双向通信四篇

2024-05-02

双向通信篇1

在社会、用电用户、电力企业共同需求的驱动下,电力企业在为用户提供合格电能的基础上,还需要及时准确地向电力客户提供准确的电网和用电信息,指导用户合理用电,实现电力用户与电网的有效互动,从而在提升电力企业服务能力的同时促进电网企业节能减排[1,2,3]。目前用电互动服务存在信息分散、用电信息利用不够充分、应用系统众多和信息集成需求突出等问题,因此需要建立标准化的双向互动服务平台,以支撑和促进用电信息共享,进而提高供电可靠性与用电效率和供电企业服务水平[4,5]。

由于双向互动服务涉及的业务场景众多,包括居民用户用电、大用户用电、电动汽车、分布式发电等[6,7,8,9]。这些业务场景中具备双向互动数据采集与控制功能的智能终端设备种类繁多,所使用的通信技术各不相同。为了将这些数据接入统一的双向互动服务平台,需要平台的通信架构能够承载各类互动终端设备的灵活接入,并具备标准化信息交换和通信模型。

作为智能电网的重要组成部分,高级量测体系 (AMI)是配用电领域数据通信和信息交换的重要发展方向。AMI可以提供双向互动服务平台架构所需要的灵活接入性、开放性、可扩展性、设备多样性和设备互操作性等特性[10,11]。AMI在智能用电领域的应用将改变电力信息流单方向的现状,为电网与用户的双向互动提供标准、技术和平台支撑。本文利用AMI的体系结构,面向双向互动服务数据采集与控制应用,构建满足智能用电需求的信息通信模型,并深入探讨信息模型中应用的关键技术。

1双向互动服务及智能终端设备

双向互动服务的基础是在电网中广泛分布的智能终端设备,包括智能电表、电能信息采集终端、电动汽车充电桩和分布式发电监测系统等。这些智能终端设备可实时监测用电设备的能耗情况和运行状态,为电力需求侧管理提供基础数据。与此同时,用户可通过这些设备获取自身能耗情况、故障状态和电费信息,并可通过优化用电策略以达到节能减排效果。总之,电网与用户在双向互动过程中的调度决策依赖于智能终端设备的数据采集和控制功能。

典型的双向互动服务包括大客户业务、居民用户业务、移动营销业务、分布式发电和储能业务、电动汽车运营业务等。上述5种双向互动服务所涉及的部分智能终端设备如图1所示。

1.1大客户互动智能终端设备

1)负荷控制终端:通过负荷控制终端实现对大用户电能表电量、需量、电压、电流、功率、功率因数、电压合格率等电表数据的自动采集、存储和远传,为电力营销系统提供各类电量结算数据[12];对大用户的负荷进行控制和管理;对大用户电能表运行状况进行实时监控,实现配变电监测和输电网、配电网全网线损的统计分析。

2)双向互动终端:通过计算机、手机和平板电脑等双向互动终端设备,利用公网实现主要设备用电情况的实时监视。同时,双向互动服务平台中的能效管理和需求侧管理等系统间可通过双向互动终端为客户提供合理使用电能、提高用电效率和数据分析的技术指导工作。

1.2居民用户互动智能终端设备

1)双向电能表:为了适应智能电网和新能源的使用,使用双向电能表实现双向多种费率计量、用户端控制、电能质量监控、双向数据通信和防窃电功能等智能化功能[13]。

2)居民用户互动终端:使用居民用户互动终端实现家用电器用电情况实时监视、用电量信息采集上传和智能家居设备控制,并帮助用户进行负荷曲线优化、实现用电分析和用电指导。

3)智能插座:使用智能插座实现家用电器电气信息实时监测、电能计量、能效管理以及对电源的远程开断控制[14]。

1.3现场移动作业互动智能终端设备

移动作业终端:面对维修、用电检查、客服等需要现场移动作业的人员,提供移动作业终端实现现场移动作业互动应用,扩展现有营销系统,实现现场操作与营销流程的对接和电子化移动办公。

1.4分布式发电和储能互动智能终端设备

1)分布式发电监控系统:利用分布式发电监控系统实现对分布式发电设备的远程监控、对环境参数的实时采集和对并网装置的实时监控[15],分布式发电系统还可接收双向互动服务平台的负荷控制等调度指令。

2)储能监控系统:利用储能监控系统上传储能变流器和电池的运行参数及状态信息、储能系统内部配电网络和升压变压器的状态和运行数据,并完成基本的保护功能、环境监测和火灾报警等功能[16],并接受平台的需求侧管理与服务支持。

1.5电动汽车互动智能终端设备

1)车域感知设备:车域感知设备由电池管理模块、电压管理模块和静态信息模块组成[17]。实现对电池电压、温度等数据的采样、保护和电压均衡控制,对动力母线电压电流采样,对高压回路进行充放电控制、状态监控和保护,提供电池ID、电池型号、额定电压和用户信息等静态数据。

2)站域感知设备:站域感知设备包括物联网网关、充电桩感知设备、充电机感知设备、换电位置感知设备、电池输送感知设备、快换感知设备、温湿度感知终端等,实现充换电站内仓储、充换电和配送等环节的状态监控。用户可通过智能手机在充电过程中完成充电桩/站查询、充电监控互动、电池信息查询、充电行驶里程估算和电池检测数据查询等功能。

综上,双向互动服务信息通信的需求即包括用户侧向设备“向上”的数据采集信息,也包括双向互动服务平台“向下”的负荷控制和需求侧管理等信息。从通信技术的选择来说,由于电力用户数据庞大,空间分布范围广,所处环境的通信条件差异性较大,使用的终端类型也不同,因此要本着节约、统一、规范的原则,充分利用现有技术条件、通信信道和通信协议建立统一的用电双向互动服务平台,在一个平台上实现电力用户双向互动服务的全面覆盖。

2双向互动服务通信系统架构

由于双向互动服务所涉及的智能终端设备种类繁多,所使用的通信技术各不相同,要将这些设备接入统一的双向互动服务平台,需要设计一套可以供各类智能终端设备灵活接入的通信系统架构[18,19]。

作为智能电网体系内的智能化计量、传输、存储、分析和利用用户用电信息的软硬件体系,AMI为电网与用户的全面双向互动提供了平台和技术支撑。AMI由智能电表、广域通信网络、量测数据管理系统(MDMS)和家庭局域网(HAN)组成[20]。在AMI架构内,智能电表提供双向计费和智能监测、告警等功能,HAN通过网关连接智能电表和可控电器设备,并接入广域通信网络,最终传输至MDMS进行数据的分析和存储。

对于本文所研究的双向互动服务而言,由于所涉及的具有双向数据通信功能的智能终端设备众多,智能终端设备所使用的通信技术和通信协议各不相同,数据从终端设备传输至双向互动服务平台所需要利用的通信网络情况复杂。因此,如图2所示,需要使用一个分层多级网络架构实现双向通信和对智能终端设备的远程控制。最终,将采集的数据传送至MDMS,并通过双向互动服务平台进行业务办理和信息发布。

2.1家庭局域网/前端局域网(HAN/PAN)

HAN和PAN包含双向电表和分布式发电监控系统等智能终端设备,以及将这些设备接入邻域网的网关功能。通过这些智能终端设备,用户可以通过与电网互动积极参与能源效率管理和需求响应,图3是双向互动服务中HAN的一个具体示例。HAN/PAN利用Zigbee等无线通信技术和电力载波通信(PLC)等有线通信技术实现智能终端设备的通信,并利用能源服务接口(ESI)与外部网络进行通信,即由ESI充当HAN/PAN与外部网络的网关,这些网关在不同业务场景内对于不同设备,如居民用户互动中的智能电表/集中器、大用户互动中的负荷控制终端等,都能够成为实现ESI的设备。

2.2邻域网(LAN)

HAN内的智能终端设备通过ESI连接到LAN,有些智能电表等终端设备也可以不通过HAN直接接入LAN。HAN和LAN两层之间的通信连接属于“最后一公里”的连接,即从用户前端接入高速核心通信网的连接。面对数量众多并且分布区域广泛的智能终端设备,HAN与LAN之间的接入技术应首先考虑使用现有的通信基础设施和网络架构,如居民家中广泛使用的非对称数字用户线路(ADSL)和有线电视网络。同时,为了解决这些设备通信技术和协议差异所导致的互操作问题,可以使用数据聚合单元(DAU)进行桥接,HAN将所有数据送往DAU,由DAU进行规约转换后,通过LAN接入广域网(WAN)。

2.3 WAN

WAN将多个LAN连接起来,充当HAN, LAN,MDMS之间的桥梁。在这一过程中,可以根据具体需求采用电力通信网、电力数据网、电信运营商提供的IP数据网、无线通信网等各种通信资源。 WAN中的数据服务业务以IP业务为主,要求具备高带宽和灵活组网能力,以应对双向互动服务的可扩展性需求,以及更高的网络生存能力性和细致的服务质量(QoS)处理机制,以提供差异化服务。可使用的通信技术包括同步数字体系/多业务传送平台(SDH/MSTP)、无源光纤网络(PON)、波分复用 (WDM)、PLC/DPL和Wi-Max等远距离数据传输技术。

2.4企业网(Enterprise)

在双向互动体系架构内,企业网包含的MDMS负责存储、处理和分析从各层中采集的数据,以此获得不同用户的用电行为信息。MDMS将处理后的数据提供给双向互动服务平台,作为提供信息发布、多渠道缴费、用能管理、双向计费、大客户代维代控等双向互动增值服务的数据支撑。其他相关业务系统,如故障管理系统(OMS)、能量管理系统(EMS)、分布式管理系统(DMS)、用户信息系统(CSI)以及计费系统都应接入企业网层。

2.5外部网(External)

外部网利用双向互动服务平台,通过PC、智能手机、平板电脑、双向互动终端等终端设备,向电网公司和电力消费者提供各种业务处理功能,外部网提供新的创新服务和产品来满足不断发展的智能电网的新需求和机会。

3DAU结构

由于现有智能终端设备的接口、通信技术和通信协议差异性较大,在本文设计的双向互动服务通信系统架构中,在LAN层集成了DAU用于将各双向互动服务中的采集与控制数据通过WAN传输至MDMS,并使双向互动服务平台的负荷控制、需求侧管理和营销管理等子系统的信息可以传输至智能终端设备,作为用户用电行为的指导,或直接通过执行器进行控制。在这一过程中,如果能够使用面向对象的方法,利用统一的通信模型对数据进行格式化处理,将更便于MDMS完成对数据的传输、存储和分析,同时也更有利于双向互动服务平台兼容各类协议标准[21]。

作为一种面向对象的通信模型标准,IEC 61850能够实现变电站中来自不同厂商的智能电子设备 (IED)之间的互操作,目前已经被广泛应用于变电站自动化系统。IEC 61850标准作为电力系统自动化领域唯一的全球通用标准[22],在已发布的IEC 61850 Ed2.0[23]中已更名为 “Communication Network and Systems for Power Utility Automation”,这意味着IEC 61850的应用范围不再局限于变电站,将拓展至整个电力系统。对于双向互动服务中包含的分布式发电监控系统、风电场监控系统、电动汽车和储能系统,IEC TC57 WG10已经或正在起草IEC 61850-7-42,IEC 61400-25, IEC 61850-90-8,IEC 61850-90-9等标准和技术报告对应用进行了规范。同时,IEC 61850-8-2文件规范了抽象通信服务接口 (ACSI)与底层通信协议WebService之间的映射,将IEC 61850的应用范围从变电站中的LAN扩展到了WAN中,降低了软件实现的难度和数据传输和处理的资源消耗,这些IEC 61850技术发展的新方向也为其在双向互动服务平台中的应用打下了基础[24]。

基于IEC 61850标准的DAU结构框图如图4所示。非IEC 61850协议的智能终端设备根据其通信接口接入DAU的数据接入模块,在DAU内部经过规约解析和数据映射完成向IEC 61850的标准化转换,并通过以太网接口经过网络交换设备传输至MDMS,转换为IEC 61850模型存储在实时数据库中,从而通过传感器和执行器实现数据采集和需求侧响应等双向互动服务。DAU还具备显示、存储和故障检测等功能。

4基于IEC61850的双向互动通信模型

传统的通信协议如IEC 60870-5-103/IEC 60870-5-104等都是面向信号的,而IEC 61850需要根据信息之间的关系,利用逻辑节点(LN)、公共数据类(CDC)和ACSI对每种智能终端设备进行面向对象建模。因此需要依据IEC 61850的建模方法, 明确数据需求与关系,定义逻辑节点与逻辑设备。

双向互动服务不同业务之间通信数据具有相似性,主要的双向互动数据包括如下几种。

1)采集数据:主要为智能终端通过传感器采集并向双向互动服务平台上传的数据。包括设备基本信息、电能数据、交流模拟量、电能质量越限统计数据和事件记录数据:自动记录的负荷越限、工况变化和运行异常等事件。

2)控制数据:包括双向互动服务平台对负控终端、分布式发电系统等智能终端下发的功率定值闭环控制、电能量定值闭环控制和跳闸控制等由控制器执行的指令。

3)需求侧管理数据:双向互动平台分析用户的用电数据和用电行为后,向双向互动终端传输帮助企业和居民优化用电负荷曲线和用电成本、提高用电效率和减少停电损失的需求侧管理数据。

如图5所示,以分布式发电双向互动服务为例, 对分布式发电系统的监控由分布式发电监控终端设备完成。本文根据物理设备实际需要进行了功能划分,将其通信信息模型抽象为4个逻辑设备[25,26]:分布式发电采集单元逻辑设备 (LDMeas)、分布式发电单元控制器逻辑设备(LDCtrl)、需求侧管理逻辑设备 (LDMgr)和辅助功能单元逻辑设备 (LDFunc),各逻辑设备的名称及其功能见表1。其中LDMeas表征分布式发电监控终端采集电气量、温度数据和气象数据,经DAU上传给MDMS; LDCtrl表征终端根据上游指令或手动操作对分布式发电系统的控制;LDMgr定义了需求侧管理,优化分布式发电系统的发电效果;LDFunc定义辅助功能,表征上传量测数据和下达控制指令的相应限制;GOOSE表示通用面向对象变电站事件。通过上述逻辑设备的构建,可满足用户通过分布式发电监控终端设备与电网进行双向互动的需求。

各逻辑设备详细建模情况如下。

1)LDMeas逻辑设备建模

根据分布式发电双向互动系统数据采集功能模块建模需求,逻辑设备LDMeas包含逻辑节点MMTR,MMXU,MSQI,STMP,MMET。逻辑节点MMTR用于计算三相系统中电能量,适用于计费。逻辑节点MMXU用于计算三相系统中电流、电压、功率和阻抗,主要用途是供运行使用。逻辑节点MSQI定义了交流电压和电流的相序及不平衡电压、电流。逻辑节点STMP提供了温度测量。逻辑节点MMET则表征获取气象数据。LDMeas逻辑设备模型图见附录A图A1。

2)LDCtrl逻辑设备建模

LDCtrl逻辑设备包含逻辑节点DCCT,DOPR, DPVC,DSFC。逻辑节点DCCT定义了分布式电源的经济调度。逻辑节点DOPR规定了分布式电源的额定功率、额定电压和频率。逻辑节点DPVC定义了分布式发电系统的多种发电模式。逻辑节点DSFC给出了速度/频率控制方法。LDCtrl逻辑设备模型图见附录A图A2。

3)LDMgr逻辑设备建模

逻辑设备LDMgr包含逻辑节点DRCC, DCST,ZBAT。DRCC表示需求侧合理优化运行参数。DCST表征分布式电源的发电成本,同发电量比较,观察其盈亏。ZBAT对应着带有储能的分布式发电系统,发电量过大时可向储能系统充电,若发电量不足时,储能系统放电,储能系统和光伏电池一起作用于用户。LDMgr逻辑设备模型图见附录A图A3。

4)LDFunc逻辑设备建模

LDFunc逻辑设备所包含逻辑节点为GGIO, FCSD,FCNT,FLIM。逻辑节点GGIO定义了DER的控制、告警、状态指示等信息。逻辑节点FCSD定义了曲线形的输出值。逻辑节点FCNT定义了非电网相关的脉冲计数。逻辑节点FLIM定义了控制功能输出信号设置临时或永久操作限制。 LDFunc逻辑设备模型图见附录A图A4。

对智能终端设备面向对象数据建模之后,利用变电站配置描述语言(SCL)来构建CID文件,以描述设备提供的基本数据模型及服务,并采用GOOSE服务向MDMS传递实时性数据。在文中分布式发电监控终端的4个抽象逻辑设备之中,都定义一个特殊的逻辑节点LLN0,它不仅用于存放一些公用信息,也包括发送数据集DataSet、接收数据集Inputs和GOOSE控制块GSEControl等。由DataSet、通信网络和GSEControl可以构建GOOSE报文,其在数据链路层上采用以太网帧格式,由DAU上传给MDMS。为更好地满足不同网络间的数据传输,可以利用ACSI完成IEC 61850和WebService之间的映射,由树形数据模型生成以可扩展置标语言(XML)表示的WebService文本。

5结语

双向互动服务数据通信面临着终端设备类型众多、通信网络情况复杂和通信技术标准不一等特点, 需要设计统一的双向互动通信系统架构,并采用面向对象式的信息通信模型,最大限度上满足大客户、居民用户、移动营销业务、分布式发电和电动汽车等双向互动服务对于信息通信互操作性、开放性和可扩展性的需求。本文基于AMI,使用分层多级网络架构实现电网与智能终端设备之间的双向通信,重点阐述了DAU的设计和IEC 61850标准在信息通信建模中的应用,为双向互动服务提供了一套可靠的通信解决方案,为灵活互动的智能用电技术提供了底层支撑。

双向通信篇2

现代化的检验手段为医生确诊提供了可靠的依据,医院检验科的检验仪器多,工作量大,而LIS(Laboratory Information System,检验信息系统)的开发提高了检验的工作效率,降低了人工操作的错误率。LIS系统的检验网络中存在一个关键环节--检验数据的联机采集,即计算机与检验仪器的双向通信。检验各种样本,如血清、尿液等,需要相应的检验仪器,而这些仪器来自不同的厂商,存在着数据传输方式和数据格式不尽相同的问题,如何实现各种检验仪器与计算机的通信是需要解决的问题和难题。

目前存在的通信控制方案可以解决通信控制问题,但是只限于某种类型或某几中类型检验仪器与计算机的通信,存在着局限性。要根本解决这个问题,需要着重考虑兼容性问题。通过一段时间的实践与摸索,在前人的研究基础上加以改进,笔者提出了一种通用的检验仪器与计算机实现双向通信的控制模式-四层结构通信,在实践中实现并印证了这四层结构的可行性和兼容性。

2 ASTM协议概述

近些年,ASTM(美国材料与试验协会)为检验仪器与计算机间的通信引荐了一个方案。检验仪器与计算机的一次通信中,语句中可能包含多名病患的检验请求和检验结果。通常,这种信息以垂直方式进行表达,如图1所示,表述信息的语句可能包含多名病患,每个样本可能包含多条命令,进而,每条命令又可以产生多个检验结果。

当一个通信程序在通信的语句中发现了结果,将把它作为最近一次检验请求的结果。在语句中,样本、检验请求、检验结果的层次关系就以这种方式表达出来。各个层次的第一个数字被称为序列号,表明了目前这个层次的串行顺序。垂直结构的信息用一维形式表达出来以便于实现串行传输。

ASTM把这种垂直关系表述为一维形式。例如,以上的垂直关系可以被表达为下述形式。

语句开始-病患(病患1)-检验请求(检验请求11)-检验结果(检验结果111)-检验结果(结果112)-病患(病患2)-检验请求(检验请求21)-检验结果(检验结果211)-检验请求(检验请求22)-检验结果(检验结果221)-检验结果(检验结果222)-语句结束

3 四层结构通信模型

基于ASTM协议的一维信息表达形式,本文提出四层结构通信模型,用以描述检验仪器与计算机的通信过程,如图2所示,由低至高分别为物理层、ASTM低层、ASTM高层、应用层。ASTM低层和ASTM高层都遵循ASTM协议,其中,ASTM低层遵循ASTM E1381-91协议(临床实验室装置和计算机系统间传送信息的低级协议),而ASTM高层遵循ASTM E1394-91协议(临床设备和计算机系统之间的信息传递协议)。

ASTM高层把来自应用层的应用需求构建成消息并传送给ASTM下层。同时,ASTM高层接收来自下层的消息并解读。ASTM下层接收来自ASTM高层的消息,处理后转发给物理层,同时,ASTM下层接收来自物理层的数据帧并构建消息。物理层指的是通信介质,例如,串口线或者以太网。物理层有可靠性、传送速度等特性,消息必须被分解为与传输介质的传输特性相符的数据帧。

4 通信的基本流程

检验仪器由三个部分组成:GUI(图形化用户界面)、控制中心、检验单元,如图2。其中,通过GUI,用户既可以设定检验部件的个数、检验参数又可以对于检验结果进行显示和编辑;检验单元是采用某几种反应物对样本进行检验的;控制中心控制各个检验单元协同工作,并与计算机进行通信,实现了检验项目、检验结果等信息的传送。

完成样本的检验后,便开始了检验仪器与计算机的通信过程,数据的通信流程如图3所示,按照①-⑤的顺序进行。

①检验仪器向计算机查询检验类别

装有样本的检验架连续不断地由加载器进入检验,在读取检验架ID和病人ID以后,以此为关键字,向计算机发送信息问询样本的检验类别。根据从计算机获取的检验类别信息,控制中心决定将样本送交哪一个或哪几个检验单元进行检验。通过GUI用户可以对计算机的回复设定时限,如果时限内没有收到计算机的反馈,则检验仪器认为问询失败,接着进行下一个样本的问询操作。

②检验仪器向计算机发送检验结果

检验完成后,由各个检验单元出来的检验结果在控制中心进行汇总处理,之后,向计算机按序发送出去。当一种检验的所有结果都出来后,检验仪器接着向计算机传送定标数据。

③检验仪器接收来自计算机的重做检验类别

对于从检验仪器发来的检验结果,计算机可以针对它发送自动重检类别信息。用户同样可以设定反馈时限。若在时限内没有收到重做检验的信息,样本都将被传送回检验单元进行重检。

④检验仪器向计算计查询自动重检类别

对于在设定的时间内没有收到自动重做信息的样本,进行重检时,仍然需要向计算机问询检验类别信息。但是,对于自动重做选择信息已经被接收的样本将不再需要问询。

⑤重检结果发送

这个过程与检验仪器向计算机发送重检结果相类似,重做检验完成后,由各个检验单元出来的检验结果在控制中心进行汇总处理,之后,向计算机按序发送出去。当一种检验的所有结果都出来后,检验仪器接着向计算机传送定标数据。

5 通信过程的分析与实现

5.1 ASTM通信程图序4架构通信程序的结构图

基于ASTM,执行通信过程的程序被分为ASTM高层程序模块和ASTM低层程序模块。如图4。ASTM高层构建来自应用层的消息并传送给ASTM下层。同时,ASTM高层接收来自下层的消息并解读。ASTM低层接收来自ASTM高层的消息,处理后转发给物理层,同时,ASTM下层接收来自物理层的数据帧并构建消息。在所有的程序中,最关键的是按照ASTM的语法进行消息的构建与解构。

5.2 消息的构建过程

消息按照一定的规则进行编码。消息由记录组成。它是传送信息的最小单位。消息以'消息头记录'开始,以'消息结束记录'结束。记录由域组成。它用来说明消息的目的,如该消息是检验结果还是检验请求。在一条消息中可以出现一条或几条记录。用来说明消息目的字符出现在记录的最前端。域是构成信息的最小单位。

消息中单条记录的构建的流程如图5所示。所有的记录都按这个过程进行。

第一个字符是记录的ID,接着写入各个规定域。先写入域分隔符,如果没有数据则不不写入;根据明确定义的有效数据判断,如果输入了无效值,则写入两个双引号""。

若输入的是元素域,按照以下过程进行编码:如果多于两个元素,它们之间用元素分隔符分开;根据明确定义的有效数据判断,如果输入的是无效值,则写入两个双引号"";如果没有域,不要在元素域中输入任何字符;如果没有域,而且是最后一个元素,就不必用元素分隔符。对于重复域,用重复分隔符来分开重复的项目。如果不属于以上的情况,则根据数据格式转变成字符串。

只要还有数据,就重复以上的步骤,止到记录的结束。这时写入回车符CR作为一条记录的结束符。

5.3 消息的解析过程

解析消息的处理过程与构建消息的过程相反,作为接收方,不必要的重复将会被忽略。如果没有有效记录,将会认为没有数据。如果没有有效域或者有效元素,将会认为域或元素不存在。如果无法判断是否有效数据,将会认为是无效值。程序有效地编译和处理接收到的数据。

6 通信实例

表1是检验仪器向计算机查询检验类别,之后计算机向检验仪器反馈了检验类别信息的全过程。检验仪器向计算机发送<ENQ>,得到计算机的确认<ACK>后,检验仪器开始向计算机发送样本号等消息,发送完毕后,检验仪器向计算机发送<EOT>以示发送结束。检验仪器发送问询信息的过程到此为止。

之后,计算机向检验仪器发送反馈回来的检验类别信息。计算机需要向检验仪器发送消息时,先向检验仪器发送<ENQ>,在得到检验仪器的确认<ACK>后,计算机开始向检验仪器发送检验类别信息,发送完毕后,计算机向检验仪器发送<EOT>以示此次消息发送完毕。

通信的相关信息如下:

模式:样本号码模式

样本号:1234

样本类型:血清

检验架号码:36

检验架位置:1

检验架类型:血清/常规

样本ID:"thisissample"。

7 总结

本文针对医院检验科中检验仪器与计算机的通信所存在的数据传输方式和数据格式不同的现状,提出了四层结构的通信模式,最终解决了LIS系统中检验仪器与计算机通信的局限性和兼容性的问题。

参考文献

[1]ASTM.ASTM E1381-91[S].www.astm.org.

[2]ASTM.ASTM E1394-91[S].www.astm.org.

[3]Barbara Schindler,ASTM International信息中国标准化[J].2004,04:80.

[4]鹿晓明,许文平.条码技术在医院检验信息系统中的应用[J].中华医院管理杂志,2005,7:492-494.

[5]宋开宇,任惠.HIS检验系统数据联机采集的设计和实现[J].现代检验医学杂志,2004,5:3-4.

[6]刘锦初.基于检验仪器联机通信的一种通用模式的探索与实践[J].中国医疗器械杂志,2002,1:36-37.

双向通信篇3

关键词： LED照明通信；蓝光LED； GaN PD；集成芯片

中图分类号： TN 303文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.014

Abstract： In this letter， we studied a kind of bidirectional optical communication chip that contains a particular GaN PD and a blue LED. The bidirectional lighting communication consists of blue light and UV light optical communication link. This integrated chip is outstanding with its small size and easy implantation， and can be used in the bidirectional lighting communication to reduce amount of bulls， shrinking system size. We tested and analyzed its performance in one way and bidirectional communication with serial communication protocol and simple modulating method for onoff keying （OOK）. In the guarantee of the integrated chip’s normal working， the results for the first time display the feasibility of integrated chips into one way lighting communication with bit error rate below 10-6， demonstrating bidirectional communication with bit error rate below 10-3 when injecting blue LED with 2.8 mA/mm2 current density.

Keywords： LED lighting communication； blue LED； GaN PD； integrated chip

引言白光LED具有低功耗、高亮度以及良好的线性度等优点，作为无线光通信的发信端相比传统射频具有突出的优势，光源至今已有RGB组合或蓝光芯片与荧光粉结合等种类[12]。调制技术也由开关键控（OOK）调制向脉冲位置调制（PPM）等发展[3]，复用技术包括波分复用[4]，频分复用[5]，多输入多输出正交频分复用（MIMOOFDM）[6]等，已有不少研究成果。LED光通信速率已由最初的Mbit级别提高到现在的Gbit级别[7]。目前LED照明通信已取得突破性进展，高速通信调制系统研制成功标志着LED照明通信开始向产业化发展。随着光刻等半导体生产技术的不断提高，集成器件的尺寸也越来越小，上述系统必然会被进一步集成。目前，复旦大学采用光波分复用和子载波调制，已实现双向无线光通信，可实现575 Mbit/s的RGB LED上行链路通信和300 Mbit/s 的基于荧光粉LED下行链路通信，通信距离66 cm，误比特率在硬判决前向纠错时限制在3.8×10-3以下[8]，但其损耗大、复杂性高、设备庞大，因此，双向无线双工光通信亟需低功耗且紧凑简易的装置。本文提出了一种双向照明通信集成芯片，其上有蓝光LED和GaN PD芯片。利用蓝光通信链路和紫外光通信[910]链路构成双向通信，同时降低串扰。采用串口通信协议和简易OOK调制解调装置对集成芯片进行单向、双向光通信测试及分析。

1系统设计

1.1集成芯片封装结构集成芯片支架采用3 W大功率LED 6引脚支架，6个引脚各自隔离，直径3.5 mm的支架铜座通一圆孔，孔直径1 mm，置GaN PD于圆孔处，调整蓝光LED位置远离圆孔。蓝光LED和GaN PD除了有公共的衬底，在电路上相互隔离。光学仪器第37卷

第3期杨馥瑞，等：蓝光LED和GaN PD集成芯片双向照明通信性能研究

紫外光源选取峰值波长365 nm的大功率LED灯珠（首尔半导体，CUN6AF1B）。蓝光LED光谱峰值波长450 nm，工作电流20 mA。GaN PD响应光谱峰值约为365 nm，截止波长约为370 nm，在365 nm和450 nm处峰值比为102。较大的峰值比使得同时进行可见光和紫外光通信在理论上可行，同时GaN PD对室内可见光不敏感。

系统组件如图1所示：同轴线上从左往右依次为硅光电二极管、紫外滤波片、集成芯片灯珠、石英双凸透镜、紫外光源，工作距离15 cm。实验时使紫外光源发送信号，同时测试在蓝光LED点亮、熄灭或调制光信号情况下GaN PD的响应波形。由于GaN PD光电流较小，容易受影响，故紫外通信质量为讨论重点，蓝光LED的可见光通信解调不再赘述。

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图2为支架内集成芯片的示意图：左侧的蓝光LED向上发射蓝光，紫外光线垂直入射到右侧的特殊结构紫外GaN PD底面，两个二极管之间距离d为1 mm，GaN层为未掺杂半导体层。与以往nGaN和n+GaN传统结构不同，此处使用n型掺杂和未掺杂的GaN来形成肖特基结。此时，nGaN与金属接触为欧姆接触，GaN与金属接触为肖特基接触。n型欧姆接触用蒸发沉积Ti/Al/Ti/Au形成，LED上的p型欧姆接触通过溅射沉积Ni/Ag得到，肖特基接触通过蒸镀Ni/Al/Ti/Au得到，该类型GaN PD对波长370 nm以上的可见光几乎无响应。GaN PD和蓝光LED在同一个外延片上制作，一方面保证LED的质量，另一方面延续生产的流畅性。

1.3调制解调电路为了测试集成芯片性能选择简便的OOK调制。调制电路如图3所示，“PC”为电脑端，“MAX232”模块为串口电平转换电路，“转换电路”模块为驱动电压转换电路。发送信号控制三极管工作于饱和与截止状态，实现对紫外光源、蓝光LED的调制。为了让紫外光源恒流工作电流达到300 mA且不发送信号时处于常亮，需要将信号电压升压和反相并采用9 V的电源电压。图中转换电路由比较器组成，完成升压反相功能。通信软件选择串口通信助手，发送信号经MAX232转化为TTL电平，控制调制。设置发送波特率9 600 bit/s。

1.4恢复电路接收到的微弱光电流经前置放大器放大，转换为电压信号，主放大器对电压再放大以利于滤波器滤除杂波，最后由比较器恢复波形。前置放大器我们采用了SR570，将电流信号转换为电压信号；波形恢复中主放大器使用MCP6022芯片，将电压信号放大；最后使用LM393比较器正向输入比较，电位器调节参考电压，最终恢复波形。恢复电路如图4所示。

2实验结果及分析

2.1GaN PD光电流用半导体分析仪测量了在蓝光LED不同工作电流下，GaN PD两端偏置电压为0～20 V时电流的大小变化曲线，如图5所示GaN PD在紫外光照射下熄灭蓝光LED的IV曲线和蓝光LED工作电流密度变化下的IV曲线及暗电流IV曲线。图6调制信号（上）和接收信号（下）波形两端反向电压变化范围0～20 V，可以看出反向电流都有随着蓝光LED的工作电流增大而增大的趋势。芯片结构（见图2）中部分蓝光向GaN PD出射，光子被吸收到一部分，以及GaN材料都会吸收到LED的蓝光。目前为止，这种吸收造成的干扰无法排除，只有增大紫外光源的光功率，或者重新设计芯片结构，增加光学隔离层才能减少蓝光吸收对紫外通信的影响。

2.2集成器件单向照明通信质量测试电脑端发送字母“a”，GaN PD电流经前置电流放大器SR570放大转换后，用示波器同时观察发送信号和接收信号波形。图6给出了调制信号与探测信号的波形，对比两个波形可以看出，接收信号受调制电路带宽影响有些畸变，但响应速度较好。将蓝光LED恒流点亮，工作电流12 mA。让紫外光源发送信号，通过MAX232把接收信号传送至第二台电脑，观察串口通信助手接收区情况。发送端发送单个字母时，接收端接收的误比特率可达到10-6以下。该系统还可完成传送图像功能，串口助手启用文件数据源，如图7所示，接收端数据转向文件，文件类型事先设置为与发送端一致的jpg格式，图片大小5.7 kbit，发送完毕，接收端打开文件，图8为“学校LOGO.jpg”传输结果。

该实验说明在保证紫外GaN PD正常工作，且蓝光LED恒流工作，无意外抖动和断路的情况下，可以实现单向照明通信。

2.3集成器件双向通信质量测试调制蓝光LED，设置与紫外光源调制相同的发送波特率，紫外光源发送目的信号“a”字母，蓝光LED发送“j”字母作为噪声。GaN PD接收结果分为3组，分别对应蓝光LED工作电流密度84.8 mA/mm2、 168.0 mA/mm2、288.0 mA/mm2。图9（a）、（b）、（c）是蓝光LED恒流工作，不发送噪声下GaN PD输出，显示的均为“a”字母的波形。图9（d）、（e）、（f）是调制蓝光LED发送噪声时GaN PD的输出，显示为噪声与目的信号叠加。对比图9（a）、（b）、（c）可看出暗电流的增大对于紫外通信的质量没有明显的影响。这是因为暗电流恒定增大，反向电流总和增大，两者的差值即光电流不变，故不会影响通信质量。而图9（d）、（e）、（f）中出现的波形为“j”字母的信号波形，结果说明紫外通信目的信号被淹没在噪声中。将蓝光LED工作电流密度设为2.8 mA/mm2时，单向紫外通信接收端接收到“a”字母，误码率在10-6以下，见图10（a）。调制蓝光LED发送“j”字母干扰源，如图11所示，上方为“j”原波形，下方为硅光电二极管光电流放大后信号。由图可知波形除了背景噪声未有任何明显“a”波形痕迹，且紫外GaN PD光电流较小，不足以影响蓝光通信。图10（b）为GaN PD接收信号恢复的“a”波形，波形中也没有明显受蓝光LED调制信号影响的痕迹，但误码率为10-3。

4结果分析对可见光响应的原因有两种：（1）内光电效应吸收（IPA）电流和体光生电流；（2）由于金属和uGaN接触面的表面捕获到电子导致肖特基势垒降低，以及外加电场下镜像力增大，使得电流增大。响应度R的表达为R=IP（1）式中：P为入射光功率；I为光照下产生的电流。一定光功率下，I越大，响应度越高，对外界的影响就越不敏感。I=-expΔΦsbKTIr-IGEN-IIPA（2）式中：K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IGEN为光生电流；IIPA为内光电效应吸收电流，由Vickers’ model计算得到；ΔΦsb是肖特基势垒下降的高度；Ir为反向暗电流。在紫外辐射下，GaN PD的光电流为基于势垒下降因子ΔΦsb1的指数形式，由于ΔΦsb1与空乏区宽度d呈线性比例，而d随反向偏压增大而增大，d∝V1/2故I在高反向电压时激增，所以，可以尝试增大反向电压来提高双向通信质量。由于双向通信质量也受制于GaN PD中缺陷情况，缺陷越多则对非紫外光子吸收越强，暗电流增大，光电流不变时，后续恢复电路对器件要求很高。蓝光LED与GaN PD距离很近，当蓝光LED工作电流超过一定数值，由于缺陷吸收产生的电流将严重影响通信质量，故提高外延片的质量为改进集成芯片性能的第一步。3结论本文使用简单的OOK调制和解调方法对蓝光LED和紫外LED进行通信调制，证实了蓝光LED和GaN PD的集成芯片可以实现照明通信。在保证蓝光LED和GaN紫外GaN PD正常工作的情况下，GaN紫外GaN PD具有对室内光良好的抗干扰性，可以实现单向照明通信即蓝光LED恒流照明同时紫外光路通信。由于GaN PD对蓝光有一定吸收，造成双向通信时不能供给蓝光LED过大电流，否则通信失败。对于这种集成芯片，可以在几个方面进行优化：（1）提高外延片质量；（2）改变GaN PD位置及其半导体层厚度，或增加反射层，以减少GaN PD对毗邻LED光的吸收；（3）增大GaN PD两端反向电压等等。参考文献：

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（编辑：刘铁英）