低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)和通信方法
【專利摘要】本發(fā)明為低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)和通信方法，本系統(tǒng)的低壓直流電源的2條電力線和正極引出的載波線共同構(gòu)成總線。總線連接多個節(jié)點，節(jié)點的電壓轉(zhuǎn)換模塊供電；調(diào)制解調(diào)模塊連接載波線、與可編程控制器模塊PLC連接。各節(jié)點有唯一的ID號?？偩€有1個PLC連接人機界面的主控節(jié)點、1或多個PLC連接通信模塊的通信節(jié)點，其余為PLC連接受控設(shè)備的受控節(jié)點。本通信方法為人機界面向主控節(jié)點輸入控制程序；主控節(jié)點發(fā)送載波控制信號，各受控節(jié)點由ID識別接收本節(jié)點的指令、控制所接的受控設(shè)備并反饋執(zhí)行信息，通信節(jié)點監(jiān)控和調(diào)理載波線上的信號。本發(fā)明通信質(zhì)量穩(wěn)定，抗干擾，傳輸距離長，通信線路簡單，適用于各類車船上直流電器的控制系統(tǒng)。
【專利說明】低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)和通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力線通信技術(shù)，尤其是一種低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)和通/[目方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力線通信技術(shù)是利用高壓電力線(35kV及以上)、中壓電力線(IOkV)或低壓配電線(380/220V)作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。目前交流電力線載波通信技術(shù)已發(fā)展幾十年，低速(1200bps以下)電力線通信已經(jīng)很普遍。交流電力線載波通信常采用頻移鍵控(FSK)、正交幅度調(diào)制(QAM)、格柵編碼調(diào)制(TCM)、擴頻/碼分多址CDMA等實現(xiàn)方案。
[0003]但當前直流電力線通信技術(shù)還不成熟，應用不普遍。直流電力線目前仍多采用專用信號線通信，分設(shè)電源線與信號線。這使得線路復雜，負載能力，抗干擾能力方面存在不足。
[0004]現(xiàn)有的低壓直流電力線通信中，主要使用HART通信協(xié)議，即采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4?20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通信，由于局限于4?20mA模擬信號，此種低壓直流電力線通信技術(shù)只適合應用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間通信的特定場合。
[0005]而在汽車、工程機械和電動車等由電池供電的系統(tǒng)中，模擬信號電流值可達IA以上，HART通信協(xié)議明顯不適用。目前尚未見在汽車，電動車等低壓電力線供電情況下，采用低壓電力線通信實現(xiàn)控制信號傳輸?shù)膱蟮馈?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)以低壓直流電力線通信為物理層的一種總線系統(tǒng)，在為設(shè)備供電的同時提供設(shè)備監(jiān)控通信信道。本發(fā)明提供一種低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)，兩線為低壓正負極直流電力線，再從電源正極引出一條載波線，三線構(gòu)成總線，連接多個控制節(jié)點，其中有一個主控節(jié)點和多個受控節(jié)點。
[0007]本發(fā)明的另一目的是公開上述低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)的通信方法。
[0008]本發(fā)明設(shè)計的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)，包括低壓直流電源引出的正負極直流電力線，還有從低壓直流電源正極引出的一條載波線，三線共同構(gòu)成總線。
[0009]總線上連接多個節(jié)點，節(jié)點的主要組成有:電壓轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)模塊和可編程控制器模塊。電壓轉(zhuǎn)換模塊連接正負極直流電力線和本節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊和可編程邏輯控制器模塊，為本節(jié)點的其它模塊提供所需電壓；調(diào)制解調(diào)模塊連接載波線，并與可編程控制器模塊連接。各節(jié)點有唯一的ID號。
[0010]總線上的節(jié)點包括I個主控節(jié)點、I個或多個通信節(jié)點，其余為受控節(jié)點。受控節(jié)點的可編程控制器模塊通過I/o端口連接受控設(shè)備；或者，受控節(jié)點和主控節(jié)點的可編程控制器模塊通過I/o端口連接受控設(shè)備。主控節(jié)點的可編程控制器模塊與人機界面連接，人機界面用于輸入系統(tǒng)配置信息和控制信息。
[0011]通信節(jié)點的可編程控制器模塊連接通信模塊，經(jīng)通信模塊為總線上的節(jié)點提供通信服務并監(jiān)控總線狀態(tài)。通信節(jié)點獲取主控節(jié)點和各受控節(jié)點之間交換的信息，通過報文解析，監(jiān)控受控節(jié)點狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)故障信息時，將故障信息和發(fā)出故障信息的節(jié)點的ID號發(fā)送至主控節(jié)點。
[0012]當總線傳輸距離過長，或者總線節(jié)點過多，載波線上傳輸?shù)男盘査p嚴重信號功率下降。當通信節(jié)點檢測到載波線上傳輸?shù)闹骺毓?jié)點信號功率小于初始設(shè)定值的50%，通信節(jié)點的可編程控制器模塊對載波線上傳輸?shù)奈锢硇盘栠M行放大調(diào)理，再經(jīng)通信模塊發(fā)送到載波線上，以保證總線上其它節(jié)點通信可靠。根據(jù)總線傳輸?shù)木嚯x、總線上節(jié)點的數(shù)量及環(huán)境條件確定信號衰減情況，決定通信節(jié)點的數(shù)量。
[0013]為了便于設(shè)置和控制，主控節(jié)點位于總線的最前端，即最靠近低壓直流電源，主控節(jié)點后為多個受控節(jié)點。
[0014]低壓直流電源配置轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換接口有與低壓直流電源插座相配合的正、負極插頭，還有正、負極電力線和載波線的三個插孔，正、負極插頭分別連接正負極插孔，正極插頭的另一引出線經(jīng)適配電阻連接載波線插孔。
[0015]適配電阻R根據(jù)直流電源電壓Vtl、各節(jié)點的調(diào)制解調(diào)器模塊的電壓Vi以及節(jié)點的個數(shù)N進行選擇。當各節(jié)點的調(diào)制解調(diào)器模塊的電壓范圍與直流電源電壓不相配時，轉(zhuǎn)換接口增加接口電壓轉(zhuǎn)換模塊，接口電壓轉(zhuǎn)換模塊的2個輸入端分別連接正、負極插頭，接口電壓轉(zhuǎn)換模塊的正極輸出端經(jīng)適配電阻連接載波線插孔。
[0016]低壓直流電力線通信總線系統(tǒng)的通信方法主要步驟如下:
[0017]1、根據(jù)各受控節(jié)點的ID號，通過主控節(jié)點的人機界面向主控節(jié)點的可編程控制器輸入對本系統(tǒng)各節(jié)點所連接的受控設(shè)備的控制程序；
[0018]I1、主控節(jié)點的可編程控制器按控制程序發(fā)出的控制指令，經(jīng)其調(diào)制解調(diào)模塊調(diào)制為載波信號送到載波線傳輸；
[0019]II1、各受控節(jié)點通過ID識別、從載波線接收發(fā)給本節(jié)點的載波指令信號，經(jīng)該受控節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊解調(diào)為控制指令，送入該受控節(jié)點的可編程控制器，根據(jù)所收到的主控節(jié)點的控制指令產(chǎn)生控制信號，經(jīng)該受控節(jié)點的對外控制接口模塊送入該受控節(jié)點連接的受控設(shè)備進行控制；
[0020]IV、當步驟III中的受控節(jié)點向其所連接的被控設(shè)備發(fā)送了控制指令，該受控節(jié)點的可編程控制器經(jīng)其調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送此ID號節(jié)點控制指令已執(zhí)行的信息，經(jīng)載波線反饋到主控節(jié)點；
[0021]V、系統(tǒng)運行過程中，通信節(jié)點獲取載波線上傳輸?shù)闹骺毓?jié)點和各受控節(jié)點發(fā)送的信息，并進行分析，區(qū)分所得信息是控制信息還是故障信息，當發(fā)現(xiàn)故障信息時，將故障信息和其發(fā)出節(jié)點的ID號發(fā)送至主控節(jié)點。
[0022]當通信節(jié)點檢測到載波線上主控節(jié)點信號功率小于初始設(shè)定值的50%，通信節(jié)點的可編程控制器對載波線上傳輸?shù)奈锢硇盘栠M行放大調(diào)理，再經(jīng)通信模塊發(fā)送到載波線上。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)和通信方法的優(yōu)點為:1)實現(xiàn)了低壓直流電力線通信，直流電力線的特性決定本系統(tǒng)通信質(zhì)量的穩(wěn)定性高；2)獨立的載波線路只傳輸調(diào)制信號，不傳輸電能，增強了信號的抗干擾能力；3)在電源功率和電力線衰減特性內(nèi)，負載能力強和傳輸距離遠；4)簡化了低壓電力線供電設(shè)備的控制信號的通信線路，避免復雜的布線和線束過多，專用轉(zhuǎn)換接口簡化了接入方式；5)設(shè)計簡單實用，抗干擾能力強，可用于汽車、船只、工程機械、電動車上電器設(shè)備和燈光等直流供電及控制場
口 ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為圖1中轉(zhuǎn)換接口電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為圖1中受控節(jié)點右前方節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為圖1中主控節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5為圖1中通信節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0030]本低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)實施例為用于汽車車燈供電控制的低壓直流電力線通信系統(tǒng)，圖1為本例整體結(jié)構(gòu)示意圖，汽車上配有低壓直流電源轉(zhuǎn)換接頭，由此引出正極電力線、負極電力線和載波線W，三線構(gòu)成的總線上連接一個主控節(jié)點、一個通信節(jié)點和4個受控節(jié)點，主控節(jié)點位于總線的最前端，通信節(jié)點位于最后端，4個受控節(jié)點位于主控節(jié)點和通信節(jié)點之間。
[0031]4個受控節(jié)點分別為右前方節(jié)點、右后方節(jié)點、左前方節(jié)點、左后方節(jié)點。4個受控節(jié)點的受控設(shè)備為連接車的左右前后各燈的各繼電器模塊。左、右前方節(jié)點的受控設(shè)備分別為連接左、右照明燈，左、右前示寬燈和左、右前轉(zhuǎn)向燈的左、右前繼電器模塊；左、右后方節(jié)點的受控設(shè)備分別為連接左、右后示寬燈和左、右后轉(zhuǎn)向燈的左、右繼電器模塊，即每個受控節(jié)點可以通過繼電器模塊控制2或3個燈的獨立工作。各節(jié)點ID號如下:主控節(jié)點為01，通信節(jié)點為02，右前方節(jié)點11，右后方節(jié)點21，左前方節(jié)點12，左后方節(jié)點22。
[0032]轉(zhuǎn)換接口電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，該轉(zhuǎn)換接口一端有與低壓直流電源插座相配合的正、負極插頭，另一端還有正、負極電力線和載波線W的三個插孔，正、負極插頭分別連接正負極插孔，本例的轉(zhuǎn)換接口配有接口電壓轉(zhuǎn)換模塊，接口電壓轉(zhuǎn)換模塊的2個輸入端分別連接正、負極插頭，接口電壓轉(zhuǎn)換模塊的正極輸出端經(jīng)適配電阻連接載波線插孔。
[0033]本例受控節(jié)點右前方節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括電壓轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)模塊和可編程控制器模塊，調(diào)制解調(diào)模塊連接載波線W，并與可編程控制器模塊連接，電壓轉(zhuǎn)換模塊連接直流電源DC的正負極直流電力線和本節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊和可編程控制器模塊。可編程控制器模塊連接對外控制接口模塊，連接受控設(shè)備，本節(jié)點的受控設(shè)備為連接右照明燈，右前示寬燈和右前轉(zhuǎn)向燈的右前繼電器模塊。其它受控節(jié)點結(jié)構(gòu)與此結(jié)構(gòu)相同，只是繼電器模塊所接的受控燈不同。
[0034]本例主控節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主體結(jié)構(gòu)與受控節(jié)點相同，包括電壓轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)模塊和可編程控制器模塊，主控節(jié)點的可編程控制器模塊接有人機界面接口，本例的主控接點所接人機界面為鍵盤。[0035]本例通信節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其主體結(jié)構(gòu)與受控節(jié)點相同，包括電壓轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)模塊和可編程控制器模塊，其可編程控制器連接通信模塊。
[0036]本例各節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊選用半雙工通信M0DEM(LM1893)，其工作電壓范圍為13-40V。本例可編程控制器模塊選取帶有串行異步通信接口的通用單片機。調(diào)制信號采用直接耦合方式，調(diào)制方式為頻移鍵控(FSK)，調(diào)制信號為電壓形式。
[0037]配合各節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊MODEM (LM1893)，經(jīng)測試計算，轉(zhuǎn)換接口的適配電阻阻值選取在100歐姆，以獲得較大驅(qū)動能力。
[0038]本用于汽車車燈供電控制的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)實施例的使用方法主要步驟如下:
[0039]1、根據(jù)各受控節(jié)點的ID號，通過主控節(jié)點的人機界面鍵盤向主控節(jié)點的可編程控制器輸入對本系統(tǒng)各節(jié)點所連接的受控設(shè)備的控制指令。
[0040]I1、主控節(jié)點的可編程控制器發(fā)出控制指令，經(jīng)其調(diào)制解調(diào)模塊調(diào)制為載波信號送到載波線W傳輸。
[0041]II1、各受控節(jié)點從載波線W下載本ID號的載波指令信號，經(jīng)該受控節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊解調(diào)為控制指令，送入該受控節(jié)點的可編程控制器，根據(jù)所收到的主控節(jié)點的控制指令產(chǎn)生控制信號，經(jīng)該受控節(jié)點的對外控制接口模塊送入該受控節(jié)點連接的受控設(shè)備，本例受控設(shè)備為連接不同車燈的各繼電器模塊，控制燈的明滅。
[0042]IV、當步驟III中的受控節(jié)點向其所連接的受控設(shè)備發(fā)送了控制指令，該受控節(jié)點的可編程控制器經(jīng)其調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送此ID號節(jié)點控制指令已執(zhí)行的信息，經(jīng)載波線W傳輸?shù)街骺毓?jié)點。
[0043]V、系統(tǒng)運行過程中，通信節(jié)點獲取載波線W上傳輸?shù)闹骺毓?jié)點和各受控節(jié)點發(fā)送的信息，并進行分析，區(qū)分所得信息是控制信息還是故障信息，當發(fā)現(xiàn)故障信息時，將故障信息和其發(fā)出節(jié)點的ID號發(fā)送至主控節(jié)點。
[0044]上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)，包括低壓直流電源引出的正負極直流電力線，其特征在于: 還有從低壓直流電源正極引出的一條載波線，三線共同構(gòu)成總線； 總線上連接多個節(jié)點，節(jié)點的主要組成有:電壓轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)模塊和可編程控制器模塊；電壓轉(zhuǎn)換模塊連接正負極直流電力線和本節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊和可編程邏輯控制器模塊，調(diào)制解調(diào)模塊連接載波線，并與可編程控制器模塊連接；各節(jié)點有唯一的ID號； 總線上的節(jié)點包括I個主控節(jié)點、I個或多個通信節(jié)點，其余為受控節(jié)點；受控節(jié)點的可編程控制器模塊通過I/O端口連接受控設(shè)備，或者，受控節(jié)點和主控節(jié)點的可編程控制器模塊通過I/O端口連接受控設(shè)備；主控節(jié)點的可編程控制器模塊與人機界面連接； 通信節(jié)點的可編程控制器連接通信模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)，其特征在于: 所述主控節(jié)點位于總線的最前端，即最靠近低壓直流電源，主控節(jié)點后為多個受控節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)，其特征在于: 所述低壓直流電源配置轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換接口有與低壓直流電源插座相配合的正、負極插頭，還有正、負極電力線和載波線的三個插孔，正、負極插頭分別連接正負極插孔，正極插頭的另一引出線經(jīng)適配電阻連接載波線插孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)，其特征在于: 當各節(jié)點的調(diào)制解調(diào)器模塊的電壓范圍與直流電源電壓不相配時，轉(zhuǎn)換接口增加接口電壓轉(zhuǎn)換模塊，接口電壓轉(zhuǎn)換模塊的2個輸入端分別連接正、負極插頭，接口電壓轉(zhuǎn)換模塊的正極輸出端經(jīng)適配電阻連接載波線插孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)的通信方法，其特征在于主要步驟如下: 1、根據(jù)各受控節(jié)點的ID號，通過主控節(jié)點的人機界面向主控節(jié)點的可編程控制器輸入對本系統(tǒng)各節(jié)點所連接的受控設(shè)備的控制程序； I1、主控節(jié)點的可編程控制器按控制程序發(fā)出的控制指令，經(jīng)其調(diào)制解調(diào)模塊調(diào)制為載波信號送到載波線傳輸； II1、各受控節(jié)點通過ID識別、從載波線接收發(fā)給本節(jié)點的載波指令信號，經(jīng)該受控節(jié)點的調(diào)制解調(diào)模塊解調(diào)為控制指令，送入該受控節(jié)點的可編程控制器，根據(jù)所收到的主控節(jié)點的控制指令產(chǎn)生控制信號，經(jīng)該受控節(jié)點的對外控制接口模塊送入該受控節(jié)點連接的受控設(shè)備進行控制； IV、當步驟III中的受控節(jié)點向其所連接的被控設(shè)備發(fā)送了控制指令，該受控節(jié)點的可編程控制器經(jīng)其調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送此ID號節(jié)點控制指令已執(zhí)行的信息，經(jīng)載波線反饋到主控節(jié)點； V、系統(tǒng)運行過程中，通信節(jié)點獲取載波線上傳輸?shù)闹骺毓?jié)點和各受控節(jié)點發(fā)送的信息，并進行分析，區(qū)分所得信息是控制信息還是故障信息，當發(fā)現(xiàn)故障信息時，將故障信息和其發(fā)出節(jié)點的ID號發(fā)送至主控節(jié)點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低壓直流電力線總線通信系統(tǒng)的通信方法，其特征在于: 所述步驟V中，當通信節(jié)點檢測到載波線上主控節(jié)點信號功率小于初始設(shè)定值的50%，通信節(jié)點的可編程控制器對載波線上傳輸?shù)奈锢硇盘栠M行放大調(diào)理，再經(jīng)通信模塊發(fā)送到載波 線上。
【文檔編號】H04L12/40GK103441913SQ201310400539
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】許勇, 蔡其瑾, 張向文, 潘明, 任風華 申請人:桂林電子科技大學