CN104202076A - 一种fsk中继器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FSK中继器，包括耦合电路、带通滤波电路2、驱动放大电路、单片机系统、带通滤波器、放大整形电路、RS485接口、RS232接口。本发明电路简单、成本低廉、制造容易、无时漂影响，且可实现多种通讯方式之间的转发功能，可广泛使用于智能电器等多种场合。

Description

一种FSK中继器

技术领域

本发明涉及数字信息传输领域，尤其涉及一种FSK中继器。

背景技术

FSK(Frequency-Shift Keying，频移键控)是利用载波频率变化来传递数字信息的一种数字调制技术。具有实现容易，抗噪声与抗衰减的性能好等特点。在电力载波通讯中得到了广泛的应用。如民用智能电表抄表系统，电网中远动信息收发，矿井系统中的遥测遥控传输等。

FSK最常用的方法是将二进制数1和0，分别调制为f₁与f₂两个频率不同的双频FSK系统。被调制的频率相对电网频率高出许多。FSK系统中，“调制”相对简单，“解调”比较复杂。

FSK信号的解调方式有模拟解调方式与数字解调方式。模拟解调方式中，有参考差分FSK解调和全差分FSK解调。参考差分FSK解调是将FSK载波信号控制偏置电流对电容充电，根据电容上充电电压与参考电压通过比较器判决数据是1还是0。全差分FSK解调是利用不同偏置电流对不同的电容进行充电，根据电容上充电电压差值的大小通过比较器判决数据是1还是0。模拟解调电路容易漂移，是其主要缺点。数字解调方式通常有过零点检测、正交相乘等，过零点检测解调方式适用于非常低速率的应用，通讯速率较低。正交相乘解调方式较为复杂的乘法器以与高阶数字滤波器，成本较高，电路也较复杂。另外FSK解调电路还可以采用锁相环PLL的方式实现，包括模拟PLL和数字PLL。这类解调电路同样有诸多缺点，功耗较大，电路复杂，成本较高。

随着智能电网概念的普及，“智能”电器越来越多。智能电器的首要特点是可通讯。因FSK通讯方式无需增设额外的通讯线路，逐成为智能电器可通讯之首选。且智能电网、智能电器相互之间的通讯速率往往较低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种模拟FSK电路不容易漂移、数字电路成本低的FSK中继器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种FSK中继器，包括耦合电路、带通滤波电路、驱动放大电路、单片机系统、带通滤波器、放大整形电路、RS485接口、RS232接口。

所述的耦合电路的高压侧两端与电网两端相连，所述的耦合电路的低压侧两端的一端分别与带通滤波电路、带通滤波器相连，所述的耦合电路的低压侧两端的另一端接地。

所述的带通滤波电路的输出端与耦合电路的低压侧两端的一端相连，所述的带通滤波电路的输入端是驱动放大电路相连。

所述的驱动放大电路的输出端与带通滤波电路相连，所述的驱动放大电路的输入端是单片机系统相连。

所述的单片机系统的输出端与驱动放大电路的输入端相连；所述的单片机系统的输入端连接有放大整形电路；所述的单片机系统与RS485接口和RS232相连。

所述的放大整形电路的输出端与单片机系统的输入端相连，所述的放大整形电路的输入端与带通滤波器相连，所述的带通滤波器的输出端与放大整形电路相连，所述的带通滤波器输入端与耦合电路的低压侧两端的一端相连。

所述的耦合电路、带通滤波电路、带通滤波器、驱动放大电路、放大整形电路由分离元件构成。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1、采用高速廉价型单片机(或DSP)为核心元件，大幅度简化FSK调制发送电路与FSK信号接收电路。高速廉价型单片机采用外接高速晶体振荡器作为系统时钟，从而获得FSK调试与解调的时间基准。

2、FSK信号调制，依靠单片机内部程序进行数字化调制，消除了模拟调试电路的偏差。

3、FSK信号解调，同样有单片机内部程序进行解调，避免了数字解调电路的复杂性，克服了模拟解调电路时漂的影响。

4、FSK信号发送与接收，同一耦合回路采用时分制工作方式，进一步简化电路。

5、FSK信号驱动放大电路、带通滤波电路1、带通滤波电路2、放大整形电路均有分立元件实现，进一步降低成本。

6、中继器，可以作为独立的FSK调制发送器，可以作为独立的FSK接收解调器，可以作为合二为一的FSK中继器，还可以作为接收命令与反馈状态的控制器。适用于直接连接而成的组网，适用于交流电、直流电供电回路、电话线回路的载波组网。

7、在本中继器的基础上，通过编制单片机内部程序之手段，实现FSK、RS485、RS232三者之间的信号转发。

8、本中继器，既可以作为一个单独接收命令、或单独发出状态信号的独立测控功能的终端使用，也可以作为FSK网络控制器使用。

综上所述，本发明电路简单、成本低廉、制造容易、无时漂影响，且可实现多种通讯方式之间的转发功能，可广泛使用于智能电器等多种场合。

附图说明

图1是本发明一种FSK中继器的电路原理图。

图2是本发明一种FSK中继器中的单片机电路的简化原理图。

图3是本发明一种FSK中继器中的驱动放大电路与带通滤波电路的简化原理图。

图4是本发明一种FSK中继器中的带通滤波器与放大整形电路的简化原理图。

图5是本发明一种FSK中继器中的作附加说明的为中继器电路供电的电源电路简化原理图。

图中：1、耦合电路  2、带通滤波电路  3、驱动放大电路  4、单片机系统  5、带通滤波器  6、放大整形电路  7、RS485接口  8、RS232接口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对说明书附图对本发明作进一步的解释。

如图1所示，一种FSK中继器，包括耦合电路1、带通滤波电路2、驱动放大电路3、单片机系统4、带通滤波器5、放大整形电路6、RS485接口7、RS232接口8。耦合电路1的输入端L、N，接FSK信号源。对于交流供电回路，C0为降压电容器，对于直流供电回路，C0为隔值电容器。C0与耦合高频变压器T1的初级N1构成输入信号源回路，FSK输入信号由N2感应、D1限幅后，连接于带通滤波器5进行选频，带通滤波器5仅能通过符合设计带宽范围的频率信号；放大整形电路6对频率信号进行放大整形，一方面提高电路的信噪比，另一方面，获得与单片机接口电平相适应的方波电平信号；单片机电路采用“捕获中断”方式，通过队列形式记录各个方波电平的时间宽度，为解调FSK源码提供基础。

所述的耦合电路1的高压侧两端与电网两端相连，所述的耦合电路1的低压侧两端的一端(COM)分别与带通滤波电路2、带通滤波器5相连，所述的耦合电路1的低压侧两端的另一端接地。

所述的带通滤波电路2的输出端与耦合电路1的低压侧两端的一端相连，所述的带通滤波电路2的输入端是驱动放大电路3相连。

所述的驱动放大电路3的输出端与带通滤波电路2相连，所述的驱动放大电路3的输入端是单片机系统4相连。

所述的单片机系统4的输出端(OUT)与驱动放大电路3的输入端相连；所述的单片机系统4的输入端(IN)连接有放大整形电路6；所述的单片机系统4与RS485接口7和RS232相连。其他各端分别作输入检测、输出控制等。高速廉价型单片机兼备标准UART收发方式，可直接与RS485接口7、RS232接口8进行数据收发。本发明可以作为独立的FSK调制发送器，可以作为独立的FSK接收解调器，可以作为合二为一的FSK中继器，还可以作为接收命令与反馈状态的控制器。在中继器的基础上，通过编制单片机内部程序之手段，实现FSK、RS485、RS232三者之间的信号转发。

所述的放大整形电路6的输出端与单片机系统4的输入端相连，所述的放大整形电路6的输入端与带通滤波器5相连，所述的带通滤波器5的输出端与放大整形电路6相连，所述的带通滤波器5输入端与耦合电路1的低压侧两端的一端相连。

所述的耦合电路1、带通滤波电路2、带通滤波器5、驱动放大电路3、放大整形电路6由分离元件构成。

采用分立元件构建FSK信号发送的驱动放大电路3、带通滤波电路2。驱动放大电路3将单片机输出的调制信号，进行电平放大，通过带通滤波电路2与耦合线圈组成的回路传递到载波电路中。其中，带通滤波电路2转换方波为近似正弦波信号。

采用分立元件构建的带通滤波器5，放大整形电路6，组成FSK信号的接收电路。来自耦合线圈次级的FSK信号，经带通滤波器5选频，符合带宽频率的信号得以通过后，由放大整形电路6调理，传送给单片机解码。既适应相位连续FSK转换，也适应零交越FSK转换。

采用分立元件构建耦合回路。FSK信号的发送与接收，采用同一耦合回路，以最大限度地降低成本。

采用本中继器电路，既可以相互直接连接组成网络，也可以通过带电的电力线路、电话线路或直流供电电路等耦合连接组成网络。

单片机，对待调制为FSK的的字节，按位调制后通过定时中断法生产FSK信号，此信号通过驱动放大电路3放大，驱动高频变压器T1的次级N2，并耦合到N1，进而向外部发送。串联在发送回路中的带通滤波电路2将方波信号“滤波”为符合带宽的近似正弦波信号，以提高传送距离并减小网络噪声。

采用高速廉价型单片机，完成FSK的调制与解调。高速廉价型单片机采用外部晶体振荡器，形成高度稳定的时间基准，大幅度简化整体电路，降低成本，从而既克服了模拟解调电路时漂问题，又避免了数字解调电路的复杂性问题。

如图2所示，U1为高速廉价型单片机，如STM8S系列单片机等。PB0定义为ZO信号检测端，用于接收交流电网中的过零点信号，以进一步地FSK实现过零时刻的发送与接收，进一步提高通讯距离；

PB1定义为IN信号，接收来自放大整形电路6的信号；

PB2定义为OUT信号，单片机内部采用定时器调制的通过本端口，与驱动放大电路3连接；

PB3定义为S1，用于设定过零收发或非过零收发；

PB4定义为S2，用于选择转发模式。如高电平时，FSK与RS485之间转发；低电平时，FSK与RS232转发；

PB5定义为S5，可做备用选择端；

PA0定义为O1，PA1定义为O2，可做普通I/O输入或输出；

PA2为TXD0、PA3为RXD0，可与RS485接口7之间数据通讯；

PA4为TXD1、PA5为RXD1，可与RS232接口8之间数据通讯；

晶体振荡器Y1连接于单片机的OS1、OS2端，为单片机提供高稳定时钟源。电容器CA及CB为晶体振荡器Y1的补偿电容器。

如图3所示。来自单片机的调制信号OUT低电平时，电阻器R2正偏置三极管T1，T1导通，电阻器R3上拉的集电极电压为低电平，PMOS管T2导通，FSK发送电压VFP经电阻器R4限流，向电感器L1、电容器C1及变压器T1的次级N2充电。NMOS管T3无栅极电压而截止。

OUT为高电平时，电阻器R2反偏置三极管T1，T1截止，电阻器R3上拉的集电极电压为高电平，PMOS管T2截止。NMOS管T3由电阻器R1正偏置获得栅极电压而导通，C1上的电荷经L1、R5、T3的漏源极、地、D1及N2回路放电。

其中，L1与C1组成带通滤波电路2，以串联谐振形式“选定”中心频率得以通过N2绕组中电流近似为正弦波形式。

如图4所示，来自网络的FSK信号经C0低频隔离，加载于高频变压器T1的初级N1绕组，次级绕组N2感应出FSK信号，通过带通滤波电路2选频后，传递到放大整形电路6。

电阻器R6与电容器C2组成一级高于带宽中心频率的高频滤波电路，消除网络线路的高频噪音。电容器C3与电感器L3组成串联谐振电路，电容器C4与电感器L4组成并联谐振电路，两级谐振电路，组成带通滤波电路2，以确保较窄的频率信号带宽。

电阻器R7与R8提供三极管T4基极偏置电压，电阻器R10为T4发射极反馈电阻，以提高T4工作点的稳定性，电阻器R9为T4的集电极负载电阻。滤波后的FSK信号，经电容器C5耦合、T4放大后，从T4集电极输出经电容器C6耦合到能隙比较器T5(TL431)。

T5的比较基准端接电阻器R11下拉，以防止T5自由翻转。由T4放大后信号大于T5基准电压时，T5导通，小于T5基准时，T5截止。既消除了来自网络或前级放大电路的噪声，又提取了FSK信号。

阻器R12为T5的上拉电阻。T5截止时，三极管T6由电阻器R12与R13提供基极偏置电流而导通；T5导通时，T6无基极偏置电压截止。电阻器R14为T6的集电极负载电阻。即，T5与T6联合组成整形电路，对FSK信号作整形后，传送给单片机。

如图5所示，EMC电路用抑制电源网络噪声，经全桥整流桥B1整流，获得全波电压，经电源电路稳压为VFP(9V左右)，VCC(3.3V、5V)。全波电压经过电阻器RZ1限流，向光电耦合器O1的初级提供电流，O1输出方的高端接VCC，低端接有电阻器RZ2及消除高频干扰的电容器CZ1。当电网电压小于某一值时，O1的初级无光电流产生，O1的次级截止，ZO信号为低电平；反之，当电网电压大于某一值时，O1的初级产生光电流，O1的次级导通，ZO信号为高电平。此信号即为电网电压的过零时刻信号。此信号连接到单片机的ZO端，为过零点收发FSK信号，提供参考时标。

Claims (7)

1.一种FSK中继器，其特征在于包括耦合电路、带通滤波电路、驱动放大电路、单片机系统、带通滤波器、放大整形电路、RS485接口、RS232接口。

2.根据权利要求1所述的一种FSK中继器，其特征在于所述的耦合电路的高压侧两端与电网两端相连，所述的耦合电路的低压侧两端的一端分别与带通滤波电路、带通滤波器相连，所述的耦合电路的低压侧两端的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种FSK中继器，其特征在于所述的带通滤波电路的输出端与耦合电路的低压侧两端的一端相连，所述的带通滤波电路的输入端是驱动放大电路相连。

4.根据权利要求1所述的一种FSK中继器，其特征在于所述的驱动放大电路的输出端与带通滤波电路相连，所述的驱动放大电路的输入端是单片机系统相连。

5.根据权利要求1所述的一种FSK中继器，其特征在于所述的单片机系统的输出端与驱动放大电路的输入端相连；所述的单片机系统的输入端连接有放大整形电路；所述的单片机系统与RS485接口和RS232相连。

6.根据权利要求5所述的一种FSK中继器，其特征在于所述的放大整形电路的输出端与单片机系统的输入端相连，所述的放大整形电路的输入端与带通滤波器相连，所述的带通滤波器的输出端与放大整形电路相连，所述的带通滤波器输入端与耦合电路的低压侧两端的一端相连。

7.根据权利要求1所述的一种FSK中继器，其特征在于所述的耦合电路、带通滤波电路、带通滤波器、驱动放大电路、放大整形电路由分离元件构成。