CN202750088U

CN202750088U - 基于Prime标准的载波电路

Info

Publication number: CN202750088U
Application number: CN 201220483487
Authority: CN
Inventors: 王成; 邱仁峰; 胡北珍
Original assignee: CHANGSHA WASION INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Hunan Weisheng Information Technology Co ltd; Willfar Information Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-09-21

Abstract

本实用新型公开了一种基于Prime标准的载波电路，包括载波信号阻抗匹配单元、载波接收单元、载波发送单元、过零检测单元、载波PHY层控制单元、载波转换子层单元和电源单元。从电力线过来的载波信号通过载波信号阻抗匹配单元传至载波接收单元，在通过载波PHY层控制单元经由载波转换子层单元以及串口将信号传至电能表；电能表将数据信息通过串口以及载波转换子层单元传至载波PHY层控制单元，进行频率生成得到载波频率信号后通过载波转换子层单元传送至载波发送单元，在通过载波信号阻抗匹配单元耦合至电力线。本实用新型是基于国际Prime标准OFDM电力线通信载波电路，该电路大幅提高了载波通信的速率。

Description

基于Prime标准的载波电路

技术领域

本实用新型涉及一种载波电路，特别涉及一种基于Prime标准的载波电路。

背景技术

目前国内电力线载波通信多采用窄带电力线载波通信方式，其在电力线上的传输速率最高只有2kbps。正常电力线环境下，绝大多数的数据传输仅仅工作在几百bps。而在国际上，电力线AMI（智能表计通信网络）体系要求：电力数据采集器密度高达15分钟一次，数据通信速率高达100kbit/s，实时性强、交互双向通信，因此，现有的窄带电力线通信方式无法满足上述要求。而真正的宽带载波BPL(Broadband over power lines）是一种允许互联网数据在电力线上进行传输的技术，通信速率从10兆到最高200兆bps，但是，由于这种通信的实现存在价格昂贵、通信距离短、稳定性差等技术瓶颈，实现该技术的产品不成熟。也就是说，目前基于Prime载波电路不是真正意义上的宽带载波。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有实用性且可应用的基于Prime标准的载波电路。

本实用新型提供的这种基于Prime标准的载波电路，包括载波信号阻抗匹配单元、载波接收单元、载波发送单元、过零检测单元、载波PHY层控制单元、载波转换子层单元和电源单元；载波信号阻抗匹配单元与电力线进行阻抗匹配，将载波发送单元传来的信号耦合发送至电力线，同时负责接收由电力线传来的载波信号，并将接收的载波信号发送至载波接收单元；载波接收单元将接收到的载波信号进行信号整形、钳位和滤波处理后发至载波PHY层控制单元；载波PHY层控制单元将接收到的载波信号进行信号解调以及底层数据流的解析，然后将数据信号传至载波转换子层单元；载波转换子层单元对接收到的数据信号进行数据应用协议解析，并将解析完的信息通过串口发送至电能表，由此完成电力线数据的传递；电能表将数据信息通过载波转换子层单元传至载波PHY层控制单元；载波PHY层控制单元对数据信息进行频率生成得到载波频率信号，同时将该频率信号通过载波转换子层单元传送至载波发送单元；载波发送单元将接收的载波频率信号进行功率放大，再通过载波信号阻抗匹配电路，耦合发送至电力线；过零检测单元将由电力线传来的信号进行过零检测并产生数字信号后，发送至载波PHY层控制单元，用于给发送至电力线的载波信号提供过零基准；电源单元给上述六个功能单元供电。

所述载波PHY层控制单元采用意法半导体公司的载波通信芯片，其型号为ST7590。所述电源单元采用德州仪器公司的高效DC/DC芯片，其型号为TPS54331。

本实用新型是基于国际Prime通用标准的OFDM电力线通信的载波电路，通过关键芯片的选型及其外围电路的设计，实现了载波通信速率的大幅提高，从而为实现了真正意义上的宽带载波通信提供硬件支持。

附图说明

图1是本实用新型的功能模块图。

图2是本实用新型的载波信号阻抗匹配单元电路图。

图3是本实用新型的载波接收单元电路图。

图4是本实用新型的载波发送单元电路图。

图5是本实用新型的过零检测单元电路图。

图6是本实用新型的载波PHY层控制单元主芯片电路图。

图7是本实用新型的载波PHY层控制单元外置SPi的flash存储器电路图。

图8是本实用新型的载波PHY层控制单元外置SRAM存储器电路图。

图9是本实用新型的载波转换子层单元电路图。

图10是本实用新型的电源单元电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括载波信号阻抗匹配单元，载波接收单元，载波发送单元，过零检测单元，载波PHY层控制单元，载波转换子层单元和电源单元。载波信号阻抗匹配单元与电力线阻抗匹配，将载波发送单元传来的信号耦合发送至电力线，同时负责接收由电力线传来的载波信号，并将接收的载波信号发送至载波接收单元。载波接收单元将接收到的载波信号进行信号整形、嵌位和滤波处理，然后发至载波PHY层控制单元。载波PHY层控制单元将接收到的载波信号进行检频、解析底层数据流，再将数据信号传至载波转换子层单元。载波转换子层单元对接收到的数据信号进行数据应用协议解析，并将解析完的信号通过串口发送至电能表，由此完成电力线数据传递。电能表将数据信息通过载波转换子层单元传至载波PHY层控制单元。载波PHY层控制单元对数据信息进行频率生成得到载波频率信号，其将该信号通过载波转换子层单元传送至载波发送单元。载波发送单元将接收的载波频率信号进行功率放大，增强信号的传输距离，再通过载波信号阻抗匹配电路，耦合发送至电力线；过零检测单元将由电力线传来的信号进行过零检测并产生数字信号后，发送至载波PHY层控制单元，用于给发送至电力线的载波信号提供过零基准；电源单元给上述功能单元供电。

如图2所示，载波信号阻抗匹配单元包括LC谐振电路和定制的信号耦合变压器T1。载波信号接入信号耦合变压器T1的端子3；其端子1接信号VN，其端子2通过电感L3串联C9与220V强电信号VA相连，其端子4接地；电感L3的2脚通过瞬态放电管V4与220V强电信号VN相连。

由电感L3和电容C9组成LC谐振电路，因为器件本身的特点形成了频点范围，从而能与电力线阻抗信号耦合。瞬态放电管V4主要是保护整个电路不受电力线雷击、浪涌、噪声、大功率激变等恶劣环境的影响。

如图3所示，载波接收单元是通过如下电路连接实现载波信号的接收功能的。接收数据信号RX_IN通过电容C17串联电阻R13接至T1的端子3；电感L4、电容C18和瞬态放电管V7三者并联后接于电阻R13的1脚和地之间。电感L4和电容C18组成一组外围简单的宽幅度的谐振滤波电路，信号分压电阻R13用于保护单片机内部的ADC模块的输入电压值，电容C17起隔直流通交流的作用，并承受一定的电压值。载波通信芯片（型号为ST7590）内部含有AGC和ADC信号采样单元，通过软件设置其内部寄存器数值，从而接收电力线有效信号。

如图4所示，载波发送单元包括两个一阶滤波器和一个内置PA，发送数据信号TX_OUT接至电阻R5的1脚，同时通过电容C11串联电阻R7接至电阻R8的1脚，该电阻的2脚再串联电阻R9接至内置PA的同相输入端。电源信号V5P0通过电阻R5串联电阻R10接地；电压信号V15P0通过电阻R6串联电阻R11接地，其中电阻R6的1脚与电阻R7的1脚相连。电阻R7的2脚通过电容C13接地；电阻R9的2脚通过电容C14接地。电阻R8的2脚通过电容C4接至内置PA的输出端；其反相输入端通过电阻R2串联电容C8接地；其反相输入端通过电阻R3连接至其输出端。电源信号V15P0通过电阻R4接至内置PA的输出端，该输出端通过电阻R12接地；同时，该电源信号接至肖特基二极管V1的阴极端，该二极管的阳极端接至肖特基二极管V5的阴极端，该二极管V5的阴极端接地。内置PA输出端将载波信号通过电容C12与载波信号阻抗匹配单元相连。

载波通信芯片内置一个输出功率增益可调节的PA，但由于该内置PA的输入依赖于信号的品质和反馈信号，因此本实用新型针对上述问题做了如下处理。对于载波信号的品质，本实用新型采用外部二阶滤波器，从而保证载波信号品质。

电阻R5和电阻R10，电阻R6和电阻R11分别是信号的直流偏置修正点，耦合电容C11始终承受一定的电压，因此对该电容的选择要求较高。

电阻R7和电感C13，电阻R8、电阻R9和电感C14分别组成了两个一阶的滤波器。载波通信芯片输出信号进行处理，并对接收内置PA的输出反馈信号进行滤波处理，其中电阻R8和电阻R9的数值可根据反馈信号和输出信号严格计算得到。ST7590内置PA的正向输入端和反向输入端的信号需要根据电阻R2和电阻R3的数值，调整内部PA的增益，从而实现信号最大程度的耦合至电力线上。

电阻R4和电阻R12，肖特基二极管V1和肖特基二极管V5，这两组器件不仅完成信号直流偏置点的选择，同时可有效防止因信号幅值过大、发送电流过大等情况烧毁内部PA的发生。

如图5所示，过零检测单元包括光耦U2，信号VA通过电阻R14串联电阻R15接至光耦U2的1脚，信号VN通过电阻R18串联电阻R19接入光耦U2的2脚，二极管V8的阴极接光耦1脚，其阳极接光耦的2脚。电源V5P0接至光耦的4脚，该4脚通过电容C19接地；光耦的3脚通过电阻R20接地，同时该管脚通过电容C20与信号ZC_IN相连。此部分电路需要长时间上电工作，由于增加了二极管V8，大幅降低了电路的功耗。

本发明中的过零检测电路采用一种基本的电路方案，通过单片机的ADC采集220VAC的正向导通信号，其中四个电阻R14、R15、R18、R19阻值总和，应保证在47kΩ-300kΩ范围内，否则会导致电路静态功耗较高。

如图6至图8所示，载波PHY层控制单元包括外置SPi的flash存储器D1、载波通信芯片D2和外置SRAM存储器D3。载波通信芯片D2的1脚发出电力线控制信号PLC_TXD；其2脚接收电力线信号PLC_RXD；其3脚、21脚、59脚、68脚、76脚和93脚接电源V3P3；其6脚至20脚、80脚至90脚、92脚以及94脚均与外置SRAM存储器D3的对应管脚相连；其22脚、28脚、38脚、56脚、62脚、69脚和98脚与电源V1P8相连；其33脚、35脚、49脚、50脚、58脚、60脚、64脚、67脚和97脚接地；其23脚与信号TCK相连；其24脚与信号TDO相连；其25脚与信号TDI相连；其26脚通过电阻R28（阻值为10kΩ）与电源V3P3相连，此管脚同时与信号ST_RST相连；其31脚和32脚之间接晶振XL2；其39脚通过电阻R49与电源信号V5P0相连，同时生成输出信号V5P0_OUT；其40脚与信号ZC_IN相连；其41脚与信号RX_IN相连；其42脚与信号TX_OUT相连；其43脚与信号PA_IN+相连；其44脚与信号PA_IN-相连；电阻R30与电容C30并联后接于其45脚与地之间；其46脚和47脚接电源信号V1P5；其51脚和52脚与信号PA_OUT相连；其54脚通过电阻R48与电源信号V1P8相连，同时与信号V1P8_OUT相连；其61脚与信号GPIO9相连；其66脚与信号GPIO6相连；其70脚通过电阻R21接地；其71脚与信号GPIO5相连；其75脚与信号GPIO3相连；其77脚与信号GPIO2相连；其78脚与信号GPIO1相连；其91脚与信号SCLK1相连；其96脚与信号MOSI1相连；其97脚与信号MISO1相连。

本实用新型主要是基于型号为ST7590的载波通信芯片的载波电路。该芯片内置Prime国际载波标准协议，并通过国际Prime认证，且该芯片对外接口协议采用国际通用DLMS/COSEM架构的IEC61334-4-32应用层数据通信标准。该芯片实现载波PHY和MAC层控制，且外围需要连接2Mbits的flash存储器和128K bytes的SRAM存储器等存储设备。

该芯片外围电路配备调试指示灯，低电平有效，通过两个通用GPIO管脚（GPIO3与GPIO5，即该芯片的75脚和71脚）实现控制功能。同时，外置SPi的flash存储器用于程序存储，实现通过电力线方式进行升级程序或本地串口升级程序。该芯片外置SRAM存储器，用于芯片程序运行时的程序调用。该单元芯片内部的底层模拟信号发生器负责产生载波频率信号。

如图9所示，载波转换子层单元采用一片36MHz单片机（其型号为STM32F101），用于完成载波底层管理、通信协议转换、芯片接口初始化、通信数据基础应用等功能，从而保证本电路方案可以应用在基于国网DLT645-1997/2007或国际DLMS/COSEM标准的电表上。

该单片机外围电路，要求保证单片机通用管脚初始化具有高电平，从而可以降低其静态功耗；增加的指示灯作为电源上电指示以及串口通信指示。

本实用新型外置一片512Kbits的EEPROM存储芯片，用于保存表计中继节点信息以及集中器路由路径信息等。

如图10所示，电源单元采用一片美国德州仪器公司的高效DC/DC芯片，其型号为TPS54331。该芯片的输出电流高达3A，开关频率为570kHz，远远大于通信频点（42kHz至88kHz），可以很好避免对电力线信号的干扰。本电源单元为载波信号阻抗匹配单元、载波接收单元、载波发送单元、过零检测单元、载波PHY层控制单元和载波转换子层单元供电。

Claims

1.一种基于Prime标准的载波电路，其特征在于，包括载波信号阻抗匹配单元、载波接收单元、载波发送单元、过零检测单元、载波PHY层控制单元、载波转换子层单元和电源单元；载波信号阻抗匹配单元与电力线进行阻抗匹配，将载波发送单元传来的信号耦合发送至电力线，同时负责接收由电力线传来的载波信号，并将接收的载波信号发送至载波接收单元；载波接收单元将接收到的载波信号进行信号整形、钳位和滤波处理后发至载波PHY层控制单元；载波PHY层控制单元将接收到的载波信号进行信号解调以及底层数据流的解析，然后将数据信号传至载波转换子层单元；载波转换子层单元对接收到的数据信号进行数据应用协议解析，并将解析完的信息通过串口发送至电能表，由此完成电力线数据的传递；电能表将数据信息通过载波转换子层单元传至载波PHY层控制单元；载波PHY层控制单元对数据信息进行频率生成得到载波频率信号，同时将该频率信号通过载波转换子层单元传送至载波发送单元；载波发送单元将接收的载波频率信号进行功率放大，再通过载波信号阻抗匹配电路，耦合发送至电力线；过零检测单元将由电力线传来的信号进行过零检测并产生数字信号后，发送至载波PHY层控制单元，用于给发送至电力线的载波信号提供过零基准；电源单元给上述六个功能单元供电。

2.根据权利要求1所述的基于Prime标准的载波电路，其特征在于，所述载波PHY层控制单元采用意法半导体公司的载波通信芯片，其型号为ST7590。

3.根据权利要求1所述的基于Prime标准的载波电路，其特征在于，所述电源单元采用德州仪器公司的高效DC/DC芯片，其型号为TPS54331。