本发明涉及用电信息监测技术领域，具体涉及一种用电信息采集系统用手持式性能监测系统及监测方法。
背景技术：
用电信息采集系统提高了用电管理的信息化水平，节约了大量劳动力，提高了生产效率。用电信息采集系统一般主要由系统主站、公网基站、集中器、采集器、智能电表等构成。由于建设周期长、技术标准多、电网具有开放性和时变性，以及缺乏最优通信技术方案等因素，现有的用电信息采集系统中通信方案较多，既有有线方案，又有无线方案；既有专用信道，又有共用信道；既有基带的，又有调制的；既有长波段，又有中短波段，即使是相同的通信模式，各厂家采用的技术方案也不相同，可采用485、窄带载波、宽带载波、微功率无线、载波/微功率无线双模、gprs/cdma、lte等多种通信模式。
通信模式是用电信息采集系统功能实现的重要基础，决定了用电信息采集系统的工作原理和该系统的有效性和可靠性，因此通信故障的准确判断和及时检修对用电信息采集系统来说是至关重要的。而现有的采集终端设备在现场运行中发生通信故障后，由于现场维护人员专业技能水平有限并且缺乏专业维护工具，通常很难在现场确定故障原因，需要拆除后送修，需耗费大量的时间和人力，并且由于有些通信故障是因现场电磁环境因素引起，送修后无法复现现场情况，从而使得故障无法得到准确定位，特别是载波通信方面的故障，现场人员既无法确定模块的通信能力，也无法知道是否因现场的电磁环境对通信产生了影响，往往在更换模块后通信故障依然存在。目前现有技术中缺乏一种有效的、可在现场辅助判断上述采集终端通信故障的性能监测手段。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种用电信息采集系统用手持式性能监测系统及监测方法，能够在现场准确定位故障原因，有效准确地实现频谱图、眼图和星座图的绘制以及准确地实现通信信道的性能监测、协议一致性判别及时序鉴定；能够简便快捷地在现场辅助判断采集终端通信故障。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种用电信息采集系统用手持式性能监测系统，包括：
载波取样单元，用于待测电力线上载波通信频段内的信号采集；
开关矩阵单元，所述开关矩阵单元与所述载波取样单元电连接，所述开关矩阵单元上还连接有外部天线，所述开关矩阵单元用于将所述载波取样单元采集的信号和所述外部天线采集的信号进行二选一切换后输出至频谱仪；
接收机单元，用于接收外部通信信号并将所述外部通信信号解析转换为矢量化数据，并将所述矢量化数据传输至嵌入式计算机单元，所述外部通信信号包括宽带载波信号和微功率信号；所述矢量化数据包括眼图和星座图绘制数据；
所述频谱仪用于接收所述接收开关矩阵单元的输出信号并对该信号进行处理，以及将处理后的信号传输至嵌入式计算机单元；
嵌入式计算机单元，用于接收和存储所述接收机单元输出的矢量化数据并根据所述矢量化数据进行眼图和星座图绘制，以及接收和存储频谱仪输出的信号并根据频谱仪输出的信号进行频谱图绘制。
上述用电信息采集系统用手持式性能监测系统还包括调制解调模块，所述调制解调模块和嵌入式计算机单元通过双向数据交互接口相连接，所述调制解调模块用于监听宽带载波信号或微功率信号的信道中的报文以及数据交互，所述嵌入式计算机单元还用于对调制解调模块的通信进行协议一致性测试。
所述开关矩阵单元上设置有sma接口，所述sma接口用于连接外部天线。
所述外部通信信号还包括窄带载波信号、gprs/cdma信号和无线数传电台信号中的一种或多种。
上述用电信息采集系统用手持式性能监测系统，还包括用于给嵌入式计算机单元供电的电源单元，所述电源单元采用大电流直流电源，所述大电流直流电源直接取电于所述待测电力线。
所述载波取样单元和开关矩阵单元之间通过前置滤波单元相连接。
一种用电信息采集系统用手持式性能监测系统的监测方法，包括以下步骤：
1)开关矩阵单元接收从外部天线采集到的信号和载波取样单元从待测电力线上载波通信频段内采集到的信号并将接收到的这两种信号进行二选一切换后输出至频谱仪；
2)频谱仪对开关矩阵单元输出的信号进行处理并将处理后的信号输出至嵌入式计算机单元；
3)接收机单元接收外部通信信号并将该外部通信信号解析转换为矢量化数据传输至嵌入式计算机单元；所述外部通信信号包括宽带载波信号和微功率信号；
4)嵌入式计算机单元接收和存储频谱仪输出的信号并根据频谱仪输出的信号进行频谱图绘制，并且对频谱图绘制过程数据进行存储；同时嵌入式计算机单元还接收和存储接收机单元输出的矢量化数据并根据该矢量化数据进行眼图和星座图绘制，并且对眼图和星座图绘制过程进行存储。
所述步骤4)中嵌入式计算机单元还根据存储的频谱图、眼图和星座图绘制过程数据对频谱图、眼图和星座图绘制过程进行回放。
上述监测方法中的用电信息采集系统用手持式性能监测系统还包括与嵌入式计算机单元相连接的调制解调模块，步骤4)中嵌入式计算机单元还对调制解调模块的通信进行协议一致性测试。
上述监测方法中所述外部通信信号还包括窄带载波信号、gprs/cdma信号和无线数传电台信号中的一种或多种。
本发明具有以下有益效果：本发明的监测系统能够在现场准确定位故障原因，有效准确地实现频谱图、眼图和星座图的绘制以及准确地实现通信信道的性能监测、协议一致性判别及时序鉴定；尤其能够定位难以甄别的载波通信方面的通信故障，能够简便快捷地在现场辅助判断采集终端通信故障，避免设备拆除后因电磁环境因素变化导致的故障难以准确复现的问题；还能实现低维度监测数据的高分辨率显示；具有多种接口功能，能够实现监测数据的高效共享、有序处理和压缩化存储；结构紧凑，便于携带和操作，降低了现场维护人员的专业技术水平要求。
附图说明
图1是本发明的手持式性能监测系统的结构框图；
图2是载波取样单元的电路结构图；
图3是前置滤波单元的电路结构图；
图4是电源单元的电路结构图；
图5是嵌入式计算机单元的原理结构图；
图6是协议一致性测试的流程图；
图7是频谱图、星座图或眼图的绘制流程图；
图8是频谱图、星座图或眼图的绘制过程的回放流程图；
图9是主从节点操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种用电信息采集系统用手持式性能监测系统，包括载波取样单元、开关矩阵单元、接收机单元、频谱仪、嵌入式计算机单元和调制解调模块。载波取样单元和开关矩阵单元之间通过前置滤波器相连接，接收机单元通过数据接口和嵌入式计算机单元进行数据传输，嵌入式计算机单元和频谱仪之间采用双向数据传输，嵌入式计算机单元和调制解调模块之间采用双向数据传输，例如，嵌入式计算机单元和调制解调模块之间通过双向数据交互接口实现双向数据传输。
其中数据接口和数据交互接口均采用usb端口，传输速度快且可靠性高。
载波取样单元，用于待测电力线上载波通信频段内的工频隔离和信号采集。
其中，如图2所示，载波取样单元的电路主要由取样电容、耦合变压器、工频吸收、突波吸收二极管和取样电阻构成，具体的，取样电容选用0.1uf/450vac的mpx电容，用来隔离工频同时通过射频信号；耦合变压器选用hr6008821422，用于将系统悬浮同电力线隔离，充分保证使用者的人身安全；隔离变压器的初级线包的工频感抗只有0.3欧姆左右，对工频起到第一级隔离；为了进一步减小工频对后续电路和信号测量的影响，增加了第二级工频吸收电感，经过多级抑制，工频抑制达到140db以上，以有效降低工频电压直到uv量级；p6ke12ca为突波吸收二极管，用来消除突发的强射频信号，保护设备安全；信号取样电阻的阻值为50欧，以为测试系统提供标准的接口阻抗。
载波取样单元采用上述电路能够对待测电力线进行有效地工频隔离和信号采样。
开关矩阵单元，开关矩阵单元与载波取样单元电连接，开关矩阵单元上还设置有sma接口，由sma接口连接外部天线。开关矩阵单元用于将载波取样单元采集的信号和外部天线采集的信号进行二选一切换后输出至频谱仪。
其中，开关矩阵单元在对载波取样单元采集的信号和外部天线采集的信号进行二选一切换时能够保证两种信号之间的隔离度与自身信道的屏蔽度，使得两种信号之间不会相互干扰，同时保证信号无损传输与阻抗匹配，并避免信号反射和泄露等问题。
具体地，开关矩阵单元进行设备选择时需要考虑需要测量的射频信号频带，信号功率等因数，优选的，开关矩阵单元可选择单刀双掷射频同轴开关的组合模式，用以更好地实现输入信号到测试设备间的连接。
开关矩阵单元的频率范围为：直流至20ghz；开关特性为非端接的单刀双掷开关，先断后合；隔离度为110db～2.25db/ghz；插入损耗小于0.2db+0.025db/ghz；接口采用sma阴头；控制电压为4.5～32v的直流驱动电压。
进一步地，载波取样单元和开关矩阵单元之间设置有前置滤波单元，主要是利用前置滤波单元来滤除50k～30m以外的射频信号分量，避免大功率的带外信号影响接收电路的动态范围。另外前置滤波单元中的滤波电路中设置有一级30db衰减器，以使得为输入信号的功率满足功率检测电路的输入功率要求。
如图3所示，前置滤波单元的滤波电路由一个七阶切比雪夫低通滤波器和一个七阶切比雪夫高通滤波器组合构成带通滤波器，这里选用切比雪夫滤波器主要考虑其过渡带陡峭，有利于抑制带外干扰信号。信号由l14端口进入，首先经过截至频率为35mhz的七阶低通滤波和截至频率为20khz的七阶高通滤波，滤波处理后的信号后续送采样电路处理。该滤波电路的带外抑制、带内波动、插损等参数均能较好的满足设计要求。
接收机单元，用于接收外部通信信号并将所述外部通信信号解析转换为矢量化数据，并将该矢量化数据传输至嵌入式计算机单元，所述矢量化数据包括眼图和星座图绘制数据；外部通信信号包括宽带载波信号、微功率信号、窄带载波信号、gprs/cdma信号和无线数传电台信号，其中无线数传电台信号可采用230m无线数传电台信号。
可以理解地，接收机单元包括宽带载波接收机、微功率接收机、窄带载波接收机、gprs/cdma接收机和无线数传电台接收机，用以接收上述对应的通信信号，上述每种接收机都可以监听各自信道，同时解析信道报文，并将解析后的报文数据(包含矢量化数据的眼图和星座图等信息)通过数据接口单元发送至嵌入式计算机单元，嵌入式计算机单元对接收到的报文数据进行处理并显示输出，从而实现低维度监测数据的高分辨率显示，实现矢量化数据的眼图/星座图的解析重构。
调制解调模块，包括宽带载波与微功率两种制式的调制解调模块，用于监听宽带载波信号或微功率信号的信道中的报文以及数据交互，所述数据交互是指调制解调模块将宽带载波信号或微功率信号的信道中的报文解调转换成应用层报文并将该应用层报文传输至嵌入式计算机单元，以及调制解调模块直接接收嵌入式计算机单元直接发送的应用层报文并将该应用层报文进行调制处理后送入宽带载波信号或微功率信号的信道中；嵌入式计算机单元控制调制解调模块进行上述监听过程，通过上述监听过程可以最终实现信道性能监测、设备性能监测，同时还可实现协议一致性判别及时序鉴定。
嵌入式计算机单元可通过调制解调模块监听的报文以及调制解调模块发出和接收报文的情况(数据交互)对调制解调模块的通信进行协议一致性测试，即验证调制解调模块的通信是否符合通讯规约的要求，测试时按照dl/t645-2007规约和q/gdw1376.2-2013规约检测调制解调模块是否符合协议一致性规范。
频谱仪用于在嵌入式计算机单元的控制作用下接收开关矩阵单元的输出信号并对该信号进行处理，以及将处理后的信号传输至嵌入式计算机单元。
嵌入式计算机单元，用于接收和存储接收机单元输出的矢量化数据并根据矢量化数据进行眼图和星座图绘制和显示，以及接收和存储频谱仪输出的信号并根据频谱仪输出的信号进行频谱图绘制和显示；还用于对频谱图、眼图和星座图的绘制过程数据进行存储；以及根据存储的频谱图、眼图和星座图绘制过程数据对频谱图、眼图和星座图绘制过程进行回放；
嵌入式计算机单元在现场对频谱图、眼图和星座图数据进行存储以及后续可根据绘制过程数据进行图像回放，利于现场情况的准确记录和重放，即使在技术人员在脱离现场之后也能够真实复现现场情况，实现故障的准确判断。
其中，如图5示，嵌入式计算机单元选用st公司的arm系列芯片作为主处理器，该主处理器外围电路少，内部集成倍频电路，主频可以达到80m以上，外部输入时钟8m，能够在提高处理速度的同时降低系统时钟对测试系统的不利影响，同时降低系统开发难度。嵌入式计算机单元的主功能控制电路的所有控制下发上传都是通过usb端口来完成，可靠高速。嵌入式计算机单元包含大量的数据传输端口，所有端口都通过高速光耦进行隔离，以保证数据传输的可靠性。
上述手持式性能监测系统，还包括用于给嵌入式计算机单元供电的电源单元，电源单元采用大电流直流电源，大电流直流电源直接取电于待测电力线；
电源单元采用大电流直流电源的主要作用是给手持式性能监测系统中大量精密设备以及电路提供稳定的供电能力，由于电源取电来自待测电力线，所以电源单元的供电电路需要隔离，可采用线性单元的方案，如图4所示，供电电路的前级采用大功率低功耗变压器，后级采用线性稳压器加滤波电路的方式，从而保证电源没有高频分量干扰的同时又保证了大电流。优选的，线性稳压器的散热部分结构都与设备自身散热风道融为一体，以更好地提高散热效率，保证电源单元的稳定供电。
一种用电信息采集系统用手持式性能监测系统监测方法，包括以下步骤：
1)开关矩阵单元接收sma接口处的外部天线采集到的信号和载波取样单元从待测电力线上载波通信频段内采集到的信号并将接收到的这两种信号进行二选一切换后输出至频谱仪；
2)频谱仪对开关矩阵单元输出的信号进行处理并将处理后的信号输出至嵌入式计算机单元；
3)接收机单元接收外部通信信号并将该外部通信信号解析转换为矢量化数据传输至嵌入式计算机单元；
其中，外部通信信号包括宽带载波信号、微功率信号、窄带载波信号、gprs/cdma信号和无线数传电台信号。调制解调单单元是对宽带载波信号和微功率信号进行调制和解调处理。
4)嵌入式计算机单元接收和存储频谱仪输出的信号并根据频谱仪输出的信号进行频谱图绘制和显示，并且对频谱图绘制过程数据进行存储；同时嵌入式计算机单元还接收和存储接收机单元输出的矢量化数据并根据该矢量化数据进行眼图和星座图绘制和显示，并且对眼图和星座图绘制过程进行存储。
最后技术人员可根据频谱图、眼图和星座图分析通信信号是否处于故障状态，或者直接由嵌入式计算机单元根据频谱图、眼图和星座图来分析通信信号是否处于故障状态。
上述步骤4)中嵌入式计算机单元还根据存储的频谱图、眼图和星座图绘制过程数据对频谱图、眼图和星座图绘制过程进行回放。
上述步骤3)也可放置于步骤1)之前进行。
其中，频谱图、星座图、眼图绘制的实现流程如图7所示。
嵌入式计算机单元可控制频谱仪设置所要接收信号的频段，带宽等，通过指令控制频谱仪输出数据，并将数据显示出来；还可将同一频段下的各个频点的最大值记录并显示出来，以更直观的显示出信号。
嵌入式计算机单元对频谱图、眼图和星座图绘制过程进行回放：频谱图，星座图和眼图绘制是都会进行数据保存，可以在绘制图像的时候将数据按照日期保存在指定的文件夹内。若需要进行数据回放，只需要读取存储的数据，重新生成图像，点击开始回放，就可以按照一定的速度回放保存的图像，回放的具体流程如图8所示，先打开文件夹，选择要回放的数据，再点击载入数据，读取文件的数据，就可以开始图像回放直至回放结束。
所述步骤1)中嵌入式计算机单元还对调制解调模块的通信进行协议一致性测试。
协议一致性测试主要用来验证调制解调模块通讯是否符合通讯规约的要求，即根据调制解调模块发出和接收报文的情况来判断调制解调模块的通信数据交互过程是否符合通讯规约要求。所述通讯规约为dl/t645-2007规约和q/gdw1376.2-2013规约。调制解调模块可以是主模块，也可以是从模块，测试从模块时，可以插入主模块作为辅助设备，测试主模块时则可以插入从模块作为辅助设备。进行协议一致性测试时对主从模块进行识别流程，档案同步，抄表测试和检测模块是否支持。嵌入式计算机单元通过通讯口对主从模块进行上下电，复位等操作，通过集中器通讯口和单相表通讯口和主从模块进行通讯，按照dl/t645-2007规约和q/gdw1376.2-2013规约检测主从模块是否符合协议一致性规范。
如图6所示，协议一致性测试的具体测试步骤为：先将一组主从模块插入嵌入式计算机单元的外调制接口上，再设置主从模块的测试参数，例如主从模块通信通道的通信参数(波特率、校验位等)、主从模块的类型、主从模块的地址等；然后点击开始测试，嵌入式计算机单元就会根据已设置的测试参数，发送命令进行协议一致性的测试，并将测试结果予以显示以供用户参考分析。
嵌入式计算机单元还可对调制解调模块进行主从节点操作，即对主从模块进行主从节点操作。主从节点操作主要是设置模块的工作状态，如完成模块上电，复位，地址响应等。
主从节点操作包括综合抄表和指令抄表这两种模式。综合抄表是对主从模块进行类似协议一致性的循环的抄表模式；指令抄表是指对主模块发送特定的指令。
指令抄表需要先进行抄表初始化，即给模块上电复位，将信号切到电力线上，然后打开串口，对主节点发送指令。
嵌入式计算机单元还具有虚拟表功能，启动虚拟表之后，接收到从节点发出的指令，并自动应答。嵌入式计算机单元还可以进行自动抄表，是按照输入的时间间隔，自动向主节点发送指令的抄表模式。
如图9所示，嵌入式计算机单元对主从模块进行主从节点操作的具体过程为：首先嵌入式计算机单元配置主从模块的通信通道参数，然后判断是否进行综合抄表，若判断结果为是，则开始进行综合抄表，并对抄表结果进行分析；若判断结果为否，则判断是否进行自动抄表，若判断结果为否，则打开串口，并向主节点发送指令而开始进行指令抄表，并对抄表结果进行分析，若判断结果为是，则输入抄表时间间隔并按照输入的时间间隔，自动向主节点发送指令而开始进行抄表，并对抄表结果进行分析。
上述过程中频谱图、眼图和星座图的准确绘制及回放，以及通信信道的性能监测、协议一致性判别及时序鉴定等是为技术人员在现场准确定位故障原因提供基础，使得技术人员能够根据上述操作，准确定位故障原因；
本发明的手持式性能监测系统能够在现场准确定位故障原因，有效准确地实现频谱图、眼图和星座图的绘制以及准确地实现通信信道的性能监测、协议一致性判别及时序鉴定；尤其能够定位难以甄别的载波通信方面的通信故障，能够简便快捷地在现场辅助判断采集终端通信故障，避免设备拆除后因电磁环境因素变化导致的故障难以准确复现的问题；本发明还能实现低维度监测数据的高分辨率显示；具有多种接口功能，能够实现监测数据的高效共享；能够实现监测数据的有序处理和监测数据的压缩化存储；保证电源单元的低幅值辐射；结构紧凑，便于携带和操作，降低了现场维护人员的专业技术水平要求。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。