Передача данных по сети 220 В: аналоговый front-end
16 октября 2009
Использование сети 220 В в качестве средства для передачи данных между двумя или несколькими устройствами давно будоражит умы разработчиков. Каких то 10-15 лет назад идея организации связи по бытовой электросети казалась шуткой и вызывала улыбку. В наши дни передача данных по высоковольтной сети не вызывает удивления и имеет вполне хорошие шансы на коммерческий успех. Самое очевидное преимущество использования высоковольтных коммуникаций для передачи данных – отсутствие необходимости прокладывать кабель и осуществлять монтажные работы. Для отечественных разработчиков наиболее перспективными областями применения данного вида связи являются системы удаленного сбора данных со счетчиков, охранные системы, системы типа «умный дом».
К сожалению, даже низкоскоростная передача данных по бытовой сети переменного тока пока не получила в нашей стране широкого распространения. Этому есть ряд причин – как низкое качество отечественных силовых коммуникаций, так и не слишком большая осведомленность рынка о модемах для этого типа передачи данных.
Заинтересовавшись темой разработки PLC-модемов, автор статьи потратил не одну неделю на поиск необходимой информации. При выборе решения, на основе которого можно было бы реализовать такой модем, особых сложностей не возникло. Практически сразу же были выбраны предложения от трех известных производителей микросхем – ON Semiconductor, STMicroelectronics и Texas Instruments.
При более глубоком изучении предлагаемой технической документации наибольшее число вопросов вызвала организация аналоговой части PLC-модема, тогда как по цифровой части в документации была вполне исчерпывающая информация. Какие параметры должны быть у изолирующего трансформатора? Какие требования предъявляются к элементной базе, и какими должны быть характеристики фильтров? Предлагаемая статья открывает цикл публикаций на тему практической реализации PLC-модемов и посвящена построению их аналоговой части.
Типовая структурная схема PLC-модема (рисунок 1) состоит из четырех основных частей.
Рис. 1. Структурная схема PLC-модема
Входная часть обеспечивает изоляцию, фильтрацию и усиление передаваемых и принимаемых аналоговых сигналов. Сердцем PLC-модема является микросхема модема, трансивера или DSP, которая организует протокол передачи данных, а также отвечает за физическую реализацию передачи (формирование несущей частоты, модуляция, демодуляция, фильтрация и т.д.). Для управления ИМС модема, как правило, необходим внешний контроллер, а для питания всей схемы используется источник питания, работающий от той же сети переменного тока, которая используется и для передачи данных.
ON Semiconductor AMIS-30585
Компания ON Semiconductor предлагает для организации передачи данных по силовым сетям специализированную микросхему модема AMIS-30585. Для передачи данных в AMIS-30585 используется S-FSK модуляция (разнос частот по умолчанию – 10 кГц), а несущая частота программируется в диапазоне 9…95 кГц. Максимальная скорость передачи 1200 бит/c. Особенностью данной микросхемы является наличие встроенного микроконтроллера с ядром ARM7-TDMI, что обеспечивает внутрисхемную реализацию MAC-уровня. Эта особенность является основным преимуществом перед решениями других производителей. Помимо данного модема, ONS предлегает pin-to-pin-совместимый модем AMIS-49587 со скоростью передачи данных до 2400 бит/с.
Входная часть модема на основе решений от ONS (рисунок 2) включает в себя: изолирующий трансформатор с разделительным конденсатором (по сути – пассивный ФВЧ), драйвер (усилитель мощности), приемный канал, изолятор на оптроне для получения синхронизирующего сигнала частотой 50 Гц и дополнительный канал для получения сигнала управления мощностью передатчика (обратная связь с передатчиком).
Рис. 2. Принципиальная схема входной части модема на основе AMIS-30585
Данная схема для модема на основе AMIS-30585 достаточно проста и не требует экзотической элементной базы, поэтому может быть модифицирована или использована в готовом виде в сочетании с любой другой ИМС модема. Это утверждение в целом справедливо и для всех иных схем, представленных в статье.
Передача данных от счетчиков посредством PLC-модемов наиболее распространена во Франции. По этой причине производством изолирующих трансформаторов для таких модемов занимаются нишевые французские и немецкие компании, а сами трансформаторы не слишком доступны. Из наиболее доступных рыночных вариантов были выбраны трансформаторы фирмы Vigortronix – VTX-111-010 и VTX-111-004 (в данный момент эти изделия имеются на складе компании КОМПЭЛ).
Драйвер линии реализован на операционном усилителе OPA561 c высоким значением выходного тока (до ±1,2 A). Это связано с тем, что драйверу приходится работать на нагрузку порядка 5 Ом. Выходной ток OPA561 в этой схеме ограничен 0,6 А с помощью резистора 10 кОм между четвертым выводом и минусом питания. Помимо функции раскачки линии, OPA561 также выполняет функцию ФНЧ. Смоделированная АЧХ такого фильтра изображена на рисунке 3.
Рис. 3. АЧХ передающей части
Поскольку выход ОУ отключается наличием на выводе E/S отрицательного напряжения питания, а выходная логика AMIS-30585 имеет уровни 0 и +3,3 В, для управления отключением выхода усилителя добавлена схема на транзисторах BC857 и BC847. Следует иметь в виду, что корпус данного ОУ имеет «Power Pad» для отвода тепла, который следует электрически соединить с минусом питания.
Приемник и канал управления мощностью передатчика схемотехнически повторяют друг друга и реализованы на сдвоенном ОУ NE5532. По сути это – ФВЧ, основная задача которого – подавить сигнал частотой 50 Гц. Такой фильтр позволяет получить ослабление до -90 дБ на частоте 50 Гц. Выход приемного канала соединяется с входом интегрированного в AMIS-30585 операционного усилителя, на котором также реализуется ФВЧ с ослаблением порядка -80 дБ, что в сумме дает ослабление до -170 дБ на частоте 50 Гц. АЧХ фильтра на NE5532 приведена на рисунке 4. Разумеется, с учетом пассивной фильтрации и входная, и выходная части являются более узкополосными.
Рис. 4. АЧХ приемной части
Для пакетной передачи данных AMIS-30585 требуется синхронизирующий сигнал, который несет в себе информацию о пересечении нуля сетевым напряжением частотой 50 Гц. Для этой цели добавлена схема на оптроне PC817С. Выходной сигнал этой схемы – импульсы частотой 50 Гц, амплитудой от 0 до напряжения VDD. Передний и задний фронты этих импульсов соответствуют пересечениям нуля сетевого напряжения.
На рисунке 5 изображена упрощенная схема включения AMIS-30585. Собственно, это минимум того, что необходимо для работы данной микросхемы. В зависимости от приложения, в котором используется PLC-модем, разработчику предстоит выбрать управляющий микроконтроллер. Более подробную информацию можно найти в технической документации на AMIS-30585.
Рис. 5. Упрощенная схема включения AMIS-30585
STMicroelectronics: ST7540
ST7540 – решение для PLC модема от STMicroelectronics. Отличительной особенностью этой микросхемы является наличие интегрированного усилителя мощности и двух линейных стабилизаторов напряжения на 5 и 3,3 В. На этом решении могут остановиться и разработчики, которые уже имеют свой собственный протокол передачи данных по последовательному интерфейсу, например, при переходе от передачи данных по RS-485 к передаче тех же данных посредством PLC. Входная часть модема на ST7540 показана на рисунке 6.
Рис. 6. Принципиальная схема входной части модема на основе ST7540
АЧХ активной части передатчика в целом похожа на АЧХ усилителя мощности для AMIS-30585 (полоса пропускания около 100 кГц, усиление в полосе 9 дБ) поэтому этот график не приводится. В документации на отладочный набор STMicroelectronics приводит более интересные характеристики (рисунок 7), а именно АЧХ приемной и передающей частей с учетом пассивной части (выделена красным на рисунке 6).
Рис. 7. АЧХ передающей и приемной частей
При реализации входной части PLC-модема возможно использование неизолированного решения (рисунок 8). В этом случае при сопряжении микросхемы модема с внешним устройством (микроконтроллер, микросхема интерфейса) следует применять цифровой изолятор интерфейсов, например, изолятор с емкостным барьером серии ISO7x от Texas Instruments.
Рис. 8. Неизолированная входная часть
Texas Instruments: C2000
Компания Texas Instruments в качестве коммуникационной микросхемы предлагает использовать цифровой сигнальный процессор (DSP) серии C2000 (рисунок 9). Преимуществом данного решения является то, что выбор типа модуляции, обеспечение протокола передачи и кодирования данных полностью предоставлено разработчику. Казалось бы, усложнение разработки не является преимуществом перед конкурентами, однако в этом случае у разработчика появляется возможность разработать свой собственный способ помехозащищенной передачи данных, что крайне важно в условиях реалий отечественных бытовых сетей. В итоге, решение на основе DSP может оказаться единственным жизнеспособным в нашей стране. Что каcается финансовой стороны вопроса, то самый простой DSP серии Piccolo от Texas Instruments (которого вполне достаточно для выполнения описанных задач) стоит дешевле микросхемы PLC-модема.
Рис. 9. Структурная схема сопряжения DSP и аналоговой части
Собственно при разработке аналоговой части для этого решения можно опираться на описанные выше схемы. Однако, следует учитывать один важный момент – это предлагаемый способ формирования несущих частот с использованием TMS320F280x, который графически продемонстрирован на рисунке 10.
Рис. 10. Формирование несущей частоты в модеме на DSP от Texas Instruments
Очевидно, что от аналоговой передающей части в данном случае требуется просуммировать сигналы с выходов ШИМ и затем отфильтровать высшие гармоники спектра суммарного сигнала, чтобы получить необходимый гармонический сигнал.
Заключение
Несколько слов об отладочных средствах для описанных выше решений. ON Semiconductor предлагает отладочный набор AMIS49587EVK для микросхемы модема AMIS-49587, которая pin-to-pin-совместима с AMIS-30585. Для отладки решения на основе ST7540 потребуются 2 платы: непосредственно плата с трансивером (EVALST7540-1) и коммуникационная плата (EVALCOMM) с микроконтроллером ST7 (ST72F651AR6), обеспечивающая связь с ПК через порты USB и RS-232.
Texas Instruments предлагает отладочный набор TMDSPLCKIT-V1. Отладочная плата состоит из источника питания, аналогового front-end’а и платы с установленным DSP. Все отладочные наборы содержат необходимое программное обеспечение для управления целевыми платами. Более подробная информация дается на официальных сайтах производителей.
PC360
Ремонт/настройка ПК и окружающих его устройств.
Удаленное включение компьютера через локальную сеть.
Удаленное включение протестировано на компьютерах с операционными системами Windows 7, Windows 8, Windows 10 и так же на Windows Server 2012, 2019. Это основные ОС в локальной сети нашей организации в настоящее время. Компьютеры включены в общую сеть через коммутаторы без дополнительной маршрутизации.
Для запуска компьютера через подключение по локальной сети необходимо:
— выполнить настройки в BIOS удаленного компьютера;
— выполнить настройки в ОС удаленного компьютера;
— установить и запустить ПО на компьютере с которого происходит удаленный запуск.
После этих действий проведем удаленное подключение к включенному ПК через AnyDesk.
Настройка BIOS.
Для входа в BIOS включаем компьютер и жмем на клавиатуре определенную клавишу, какую именно зависит от производителя материнской платы. Чаще всего это кнопка [DELETE] или [F1], но также встречаются многие другие кнопки и сочетания.
Попав в BIOS активируем настройку Power On LAN (Wake-on-LAN, WOL). В разных биосах она называется поразному. Выставляем значение настройки – Enabled.
Ниже на фото несколько примеров.
PME Event Wake Up (PME — Power Management Event)
S4/S5 Wake on LAN
Включение питания устройства PCIE.
Power On By PCI Device.
Включение посредством PCI-E.
Чаще всего эти настройки располагаются в разделе Power или Power Management. Так же они могут быть в разделе расширенных или дополнительных настроек.
В BIOS сервера Supermicro настройки Wake-On-Lan не оказалось. Видимо разработчики решили, что сервер должен быть включен круглосуточно. Так оно и есть. В данном случае активируем настройку Restore on AC Power Loss >> Power On. При возобновлении питания 220В сервер включится автоматически.
После активации настройки сохраняем параметры BIOS и компьютер перезагрузится.
Настройки в операционной системе.
В ОС Windows 7, 8, 10 и WinServer 2012, 2019 настройки сети выполняются одинаково. Любым удобным способом попадаем к свойствам сетевого адаптера через который ПК подключен в локальную сеть и интернет. Например, переходим в:
Панель управления\Сеть и Интернет\Центр управления сетями и общим доступом
(можно скопировать эту строку, открыть Этот Компьютер и вставить в адресную строку, нажать Ввод)
Находим нужный адаптер и открываем его свойства.
Или открываем «Диспетчер устройств» и находим там сетевой адаптер. Затем открываем правой кнопкой мыши его свойства. 
В раскрывшихся свойствах нажимаем кнопку «Настроить».
В настройках переходим на вкладку «Дополнительно» и активируем два пункта, как на картинке ниже.
В зависимости от драйвера сетевого адаптера эти настройки могут называться по разному, например «Пробуждение особым пакетом Magic» или «WOL Пакет Magic». 
Переходим на вкладку «Управление электропитанием». Активируем галочкой пункт «Разрешить этому устройству выводить компьютер из ждущего режима». Можно так же активировать самый нижний пункт настроек, но необязательно. Нажимаем кнопку «ОК». 
Выполним еще одну настройку, без которой ничего не заработает в Windows 10. Переходим в:
Панель управления\Оборудование и звук\Электропитание\Системные параметры. В разделе «Действия при нажатии кнопок» убираем галочку с настройки «Включить быстрый запуск (рекомендуется). Нажимаем кнопку «Сохранить изменения». 
Если ОС установлена на HDD, а не на SSD, то время загрузки после включения компьютера ощутимо увеличится.
Удаленное включение ПК.
На удаленном компьютере в той же локальной сети устанавливаем небольшое приложение WakeMeOnLan. Скачать его можно бесплатно перейдя на ЭТОТ сайт (скачивание внизу страницы). 
ПО сканирует сеть, сохраняет MAC, IP, имя ПК. Затем, когда компьютер выключен, его нужно выбрать из списка и нажать на кнопку с будильником в верхней левой части окна программы. В настройках можно выбрать, куда будет отправлен пакет (на широковещательный адрес, на IP компьютера или на его имя).
Управляемый компьютер находится в дежурном режиме (англ. stand-by — режим, предусмотренный спецификацией ATX, при котором из всех выходных цепей блока питания активна только дежурная +5VSB) и выдаёт питание на микросхему BIOS и сетевой адаптер. Сетевой адаптер находится в режиме пониженного энергопотребления, при этом его микроконтроллер анализирует все пакеты, приходящие на соответствующий MAC-адрес, ничего не отвечая на них. Если одним из пакетов окажется magic packet, сетевой адаптер выдаст сигнал на включение питания компьютера (вики).
Если компьютер выключали на ночь из розетки электропитания, то по LAN он не запустится. Если включить всетаки нужно удаленно, то можно скомбинировать процесс с функцией «Включение при возобновлении электропитания», которая так же активируется в BIOS.
Некоторые протестированные в нашей ЛВС компьютеры с Windows 7 запускаются только с PCI внешним сетевым адаптором. При подключении на встроенный в мат.плату сетевой адаптор стабильно выходят из состояния сна. Какие настройки на это влияют так и не определилось. В Windows 10 при отключении быстрого запуска удаленное включение работает стабильно.
Удаленное администрирование.
После запуска «Wake-On-LAN» удаленного компьютера к нему можно подключится любым доступным способом и выполнить требуемые настройки. В нашей ЛВС популярно удаленное подключение к рабочему столу RDP и AnyDesk. AnyDesk способен включать удаленный компьютер не только по локальной сети но и через через интернет. Рассмотрим кратко как это сделать.
Устанавливаем и обновляем AnyDesk на удаленном компьютере. Скачать его можно бесплатно с официального сайта. Использование тоже бесплатное, с некоторыми ограничениями в отличие от платной версии. Запуск установленной программы желательно выполнять с правами администратора. Галочка об этом ставится в свойствах ярлыка.
Переходим в настройки. В боковом меню находим пункт «Wake-On-LAN» и проверяем, чтоб он был активирован (Enabled).
В пункте настроек «Безопасность» желательно установить пароль, чтоб подключатся автоматически.
Выключаем компьютер через Пуск >> Завершение работы.
Переходим в компьютер, с которого будем удаленно подключаться.
Вводим ID удаленного рабочего места. 
После того, как появится сообщение «Клиент не в сети», нажимаем кнопку «Питание вкл.». 
Начнется соединение с попыткой включения. Необходимо ждать 3-4 минуты если соединение проходит через интернет. К тому же время зависит от параметров и скорости включения удаленного ПК. 
После некоторого времени ожидания появится окно для авторизации. Вводим созданный пароль. Отмечаем галочкой «Входить автоматически».
*если подключение на сервер то может возникнуть вопрос консоль или учетная запись, выбираем консоль
Получаем изображение и видим экран входа в учетную запись удаленного ПК. Вводим пароль, входим и выполняем требуемую работу.
