一种面向工程现场应用的直流载波通信的降噪方法

1.本发明属于通信传输技术领域，涉及一种面向工程现场应用的直流载波通信的降噪方法，具体涉及一种基于电力载波的施工及调试方法，通过设计检测装置及选择滤波器，灵活且低成本的在工程现场滤除现场总线电磁信号的干扰，提高系统通信的可靠性。


背景技术：

2.在工业控制领域中，逻辑可编程控制器(plc)是控制的核心单元，但是plc的io数量及驱动能力有限，所以少将plc与外部继电器及开关直接相连，而是通过一些底层的设备级总线，如asi总线，来解决最后一段的连接问题。以asi总线为例，该总线为一种直流载波的通信控制总线，它不仅通过电缆对设备供电，并且将电缆作为数据传输的物理通道，在不增加专用数据通信线的情况下实现了plc与底层设备间的组网。电力载波通常采用差分方式传输，总线在使用环境及布局布线方面均有较为严格的规定，而在实际应用中常常难以完全满足上述条件导致了电磁干扰会被耦合到传输电缆中，导致通信的失灵。当发生通信故障时，施工方需要尝试不同的策略，如增大专用电缆与电磁干扰源间的距离来抑制干扰。然而这些方法费事费力，显著增加了施工成本。虽然在技术上可以通过在专用总线合适位置加恰当的滤波器滤除耦合到总线上的电信号，但在实际应用中，工程现场的电磁干扰状况复杂，且难以建模。
3.目前，施工方可以借助一些专业非接触式分析仪器对总线周边的电磁干扰进行分析，但这些专业仪器价格昂贵且操作难度高，难以由非专业的施工人员操作。此外，即使测量出电磁场强，如何选择并且安装滤波器仍然是一个难以解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种面向工程现场应用的直流载波通信的降噪方法，具体包括：一种便携式检测装置的设计方法，检测装置与滤波器的匹配方式，以及去除电磁干扰的操作步骤。
5.1.便携式检测装置的设计方法
6.所述便携式检测装置包括穿刺试探针、以高速mcu器件为核心的最小计算机系统以及显示器件；
7.所述穿刺试探针以针刺方法穿透绝缘层，获取差分电平，在差分信号间串接2个等值的高精密电容，并将2个电容的中点作为虚拟地点。
8.所述便携式检测装置以高速处理器为内核，以2倍以上的通信信号频率通过adc模块对电源载波线进行采样，并且将2路采样信号分别存储在处理器的内存中。
9.所述高速处理器在一定时间窗口内对上述两路采样信号做加窗滤波，并进行离散傅里叶变换，将傅里叶变换后的两路频谱信号作为差分信号线的基本特征。然后滤除以通信信号fc为中心的频谱，剩余的即为电磁干扰产生的电信号的频谱特征。
10.所述高速处理器通过其ad模块读入载波线上干扰信号的频谱特征，由软件进行分
析并进行量化。
11.在0-4fc的范围内对两路电磁干扰信号的频谱特征n等分，并做直方图采样，将频谱转变为1
×
n的特征矢量。
12.将在正向与反向信号获取的电磁干扰的特征矢量求相关矩阵，矩阵中的元素为两路信号在不同频率上的协方差系数。
13.由高速处理器内嵌的特征计算方法代码计算协方差的特征值，将最大的3个特征值λi(i＝1,2,3)作为环境电磁干扰的特征描述，将结果送至显示器件显示，并用该特征指导滤波器的选择。
14.2.检测装置与滤波器的匹配
15.滤波器由共模电感、电感、电容和电阻组成。电感与电容的取值决定了滤波器的滤波频率与带宽。
16.通过计算滤波器的倒频谱特性，在0-4fc的范围内对倒频谱n等分，并做直方图采样，将频谱转变为1
×
n的特征矢量。将倒频谱特征矢量在不同频率上求自相关矩阵。
17.由处理器计算自相关矩阵的特征值，将最大的3个特征值λj(j＝1,2,3)作为滤波器的特征描述。
18.根据检测装置计算出的特征值λi(i＝1,2,3)，选择与之最接近的特征值λj(j＝1,2,3)所对应的滤波器。
19.3.去除电磁干扰的操作步骤
20.在工程应用中，电力载波的从站挂载在传输线上，沿传输线做总线连接。当发生电磁干扰时，通过主站了解通信出现故障的从站号，进一步确定从站所处的物理位置，即初步定位出干扰程度较为严重的地点。将便携式检测装置挂载在该位置的总线上，获取电磁干扰的模式信息，进而采用对应的模块串接在总线与从站之间，从而起到降低总线电磁干扰的效果。
21.本发明的有益效果在于：本发明提供了一种在工程现场检测并且抑制电磁干扰对总线通信影响的方式方法。该方法通过对总线的适应性滤波来提高系统的抗干扰能力，而无需对工程布局做重大调整，降低了工程造价，并能缩短施工周期。
附图说明
22.图1是本发明中便携式检测装置结构示意图。
23.图2是本发明中adc模块以2mhz频率对asi+信号进行采样，获得的采样信号s
+
的频谱图。
24.图3是本发明中滤波器的结构示意图。
具体实施方式
25.结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
26.实施例
27.1.便携式检测装置的设计方法
28.所述便携式检测装置包括穿刺试探针、以高速mcu器件为核心的最小计算机系统以及显示器件。
29.所述穿刺试探针以针刺方法穿透绝缘层，获取差分电平，在差分信号间串接2个等值的高精密电容，并将2个电容的中点作为虚拟地点。
30.所述便携式检测装置以高速处理器为内核，以2倍以上的通信信号频率通过adc模块对电源载波线进行采样，并且将2路采样信号分别存储在处理器的内存中。
31.所述高速处理器采用德州仪器公司的高速mcu，型号为tms320f28386d。该芯片主频为200mhz，带有338kb的存储器及24路adc。由该芯片构成检测装置的主体。
32.所述高速处理器中的adc模块用于对叠加在差分直流传输线上的电磁干扰进行采样。由于asi总线采用差分信号，没有地信号，将等值电容c1与c2串联后，跨接在差分直流电缆asi+与asi-之间，c1与c2的中点被视为虚拟地点接入mcu模数转换器中的模拟地端。
33.所述高速处理器tms320f28386d的24个adc通道中的第0个和第1个adc通道分别对asi+和asi-总线进行采样。asi总线通信时的单比特周期为6us，采用manchester编码，所以每个比特有两次交变，即通信的有效频率的周期为3us,有效中心频率为330khz。
34.所述adc通道以2mhz频率对asi+和asi-信号进行采样，获得采样信号s
+
和s
_
。对所述采样信号s
+
和s
_
进行滑窗采样，窗口长度为1s，所述滑窗采用海明窗，并做dft变换，获得频域信号s
+
和s
_
。为降低信号在频域描述所需特征向量的维度，将图2所示的频谱图做直方图处理，即将频率范围n等分。本实施例中，n＝1000，以每个频率区间内的分布面积作为该频率特征的表征，构成直方图。
35.除在1倍信号频率以及其倍频上存在较大的信号能量外，在其他频率分量存在电磁耦合产生的干扰频谱。在计算噪声特征谱时，滤除与通信信号相关的频谱能量，即在1x,2x,3x，
…
等频率分量上的能量，剩下电磁干扰的能量谱s
′
+
和s
′-。以每个频率区间内的分布面积作为该频率特征的表征，构成直方图s
″
+
和s
″-。计算s
″
+
和s
″-信号间的互相关矩阵信号间的互相关矩阵计算互相关矩阵r
+-的特征值，取最大的三个特征值，并且按照绝对值大小的降序排序，记作λi(i＝1,2,3)，并将结果送至显示器件显示。上述频谱计算有mcu中的浮点运算单元fpu完成。
36.2.检测装置与滤波器的匹配
37.差分总线采用如图3的滤波器结构，所述滤波器由共模电感、电感、电容与电阻组成，所述电阻一端接设备地；所述滤波器构成一个带阻结构，滤波的中心频率为通过调整l1，l2以及c1的数值可以改变滤波器的滤波频率及阻带大小。对滤波器的频谱做倒频谱处理，即每个频率点的幅度特性为频谱响应的倒数，即对h
′
(ω)作直方图采样处理，产生降维的滤波器特征表征h
″
(ω)。计算向量h
″
(ω)的自相关矩阵及其特征值和特征向量，并取出其最大的3个特征值λj(j＝1,2,3)。
38.所述滤波器选择的依据为特征最接近原则，即根据便携式检测装置计算出的噪声特征值λi(i＝1,2,3)，选择与之最接近的特征值λj(j＝1,2,3)所对应的滤波器，达到min∑|λ
i-λj|。
39.3.去除电磁干扰的方法
40.在实施过程中，采用asi总线作为直流载波总线。系统采用西门子s7-400型plc作为上位机，采用西门子dp/asi interface link 20e模块作为网关。在现场执行层，从站采用西门子公司型号为3rk1400-1cg00-0aa2的asi模块。主站与从站间采用专用扁平电缆连接，电缆长度为100米，在总线上连接60个从站，均匀分布在总线上。该总线布置于物流分拣现场，现场有多台直流电机及变频设备。这些设备形成对asi总线的电磁干扰。
41.在asi总线工作期间，开启直流电机及变频器，强干扰会导致部分asi从站工作失常，具体表现为在网关及plc可以观测到从站丢包率的增加。沿信号载波电缆寻找丢包率高的从站，该从站附近即为电磁干扰较为严重的区域。在受干扰的从站附近，通过穿刺的方法将便携式检测器的两个探针穿过绝缘层，获取电磁干扰产生的噪声特征λi，并且选取相应的滤波器组。取下检测装置，在检测位置用滤波器替代检测装置，实现对直流传输线的滤波。配置完滤波器后，重新启动asi总线及作为感染源的变频设备，并且观测从站的工作状态，查找剩余受干扰严重的模块及对应位置，重复上述过程，直至丢包率降低到可以接受的范围内，最终实现对总线上其他频率分量的杂波的去除及从站的维护。
42.在一个实际的工程现场中，电磁环境复杂，会对电路产生一定的不利影响，产生的电磁干扰具体表现为在较长的输电线路中耦合出杂乱的电信号，滤除杂乱的电信号干扰可以显著提高通信的可靠性。通常电磁干扰是宽频带的类白噪声，在某些特定的频率，如工频，干扰幅度较大。在不同的应用环境中，干扰频率的分布及强度各不相同，采用滤波器对干扰信号的主分量进行滤除是一种消除干扰的常规的处理方法。现实使用的滤波器在滤波的频谱特性方面是非理想的，设计滤波器时需要确定滤波的中心频率，带宽以及增益系数等参数。传统的做法是根据通信信号的频谱状态确定上述滤波参数，再根据参数计算滤波器的阻容及电感等参数。在这一过程中，通常需要专业的仪器仪表。
43.现有的专业频谱仪可以对通信信道上的信号进行采集，并且转换到离散傅里叶域，以便直观的感知信号与电磁干扰的功率谱的分布情况。通常这些仪表仅较为客观地描述了电信号的状态，而不对干扰信号进行独立表征，也不涉及后端的滤波器设计。本发明设计的便携式检测装置的工作原理与频谱仪相似，即通过对信号的时域采集，dft变换获得叠加有电磁干扰的电信号频率。与专业频谱仪相比，本发明根据asi通信的特性，设计信号与干扰的分离算法，实现了对干扰分量的分离，以及定量描述。
44.asi总线采用差分传输，即通过两根线传输相同的信号。虽然差分电缆在干扰上存在强相干性，但是它们的干扰并不完全相同。协方差矩阵能够更加准确的反映出两条线路上干扰信号的共性部分。但是，协方差矩阵的维度较高，不便于表征、计算和描述。此外，在工程现场，我们无法根据噪声的情况精确设计并生产滤波器。较为可行的办法是由施工人员带若干个滤波器，根据现场情况选择已有的滤波器对通信系统进行滤波。综合便携式检测装置的硬件成本以及工程现场的滤波器的具体使用方式，本发明利用若干个最大特征值描述干扰信号的特征，采用最近似标准选择滤波器。这种设计方式在干扰的描述以及滤波器的选择上都是有偏差的，在滤波性能上是次优的，但是从实施方案的性价比上是优选的。
45.以asi总线为例，asi总线中的信号传输采用恒定速率，即传输信号的周期为3us，通信过程间歇性的发生。有效信号对应的频谱特性较为陡峭，位于较高频率波段，存在多个谐波，有效信号所处的频点位置是明确的，通过分析频谱，我们可以明确地将通信信号与电磁干扰信号分离，再使用带通滤波器将电磁干扰所对应的频率分量抑制，以提高通信信道
的信噪比。在频谱的高频段的噪声幅度相对较小，而信号强度较高，所以通过加载滤波器可以有效地抑制干扰信号，而基本保持原有的通信信号。asi的通信特点允许我们采用有差的近似方案实施对工程现场的干扰抑制。
46.另一方面，asi传输距离可达100米，传输线路距离长，而电磁干扰源多为点状分布。如电机等干扰源对asi总线可能产生局部的强干扰。强干扰会破坏通信质量，造成主站与从站间的丢包现象，所以我们可以通过丢包从站的位置初步定位干扰源的物理位置，然后在该物理位置检测干扰情况，选择合适的滤波器对干扰进行抑制，在该物理位置进行滤波是最为直接有效的。鉴于asi总线较长，可能存在多个干扰源，且干扰源信号沿电力线能够进行一定距离传输的特点。因此抑制主要干扰的滤波器对次要干扰也有一定的抑制作用，所以本发明采用先抑制主要干扰再抑制次要干扰的策略，多次检测及滤波的策略可以达到更好的效果。
47.本发明的实施效果与环境的电磁干扰复杂程度密切相关。工程实践表明，在绝大多数情况下，本发明所述方法可以显著抑制电磁干扰的影响，通信的差错率可以降低一个数量级，但仍不能完全消除。该方法可以对稳态电磁干扰，如周期性电磁干扰有较好的抑制作用，但是对突发的电磁干扰，如偶尔发生的设备启停引起的干扰作用有限。
48.本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。