专利名称：嵌入式低压电力载波通讯控制处理器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用低压电力线作为信息传输信道，能方便地嵌入到其他装置中的带有控制功能的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器。
背景技术：
低压电力配电网(～380V/～220V)是居民生活中覆盖面最广且入户率最高的一种物理网络。随着电子技术和信息技术的发展，利用低压民用配电网作为信息的传输介质已成为现实，并且形成不同的应用层面，高端的可用电力线上互联网，低端的可利用电力线载波集中抄表(包括电表，水表和煤气表)。但目前的载波集抄系统产品普遍存在如下几个问题1、产品电路设计过于复杂，成本高、生产调试环节多，造成成品性能指标离散性大，难以适应标准化的大批量生产。
2、产品电路设计不合理，在实际应用中抗干扰能力差，从而影响信息传输的精确性和稳定性，难以达到普及应用的标准。
3、为单一应用设计，通用性差，无法方便的移植到其它的应用设置中。
实用新型内容本实用新型的目的就是设计一种利用低压电力线作为信息传输信道，能方便地嵌入到其他装置中的带有控制功能的电路简单、性能稳定、抗干扰能力强信息传输精确的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器。
本实用新型所述的电路简单可靠的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器电路板由十个部分电路组成低压(～220V)电力线耦合电路、输入前置电路、输出功放电路、扩频电路、中央管理电路、信号采集接口电路、控制输出接口电路、数据存储电路、通讯接口电路、电源接口电路，低压(～220V)电力线耦合电路一边接入(～220V)民用电力网，另一边连接于输入前置电路和输出功放电路，输入前置电路连接扩频电路，扩频电路与输出功放电路相连，扩频电路还与中央管理电路连接，同时中央管理电路还与信号采集接口电路、控制输出接口电路、数据存储电路、通讯接口电路连接。
低压(～220V)电力线耦合电路包括线圈T1，保护压敏电阻PTC1、高压电容HCI、保护瞬变抑制器TVS1组成，在耦合线圈T1的初极，PTC1并接在200V线路上，HCI串接在220V线路上，TVS1并接在T1的次极上，PTC1吸收电线的浪涌电压，HCI阻掉线路上50Hz的工频电压，TVS1起到对电路的二级保护，上述电路去掉了～220V的干扰，保证有用的通讯信号顺利进入到前置电路中。
通讯信号通过电阻R2从耦合电路输至前置电路，前置电路由限流电阻R2、嵌位二极管D1、D2、耦合电容C6、C9、谐振电路的电感L1和谐振电容C8、工作电阻R3、R4、R5、R6、R7、电容C7和三极管Q1组成，R2的一端连接嵌位二极管D1、D2、C6、D1、D2另一端接地，C6的另一端接Q1的基极，L1的一端接C8同时接Q1的集电极，L1中心抽头通过电阻R7接到电源VCC上，C9的一端接Q1的集极，另一端接U2的20脚。D1、D2把输入信号的电压嵌位在1V左右，使三极管Q1工作在放大区，L1和电容C8组成并联谐振电路，谐振点在120KHz，C6耦合过来的信号经Q1、L1、C8谐振放大后，通过电容C9进入扩频电路。
扩频电路是由电力线载波通讯专用芯片U2、电容C13、C14、C15、C16、C17、C18、电容E1、去干扰电阻R1、工作晶振X1和时钟晶振X2、时钟后备电池BATTERY组成扩频电路，扩频芯片U2的4、5、6、7、8、9脚与中央管理电路的单片机U1的各个I/O管脚相连接，U2的10管脚与U3的7脚相连接，同时通过反向器连接U1的4脚，U2的7脚与电阻R10、LED2、+5V依次串联，U2的15脚与输出功放电路的C11与C12连接。U2芯片把在电力线上传输的信号作15位的直序扩频调置和解调，其基带信号是500dps，载波120KHz，如果是传输到电力线上的信号则由扩频电路把基带信号调置后经过输出功放电路放大输出。在扩频电路中，扩频芯片U2对20脚输入信号进行解扩，还原的基带信号通过U2的4、5、6、7、8、9脚传给中央管理电路的单片机U1的各个I/O管脚，U2的10脚作为电路的复位信号，与U3的7脚连接的同时经U4的5脚反相后与U5的4脚连接，作为U1的复位信号。LED2用以指示U2的工作情况。
输出功放电路由耦合电容C11、C12、对管Q2、Q3、Q4、Q5、保护二极管D5、D6、D3、D4和电阻R12、R13、滤波电容C10和滤波电感L2组成，U2的15脚通过C11、C12、R12、R13与Q2、Q3的基极相连接，Q2的集电极接Q4的基极，Q3的集电极Q5的基极，组成复合放大电路，Q4的发射极和Q5的发射极分别通过两个二极管D5、D6与C10一端相连接，C10的另一端通过滤波电感L2与耦合电路的T1次极相接。
中央管理电路由单片机U1、复位反相器U4C、判断接口J4、工作指示电路的电阻R11、R10、R19、发光二极管LED1、LED2、去耦电容E2、C4组成，单片机U1通过信号线R_T、SYNC、RX_TX、SDA、SCLK、WDI和经过反相器U4C的RST信号线与扩频电路的扩频芯片U2相连接，电阻R19一端接+5V，另一端接J4的2脚，判断接口J4是两针的短路端子插件，在实际应用中嵌入在U1中的监控程序通过单片机的相应的口线读取J4的状态，LED1由U1的软件控制作工作状态指示，LED2是电力线通讯收发状态指示。
数据存储电路由芯片U3组成，通过信号线SCLK、RST、SDA与单片机U1的I/O脚连接，芯片U3可存储重要工作数据。
控制输出接口电路电芯片U5和接口P2组成，芯片U5的3脚连接到单片机U1的17脚，芯片U5的7脚与单片机U1的18脚相接，由单片机U1的程序控制芯片U5的输出，芯片U5可以输出400mA电流，足以推动微型阀和各种继电器。
信号采集接口电路由整形电路U4A、U4C、滤波阻容R14、R15、R16、R17、R18、C2、C3、C5、接口J1、J5组成，R14和R18一端分别与上拉电阻R15和R17相接，R14另一端与积分电容C2和U4A的1脚连接作信号整形，R18另一端接积分电容C3和U4B的3脚作信号整容，电容C5作为电源去偶电容，接口J1与外部信号输入相连接，U4A、U4C通过J5与通讯接口与信号接口复用的接插件P1连接。通讯接口电路由通讯接口与信号接口复用的接插件P1组成，如果实际应用需要与本处理器以外的其它电路转发电力线上的通讯信息，则断开J5与P1连接，而P1直接与外部其它电路的通讯线连接，在U1的控制下按照双方约定好的通讯协议转发数据。
本实用新型所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，提供了以下与外界联系的接口信号采集接口电路、控制输出接口电路、数据存储电路、通讯接口电路，从而实现的产品通用化的设计。
通过信号采集接口电路和抗干扰性能优越的芯片接收外部传感器输出的信号，这些信号可以是电表的脉冲信号、水表和气表的开关信号，还可以是其它应用中的不同信号，如一个机械装置的行程开关信号，温度、水位预置信号等。
控制输出接口电路可以直接控制外部的继电路，可储存如表底数等重要参数。
通讯接口电路提供的跨电力载波通讯外延接口，便于向其它智能电路转发电力线上的通讯数据。这样，使本处理器既可以成为一个用低压电力线载波作为通讯平台以实现数据采集、计量、控制的独立产品，如载波电表、载波水表、载波气表，又可以作为一个电力载波通讯的调置解调设置嵌入到其它产品中，如家用电路自动控制设置等，使原有产品具备低压电力线载波通讯的功能。
综上所述，本实用新型的贡献在于使低功能载波通讯控制设施满足以下功能便于标准化的批量生产，从而实现了其商品的要求；增强了信号在低压电力线上传输的稳定性和可靠性，大大降低了信号的遗失率和误码率；增强了产品的通用性，便于嵌入到不同功能的产品中使用，例如载波电表、载波水表、载波气表以及其它家用电器或安全设施的自动控制装置等。
图1本实用新型的原理方框图图2本实用新型的电路原理图具体实施方式
低压(～220V)电力线耦合电路(1)包括耦合线圈T1、保护压敏电阻PTC1、高压电容HC1、保护瞬变抑制器TVS1组成。在耦合线圈T1的初极，PTC1并接在～200V线路上，HC1是0.22u/275V电容，串接在～220V线路中，TVS1是P6KE18C、并在T1的次极，耦合电路(1)由电阻R2与前置电路(2)相接，前置电路(2)由限流电阻R2(1K)、嵌位二极管D1(1N4148)、D2(1N4148)、耦合电容C6(0.33u)、C9(0.47u)、谐振电路的电感L1(1mH)和谐振电容C8(1500p)、工作电阻R3(33K)、R4(62K)、R5(47)、R6(20K)、R7(100)、电容C7(0.33u)和三极管Q1(9014)组成。R2的一端连接嵌位二极管D1、D2、C6，D1、D2的另一端接地，C6另一端接Q1的基极。在输入前置电路(2)中，L1和电容C8组成并联谐振电路，L1一端接C8同时接Q1的集电极，L1中心抽头通过电阻R7(100)接到电源VCC上，C9的一端接Q1的集极，另一端接U2(PL2101S-24SI)的20脚。
由第三代电力线载波通讯专用芯片PL2101S-24SI构成核心芯片U2，与电容C13(0.1u)、C14(10p)、C15(10p)、C16(0.01u)、C17(22p)、C18(22p)、E1(100u/16V)电容、去干扰电阻R1(10)、工作晶振X1(9.6M)和时钟晶振X2(32.768k)、时钟后备电池BATTERY组成了扩频电路(4)。U2的4、5、6、7、8、9管脚与中央管理电路(5)由PIC16CR58构成的单片机U1的各个I/O管脚相接。U2的10脚直接连到U3(24C01)的7脚，同时经U4(74HC14)的5脚反相后，接U1的4脚，U2的7脚与电阻R10、LED2、+5V依次串联，U2的15脚接到输出功放电路3的C11与C12上。
输出功能电路(3)由耦合电容C11(0.01u)、C12(0.01u)、对管Q2(9015)、Q3(9014)、Q4(1815)、Q5(1015)、保护二极管D5(4148)、D6(4148)、D3(5.1V)、D4(5.1V)和电阻R12(4.7K)、R13(4.7K)、滤波电容C10(2.2u)和滤波电感L2组成。U2的15脚经C11、C12、R12、R13接到Q2、Q3的基极，Q2的集电极接Q4的基极，Q3的集电极接Q5的基极。Q4发射极和Q5的发射极经过D5、D6两个二极管接至C10，从C10另一端通过滤波电感L2与耦合电路1的T1次极相接。
中央管理电路(5)由U2单片机PIC16CR58、复位反相器U4C(74HC14)、判断接口J4(CON2)、工作指示电路的电阻R11(1K)、R10(470)、R19(10K)、发光二极管LED1、LED2、去耦电容E2(100u/16V)、C4(0.1u)组成。PIC16CR58通过信号线R-T、SYNC、RX-TX、SDA、SCLK、WDI和经过U4C反相器的RST信号与扩频电路(4)的PL2101S-24SI相连。电阻R19一端接+5V，另一端接J4的2脚。判断接口J4是2针的短路端子插针，在实际应用中嵌入在PIC16CR58中的监控程序通过单片机的相应的口线读取J4的状态。LED1由单片机的软件控制作工作状态指示，LED2的电力线通讯收发状态指示。
数据存储电路(8)由U3(24C01)组成，通过信号SCLK、RST、SDA与PIC16CR58的I/O脚连接。
控制输出接口电路(7)由U5(BH3024)和接口P2(CON2)组成，BH3024的3脚连接到PIC16CR58的17脚，BH3024的7脚连接到PIC16CR58的18脚。
信号采集接口电路(6)由整形电路U4A(74HC14)、U4C(74HC14)、滤波阻容R14(100)、R15(10K)、R16(680)、R17(10K)、R18(100)、C2(0.01u)、C3(0.01u)、C5(90.1u)、接口J1(CON5)、J5(CON2)组成。R14和R18一端分别接上拉电阻R15和R17，R14另一端接积分电容C2和U4A的1脚，R18另一端接积分电容C3和U4B的3脚。电容C5一端与C2相连，另一端与R15相连，并接+5V。接口J1与外部的信号输入相连，U4A、U4C通过J5与通讯接口与信号接口复用的接插件P1连接，或断开J5与P1的连接，P1直接与外部其他电路的通讯线连接，在PIC16CR58控制下按照双方约定好的通讯协议转发数据。
权利要求1.一种嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，它是由低压电力线耦合电路、输入前置电路、输出功放电路、扩频电路、中央管理电路、信号采集接口电路、控制输出接口电路、数据存储电路、通讯接口电路、电源接口电路组成，其特征在于低压电力线耦合电路(1)一边接入民用电力网，另一边连接于输入前置电路(2)和输出功放电路(3)，输入前置电路连接扩频电路，扩频电路(4)与输出功放电路相连接，扩频电路还与中央管理电路相连接，同时中央管理电路(5)还与信号采集接口电路(6)、控制输出电路(7)、数据存储电路、通讯接口电路(9)连接。
2.根据权利要求1所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，其特征在于扩频电路(4)的电力线载波专用芯片U2的4、5、6、7、8、9脚与中央管理电路(5)的单片机U1的各个I/O管脚相连接，U2的10管脚与U3的7脚相连接，同时通过反向器连接U1的4管脚。
3.根据权利要求2所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，其特征在于电力载波专用芯片U2为PL2101S-24SI芯片。
4.根据权利要求2所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，其特征在于中央管理电路(5)的单处机U1为PIC16CR58芯片。
5.根据权利要求1所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，其特征在于扩频电路(4)的电力线载波专用芯片U2的7脚与电阻R10、LED2、电源+5V依次串接。
6.根据权利要求1所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，其特征在于信号采集接口电路(6)的芯片U4的管脚2和4通过J5与通讯接口与信号接口复用的接插件P1连接，或断开J5与P1的连接，P1直接与外部其它电路的通讯线连接。
7.根据权利要求1所述的嵌入式低压电力载波通讯控制处理器，其特征在于输入前置电路(2)的L1与C8共同连接到三极管的集电极。
专利摘要本实用新型涉及能方便的嵌入到其它装置中的带控制功能的低压电力载波通讯控制处理器，提供了与外界联系的信号采集接口、控制输出接口、通讯接口等多种接口，自身就可以完成对外部信号的采集、计量、控制、通讯转发等功能，既可以是一个独立的用低压电力线作通讯信道的数据采集、计量、控制、通讯转发产品，又可以作为电力载波通讯调制解调单元嵌入到其它产品中，线路简单，性能稳定，抗干扰能力强，信息传输精确，没有可调元件，易于批量生产。
文档编号H04B3/54GK2606985SQ0324306
公开日2004年3月17日 申请日期2003年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者曹彤, 黎展 申请人:北京华运电利载波技术公司