В данной статье будут рассмотрены методы передачи данных по проводам питания устройств. Особое внимание уделено проблемам, которые необходимо решить разработчику подобных устройств связи. Приведены примеры реализации приемной и передающей части для линий связи по силовым проводам постоянного тока, а также реализация канала связи по силовым проводам переменного тока 220 Вольт с частотой 50 Герц. Описаны типовые алгоритмы работы управляющего микроконтроллера.
Немного истории
Идея передачи сигналов управления по проводам питания не нова. Еще в 30-х годах прошлого столетия проводились смелые эксперименты по передаче таких сигналов по проводам силовой сети города. Полученные результаты были не очень впечатляющими, но не стоит забывать о том, что в те времена царствовала ламповая техника и элементная база была не столь разнообразна. Ко всем проблемам технического толка добавлялись и организационные: не было единого стандарта - каждый разработчик делал всё под себя: использовались разные частоты и модуляции. Всё это сдерживало развитие данной отрасли связи.
Принцип работы передающих и приемных устройств
Принцип работы таких устройств заключается в передаче высокочастотных сигналов по проводам питания постоянного или переменного тока. В силовых линях переменного тока чаще всего передача сигналов осуществляется в момент перехода переменного тока через ноль, т.е., когда силовое напряжение отсутствует или минимально. Дело в том, что и уровень помех в этот момент минимально. При этом полезный нам сигнал передается как бы между серией помех.
Передача высокочастотного сигнала по сети переменного тока
Для переноса высокочастотного сигнала в силовую сеть чаще всего используется трансформатор. Приемная часть обычно состоит из трансформатора связи и контура, на котором выделяются необходимые высокочастотные сигналы.
Метод переноса высокочастотных сигналов в сеть переменного тока
В силовых цепях постоянного тока используют подобный метод передачи высокочастотных сигналов, но принцип формирования такого сигнала иной: мощный ключ (транзистор) своим переходом кратковременно шунтирует сеть. Происходит небольшое уменьшение напряжение в сети (Рис. 3).
Метод формирования высокочастотных сигналов в сетях постоянного тока
На приемной стороне установлен чувствительный детектор, на котором выделяются эти просадки напряжение в линии. Далее эти сигналы поступают на вход усилителя с функцией АРУ, после чего полученные сигналы передаются в блок логики, который может быть выполнен как на микросхемах малой интеграции, так и на универсальном микроконтроллере или специализированной микросхеме, имеющей в своём составе все вышеперечисленные узлы. В последнее время микроконтроллеры всё чаще используются для таких задач благодаря низкой цене и большим возможностям. Тем более, использование программируемых устройств позволяет изменять назначение таких устройств, загрузив в них новую программу - это значительно проще и дешевле, чем изготовить новое электронное устройство с десятком микросхем…
Блок-схема современного PLC-модема
Достоинства и недостатки данного типа связи
Достоинством данного типа связи является совместное использование уже имеющейся проводной линии силовой сети. Т.е., не требуется производить монтаж линии связи, да и розетка есть практически в любой комнате.
К минусам относится как техническая сложность устройства, так и невысокая скорость при передаче данных на расстояния больше, чем 100-300 метров.
Также не стоит забывать, что данный канал связи можно организовать только между теми устройствами, которые подключены к одной фазе сети и только в пределах одной трансформаторной подстанции - высокочастотные сигналы не могут пройти через обмотки трансформатора электрической подстанции.
В принципе, последнее ограничение частично снимается использованием пассивных или активных ретрансляторов высокочастотных сигналов. Их используют как для передачи сигналов на другую фазу, так и для передачи сигналов в линию другого трансформатора.
Технические сложности реализации канала связи
Организация надежного канала связи по силовой сети - задача нетривиальная. Дело в том, что параметры сети непостоянны, они меняются в зависимости от времени суток: изменяется количество подключенных к сети устройств, их тип и мощность. Еще одной из негативных особенностей электрических сетей стран бывшего СССР является «гегемония» - мощные трансформаторные подстанции, которые питают целые кварталы! Соответственно, на одну фазу трансформатора подключены сотни абонентов, в квартире каждого из них имеется большое количество всевозможных устройств. Это как устройства с трансформаторными блоками питания, так и устройства с импульсными блоками питания. Последние зачастую выполнены с нарушениями в плане электромагнитных излучений - помех, что создает весьма высокий уровень помех в силовой сети здания и города в частности.
Во многих странах для питания зданий используются компактные трансформаторные устройства. Один такой трансформатор питает от 3 до 7 квартир или домов. Следовательно, качество электроэнергии, поступающей к абонентам, значительно выше, чем в наших электрических сетях. Также и сопротивление между фазным проводом и нулем выше. Все эти факторы позволяют иметь лучшие условия для передачи данных по квартире или зданию, чем имеем мы в наших условиях.
Большое количество подключенных в сеть устройств приводит к низкому сопротивлению между фазным проводом и нулем, оно может составлять 1-3 ома, а иногда и еще меньше. Согласитесь, что «раскачать» такую низкоомную нагрузку весьма сложно. Ко всему, не забывайте, что сети весьма значительны по площади, следовательно, имеют большую емкость и индуктивность. Все эти факторы определяют сам принцип построения такого канала связи: мощный выход передатчика и высокая чувствительность приемника. Поэтому используются сигналы высокой частоты: сеть имеет большее сопротивление для высоких частот.
Не меньшей проблемой является плохое состояние силовых сетей, как в целом, так и внутри строений. Последние часто выполнены с нарушениями, так же нарушается даже минимальное требование: магистраль выполняется более толстым проводом, чем отходящие питающие линии в комнаты. Электрикам известен такой параметр, как «сопротивление петли фаза-ноль». Его смысл сводится к простой зависимости: чем ближе к электрической подстанции, тем толще должны быть провода, т.е., сечение проводников должно быть больше.
Если сечение проводов выбрано неверно, прокладка магистральной линии выполнена «как получилось», то сопротивление линии гасит высокочастотные сигналы. Исправить ситуацию можно или улучшив чувствительность приемника, или увеличив мощность передатчика. И первое, и второе проблематично. Во-первых, в линии связи присутствуют помехи, поэтому увеличение чувствительности приемника до уровня помех не даст увеличения достоверности приема сигналов. Увеличение мощности передатчика может создавать помехи другим устройствам, поэтому также это не является панацеей.
Распространенные стандарты. Стандарт Х10
Наиболее известным из стандартов передачи команд по силовой сети является Х10. Данный стандарт был разработан очень давно, в 1975 году шотландской компанией «Pico Electronics». Данные передаются с помощью пачки импульсов частотой 120 кГц и длительностью 1мс. Они синхронизированы с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. За один переход через нуль передаётся один бит информации. Приёмник ожидает такой сигнал в течение 200 мкс. Наличие импульса вспышки в окне означает логическую «единицу», отсутствие - логический «ноль». Биты передаются дважды: первый раз в прямом виде, второй раз инвертировано. Обычно модули выполняются как отдельные устройства, но сейчас всё чаще выполняются не на основе разных компонентов, а с использованием микроконтроллера. Это уменьшает размер приемника, что позволяет встроить «умную начинку» даже в патрон электрической лампы или дверной звонок.
Как говорилось ранее, высокочастотный сигнал не может распространяться дальше трансформаторной подстанции и фазы. Поэтому для получения связи на другой фазе используют так называемые активные ретрансляторы. Но необходимо учитывать, что приемник слушает сигнал только в определенные моменты времени. Поэтому используют или «умные» приемники, с измененными параметрами
У данного стандарта связи есть как плюсы, так и минусы. Во-первых, он разработал очень давно, тогда не было микроконтроллеров, и вся схемотехника была аналоговой, с использованием многочисленных компонентов. Поэтому и протокол связи очень низкоскоростной: за один период сети передается не более одного бита. Дело в том, что бит передается дважды: в первом полупериоде он передается в прямом виде, а во втором полупериоде - инверсно. Во-вторых, некоторые команды передаются группами. Это еще больше увеличивает время обмена данными.
Также значительным недостатком этого протокола является отсутствие подтверждения приема команды устройством. Т.е., послав команду, мы не можем быть уверены в гарантированной его доставке получателю. Это также не способствует распространению данного стандарта.
Собственный опыт. Изобретаем велосипед
Опробовав в реальных условиях многочисленные готовые устройства, позволяющие передать команды по силовой сети, я пришел к неутешительному выводу: в домашних условиях, с ограниченным бюджетом, не имея специализированных приборов и (чего скрывать-то?) знаний, изобрести что-то гениальное не получится. Но ничто и ничто не мешает сделать приятную поделку для себя, под свои конкретные условия. Под этим подразумевается и область применения такого изделия, расстояния, на которые необходимо передавать команды, а также функциональность такого устройства.
Выполним некоторые формальности в виде некого подобия технического задания для нашего проекта:
- устройство должно передавать данные по проводам силовой сети;
- данные должны передаваться в «паузах» тока, т.е., когда напряжение в сети минимально;
- надежность канала связи обеспечивается как аппаратно (оптимальным уровнем сигнала в точке приема), так и программно (данные передаются с контрольной суммой для обнаружения повреждения принятых данных, команды передаются несколько раз, факт получения команды приемным устройством подтверждается посылкой соответствующего сигнала обратно к главному устройству);
- упростим до необходимого уровня как протоколы обмена данными между устройствами в сети, так и тип модуляции. Будем считать, что один бит данных передается 1 миллисекунду. Единица будет передаваться в виде пачки импульсов этой длительности, а ноль - её отсутствием;
- в сети все устройства слушают сигналы, но выполняет полученную команду только то устройство, которому адресована такая команда. Т.е., у каждого из устройств есть свой индивидуальный адрес - номер.
Сама схемотехника исполнительной части таких устройств может быть разной. Нас интересует схема приемной и передающей части.
На рисунке показана схема реального устройства, передающего команды по силовой сети. Исполнительная часть устройства управляет яркостью свечения лампы, т.е., является диммером.
Рассмотрим схему подробнее. Трансформатор Т1 и диодный мост D1-D4 обеспечивают питание устройства. Узел R8\R11, диоде D6 и транзистор Q1 обеспечивают форматирование сигнала, указывающего на минимальное напряжение в силовой сети (частота 100 гц). Кнопки S1-S3 используются для местного управления работой диммера: изменяют яркость свечения лампы, позволяют сохранить по умолчанию этот параметр, а также время нарастания и угасания лампы. Светодиод LED отображает режимы работы диммера и факт прима сигналов. Остальные светодиоды отображают яркость свечения лампы и время изменения яркости.
Резисторы R11 и R12 образуют делитель напряжения и используются для задания «чувствительности» приёмной части устройства. Изменяя соотношения сопротивления этих резисторов можно влиять на реакцию устройства как на помехи, так и на полезный сигнал.
Трансформатор связи Т2 используется для гальванической развязки приёмной и передающей частей устройства, а также передаёт высокочастотные сигналы в силовую сеть здания.
Передающая часть выполнена на транзисторе Q2 и одной из обмоток трансформатора Т2. Обратите внимание на стабилитрон D5 - именно он защищает переход транзистора от пробоя при кратковременных высоковольтных помехах в сети.
Приёмная часть несколько сложнее: одна из обмоток трансформатора Т2 вместе с параллельным колебательным контуром L1\C2 образуют сложную схему приёмного тракта. Диоды D8 и D9 защищают от предельного значения напряжения вход микроконтроллера. Благодаря этим диодам напряжение не может превысить значение питающего напряжения (в нашем случае 5 Вольт) и не может стать отрицательным ниже минус 0.3-0.5 Вольт.
Процесс приёма сигналов производиться следующим образом. Опрос кнопок и работа с индикацией каких-либо особенностей не имеют. Поэтому их работу описывать не стану.
Подпрограмма приёма ожидает сигнала перехода тока через ноль. По наступлению этого события запускается процедура опроса аналогового компаратора, которая длится около 250 микросекунд. Если никаких сигналов получено не было, то подпрограмма начинает свою работу с самого начала.
При получении любого сигнала (компаратор выдал на своём выходе логическую единицу) запускается процедура анализа полученного сигнала: в течение определенного времени производится опрос компаратора на наличие длинного сигнала. Если принятый сигнал имеет необходимую длительность, то принятый сигнал признается достоверным. После этого запускается процедура приёма необходимого количества бит данных, переданных удаленным устройством.
Получив все данные, производится их анализ на факт совпадения с принятой в этой же посылке контрольной суммой. Если данные приняты достоверно, то команда признаётся достоверной и выполняется. В ином случае принятые данные игнорируются, и программа выполняется заново.
Процесс передачи сигналов в сеть также полностью выполняется микроконтроллером. При необходимости передачи данных подпрограмма ожидает стартовое условие: получение сигнала перехода тока через ноль. Получив этот сигнал, выдерживается пауза в 80-100 микросекунд, после чего в силовую сеть передается пачка импульсов необходимой частоты и длительности. Высокочастотные сигналы практически без потерь проходят через небольшую ёмкость высоковольтного конденсатора С1 в сеть. Пачки необходимой частоты формируются с использованием аппаратного ШИМ-генератора, имеющегося в данном микроконтроллере. Как показали эксперименты, наиболее оптимальной частота передачи сигналов лежит в пределах 90-120 Кгц. Эти частоты разрешены к использованию без необходимости регистрации в соответствующих органах надзора как в России, так и Европе. (Стандарт CENELEC)
А теперь ответ на самый часто получаемый вопрос: какова дальность связи между такими устройствами? Ответ прост: на дальность связи влияет множество факторов: качество силовых линий, наличие «скруток» и монтажных коробок, тип нагрузки и её мощность …
Из практики: в небольшом городе, на силовой линии, питающей 30-50 частных домов, утром и днём (когда электрическими приборами пользуются меньше) дальность связи значительно выше, чем в крупном городе с сотней квартир на одной фазе.
Отвечу и на второй распространенный вопрос: как увеличить дальность связи? Для этого можно увеличить мощность передаваемого в силовую сеть сигнала, а также улучшить приёмную часть устройства.
Усилитель мощности можно выполнить на распространенной микросхеме TDA2030 или TDA2003 (хотя заявленные производителем параметры иные, но они неплохо работают).
Приёмная часть более сложна к доработке:
- добавить входной усилитель и АРУ;
- добавить узкополосные фильтры на входе устройства. Самое простое решение таково: последовательный контур, настроенный на необходимую частоту.
Решил сделать фуоз на мот, посмотреть че это и как его едят. шаг первый - сделать для него правильный датчик.
датчик будем делать на компараторе, по схеме умки:
все банально - идем в магазин радиодеталек, покупаем печатную плату (желательно толстую), компаратор lm211d, 4 смд резистора на 1ком, и один на 47ком, еще понадобится смд светодиод, его можно купить или отпаять откуда-нибудь, например с ленты, сойдет любой цвет, на работу влиять не будет:D
Также придется нарыть где-то оптопару, их также можно отпаять со старой шариковой мыши, или купить специальные щелевые(ktir0611s) или на отражение(TCRT5000 - только для него печатка и расположение совсем другое). я пошел другим путем - купил фототранзистор хз с каким обозачением в том же магазине где брал те детальки, а ик диод снял со сломанного пульта от двд. хотя у меня и была пара на старом датчике, я решил не трогать их(и правильно сделал).
вот все элементы:
Двигаемся дальше. узнаем каких размеров у нас детальки(размеры смд можно найти в гугле), чтобы начертить печатную схему для них. с помощью программы(я пользуюсь Sprint layout 6) делаем схему нашего будущего датчика, ориентируясь по схеме. на схеме для ик диода использован еще стабилизатор, но он нам не нужен, диод подключаем напрямую к питанию через резистор 1ком. Это упростит схему и габариты нашего датчика. размеры датчика - 20*32.
при разработке учитывайте все параметры своих деталек - они должны соответствовать вашей печатной плате, у фототранзистора и ик диода есть ПОЛЯРНОСТИ! так как я не знал что за у меня вообще фототранзистор, я решил его проверить мультиметром.
выставляем милливольты, подключаем концы к ножкам, наводим свет на транзистор и смотрим на показания.
если показания начинаются со знака "-", значит мы подключили минусовой провод на плюсовую ножку. и так мы определили полярность(хотя как я позже узнал, она вроде как и не важна). определить какая сторона транзистора передняя тоже не оказалось проблемой - навел свет - показания росли, а с другой стороны не так заметно.
исходя из этого проверяем все, и распечатываем нашу схему сначала на обычной бумаге, для проверки. ВНИМАНИЕ! учтите зеркальность рисунка! иначе придется делать все заново!
Накладываем детальки, смотрим, все ли совпадает по ножкам. далее распечатываем схему уже на глянцевой бумаге. внимание - принтер обязательно нужен лазерный, с тонером! иначе ничего не получится! при распечатке нужно следить за бумагой, принтер может не принять его, и возможно ролики будут просто скользить по ней, и рисунок будет искаженным. чтобы этого избежать, помогаем принтеру - придерживаем бумагу когда он его забирает, и когда отдает(если конечно печатаете дома, своим принтером:D) распечатайте сразу несколько копий на весь лист, так как тонер может плохо прижариться к глянцевой бумаге, и чтоб можно было выбрать самые хорошо распечатанные экземпляры и вырезать их.
Далее берем плату, зачищаем его ацетоном. необходимо чтобы плоскость была чистой и гладкой, иначе весь лут пойдет коту под хвост. накладываем рисунки на плату, лучше сразу несколько, т.к. какой-то из них может плохо прижариться. берем утюг, выкручиваем его на полную мощность и ждем пока разогреется. после всего решаемся со всем этим и наставляем утюг на нашу будущую платку(лучше через бумагу, чтоб потом пзды за испорченный утюг не словить). гладим сильно прижимая, лучше всего кончиком утюга хорошенько прижаривать рисунок, когда она уже неподвижна, разглаживаем рисунок с усилием.
выключаем утюг, берем платы чем нибудь, чтоб не обжечься и несем их промывать. лучше это делать перед остыванием, т.к. бумага начинает пузыриться и на этих местах возможно отдирать горячий тонер с платы. замачивать лучше прохладной водой. вскоре бумага станет влажной и ее нужно растирать пальцем, так, чтобы бумага скатывалась, и остался только тонер.
смотрим чтоб не оставалось лишней прилипшей бумаги, удаляем иглой или острой зубочисткой. там где плохо налип тонер - закрашиваем перманентным маркером, и лишнее стираем зубочисткой, намоченной ацетоном или растворителем.
и так плата готова для вытравливания, готовим раствор(у меня - хлорное железо, другие доступные рецепты подскажет гугл)
наливаем горячей воды в посудку (лучше с широким дном, например от тортика(покупаем торт, торт съедаем а крышку оставляем для раствора)) и растворяем в ней хлорное железо. бросаем плату на вытравливание, периодически помешиваем раствор и плату. вытравливание длится примерно 20 минут. после вытравки вытаскиваем плату и отмываем ее.
тонер уже можно снять, например мелкозернистой наждачкой с небольшим усилием.
далее лудим платку, чтобы дорожки хорошо лудились можно использовать глицерин или паяльную кислоту, но у меня и так все залудилось. чтобы дорожки залудились ровным слоем, используем канифоль чтобы припой равномерно распределился по дорожкам.
канифоль можно смыть ацетоном или растворителем(нужно жестко счищать, иначе плата будет липкой).
теперь нужно рассверлить отверстия для ик диода и фототранзистора. в виду отсутствия мелких сверел, я взял скрепку и расточил его конец так:
Теперь можно приступать к пайке элементов. внимательно смотрите что и куда напаиваете, ориентируйтесь по схеме, хотя эта схема простая как хлебушек. Как напаяли детали, смываем лишнюю канифоль с платы, если осталась.
датчик почти готов, его можно проверить, пустив ток от 5 до 14в. если все работает - будет светиться индикационный светодиод на плате. если нет - либо полярность где-то неправильная, либо ваш косяк. у меня все работает, фоткать не стал.
напаиваем провода,
берем кусок платы для ответки, чтобы закрыть наш датчик. чтобы был зазор сразу прикручиваем на плату винты и гайки, ответная часть будет упираться на гайки. закручиваем, берем клеевой пистолет и заливаем все это дело горячим клеем, ик диод тоже залил клеем чтобы она держалась неподвижно и не отвалилась от вибрации.
разъем взял с датчика холла, запаял к нему провода.
Вроде как все разжевал, если есть вопросы - задавайте.
з.ы. данный датчик сгорел по моей глупости, в момент его тестирования на мото., так как я перепутал местами плюс и минус когда запаивал к фишке. когда осознал это, было уже поздно. скоро придет новый компаратор, и я заменю его.
Сразу небольшой FAQ:
1. Полноценная система зажигания состоит из 2-х частей: формирователь угла опережения зажигания (ФУОЗ, собственно схема Сарумана) и коммутатора, который выполняет роль усилителя. По сути, ФУОЗ заменяет центробежный регулятор опережения ПМ-302, ставившийся на Уралах ранее. Коммутатор может быть любым, рассчитанным на работу с датчиком Холла
2. О возможной замене деталей. При самостоятельном изготовлении предусматривается, что будет использована документация с этого сайта, в том числе и чертежи печтаных плат. Однако, при существенной доработке платы, можно заменить: MC33269DT-5.0 на КР1158ЕН5В (для 6-вольтовой бортовой сети) или на КР142ЕН5 (7805) для 12-вольтовой сети; светодиоды и переключатели режима - любые удобные для монтажа; BAT254 и SK39 - на любые диоды, желательно Шоттки, с токами более 0,1А и 1А и напряжениями более 25В и 50В соответственно; оптроны заменимы на любые доступные транзисторные; транзисторы BCV48 - на КТ502, BCV49 - на КТ503, КТ3117, BC857 - на КТ361, КТ3107. Без доработки платы: кварцевый резонатор HS-49SM заменим на керамический ZTT с встроенными конденсаторами, PIC16F84-04I/P - на PIC16F84-10I/P, PIC16F84A-04I/P, PIC16F84A-20I/P.
3. В отладке собранное устройство не нуждается, так как сборка предполагает достаточную квалификацию для диагностики неисправностей, но на всякий случай FAQ с сайта автора
4. Зачем?...
Применены спаренные резисторы R29, R30 и R34, R35? Для сокращения числа номиналов, каждую пару можно заменить одним резистором на 240 Ом.
Применены группы резисторов R36-R38, R39-R48, R49-R51? Исходя из требуемой мощности и желания применить детали для SMD монтажа. По той же причине выбраны конденсаторы С23, С24.
Поставлены оптроны? Для наилучшей развязки микропроцессорной части и внешних цепей. По крайней мере, так меня учили в НИИ им. Курчатова.
5. Светодиоды облегчают диагностику системы зажигания. Так, отсутствие свечения HL2 свидетельствует об отсутствии питания или неисправности стабилизатора DA1; отсутствие мигания HL3 - неисправность датчика Холла, стабилизатора DA2 или короткое замыкание в цепях датчика Холла; отсутствие мигания HL1 - неисправность контроллера DD1. (имеется в виду, что остальные светодиоды работают в штатном режиме).
ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД КОНТАКНОЙ СИСТЕМОЙ
Микропроцессорный модуль опережения:
- оптимальный режим работы двигателя во всем диапазоне оборотов;
- ровная работа двигателя, особенно на холостых оборотах;
- нет обратных ударов при пуске или очень слабые;
- предусмотрено изменение характеристики опережения (3 графика);
- охранные функции;
- функция прогрева свечей;
- уменьшение расхода топлива (ИМЗ 8.103-10 стандарт, 60 км/ч, шоссе ~ 5 л/100 км).
Интегрированный транзисторный коммутатор класса *.3734:
- улучшение запуска в холодное время и при снижении напряжения АКБ до 7В;
- мощная искра и оптимизация включения катушки.
| Файл ВНИМАНИЕ! ВЕРСИИ ФАЙЛОВ НЕАКТУАЛЬНЫ, ЖДИТЕ ОБНОВЛЕНИЯ! | Формат | Объем |
|---|---|---|
| Схема принципиальная | P-CAD 2000 | 160 кБ |