CN113708774B - 一种生成twacs波形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生成TWACS波形的装置，包括外部模拟前端电路模块、自定义TWACS IP核、NIOSII软核处理器、OLED显示控制器以及外设电路，所述外部模拟前端电路模块用于放大、发送工频信号编码IP核输出的TWACS信号，以用于采集外部正弦波信号，并将所述外部正弦波信号发送至工频信号解码IP核，完成工频信号解码，用于过零辨别，同步控制输出的TWACS信号，使所述TWACS信号调制输出时与市电同频同相，该方案系统架构灵活、升级换代容易、控制方式便捷、具有功耗低、灵敏度高；采用本方案设计能解决采用传统的系统设计方法系统功能升级困难，维护性差以及设计的灵活性较低等问题，能有效地简化系统的构造、缩短从概念到实现的距离。

Description

一种生成TWACS波形的装置及方法

技术领域

本发明涉及低压配电网电力通信领域，具体的涉及一种生成TWACS波形的装置及方法。

背景技术

目前，我国配电网结构较复杂，有关线路故障监控问题一直是研究热点。低压配电网智能开关因具有保护和控制功能，对低压配电系统问题可做到及时解决，但现阶段工频电力通信技术在低压配电网智能开关中的应用并未达到预期，特别是如何根据电网情况可靠实现双向工频电力通信，如何在不改变现有低压配电网线路结构前提下，仅利用工频电力通信实现高效监控尚有诸多问题需解决。

工频电力通信是以配电网为传输介质，具有成本低、抗干扰能力强，可实现无中继跨变压器台区间通信等优势。通过利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带通信信息，达到跨越变压器直接通信的目的，具有很高的实用价值。如李卫国等针对油井位置分散、管理困难现状，设计了基于电力线工频通信的抽油机电机远程监测系统，并应用于油田电网。曾水根等基于低压电力线工频通信技术实现了远程抄表，数据经GSM无线网回传监控中心。朱伟华等设计了一种用于三相工频电参数远程抄送和采集系统，实现了三相电量和三相交流参数采集和远程抄收功能。目前，工频通信实现方式均通过控制晶闸管导通、截止实现通信信号传输，极易引入诸多干扰，如谐波、多种干扰噪声等，在用户端处信号接收效果较差，解调时极易造成解码失误，且多机工频通信可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种生成TWACS波形的装置及方法，实现工频通信信号调制，而且能从待解码的电网工频信号中精准解调工频信号。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种生成TWACS波形的装置，包括外部模拟前端电路模块，所述外部模拟前端电路模块用于放大、发送工频信号编码IP核输出的TWACS信号，以用于采集外部正弦波信号，并将所述外部正弦波信号发送至工频信号解码IP核，完成工频信号解码，用于过零辨别，同步控制输出的TWACS信号，使所述TWACS信号调制输出时与市电同频同相。

进一步，所述工频信号编码IP核和所述工频信号解码IP核为自定义TWACS IP核；

所述工频信号编码IP核包括第一工频通信编码控制器，所述第一工频通信编码控制器将多点工频通信协议分别按特定TWACS编码方式控制50Hz工频信号正弦波生成模块、TWACS信息“1”波形模块和TWACS信息“0”波形模块生成特定的TWACS编码波形；

所述50Hz工频信号正弦波生成模块由50Hz正弦波ROM地址发生器和50Hz正弦波数据存储ROM组成，所述50Hz工频信号正弦波生成模块采用查表法方式生成特定相位50Hz正弦波信号；

所述TWACS信息1波形模块由信息1ROM地址发生器和信息“1”波形数据存储ROM组成，所述TWACS信息“1”波形模块采用查表法方式生成特定相位TWACS信息“1”波形；

所述TWACS信息“1”波形模块由信息0ROM地址发生器、信息“0”波形数据存储ROM组成，所述TWACS信息“0”波形模块采用查表法方式生成特定相位TWACS信息“0”波形。

进一步，所述工频信号编码IP核还包括同步控制器，所述同步控制器用于确保输出的TWACS数字波形与市电波形同频同相；

在所述同步控制器和所述第一工频通信编码控制器的控制下，数字信号合成及DAC控制器模块输出含有特定编码的TWACS数字波形。

进一步，所述第一工频通信编码控制器控制输出的多点工频通信协议由目标地址、源地址、特征、数据区、校验区五部分组成；

所述目标地址用于存储接收端的地址；

所述源地址用于存储发送端的地址；

所述特征存储数据区的类型；

所述数据区用于存储数据或者控制信息；

所述校验区用于存储数据区的校验码以进行差错控制；

为了区别工频通信网络中的不同节点，每个节点具有唯一的地址，根据地址标识即可实现特定节点间的数据传输。

进一步，所述外部模拟前端电路模块将含特定编码的TWACS数字波形经DAC电路转换后，通过第一增益控制电路、第一滤波电路、功率放大、信号耦合电路送至电网；

所述信号耦合电路将特解码的电网工频信号分别通过过零比较电路与所述同步控制器通讯相连接；和经第二滤波电路、第二增益控制电路和ADC电路转换为数字信号，送至所述工频信号解码IP核；

所述DAC电路将含特定编码的TWACS数字波形转换成模拟信号；

所述第一增益控制电路和所述第二增益控制电路用于实现输出或输入信号的幅度控制；

第一滤波电路和所述第二滤波电路用于实现输出/输入信号的信号滤波；

所述信号耦合电路与电网电力线进行电容或者转换器耦合连接，用于含特定编码的TWACS波形与电网波形叠加，实现信号调制和待解码的电网工频信号提取；

所述ADC电路将待解码的电网工频信号转换为数字信号，送至所述工频信号解码IP核。

进一步，所述工频信号解码IP核实现将经滤波、放大后的待解码电网工频信号在ADC控制器将信号转换为数字信号，而后送至FIR滤波器进行滤波处理，再送至第二工频通信信号解码控制器进行解码；

所述ADC控制器用于实现采集的外部信号模数转换；

所述FIR滤波器用于采集的外部信号数字滤波；

所述第二工频通信信号解码控制器用于工频信号解码，实现工频通信控制。

进一步，还包括Nios II软核处理器、Avalon总线，Avalon读写控制逻辑模块，所述Nios II软核处理器通过所述Avalon总线控制所述自定义TWACS IP核；

此外，还包括通信相连的OLED控制器和OLED显示屏，所述OLED控制器用于实现外部所述OLED显示屏的正常显示。

进一步，所述第一工频通信编码控制器、所述50Hz工频信号正弦波生成模块、所述TWACS信息“1”波形模块、所述TWACS信息“0”波形模块、所述同步控制器、所述数字信号合成及DAC控制器模块、所述ADC电路、所述FIR滤波器、所述第二工频通信信号解码控制器、所述Nios II软核处理器、所述OLED控制器通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。

本发明还提供一种生成TWACS波形的方法：结合低压配电网智能开关工频通信控制实际，选用四个相邻波形表示一位编码信息，四个所述相邻波形共有八个过零点，通过在电压波形不同的所述过零点处调制信号表示不同的信息；

约定对八个所述过零区域中四个进行调制，其中两个是正过零区，两个是负过零区，得三十六个码图和十八组码图。

进一步，一种生成TWACS波形的方法，TWACS时域差分信号检测为：

在每个过零点区域内采集k个值，如第n个过零点，采集的k个值记为：Sn1，Sn2，...，Snk。令：

则当D＝0时，表示无信号；当D＝4a时，表示信息位1；当时D＝-4a，表示信息位0，a为调制信号强度；

TWACS信息“1”波形数据生成方法为：

S1、在matlab软件中编写生成TWACS信息“1”波形程序；

S2、将Matlab仿真得到的50Hz工频信号、信息“1”与信息“0”波形数据分别转换为整型数，并保存相应的mif文件格式，然后利用Quartus Prime17.1进行ROM IP核配置，将＊.mif文件添加到ROM存储器中，并设置ROM IP核参数，即可在FPGA中得到与之相对应的50Hz工频信号及TWACS编码信息“1”、信息“0”波形。

本发明的有益效果为：利用Matlab+FPGA生成TWACS波形的方法及系统，针对低压智能开关工频通信控制需要，由用户灵活设置低压智能开关的编码，利用Matlab软件生成50Hz工频信号正弦波数据、TWACS信息“1”波形数据、TWACS信息“0”波形数据，借助Quartus中MegaWizard Plug-In Manager生成50Hz正弦波数据存储ROM、TWACS信息“1”波形数据存储ROM、TWACS信息“0”波形数据存储ROM，在工频通信编码控制器、同步控制器以及NIOS II软核处理器控制下，输出含特定编码的TWACS波形，并与电网波形同频同相叠加，实现工频通信编码。工频通信解码时，从模拟前端电路取出待解码工频信号，经ADC转换为数字信号后，再经Quartus中MegaWizard Plug-In Manager生成FIR数字滤波器实现信号滤波，而后经工频通信解码控制器得到待解码数字信号。生成FIR数字滤波器时，先利用Matlab滤波器设计与分析工具(Fdatool)生成FIR低通滤波器，并将Filter Coefficients系数保存至*.txt文件中。而后使用Quartus Prime17.1进行IP核配置。找到FIR II配置选项，将Matlab导出的滤波系数直接导入进行参数配置，Quartus软件依据导入系数按照设定的系数位宽调整到合适位宽，即可实现FIR数字滤波器。在调用该自定义的TWACS IP核生成工频通信信号时不需要购买专用的工频通信芯片。本方案中信道编码码图可由用户灵活自行定义，所以本方案的编解码方式可由用户需要灵活调节。同时，该方案系统架构灵活、升级换代容易、控制方式便捷、具有功耗低、灵敏度高；采用本方案设计能解决采用传统的系统设计方法系统功能升级困难，维护性差以及设计的灵活性较低等问题，能有效地简化系统的构造、缩短从概念到实现的距离。

附图说明

图1为低压配电网智能开关系统原理框图；

图2为低压配电网智能开关TWACS编码信息“1”示意图；

图3为低压配电网智能开关TWACS编码信息“0”示意图；

图4为TWACS时域差分信号检测示意图

图5为Matlab软件生成50Hz工频信号正弦波、TWACS信息“1”波形、TWACS信息“0”波形；

图6为调用ROM IP核设置界面的示意图；

图7为调用FIR IP核设置界面的示意图；

图8为使用嵌入式逻辑分析仪采集的50Hz工频信号正弦波、TWACS信息“1”波形、TWACS信息“0”波形、编码、含噪已编码工频信号、滤波后的已编码工频信号等波形的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，一种生成TWACS波形的装置，包括外部模拟前端电路模块1a，所述外部模拟前端电路模块1a用于放大、发送工频信号编码IP核2a输出的TWACS信号，以用于采集外部正弦波信号，并将所述外部正弦波信号发送至工频信号解码IP核3a，完成工频信号解码，用于过零辨别，同步控制输出的TWACS信号，使所述TWACS信号调制输出时与市电同频同相。

所述工频信号编码IP核2a和所述工频信号解码IP核3a为自定义TWACS IP核；

所述工频信号编码IP核2包括第一工频通信编码控制器201，所述第一工频通信编码控制器201将多点工频通信协议分别按特定TWACS编码方式控制50Hz工频信号正弦波生成模块、TWACS信息“1”波形模块和TWACS信息“0”波形模块生成特定的TWACS编码波形；

其中，自定义TWACS IP核包括第一工频通信编码控制器201、50Hz工频信号正弦波生成模块、TWACS信息“1”波形模块和TWACS信息“0”波形模块、同步控制器、数字信号合成及DAC控制器模块能够实现工频通信编码。

自定义TWACS IP核50Hz工频信号正弦波生成模块、TWACS信息“1”波形模块和TWACS信息“0”波形模块、FIR滤波器中的相关波形(系数)数据均采用Matlab软件生成。生成FPGA IP核时采用调用MegaWizard Plug-In Manager中相关模块方式实现；

同时，为确保工频通信编码时与电网波形严格同频同相叠加，通过控制50Hz正弦波ROM地址发生器202、信息“1”ROM地址发生器204、信息“0”ROM地址发生器中地址206，实现相应波形相位在0到360度之间任意调节，以实现输出TWACS波形的相位严格控制，从而确保已编码的TWACS波形与电网波形严格同频同相。

所述50Hz工频信号正弦波生成模块由50Hz正弦波ROM地址发生器202和50Hz正弦波数据存储ROM203组成，所述50Hz工频信号正弦波生成模块采用查表法方式生成特定相位50Hz正弦波信号；

所述TWACS信息1波形模块由信息1ROM地址发生器204和信息“1”波形数据存储ROM205组成，所述TWACS信息“1”波形模块采用查表法方式生成特定相位TWACS信息“1”波形；

所述TWACS信息“1”波形模块由信息0ROM地址发生器206、信息“0”波形数据存储ROM207组成，所述TWACS信息“0”波形模块采用查表法方式生成特定相位TWACS信息“0”波形。

所述工频信号编码IP核2a还包括同步控制器208，所述同步控制器208用于确保输出的TWACS数字波形与市电波形同频同相；

在所述同步控制器208和所述第一工频通信编码控制器201的控制下，数字信号合成及DAC控制器模块209输出含有特定编码的TWACS数字波形。

所述第一工频通信编码控制器201控制输出的多点工频通信协议由目标地址、源地址、特征、数据区、校验区五部分组成；

所述目标地址用于存储接收端的地址；

所述源地址用于存储发送端的地址；

所述特征存储数据区的类型；

所述数据区用于存储数据或者控制信息；

所述校验区用于存储数据区的校验码以进行差错控制；

为了区别工频通信网络中的不同节点，每个节点具有唯一的地址，根据地址标识即可实现特定节点间的数据传输。

所述外部模拟前端电路模块1a将含特定编码的TWACS数字波形经DAC电路101转换后，通过第一增益控制电路1021、第一滤波电路1031、功率放大104、信号耦合电路105送至电网；

所述信号耦合电路105将特解码的电网工频信号分别通过过零比较电路107与所述同步控制器208通讯相连接；和经第二滤波电路1032、第二增益控制电路1022和ADC电路106转换为数字信号，送至所述工频信号解码IP核3a；

所述DAC电路101将含特定编码的TWACS数字波形转换成模拟信号；

所述第一增益控制电路1021和所述第二增益控制电路1022用于实现输出或输入信号的幅度控制；

第一滤波电路1031和所述第二滤波电路1032用于实现输出/输入信号的信号滤波；

所述信号耦合电路105与电网电力线进行电容或者转换器耦合连接，用于含特定编码的TWACS波形与电网波形叠加，实现信号调制和待解码的电网工频信号提取；

所述ADC电路106将待解码的电网工频信号转换为数字信号，送至所述工频信号解码IP核3a。

所述工频信号解码IP核3a实现将经滤波、放大后的待解码电网工频信号在ADC控制器301将信号转换为数字信号，而后送至FIR滤波器302进行滤波处理，再送至第二工频通信信号解码控制器303进行解码；

所述ADC控制器301用于实现采集的外部信号模数转换；

所述FIR滤波器302用于采集的外部信号数字滤波；

所述第二工频通信信号解码控制器303用于工频信号解码，实现工频通信控制。

还包括Nios II软核处理器401、Avalon总线，Avalon读写控制逻辑模块，所述NiosII软核处理器401通过所述Avalon总线控制所述自定义TWACS IP核；

其中，自定义TWACS IP核包括工频信号编码IP核2a、工频信号解码IP核3a，是一种具有Avalon总线的IP核，通过Avalon总线与Nios II软核处理器401连接，Nios II软核处理器401通过Avalon总线控制工频通信编码IP核3a，在Nios II软核处理器401的控制下，根据第一工频信号编码器201需求输出含特定编码的TWACS波形，并与电网波形同频同相叠加，实现工频通信编码。

Nios II软核处理器401通过Avalon总线控制工频信号解码IP核3a，经ADC电路106转换为数字信号后，再经Quartus中MegaWizard Plug-In Manager生成FIR数字滤波器实现信号滤波，而后经第一工频通信解码控制器201得到待解码数字信号。

自定义TWACS IP核为FPGA系统的核心部分。

此外，还包括通信相连的OLED控制器402和OLED显示屏501，所述OLED控制器402用于实现外部所述OLED显示屏501的正常显示。

所述第一工频通信编码控制器201、所述50Hz工频信号正弦波生成模块、所述TWACS信息“1”波形模块、所述TWACS信息“0”波形模块、所述同步控制器208、所述数字信号合成及DAC控制器模块209、所述ADC电路106、所述FIR滤波器302、所述第二工频通信信号解码控制器303、所述Nios II软核处理器401、所述OLED控制器402通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。

请参阅图2和图3，一种生成TWACS波形的方法结合低压配电网智能开关工频通信控制实际，选用四个相邻波形表示一位编码信息，四个所述相邻波形共有八个过零点，通过在电压波形不同的所述过零点处调制信号表示不同的信息；如TWACS编码信息“1”表示在过零点1、3、6、8被调制，信息“0”表示在过零点2、4、5、7被调制(对应信道编码码图中的第12信道)。

实际编码控制时，约定对八个所述过零区域中四个进行调制，其中两个是正过零区，两个是负过零区，得三十六个码图和十八组码图。信道编码码图如表1所示。

表1信道编码码图

信道	信息“1”	信息“0”	信道	信息“1”	信息“0”
						1	1 2 3 4	5 6 7 8	10	1 3 4 6	2 5 7 8
2	1 2 3 6	4 5 7 8	11	1 3 4 8	2 5 6 7
						3	1 2 3 8	4 5 6 7	12	1 3 6 8	2 4 5 7
4	1 2 4 5	3 6 7 8	13	1 4 5 6	2 3 7 8
						5	1 2 4 7	3 5 6 8	14	1 4 5 8	2 3 6 7
6	1 2 5 6	3 4 7 8	15	1 4 6 7	2 3 5 8
						7	1 2 5 8	3 4 6 7	16	1 4 7 8	2 3 5 6
8	1 2 6 7	3 4 5 8	17	1 5 6 8	2 3 4 7
						9	1 2 7 8	3 4 5 6	18	1 6 7 8	2 3 4 5

表1中，可得5组码图组分别为：A—[1 6 9 12 14 15]、B—[2 4 9 11 15 17]、C—[3 4 8 10 16 17]、D—[1 7 12 13 14 16]和E—[2 5 7 11 13 18]，且每个码图组含有6个互相正交的码图，编码时发送端可同时发送同一组中六个信号，接收端可分别解调各信道编码信息，从而实现多路并行传输。为准确解调出编码信息，采用TWACS时域数字差分技术实现编码信息解码。

请参阅图4，TWACS时域差分信号检测为：

在每个过零点区域内采集k个值，如第n个过零点，采集的k个值记为：Sn1，Sn2，...，Snk。令：

则当D＝0时，表示无信号；当D＝4a时，表示信息位1；当时D＝-4a，表示信息位0，a为调制信号强度；

TWACS信息“1”波形数据生成方法为：

生成TWACS信息“1”波形，常用的方法首先生成50Hz正弦波，再在其过零点处调制一方波，如可采用RC桥式振荡电路生成正弦波，采用555定时器产生方波，然后再采用求和电路实现信号叠加，或者采用DDS、MAX038等模拟信号发生器专用芯片实现。但实现方案复杂，不可按用户需求灵活调整，实现方式繁琐，电路复杂，且需专用信号发生器芯片。而本方案所提出的基于Matlab+FPGA方式实现TWACS信息“1”波形，操作简单、不需要再购买专用信号发生器芯片。其具体实现方法如下：

S1、在matlab软件中编写生成TWACS信息“1”波形程序；

生成TWACS信息“1”波形数据保存为mif文件格式

fid＝fopen('sin.mif','w+')；

fprintf(fid,'WIDTH＝10；\n')；

fprintf(fid,'DEPTH＝1024；\n')；

fprintf(fid,'ADDRESS_RADIX＝UNS；\n')；

fprintf(fid,'DATA_RADIX＝DEC；\n')；

fprintf(fid,'CONTENT BEGIN\n')；

for i＝1:N

fprintf(fid,'％d:％d；\n',i-1,fix_p_sin_data(i))；

end

fprintf(fid,'END；\n')；

fclose(fid)；

TWACS信息“0”波形数据、50Hz正弦波数据生成方法类似。Matlab仿真得到的50Hz正弦波、TWACS信息“1”与信息“0”波形如图4所示。从图5可以看出，TWACS编码信息“1”在过零点1、3、6、8被调制，信息“0”在过零点2、4、5、7被调制，对应信道编码码图中的第12信道，如实现多点同步控制，可参考表1信道编码码图不同信道对应的信息“1”与信息“0”生成不同信道的ROM数据即可。

S2、将Matlab仿真得到的50Hz工频信号、信息“1”与信息“0”波形数据分别转换为整型数，并保存相应的mif文件格式，然后利用Quartus Prime17.1进行ROM IP核配置，将＊.mif文件添加到ROM存储器中，并设置ROM IP核参数，即可在FPGA中得到与之相对应的50Hz工频信号及TWACS编码信息“1”、信息“0”波形。调用ROM IP核设置界面如图6所示。

采用查表法生成信号波形的方案中，通常用CPU采用C语言来生成相对应波形，增加了系统CPU负担，影响了系统性能，而本方案提出的采用查表法生成TWACS波形方法不使用CPU干涉，整个过程由FPGA的逻辑资源独立产生，释放了处理器，具有很大的优势。同时，传统的工频通信方式采用控制晶闸管导通、截止实现通信信号传输，TWACS波形幅度、相位均不易控制，使得工频电力通信解码环节极易造成无法正常解码情况，而本专利中采用不同波形地址发生器，通过定位波形不同起始点位置，实现对TWACS输出波形的相位进行调节控制，同时借助同步控制器，使输出的已编码工频信号与电网上的正弦波保持严格的同频、同相。

FIR数字滤波器生成方案：

利用Matlab滤波器设计与分析工具(Fdatool)生成FIR低通滤波器。FIR低通滤波器的设计指标如下：滤波器类型：FIR低通滤波器。采样频率：fs＝12800Hz。通带截止频率：fpass＝100Hz，阻带起始频率：fstop＝1000Hz。阻带衰减：Astop＝80dB。参数设置好后，将所设计低通滤波器系数导出至Matlab Workspace中，并将Filter Coefficients系数保存至*.txt文件中。而后使用Quartus Prime17.1进行IP核配置。找到FIR II配置选项，将Matlab导出的滤波系数直接导入进行参数配置，Quartus软件依据导入系数按照设定的系数位宽调整到合适的值，调用FIR IP核设置界面的示意图如图7和图8所示；

FIR滤波器采样频率生成方案：

FPGA输入频率为50MHz，为得到12800Hz采样频率fs，为此用50MHz分频方式实现，具体程序(程序组2)如下：

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：包括外部模拟前端电路模块（1a），所述外部模拟前端电路模块（1a）用于放大、发送工频信号编码IP核（2a）输出的TWACS信号，以用于采集外部正弦波信号，并将所述外部正弦波信号发送至工频信号解码IP核（3a），完成工频信号解码，用于过零辨别，同步控制输出的TWACS信号，使所述TWACS信号调制输出时与市电同频同相；

所述工频信号编码IP核（2a）和所述工频信号解码IP核（3a）为自定义TWACS IP核；

所述工频信号编码IP核（2a）包括第一工频通信编码控制器（201），所述第一工频通信编码控制器（201）将多点工频通信协议分别按特定TWACS 编码方式控制50Hz工频信号正弦波生成模块、TWACS信息“1”波形模块和TWACS信息“0”波形模块生成特定的TWACS编码波形；

所述50Hz工频信号正弦波生成模块由50Hz正弦波ROM地址发生器（202）和50Hz正弦波数据存储ROM（203）组成，所述50Hz工频信号正弦波生成模块采用查表法方式生成特定相位50Hz正弦波信号；

所述TWACS信息“1”波形模块由信息“1”ROM地址发生器（204）和信息“1”波形数据存储ROM（205）组成，所述TWACS信息“1”波形模块采用查表法方式生成特定相位TWACS信息“1”波形；

所述TWACS信息“0”波形模块由信息“0”ROM地址发生器（206）、信息“0”波形数据存储ROM（207）组成，所述TWACS信息“0”波形模块采用查表法方式生成特定相位TWACS信息“0”波形。

2.根据权利要求1所述的一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：所述工频信号编码IP核（2a）还包括同步控制器（208），所述同步控制器（208）用于确保输出的TWACS数字波形与市电波形同频同相；

在所述同步控制器（208）和所述第一工频通信编码控制器（201）的控制下，数字信号合成及DAC控制器模块（209）输出含有特定编码的TWACS数字波形。

3.根据权利要求1所述的一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：所述第一工频通信编码控制器（201）控制输出的多点工频通信协议由目标地址、源地址、特征、数据区、校验区五部分组成；

所述目标地址用于存储接收端的地址；

所述源地址用于存储发送端的地址；

所述特征存储数据区的类型；

所述数据区用于存储数据或者控制信息；

所述校验区用于存储数据区的校验码以进行差错控制；

为了区别工频通信网络中的不同节点，每个节点具有唯一的地址，根据地址标识即可实现特定节点间的数据传输。

4.根据权利要求2所述的一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：所述外部模拟前端电路模块（1a）将含特定编码的TWACS数字波形经DAC电路（101）转换后，通过第一增益控制电路（1021）、第一滤波电路（1031）、功率放大（104）、信号耦合电路（105）送至电网；

所述信号耦合电路（105）将待解码的电网工频信号分别通过过零比较电路（107）与所述同步控制器（208）通讯相连接；和经第二滤波电路（1032）、第二增益控制电路（1022）和ADC电路（106）转换为数字信号，送至所述工频信号解码IP核（3a）；

所述DAC电路（101）将含特定编码的TWACS数字波形转换成模拟信号；

所述第一增益控制电路（1021）和所述第二增益控制电路（1022）用于实现输出或输入信号的幅度控制；

第一滤波电路（1031）和所述第二滤波电路（1032）用于实现输出/输入信号的信号滤波；

所述信号耦合电路（105）与电网电力线进行电容或者转换器耦合连接，用于含特定编码的TWACS波形与电网波形叠加，实现信号调制和待解码的电网工频信号提取；

所述ADC电路（106）将待解码的电网工频信号转换为数字信号，送至所述工频信号解码IP核（3a）。

5.根据权利要求4所述的一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：所述工频信号解码IP核（3a）实现将经滤波、放大后的待解码电网工频信号在ADC控制器（301）将信号转换为数字信号，而后送至FIR滤波器（302）进行滤波处理，再送至第二工频通信信号解码控制器（303）进行解码；

所述ADC控制器（301）用于实现采集的外部信号模数转换；

所述FIR滤波器（302）用于采集的外部信号数字滤波；

所述第二工频通信信号解码控制器（303）用于工频信号解码，实现工频通信控制。

6.根据权利要求5所述的一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：还包括Nios II软核处理器（401）、Avalon总线，Avalon读写控制逻辑模块，所述Nios II软核处理器（401）通过所述Avalon总线控制所述自定义TWACS IP核；

此外，还包括通信相连的OLED控制器（402）和OLED显示屏（501），所述OLED控制器（402）用于实现外部所述OLED显示屏（501）的正常显示。

7.根据权利要求6所述的一种生成TWACS波形的装置，其特征在于：所述第一工频通信编码控制器（201）、所述50Hz工频信号正弦波生成模块、所述TWACS信息“1”波形模块、所述TWACS信息“0”波形模块、所述同步控制器（208）、所述数字信号合成及DAC控制器模块（209）、所述ADC电路（106）、所述FIR滤波器（302）、所述第二工频通信信号解码控制器（303）、所述Nios II软核处理器（401）、所述OLED控制器（402）通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。

8.一种生成TWACS波形的方法由如权利要求1-7中任一项所述的装置实现，其特征在于：

结合低压配电网智能开关工频通信控制实际，选用四个相邻波形表示一位编码信息，四个所述相邻波形共有八个过零点，通过在电压波形不同的所述过零点处调制信号表示不同的信息；

约定对八个所述过零点中四个进行调制，其中两个是正过零区，两个是负过零区，得三十六个码图和十八组码图。

9.根据权利要求8所述的一种生成TWACS波形的方法，其特征在于，TWACS时域差分信号检测为：

在每个过零点区域内采集k个值，如第n个过零点，采集的k个值记为：Sn1，Sn2，...，Snk；令：

；

则当D=0时，表示无信号；当D=4a时，表示信息位1；当时D=- 4a，表示信息位0，a为调制信号强度；

TWACS信息“1”波形数据生成方法为：

S1、在Matlab软件中编写生成TWACS信息“1”波形程序；

S2、将Matlab仿真得到的50Hz工频信号、信息“1”与信息“0”波形数据分别转换为整型数，并保存相应的mif文件格式，然后利用Quartus Prime17.1进行ROM IP核配置，将＊.mif文件添加到ROM存储器中，并设置ROM IP核参数，即可在FPGA中得到与之相对应的50Hz工频信号及TWACS编码信息“1”、信息“0”波形。