HRP-N3 - серия источников питания с максимальной пиковой мощностью в 350% от MEAN WELL

Простая схема для передачи информации по низковольтным силовым линиям

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2013

Julia Truchsess

Electronic Design

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Схема решает проблему информационного обмена по кабелю, в котором не осталось свободных проводов. Амплитудно-манипулированный сигнал несущей частоты может передаваться по линиям низковольтного питания.

Иногда возникает необходимость организовать обмен данными, когда для выделенной линии связи в кабеле устройства уже не осталось неиспользованных проводников. Обычно такая задача решается с помощью высокочастотной несущей, модулированной данными и передаваемой по силовым линиям, в частности, по проводам домашней электропроводки.

Поиски в Интернете показали, что, несмотря на актуальность этой проблемы для многих разработчиков, простых, дешевых и надежных решений для низковольтных систем никто не предлагает. Ниже описан результат попытки восполнить это пробел. Имейте ввиду, что без обеспечения специальных схемотехнических мер безопасности эта схема для высоковольтных приложений непригодна.

Устройство, для которого потребуется лишь пригоршня дискретных компонентов и пара микросхем, может надежно передавать и принимать данные на скоростях до 32 кбит/с при частоте несущей 2.6 МГц. Вероятно, эту скорость можно многократно увеличить, если использовать более высокую несущую частоту и соответствующим образом изменить номиналы компонентов. Схема может работать на кабель емкостью до 10 нФ и имеет низкий уровень электромагнитных излучений. Она передает данные в стандартном последовательном асинхронном формате, совместимом с UART, но разработчикам ничто не мешает использовать манчестерское кодирование или иные протоколы.

Для простоты использована амплитудная манипуляция несущей и не предусмотрено никаких схемотехнических решений для подавления собственных шумов, кроме хорошего отношения сигнал/шум. При желании разработчики могут реализовать программное обнаружение и коррекцию ошибок.

Простая схема для передачи информации по низковольтным силовым линиям
Рисунок 1.
Если в кабеле устройства не осталось свободных проводников, эта сравнительно простая схема позволит обмениваться данными по линии низковольтного питания.

PIC микроконтроллер по набору периферии идеально подходит для нашей схемы. В частности, будет использован его модуль ШИМ или программируемый таймер для генерации прямоугольных импульсов сигнала несущей, а также быстродействующий компаратор с rail-to-rail входами (Рисунок 1). Разумеется, при наличии соответствующих периферийных устройств, можно использовать любой другой микроконтроллер.

В схеме показаны два трансивера. Приемопередатчик 1 (слева) является «удаленным» узлом, получающим питание от «базового» Приемопередатчика 2 (справа). Индуктивности L1 и L2 изолируют высокочастотную несущую от низкоимпедансной шины питания.

Нескольких узлов можно соединить в многоточечную шину, если каждый узел отелить от силовой линии развязывающей индуктивностью. Можно использовать небольшие индуктивности для поверхностного монтажа, но их рабочий ток должен с некоторым запасом обеспечивать питание нагрузки.

Передающая часть трансивера сделана на одноканальном трехстабильном драйвере шины U2 семейства TinyLogic (Fairchild). Выходы драйвера подключены к шине через элементы R1 и C1. Резистор R1 обеспечивает некоторую фильтрацию, снижающую уровень электромагнитного излучения, создаваемого крутыми фронтами прямоугольной несущей.

Точка подключения приемника образована элементами C2, D2 и D3, за которыми следуют два пиковых детектора. Первый детектор, с постоянной времени, равной примерно одной третьей длительности информационного бита, демодулирует несущую для восстановления синхронизации данных. Второй, с постоянной времени приблизительно в 50 раз превышающей длительность бита данных, адаптивно восстанавливает уровень несущей. Резисторы R3 и R5 делят этот уровень примерно до двух третьих от амплитуды несущей.

Выходы обоих детекторов подключены к входам внутреннего аналогового компаратора микроконтроллера, окончательно формирующего прямоугольные сигналы данных, которые через внешнюю цепь поступают затем на UART. Резистор R4 слегка смещает вверх неинвертирующий вход компаратора, чтобы в отсутствие обмена обеспечить предсказуемый уровень «лог. 1».

Необходимо отметить, что вход и выход трансивера всегда соединены вместе, поэтому надо позаботиться о том, чтобы программа игнорировала сигналы, принимаемые от собственного передатчика.

Простая схема для передачи информации по низковольтным силовым линиям
Рисунок 2.
Исходные данные (желтый) модулируют несущую, передаются по линии питания (синий) и точно восстанавливаются на выходе компаратора (розовый).

На Рисунке 2 желтой осциллограммой представлены исходные цифровые данные, посылаемые удаленным трансивером в передающий порт UART. Синим цветом показан результат модуляции несущей, наблюдаемый на шине питания. Розовым цветом обозначен демодулированный и восстановленный сигнал, поступающий с выхода компаратора на вход RXD UART.

Простая схема для передачи информации по низковольтным силовым линиям
Рисунок 3.
Осциллограмма, иллюстрирующая процесс демодуляции и восстановления данных. На этом рисунке: модулированный сигнал (синий), инвертирующий вход компаратора (желтый), неинвертирующий вход компаратора (зеленый), восстановленные данные (розовый).

Рисунок 3 иллюстрирует детали процесса демодуляции и восстановления данных. Входной амплитудно-манипулированный сигнал (синий) после обработки двумя детекторами поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора (желтый и зеленый, соответственно). Данные, восстановленные на выходе компаратора, изображены розовым цветом.


Несколько слов об авторе

Джулия Трачсесс (Julia Truchsess) сделала успешную карьеру, создав ряд электронных игрушек, включая MicroJammers, Rhythm Rods и Singing Bouncy Baby, многие из которых выпускались миллионными тиражами. В конце 1990-х Джулии пришла в голову идея цифровых фоторамок, производство которых вскоре было организовано под брендом Digi-Frame. После дебюта Digi-Frame похожую продукцию начали выпускать многие крупные компании, но, по словам обозревателей, Digi-Frame была «Роллс-Ройсом среди рамок».

Джулия с одной из крупных моделей Digi-Frame
Джулия с одной из крупных моделей Digi-Frame. (Фото: David Friedman)

Джулия возглавляет компанию Pragmatic Designs (www.pragmaticdesigns.com), созданную в 1986 г.

Джулия в домашнем офисе со своим мужем
Джулия в домашнем офисе со своим мужем. (Фото: David Friedman)
 
Рабочее место Джулии
Рабочее место Джулии. (Фото: David Friedman)

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Simple Circuit Communicates Over Low-Voltage Power Lines

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • ...все хорошо, да не указано какого растояние?....нафиг если до соседей....
  • Когда то, насколько я помню, в семидесятые годы идею организовать связь по силовой сети пытался, но дальность действия ограничивалась ближайшей трансформаторной подстанцией.
  • Такая штука полезна в случаях, когда требуется совместная работа двух человек. Например, настройка видеокамер, когда один сидит на лестнице и крутит объектив, а другой пялится в большой монитор и командует. Точная фокусировка с видеотестером невозможна из-за малого размера экрана, а большой монитор с собой на лестницу - не всегда удобно.
  • Да в 74 система работала. Успешна. В пределах одной фазы. (в одном доме). У нас даже с соседними. В те года это был прорыв. Сейчас-то на кой????
  • Схема весьма полезна. Но не вздумайте подключаться таким образом к 220В! Схемотехника не позволяет. В тексте стоило выделить «Имейте ввиду, что без обеспечения специальных схемотехнических мер безопасности эта схема для высоковольтных приложений непригодна». Ввиду того, что схема простая, считаю её хорошей практикой перед построением серьёзного PLC приёмопередатчика, но поработать тут можно только с программным кодом, например, отладить обнаружение ошибок. Для реальной силовой сети придётся переделывать «физический уровень»: развязку, входной/выходной усилители, генератор несущей (на практике синус, гораздо меньшей частоты) и т.д. Для сетей выше 660В основные сложности возникают с приёмником. Кто не знаком с тематикой, может посмотреть, хотя бы, схемы согласования из даташитов типовых интегральных решений (новых и устаревших, тех что на слуху) TDA5051, MAX2981/91, КР1446ХК1, ST7540/70/80/90, LM2893 не считая схем на частотных декодерах NE/LM567 (своеобразные «компараторы», настроенные на частоту). Сейчас существуют «монстры», выпускаемые AD и TI по формуле MCU + AFE. Нужно смотреть на сайтах все новинки. Можно также посмотреть на аппаратуру передачи ВЧ сигналов релейной защиты и управления между высоковольтными подстанциями. Это, безусловно, отдалённый пример. Но, по аналогии, роль ВЧ заградителей в обсуждаемой статье играют L1, L2. Но вот ни задача: с ростом «загрязнения» силовой сети (например, на производстве с большим количеством асинхронных приводов), и обозначенные микросхемы перестают работать. И это кроме борьбы с паразитными параметрами кабеля. Тогда «наворачивается» схемотехника и, уж извините, борьба идёт за каждый бит – о передаче видео мечтать не приходится. А приходится браться за освоение физики процесса, если речь идёт именно о передаче данных в АСУТП, а не о простом «да/нет» управления освещением или считывании показаний счётчика электроэнергии. Так почему бы ни начать с физики низкого напряжения приведённого «модулятора/демодулятора», не вспоминая далёкие 70е с их комсомольскими рекордами и проводным радио. Я думаю, что природа творчества неизменна, но постоянно нужно осваивать новые инструменты. P.S. Если при настройке систем видеонаблюдения до напарника не докричаться, не работает мобильная связь, отказываются работать портативные рации – то конечно, катушке связиста альтернативы нет :-) [URL="http://rubej.at.ua/_fr/3/9104918.jpg"]http://rubej.at.ua/_fr/3/9104918.jpg[/URL], [URL="http://waralbum.ru/wp-content/uploads/2010/11/IMG_1861.jpg"]http://waralbum.ru/wp-content/uploads/2010/11/IMG_1861.jpg[/URL]. Она же решает вопрос с расстоянием – сколько отмотал, столько и получил :-) Но для передачи голоса придётся осваивать алгоритмы сжатия речи – залазить в область телефонии, а иначе – зачем тогда в схеме микроконтроллер :-)
  • схема, четко и однозначно прописано, предназначена, для низковольтных цепей, т.е. с напряжением до 36 вольт. ни о каких 220 и выше речи и идти не может. далее - такие схемы на практике работают с середины 90 годов и расстояния передачи-приема до полутора километров. если без ухищрений, типа усилителей. применяются в охранных и пожароохранных комплексах и комплектах. и еще посмотрите как работает CAN шина на автомобилях и сравните с этой схемой. Так, что автор, точнее авторша, обыкновенный плагиатор, у нас тоже такие печатаются. оговорка по поводу плагиатора: статью читал в переводе, может быть в подлиннике и говорит автор о том, что схемное решение реализовано на давно известном принципе, но по такой схемотехнике. читать в подлиннике не считаю необходимым, так как ничего нового не узнаю. повторюсь, но с середины 90 годов устанавливаю, налаживаю, обслуживаю и ремонтирую такие системы. да, для передачи аналоговых сигналов не подойдет. только цифра.
  • Ну для таких целей ведь есть Homeplug Powerline адаптеры для сети 220В и даже недорогие.
  • В оригинале, приблизительно, то же. Если "no widely publicized" перевести как "никто не предлагает". Приходилось иметь дело с датчиком, обмен данными с которым велся по шине питания. Не из-за жадности, а физической невозможности добавить провод (датчик вращался). Протокол был такой: на время передачи байта питание прерывалось (датчик питался от конденсатора, варистора). Имхо, этот вариант лучше :).
  • Два года пользуюсь TL-PA211 - Скорость до 200 Мбит\с, зона действия до 300 метров по одной фазе. В чём проблема ? Копируй эту железяку у TP-Link и не морочь гАлОву...:cool:
  • Есть сцыла, откуда копировать?
Полный вариант обсуждения »