CN115118552A - 一种宽带载波通信网关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带载波通信网关装置，属于载波通信技术领域。本发明包括电源模块、宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口，其中，所述电源模块用于为所述宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口供电，所述通信处理器的一端与所述宽带载波通信模块相连，另一端与用于与终端设备通信的通信接口相连，所述通信处理器生成多个分别与通信接口相连的虚拟子接口，每个虚拟子接口设有与通信处理器相连的虚拟通道，不同的终端设备的通信数据能够分类并通过不同的虚拟通道与所述通信处理器交互。本发明的有益效果为：提高了宽带载波通信网关通信处理能力。
Description
技术领域
本发明涉及在载波通信技术领域，具体涉及一种宽带载波通信网关装置。
背景技术
随着国家提出的双碳战略目标，电力作为国家重要能源支柱，电网公司也在积极的推进构建新型电力系统实现双碳目标，目前电力配送系统、电网用电信息采集系统已经实现全面覆盖，随着新型电力系统的工作推进，电力配送系统、用电信息采集系统也在不断的进行技术升级，以实现分布式发电、储能、清洁能源、低压配电、终端用电等环节的管理优化。
在此背景下，电力配送系统和用电信息采集低压端集中器、能源控制器、融合终端等系统终端新技术标准。当前大规模应用的模块中，宽带载波模块与终端设备的通信都采用串口通信外加状态管脚的方式，存在通信速率慢且不同电电压模块的兼容问题，导致影响到宽带载波的实际数据传输时间和安装适配问题多，易造成设备损坏，维护量大。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种宽带载波通信网关装置。
本发明一种宽带载波通信网关装置,包括电源模块、宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口，其中，所述电源模块用于为所述宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口供电，所述通信处理器的一端与所述宽带载波通信模块相连，另一端与用于与终端设备通信的通信接口相连，所述通信处理器生成多个分别与通信接口相连的虚拟子接口，每个虚拟子接口设有与通信处理器相连的虚拟通道，不同的终端设备的通信数据能够分类并通过不同的虚拟通道与所述通信处理器交互。
本发明作进一步改进，所述通信处理器内置通信协议程序，所述内置通信协议程序在与终端设备连接时驱动运行，使得所述通信处理器与终端设备能够实时识别通信协议并相互通信。
本发明作进一步改进，所述终端设备与通信处理器采用USB信号通信，所述通信处理器为USB通信处理芯片，所述通信接口采用USB接口，所述通信处理器的内置通信协议程序能够灵活设置数据应用层处理协议，在USB通信异常时，自动重启恢复。
本发明作进一步改进，所述USB接口的通信引脚还设有防静电保护单元，所述通信接口还包括一个以上与通信处理器相连的扩展接口。
本发明作进一步改进，所述电源模块包括电源输入单元、升压单元、与升压单元输出端相连的稳压单元和备用供电电源，其中，
电源输入单元：与通信接口相连，用于通过通信接口接入电源；
升压单元和稳压单元：输入端分别接所述备用供电电源和电源输入单元的输出端，为所述宽带载波通信模块和通信处理器提供需要的电源电压；
备用供电电源：与电源输入单元相连，用于所述通信接口停止供电后，为所述宽带载波通信网关装置提供电源。
本发明作进一步改进，所述电源模块还包括与所述宽带载波通信模块输入端相连的电源检测单元，所述备用供电电源包括电源芯片U6、超级电容组和设置在所述超级电容组输出端的防倒灌单元，所述电源芯片U6输出一定电压给超级电容组充电储能，当通信接口停止供电时，所述超级电容组通过防倒灌单元为所述升压单元提供电源。
本发明作进一步改进，所述宽带载波通信模块包括宽带载波通信主控模块、宽带载波信号发送接收模块、信号切换耦合模块，其中，所述宽带载波通信主控模块的一端与通信处理器相连，另一端与所述宽带载波信号发送接收模块的一端相连，所述宽带载波信号发送接收模块的另一端与信号切换耦合电路相连。
本发明作进一步改进，所述宽带载波通信主控模块包括载波处理器芯片，分别与所述载波处理器芯片相连的电源去耦滤波单元、晶振、数据存储单元及调试接口单元。
本发明作进一步改进，所述宽带载波信号发送接收模块包括分别与所述载波处理器芯片相连的接收单元和发送单元，所述发送单元采用信号放大器电路，将宽带载波信号的功率放大后发送出去；所述接收单元设有滤波电路，用于将接收到的信号去除干扰后发送给所述载波处理器芯片。
本发明作进一步改进，所述信号切换耦合模块包括电力线接口P3、分别与所述电力线接口P3相连的信号耦合单元及与所述信号耦合单元另一端相连的信号切换单元，所述信号切换单元用于一路载波信号到电力线三相的三路信号之间的相互切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于外接的终端设备种类繁多，需要的串口及状态管脚众多，对载波通信处理器的可靠性带来很大挑战，本发明通过设置专门的通信处理器，将其设置多个虚拟通道，能够有效的对终端设备的通信数据进行分类，并通过不同的虚拟通道交互，在给专门的通信处理器处理，大大提高了宽带载波通信网关通信处理能力，有效降低了对载波通信处理器性能等方面的要求，降低了装置成本；
(2)采用规范化的标准化高速通信接口，相对现有技术的额串口通信，通信速率由原来的1200bps提升至最高5Gbps，通信速率提升千倍，能够对接更多的设备终端；实现设备间电气接口兼容，可适配不同设备；并且不存在不同电压模块的兼容问题，避免了因电压模块不兼容引起的适配问题及设备损坏问题，本发明设备可靠性大大提高；
(3)采用带USB通信接口的微处理器编写USB通信协议程序，采用即插即用的驱动方式，减少了安装使用时的难度，降低维护成本，避免了目前市面上的USB通信协议转换芯片需要安装专有的芯片驱动的技术问题，使本发明网关装置设置USB通信处理器及相应的通信接口克服了技术难题；
(4)采用带USB通信接口的微处理器可灵活设置数据应用层处理协议，在USB通信异常时可自动重启恢复，提高USB传输数据的速率及可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构框图；
图2为本发明通信处理器及通信接口电路原理图；
图3为本发明电源模块电路原理图；
图4为本发明宽带载波通信主控模块电路原理图；
图5为本发明载波信号发送单元电路原理图；
图6为载波信号接收单元电路原理图；
图7为本发明信号切换单元电路原理图；
图8为信号耦合单元电路原理图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-图8所示，本发明包括电源模块、宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口，其中，所述电源模块用于为所述宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口供电，所述通信处理器的一端与所述宽带载波通信模块相连，另一端与用于与终端设备通信的通信接口相连，所述通信处理器生成多个分别与通信接口相连的虚拟子接口，每个虚拟子接口设有与通信处理器相连的虚拟通道，不同的终端设备的通信数据能够分类并通过不同的虚拟通道与所述通信处理器交互。
由于外接的低压端集中器、能源控制器、融合终端等电力方面的终端设备种类繁多，需要的串口及状态管脚众多，对载波通信处理器的可靠性带来很大挑战，本发明通过设置专门的通信处理器，将其设置多个虚拟通道，能够有效的对终端设备的通信数据进行分类，并通过不同的虚拟通道交互，在给专门的通信处理器处理，大大提高了宽带载波通信网关通信处理能力，有效降低了对载波通信处理器性能等方面的要求，降低了装置成本。
优选地，所述终端设备与通信处理器采用国际标准的USB规范通信，所述通信处理器为USB通信处理芯片，所述通信接口采用USB接口，采用规范化的标准化高速通信接口，相对现有技术的额串口通信，通信速率由原来的1200bps提升至最高5Gbps，通信速率提升千倍，能够对接更多的设备终端；实现设备间电气接口兼容，可适配不同设备；并且不存在不同电压模块的兼容问题，避免了因电压模块不兼容引起的适配问题及设备损坏问题，本发明设备可靠性大大提高。
此外，通过设置专门的USB通信处理器，并将所述USB通信处理器内置通信协议程序，当所述内置通信协议程序在与终端设备连接时驱动运行，使得所述通信处理器与终端设备能够实时识别通信协议并相互通信。采用即插即用的驱动方式，减少了安装使用时的难度，降低维护成本，避免了目前市面上的USB通信协议转换芯片需要安装专有的芯片驱动的技术问题，使本发明网关装置设置USB通信处理器及相应的通信接口克服了技术难题。
此外，本例的USB通信处理器通过内置通信协议程序能够灵活设置数据应用层处理协议，在USB通信异常时，可自动重启恢复，提高USB传输数据的速率及可靠性。
具体地，本例的电源模块，包含输入外接点法院的电源输入单元、分别与电源输入单元输出端相连的供给载波信号发送电路升压电源，以及供给处理器芯片工作的3.3V和1.2V稳压电源，以及供给电路停电后数据保存和通信处理的备用供电电源，所述备用电源的输入端与电源输入单元相连，输出端与升压单元的输入端相连。
本例的宽带载波通信主控模块和宽带载波信号发送接收模块及信号切换耦合模块组成宽带载波通信模块。电源模块给设备装置上的各部分器件供电，USB通信线路负责通过USB接口将宽带载波通信的数据上传给终端处理设备和采集信令下发给宽带载波通信模块。USB接口是国际标准，试用性广，目前的所有操作系统都支持，且通信速率快，USB2.0理论最高速度为480mbps，USB3.0理论最高速度为5Gbps。本发明采用USB2.0即可满足通信需求。
如图2所示，做为本发明的一个实施例，本例的通信接口采用组合式接口设计，由通信接口P1集成USB通信线，由于电力采集终端设备的高可靠性要求和其他功能模块的接口信号兼容我们采用了组合式的通信接口，还包括扩展接口J1和J2，可与电力采集终端其他模块接口兼容互换，电气特性遵循USB接口标准，以满足设备的通用适配性。此外，本例的所述USB接口的通信引脚还设有防静电保护单元，本例防静电保护单元采用瞬态抑制二极管U1，作为USB接口ESD保护芯片，为接口拔插提供防护。
本例的通信处理器包括USB通信处理芯片U2，其采用HC32F460单片机，HC32F460单片机带有USB硬件设备，通过通信协议程序设置为从设备，实现为USB Composite Device(复合设备)，可虚拟出多个子设备接口，每一个子设备接口对应一个虚拟通道，设备即插即用额外安装驱动，多个设备通道可将通信数据分类从不同通道交互提供宽带载波通信网关通信处理能力。
如图3所示，本例的电源部分包括USB 5V电源输入，由于USB电源是5V，载波信号发送单元需要12V电源工作，因此本发明由电源芯片U7和外围元器件组成升压单元将电压升至12V后供电路使用，其中，电源芯片U7的电源输出端还接若干个接地电容，对输出的12V电源滤波处理，所述电源芯片U7的反馈引脚3接在两个检测电阻之间，用于检测输出电源。
本例由电源芯片U8和外围其他元器件组成的降压电路输出3.3V的稳定电压供USB通信电路和载波通信电路工作，由电源芯片U9和其外围元器件组成的降压电路输出1.2V的稳定电压供载波处理器芯片U3的内部CPU工作。
本例电源模块还包括与所述宽带载波通信模块输入端相连的电源检测单元，所述备用供电电源包括电源芯片U6、超级电容组和设置在所述超级电容组输出端的防倒灌单元，本例由电源芯片U6和其外围元器件组成降压电路输出2.5V给超级电容组充电储能，当通信接口停止供电时，所述超级电容组通过防倒灌单元为所述升压单元提供电源。本例的防倒灌单元采用二极管D5的单向导通性能实现。当停电时，超级电容的电能通过二极管D5供给U7电源芯片电路将电压升至12V后供电路使用，以实现停电后数据保存和通信处理。
本例的电源检测单元包括三极管Q8、电阻R49、电阻R51，其中，所述三极管Q8的基极与电源输入单元的输出端相连，所述三极管Q8的发射极接地，集电极分别与电阻R49、电阻R51的一端相连，所述电阻R49的另一端接3.3V电源，所述电阻R51的另一端接宽带载波通信主控模块的检测口。所述电源检测单元检测USB电源(USB5V)的停上电状态，由载波处理器芯片U3识别状态并作出相应的处理。
如图4所示，本例的宽带载波通信主控模块包括载波处理器芯片U3，分别与所述载波处理器芯片U3相连的电源去耦滤波单元、晶振、数据存储单元U5及调试接口单元。USB通信处理芯片U2通过10、12脚和11、13脚的两对通用异步收发器与载波处理器芯片U3连接交互通信数据，载波处理器芯片U3采用自研的SPE7103宽带载波通信SOC芯片。
所述电源去耦滤波单元包括设置在载波处理器芯片U3电源输入脚的多个电阻和/或电容器件，本例的晶振采用有源晶振G1，所述调试接口单元包括调试接口UART1。
如图5-8所示，本例宽带载波信号发送接收模块包括分别与所述载波处理器芯片相连的接收单元和发送单元，所述发送单元采用信号放大器电路，将宽带载波信号的功率放大后发送出去；所述接收单元设有滤波电路，用于将接收到的信号去除干扰后发送给所述载波处理器芯片。
所述载波处理器芯片U3通过67、68管脚发出调制了通信数据的宽带载波信号(ANA_TXOP、ANA_TXON)传输给主要由放大器U4组成的信号放大器电路，提高宽带载波信号的功率，以满足远距离传输的要求。
参照图7和图8，放大功率后的宽带载波信号(LOUT_TXOP、LOUT_TXON)传输到由Q1、Q3、Q5、Q9、Q11、Q13、Q15、Q17、Q19三极管组成的开关切换电路，将信号分时切换分为三路发送，隔离耦合变压器T1、T2、T3和高压耦合电容C70、C84、C89组成三路信号耦合电路分别将三路宽带载波信号隔离发送到电力线的A、B、C三相线路上传输至用电端。
由三路信号耦合电路将电力线上传输过来的载波通信信号经过由Q2、Q4、Q6、Q10、Q12、Q14、Q16、Q18、Q20三极管组成的三路开关切换电路将三路信号合并为一路(LIN_RXIP、LIN_RXIN)后传输给载波信号接收处理电路。如图6所示，载波信号接收处理电路将载波信号去除干扰后提取有效信号(ANA_RXIP、ANA_RXIN)传输到载波处理器芯片U3的63、64脚后解析出通信数据。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种宽带载波通信网关装置，其特征在于：包括电源模块、宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口，其中，所述电源模块用于为所述宽带载波通信模块和通信处理器及通信接口供电，所述通信处理器的一端与所述宽带载波通信模块相连，另一端与用于与终端设备通信的通信接口相连，所述通信处理器生成多个分别与通信接口相连的虚拟子接口，每个虚拟子接口设有与通信处理器相连的虚拟通道，不同的终端设备的通信数据能够分类并通过不同的虚拟通道与所述通信处理器交互。
2.根据权利要求1所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述通信处理器内置通信协议程序，所述内置通信协议程序在与终端设备连接时驱动运行，使得所述通信处理器与终端设备能够实时识别通信协议并相互通信。
3.根据权利要求2所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述终端设备与通信处理器采用USB信号通信，所述通信处理器为USB通信处理芯片，所述通信接口采用USB接口，所述通信处理器的内置通信协议程序能够灵活设置数据应用层处理协议，在USB通信异常时，自动重启恢复。
4.根据权利要求3所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述USB接口的通信引脚还设有防静电保护单元，所述通信接口还包括一个以上与通信处理器相连的扩展接口。
5.根据权利要求1-4任一项所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述电源模块包括电源输入单元、升压单元、与升压单元输出端相连的稳压单元和备用供电电源，其中，
电源输入单元：与通信接口相连，用于通过通信接口接入电源；
升压单元和稳压单元：输入端分别接所述备用供电电源和电源输入单元的输出端，为所述宽带载波通信模块和通信处理器提供需要的电源电压；
备用供电电源：与电源输入单元相连，用于所述通信接口停止供电后，为所述宽带载波通信网关装置提供电源。
6.根据权利要求5所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述电源模块还包括与所述宽带载波通信模块输入端相连的电源检测单元，所述备用供电电源包括电源芯片U6、超级电容组和设置在所述超级电容组输出端的防倒灌单元，所述电源芯片U6输出一定电压给超级电容组充电储能，当通信接口停止供电时，所述超级电容组通过防倒灌单元为所述升压单元提供电源。
7.根据权利要求1-4任一项所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述宽带载波通信模块包括宽带载波通信主控模块、宽带载波信号发送接收模块、信号切换耦合模块，其中，所述宽带载波通信主控模块的一端与通信处理器相连，另一端与所述宽带载波信号发送接收模块的一端相连，所述宽带载波信号发送接收模块的另一端与信号切换耦合电路相连。
8.根据权利要求7所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述宽带载波通信主控模块包括载波处理器芯片，分别与所述载波处理器芯片相连的电源去耦滤波单元、晶振、数据存储单元及调试接口单元。
9.根据权利要求8所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述宽带载波信号发送接收模块包括分别与所述载波处理器芯片相连的接收单元和发送单元，所述发送单元采用信号放大器电路，将宽带载波信号的功率放大后发送出去；所述接收单元设有滤波电路，用于将接收到的信号去除干扰后发送给所述载波处理器芯片。
10.根据权利要求8所述的宽带载波通信网关装置，其特征在于：所述信号切换耦合模块包括电力线接口P3、分别与所述电力线接口P3相连的信号耦合单元及与所述信号耦合单元另一端相连的信号切换单元，所述信号切换单元用于一路载波信号到电力线三相的三路信号之间的相互切换。
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