Модем для передачи данных по силовой сети Power Line Modem Plinius

При разработке и дальнейшей эксплуатации различного рода систем автоматизации возникает необходимость в территориальном разносе источников и приемников информации, это могут быть различные измерительные датчики с одной стороны и устройство сбора данных или исполнительные механизмы с другой. К примеру, в автоматизированных системах контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ) для жилищно-коммунального сектора измерительные датчики и счетчики могут находиться в квартире, а устройство сбора данных на лестничной площадке. В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) измерительные датчики могут быть распределены по объекту, а поступающие с них данные необходимо собирать в общую базу для дальнейшей обработки. В охранных системах возникает задача соединения датчиков системы с центральным пультом управления охраняемого объекта.

Во всех этих приложениях прокладка дополнительного провода между устройствами приводит к росту стоимости системы. Однако на большинстве объектов автоматизации уже проложен провод силовой электрической сети.

Фирма Telecontrolli предлагает модуль Plinius - модем для передачи данных по силовой сети (электропроводке). Внешний вид модема показан на рис.1.

Рис. 1. Модуль Plinius для передачи данных по силовой сети

Основные свойства модема

• Синхронный/асинхронный режим передачи данных по силовой сети.
• Полудуплексный режим связи с частотной манипуляцией несущей, со скоростью передачи данных до 2400 бит/с.
• Цифровой синтезатор несущего колебания от внутреннего кварцевого генератора на 11,0592МГц.
• Частота несущего колебания 132,45кГц.
• Низкое энергопотребление и минимальные искажения сигнала.
• Высокая чувствительность приемника.
• Схема детектирования несущего колебания в сети.
• Программируемый сброс от внешнего микроконтроллера.
• Формирование опорного напряжения 2,5В и частоты 5,5296МГц для внешней схемы.
• Двойное напряжение питания +5В и +12/24В.

Технические параметры модема
Ввиду того, что модуль Plinius работает в полудуплексном режиме, данные в один момент времени могут передаваться только в одном направлении. Направление передачи определяется ведущим микроконтроллером через вывод RTS (Request To Send) (см. таблицу 1). В качестве обратной связи модуля и управляющего контроллера используется сигнал CD (Carrier Detect), показывающий наличие несущего колебания в силовой сети. Оба сигнала RTS и CD используют логику с низким активным уровнем.

Таблица 1. Цоколевка модуля Plinius

Номер	Наименование	Описание
1	MCLK	выход встроенного кварцевого генератора на 11.0592 МГц
2	GND	Заземление
3	TEST3	вход (тестовый режим)
4	VCC	питание цифровой части (+5В ±2%)
5	TEST2	вход внешнего генератора (тестовый режим)
6	RESN	выход сброса (от внешнего микроконтроллера)
7	TEST1	двунаправленный вывод данных (тестовый режим)
8	TXD	вход передатчика
9	AV	питание выходного усилителя (+12В или 24В ±2% в зависимости от модификации)
10	RXD	выход приемника
11	CKSYS	выходная опорная частота 5.5296МГц (11.0592 МГц / 2) (для внешней схемы)
12	RES_TH	вход программирования порога
13	VREF	выходное опорное напряжение 2.5В (для внешней схемы)
14	CD	сигнал детектирования несущей (Carrier Detect)
15	BRATE	тактовый сигнал информационного потока (bit rate)
16	RTS	сигнал запроса передачи данных (от внешнего микроконтроллера)
17	ZCROS	сигнал синхронизации передачи данных (для внешней схемы)
18	CN1	клема подсоединения внешнего компенсационного конденсатора
19	MAINS1	клема подсоединения к силовой сети
20	MAINS2	клема подсоединения к силовой сети

Прибор может работать как в сети с напряжением 220В, так и в электрической сети 120В. В модуле Plinius используется частотная манипуляция несущей битами информации. Частота несущего колебания, установленная по умолчанию, равна 132,45 кГц, что соответствует диапазону частот, используемому Европейским Комитетом по Электротехнической Стандартизации.

Модули Plinius выпускаются в двух вариантах - коммерческий и индустриальный. Единственное их отличие заключается в питающем напряжении усилителя (см. рис.2.) - коммерческий +12В, индустриальный +24В. Выходная мощность 116 дБмкВ (8 мВт) и 134 дБмкВ (31,5 мВт) соответственно. Кроме того, обе модели требуют внешнего источника питания на 5В (25мА).

Для внешнего использования модем формирует опорное постоянное напряжение 2.5В, которое может быть использовано для питания внешнего управляющего микроконтроллера. Встроенный кварцевый генератор вырабатывает тактовые сигналы с частотами 11,0592МГц и 5,5296МГц, которые могут быть использован для тактирования внешнего управляющего микроконтроллера.

Также от внутреннего кварцевого генератора формируется сигнал синхронизации данных BRATE. Данные на вход модема (вывод TXD) и с его выхода (вывод RXD) поступают по переднему фронту импульсов на выходе BRATE. Ряд выводов модема (TEST1, TEST2, TEST3) используются в фабричных условиях для тестирования на этапе изготовления и в стандартном режиме не используются.

Следует обратить на ряд особенностей, с которыми могут столкнуться разработчики при использовании модема. Прежде всего, перед тем как принимать данные, поступающие с выхода приемника, необходимо осуществлять мониторинг сигнала CD на присутствие несущего колебания в сети. Дело в том, что на выходе RXD могут присутствовать посторонние сигналы, вызванные помехами в сети. Поэтому для обмена данными с внешним микроконтроллером, при использовании стандартного порта UART (универсальный асинхронный приемопередатчик) микроконтроллера, сигнал CD используется в качестве сигнала (источника) прерывания. Когда на выходе CD возникает активный уровень, в микроконтроллере запускается алгоритм обработки прерывания, по которому могут быть очищены флаги приемника UART-а и регистр данных, после чего запускается программа опроса. Срабатывание сигнала CD происходит при условии наличия несущего колебания в силовой сети в диапазоне частот 90…145кГц в течение минимум 4мс. Уровень несущего колебания должен быть равным или превышать 10мВ (параметр V_CD, см. таблицу 4).

Аналогичная ситуация возникает при присоединении модема напрямую к COM порту персонального компьютера. Т.е. необходимо запускать алгоритмы обработки регистров COM порта только в том случае, когда на линии CD возникает сигнала низкого уровня, в противном случае буфер входных данных COM порта будет постоянно переполняться "паразитными" данными, вызванными помехами.

Другую особенность модема необходимо учитывать при передаче длинных пакетов данных, длительность которых превышает 3с. После перевода сигнала RTS (запрос передачи данных) в активный низкий уровень через 3с модем автоматически переходит в режим приема. Вернуть его в режим передачи можно только после переключения сигнала RTS на высокий уровень (длительностью не менее 2 мкс), а затем обратно на низкий. Таким образом, чтобы передать длинный пакет данных (длительностью более 3с), необходимо программным способом разбить его на несколько коротких посылок, длительностью не более 3с.

Таблица 2. Предельные эксплуатационные характеристики

Обозначение	Наименование	Величина	Единица измерения
VDD	Напряжение питания цифровой части модуля	-0.5…7.0	В
AV	Напряжение питания выходного усилителя	+12/24	В
Vi	Величина входного сигнала	от Vss-0.5 до VDD+0.5
I	Максимальный ток потребления	100	мА
PD	Мощность рассеивания	700	мВт
TSTG	Температура хранения	-55…+150	°С
U	Влажность без образования конденсата	5…95	%
VP	Напряжение на пробой	±1	кВ
T	Температура пайки	max 300	°С

Vss - земля.

Таблица 3. Стандартные эксплуатационные характеристики

Параметр	Мин.	Тип.	Макс.	Единица измерения
Напряжение питания цифровой части модуля	4.7	5	5.3	В
Диапазон рабочих температур	-25	25	70	°С
Напряжение питания выходного усилителя		+12 / 24		мА
Ток потребления цифровой части (AV=12В)		25		мА
Ток потребления усилителя передатчика (RL=50Ом, AV=12В)		19		мА
Ток потребления усилителя передатчика (RL=1Ом, AV=12В)		58		мА
Ток потребления цифровой части в спящем режиме (AV=12В)		13		мА
Ток потребления усилителя передатчика в спящем режиме (RL=1Ом, AV=12В)		15		мА

RL - сопротивление нагрузки (load resistance).

Рис. 4. Цоколевка и структурная схема модуля Plinius

Таблица 4. Дополнительные параметры эксплуатации

Обозначение	Наименование	Мин. значение	Типовое значение	Макс. значение	Единица измерения
Передатчик
VoutAC<.sub>	Выходная мощность передатчика		116 (AV=12В) 122 (AV=24В)		дБмкВ
HD2	Уровень подавления паразитной второй гармоники несущей			-70	дБ
HD3	Уровень подавления паразитной третьей гармоники несущей			-70	дБ
FD	Девиация частоты ЧМн сигнала		600 или 1200		Гц
TRxTx	Время возбуждения несущего колебания		40		мкс
TALC	Время стабилизации несущей		180		мкс
Приемник
Vin	Максимальный уровень входного сигнала			12 24	В
Zin	Входное сопротивление	550			Ом
VinRx	Чувствительность приемника		1,5		мВ
BER1	Частота появления ошибочных битов (белый шум в полосе 2400Гц, отношение сигнал/шум 13дБ)			10-3
VCD	Уровень несущей, детектируемый по выходу CD		10		мВ
tCD	Время детектирования несущей	4	4,2	4,5	мс

Преимущества PLС канала перед выделенным каналом связи в том, что нет необходимости в прокладке кабеля, используется кабель электросети, поэтому, стоимость монтажных работ минимальна.

Модуль Plinius не требует сложной настройки, поэтому не требует привлечения высококвалифицированного персонала при проведении монтажных работ.

Миниатюрные размеры прибора Plinius позволяют интегрировать его в счетчик, что уже используется в ряде приборов для учета энергопотребления фирмы Siemens (www.siemens.com).

Примеры использования принципов передачи данных по силовой сети в системах АСКУЭ можно найти и на отечественном рынке. Московский завод электроизмерительных приборов с 1998 внедряет систему АСКУЭБП (АСКУЭ бытовых потребителей) в Москве и регионах (www.mzep.ru/product_askue.html).

Данный метод связи имеет ограничения. В первую очередь - передача данных может производиться только до ближайшего трансформаторного устройства, потому как прохождение данных через трансформатор невозможно. Во вторых, все приборы должны быть соединены с одной фазой сети.

Найти поставщиков вы можете перейдя по ссылке Каталог фирм микроэлектроники