专利名称：基于2Mbps的低压电力线高速数据通信系统及其网络适配器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种低压电力线网络适配器和在低压配电网上实现数据通信的系统，特别涉及电力线高速网络适配器和低压电力线高速数据通信系统。
背景技术：
电力线通信技术是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式，多年来被电力公司作为一种通信手段，在中高压输电网上通过电力载波机利用较低的频率(9～490kHz)传输较低速率(300～600bps)的远动数据或话音。随着国内城乡配电网改造和建设的兴起，有不少厂商开始研制用于中压配电网通信的配电载波机，数据传输速率仅达到1200bps。在低压(220V)领域，PLC(电力线通信)技术主要被用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低。
近年来，随着因特网(Internet)技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增加。现在，可采用多种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，而电力线通信以其特有的优点越来越为用户所接受。同其他的连接方式相比，电力线通信具有如下优点充分利用现有的低压配电网基础设施，无须任何布线，是一种“No New Wires”(无须重新布线)技术，节约了资源。无须挖沟、无须穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏，同时也节省了人力。低压电力线网络适配器是实现电力线通信的核心部件。但现有技术中，通过低压电力线的接入设备传输速率低(几千bps)，而现有的能达到兆级bps的接入设备结构复杂，成本很高，因此妨碍了其广泛的应用。因此，需要一种新的结构简单、低成本的电力线高速网络适配器和低压电力线高速数据通信系统。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种利用结构简单、低成本的电力线高速网络适配器，以及利用本发明的低压电力线网络适配器实现速率达到2Mbps的低压电力线高速数据通信系统。根据本发明的低压电力线高速数据通信系统充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，为用户提供高速因特网访问服务。
根据本发明的一个方面，提供了一种低压电力线网络适配器，包括电力线网络控制器，用于对发送和接收的数据进行控制和处理，并提供给外围设备的接口；和电力线数据接入队列，用于数据的接收和发送，在发送方向，电力线数据接入队列对发送的数据进行滤波和驱动，在接收方向，电力线数据接入队列将接收的信号分成多路载波，分别将他们与多个本地产生的振荡信号混频产生多个信号送入到电力线网络控制器。
所述电力线网络控制器可以包括微处理器，用于管理电力线网络控制器，控制电力线网络控制器的所有单元，执行外部ROM中保存的代码；接收装置，用于从电力线数据接入队列接收数据；发送装置，用于将数据发送到电力线数据接入队列。
所述电力线数据接入队列可以包括接收通道滤波逻辑单元，用于接收来自电力线的信号；数模转换器，用于将来自电力线网络控制器的数字信号转换为模拟信号；发送通道滤波逻辑单元，用于将来自电力线网络控制器经过数模转换的数据经过电力线接口发送到电力线上。
所述接收通道滤波逻辑单元可以包括多个载波通道，并具有多个接收通道滤波逻辑子单元，每个接收通道滤波逻辑子单元设置在一个载波通道上。
每个所述接收通道滤波逻辑子单元可以包括带通滤波器，对输入的信号进行带通滤波；中频子系统，包括混频器、放大器、限幅器；晶振，用于产生振荡频率；第二滤波器，用于对经混频器混频后的信号进行滤波，其中带通滤波器滤波后的信号在混频器与晶振产生的振荡频率混频，混频后的信号再通过第二滤波器滤波，被限幅器转化为数字信号。
优选地，所述多个载波通道可以为4个载波通道。
优选地，对于每一接收通道滤波逻辑子单元，带通滤波器滤波后的信号在混频器与晶振产生的振荡频率混频得到的信号的频率为10.7MHz。
优选地，发送通道滤波逻辑单元为带通滤波器。
其中电力线网络控制器可以用美国Inari公司的IPL0201芯片实现，电力线网络控制器中的内部微处理器可以为8051微处理器。
根据本发明的一个方面，提供了一种利用根据本发明的低压电力线网络适配器构建的低压电力线高速数据通信系统，包括与用户设备连接的低压电力线网络适配器；和与外部接入网络连接的主站，其中，主站也包括一个低压电力线网络适配器，除与外部连接的接口不同外，与用户设备连接的低压电力线网络适配器和主站中包括的低压电力线网络适配器是相同的。该低压电力线高速数据通信系统可以实现2Mbps的传输速率。
根据本发明的低压电力线高速数据通信系统可以解决宽带到小区后的最后300米问题，实现自配电开关柜或电表间至用户家庭的电力线宽带接入网，无需布线、无需穿墙打洞、不破坏装修，节省人力物力。是宽带入户的理想解决方案。
以下附图提供对本发明的进一步说明，构成说明书的一部分，说明本发明的实施例，与文字说明一起解释本发明原理。
图1是根据本发明的低压电力线网络适配器结构图；图2是根据本发明的电力线数据接入队列PDAA的结构图；
图3是根据本发明的电力线数据接入队列PDAA中的接收通道滤波器的结构图；图4是根据本发明的电力线数据接入队列PDAA中的带通滤波器框图；图5是根据本发明的低压电力线网络适配器的具体电路图；图6表示根据本发明的低压电力线高速数据通信系统结构图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的低压电力线网络适配器结构图。该低压电力线网络适配器包括电力线网络控制器，用于对发送和接收的数据进行控制和处理，并提供给外围设备的接口；和电力线数据接入队列(PDAA，Powerline Data Access Arrangement)，用于数据的接收和发送，在发送方向，电力线数据接入队列对发送的数据进行滤波和驱动，在接收方向，电力线数据接入队列将接收的信号分成多路载波，分别将他们与多个本地产生的振荡信号混频产生多个信号送入到电力线网络控制器。
该低压电力线网络适配器还包括线路耦合器件(未示出)，用于隔离了电力线上的高压。
电力线网络控制器是2Mbps低压电力线网络适配器中的关键器件。本发明的电力线网络控制器包括一个内部的微处理器负责管理电力线网络控制器，控制电力线网络控制器的所有单元，执行外部ROM中保存的代码；接收装置，用于从电力线数据接入队列PDAA接收数据；发送装置，用于将数据发送到电力线数据接入队列PDAA。该电力线网络控制器还可以包括缓存(Buffer RAM)，用于缓存数据；微处理器接口单元(Microcontroller Interface)，其是支持数据流功能部件的接口集合。电力线网络控制器可以例如采用美国Inari公司的IPL0201芯片，电力线网络控制器中的内部微处理器可以例如8051微处理器。电力线网络控制器通过外部的“电力线数据接入队列”PDAA同电力线相连。
在电力线网络控制器中，微处理器也负责将数据移入和移出电力线网络控制器。微处理器从连接到其外部端口的外设或外部数据总线读取数据，并保存到电力线网络控制器内的缓存Buffer RAM中，然后处理程序激活发送装置，该发送装置可以在没有微处理器的干预下发送数据。在接收数据时，接收装置直接将收到的数据放入缓存Buffer RAM中，然后产生一个中断给微处理器，其依次将数据转化为可以传输到外设的格式。电力线网络控制器中的发送装置和接收装置都包含串并转换器。
在低压电力线网络适配器数据通过例如四个载波通道采用BPSK(binary phase-shift keying)或QPSK(quadrature phase-shiftkeying)调制方式传输。
本领域技术人员知道，电力线信道随着时间、地点其信号传输特性、阻抗特性和衰减特性是不一样的，这样的线路特性非常不利于信号的传输，因此为了实现稳定可靠的信号传输，本发明的电力线网络控制器采用了电力线数据接入队列PDAA，如图2所示。在这个电力线数据接入队列PDAA中，使用了四个载波通道，每个载波通道传输相同的信息，当线路特性不好时，四路载波通道同时发送数据，实现数据的稳定可靠传输；当设备使用的线路环境比较好时，根据实际的情况，可以选用1-4路，这样既降低了设备成本又实现了信号的稳定可靠传输。本领域的技术人员应当理解，根据不同性能的电力线网络控制器，电力线数据接入队列PDAA不仅限于4个载波通道，而可以采用不同于4个的其他个数的载波通道。在以下描述中，为方便起见，以4个载波通道为例对电力线数据接入队列PDAA进行描述。
图2是根据本发明的电力线数据接入队列PDAA的结构图。电力线数据接入队列PDAA包括接收通道滤波逻辑单元，用于接收来自电力线的信号；数模转换器，用于将来自电力线网络控制器的数字信号转换为模拟信号；发送通道滤波逻辑单元，用于将来自电力线网络控制器经过数模转换的数据经过电力线接口发送到电力线上。
在发送时，PDAA的数模转换器和PDAA发送通道滤波逻辑单元工作。在接收时，PDAA接收通道滤波逻辑单元工作。PDAA接收通道滤波逻辑单元将从电力线上接收到的信号分离成4个载波，然后与4个由晶振产生的本地振荡信号混频，产生4路信号，这些信号被送到电力线网络控制器接收器中。
电力线数据接入队列PDAA中的PDAA接收通道滤波逻辑单元，具有4个载波通道，并具有4个接收通道滤波逻辑子单元，每个接收通道滤波逻辑子单元设置在一个通道上，接收通道滤波逻辑子单元的结构如图3所示。接收通道滤波逻辑子单元包括nMHz带通滤波器，对输入的信号进行带通滤波；中频子系统，包括混频器、放大器、限幅器；mMHz晶振，用于产生mMHz的振荡频率；第二滤波器，例如陶瓷滤波器，用于进行滤波。
来自电力线的数据(RX+)通过nMHz带通滤波器进行滤波，每个通道的滤波器是不同的，这也就是说n值的选取是不同的。每一个通道都通过与不同的频率混频即m取不同的值，得到一个例如10.7MHz的频率。信号再通过陶瓷滤波器滤波，最后被限幅器转化为数字信号。每一个通道的频率见下表表1 载波子通道频率
电力线数据接入队列PDAA中的PDAA发送通道滤波逻辑单元为带通滤波器，其结构如图4所示。该发送通道滤波逻辑单元包括滤波器，用于对要发送的信号进行滤波；微分驱动器，对信号进行驱动；功率放大器，对信号进行功率放大。该发送通道滤波逻辑单元允许频率为2～10MHz的信号通过，到达微分驱动器，然后直接被送到功率放大器，进入电力线。
图5显示了2Mbps低压电力线网络适配器实现的具体电路框图，图中各部分作用如下1)IPL0201——Inari公司开发生产的2Mbps的电力线网络控制器芯片。
2)晶振，IPL0201要求40.282353MHz的时钟频率。
3)U1复位电路——IPL0201采用3.3V、200mA电源供电，支持可编程上电复位延时。
4)串行EEPROM，保存节点标识信息和密钥信息。
5)用户开关，IPL0201的端口2第2位可以作为一个传感器的输入，监测用户开关是否关闭6)LED——发光二极管，IPL0201的端口2第3位可以置为低电平，从而点亮LED。
7)RS-232收发器。其作用是将3.3V的TTL信号电平转化为RS232电平。RS232信号通过DB-9接头传输。支持零Modem电缆连接。
8)ROM——序存储器，这里使用45ns的PLCC32封装的EPROM或flash ROM。
9)ROM仿真器，可以将J6接口连接到一个TechTools公司64K×8ROM仿真器，已减少每次修改程序后都要烧录的麻烦。
10)IEEE1284 Transceiver——IEEE1284收发器，用于同计算机连接，不能与打印机连接。IPL0201的端口0总线通过收发器连接，用作双向并口数据总线。并口状态信号来源于IPL0201端口1总线的第0-4位。控制信号来源于端口1总线的第5-7位和端口2总线的第0位。
IEEE1284总线用标准的引脚配置方式连接DB-25接头，支持即插即用。
11)USB——2Mbps低压电力线网络适配器支持USB通信。LED(D10)用来显示USB接口的状态，在安装USB接口驱动程序时，LED闪亮；当USB接口驱动已经成功配置并连接后，LED保持常亮；传输数据时，LED闪灭。
12)USB晶振，6MHz的晶振用来驱动USB的外围芯片。
13)PDAA接收通道滤波逻辑单元，其4个通道中，每一个子通道都有一个通道滤波器。
14)DAC——数模转换器，将数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号经过电力线接口，发送到电力线上。
15)PDAA发送逻辑单元，即带通滤波器，它允许频率为2～10MHz的信号通过，到达微分驱动器，然后直接被送到功放，进入电力线。
16)J29通用端口禁用拨码开关，控制24位双向端口位直接连接到并口收发器，或者通过外部的引脚直接输出。当直接使用24位端口引脚而不使用并口收发器，并且EEPROM、用户LED或用户开关也不使用时，S2、S3、S4三个拨码开关应该全部打开。
表2 通用端口禁用拨码开关
17)USB端口禁用，断开跳线J3、J4，可以禁用USB口。
表3 禁用USB
18)J23外部总线连接引脚，有两个外部接口提供给外设。从J23可以得到8051微处理器的外部总线信号。
19)J29端口连接引脚，从端口J29可以得到IPL0201芯片各个端口信号。
利用根据本发明的低压电力线网络适配器可以构建低压电力线高速数据通信系统。
图6表示根据本发明的低压电力线高速数据通信系统结构图。该图以为某住宅楼利用根据本发明的低压电力线网络适配器构建的低压电力线高速数据通信系统组成的宽带接入示意。本发明的低压电力线高速数据通信系统包括与用户设备连接的低压电力线网络适配器；和与外部接入网络连接的主站。其中，主站也包括低压电力线网络适配器。与用户设备连接的低压电力线网络适配器和主站中包括的低压电力线网络适配器基本相同，只是与外部连接的接口可能有变化，根据需要，低压电力线网络适配器的接口可以为个人计算机的并行口、USB接口或以太网接口等。
在如图6所示的以对住宅小区为应用对象的低压电力线高速数据通信系统中，与用户设备连接的低压电力线网络适配器置于用户家中，用户设备是个人计算机。低压电力线网络适配器插入家中任一墙上插座，即可在家庭任一有墙上插座的房间享受有线移动网络带来的便利。可以在家庭宽带入口处加装系统局端主站设备，即主站可例如置于楼宇电表间或配电柜。与用户设备连接的低压电力线网络适配器与用户个人计算机设备的接口是USB，而置于电表间或配电柜的主站的低压电力线网络适配器与外部接入网络的接口是以太网，即其以太网口同入户宽带接口相连。与用户设备连接的低压电力线网络适配器通过配电网络与置于电表间或配电柜的主站的低压电力线网络适配器相联。
基于本发明的低压电力线网络适配器构建的低压电力线高速数据通信系统可以实现2Mbps的传输速率。2Mbps低压电力线高速数据通信系统的数据吞吐量为800kbps，可以同用户个人计算机的并行口或USB接口连接，组成家庭网络，或作为最后三十米接入手段。其技术指标如下表所示表4 主要技术指标
对于图6所示的低压电力线高速数据通信系统可以解决宽带到小区后的最后300米问题，实现自配电开关柜或电表间至用户家庭的电力线宽带接入网，无需布线、无需穿墙打洞、不破坏装修，节省人力物力。是宽带入户的理想解决方案。
根据本发明的2Mbps低压电力线高速数据通信系统除了应用于小区电力线宽带接入之外，还可以用于家庭和办公室联网、宾馆酒店宽带上网等领域，也可以与14Mbps和45Mbps高速PLC产品混合组网解决楼层水平接入，实现从配电变压器至用户家庭的全电力线介质接入。
在对基于本发明的低压电力线网络适配器构建的2Mbps低压电力线高速数据通信系统应用于某小区的现场实验中，对一栋建于九十年代中期的7层住宅楼进行了现场试点运行，实现了以下功能1)实现了自用户家庭至配电开关柜的高速电力线数据通信，并可以通过HDSL及供电公司的局域网(Intranet)访问Internet。
2)建立了基于电力线的数字化小区，可以通过电力线为小区用户提供收费、公告、社区服务等电子商务服务。
3)将供电公司的局域网及办公自动化系统延伸至职工家庭，实现了家庭办公(SOHO)。
以上对本发明进行了描述。虽然本发明的详细说明是针对示范实施例的，但对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改形式以及替换形式都是可设想的。因此，本发明涵盖了所有在所附权利要求明确的本发明专利保护范围内的修改形式和替换形式。
权利要求
1.一种低压电力线网络适配器，包括电力线网络控制器，用于对发送和接收的数据进行控制和处理，并提供给外围设备的接口；和电力线数据接入队列，用于数据的接收和发送，在发送方向，电力线数据接入队列对发送的数据进行滤波和驱动，在接收方向，电力线数据接入队列将接收的信号分成多路载波，分别将他们与多个本地产生的振荡信号混频产生多个信号送入到电力线网络控制器。
2.如权利要求1所述的低压电力线网络适配器，其中所述电力线网络控制器包括微处理器，用于管理电力线网络控制器，控制电力线网络控制器的所有单元，执行外部ROM中保存的代码；接收装置，用于从电力线数据接入队列接收数据；发送装置，用于将数据发送到电力线数据接入队列。
3.如权利要求1所述的低压电力线网络适配器，其中所述电力线数据接入队列包括接收通道滤波逻辑单元，用于接收来自电力线的信号；数模转换器，用于将来自电力线网络控制器的数字信号转换为模拟信号；和发送通道滤波逻辑单元，用于将来自电力线网络控制器经过数模转换的数据经过电力线接口发送到电力线上。
4.如权利要求3所述的低压电力线网络适配器，其中所述接收通道滤波逻辑单元包括多个载波通道，并具有多个接收通道滤波逻辑子单元，每个接收通道滤波逻辑子单元设置在一个载波通道上。
5.如权利要求4所述的低压电力线网络适配器，其中每个所述接收通道滤波逻辑子单元包括带通滤波器，对输入的信号进行带通滤波；中频子系统，包括混频器、放大器、限幅器；晶振，用于产生振荡频率；第二滤波器，用于对经混频器混频后的信号进行滤波，其中带通滤波器滤波后的信号在混频器与晶振产生的振荡频率混频，混频后的信号再通过第二滤波器滤波，被限幅器转化为数字信号。
6.如权利要求4所述的低压电力线网络适配器，其中所述多个为4个。
7.如权利要求5所述的低压电力线网络适配器，其中各接收通道滤波逻辑子单元的带通滤波器进行滤波的信号的频率是不同的。
8.如权利要求5所述的低压电力线网络适配器，其中各接收通道滤波逻辑子单元的晶振产生的振荡频率是不同的。
9.如权利要求5所述的低压电力线网络适配器，其中对于每一接收通道滤波逻辑子单元，带通滤波器滤波后的信号在混频器与晶振产生的振荡频率混频得到的信号的频率为10.7MHz。
10.如权利要求3所述的低压电力线网络适配器，其中发送通道滤波逻辑单元为带通滤波器。
11.如权利要求10所述的低压电力线网络适配器，其中该带通滤波器包括滤波器，用于对要发送的信号进行滤波；微分驱动器，对信号进行驱动；功率放大器，对信号进行功率放大。
12.如权利要求2所述的低压电力线网络适配器，其中电力线网络控制器可以用美国Inari公司的IPL0201芯片实现。
13.如权利要求12所述的低压电力线网络适配器，其中电力线网络控制器中的内部微处理器可以为8051微处理器。
14.如权利要求2所述的低压电力线网络适配器，其中电力线网络控制器还可以包括缓存，用于缓存数据；微处理器接口单元，其是支持数据流功能部件的接口集合。
15.如权利要求1所述的低压电力线网络适配器，其中低压电力线网络适配器还包括线路耦合器件，用于隔离了电力线上的高压。
16.如权利要求4所述的低压电力线网络适配器，其中通过每个载波通道采用BPSK或QPSK调制方式传输数据。
17.一种低压电力线高速数据通信系统，包括与用户设备连接的如权利要求1-16的任何一个所述的低压电力线网络适配器；和与外部接入网络连接的主站，其中，主站也包括一个低压电力线网络适配器，除与外部连接的接口不同外，主站中包括的低压电力线网络适配器与用户设备连接的低压电力线网络适配器是相同的。
18.如权利要求17所述的低压电力线高速数据通信系统，其中与用户设备连接的低压电力线网络适配器置于用户家中任一墙上插座，用户设备是个人计算机，主站置于楼宇电表间或配电柜。
19.如权利要求17所述的低压电力线高速数据通信系统，其中与用户设备连接的低压电力线网络适配器的接口为计算机的并行口或USB接口，主站中包括的低压电力线网络适配器为以太网接口。
20.如权利要求17所述的低压电力线高速数据通信系统，其中该低压电力线高速数据通信系统可以实现2Mbps的传输速率。
全文摘要
一种低压电力线网络适配器，包括电力线网络控制器，用于对发送和接收的数据进行控制和处理，并提供给外围设备的接口；和电力线数据接入队列，用于数据的接收和发送，在发送方向，电力线数据接入队列对发送的数据进行滤波和驱动，在接收方向，电力线数据接入队列将接收的信号分成多路载波，分别将他们与多个本地产生的振荡信号混频产生多个信号送入到电力线网络控制器。还提供了一种利用根据本发明的低压电力线网络适配器构建的低压电力线高速数据通信系统。该系统可以实现2Mbps的传输速率。
文档编号H04B3/54GK1558562SQ20041000182
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月14日 优先权日2004年1月14日
发明者王丽平, 赵丙镇, 李祥珍, 沈志民, 刘家亮, 李建岐 申请人:中国电力科学研究院