專利名稱：嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種利用低壓電力線作為信息傳輸信道，能方便地嵌入到其他裝置中的帶有控制功能的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器。
背景技術(shù)：
低壓電力配電網(wǎng)(～380V/～220V)是居民生活中覆蓋面最廣且入戶率最高的一種物理網(wǎng)絡(luò)。隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，利用低壓民用配電網(wǎng)作為信息的傳輸介質(zhì)已成為現(xiàn)實，并且形成不同的應(yīng)用層面，高端的可用電力線上互聯(lián)網(wǎng)，低端的可利用電力線載波集中抄表(包括電表，水表和煤氣表)。但目前的載波集抄系統(tǒng)產(chǎn)品普遍存在如下幾個問題1、產(chǎn)品電路設(shè)計過于復(fù)雜，成本高、生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)多，造成成品性能指標(biāo)離散性大，難以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的大批量生產(chǎn)。
2、產(chǎn)品電路設(shè)計不合理，在實際應(yīng)用中抗干擾能力差，從而影響信息傳輸?shù)木_性和穩(wěn)定性，難以達到普及應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。
3、為單一應(yīng)用設(shè)計，通用性差，無法方便的移植到其它的應(yīng)用設(shè)置中。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是設(shè)計一種利用低壓電力線作為信息傳輸信道，能方便地嵌入到其他裝置中的帶有控制功能的電路簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強信息傳輸精確的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器。
本實用新型所述的電路簡單可靠的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器電路板由十個部分電路組成低壓(～220V)電力線耦合電路、輸入前置電路、輸出功放電路、擴頻電路、中央管理電路、信號采集接口電路、控制輸出接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路、通訊接口電路、電源接口電路，低壓(～220V)電力線耦合電路一邊接入(～220V)民用電力網(wǎng)，另一邊連接于輸入前置電路和輸出功放電路，輸入前置電路連接擴頻電路，擴頻電路與輸出功放電路相連，擴頻電路還與中央管理電路連接，同時中央管理電路還與信號采集接口電路、控制輸出接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路、通訊接口電路連接。
低壓(～220V)電力線耦合電路包括線圈T1，保護壓敏電阻PTC1、高壓電容HCI、保護瞬變抑制器TVS1組成，在耦合線圈T1的初極，PTC1并接在200V線路上，HCI串接在220V線路上，TVS1并接在T1的次極上，PTC1吸收電線的浪涌電壓，HCI阻掉線路上50Hz的工頻電壓，TVS1起到對電路的二級保護，上述電路去掉了～220V的干擾，保證有用的通訊信號順利進入到前置電路中。
通訊信號通過電阻R2從耦合電路輸至前置電路，前置電路由限流電阻R2、嵌位二極管D1、D2、耦合電容C6、C9、諧振電路的電感L1和諧振電容C8、工作電阻R3、R4、R5、R6、R7、電容C7和三極管Q1組成，R2的一端連接嵌位二極管D1、D2、C6、D1、D2另一端接地，C6的另一端接Q1的基極，L1的一端接C8同時接Q1的集電極，L1中心抽頭通過電阻R7接到電源VCC上，C9的一端接Q1的集極，另一端接U2的20腳。D1、D2把輸入信號的電壓嵌位在1V左右，使三極管Q1工作在放大區(qū)，L1和電容C8組成并聯(lián)諧振電路，諧振點在120KHz，C6耦合過來的信號經(jīng)Q1、L1、C8諧振放大后，通過電容C9進入擴頻電路。
擴頻電路是由電力線載波通訊專用芯片U2、電容C13、C14、C15、C16、C17、C18、電容E1、去干擾電阻R1、工作晶振X1和時鐘晶振X2、時鐘后備電池BATTERY組成擴頻電路，擴頻芯片U2的4、5、6、7、8、9腳與中央管理電路的單片機U1的各個I/O管腳相連接，U2的10管腳與U3的7腳相連接，同時通過反向器連接U1的4腳，U2的7腳與電阻R10、LED2、+5V依次串聯(lián)，U2的15腳與輸出功放電路的C11與C12連接。U2芯片把在電力線上傳輸?shù)男盘栕?5位的直序擴頻調(diào)置和解調(diào)，其基帶信號是500dps，載波120KHz，如果是傳輸?shù)诫娏€上的信號則由擴頻電路把基帶信號調(diào)置后經(jīng)過輸出功放電路放大輸出。在擴頻電路中，擴頻芯片U2對20腳輸入信號進行解擴，還原的基帶信號通過U2的4、5、6、7、8、9腳傳給中央管理電路的單片機U1的各個I/O管腳，U2的10腳作為電路的復(fù)位信號，與U3的7腳連接的同時經(jīng)U4的5腳反相后與U5的4腳連接，作為U1的復(fù)位信號。LED2用以指示U2的工作情況。
輸出功放電路由耦合電容C11、C12、對管Q2、Q3、Q4、Q5、保護二極管D5、D6、D3、D4和電阻R12、R13、濾波電容C10和濾波電感L2組成，U2的15腳通過C11、C12、R12、R13與Q2、Q3的基極相連接，Q2的集電極接Q4的基極，Q3的集電極Q5的基極，組成復(fù)合放大電路，Q4的發(fā)射極和Q5的發(fā)射極分別通過兩個二極管D5、D6與C10一端相連接，C10的另一端通過濾波電感L2與耦合電路的T1次極相接。
中央管理電路由單片機U1、復(fù)位反相器U4C、判斷接口J4、工作指示電路的電阻R11、R10、R19、發(fā)光二極管LED1、LED2、去耦電容E2、C4組成，單片機U1通過信號線R_T、SYNC、RX_TX、SDA、SCLK、WDI和經(jīng)過反相器U4C的RST信號線與擴頻電路的擴頻芯片U2相連接，電阻R19一端接+5V，另一端接J4的2腳，判斷接口J4是兩針的短路端子插件，在實際應(yīng)用中嵌入在U1中的監(jiān)控程序通過單片機的相應(yīng)的口線讀取J4的狀態(tài)，LED1由U1的軟件控制作工作狀態(tài)指示，LED2是電力線通訊收發(fā)狀態(tài)指示。
數(shù)據(jù)存儲電路由芯片U3組成，通過信號線SCLK、RST、SDA與單片機U1的I/O腳連接，芯片U3可存儲重要工作數(shù)據(jù)。
控制輸出接口電路電芯片U5和接口P2組成，芯片U5的3腳連接到單片機U1的17腳，芯片U5的7腳與單片機U1的18腳相接，由單片機U1的程序控制芯片U5的輸出，芯片U5可以輸出400mA電流，足以推動微型閥和各種繼電器。
信號采集接口電路由整形電路U4A、U4C、濾波阻容R14、R15、R16、R17、R18、C2、C3、C5、接口J1、J5組成，R14和R18一端分別與上拉電阻R15和R17相接，R14另一端與積分電容C2和U4A的1腳連接作信號整形，R18另一端接積分電容C3和U4B的3腳作信號整容，電容C5作為電源去偶電容，接口J1與外部信號輸入相連接，U4A、U4C通過J5與通訊接口與信號接口復(fù)用的接插件P1連接。通訊接口電路由通訊接口與信號接口復(fù)用的接插件P1組成，如果實際應(yīng)用需要與本處理器以外的其它電路轉(zhuǎn)發(fā)電力線上的通訊信息，則斷開J5與P1連接，而P1直接與外部其它電路的通訊線連接，在U1的控制下按照雙方約定好的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
本實用新型所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，提供了以下與外界聯(lián)系的接口信號采集接口電路、控制輸出接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路、通訊接口電路，從而實現(xiàn)的產(chǎn)品通用化的設(shè)計。
通過信號采集接口電路和抗干擾性能優(yōu)越的芯片接收外部傳感器輸出的信號，這些信號可以是電表的脈沖信號、水表和氣表的開關(guān)信號，還可以是其它應(yīng)用中的不同信號，如一個機械裝置的行程開關(guān)信號，溫度、水位預(yù)置信號等。
控制輸出接口電路可以直接控制外部的繼電路，可儲存如表底數(shù)等重要參數(shù)。
通訊接口電路提供的跨電力載波通訊外延接口，便于向其它智能電路轉(zhuǎn)發(fā)電力線上的通訊數(shù)據(jù)。這樣，使本處理器既可以成為一個用低壓電力線載波作為通訊平臺以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計量、控制的獨立產(chǎn)品，如載波電表、載波水表、載波氣表，又可以作為一個電力載波通訊的調(diào)置解調(diào)設(shè)置嵌入到其它產(chǎn)品中，如家用電路自動控制設(shè)置等，使原有產(chǎn)品具備低壓電力線載波通訊的功能。
綜上所述，本實用新型的貢獻在于使低功能載波通訊控制設(shè)施滿足以下功能便于標(biāo)準(zhǔn)化的批量生產(chǎn)，從而實現(xiàn)了其商品的要求；增強了信號在低壓電力線上傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，大大降低了信號的遺失率和誤碼率；增強了產(chǎn)品的通用性，便于嵌入到不同功能的產(chǎn)品中使用，例如載波電表、載波水表、載波氣表以及其它家用電器或安全設(shè)施的自動控制裝置等。


圖1本實用新型的原理方框圖圖2本實用新型的電路原理圖具體實施方式
低壓(～220V)電力線耦合電路(1)包括耦合線圈T1、保護壓敏電阻PTC1、高壓電容HC1、保護瞬變抑制器TVS1組成。在耦合線圈T1的初極，PTC1并接在～200V線路上，HC1是0.22u/275V電容，串接在～220V線路中，TVS1是P6KE18C、并在T1的次極，耦合電路(1)由電阻R2與前置電路(2)相接，前置電路(2)由限流電阻R2(1K)、嵌位二極管D1(1N4148)、D2(1N4148)、耦合電容C6(0.33u)、C9(0.47u)、諧振電路的電感L1(1mH)和諧振電容C8(1500p)、工作電阻R3(33K)、R4(62K)、R5(47)、R6(20K)、R7(100)、電容C7(0.33u)和三極管Q1(9014)組成。R2的一端連接嵌位二極管D1、D2、C6，D1、D2的另一端接地，C6另一端接Q1的基極。在輸入前置電路(2)中，L1和電容C8組成并聯(lián)諧振電路，L1一端接C8同時接Q1的集電極，L1中心抽頭通過電阻R7(100)接到電源VCC上，C9的一端接Q1的集極，另一端接U2(PL2101S-24SI)的20腳。
由第三代電力線載波通訊專用芯片PL2101S-24SI構(gòu)成核心芯片U2，與電容C13(0.1u)、C14(10p)、C15(10p)、C16(0.01u)、C17(22p)、C18(22p)、E1(100u/16V)電容、去干擾電阻R1(10)、工作晶振X1(9.6M)和時鐘晶振X2(32.768k)、時鐘后備電池BATTERY組成了擴頻電路(4)。U2的4、5、6、7、8、9管腳與中央管理電路(5)由PIC16CR58構(gòu)成的單片機U1的各個I/O管腳相接。U2的10腳直接連到U3(24C01)的7腳，同時經(jīng)U4(74HC14)的5腳反相后，接U1的4腳，U2的7腳與電阻R10、LED2、+5V依次串聯(lián)，U2的15腳接到輸出功放電路3的C11與C12上。
輸出功能電路(3)由耦合電容C11(0.01u)、C12(0.01u)、對管Q2(9015)、Q3(9014)、Q4(1815)、Q5(1015)、保護二極管D5(4148)、D6(4148)、D3(5.1V)、D4(5.1V)和電阻R12(4.7K)、R13(4.7K)、濾波電容C10(2.2u)和濾波電感L2組成。U2的15腳經(jīng)C11、C12、R12、R13接到Q2、Q3的基極，Q2的集電極接Q4的基極，Q3的集電極接Q5的基極。Q4發(fā)射極和Q5的發(fā)射極經(jīng)過D5、D6兩個二極管接至C10，從C10另一端通過濾波電感L2與耦合電路1的T1次極相接。
中央管理電路(5)由U2單片機PIC16CR58、復(fù)位反相器U4C(74HC14)、判斷接口J4(CON2)、工作指示電路的電阻R11(1K)、R10(470)、R19(10K)、發(fā)光二極管LED1、LED2、去耦電容E2(100u/16V)、C4(0.1u)組成。PIC16CR58通過信號線R-T、SYNC、RX-TX、SDA、SCLK、WDI和經(jīng)過U4C反相器的RST信號與擴頻電路(4)的PL2101S-24SI相連。電阻R19一端接+5V，另一端接J4的2腳。判斷接口J4是2針的短路端子插針，在實際應(yīng)用中嵌入在PIC16CR58中的監(jiān)控程序通過單片機的相應(yīng)的口線讀取J4的狀態(tài)。LED1由單片機的軟件控制作工作狀態(tài)指示，LED2的電力線通訊收發(fā)狀態(tài)指示。
數(shù)據(jù)存儲電路(8)由U3(24C01)組成，通過信號SCLK、RST、SDA與PIC16CR58的I/O腳連接。
控制輸出接口電路(7)由U5(BH3024)和接口P2(CON2)組成，BH3024的3腳連接到PIC16CR58的17腳，BH3024的7腳連接到PIC16CR58的18腳。
信號采集接口電路(6)由整形電路U4A(74HC14)、U4C(74HC14)、濾波阻容R14(100)、R15(10K)、R16(680)、R17(10K)、R18(100)、C2(0.01u)、C3(0.01u)、C5(90.1u)、接口J1(CON5)、J5(CON2)組成。R14和R18一端分別接上拉電阻R15和R17，R14另一端接積分電容C2和U4A的1腳，R18另一端接積分電容C3和U4B的3腳。電容C5一端與C2相連，另一端與R15相連，并接+5V。接口J1與外部的信號輸入相連，U4A、U4C通過J5與通訊接口與信號接口復(fù)用的接插件P1連接，或斷開J5與P1的連接，P1直接與外部其他電路的通訊線連接，在PIC16CR58控制下按照雙方約定好的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1.一種嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，它是由低壓電力線耦合電路、輸入前置電路、輸出功放電路、擴頻電路、中央管理電路、信號采集接口電路、控制輸出接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路、通訊接口電路、電源接口電路組成，其特征在于低壓電力線耦合電路(1)一邊接入民用電力網(wǎng)，另一邊連接于輸入前置電路(2)和輸出功放電路(3)，輸入前置電路連接擴頻電路，擴頻電路(4)與輸出功放電路相連接，擴頻電路還與中央管理電路相連接，同時中央管理電路(5)還與信號采集接口電路(6)、控制輸出電路(7)、數(shù)據(jù)存儲電路、通訊接口電路(9)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，其特征在于擴頻電路(4)的電力線載波專用芯片U2的4、5、6、7、8、9腳與中央管理電路(5)的單片機U1的各個I/O管腳相連接，U2的10管腳與U3的7腳相連接，同時通過反向器連接U1的4管腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，其特征在于電力載波專用芯片U2為PL2101S-24SI芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，其特征在于中央管理電路(5)的單處機U1為PIC16CR58芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，其特征在于擴頻電路(4)的電力線載波專用芯片U2的7腳與電阻R10、LED2、電源+5V依次串接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，其特征在于信號采集接口電路(6)的芯片U4的管腳2和4通過J5與通訊接口與信號接口復(fù)用的接插件P1連接，或斷開J5與P1的連接，P1直接與外部其它電路的通訊線連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式低壓電力載波通訊控制處理器，其特征在于輸入前置電路(2)的L1與C8共同連接到三極管的集電極。
專利摘要本實用新型涉及能方便的嵌入到其它裝置中的帶控制功能的低壓電力載波通訊控制處理器，提供了與外界聯(lián)系的信號采集接口、控制輸出接口、通訊接口等多種接口，自身就可以完成對外部信號的采集、計量、控制、通訊轉(zhuǎn)發(fā)等功能，既可以是一個獨立的用低壓電力線作通訊信道的數(shù)據(jù)采集、計量、控制、通訊轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)品，又可以作為電力載波通訊調(diào)制解調(diào)單元嵌入到其它產(chǎn)品中，線路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，信息傳輸精確，沒有可調(diào)元件，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號H04B3/54GK2606985SQ0324306
公開日2004年3月17日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者曹彤, 黎展 申請人:北京華運電利載波技術(shù)公司