通信延长装置的制作方法

本实用新型涉及通信技术领域，特别是涉及通信延长装置。

背景技术：

目前，智能电网的建设在逐步推进，其中包括建设用电信息采集系统，以实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。但是，在用电信息采集系统的实际应用中，存在部分低压台区未覆盖到无线公网数据，也无法通过延长天线的方式延长无线公网数据。为解决上述问题，通常采用低压宽带电力线载波通信的方式与利用GPRS信号通信延长设备来完成采集终端的上行通信通道建立，使得无GPRS信号覆盖的区域也能完成用电信息集采。然而，无GPRS信号的台区通常具有距离较长，电力线环境复杂的特点，信道噪声干扰、阻抗特性及接电线时的高频信号泄露等问题均会影响低压宽带电力线载波通信。并且，目前现有的低压宽带电力线载波GPRS信号通信延长电路存在通信速率低、通信性能差、电路结构复杂等问题。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种具有高可靠性和稳定性，能够有效抵制噪声和衰减，且实现远距离传输的通信延长装置。

一种通信延长装置，包括：近端设备和发送设备，所述近端设备与所述发送设备连接；

所述近端设备包括第一载波控制电路、第一载波发送放大电路、第一载波接收滤波电路、第一信号耦合电路及第一网络接口电路，所述第一载波控制电路分别与所述第一载波发送放大电路、所述第一载波接收滤波电路以及所述第一网络接口电路连接，所述第一信号耦合电路分别与所述第一载波发送放大电路以及所述第一载波接收滤波电路连接；

所述发送设备包括第二载波控制电路、第二载波接收滤波电路、第二信号耦合电路及无线通信模块，所述第二载波控制电路分别与所述第二载波接收滤波电路以及所述无线通信模块连接，所述第二信号耦合电路与所述第二载波接收滤波电路连接；

所述第一信号耦合电路与所述第二信号耦合电路连接。

在其中一个实施例中，所述第一载波控制电路包括第一宽带电力线载波芯片、第一处理模块及第一存储器，所述第一宽带电力线载波芯片分别与所述第一处理模块和所述第一存储器连接，所述第一载波发送放大电路和所述第一载波接收滤波电路分别与所述第一宽带电力线载波芯片连接，所述第一网络接口电路与所述第一处理模块连接。

在其中一个实施例中，所述第一宽带电力线载波芯片为SSC1668载波芯片。

在其中一个实施例中，所述第二载波控制电路包括第二宽带电力线载波芯片、第二处理模块及第二存储器，所述第二宽带电力线载波芯片分别与所述第二处理模块和所述第二存储器连接，所述第二载波发送放大电路和所述第二载波接收滤波电路分别与所述第二宽带电力线载波芯片连接。

在其中一个实施例中，所述第一信号耦合电路为三相信号耦合电路，所述第二信号耦合电路为单相信号耦合电路。

在其中一个实施例中，所述第一网络接口电路为双网口电路。

在其中一个实施例中，所述第一载波接收滤波电路包括三阶低通切比雪夫滤波器和五阶高通切比雪夫滤波器，所述三阶低通切比雪夫滤波器与所述五阶高通切比雪夫滤波器并联。

在其中一个实施例中，所述近端设备还包括第一过零检测电路，所述第一过零检测电路分别与所述第一载波控制电路以及第一信号耦合电路连接。

在其中一个实施例中，所述无线通信模块为GPRS通信模块。

在其中一个实施例中，所述发送设备还包括红外电路，所述红外电路与所述第二载波控制电路连接。

上述通信延长装置设置于集中器与主站之间，集中器发送的数据信号由近端设备接收，通过近端设备对数据信号进行调制、放大等处理，将信号耦合在电力线中，传输到发送设备，再由发送设备对信号进行解调、滤波，并通过无线通信模块将信号通过无线网络发送到主站，完成用电信息的收集，以解决没有无线信号覆盖的区域无法完成用电信息集采的问题，并且通信延长装置能够有效抵制噪声和衰减，传输距离远，具有高可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的通信延长装置应用于用电信息采集系统的结构示意图；

图2为图1所示的通信延长装置的近端设备的结构示意图；

图3为图1所示的通信延长装置的发送设备的结构示意图；

图4为一实施例的第一宽带电力线载波芯片及其外围的电路原理图；

图5为一实施例的第一载波发送放大电路的电路原理图；

图6为一实施例的第一载波接收滤波电路及第一信号耦合电路的电路原理图；

图7a为一实施例的第一网络接口电路的网络芯片子电路的电路原理图；

图7b为一实施例的第一网络接口电路的网口子电路的电路原理图；

图8为一实施例的第一过零检测电路的电路原理图；

图9为一实施例的485通信电路的电路原理图；

图10为一实施例的红外电路的电路原理图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型涉及一种通信延长装置，包括：近端设备和发送设备，所述近端设备与所述发送设备连接；所述近端设备包括第一载波控制电路、第一载波发送放大电路、第一载波接收滤波电路、第一信号耦合电路及第一网络接口电路，所述第一载波控制电路分别与所述第一载波发送放大电路、所述第一载波接收滤波电路以及所述第一网络接口电路连接，所述第一信号耦合电路分别与所述第一载波发送放大电路以及所述第一载波接收滤波电路连接；所述发送设备包括第二载波控制电路、第二载波接收滤波电路、第二信号耦合电路及无线通信模块，所述第二载波控制电路分别与所述第二载波接收滤波电路以及所述无线通信模块连接，所述第二信号耦合电路与所述第二载波接收滤波电路连接；所述第一信号耦合电路与所述第二信号耦合电路连接。

在其中一个实施例中，请参阅图1至图3，一种通信延长装置10，包括：近端设备100和发送设备200，所述近端设备100与所述发送设备200连接；所述近端设备100包括第一载波控制电路110、第一载波发送放大电路120、第一载波接收滤波电路130、第一信号耦合电路140及第一网络接口电路150，所述第一载波控制电路110分别与所述第一载波发送放大电路120、所述第一载波接收滤波电路130以及所述第一网络接口电路150连接，所述第一信号耦合电路 140分别与所述第一载波发送放大电路120以及所述第一载波接收滤波电路130 连接；所述发送设备200包括第二载波控制电路210、第二载波发送放大电路 220、第二载波接收滤波电路230、第二信号耦合电路240、无线通信模块260 及第二网络接口电路250，所述第二载波控制电路210分别与所述第二载波发送放大电路220、所述第二载波接收滤波电路230、所述无线通信模块260以及第二网络接口电路250连接，所述第二信号耦合电路240分别与所述第二载波发送放大电路220和所述第二载波接收滤波电路230连接；所述第一信号耦合电路140与所述第二信号耦合电路240连接。

本实施例中，所述第一信号耦合电路140与所述第二信号耦合电路240通过电力线连接。具体地，电力线为用于供电的线路，或者说，该电力线为市电的线路。

具体地，通信延长装置应用于用电信息采集系统中，设置于集中器和主站之间，集中器用于连接终端电表，集中获取并发送多个电表的数据，其中，近端设备用于与集中器连接，发送设备用于与主站通信连接，近端设备与发送设备之间通过电力线连接，通过电力线传输数据。本实施例中，第一载波控制电路对信号的调制和第二载波控制电路对信号的解调都是基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)模式，近端设备和发送设备基于OFDM模式调制的低压电力线宽带载波通信技术，将信号耦合在电力线中，采用电力线完成信号传输，以解决没有无线信号覆盖的区域无法完成用电信息集采的问题，并且通信延长装置能够有效抵制噪声和衰减，传输距离远，具有高可靠性和稳定性。

本实施中，请参阅图1及图2，具体地，近端设备100通过第一网络接口电路150与集中器连接，近端设备用于通过第一网络接口电路接收集中器发送的数据信号，其中，第一网络接口电路150接收到集中器发送的信号为数字信号，通过第一载波控制电路110对该信号进行调制，由第一载波发送放大电路120 对信号进行功率放大，并由第一载波接收滤波电路130对信号进行滤波，随后通过第一信号耦合电路140将信号耦合到电力线上形成电力信号并传输至发送设备200，即第一信号耦合电路140将电力信号发送至第二信号耦合电路240，发送设备200的第二信号耦合电路240接收到由第一信号耦合电路发送的信号，第二载波控制电路210对信号进行解调，并通过第二载波接收滤波电路230进行滤波，通过无线通信模块260将信号以无线信号的方式传输至主站，完成数据的接收。

在其中一个实施例中，请参阅图2，所述第一载波控制电路110包括第一宽带电力线载波芯片111、第一处理模块112及第一存储器113，所述第一宽带电力线载波芯片111分别与所述第一处理模块112和所述第一存储器113连接，所述第一载波发送放大电路120和所述第一载波接收滤波电路130分别与所述第一宽带电力线载波芯片111连接，所述第一网络接口电路150与所述第一处理模块112连接。具体地，第一宽带电力线载波芯片用于对数据信号进行OFDM 调制或解调，实现低压载波信号的发送和接收。第一处理模块用于控制第一网络接口电路的收发，接收并处理数据信号，通过串口与第一宽带电力线载波芯片进行通信。在其中一个实施例中，所述第一处理模块为单片机。在其中一个实施例中，所述单片机的芯片为STM32F107RCT6芯片。第一存储器用于第一宽带电力线载波芯片的功能程序的存储。在其中一个实施中，所述第一存储器为 flash存储芯片。

为了提高通信延长装置的稳定性，请参阅图4，在其中一个实施例中，所述第一宽带电力线载波芯片111为SSC1668载波芯片。SSC1668载波芯片将模拟前端、基带调制解调、数字信号处理、CPU内核及功能外设集于一体，提供物理层 (PHY)、介质访问控制层(MAC)、适配层(ADP)、网络层(NET)、应用层(APP) 等较为完整的电力线通信解决方案。SSC1668载波芯片与传统的窄带芯片相比，其信号带宽宽，传输速率高。并且，SSC1668载波芯片集成了处理器、1M Byte SRAM、1M Byte带Cache FLASH及UART、I2C、SPI、GPIO等接口，以及标准的以太网RMII接口。这样，通信延长装置采用SSC1668载波芯片能够提高稳定性以及可靠性。为了保持通信延长装置的稳定性，在其中一个实施例中，所述第二宽带电力线载波芯片为SSC1668载波芯片。

在其中一个实施例中，请参阅图5，所述第一载波发送放大电路120包括 THS6212芯片。第一载波发送放大电路用于对第一宽带电力线载波芯片OFDM调制输出的信号进行放大，以提高载波通信的距离，且有利于信号耦合到电力线上传输时，满足电力线传输的要求。THS6212芯片对载波信号进行功率放大，采用差分放大电路结构，第一宽带电力线载波芯片输出的差分载波信号经过C31、 C32耦合到THS6212芯片的输入端D1_IN+、D2_IN-，R31、R32为匹配电阻，R33 为电流配置电阻，R37、R41为反馈电阻，R39为增益电阻，C34、C35为隔直电容，通过限流电阻R36、R42由THS6212芯片的输出端D1_OUT、D2_OUT输出放大后的载波信号。THS6212芯片的输出端D1_OUT、D2_OUT第一信号耦合电路连接，这样，放大后的载波信号能够传输至第一信号耦合电路。

在其中一个实施例中，请参阅图6，所述第一载波接收滤波电路130包括三阶低通切比雪夫滤波器131和五阶高通切比雪夫滤波器132，所述三阶低通切比雪夫滤波器与所述五阶高通切比雪夫滤波器并联。所述第一载波接收滤波电路不仅用于滤除载波信号带外信号及电力线的杂波干扰，提高载波信号的信噪比等接收性能，还用于将频带内的OFDM载波信号耦合到第一宽带电力线载波芯片。请参阅图6，本实施例中，R121、R122为限流电阻，以及用于做阻抗匹配；R123、 R124用于限制第一载波接收滤波电路的整体直流电平；L121、L122、C121、C122 构成低通滤波，即三阶低通切比雪夫滤波器131，用于滤除12MHz以上高频干扰； C123、C124、L123、C125、C126、L124、C127、C128构成高通滤波，即五阶高通切比雪夫滤波器132，由于电力线常见的大功率干扰基本出现在1MHz以下的低频段，故需要多阶高通滤波，以滤除低频噪声。

请再次参阅图6，本实施例中，T101、C101、C201、C301构成第一信号耦合电路140，其中，C101、C201、C301为安规电容，对于50Hz低频相当于开路，对于高频载波信号相当于短路，用于隔离50Hz和传输高频信号；T101为隔离变压器，用于强弱电隔离，还用于发送信号的放大和接收信号的阻抗变换；第一信号耦合电路还连接有稳压器TS101、TS102，用于防护电力线干扰，保护第一载波发送放大电路和第一载波接收滤波电路。所述第一信号耦合电路用于隔离强弱电信号，允许高频信号传输。为了提高通信延长装置的稳定性，在本实施例中，所述第一信号耦合电路140为三相信号耦合电路。请再次参阅图2，所述第一信号耦合电路140的三相电火线A、火线B、火线C的任意一相均可传输信号，这样，能够提高通信延长装置的稳定性，有效保障进行宽带电力线载波通信。在其中一个实施例中，所述第一信号耦合电路为单相信号耦合电路。在一个实施例中，请结合图2和图3，第一信号耦合电路140的输出端分别与三相电火线A、火线B、火线C连接，第二信号耦合电路240的输入端与火线L连接，三相电火线A、火线B、火线C的其中一个与火线L，从而实现了第一信号耦合电路140与第二信号耦合电路240的连接。

在一个实施例中，所述第一网络接口电路150为RJ45网口电路，即第一网络接口电路对应的网口类型为RJ45。

在其中一个实施例中，请参阅图7a及图7b，所述第一网络接口电路150为双网口电路，具体地，本实施例中，第一网络接口电路150包括两个网口电路，每一网口电路用于与一集中器连接。这样，采用双网口电路不仅可以同时连接两台集中器，使得接收更多的数据，提高信息传输的效率；还能够一个网口连接一台集中器，另一个网口可外接计算机或者监控设备，用于调试或者监控近端设备。本实施例中，所述双网口电路包括网口控制子电路151和网口子电路 152，网口控制子电路151与网口子电路152连接。其中，所述网络芯片子电路用于集中器和近端设备之间通过网口交互数据。

在其中一个实施例中，所述网口控制子电路151包括网络芯片。本实施例中，所述网络芯片为KSZ8863RLLI芯片，所述网络芯片与所述第一处理模块通信连接，还与两路网口的集中器通信连接。具体地，所述网络芯片的输入端与所述第一处理模块连接，所述网络芯片的输出端与所述网口子电路连接。请参阅图7a，网口控制子电路151中，引脚48连接R38下拉电阻接地；R32、R33、 R34、R35为网络指示灯的上拉电阻；引脚39连接置R36上拉电阻并使用MDC/MDIO 方式与所述第一处理模块通信；引脚37连接R39上拉电阻；R40、R42、R49、 R59、R64为匹配限流电阻及上拉电阻；引脚17接上拉电阻R65使能参考时钟 REFCLKO_3的输出；R41、R43、R44、R45、R48、R50、R61、R63网口差分线之间约有100Ω的阻抗，电阻用于阻抗匹配；C39、C40、C41、C42用于滤波稳压；引脚6为设置传输输出电流，连接下拉电阻R46、R47接地。

为了提高通信延长装置的稳定性，本实施例中，所述网口子电路152包括隔离变压器以及ESD(Electro-Static Discharge，静电放电)防护器件，用于防护芯片受外界干扰。请参阅图7b，网口子电路152中，网口XS1-RJ45、XS2-RJ45 用于连接网线，R2、R6、R0、R11为网络指示灯提供电压和电流；D2、D3网络变压器，用于网线与内部网络芯片隔离；D4、D5、D6、F4用于ESD防护，避免发生静电导致的网络通信异常和网络芯片死机。

请再次参阅图2，在其中一个实施例中，所述近端设备100还包括第一过零检测电路160，所述第一过零检测电路160与所述第一载波控制电路110以及电力线连接，具体地，所述第一过零检测电路160与所述第一宽带电力线载波芯片111连接，第一过零检测电路用于将电力网工频交流电的过零信号以脉冲的方式发送至第一宽带电力线载波芯片，为过零通信以及相位判别提供依据。所述过零检测电路具有精度高、低功耗的特点。请参阅图8，第一过零检测电路160中，E61用于光耦隔离，隔离强电信号；VD61用于降低功耗；VD63、C62为电压钳位和电能保存，用于为过零脉冲信号提供能量；V61为过零点检测三极管，用于电流放大，驱动光耦，输出脉冲信号；VD62用于提供VD63、C62充电回路。

请再次参阅图2，在其中一个实施例中，所述近端设备100还包括485通信电路170，所述485通信电路170与所述第一处理模块112连接。485通信电路用于与不支持网口通信的集中器通信及传输数据。具体地，请参阅图9，485通信电路170中，D1为485隔离模组，用于实现485电源隔离；RT1未热敏电阻，用于过流保护防止电流较大造成485芯片损坏，并且还具有静电防护作用；F2、 F3用于浪涌和过压防护；L2、L3为磁珠，用于抑制高频噪声。

请再次参阅图2，在其中一个实施例中，所述近端设备100还包括第一电源电路180，所述第一电源电路包括DC-DC电源电路和AC-DC电源电路，所述DC-DC 电源电路用于为所述第一宽带电力线载波芯片提供电源，所述AC-DC电源电路用于将交流220V转化为12V，为近端设备提供电源。在其中一个实施例中，所述DC-DC电源电路包括3.3V电源电路和1.1V电源电路。

应该理解的是，通信延长装置中的发送设备与近端设备的电路结构基本相似，只是根据所实现的功能不同，设置局部电路结构不同。因此，上述实施例中的近端设备的第一载波控制电路、第一载波发送放大电路、第一载波接收滤波电路、第一信号耦合电路、第一过零检测电路、第一电源电路也可运用在发送设备中，即第二载波控制电路、第二载波发送放大电路、第二载波接收滤波电路、第二信号耦合电路、第二过零检测电路、第二电源电路与上述的近端设备的电路结构基本一致，第二载波控制电路、第二载波发送放大电路、第二载波接收滤波电路、第二信号耦合电路、第二过零检测电路、第二电源电路可采用与第一载波控制电路、第一载波发送放大电路、第一载波接收滤波电路、第一信号耦合电路、第一过零检测电路、第一电源电路对应的相同的电路结构，本实施例中，不累赘描述。

请参阅图3，本实施例中，所述第二载波控制电路210包括第二宽带电力线载波芯片211、第二处理模块212及第二存储器213，所述第二宽带电力线载波芯片211分别与所述第二处理模块212和所述第二存储器213连接，所述第二载波发送放大电路220和所述第二载波接收滤波电路230分别与所述第二宽带电力线载波芯片211连接。由于发送设备的第二载波控制电路与近端设备的第一载波控制电路结构相似，具体不再赘述。

在其中一个实施例中，请参阅图3，所述第二信号耦合电路240为单相信号耦合电路，所述第二信号耦合电路240的火线L可与所述第一信号耦合电路140 的火线A、火线B、火线C连接。发送设备的单相连接近端设备的三相电的任意一相即可完成数据的传输。

在其中一个实施例中，所述无线通信模块260为GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)通信模块。在其中一个实施例中，GPRS通信模块为M590E模块，具体地，M590E模块的供电电压为4V。在其中一个实施例中，所述GPRS通信模块还包括开关控制电路和供电模块，所述开关控制电路和所述供电模块用于在远程或者无人值守的情况中应用；以及避免在电磁干扰很大的环境中，GPRS通信模块的复位引脚或者开关机引脚发生失效的问题。

在其中一个实施例中，请再次参阅图3，所述第二网络接口电路250与所述第二处理模块212连接，所述第二网络接口电路250为单网口电路，用于外接计算机或者监控设备，用于调试和监控。

在其中一个实施例中，所述发送设备200还包括红外电路270，所述红外电路270与所述第二载波控制电路210连接，具体地，所述红外电路270与所述第二处理模块212连接。红外电路用于对发送设备进行参数查询与配置，包括设备重启、设备版本信息、主站IP地址、通信端口、APN、VPN用户名、VPN密码、用电信息采集终端设备信息等。请参阅图10，V13、V14,为红外发送的开关控制；B1为红外接收管；R142提供上拉电平，保证接收可靠。

在其中一个实施例中，请再次参阅图3，所述发送设备200还包括指示灯电路280，指示灯电路用于显示发送设备的运行状态。

在其中一个实施例中，请参阅图1，所述通信延长装置10还包括中继设备 300，所述中继设备300分别与所述近端设备100以及所述发送设备200连接，所述近端设备100通过所述中继设备300与所述发送设备200连接，具体地，所述中继设备分别与所述近端设备以及所述发送设备通过电力线连接。其中，中继设备与近端设备的电路结构相同。所述中继设备用于在载波信号闭塞区域加强近端设备与发送设备的通信连接。根据现场环境需要，可安装单只或多只中继设备，起到延长通信距离，提高通信可靠性。在其中一个实施例中，所述中继设备包括第三载波控制电路、第三载波发送放大电路、第三载波接收滤波电路、第三信号耦合电路及第三网络接口电路，所述第三波控制电路分别与所述第三载波发送放大电路、所述第三载波接收滤波电路以及所述第三网络接口电路连接，所述第三信号耦合电路分别与所述第三载波发送放大电路以及所述第三载波接收滤波电路连接；所述第三信号耦合电路分别与所述第一信号耦合电路以及第二信号耦合电路连接。具体地，所述第三信号耦合电路所述第一信号耦合电路以及所述第二信号耦合电路通过电力线连接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。