專利名稱：：基于電力線特點(diǎn)的全新fsk擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及低壓電力線載波擴(kuò)頻通信領(lǐng)域，尤其涉及低壓載波電能表自動(dòng)化抄收控制及能源信息發(fā)布系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，低壓電力線擴(kuò)頻載波通信在載波抄表領(lǐng)域大量應(yīng)用，具有抗干擾性較強(qiáng)的特點(diǎn)。但其應(yīng)用沒(méi)有結(jié)合電力線固有的對(duì)通信有利的特性，主要問(wèn)題如下1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信傳輸距離短，不能滿足國(guó)內(nèi)電網(wǎng)要求；2.當(dāng)電網(wǎng)阻抗發(fā)生變化或干擾發(fā)生時(shí)通信穩(wěn)定性差，引起中繼過(guò)程復(fù)雜；3.沒(méi)有節(jié)點(diǎn)相鄰位置信息，中繼過(guò)程沒(méi)有利用電網(wǎng)固有結(jié)構(gòu)。針對(duì)以上問(wèn)題，青島鼎信通訊有限公司依托自身雄厚的科技力量，采用當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了基于電力線特點(diǎn)的全新FSK擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)徹底改變了一般擴(kuò)頻載波系統(tǒng)通訊不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的直接通訊能力，為擴(kuò)頻通訊在電力線上的應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是根據(jù)電力線特有的過(guò)零及三相120度各3.3ms/2.8ms的特點(diǎn)，將三相通訊分時(shí)順序安排在各自過(guò)零前后的3.3ms/2.8ms內(nèi)進(jìn)行。利用了電力線50Hz/60Hz阻抗周期變換的特點(diǎn)，微分時(shí)段通信方式，充分利用其高阻抗、阻抗穩(wěn)定、干擾小的微分時(shí)段進(jìn)行通信，通信距離遠(yuǎn)、時(shí)變穩(wěn)定性高。同時(shí)三相通信過(guò)程又覆蓋了所有時(shí)段，避免了單相通信只使用1/3時(shí)間對(duì)時(shí)間資源的浪費(fèi)。使用高速AD完成擴(kuò)頻通信的AD采樣功能，除使用擴(kuò)頻技術(shù)外，還使用小波變換等技術(shù)，去除二次混頻后的噪聲分量，提高了接收靈敏度。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位功能，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)層命令，根據(jù)電網(wǎng)固有結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，充分利用節(jié)點(diǎn)自身的智能處理能力，生成電表相對(duì)物理位置信息，實(shí)現(xiàn)快速中繼抄表，避免由于不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)形成路由的不確定。三相抄表過(guò)程獨(dú)立，相位信息準(zhǔn)確、中繼方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。主控方式的100/50bps可變速率傳輸及高速率通訊鑒別能力。專用的載波MAC層管理協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議分離。開(kāi)發(fā)用此方法實(shí)現(xiàn)的載波抄表專用芯片TCM081、TCC081、TCS083及其衍生載波系列芯片。圖1:三相信號(hào)分時(shí)傳輸方式圖2:擴(kuò)頻信號(hào)的調(diào)制方式圖3:節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)狀態(tài)圖4:載波通訊控制幀格式圖5:命令幀特征域圖6:響相應(yīng)幀特征域圖7:命令幀地址圖8:響應(yīng)幀地址域圖9:載波通訊控制流程具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體實(shí)施方式包括TCC081、TCS083、TCM081芯片及其衍生芯片的實(shí)現(xiàn)方法以及載波芯片TCS083與TCC081、TCM081之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。物理層載波信號(hào)的分時(shí)傳輸載波芯片以過(guò)零信號(hào)的下降沿為時(shí)基，自動(dòng)分時(shí)兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間為6等分，取上次的第6等分與本次的第一等分為主相時(shí)間片、第2第3等分為第一附相時(shí)間片、第4第5等分為第二附相時(shí)間片，各相通訊發(fā)送時(shí)序如圖l所示。其第一第二附相即是另外二相的主相。擴(kuò)頻編碼擴(kuò)頻碼碼元如圖2所示，75.2uS的425.2kHz信號(hào)為傳號(hào)，標(biāo)記為M;75.2uS的416.7kHz信號(hào)為空號(hào)，標(biāo)記為S，信號(hào)連接是連續(xù)相位的，如圖2所示。擴(kuò)頻信號(hào)由以上二碼原完成，對(duì)于速率為100bps的擴(kuò)頻傳輸信號(hào)，在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)連續(xù)80個(gè)MSMS......MSMS信號(hào)表示數(shù)據(jù)l1(l。bps，在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)連續(xù)80個(gè)匪SS匪SS......匪SS匪SS信號(hào)表示數(shù)據(jù)01Q。bps;對(duì)于速率為50bps的擴(kuò)頻信號(hào)，前一個(gè)時(shí)間片為連續(xù)80個(gè)MSMS……MSMS信號(hào)，后一個(gè)時(shí)間片內(nèi)連續(xù)80個(gè)匪SS匪SS……匪SS匪SS信號(hào)表示數(shù)據(jù)l5。bps，前一個(gè)時(shí)間片為連續(xù)80個(gè)匪SS匪SS......匪SS匪SS信號(hào)，后一個(gè)時(shí)間片內(nèi)連續(xù)80個(gè)MSMS......MSMS信號(hào)表示數(shù)據(jù)05Qbps。數(shù)據(jù)頭數(shù)據(jù)頭由40個(gè)連鄉(xiāng)賣白勺li00bps0i00bpsl100bpS0i00bpslioobpsOioobpslioobpsOioobps后足艮0100bpsl100bps構(gòu)成。之后如出現(xiàn)連續(xù)的1100bps"100bpsUl00bps丄100bps丄100bps"100bps則數(shù)據(jù)通訊速率為50bps，如出現(xiàn)連續(xù)的O雌psl100bpsll00bps0i00bps0i00bpsll00bps貝U數(shù)據(jù)通^刊速率為100bpS。載波發(fā)送當(dāng)載波發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，載波發(fā)送電路先發(fā)送同步頭及通訊速率編碼，之后根據(jù)按50bps或100bps的加密編碼進(jìn)行擴(kuò)頻載波的發(fā)送。載波接收在所有可通訊的信道內(nèi)(TCM081為主、附一信道，TCS083、TCM081為三個(gè)信道)，載波接收電路對(duì)輸入FSK解調(diào)后形成的音頻模擬信號(hào)進(jìn)行高速AD采樣，采樣周期是4.7uS，對(duì)每個(gè)時(shí)間片進(jìn)行共約700次的采樣，并及時(shí)處理分析該信號(hào)的數(shù)據(jù)，形成比特?cái)?shù)據(jù)流。對(duì)形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)16位方式的行列校驗(yàn)，正確形成幀數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤廢棄不處理。載波接收信號(hào)強(qiáng)度根據(jù)連續(xù)160個(gè)時(shí)間片的信號(hào)符合性的百分比(信噪比)，作為載波信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度，提供給鏈路層作為進(jìn)行通訊中繼的依據(jù)。鏈路層幀格式本發(fā)明協(xié)議為主_從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式，協(xié)議詳細(xì)規(guī)定了載波鏈路層的傳輸方法及實(shí)現(xiàn)，是解決三相并發(fā)傳輸?shù)募夹g(shù)保證。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有各自的地址碼，通信鏈路的建立與解除均由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息幀來(lái)控制，幀格式如圖4所示。協(xié)議在提供應(yīng)用層數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)耐瑫r(shí)，為了提高通信效率，對(duì)符合DL/T645-1997通信規(guī)約、新645規(guī)約等幀格式的應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化支持，并預(yù)留其它新規(guī)約的預(yù)留控制字，透明傳輸為其它領(lǐng)域應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用前景。1.前導(dǎo)符為1個(gè)字節(jié)，采用二進(jìn)制10101010B(AAH)。2.幀長(zhǎng)度為l個(gè)字節(jié)。表示除了前導(dǎo)符、結(jié)束符外的幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。3.特征域的為2個(gè)字節(jié)。當(dāng)為命令幀時(shí)，域結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。圖中相關(guān)內(nèi)容的說(shuō)明如下1)信道標(biāo)識(shí):00-三相傳輸;01-第1相傳輸;10-第2相傳輸;11-第3相傳輸;2)回應(yīng)字節(jié)長(zhǎng)度等級(jí)00-不需回應(yīng)；01-20字節(jié)；10_40字節(jié)；11-80字節(jié)。3)訊速率標(biāo)識(shí)0-50bps;l-100bps。4)沖突檢測(cè)當(dāng)該位置1時(shí)，延時(shí)等待時(shí)間增加12s;置0時(shí)，延時(shí)等待時(shí)間不變化。當(dāng)為載波節(jié)點(diǎn)響應(yīng)幀時(shí)，域結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。說(shuō)明如下1)實(shí)際相別實(shí)際相別，00-保留;01-第一相;10-第二相；ll-第三相2)信道特征描述目的節(jié)點(diǎn)通信信道的特征，OO-主相通信；01-主、付一相雙相通信；10-主、付一、付二相三相通信；ll-三相對(duì)稱相通信。3)信號(hào)強(qiáng)度分為15級(jí)，取值范圍0000-llll，0000表示最低信噪比。4.地址域采用縮位算法，長(zhǎng)度可變。當(dāng)為命令幀時(shí)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。中繼級(jí)別為00H時(shí)，地址域只包含源地址和目的地址；中繼級(jí)別非零時(shí)，地址域包含源地址、中繼路由地址、目的地址。當(dāng)為響應(yīng)幀時(shí)，省略中繼路由地址，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。地址格式使用HDLC擴(kuò)展地址規(guī)則，保留每個(gè)地址字節(jié)中第l個(gè)傳送的bit位(低有效位)，將其置為O以表示緊隨其后的一字節(jié)是地址域的一個(gè)擴(kuò)展字節(jié)。擴(kuò)展字節(jié)的格式應(yīng)與第一個(gè)字節(jié)相同。地址域的最后一個(gè)字節(jié)是把低有效位置為1來(lái)標(biāo)識(shí)的。5.控制域的長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)。當(dāng)特征域的C/D位是1時(shí)，控制域表示載波網(wǎng)絡(luò)層控制命令，控制字取值范圍0-64，控制字取值范圍65-255備用。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>當(dāng)特征域的C/D位是0時(shí)，控制域表示載波通信命令。當(dāng)控制字為00H時(shí)，應(yīng)用層為透明傳輸；當(dāng)控制字為10H時(shí)，應(yīng)用層為DL/T645-1997規(guī)約。6.數(shù)據(jù)域，當(dāng)特征域的C/D位是1時(shí)，數(shù)據(jù)域是網(wǎng)絡(luò)控制命令信息。當(dāng)特征域的C/D位是O時(shí)，控制域表示載波通信命令。當(dāng)控制字為10H，應(yīng)用層協(xié)議為DL/T645-1997規(guī)約，其格式變化如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>7.校驗(yàn)域的長(zhǎng)度是兩個(gè)字節(jié)，用來(lái)計(jì)算前導(dǎo)符之后、校驗(yàn)域之前的幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值。三相通訊調(diào)用流程要控制通訊在三相上的并行傳輸過(guò)程，避免順序控制帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi)，需要并行使用三個(gè)并發(fā)控制進(jìn)程，抄表流程如圖5所示。其硬件實(shí)現(xiàn)是在一個(gè)9.6kpbs的全雙工串行通訊總線上進(jìn)行，控制器通過(guò)串行總線調(diào)用完成三相載波并行傳輸功能的載波控制器設(shè)備(電力貓)，完成載波三相通訊功能。不同相位的三相的載波的控制信息以較高速度順序輸入電力貓，電力貓收到完整的控制信息后應(yīng)答確認(rèn)該信息是否被成功接收，成功接收后如果在相應(yīng)相位上有載波通訊任務(wù)，則應(yīng)答該相通訊忙的信息，否則進(jìn)行載波發(fā)送。需要接收信息再在進(jìn)行接收處理，如果收不到成功的接收數(shù)據(jù)，超時(shí)后應(yīng)答超時(shí)應(yīng)答幀，數(shù)據(jù)正確應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。三相不同的應(yīng)答信息按順序排隊(duì)進(jìn)行應(yīng)答。發(fā)送抑制為減少發(fā)送的平均功耗，當(dāng)電力貓會(huì)在有二相同時(shí)發(fā)送時(shí)，自動(dòng)抑制延時(shí)發(fā)送另外一相的發(fā)送時(shí)間，等待有一相發(fā)送完成后進(jìn)行發(fā)送。本協(xié)議還支持標(biāo)準(zhǔn)DL/T645-1997通訊協(xié)議。節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)如圖3所示，任何載波節(jié)點(diǎn)都可以在本相上記錄比本身中繼級(jí)別高的同一集中器號(hào)的其它節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)信息，記錄收到次數(shù)及接收信號(hào)強(qiáng)度的平均值，本身中繼級(jí)別及集中器號(hào)由集中器對(duì)本節(jié)點(diǎn)的直接通信獲得。通過(guò)正常的學(xué)習(xí)過(guò)程后，集中器讀取節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)偵聽(tīng)數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)地址、信號(hào)強(qiáng)度、偵聽(tīng)次數(shù)等內(nèi)容，建立節(jié)點(diǎn)相對(duì)物理位置，之后根據(jù)上一通信的成敗情況，合理選取中繼路由進(jìn)行通信。該方法的依據(jù)是如圖3中1、2、3號(hào)表偵聽(tīng)數(shù)量信息所示，3號(hào)表偵聽(tīng)數(shù)量最大，其位置更靠近直抄位置邊緣，更適合與做中繼器使用。該方法使中繼路由的確定有了準(zhǔn)確的依據(jù)。權(quán)利要求一種基于工頻電力線特點(diǎn)的全新FSK擴(kuò)頻載波通信傳輸方法。其特征在于利用工頻信號(hào)的周期同步分割傳輸信號(hào)，使信號(hào)在最有利于載波信號(hào)傳輸?shù)奈⒎謺r(shí)段進(jìn)行傳輸；三相信號(hào)分時(shí)順序傳輸，實(shí)現(xiàn)通訊對(duì)時(shí)間的完全利用；與時(shí)間無(wú)關(guān)的正交碼確保分時(shí)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)；四種載波傳輸類型的實(shí)現(xiàn)確保載波信號(hào)的有效傳輸；平衡調(diào)制方式及解調(diào)方法確保其通訊距離；使用高速AD采樣，完成載波通訊信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采樣，提高通訊的靈敏度；同相傳輸確保載波信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定性；節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)不同中繼級(jí)別的應(yīng)答信息，為載波組網(wǎng)提供可靠依據(jù)。2.如權(quán)利l所述。利用電力線過(guò)零同步，充分利用電力線阻抗按工頻周期變換的特點(diǎn)，分別在各相過(guò)零前后最有利于通訊的微分時(shí)段進(jìn)行分時(shí)通信，使各相的通信時(shí)間處在阻抗高且變化小、噪聲干擾小的微分時(shí)段，因而使通訊距離及不同時(shí)間通訊的穩(wěn)定性得到了有效保證。3.三相順序分時(shí)分相傳輸，根據(jù)電力線特有的過(guò)零及三相120度各3.3mS的特點(diǎn)，各相工作在其噪音信號(hào)小及阻抗高的同時(shí)，三相順序利用連續(xù)的時(shí)間片進(jìn)行傳輸，保證了擴(kuò)頻通訊在時(shí)間上的完全利用，提高了通訊靈敏度及通訊速率，避免了單相通信只使用1/3時(shí)間對(duì)時(shí)間資源的浪費(fèi)。4.采用分時(shí)過(guò)零同步后，使用與時(shí)間無(wú)關(guān)的正交碼確保分時(shí)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。由于過(guò)零信號(hào)的傳輸偏差，其不能滿足擴(kuò)頻通訊對(duì)時(shí)間的要求，采用與時(shí)間不相關(guān)的正交序列碼，有效地解決了以上問(wèn)題。5.設(shè)計(jì)了主相傳輸、主附1相傳輸、主附2相傳輸、三相傳輸?shù)乃姆N傳輸類型的方法，有效地解決了分相傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用問(wèn)題，確保組網(wǎng)過(guò)程的有效性及準(zhǔn)確性。6.對(duì)稱編碼的方式有效解決了擴(kuò)頻解碼電路的解碼不對(duì)稱性，避免了硬件解調(diào)電路對(duì)載波通訊的影響。7.使用高速AD完成擴(kuò)頻通信的AD采樣功能，擺脫擴(kuò)頻載波的硬件設(shè)計(jì)對(duì)解碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程的影響，使用小波變換技術(shù)解決在高噪音下的解調(diào)的正確性。8.同相傳輸確保載波信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定性，避免非主相通訊接收信號(hào)的不穩(wěn)定性引起的載波在不同時(shí)間接收的效果的不同。9.節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)層命令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位功能，根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，生成設(shè)備相對(duì)物理位置信息，實(shí)現(xiàn)快速中繼通訊。避免由于不穩(wěn)定的路由網(wǎng)絡(luò)形成的通訊不穩(wěn)定性。全文摘要一種基于電力線特點(diǎn)的全新FSK擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)。涉及通過(guò)低壓電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蛪狠d波通訊系統(tǒng)，特別是電能表的低壓載波自動(dòng)化抄收控制及能源信息發(fā)布系統(tǒng)。其特征在于1、利用電力線阻抗及噪音按工頻周期變換的特點(diǎn)，分別在各相過(guò)零前后阻抗高且變化小、噪聲干擾小微分時(shí)段進(jìn)行分時(shí)通信。2、三相順序利用連續(xù)的時(shí)間片，保證了在時(shí)間上的完全利用。3、與時(shí)間無(wú)關(guān)的正交碼實(shí)現(xiàn)分時(shí)傳輸。4、四種傳輸類型，解決了分相傳輸?shù)恼{(diào)用問(wèn)題。5、對(duì)稱編碼的方式解決了硬件解碼電路的解碼不對(duì)稱性。6、使用AD完成擴(kuò)頻通信的采樣，擺脫硬件設(shè)計(jì)影響。7、同相傳輸確保時(shí)間的穩(wěn)定性。8、節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)層命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位功能。文檔編號(hào)H04B3/54GK101729098SQ20081017197公開(kāi)日2010年6月9日申請(qǐng)日期2008年10月28日優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日發(fā)明者不公告發(fā)明人申請(qǐng)人:青島鼎信通訊有限公司