Ранее уже публиковалась статья, посвященная вопросам передачи данных по электрическим сетям с помощью узкополосного PLC-модема IT700 от компании Yitran: «Медленно, зато надежно. Передача данных по сетям питания с помощью IT700 компании Yitran». Название этой статьи достаточно точно отражало особенности такого канала связи – надежность передачи была высокой, но максимальная скорость обмена составляла всего 7.5 кбит/с. Теперь Yitran предлагает пользователям следующее поколение модемов IT900 со скоростями до 500 кбит/с.
 |
|
| Рис. 1. | Компания Yitran – один из лидеров в области передачи данных по электрическим сетям. |
В последнее время все большую популярность получают беспроводные технологии передачи данных, которые являются отличным решением для Интернета вещей (IoT). Как правило, они применяются для автономных маломощных устройств с аккумуляторным питанием. Вместе с тем, существует огромная группа устройств, которые принципиально требуют проводов для питания от электросети: бытовая техника, промышленные станки, электрические счетчики. Этот список можно продолжать до бесконечности.
Естественно, у инженеров возникло желание использовать существующие электрические сети для обмена данными (Power line Communication, PLC.), ведь это позволяет создавать физический канал с минимальными затратами времени и денег, тем более, что сейчас все современные объекты имеют подключение к электросети: жилые дома, торговые центры, фабрики и заводы и т. д. (Рис. 2).
 |
|
| Рис. 2. | Электрические сети – готовая среда для передачи данных. |
При использовании электросети для передачи данных требуется решить несколько проблем: организовать гальваническую развязку, обеспечить возможность обмена при высоком уровне шумов, решить стандартные вопросы построения сетей. Под стандартными вопросами понимается создание механизма арбитража и адресации, разрешение коллизий и т. д. Задач много, но все они оказываются решаемыми, что и доказывают узкополосные модемы от израильской компании Yitran.
Израильская компания Yitran долгое время выпускала PLC-модемы IT800, которые требовали дополнительных усилителей и выходных цепей. Позже на смену IT700 пришел модем IT800, у которого выходной каскад был интегрирован в микросхему.
Модемы IT800 и IT700 позволяли производить обмен данными по электросетям со скоростью до 7.5 кбит/с (для американского и японского рынка) и до 2.5 кбит/с (для европейских систем). При этом скорость передачи во многом была ограничена из-за необходимости обеспечения высокого уровня надежности в условиях высочайшего уровня шумов. По этой причине лозунг «Медленно, но надежно» был весьма уместен для этих микросхем.
В 2009 году Yitran анонсировала появление PLC-модемов IT900 с увеличенной скоростью передачи до 150 кбит/с (Рис. 3). Однако в ходе разработки скорость передачи была поднята до 500 кбит/с.
 |
|
| Рис. 3. | Внешний вид PLC-модема IT900 в 100-выводном корпусе HTQFP. |
PLC-модем IT900 представляет собой систему-на-кристалле (System-on-a-Chip, SoC), которая интегрирует в одном корпусе множество функциональных блоков: микроконтроллер c ядром M16C/60, блок физического уровня PHY, блок канального уровня DLL (Data Link Layer), контроллер входов-выходов, выходной каскад со встроенными усилителями (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Структурная схема PLC-модема IT900. |
На физическом уровне PHY модемы IT900 обратно совместимы с IT700 и IT800, однако имеют важное преимущество. В них вместо технологии модуляции DCSK используется DCSK Turbo, которая позволяет поднять максимальную скорость от 7.5 кбит/с до 500 кбит/с, то есть больше, чем в 40 раз!
DCSK (Differential Code Shift Keying) – вид модуляции со скачкообразным изменением частоты. В DCSK данные передаются группами – слотами по 4 или 6 бит. При этом слот делится на 16 или 64 интервала. Кодирование конкретного числа происходит за счет временного смещения исходного частотно-модулированного сигнала, соответствующего числу 0. Рассмотрим упрощенный пример.
При использовании 4-битных данных слот разбит на 16 сегментов. Передача 0000 соответствует увеличению частоты от 20 до 40 кГц. Передача двоичного числа 1000 соответствует увеличению частоты от 30 до 40 кГц в первой половине слота и от 20 до 30 кГц во второй половине слота. То есть исходный модулированный сигнал, соответствующий 0000, был сдвинут на 8 сегментов.
В IT900 используется узкополосный вариант PLC, частота модуляции в котором зависит от требований стандартов конкретной страны. В США для этих целей выделен диапазон 100-400 кГц в соответствии с требованиями FCC (Federal Communications Commission). Аналогичный диапазон доступен в Японии (стандарт Association of Radio Industries and Businesses, ARIB). В Европе частотный диапазон разбит на две части в соответствии с требованиями CENELEC (Commission Européenne de Normalisation Électrique): для производителей оборудования и поставщиков электроэнергии 9-95 кГц (CENELEC Band A), для потребителей 95-125 кГц (CENELEC Band B).
Скорость передачи зависит от частоты модуляции: 1.25…500 кбит/с (FCC/ARIB Bands), 0.625…150 кбит/с (CENELEC Band A), 0.625…75 кбит/с (CENELEC Band B).
Достоинствами DCSK являются: возможность работы с уровнями сигналов меньшими, чем уровень шумов, высокая стойкость к импульсным помехам, устойчивость к изменению импеданса и затуханию сигнала.
На канальном уровне DLL (Data Link Layer) модемы IT900 позволяют организовывать до 1023 логических сетей с числом узлов в каждой сети до 2047.
DLL используется протокол CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) – множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий.
Основной топологией сети на базе модемов IT900 является дерево. При этом модем может выполнять как роль концентратора Network Coordinator (NC), так и рядового узла сети remote stations (RS).
В модемах IT900 реализован протокол Y-Net, который работает на более высоких уровнях модели OSI и который позволяет реализовывать протоколы ZigBee/ SE 1.0, IPv4 и PIv6.
Для взаимодействия с IT900 управляющий контроллер или процессор может использовать различные доступные интерфейсы, в частности UART. Управление IT900 производится с помощью стандартных команд.
IT900 выпускается в 100-выводном корпусе HTQFP и требует питания 3.3 В.
Кроме управляющего контроллера или процессора для подключения IT900 понадобится трансформатор для гальванической развязки с сетью.
Для быстрого освоения IT900 компания Yitran предлагает готовые модули PIM (Plug-In Module) и отладочные блоки STK4 (Рис. 5, Рис. 6).
 |
|
| Рис. 5. | Внешний вид модуля расширения (PIM, Plug-In Module) на базе IT900. |
На Рис. 6 показан состав отладочного набора Y-Net Package Contents. В него входят шесть блоков STK4. Физически они идентичны, но отличаются прошивкой: один из них настроен для работы в качестве концентратора (NC), а оставшиеся пять работают в режиме удаленных станций (RS).
 |
|
| Рис. 6. | Отладочный набор STK4. |
Простейшее соединение точка-точка требует пары STK4, двух блоков питания и двух ПК с установленной программой PLC Studio (Рис. 7).
 |
|
| Рис. 7. | Схема простейшего соединения точка-точка. |
В качестве заключения хотелось бы отметить, что PLC-модемы IT900 от Yitran уже нашли свое применение в различных приложениях:
- интеллектуальные счетчики потребления;
- системы «умный дом»;
- системы сигнализации;
- управление уличным освещением;
- контроль за торговыми автоматами и т. д.
Характеристики модема IT900:
- тип модуляции: DCSK Turbo;
- соотношение сигнал-шум: < –7 дБ (AWGN), < –30 дБ (CW);
- диапазоны частоты модуляции: 100-400 кГц (FCC/ ARIB Bands), 9-95 кГц (CENELEC Band A), 95-125 кГц (CENELEC Band B);
- скорость передачи данных: 1.25…500 кбит/с (FCC/ ARIB Bands), 0.625…150 кбит/с (CENELEC Band A), 0.625…75 кбит/с (CENELEC Band B);
- коррекция ошибок: прямая коррекция ошибок (Forward short-block soft decoding error correction code) и CRC16;
- чувствительность приемника: 1 мВ;
- динамический диапазон: > 85 дБ;
- интерфейсы связи с хостом: UART/ SPI/ I2C/ JTAG/ аналоговый;
- число портов ввода-вывода: 24;
- потребление в режиме приема: <300 мВт;
- размер сети: 2000 узлов;
- напряжение питания: 3.3 В;
- корпус: 100-выводной HTQFP.
Состав отладочного набора Y-Net Package:
- концентратор на базе STK4 (NC, Network Coordinator): 1 шт.;
- узел сети на базе STK4 (RS, Remote Station): 5 шт.;
- диск с ПО: 1 шт.
Посмотреть более подробно технические характеристики модемов компании Yitran
