内置程控衰减器的电力线宽带载波通信模块组网测试系统

摘要

内置程控衰减器的电力线宽带载波通信模块组网测试系统，包括电源模块、宽带电力线载波路由模块、处理单元及组网单元；处理单元与宽带电力线载波路由模块相连，宽带电力线载波路由模块通过屏蔽射频线和一个组网单元相连，其余组网单元通过屏蔽射频线与其它组网单元级联组网，电源模块与组网单元相连；本发明的组网单元设置多个载波模块，一个载波模块与一个单片机相连，而且组网单元内置可以利用自身的载波通信方式来控制的程控衰减器，不但可以方便更换载波模块，不会影响系统设置，而且可以控制各通信节点间衰减值大小和载波信号路由方向，实现计算机自适应组网，单片机内可写入电表、路灯控制或智能家居等客户程序，作多种应用的组网测试。

说明书

技术领域

本发明属于电力线宽带载波通信技术领域，尤其涉及一种电力线载波通信 模块组网测试系统。

背景技术

近年来，随着高通创锐讯和华为海思相继推出应用于能源管理和家庭自动 化的电力线宽带载波芯片，电力线宽带载波技术以更稳定、更高速的优势逐渐 取代窄带电力线载波技术，进入电能表自动抄表系统、路灯控制和智能家居领 域。然而，针对电力线宽带载波通信模块的组网测试平台并没有一个成熟的方 案可以模拟出各种复杂现场环境以及实现灵活多变的路由方式，用来检验不同 载波方案的路由算法和组网能力极限。

目前最接近的解决方案是公开号为103700244A的中国发明专利申请公开 的一种电力线载波抄表组网测试系统，其为由一个集中器、载波衰减器和多个 电能表组成的单相电力载波组网实验平台，集中器入线单元包括总入线插排、 总开关、隔离变压器、第一载波衰减器、集中器和用于集中器入线单元内各线 路连接的第一接线排，载波电能表单元包括载波衰减器、载波电能表和用于载 波电能表单元内各线路连接的接线排；集中器入线单元与各载波电能表单元之 间测试连接线分别通过第一接线排、接线排进行连接；该测试系统采用以一个 集中器入线单元为主体、多只载波电能表单元的设置，实现单相电力线载波组 网的实验研究；通过背面板接线箱中接线排接线、或者通过前面板上接线插 孔，实现测试所需的网络拓扑连接，从而满足电力线载波抄表组网测试的需 求。但是该测试系统采用电能表组网，而且需外接载波衰减器，体积大、屏蔽 难、成本高，无法满足大规模组网要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种内置程控衰减器的电力线宽带载波模块的组网测 试系统，可模拟各种现场环境及路由方式，检验不同宽带载波方案的路由算法 和组网能力极限，并且利用自身的载波通信方式来控制内置的程控衰减器，从 而可以计算机控制载波信号路由方向和各通信节点间衰减值大小。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

内置程控衰减器的电力线宽带载波通信模块组网测试系统，包括：电源模 块、宽带电力线载波路由模块、处理单元及至少一个组网单元；所述处理单元 与所述宽带电力线载波路由模块相连，所述宽带电力线载波路由模块通过屏蔽 射频线和一个组网单元相连，该组网单元通过屏蔽射频线与其它组网单元级联 组网，所述电源模块与所述组网单元相连，为所述组网单元供电；其中，所述 组网单元包括电路基板、设置于所述电路基板上的载波信号程控衰减器、载波 信号耦合器、数个载波模块、载波信号电子开关、射频连接口，所述电路基板 设于金属外壳内，所述每一载波模块与一设置于电路基板上的单片机相连，相 邻载波模块之间通过信号线相连；所述射频连接口包括与电源模块相连的电源 输入连接口、与上级组网单元相连的上级路由节点连接口和与下级组网单元相 连的下级路由节点连接口，所述电源输入连接口与各载波模块连接，所述上级 路由节点连接口连载波信号耦合器后与每一个载波模块相连，所述下级路由节 点连接口经载波信号电子开关、载波信号程控衰减器及载波信号耦合器后与每 一个载波模块相连，所述载波信号程控衰减器及载波信号电子开关通过控制线 与电路基板上的一个单片机相连。

优选的，所述电源模块为直流电源。

优选的，所述载波信号耦合器由两个0.1uF的电容，其中一个电容接地。

优选的，载波信号程控衰减器包括4级载波信号衰减电路以及分别与每级 载波信号衰减电路连接的4个电子开关，所述一个电子开关控制一级载波信号 衰减电路的通断。

优选的，所述每一级载波信号衰减电路均为∏型电阻衰减电路。

优选的，所述电子开关由电容C259、C260、电阻R219、R221、R222、开 关二极管D2和三极管Q2组成，其中，所述开关二极管D2的正极接电阻R219 后接电源、负极接电阻R221后与三极管Q2的集电极相连、基极接电阻R222 后与单片机相连，所述三极管Q2的发射极接地，电容C295一端接地、一端接 电源，所述电子开关的一个连接端经电容C259后与开关二极管D2的正极相 连，另一个连接端经电容C260后与开关二极管D2的负极相连，所述连接端用 于与载波信号衰减电路相连。

优选的，所述载波信号电子开关设置于所述载波信号衰减电路与下级路由 节点连接口之间，用于控制载波信号通断以及与下级组网单元之间的传输通道 的通断。

优选的，还包括与所述处理单元及组网单元相连的任意波发生器，所述任 意波发生器与所述组网单元的上级路由节点连接口相连。

优选的，所述载波模块通过2x6脚的排针排母与单片机相连。

优选的，所述载波模块通过2x4脚的双排排针排母与载波信号耦合器相 连，所述排母插座的2脚和7脚间接电阻R321,2脚同时和1脚相连，7脚同时 和8脚相连，3-6脚为空脚，1脚接电阻R322后连载波信号耦合器的L_PLC 端，8脚接电阻R323后连载波信号耦合器的N_PLC端。

由以上技术方案可知，本发明的组网单元电路基板上可插接多个可更换的 载波模块，每个载波模块与一个单片机相连，载波模块的物理地址从单片机读 入，可以方便更换载波模块，而且更换任何载波模块都不会影响系统设置，单 片机内可写入电表、路灯控制或智能家居等客户程序，作多种应用的组网测 试。而且每一个组网单元均设有用于通过屏蔽射频线与相邻的上级路由节点相 连的上级路由节点连接口、用于通过屏蔽射频线与相邻下级路由节点相连的下 级路由节点连接口及电源输入连接口，组网单元内置可以利用自身的载波通信 方式来控制的程控衰减器，可以控制各通信节点间衰减值大小和载波信号路由 方向，实现计算机自适应组网。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需 要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还 可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构框图；

图2为本发明组网单元的结构框图；

图3为本发明实施例单片机的电路示意图；

图4为2x4脚的双排插座的电路示意图；

图5为2x6脚的双排插座的电路示意图；

图6为下级路由节点连接口的电路连接图；

图7为电子开关的电路图；

图8为上级路由节点连接口的电路连接图；

图9为电源输入连接口的电路连接图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的电力线宽带载波通信模块的组网测试系统包括电 源模块1、宽带电力线载波路由模块2、处理单元3及至少一个组网单元4。宽 带电力线载波路由模块2与处理单元3之间通过数据传输线相连，所采用的数 据传输线可以是双绞线、同轴电缆、光纤等网线，本发明的处理单元3为计算 机。宽带电力线载波路由模块2作为组网主节点，其通过屏蔽射频线和一个组 网单元4相连，该与宽带电力线载波路由模块2相连的组网单元4再通过屏蔽 射频线与其它组网单元级联组网。宽带电力线载波路由模块2为低压宽带电力 线载波通信单元，该低压宽带电力线载波通信单元为市场上销售的产品，其符 合国标Q-GDW 1379.4-2013电力用户用电信息采集系统检验技术规范第4部分 (通信单元检验技术规范)中终端用通信单元的要求。电源模块1与组网单元4 相连，为组网单元4供电，本发明的电源模块1采用直流电源，具体可选用 12V的交流转直流开关电源，本实施例中电源模块1可通过屏蔽射频线为四个 组网单元供电。

本发明可设置多个组网单元4，每个组网单元4的结构均相同，组网单元 4之间通过屏蔽电缆相连。参照图2，组网单元4包括载波信号程控衰减器4- 1、载波信号耦合器4-2、数个载波模块4-3、电路基板4-4、载波信号电子开 关4-5、射频连接口4-6及金属外壳(未图示)，其中，载波信号程控衰减器 4-1、载波信号耦合器4-2、载波模块4-3、载波信号电子开关4-5、射频连接 口4-6均设置于电路基板4-4上，电路基板4-4设置于金属外壳内，以阻断节 点间空间耦合。本发明的射频连接口4-6包括电源输入连接口4-6a、上级路由 节点连接口4-6b和下级路由节点连接口4-6c，电源输入连接口4-6a与电源模 块1相连，电源输入连接口4-6a通过屏蔽射频线与各载波模块连接，为各载 波模块提供直流电源。相邻载波模块4-3之间通过信号线相连，载波模块4-3 通过排针排母(连接件)与电路基板4-4相连。上级路由节点连接口4-6b用 于通过屏蔽射频线与相邻的上级路由节点(组网单元)相连，上级路由节点连 接口4-6b连载波信号耦合器4-2后与每一个载波模块4-3相连。下级路由节 点连接口4-6c用于通过屏蔽射频线与相邻下级路由节点(组网单元)相连， 下级路由节点连接口4-6c经载波信号电子开关4-5、载波信号程控衰减器4-1 及载波信号耦合器4-2后与每一个载波模块4-3相连。载波信号程控衰减器4- 1及载波信号电子开关4-5通过控制线与电路基板上的一个单片机相连，该单 片机可控制载波信号程控衰减器4-1及载波信号电子开关4-5的工作状态。本 实施例中的上级路由节点连接口4-6b和下级路由节点连接口4-6c均为两个。 处理单元通过载波通信控制设置于组网单元内的载波信号程控衰减器和载波信 号电子开关，从而可以控制各通信节点间衰减值大小和载波信号路由方向，实 现计算机程控灵活组网。

本实施例电路基板4-4上设置了15个载波模块4-3以及与载波模块数量 对应的单片机(未图示)，每个载波模块连接电路基板上的一个单片机，用于 控制一个下级路由节点连接口上的载波信号程控衰减器及载波信号电子开关的 单片机为15个单片机中的一个，本实施例中有两个下级路由节点连接口，用 于控制载波信号程控衰减器及载波信号电子开关的单片机就有两个。本实施例 单片机的型号为R5F21284(图3)，载波模块上电后读入单片机地址作为自身 地址。载波模块通过排针排母与电路基板相连，可以方便更换载波模块，而且 更换任何载波模块都不会影响系统设置；若单片机写入电能表DL/T645接口协 议，则可作抄表应用，单片机还可写入路灯控制或智能家居等客户程序，作多 种应用的组网测试。

如图4和图5所示，本实施例的排母插座采用2x4脚的XS5插座和2x6脚 的XS6插座，排针排母的各管脚按Q-GDW 1355-2013单相智能电能表型式规范 附录F中关于通信载波模块管脚定义要求来定义，载波模块通过XS6插座与单 片机相连，通过XS5插座与载波信号耦合器相连。作为一个优选的技术方案， 2x4脚的XS5插座的2脚和7脚间接电阻R321,2脚同时和1脚相连，7脚同时 和8脚相连，3-6脚为空脚，1脚接电阻R322后连载波信号耦合器的L_PLC 端，8脚接电阻R323后连载波信号耦合器的N_PLC端，与XS5插座引脚相连的 电阻R321,R322，R323及与上级路由节点连接口的载波信号耦合器相连的 R198(图9)组成的衰减电路，可为同一个组网单元内各载波模块之间提供适 当的衰减，模拟在同一电表箱内各载波模块之间的真实衰减情况。

图6为下级路由节点连接口的电路连接图。图6中SMA天线座J63为射频 连接口，D11为ESD保护器件，两个0.1uF的电容C252和C253构成载波信号 耦合器，其中一个电容接地，将载波信号由差模信号转化为共模信号，以便载 波信号通过屏蔽射频线传输。载波信号耦合器在1-30MHz频段内可做到插损小 于1dB。本实施例的载波信号程控衰减器由4级载波信号衰减电路和4个电子 开关组成，每级载波信号衰减电路均为∏型电阻衰减电路，如R192、R199、 R283和R200构成一个∏型电阻衰减电路，R200、R201、R284和R202构成一 个∏型电阻衰减电路，R202、R203、R285和R206构成一个∏型电阻衰减电 路，R198(图9)、R191、R282和R192构成一个∏型电阻衰减电路。结合图 7，图7为电子开关的电路图。电子开关由电容C259、C260、电阻R219、 R221、R222、开关二极管D2和三极管Q2组成。其中，开关二极管D2的正极 接电阻R219后接电源，开关二极管D2的负极接电阻R221后与三极管Q2的集 电极相连，三极管Q2的基极接电阻R222后与单片机的IO口相连，三极管Q2 的发射极接地，电容C295一端接地、一端接电源，电子开关的连接端at1经 电容C259后与开关二极管D2的正极相连，电子开关的连接端at2经电容C260 后与开关二极管D2的负极相连。电容C259和C260为隔直电容，电阻R219和 R221为开关二极管D2提供适当的偏置电流。每级载波信号衰减电路均与一个 电子开关并连，通过控制该电子开关的通断来实现载波信号衰减电路的旁路或 接入，每级电子开关的结构均相同，如图6，共有4个电子开关依次连接于4 级载波信号衰减电路的at1、at2、at3、at4及at5处。载波信号电子开关4-5 串接在载波信号衰减电路与射频连接口J63之间(at5和at6处)，控制载波 信号的通断和与下级路由节点之间的传输通道的通断，载波信号电子开关4-5 与前述控制载波信号衰减电路的电子开关的电路完全相同。单片机IO口 (crt1、crt2、crt3、crt4)通过电子开关电路中的电阻R222和三极管Q2来 控制开关二极管D2的通断，从而控制载波信号衰减电路的接入或旁路，达到 控制衰减值的目的。单片机IO口(crt5)通过载波信号电子开关电路中的电 阻R222和三极管Q2来控制开关二极管D2的通断，从而控制上、下级路由节 点之间的传输通道的通断，达到控制载波信号路由方向的目的。相邻上下级组 网单元载波信号的衰减值由上级组网单元内置的程控衰减器控制。

如图8所示，图8为上级路由节点连接口的电路连接图。两个0.1uF的电 容C255和C256构成载波信号耦合器，其中一个电容接地。D10为ESD保护器 件，SMA天线座J61和J62为射频连接口。

参照图9，图9为电源输入连接口的电路连接图。SMA天线座J66(射频连 接口)为12V电源输入接口，通过射频信号线与12V直流电源相连。C219， C220和C221为滤波电容，除了起到电源滤波作用之外，还可阻止载波信号通 过此SMA天线座传导辐射出去。图8中D9为ESD保护器件。

本发明的处理单元通过载波通信发控制指令给与程控衰减器和载波信号电 子开关相连的单片机，单片机通过IO口分别控制设置于组网单元内的程控衰 减器和载波信号电子开关，从而可以控制各通信节点间衰减值大小和载波信号 路由方向，实现计算机自适应组网。另外，可以设置与处理单元及组网单元相 连的任意波发生器(图1)，任意波发生器一端与处理单元相连，另一端与组 网单元的上级路由节点连接口相连，通过注入任意幅度的干扰信号，模拟各种 特殊的现场应用环境。处理单元与宽带电力线载波路由模块相连，读取每个载 波模块的路由信息、操作各载波模块复位或上下线、读电量及其他信息、测试 吞吐量等，并记录下所有实时数据，对收集到的数据进行分析整理，从而建立 出不同的模型，用于控制测试系统。计算机可采用LABVIEW或其他GUI工具运 行友好的、图形化的人机界面软件。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实 施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可 以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范 围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。