一种用于测控系统的电力载波装置及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于测控系统的电力载波装置及其控制方法，它包括控制芯片、调制解调器和耦合电路，控制芯片与调制解调器导线连接，调制解调器数字信号输出端与D/A模块导线连接，D/A模块与发送滤波模块导线连接，发送滤波模块与发送放大电路导线连接，发送放大电路与耦合电路导线连接；调制解调器数字信号输入端与A/D模块导线连接，AD模块与接收滤波模块导线连接，接收滤波模块与接收放大电路导线连接，接收放大电路与耦合电路导线连接，耦合电路与电源线连接；解决了现有技术的低压电力线载波用到测控系统中存在干扰性强、稳定性差，存在着传输距离不够长、受负载影响大和可靠性不够高等问题。
【专利说明】
一种用于测控系统的电力载波装置及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于载波通信技术，尤其涉及一种用于测控系统的电力载波装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002]低压电力线载波通信PLC(Power Line Communicat1n)是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。自20世纪20年代电力线载波通信推出以来，PLC已经被成熟而有效地应用于电力系统、安防控制、路灯控制、抄表系统等诸多领域。它具有通道可靠性好，抗破坏能力强，投资少，不需要架设专用线路等优点而被广泛的应用。
[0003]作为通信技术的一个应用领域，现有技术已经大量的运用了电力载波技术，由于它的实用性以及巨大的市场前景，迅速被各家公司争先采用。它利用现有交流电源线作为通讯线路，省去了不切实际的铺线工程，优势明显。将电力线载波通信技术应用到测控系统中，为工业生产过程系统和重要生活设施系统提供一种新型的低成本的通信方式，但是在测控系统中数据传输存在干扰性强、稳定性差等问题，存在着传输距离不够长、受负载影响大和可靠性不够高的问题。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题:提供一种用于测控系统的电力载波装置及其控制方法，以解决现有技术的低压电力线载波用到测控系统中存在干扰性强、稳定性差，存在着传输距离不够长、受负载影响大和可靠性不够高等问题。
[0005]本发明技术方案:
一种用于测控系统的电力载波装置，它包括控制芯片、调制解调器和耦合电路，控制芯片与调制解调器导线连接，调制解调器数字信号输出端与D/A模块导线连接，D/A模块与发送滤波模块导线连接，发送滤波模块与发送放大电路导线连接，发送放大电路与耦合电路导线连接;调制解调器数字信号输入端与A/D模块导线连接，AD模块与接收滤波模块导线连接，接收滤波模块与接收放大电路导线连接，接收放大电路与耦合电路导线连接。耦合电路与电源线连接。
[0006]所述耦合电路包括耦合变压器Tl和耦合电容C51，耦合变压器Tl与耦合电容C51连接，在耦合变压器Tl的输出侧两端并联有瞬间抑制二极管TVS2，在耦合电路的电源线一侧并联有瞬变抑制二极管TVS3。
[0007]所述调制解调器为数字式调整解调器，它采用FPGA构成，其型号为EP2C5T144C8。
[0008]所述控制芯片为AVR控制芯片，其型号为ATmegal6。
[0009]D/A模块芯片采用AD公司的AD9764构成;AD模块芯片采用TI公司的TLC5510构成，并在TLC5510芯片的供电电源端并联有旁路电容。
[0010]接收滤波模块和发送滤波模块采用低通滤波器。
[0011]发送放大电路采用AD8009构成，接收放大电路采用0PA690构成。
[0012]控制芯片上集成有串口调试接口、LED指示灯和按键。
[0013]所述的电力载波装置的控制方法，它包括数据发送控制，它包括下述步骤:
步骤1、控制芯片接收来自外部按键的电平信号，在控制芯片中生成命令控制帧，并将发出命令控制帧的数据段送入调整解调器中进行信号的发送处理；
步骤2、经过调整解调器处理后的数字载波信号首先经过D/A转换，生成模拟载波信号；为了滤除模拟载波信号中波形的高频谐波成份，在D/A转换之后进行低通滤波，然后通过发送放大电路和耦合电路将载波信号上载到电力线上，完成载波信号的发送控制。
[0014]所述的电力载波装置的控制方法，它包括数据接收控制，它包括下述步骤:
步骤1、在接收载波信号时，耦合电路从电力线信道下载载波信号；
步骤2、接收滤波模块滤除载波信号中的杂波，送入A/D模块中转换为数字载波信号；步骤3、数字载波信号在调整解调器中进行解调后，复原出发送端的数字信号，送入控制芯片判断是否为本节点控制命令；
步骤4、是本节点控制命令则进行处理。
[0015]本发明的有益效果:
本发明能够实现将电力线载波通信技术应用到测控系统中，为工业生产过程系统和重要生活设施系统提供一种新型的低成本、方便、可靠的电力载波装置。本发明适合于测控系统的电力线载波数据传输，通过本发明提高了电力载波通信在测控数据传输中的可靠性、实时性和稳定性。本发明设计的通信模块能够在常规的工业环境中稳定工作，能够把现场的工业数据通过电力线载波通信方式及时可靠的传送到测控主机，同时能够准确、实时地将各种控制命令通过电力线载波通信方式传送至各个现场执行节点。
[0016]本发明降低了测控系统的工程费用和工程难度，使测控系统的精确性、实用性、经济性和灵活性大大增加，为提高生产质量、节能降耗提供了条件;解决了现有技术的低压电力线载波用到测控系统中存在干扰性强、稳定性差，存在着传输距离不够长、受负载影响大和可靠性不够高等问题。
[0017]【附图说明】:
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明耦合电路结构示意图。
[0018]【具体实施方式】:
一种用于测控系统的电力载波装置，它包括控制芯片、调制解调器和耦合电路，控制芯片与调制解调器导线连接，调制解调器数字信号输出端与D/A模块导线连接，D/A模块与发送滤波模块导线连接，发送滤波模块与发送放大电路导线连接，发送放大电路与耦合电路导线连接;调制解调器数字信号输入端与A/D模块导线连接，AD模块与接收滤波模块导线连接，接收滤波模块与接收放大电路导线连接，接收放大电路与耦合电路导线连接。耦合电路与电源线连接。
[0019]所述耦合电路包括耦合变压器Tl和耦合电容C51，耦合变压器Tl与耦合电容C51连接，在耦合变压器Tl的输出侧两端并联有瞬间抑制二极管TVS2，在耦合电路的电源线一侧并联有瞬变抑制二极管TVS3。
[0020]瞬间抑制二极管TVS2主要是吸收电路中电压浪涌冲击，对电路起着保护作用。
[0021]电力线上设备的接入和断开都可能会产生尖峰脉冲或瞬时过电压，所以在接入电力线一端的过电压保护非常必要，否则容易烧坏电路，在本发明中采用瞬变抑制二极管TVS3来对来自电力线一端的过电压进行消除，对电路进行保护。
[0022]所述调制解调器为数字式调整解调器，它采用FPGA构成，其型号为EP2C5T144C8。
[0023]本发明采用FPGA芯片EP2C5T144C8作为载波通信调制解调器，主要是为了解决调整解调器的容量和性能问题，Altera公司低成本系列90nm工艺技术的CycloneII型FPGA芯片EP2C5T144C8，是目前市场上性价比最高的一款FPGA芯片。有4608个逻辑单元等效为23万逻辑门、119808比特存储器、2个锁相环、13个硬件乘法器模块、26个嵌入式单元，每个单元4kbit，并且支持JTAG、AS、PS等配置方式。该芯片适用于本发明中作为调整解调器使用。
[0024]系统的控制芯片是采用一块AVR控制芯片来实现，由于AVR芯片的性能指标需要和调整解调器的FPGA芯片匹配，由于本发明中调整解调器FPGA芯片的I/O电压是3.3V，因此本发明需要选择3.3V供电模式的AVR芯片，由于需要在外围电路中设计外部按键，所以AVR芯片的I/O数量的选择也是本发明的关键，其次就是其内部的定时器数量和程序存储器的大小是否能满足电力载波的需要。综合以上考虑，本发明选用AVR控制器中的ATmegaieJtS控制芯片，它是一种高性能、低功耗的8位微处理器，工作时钟高达16MIPS，16K字节的系统内可编程Flash、512字节的EEPROM、IK字节的片内SRAM，两个8位定时器/计数器，具有独立的比较器和预分频器功能，一个16位定时器/计数器，具有预分频器捕捉和比较功能。具有省电模式功能、44引脚的TQFP封装、32个可编程的I/O口，在1MHZ、3V、25oC时正常功耗仅为1.1mA0
[0025]根据载波通信的需要，D/A和A/D模块是载波通信调制解调中信号转换的重要器件，本发明选用AD公司的AD9764作为D/A转换芯片，选择TI公司的TLC5510作为A/D转换芯片。由于AD9764的转换速率最高可为105MSPS，TLC5510转换速率为20MSPS，其采样率完全能满足测控载波通信系统的需要。
[0026]在信号调制发送中D/A模块的重要性仅次于FGPA，AD9764是高速D/A转换器，是一个可以兼容8位、10位、12位、14位的D/A转换器，特别适用于通信系统的信道传输。由于是差分电流输出，因此需要使用运算放大器把电流信号转换为电压信号。因此本发明采用高速低失真运放AD8009作为发送放大电路，并用大面积铺铜接地的方式来减少干扰，提高D/A转换的可靠性。
[0027]在接收信号的解调过程中A/D模块是比较重要的器件，常规情况下A/D模块位数越高，可以得到比较高的信噪比，但当A/D模块的信噪比比输入信号的信噪比高时，太高的位数无实际意义，A/D模块噪比通过下述公式计算
SNR=6.02n+l.76dB+101g[fs/2B]
其中，fs是采样频率，B为A/D模块带宽，n为A/D模块转换位数；
本发明考虑到输入载波信号较小时，容易受到数字系统干扰，在供电电源端通过并联旁路电容的方式来提高A/D模块稳定性，减少数字系统的干扰，提高整个装置的抗干扰能力，增加装置的数据传输可靠性和稳定性。
[0028]在实际通信过程中，载波信号的强度总是在变化的，为了达到最佳的A/D模块采样效果，本发明在信号进入A/D模块前对载波信号进行匹配，在本发明中采用0PA690运算放大器作为接收放大电路与A/D模块进行匹配，0PA690构成电压反馈运放，对信号稳定增益有很大的作用。
[0029]接收滤波模块和发送滤波模块采用低通滤波器。
[0030]控制芯片上集成有串口调试接口、LED指示灯和按键。
[0031]所述的电力载波装置的控制方法，它包括数据发送控制，它包括下述步骤:
步骤1、控制芯片接收来自外部按键的电平信号，在控制芯片中生成命令控制帧，并将发出命令控制帧的数据段送入调整解调器中进行信号的发送处理；
步骤2、经过调整解调器处理后的数字载波信号首先经过D/A转换，生成模拟载波信号；为了滤除模拟载波信号中波形的高频谐波成份，在D/A转换之后进行低通滤波，然后通过发送放大电路和耦合电路将载波信号上载到电力线上，完成载波信号的发送控制。
[0032]所述的电力载波装置的控制方法，它包括数据接收控制，它包括下述步骤:
步骤1、在接收载波信号时，耦合电路从电力线信道下载载波信号；
步骤2、接收滤波模块滤除载波信号中的杂波，送入A/D模块中转换为数字载波信号；步骤3、数字载波信号在调整解调器中进行解调后，复原出发送端的数字信号，送入控制芯片判断是否为本节点控制命令；
步骤4、是本节点控制命令则进行处理。
【主权项】
1.一种用于测控系统的电力载波装置，它包括控制芯片、调制解调器和耦合电路，其特征在于:控制芯片与调制解调器导线连接，调制解调器数字信号输出端与D/A模块导线连接，D/A模块与发送滤波模块导线连接，发送滤波模块与发送放大电路导线连接，发送放大电路与耦合电路导线连接;调制解调器数字信号输入端与A/D模块导线连接，AD模块与接收滤波模块导线连接，接收滤波模块与接收放大电路导线连接，接收放大电路与耦合电路导线连接，耦合电路与电源线连接。2.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:所述耦合电路包括耦合变压器Tl和耦合电容C51，耦合变压器Tl与耦合电容C51连接，在耦合变压器Tl的输出侧两端并联有瞬间抑制二极管TVS2，在耦合电路的电源线一侧并联有瞬变抑制二极管TVS3。3.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:所述调制解调器为数字式调整解调器，它采用FPGA构成，其型号为EP2C5T144C8。4.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:所述控制芯片为AVR控制芯片，其型号为ATmega 16。5.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:D/A模块芯片采用AD公司的AD9764构成;AD模块芯片采用TI公司的TLC5510构成，并在TLC5510芯片的供电电源端并联有旁路电容。6.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:接收滤波模块和发送滤波模块采用低通滤波器。7.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:发送放大电路采用AD8009构成，接收放大电路采用0PA690构成。8.根据权利要求1所述的一种用于测控系统的电力载波装置，其特征在于:控制芯片上集成有串口调试接口、LED指示灯和按键。9.如权利要求1-8所述的电力载波装置的控制方法，它包括数据发送控制，它包括下述步骤: 步骤1、控制芯片接收来自外部按键的电平信号，在控制芯片中生成命令控制帧，并将发出命令控制帧的数据段送入调整解调器中进行信号的发送处理； 步骤2、经过调整解调器处理后的数字载波信号首先经过D/A转换，生成模拟载波信号；为了滤除模拟载波信号中波形的高频谐波成份，在D/A转换之后进行低通滤波，然后通过发送放大电路和耦合电路将载波信号上载到电力线上，完成载波信号的发送控制。10.如权利要求1-8所述的电力载波装置的控制方法，它包括数据接收控制，它包括下述步骤: 步骤1、在接收载波信号时，耦合电路从电力线信道下载载波信号； 步骤2、接收滤波模块滤除载波信号中的杂波，送入A/D模块中转换为数字载波信号； 步骤3、数字载波信号在调整解调器中进行解调后，复原出发送端的数字信号，送入控制芯片判断是否为本节点控制命令； 步骤4、是本节点控制命令则进行处理。
【文档编号】H04B3/54GK105915267SQ201610232940
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】李泽滔, 夏磊
【申请人】贵州大学