Komunikujeme po silových rozvodech (1. část)
Embedded aplikace
Technologie komunikace po elektrickém vedení napomohla vzniku celé řady aplikací. Mezi nejvýznamnější z nich dnes přitom řadíme AMR a Advanced Metering Infrastructure (AMI). S AMR může obslužná společnost jen odečítat data z měřidla (elektroměru). Propracovanější AMI však podporuje obousměrnou komunikaci mezi dodavatelem energie a odpovídajícím měřidlem, tj. důmyslnější aplikace typu nepřetržité aktualizace elektrického tarifu (sazby) či předplacených služeb.
Jak již bylo naznačeno výše, lze komunikaci po elektrickém vedení využít i v případě řízení osvětlení (Lighting). Nejjednodušším řešením je třeba zapínání a také vypínání pouličního osvětlení. Takový přístup lze dále rozšířit monitorováním zátěže – svítidla s ohledem na rozpoznání nadcházejících poruch nebo také vysláním další stavové informace, např. o spotřebě energie.
Komunikace po elektrickém vedení vhodně nahrává jednoduchému monitorování kteréhokoli solárního panelu v rámci dané sítě a to s ohledem na účinnost a výkonové ztráty. Protože solární systém nemůže produkovat neměnné množství energie, bude důležité vědět, ve kterém okamžiku panel nepracuje v rámci požadovaných podmínek. Sluší se zdůraznit, že takový druh komunikace lze využít na obou linkách – AC a také DC a tudíž můžeme vysílat data, získaná před nebo až za stupněm invertoru.
Mezi aplikace, které mohou rovněž vyžadovat přenos přes AC či DC linky, dále řadíme nabíjení baterie elektrických vozidel. Bez ohledu na to, zda si budeme baterii dobíjet doma ze střídavé sítě nebo na cestách z DC rozvodu, můžeme komunikaci mezi autem a kterýmkoli dobíjecím místem realizovat na základě stejného hardwaru pro komunikaci po elektrickém vedení – ať již pro účely identifikace či k nahrání nové ceny „paliva“ do systému automobilu.
Komunikace po elektrickém vedení v rámci prostředí EE-Bus je v podstatě šita na míru potřebě monitorovat a řídit jakékoli zařízení, zapojené do systému domácí automatizace. Můžeme tak zároveň šetřit náklady, zvyšovat spolehlivost a ještě činit život o něco více pohodlnějším.
Nová podskupina obvodů Texas Instruments, mikrokontroléry Piccolo TMS320F2806x, spojují výkonné, programovatelné 32bitové jádro s on – chip akcelerátory, přizpůsobenými úzkopásmové komunikaci po elektrickém vedení. Systémoví vývojáři tak nyní mají příležitost nejen softwarově přizpůsobit svůj síťový modem různým modulacím a protokolům, ale také nechat souběžně běžet danou aplikaci. Obr. 2 zachycuje blokový diagram jediného kontroléru Piccolo, řídicího řetězce LED společně s korekcí účiníku a komunikací po elektrickém vedení.
Obr. 2: Zasíťování pouličního osvětlení s LED, založené na MCU Piccolo od TI
PLC (Power Line Communication) a hardware
Abychom dokázali pokrýt odlišné požadavky ve věci modulace, standardů, bitové rychlosti, odolnosti či kmitočtového pásma takových aplikací, můžeme volit mezi několika sadami PLC hardwaru nebo také jedním flexibilním řešením. Texas Instruments se vydal cestou flexibilního hardwarového řešení pro všechny. To se v podstatě skládá ze dvou částí – analogového front – endu (AFE) a softwarového stacku, který poběží na mikrokontroléru. AFE v rámci své vysílací trasy zahrnuje 10bitový DAC, filtr a výstupní výkonový zesilovač. Přijímací část pak obsahuje dva zesilovače s říditelným ziskem a filtr. Nechybí zde ani dvě detekční struktury průchodu nulou, vyžadované S-FSK, a také rozhraní Euridis. AFE komunikuje s mikrokontrolérem TMS320F28PLCx, derivátem rodiny obvodů TMS320F2806x, prostřednictvím 4drátového SPI. Jak již ostatně naznačuje samotný název součástky, byl tento mikrokontrolér navržen s ohledem na požadavky PLC řešení. Zásadní rozdíl ve srovnání s jinými skupinami obvodů oblíbené rodiny real – time mikrokontrolérů TMS320F28x tvoří Viterbi & Complex Math Unit (VCU). Tento modul se svým vlastním instrukčním souborem snižuje zatížení CPU, pokud jde o MIPSově náročné a také běžné PLC algoritmy. Dekodér Viterbi využijeme při FEC (Forward Error Correction), komplikovaných matematických instrukcích a zejména v algoritmech s FFT (Fast Fourier Transform). Třetí blok VCU, CRC akcelerátor, dokáže vypočítat 32bitové CRC během pouhých třech cyklů. Na zmíněném derivátu nechybí ani dobře známé prvky rodiny obvodů TMS320F28x – interní, 12bitový, 3 MSPS A/D převodník typu SAR, PWM s vysokým rozlišením či Flash, chráněná 128bitovým heslem.
PLC a software
Na rozdíl od jiných výrobců, dodávajících PLC řešení, se Texas Instruments rozhodl jít cestou přístupů, založených na plně programovatelném mikrokontroléru. Na základě jediného hardwarového řešení tak lze podpořit rozmanité standardy. Zavedené standardy PRIME, G3 a S-FSK, jakož i chráněná řešení od TI (FlexOFDM), jsou k dispozici v rámci samostatných softwarových balíčků. Běžný způsob použití pak spočívá ve „flashnutí“ dodávaného obrazového souboru do TMS320F28PLCx. Datová komunikace s požadovaným aplikačním procesorem sleduje PLC Suite Host Message Protocol, chráněný TI, přes 2drátové rozhraní UART. Výhradní záležitostí, ponechanou na práci softwarovým vývojářům, se tak stává integrace odpovídající části tohoto dobře zdokumentovaného protokolu do aplikačního procesoru. PLC modem v tomto případě vystupuje jako černá skříňka. Dodávaný PLC Quality Monitor (PQM) jako součást PLC Host Tools, běžících na počítači, využívá stejný protokol a může být proto použit k testování vlastního, vyvíjeného PLC hardwaru se známým protikusem. PQM dokáže konfigurovat činnost PLC hardwaru různými způsoby, například testy vrstvy PHY, sledující kvalitu spojení dvou připojených PLC modemů.
Softwarový přístup kromě toho umožňuje zapracování aplikace v mikrokontroléru TMS320F28PLCx spolu s PLC softwarem. Je to možné díky vystavení různých softwarových vrstev konkrétního softwarového stacku. Tak třeba v případě PRIME budou PHY, MAC, IPV4 CL (Convergence Layer) a vrstva IEC-61334-4-32 LLC (Logical Link Control) samostatně dostupné jako knihovny (včetně podrobné dokumentace k API) a mohou tak být využity v zákaznických projektech, k jejichž vytvoření využijeme Code Composer Studio IDE pro mikrokontroléry TMS320F28x. Pokaždé však všechny softwarové vrstvy možná ani nevyužijeme. Aplikace bez řízení přístupu, např. spojení typu point-to-point, pravděpodobně upotřebí vrstvu PHY, zatímco MAC, IPV4 CL a LLC vynechá a ušetří tak drahocenné cykly včetně paměti, které tak lze využít přímo v koncové aplikaci. Takový příklad PHY je přitom poskytován v každém softwarovém balíčku.
Integrace
Díky své softwarové flexibilitě je pro všechna podporovaná PLC řešení vyžadován pouze jediný hardware. Pro efektivní hardwarové přiblížení se tak System on Module (SoM) může stát tou správnou volbou. Ten pak zasuneme do základní desky, zajišťující požadované napájení a také příslušné signály. Pro to, abychom se vydali právě touto cestou, existují dobré důvody – volitelné zapracování PLC technologie v systému (je to jen otázka osazení – neosazení) nebo změna přístroje s ohledem na odlišné PLC standardy, kterým bude potřeba v různých částech světa vyhovět.
Tato destička SoM obsahuje mikrokontrolér a AFE, stejně jako nezbytné pasivní prvky. Její rozměry přitom nemusí překročit polovinu velikosti Vaší kreditní karty, tedy kromě napájecího zdroje a vazebního obvodu. Minimálními vyžadovanými signály jsou již zmiňované rozhraní UART a modulovaný, obousměrný PLC signál, zaváděný do vazebního obvodu. SoM kromě toho vyžaduje dvě napájecí úrovně; 3,3 V pro mikrokontrolér a AFE a 15 V pro výkonový stupeň AFE z titulu standardů, založených na OFDM a jejich činitele výkyvu.
Závěr:
Komunikace po elektrické síti sice funguje již od 30tých let minulého století, v současné době však zažívá nebývalý posun kupředu a to s vidinou podpory chytrých sítí zítřka, ať již zde pozvedne současné aplikace typu e – měřidel či osvětlení nebo se více uplatní v novějších systémech při dobíjení elektrických vozidel. To vše se spolu snoubí v chytré síti, protože vše je o komunikaci.
Autoři: Lars Lotzenburger a Matthias Poppel, TI
Komentáře
ahoj..paci sa mi to...je to
ahoj..paci sa mi to...je to riadne pekne vysvetlene..*KISS*