CN202103672U

CN202103672U - 一种用于智能电网的超小型可编程光通信模块

Info

Publication number: CN202103672U
Application number: CN2011201941413U
Authority: CN
Inventors: 胡保民; 郑直; 叶勇刚; 任波
Original assignee: WUHAN YANGTZE OPTICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN YANGTZE OPTICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-06-10

Abstract

本实用新型提供一种超小型可编程光通信模块(300)。所述光通信模块(300)包括依次相连的光收发模块接口组件(301)、激光器驱动器/限幅放大器(302)和PONMAC芯片(303)，PON MAC芯片(303)还接有连接器(306)。该模块体积小、低功耗，还可以编程，使用该模块并结合光纤复合低压电缆技术可彻底地解决智能电网终端用户接入和未来大量用电信息交互的问题。

Description

一种用于智能电网的超小型可编程光通信模块

技术领域

本实用新型涉及智能电网用电信息采集领域，具体涉及一种超小型可编程光通信模块。

背景技术

智能电网计划(Smart power grid plan)是中国国家电网公司2009年5月21日首次公布的，其内容有：坚强智能电网以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

传统的通信方式，按信道介质分，常见的通讯有电力线载波通讯、电话线通讯和无线通讯等方式，具体特性如下。

a)电力线实施载波通讯，不需要再投资铺设通讯线路，不仅可大大节约资金投入，且还具有维护量小的特点，但传输距离有限，且容易受干扰。

b)由于电话在城镇的迅速普及，利用现有电话网进行数据通讯是一个经济有效的方案。利用电话网通讯，只需在数据集中器和工作主站处加装调制解调器即可，其传输速率可达56Kbps。但电话线通讯的线路接通时间较长，一般要几秒到十几秒，另外速率过低，不能开展其他高速率的增值应用。还有，我国的广大乡村、小城镇还没普及电话。

c)对于分布分散的集中器，利用无线方式进行数据通讯是一种较好的选择如230M小无线技术，但无线通讯方式需要慎重选择频点，并需申请频点使用权。如果使用GPRS/WCDMA(通用分组无线服务/宽带码分多址)或者CDMA 1X/EVDO(码分多址1X/Evolution Data Only)等移动公网，又存在室内覆盖死角以及需要支付昂贵的使用费。

综上，传统的通信方式由于信道介质为共享资源，容易受干扰，很难达到用电信息采集系统传输数据准确性、可靠性和实时性的要求。

传统的智能电网用电信息采集系统使用的通信单元大多为载波通信模块、GPRS/CDMA通信模块、网络通信模块(快速以太网)、230M电台通信模块、PSTN(公共交换电话网络)通信模块。这些通信单元都存在上述的缺点。在这种情况下，采用光纤通信具有突出的优势，然而一般的光通信模块具有体积较大、功耗较大、升级不便的问题。PON(无源光网络)技术已经在运营商市场和广电市场得到了广泛的应用，将其引进到电力市场将能克服以上的困难，彻底解决用电信息采集的可靠性和实时性，并能提供较宽的带宽以提供其他增值应用如IP视频监控等。传统的PON光模块仅能提供光电转换功能，无法提供可供客户直接使用的网络接口。国家电网公司企业标准定义的PON通信模块则存在实现困难，对尺寸和功耗约束较高的问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种用于智能电网的超小型可编程光通信模块，该模块体积小、低功耗，还可以编程，使用该模块并结合光纤复合低压电缆技术可彻底地解决智能电网终端用户接入和未来大量用电信息交互的问题。

本实用新型所要解决的技术问题是：一种用于智能电网的超小型可编程光通信模块，所述光通信模块包括依次相连的光收发模块接口组件、激光器驱动器/限幅放大器和PON MAC芯片，PON MAC芯片还接有连接器。

所述的模块，激光器驱动器/限幅放大器还接有I2C电可擦除存储器，PON MAC芯片接有串行闪存。

所述的模块，连接器和整个光通信模块的封装采用SFF、SFP、SFP+、CSFF、CSFP、XFP、XENPACK、1×9或GBIC。

所述的模块，激光器驱动器/限幅放大器内还设有模数转换器和微控制器。

所述的模块，所述光通信模块上行接有光线路终端，下行接有集中器、采集器、专变采集终端、单相智能电表或三相智能电表。

所述的模块，PON MAC芯片提供LED信号、GPI0、UART串口、复位信号或网络信号。

所述的模块，所述通信模块外接有DC-DC电源，DC-DC电源上还接有MOS开关管。

所述的模块，网络信号采用10/100BASE-TX，10/100/1000BASE-T，10/100/1000/10GBASE-T或SGMII。

本实用新型的优点：该模块体积小、功耗低，可编程，使用该模块并结合光纤复合低压电缆技术可彻底地解决智能电网终端用户接入和未来大量用电信息交互的问题。传统的用电信息采集表计厂家使用本专利可以很方便的实现各种用电信息采集终端的光纤通信单元。

附图说明

图1是本实用新型的使用场景，主要用于用电信息采集。

图2是本实用新型模块所在位置示意图，其中超小型可编程光通信模块位于各种电能信息采集终端的内置光通信单元中。

图3是本实用新型模块构成原理示意图。

图4是本实用新型一个实现示例的模块管脚分配图。

图5是本实用新型另一个实现示例的模块管脚分配图。

图6是采集器通信单元采用本实用新型实现示意图。

图7是集中器通信单元采用本实用新型实现示意图。

图8是专变采集终端通信单元采用本实用新型实现示意图。

图9是单相智能电表通信单元采用本实用新型实现示意图。

图10是三相智能电表通信单元采用本实用新型实现示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种超小型可编程光通信模块(如做成SFF(小封装)2×10封装或SFP(可热插拔小封装)封装)，在此基础上可以很简单实现各种用电信息采集终端(含集中器、采集器、专变采集终端、三相智能电表、单相智能电表)的通信单元，在较小的尺寸实现完整ONU(光网络单元)的功能并提供网络接口、调试(编程)串口、通信串口以及其他接口，且尺寸小，功耗低。该超小型的模块可以通过PON口远程可编程(如升级、配置)，也可以通过网络接口或者串口进行本地编程。这对于用电信息采集设备制造商是非常有利的，他们可以在没有PON网络专业知识的情况下基于此模块快速的开发出取代传统通信单元的光纤通信单元。本实用新型的光通信模块体积小、低功耗，还可以编程，使用该模块并结合光纤复合低压电缆技术可彻底地解决智能电网终端用户接入和未来大量用电信息交互的问题。

以下说明可以使本领域的技术人员能够使用和制造本实用新型，并且以下的说明是在特定的应用及其所需环境中的。对本领域的技术人员来说，对本实用新型所公开的设计的各种修改是显而易见的，并且可以基于本实用新型公开的原理用于其它的应用或者环境/场景中(如煤矿、铁路等应用，又如EPON(以太网无源光网络)、10GEPON(10G比特以太网无源光网络)、GPON(吉比特无源光网络)、XGPON(10G比特以上的PON)以及WDMPON(波分复用型无源光网络)等)。因此本实用新型不局限于下文所述的具体实施场景和实施方式，而是旨在涵盖本实用新型所公开原理和特征的最宽泛的范围。

本实用新型的一个实施方式提供了一种用于智能电网的超小型可编程光通信模块。该模块包括：光收发模块接口组件(BOSA)、激光器驱动器/限幅放大器(LDD/LIA)、I2C电可擦除存储器(I2C EEPROM)、PON MAC(媒体存储访问)芯片、串行闪存(SPI Flash)、SFF 2×10类似接口或SFP类似接口，可以内置于类似SFF 2×10或者SFP小型封装中。该模块可完成PON光信号到网络接口信号和串口的变换处理以及输出/输入其他状态/控制或指示信号，并完成和远端上联的OLT的点对多点的通信协议处理。该模块具有体积小、功耗小、可在线编程等特点，可广泛应用于智能电网用电信息采集终端的通信单元。

其中光收发模块组件用于接收和发送来自/发往OLT(光线路终端)的光信号。激光器驱动器/限幅放大用于驱动发光二极管和对接收二极管经前置放大的信号进行限幅放大。激光驱动器/限幅放大器芯片还集成了模数转换器和微控制器，以提供温度负反馈和其他监控电路。I2C电可擦除存储器用于存放光收发模块的控制和状态以及告警信息。PON MAC芯片用于完成光收发模块(包含光收发模块接口组件、激光器驱动器/限幅放大器、I2C电可擦除存储器)输出的PECL/CML(Positive Emitter-Coupled Logic/Current Mode Logic)信号到网络信号(10/100BASE-TX)和串口的变换处理以及输出其他状态或指示信号，并完成和远端上联的OLT的点对多点的通信协议处理。串行闪存用来存储PON MAC芯片的启动配置参数和程序文件。此外超小型可编程光通信模块还包含一个SFF 2×10类似连接器/SFP类似连接器。通过SFF 2×10类似连接器/SFP类似连接器，超小型可编程光通信模块可以提供LED(发光二极管)信号、GPIO(通用输入输出)、调试和通信UART(通用异步接收/发送装置)串口、复位信号、网络信号。其中：调试UART串口或者网络接口可以实现可编程；通信串口和网络接口可以提供给用户通信使用；复位信号(RST)可以发送复位信号给外界使用或者接收外界的复位信号复位本模块；通用输入输出(GPIO)信号可以用于控制或者输出状态或者接收控制；LED指示信号可用于外接LED提供例如PON、LOS、ACT、LINK等指示信息。上述提到的光收发模块接口组件、激光器驱动器/限幅放大器、I2C电可擦除存储器、PON MAC芯片、串行闪存都包含在一个类似于SFF 2×10或者SFP的超小型封装中，从而可以用于各种用电信息采集终端的光通信单元中或其他场合。

本实用新型实施方式的变型中，还可以采用类似SFF 2×5的封装，这样可以提供信号数量变少相应的功能也会减少。除SFF以及SFP封装外，本实施方式的变形还可以采用类似于SFP+、CSFF(Compact SFF)、CSFP(Compact SFP)、XFP(10 Gigabit Small Form FactorPluggable)、XENPACK、1×9、GBIC(热插拔千兆接口)等封装。

本实用新型实施方式的变型中，网络信号还可以以10/100/1000BASE-T的形式或10/100/1000/10GBASE-T或SGMII(Serial Gigabit Media Independent Interface)的形式提供。当采用10/100/1000BASE-T或10/100/1000/10GBASE-T形式的网络接口后需要占用8根信号线，而10/100BASE-TX或者SGMII信号仅需4根信号线。这样会占用其他信号线减少相关功能。

本实用新型实施方式的变型中，光收发模块组件(BOSA)也可以以分离的TOSA(光发送模块组件)+ROSA(光接收模块组件)的组合形式或者LD(激光二极管)+PD(光电二极管)+TIA(跨阻放大器)的组合形式来实现。

本实用新型实施方式的变形中，激光器驱动器(LDD)/限幅放大器(LIA)(内置模数转换器(ADC)与微控制器(μC))也可以以分离的LDD+LIA+ADC+μC的四组件或者三组件或者两组件的多种组合形式来实现。

本实用新型实施方式的变形中，PON MAC芯片可以是集成物理芯片(PHY)或SERDES(串行-并行转换)的芯片，也可是外置PHY或SERDES的芯片。

本实用新型实施方式的变型中，连接到连接器的信号(网络信号、串口信号、GPIO、LED指示信号)可以任意组合或剪裁。

典型的，超小型可编程光通信模块300可以由如下型号的芯片实现：BOSA 301可采用PLDM585-169L或PLDM585-269或DBD-F3T243XX-X，LDD/LIA 302可采用PHY1078或PHY2078，PON MAC芯片303可采用AR8829，I2C EEPROM 304可以采用AT24C02，串行闪存305可以采用MX25L1605D。其中：BOSA 301和LDD/LIA 302之间互联，LDD/LIA 302和I2C EEPROM 304采用I2C接口互联，LDD/LIA 302和PON MAC芯片303间使用PECL/CML数据信号以及控制信号(TX_DIS)、状态信号(SD/LOS)和I2C接口进行互联。PON MAC芯片和串行闪存之间采用SPI接口进行互联。

本实用新型的使用场景：

图1示意了基于无源光网络PON技术的用电信息采集网络，包括远端的采集系统主站、中间的无源光网络以及用电信息采集终端(含集中器、采集器、专变采集终端、三相智能电表、单相智能电表等)。

图2示意了本实用新型所处网络中的位置，一般的集中器203、采集器204、专变采集终端205、单相智能电表206、三相智能电表207内置了可插拔的通信单元，本实用新型的超小型可编程光通信模块可以内置或者插拔在通信单元上。这些用电信息采集终端也可以直接采用超小型可编程光通信模块而不用通信单元过渡。这些用电信息采集终端通过超小型可编程光通信模块与光线路终端(OLT)201进行通信，进而与更上一级采集系统主站进行交互。

图1和图2仅示意了本实用新型用于智能电网用电信息采集，该实用新型还可以用于配网通信终端，可以提供网络接口和/或串口(外接收发器可以实现RS232或者RS485接口)。除智能电网领域外还可以用于需要网络接口和/或串口的领域(如煤炭、铁路)。

本实用新型的超小型可编程光通信模块：

图3给出了一种超小型可编程光通信模块300的结构组成，该模块采用类似SFF 2×10或SFP的封装。具有尺寸小、功耗小、接口丰富等特点。该模块包括：光收发模块接口组件(BOSA)301、激光器驱动器/限幅放大器(LDD/LIA)302、I2C电可擦除存储器(I2C EEPROM)304、PON MAC芯片303、串行闪存(SPI Flash)305、SFF 2×10类似接口或SFP类似接口306。其中光收发模块组件301用于接收和发送来自/发往OLT 201的光信号。激光器驱动器/限幅放大器302用于驱动发光二极管和对接收二极管经前置放大的信号进行限幅放大。激光驱动器/限幅放大器芯片302还集成了模数转换器ADC以及微控制器μC，ADC和μC用于和BOSA以及LDD和LIA相连，以提供光模块工作参数的温度负反馈和其他监控功能。I2C电可擦除存储器304用于存放光收发模块的控制和状态以及告警信息。PON MAC芯片303用于完成光收发模块(包含光收发模块接口组件301、激光器驱动器/限幅放大器302、I2C电可擦除存储器304)输出的PECL/CML信号到网络信号(10/100BASE-TX)和串口的变换处理以及输出其他状态或指示信号，并完成和远端上联的OLT 201的点对多点的通信协议处理。串行闪存305用来存储PON MAC芯片303的启动配置参数和程序文件。此外超小型可编程光通信模块还包含一个SFF 2×10类似连接器/SFP类似连接器306。通过SFF 2×10类似连接器/SFP类似连接器306，超小型可编程光通信模块300可以提供LED信号(LEDs)、GPIO(GPIOs)、调试和通信UART串口(图3中包括UART0～2)、复位信号RST、网络信号(RX、TX等)。其中：BOSA 301提供的光纤接口可以实现本模块从OLT 201侧的远程可编程；调试UART串口或者网络接口可以实现本地可编程；通信串口和网络接口可以提供给用户/用电信息采集终端通信使用；复位信号(RST)可以发送复位信号给外界使用或者接收外界的复位信号复位本模块；通用输入输出(GPIO)信号可以用于控制或者输出状态或者接收控制；LED指示信号可用于外接LED提供例如PON、LOS、ACT、LINK(这些都是PON终端的通用指示灯)等指示信息。上述提到的光收发模块接口组件、激光器驱动器/限幅放大器、I2C电可擦除存储器、PONMAC芯片、串行闪存都包含在一个类似于SFF 2×10或者SFP的超小型封装中，从而可以用于各种用电信息采集终端的光通信单元中或其他场合。

光收发模块接口组件301、激光器驱动器/限幅放大器302之间传送有TX、RX信号，激光器驱动器/限幅放大器302、PON MAC芯片303之间传送有TX、RX、TX DIS(TX的突发控制信号)、SD(Signal Detect)、I2C信号等。I2C信号还可与I2C电可擦除存储器304之间相交互。图3中，光通信模块300外接的电源信号为PWR。

图4和表1给出一种类似SFF 2×10封装的超小型可编程光痛快的管脚分布示意图。图4为俯视图(Top View)。和SFF标准管脚分配不同，为了引出较丰富的接口，对原始的SFF 2×10管脚分配进行了改动，引入了串口(pin1-4以及pin19-20)以及LED指示信号(pin8/16/17/18)、GPIO(pin17)、RST复位信号(pin5)，Tx_DATA+/-和RX_DATA+/-也变成了网络数据信号(10/100BASE-TX)，电源信号则保持不变。

表1

PIN	功能	PIN	功能
				1	UART0_TX	11	VCC
2	UART0_RX	12	VEE
				3	UART1_TX	13	GPIO
4	UART1_RX	14	TX_DATA+
				5	RST	15	TX_DATA-
6	VEE	16	PON_LED
				7	VCC	17	ETH_ACT_LED
8	SD/LOS_LED	18	ETH_LINK_LED
				9	RX_DATA-	19	UART2_TX
10	RX_DATA+	20	UART2_RX

其中，UART0_TX、UART1_TX、UART2_TX分别为UART0、UART1、UART3的发送信号，UART0_RX、UART1_RX、UART3_RX分别为UART0、UART1、UART3的接收信号，VEE、VCC分别为电源的地(GND)和正极(如3.3V)，SD/LOS_LED表示LED灯中的信号探测/信号丢失提示用于指示PON口的SD/LOS，RX_DATA+/-分别表示网络接收信号的正负端，Tx_DATA+/-分别表示网络发送信号的正负端，PON_LED表示LED灯中的PON口注册提示用于指示PON口是否完成注册、ETH_ACT_LED、ETH_LINK_LED分别表示LED灯中的ACT、LINK信号用于指示网络数据接口的活跃和连接状态。

图5和表2给出了一种类似于SFP封装的超小型可编程光痛快的管脚分布示意图。图5从上到下依次为俯视图(Top View of Board)、主视图、仰视图(Bottom View of Board)。和SFP标准管脚分配不同，为了引出较丰富的接口，对原始的SFP管脚分配进行了改动，引入了串口(pin1-6)以及LED指示信号(pin8/14/15/16)、GPIO(pin17)、RST复位信号(pin9)，Tx_DATA+/-和RX_DATA+/-也变成了网络数据信号(10/100BASE-TX)，电源信号也进行了裁剪仅保留pin1/10/11/20。该模块仍然支持热插拔。

表2

PIN	功能	PIN	功能
				1	VCC	11	VEE
2	UART0_TX	12	RX_DATA-
				3	UART0_RX	13	RX_DATA+
4	UART1_TX	14	PON_LED
				5	UART1_RX	15	ETH_ACT_LED
6	UART2_TX	16	ETH_LINK_LED
				7	UART2_RX	17	GPIO
8	SD/LOS_LED	18	TX_DATA+
				9	RST	19	TX_DATA-
10	VCC	20	VEE

需要注意，图4和图5示例了对SFF和SFP原有标准最少改动的管脚分配，但是显而易见的是本实用新型的其他实施方式可以简单的对管脚分配进行顺序或者数量的调整。

需要注意，尽管本实用新型仅示例了类似SFF 2×10和SFP封装，但还可以采用类似SFF2×5的封装，这样可以提供信号数量变少相应的功能也会减少。除SFF以及SFP封装外，本实施方式的变形还可以采用类似于SFP+、CSFF、CSFP、XFP、XENPACK、1×9、GBIC等封装。

需要注意，网络数据信号还可以以10/100/1000BASE-T的形式或10/100/1000/10GBASE-T或SGMII的形式提供。当采用10/100/1000BASE-T或10/100/1000/10GBASE-T形式的网络接口后需要占用8根信号线，而10/100BASE-TX或者SGMII信号仅需4根信号线。这样会占用其他信号线减少相关功能。

需要注意，光收发模块组件(BOSA)也可以以分离的TOSA+ROSA的组合形式或者LD+PD+TIA的组合形式来实现。

需要注意，激光器驱动器(LDD)/限幅放大器(LIA)(内置模数转换器(ADC)与微控制器(μC))也可以以分离的LDD+LIA+ADC+μC的四组件或者三组件或者两组件的多种组合形式来实现。

需要注意，PON MAC芯片可以是集成物理芯片(PHY)或SERDES的芯片，也可是外置PHY或SERDES的芯片。

需要注意，连接到连接器的信号(网络信号、串口信号、GPIO、LED指示信号)可以任意组合或剪裁。

超小型可编程光通信模块在用电信息采集终端通信单元中的应用：

图6对采集器通信单元使用本实用新型的超小型可编程光通信模块进行实现的示意图，按照电力行业标准/国家电网企业标准，采集器通信单元模块与基板的通信接口有12V电源，复位信号，串口通信信号，通信单元自身需要有指示LED，可以出快速以太网接口以支持IP视频监控等应用。可以在超小型可编程光通信模块的基础上增加DC-DC芯片，隔离缓冲器，百兆变压器及RJ45连接器，面板LED以及适当的机构件即可简单的实现该通信单元。

需要说明，图6中快速以太网口(TX、RX信号)也可以省去。

图6中，TX、RX信号依次传送至百兆变压器和RJ45端口。UART0、UART1、RST信号分别通过隔离缓冲器接至采集器通信单元的板内调试串口、通信串口和基板RST，LED信号PON、SD、ACT、LINK信号接至面板LED。DC-DC电源(12V转3.3V)接收采集器通信单元基板12V的电源输入，然后将电源PWR提供给光通信模块300。

图7是集中器通信单元使用本实用新型的实现示意图。和上述类似，但增加了GPIO作为输入以引入IGT(隔离栅晶体管)控制单板是否处于工作模式，另外增加了PCTRL(电源控制)信号以控制该通信单元的供电，PCTRL通过MOS开关管接至DC-DC电源(5V转3.3V，接收基板5V的电源输入转换成3.3V)，增加了STATE[0-4]5位ID编码(和超小型可编程光通信模块之间无连接)，电源由12V变成了5V。

需要说明，图7中快速以太网口也可以省去。

图8是专变采集终端通信单元使用本实用新型的实现示意图。其实现和图7的类似。

需要说明，图8中快速以太网口也可以省去。

图9是单相智能电表通信单元使用本实用新型的实现示意图。其实现和图6的类似，但不需要快速以太网接口，增加了EVENOUT(事件输出，对于通信单元为输入)的GPIO输入。面板LED中也只有PON、SD信号。

图10是三相智能电表通信单元使用本实用新型的实现示意图。其实现和图9的类似，但增加了一路通信串口UART2，通过隔离缓冲器接至基板通信串口2。

Claims

1.一种用于智能电网的超小型可编程光通信模块，其特征在于：所述光通信模块(300)包括依次相连的光收发模块接口组件(301)、激光器驱动器/限幅放大器(302)和PON MAC芯片(303)，PON MAC芯片(303)还接有连接器(306)。

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：激光器驱动器/限幅放大器(302)还接有I2C电可擦除存储器(304)，PON MAC芯片(303)接有串行闪存(305)。

3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：连接器(306)和整个光通信模块(300)的封装采用SFF、SFP、SFP+、CSFF、CSFP、XFP、XENPACK、1×9或GBIC。

4.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：激光器驱动器/限幅放大器(302)内还设有模数转换器(ADC)和微控制器(μC)。

5.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：所述光通信模块(300)上行接有光线路终端(201)，下行接有集中器(203)、采集器(204)、专变采集终端(205)、单相智能电表(206)或三相智能电表(207)。

6.根据权利要求1所述的模块，其特征在于：所述通信模块(300)外接有DC-DC电源，DC-DC电源上还接有MOS开关管。