CN212570135U - 电力线载波通信教学装置及电力线载波通信教学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了电力线载波通信教学装置及电力线载波通信教学系统，该装置包括电源模块、电力线载波通信模块、通信协议转换模块、接口模块，其中电源模块的输入端与外部电力线连接，输出端分别与电力线载波通信模块、接口模块连接；电力线载波通信模块分别与电源模块的输入端、电源模块的输出端、通信协议转换模块连接；通信协议转换模块分别与电力线载波通信模块、接口模块连接；接口模块分别与电源模块的输出端、通信协议转换模块连接。本实用新型的电力线载波通信教学装置将少量的部件集成在一起，其结构简单，安装部署便利，减少了设备损坏风险，还提高了实验室管理员的管理效率。

Description

电力线载波通信教学装置及电力线载波通信教学系统

技术领域

本实用新型涉及教学器具领域，尤其涉及电力线载波通信教学装置及电力线载波通信教学系统。

背景技术

电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)是利用电力线作为信息传输媒介进行数据高速传输的特殊通信方式，其最大的特点在于利用现有的电力线进行数据传输，因而不需要重新架设网络。近年来随着低压电力线载波芯片的不断发展和国家对电力物联网技术的不断推广，这一通信技术正得到越来越多的重视。

目前许多大专院校开设了电力载波通信技术实验教学课程，课程中需要大量使用电力线载波通信教学系统，满足多人同时实验的要求。传统的电力线载波通信教学系统如图1所示，主要包括电脑，以及与电脑通过网线连接的电力线载波通信模块，其中，电脑用于传送指令、通信数据等信号，电力线载波通信模块用于将信号调制到220AVC电力线中传输(数据发送端)或将220AVC电力线中传输的信号解调下来(数据接收端)。由于电脑与电力线载波通信模块所需的供电电压不同，因此该系统还包括分别与 220AVC电力线、电脑连接的第一电源适配器，分别与220AVC电力线、电力线载波通信模块连接的第二电源适配器。该电力线载波通信教学系统包括多个零散的部件，每次课前安装部署都比较麻烦，并且如果将第一电源适配器、第二电源适配器接错还可能造成设备故障。另外，对于实验室管理员而言存储大量零散的部件也非常不方便。

实用新型内容

鉴于上述问题，有必要提出电力线载波通信教学装置及电力线载波通信教学系统以解决或部分解决上述问题，本实用新型提出的技术方案如下：

本实用新型提出了一种电力线载波通信教学装置，包括电源模块、电力线载波通信模块、通信协议转换模块、接口模块，其中：

所述电源模块的输入端与外部电力线连接，输出端分别与电力线载波通信模块、接口模块连接，用于将外部交流电转化为电力线载波通信模块、接口模块所需的直流电；

所述电力线载波通信模块分别与电源模块的输入端、电源模块的输出端、所述通信协议转换模块连接，用于接受电源模块供电，并将电力线传输的信号进行调制/解调后输出给所述通信协议转换模块；

所述通信协议转换模块分别与电力线载波通信模块、接口模块连接，用于将电力线载波通信模块输出的调制/解调后的信号由串口信号转换为USB信号输出到所述接口模块；

所述接口模块分别与所述电源模块的输出端、通信协议转换模块连接，用于为连接的外部上位机供电并实现信号的传输。

进一步的，所述电力线载波通信模块通过低压差线性稳压器与通信协议转换模块连接。

进一步的，所述电力线载波通信模块包括相互连接的电力线接口电路、电力线载波芯片电路，所述电力线接口电路包括耦合子电路、带通滤波器和前级放大器，所述耦合子电路用于将电力线上的信号耦合到带通滤波器上，所述的带通滤波器对信号进行滤波，并通过所述的前级放大器对滤波后信号进行放大，再送入所述的电力线载波芯片电路；所述电力线载波芯片电路用于对输入的信号进行调制解调后输出串口信号至通信协议转换模块。

进一步的，所述接口模块包括电源控制电路及相连接的接口插座，电源控制电路输入端与电源模块输出端连接，电源控制电路输出端通过接口插座与外部上位机协商供电电压并输出供电电压；所述接口插座还与通信协议转换模块的输出端连接，用于向外部上位机传输信号。

进一步的，所述接口插座为Type-C接口插座。

进一步的，所述通信协议转换模块支持Modbus RTU协议。

进一步的，所述电源模块包括整流电路及至少一DC/DC转换器，所述整流电路的输入端与外部电力线连接，输出端与DC/DC转换器输入端连接，DC/DC转换器的输出端为电力线载波通信模块、接口模块供电。

另一方面，本实用新型还公开了一种电力线载波通信教学系统，包括上述所述的电力线载波通信教学装置及与接口模块连接的上位机，所述上位机用于接收来自接口模块的供电电压并实现与电力线载波通信教学装置的信号通信。

基于上述技术方案，本实用新型较现有技术而言的有益效果为：

本实用新型的电力线载波通信教学装置包括电源模块、电力线载波通信模块、通信协议转换模块、接口模块，其中电源模块的输入端与外部电力线连接，输出端分别与电力线载波通信模块、接口模块连接，本电源模块具有多输出端口，比现有技术减少了电源适配器数量，也能避免接错电源适配器而造成设备损坏的情况；并且电力线载波通信模块与电源模块的输入端连接，使得电力线载波通信模块可以与电源模块能共用一个接口，简化了课前安装部署的操作流程。另外，接口模块分别与所述电源模块的输出端、通信协议转换模块连接，即通过一个接口模块就同时实现了为外部上位机供电及信号通信的功能，相比与现有技术中需要电源适配器供电、网线传输数据的方式而言既减少了部件也进一步提高了安装部署效率。本实用新型的电力线载波通信教学装置将少量的部件集成在一起，其结构简单，安装部署便利，减少了设备损坏风险，还提高了实验室管理员的管理效率。

附图说明

图1是背景技术中电力线载波通信教学系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中，电力线载波通信教学系统的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中，电力线载波通信教学装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中，电力线载波通信模块的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中，接口模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，本实施例示出了一种电力线载波通信教学系统，其包括上位机20及与之连接的电力线载波通信教学装置10，可以理解的通信系统包括发送端、接收端，两端结构是对称的，因此在本实施例中仅描述其中一端的功能，另一端的功能不再赘述。

图2所示的电力线载波通信教学系统中的电力线载波通信教学装置10可以采用图3 所示结构，该电力线载波通信教学装置10包括电源模块11、电力线载波通信模块12、通信协议转换模块13、接口模块14，上位机20用于接收来自接口模块14的供电电压并实现与电力线载波通信教学装置10的信号通信。

如图3所示，该电力线载波通信教学装置10各部分的结构、功能如下：

电源模块11的输入端与外部电力线220AVC连接，输出端分别与电力线载波通信模块12、接口模块14连接，用于将外部交流电转化为电力线载波通信模块12、接口模块14所需的直流电。由于电力线载波通信模块12、接口模块14所需的供电电压可能不同，因此电源模块11除了包括将交流220V转换成一低压直流电压的整流电路外，还包括至少一DC/DC转换器，能将得到低压直流电压进一步转换成所需的其余供电电压。由于本电源模块11具有多输出端口，比现有技术减少了电源适配器数量，也能避免接错电源适配器而造成设备损坏的情况。

电力线载波通信模块12分别与电源模块11的输入端、电源模块11的输出端、通信协议转换模块13连接，用于接受电源模块11供电，并将电力线传输的信号进行调制或解调后输出给所述通信协议转换模块13。

具体的，结合图4所示，电力线载波通信模块12包括电力线接口电路121、与电力线接口电路121输出端连接的电力线载波芯片电路122，所述电力线接口电路121包括依次连接的耦合子电路1211、带通滤波器1212和前级放大器1213，所述耦合子电路1211 用于将电力线上的信号耦合到带通滤波器1212上，所述的带通滤波器1212对信号进行滤波，并通过所述的前级放大器1213对滤波后信号进行放大，再送入所述的电力线载波芯片电路122；所述电力线载波芯片电路122用于对输入的信号进行调制解调后输出串口信号至通信协议转换模块13。本实施例的电力线载波通信模块12可以与电源模块11能共用一个接口，简化了课前安装部署的操作流程。

通信协议转换模块13分别与电力线载波通信模块12、接口模块14连接，用于将电力线载波通信模块12输出的调制解调后的信号由串口信号转换为USB信号输出到所述接口模块14。在实际应用中，通信协议转换模块13所需的供电电压较低，因此可以利用一低压差线性稳压器(LDO)将电力线载波通信模块12的输出电压降至通信协议转换模块13的供电要求。

该通信协议转换模块13可以采用Modbus通信协议，该协议由Modicon公司(现已经为施耐德公司并购)于1979年发明的，是全球最早用于工业现场的总线规约。 Modbus通信协议采用的是主从通信模式(即Master/Slave通信模式)，其在分散控制方面应用极其广泛，从而使得Modbus协议在全球得到了广泛的应用。Modbus通信协议主要包括Modbus RTU，Modbus ASCII和Modbus TCP三种。其中Modbus RTU与Modbus ASCII均为支持RS-485总线的通信协议，Modbus RTU由于其采用二进制表现形式以及紧凑数据结构，通信效率较高，应用比较广泛。而Modbus ASCII由于采用ASCII码传输，并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识，其传输效率要远远低于Modbus RTU协议，一般只有在通信数据量较小的情况下才考虑使用。因此在本实施例中通信协议转换模块13优选支持Modbus RTU协议。

所述接口模块14分别与所述电源模块11的输出端、通信协议转换模块13连接，用于为连接的外部上位机20供电并实现信号的传输。即通过一个接口模块14就同时实现了为外部上位机20供电及信号通信的功能，相比与现有技术中需要电源适配器供电、网线传输数据的方式而言既减少了部件也进一步提高了安装部署效率。

结合图5所示，该接口模块14主要包括电源控制电路141及相连接的接口插座142，电源控制电路141输入端与电源模块11输出端连接，电源控制电路141输出端通过接口插座142与外部上位机20协商供电电压并输出供电电压。接口插座142还与通信协议转换模块13的输出端连接，用于向外部上位机传输信号。接口插座142可以采用通用串行总线接口(Universal Serial Bus，USB)，具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接PC机、笔记本电脑、平板电脑、手机等多种智能设备。在本实施例中，接口模块14优选为Type-C接口，Type-C标准规定线缆可支持正反插，让各种设备的互连变得更简单。Type-C接口还支持USB的所有功能，包括480Mbps USB 2.0和10Gbps USB 3.1数据传输；5V/0.5A、最高20V/5.0A供电等，让用户连接更简易，保证每个线路都连接正确。

本实用新型的电力线载波通信教学装置10将少量的部件集成在一起，其结构简单，减少了网线及电源适配器的数量，使用时直接将电力线载波通信教学装置10一端与外部电力线连接，另一端与上位机20连接，安装部署非常便利，也不易出错，减少了设备损坏风险，还利于实验室管理员对教学设备的管理。

在一些实施例中，电力线载波芯片电路122可以采用ES1642-C模组，是一款小型化、低功耗的电力线载波通信模块12,其核心芯片采用东软载波电力线载波通信芯片SSC1642，内部集成BFSK/DBPSK收发器，具有扩频调制/解调器电路，内置扩频/解扩、调制/解调以及与TTL串口通信功能。

通信协议转换模块13的微处理器可以采用意法半导体(ST)公司的STM32F103 芯片，其内核是Cortex-M3，能对电力线载波通信模块12解调后的信号进行Modbus RTU 协议处理，并将信号输出到接口模块14以实现与上位机20的连接及通。若电力线载波芯片电路122为ES1642-C模组，则STM32F103芯片与该模组的TTL端口连接，将TTL 数据转换为符合Modbus RTU协议的USB数据。

接口模块14的电源控制电路141可以采用意法半导体推出的STUSB4710芯片，它是USB Type-C标准认证端口控制器芯片。该产品内置保护电路，支持USB功能整合需求，这款芯片集成与所连设备充电握手所需的全部电路，支持多达5档输电功率(Power DeliveryProfiles)。通过内部非易失性存储器，各项参数可全部自定义，可处理整个连接过程，均无需外部CPU介入和额外的软硬件，能够直接使用。利用本芯片能实现针对Type-C接口的电源协商功能，由于本实施例的电源模块11能提供多种直流电源，因此通过Type-C接口与上位机20进行通信连接时候，能自动协商供电电压及电流大小，为上位机20同时提供数据通道和电源输出通道。如此设计，使得电力线载波通信教学装置10能与上位机20进行电压协商，因此上位机20可以选择PC机(所需输入电压为 20V)、笔记本电脑、平板电脑、手机(所需输入电压为5V)等符合Type-C接口规范的各种智能设备，对上位机20的兼容性更强。

关于上述各种芯片的具体内容及外围电路可以参考相关的技术文档，本实用新型实施例不做过多说明。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本实用新型处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本实用新型单独的优选实施方案。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式级似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims (9)

1.一种电力线载波通信教学装置，其特征在于，包括电源模块、电力线载波通信模块、通信协议转换模块、接口模块，其中：

所述电源模块的输入端与外部电力线连接，输出端分别与所述电力线载波通信模块、所述接口模块连接，用于将外部交流电转化为电力线载波通信模块、接口模块所需的直流电；

所述电力线载波通信模块分别与所述电源模块的输入端、电源模块的输出端、所述通信协议转换模块连接，用于接受电源模块供电，并将电力线传输的信号进行调制或解调后输出给所述通信协议转换模块；

所述通信协议转换模块分别与所述电力线载波通信模块、接口模块连接，用于将电力线载波通信模块输出的调制或解调后的信号由串口信号转换为USB信号输出到所述接口模块；

所述接口模块分别与所述电源模块的输出端、通信协议转换模块连接，用于为外部上位机供电并实现信号的传输。

2.如权利要求1所述电力线载波通信教学装置，其特征在于，所述电力线载波通信模块通过低压差线性稳压器与通信协议转换模块连接。

3.如权利要求1所述电力线载波通信教学装置，其特征在于，所述电力线载波通信模块包括电力线接口电路、与电力线接口电路输出端连接的电力线载波芯片电路，所述电力线接口电路包括依次相连的耦合子电路、带通滤波器和前级放大器，所述耦合子电路用于将电力线上的信号耦合到带通滤波器上，所述的带通滤波器对信号进行滤波，并通过所述前级放大器对滤波后信号进行放大，再送入所述的电力线载波芯片电路；所述电力线载波芯片电路用于对输入的信号进行调制解调后输出串口信号至通信协议转换模块。

4.如权利要求1所述电力线载波通信教学装置，其特征在于，所述接口模块包括电源控制电路及相连接的接口插座，电源控制电路输入端与电源模块输出端连接，电源控制电路输出端通过接口插座与外部上位机协商供电电压并输出供电电压；所述接口插座还与通信协议转换模块的输出端连接，用于向外部上位机传输信号。

5.如权利要求4所述电力线载波通信教学装置，其特征在于，所述接口插座为Type-C接口插座。

6.如权利要求1所述电力线载波通信教学装置，其特征在于，所述通信协议转换模块支持Modbus RTU协议。

7.如权利要求1所述电力线载波通信教学装置，其特征在于，所述电源模块包括整流电路及至少一DC/DC转换器，所述整流电路的输入端与外部电力线连接，输出端与DC/DC转换器输入端连接，DC/DC转换器的输出端与电力线载波通信模块、接口模块连接。

8.一种电力线载波通信教学系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的电力线载波通信教学装置，以及与所述接口模块连接的上位机，所述上位机用于接收来自接口模块的供电电压并实现与电力线载波通信教学装置的信号通信。

9.如权利要求8所述的电力线载波通信教学系统，其特征在于，所述上位机为笔记本电脑或平板电脑或手机。

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