CC BY
7890 www.finestreet.ru компоненты микросхемы для телекоммуникаций
Сергей ЩЕДРИН
shedrin.s@mtgroup.ru
Технология передачи данных
по силовым линиям идет в массы
Узкополосная технология PLC (Power Line Connection — связь по силовым линиям) не нова и уже используется некоторое время в устройствах управления. Однако недавно она получила новый толчок к развитию, вызванный большими проектами автоматизации средств измерения в нескольких европейских странах.
Введение
Связь по силовым линиям является основным элементом автоматических систем контроля и учета энергоносителей (АСКУЭ). Основные преимущества этой технологии: возможность автоматически получать информацию с пунктов учета, расположенных в удаленных районах с низкой плотностью населения и низким качеством инфраструктуры, большой срок службы, возможность наращивания и низкие затраты.
Принцип работы системы довольно прост. Электричество от электростанции передается по высоковольтному кабелю к подстанции. Здесь происходит понижение напряжения и распределение на большое количество низковольтных трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до бытового. Обычно к одному трансформатору подсоединено от 500 до 1000 конечных потребителей. Таким образом, можно предложить следующий вариант построения PLC систем для АСКУЭ: концентратор, действующий как центральный узел, базируется на низковольтных подстанциях и регулярно (например, раз в час) собирает результаты измерений со счетчиков (это могут быть не только счетчики электроэнергии, но и воды, тепла, газа). После этого концентратор пересылает их, например по каналу GSM, для дальней-
шей обработки. Такой тип систем не ограничен только получением информации со счетчиков и может выполнять другие функции (рис. 1).
Способы передачи сигналов
Поскольку силовые линии были спроектированы исключительно для доставки электроэнергии, технология связи, которую предполагается использовать в этой среде, должна справляться с ее характерными помехами, а именно: модуляция импеданса; спектральные искажения; пульсация и скачки; узкополосная и гармоническая интерференция, генерируемая подключенным к сети оборудованием; ослабление, вызванное физической длиной канала передачи.
Качество и надежность связи зависят от того, насколько устойчива выбранная методика модуляции к искажениям. Основные из наиболее широко распространенных технологий — FSK (Frequency Shift Keying — частотная манипуляция) и SS (Spread Spectrum — частотная манипуляция с растяжением спектра). При частотной манипуляции каждому возможному значению передаваемого сигнала ставится в соответствие своя частота. В течение каждого символьного интервала передается гармоническое колебание с частотой, соответст-
вующей текущему значению. В Е8К (рис. 2) две различные несущие частоты выбираются цифровым сигналом. Сигнал для двух уровней 1 и 0 описывается так:
Б1({) = Ах8т(2хлх/С1х^
Б0(£) = Ах8т(2хлх/С0х^),
где С и С — несущие частоты для логического 0 и логической 1. Этот тип манипуляции обычно уязвим к шумам и искажениям, которые могут появиться в узкой полосе несущей частоты.
Манипуляция 88 растягивает передаваемые данные по выбранной полосе частот. Исходный сигнал собирается с помощью корреляционного механизма, где полученный сигнал коррелируется с опорным сигналом (рис. 3). Размазывание данных по всему спектру делает передаваемый бинарный код более устойчивым к шумам и помехам.
Технология манипуляции 88 гораздо более сложная. Она требует применения дополнительных цифровых фильтров и механизмов коррекции ошибок, но при этом возрастает надежность связи.
Европейский стандарт для РЬС
В Европе разработан стандарт СЕЫЕЬЕС Е№00065-1, который определяет полосу частот для передачи данных в цепях с низким на-
Ноте
automation
Refri-
gerator
Sensors
»))
Sensors
Oven Microwave
HVAG
Lighting
Wireless
Technologies
Metering
Washing
machine
Roller
shutter
Heat cost ’») Heat Gas Power
1 allocator meter meter meter
Local Control & monitoring
Flxed Remote
Switches I contro|
&
Monitoring Unit
Рис.і. Области применения PLC
микросхемы для телекоммуникации
Коррелятор
Лучшее
сравнение
S2
Опорный сигнал
S1
Рис. З. Принцип манипуляции SS
smax(t)
дБ (мкВ)
С-Band mit CSMA/CD
125^ 140 148,5 132,5—'
f (кГц)
Рис. 4. Полоса частот стандарта CENELEC
Таблица. Использование полосы частот CENELEC
Поло- са Частота, кГц Использование Протокол доступа
А 3-95 Внешняя, зарезервирована для поставщиков энергии Нет
В 95-125 Внутренняя, без протокола доступа Нет
С 125-140 Внутренняя, с протоколом доступа CSMA/CD
D 140-148,5 Внутренняя, для тревожных систем и систем безопасности Нет
пряжением (бытовым напряжением). Существует 4 полосы, которые расположены в частотном диапазоне от 3 до 148,5 кГц (рис. 4, табл.). Полоса A предназначена для устройств измерения, а B — для устройств автоматизации зданий.
PLC-модем IT800
PLC-модем IT800 был специально разработан Yitran Communications, чтобы подавлять искажение в линии. При проектировании этого модема были использованы технологии DCSK (Differential Code Shift Keying — частотная манипуляция с растяжением спектра) и DLL (Data Link Layer — уровень управления передачей данных). Эти технологии позволяют осуществлять очень устойчивую связь через существующие линии электропередач со скоростью до 7,5 кбит/с.
Микроконтроллер с интегрированным PLC-модемом
Поскольку помимо PLC-модема в любом интеллектуальном устройстве должен присутствовать микроконтроллер для обработки данных, Renesas Technology Corp. разработала контроллер M16C/6S (рис. 5)
Рхх-<
Xin ■ Xout-
MCU module
М16С/60 CPU core
Flash Memory 96KByte
SRAM
24KByte
гл:
I/O
Timer
XIN I/O Pxx CLK TXD RXD Pxx Pxx INTO ______Exjl
Pxx
Serial
I/O
Interrupt
controller
PLL module
46.Q8MH z
IT800 PHY
so
Out_data_clk_d2a
D2A_en
EXTCLKJN
Tx/RX
DCLK
Dl
DO
CLR
RESET
I NT
CD_1
CD_2
Pre_Amp_en
OpAmp_en1
SI3
XCLKJN OpAmp_en3
■ioutc-
Line
f>
Line
coup
ling
?mm ■
PREAMP_VREF PREAMP_OUT -
BUF_OUT
VDD_P REAMP/VDD_0 PAM P GND_PREAMP г mifir"
/GND_OPAMP ' гшег
OPAMP1 OUT ■
a OPAMP1IVINN-
■Д COMP1_VINN — fl COMP1 VINP — ®COMP1 FB
OPAMP2_OUT — OPAMP2_VINN —
^ OPAMP_VI N P_ALL
COMP2 FB OPAMP3 OUT " OPAMP3~VINN_
СОМРЗ VINN COMP3ZVINP COMP3_FB
BPF 100-200kHz
BPF 300-400kHzP
Рис. 5. Структурная схема M16C/6S
92 компоненты микросхемы для телекоммуникации
Concept
AC-line extern
System Block Diagram
Application Powerline AC-line
I
s:
a
и
S3
§
§
e*
a
'•n
I
s:
a
EH
Host MCU
Internal: USART PLC-MCU
LCD driver +
sio
I/O ports
e.g. AD7756 H8/300 SLP
Application
M16C/6S
Powerline
LCD driver SIO, I/O ports 2 x ADC,EEPROM Application USART PLC
+ Modem
Protocol
e.g. H8/38086 M16C26
e.g. ITRAN,
nSlne, others
Application Powerline
■ i PLC-MCU
+
і і e.g. AD7756 + Application 11
M16C/6S
Comments
Модульное PLC-решение
- использует внешний АЦП в комбинации с низкопотребляющим контроллером для обработки данных
- модульное PLC решение с различными протоколами (например SCP)
- преимущества: дополнительные функциональные возможности
с единым дизайном средства измерения.
Интегрированное PLC-решение
- использует внутренний АЦП микроконтроллера обработки данных с низким энергопотреблением
- параллельное аналого-цифровое преобразование с высоким разрешением — 14 бит
- модульное PLC решение с различными протоколами (например SCP, nSine,...)
- преимущества: можно использовать различные PLC-модемы
PLC-решение с высокой степенью интеграции
- однокристальное решение с внешним АЦП, внутренним PLC-модемом и возможностью использовать различные протоколы передачи данных
- использование интерфейса I2C
для подключения внешнего LCD, EEPROM и АЦП
- преимущества: высокая интеграция
Рис. 6. Использование PLC-технологии в счетчиках электроэнергии
со встроенным модемом для силовых линий 1Т800 и, таким образом, обеспечила недорогое решение для АСКУЭ, выполненное на одном кристалле. Микроконтроллер имеет пять 16-битных таймеров, 96 кбайт флэш-памяти и 24 кбайт 8ИЛМ. Он подходит для применений, требующих большого стека протоколов. Устройство построено на мощном ядре семейства М16С. М16С/68 может передавать данные по силовым линиям с частотой тока 50 или 60 Гц.
Другие решения на основе РЬС
Уже в ближайшее время использование РЬС-модемов не ограничится только узлами учета. Это устройство идеально вписывается в концепцию «Интеллектуального дома». Оно может применяться для дистанционного управления любыми бытовыми приборами: стиральная машина, микроволновая печь, бойлер, климатическая установка, телевизор. В каждой комнате нашего жилища есть несколько розеток, что делает РЬС дешевым и почти «беспроводным» решением. Любое
устройство, требующее электропитания, уже является подключенным к каналу связи, делая технологию связи по силовым линиям доступной каждому пользователю.
Основные особенности успешности коммуникационного решения:
1. Простота использования.
2. Большое количество доступных точек подключения.
3. Надежность.
4. Ценовая эффективность.
Контроллер от Renesas Technology M16C/6S
со встроенным PLC-модемом удовлетворяет всем четырем вышеперечисленным требованиям.
Варианты использования PLC-модема в счетчиках электроэнергии представлены на рис. 6.
Заключение
В ближайшее время ожидается возрастание требований к инновационным и передовым PLC-решениям на рынке АСКУЭ. Этот рынок прочно встает на ноги и требует применения устойчивой связи для на-
дежной передачи данных; высокой интеграции для низкой стоимости и низкого электромагнитного излучения; гибкости для различных вариантов применения и длительного времени службы. Контроллер M16C/6S от Renesas Technology включил в себя передовые полупроводниковые решения и может быть основой нового поколения приборов для АСКУЭ, предлагающих потребителям дополнительные преимущества PLC-технологии.
Контроллер M16C/6S с PLC модемом будет доступен в ближайшее время, а пока Renesas Technology предлагает оценочные наборы EVB04-UA-A и EVB04-UA-B для полос CENELEC A и B соответственно. Они состоят из двух плат, позволяющих оценить функциональность связи по силовым линиям. Поскольку основным вопросом данной технологии является помехоустойчивость, то после изучения оценочного набора российскими специалистами мы вернемся к более детальному рассмотрению вопроса о применении PLC в АСКУЭ. Надеемся, что это произойдет в ближайших выпусках нашего журнала. ■
