CN216901932U - 一种基于多模通信的仿真采集终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于多模通信的仿真采集终端，属于仿真采集终端技术领域；包括主壳体，主壳体上设置壳体内部附件和壳体外部附件，壳体内部附件包括中央主控单元CPU及外围模块；外围模块包括分别与中央主控单元CPU电性连接的计量输出模块，计量输出模块分别与电流采样电路以及电压采样电路连接；红外通信模块通过红外接口与掌上电脑或者红外遥控器连接；宽带载波微功率双模通信模块与双模通信接口连接；485通信模块与485接口连接；以太网通信模块和以太网接口连接；5G全网通通信模块和上位机连接；故障仿真电路，主要由驱动电路和控制继电器组成。实现了低功耗、高速率、性能稳定的仿真采集终端，在低压电力信息采集中优势明显。

Description

一种基于多模通信的仿真采集终端

技术领域

本实用新型属于仿真采集终端技术领域，尤其涉及一种基于多模通信的仿真采集终端。

背景技术

根据国家电网公司坚强智能电网建设的总体要求，保证智能电网建设规范有序推进，实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”。但用电信息采集系统目前在实际运行中却存在着一些问题，比如因停电、网络传输、接线不当、违规操作而导致采集成功率低下，由于不去现场抄表，导致工作人员对台区的管理力度有所降低，无法在第一时间发现问题，这在一定程度上影响了采集成功率的提升。在这样的背景下，如何从技术方面提升各个部分的稳定性，可操作性，提高采集成功率，最大程度发挥用电信息采集系统的核心价值。而采集终端作为用电信息采集系统的核心部分，其通讯方式的多样性，性能可靠性、组网便捷性以及教学实用性等特征显得尤为重要。而目前低压集抄系统中运用到的信息采集终端在上述方面的性能表现参差不齐，有些虽然兼而有之，但往往不能很好地兼顾各个性能。通信方式方面，当前采集终端的下行通信方式一般为窄带载波通信和微功率无线模式，通信速率表现一般，且受台区抄表环境的影响比较大，使用有局限性。上行通信方式一般为GPRS、4G、以太网。而其中，受基站、公网信号等因素影响，GPRS的掉线问题普遍存在，给抄表的可靠性带来较大影响。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种基于多模通信的仿真采集终端，以解决目前低压集抄系统中运用到的信息采集终端在上述方面的性能表现参差不齐，有些虽然兼而有之，但往往不能很好地兼顾各个性能的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型的一种基于多模通信的仿真采集终端的具体技术方案如下：

一种基于多模通信的仿真采集终端，包括主壳体，主壳体上设置壳体内部附件和壳体外部附件，壳体内部附件包括中央主控单元CPU及外围模块；外围模块包括分别与中央主控单元CPU电性连接的计量输出模块、存储器、红外通信模块、宽带载波微功率双模通信模块、485通信模块、5G全网通通信模块、故障仿真电路、以太网通信模块和系统电源；

计量输出模块分别与电流采样电路以及电压采样电路连接；红外通信模块通过红外接口与掌上电脑或者红外遥控器连接；宽带载波微功率双模通信模块与双模通信接口连接；485通信模块与485接口连接；以太网通信模块和以太网接口连接；5G全网通通信模块和上位机连接；故障仿真电路，主要由驱动电路和控制继电器组成；系统电源包括外部接入电源和内部电源，外部接入电源连接三相电，通过降压整流滤波、稳压后为仿真采集终端提供对应的电压，内部电源采用内部备用电池供电；

壳体外部附件包括与中央主控单元CPU连接的控制单元、显示屏、按键、报警装置以及通信接口。

进一步，宽带载波微功率双模通信模块包括3.3V电源系统、处理器单元、射频单元、微功率无线通信模块、宽带载波通信模块和指示灯电路；

处理器单元包括载波通信处理器和外部晶体振荡器电路等基本外围电路；

射频单元包括射频收发IC、外部晶体振荡器、射频控制开关；

微功率无线通信模块包括射频单元、匹配网络和收发天线；

宽带载波通信模块包括电力线耦合电路、接收滤波电路、解调转换电路、正交频分复用电路、发送控制电路和过零检测电路；

微功率无线通信模块及宽带载波通信模块通过UART-TTL转换电路实现两者间的通信匹配，并且微功率无线通信模块及宽带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或宽带载波通信方式；

3.3V电源系统将基表或者抄控器提供的直流电源进行DC-DC转换成 3.3V直流电源后供给处理器单元、射频单元、微功率无线通信模块、宽带载波通信模块和指示灯电路。

进一步，中央主控单元CPU1设计引出6个UART口，分别与红外通信模块、控制单元、宽带载波微功率双模通信模块、5G全网通通信模块、一路 485通信模块、一路以太网通信模块相连。

进一步，以太网控制处理电路采用3.3V单低电源供电和48脚封装模式，芯片的1脚和2脚为模拟集电极电源，9脚是模拟发射极电源，均与3.3v连接，对地由增加滤波电容C78、C79、C80，防止对地交流干扰信号灌入供电引脚，供电低端同时连接5脚、6脚、46脚及47脚BGRESG；

模拟部分的供电高端分别与DVDD23脚、30脚和41脚连接，低端与DGND15 脚、33脚、44脚连接，高低端之间并联4个X7R104滤波电容C81-C84。X7R104 芯片的基准工作频率由42脚REF-CLK/XT2提供给核心板控制接口单元U1的 27脚，同时由电源模块U44将基准电压提供至该接口的管脚，供核心板使用；

19脚TXD1、20脚TXD0是发送器的数据位，21脚TXEN是控制使能引脚，控制数据发送；

28脚RXD1、29脚RXD0是数据接收器的数据位，31脚RXEN是控制使能引脚，控制数据接收；

7脚和8脚分别是物理层接口发送端的正极和负极，3脚和4脚分别是物理层接口接收端的正极和负极，通过物理层的极性配置，实现物理层的组网连接；

32脚MIDINTR是中断响应管脚，默认置高电平，当有芯片无数据响应时，输出中断信号，通过EMDINTR将状态发送给核心板接口电路U1的21脚，等待核心板的处理。

进一步，5G全网通通信模块和以太网通信模块接口，接口电路采用的是30pin的09189421接口器件，位于主板位置P1口，供插接5G全网通通信模块和以太网通信模块；接口中除4V供电引脚外，还引入了23脚TD+和24脚TD-信号，分别接以太网通信模块物理层接口发送端的正极和负极，以及25 脚RD+和26脚RD-信号，分别接以太网通信模块物理层接口接收端的正极和负极；

5脚和6脚是5G全网通通信模块的数据收发信号，16脚和17脚是5G 全网通通信模块的门状态数据位；15脚G_ON/OFF是状态开关位，决定着5G 全网通通信模块和以太网通信模块的选通状态；G_ON/OFF为高电平时5G全网通通信模块有效，上行通信通过5G网络接入，当G_ON/OFF为低电平时，以太网通信模块有效，上行通信以太网接入。

进一步，宽带载波微功率双模通信模块，接口电路采用的是30pin的 09189421接口器件，位于主板位置P7口，是宽带载波微功率双模通信模块的插口；宽带载波微功率双模通信模块的状态控制信号K_STATE0经510欧的匹配电阻R72后，接入U32光电耦合器TLP781，输出为状态控制信号 STATE0_KZ；光电耦合器不导通时，由于接入了上拉电阻R70和3.3V的高电平,STATE0_KZ电平状态为高电平，当光电耦合器导通时，STATE0_KZ和GND 导通，变为低电平状态。该状态控制信号和核心板接口U1的14脚连接，进而输入核心板；核心板的复位信号RST_KZ通过U34光电耦合器TLP781隔离为K_RST信号，经P7接口的19脚接入宽带载波微功率双模通信模块；

核心板和宽带载波微功率双模通信模块的数据收发信号J_KZ_RXD和 J_KZ_TXD，通过光电耦合器U31、U33实现隔离传输，进而实现数据交互。

进一步，主板和核心板的接口单元包括U1和U9，其包含模块电路的状态信号、数据位信号、脉冲信号、复位信号、晶振信号、供电、使能信号、中断信号；

U1中，14脚STATE0_KZ是由宽带载波微功率双模通信模块的提供的状态位控制信号，39和40脚是5G全网通通信模块的门状态数据位，55-58脚是按键输入电路的开关信号，25-34脚是以太网通信模块的数据收发信号、时钟信号、使能信号，42脚是报警电路的触发信号，51脚和52脚是红外通信模块的收发信号位等；

U9中，14脚是嵌入式安全控制模块的控制位，20脚PB18对应红外通信模块的IR_38KHz引脚，27脚是电源系统的掉电检测信号。除此之外，系统辅助电路如掉电检测电路、液晶显示电路、维护接口均从此接口处引向核心板。

进一步，控制单元具体包括2路遥信信号、2路脉冲信号、1路门接点信号；

遥信输入1信号和直流12V供电并联一个4148二极管，当该信号位高电平时，U15光电耦合器TLP781不导通，信号不会耦合到后级，此时D11和上拉电阻R38连接，信号为高电平；当该信号位低电平时，U15导通，D11 信号和GND导通，为低电平；从而实现了信号的传递。

进一步，液晶显示电路，包含液晶显示器HGQQ160160A9、两个低功耗反向运算器SN74LV125DB、两个排阻RA17和RA18；通过两个低功耗反向运算器SN74LV125DB,U45将8位总线数据信号D0-D7反向后增加驱动能力，输入至液晶HGQQ160160A9的数据输入引脚；

U42将液晶的复位信号、片选信号、使能信号及收发信号反向后增加驱动力，输入至液晶屏的相位引脚；18脚BLA和16脚BLK分别是液晶屏的背光电源的正极和负极，18脚置3.3V高电平，16脚通过NPN三极管2N3904 和U1的46脚LCDBK相连，当LCDBK为高电平时，16脚和地导通，液晶屏点亮。

进一步，报警电路包括一路反向驱动器74HC14、NPN型三极管SS8050LT 一个，一个扬声器是LS1；当报警触发信号BEEPER为低电平时，U10的2脚输出高电平，三极管的1脚即基极为高电平，2脚和3脚导通，3脚即集电极变为GND，扬声器LS1压差为12V，即报警发声。

本实用新型的一种基于多模通信的仿真采集终端具有以下优点：

(1)主站连接速度更高、性能更稳定

上行通信采用5G全网通通信模块，采用NSA/SA双模，可灵活接入不同的5G模式网络。支持单芯全模，2G/3G/4G/5G全兼容，直接同步5G网络覆盖节奏，上行速率高达230Mbps，数据交互更高效，网络稳定性更好，功耗低，组网简单，维护成本低。

(2)增加了应用层的存储空间，数据交互用时更短

下行通信方式采用基于宽带载波微功率无线的双模通信方式，模块可同时向电力线并发多个载波数据帧的效果。如在同一时间内下发5-10条抄表命令，每块表应答时间为200-500毫秒。使得被抄终端表计和模块的“双向通信”，使得“智能互动”称为可能，如安装有宽带载波微功率双模通信模块的新设备具有入网主动上报和事件主动上报等功能。

(3)高度仿真采集终端的运行故障

结合信息采集终端的实际运行状态，本实用新型高度仿真了其计量类故障、显示类故障、通信类故障、系统类故障等，类型全、数量多，可以让学员可全方位地分析、排查故障原因和现象。可仿真的故障主要有⑴电参量设置错误故障、⑵误差超差故障、⑶液晶缺画故障、⑷液晶失效故障、⑸日计时误差超差故障、⑹RS-485通信故障、⑺RS-485短接故障、⑻终端功耗超标故障、⑼终端交流电压击穿故障、⑽CPU死机故障、⑾时钟电池欠压故障、⑿红外通信错误故障、⒀遥信输入故障、⒁网络口通信故障、⒂GPRS通信故障、⒃交流采样测量误差超差故障。

一种基于多模通信的仿真采集终端，通过中央主控单元进行资源配合协调，结合上行5G通信方式，兼容2G/3G/4G/5G通信方式，组网灵活；下行通信采用宽带载波微功率无线的模式，解决了单一通信模式下的抄表成功率低的局限性。实现了低功耗、高速率、性能稳定的仿真采集终端，在低压电力信息采集中优势明显。

附图说明

图1为本实用新型是一种基于多模通信的仿真采集终端的结构框图。

图2宽带载波微功率双模通信模块的原理框图。

图3以太网控制处理电路。

图4 5G全网通通信模块和以太网通信模块接口原理图。

图5宽带载波微功率双模通信模块接口原理图。

图6-1核心板U1接口定义图。

图6-2核心板U9接口定义图。

图7控制单元原理图。

图8液晶显示电路原理图。

图9报警电路原理图。

图10状态指示灯原理图。

图中标记说明：1、CPU；2、电流采样电路；3、电压采样电路；4、计量输出模块；5、存储器；6、红外通信模块；7、宽带载波微功率双模通信模块；8、显示屏；9、按键；10、报警装置；11、485通信模块；12、5G全网通通信模块；13、双模通信接口；14、485接口；15、红外接口；16、故障仿真电路；17、控制单元；18、以太网通信模块；19、以太网接口。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型一种基于多模通信的仿真采集终端做进一步详细的描述。

如图1-图9所示，本实用新型提供一种基于多模通信的仿真采集终端。该终端具有数据采集、数据处理与保存、远程抄表、购售电控制、负荷监控、配变参数测量、电能计量、交流采样、远程维护与远程软件升级、监控用电异常、各种现场故障模拟仿真等功能。其上行通信方式采用的是5G双模通信模式，充分利用了已经大规模运营的5G通信网络基站资源；下行通信方式采用的是基于宽带载波和微功率无线的通信模式，用来解决单一抄表方式在复杂抄表环境下数据抄读的不稳定和成功率低等局限性。

本实用新型中涉及到的关键技术如下：

1、基于正交频分复用的扩频技术

本实用新型考虑到传统的频分复用方法中各个子载波的频谱互不重叠，需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。鉴于此，本实用新型为减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而本实用新型采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠，但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。

2、信号汇集与控制技术

在载波通信过程中，要实现通信链路的可控，除需要纯净的环境外，还需要物理路径控制设备。本实用新型引入信号矩阵，通过信号矩阵实现了各节点的接入，同时链路上的衰减器可调，从而实现宽带载波各层级的调控。另根据实际需求，可配置1-3个独立的信号矩阵，实现真实电网三相电通信的仿真测试，可支持三相不平衡、台区档案识别、相位识别等高级扩展功能。

3、改进型自动寻址技术

改进型自动寻址技术，有效提高了通信的成功率。在电力线载波和微功率无线自动寻址技术基础上,将蚁群优化算法和泛洪原理相结合,研发出一种新的多节点智能路由方法。根据节点间的电气距离和物理距离,结合当前信道上的信号冲突状况，动态地建立和维护各通讯节点中继路由,提高通信的成功率。

如图1所示，一种基于多模通信的仿真采集终端，包括安装在仿真采集终端壳体内的电源、中央主控单元CPU1、电流采样电路2、电压采样电路3、计量输出模块4、存储器5、红外通信模块6、宽带载波微功率双模通信模块7、485通信模块11、故障仿真电路16、和5G全网通通信模块12，以太网通信模块18。

安装在仿真采集终端壳体上的控制单元17、显示屏8、按键9、报警装置10以及通信接口；5G全网通通信模块包括基带芯片、射频模组、存储模块、电源模块、接口电路。设计有双卡插槽，支持GPRS和CDMA电信运营商 SIM卡；

所述通信接口包括双模通信接口13、485接口14和红外接口15和以太网接口19；

所述中央主控单元CPU1分别与计量输出模块4、存储器5、红外通信模块6、宽带载波微功率双模通信模块7、显示屏8、按键9、报警装置10、485 通信模块11、故障仿真电路16以及5G全网通通信模块12、以太网通信模块18连接；所述计量输出模块4分别与电流采样电路2以及电压采样电路3 连接；所述红外通信模块6通过红外接口15与掌上电脑或者红外遥控器连接；

所述宽带载波微功率双模通信模块7与双模通信接口13连接；所述485 通信模块11与485接口14连接；

所述宽带载波微功率双模通信模块7采用SC3105H芯片，内核ARM926EJ 芯片，完成电力线载波通信和微功率无线通信的双模通信。

所述报警装置10包括声音报警装置和灯光报警装置。

所述系统电源包括外部接入电源和内部电源，外部接入电源连接三相电，通过降压整流滤波、稳压后为仿真采集终端提供对应的电压，内部电源采用内部备用电池供电。外部供电采用三相独立供电即只要有一相电压正常的情况下电表就能正常工作。此外内部电源供电方便在仿真采集终端外部电源切断的情况下查看仿真采集终端内部存储数据。

所述电流采样电路2以及电压采样电路3可将三相电压和电流分别经转换为采样信号，送入计量输出模块4的专用芯片，经AD转换后变换为数字信息，计算出各相电压、电流、功率、电能、等电参量并将这些数据送到相应的寄存器当中。

所述中央主控单元CPU 1,即中央处理单元(核心板)选用的是炫通电气科技的电力核心平台XT9X35A，该核心板硬件基于ATMEL AT91SAM9X35微处理器，软件是嵌入式操作系统LINUX。该模块主频400MHz，工作温度-40-85℃，供电范围1.71-3.6v。通信方式灵活，可支持多种主站和电表规约，并可按需进行扩展。通信信道可支持光纤、载波、双绞线、GPRS/CDMA等各种通信方式。本实用新型设计引出6个UART口，分别与红外通信模块、控制单元、宽带载波微功率双模通信模块(图2)、5G全网通通信模块、一路485通信模块、一路以太网接口相连。主板以太网通信模块接口由DM9161BIEP(图3) 实现。

所述中央主控单元CPU1用于分时计费和处理各种输入输出数据，通过 SPI接口将计量输出模块4的专用芯片的数据读出，并根据预先设定的时段完成分时有功电能计量和最大需量计量功能，根据需要其还负责显示各项数据，通过红外通信模块6、红外接口15、宽带载波微功率双模通信模块7、双模通信接口13、485通信模块11、485接口14进行通信传输、远程费控，完成运行参数的监测，并记录存储各种用电数据等。中央主控单元CPU1的外围连接有继电器，即故障仿真电路16，通过多个继电器的不同组合及程序设计实现软件、硬件、通信、指示、参数等不同类型的模拟仿真故障。

显示屏8为LCD液晶显示器，主要负责显示仿真采集终端的各项参数和计量数据。

通讯部分设置有独立的红外通讯、宽带载波微功率双模通信模块及两路独立的485通讯信道：当其中一种通讯信道发生故障时另外一路能及时的承担电网数据传送的任务。为了满足现场复杂的工作环境，避免因线路干扰，通信控制模块增加光耦进行光电隔离，有助于提高通信的可靠性。在485通信回路接入瞬变二极管防止脉冲电压信号干扰。

宽带载波微功率双模通信模块7是基于SC3105H芯片，内核ARM926EJ 芯片开发的通信模块，充分发挥了两种通信技术的优点，互相弥补其缺点，实现双模同时通信功能。

按键9包括数字输入键、菜单键、上移键、下移键、上翻页键和下翻页键等各种功能性按键。

图2是宽带载波微功率双模通信模块的原理框图，如图所示，本实施例提供的宽带载波微功率双模通信模块，具体为，一种通用宽带载波微功率双模通信模块，包括3.3V电源系统、处理器单元、射频单元、微功率无线通信模块、宽带载波通信模块和指示灯电路；

所述处理器单元包括载波通信处理器和外部晶体振荡器电路等基本外围电路；

所述微功率无线通信模块包括射频单元、匹配网络和收发天线；

所述射频单元包括射频收发IC、外部晶体振荡器、射频控制开关；

所述宽带载波通信模块包括电力线耦合电路、接收滤波电路、模拟解调电路、正交频分复用电路、载波发送电路和过零检测电路；

所述微功率无线通信模块及宽带载波通信模块通过UART-TTL转换电路实现两者间的通信匹配，并且所述微功率无线通信模块及宽带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或宽带载波通信方式；

3.3V电源系统将基表或者抄控器提供的直流电源进行DC-DC转换成 3.3V直流电源后供给指示灯电路、载波通信处理器、模拟解调电路、载波接收电路、正交频分复用电路、射频单元和UART-TTL接口转换模块；

所述载波发送电路的电源是由基表或抄控器提供给12V电源系统，经过 12V电源系统处理输送给载波发送电路。

所述载波通信处理器与射频单元进行信息交换，射频单元与匹配网络模块进行信息交换，匹配网络模块通过天线来发送信号和接收信号，其中，载波通信处理器将模拟或数字信息高速传输给射频单元，射频单元将从载波通信处理器接收到的模拟或数字信息转换成射频电流信息传输给匹配网络模块，匹配网络模块根据接收到的信号进行分析同步并且通过天线发送出去，匹配网络将从天线接收到的信号传输给射频单元进行转换成射频电流，射频单元将射频电流信息传输给载波通信处理器进行处理；所述载波通信处理器与UART-TTL接口转换模块进行信息交换，UART-TTL接口转换模块与基表或抄控器进行信息交换，其中，载波通信处理器与基表或抄控器通过TTL串口调试进行通信；载波通信处理器传输信息给载波发送电路，并通过信号耦合电路发出至电力线，其中，载波发送电路对数据处理控制单元传送的载波信号进行信号功率放大，并将放大后的载波信号传送到载波耦合电路；当电力线传来有效通信的载波信号时，信号耦合电路传输信息给载波接收电路，载波接收电路传输信息给模拟解调电路，模拟解调电路传输信息给载波通信处理器；信号耦合电路与电力线进行信息交换；电力线传输信息给过零检测电路，过零检测电路传输信息给载波通信处理器。

图3是以太网控制处理电路，如图所示，以太网接口控制处理电路选用DM9161BIEP，该芯片是一款完全集成的快速以太网物理层收发控制器，采用 3.3V单低电源供电和48脚封装模式，是采用较小工艺0.25um的10/100M 自适应的以太网收发器。支持全双工或半双工通信操作。具有省电模式、极低功耗模式等。芯片的1脚和2脚为模拟集电极电源，9脚是模拟发射极电源，均与3.3v连接，对地由增加滤波电容C78、C79、C80，防止对地交流干扰信号灌入供电引脚，供电低端同时连接5脚、6脚、46脚及47脚BGRESG。模拟部分的供电高端分别与DVDD23脚、30脚和41脚连接，低端与DGND15 脚、33脚、44脚连接，高低端之间并联4个X7R104滤波电容C81-C84。X7R104 芯片的基准工作频率由42脚REF-CLK/XT2提供给核心板控制接口单元U1的 27脚(图6-1)，同时由电源模块U44将基准电压提供至该接口的管脚，供核心板使用。19脚TXD1、20脚TXD0是发送器的数据位，21脚TXEN是控制使能引脚，控制数据发送。同理，28脚RXD1、29脚RXD0是数据接收器的数据位，31脚RXEN是控制使能引脚，控制数据接收。7脚和8脚分别是物理层接口发送端的正极和负极，3脚和4脚分别是物理层接口接收端的正极和负极，通过物理层的极性配置，实现物理层的组网连接。32脚MIDINTR是中断响应管脚，默认置高电平，当有芯片无数据响应时，输出中断信号，通过 EMDINTR将状态发送给核心板接口电路U1的21脚，等待核心板的处理。

图4是5G全网通通信模块和以太网通信模块接口原理图，如图所示，接口电路采用的是30pin的09189421接口器件，位于主板位置P1口，供插接5G全网通通信模块和以太网通信模块。接口中除4V供电引脚外，还引入了23脚TD+和24脚TD-信号，分别接以太网通信模块物理层接口发送端的正极和负极，以及25脚RD+和26脚RD-信号，分别接以太网通信模块物理层接口接收端的正极和负极。5脚和6脚是5G全网通通信模块的数据收发信号，16脚和17脚是5G全网通通信模块的门状态数据位。15脚G_ON/OFF是状态开关位，决定着5G全网通通信模块和以太网通信模块的选通状态。 G_ON/OFF为高电平时5G全网通通信模块有效，上行通信通过5G网络接入，当G_ON/OFF为低电平时，以太网通信模块有效，上行通信以太网接入。

图5是宽带载波微功率双模通信模块接口原理图，如图所示，接口电路采用的是30pin的09189421接口器件，位于主板位置P7口，是宽带载波微功率双模通信模块的插口。宽带载波微功率双模通信模块的状态控制信号 K_STATE0经510欧的匹配电阻R72后，接入U32光电耦合器TLP781，输出为状态控制信号STATE0_KZ。光电耦合器不导通时，由于接入了上拉电阻R70 和3.3V的高电平,STATE0_KZ电平状态为高电平，当光电耦合器导通时，STATE0_KZ和GND导通，变为低电平状态。该状态控制信号和核心板接口U1 的14脚连接，进而输入核心板。核心板的复位信号RST_KZ通过U34光电耦合器TLP781隔离为K_RST信号，经P7接口的19脚接入宽带载波微功率双模通信模块。同理，核心板和宽带载波微功率双模通信模块的数据收发信号 J_KZ_RXD和J_KZ_TXD，通过光电耦合器U31、U33实现隔离传输，进而实现数据交互。

图6核心板U1和U9接口定义图,如图所示，U1和U9是主板和核心板的接口单元，包含有图1中所有模块电路的状态信号、数据位信号、脉冲信号、复位信号、晶振信号、供电、使能信号、中断信号等。如U1中，14脚STATE0_KZ 是由宽带载波微功率双模通信模块的提供的状态位控制信号，39和40脚是 5G全网通通信模块的门状态数据位，55-58脚是按键输入电路的开关信号， 25-34脚是以太网通信模块的数据收发信号、时钟信号、使能信号，42脚是报警电路的触发信号，51脚和52脚是红外通信模块的收发信号位等。U9中， 14脚是嵌入式安全控制模块的控制位，20脚PB18对应红外模块的IR_38KHz 引脚，27脚是电源系统的掉电检测信号。除此之外，系统辅助电路如掉电检测电路、液晶显示电路、维护接口均从此接口处引向核心板。

图7是控制单元原理图,如图所示，显示的是控制单元的输入原理图，2 路遥信信号、2路脉冲信号、1路门接点信号。以遥信输入1为例，遥信输入1信号和直流12V供电并联一个4148二极管，当该信号位高电平时，U15 光电耦合器TLP781不导通，信号不会耦合到后级，此时D11和上拉电阻R38 连接，信号为高电平。当该信号位低电平时，U15导通，D11信号和GND导通，为低电平。从而实现了信号的传递。其它4路信号传输原理相同。

图8是液晶显示原理图，如图所示，该电路显示的是主板的辅助电路，液晶显示电路，包含液晶显示器HGQQ160160A9、两个低功耗反向运算器 SN74LV125DB、两个排阻RA17和RA18。其实施方式是：通过两个低功耗反向运算器SN74LV125DB,U45将8位总线数据信号D0-D7反向后增加驱动能力，输入至液晶HGQQ160160A9的数据输入引脚。U42将液晶的复位信号、片选信号、使能信号及收发信号反向后增加驱动力，输入至液晶屏的相位引脚。18 脚BLA和16脚BLK分别是液晶屏的背光电源的正极和负极，18脚置3.3V高电平，16脚通过NPN三极管2N3904和U1的46脚LCDBK相连，当LCDBK为高电平时，16脚和地导通，液晶屏点亮。

图9是报警电路原理图，如图所示，报警电路包括一路反向驱动器 74HC14、NPN型三极管SS8050LT一个，一个扬声器是LS1。当报警触发信号 BEEPER为低电平时，U10的2脚输出高电平，三极管的1脚即基极为高电平，2脚和3脚导通，3脚即集电极变为GND，扬声器LS1压差为12V，即报警发声。

图10是状态指示灯原理图，核心板信号LED_RUN和LED_ERR分别表示主板正常运行状态和错误允许状态。当正常运行时，LED_RUN为高电平， LED_ERR为低电平，此时，LED1导通发光，指示为正常运行。反之，LED2 指示为错误运行状态。

本实用新型的设计实现了以下功能及特点：

1、由于扩频技术的使用，提高了频带的利用率，有效降低了不同频带之间的频谱重叠和数据抄读干扰等。

2、可靠性表现良好。基于双模通信的数据模块运用广泛验证的TCP/IP 网络技术，具有完善的链路层和网络层数据保护与验证，远非各种轻量级的结点组织和中继算法可比。并且，可以在极短的时间内完成数据传输，可大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可迅速进行重发，确保数据可靠。

3、数据安全性得到明显提升。除了应用层的数据加密，宽带载波在链路层支持DES、3DES、AES等高强度加密算法，数据通信安全性高。

4、优越的可扩展性。在窄带载波较有优势的通信距离上，宽带载波通过OFDM等高性能调制方式，以及完善的中继组网机制，完全可以满足当前大部分台区的应用需求。

本实用新型达到的良好效果如下：

1、上行通信兼容了2G/3G/4G/5G模式及GPRS，采用NSA/SA双模，可灵活接入不同的5G模式网络。支持单芯全模，直接同步5G网络覆盖节奏，连接主站更加高效快捷，稳定，维护成本低。

2、下行通信设备结合两种以上通信技术，通信效果有质的提高，微功率无线通信技术与高速宽带载波通信技术的结合解决了高速宽带载波技术在空间局限性的问题同时又保留原高速宽带载波技术的稳定性。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于多模通信的仿真采集终端，包括主壳体，主壳体上设置壳体内部附件和壳体外部附件，其特征在于，壳体内部附件包括中央主控单元CPU(1)及外围模块；外围模块包括分别与中央主控单元CPU(1)电性连接的计量输出模块(4)、存储器(5)、红外通信模块(6)、宽带载波微功率双模通信模块(7)、485通信模块(11)、5G全网通通信模块(12)、故障仿真电路(16)、以太网通信模块(18)和系统电源；

计量输出模块(4)分别与电流采样电路(2)以及电压采样电路(3)连接；红外通信模块(6)通过红外接口(15)与掌上电脑或者红外遥控器连接；宽带载波微功率双模通信模块(7)与双模通信接口(13)连接；485通信模块(11)与485接口(14)连接；以太网通信模块(18)和以太网接口(19)连接；5G全网通通信模块(12)和上位机连接；故障仿真电路(16)，主要由驱动电路和控制继电器组成；系统电源包括外部接入电源和内部电源，外部接入电源连接三相电，通过降压整流滤波、稳压后为仿真采集终端提供对应的电压，内部电源采用内部备用电池供电；

壳体外部附件包括与中央主控单元CPU(1)连接的控制单元(17)、显示屏(8)、按键(9)、报警装置(10)以及通信接口。

2.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，宽带载波微功率双模通信模块(7)包括3.3V电源系统、处理器单元、射频单元、微功率无线通信模块、宽带载波通信模块和指示灯电路；

处理器单元包括载波通信处理器和外部晶体振荡器电路基本外围电路；

射频单元包括射频收发IC、外部晶体振荡器、射频控制开关；

微功率无线通信模块包括射频单元、匹配网络和收发天线；

宽带载波通信模块包括电力线耦合电路、接收滤波电路、解调转换电路、正交频分复用电路、发送控制电路和过零检测电路；

微功率无线通信模块及宽带载波通信模块通过UART-TTL转换电路实现两者间的通信匹配，并且微功率无线通信模块及宽带载波通信模块根据接收的信号进行分析同步来自动选择微功率无线通信方式或宽带载波通信方式；

3.3V电源系统将基表或者抄控器提供的直流电源进行DC-DC转换成3.3V直流电源后供给处理器单元、射频单元、微功率无线通信模块、宽带载波通信模块和指示灯电路。

3.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，中央主控单元CPU(1)1设计引出6个UART口，分别与红外通信模块(6)、控制单元(17)、宽带载波微功率双模通信模块(7)、5G全网通通信模块(12)、一路485通信模块(11)、一路以太网通信模块(18)相连。

4.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，以太网控制处理电路采用3.3V单低电源供电和48脚封装模式，芯片的1脚和2脚为模拟集电极电源，9脚是模拟发射极电源，均与3.3v连接，对地由增加滤波电容C78、C79、C80，防止对地交流干扰信号灌入供电引脚，供电低端同时连接5脚、6脚、46脚及47脚BGRESG；

模拟部分的供电高端分别与DVDD23脚、30脚和41脚连接，低端与DGND15脚、33脚、44脚连接，高低端之间并联4个X7R104滤波电容C81-C84；X7R104芯片的基准工作频率由42脚REF-CLK/XT2提供给核心板控制接口单元U1的27脚，同时由电源模块U44将基准电压提供至该接口的管脚，供核心板使用；

19脚TXD1、20脚TXD0是发送器的数据位，21脚TXEN是控制使能引脚，控制数据发送；

28脚RXD1、29脚RXD0是数据接收器的数据位，31脚RXEN是控制使能引脚，控制数据接收；

7脚和8脚分别是物理层接口发送端的正极和负极，3脚和4脚分别是物理层接口接收端的正极和负极，通过物理层的极性配置，实现物理层的组网连接；

32脚MIDINTR是中断响应管脚，默认置高电平，当有芯片无数据响应时，输出中断信号，通过EMDINTR将状态发送给核心板接口电路U1的21脚，等待核心板的处理。

5.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，5G全网通通信模块(12)和以太网通信模块(18)的接口，接口电路采用的是30pin的09189421接口器件，位于主板位置P1口，供插接5G全网通通信模块(12)和以太网通信模块(18)；接口中除4V供电引脚外，还引入了23脚TD+和24脚TD-信号，分别接以太网通信模块(18)物理层接口发送端的正极和负极，以及25脚RD+和26脚RD-信号，分别接以太网通信模块(18)物理层接口接收端的正极和负极；

5脚和6脚是5G全网通通信模块(12)的数据收发信号，16脚和17脚是5G全网通通信模块(12)的门状态数据位；15脚G_ON/OFF是状态开关位，决定着5G全网通通信模块(12)和以太网通信模块(18)的选通状态；G_ON/OFF为高电平时5G全网通通信模块(12)有效，上行通信通过5G网络接入，当G_ON/OFF为低电平时，以太网通信模块有效，上行通信以太网接入。

6.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，宽带载波微功率双模通信模块，接口电路采用的是30pin的09189421接口器件，位于主板位置P7口，是宽带载波微功率双模通信模块的插口；宽带载波微功率双模通信模块的状态控制信号K_STATE0经510欧的匹配电阻R72后，接入U32光电耦合器TLP781，输出为状态控制信号STATE0_KZ；光电耦合器不导通时，由于接入了上拉电阻R70和3.3V的高电平,STATE0_KZ电平状态为高电平，当光电耦合器导通时，STATE0_KZ和GND导通，变为低电平状态；该状态控制信号和核心板接口U1的14脚连接，进而输入核心板；核心板的复位信号RST_KZ通过U34光电耦合器TLP781隔离为K_RST信号，经P7接口的19脚接入宽带载波微功率双模通信模块；

核心板和宽带载波微功率双模通信模块的数据收发信号J_KZ_RXD和J_KZ_TXD，通过光电耦合器U31、U33实现隔离传输，进而实现数据交互。

7.根据权利要求6所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，主板和核心板的接口单元包括U1和U9，其包含模块电路的状态信号、数据位信号、脉冲信号、复位信号、晶振信号、供电、使能信号、中断信号；

U1中，14脚STATE0_KZ是由宽带载波微功率双模通信模块的提供的状态位控制信号，39和40脚是5G全网通通信模块(12)的门状态数据位，55-58脚是按键(9)输入电路的开关信号，25-34脚是以太网通信模块(18)的数据收发信号、时钟信号、使能信号，42脚是报警电路的触发信号，51脚和52脚是红外通信模块(6)的收发信号位；

U9中，14脚是嵌入式安全控制模块的控制位，20脚PB18对应红外模块的IR_38KHz引脚，27脚是电源系统的掉电检测信号；系统辅助电路均从此接口处引向核心板。

8.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，控制单元(17)具体包括2路遥信信号、2路脉冲信号、1路门接点信号；

遥信输入1信号和直流12V供电并联一个4148二极管，当该信号位高电平时，U15光电耦合器TLP781不导通，信号不会耦合到后级，此时D11和上拉电阻R38连接，信号为高电平；当该信号位低电平时，U15导通，D11信号和GND导通，为低电平；从而实现了信号的传递。

9.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，液晶显示电路，包含液晶显示器HGQQ160160A9、两个低功耗反向运算器SN74LV125DB、两个排阻RA17和RA18；通过两个低功耗反向运算器SN74LV125DB,U45将8位总线数据信号D0-D7反向后增加驱动能力，输入至液晶HGQQ160160A9的数据输入引脚；

U42将液晶的复位信号、片选信号、使能信号及收发信号反向后增加驱动力，输入至液晶屏的相位引脚；18脚BLA和16脚BLK分别是液晶屏的背光电源的正极和负极，18脚置3.3V高电平，16脚通过NPN三极管2N3904和U1的46脚LCDBK相连，当LCDBK为高电平时，16脚和地导通，液晶屏点亮。

10.根据权利要求1所述的基于多模通信的仿真采集终端，其特征在于，报警电路包括一路反向驱动器74HC14、NPN型三极管SS8050LT一个，一个扬声器是LS1；当报警触发信号BEEPER为低电平时，U10的2脚输出高电平，三极管的1脚即基极为高电平，2脚和3脚导通，3脚即集电极变为GND，扬声器LS1压差为12V，即报警发声。

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