На замену AMIS: новый универсальный PLC-модем компании ON Semiconductors

Андрей Самоделов (г. Москва)

Обмен информацией по питающей сети без дополнительного инфоканала – это PLC-модемы. Новый универсальный PLC-модем NCN49597 от ON Semiconductor – это дополнительный диапазон частот передачи 95...125 кГц, более высокая предельная скорость обмена данными по силовой сети и SCI-интерфейсу, гибкая поддержка программных протоколов. Применение – интеллектуальные сети учета потребления ресурсов Smart Grid и системы сбора данных.

Ставшие уже привычными за рубежом решения для развертывания систем управления на базе PLC-модемов пока еще только приобретают популярность на отечественном рынке систем промышленной автоматики. В одной из предыдущих статей, посвященных PLC-модемам, была подробно описана микросхема AMIS-49587 и ее применение. В данной статье будет дан анонс нового PLC-модема NCN49597 компании ON Semiconductor и сделано небольшое сравнение с AMIS-49587.

 

PLC модем NCN49597

Микросхема NCN49597 компании ON Semiconductor – это удовлетворяющий стандарту IEC 61334-5-1 PLC-модем, использующий spread-FSK (S-FSK)-модуляцию для надежной низкоскоростной передачи данных по силовым линиям. Микросхема NCN49597 создана на базе высокопроизводительного процессора с ядром ARM Cortex M0, что позволило обеспечить поддержку всех уровней протокола обмена данными, включая MAC-уровень. Использование одного из самых надежных видов модуляции, S-FSK, позволяет обмениваться данными по силовым сетям на большие расстояния. Работа в полудуплексном режиме автоматически синхронизируется с частотой силовой сети и позволяет обмениваться данными со скоростью до 4800 бит/сек. Микросхема конфигурируется через последовательный интерфейс, что позволяет пользователю сконцентрироваться на разработке прикладного программного обеспечения. В NCN49597 реализована технология смешанной обработки сигналов компании ON Semiconductor, объединяющая на одном кристалле как аналоговые схемы, так и цифровые модули обработки сигнала. Основные параметры микросхемы NCN49597, а также сравнительная характеристика с микросхемой AMIS-49587 предыдущего поколения от ON Semiconductor приведена в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров AMIS-49587 и NCN49597

Параметр		AMIS-49587	NCN49597
Частота сети, Гц		50/60
Поддержка стандартов		IEC 61334-5-1, CENELEC EN 50065-1
Поддержка уровней протокола		от PHY до MAC
Частоты передачи		9...95 кГц; шаг 10 Гц	CENELEC A: 9...95 кГц; CENELEC B: 95...125 кГц; шаг 10 Гц
Вид обмена		полудуплекс
Скорость обмена, бит/с	(50 Гц)	300; 600; 1200; 2400	300; 600; 1200; 2400; 4800
	(60 Гц)	360; 720; 1440; 2880	360; 720; 1440; 2880; 5760
Синхронизация с силовой сетью		есть
Контроль передачи		алгоритм повторных посылок
Интерфейс к прикладному процессору	Тип интерфейса	SCI
	Скорость обмена, кбит/с	4.8; 9.6; 19.2; 34.4	9.6; 19.2; 38.4; 115.2
Напряжение питания, В		3.3
Температурный диапазон, °C		–40...80
Тип корпуса		PLCC 28, QFN-52	QFN-52

Как видно из таблицы, микросхема NCN49597 по сравнению со своей предшественницей AMIS-49587 позволяет работать в диапазоне частот CENELEC B (95...125 кГц), имеет более высокую предельную скорость обмена данными по силовой сети (4800 бит/с, для 50 Гц и 5700 бит/с, для 60 Гц) и имеет более высокую скорость обмена данными (до 115.2 кбит/с) по SCI-интерфейсу.

Основными областями применения NCN49597 являются чтение информации с удаленных датчиков и системы охранной сигнализации.

Отличительные особенности NCN49597/NCN49599

Микросхемы NCN49597/NCN49599 имеют следующие отличительные особенности, которые ставят их в один ряд с лучшими изделиями ведущих мировых производителей PLC-модемов:

• Два канала со скоростью обмена 4800 Бод;
• Функция автоматической синхронизации бит AutoBitSync;
• Возможность работы в диапазонах CENELEC A,B,C,D;
• Использование для управления современного микроконтроллера с малой потребляемой мощностью;
• Гибкая поддержка программных, стандартных и пользовательских протоколов за счет возможности перепрограммирования и наличия внутренней flash памяти программ объемом 32кбайт;
• Высокая скорость обмена данными/надежность - лучшее соотношение MV/LV;
• Простота миграции;
• Возможность подключения стандартной периферии, такой как ЖКИ или ИС датчиков, за счет наличия 10 линий ввода/вывода общего назначения;
• Лучшее в своем классе соотношение сигнал/шум;
• Возможность использования в приложениях для интеллектуальных сетей (Smart Grid);
• Малое количество необходимых внешних компонентов.

Готовится к выпуску микросхема NCN49599, аналогичная по параметрам NCN49597, которая отличается от нее наличием интегрированного драйвера передатчика. Обе микросхемы работают в полудуплексном режиме с S-FSK-модуляцией и с синхронизацией относительно силовой сети. Скорость обмена данными выбирается из ряда 300-600-1200-2400-4800 Бод (для сетей 50 Гц) или 360-720-1440-2880-5760 Бод (для сетей 60 Гц). В обоих случаях это соответствует передаче 3, 6, 12, 24 или 48 бит данных за один полупериод частоты силовой сети.

Автоматическая синхронизация (AutoBitSyn)

Одним из важных усовершенствований в PLC-модемах NCN49597/NCN49599 явилось использование технологии автоматической компенсации задержек AutoBitSyn, которая явилась ключом к увеличению производительности. Использование детектора нуля сетевого напряжения (Zero Cross Detector) вместо стартового бита позволило повысить точность синхронизации и увеличить помехоустойчивость системы передачи данных.

Наличие встроенного процессора с ядром CortexM0 позволило реализовать новые, достаточно сложные алгоритмы для оптимизации соотношения сигнал/шум в канале обмена данными. Сравнение возможностей гибкой настройки протоколов обмена данными в PLC-модемах NCN49597/NCN49599 и AMIS-30585/AMIS-30587 приведено в таблице 3. В таблице 2, для сравнения, приведены электрические характеристики PLC-модемов NCN49597/NCN49599 и AMIS-30585/AMIS-30587.

Таблица 2. Электрические характеристики PLC-модемов On Semi

Тип микросхемы	Макс. скорость обмена, бит/с	Диапазоны Cenelec	Встроенный процессор	Tmax, °C	Работа	Автоскорость	Режим надежности	Тип корпуса
PLC-модемы для датчиков
AMIS-30585	1200	A	ARM7	85	AC			PLCC
AMIS-30587	2400	A, B	ARM7	85	AC			PLCC, QFN
PLC-модемы для интеллектуальных сетей
NCN45597/45599	9600	A, B, C, D	Cortex-M0	125	AC+DC	+	+	QFN

Таблица 3. Функциональные характеристики PLC-модемов On Semi

Тип микросхемы	Прикладное ПО	Тип памяти программ	Доступные программные стеки	Приложения
AMIS-30585		ROM	IEC61334-5-1 PLAN	Измерения
AMIS-30587		ROM	IEC61334-5-1 PLAN+	Измерения
NCN45597 / NCN45599	+	ROM	IEC61334-5-1 PLAN+	Измерения
			IEC61334-5-1 PLAN+ с несколькими несущими	Измерения, обратная совместимость с PLAN
		RAM	IEC61334-5-1 PLAN+	Измерения
			IEC61334-5-1 PLAN+ с несколькими несущими	Измерения, обратная совместимость с PLAN
			KNX с одной/несколькими несущими	Интеллектуальные сети (солнечные электростанции, системы освещения, HAN, IHD)
			Целиком пользовательские	Интеллектуальные сети, прочее

Программная память NCN45597/NCN45597 может загружаться из внешнего последовательного ОЗУ или внешним MCU через UART-интерфейс. Выбор типа загрузки определяется комбинацией уровней сигналов на соответствующих выводах микросхем.

NCN49597/599 - микросхемы, поддерживающие несколько несущих

PLC-модемы NCN49597/599 имеют два параллельно работающих канала с S-FSK модуляцией и могут применяться с ограничениями в диапазоне CENELEC A и IEC61334-5-1 для AMR приложений и великолепно работают с другими протоколами.

Каждый канал микросхем может работать на двух несущих при скорости обмена 4800 Бод. Интересной для систем с повышенными требованиями к помехоустойчивости является технология чередования каналов, которая проиллюстрирована на рисунке 1 и подробно описана в таблице 4.

Рис. 1. Чередование каналов

Таблица 4. Чередование каналов

Режимы	Скорость обмена/битрейт, Бод	Канальный режим	Совместимость с IEC61334-5-1
Совместимость	2400/2400	Одноканальный	Соответствует
Надежность	n*4800/4800	Многоканальный	Совместимо
Скорость	n*4800/n*4800	Многоканальный	Сосуществует

Ключевые особенности технической реализации NCN49597

Основными факторами, способствующими привлекательности использования новых PLC-модемов NCN49597/NCN49599 являются: повыводная и обратная совместимость с AMIS-49587, позволяющая производить прямую замену микросхем в готовых разработках при двукратном росте скорости обмена данными; наивысшая в сегменте PLC-модемов скорость обмена данными: 4800 Бод/канал.

Возможность перепрограммирования позволяет обновлять прошивку в полевых условиях, реализовывать пользовательские протоколы и удовлетворять пользовательским требованиям. Микросхему можно настроить согласно пользовательским требованиям за счет следующих уникальных функциональных особенностей:

• Ручная или автоматическая синхронизация битов (Bit Sync )
• Технология нескольких несущих
• Полнодуплексный UART

Микросхема NCN49597 и следующая за ней NCN49599 увеличивают отрыв PLC-модемов OnSemi от продукции ближайших конкурентов и дают хорошие перспективы дальнейшего технологического развития.

Основные сферы применения PLC-модемов

Наибольшую выгоду от применения PLC-модемов можно получить при их использовании в интеллектуальных сетях, связанных с производством, преобразованием и передачей электроэнергии, таких как:

• Устройства удаленного управления и отображения информации от удаленных датчиков (IHD)
• Системы управления солнечными электростанциями
• Сети интеллектуальных датчиков, в которых концентратор собирает информацию с интеллектуальных датчиков, расположенных в своем сегменте сети и передает ее на серверы сбора и обработки информации
• Системы интеллектуального уличного освещения.

Во всех этих приложениях используется огромное преимущество PLC-модемов, состоящее в том, что они позволяют обмениваться информацией между устройствами, подключенными к одной и той же питающей сети переменного тока без организации дополнительного канала передачи информации. В ряде случаев организация такого канала может оказаться затруднительной или даже невозможной в связи с большой стоимостью прокладки сигнального кабеля, особенностей прохождения радиосигнала или сложностью создания инфраструктуры обслуживания линий связи.

Остановимся подробнее на некоторых из указанных приложений.

Системы интеллектуального управления уличным освещением

PLC-модемы идеальны для использования в системах управления уличным освещением, поскольку позволяют по одним и тем же силовым проводам подавать как питание, так и сигналы управления осветителями. С помощью PLC-модемов сигналы управления можно передавать на расстояния, недоступные другим видам проводного оборудования передачи данных. Главнейшим преимуществом использования PLC-модемов для управления системами уличного освещения является отсутствие необходимости прокладки дополнительных сигнальных сетей управления.

В качестве примера применения можно привести китайский Шанхай, центральные улицы которого оборудованы системой управления уличным освещением на базе PLC-модемов AMIS49587.

Домашние дисплеи и пользовательские интерфейсы с PLC-модемами NCN49597/599

NCN49599 может использоваться для создания интерфейсов управления/индикации IHD и CIU. На рисунке 2 показан пример реализации системы «все-в-одном» на базе NCN49597/49599, которая доступна в виде ознакомительного набора.

Рис. 2. Интерфейс управления/индикации на базе NCN49597/49599

Разработка использует такие преимущества модемов NCN49597/49599, как: наименьшее в сегменте PLC-модемов энергопотребление; работа в режиме AC/DC; встроенный драйвер линии; дополнительная возможность подключения внешнего MCU; встроенный интерфейс ЖКИ; малое количество внешних компонентов, необходимых для построения законченной системы; возможность работы при температуре 125 °C.

Программируемое встроенное ядро Cortex M0 позволяет реализовывать пользовательские протоколы произвольной сложности и удовлетворять самым жестким требованиям.

Проверенная в течение более 10 лет полевых испытаний надежность модемов OnSemi гарантирует высокий уровень безопасности, необходимый для сертификации бытовых приложений.

В итоге получается решение, обладающее низкой стоимостью, высокой надежностью и безопасностью.

Аппаратное обеспечение для поддержки разработок

Для поддержания разработчиков выпускаются несколько набором, позволяющих в кратчайшие сроки ознакомиться с примера решений на базе PLC-модемов компании OnSemi и начать разработку собственных.

Образцы разработки

Образцы разработки представлены в таблице 5.

Таблица 5. Образцы разработки

	Оценочный набор EVK. Однофазное стандартное решение, малое количество внешних компонентов.
	Образец разработки для трехфазной сети. Изолированный PLC-модем на базе, NCS5650
	Образец разработки для однофазной сети. Непосредственное подключение к сети. Драйвер линии на дискретных компонентах

Программное обеспечение для поддержки разработок

Для проверки возможностей и тестирования модема служит приложение PLC terminal, написанное на языке C#, и поставляемое в исходных кодах. Программу можно скомпилировать для работы в ОС Linux.

Терминальное приложение использует последовательный порт для обмена данными с демонстрационным набором на базе микросхемы PLC-модема. Полудуплексный протокол обмена данными по последовательному порту описан в документации на микросхемы AMIS49587/AMIS49597. В документе «Application Note 49587 Configure Modem Quick Start Guide.pdf» можно найти описание минимального набора команд, необходимых для установки обмена с помощью PLC-модема. Команды, реализованные ПО PLC Terminal Application, транслируются в двоичные кадры, которые передаются через UART с использованием необходимого протокола квитирования и отображаются в высокоуровневой, понятной для пользователя форме в графическом интерфейсе.

ПО PLC Terminal Application можно использовать для конфигурирования одиночного модема и для передали или приема данных по силовой сети путем ввода команды в специальное поле ввода (рисунок 3).

Рис. 3. PLC Terminal

ПО Terminal повторяет правильно введенные команды и записывает в историю команд. Нажимая клавиши Стрелка вверх/Стрелка вниз можно циклически вызывать команды из списка ранее введенных команд. В строке состояния выводится подсказка для частично введенной команды. Для получения списка и формата использования команд, необходимо ввести команду ‘help'.

Заключение

Вслед за развитием интеллектуальных сетей производители компонентов систем управления уделяют все большее внимание гибкости, надежности, возможности подстройки под требования клиентов микросхем для создания систем управления и сбора информации. С этой точки зрения, PLC-модемы NCN49597/NCN49599 способны удовлетворить самым взыскательным требованиям разработчиков интеллектуальных сетей сбора данных и управления на базе обычных линий передачи электроэнергии. Хорошая репутация компании OnSemi, выработанная годами безотказной работы приложений на базе ее изделий позволяет рекомендовать PLC-модемы NCN49597/NCN49599 для разработки систем, в которых основными требованиями являются надежность, возможность реализации клиентских протоколов и малое количество необходимых внешних компонентов, что способствует ускорению разработок и уменьшению стоимости конечных изделий. Повыводная и функциональная совместимость с предыдущим поколением PLC-модемов OnSemi позволяет в два раза увеличить скорость обмена данными в существующих системах за счет простой замены микросхем.

Литература

1. http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCN49597
2. Андрей Самоделов. Сюиты для счетчика и сети: PLC-решения от ON Semi и STMicro//Новости Электроники №7/2011
3. Андрей Самоделов. Концерт для счетчика и сети: PLC-модемы компании Texas Instruments//Новости Электроники №7/2011.