(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 203617994 U(45)授权公告日 2014.05.28
(21)申请号 201320850062.2(22)申请日 2013.12.20
(73)专利权人长沙威胜信息技术有限公司
地址410205 湖南沙市岳麓区长沙高新
技术产业开发区桐梓坡西路468号(72)发明人王成 邱仁峰
(74)专利代理机构长沙永星专利商标事务所
43001
代理人周咏 米中业(51)Int.Cl.
H04B 3/56(2006.01)H04L 27/26(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图6页权利要求书1页 说明书4页 附图6页
(54)实用新型名称
OFDM多载波调制电力数据通信电路(57)摘要
本实用新型公开了一种OFDM多载波调制电力数据通信电路，包括电能表、电力线、载波耦合电路、接收电路、通信控制电路、发送电路和电源电路；载波耦合电路将发送电路传来的信号耦合发送至电力线上，同时接收由电力线传来的载波调制信号，并将该载波调制信号传至接收电路；接收电路将接收到的信号进行信号处理后发至通信控制电路；通信控制电路将接收到的信号传至电能表，同时将电能表发出的数据信号处理成载波信号传至发送电路；发送电路将通信控制电路传来的载波信号进行功率放大后传至载波耦合电路；电源电路给上述四个功能电路供电。本实用新型的宽带通讯通信距离长，传输稳定性佳，网络路由模式不单一，且工作功耗低。CN 203617994 UCN 203617994 U
权 利 要 求 书
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1.一种OFDM多载波调制电力数据通信电路，包括电能表和电力线，其特征在于，该电路还包括载波耦合电路、接收电路、通信控制电路、发送电路和电源电路；载波耦合电路将发送电路传来的信号耦合发送至电力线上，同时接收由电力线传来的载波调制信号，并将该载波调制信号传至接收电路；接收电路将接收到的信号进行信号处理后发至通信控制电路；通信控制电路将接收到的信号传至电能表，同时将电能表发出的数据信号处理成载波信号传至发送电路；发送电路将通信控制电路传来的载波信号进行功率放大后传至载波耦合电路；电源电路给上述四个功能电路供电。
2.根据权利要求1所述的OFDM多载波调制电力数据通信电路，其特征在于，所述载波耦合电路与电力线进行阻抗匹配和信号匹配。
3.根据权利要求1所述的OFDM多载波调制电力数据通信电路，其特征在于，所述接收电路将由所述载波耦合电路传来的载波差分信号进行信号整形、滤波和钳位处理。
4.根据权利要求1所述的OFDM多载波调制电力数据通信电路，其特征在于，所述通信控制电路包括微控制器；该通信控制电路通过微控制器的UART端口或Ethernet端口与电能表进行数据收发；该通信控制电路将所述电能表传出的数据信号处理成模拟高频差分载波信号，同时将由所述接收电路传来的载波调制信号解调。
5.根据权利要求1所述的OFDM多载波调制电力数据通信电路，其特征在于，所述发送电路将所述通信控制电路传来的数据信号进行功率放大。
6.根据权利要求4所述的OFDM多载波调制电力数据通信电路，其特征在于，所述微控制器采用型号为AR7000的芯片。
7.根据权利要求1所述的OFDM多载波调制电力数据通信电路，其特征在于，所述电源电路包括型号为MP2467DN的DC/DC芯片。
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说 明 书
OFDM多载波调制电力数据通信电路
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技术领域
[0001]
本实用新型涉及一种数据通信电路，特别涉及一种OFDM多载波调制电力数据通
信电路。背景技术
随着智能家居的建设，家庭数据互联通讯技术多种多样，其中PLC通讯技术仍旧
占主体，OFDM多载波调制技术以其极高的数据传输速率，广泛用于有线电视、家居网络接入等设备中。但现有技术方案存在宽带通讯通信距离短、传输稳定性差和网络路由模式单一等问题。
[0002]
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的是提供一种低功耗且低成本的OFDM多载波调制电力数据通信电路。
[0004] 本实用新型提供的这种OFDM多载波调制电力数据通信电路，包括电能表、电力线、载波耦合电路、接收电路、通信控制电路、发送电路和电源电路；载波耦合电路将发送电路传来的信号耦合发送至电力线上，同时接收由电力线传来的载波调制信号，并将该载波调制信号传至接收电路；接收电路将接收到的信号进行信号处理后发至通信控制电路；通信控制电路将接收到的信号传至电能表，同时将电能表发出的数据信号处理成载波信号传至发送电路；发送电路将通信控制电路传来的载波信号进行功率放大后传至载波耦合电路；电源电路给上述四个功能电路供电。
[0005] 所述载波耦合电路与电力线进行阻抗匹配和信号匹配。所述接收电路将由所述载波耦合电路传来的载波差分信号进行信号整形、滤波和钳位处理。所述通信控制电路包括微控制器；该通信控制电路通过微控制器的UART端口或Ethernet端口与电能表进行数据收发；该通信控制电路将所述电能表传出的数据信号处理成模拟高频差分载波信号，同时将由所述接收电路传来的载波调制信号解调。所述发送电路将所述通信控制电路传来的数据信号进行功率放大。所述微控制器采用型号为AR7000的芯片。所述电源电路包括型号为MP2467DN的DC/DC芯片。
[0006] 本实用新型是基于Homeplug标准的多载波调制电力数据通信电路，实现电力线通讯速率高达7~8Mbps，该速率远远高于通讯速率为kbps级的窄带电力线通讯电路；本实用新型的宽带通讯通信距离长，传输稳定性佳，网络路由模式不单一，且工作功耗小于2W，为满足电力公司的基本需求和未来增值需求提供保障。附图说明
图1是本实用新型的功能模块图。
[0008] 图2是本实用新型的载波耦合电路图。[0009] 图3是本实用新型的接收电路图。
[0007]
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说 明 书
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图4是本实用新型的发送电路图。
[0011] 图5是本实用新型的通信控制电路图。[0012] 图6是本实用新型的外围电路图。[0013] 图7是本实用新型的电源电路图。
具体实施方式
[0014] 如图1所示，本实用新型包括电能表、电力线、载波耦合电路、接收电路、通信控制电路、发送电路、外围电路和电源电路。
[0015] 载波耦合电路与220/230VAC@50Hz的电力线进行阻抗和信号匹配，将发送电路传来的调制信号耦合到电力线上，同时将接收到的由电力线传来的载波调制信号转换成载波差分信号，并将该载波差分信号传至接收电路；接收电路将接收到的载波差分信号进行信号整形、滤波和钳位处理后发至通信控制电路，通信控制电路将来自接收电路的载波信号进行解调后，通过芯片UART端口或Ethernet端口与智能电能表的数据收发，同时将由该电能表发出的数据信号处理成模拟高频差分载波信号传至发送电路；发送电路将通信控制电路输出的模拟高频差分载波信号进行功率放大，再通过载波耦合电路将该信号耦合发送至电力线上。外围电路与通信控制电路连接，用于数据存储。电源电路给上述四个功能电路供电。
[0016] 如图2所示，载波耦合电路包括耦合变压器T3、瞬态放电管V7、耦合电容C14、调整电阻R6和调整电阻R14。耦合变压器T3的5脚通过调整电阻R6串联耦合电容C14与电力线的火线L端连接；其6脚通过调整电阻R14与电力线的零线N端连接；其4脚与接收电路的输入端连接，用于传递载波差分负信号RX-；其2脚与接收电路的输入端连接，用于传递载波差分正信号RX+；其3脚与发送电路的输入端连接，用于传递模拟高频差分载波正信号TX+；其1脚与发送电路的输入端连接，用于传递模拟高频差分载波负信号TX-。瞬态放电管V7接于耦合变压器T3的5脚和6脚之间。
[0017] 本实用新型的载波耦合电路是根据Homeplug Green PHY多调制载波耦合电路阻抗模型设计，其中调整电阻R6、调整电阻R14是Homeplug低阻抗载波通讯信号的调整电阻，耦合电容C14和瞬态放电管V7既保护整个电路免受雷击、恶劣环境的影响，又可以耦合高频OFDM多调制载波信号。耦合变压器T3是工作频率范围是2M~30MHz信号耦合变压器，其中输入感抗是18.5uH±20%，输出感抗是28.5uH±20%，信号衰减小于1dB。[0018] 如图3所示，接收电路包括第一阶切比雪夫高通滤波器、第二阶巴特沃兹低通滤波器、第三阶巴特沃兹低通滤波器、高频信号耦合电容C17、高频信号耦合电容C21、共模抑制器V4和共模抑制器V6。第一阶切比雪夫高通滤波器包括电容C15、电容C16、电容C22、电容C23、电感L7、电感L8；第二阶巴特沃兹低通滤波器包括电容C18、电容C19、电感L5和电感L10；第三阶巴特沃兹低通滤波器是电感L6、电感L9和电容C20。
[0019] 由耦合载波电路传来的载波差分负信号RX-通过电阻R7与第一阶切比雪夫高通滤波器的电容C15连接；同时由该耦合滤波电路传来的载波差分正信号RX+通过电阻R12与第一阶切比雪夫高通滤波器的电容C22连接。第一阶切比雪夫高通滤波器的电容C16通过高频信号耦合电容C17与第二阶巴特沃兹低通滤波器的电感L5的1脚连接；该第一阶高通滤波器的电容C23通过高频信号耦合电容C21与第二阶巴特沃兹低通滤波器的电感L10
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的1脚连接。第二阶巴特沃兹低通滤波器的电感L5的2脚与第三阶巴特沃兹低通滤波器的电感L6的1脚连接，该第二阶低通滤波器的电感L10的2脚与第三阶巴特沃兹低通滤波器的电感L9的1脚连接。第三阶巴特沃兹低通滤波器的电感L6的2脚与通信控制电路中的微控制器的30脚连接，用于传递负信号RXIN_N；第三阶巴特沃兹低通滤波器的电感L9的2脚与通信控制电路中的微控制器的31脚连接，用于传递正信号RXIN_P。[0020] 共模抑制器V4的1脚接地，其2脚与电源V3P3A连接，其3脚与第三阶巴特沃兹低通滤波器的电感L6的2脚连接，该3脚还通过电阻R49与共模抑制器V6 的3脚连接。共模抑制器V6 的1脚接地；其2脚与电源V3P3A连接，其3脚与第三阶巴特沃兹低通滤波器的电感L9的2脚连接。
[0021] 电源V3P3A通过电感L14与电源V3P3连接，电容C59接于电源V3P3A和地之间，电容C52与电容C58并联后接于电源V3P3和地之间。
[0022] 接收电路是一组对OFDM多调制载波差分信号的三阶带通滤波器，电路工作频率范围是1MHz~45MHz，该滤波器的形式可采用切比雪夫和巴特沃兹两种类型组合使用。[0023] 电阻R7和电阻R49、电阻R12和电阻R49的作用是分压，调整内部差分信号输入电压值。电容C52、电容C58、电容C59和电感L14主要作用是隔离供电电源，避免电力线外部和仪器仪表内部电源噪声干扰。共模抑制器V4和共模抑制器V5的作用是抑制差分信号的共模噪声，保护通信控制电路中主芯片的输入端口。[0024] 如图4所示，发送电路包括整流二极管V10、整流二极管V11、整流二极管V17、整流二极管V18、电容器C25、电容器C26、电容器C27和电容器C28。
[0025] 由通信控制电路中微控制器的32脚与电容器C25的一端连接，用于接收模拟高频差分载波正信号TXOUT_N，该管脚还与整流二极管V17的阴极连接，整流二极管V17的阳极接地，同时该管脚还与整流二极管V18的阳极连接，整流二极管V18的阴极与电源V3P3B连接。电容器C26与电容器C25并联相接。电容器C25的另一端与载波耦合电路中耦合变压器T3的3脚连接，用于传递模拟高频差分载波正信号TX+。由通信控制电路中微控制器的34脚与电容器C27的一端连接，用于接收模拟高频差分载波负信号TXOUT_P，该管脚还与整流二极管V10的阴极连接，整流二极管V10的阳极接地，同时该管脚还与整流二极管V11的阳极连接，整流二极管V11的阴极与电源V3P3B连接。电容器C28与电容器C27并联相接。电容器C27的另一端与载波耦合电路中耦合变压器T3的1脚连接，用于传递模拟高频差分载波负信号TX-。电容C24接于发送电路与载波耦合电路连接端、两组并联电容器之间。[0026] 电源V3P3B通过电感L13与电源V3P3连接；稳压二极管V12的阴极与电源V3P3B连接，其阳极接地；极性电容C45的正极与电源V3P3B连接，其负极接地。
[0027] 发送电路的主要作用是对通信控制电路输出的OFDM多调制载波信号进行整流和功率放大。电感L13、极性电容C45和稳压二极管V12的作用是隔离供电电源，其中，极性电容C45大容量电解电容是为了给OFDM载波信号发送时提供足够的电源功率。[0028] 整流二极管V10、整流二极管V11、整流二极管V17和整流二极管V18的整流电流值为1A，每个二极管的耐压值为40V。电容器C25、电容器C26、电容器C27和电容器C28是高耐压值1%精度的薄膜电容器，用于耦合OFDM高频信号。电容C24用于差分信号的修正。[0029] 通信控制电路包括微控制器和外围电路。[0030] 如图5所示，微控制器作为通信控制电路的主芯片，可采用美国高通公司的型
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号为AR7000的芯片。该芯片采用OFDM多载波调制技术，符合Homeplug技术标准，以3.3V供电，内置RAM和ROM，内部集成AFE（模拟前端）和PMU（电源管理单元），外部使用25MHz±10ppm精度的恒温晶体。电力线载波工作频率是2~30MHz，理论上，UDP传输速率为8Mbps，TCP传输速率为7Mbps；现场测试载波数据速率为7~8Mbps，工作功耗小于2W。[0031] 微控制器通过其30脚和31脚与接收电路连接，通过其32脚和34脚与发送电路连接，通过其14脚和15脚与电能表进行数据通讯。[0032] 如图6所示，外围电路包括存储器和主芯片电源电路。存储器采用一颗16Mbits的大容量flash存储器，用于数据存储。主芯片电源电路为通信控制电路中的微控制器供电。
[0033] 主芯片电源电路包括电容C65、电感L15、电容C70、电容C71。主芯片电源Vcore_A通过电感L15与电源Vcore连接；电容C70和电容C71并联后接于主芯片电源Vcore_A和地之间；电容C65接于主芯片电源Vcore和地之间。[0034] 如图7所示，电源电路主要采用一颗美国芯源公司的型号为MP2467DN的高效DC/DC芯片，其开关频率固定为500kHz，工作电压为6V至36V，输入耐压值为40V，关断电流小于100uA，转换效率大于95%，工作电流2.5A，可保证通信控制电路中微控制器芯片3.3V工作电源及500mA的工作电流。
[0035] 电阻R51和电阻R52为该DC/DC芯片的输出电压调整电阻；电阻R54是该DC/DC芯片输入使能上拉电阻；电容C40、电容C1和电阻R1用于改善DC/DC芯片开关频率；电阻R4是下拉电阻，使该DC/DC芯片不复位；二极管D8是肖特基二极管；电感L1是储能电感，用于保证DC/DC芯片输出功率在1.5W左右。
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