Мрежова комуникация 220 V аналогов преден край
Михаил Чигарев (КОМПЕЛ)
Използването на мрежа от 220 V като средство за прехвърляне на данни между две или повече устройства отдавна вълнува умовете на разработчиците. Преди около 10-15 години идеята за организиране на комуникация чрез битова електрическа мрежа изглеждаше като шега и ме накара да се усмихна. В наши дни предаването на данни през мрежа с високо напрежение не е изненадващо и има много добри шансове за търговски успех. Най-очевидното предимство на използването на високоволтови комуникации за предаване на данни е, че няма нужда от полагане на кабели и извършване на монтажни работи. За местните разработчици най-обещаващите области на приложение на този тип комуникация са системи за дистанционно събиране на данни от измервателни уреди, системи за сигурност, системи като "интелигентен дом".
За съжаление, дори нискоскоростното предаване на данни през домакинска AC мрежа все още не е широко разпространено в нашата страна. Има редица причини за това - както ниското качество на битовите енергийни комуникации, така и недостатъчната пазарна осведоменост за модемите за този тип пренос на данни.
Типична блокова схема на PLC модем (Фигура 1) се състои от четири основни части.
Ориз. 1.Блокова схема на PLC модем
Входната част осигурява изолиране, филтриране и усилване на предаваните и приеманите аналогови сигнали. Сърцето на PLC модема е модемът, трансивърът или DSP чипът, който организира протокола за пренос на данни и също така отговаря за физическото изпълнение на прехвърлянето (оформяне на носещата честота, модулация, демодулация, филтриране и т.н.). За управление на IC на модема, като правило, е необходим външен контролер и захранване, работещо отсъщото променливотоково захранване, което се използва за предаване на данни.
ON Semiconductor AMIS-30585
ON Semiconductor предлага специализиран модемен чипAMIS-30585за организиране на предаване на данни по електрически мрежи. AMIS-30585 използва S-FSK модулация за предаване на данни (честотното разстояние по подразбиране е 10 kHz), а носещата честота е програмируема в диапазона от 9…95 kHz. Максималната скорост на трансфер е 1200 bps. Характеристика на тази микросхема е наличието на вграден микроконтролер с ядро ARM7-TDMI, което осигурява вградена реализация на нивото на MAC. Тази функция е основното предимство пред решенията на други производители. В допълнение към този модем ONS предлага модем, съвместим с pin-to-pinAMIS-49587със скорости на данни до 2400 bps.
Входната част на модема, базирана на решения от ONS (Фигура 2), включва: изолационен трансформатор с изолационен кондензатор (по същество пасивен HPF), драйвер (усилвател на мощност), приемен канал, изолатор на оптрон за приемане на 50 Hz сигнал за синхронизация и допълнителен канал за получаване на сигнал за управление на мощността на предавателя (обратна връзка от предавателя).
Ориз. 2.Принципиална схема на входната част на модема, базиран на AMIS-30585
Тази схема за модем, базиран на AMIS-30585, е доста проста и не изисква екзотична елементна база, поради което може да бъде модифицирана или използвана в завършен вид в комбинация с всеки друг модемен IC. Това твърдение като цяло е вярно за всички останали схеми, представени в статията.
Предаването на данни от измервателни уреди чрез PLC модеми е най-разпространено във Франция. Поради тази причина производството на изолационни трансформатори за такива модеминишови френски и немски фирми са ангажирани, а самите трансформатори не са много достъпни. От най-достъпните пазарни опции бяха избраниТрансформатори Vigortronix — VTX-111-010иVTX-111-004(в момента тези продукти са налични в склада на COMPEL).
Линейният драйвер е реализиран на операционен усилвателOPA561с висок изходен ток (до ±1,2 A). Това се дължи на факта, че водачът трябва да работи при натоварване от около 5 ома. Изходният ток на OPA561 в тази верига е ограничен до 0,6 A с резистор от 10 kΩ между пин 4 и отрицателния полюс на захранването. В допълнение към функцията за почистване на линията, OPA561 изпълнява и функция за нискочестотен филтър. Симулираната честотна характеристика на такъв филтър е показана на фигура 3.
Ориз. 3.Честотна характеристика на предавателната част
Тъй като изходът на операционния усилвател е деактивиран от наличието на отрицателно захранващо напрежение на щифта E/S, а изходната логика на AMIS-30585 има нива от 0 и +3,3 V, се добавя верига, използваща транзисториBC857иBC847за контролиране на изключването на изхода на усилвателя. Трябва да се има предвид, че корпусът на този операционен усилвател има "Power Pad" за отвеждане на топлината, който трябва да бъде електрически свързан към минус захранването.
Приемникът и каналът за управление на мощността на предавателя са една и съща схема и са реализирани на двоен операционен усилвателNE5532. Всъщност това е високочестотен филтър, чиято основна задача е да потиска сигнал с честота 50 Hz. Такъв филтър ви позволява да получите затихване до -90 dB при честота от 50 Hz. Изходът на приемния канал е свързан към входа на операционния усилвател, интегриран в AMIS-30585, който също реализира HPF със затихване от около -80 dB, което общо дава затихване до -170 dB при честота 50 Hz. Честотната характеристика на филтъра на NE5532 е показана на фигура 4. Разбира се, като се вземе предвид пасивното филтриране, както входът, така и изходътчастите са по-тесни.
Ориз. 4.Честотна характеристика на приемащата част
Пакетните данни AMIS-30585 изискват тактов сигнал, който носи информация за преминаването през нулата на мрежовото напрежение при честота 50 Hz. За целта е добавена схема на оптронPC817С. Изходният сигнал на тази схема е импулси с честота 50 Hz, амплитуда от 0 до VDD. Предният и заден фронт на тези импулси съответстват на преминаване през нула на мрежовото напрежение.
Фигура 5 показва опростена електрическа схема за AMIS-30585. Всъщност това е минимумът от това, което е необходимо за работата на тази микросхема. В зависимост от приложението, в което се използва PLC модемът, разработчикът ще трябва да избере контролния микроконтролер. Повече информация можете да намерите в техническата документация за AMIS-30585.
Ориз. 5.Опростена електрическа схема AMIS-30585
STMicroelectronics: ST7540
ST7540 —PLC модемно решение от STMicroelectronics. Отличителна черта на тази микросхема е наличието на интегриран усилвател на мощност и два линейни регулатора на напрежение за 5 и 3,3 V. Разработчиците, които вече имат собствен протокол за пренос на данни през сериен интерфейс, могат да спрат на това решение, например, когато преминават от пренос на данни чрез RS-485 към предаване на същите данни чрез PLC. Входната част на модема на ST7540 е показана на фигура 6.
Ориз. 6.Схематична схема на входната част на модема, базиран на ST7540
Честотната характеристика на активната част на предавателя като цяло е подобна на честотната характеристика на усилвателя на мощност за AMIS-30585 (честотна лента около 100 kHz, усилване в лентата 9 dB), така че тази графика не е показана. В документацията на комплекта за отстраняване на грешкиSTMicroelectronics дава по-интересни характеристики (Фигура 7), а именно честотната характеристика на приемащата и предаващата част, като се вземе предвид пасивната част (маркирана в червено на Фигура 6).
Ориз. 7.Честотна характеристика на предавателната и приемащата части
При внедряването на входната част на PLC модема е възможно да се използва неизолирано решение (Фигура 8). В този случай, когато сдвоявате модемния чип с външно устройство (микроконтролер, интерфейсен чип), трябва да се използва цифров интерфейсен изолатор, например капацитивен бариерен изолатор от сериятаISO7xот Texas Instruments.
Ориз. 8.Неизолиран преден край
Texas Instruments: C2000
Texas Instruments предлага да се използва цифров сигнален процесор (DSP) от сериятаC2000като комуникационен чип (Фигура 9). Предимството на това решение е, че изборът на тип модулация, осигуряването на протокол за предаване и кодиране на данни е изцяло оставен на разработчика. Изглежда, че сложността на разработката не е предимство пред конкурентите, но в този случай разработчикът има възможност да разработи свой собствен метод за шумоустойчиво предаване на данни, което е изключително важно в реалностите на домашните домашни мрежи. В резултат на това решение, базирано на DSP, може да се окаже единственото жизнеспособно у нас. Що се отнася до финансовата страна на въпроса, най-простият DSP от сериятаPiccoloна Texas Instruments (който е напълно достатъчен за изпълнение на описаните задачи) струва по-малко от един PLC модемен чип.
Ориз. 9.Блокова схема на DSP и аналогов интерфейс
Всъщност, когато разработвате аналоговата част за това решение, можете да разчитате на описаните по-горе схеми. Трябва обаче да се вземе предвидЕдин важен момент е предложеният метод за оформяне на носител с помощта наTMS320F280x, който е графично показан на Фигура 10.
Ориз. 10.Формиране на носеща честота в модема на DSP от Texas Instruments
Очевидно в този случай се изисква аналоговата предавателна част да сумира сигналите от ШИМ изходите и след това да филтрира по-високите хармоници от общия спектър на сигнала, за да получи необходимия хармоничен сигнал.
Заключение
Няколко думи за инструментите за отстраняване на грешки за описаните по-горе решения. ON Semiconductor предлага комплекта за отстраняване на грешки AMIS49587EVK за модемния чип AMIS-49587, който е съвместим pin-to-pin с AMIS-30585. За отстраняване на грешки в решение, базирано на ST7540, ще ви трябват 2 платки: платката със самия трансивър (EVALST7540-1) и комуникационната платка (EVALCOMM) с микроконтролера ST7 (ST72F651AR6), който осигурява комуникация с компютър чрез USB и RS-232 портове.
Texas Instruments предлага комплекта за отстраняване на грешки TMDSPLCKIT-V1. Платката за разработка се състои от захранване, аналогов преден край и платка с инсталиран DSP. Всички комплекти за разработка съдържат необходимия софтуер за управление на целевите платки. По-подробна информация е дадена на официалните уебсайтове на производителите.