Михаил Чигарев (КОМПЭЛ)
Статья посвящена практической реализации передачи данных по электрическим сетям. Подробно рассматриваются наиболее востребованные на рынке PLC-модемы: AMIS-30585 от компании ON Semiconductor и ST7540 от STMicroelectronics, а также – реализация PLC-модема на базе DSP-платформы C2000 от Texas Instruments.
Использование сети 220 В в качестве средства для передачи данных между двумя или несколькими устройствами давно будоражит умы разработчиков. Каких то 10-15 лет назад идея организации связи по бытовой электросети казалась шуткой и вызывала улыбку. В наши дни передача данных по высоковольтной сети не вызывает удивления и имеет вполне хорошие шансы на коммерческий успех. Самое очевидное преимущество использования высоковольтных коммуникаций для передачи данных - отсутствие необходимости прокладывать кабель и осуществлять монтажные работы. Для отечественных разработчиков наиболее перспективными областями применения данного вида связи являются системы удаленного сбора данных со счетчиков, охранные системы, системы типа «умный дом».
К сожалению, даже низкоскоростная передача данных по бытовой сети переменного тока пока не получила в нашей стране широкого распространения. Этому есть ряд причин - как низкое качество отечественных силовых коммуникаций, так и не слишком большая осведомленность рынка о модемах для этого типа передачи данных.
Заинтересовавшись темой разработки PLC-модемов, автор статьи потратил не одну неделю на поиск необходимой информации. При выборе решения, на основе которого можно было бы реализовать такой модем, особых сложностей не возникло. Практически сразу же были выбраны предложения от трех известных производителей микросхем - ON Semiconductor, STMicroelectronics и Texas Instruments.
При более глубоком изучении предлагаемой технической документации наибольшее число вопросов вызвала организация аналоговой части PLC-модема, тогда как по цифровой части в документации была вполне исчерпывающая информация. Какие параметры должны быть у изолирующего трансформатора? Какие требования предъявляются к элементной базе, и какими должны быть характеристики фильтров? Предлагаемая статья открывает цикл публикаций на тему практической реализации PLC-модемов и посвящена построению их аналоговой части.
Типовая структурная схема PLC-модема (рисунок 1) состоит из четырех основных частей.
Рис. 1. Структурная схема PLC-модема
Входная часть обеспечивает изоляцию, фильтрацию и усиление передаваемых и принимаемых аналоговых сигналов. Сердцем PLC-модема является микросхема модема, трансивера или DSP, которая организует протокол передачи данных, а также отвечает за физическую реализацию передачи (формирование несущей частоты, модуляция, демодуляция, фильтрация и т.д.). Для управления ИМС модема, как правило, необходим внешний контроллер, а для питания всей схемы используется источник питания, работающий от той же сети переменного тока, которая используется и для передачи данных.
ON Semiconductor AMIS-30585
Компания ON Semiconductor предлагает для организации передачи данных по силовым сетям специализированную микросхему модема AMIS-30585. Для передачи данных в AMIS-30585 используется S-FSK модуляция (разнос частот по умолчанию - 10 кГц), а несущая частота программируется в диапазоне 9...95 кГц. Максимальная скорость передачи 1200 бит/c. Особенностью данной микросхемы является наличие встроенного микроконтроллера с ядром ARM7-TDMI, что обеспечивает внутрисхемную реализацию MAC-уровня. Эта особенность является основным преимуществом перед решениями других производителей. Помимо данного модема, ONS предлегает pin-to-pin-совместимый модем AMIS-49587 со скоростью передачи данных до 2400 бит/с.
Входная часть модема на основе решений от ONS (рисунок 2) включает в себя: изолирующий трансформатор с разделительным конденсатором (по сути - пассивный ФВЧ), драйвер (усилитель мощности), приемный канал, изолятор на оптроне для получения синхронизирующего сигнала частотой 50 Гц и дополнительный канал для получения сигнала управления мощностью передатчика (обратная связь с передатчиком).
Рис. 2. Принципиальная схема входной части модема на основе AMIS-30585
Данная схема для модема на основе AMIS-30585 достаточно проста и не требует экзотической элементной базы, поэтому может быть модифицирована или использована в готовом виде в сочетании с любой другой ИМС модема. Это утверждение в целом справедливо и для всех иных схем, представленных в статье.
Передача данных от счетчиков посредством PLC-модемов наиболее распространена во Франции. По этой причине производством изолирующих трансформаторов для таких модемов занимаются нишевые французские и немецкие компании, а сами трансформаторы не слишком доступны. Из наиболее доступных рыночных вариантов были выбраны трансформаторы фирмы Vigortronix - VTX-111-010 и VTX-111-004.
Драйвер линии реализован на операционном усилителе OPA561 c высоким значением выходного тока (до ±1,2 A). Это связано с тем, что драйверу приходится работать на нагрузку порядка 5 Ом. Выходной ток OPA561 в этой схеме ограничен 0,6 А с помощью резистора 10 кОм между четвертым выводом и минусом питания. Помимо функции раскачки линии, OPA561 также выполняет функцию ФНЧ. Смоделированная АЧХ такого фильтра изображена на рисунке 3.
Рис. 3. АЧХ передающей части
Поскольку выход ОУ отключается наличием на выводе E/S отрицательного напряжения питания, а выходная логика AMIS-30585 имеет уровни 0 и +3,3 В, для управления отключением выхода усилителя добавлена схема на транзисторах BC857 и BC847. Следует иметь в виду, что корпус данного ОУ имеет "Power Pad" для отвода тепла, который следует электрически соединить с минусом питания.
Приемник и канал управления мощностью передатчика схемотехнически повторяют друг друга и реализованы на сдвоенном ОУ NE5532. По сути это - ФВЧ, основная задача которого - подавить сигнал частотой 50 Гц. Такой фильтр позволяет получить ослабление до -90 дБ на частоте 50 Гц. Выход приемного канала соединяется с входом интегрированного в AMIS-30585 операционного усилителя, на котором также реализуется ФВЧ с ослаблением порядка -80 дБ, что в сумме дает ослабление до -170 дБ на частоте 50 Гц. АЧХ фильтра на NE5532 приведена на рисунке 4. Разумеется, с учетом пассивной фильтрации и входная, и выходная части являются более узкополосными.
Рис. 4. АЧХ приемной части
Для пакетной передачи данных AMIS-30585 требуется синхронизирующий сигнал, который несет в себе информацию о пересечении нуля сетевым напряжением частотой 50 Гц. Для этой цели добавлена схема на оптроне PC817С. Выходной сигнал этой схемы - импульсы частотой 50 Гц, амплитудой от 0 до напряжения VDD. Передний и задний фронты этих импульсов соответствуют пересечениям нуля сетевого напряжения.
На рисунке 5 изображена упрощенная схема включения AMIS-30585. Собственно, это минимум того, что необходимо для работы данной микросхемы. В зависимости от приложения, в котором используется PLC-модем, разработчику предстоит выбрать управляющий микроконтроллер. Более подробную информацию можно найти в технической документации на AMIS-30585.
Рис. 5. Упрощенная схема включения AMIS-30585
STMicroelectronics: ST7540
ST7540 - решение для PLC модема от STMicroelectronics. Отличительной особенностью этой микросхемы является наличие интегрированного усилителя мощности и двух линейных стабилизаторов напряжения на 5 и 3,3 В. На этом решении могут остановиться и разработчики, которые уже имеют свой собственный протокол передачи данных по последовательному интерфейсу, например, при переходе от передачи данных по RS-485 к передаче тех же данных посредством PLC. Входная часть модема на ST7540 показана на рисунке 6.
Рис. 6. Принципиальная схема входной части модема на основе ST7540
АЧХ активной части передатчика в целом похожа на АЧХ усилителя мощности для AMIS-30585 (полоса пропускания около 100 кГц, усиление в полосе 9 дБ) поэтому этот график не приводится. В документации на отладочный набор STMicroelectronics приводит более интересные характеристики (рисунок 7), а именно АЧХ приемной и передающей частей с учетом пассивной части (выделена красным на рисунке 6).
Рис. 7. АЧХ передающей и приемной частей
При реализации входной части PLC-модема возможно использование неизолированного решения (рисунок 8). В этом случае при сопряжении микросхемы модема с внешним устройством (микроконтроллер, микросхема интерфейса) следует применять цифровой изолятор интерфейсов, например, изолятор с емкостным барьером серии ISO7x от Texas Instruments.
Рис. 8. Неизолированная входная часть
Texas Instruments: C2000
Компания Texas Instruments в качестве коммуникационной микросхемы предлагает использовать цифровой сигнальный процессор (DSP) серии C2000 (рисунок 9). Преимуществом данного решения является то, что выбор типа модуляции, обеспечение протокола передачи и кодирования данных полностью предоставлено разработчику. Казалось бы, усложнение разработки не является преимуществом перед конкурентами, однако в этом случае у разработчика появляется возможность разработать свой собственный способ помехозащищенной передачи данных, что крайне важно в условиях реалий отечественных бытовых сетей. В итоге, решение на основе DSP может оказаться единственным жизнеспособным в нашей стране. Что каcается финансовой стороны вопроса, то самый простой DSP серии Piccolo от Texas Instruments (которого вполне достаточно для выполнения описанных задач) стоит дешевле микросхемы PLC-модема.
Рис. 9. Структурная схема сопряжения DSP и аналоговой части
Собственно при разработке аналоговой части для этого решения можно опираться на описанные выше схемы. Однако, следует учитывать один важный момент - это предлагаемый способ формирования несущих частот с использованием TMS320F280x, который графически продемонстрирован на рисунке 10.
Рис. 10. Формирование несущей частоты в модеме на DSP от Texas Instruments
Очевидно, что от аналоговой передающей части в данном случае требуется просуммировать сигналы с выходов ШИМ и затем отфильтровать высшие гармоники спектра суммарного сигнала, чтобы получить необходимый гармонический сигнал.
Заключение
Несколько слов об отладочных средствах для описанных выше решений. ON Semiconductor предлагает отладочный набор AMIS49587EVK для микросхемы модема AMIS-49587, которая pin-to-pin-совместима с AMIS-30585. Для отладки решения на основе ST7540 потребуются 2 платы: непосредственно плата с трансивером (EVALST7540-1) и коммуникационная плата (EVALCOMM) с микроконтроллером ST7 (ST72F651AR6), обеспечивающая связь с ПК через порты USB и RS-232.
Texas Instruments предлагает отладочный набор TMDSPLCKIT-V1. Отладочная плата состоит из источника питания, аналогового front-end'а и платы с установленным DSP. Все отладочные наборы содержат необходимое программное обеспечение для управления целевыми платами. Более подробная информация дается на официальных сайтах производителей.
