经电阻R10连接到增益放大器U2的输出端接收被放大的载波信号；该芯片第24脚经电阻R1连接到电源vcc，同时芯片第24脚还连接功率放大器U1的输入端，提供调制后的载波输出。
9.一种如权利要求8所述的基于以太网和串行接口的电力载波通信控制电路，其特征在于：所述的单片机控制部分采用W77E58做系统控制器，W77E58的P1.6口连接SC1128芯片41脚，并经电阻R3接电源Vcc；W77E58的P1.4口连接SC1128芯片40脚；W77E58的P1.5口连接SC1128芯片39脚；W77E58的P1.3口连接SC1128芯片38脚；W77E58的P1.2口连接SC1128芯片33脚；W77E58的P1.1口连接SC1128芯片36脚；W77E58的P1.0口连接SC1128芯片35脚；W77E58的P3.2口连接SC1128芯片37脚；W77E58的19脚连接SC1128芯片28脚，W77E58的9脚连接二极管D的阴极，SC1128芯片34脚连接二极管的阳极。
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