本發(fā)明屬于電力領域中涉及使用的通信系統(tǒng)，尤其是其中的一種電力線載波通信系統(tǒng)。

背景技術：

隨著社會的發(fā)展，人類對電力能源的使用越來越廣泛。幾乎可以說，人們的日常生活都離不開身邊的電力網(wǎng)絡系統(tǒng)。

同時，由于電力系統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)是一個用戶多、分布廣、用戶必需的動力能源傳輸網(wǎng)絡，所以若是使用現(xiàn)有的低壓電力線作為通信媒介，不但可以不占用無線頻道資源，同時也不需要鋪設專用的通信線路，這樣就省去了龐大的鋪線工程，大大降低通信系統(tǒng)的成本；而且在線路維護上，也相對簡單。這也就使得低壓電力線載波通信技術，具有誘人的應用前景和潛在的巨大市場，其推廣使用具有十分重要的意義。

但是，在電力線上搭載高頻或是低頻的調(diào)制信號，在技術上并不是一件輕而易舉的事情。具體來講，對于數(shù)據(jù)通信而言，采用電力線作為通信載體并不是一個很理想的選擇，而且電力線通信環(huán)境非常惡劣，其中主要的問題在于噪聲干擾和信號衰減。

其中電力線通信的噪聲主要來源于低壓電網(wǎng)相連的負載以及無線廣播的干擾；而且，信號的衰減是與通信信道的物理長度和低壓電網(wǎng)的阻抗匹配相關的。另外，電力線通信的噪聲和信號衰減是隨時間變化的，這些都對系統(tǒng)的設計提出了很高的要求。

對此，業(yè)界不斷的進行相關電力線載波芯片的研發(fā)，以及整體的系統(tǒng)設計，以期能獲得更好的系統(tǒng)通信的抗干擾性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電力線載波通信系統(tǒng)，其具有良好的抗干擾性能，能夠解決電力線通訊中穩(wěn)定性較差的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種電力線載波通信系統(tǒng)， 其包括信號提取模塊、一級濾波放大模塊、二級放大模塊、電力載波模塊以及MCU模塊；其中所述一級濾波放大模塊包括MAX275芯片模塊，其包括兩個獨立的二階有源濾波電路 , 以分別同時進行低通和帶通濾波，也可通過級聯(lián)實現(xiàn)四階有源濾波 。使用時，所述信號提取模塊從電力線上進行信號提取，然后將所述提取信號傳遞給所述一級濾波放大模塊進行一級濾波放大，然后在經(jīng)由二級放大模塊放大后，傳遞給所述電力載波模塊，經(jīng)由所述電力載波模塊調(diào)解的信號會發(fā)送給所述MCU模塊，經(jīng)其調(diào)制后形成載頻信號，在通過PWM方式發(fā)送至發(fā)射接口，電信號轉換成光信號發(fā)送出去。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述MAX275芯片模塊包括二階有源濾波器，其電路采用4運放設計，電路中的運放、內(nèi)部電容以及外接電阻構成級聯(lián)積分電路，進而能夠同時提供低通和帶通濾波輸出。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述二階有源濾波器電路內(nèi)部最后一級運放的輸入端接有一個電阻，用于避免外部寄生電容對內(nèi)部積分電容產(chǎn)生影響。其中涉及使用的所述電阻，其阻值可以是5 kΩ，但不限于，具體阻值可隨實際需要進行更改。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述MAX275芯片模塊在系統(tǒng)中接成并聯(lián)形式，其并聯(lián)外接第一組電阻和第二組電阻，其中所述第一組外接電阻對應第一中心頻率，所述第二組外接電阻對應第二中心頻率；其中所述第一中心頻率和第二中心頻率分別對應數(shù)字信號中的“l(fā)”和“0”。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述第一組外接電阻包括并聯(lián)的R1a、R2a、R3a和R4a；其中所述第二組外接電阻包括并聯(lián)的R1b、R2b、R3b和R4b；電路調(diào)整時，先調(diào)整R2a、R4a或是R2b、R4b，選準中心頻率F0再調(diào)整R1a、R3a或是R1b、R3b，調(diào)整Q值。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述信號提取模塊包括與待提取信號電力線串聯(lián)接的兩個電容，其后電性連接有高頻變壓器，所述高頻變壓器連接所述一級濾波放大模塊。在一個具體實施方式中，其中所述電容的容值具體可以是0.47uF左右；所述高頻變壓器繞成1：1的形式，電感量選在10mH左右，但不限于。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述高頻變壓器的次級一端接地，另一端作為后續(xù)所接的所述一級濾波放大模塊的接入端。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述電力載波模塊包括MC3361 單片窄帶調(diào)頻接收芯片，其內(nèi)包括電性連接的振蕩電路、混頻電路、限幅放大器、積分鑒頻器、濾波器、抑制器、掃描控制器及靜噪開關電路；其工作電源電壓范圍為：Vcc=2.5V～7.0V。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述MC3361單片窄帶調(diào)頻接收芯片，其包括16個引腳，其中輸入信號自第1引腳輸入，經(jīng)過初步處理成為標準正弦波信號，所述標準正弦波信號輸入至所述MC3361接收芯片的第16引腳，作為所述MC3361接收芯片的第一中頻IF 輸入信號，其在所述MC3361 接收芯片內(nèi)部第二混頻級進行混頻處理，處理后的信號為第二中頻信號，由第3 引腳輸出，再經(jīng)第5引腳輸入到所述MC3361接收芯片的限幅放大器進行高增益放大，經(jīng)放大后的第二中頻信號在內(nèi)部進行鑒頻解調(diào)，并經(jīng)一級音頻電壓放大后由第9引腳輸出信號，信號經(jīng)過第10引腳和第11引腳構成的有源濾波電路，再輸入到第12引腳進行載頻檢測并控制電子開關，最終經(jīng)過解調(diào)的信號由第13引腳輸出，直接輸入到所述MCU模塊的引腳，由所述MCU模塊進行處理。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述MCU模塊包括STM32型芯片，其采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，其中所述STM32型芯片通過UART 接口接收信號數(shù)據(jù)，在通過程序控制輸出BFSK 調(diào)制信號。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明涉及的一種電力線載波通信系統(tǒng)，其采用MC3361芯片和MAX275芯片相結合的方式，作為電力載波技術抗干擾的設計手段，能夠有效的達成對采集信號的抗干擾、濾波功能。

而且，其涉及使用的硬件成本低、軟件流程簡單、性能穩(wěn)定，可直接與各種電力設備連接，并且支持RS485 信號或RS232 信號，還有電力線連接，非常適合推廣使用非常適合在電力系統(tǒng)中廣泛使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個實施方式提供的一種電力線載波通信系統(tǒng)的邏輯結構圖；

圖2是圖1所示的電力線載波通信系統(tǒng)，其一級濾波放大模塊采用的MAX275芯片的內(nèi)部結構圖。

具體實施方式

以下將結合附圖和實施例，對本發(fā)明涉及的一種電力線載波通信系統(tǒng)的技術方案作進一步的詳細描述。

請參閱圖1所示，本發(fā)明的一個實施方式提供了一種電力線載波通信系統(tǒng)，其包括其包括信號提取模塊、一級濾波放大模塊、二級放大模塊、電力載波模塊以及MCU模塊 。使用時，所述信號提取模塊從電力線上進行信號提取，然后將所述提取信號傳遞給所述一級濾波放大模塊進行一級濾波放大，然后在經(jīng)由二級放大模塊放大后，傳遞給所述電力載波模塊，經(jīng)由所述電力載波模塊調(diào)解的信號會發(fā)送給所述MCU模塊，經(jīng)其調(diào)制后形成載頻信號，在通過PWM方式發(fā)送至發(fā)射接口，電信號轉換成光信號發(fā)送出去。

進一步的，在不同實施方式中，其中所述信號提取模塊包括與待提取信號電力線串聯(lián)接的兩個電容，其后電性連接有高頻變壓器，所述高頻變壓器連接所述一級濾波放大模塊。

具體的，所涉及使用的兩個串聯(lián)電容，其容值為0.47uF左右。所述高頻變壓器繞成1：1的形式，電感量選在10mH左右。所述信號提取模塊電路起到兩個作用，一是最大限度地阻止工頻電壓及其倍頻信號進入后續(xù)的濾波電路；二是使頻率為122．88kHz和131．65kHz的有用信號順利進入后續(xù)的濾波電路。

對于工頻信號而言，電容相當于13k?左右的等效阻抗，電感則相當于3?左右的等效阻抗。工頻電壓在變壓器初級產(chǎn)生的電壓效應約為50mv，對工頻電壓衰減4個數(shù)量級左右。對于有用信號按125kHz計算1的電容效應為5?左右，電感效應為7.5kn左右，基本上不衰減。

由于所述高頻變壓器的次級一端接地，另一端作為后續(xù)所述一級濾波放大模塊的接入端，所以所述高頻變壓器可等效為理想變壓器。綜合考慮，電容C取值應適中，一般不小于0.1uF；電感一般設計在10mH左右。電感取值也應適中，過小會造成當多個負載并聯(lián)在電力線上時，等效負載阻抗過小，線路衰減過大，對信號傳輸不利。電感過大一是引入過強的工頻及其倍頻信號電壓進入濾波電路；二是變壓器的次級負載一般為幾十千歐，沒有必要過分增大電感量。

請參閱圖2所示，，其中所述一級濾波放大模塊具體可以是MAX275芯片模塊，其包括兩個獨立的二階有源濾波電路 , 以分別同時進行低通和帶通濾波，也可通過級聯(lián)實現(xiàn)四階有源濾波。

由圖示可見，其電路采用4運放設計，其中運放、內(nèi)部電容以及外接電阻構成級聯(lián)積分電路，可同時提供低通和帶通濾波輸出。電路內(nèi)部最后一級運放的輸入端接有一個5 kΩ電阻，其作用是避免外部寄生電容對內(nèi)部積分電容產(chǎn)生影響。

進一步的，其中所述MAX275芯片模塊采用20腳DIP或SO封裝形式，引腳排列如圖中所示。使用時只要根據(jù)相關公式計算出合適的外接電阻，經(jīng)過簡單的連接就能很好地滿足設計要求。其主要引腳的功能和主要參數(shù)如下（內(nèi)部的兩個獨立二階有源濾波器分別用A、B表示）：

V＋、V－：正、負電源輸入端；

INA、INB：信號輸入端；

LPIA、LPIB：低通濾波輸入端；

LPOA、LPOB：低通濾波輸出端；

BPIA、BPIB：帶通濾波輸入端；

BPOA、BPOB ：帶通濾波輸出端；

FCA、FCB：頻率控制端。

其中所述MAX275芯片模塊的主要性能參數(shù)如下：

● 頻率范圍：100 ~300 k Hz；

● 頻率精度：±0.9％；

● 頻率精度溫漂：－24 ppm／℃；

● Ｑ值溫漂：38 ppm／℃；

● 寬帶噪聲：6μ VRMS（1 Hz ~ 10 Hz），42 Μvrms(10 Hz ~ 10 k Hz)；

● 失調(diào)電壓：± 125 mV（低通輸出），± 50 mV（帶通輸出）；

● 失調(diào)電壓溫漂：20 μV／℃；

● 諧波失真：－89 dB （FTEST =1 k Hz），－83 dB （FTEST =10 k Hz）；

● 輸出電壓擺幅：±4.5 V（PL＝5KΩ）；

● 電源電壓范圍：－2.37 V～＋5.50 V；

圖中所示的MAX275芯片接成并聯(lián)形式，外部電阻R1a、R2a、R3a、R4a對應于中心頻率fl，具體的，其中fl=22.88 kHz；R1b、R2b、R3b、R4b對應于中心頻率f2，具體的，其中f2=131.65 kHz。

中心頻率fl、f2分別對應數(shù)字信號中的“l(fā)”和“0”。由于四對電阻對應兩個獨立單元，輸入端并聯(lián)后通過所述高頻變壓器次級線圈接地，即所述高頻變壓器的次級一端接地，另一端作為MAX275的R1a，R1b的接入端，輸出電路通過電阻R5a、R5b將輸出信號送入加法運算放大器的輸入端，因此，兩個獨立的帶通濾波器沒有任何牽引效應。

進一步的，本發(fā)明涉及的這種MAX275芯片模塊的這種接法非常適合于強干擾環(huán)境下的雙峰帶通濾波電路。實驗證明，并聯(lián)方式遠優(yōu)于串聯(lián)方式，環(huán)境越惡劣，效果越明顯。該電路調(diào)整起來也比較方便，一般先調(diào)整R2a、R4a(R2b、R4b)，選準中心頻率F0再調(diào)整R1a、R3a(R1b、R3b），調(diào)整Q值，該過程可反復進行。

進一步的，在一個具體實施方式中，其中外接電阻R1~R4的阻值計算公式為：

R2=2 X 109／F0；R4=R2-5KΩ；R3=Q (2X109）/ F0 X (RX／RY)；

R1=2X109／F0 HOLP X(RX／RY）（低通濾波）或R1=R3／HOBP（帶通濾波）。

其中式中F0為中心頻率／截止頻率，Q為品質因數(shù)，HOLP為低通濾波器增益，HOBP為帶通濾波器增益。需要注意的是，RX／RY取決于頻率控制端FC的接法：若FC接地，RX／RY =1／5；若FC接正電源，RX／RY =4；若FC接負電源，RX／RY =1／25。R1～R4中若有阻值過大或過小的現(xiàn)象，可適當采取后兩種接法達到調(diào)整電阻值的目的。但在對噪聲比較敏感的情況下，不推薦使用。

因為調(diào)整Q值對中心頻率有影響。由MAX275芯片模塊構成的切比雪夫雙峰帶通濾波器，從帶通到帶阻有非常好的衰減特性。Q值越大，峰越尖。從另一角度來講，Q值越大，對中心頻率的信號放大倍數(shù)相應越大。

在一個具體實施方式中，其中外界電阻R1a=63.5k?，R2a=15.2k?，R3a=75k?，R4a=10.2k?；R1B=63.5k?，R2b=16.3k?，R3b=75k?，R4b=11.3k?。

以上兩組數(shù)據(jù)可作為參考，但不限于，具體采用的阻值數(shù)值可隨具體需要而定。另外，其中Q值不宜太大．如輸入的“l(fā)”、“0”產(chǎn)生一定頻偏時，會因Q值過高、通頻帶過窄，而不利于捕捉信號。不過Q值過低。則抗干擾能力相對下降，濾波效果變差。如果輸入的“0’、“1”信號頻率穩(wěn)定性好，可適當增大Q值，這需要在實際應用中，根據(jù)具體電路及環(huán)境情況適當調(diào)整Q值。

綜上，所述信號提取模塊對電力線中信號進行提取并完成隔離220V，以獲取高頻信號，所述MAX275芯片模塊完成濾波和一級放大，所述二級放大模塊完成有用信號進一步放大，經(jīng)二級放大后有用信號強度可提高l~2個數(shù)量級，并輸送給所述電力載波模塊。

其中所述電力載波模塊，在一個實施方式中，其包括包括MC3361單片窄帶調(diào)頻接收芯片，其內(nèi)包括電性連接的振蕩電路、混頻電路、限幅放大器、積分鑒頻器、濾波器、抑制器、掃描控制器及靜噪開關電路，其工作電源電壓范圍為：Vcc=2.5V～7.0V。具體可采用雙列直插16腳塑料封裝（DIP16）或是微形的雙列16腳塑料封裝（SOP16）。

進一步的，其中所述MC3361 單片窄帶調(diào)頻接收芯片，其包括16個引腳，其中輸入信號自第1引腳輸入，經(jīng)過初步處理成為標準正弦波信號，所述標準正弦波信號輸入至所述MC3361接收芯片的第16 引腳，作為所述MC3361接收芯片的第一中頻IF 輸入信號，其在所述MC3361接收芯片內(nèi)部第二混頻級進行混頻處理，處理后的信號為第二中頻信號，由第3 引腳輸出，再經(jīng)第5引腳輸入到所述MC3361接收芯片的限幅放大器進行高增益放大，經(jīng)放大后的第二中頻信號在內(nèi)部進行鑒頻解調(diào)，并經(jīng)一級音頻電壓放大后由第9 引腳輸出信號，信號經(jīng)過第10 引腳和第11引腳構成的有源濾波電路，再輸入到第12引腳進行載頻檢測并控制電子開關，最終經(jīng)過解調(diào)的信號由第13 引腳輸出，直接輸入到所述MCU模塊的引腳，由所述MCU模塊進行處理。

進一步的，在一個具體實施方式中，其中所述MC3361接收芯片的內(nèi)部振蕩電路與第1引腳和第2引腳的外接元件組成第二本振級，第一中頻IF輸入信號10.7MHz從MC3361接收芯片的第16引腳輸入，在內(nèi)部 第二混頻級進行混頻，其差頻為：10.700-10.245=0.455MHz，也即455kHz第二中頻信號。

所述第二中頻信號由第3引腳輸出，由455kHz陶瓷濾波器選頻，再經(jīng)第5引腳送入所述MC3361接收芯片的限幅放大器進行高增益放大，限幅放大級是整個電路的主要增益級。第8引腳的外接元件組成455kHz鑒頻諧振回路，經(jīng)放大后的第二中頻信號內(nèi)部進行鑒頻解調(diào)，并經(jīng)一級音頻電壓放大后由第9引腳輸出音頻信號。

其中第12引腳~第15引腳為載頻檢測和電子開關電路，通過外接少量的元件即可構成載頻檢測電路，用于調(diào)頻接收機的靜噪控制。所述MC3361接收芯片內(nèi)部還置有一級濾 波信號放大級，加上少量的外接元件可組成有源選頻電路，為載頻檢測電路提供信號，該濾波器第10引腳為輸入端，第11引腳為輸出端。第6引腳和第7引腳為 第二中放級的退耦電容。

其中所述MCU模塊包括STM32型芯片，其采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，其中所述STM32型芯片通過UART 接口接收信號數(shù)據(jù)，在通過程序控制輸出BFSK 調(diào)制信號。

進一步的，在一個具體實施方式中，其中所述STM32型芯片通過內(nèi)部程序控制通過PWM 接口完成調(diào)制。外部設備與MCU模塊通過串行接口連接，接收到數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)傳輸給所述STM32型芯片，所述STM32型芯片通過UART 接口接收到數(shù)據(jù)，然后通過程序控制輸出BFSK調(diào)制信號，調(diào)制后的信號直接發(fā)送至發(fā)送接口并發(fā)送出去。

進行BFSK 調(diào)制時，使用STM32串行接口接收外部設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，BFSK的調(diào)制頻率由程序控制，信號“1”對應于270KHz 載頻，信號“0”對應于240KHz 載頻。STM32型芯片將調(diào)制后的載頻信號通過PWM方式發(fā)送至發(fā)射接口，電信號轉換成光信號。

本發(fā)明涉及的一種電力線載波通信系統(tǒng)，其采用MC3361芯片和MAX275芯片相結合，以作為電力載波技術抗干擾的設計手段，能夠有效的達成對采集信號的抗干擾、濾波功能。

而且，其涉及使用的硬件成本低、軟件流程簡單、性能穩(wěn)定，可直接與各種電力設備連接，并且支持RS485 信號或RS232 信號，還有電力線連接，非常適合推廣使用非常適合在電力系統(tǒng)中廣泛使用。

本發(fā)明的技術范圍不僅僅局限于上述說明中的內(nèi)容，本領域技術人員可以在不脫離本發(fā)明技術思想的前提下，對上述實施例進行多種變形和修改，而這些變形和修改均應當屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。