CN203352619U

CN203352619U - Ofdm载波通信标准的通信电路

Info

Publication number: CN203352619U
Application number: CN 201320477151
Authority: CN
Inventors: 王成; 邱仁峰; 林垂涛
Original assignee: CHANGSHA WASION INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Hunan Weisheng Information Technology Co ltd; Willfar Information Technology Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-08-07

Abstract

本实用新型公开了一种OFDM载波通信标准的通信电路，包括载波信号耦合电路、信号接收电路、载波发送电路、ClassD放大电路、过零检测电路、主芯片电路和电源电路。载波信号耦合电路与电力线连接，将载波发送电路传来的高频信号加载到电力线上，并负责接收由电力线传来的载波信号，并将该载波信号发送至信号接收电路，由其将该载波信号送至主芯片电路；主芯片电路通过串口把该载波信号传至电能表。电能表将数据信号通过串口发送至主芯片电路；由其将该数据信号通过ClassD放大电路传至载波发送电路；再将其传至载波信号耦合电路，由载波信号耦合电路将数据信号耦合发送至电力线。本实用新型提高了载波组网性能与抗干扰能力。

Description

OFDM载波通信标准的通信电路

技术领域

本实用新型涉及一种通信电路，特别涉及一种OFDM载波通信标准的通信电路。

背景技术

国内窄带电力线载波通信，通信速率最高才只有2kbps，正常电力线环境下，绝大多数仅仅工作在几百bps。而在国际上，电力线AMI体系要求：电力数据采集器密度高达15分钟一次，数据通信流量高达100kbit/s，实时性强、交互双向通信，因此，窄带电力线通信方式最高2kbps无法满足需求。而现有的电路方案存在诸多问题，例如：电路信号品质较差、载波抗干扰能力差、电源效率不足、载波接收灵敏度差等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种稳定高效的OFDM载波通信标准的通信电路。

本实用新型提供的这种OFDM载波通信标准的通信电路，包括电能表、电力线、载波信号耦合电路、信号接收电路、载波发送电路、ClassD放大电路、过零检测电路、主芯片电路和电源电路；主芯片电路包括微控制器；载波信号耦合电路与电力线连接，将载波发送电路传来的高频信号加载到电力线上，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经过载波高频信号耦合后发送至信号接收电路；信号接收电路将该接收的载波信号经过滤波、采样后发送至主芯片电路中的微控制器；该微控制器通过串口把该载波信号传至电能表；电能表将数据信号通过串口发送至主芯片电路中的微控制器；该微控制器将该数据信号通过ClassD放大电路进行载波信号电源放大处理后传至载波发送电路；载波发送电路将该数据信号经过进行模数转换后再传至载波信号耦合电路，由载波信号耦合电路将数据信号耦合发送至电力线；过零检测电路将由电力线传来的信号进行过零检测并产生数字信号后，发送至主芯片电路；电源电路给上述六个电路供电。

所述载波信号耦合电路包括输出阻抗电路、谐振选频电路；输出阻抗电路用于调整在不同电力线环境下的负载阻抗；谐振选频电路用于对通信载波频率的带通进行选频。所述信号接收电路包括信号增益调节控制电路，用于保证所述主芯片电路的信号采样精度。所述载波发送电路包括一组N沟道MosFET电路、滤波谐振电路，所述N沟道MosFET电路由主芯片电路控制，用于控制滤波谐振电路在所述载波发送电路中的接入或者断开；所述滤波谐振电路用于滤除低频信号。所述ClassD放大电路包括功率放大器芯片、直流偏置电路、两组保护电路和偏置电路、调节电路；直流偏置电路用于确保载波发送信号的峰峰值Vpp为电源电压值；调节电路适用于所述微控制器的DAC输出的载波差分信号调节，用于滤出该芯片的低频干扰。所述微控制器采用Atmel公司的型号为ATPL210A的SOC芯片。所述电源电路采用德州仪器公司的型号为TPS54331的DC/DC芯片。

本实用新型采用ClassD放大电路进行载波信号定远放大，充分利用了电源，并确保了载波信号发的送功率。本实用新型采用主芯片内置的数字滤波器，设计动态量程为-70dB，电力线接收灵敏度为34dBuV，在保证载波通信点对点通信性能的基础上，大幅提高了载波组网性能。本实用新型采用反馈形式实现线路阻抗控制，提高了抗干扰能力。本实用新型功耗低，仅为750mW。

附图说明

图1是本实用新型的功能框图。

图2是本实用新型的载波信号耦合电路图。

图3是本实用新型的信号接收电路图。

图4是本实用新型的载波发送电路图。

图5是本实用新型的ClassD放大电路。

图6是本实用新型的过零检测电路图。

图7是本实用新型的主芯片电路图。

图8是本实用新型的主芯片外置SAM芯片电路图。

图9是本实用新型的主芯片Flash电路图。

图10是本实用新型的主芯片指示灯电路图。

图11是本实用新型的电源电路图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括电能表、电力线、载波信号耦合电路、信号接收电路、载波发送电路、ClassD放大电路、过零检测电路、主芯片电路和电源电路；载波信号耦合电路与电力线连接，将载波发送电路传来的高频信号加载到电力线上，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经过载波高频信号耦合后发送至信号接收电路；信号接收电路将该接收的载波信号经过滤波、采样后发送至主芯片电路；主芯片电路通过串口把该载波信号传至电能表；电能表将数据信号通过串口发送至主芯片电路；主芯片电路将该数据信号通过ClassD放大电路进行载波信号电源放大处理后传至载波发送电路；载波发送电路将该数据信号经过进行模数转换后再传至载波信号耦合电路，由载波信号耦合电路将数据信号耦合发送至电力线；过零检测电路将由电力线传来的信号进行过零检测并产生数字信号后，发送至主芯片电路；电源电路给上述六个电路供电。

如图2所示，载波信号耦合电路包括输出阻抗电路、谐振选频电路和保护器件相关电路。输出阻抗电路包括绕线功率电阻R48、绕线功率电阻R55和线圈L3；谐振选频电路包括电容C49和电感L2；保护器件包括瞬态放电管V11、由电阻R45和电阻R46组成的对地直流偏置电压电路以及保护电阻R56。

电力线的火线L通过绕线功率电阻R48串联电容C49与电感L2的1端连接，电感L2的1端还通过电阻R45串联电阻R46接地，该电感L2的2端与线圈L3的2脚连接，该线圈的1脚和2脚之间还接有瞬态放电管V11，其1脚通过绕线功率电阻R55与电力线的零线N连接，同时该1脚还通过电阻R56与其4脚连接；线圈L3的4脚与信号接收电路连接，用于传递载波信号PLC_In;其2脚和3脚之间还接有电阻R46，线圈L3的3脚接地。

输出阻抗电路用于调整在不同电力线环境下的负载阻抗，本实用新型所设计的输出阻抗为10Ω，若电力线阻抗长时间变化范围不在10Ω偏差范围内时，需要调整两个绕线功率电阻的阻值，以调整本实用新型的设计输出阻抗。

谐振选频电路用于对通信载波频率的带通进行选频。

对地直流偏置电压电路用于防止信号出现削峰现象，从而可避免发生信号采样的失真。

本电路的主要作用是滤除220VAC电力线50Hz/60Hz强电电压，进行载波高频信号耦合，并将载波高频信号加载到电力线上。

如图3所示，信号接收电路包括信号增益调节控制电路、肖特基二极管V9和滤波电容C48。信号增益调节控制电路包括电阻R52、电阻R47和控制管V10。

来自载波信号耦合电路的载波信号PLC_iN通过电阻R52再串联电容C18与主控芯片电路的微处理器U2的103脚连接。控制管V10的漏极通电阻R47与电容C18的1端连接，其栅极与该微处理器U2的95脚连接，其源极接地。肖特基二极管V9的3脚与电容C18的1脚连接，其2脚和1脚均接地。滤波电容C48接于电容C18的1端和地之间。

本电路中，载波信号PLC_iN的信号峰峰值Vpp一般为12v左右，无法直接被主芯片电路中微控制器内部的ADC采样，因此，本实用新型采用电阻R52、电阻R47和控制管V10组成一组简单的一个档位的信号增益调节控制电路，不仅保证微控制器的ADC的采样精度，确保信号采样不失真，而且保护该ADC不因过压而烧毁。

为了增加本电路的产品特性，肖特基二极管V9和滤波电容C48组成一组简单的保护电路。肖特基二极管V9用于保护正常信号不因暂态过压而发生失真，滤波电容C48用于滤除高频干扰。

如图4所示，载波发送电路包括一组N沟道MosFET电路、滤波谐振电路。该N沟道MosFET电路包括三极管V14、场效应管V13和场效应管V16。滤波谐振电路包括电感L5和电容C53。三极管V14的发射极与电源V3P3连接；其基极通过电阻R62与主芯片电路中微控制器的56脚连接，用于传递信号HIMP，该基极还通过电阻R62串联发光二极管V15再串联电阻R64后与电源V3P3连接；该三极管的集电极与电阻R63的2端连接。场效应管V16的栅极与三极管V14的集电极连接，此栅极还与电阻R63的2端连接，并同时与场效应管V13的栅极连接；场效应管V16的源极接地，漏极与电阻R63的1端连接，还同时与场效应管V13的源极连接。场效应管V13的栅极与电阻R63的2端连接；其漏极通过滤波谐振电路串联电容R56与载波信号耦合电路连接，用于传递载波信号PLC_iN，同时其漏极还通过滤波谐振电路串联电感L4再串联电容C51与ClassD放大电路连接。滤波谐振电路由电感L5和电容C53并联组成。电感L6与电容C54并联后接于电感L4的1端与地之间。

本电路中，载波信号PLC_iN会加载到接收信号，另一方面也会有来自主芯片电路的DAC输出信号，因此需要对两种信号据信号幅值的大小来予以选择。

本电路中采用一组N沟道MosFET电路，该MosFET电路是由主芯片电路的微控制器的HMP管脚（即该微控制器的95脚）进行控制，用于控制滤波谐振电路在载波发送电路中的接入或者断开。该滤波谐振电路用于滤除低频信号，因此本电路工作在高频时，该滤波谐振电路需要接入，用作滤除低频噪音；而当本电路工作在低频时，则该滤波谐振电路需要从本电路中断开了，以免将所需的有效低频信号滤除。

如图5所示，ClassD放大电路包括肖特基二极管二极管V12、功率放大器芯片D13、两组保护电路和偏置电路、直流偏置电路以及调节电路。一组保护电路包括电阻R50和稳压二极管D3，偏置电路包括电阻R49；另一组保护电路包括电阻R58和稳压二极管D4，偏置电路包括电阻R60。直流偏置电路包括电阻R53和电阻R59。调节电路包括电容C50、电阻R51和电阻R54，电容C52、电阻R57和电阻R61。

肖特基二极管V12的1脚接地；其2脚与电源V15P0连接，其3脚通过电阻R59接地，该管脚还与功率放大器芯片D13的4和6脚连接。

功率放大器芯片D13的电源管脚2脚与电源V15P0连接；其4脚和6脚通过电阻R53与电源V15P0连接，4脚和6脚连接后还与载波发送电路的电容C51连接；其5脚接地；其3脚通过电阻R50串联稳压二极管D3与电源V15P0连接，该管脚还通过电阻R49与电源V15P0连接，该3脚还通过电容C50与主芯片电路中微控制器U2的41脚、44脚和45脚同时连接，用于传递正极性信号P。电阻R51串联电阻R54后接于电源V3P3和地之间；该功率放大器芯片D13的1脚通过电阻R58串联稳压二极管D4后接地，该管脚还通过电阻R60接地，该3脚还通过电容C52与主芯片电路中微控制器U2的46脚、47脚和50脚同时连接，用于传递负极性信号N。

电阻R51和电阻R54之间的连接点位于电容C50与上述用于传递正极性信号P的微控制器U2的相关控制管脚之间。电阻R57串联电阻R61后接于电源V3P3和地之间；电阻R57和电阻R61之间的连接点位于电容C52与上述用于传递负极性信号N的微控制器U2的相关控制管脚之间。

本电路中，主要采用主芯片电路中功率放大器芯片D13，实现ClassD信号的放大。本电路信号的直流偏置电路，用于保证该信号的直流偏置始终是电源电压V15P0的一半，从而保证载波发送信号的峰峰值Vpp为电源电压值。此外，保护电路和偏置电路用在主芯片电路中微控制器的DAC的输出前端。调节电路适用于主芯片电路中微控制器的DAC输出的载波差分信号，用于滤出该芯片的低频干扰。

如图6所示，过零检测电路包括采样电阻R40、采样电阻R41、采样电阻R43、采样电阻R44、光耦D2。光耦D2的1脚通过采样电阻R41串联采样电阻R40与电力线的火线L连接；其2脚通过采样电阻R44串联采样电阻R42与电力线的零线N连接；其1脚与二极管V8的阴极连接；其2脚还与该二极管的阳极连接；该光耦的4脚通过电阻R42与电源V3P3连接，该4脚还与主芯片电路中的微控制器U2的60脚连接，用于传递信号VNR；该光耦的3脚接地。

本电路中，采样电阻R40、采样电阻R41、采样电阻R43、采样电阻R44的总和一般不能大于100kΩ，否则会对载波信号耦合电路的阻抗造成频率偏差。本电路的目的是为了防止由于载波的持续发送，造成电能表用户保护设施误动作（例如漏电保护器误动作等）。

如图7所示，主芯片电路包括微控制器U2。该微控制器U2可采用Atmel公司型号为ATPL210A的微控制器，用于完成OFDM的调制与解调、PRIME载波通信协议的PHY和MAC解析等等。

如图8所示，由于微控制器U2的内部资源仅128Byte的RAM空间，不足以运行OFDM复杂的调制模式，因此需要微控制器U2扩展外置SRAM芯片。本实用新型可采用容量为258kBytes的外置SAM芯片。

如图9所示，主芯片Flash电路是为了实现多套软件模式的自由切换。本实用新型可采用一颗4MB的外置Flash器件，用于存储OFDM的运行代码。

本实用新型将Flash存储器分为4个区，其中第一区为默认firmware运行区，第二区为升级firmware保存区，第三区为备份firmware保存区，第四区为非标准PRIME代码存储区。

如图10所示，主芯片指示灯电路用于功能指示。在本电路设计中，可以通过软件配置3个指示灯，分别实现不同的功能指示，例如：发光二极管V5用于代码运行指示，发光二极管V6用于载波通信连接指示，发光二极管V4为电源指示。

此外，本实用新型还配备有调试管脚DEBUG，用作程序调试。

如图11所示，本实用新型的电源电路用于为载波信号耦合电路、信号接收电路、载波发送电路、ClassD放大电路、过零检测电路、主芯片电路提供电源。本实用新型的电源电路可采用较成熟的TI公司型号为TPS54331的DC/DC电源芯片的电路方案。

Claims

1.一种OFDM载波通信标准的通信电路，包括电能表、电力线，其特征在于，该电路还包括载波信号耦合电路、信号接收电路、载波发送电路、ClassD放大电路、过零检测电路、主芯片电路和电源电路；主芯片电路包括微控制器；载波信号耦合电路与电力线连接，将载波发送电路传来的高频信号加载到电力线上，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经过载波高频信号耦合后发送至信号接收电路；信号接收电路将该接收的载波信号经过滤波、采样后发送至主芯片电路中的微控制器；该微控制器通过串口把该载波信号传至电能表；电能表将数据信号通过串口发送至主芯片电路中的微控制器；该微控制器将该数据信号通过ClassD放大电路进行载波信号电源放大处理后传至载波发送电路；载波发送电路将该数据信号经过进行模数转换后再传至载波信号耦合电路，由载波信号耦合电路将数据信号耦合发送至电力线；过零检测电路将由电力线传来的信号进行过零检测并产生数字信号后，发送至主芯片电路；电源电路给上述六个电路供电。

2.根据权利要求1所述的OFDM载波通信标准的通信电路，其特征在于，所述载波信号耦合电路包括输出阻抗电路、谐振选频电路；输出阻抗电路用于调整在不同电力线环境下的负载阻抗；谐振选频电路用于对通信载波频率的带通进行选频。

3.根据权利要求1所述的OFDM载波通信标准的通信电路，其特征在于，所述信号接收电路包括信号增益调节控制电路，用于保证所述主芯片电路的信号采样精度。

4.根据权利要求1所述的OFDM载波通信标准的通信电路，其特征在于，所述载波发送电路包括一组N沟道MosFET电路、滤波谐振电路，所述N沟道MosFET电路由主芯片电路控制，用于控制滤波谐振电路在所述载波发送电路中的接入或者断开；所述滤波谐振电路用于滤除低频信号。

5.根据权利要求1所述的OFDM载波通信标准的通信电路，其特征在于，所述ClassD放大电路包括功率放大器芯片、直流偏置电路、两组保护电路和偏置电路、调节电路；直流偏置电路用于确保载波发送信号的峰峰值Vpp为电源电压值；调节电路适用于所述微控制器的DAC输出的载波差分信号调节，用于滤出该芯片的低频干扰。

6.根据权利要求1所述的OFDM载波通信标准的通信电路，其特征在于，所述微控制器采用Atmel公司的型号为ATPL210A的SOC芯片。

7.根据权利要求1所述的OFDM载波通信标准的通信电路，其特征在于，所述电源电路采用德州仪器公司的型号为TPS54331的DC/DC芯片。