Часть 1 — Основы передачи данных по линиям электропередач

В первой части статьи мы кратко ознакомились с основными понятиями при передаче данных по линиям электропередач. Узнали, что такое “полезный сигнал”, как с его помощью можно кодировать передаваемую информацию. Но ни слова не было о том, как это устройство должно быть выполнено физически, как оно будет генерировать сигнал, и каким образом его вообще подключить к сети 220 В.

В этой и следующей частях статьи опишем, какие основные блоки должны быть в простейшем устройстве передачи данных по PLC. Постепенно, как конструктор, будем добавлять в общую картину блок за блоком и разберемся для чего нужен каждый блок и как он работает.

- Введение
- Мозги устройства — микроконтроллер
- Основные требования к микроконтроллеру
- Выбор подходящего микроконтроллера
- Особенности питания устройства

Дисклеймер: статья не является руководством по созданию устройства и не является справочником по электронным компонентам. Это просто результаты моих экспериментов и некоторый накопленный практикой опыт, который, надеюсь, будет полезен тем, кто интересуется темой. Если есть какие-то замечания, интересные ссылки и книги, обязательно оставляй это в комментах.

Введение

Для начала кратко вспомним из части 1, как происходит передача данных. На изображении одна из фаз ЛЭП. Красное устройство передает, синие слушают. Биты данных один за одним передаются в виде синусоидальных сигналов различной частоты (FSK модуляция).

В мозге устройства — микроконтроллере — зашит протокол, по которому передаются/принимаются данные. Также в прошивке микроконтроллера для каждого передаваемого символа (или бита) задана соответствующая частота сигнала.

Для примера: если передается символ “0”, то генерируется “полезный сигнал” в виде синусоиды 74 кГц. А если передается “1”, то генерируется синусоида с частотой, например, 80 кГц. Номиналы частот не особо важны, просто выбираются любые из разрешенных диапазонов. Главное, чтобы приемник смог их различить.

В первой части статьи упоминалось про третий символ “S”, который означал начало кадра. Он также кодировался своей определенной частотой. Когда устройство получало символ “S”, входной буфер очищался. Для простоты в этой статье будут упоминаться только “0” и “1”.

Передающие и принимающие устройства синхронизируются между собой с помощью отдельного блока устройства — “zero cross детектора”.

Представим передающее устройство, в котором есть подготовленный кадр данных — некий массив нулей и единиц, и этот кадр нужно передать по PLC каналу связи (ЛЭП). Передача/прием кадра происходит по одному биту за один синхросигнал из ZC детектора.

Физически это значит, что за один синхросигнал из ZC детектора генерируется один “полезный сигнал” определенной частоты. В нашем случае это синусоиды 74 кГц или 80 кГц.

Таким образом, бит за битом, передается кадр данных в PLC канал. Совместно с микроконтроллером генерацией сигналов будет заниматься отдельная часть схемы. Назовём её “Выходная цепь”.

Задача принимающих устройств — каждый раз, по сигналу ZC детектора, оцифровывать “полезный сигнал” из PLC канала и узнавать, какой символ там был закодирован.

Но сначала сырой сигнал нужно грубо очистить от шума, подогнать уровень “очищенного” сигнала под пригодный для оцифровки и уже затем передать на АЦП микроконтроллера для дальнейшего цифрового анализа. Этой подготовкой “полезного сигнала” для АЦП будет заниматься “Входная цепь”.

Чтобы не раздувать эту часть статьи, расскажу только про задачи, решаемые микроконтроллером и некоторые особенности питания устройства.

В следующей части рассмотрим как устройство можно согласовать с сетью 220 В, работу ZC детектора, а также про входную и выходную цепи.

Мозги устройства — микроконтроллер

Центральная часть устройства — микроконтроллер, который будет контролировать всю схему: обрабатывать входной сигнал, генерировать полезный сигнал, управлять усилителями, хранить данные и т.д.

Микроконтроллер — это такой мини-компьютер, который в одном корпусе содержит процессор (ЦПУ), память (ПЗУ и ОЗУ), ввод-вывод и периферийные устройства. По сути, внутри уже все есть для работы: подаем питание и поехали. Дальше все зависит уже от программы “прошивки”, которую мы в него записали.

Сейчас выпускают микроконтроллеры с большим количеством различной встроенной периферии. Это очень удобно, так как меньше необходимости во внешних компонентах, что экономит место на печатной плате (и, конечно же, ваши денежки). Внутри может иметь ЦАП и АЦП, часы с календарем. Даже встроенный USB уже не удивляет.

На рынке огромное разнообразие микроконтроллеров с разной вычислительной мощностью и периферией. Обычно они группируются в серии и подходят под разные классы задач. Например, чтобы помигать светодиодом в миниатюрном устройстве, нам не нужен мощный камень, на котором можно запустить Linux, подойдет “ATtiny”. Но для нашего устройства его уже не хватит, так как нужны ЦАП, АЦП и быстрые вычисления в реальном времени.

Поэтому к выбору камня нужно подойти немного поразмыслив. Подумаем, что же требуется от микроконтроллера в нашем случае.

Основные требования к микроконтроллеру

Производительность

Основной нагрузкой на ЦПУ будет обработка оцифрованного входного сигнала с помощью ДПФ для выяснения того, какой символ был закодирован в сигнале: “0” или “1”. Далее этот символ будет отправляться в протокол на уровень выше. Больше всего вычислений будет происходить именно при подсчете гармоник в ДПФ.

Циклично, с интервалом 10 миллисекунд, АЦП будет оцифровывать входящий сигнал и сохранять его в виде массива чисел. Затем этот массив несколько раз прогоняется через ДПФ для выяснения амплитуд гармоник каждой из интересующих нас частот в полезном сигнале.

Результат визуально можно представить в виде эквалайзера, на котором нарисованы полоски определенных частот разной высоты (амплитуды). Для подсчета высоты каждой отдельной полоски нужно сигнал прогонять через ДПФ.

После подсчета некоторого количества гармоник, делаются выводы о том, какой символ закодирован.

В самом простом случае можно просто сравнить амплитуды гармоник 74 и 80 кГц между собой. Если в сигнале преобладает гармоника с частотой 74 кГц, записываем в входной буфер бит “0”.

Если в сигнале преобладает гармоника с частотой 80 кГц, записываем в входной буфер “1”.

В таком случае, любой шум что-то означает: “0” либо “1”, даже если ничего не передавалось. Отделением зерен от плевел будет заниматься отдельная подпрограмма — уровнем выше — которая будет проверять целостность кадра и прочие прелести.

Задача же этого уровня — просто, как конвейер, подавать “0” и “1” наверх, а дальше из них будут складываться правильные целостные кадры данных. Или не будут.

Также можно заморочиться и дополнительно рассчитывать амплитуды смежных гармоник и узнавать уровень шума относительно полезного сигнала. Можно программно фильтровать сигнал и тд. Вариантов много.

Суть в том, что считать, возможно, придется много. Успевать считать нужно гарантированно, так как это реалтайм-конвейер.

Если разложить всю нагрузку на которую ЦПУ тратит время друг за другом, то получим примерно это:

• оцифровка сигнала

• подсчет амплитуд гармоник через ДПФ и анализ результата

• прочая нагрузка (обработка прерываний из интерфейсов USB или CAN, обработчики таймеров, моргания светодиодами, работа с памятью, какие-то вычисления по протоколу и т.д.)

Это должно циклично выполняться каждые 10 миллисекунд снова и снова. ЦПУ никогда не должен быть загружен на 100%, иначе есть риск не успеть посчитать что-то важное. Поэтому всегда нужно оставлять запас по производительности.

Энергоэффективность

Обратная сторона быстрых вычислений — большее потребление энергии. Чем быстрее контроллер считает, тем больше он потребляет энергии. Поэтому нам не нужен “слишком мощный” процессор.

Подобрать нужную производительность ЦПУ можно опытным путём: берём микроконтроллер с запасом вычислительной мощности и памяти, пишем код, запускаем и смотрим за какое время он справляется с конкретными задачами. Выбираем из линейки контроллеров подходящий, оставляя небольшой запас мощности и памяти (для возможных обновлений и улучшений).

Должен быть достаточно быстрый АЦП

Нам нужно оцифровывать входной аналоговый сигнал и желательно, чтобы был встроенный АЦП. Точность тут не так важна, как скорость. Так как измеряемый сигнал имеет частоту до сотни килогерц. Для корректных вычислений гармоник есть условие (из Теоремы Котельникова).

Частота дискретизации должна быть минимум в два раза больше частоты измеряемого сигнала.

Это значит, что для распознавания сигнала нужно сделать от двух точек измерения на период. А по-хорошему — 4-5. Посмотрим на примере.

Представим, что мы измеряем сигнал, в котором есть нужная нам гармоника частотой 80 кГц. У сигнала с частотой 80 кГц период микросекунд. Чтобы оцифровать 5 точек на период нужно успевать делать измерение раз в 2.5 микросекунды для адекватного распознавания сигнала.

С пятью точками измерений на период уже выглядит неплохо. ДПФ с этим отлично справится.

Но для чего брать с запасом? Что если измерять по минимуму, только две точки на период? Вот такой сигнал мы оцифруем при удачном попадании.

А так будет выглядеть оцифрованный сигнал, если попасть в момент, когда сигнал в нуле.

Не похоже на синусоиду.

Если интересно посмотреть, что будет, если проводить измерения частотой меньше двух точек за период, то поищите в гугле картинки “Эффект алиасинга”.

Должен быть достаточно быстрый ЦАП

Для полезного сигнала нужно сгенерировать синусоиду большой частоты. Чем больше точек на период синусоиды успеет генерировать ЦАП, тем плавнее будет сигнал на выходе (меньше лесенка, которую затем сгладит конденсатор).

Представим на примере синусоиды с частотой 80 кГц, период 12.5 микросекунд. Возьмем для начала 4 точки на период. Генерация каждые 3.125 микросекунды.

Такой сигнал сложновато будет сгладить конденсатором, чтобы сделать его похожим на синус.

Увеличим количество точек вдвое. Генерация каждые 1.56 микросекунды.

Нужна достаточная скорость ЦАП для того, чтобы сигнал был хотя бы похож на синус. В нашем случае, с сигналом частотой до 80 кГц, будет достаточно чтобы ЦАП успевал менять уровень сигнала раз в 1.5 микросекунды. Если успеет быстрее, то еще лучше.

С выхода ЦАП этот угловатый сигнал проходит через пассивный фильтр нижних частот и в сглаженном виде идет на усилитель “выходной цепи”.

Если нет АЦП

Помню, в самом начале я проводил эксперименты на 8-битных AVR от Atmel серии ATmega8, и у них в распоряжении не было АЦП. Но на них было очень удобно начинать знакомство с миром микроконтроллеров. Низкий порог вхождения и никаких танцев с бубнами при запуске.

Ну так вот, входной сигнал я решил “оцифровывать” простой ножкой в режиме входа. Если входное напряжение выше 2.5В, то у ножки было логическое состояние “1”, если ниже 2.5В, то “0”. В равные промежутки времени просто считывалось текущее состояние ножки и эти значения записывались в массив.

И этот “оцифрованный сигнал” прогонялся через ДПФ и вычислялось наличие нужных гармоник. Ни о какой точности или чувствительности речи и не шло, но это работало.

Если нет ЦАП

Аналогичная ситуация на ATmega8 была с ЦАП. Его там нет, и мне очень не хотелось заморачиваться с внешним ЦАП.

Оказалось, что можно пожертвовать логическими выходами микроконтроллера и подключить к ним резисторную матрицу R-2R. Таким образом из горстки резисторов собрать свой ЦАП с нужной разрядностью.

Подавая 0 и 1 на выходы микроконтроллера, можно получать нужный уровень напряжения на выходе “OUT”. Чем больше выходов будет использовано, тем выше разрядность ЦАП. По схеме R-2R оставил ссылку в конце.

Выбор подходящего микроконтроллера

После экспериментов на ATmega8 мне захотелось улучшить то, что есть. Выбирая из разных вариантов, я положил глаз на STM32. А конкретно — на STM32F103 — это 32-битные микроконтроллеры на ядре ARM Cortex-M3 (до 72 MHz).

Эксперименты проводил на отладочной плате, которая, наверное, есть в любом магазине электроники. На отладочной плате сразу располагался программатор, с помощью которого прошивается на МК.

Немного пострадав с его запуском, сразу же побежал проверять его по своему чек листу.

Производительность?

Схема тактирования позволяет работать ЦПУ на частоте 72 MHz, что после 8-битных на 20 MHz было с запасом. Хватало для более точных расчетов по алгоритму ДПФ.

Энергоэффективность?

При почти максимальной нагрузке потреблял около 40-50 мА. Дешевый стабилизатор напряжения в схеме питания на 100 мА с этим справлялся. Даже с учетом остальной маложрущей периферии этого было достаточно.

Достаточно быстрый АЦП?

Разобрался, как разогнать до максимальной скорости АЦП при частоте ЦПУ 72 MHz. Так как ранее было сказано, что полезный сигнал будет частотой в районе 80 кГц, то будем считать исходя из этого.

В доках для STM32 нашел, как вычислять минимальное время преобразования: нужно к настраиваемому времени семплирования (минимум 1.5 цикла) прибавить 12.5 машинных циклов. Получается 14 машинных циклов на одну точку измерения.

При определенной настройке схемы тактирования на модуль АЦП приходится 14 MHz. Если перевести в секунды, то 14 циклов при частоте тактирования 14 MHz — это одно измерение в 1 микросекунду.

Идеально! Даже если полезный сигнал будет частотой 100 кГц, я смогу измерить 10 точек за один период сигнала. С минимальной точностью, но быстро.

Примерно так будет выглядеть оцифровка синусоиды 80 кГц.

Достаточно быстрый ЦАП?

По той же логике нам нужно сгенерировать синусоиду частотой около 80 кГц. И если мы хотим, чтобы синусоида была похожа на синусоиду, а не на странную угловатую фигуру, нужно генерировать одну точку хотя бы раз в 1.5 микросекунды, как мы выяснили ранее.

Почитав документацию, я понял, что в ЦАП STM32F103 встроенный ОУ имеет ограничение в 1 MSPS. Получилось настроить генерацию каждой точки сигнала раз в 1 микросекунду.

Примерно так при этом будет выглядеть синусоида с частотой 80 кГц на выходе из ЦАП.

Периферия

Что еще мне понравилось в STM32F103 — это наличие встроенного USB. Там есть режим эмуляции COM порта. Мне показалось это очень удобным, особенно после внешних преобразователей USB-UART.

Можно подключать устройство к ПК обычным шнурком от телефона и через терминал посылать на устройство какие-нибудь отладочные команды.

Для экспериментов подключал два PLC устройства к двум компам, и они посылали друг другу ASCII символы, вводимые с клавиатуры. Получилось что-то вроде чата через розетку 220 В.

Особенности питания устройства

Сразу отмечу, что я не спец в проектировании блоков питания, для подробностей есть специализированная литература. Но считаю важным отметить некоторые моменты, которые влияют на стабильность системы, и с которыми у меня были проблемы.

Блок питания можно либо собирать самому, либо взять готовый модуль с нужными характеристиками, это неважно. В любом случае, нужно адекватно развести линии питания по печатной плате.

Схема питания устройства зависит от потребителей. В нашем случае основные “жрущие” потребители — это микроконтроллер и “выходная цепь”, так как в ней усилитель для отправки сигнала в ЛЭП.

Остальные потребители вроде усилителей входного сигнала во “входной цепи”, EEPROM памяти или какие-то UART конвертеры потребляют немного.

Стабильное питание микроконтроллера

Первое и самое важное на что нужно обратить внимание — это стабильность питания микроконтроллера. Он не любит скачки напряжения и может в самый неподходящий момент перезагружаться или просто начать себя странно вести (пропускать блоки кода).

И тут у нас проблемка: как назло, под боком у микроконтроллера находится “выходная цепь” с усилителем полезного сигнала. Этот блок устройства во время генерации сигнала импульсами потребляет мощность, что может прилично потрясти всю систему питания, обнулив при этом микроконтроллер.

При передаче кадра это происходит каждые 10 миллисекунд длиной в 1 миллисекунду.

С этим у меня возникли трудности. Иногда устройство работало нормально, но чаще — предсказуемо перезагружалось. Сначала пытался решить проблему блоком питания помощнее, но не помогало. В поисках решений много интересного узнал из форумов по робототехнике. Там похожие проблемы были в основном из-за сервоприводов, которые потребляют приличное количество энергии и, при неправильной разводке платы, могут внезапно перезагружать микроконтроллер.

Для тяжелых случаев есть пара советов, которые помогут уменьшить влияние скачков напряжения.

Совет 1 - Разделить землю на аналоговую и цифровую

Первый важный момент — это обеспечение минимального влияния аналоговой части схемы на цифровую.

Для этого нужно разделить дорожки “GND” в самом начале схемы питания — возле минуса блока питания. Ни в коем случае нельзя их пересекать или как-то замыкать в других частях схемы.

Для питания условно “цифровых” компонентов схемы (микроконтроллер, EEPROM память и т.д.) от самого блока питания должна идти отдельная линия, можно назвать её “DGND”.

Для питания аналоговой схемы генерации “полезного сигнала” от блока питания, соответственно, должна идти отдельная линия “AGND”. Подробнее можно почитать в статьях или литературе по заземлению.

Совет 2 - Не забыть про керамику

Конденсаторы нужно ставить перед каждой ножкой питания микроконтроллера и как можно ближе к ним. Обязательно выполнить минимум обвеса, который указан в Datasheet на микроконтроллер.

Также желательно добавить в цепи питания микроконтроллера дополнительную емкость, в виде электролитического или танталового конденсатора, чтобы он мог даже выдерживать кратковременное отключение питания.

С танталовыми осторожнее, они красиво взрываются :).

Еще надо не забыть “защитить” ножку “Reset” микроконтроллера, как указано в Datasheet. В противном случае микроконтроллер может внезапно перезагружаться. Если нет светодиодной индикации запуска программы микроконтроллера, то можно этого даже не заметить.

Совет 3 - Экранировать цифровые компоненты

Может получиться так, что недалеко от микроконтроллера расположен высокочастотный трансформатор, который во время передачи сигнала генерирует электромагнитные помехи.

Мне помогло расположение микроконтроллера на другой от ВЧ трансформатора стороне печатной платы и наличие земляного полигона под корпусом микроконтроллера.

Подробнее можно почитать в статье по ссылке в конце.

Заключение

В этой части мы в общих чертах разобрали чем занимается микроконтроллер. Узнали некоторые особенности питания устройства и возможные проблемы.

Статья вышла довольно объемной. Я постарался максимально коротко передать основные моменты. Может сложиться ощущение незаконченности и это нормально. Для углубленного изучения оставлю ссылки внизу.

В следующей части подробнее разберём оставшиеся блоки устройства: входная и выходная цепи, zc детектор и согласование устройства в сетью 220 В. После этого должна сложиться целостная картинка. В заключительной части пробежимся по программной части: обработке оцифрованного сигнала, генерация синуса и т.д.

У кого был/есть какой-либо опыт в PLC обязательно делитесь этим с остальными в комментариях :)

Полезные ссылки

https://nag.ru/articles/article/24485/strasti-po-plc.html - интересная статья по истории PLC
https://www.electronshik.ru/catalog/interfeys-modemy-plc - заводские PLC микросхемы с datasheet (там много схем и характеристик)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Частотная_манипуляция - FSK модуляция
http://www.atmega8.ru/ - про ATmega8

STM32
https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32f103.html - STM32F103
https://themagicsmoke.ru/courses/stm32/led.html - “Помигать светодиодом” на stm32
https://blog.avislab.com/stm32-clock_ru - схема тактирования stm32
https://habr.com/ru/post/312810/ - подробнее про ЦАП в stm32
https://blog.avislab.com/stm32-adc_ru/ - АЦП в stm32
https://blog.avislab.com/stm32-usb_ru/ - USB в stm32

Аналоговая часть
http://easyelectronics.ru/parallelnyj-cifro-analogovyj-preobrazovatel-po-sxeme-r-2r.html - преобразователь по схеме R-2R
http://caxapa.ru/lib/emc_immunity.html - "Помехоустойчивые устройства", Алексей Кузнецов
https://www.ruselectronic.com/passive-filters - пассивные фильтры