一种采用单芯片实现的单相窄带高速电力载波模块的制作方法

本实用新型涉及一种电子载波控制模块，具体介绍一种采用单芯片实现的单相窄带高速电力载波模块，属于物联网技术领域。

背景技术：

在远程抄表、路灯控制等应用领域，电力载波通信比无线通信具有抗干扰强、组网成功率高等巨大优势，具有非常广阔的应用前景。在电子载波通信技术的发展中，第一代电力载波采用FSK调制技术，具有速度低、抗干扰差等缺点，使产品的用户体验无法提高，阻碍了电力载波通信的应用推广。第二代电力载波采用OFDM调制技术，具有抗干扰强、通信速率高、组网灵活和信息安全的优势，被广泛认为是当今智能电网界最安全可靠和最具成本效益的通信模式，因此南方电网2015年初在深圳开展了首个G3-PLC应用示范。

但是，由于电力载波通信的开发难度较大，因此目前国内电力载波模块主要还是基于FSK调整技术，即使有基于OFDM调制技术的研究，目前也尚不成熟。此外，国内厂商的芯片只是实现了物理层和低MAC层的协议，只能实现单工通信方式，不仅通信效率低下，而且扩展也非常困难。

因此，目前电表行业主要使用的电力载波技术还是基于FSK调制技术，真正的传输速率为300bps~600bps，这种技术抗干扰能力差，抄表成功率尚不能完全使客户满意。目前虽然也有少数采用OFDM调制技术的产品，但速率仅仅在1kbps，没有本质的提高，且技术尚未完全成熟。可以看出，目前的电力载波基本只实现了CSMA-CA算法，用于总线竞争，在此基础之上实现了简单的路由算法，协议栈的功能非常薄弱，因此只能是单工通信，造成用户体验非常差，也严重限制了电力载波产品的推广。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型的主要目的在于解决现目前的电力载波技术通信速率较低，以及扩展很困难的问题，而提供一种具有高速通信以及便于扩展的采用单芯片实现的单相窄带高速电力载波模块。

本实用新型的技术方案：一种采用单芯片实现的单相窄带高速电力载波模块，其特征在于，包括型号为STCOMET的主处理芯片， 所述主处理芯片通过第一SPI接口与FLASH存储模块连接，所述主处理芯片还通过第一I2C接口与EEPROM存储模块连接，所述的主处理芯片、FLASH存储模块和EEPROM存储模块均由3.3V外部电源供电；所述主处理芯片还通过双向通信接口与耦合及滤波电路模块连通，所述的耦合及滤波电路模块包括变压器T1，所述变压器T1上的初级线圈第一引脚与电感L1的一端相连，电感L1的另一端分别连接电容C1的一端和二极管TVS1的负极，所述电容C1的另一端与外部电缆的火线L相连，二极管TVS1的正极分别连接外部电缆的零线N和变压器T1的初级线圈第二引脚；所述变压器T1的次级线圈第一引脚分别连接二极管TVS5的负极和电阻R2的一端，变压器T1的次级线圈第二引脚分别连接二极管TVS4的负极和电阻R1的一端，所述二极管TVS4的正极连接二极管TVS5的正极并接地，电阻R2的另一端分别连接二极管TVS6的负极、电感L5的一端、电容C7的一端、电容C6的一端和电容C5的一端，电容C5的另一端与主处理芯片上的TX接口相连；所述电阻R1的另一端分别连接二极管TVS6的正极、电感L5的另一端、电容C7的另一端、电容C8的一端和电容C10的一端，所述电容C10的另一端与主处理芯片上的RX接口相连；电容C8的另一端与电容C6的另一端相连并接地。

本实用新型是针对当前国内产品的不足，采用单芯片来实现通用的窄带高速电力载波模块，基于OFDM技术调制技术实现电力载波通信，涵盖CENELEC-A、FCC和ARIB频段，无需改变硬件。此外，可将相应的固件代码远程下载到主处理芯片中，可以实现不同的标准，如ITU-T G.9903 (G3-PLC)、ITU-T G.9904 (PRIME)、IEEE P1901.2等。能够在远程抄表、路灯等领域广泛使用。本专利申请所实现的通用电力载波模块还可以为其他应用厂商（如电表企业）提供OEM、ODM方案，具有非常广阔的应用前景。

优化地，所述FLASH存储模块的型号为M25P16-VMN6P。

优化地，所述 EEPROM存储模块的型号为AT24C512。

优化地，在所述主处理芯片上还设有第二SPI接口和第二I2C接口。

优化地，在所述主处理芯片上设有第一电源输入接口、第二电源输入接口和第三电源输入接口，所述第一电源输入接口接入3.3V外部电源，第二电源输入接口接入5V外部电源，第三电源输入接口接入15V外部电源。

优化地，在所述主处理芯片上还设有串口、PWM接口、模拟信号接口和数字信号接口。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型的电力载波通信采用OFDM调制技术，可以涵盖CENELEC-A、FCC和ARIB频段，最高速率可达128kbps，而无需改变硬件，具有较高的通信速率。

2、由于在主处理芯片中采用了FreeRTOS实时操作系统进行软件架构，综合使用队列、信号、任务等技术，去除程序的耦合性，使程序具有很好的扩展性，能适应于不同的应用场景移植lwIP协议栈，在G3协议栈基础之上实现网络层（IPv6）和传输层（UDP和ICMP），实现了完整的通信的协议栈。

3、本实用新型将相应的固件代码下载到SPI FLASH里面芯片中，就可以实现不同的标准，如ITU-T G.9903 (G3-PLC)、ITU-T G.9904 (PRIME)、IEEE P1901.2等，能够适用于不同的标准领域。

4、本实用新型采用通用电力载波模块对外提供串口与外部处理器进行通信外，还提供I2C和SPI接口用于与其他外设进行通信，提供模拟接口和数字接口实现外部的控制与采集，能够供他厂商进行OEM或者ODM。

附图说明

图1为本实用新型一种采用单芯片实现的单相窄带高速电力载波模块的电路结构框图。

图2为本实用新型中耦合及滤波电路模块的电路原理图。

图中，1—主处理芯片，2—FLASH存储模块，3—EEPROM存储模块，4—耦合及滤波电路模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实用新型的一种采用单芯片实现的单相窄带高速电力载波模块，包括型号为STCOMET的主处理芯片1， 所述主处理芯片1通过第一SPI接口与FLASH存储模块2连接，所述主处理芯片1还通过第一I2C接口与EEPROM存储模块3连接，所述的主处理芯片1、FLASH存储模块2和EEPROM存储模块3均由3.3V外部电源供电；所述主处理芯片1还通过双向通信接口与耦合及滤波电路模块4连通，所述的耦合及滤波电路模块4包括变压器T1，所述变压器T1上的初级线圈第一引脚与电感L1的一端相连，电感L1的另一端分别连接电容C1的一端和二极管TVS1的负极，所述电容C1的另一端与外部电缆的火线L相连，二极管TVS1的正极分别连接外部电缆的零线N和变压器T1的初级线圈第二引脚；所述变压器T1的次级线圈第一引脚分别连接二极管TVS5的负极和电阻R2的一端，变压器T1的次级线圈第二引脚分别连接二极管TVS4的负极和电阻R1的一端，所述二极管TVS4的正极连接二极管TVS5的正极并接地，电阻R2的另一端分别连接二极管TVS6的负极、电感L5的一端、电容C7的一端、电容C6的一端和电容C5的一端，电容C5的另一端与主处理芯片上的TX接口相连；所述电阻R1的另一端分别连接二极管TVS6的正极、电感L5的另一端、电容C7的另一端、电容C8的一端和电容C10的一端，所述电容C10的另一端与主处理芯片上的RX接口相连；电容C8的另一端与电容C6的另一端相连并接地。

本实用新型中，所述FLASH存储模块2的型号为M25P16-VMN6P。所述 EEPROM存储模块3的型号为AT24C512。在所述主处理芯片1上还设有第二SPI接口和第二I2C接口。在所述主处理芯片1上设有第一电源输入接口、第二电源输入接口和第三电源输入接口，所述第一电源输入接口接入3.3V外部电源，第二电源输入接口接入5V外部电源，第三电源输入接口接入15V外部电源。在所述主处理芯片1上还设有串口、PWM接口、模拟信号接口和数字信号接口。

本实用新型中，火线L和零线N与耦合变压器连接，耦合变压器通过滤波电路，滤波电路出来的发送和接收信号与主处理芯片1连接。这里的耦合变压器和滤波电路集成后，即为耦合及滤波电路模块4。工作时，外部为模块提供3.3V、5V和15V三路电源为主处理芯片1供电，其中3.3V还为FLASH存储模块2和EEPROM存储模块3供电。主处理芯片1是整个模块的核心。它内部集成模拟前端，实现电力载波信号的模数转换及滤波等。它内部集成计量模块，实现电压、电流、功率等参数的采集。它内部集成两个ARM内核，其中一个内核用于实现物理层和低MAC层功能，即OFDM调制技术和CSMA-CA及MESH组网算法。另一个ARM的内核用来实现完整的协议栈，包括G3协议栈和lwIP协议栈等。此外，它还提供丰富的外设，诸如SPI接口、I2C接口、串口等。

主处理芯片1通过SPI接口与FLASH存储模块2进行连接，FLASH存储模块2用于存储电力载波使用的数据，比如电力载波配置信息、路由表等。主处理芯片1通过I2C接口与EEPROM存储模块3进行连接，EEPROM存储模块3用于存储应用数据，如电气参数、应用配置参数等。本实用新型中，主处理芯片1对外提供串口，与外部处理器进行连接，使外部应用实现电力载波的收发等。主处理芯片1对外还提供I2C和SPI接口，可以与其他外部设备进行连接。主处理芯片1对外提供PWM信号，可以用于外部设备的控制，如LED的调光等。主处理芯片对外提供模拟接口，实现模拟信号的采集。主处理芯片对外提供数字接口，实现数字信号的采集和数字设备的控制等。

工作时，耦合及滤波电路模块4将来自单相的电力载波信号耦合到模拟前端处理。同样模拟前端也将需要发送的数据经过耦合变压器发送到单相上。模拟前端接收到已调制好的数字信号进行放大，将需要发送的数据通过耦合变压器发送到单相上。模拟前端通过耦合变压器接收单相上的电力载波数据，对接收到的数据进行滤波等相关处理并转换成数字信号。耦合及滤波电路模块4内的耦合及滤波电路主要实现电力载波信号的耦合及滤波处理，改变耦合及滤波电路某些器件的参数，就可以支持不同的频段，即可以涵盖CENELEC-A、FCC和ARIB频段，最高速率可达128kbps，而无需改变硬件。

耦合及滤波电路模块4的工作原理：电感L1和电容C1用于火线L的降压和滤波。二极管TVS1用于防浪涌处理。单相信号经过耦合变压器T1后就得到电力载波信号。耦合变压器次级端的二极管TVS4、二极管TVS5和二极管TVS6也用于防浪涌处理。电感L5、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C10构成滤波电路。改变电感L5、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C10、电感L1的参数值，就可以支持不同的频段，而不需要改变硬件。

还需要说明的是，本实用新型的主处理芯片1中，采用FreeRTOS实时操作系统进行软件架构，综合使用队列、信号、任务等技术，去除程序的耦合性，使程序具有很好的扩展性，能适应于不同的应用场景移植lwIP协议栈，在G3协议栈基础之上实现网络层（IPv6）和传输层（UDP和ICMP），实现了完整的通信的协议栈。FLASH存储模块2的存储空间为2MB，既可用于存储G3协议栈的数据，还可以用于存储固件，可将相应的固件代码下载到FLASH存储模块里面芯片中，就可以实现不同的标准，如ITU-T G.9903 (G3-PLC)、ITU-T G.9904 (PRIME)、IEEE P1901.2等，能够适用于不同的标准领域。

本实用新型的关键点在于：采用单芯片来实现电力载波的应用，使用该芯片完成电力载波模拟前端的处理，使用该芯片完成电气参数的采集、计量等处理。采用该芯片的一个内核，实现OFDM调制解调、CSMA-CA算法、组网及路由算法等。采用该芯片的另外一个内核实现G3协议栈、lwIP协议栈的处理等。

改变耦合及滤波电路某些器件的参数，就可以支持不同的频段，即可以涵盖涵盖CENELEC-A、FCC和ARIB频段，最高速率可达128kbps，而无需改变硬件。

采用FreeRTOS实时操作系统进行软件架构，综合使用队列、信号、任务等技术，去除程序的耦合性，使程序具有很好的扩展性，能适应于不同的应用场景移植lwIP协议栈，在G3协议栈基础之上实现网络层（IPv6）和传输层（UDP和ICMP），实现了完整的通信的协议栈。将相应的固件代码下载到SPI FLASH里面芯片中，就可以实现不同的标准，如ITU-T G.9903 (G3-PLC)、ITU-T G.9904 (PRIME)、IEEE P1901.2等，能够适用于不同的标准领域。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型技术方案进行的修改或者等同替换，不能脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型权利要求范围当中。