CC BY
16
УДК 621.396.44
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗКОПОЛОСНОГО
ЭЛЕКТРОМОДЕМА
А.В. КАРПОВ, А.Н. ЗАКИРОВ
Казанский государственный энергетический университет НПП «Карза»
С учетом особенностей канала связи обоснованы характеристики контроллеров физического и канального уровней. Аппаратная реализация коммуникационного сетевого устройства осуществлена на основе низкоскоростного электромодема с опторазвязкой. Представлена система тестирования узкополосного электромодема. Получены значения оптимальной длины пакета при различных соотношениях сигнал/шум.
Ключевые слова: электромодем, пакет, мониторинг, диагностика, связь, уровень.
Введение
Данная работа посвящена анализу некоторых проблем, возникающих при передаче данных по силовым сетям. В настоящее время этот способ передачи данных становится достаточно распространенным. Здесь можно выделить следующие приложения: АСКУЭ, «интеллектуальная розетка», система защиты и управления 0,4 кВ, подключение к Интернету и многое другое.
Нельзя забывать, что реализация функции передачи данных встречает трудности как на физическом, так и на канальном уровнях архитектуры взаимодействия открытых систем (OSI), поскольку электрический провод изначально не предназначался для передачи информации. По своим частотным свойствам он значительно уступает худшим категориям сетевых информационных кабелей. В нем невозможно избежать многократных отражений сигналов, причем конфигурация такой общей среды передачи постоянно меняется. Имеет место высокий уровень паразитных шумов и наводок в неэкранированной паре проводов. Анализ исследований помех в ЛЭС показывает, что уровень помех в диапазоне частот от 5 до 150 кГц изменяется от -50 дБ до -65 дБ [1]. В сетевом кабеле с ростом частоты растет значение погонного затухания. На практике это означает, что при желании на другом конце кабеля принять и обработать весь спектр частот исходного сигнала, нам придется передавать его высокочастотные составляющие в десятки раз большими по уровню, чем в низкочастотной части.
Достаточно жесткие ограничения как на диапазон частот, которые могут занимать сигналы в кабеле, так и на их максимальные уровни вынуждают использовать специальные приемы для уменьшения спектральной плотности мощности сигналов и одновременно с этим применять сложные способы
© А. В. Карпов, А.Н. Закиров
Проблемы энергетики, 2009, № 11-12
кодирования исходных цифровых сигналов.
Следующей проблемой, присущей электросетям, является возникающие в ней отражения от неоднородностей ее структуры. Каждый сросток проводов, группа контактов, параллельное включение и ответвление проводов приводят к многократной интерференции прямого и задержанного сигнала, к частотно-избирательному ослаблению. Приводит это к достаточно хорошо известному в беспроводных радиосистемах связи эффекту - межсимвольной интерференции. В результате короткий импульс «размывается» и превращается в более широкий или даже в последовательность из нескольких импульсов. Это приводит к неправильной интерпретации импульсов и, как следствие, к ошибкам в сеансе передачи и ограничению максимальной пропускной способности канала. Следует также учесть, что провода сети не только излучают, но и являются хорошими приемниками радиоволн.
1. Описание функциональной схемы узкополосного электромодема
В общем виде функциональная схема и основные компоненты коммуникационного узла электрической сети связи показаны на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная блок-схема коммуникационного узла электрической сети
Основным элементом являются контроллеры сетевого, канального и физического уровней. Контроллер физического уровня также называют приёмопередатчиком или трансивером. Изолирующий (соединительный) модуль в общем случае осуществляет две функции: изолирует аппаратуру коммуникационного узла от напряжения сети и выделяет информационный сигнал из сетевого напряжения.
Повышение надёжности передачи на физическом уровне достигается выбором вида модуляции и частотного диапазона. Объектом нашего исследования и разработки является З-электромодем - низкоскоростной электромодем для передачи данных по сетям переменного тока, использующий на физическом уровне (модели 081) узкополосные методы модуляции.
Согласно ГОСТ [2] дадим определение широкополосного и узкополосного устройства в электроэнергетике. Сигнал считают узкополосным, если его полоса частот менее 5 кГц, и широкополосным, если его полоса частот равна или превышает 5 кГц.
Основным преимуществом работы в широкой полосе является возможность сглаживания неоднородности спектра помехи. К недостаткам работы в широкой полосе можно отнести увеличение стоимости комплектующих и самой разработки. Использование широкой полосы уменьшает возможное число абонентов,
использующих данный канал связи, с увеличением частоты возрастает затухание сигнала.
Остановимся на некоторых особенностях разработанного нами электромодема. Развязка цифровой части от напряжения 220В в большинстве случаев и традиционно представляется в виде ВЧ трансформатора, где цифровая и силовая части связаны с различными обмотками. В настоящее время, в связи с развитием технологии полупроводниковых устройств, расширились возможности использования оптоэлектронных развязывающих устройств, оптических вентилей (оптронов) и появились специализированные микросхемы оптических развязок, специально предназначенных для организации связи по электрическим проводам. При разработке принципиальной схемы в данной работе в качестве изолирующего элемента была выбрана именно такая микросхема, представленная фирмой AGILENT, - микросхема HCPL-800J. Выбор микросхемы HCPL-800J обосновывается существенными преимуществами по сравнению с обычной трансформаторной развязкой. При применении трансформаторной гальванической развязки необходимо учитывать следующие её недостатки:
• несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;
• полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;
• сравнительно большие габаритные размеры компонентов, реализующих развязку;
• подавление синфазного шума на выходе составляет только около 35-45 dB (на частоте 130 кГц).
К достоинствам микросхемы HCPL-800J можно отнести:
• максимальное напряжение пробоя изоляции составляет 3750 В;
• возможность передавать сигналы на высокой частоте (до 1 МГц);
• малые габаритные размеры;
• подавление синфазного шума на выходе составляет 80 dB (на частоте 130
кГц);
• выходной сигнал калиброван в соответствии с европейским стандартом передачи данных по электросетям CENELEC EN50065-1.
Расчеты характеристик выходного фильтра производились исходя из требований ГОСТ [2]. Разработка выходного фильтра производилась методом моделирования АЧХ и ФЧХ в среде PSpice представленная САПР OrCAD 10.0. В качестве начальной структуры был выбран фильтр Баттерворта 2-го порядка, рекомендованный производителем развязки HCPL-800J для применения в качестве выходного. Методом подбора соответствующих элементов фильтра подбиралась АЧХ фильтра. В данном случае АЧХ фильтра считалась удовлетворительной, если её полоса пропускания лежала в пределах от 60кГц до 130 кГц. Такая широкая полоса необходима постольку, поскольку диапазон возможных частот передачи приёмопередатчика лежит именно в приведённом диапазоне.
Проанализировав рынок приёмопередатчиков для сетей переменного тока, мы остановились на микросхеме ST7538, предлагаемой фирмой STM. При этом основным критерием выбора являлись: скорость передачи, полоса используемых для передачи частот, а также наличие аппаратно реализованных инструментов для организации протокола доступа к среде, что является очень важным элементом при построении информационных сетей на основе электрических проводов. В табл. 1 приведены основные характеристики микросхемы ST7538.
Характеристики контроллера канального уровня, являющегося по сути управляющим хост-контроллером З'-модема, определяются объёмом кода программного обеспечения и спецификой организации алгоритма, реализующего канальный протокол, а также набором периферийных модулей, необходимых для реализации дополнительных инструментов.
Таблица 1
Характеристики микросхемы 8Т7538
Параметр Величина Единица измерения
Частота передачи 60, 66, 72, 76, 82, 86, 110, 132 (выбирается программно) кГц
Скорость передачи 600, 1200, 2400, 4800 (выбирается программно) Бод
Обнаружение несущей есть -
Метод модуляции FSK -
Основным критерием при выборе контроллера в нашем случае является достаточно большой объём многократно перепрограммируемой программной памяти, достаточный объём статического ОЗУ, наличие встроенных таймеров-счётчиков, а также возможность обмена данными с компьютером. Исходя из этих положений, в качестве контроллера канального уровня был выбран микроконтроллер ATmega16, представленный фирмой ЛТМЕЬ.
Базовая конфигурация формата кадра протокола канального уровня представлена на рис. 2.
Флаг Поле адреса Поле адреса Поле Данные Проверочное Флаг
011 11110 назначения источника управления поле 01111110
Рис. 2. Базовая конфигурация формата кадра протокола канального уровня
Поле адресов и поле управления имеют размер в один байт; проверочное поле или поле контрольной суммы - два байта; поле данных (пакет) может варьироваться непосредственно из прикладного интерфейса от 1 до 400 байт.
В протоколе канального уровня HDLC [3] предусматриваются три типа кадров: информационный, управляющий и ненумерованный. В разработанном нами протоколе используются:
• информационный кадр;
• управляющий кадр - RR (приёмник готов);
• ненумерованные кадры - кадр установления соединения (SABM) и его подтверждения (UA).
При разработке программного обеспечения канального протокола мы придерживались модульной концепции. Каждый модуль программы является практически независимым от остальных модулей. На рис. 3 показана структурная схема соответствующего разработанного программного обеспечения. Канальный протокол состоит из двух основных модулей: модуля передачи данных в электросеть и модуля приёма данных из электросети. Кроме них выделим ещё четыре немаловажных подмодуля:
• модуль битстаффинга;
© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12
• модуль обратного битстаффинга;
• модуль доступа к каналу (МАС-модуль);
• модуль ожидания (контроль преамбулы).
Каждый из модулей состоит из подмодулей, которые также являются практически независимыми. На рис. 3 крупными стрелками обозначены потоки данных, узкими - переходы, а также внесение изменений в регистр состояний электромодема. Регистр состояний служит в качестве управляющего и информирующего элемента для отдельных модулей. Посредством регистра состояний отдельные модули и подмодули информируют остальных о текущем состоянии приёма или передачи, исходя из которых вторые выполняют либо не выполняют тех или иных действий. На рис. 3 также изображена схема протокола обмена электромодема с компьютером, который имеет аналогичную канальному протоколу модульную структуру.
Рис. 3. Структурная схема программного обеспечения канального уровня
2. Описание методики исследования характеристик электромодема
На уровне канала передачи данных семиуровневой архитектуры открытых систем 081 большое влияние на основные характеристики системы передачи данных оказывает правильный выбор длины пакета. Во многом этот выбор определяется теми функциональными задачами, которые решает данная система.
Например, для достижения максимальной скорости передачи данных при работе с протоколом канального уровня с переспросом, согласно работе [3], максимальная средняя скорость реализуется при определенной длине пакета, равной
opt
РЪ
(1)
здесь 1 ц - длина служебной части пакета; Ръ - частота ошибок.
Наличие оптимальной длины пакета, при которой достигается максимум средней скорости передачи данных, имеет простое объяснение. При работе с очень большими пакетами (1 >> 1 4 ) резко возрастает вероятность наличия ошибок в
пакете в целом и практически все пакеты требуют повторной передачи. При использовании коротких пакетов длина информационного поля становится сравнимой с длиной поля управления, что также снижает эффективность системы передачи данных.
Для получения оптимальных характеристик электромодемов на канальном уровне необходимо проведение испытаний в условиях, максимально приближенных к реальным. Испытание протокола канального уровня проводилось на разработанном для этой цели испытательном стенде.
Основными элементами стенда являются передатчик, приемник и имитатор электросетевого канала. Приемник и передатчик (электромодемы), по сути, являются исследуемыми объектами и поэтому могут подключаться отдельно.
На рис. 4 приведена функциональная схема разработанного имитатора электросетевого канала.
Рис. 4. Имитатор электросетевого канала
В качестве хост-контроллера имитатора выступает сигнальный процессор MC56F8013VFAE от Freescale. Данная микросхема выполняет централизованный контроль и управление функционированием имитатора в целом по командам, идущим от пользователя. Управление имитатором осуществляется посредством компьютера через стандартный интерфейс RS-232. Для взаимодействия имитатора с компьютером разработано соответствующее программное обеспечение для ПЭВМ, содержащее программную модель электросетевого канала. Электромодемы подключаются к разъемам CON1 и CON2 имитатора.
Сигнал, идущий от CON1, подвергается определенному ослаблению и наведению шума в зависимости от заданных в DSP-процессоре параметров электросети. Преобразования сигнала осуществляются двумя блоками, которые реализованы на операционных усилителях (ОУ1 и ОУ2) с переменным коэффициентом усиления.
Блок ОУ1 (блок первого операционного усилителя) необходим для имитации затухания сигнала. Блок ОУ2 (блок второго операционного усилителя) имитирует шумы, присутствующие в канале. Уровень шумов можно регулировать цифровым способом посредством DSP-процессора, то же относится и к блоку затухания (ОУ1) для ослабления сигнала.
В основе блока затухания (ОУ1) лежит операционный усилитель VCA810, представленный компанией Texas Instruments. Достаточно широкий диапазон изменения коэффициента усиления, практически идеальная линейность зависимости коэффициента усиления от управляющего напряжения, широкий © Проблемы энергетики, 2009, № 11-12
частотный диапазон усиления и достаточно высокая нагрузочная способность делают эту микросхему идеально подходящей для решения данной задачи.
VCA810 относится к классу операционных усилителей с переменным коэффициентом усиления, управляемых напряжением. По команде, идущей от DSP-процессора, посредством ЦАП на вход управления микросхемы VCA810 подается постоянное напряжение в диапазоне от 0 до 2 В. Под действием управляющего напряжения коэффициент усиления операционного усилителя VCA810 может меняться в диапазоне 40 дБ.
Особенностью блока шумов (ОУ2) является то, что нет необходимости в генерации шумов, поскольку шумы выделяются из самой проводки, именно поэтому необходима изоляция аппаратуры имитатора от напряжения 220 В. Схемотехнически изоляция выполнена в виде ФВЧ (рис. 4).
Аппаратно блок шумов выполнен в виде схемы автоматического контроля усиления (AGC), также реализованного на базе микросхемы VCA810. Уровень шума задается аналогично описанному выше способу, посредством установки коэффициента усиления микросхемы VCA810.
Программное обеспечение, прошитое в процессоре MC56F8013VFAE, на основе модели электросетевого канала, которое строится на компьютере, определяет уровень управляющего сигнала, который необходимо подать на входы управления блоков затухания и шумов, чтобы сымитировать заданное затухание и уровень шумов, характерный для электросетей.
Формирование необходимого управляющего напряжения осуществляется ЦАП. Посредством сигналов с выхода ЦАП микросхема MC56F8013VFAE и реализует цифровое управление. В данной работе имитатор разрабатывался на базе ЦАП MAX504, от Maxim.
Таким образом, на приемнике, подключенном к CON2, будет присутствовать ослабленный сигнал, к которому добавляется характерный для электросетей шум.
Целью испытаний являлось:
1. Общая проверка работоспособности электромодемов.
2. Определение оптимальной длины пакета для протокола канального уровня, в зависимости от расстояния между электромодемами.
3. Исследование особенностей функционирования З-электромодемов.
Для решения поставленных задач была собрана схема, представленная на рис. 5, где PC1, PC2 - два компьютера, связанные через СОМ-порт с 1-м и 2-м электромодемом соответственно.
РС1
А-M
( сом ;
N-V
S-мод ем Имитатор канала S-модем
А-\
( сом ;
N—V
РС2
Рис. 5. Схема испытаний
Во время эксперимента осуществлялась передача из РС1 в РС2 сообщения, состоящего из N одинаковых байт, расположенных за открывающим флагом кадра (флаг^ байт данные). Отметим, что такие служебные поля, как поле адреса, управления и контрольной суммы не включались в кадр для упрощения эксперимента. Эксперимент проводился на различных скоростях и частотах приема-передачи 8-электромодемов. Сообщение принималось компьютером РС2, связанным со вторым 8-электромодемом.
В табл. 2 представлены параметры, которые варьировались в ходе эксперимента.
Таблица 2
Параметры эксперимента
Параметр Величина Единица измерения
Передаваемый символ «1» -
К, объем посылки 2500 байт
Частоты передачи 66, 132.5 кГц
Скорости передачи 600, 2400 бит/с
Длина пакета 100 байт
Тип силового кабеля ПВС 2*2.5 -
Для автоматизации эксперимента в программное обеспечение для ПЭВМ был добавлен элемент, реализующий подсчет всех интересующих величин в процессе приема сообщения. В табл. 3 представлены обозначения и названия величин, которые вычислялись в процессе эксперимента.
Таблица 3
Вычисляемые величины
Обозначение Название Единица измерения
Р(байт) Вероятность приема ошибочного байта 1/байт
Р(бит) Вероятность приема ошибочного бита 1/бит
Оптимальная длина пакета бит
N ош Количество ошибок в посылке байт
Испытание протокола канального уровня проводилось для 10 различных имитируемых расстояний: от 2 до 220 м. Установка соответствующих расстояний, а также характеристик физической линии проводилась посредством соответствующего приложения, разработанного для управления имитатором через последовательный порт. На рис. 6 показан вид этого приложения в действии.
Рис. 6. Приложение, взаимодействующее с имитатором © Проблемы энергетики, 2009, № 11-12
В левой части приложения задаются все параметры, необходимые для вычисления коэффициента затухания для выбранного типа силового кабеля. Одновременно с программированием имитатора вычисляется и рисуется частотная зависимость затухания. Непосредственно под графиком отображается коэффициент затухания для конкретной частоты, на которой будут работать электромодемы. Расстояние, которое будет имитироваться, задается в левом нижнем углу. Для полноценной имитации необходимо также ввести уровень сигнала в линию на выходе передающего модема - ивх. и начальное затухание, вносимое входными каскадами приемного модема совместно с низким импедансом сети - Ас0. Величины ивх. и Ас0 определяются опытным путем.
3. Результаты натурных испытаний электромодема
Всего было проведено 128 сеансов связи между двумя электомодемами. Результаты четко разделяются на 2 группы. В 114 сеансах число ошибочно принятых байтов не превышало 10, а среднее число ошибок составило 0,263, что
соответствует частоте ошибок на 1 бит: Рь = 5 • 10-4. В 14 сеансах, как правило на скорости 2400 бит/с количество ошибок возрастало более чем на порядок.
На рис. 7 показан пример зависимости нормированной средней скорости передачи информации Я/С (С - пропускная способность, равная 600 бит/с) от длины пакета I, для дальностей 190 и 210 м. Зависимости представлены для частоты 132.5 кГц.
Рис. 7. Пример зависимости нормированной средней скорости передачи информации от длины пакета
Из рис. 7 видно, что для разной дальности передачи оптимальная длина пакета различная и уменьшает с увеличением дальности.
На основе экспериментальных результатов, полученных на имитаторе, были сделаны следующие выводы:
1. На дальностях до 140 м обмен информацией происходит практически без ошибок.
2. Оптимальная длина пакета, полученная в эксперименте, соответствует теоретическому значению, вычисленному по формуле (1). Оптимальная длина пакета вычислялась с учетом того, что 10 = 48 бит, а Рь соответствует частоте появления ошибок.
3. С увеличением дальности связи частота зарегистрированных ошибок возрастает. Дальность передачи не может превышать 250 м, поскольку резко возрастает частота ошибок, и оптимальная длина пакета, вычисленная по формуле (1), становится меньше 48 бит (минимальной длины кадра в протоколе канального уровня).
4. Характеристика чувствительности приемника микросхемы передатчика ST7538, на основе которого разработаны З-электромодемы, является неравномерной. Этим объясняется значительно большее количество возникающих ошибок Nош на скорости 2400 бит/с для обеих частот передачи. Причиной неравномерности характеристик приемника является конструктивная особенность приемного тракта микросхемы ST7538. Приемный тракт микросхемы выполнен в виде последовательности 4-х цифровых фильтров, усилителя и цифрового FSK демодулятора. Суммарная неравномерность и искажения, вносимые такой системой, приводят к описанному выше эффекту.
5. Характеристика чувствительности приемника микросхемы передатчика ST7538 также является неравномерной и в частотной области. Этим также объясняется большее количество ошибок, возникающих на частоте 66 кГц. Причиной неравномерности также является конструктивная особенность приемного тракта, описанного выше.
6. Низкий импеданс сети вносит сильное начальное затухание Ао0 и поглощает почти 90% полезного сигнала, ограничивая тем самым дальность передачи. Для устранения этого недостатка принято решение уменьшить на 1-2 порядка импеданс входного каскада приемника.
Выводы
В работе представлена методика испытаний и результаты испытаний низкоскоростного электромодема, использующего узкополосные методы модуляции. Получены характеристики протокола, в частности длина пакета, обеспечивающие максимальную производительность канала связи. Низкоскоростные З-электромодемы могут быть использованы в системах связи, не требующих высокой скорости передачи данных, в таких системах должно быть предусмотрено адаптивное изменение длины пакета. Использование пакетов оптимальной длины позволяет увеличить не только вероятность достоверной передачи данных, но и эффективность адаптации передающей стороны к быстро меняющимся характеристикам сети. Более того, в ряде систем, таких, например, как система защиты и управления 0,4 кВ, в работе которых на первый план выходит надежность передачи небольшого объема данных, работа с пакетами длиной меньшей, чем оптимальная, увеличивает достоверность передачи данных.
Summary
In view of features of the liaison channel which generally has been not adapted to data transmission, characteristics of physical and channel level controllers are proved. Hardware realization of the communication network device is carried out on a basis of low-speed PLC modem with an optical coupling circuit. The testing system of the narrow-band PLC modem is submitted. Values of optimum length of a package are received at various signal to noise ratio.
Key words: plc modem, packet, monitoring, diagnostics, communication, level.
Литература
1. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания / под ред. Г. С. Векслера. Киев: Техника, 1990. 167с.
2. ГОСТ Р 51317.3.8-99. Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям.
3. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ / М. Шварц. М: Наука, 1992. 336 с.
Поступила в редакцию 28 апреля 2009 г.
Карпов Аркадий Васильевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Релейная защита и автоматизация» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8-9172727350. E-mail: Arkadi.Karpov@ksu.ru.
Закиров Айдар Наилевич - ведущий инженер НПП «Карза». Тел.: 8-905-3115919. E-mail: karza@ya.ru.
