一種低壓電力線擴頻通信數據鏈路層協議的製作方法
2023-09-12 20:19:45 1
專利名稱：一種低壓電力線擴頻通信數據鏈路層協議的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，適用於採用載波系列 晶片的載波集中器與載波數據採集/處理單元之間的主-從結構的半雙工通信，也可適用 於其它低速(< IKbps)主-從結構的半雙工低壓電力線擴頻通信中。
背景技術：
低壓電力線載波通信是指利用已有的低壓配電網作為傳輸媒介、實現數據傳遞和 信息交換的技術，主要應用於遠距離電力調度通信、遠動信息傳輸、繼電保護、工業自動控 制系統、智能抄表管理系統、家用電器系統及計算機終端接口等場合。低壓電力線載波通信 中數據鏈路層的主要功能是在多個站點共享同一物理信道的情況下合理地在要求通信的 站點間分配和管理信道；保證站點之間無差錯地數據通信。因此合理地規劃數據鏈路層協 議，有利於提高通信的效率。
發明內容
本發明的目的在於提供一種低壓電力線載波通信的數據鏈路層協議。該協議採用 主站時標同步，從站載波監聽，分時主動發送的機制，改變了傳統主_從結構半雙工通信主 機輪詢、從機應答的模式。該協議不影響低壓電力線載波通信的可靠性、穩定性，但提高了 電力線載波通信的效率。為達到上述目的，本發明的構思如下低壓電力線載波通信網絡採用主從結構，網 絡中只有一個主站(載波集中器或其它數據終端)，N個從站(載波數據採集與處理單元)。 通信只發生在主站和從站之間，從站相互之間不能進行通信。主站和每個從站均有唯一的 地址編碼。所有數據包的傳輸採用幀同步格式。根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於協議採用主站時標 同步，從站載波監聽，分時主動發送的機制；主站與從站之間的通信包括以下步驟a)主站發送一個「時標同步信號」幀；b)從站監聽到主站發送的時標同步信號，計算本站允許發送的時間段，啟動本站 的定時器；c)本從站允許發送的時間段到，並之前未監聽到網絡上有信息傳送，在本從站允 許發送的時間段可發送或不發送從站主動上傳信息幀，關閉本站的定時器，等待a)的步驟 再次出現；d)本從站允許發送的時間段到，但之前監聽到網絡上有信息傳送，關閉本站的定 時器，不發送任何信息，等待a)的步驟再次出現；e)主站在接收到從站發出的主動上傳信息幀，給予應答。隨後主站可發送命令幀 或返回步驟a)
f)從站在接收到主站發出的命令幀，給予應答。隨後等待a)的步驟再次出現；g)主站在本網絡N個從站允許發送時間段全部到達之後，返回步驟a)。數據的傳送總是由主站發起，主站發送一個「時標同步信號」幀告知網絡中的所有 從站目前網絡空閒；從站採用網絡監聽/分時發送的機制，當監聽到主站發送一個「時標同 步信號」幀，則啟動自己的定時器，並根據各自的地址計算出從「時標同步信號」幀起到本站 發送的延時時間；若定時器延時時間到，同時從站未監聽到網絡上從主站發送「時標同步信 號」幀後有其他的幀信號，則向主站發送本從站的信息(幀)。若從站在定時器延時時間到 之前，監聽到網絡上在主站發送「時標同步信號」幀後已有其他的幀信號，則認為網絡忙，即 使定時器延時時間到，也不發送本站的信息，必須等下一次主站發送「時標同步信號」重新 啟動數據通信。主站在收到從站發送的信息後，必須予以確認，並且緊接著發送「時標同步 信號」幀，告知網絡中的所有從站上一次數據通信結束，新的數據通信啟動。幀格式由幀同步頭、幀類型碼、目標地址/源地址、長度、命令、數據、校驗和7部分 組成。每部分由若干個字節組成。每字節為8bit 二進位碼，採用高位在前，低位在後的同 步傳輸方式。幀格式見說明書附圖表1。幀格式中每部分的定義如下1、幀同步頭8 字節(Oxff，Oxff，Oxff，Oxff，Oxff，Oxff，0x09，Oxaf)，用於載波芯 片捕獲和跟蹤接收到的擴頻信號。2、幀類型碼1位元組，表徵目前網絡上信息的性質，見說明書附圖表2。網絡上傳遞的信息可分為六類a)主站發時標同步信號，幀類型碼為OxeOb)主站發廣播信息，幀類型碼為0x80C)主站向從站發命令，幀類型碼為OxbOd)主站應答從站，幀類型碼為OxcOe)從站主動上傳信息，幀類型碼為0x30f)從站應答主站，幀類型碼為0x203、目標地址/源地址1位元組，主站地址0xfc ；從站地址0x01-Oxf8 (最多248個 從站)；廣播地址0xff ；其他保留。當主站向從站發命令或對主站應答從站時為接收該 命令的從站的地址(目標地址)，當從站主動上傳信息或從站應答主站時為從設備的地址 (源地址)。當幀類型碼為OxeO (主站發時標同步信號)時，目標地址/源地址為從站起始 地址。4、長度1位元組，表示了後續數據(命令、數據、校驗和)的長度。當幀類型碼為 OxeO (主站發時標同步信號)時，長度等於0。5、命令1位元組，用戶定義。當幀類型碼為OxeO (主站發時標同步信號)時，命令 部分無。6、數據n字節，隨命令而不一樣，用戶定義。當幀類型碼為OxeO (主站發時標同 步信號)時，數據部分無。7、校驗和1位元組，從幀類型碼到數據的所有數據包內容的二進位和，再異或 0xa5。
當主站發時標同步信號(幀類型碼為OxeO)或主站發廣播信息(幀類型碼為 0x80)，不需要從站應答。不同幀類型碼的幀格式見說明書附圖表3。上述的數據鏈路層協議中，幀類型碼定義了在網絡中通信的數據的類型，共六種， 分別為主站發時標同步信號幀、主站發廣播信息幀、主站向從站發命令幀、從站主動上傳 信息幀、主站應答從站幀和從站應答主站幀。幀類型碼為1位元組二進位碼，緊跟著幀同步頭 後發送。除了主站發時標同步信號幀外，其它幀都由幀同步頭、幀類型碼、目標地址/源地 址、長度、命令、數據、校驗和等七部分組成。上述的數據鏈路層協議中，「主站發時標同步信號」幀不同於其它幀格式，它是一 個短幀，僅由幀同步頭、幀類型碼(OxeO)、從站起始地址(OxOO-Oxf7)、長度(0x00)、校驗和 等五部分組成。上述的數據鏈路層協議中本站允許發送時間段的計算可定義為本站允許發送時間段開始於本站地址減去「時標同步信號」幀中的從站起始地 址，再乘以72位位發送時間；本站允許發送時間段終止於本站地址減去「時標同步信號」幀中的從站起始地 址，再乘以96位位發送時間。具體描述為每次網絡內的通信由主站發送時標同步信號(幀類型碼為OxeO)開始。主站發送 的時標同步信號幀中的目標地址/源地址定義為從站起始地址(XO)。從站採用網絡監聽/分時發送的機制，當監聽到主站發送一個「時標同步信號」 幀，則啟動自己的定時器，並根據各自的地址計算出從「時標同步信號」幀起到本站允許發 送時間段。本站允許發送開始時間(Tn)=(從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X延時時 間 1 (T72)其中T72= 9X8XTb = 9X8X (1/Fb) = 72 位位發送時間上式中Fb為網絡內的數據傳輸速率，單位為bps ；Tb為每個bit的發送時間。由 於每字節為8bit 二進位碼，每個數據幀從開始傳送到幀類型碼需要9個字節，因此將延時 時間1定義為傳送72個位所需的時間。本站允許發送終止時間(Te)=(從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X延時時 間 2 (T96)其中=T96= 12X8XTb = 12X8X (1/Fb) = 96 位位發送時間上式中Fb為網絡內的數據傳輸速率，單位為bps ；Tb為每個bit的發送時間。由 於每字節為8bit 二進位碼，每個數據幀從開始傳送到幀類型碼需要9個字節，再考慮到處 理數據的時間，因此將單位延時時間定義為傳送96個位所需的時間。上述的數據鏈路層協議中從站監聽到網絡上有信息傳送的定義為從站監聽到網絡上有幀同步頭信息且後跟幀類型碼不是主站發送的時標同步信 肩、ο具體描述為網絡內的從站監聽網絡的狀態，從站監聽到主站發送的時標同步信 號，以及時標同步信號幀中的從站起始地址，則啟動自己的定時器，並根據各自的地址計算出從「時標同步信號」幀起到本站允許發送時間段；若在本站允許發送時間段到達之前，監聽到網絡上有幀同步頭信息且後跟幀類型 碼不是主站發送的時標同步信息，則認為網絡上有信息傳送——網絡忙；以後若本站允許 發送時間段到，亦不發送本站信息(幀)，必須等待再次監聽到主站發送的時標同步信號的 發生——網絡空閒。上述的數據鏈路層協議中從站發送或不發送從站主動上傳信息幀的方法為從站有信息要上傳給主站，發送從站主動上傳信息幀；從站無信息要上傳給主站， 可不發送從站主動上傳信息幀。具體描述為網絡內的從站監聽網絡的狀態，從站監聽到主站發送的時標同步信 號，以及時標同步信號幀中的從站起始地址，則啟動自己的定時器，並根據各自的地址計算 出從「時標同步信號」幀起到本站允許發送時間段；若在本站允許發送時間段到，但之前從未監聽到網絡上有幀同步頭信息且任何幀 類型碼信息，則認為網絡空閒。若這時本站有信息要發送給主站，則發送從站主動上傳信息 幀；若本站沒有信息要發送給主站，則可不發送任何信息(幀)，即不發送從站主動上傳信 息幀。上述的數據鏈路層協議中主站發送一個「時標同步信號」幀到發送下一個「時標同 步信號」幀的方法為主站發送一個「時標同步信號」幀後，接收到從站發出的主動上傳信息幀，給予應 答。隨後主站可發送下一個「時標同步信號」幀；網絡有N個從站，主站發送「時標同步信號」幀後，到達結束時間(結束時間為N 減去「時標同步信號」幀中的從站起始地址，再乘以96位位發送時間)，主站可發送下一個 「時標同步信號」幀。其結束時間可具體描述為 結束時間Ts =(從站地址N-從站起始地址(XO)) X延時時間2 (T96)其中T96= 12X8XTb = 12X8X (1/Fb) = 96 位位發送時間上式中Fb為網絡內的數據傳輸速率，單位為bps ；Tb為每個bit的發送時間。上述的數據鏈路層協議中，「時標同步信號」幀中的「從站起始地址」可定義為下一 個可直接發送「從站主動上傳信息幀」的從站地址-1。具體描述為主站發的「時標同步信號」幀中包含「從站起始地址」，範圍從0x00-0xf7。下一個 可直接發送「從站主動上傳信息幀」的從站地址=「時標同步信號」幀中的「從站起始地址 (OxOO-OxfT)+1 = 0x01-0xf8o網絡最多可設置248個從站(OxOl-OxfS)；最大的從站地址為OxfS ( = N)；上述的 結束時間最長=248 (0xf8) X 96位位發送時間。本發明與其他現有低壓電力線載波通信數據鏈路層協議相比較，具有如下的突出 特點和顯著優點本發明通過採用主站時標同步；從站載波監聽、分時主動發送的機制，提 高了網絡通訊的實時性。只要網絡空閒，從站分時發送時間到，即可主動發送信息給主站； 而網絡從忙到空閒的轉換以及時間同步信號的發布均由主站通過發布同步時標幀來實現， 網絡管理簡便。本發明適用於採用載波系列晶片的載波集中器(主站)與載波數據採集、處理單元(從站)之間的主_從結構的半雙工通信，也可適用於其它低速(< IKbps)主-從 結構的半雙工低壓電力線擴頻通信中。
圖1是主、從站在數據通信時網絡上的狀態示意圖。圖2是主站在無從站發信息情況下的狀態示意圖。
具體實施例方式本發明的一個優選實施例結合附圖詳述如下本發明提供的低壓電力線載波通信 的數據鏈路層協議採用主站時標同步，從站載波監聽、分時主動發送的機制。其主從站之間 的通信過程如下(見圖1)a)在、時段，主站發送一個「時標同步信號」幀，且從站起始地址為0x00 ；b)各從站監聽到主站發送的時標同步信號，計算本站允許發送的時間段，啟動本 站的定時器；1號從站允許發送的時間段=(從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X 72位位發 送時間 (從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X96位位發送時間=1X72位位發送時 間 1X96位位發送時間；2號從站允許發送的時間段=(從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X 72位位發 送時間 (從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X96位位發送時間=2X72位位發送時 間 2X96位位發送時間；3號從站允許發送的時間段=(從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X 72位位發 送時間 (從站地址(Xn)-從站起始地址(XO)) X96位位發送時間=3X72位位發送時 間 3X96位位發送時間；依次類推。c)到t2( =、+Τ72)時段，1號從站未監聽到網絡上有信息傳送，滿足發送條件，但 無信息需要向主站發送，因此不發送從站主動上傳信息幀。到t3( = t2+T72 = t1+2XT72)時段，2號從站未監聽到網絡上有信息傳送，滿足發 送條件，且有信息需要向主站發送，則發送從站主動上傳信息幀，這時網絡忙。d)t4( = t3+T72 =、+3ΧΤ72)時段，3號從站允許發送的時間段到，但由於此前監聽 到網絡上有信息傳送(2號從站發送從站主動上傳信息幀)——網絡忙，3號從站不滿足發 送條件，不發送信息。關閉本站的定時器，等待a)的步驟再次出現；e)t5時段，主站在接收到從站發出的主動上傳信息幀，給予應答。隨後在t6時段 主站可返回步驟a)[曲線①]或發送命令幀；若主站返回步驟a)，再次發送一個「時標同步信號」幀，從站起始地址為0x03，下 一個可直接發送「從站主動上傳信息幀」的從站地址為0x04 ；f)t7時段，從站在接收到主站發出的命令幀，給予應答。隨後等待a)的步驟再次 出現；主站在收到從站的應答後，在、時段返回步驟a)[曲線②]；若主站返回步驟a)，再次發送一個「時標同步信號」幀，從站起始地址為0x03，下 一個可直接發送「從站主動上傳信息幀」的從站地址為0x04 ；
g)若一個網絡中有N個從站(見圖2)，在、時段，主站發送一個「時標同步信號」 幀，且從站起始地址為0x00 ；—直到ts( =、+ΝΧΤ72)時段，無任何從站在規定發送的時段 主動向主站發送信息，既本網絡N個從站允許發送時間段全部到達之後，主站則返回步驟 a)再次發送時標同步信號，從站起始地址仍為0x00。上述的幀格式如表1所示，幀類型碼如表2所示，不同幀類型碼的幀格式如表3所不。表 權利要求
一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於協議採用主站時標同步，從站載波監聽，分時主動發送的機制；主站與從站之間的通信包括以下步驟a)主站發送一個時標同步信號幀；b)從站監聽到主站發送的時標同步信號，計算本站允許發送的時間段，啟動本站的定時器；c)本從站允許發送的時間段到，並之前未監聽到網絡上有信息傳送，在本從站允許發送的時間段可發送或不發送從站主動上傳信息幀，關閉本站的定時器，等待a)的步驟再次出現；d)本從站允許發送的時間段到，但之前監聽到網絡上有信息傳送，關閉本站的定時器，不發送任何信息，等待a)的步驟再次出現；e)主站在接收到從站發出的主動上傳信息幀，給予應答；隨後主站可發送命令幀或返回步驟a)；f)從站在接收到主站發出的命令幀，給予應答；隨後等待a)的步驟再次出現；g)主站在本網絡N個從站允許發送時間段全部到達之後，返回步驟a)。
2.如權利要求1所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於幀 格式由幀同步頭、幀類型碼、目標地址/源地址、長度、命令、數據及校驗和七部分組成；每 部分由若干個字節組成，每字節為8bit 二進位碼，採用高位在前，低位在後的同步傳輸方 式。
3.如權利要求2所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於幀 格式中的幀類型碼定義了在網絡中通信的數據的類型共六種，分別為主站發時標同步 信號幀、主站發廣播信息幀、主站向從站發命令幀、從站主動上傳信息幀、主站應答從站幀 和從站應答主站幀；幀類型碼為1位元組二進位碼，緊跟著幀同步頭後發送。
4.如權利要求1所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於所 述步驟a)的時標同步信號幀不同於權利要求2所述的其它幀格式，該時標同步信號幀是一個 短幀，由幀同步頭、幀類型碼(OxeO)、從站起始地址(OxOO-Oxf7)、長度(0x00)及校驗和組 成。
5.如權利要求1所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於所 述步驟b)的本站允許發送時間段的計算開始於本站地址減去時標同步信號幀中的從站起始地址，再乘以72位位發送時間；終止於本站地址減去時標同步信號幀中的從站起始地址，再乘以96位位發送時間。
6.如權利要求1所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於所 述步驟c)的從站監聽到網絡上有信息傳送的定義從站監聽到網絡上有幀同步頭信息且後 跟幀類型碼不是主站發送的時標同步信息。
7.如權利要求1所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於所 述步驟d)的從站發送或不發送從站主動上傳信息幀的方法從站有信息要上傳給主站，發送 從站主動上傳信息幀；從站無信息要上傳給主站，可不發送從站主動上傳信息幀。
8.如權利要求1所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於主 站發送一個時標同步信號幀到發送下一個時標同步信號幀的方法為主站發送一個時標同 步信號幀後，接收到從站發出的主動上傳信息幀，給予應答，隨後主站可發送下一個時標同 步信號幀；網絡有N個從站，主站發送「時標同步信號」巾貞後，到達結束時間，該結束時間為N 減去時標同步信號幀中的從站起始地址，再乘以96位位發送時間，主站可發送下一個時標 同步信號幀。
9.如權利要求4所述的一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議，其特徵在於時 標同步信號幀中的從站起始地址其定義為下一個可直接發送從站主動上傳信息幀的從站 地址-1。
全文摘要
本發明涉及一種低壓電力線擴頻通信中的數據鏈路層協議。該低壓電力線載波通信網絡由一個主站與N個從站組成。主站和每個從站均有唯一的地址編碼。所有數據包的傳輸採用幀同步格式。數據鏈路層採用主站時標同步，從站載波監聽，分時主動發送的機制，幀格式由幀同步頭、幀類型碼、目標地址/源地址、長度、命令、數據、校驗和等7部分組成。適用於採用載波系列晶片的載波集中器與載波數據採集、處理單元之間的主-從結構的半雙工通信，也可適用於其它低速主-從結構的半雙工低壓電力線擴頻通信中。
文檔編號H04L27/26GK101938518SQ20101027329
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者張旭斐, 徐永晉, 方圓, 王健, 王舒憬, 秦霆稿, 管武, 邵勇, 高守瑋 申請人:上海大學;上海星鳴電子科技有限公司