Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 16 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Временная синхронизация нескольких устройств по стандарту IEEE1588 при помощи процессоров Blackfin

Во многих задачах требуется синхронная работа двух и более независимых устройств. Если каждое устройство будет работать от собственного генератора, то различия в характеристиках и условиях работы отдельных генераторов ограничат возможности синхронизации. Решить проблему призван стандарт IEEE 1588, который позволяет синхронизировать устройства с точностью до наносекунд. Хотя стандарт допускает и программную реализацию, столь высокая точность достижима лишь аппаратными средствами. Поэтому в статье не только описаны ключевые положения стандарта, но и рассмотрен пример реализации устройства на базе процессоров Blackfin, оснащенных аппаратной поддержкой IEEE 1588.

Узкополосная PLC-технология. Часть 2

В настоящее время во многих приложениях, в т.ч. в автоматизированных системах контроля и учета энергоресурсов, передача данных осуществляется по проводам силовой электросети. В статье дан обзор PLC-спецификаций, продвигаемых европейскими и региональными промышленными группами, альянсами и ассоциациями (OPEN Meter, PRIME, HomePlug, ECHONET и др.), а также рассмотрены особенности некоторых технологий.

Современная технология пользовательского интерфейса для критичных к безопасности приложений

В критичных к безопасности приложениях требуются более надежные, протестированные и унифицированные пользовательские интерфейсы. Чтобы обеспечить надежность их функционирования, требуется исключить подверженный ошибкам этап перевода интерфейса, разработанного с помощью инструментов высокого уровня, в стандартную графическую технологию. Вместо того чтобы применять два и более метода проектирования, создания прототипа и реализации интерфейса, разработчики имеют возможность воспользоваться одной стандартной технологией — Adobe Flash.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

11 июня

FSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты

В статье дан обзор существующих спецификаций узкополосной PLC-технологии, а также рассмотрены их особенности. Кроме того, приведена информация о компонентах, предназначенных для создания PLC-модемов с использованием частотной модуляции. Этот вид модуляции обеспечивает скорость передачи данных 0,3…10 Кбит/с. В последние годы благодаря применению более эффективных видов модуляции сигнала, подтвердивших свою надежность в других проводных и беспроводных технологиях, удалось повысить скорость передачи до 128…576 Кбит/с.



ВВЕДЕНИЕ

Первые попытки использования силовых линий электроснабжения для передачи сигналов были предприняты еще в начале XX в. вскоре после того, как электросети получили широкое распространение. В 1930 гг. передача данных по линиям электропередач основывалась на технологии под названием RCS (Ripple Carrier Signaling). В ней использовалась модуляция сигнала вида ASK (Amplitude Shift Keying — амплитудная манипуляция), а передача сигналов осуществлялась в полосе частот 125…3000 Гц. Скорость передачи данных была сравнительно небольшой (всего несколько бит в секунду), однако этого было вполне достаточно для дистанционного управления устройствами сети и ее реконфигурации. В последние годы все большее распространение, в т.ч. для высокоскоростного обмена информацией в офисных и промышленных зданиях и сооружениях, находит широкополосная технология передачи данных по электрическим сетям, обеспечивающая скорость передачи до 200 Мбит/с. В системах автоматического считывания показаний разного рода датчиков и в других приложениях находит применение узкополосная PLC-технология, которая обеспечивает скорость передачи до 128 Кбит/с и более в полосе частот 42…89 кГц (CENELEC A) и до 576 Кбит/с в полосе 9…500 кГц (FCC) [1–6].

На диаграмме, приведенной на рисунке 1, показаны виды модуляции сигнала, используемые в узкополосной PLC-технологии. Каждая из них имеет свои недостатки и преимущества, однако модуляция с расширением спектра S-FSK и DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) обеспечивает более надежную передачу данных в условиях нестабильности параметров канала связи. Поэтому системы, созданные на их базе, широко применяются в сетях типа AMR (Automatic Meter Reading — автоматическое считывание показаний счетчиков). Использование в узкополосной PLC-технологии модуляции вида FSK, S-FSK и DCSK обеспечивает приемлемую достоверность информации, однако недостаток этих видов модуляции — пока еще сравнительно невысокая скорость передачи данных. В последние годы пристальный интерес и повышенное внимание обращено к технологии на основе OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи, поскольку расширение функциональности автоматизированных систем типа AMR/AMI/AMM требует, соответственно, увеличения скорости передачи данных.

Рис. 1. Виды модуляции, используемые в узкополосной PLC-технологии

Стандарты и спецификации

В PLC-технологии для передачи информационного сигнала используется та же электропроводка, по которой осуществляется энергоснабжение. Как правило, частота информационного сигнала значительно выше частоты промышленных электросетей переменного тока (50/60 Гц), а напряжение сигнала во много раз ниже, чем 110/200/220/380 В. Упрощенно принцип передачи PLC-сигнала по силовым линиям электросетей частотой 50 Гц иллюстрирует рисунок 2. Выделение информационного сигнала обычно осуществляется с помощью ВЧ-фильтров, а созданные на их базе устройства, в общем случае, служат в качестве согласующего аппаратного интерфейса (coupling interface).

Рис. 2. Принцип передачи PLC-сигнала по силовым линиям (50 Гц)

Поскольку провода электросети одновременно являются физической средой передачи информационного сигнала, при выборе рабочей полосы частот необходимо принимать во внимание следующие факторы.

Во-первых, необходимо учитывать затухание сигнала при его распространении по электропроводке. Затухание имеет сильно выраженную зависимость от частоты сигнала и длины линии, что приводит, в конечном счете, к существенному ухудшению отношения сигнал/помеха.

Во-вторых, при выборе частотного диапазона для обеспечения электромагнитной совместимости оборудования следует также учитывать требования существующих нормативных ограничительных документов. В США действует стандарт FCC, в Европе — CENELEC. В этих стандартах для передачи данных по электросетям определены уровни напряжений PLC-сигнала и разрешенные диапазоны частот (см. рис. 3) в полосе 3…148,5 кГц (CENELEC) или 3…500 кГц (FCC). Нормы на допустимые уровни высокочастотных электромагнитных излучений приведены в соответствующих стандартах — FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011 и др.

Рис. 3. Распределение частот в стандарте CENELEC

В стандарте IEC 61334, который был утвержден в конце 1990-х гг., даны общие требования к системам автоматики с распределенными каналами связи, в которых в качестве физической среды для передачи данных используются электросети среднего и низкого напряжения. В настоящее время имеют силу следующие технические спецификации и стандарты МЭК (IEC — International Electrotechnical Commission) для узкополосной PLC-технологии [1]:

– IEC 61334-5-1: The spread frequency shift keying (S-FSK) profile (частотная манипуляция с расширением спектра);

– IEC 61334-5-2: Frequency shift keying (FSK) profile (частотная манипуляция);

– IEC 61334-5-3: Spread spectrum adaptive wideband (SS-AW) profile (адаптивный широкополосной профиль с расширенным спектром);

– IEC 61334-5-4: Multi-carrier modulation (MCM) profile (модуляция с несколькими несущими);

– IEC 61334-5-5: Spread spectrum-fast frequency hopping (SS-FFH) profile (профиль быстрого скачкообразного изменения частоты).

При частотной манипуляции (FSK) значениям 0 и 1 информационной последовательности соответствуют определенные частоты синусоидального сигнала c постоянной амплитудой. По сравнению с амплитудной манипуляцией ASK, модуляция типа FSK обеспечивает лучшую помехоустойчивость, поскольку помехи, как правило, вносят искажения амплитуды, а не частоты сигнала. Спецификации физического уровня (PHY), а также канального подуровня MAC (Media Access Control) для PLC-систем, в которых для передачи данных используется модуляция вида S-FSK, приведены в стандарте IEC 61334-5-1. Основное отличие между FSK и S-FSK заключается в том, что при модуляции типа S-FSK разнос частот F(0) и F(1), кодирующих 0 и 1 информационной последовательности, существенно больше, чем при модуляции FSK. В системах с использованием модуляции с расширением спектра вида S-FSK разнос частот составляет 10 кГц и не зависит от скорости передачи [1, 2, 6]. В системах S-FSK, по сути, на физическом уровне используется та же бинарная частотная манипуляция, что и в FSK-системах. При этом больший разнос частот позволяет увеличить помехоустойчивость при наличии узкополосных помех и вместе с тем сохранить простоту реализации метода. В стандарте IEC 61334-5-1 не регламентируются значения частот F(0) и F(1), т.к. они должны выбираться в соответствии с рекомендациями CENELEC. Предусматриваются две скорости передачи данных: 600 или 1200 бит/с, допускается также скорость передачи 2400 бит/с.

В технических спецификациях IEC 61334-5-4 описаны требования к системам, в которых для передачи данных применяется модуляция с несколькими несущими (Multi-Carrier Modulation — MCM). На физическом уровне предусматривается использование одного из видов MCM-модуляции, а именно, модуляции OFDM. Частоты поднесущих и их количество выбираются в соответствии с рекомендациями спецификаций IEC 61334-5-4, причем разнос частот поднесущих составляет 4,5 кГц. Для модуляции поднесущих рекомендуется применять относительную фазовую манипуляцию (Differential Phase-Shift Keying — DPSK). Чтобы увеличить надежность передачи при ухудшении параметров канала связи, в спецификациях IEC 61334-5-4 предусматривается возможность использования сверточного кодирования, что приводит, соответственно, к снижению в два раза скорости передачи данных. Для сохранения целостности данных рекомендуется применять CRC-коды, а использование специальной преамбулы гарантирует надежную синхронизацию даже в случае резкого ухудшения условий приема/передачи. Количество поднесущих (J) выбирается из соотношения 1 ≤ J ≤ N/2 – 1, где N = 64. Максимальная частота поднесущей — 139,5 кГц. Следует отметить, что в отличие от стандарта IEC 61334-5-1, MCM-спецификации не являются полноценным международным стандартом, а относятся к классу технических спецификаций. В этих спецификациях отсутствует множество требований, и поэтому они нуждаются в существенной доработке и уточнениях.

Производители

Ниже приведена информация о компонентах, разработанных для передачи данных в узкополосных PLC-сетях с использованием манипуляции типов FSK, S-FSK и BPSK. Ведущая роль в разработке и производстве однокристальных PLC-модемов принадлежит компаниям STMicroelectronics, ON Semiconductor и Advanced Digital Design S.A.

Компания STMicroelectronics (www.st.com) начала производство первых микросхем PLC-приемопередатчиков еще в 1990 гг. Для кодирования данных в них использовался метод частотной манипуляции (FSK), и они имели скорость передачи данных 1,2/2,4 Кбит/с. В последние годы компания предлагает микросхему PLC-модема ST7538Q и усовершенствованную модель ST7540 со скоростью передачи до 4,8 Кбит/с. ST7538Q и ST7540 — полудуплексные синхронно-асинхронные FSK-приемопередатчики, разработанные для передачи данных через силовые линии электропередачи. Микросхемы предназначены для использования в системах управления средствами автоматизации зданий, в т.ч. в системах безопасности и контроля температуры и освещенности, системах дистанционного управления уличным освещением, автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии [4, 5]. В модемах ST7538Q/ST7540 предусмотрено использование следующих несущих частот: 60/66/72/76/82,05/86/ 110/132,5 кГц. Выбор частот осуществляется на программном уровне.

Значения частот F(0) и F(1) , кодирующих 0 и 1 информационной последовательности, вычисляются из следующих соотношений [4]:

F(0) = Fнесущей + (ΔF)/2;

F(1) = Fнесущей – (ΔF)/2,

где ΔF — частотная девиация равная 1×скорость передачи или 0,5×скорость передачи. Таким образом, при скорости передачи 2400 бит/с частотная девиация может составлять 2400 или 1200 Гц.

Микросхема ST7538Q функционально совместима с выпущенной ранее ST7537 и изготавливается в корпусе TQFP-44, а ИС ST7540 — в корпусе HTSSOP-28.

В конце 2009 г. компания STMicroelectronics расширила семейство микросхем (ST7538Q/ST7540), ориентированных на использование в узкополосных PLC-сетях, выпустив новую микросхему PLC-модема ST7570 по технологии 0,18 мкм. Микросхема ST7570 представляет собой полудуплексный модем, в котором для передачи данных используется модуляция с расширением спектра S-FSK. Для формирования несущих применяется метод прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesizer — DDS). PLC-модем ST7570 предназначен для передачи данных по электрическим сетям низкого напряжения и соответствует требованиям стандартов EN50065 (CENELEC) и FCC part 15. Модем ST7570 содержит процессорное ядро 8051, а, кроме того, DSP-ядро. Связь с хост-контроллером поддерживается через интерфейс UART или SPI. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570 даны в таблице 1, структурная схема PLC-модема ST7570 приведена на рисунке 4.

Таблица 1. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570

Наименование

ST7540

ST7570

Стандарты

EN50065 (CENELEC)

EN50065 (CENELEC), FCC part 15

Скорость передачи данных, бит/с

4800

2400

Модуляция

FSK

S-FSK

Аппаратный ускоритель

AES (128 бит)

Процессорное ядро

нет данных

DSP + 8051

Встроенный протокол

IEC 61334-5-1 (PHY, MAC)

Интерфейсы

UART, SPI

Напряжение питания, В

7,5…13,5/3,3/5,0

Диапазон рабочих температур, °С

–40…85

Кол. выводов и тип корпуса (размеры, мм)

HTSSOP-28 (9,7×6,4)

QFN-48 (7×7)

Рис. 4. Структурная схема PLC-модема ST7570

Одна из ведущих компаний по производству интегральных микросхем — компания ON Semiconductor
(www.onsemi.com) — после приобретения компании AMI Semiconductor (www.amis.com), прежде хорошо известной как разработчик компонентов для узкополосной PLC-технологии, приступила к массовому выпуску однокристальных PLC-модемов. Микросхему PLC-модема AMIS-30585 компания AMI Semiconductor анонсировала еще в 2005 г. В настоящее время компания ON Semiconductor для организации низкоскоростных PLC-сетей предлагает полудуплексные модемы AMIS-30585/49587, предназначенные для передачи данных по линиям электропередач с низким и средним напряжением. Области применения модемов AMIS-30585/49587 следующие: автоматизированные системы удаленного считывания показаний датчиков, системы управления уличным освещением, устройства домашней автоматизации, а также системы охранной/пожарной и иной сигнализации. Основные параметры PLC-модемов AMIS-30585/49587 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры PLC-модемов AMIS-30585/49587

Наименование

AMIS-49587

AMIS-30585

Стандарты

EN50065 (CENELEC), IEC 61334-4-32, IEC 61334-5-1

Скорость передачи данных, бит/с

2400/2880

1200/1440

Модуляция

S-FSK

Полоса частот, кГц

9…95 (CENELEC А)

Процессорное ядро

ARM7 TDMI (16 бит)

Интерфейс

SCI

Напряжение питания, В

3,3

Диапазон рабочих температур, °С

–25…70

–40…85

Кол-во выводов и тип корпуса (размеры, мм)

PLCC-28 (12,4×12,4)

Предназначенный для работы в расширенном диапазоне температур новый модем AMIS-49587 был анонсирован в конце 2009 г. Он обеспечивает скорость передачи данных до 2400 или 2880 бит/с, соответственно, при частоте сети 50 или 60 Гц. Кроме того, предусмотрена возможность работы со скоростью 300/600/1200 бит/с. Для кодирования данных используется модуляция вида S-FSK (IEC 61334-5-1). Значения частот F (0) и F (1), выбираются из диапазона частот 9…95 кГц (полоса CENELEC А), разнос частот F(0) и F(1) составляет 10 кГц. В новом модеме AMIS-49587 реализованы также требования спецификаций раздела IEC 61334-4-32 LLC (Logical Link Control). При динамическом диапазоне сигнала 40 дБ гарантируется частота появления ошибочных кадров (Frame Error Rate — FER) на уровне 0%. При динамическом диапазоне 80 дБ FER составляет уже 8% [6]. Длина кадра — 288 бит. Чувствительность приемника 0,4 мВ. Встроенная система ФАПЧ синхронизирована с частотой электросети (50/60 Гц) и используется для синхронизации передачи данных на скоростях 300/600/1200/2400 бит/с. В качестве вычислительного ядра используется 16-разрядное процессорное ядро ARM 7TDMI. Для связи с хост-контроллером реализован асинхронный двухпроводный интерфейс (TxD, RxD). Микросхемы AMIS-30585/49587 выпускаются в корпусе PLCC-28 и совместимы между собой по расположению выводов.

Испанская компания Advanced Digital Design S.A. (ADD) со штаб-квартирой в Сарагосе — одна из ведущих компаний по разработке IP-ядер, заказных микросхем ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) и систем на кристалле (System-on-a-Chip — SoC). Для PLC-коммуникаций компания ADD (www.addsemi.com) предлагает для использования в автоматизированных системах управления/контроля AMM (Automated Meter Management) и системах удаленного считывания показаний датчиков типа AMR (Automatic Meter Reading) ряд законченных решений для создания интеллектуальных узлов сети. Среди них система на кристалле ADD1000B (с поддержкой протокола KNX), а также функционально-законченный PLC-модем ADD1010, содержащий стандартное 8-разрядное процессорное ядро 8051, контроллер MAC-уровня ADD1210 и собственно PLC-модем ADD1310. Структурная схема ADD1010 приведена на рисунке 5. Для передачи данных в модеме используется модуляция FSK и S-FSK в соответствии с требованиями спецификаций IEC61334-5-2 и IEC61334-5-1. На MAC-уровне ADD1010 поддерживает протоколы EHS, KNX и IEC61334-4-32. Скорость передачи данных находится в диапазоне 0,6…4,8 Кбит/с, частота несущей — 60…132,5 кГц. В реализованных в модеме протоколах предусмотрено также использование CRC- и FEC-кодов. Напряжение питания модема 3,3 В. Кроме того, компания ADD разработала и предлагает ряд других решений на базе программируемой логики Xilinx (XC4000XLA и Virtex E).

Рис. 5. Структурная схема PLC-модема ADD1010

В PLC-оборудовании, например компании ZIV Medida или Echelon Corp., для передачи данных используется модуляция типа BPSK (Binary Phase Shift Keying — двоичная фазовая манипуляция). Системы, построенные на базе BPSK, в сравнении с системами, в которых используется модуляция типа ASK или FSK, обеспечивают более низкую вероятность ошибок при приеме/передаче данных [1, 3]. Для реализации технологии LonWorks при построении сетей с использованием электропроводки компания Echelon Corp. (www.echelon.com) выпускает приемопередатчики серии Power Line Smart Transceivers — PL 3120/3150/3170, содержащие 8-разрядное процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 10…20 МГц.

Заключение

Рассмотренные стандарты и спецификации далеко не единственные из существующих. На практике, кроме перечисленных, наибольшее распространение в настоящее время получили спецификации HomePlug C&C [3], продвигаемые альянсом HomePlug Powerline Alliance, а также спецификации, предложенные европейским альянсом PRIME. В спецификациях HomePlug C&C предусмотрено использование модуляции с расширением спектра типа DCSK, обеспечивающей скорость передачи данных до 7,5 Кбит/с. Альянс PRIME для узкополосной PLC-технологии разработал требования к системам, в которых используется OFDM-модуляция с возможностью адаптации к параметрам физической среды передачи. Применение этого метода позволило в полосе частот 42…89 кГц (CENELEC A) поднять скорость передачи данных до 128 Кбит/с.

Европейский парламент принял декрет, в котором провозглашается, что в странах членах Европейского Союза к 2022 году все потребители электричества должны быть снабжены интеллектуальными электронными электросчетчиками. В докладе американской Федеральной комиссии по регулированию в области энергетики FERC (Federal Energy Regulatory Commission) констатируется, что интеллектуальные электросчетчики составляют примерно 5% от общего их количества. В Китае инвестируются большие средства в проекты создания автоматизированных сетей с целью ужесточения контроля потребления электроэнергии. Несомненно, что вместе с развитием и повсеместным внедрением автоматизированных систем учета и контроля электроэнергии большие перспективы имеет и сопутствующая им PLC-технология.

Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и ИМС PLC-модемов можно найти в [1–6].

Литература

1. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/part 4. — OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com).

2. Description of the state-of-the-art PLC-based access technology. D2.1/part 2. — OPEN Meter, 2009 (www. openmeter.com).

3. HomePlug Command & Control (C&C). Overview. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance, 2008 (www.homeplug.org).

4. ST7538Q. FSK power line transceiver. — STM, 2006 (www.st.com).

5. ST7570. S-FSK power line networking system-on-chip. — STM, 2009 (www.st.com).

6. AMIS-49587. Power Line Carrier Modem. Product Preview. — ON Semiconductor, 2009 (www.onsemi.com).



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Виктор Охрименко, техн. консультант, НПФ VDMAIS



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты