一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置的製作方法

2023-05-17 23:05:51 2

專利名稱：一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過電力線傳輸音頻信號、並對音頻信號的存取和播放進行控制的系統，並尤其涉及一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置。
背景技術：
隨著生活的提高，人們對於音樂的愛好漸漸成為生活中不可缺少的一部分，在家裡、在酒店、在其他公共場所，不僅希望隨時隨地聽到音樂，還希望能夠方便的享受到自己
喜愛的音樂。目前樓宇音頻系統有採用音頻線連接方案的，也有採用無線射頻方案的。它們都有各自的缺陷:採用音頻線連接方案在實際布置時要重新拉很長的連線，還要外接附屬的電源適配器，一旦變換位置，又要重新布置，十分不便。基於WIFI等射頻方式的無線射頻方案一方面存在射頻輻射，另一方面穿牆能力比較弱，不能覆蓋到每一個角落。在信號傳輸領域中，已經有利用電力線進行數據傳輸的技術，例如CN101707571A。使用電力線的優點是可以解決重新拉線的問題，並且其沒有無線通信技術中的延遲，無死角覆蓋，無射頻輻射，等等。但目前該技術還沒有被用於樓宇音頻傳輸系統中，所以未能解決音頻系統中重新布線的問題。原因是需要解決程控系統、方法以及設備等各方面的技術問題。

發明內容
本發明針對上述背景技術中存在的技術問題，提出一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置。本發明解決的技術問題包括:在住宅或辦公建築等需要播放音頻數據的場所，充分利用已有的電力線來傳輸音頻信號，並且實現音頻的遠程存取和播放。本發明的技術方案如下:
一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置，該裝置包括模擬前端調製解調晶片、數字後端處理晶片、電力線載波變壓器；在數據接收時，所述模擬前端調製解調晶片將數據信號從電力線上解調出來，然後傳遞到所述數字後端晶片處理，最後通過MII 口發送給中央處理模塊解析；在數據發送時，中央處理模塊將數據通過MII 口發送給所述數字後端晶片處理，然後傳遞給所述模擬前端晶片調製到電力線上；數據信號的調製解調是通過所述電力線載波變壓器耦合到電力線上的。其中，所述數位訊號是音頻或視頻數位訊號。其中，所述高速電力載波裝置集成於音源伺服器。其中，所述高速電力載波裝置集成於播放終端。其中，所述中央處理模塊的處理晶片和所述高速電力載波模塊的所述數字後端晶片直接通過MII接口連接。其中，所述高速電力載波模塊工作在Mil PHY模式。
其中，高速電力載波模塊與ACDC電源模塊交匯。其中，所述高速電力載波模塊與所述電源模塊通過隔離電感進行隔離。其中，在信號端和電源端的零線和火線上各加一個IOuH到IOOuH的電感。本發明的有益效果在於:
採用本發明的中央音源伺服器，可以將設備供電、設備通信集成在一起，用戶可以在家庭任何一個電線到達的地方播放自己喜歡的音樂，可以外置也可以內置，解決了傳統冗餘繁雜的接線難題；同時，也能實現燈光控制、各終端之間相互訪問和語音對講的功能。本發明系統採用電力載波傳輸，傳輸的是音頻數據文件，數據通過TCP方式可靠傳輸，丟失後會自動重傳，保證音頻數據文件準確傳到對端，相比於傳統的模擬信號傳輸方式，由於不存在傳輸時信號衰減失真的問題，播放質量高。本發明音源伺服器和播放終端尺寸小，節省空間，並且方便連接和嵌入到其它電力設備；並降低成本。本發明遙控設備電路簡單，節省一對紅外收發晶片及其周邊附屬器件，減少成本。


圖1是本發明實施例的系統連接示意圖。圖2是本發明實施例的音源伺服器原理示意圖。圖3是本發明實施例的房間播放終端原理示意圖。圖4是本發明實施例的ACDC模塊與高速電力模塊在電力線端交匯時的連接方式。圖5是本發明實施例的A⑶C原理示意圖。圖6是本發明實施例的智能遙控終端原理示意圖。圖7是本發明實施例的軟體系統層級結構圖。圖8是本發明實施例的UART接收紅外數據的軟體流程圖。圖9是本發明實施例的伺服器工作流程圖。圖10是本發明實施例的播放終端工作流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明實施例進行詳細描述，以使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚，明確。此處所描述的具體實施例僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖1所示，一種基於電力線的音頻遠程存取和播放系統，系統利用已有的電力線，集系統供電與通信於一體。該系統包括電力線、一個音源伺服器、多個房間播放終端、多個智能遙控設備。電力線包括一條零線和一條火線。音源伺服器和房間播放終端都是通過兩腳插頭連接到電力線的兩條線上，由此，播放終端能夠通過電力線與音源伺服器相連接進行通信。所述遙控設備對播放終端進行控制。音源伺服器包括ACDC電源模塊、中央處理模塊、存儲模塊、高速電力載波模塊、交互模塊。各模塊連接方式如圖2所示，其中ACDC電源模塊負責將交流電轉化成直流電，提供給其他幾個模塊使用；中央處理模塊是音源伺服器的核心，負責調度整個音源伺服器的工作，存儲模塊、高速電力載波模塊和交互模塊都是其的附屬模塊，存儲模塊是用於存放音源文件的存儲設備，高速電力載波模塊負責解析電力線上的數據或把數據耦合到電力線上，交互模塊用於接受用戶控制信息並顯示音源伺服器狀態信息；所述音源伺服器響應所述播放終端的請求，發送音頻數據給播放終端、或從音源伺服器接受音頻數據。音源伺服器的ACDC電源模塊採用反激式電源開關電路，開關電路結構如圖5所示，輸入85V-265V交流電，標準輸入220V交流，通過整流橋輸入整流，經高頻變壓器變壓，再經輸出高頻濾波，變成直流電，輔助反饋電路達到直流穩定輸出。高頻變壓器設一個初級輸入端和一個次級輸出端，實現電路單路輸出直流11.4V，交流電通過電源模塊的高頻變壓器裝置其電路通過ACDC轉換後單路輸出直流11.4V，再由11.4V降壓到3.3V給整個電路供電，總輸出功率5W。ACDC模塊採用基準穩壓器和隔離光電耦合器組成的隔離反饋電路，通過穩定的基準輸出保證11.4V穩定輸出。音源伺服器的中央處理模塊採用CorteX-M3 ARM處理器來處理整個電路的數據，控制其他模塊工作。音源伺服器的存儲模塊是存放音頻文件的模塊，例如可以是TF卡、U盤等。中央處理模塊利用中央處理晶片外圍接口去讀取存儲模塊獲取音頻數據。中央處理模塊還可以通過擴展的RJ45 口連接到外部乙太網，獲取指定網址上音頻文件。音源伺服器的高速電力載波模塊由模擬前端調製解調晶片和數字後端處理晶片組成。在數據接收時模擬前端調製解調晶片負責將數據信號從電力線上解調出來然後傳遞到數字後端晶片處理，最後通過MII 口發送給中央處理模塊解析；在數據發送時，中央處理單元將數據通過MII 口發送給數字後端晶片處理，然後傳遞給模擬前端晶片調製到電力線上。數據信號的調製解調是通過電力線載波變壓器耦合到電力線上的。中央處理模塊的處理晶片和高速電力載波模塊的數字後端晶片直接通過MII接口連接，中央處理模塊工作在Mil MAC模式，高速電力載波模塊工作在Mil PHY模式。這種工作模式與傳統電力貓的RJ45連接方式相比，省去了兩套PHY，兩套網絡變壓器和兩個RJ45 口以及周邊附屬器件。音源伺服器的高速電力載波模塊和ACDC電源模塊在設備的末端交匯，連接關係如圖4所示。ACDC模塊工作時產生的高頻噪聲信號耦合到電力線上，同高速電力載波模塊傳輸的數據信號疊加，直接影響數據傳輸的準確性，同時在電源輸入端為防止浪湧損壞器件，需要接安規電容，這種電容的容性會導致耦合到電力線的通信信號變形，帶來整個傳輸線路帶寬下降，所以在交匯末端兩個模塊通過隔離電感L1、L2進行隔離，即在信號端和電源端的零線和火線上各加一個IOuH到IOOuH的電感，隔離掉ACDC模塊產生的噪聲和安規電容對電力線上數據的影響。音源伺服器的交互模塊採用八鍵電容式觸摸晶片。所述交互模塊還可以包括觸摸按鍵和LCM液晶顯示屏，以方便用戶直接對音源伺服器控制而不是通過遙控設備來控制。如圖3所示，播放終端包括ACDC電源模塊、中央處理模塊、高速電力載波模塊、音頻編解碼模塊、紅外收發模塊、音頻輸入模塊、功放模塊和喇叭，也可以選擇性地包括設備控制模塊。其中ACDC模塊、中央處理模塊、高速電力載波模塊功能及使用方式同音源伺服器一致，音頻編解碼模塊、設備控制模塊、紅外收發模塊也是中央處理模塊的附屬模塊，音頻編解碼模塊主要負責音頻數據的編碼和解碼，它還有兩個附屬模塊:功放模塊和音頻輸入，功放模塊負責將音頻解碼後的聲音信號放大驅動喇機播放，音頻輸入模塊可以外接麥克風，對講的語音信號進入音頻編解碼模塊進行編碼傳輸到另一端並且可以輸出到音源伺服器保存。設備控制模塊可以控制嵌入播放終端的設備如插座、燈具等的電源。播放終端的A⑶C電源模塊採用反激式電源開關電路，工作原理同伺服器端A⑶C模塊一樣，不同的是高頻變壓器設一個初級輸入端和兩個次級輸出端，實現電路雙路輸出直流11.4V和3.3V，總輸出功率12W，隔離反饋電路設為3.3V 一路，保證3.3V穩定輸出，
11.4V 一路是跟隨輸出端，其實際輸出電壓隨著負載變化波動很大，在本終端中11.4V 一路為模擬前端晶片和功放晶片提供電源，隨著工作模式的不同，負載變化就會很大。為保證輸出穩定，在變壓器次級輸出端各預留一個nH級電感，用於調整次級漏感，達到減少11.4V輸出端誤差的目的。播放終端的中央處理模塊也採用Cortex_M3 ARM處理器來處理整個電路的數據，控制其他模塊工作。播放終端的音頻編解碼模塊通過SPI接口同中央處理模塊相連，主要負責音頻數據的編碼和解碼，可以解碼MP3、WAV等格式的音頻文件，音頻編解碼模塊它還有兩個附屬模塊:功放模塊和音頻輸入，功放模塊負責將音頻解碼後的聲音信號放大驅動喇機播放，該功放可驅動4、8歐的喇叭，功率6W以上。音頻輸入模塊可以外接麥克風，對講的語音信號進入音頻編解碼模塊進行編碼傳輸到另一端並且可以輸出到音源伺服器保存。選擇性包括的燈光控制模塊是當播放終端與燈連接時，用於控制燈光。其採用固態繼電器，該固態繼電器內部米用可控娃用電子切換，工作時不會產生電火花，使用壽命長。紅外收發模塊利用中央處理晶片模擬實現，UART_RX接收紅外數據，波特率為9600，UART_TX發送紅外數據，波特率為115200。如圖6所示，智能遙控設備是控制房間播放終端的輔助設備，主要作用是用於人機互動，用於發送控制命令和顯示播放信息。其主要由MCU處理模塊、液晶顯示模塊、紅外收發模塊組成。MCU選用AVR Megal6，紅外收發通過MCU UART模擬實現，UART_RX接收紅外數據，波特率為9600，UART_TX發送紅外數據，波特率為115200，接收到播放信息後驅動液晶顯示模塊LCMl2864顯示。如圖7所示，本發明基於電力線的音頻遠程存取和播放系統採用RT-Thread RTOS開發，利用該系統的文件系統和TCP/IP協議棧完成文件的讀取和傳輸功能。該作業系統包括:用來驅動底層硬體的底層硬體驅動程序模塊；和CPU和電路板相關的板級支持包；覆蓋全搶佔式的實時作業系統內核模塊；與底層具體實現無關的上層應用模塊。底層硬體包括CPU、SRAM、UART等常用硬體模塊，板級支持包涉及到不同硬體的軟體驅動，內核包括設備驅動、時鐘管理、線程通信、進程管理等處理。上層應用模塊包括TCP/IP協議棧、以及多窗口多線程圖形用戶界面、音源伺服器程序模塊、播放終端程序模塊。其中，音源伺服器程序模塊是主機程序模塊，是從FAT文件系統的TF卡中讀取音頻文件數據，通過STM32F107的MII接口將數據傳輸到AR7400，發送到尋址的從機。該主機程序模塊建立UDP伺服器，通過UDP方式將音頻文件數據傳輸到從機。音源伺服器程序模塊的主要設計思路如下:
1.初始化文件系統和TCP/IP協議棧。
2.使用UDP方式建立UDP伺服器，針對每一個客戶播放終端建立一個伺服器線程。3.搜索TF卡、U盤音頻目錄下的所有音頻文件，並編號和記錄文件名。4.初始化與客戶播放終端的命令交互協議。5.等待客戶客戶播放終端發送獲取音頻數據請求。播放終端程序模塊是從機程序模塊，其建立UDP的客戶機，同時根據用戶的遙控控制來給主機發送請求，從而獲得主機傳輸來的音頻文件數據。從機收到音頻文件數據後，緩存一包數據，然後通過SPI接口傳送到音頻解碼晶片，由解碼晶片恢復出音頻。房間播放終端的主要設計思路如下:
1.初始化TCP/IP協議棧。2.使用UDP方式建立UDP客戶機，針對伺服器建立一個客戶機進程。3.初始化音頻編解碼晶片VS1003。4.初始化與伺服器端的命令交互協議。5.等待用戶的操作命令。主機和從機都支持命令行配置方式，可以通過板上的調試串口進行操作，一些主要功能均有命令行的支持，方便調試。本發明的伺服器處理播放終端請求信息，其流程控制如圖9所示。上電完成初始化後，開啟UDP伺服器提供DHCP服務，主機通過控制進程時間片不斷監聽電力線上有無新的播放終端加入或已有播放終端數據請求。一旦收到某播放終端信息，對信息進行解碼判斷，如果是已有播放終端的播放請求，則解析該播放終端的IP和具體指令信息，為該IP分配傳輸進程，進行傳輸；若果收到的是一個新的播放終端加入了電力線網絡，則為該播放終端分配一個空閒的IP並將這個IP廣播給電力線上的其它播放終端。本發明的播放終端流程控制如圖10所示。上電完成初始化後，給伺服器發送分配IP位址請求，接收主機分配一個空閒的IP，然後等待用戶或電力線上其它終端的命令請求；收到請求後解析請求內容，如果收到的是用戶的交換信息，則判定該信息是本地控制信息(如音量控制、設備電源控制)還是遠端請求信息(如從伺服器獲取音頻數據)，如果是本地控制信息則直接由本機中央處理單元進行處理，如果是遠端請求信息則向主機發送請求命令，等待接收主機連續幀音頻數據。在接收每幀數據過程中，如果數據校驗不正確則請求重發。在多終端的網絡中，同時可能存在多個播放請求，伺服器為每個終端分配傳輸進程，通過時間片去輪流傳輸，而不是等待一個傳輸播放完成再傳另一個，流程控制設定每個終端一個固定的512位元組Buffer，每接收完512位元組後傳給音頻編解碼模塊去解碼播放，同時讓伺服器傳輸下一幀。如果中間沒有別的請求命令打斷，這個傳輸進程一直進行下去。一旦收到別的播放終端對講請求,響應該請求,並建立傳輸連接,接收到的音頻數據進行解碼播放，如果應答則將音頻信號編碼傳輸到對端。本發明的播放終端和智能遙控的中央處理晶片本身都自帶UART 口，可以實現紅外數據的編解碼。發送數據時用UART TX來模擬38KHz載波，把串口設為115200的波特率，數據位是7 bit,無校驗位和I stop bit ,總共是9個bit,然後連續發送數值0x5B就可以得到38kHz，佔空比為2/3的載波。用一個PNP三極體來驅動，那送到紅外線發射二極體的就是佔空比為1/3的載波信號。發送完數據後把波特率改成9600，數據位改為SbitjlJ用UART RX中斷接收數據，接收數據的軟體處理流程如圖8所示，在收到一個完整的紅外遙控信號過程中，UART RX會不停的進入中斷，整個過程持續約108ms，並能採樣到33個以上的數據，所以在接收到第一個中斷後開啟定時器，定時110ms，在這麼長得時間內，如果能收到5個以上數據證明這是一個有效的紅外波形而不是幹擾。如果是有效的就去處理IlOms內接收到的所有數據，如果數據位O代表接收到了一個bit為I的遙控數據，如果數據位不為O則代表接收到一個bit為O的數據。然後將這些bit位組合起來就是接收到的紅外解碼值。本發明的基於電力線的音頻遠程存取和播放系統工作方式大體如下:音源伺服器用於存放大量音源文件，音頻編解碼工作在房間播放終端進行，用戶通過智能遙控終端查看音源伺服器的音源列表，選擇播放。為保證獲取數據的正確有效，整個系統通信採用TCP/IP協議，音頻伺服器端建立UDP服務，為所有在線的房間播放終端建立伺服器進程提供服務，每個進程對應一個播放終端的數據傳輸服務，房間播放終端識別用戶的遙控請求後，從音源伺服器獲取相應音源數據，將接收到數據進行解碼並經過功放模塊驅動內置的喇叭播放。應當理解的是，本領域技術人員利用普通技術知識和/或其它現有技術對本發明做出的替代和變型都不脫離本發明構思。
權利要求
1.一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置，該裝置包括模擬前端調製解調晶片、數字後端處理晶片、電力線載波變壓器；在數據接收時，所述模擬前端調製解調晶片將數據信號從電力線上解調出來，然後傳遞到所述數字後端晶片處理，最後通過MII 口發送給中央處理模塊解析；在數據發送時，中央處理模塊將數據通過MII 口發送給所述數字後端晶片處理，然後傳遞給所述模擬前端晶片調製到電力線上；數據信號的調製解調是通過所述電力線載波變壓器耦合到電力線上的。
2.根據權利要求1所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，所述數位訊號是音頻或視頻數位訊號。
3.根據權利要求1或2所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，所述高速電力載波裝置集成於音源伺服器。
4.根據權利要求1或2所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，所述高速電力載波裝置集成於播放終端。
5.根據權利要求1或2所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，所述中央處理模塊的處理晶片和所述高速電力載波模塊的所述數字後端晶片直接通過MII接口連接。
6.根據權利要求1或2所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，所述高速電力載波模塊工作在Mil PHY模式。
7.根據權利要求1一 2中任一所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，高速電力載波模塊與A⑶C電源模塊交匯。
8.根據權利要求7所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，所述高速電力載波模塊與所述電源模塊通過隔離電感進行隔離。
9.根據權利要求8所述的高速電力載波裝置，其特徵在於，在信號端和電源端的零線和火線上各加一個IOuH到IOOuH的電感。
全文摘要
一種用於傳輸數位訊號的高速電力載波裝置，包括模擬前端調製解調晶片、數字後端處理晶片、電力線載波變壓器；所述模擬前端調製解調晶片將數據信號從電力線上解調出來，然後傳遞到所述數字後端晶片處理，最後通過MII口發送給中央處理模塊解析；中央處理模塊將數據通過MII口發送給所述數字後端晶片處理，然後傳遞給所述模擬前端晶片調製到電力線上；數據信號的調製解調是通過所述電力線載波變壓器耦合到電力線上的。本發明可以利用場所現有的電力線來安裝系統，不需要重新布線，提高安裝效率，並且節省用戶成本。
文檔編號H04B3/54GK103199894SQ20131000732
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月9日 優先權日2013年1月9日
發明者徐文學, 楊國文 申請人:北京卓越信通電子股份有限公司