运用单片机构建的电力线载波通信芯片.pdf

一种运用单片机构建的电力线载波通信芯片，使用单片机和内部的高速定时器产生数字调频信号，通过IO口输出载波信号，经载波功率放大器放大，将载波信号耦合到电力线上；载波信号的调频接收芯片是MC3371或MC3372，用C2、T2等组成接收带通滤波器，用D1、D2组成限幅电路，C5、R3等组成接收放大后的载波信号，通过C6进入U2的16脚进行首次混频；来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入，选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器放大；第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚

1、  一种运用单片机构建的电力线载波通信芯片，其特征是使用通用的单片机C8051F413或C8051F330，使用内部的高速定时器产生MSK数字调频信号，通过IO口P1.7输出已调制的载波信号，调制波经通道RF-TX与R14、C18、C19、R16-19、D3、D4、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行放大，经C20、L3、T2和C2共同组成谐振耦合电路，将载波信号耦合到电力线上；所述载波信号调频接收芯片是MC3371或MC3372，用C2、T2、L1、C2、L2、C4、C3组成接收带通滤波器，用D1、D2组成限幅电路，C5、R3、N1、R2-R5、C14组成接收放大后的载波信号，通过C6进入U2的16脚进行第一次混频；来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入，混频信号通过BPF陶瓷带通滤波器，选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器进行放大；第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚，经U2内部放大器滤波后从第9脚输出，再从第10脚输入带通滤波器滤波放大后从第11脚输出，送到U1的AD转换器；接收信号的强度RSSI从U2的13脚输出；所述的载波芯片时钟使用石英振荡器；所述的U3载波功率放大器使用双场效应对管；所述的R15提供载波芯片交流电源同步信号。

2、  根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片，其特征在于载波芯片时钟使用24MHz、48MHz、22.1184MHz或44.2368MHz；所述晶体振荡器还产生MSK调制的载波信号和用于接收的第一第二本振频率。

3、  根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片，其特征在于带通滤波器的中心频率为455KHz、465KHz或480KHz当中的一种陶瓷带通滤波器作为中频选频器件。

4、  根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片，其特征在于载波功率放大器是双场效应对管IRF7350。

5、  根据权利要求1所述的运用单片机构建的电力线载波通信芯片，其特征在于载波芯片使用220V交流的过零同步信号。

运用单片机构建的电力线载波通信芯片
技术领域
本发明是一种运用单片机构建的电力线载波通信芯片。
背景技术
随着电网管理要求的提高，对远程电能数据的采集的要求越见迫切。低压电力线载波通信技术已得到广泛应用，但目前的载波通信芯片总有不尽人意的缺点和不足，由于使用专用的集成电路设计，导致载波通信芯片成本偏高，或由于通信软件固化于芯片内，用户无法进行功能扩展，或由于集成太多的硬件功能导致产品质量不稳定，或供货不及时等等，对使用载波通信芯片的产业用户形成制约因素，不利于规模生产，更为严重的是核心知识属于载波芯片硬件提供商，对产业用户的自主发展不利。
运用单片机，具有市场采购容易，大厂生产提供的产品，质量可靠，成本低廉，软件自主开发，具有知识产权等优点。
发明内容
本发明的目的是使用市场上容易得到的单片机，充分利用单片机片上资源，构建电力线载波通信的核心数字处理单元，配合外围的载波功率放大器和二次变频调频接收电路，将接收到的载波信号变换到较低的频率范围，再使用单片机的AD转换器采样，用数学方法解调出接收到的数据，以克服现有技术的不足。
本发明提出的这种运用单片机构建的电力线载波通信芯片，其特征是使用通用的单片机C8051F413或C8051F330，使用内部的高速定时器产生MSK数字调频信号，通过IO口P1.7输出已调制的载波信号，调制波经通道RF-TX与R14、C18、C19、R16-19、D3、D4、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行放大，经C20、L3、T2和C2共同组成谐振耦合电路，将载波信号耦合到电力线上；所述载波信号的调频接收芯片是MC3371或MC3372，用C2、T2、L1、C2、L2、C4、C3组成接收带通滤波器，用D1、D2组成限幅电路，C5、R3、N1、R2-R5、C14组成接收放大后的载波信号，通过C6进入U2的16脚进行第一次混频；来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入，混频信号通过BPF陶瓷带通滤波器，选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器进行放大；第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚，经U2内部放大器滤波后从第9脚输出，再从第10脚输入带通滤波器滤波放大后从第11脚输出，送到U1的AD转换器；接收信号的强度RSSI从U2的13脚输出；所述的载波芯片时钟使用石英振荡器；所述的U3载波功率放大器使用双场效应对管；所述的R15提供载波芯片交流电源同步信号。
载波芯片时钟频率使用24MHz、48MHz、22.1184MHz或44.2368MHz；所述晶体振荡器还产生MSK调制的载波信号和用于接收的第一第二本振频率。
辅助接收处理的调频接收芯片是MC3371或MC3372；并使用带通中心频率为455KHz、465KHz、480KHz当中的一种陶瓷带通滤波器作为中频选频器件。
载波功率放大器是双场效应对管IRF7350。
载波芯片使用220V交流的过零同步信号。
本发明由单片机U1实现载波通信的载频信号并实现对载频的数字MSK调制，调制后的信号由U1的P1.7输出，经由R14、C18、C19、R16-R19、D2、D3、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行D类放大后、由C20、L3滤波后从T2耦合到电力线上；来自电力线的载波信号由T2耦合，L1、C2、L2、C4调谐滤波，D1、D2限幅、N1放大后进入U2的16脚；接收到的载波信号经U2第一次变频后得到第一中频，第一中频可选455kHZ、465kHz或480kHz，第一本振由单片机U1的P1.6提供，其频率应满足关系f载波+f第一中频＝f第一本振，第二本振比第一中频低20kHz，由U1的P1.5提供，馈入到U2的8脚，第二次变频后的信号由U2第9脚输出，再输入到U2脚10进入U2内部选频放大后由11脚输出20kHz左右的MSK调制信号，该信号送入U1的P1.3进行高速AD采样，采样后得到的数据进行数学运算进行软件解调；U2第13脚输出的信号送入U1的P1.4，进行AD转换后作为信号强度指示U1的P0.0采样交流电压的过零点，保证载波信号的收发与交流电源同步，从而确定载波发送端与接收端之间的相位关系，区分出载波发送端所在的是交流电源的哪一相。
本发明使用通用单片机C8051F413或C8051F330为核心，辅以调频接收芯片MC3371或MC3372、晶体振荡器、陶瓷滤波器及阻容元件，以及自主开发的单片机程序，构建的电力线载波通信芯片，实现了电力抄表的载波通信功能，该通信芯片可以取代PL2000A、Mi200、ST7538等载波通信芯片，应用于电力线载波抄表领域，该芯片克服了由于使用专用的集成电路设计，导致载波通信芯片成本偏高、用户功能扩展困难、供货不及时等不足，为电力行业应用提供了市场采购容易、质量可靠、成本低廉。
附图说明
图1是本发明方法的示意图。
图2是本发明载波收发部分电路原理图。
图3是本发明载波处理芯片电路原理图。
图1-3中，各零部件的标号如下：
图1中：A-单片机构成的载波处理芯片；B-晶体振荡器；C-载波功率放大器；D-载波发送谐振耦合输出回路；E-接收带通滤波器；F-第一混频器；G-第一中频带通滤波放大器；H-第二混频器；K-选频放大器。
图2中：U1-单片机；TX1-晶体振荡器；JK1-编程接口；U1管脚11-17数字接口；U1管脚20-23及1脚载波信号接口。
图3中：U2-调频接收芯片；U3-场效应对管；U4-稳压集成块；DB-整流桥；T1-电源变压器；T2载波耦合变压器；C2-载波耦合电容。
具体实施方式
图1所示，所述载波处理芯片由单片机A为核心，在石英晶体振荡器B的驱动下按其内部程序运行；A内部有4个可编程的定时器T0-T3，定时器T0作为载波调制信号发生器，输出的已经调制的MSK信号为方波信号f载波，f载波经载波功率放大器C放大后再经选频网络D后变换为正弦波馈入电力线，来自电力线的载波信号f载波经带通滤波器和限幅器E后进入第一混频器F，第一混频器F将来自电力线的已调载波频率f载波和来自载波芯片A的第一本振频率BZ1频率为f第一本振进行混频，混频后由带通滤波器G选出第一中频f第一中频并进行中放；第一本振f第一本振由载波芯片A的定时器T1产生；第一中放G放大并限幅后的等幅调频波进入第二混频器H，同时，比第一中频f第一中频低20kHz的第二本振BZ2也进入第二混频器H；第二本振f第二本振由载波芯片的定时器T2产生，混频后得到20kHz左右的第二中频，第二中频经过带通滤波器K后进入载波芯片A进行AD转换，变为数字信号，该数字信号经过精密的数字滤波，滤除各种干扰后解调出有用的数据；载波芯片A处理并通过校验后的数据从数字接口输出，与更高级别的应用系统进行数据通信，来自应用系统的数据经过载波芯片处理后通过前述的定时器T0调制后发送；第一中放G提供信号强度RSSI，输入到载波芯片进行接收信号强度指示用。
作为例子，取晶体振荡器B＝48MHz，可以得到f0＝76923Hz、f1＝79734Hz的MSK数字调制信号，用于载波发送；载波芯片A为接收端产生533333Hz的第一本振频率，经过第一混频得到的信号为453599Hz和456410Hz的调频第一中频，该信号在455KHz的带通滤波器的通带内，将得到有效的放大；载波芯片A为接收端产生436363Hz的第二本振；通过第二混频器H后可得到17236Hz和20047Hz的第二中频，该信号经过带通滤波器K后进入载波芯片A，载波芯片A将对17236Hz、和20047Hz的信号进行精确的数字处理和解调运算，以得到真实的数据；AC为交流电源的同步信号，为载波芯片A提供发送同步和接收相序鉴别的基准信号。
图2所示，U1为构建本发明所述的载波芯片的单片机，型号为C8051F413以及C8051F330，其特征在于内部具有4个可编程定时器、1个可编程比较器、2通道200ksps的AD转换器以及16K以上的恶程序存储空间和768字节以上的内存空间，F330可以在25M工作、F413可以工作在50MHz；TX1为外部晶体振荡器，24MHz、48MHz、22.1184MHz及44.2368MHz为本发明所使用的频率；JK1为载波芯片的程序下载和调试接口；E4-E6、C24-C26、C29为电源退耦电容，C27、C28、R22为晶体振荡器外围元件，R20、R21芯片复位电阻；引脚11到17用于载波发送与接收的接口通道，11脚ADC接收解调输入；12脚RSSI接收信号强度测量；13脚Fosc2第二本振信号输出，14脚Fosc1第一本振信号输出，15脚RF-TX载波调制信号输出，16脚AC-in交流电源同步信号输入，17脚TX-EN发射允许，用于发射指示或发射功放控制；第1、第20到23脚数字接口通道，用于与应用系统上一级处理器交换数据，第1脚复位端，接受上级复位控制；20脚TXD发送数据到上级处理器；21脚RXD接收上级处理器数据；22脚INT向上级处理器发送中断请求；23脚CS载波芯片的选通信号，可作为低功耗休眠控制信号。
图3所示，U2为所述调频变频接收芯片，型号为MC3371或MC3372，T2、C2为载波耦合回路元件，L1、C2、L2、C4、C3组成接收带通滤波器，D1、D2组成限幅电路，限制高于700mV的信号进入下级接收放大器C5、R3、N1、R2-R5、C14组成接收放大器，对接收载波信号进行放大，放大后的信号通过C6进入U2的16脚进行第一次混频；来自载波芯片的第一本振频率经过R12限流后从U2的第1脚输入，混频信号通过BPF陶瓷带通滤波器，该滤波器可使用455KHz、465KHz、480KHz；选频后的信号从U2的5脚输入第一中频放大器进行放大；第二本振频率由R10、R11馈入U2第8脚，经U2内部放大器滤波后从第9脚输出，再从第10脚输入带通滤波器滤波放大后从第11脚输出，送到U1的AD转换器；接收信号的强度RSSI从U2的13脚输出。
来自载波芯片U1的MSK调制波经通道RF-TX与R14、C18、C19、R16-19、D3、D4、N2、N3及U3组成的载波功率放大器进行放大，该放大器为D类放大器，在RF-TX保持高电平时自动处于关闭状态；C20、L3、T2和C2共同组成谐振耦合电路，将载波信号耦合到电力线上；U3为双场效应对管，型号为IRF7350；T1为电源变压器，DB为整流器，U4为5V稳压电源，如有上级处理器，VCC电源可以共用上级系统的电源；交流电源同步信号由R15提供。