Powerline modem

Modem pro komunikaci po vedení 220V
Vratislav Michal, student 2. Ročníku 1. stupně
Zpracováno na UTEE FEI
Školitel: Doc. Ing. Jiří Sedláček, CSc.
Modem for comunication on 220V power lines
Abstract: This project presents the design and realisation of te comunication
modem which is used to temperature regulations by means normal 220V power
transmission lines.
1) Teoretický rozbor, návrh řešení:
Při prvotních úvahách o a realizaci modemů bylo třeba zvážit požadavky
kladené na zařízení a dostupné prostředky pro realizaci. Základní požadavky
vyjadřují tři zadané parametry: přenosová ryclost 4800Bd, dosah v rámci
jednoho oběktu a asynchronní simplexní přenos. Dále bylo zapotřebí
prozkoumat provozní prostředí modemů. Bylo tedy provedeno několik měřeni
základních vlastností síťového vedení, především v kmitočtové oblasti. Na
základě těcto výsledků byl utvořen obrázek o typu komunikačního řetězce. Ve
své podstatě se bude jednat o zařízení typu vysílač - příjímač. Na základě měření
byl zvolen pracovní kmitočet modemu 200 KHz. V okolí tohoto kmitočtů totiž
vedení dosahuje nejvýhodnějšího kompromisu mezi průchozím útlumem vední a
velikostí rušivých složek. Na základě těchto parametrů a to především z důvodu
nízkého pracovního kmitočtu byla zvolena koncepce přijímače i vysílače bez
přeměny kmitočtu (s přímím zesílením) s šířkou pásma 15KHz. Pro přenos dat
byla zvolena binární kmitočtová modulace FSK. Důležitý požadavek byl kladen
na bezpečnost celého zařízení. Proto je první člen v modemu frekvenční filtr na
kterém dochází k odstranění nebezpečného síťového napětí. Jako sekundární
ochraný prvek v modemu je trojice optoizolátorů propojujících modem s
externím komunikačním kanálem RS232
2) Popis vysílače
Z teoretického rozboru plyne, že vysílač musí být výkonový generátor
signálu FSK. Z důvodu stability i konstrukční jednoduchosti byl obvod osazen
jednočipovým mikroprocesorem PIC 16F84 řízeným krystalem o kmitočtu
10MHz. Tento procesor plní funkci proměného děliče kmitočtu [obr.1.].
Spouštěcím impulzem TX se aktivuje vývod generátoru FSK a na jeho výstupu
je přítomno vysokofrekvenční napětí. Kmitočet tohoto napětí je dán logickou
úrovní na vstupu
data
optočlenu
Op2. Protože se
jedná o generátor
koherentního
signálu FSK, je
změna výstupního
kmitočtu povolena
pouze při průchodu výstupního napětí nulou. Tato metoda eliminuje rušení i
šířku pásma způsobené zkreslením výstupního napětí vlivem modulace. Napětí
z generátoru je v následujících stupních napěťově a výkonově zesíleno a pomocí
dvojice kondenzátorů připojeno k síti. Toto zapojení kondenzátorů bylo zvoleno
z čistě preventivních důvodů. Poskytuje dostatečnou ochranu obvodu pro případ
selhání jednoho z kondenzátorů.
3) Popis přijímače
Základní obvody, na které lze přijímač rozdělit jsou obvody selektivity,
zesílení, FSK dekodér, a tvarovací obvody. Oproti klasickému komunikačnímu
přijímači má tento přijímač horší pracovní podmínky spočívající v nemožnosti
impedančního přizpůusobení přijímače na síť 220V a v nepoměrně větších
rušivých napětí
cizích kmitočtů
(50Hz).
Především tyto
vysoké hodnoty
rušivých napětí si
vyžádaly zvláštní
koncepci tohoto
přímozesilujícího
přijímače. Bylo
použito
tzv.
postupného rozložení selektivity v zesilovacím řetězci. Selektivita je zajištěna
především dvojicí vázaných rezonančních LC obvodů a obvodem demodulátoru
[Obr.2.]. Hlavní zesílení v obvodu je realizováno pomocí dvojice
darlingtonových tranzistorů a pomocí integrovaného obvodu A223D, který
zastává také funkci FSK koinciedenčního demoudláorů. Fázový posuv pro
vnitřní obvod demodulátoru se získává opět na obvodu LC. Demodulovaný
signál postupuje přes frekvenční filtr, ve kterém se separuje stejnosměrná složka
do obvodů zesílení napěťové úrovně dat a datového tvarovače. Tento tvarovač je
realizován pomocí Scmittova klopného obvodu SKO. Poslední část přijímače je
obvod galvanického oddělení pomocí optočlenu.
4) Dosažené výsledky
Jako u každéo analogovéo zařízení jsou i u tohoto zaříení dány výsledky
také i kvalitou konstrukce. Zvláště u tohoto typu je zapotřebí dodržět zásady
konstrukce vysokofrekvenčních zařízení, především důvodu, že veškeré zesílení
je soustředěno na
jediné frekvenci.
Pro
posouzení
parametrů bylo
provedeno
několik měření.
Na obr.4. je
frekvenční
přenosová
charakteristika
přijímače. Měřící generátor dodával do vstupu přijímače poměrně vysoké napětí
(cca 1,5V). To umožňuje mimo selektivních vlastností posoudit i odolnost
přijímače proti přetížení mimo
pracovní pásmo. Na Obr.4 je
změřená
demodulační
charakteristika demodulátoru
FSK. Z této charakteristiky si
lze
vytvořit
obrázek
o
frekvenční
účinnosti
demodulátoru.
5) Závěr
Modemy tohoto typu jsou zařízení používané v parametricky různorodém
prostředí. Je proto velice důležité zajistit při jejich návrhu i konstrukci optimální
nastavení všech parametrů. Modemy tohoto typu byly testovány i pro přenos
spojitých signálů, avšak jejich provozní paramery byly nejlépe ověřeny při
provozu v kolizní síti typu asynchronní multiplex
6) Seznem literatury
[1] Dvořáček a kol: Kurs radiotechniky
[2] Aplikační listy Microchip, Tesla