CZ2008660A3

CZ2008660A3 - Zpusob PLC komunikace a zarízení pro její vykonávání

Info

Publication number: CZ2008660A3
Application number: CZ20080660A
Authority: CZ
Inventors: Seifert@Henryk
Original assignee: Modem Tec S. R. O.
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-05-05
Also published as: WO2010045893A1

Abstract

Zpusob PLC komunikace je založen zejména na tom, že v kroku generovaní dat jsou generovány datové pakety o konstantní délce, které obsahují pouze data, redundantní informace pro korekci chyb a kontrolní soucet pro kontrolu dat. V krocích korekce chyb a kontroly dat jsou zpracovávána všechna prijatá data. Krok korekce chyb se vykonává na prijímaci periodicky v casovém intervalu maximálne rovném casu potrebnému pro prenos jednoho bitu a s úcinností nejméne 5 % opravených chyb na jeden datový paket a krok kontroly dat se vykonává s kontrolním souctem realizovaným na polynomu minimálne 8 rádu. Zarízení pro PLC komunikaci spocívá v tom, že minimálne blok (BKC) korekce chyb, blok (BKD) kontroly dat a blok (BZD) zpracování dat jsou realizovány jako logické bloky softwarove generované v hradlovém poli. Blok (BKC) korekce chyb a blok (BKD) kontroly dat jsou propojeny datovou sbernicí o šírce minimálne 4 bitu. Soucástí bloku (BKC) korekce chyb je kruhová vyrovnávací pamet FIFO o velikosti datového paketu. Blok (BKD) kontroly dat sestává ze souboru paralelne razených aritmetických jednotek. Výpocetní výkon bloku (BKC) korekce chyb a bloku (BKD) kontroly dat je minimálne 10.sup.8.n. operací za sekundu.

Description

Oblast techniky

Řešení se tyká způsobu úzkopásmového přenosu zpráv po energetických vedeních - tzv. PLC (Power Line Carrier) komunikace a zařízení pro vykonávaní tohoto způsobu,

Dosavadní stav techniky

PLC komunikace představuje pro průmysl a především pro energetiku velice zajímavé komunikační řešení, neboť umožňuje budovat datové sítě bez investic do budovaní přenosových tras. S jejím využíváním se započalo v polovině minulého století v podobě jednosměrné komunikace (systém HDO), přičemž k většímu využití PLC komunikace dochází až v polovině devadesátých let v podobě dvousměmé komunikace, kdy se v návaznosti na expandující vývoj elektronických součástek podařilo zlepšit jak kvalitu přenosu, tak systémy vyhodnocovaní signálu.

Možnosti použití PLC komunikace determinuje v rozhodující míře kvalita přenosového média, tj. energetických rozvodů, které jsou přenosovým prostředím velice dynamickým a s vysokou mírou rušení. Se změnou topologie sítě připojováním a odpojováním spotřebičů se velmi dynamicky mění útlum a tím velikost přijímaného signálu. Též většina moderních spotřebičů má nelineární charakteristiku zátěže, která se koncentruje v jednom vedení. Dále spotřebiče emitují široké spektrum rušení a ani vlastní rozvody nemají čisté lineami charakteristiky vlivem paralelních kapacit a podélných indukčností, přičemž vlivem různě velikého zátěžového proudu se na nelineárních prvcích vytváří rušení v širokém spektru frekvencí a s velmi dynamickou amplitudou, Z hlediska šířeni signálu jsou tedy energetické rozvody velice nevhodné přenosové médium a zabezpečení přenosu neskreslených dat v tomto prostředí je značným technickým problémem.

Způsoby PLC komunikace se člení na dva základní druhy, přičemž první způsob je úzkopásmový s omezenou rychlostí a druhý je širokopásmový s vysokými objemy přenášených dat, který nachází využití především v oblasti přenosu audio/video signálu. Z hlediska průmyslové využitelnosti je aktuální způsob úzkopásmové PLC komunikace, která má pro podmínky provozu definovanou harmonizovanou normu a má přiděleny pásma kmitočtů, přičemž se v naprosté většině případů jedná o komunikaci typu master/slave (master - nadřízený modem zahajující a řídící komunikaci, slavě - podřízený modem přijímající komunikaci).

* · · ···· « 1 t * · · * · · · · * · · · 9 9 99 9 _ ·· · * * ·»*« ···< «9 99 9 99 99 99

V praxi je v souvislosti se zvyšující se úrovní elektromagnetického rušení stále zřejmější potřeba robustních způsobů PLC komunikace, umožňujících spolehlivou komunikaci i na silně rušených trasách. Z dostupných pramenů takový komplexní způsob není znám a ze známých dílčích řešení (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,828,676 „Method and apparatus for robust communication based upon angular modulation“ a US 5,553,081 „Aparatus and Method for Detection a signál in Communications systém“, nebo od Itran Communications Ltd. US 6,690,719 „Host to modem interface“) PLC komunikace mezi master a slavě se lze dobrati řešení poskytujícího maximální spolehlivost PLC komunikace podle dosavadního stavu techniky, které jako způsob modulace užívá systém BPSK (Binary phase shift keying), (ASK, FSK modulace) a standardně pro kontrolu správnosti kontrolní (redundantní) součet (CRC). Pro vlastní dekódováni přenášených dat se používá systém synchronizační hlavičky, po které následuje vlastní tělo zprávy. Komunikační systém může pracovat s volitelnou délkou těla zprávy, přičemž pro zvýšení odolnosti proti rušení a částečně i útlumu přenosové trasy je vyžíváno přepínání frekvence nosné vlny, které však pokaždé vyžaduje restartování systému. Řešení podle stavu techniky lze pak charakterizovat postoupností následujících kroků:

1) generovaní dat - na „masteru“ jsou data generovaná v podobě datového paketu proměnné délky sestávajícího ze:

- synchronizační informace (preambule) nacházející se na začátku paketu, která slouží na „slávu“ k synchronizaci dat, tj. k určení počátku následujícího bloku přenášených dat,

- redundatní informace, která na „slávu“ slouží ke korekci chyb vzniklých při přenosu v bloku přenášených dat, a

- kontrolního součtu, což je konkrétní hodnota získaná po aplikaci vhodného algoritmu na přenášená data a sloužící na verifikaci dat,

- samotného bloku přenášených dat.

2) modulace a zesílení signálu - v modulátoru se datový paket vygenerovaný v kroku 1 moduluje na signál, který je v zesilovači zesílen na požadovanou výkonovou úroveň (viz např. US 6,636,117 od Echelon Corp. „Input/output buffer incorporating fiiter for powerline Communications line“).

3) vysílaní signálu - signál je vysílán do energetických rozvodů a je přiváděn na každý „slavě“, který je v dosahu „mastera“, a též případně na opakovač, který obdržený signál na základě své směrovací tabulky postoupí dál (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,485,040 „Powerline coupling network“, US 7,103,016 „Systém and method for providing transaction control on a data network“ a US 7,277,672 „Systém and method for selecting repeaters“).

4) příjem a zesílení signálu - na „slávu“ je přijatý signál z hlediska své úrovně napěťově řízeným operačním zesilovačem optimalizován pro další zpracování (viz např. patent od Itran Communications Ltd. US 6,766153 „Dynamic automatic gaincontrol circuit emplozing Kalman filtering“).

5) demodulace signálu - na „slávu“ je signál průběžně demodulován a vygenerovaná data jsou postoupena k dalšímu zpracování.

6) odstranění informačního šumu - stanovuje se, je-li úroveň demodulovaného signálu větší než předem stanovená rozhodovací úroveň (carrier detect), čímž se z dalšího zpracování vyloučí informační šum (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,553,081 „Aparatus and method for detecting a signa) in Communications systém“ a US 95,260,974 „Adaptive carrier detection“).

7) synchronizace dat - podle informace obsažené v preambuli „slavě“ zjistí, zdali je konkrétní datový paket určen pro něj, tj, zda má začít zpracovávat data obsažená v paketu.

8) korekce chyb - v datovém paketu se podle redundantní informace opravují chyby.

9) kontrola dat - na základě CRC kontrolních součtů se ověřuje pravdivost zpracovávaných dat.

10) zpracování dat - ověřená data obecně obsahují nějaký příkaz a před nebo po realizaci tohoto příkazu zpracuje „slavě“ potvrzení o příjmu dat na „master“, přičemž k tomuto potvrzení se připojí též preambule, kontrolní součet a redundantní informace.

12) vysílání potvrzení - potvrzení je vysíláno do energetických rozvodů - viz krok 3 (viz např. patent od Echelon Corp. US 7,103,016 „Systém and method for providing transaction control on a data network“),

13) přijímaní potvrzení - na „masteru“ je potvrzení přijímáno (viz krok 4) a pokud „master“ toto potvrzení neobdrží nebo nebylo jeho přijetí úspěšně realizováno, opakuje se postup od kroku 1 včetně (viz též patent od Echelon Corp. US 7,103,016 „Systém and method for providing transaction control on a data network“).

Závažnými nevýhodami takto řešené PLC komunikace založené na známých řešeních je, že po silně rušených trasách jsou časté problémy vůbec s udržením spojení a přenos dat je velice po• · ♦ • · » «V·· ··

malý hlavně proto, že se musí mnohonásobně opakovat vysílání jedněch a těch samých dat, což je důsledkem toho, že:

- způsob neumožňuje zpracovávat přijímaný signál v plném dynamickém rozsahu, tj. nelze zpracovávat signál se střídající se vysokou a nízkou amplitudou.

- v důsledku použití synchronizační sekvence, tzv. preambule, vysílané před užitnými daty a redundantní informaci, dochází k ztrátě množství přenášených datových paketů, a to nejen z důvodu výskytu náhodné chybové preambule, ale hlavně z důvodu znehodnocení preambule impulsním rušením, v důsledku čehož nedojde k synchronizaci přenášených dat.

- i pokud je preambule v pořádku a přenášená data jsou bez chyby, dochází často k zahození datového paketu, protože amplituda signálu je nižší, než je rozhodovací úroveň (carrier detect).

- data jsou přenášena konstantní rychlostí a na konstantní frekvenci, přičemž při snížení kvality přenosové trasy dochází k rozpadu spojení.

- dále jsou systémy navrženy tak, aby pracovaly v kolizním systému, tj. modemy naslouchají na normou definované frekvenci, jestli někdo nevysílá, a v okamžiku, kdy vyhodnotí, že nikdo nevysílá, mohou začít vysílat samy, přičemž tento systém vyžaduje definování rozhodčí úrovně signálu, pod kterou se vše považuje za šum.

- u rozsáhlejších systémů PLC v rozvodech o délce nad cca 200 až 500 metrů je třeba použít externích opakovačů.

- v případě použití proměnné délky přenášených datových paketů nelze stanovit časové okno, do kdy může „master“, zahajující datovou komunikaci, očekávat potvrzení od přijímacího modemu a „slavě“ nepozná příjem na straně „masteru“ v dalších přijatých datech, kde „master“ potvrzuje přijetí dat.

- přenos vysokofrekvenčního signálu se vykonává v normou stanoveném frekvenčním pásmu 9 kHz až 125 kHz a 140 kHz až 148,5 kHz, přičemž se vysílá pomocný signál (kolizní) na frekvenci 132,5 kHz, který oznamuje ostatním zařízením na přenosové trase, že někdo zrovna vysílá a tedy musejí ostatní čekat, a který může být při silném rušení detekován systémem i omylem, tj. vlivem rušeni nedojde vůbec k navázání komunikace.

Obecným důsledkem výše zmíněných nedostatků je značná provozní nespolehlivost takto řešené PLC komunikace, a to hlavně v silně rušených rozvodech, zprovoznění takto koncipovaného • ·· * t » »· * · ·t · * · · · ·· • · · ·· ·· ·· systému je časově náročné, přičemž u běžně se vyskytující dynamicky proměnné přenosové trasy se toto zprovoznění musí často opakovat.

Tak, jako nejsou ve stavu techniky žnámá komplexní řešení způsobu robustní PLC komunikace, taktéž nejsou známá ani komplexní řešení zařízení pro realizaci takovéto robustní PLC komunikace a z dostupných pramenů lze pouze vyvodit nej lepší možné řešení dle stavu techniky, založené na známých dílčích řešeních jednotlivých bloků takovéhoto zařízení, které jsou popsány v řadě patentů (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,828,676, US 6,636,117, US 5,553,081, US 6,636,117, US 5,485,040, US 7,103,016, US 7,277,672 a od Itran Communications Ltd. patenty US 95,260,974 nebo US 6,690,719), Všechna tato známá řešení jsou realizována diskrétními prvky, kterými jsou obecně signálové procesory a mikrokontroléry se specializovanými komunikačními jádry. Předmětné zařízení podle stavu techniky pak sestává z následujících funkčních bloků (viz obr, 1):

1) blok BZVS zpracování vstupního signálu - zajišťuje zesílení vstupního signálu, přičemž pracuje s automatickým řízením zisku.

2) blok BD demodulátoru - zajišťuje demodulaci vstupního signálu a jeho frekvenční úpravu po přechodu přes frekvenční filtry obsažené v tomto bloku, tj. získává z modulovaného signálu binární modulační signál, přičemž se skládá ze dvou částí, a to samotného demodulátoru a obvodu pro měření úrovně snímaného signálu a vyhodnocení poměru signál/šum,

3) blok BS synchronizace - zajišťuje stanovení začátku přenosu dat.

4) blok BKC korekce chyb - zajišťuje opravu chyb vznikajících při přenosu datových paketů po energetických rozvodech a spolupodílí se na tvorbě redundantní informace u vysílaných dat,

5) blok BKD kontroly dat - zajišťuje cestou výpočtu kontrolních součtů kontrolu správnosti přijatých a v bloku BKC případně upravených dat a spolupodílí se na tvorbě redundantní informace u vysílaných dat.

6) blok BZD zpracování dat - zajišťuje analýzu přijatých dat a podle typu těchto dat je směruje dále do různých vstupně/výstupních interních i externích zařízení.

7) blok BPOP potvrzování/opakování přenosu - zajišťuje potvrzování příjmu dat přijatých od jiného modemu a současně hlídá příjem potvrzení o přijetí přenosu od dalšího modemu, přičemž pokud takové potvrzení ve stanovené časové lhůtě neobdrží, dá příkaz vysílači k opakování přenosu.

• · · ···· ·««* • · ···*«·· • ·· ······,· • · · · > > ·«* ·**· *· ,«< ·· ··

8) blok BV vysilače - zajišťuje vysílaní dat přijatých z externího bloku vstupu dat, nebo z externí záznamové/zobrazovací jednotky, a současně zasílá informaci o odeslaném přenosu do bloku BPOP.

9) blok BM modulátoru - zajišťující modulaci vysílaného přenosu se skládá ze dvou částí, a to numerického oscilátoru s diferenciálním kodérem a filtru modulovaného signálu, jelikož modulovaný signál je zdrojem nekonečného spektra harmonických modulačních signálů s postupně klesající amplitudou, které je třeba odstranit filtrací.

10) blok BVZ výstupního zesilovače - zajišťuje zesílení vysílaného signálu na úroveň amplitudy vhodnou pro zajištěni co nejkvalitnějšího přenosu po energetických rozvodech.

Podstatné nevýhody takto koncipovaných řešení lze shrnout do následujícího:

- zařízení může bez přerušení provozu pracovat pouze na jedné konstantní, byť sebevíce rušené, frekvenci a data mohou být odesílána pouze jednou rychlostí.

- nízký výpočetní výkon použitých diskrétních prvků umožňuje implementovat pouze málo výkonné samoopravovaci postupy, které jsou schopny opravit pouze malou část chyb vzniklých při přenosu datových paketů.

- nízký výpočetní výkon při zpracování dat představuje omezení ve směrování dat do různých vstupně/výstupních zařízení.

- nízký výpočetní výkon vysílače představuje omezení ve vysílání dat z externího bloku vstupu dat nebo z extemí záznamové/zobrazovací jednotky.

- zařízení postrádá diagnostické prvky, a to nejen co se týče diagnostiky kvality a stavu jednotlivých komunikačních modemů, ale také kvality přenosové trasy.

- vstupní regulační zesilovače s automaticky řízeným ziskem (AGC) mají obecně pomalou odezvu na skokové změny úrovně signálu, tj. nejsou schopny optimálně přizpůsobit signál se střídající se vysokou a nízkou amplitudou pro další zpracování, a v důsledku toho dcmodulátor není schopen zpracovávat modulovaná data.

- zařízení neobsahují jako svoji integrální součást opakovač, který umožňuje „slávu“ obdržená, ale jemu nenáležící data přeposlat na další členy dané komunikační sítě.

Z výše uvedeného je zjevná aktuální potřeba nového řešení způsobu a zařízení pro PLC komunikaci po silně rušených trasách, které by poskytlo stabilnější spojení a rychlejší přenos dat.

♦··· 4*

4 4 t Μt • · · «44« •4 4 4 · 44« ·*Φ 4 4 44 ·»· ·· 4«44

Podstata vynálezu

Nedostatky způsobu PLC komunikace podle stavu techniky v podstatné míře odstraňuje způsob podle nároku 1 a nedostatky zařízení pro PLC komunikaci podle stavu techniky v podstatné míře odstraňuje zařízení podle nároku 7. Výhodné varianty řešení jsou obsahem vedlejších nároků.

Způsob PLC komunikace podle předloženého vynálezu zahrnuje známé kroky generování dat, modulace a zesílení signálu, vysílání signálu, zesílení signálu, demodulace signálu, korekce chyb, kontroly dat, vysílání potvrzení a přijímání potvrzení, přičemž od známých způsobů se odlišuje tím, že datové pakety jsou generovány s konstantní délkou volitelnou v rozsahu od 8 B do 256 B a obsahují pouze data a redundantní informace pro korekci chyb a kontrolu dat, tj. neobsahují žádnou synchronizační preambuli, ani žádné start a stop bity, které se ve známých způsobech přenosu dat běžně používají. Odstraňuje se tím jeden z hlavních důvodů ztráty datových paketů u známých řešení.

Dále se krok korekce chyb vykonává na přijímači periodicky v časovém intervalu, který je roven nebo menší, než časový interval potřebný na přenos jednoho bitu přenášených dat, tj. aspoň jeden cyklus korekce chyb se vykoná po dobu přenosu každého jednoho bitu. Tím je podstatně zvýšena odolnost systému vůči impulsnímu rušení. Důležité je též, že korekce chyb se provádí s účinností nejméně 5 % opravených chyb najeden datový paket.

Významný přínos pro zvýšení kvality přenosu představuje kontrola datových paketů vykonávaná s kontrolním součtem na polynomu minimálně 8 řádu, tj. minimální délka součtu je 8 b a přínosem je též to, že selekce dat se provádí zpracováním všech obdržených datových paketů, a to bez ohledu jak na velikost amplitudy modulovaného signálu, tak na příslušnost ke konkrétnímu přijímači - „slávu“. Přijímaná data jsou cyklicky střádaná ve vyrovnávací paměti, jejíž délka je rovna délce přenášeného datového paketu. Vždy po posunutí dat o jednu bitovou délku je provedena korekce chyb celého datového řetězce příslušnou metodou, např. Reed-Solomon korektorem chyb. Následně se provádí výpočet robustního kontrolního součtu, např. CRC24, a jeho porovnání s přenášeným obrazem vytvořeným ve výstupní části vysílajícího PLC modemu. V případě kladných výsledků obou předcházejících operací je analyzovaný datový paket označen za pravdivý a postoupen k dalšímu zpracování, např. mikrokontrolérem. Jestli výsledky nejsou shodné, provede se ve vyrovnávací paměti posunutí dat o bitovou délku a celý proces analýzy se opakuje.

φ ·

Φ Φ 1«

φφ φφ φφ φφ φ φ φ φ φ φφ φφ

Výhodně jsou datové pakety po kroku modulování vysílány do energetických rozvodů s amplitudou rovnou minimálně 0,7 násobku nejvyšší přípustné amplitudy modulovaného signálu, která je definována platnými technickými normami. Ještě výhodněji jsou vysílány do rozvodů aspoň na jedné frekvenci a jednou rychlostí, přičemž za provozu se hodnoty frekvence a/nebo rychlosti mění v závislosti na míře rušení na přenosové trase v dané oblasti frekvenčního spektra. Např. pokud „master“ nedokáže udržet spojení se „slavem“ na jedné frekvenci a rychlosti, změní se v jednom nebo několika krocích frekvence a/nebo rychlost vysílání, a to směrem dolů k nižším hodnotám frekvence a/nebo rychlosti, až pokud se neustanoví stabilní spojení. V případě déle trvajícího stabilního spojení se může periodicky opět v jednotlivých krocích postupně zvyšovat hodnota frekvence a/nebo rychlosti až po dosažení maximálních hodnot frekvence a/nebo rychlosti stabilního spojení pro dané podmínky.

Provozní charakteristiky digitálních filtrů při modulaci a demodulaci jsou přitom za provozu nastavovány u „slávu“ řídícím signálem vysílaným „masterem“. Použité digitální filtry, umožňuji postavit vysoce selektivní pásmové propusti, které jsou součástí jak výstupního, tak vstupního obvodu PLC modemu. Cílem je dosáhnout úzkopásmový přenos signálu s maximálním výkonem a s možností frekvenčního přeladění, které lze provádět okamžitě a za plného provozu tím, že aplikační firmware pozmění numerické parametry digitálních filtrů (jednotlivé koeficienty matematických rovnic, podle nichž probíhá výpočet „filtrování“ signálu) a tím je přeladí do jiného frekvenčního pásma a/nebo numericky přeladí hodinový oscilátor, který je součástí bloku modulátoru, na požadovanou frekvenci. Případná změna přenosové rychlosti se provede jednoduše změnou rychlosti posuvu sériových dat v modemu. Takovýto způsob přenosu eliminuje širokopásmový šum pouze na šum v pásmu propustnosti. Velký výkon soustředěný do úzkého svazku je energeticky méně náročný než širokopásmový a velmi nízká impedance v propustném pásmu pak účinně potlačuje šum.

Dále je výhodné, když je v kroku přijímání signál zesilován s konstantním ziskem a poté je demodulován, přičemž tato demodulace se provádí pro celý rozsah amplitud zesíleného signálu, tj. v extrémním případu se data hledají i v šumu na energetickém rozvodu. Je nutno zpracovat signál s velmi malou amplitudou, ale i signál s maximální amplitudou a hlavně signál s nej menším odstupem od šumu. To se dosahuje použitím fázové modulace D-BPSK, která poskytuje nejnižší odstup signál-šum pro zpracování přijatého signálu a jelikož se používá diferenciální metoda, u které se změna fáze modulovaného signálu provádí jen při změně modulačního signálu, není nutno v přijímači regenerovat nosnou vlnu. Demodulace rovněž není závislá na amplitudě « 4

4 4 4 φ 44 • 44 4 444

4 φ · I |· ^a *« 4 4 44444 ···· 44 444 ·· ··· vstupního signálu, která se výrazně mění během přenosu vlivem změn impedance přenosové trasy (zapnutí - vypnutí motoru ap.).

V praxi vstupní obvody PLC modemu neustále měří napětí na připojené přenosové trase, ať už tam datový paket je, nebo není. Vlivem vstupní pásmové frekvenční propusti se provádí měření např. jen v pásmu od 60 kHz do 120 kHz, a to např. 12bitovým AD převodníkem se vzorkovací frekvencí minimálně 500 kHz. Takto zpracovaný signál jejíž v digitální podobě postoupen přes selektivní úzkopásmový digitální filtr, který je naladěn přesně na frekvenci nosné vlny vysokofrekvenčního signálu, do kroku demodulace. Zde fázová změna v přenosovém kanálu vyvolá událost, jenž se projeví změnou logické hodnoty. Ta se přenese do (např. 30 B) posuvného registru (má přesně délku datového paketu) s paralelním výstupem. Při vysílání je v konečné fázi digitálního zpracování dat kódován vysílaný paket v obvodu korekce chyb a po modulování je vyslán ven na přenosovou trasu.

Z hlediska urychlení přenosu u PLC komunikace je výhodné paralelně s vysíláním signálu, nebo bezprostředně po jeho vyslání, provádět výpočet časového okna, tj. časového intervalu, ve kterém se má čekat na příjem potvrzení o přijeti datového paketu od „slávu“. Pokud je přenos dat nepříznivě ovlivněn momentálním silným rušením, dojde po uplynutí tohoto časového okna automaticky k opakování vysílání. „Slavě“ modem pozná příjem na straně „masteru“ v dalších přijatých datech, kde „master“ potvrzuje, že předcházející data obdržel. Tento způsob umožňuje přenos dat s prakticky 100% úspěšností.

V předloženém řešení je funkce opakování signálu u „slavě“ modemu výhodně modifikována a využita na prodloužení dosahu u navrženého způsobu PLC komunikace. Dosaženo je to tím, že „slavě“ modem, který stejně přijímá všechny datové pakety z přenosové trasy, opakuje nejen svá nepotvrzená vysílání, ale opakuje také všechna přijatá data, která obdržel od „masteru“, případně vedlejšího „slávu“, a nepřináleží jemu. Opakování přenosu přijatých dat se provádí tak, že se ve „slavě“ modemu, vybaveném touto funkcí, pozměňují předem definovaným způsobem adresy přijatých datových paketů a takto upravené pakety se vysílají dále do rozvodů, a to s maximálním výkonem. Chování přenosové trasy může být velmi dynamické, často se nepříznivé podmínky změní na příznivé a může dojít k situaci, kdy přijímající „slavě“ najednou dostane zprávu od „mastera“ a následně tu samou, ale trochu časově zpožděnou, od opakujícího kolegy, což by mohlo způsobit kolizi. Proto přijímající „slavě“ nekomunikuje přímo s „masterem“ (jehož zprávu ignoruje), ale pouze s kolegou, který zprávu od „mastera“ upravil a zesílil.

• · φ * ♦ * • · * ♦ »· • · · · ♦ * · • · · ♦ · ·

Zařízení pro PLC komunikaci sestává z bloku BZVS zpracování vstupního signálu, bloku BD demodulátoru, bloku BKC korekce chyb, bloku BKD kontroly dat, bloku BZD zpracování dat, bloku BPOP potvrzování/opakování přenosu, bloku BV vysílače, bloku BM modulátoru a bloku BVZ výstupního zesilovače, tj. oproti známým řešením (viz obr. 1) neobsahuje blok BS synchronizace, což je logické, protože přenášené datové pakety neobsahují synchronizační preambuli. Přitom alespoň bloky BKC korekce chyb, BKD kontroly dat a BZD zpracování dat jsou realizovány jako softwarově vygenerované (buď při výrobě nebo před aplikaci) hardwarové logické bloky v alespoň jednom hradlovém poli, což je elektronická součástka, která disponuje velkým výpočetním výkonem i velkou odolností vůči vnějšímu rušení. Proto jsou výsledné změny funkce modemu prováděné přeprogramováním, tj. např. změnou uspořádaní samotného hradlového pole, nebo aplikačního firmwaru, takže i digitální filtry jsou v důsledku toho schopny za provozu měnit své parametry, což umožňuje v provozu bez problémů měnit jak přenosovou frekvenci modemu, tak rychlost vysílání/prijímání dat. Dále je z hlediska výrobních nákladů a provozní spolehlivosti výhodné, když alespoň bloky BM modulátoru, BD demodulátoru, BKC korekce chyb, BKD kontroly dat, BZD zpracování dat, BPOP potvrzování/opakování vysíláni a BV vysílače jsou realizovány na bázi jednoho programovatelného hradlového pole.

Důležité je, že propojení mezi blokem BKC korekce chyb a blokem BKD kontroly dat je realizováno datovou sběrnicí o šířce minimálně 4 bitů s minimální datovou propustností 10⁶ b/s, přičemž výpočetní výkon každého z těchto bloků je minimálně 10 operací za sekundu. Blok BKD kontroly dat je tvořen souborem paralelních elementárních aritmetických jednotek, jelikož z důvodu požadavku velmi rychlého výpočtu, kratšího než je bitová délka, je nutno použit paralelní metodu výpočtu. Z hlediska dosažení požadované robustnosti a rychlosti přenosu dat je také důležité, že součásti bloku BKC korekce chyb je kruhová vyrovnávací paměť FIFO o velikosti minimálně jednoho datového paketu, která má vstupní sběrnici sériovou a výstupní sběrnici paralelní.

Výhodně blok BZVS zpracování vstupního signálu obsahuje zesilovač s konstantním ziskem zesilující přijímaný signál a ještě výhodněji zařízení pro PLC komunikaci obsahuje také blok BDK diagnostiky kvality přenosové trasy a stavů vlastního zařízení. Jelikož je řešeni zaměřeno na PLC přenos dat po velmi rušeném médiu, je taková funkční diagnostika pro správné rozmístění a údržbu PLC sítě zapotřebí. Rozumí se tím to, že přenášená data v sobě obsahují informace o stavu jednotlivých modemů a také o změřené úrovni (amplitudě) signálu a intenzitě rušení (amplituda šumu) v době přijmu a zpracování datového rámce v místě připojeni modemu k pře-

« •φ *« •φ φ · φ φ ♦ φ ·♦ nosové trase. Tyto diagnostické údaje slouží k rychlé identifikaci možné závady, nebo nestability ve spolehlivosti spojení. Protože přenášená data obsahují i časový údaj, lze velmi přesně analyzovat problém na trase a provést patřičná opatření pro jeho odstranění, případně provést optimalizaci PLC sítě.

V některých případech je situace na přenosové trase velmi nepříznivá pro přenos vysokofrekvenčního signálu, neboť trasa je velmi zatížená impedančně. Skutečný dosah užitečného signálu je nízký (cca několik stovek metrů). Obecně se ve známých řešeních používají k prodloužení dosahu signálu samostatné opakovače signálu, které jsou situovány na vhodných místech přenosové trasy. K. překonání takového stavuje výhodnějším řešením opatřit některé (nebo i všechny) „slavě“ modemy na trase blokem BO opakovače signálu.

Obecně lze konstatovat, že při aplikaci předloženého řešení se dosahuje zásadní zlepšení PLC komunikace díky novým kvalitativním charakteristikám přenášených dat a také kvalitnějšímu zpracování dat především v přijímací části zařízení - modemu. Při správné aplikaci předloženého způsobu a zařízení se dosahuje prakticky 100% přenosová spolehlivost, přičemž dosah komunikace je asi o rád větší než u známých řešení a s využitím originální sítě modemůopakovačů je možně pokrýt jakkoli velkou oblast. Pro praxi je též významné, že předložené řešení umožňuje rychlou identifikaci poruchy na přenosové trase a je snadno implementovatelné do různých zařízení.

Přehled obrázků na výkresech

Podstata řešeni bude blíže objasněna na příkladech jeho provedení, které jsou zde uvedeny pouze pro ilustrativní účely a nijak neomezují rozsah ochrany definovaný v patentových nárocích. Příklady provedení jsou vyobrazeny na připojených výkresech, kde je na: obr. 1 - blokové schéma PLC modemu podle dosavadního stavu techniky.

obr. 2 - blokové schéma PLC modemu podle první varianty předloženého řešení.

obr. 3 - blokové schéma PLC modemu podle druhé varianty předloženého řešení, obr. 4 - blokové schéma PLC modemu podle třetí varianty předloženého řešení.

obr. 5 - blokové schéma PLC modemu podle čtvrté varianty předloženého řešení.

♦ · · * * · β · • ♦ · * · ·« · ·«· · · * • · · * · β · ··· V* »·

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Zařízení pro PLC komunikaci podle obr. 2 sestává z bloku BZVS zpracování vstupního signálu, bloku BD demodulátoru, bloku BKC korekce chyb, bloku BKD kontroly dat, bloku BZD zpracování dat, bloku BPOP potvrzování/opakování přenosu, bloku BV vysílače, bloku BM modulátoru a bloku BVZ výstupního zesilovače. Bloky BZVS, BM a BD jsou vyhotoveny jako logické obvody v integrovaném obvodu ST7540 od fy ST Microelectronics, Bloky BKC, BKD. BZD, BV a BPQP jsou vytvořeny jako softwarově vygenerované logické obvody v hradlovém poli FPGA typ XC3S200 od fy Xilinx.

Způsob PLC komunikace s uvedeným zařízením sestává z kroků:

- generovaní dat v podobě datových paketů konstantní délky 32 B, které obsahují přenášená data a redundantní informace v podobě 2 B pro kontrolní součet a 4 B pro data potřebná pro korekci chyb na straně přijímače.

- modulace signálu použitím FSK frekvenční modulace, frekvence 110 kHz, rychlost 2 400 b/s.

- zesílení signálu na úroveň 8 V,

- vysílaní signálu přes galvanicky oddělenou vazbu (neznázoměnou) do nízkonapěťového obvodu 230 V.

- zpracování vstupního signálu obvodem ST7540 od fy ST Microelectronics zahrnuje jeho konstantní zesíleni, které zesílí amplitudu přijímaného signálu tak, aby při minimální velikosti lmV byl ještě následně zpracován demodulátorem. Nastavení zisku zesilovače je 10. Obvod ST7540 rovněž demoduluje signál s použitím FSK frekvenční demodulace.

- všechna data získaná demodulací signálu, a to bez ohledu na příslušnost ke konkrétnímu zařízeni, jsou zpracovávána, přičemž:

- krok korekce chyb je vykonáván algoritmem Reed-Solomon periodicky v časovém intervalu 0,2 ms a s účinností nejméně 7 %, tj. 2 až 16 opravených bitů v rámci dvou elementárních symbolů Reed-Solomon algoritmu na jeden přenášený datový paket (2 B opravených chyb najeden datový paket),

- krok kontroly dat je vykonáván s kontrolním součtem realizovaným na polynomu 16 řádu ve tvaru x¹⁵ + x¹³ + 1.

- po kladném výsledku kontroly dat následuje krok zpracováni dat, ve kterém jsou zpracovávána všechna data bez ohledu na velikost amplitudy modulovaného signálu a který je realizován

MicroBlaze embeded procesorem fy Xilinx, přičemž ve výsledku se takto získaná data dělí na data určená k uložení do paměti dat, data určená ke zpracování na vstupně/výstupních zařízeních, data přikazující opakování přenosu dat a data přikazující odeslání potvrzení o přijetí dat.

• * ·	4· 4 4		•	•
• ·	4 4 4	4	4	• 4
• 4 ·	4 4 4	• 4	•	•	4
• · ·	4 4 4	•	4	4	4
14*4	444 44	4«	4«

Příklad 2

Zařízení pro PLC komunikaci podle přikladu 1 a obr. 3, odlišující se tím, že obsahuje blok BO opakovače, který se nachází v hradlovém poli FPGA typ XC3S200 a je realizován MicroBlaze embeded procesorem fy Xilinx, který je vnitřně propojen s blokem BKC korekce chyb a blokem BKD kontroly dat. Blok BO opakovače přijatý datový paket, který ale danému zařízení nenáleží, upraví tak, že předem definovaným způsobem pozmění adresní část paketu, ale ostatní data v paketu nechá nezměněna. Takto upravený datový paket je vyslán do bloku BKD kontroly dat, kde se provede výpočet kontrolního součtu ze změněného datového paketu a připojí se k části přenášející informaci pro následnou kontrolu dat. V bloku BKC korekce chyb je doplněná redundantní informace z Reed-Solomon korektoru chyb a pak je po modulaci a zesílení na 8 V datový paket odeslán do sítě.

Příklad 3

Zařízení pro PLC komunikaci podle obr. 4 sestává z bloku BZVS zpracování vstupního signálu, bloku BD demodulátoru, bloku BKC korekce chyb, bloku BKD kontroly dat, bloku BZD zpracování dat, bloku BPOP potvrzováni/opakování přenosu, bloku BO, bloku BV vysilače, bloku BM modulátoru a bloku BVZ výstupního zesilovače. Bloky BM, BD, BKC, BKD, BPQP, BO, BV a BZD jsou vyhotoveny jako logické obvody softwarově vygenerované v hradlovém poli FPGA typ EP3C5 od fy Altera.

PLC komunikace s uvedeným zařízením sestává z kroků:

- generovaní dat v podobě datových paketů konstantní délky 38 B, které obsahují přenášená data a redundantní informace v podobě 3 B pro kontrolní součet a 4 B pro data potřebná pro korekci chyb na straně přijímače.

·· · · 1 · ♦’ · • · · · · ««

- modulace signálu použitím DBPSK frekvenční modulace, frekvence 90 kHz, 105 kHz, a 120 kHz, rychlost 10 kb/s a 2,5 kb/s.

- zesílení signálu na maximální úroveň 10 V.

- v kroku vysílání signálu se provádí výpočet časového okna, ve kterém se čeká na příjem potvrzení o přijetí datového paketu od „slávu“, které je generováno v bloku BPOP potvrzování/opakování přenosu.

- vysílaní signálu je realizováno přes galvanicky oddělenou vazbu (neznázoměnou) do nízkonapěťového rozvodu 230 V.

- zpracováni vstupního signálu jeho konstantním zesílením na přijímači je realizováno obvodem TLC072 od fy Texas Instruments, které zesílí amplitudu přijímaného signálu tak, aby při minimální velikosti 0,5mV byl ještě následně zpracován demodulátorem, přičemž nastavení zisku zesilovače je 20.

- v kroku demodulace a modulace signálu se realizuje:

- přepínám frekvenčních kanálů a přenosových rychlostí,

- krok korekce chyb vykonávaný algoritmem Reed-Solomon na přijímači periodicky v časovém intervalu 0,05 ms a s účinností nejméně 2 B opravených chyb najeden datový paket,

- krok kontroly dat vykonávaný s kontrolním součtem realizovaným na polynomu 24 řádu ve tvaru x²³ + x²⁰ + x¹⁷ + x¹⁴ + x³ + x² +1.

- po kladném výsledku kontroly dat následuje krok zpracování dat, ve kterém jsou zpracovávána všechna data bez ohledu na velikost amplitudy modulovaného signálu a který je realizovaný NiosII embedded procesorem fy Altera. Takto získaná data sestávají z dat určených k uloženi do paměti dat, dat určených ke zpracování na vstupně/výstupních zařízeních, dat přikazujících opakování přenosu dat, dat přikazujících odeslání potvrzení o přijetí dat a dat přikazujících přepínání frekvencí a přenosových rychlostí.

Příklad 4

Zařízení pro PLC komunikaci podle příkladu 3 a obr. 5, se odlišuje tím, že obsahuje blok BDK diagnostiky kvality přenosové trasy a stavu tohoto zařízení pro PLC komunikaci, který se naV 4 · chází v hradlovém poli FPGA typ EP3C5 od fy Altera a datově je propojen s bloky BD demodulátoru, BM modulátoru, BKC korekce chyb, BPOP potvrzováni/opakování přenosu a NiosII embedded procesorem fy Altera. Blok BDK přenášená data doplní o informace o stavu jednotlivých jemu dostupných zařízení pro PLC komunikací a také o změřené amplitudě signálu, amplitudě šumu, počtu opravených chyb přijatého datového paketu v době přijmu a zpracování datového paketu v místě jeho připojeni k přenosové trase, a také připojí informaci o počtu opakovaných a „slaveni“ nepotvrzených datových paketů.

Průmyslová využitelnost

Řešení je možné využít kdekoli v průmyslu, např. při lokálním měření různých analogových veličin (teplota, vlhkost atd.) a přenášení hodnot těchto veličin po metalickém vedení do vzdálených řídících uzlů (řídících automatů nebo na kontrolní operátorská stanoviště). Hlavní těžiště aplikací je při odečetech občanských médií (elektrická energie, voda, plyn, teplá voda, chlad atd.) a při přenosu dat ve velmi rozlehlých objektech, jejichž systém nevyžaduje přenos velkého množství dat (nejmarkantnější příklad jsou čidla v chemickém podniku).

200<?

• · · ·*·* ··

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob PLC komunikace zahrnuje kroky generovaní dat, modulace a zesílení signálu, vysílaní signálu, zesílení signálu na příjmu, demodulace signálu, korekce chyb, kontroly dat, zpracování dat, vysílání a přijímání potvrzení, vyznačující se tím, že:

- v kroku generovaní dat jsou generovány datové pakety o konstantní délce, které obsahuji pouze data, redundantní informace pro korekci chyb a kontrolní součet pro kontrolu dat,

- v krocích korekce chyb a kontroly dat jsou zpracovávána všechna přijatá data bez ohledu na amplitudu signálu a příslušnost ke konkrétnímu přijímajícímu modemu,

- krok korekce chyb se vykonává na přijímači periodicky v časovém intervalu, který je maximálně rovný času potřebnému pro přenos jednoho bitu přenášených dat a s účinností nejméně 5 % opravených chyb najeden datový paket,

- krok kontroly dat se vykonává s kontrolním součtem realizovaným na polynomu minimálně 8 řádu.
2. Způsob PLC komunikace podle nároku 1, vyznačující se tím, že datové pakety jsou po kroku modulování vysílány do rozvodů s amplitudou rovnou minimálně 0,7 násobku nejvyšší přípustné amplitudy modulovaného signálu.
3. Způsob PLC komunikace podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že;

- datové pakety jsou po kroku modulování vysílány do rozvodů na frekvenci a/nebo rychlostí, která se za provozu mění v závislosti na míře rušení na přenosové trase,

- v krocích modulování a demodulování jsou provozní charakteristiky digitálních filtrů u „slavě“ modemu nastavovány bez přerušení provozu řídícím signálem vysílaným „master“ modemem.

- - ’ · v w « « « « • · >»*··*« · · ·····*·· • · ♦ «··««·· ·* ·* ·· ·· · »· «· ··
4. Způsob PLC komunikace podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že v kroku přijímaní je signál zesilován s konstantním ziskem a poté je podroben kroku demodulace, která se vykonává v celém dynamickém rozsahu amplitud zesíleného signálu.
5. Způsob PLC komunikace podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že v kroku vysílání signálu se provádí výpočet časového intervalu, po dobu kterého se čeká na příjem potvrzení o přijetí datového paketu od „slavě“ modemu.
6. Způsob PLC komunikace podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že „slavě“ modem opakuje všechny přijaté datové pakety adresované jinému „slavě“ modemu, a to tak, že definovaným způsobem pozměňuje adresy přenášených dat a takto upravené je vysílá zpět do rozvodů s maximálním výkonem.
7. Zařízení pro PLC komunikaci sestává z postupně za sebou zapojených bloků, a to bloku (BZVS) zpracování vstupního signálu, bloku (BD) demodulátoru, bloku (BKC) korekce chyb, bloku (BKD) kontroly dat, bloku (BZD) zpracování dat, bloku (BPOP) potvrzování/opakování přenosu, bloku (BV) vysílače, bloku (BM) modulátoru a bloku (BVZ) výstupního zesilovače, vyznačující se tím, že:

- minimálně blok (BKC) korekce chyb, blok (BKD) kontroly dat a blok (BZD) zpracování dat jsou realizovány jako logické bloky v alespoň jednom hradlovém poli,

- blok (BKC) korekce chyb a blok (BKD) kontroly dat jsou propojeny datovou sběrnicí o šířce minimálně 4 bitů,

- součástí bloku (BKC) korekce chyb je kruhová vyrovnávací paměť FIFO o velikosti minimálně jednoho datového paketu,

- blok (BKD) kontroly dat sestává ze souboru paralelně řazených elementárních aritmetických jednotek,

- úhrnný výpočetní výkon bloku (BKC) korekce chyb a bloku (BKD) kontroly dat je minimálně 10^{7 8} operací za sekundu.
8. Zařízení pro PLC komunikaci podle nároku 6, vyznačující se tím, že zesilovač v bloku (BZVS) zpracování vstupního signálu je zesilovač s konstantním ziskem.
9. Zařízeni pro PLC komunikaci podle nároků 6 a 8, vyznačující se tím, že obsahuje blok (BDK) diagnostiky kvality přenosové trasy a stavů vlastního zařízeni, který je propojen s bloky (BM) modulátoru, (BD) demodulátoru, (BKC) korekce chyb, (BKD) kontroly dat a (BPOP) potvrzováni/opakováni přenosu.
10. Zařízeni pro PLC komunikaci podle nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že obsahuje blok (BO) opakovače datových paketů, propojující bloky (BKD) kontroly dat.