PLC-МОДЕМЫ КОМПАНИИ RENESAS

02.05.2024 |

Одной из основных задач электроники является пере­дача данных. При организации каналов передачи часто приходится сталкиваться с множеством проблем, таких как прокладка кабеля или приобретение дорогой аппаратуры радиопередачи данных. Но иног­да возникают условия, при которых примене­ние стандартных методов становится неэф­фективным. Одним из нестандартных мето­дов решения данной проблемы является пе­редача информации по силовым линиям электропередачи (PLC).

В. Пиндюра

PLC (Power Line Communications) — метод передачи информации по силовым линиям электропередачи. Этот метод имеет ряд важных преимуществ. Для уста­новления связи не нужно прокладывать дополнитель­ный кабель, поскольку передача данных осуществля­ется по цепям промышленной сети переменного тока. Канал связи проводной, что исключает его влияние на работу радиочастотных средств, уже установленных в помещении. Подсоединение нового устройства не потребует переконфигурации сети.

Существует несколько компаний, которые специа­лизируются на разработке решений в области PLC. Хотелось бы остановиться на решении компании Renesas. Как известно, данная компания занимается преимущественно микроконтроллерами и PLC-мик­росхемы не входили ранее в ее программу поставок.

Судя по опыту многих компаний, которые выпуска­ют новый продукт, ранее не входивший в номенклату­ру производимой продукции, и не имеют наработок в данной области, его вывод на рынок сопровождается большим числом недоработок. Инженеры компании Renesas пошли принципиально другим путем, они не стали разрабатывать сам модем, а взяли готовый PLC-модем IT800 компании Yitran и интегрировали его в виде периферийного устройства в 16-разрядный микроконтроллер серии М16С/6. Благодаря тому, чтокомпании Yitran и Renesas специализируются соот­ветственно на PLC и микроконтроллерах, получилось интегрированное решение на одном кристалле, кото­рое не имеет в данный момент аналогов.

Блок-схема контроллера-модема представлена на рис. 1. Сам микроконтроллер можно условно разде­лить на три основных блока: микроконтроллерное яд­ро, PLC-модем и высоковольтный интерфейс. Все эти блоки, в отличие от существующих на данный момент решений других фирм, размещаются на одном кри­сталле.

 

 

Рис. 1. Блок-схема PLC-модема компании Renesas

 

Внутренняя связь между модемом и микроконт­роллером осуществляется по одному из двух син­хронных последовательных интерфейсов. Поскольку PLC в микроконтроллере представляет собой только периферийное устройство, то стоит остановиться на характеристиках ядра микроконтроллера, блок-схема которого представлена на рис. 2, т.к. его производи­тельность определяет область применения нового устройства.

Рис. 2. Блок-схема микроконтроллера

Характеристики ядра М16С/6:

  • высокопроизводительное 16-разрядное CISC-яд­ро
  • 91 базовая инструкция
  • адресуемое пространство до 1 Мбит
  • встроенная память:
  • ROM — 96 кбит
  • RAM — 24 кбит.

Периферия:

  • число портов ввода/вывода 21 (+1, только ввод)
  • мультифункциональный таймер (Timer A), 16-би­товый
  • последовательные интерфейсы:
  • 3 канала UART/SIO/I2C
  • 2 канала DMAC
  • сторожевой таймер 15 бит, 1 канал
  • прерывания: 21 внутреннее, 3 внешних, 4 про­граммных
  • PLC-модем.

Характеристики PLC-модема

Как уже отмечалось, в микроконтроллере исполь­зован PLC-модем IT800 компании Yitran. Данный мо­дем выпускается в двух вариантах (А и В) для приме­нения в разных стандартах силовых линий (рис. 3), от­личающихся полосой пропускаемых частот, соответ­ственно А или В. Разделение на разные полосы частот вызвано возможностью высоковольтных линий про­пускать максимальную мощность сигнала в опреде­ленном спектре. Для передачи данных использован специальный вид модуляции DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуля­ция), который зарекомендовал себя как самый поме­хоустойчивый для данных применений. Этот метод модуляции можно отнести к виду манипуляции спект­ром сигнала, при которой передаваемый символ (1 или 0) представляется в виде спектра частот. Бла­годаря применению данного метода модуляции, а также использованию встроенных средств обработки сигнала работа модема возможна даже при больших уровнях затухания в линии, что подтверждается ре­зультатами проведенных испытаний, сведенными в таблицу.

Рис. 3. Рабочие полосы частот PLC-связи

Работоспособность PLC-модема при разных уровнях затухания в линии

Режим работы модема Уровень затухания в линии,дБ Число принятых пакетов из 500 переданных
общее принятых без ошибок
Robust mode 70 500 500
80 500 500
90 500 500
100 79 0
110 0 0
Extreme robust mode 70 500 500
80 500 500
90 500 500
100 184 112
110 0 0

 

Кроме затухания шум в линии также негативно от­ражается на скорости передачи данных, однако, бла­годаря применению аппаратных методов обработки сигнала полезную информацию можно выделить даже при уровне шума на 5-7 дБ большем уровня сигнала при Гаусовом законе распределения шума, а работа в условиях реальных шумов возможна при соизмери­мости уровней шума и сигнала. Импеданс линии так­же жестко связан с уровнем затухания в ней и его из­менение приводит к снижению скорости передачи ин­формации.

Таким образом, максимальная скорость работы модема зависит от трех основных факторов: шума в линии, импеданса линии и затухания в ней. С учетом этих факторов заявленная максимальная скорость пе­редачи данных составляет 5 кбит/с. На расстояние пе­редачи оказывают влияние те же факторы. По данным компании в лабораторных условиях было достигнуто максимальное расстояние 2 км, а в реальных оно сос­тавляет порядка 200 м, но с применением програм­много протокола RUN-M его можно увеличить в 7 раз.

Основная область применения данной микросхе­мы — счетчики электроэнергии, управление аварий­ным и уличным освещением, системы сигнализации, а также возможность использования в системах «ум­ный дом». Данная микросхема снабжена довольно мощным ядром, что позволяет строить на ее основе системы без внешнего микроконтроллера, тем самым обеспечивая снижение стоимости готового изделия.

Поскольку микросхема имеет как аналоговую, так и цифровую части, расположение выводов играет до­вольно большую роль. Дабы свести к минимуму неже­лательное влияние аналоговой и цифровой частей микросхемы друг на друга, они четко разделены меж­ду собой, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Расположение выводов PLC-модема компании Renesas

 

Желая упростить работу с модемом, инженеры ком­пании Renesas разработали программное обеспечение (ПО), входящее в комплект поставки микроконтролле­ра. Специализированная библиотека D2DLL (Data Link Layer) позволяет разработчику работать не на уровне сигналов, а на программном уровне, тем самым избав­ляя от необходимости изучения нового специфического интерфейса, что обеспечивает возможность создания в сжатые сроки пользовательских протоколов высокого уровня. Полное описание библиотеки DLL на языке высокого уровня (С или C++) можно найти на web-сайте: www.eu.renesas.com. Библиотека D2DLL также входит в комплект пос­тавки микроконтроллера.

B ПО можно отметить специаль­но разработанный сетевой протокол высокого уровня RUN-M (Renesas Ubiquitous Network layer for Metering applications — сетевой протокол для метрологических применений). С использованием библиотеки DLL разработчик может написать собственный протокол под конкрет­ные требования, не применяя про­токол RUN-M. Но предлагаемый протокол предоставляет некоторые преимущества, так, например, именно с его использованием мож­но увеличить расстояние передачи в 7 раз.

Рис. 5. Плата демонстрационного модуля

 

Для работы микроконтроллера потребуются внеш­ние компоненты. В рекомендуемую схему включения, которая приведена в документации и может быть выс­лана по запросу, входит 97 компонентов, в основном это пассивные элементы общей стоимостью ~1 Евро. Но это не единственное схемное решение, компания Renesas рекомендует также интегрированные решения на одном кристалле других фирм-производителей (бо­лее конкретно о них можно узнать из документации на модем, а также из рекомендаций по применению, кото­рые доступны на web-сайте: www.eu.renesas.com).

Для ознакомления с новым продуктом был разра­ботан специальный демонстрационный модуль EBV04. В комплект поставки демонстрационного модуля вхо­дит библиотека D2DLL, пробная версия протокола RUN-M с ограничением по уровням вложения, демон страционная версия интегрированной среды разра­ботки HEW (по истечении двухмесячного срока насту­пает ограничение по коду до 64К) и демонстрационная плата EVB04 (рис. 5). Выпускается несколько типов де­монстрационных плат под разные стандарты линий, на рис. 3 цветными прямоугольниками показаны спектры частот для разных плат. В Европе могут применяться платы EVB04-EU-A, EVB04-EU-A+ EVB04-EU-B.

Таким образом, компания Renesas представила довольно перспективный и конкурентоспособный продукт, который может найти применение всюду, где нужна простая и эффективная связь.