Не так давно передо мной встала нетривиальная задачка собрать устройство, которое могло бы по линиям электропередач (0,4 кВ), в сетях обычных бытовых потребителей, передавать некоторую информацию, а точнее показания электросчетчиков.



Перед началом работы над созданием этого устройства, я мало понимал в цифровой обработке сигналов и в том, как работают компьютерные сети на физическом уровне. Нужно было быстро погрузиться в вопрос и выстроить план по созданию рабочего прототипа.
В процессе изучения я нашел очень много специализированной литературы по электронике, микроконтроллерам и цифровой обработке сигналов, которая очень помогла мне в этом. Но в самом начале пути для выбора направлений изучения мне бы пригодились обзорные статьи вроде этой.

Дальнейший материал это выжимка из профессионального опыта в том виде, в котором я бы хотел это рассказать самому себе из прошлого. Многие факты сильно упрощены для лучшей читаемости.

---

Коммуникация

Начнём с абстракций. Представим, что нужно передать порцию информации от одного человека другому. На изображении: красный человечек это передатчик, а синий приёмник.



Для передачи информации будем использовать голос. Информация это какой-то текст в нашей голове. Текст можно разбить на буквы и каждую букву представить в виде звукового сигнала. Таким образом можно кодировать каждую букву каким-то соответствующим звуковым сигналом.

Проводник

Звук, как известно, распространяется в виде волн колебаний частиц воздуха или иной среды. В нашем случае средой для распространения сигнала служит воздух. От красного человечка звуковые волны по воздуху распространяются во все стороны.

Полезный сигнал

К счастью, информацию из нашей головы мы не можем мысленно передать напрямую в голову собеседнику. Поэтому буквы из нашей головы на аппаратном уровне мы преобразуем (кодируем) в звуковые сигналы (наборы звуковых волн). Будем называть это полезным сигналом.
Важно: каждая буква кодируется устойчивым набором звуковых волн. Из этих волн мы можем распознать определенную букву (если мы ее знаем, конечно же). Происходит преобразование из буквы в звук и обратно из звука в букву.

Шум

Шум это такой же сигнал, но он не несёт в себе полезной информации. Шум искажает полезный сигнал и уменьшает дальность уверенного приема. Это может быть толпа людей, громко говорящих о чем-то своем, а может быть даже эхо или другие посторонние звуки, которые смешиваются с полезным сигналом. Шум обычно мешает прохождению полезного сигнала до приемника.

Протокол

В таком виде сигнал доходит до приемника. Приёмник из набора звуковых волн узнаёт (декодирует) буквы и собирает из них слова. Если ему кажется, что это бессмысленный набор звуков, то он их отбрасывает либо пытается восстановить исходный сигнал по сложному алгоритму. Отчасти, из-за этого мы иногда сначала переспрашиваем Что?, а уже потом понимаем, что всё расслышали.

Протокол это, по сути, набор правил и алгоритмов, по которым мы из полезного сигнала сможем вычленить информацию. В данном примере это наш язык, на котором мы общаемся с собеседником. По нему мы узнаем смысл переданных звуков. Всё это происходит неосознанно можно сказать на аппаратном уровне.

Всё описанное выше в очень упрощенном виде показывает, как работает передача данных не только между людьми, но и между электронными устройствами. Только физическим воздействием у них будет, например, электрическое напряжение, а проводником медный кабель. Информация, хранящаяся в устройстве, может быть передана с помощью различных физических сред передачи и протоколов, но суть примерно одна и та же: проводник, физическое воздействие, протокол.

---

Линии электропередач как канал связи

Далее мы по шагам разберемся, как передавать данные по линиям электропередач, и по ходу дела придумаем свой велосипед протокол. Основные идеи из открытого промышленного стандарта X10.

Чтобы использовать линии электропередач в качестве канала связи, нужно понять, как они устроены, и какие физические процессы в них происходят.
Взглянем на схему доставки электроэнергии от подстанции до жилых домов. Электрические сети трехфазные, и от подстанции идут три фазы (A, B и С), которые электрически изолированы друг от друга.



Для простоты условимся, что каждая фаза это отдельный канал связи. Устройства, подключенные к разным фазам, не слышат друг друга.
Сейчас на рынке есть устройства, которые умеют общаться между фазами, для них вся подстанция это один канал связи. Но пока для понимания это не играет особой роли.
Далее на схемах будем рассматривать только фазу А (в других всё аналогично).



При подключении нескольких приемо-передающих устройств к одной фазе образуется сетевая топология типа общая шина. Сигнал, отправленный одним из устройств, получат все остальные устройства, находящиеся в пределах распространения сигнала.

Проводник

Подробнее изучим среду передачи сигнала. Для этого рассмотрим, в каком виде передается электрическая энергия, и узнаем, как через этот поток мы можем передать свой полезный сигнал.
Электроэнергия передается в виде переменного тока. Проводниками обычно выступают алюминиевый или медный кабели. Напряжение в электрической сети имеет форму синусоиды с периодом 20 миллисекунд (частота 50 Гц).



Так как ток переменный, он периодически меняет направление течения, и в момент смены направления мощность практически не передается (если не учитывать сдвиг из-за сильной емкостной или индуктивной нагрузки). Наступают мгновения затишья. Это называется zero cross (далее ZC) момент, в который напряжение равно нулю.



В этот момент в сети также наблюдается наименьший уровень шума. Это самый благоприятный момент для генерации полезного сигнала.

В электрической сети с частотой 50 Гц (как в России) момент ZC происходит 100 раз в секунду. И если передавать по одному символу за один переход через ноль, то скорость соединения будет равна 100 бод/сек. Скорость передачи в байтах уже зависит от формата кадра, от того, сколько служебных бит, помимо самих данных, будет в кадре (о формате кадров ниже по тексту).

Синхронизация

Еще один немаловажный момент это синхронизация момента передачи и приема между устройствами.
Для нашего нового протокола будем использовать синхронную передачу данных, так как это проще в реализации.
Передатчику нужно знать, в какой конкретный момент надо включить ЦАП для генерации сигнала. Приемнику нужно понимать в какой конкретный момент надо включить АЦП для измерения и оцифровки входящего сигнала. Для этого кто-то должен подавать сигнал процессору.
Этим будет заниматься отдельная часть схемы устройства Zero Cross Detector. Он просто дожидается, когда напряжение на линии будет 0 вольт, и подает об этом сигнал. В сетях с частотой 50 Гц, сигнал будет приходить каждые 10 миллисекунд.



Электрическое напряжение распространяется со скоростью света, и поэтому можем условно принять, что момент ZC во всех точках сети происходит одновременно.

В интернете можно найти примеры схем детектора под названиями Детектора нуля или Zero Cross Detector.

Полезный сигнал

Существуют различные варианты кодирования информации для передачи по ЛЭП. Мы будем использовать узкополосную передачу с частотной модуляцией, т.к. она проще для понимания и надежнее. Минусом является низкая скорость передачи данных, но для нас это пока не играет особой роли.
Полезный сигнал это обычная синусоида фиксированной амплитуды. Изменяется у только частота сигнала. Выберем пару частот и скажем, что сигнал с одной частотой это 0, а сигнал с другой частотой это 1.



Другой вариант: как в стандарте X10, наличие сигнала означает 1, а его отсутствие 0.

Физически этот сигнал можно генерировать с помощью модуля ЦАП, который есть почти в любом современном микроконтроллере. На вход ЦАП принимает программным путем цифры (уровень сигнала), а на выходе выдает соответствующий этой цифре уровень напряжения. Таким нехитрым образом можно по таймеру подавать в модуль ЦАП массив чисел, а на выходе получать синусоиду с нужной нам частотой.


Подробнее о том, как эффективно генерировать синусоидальный сигнал, расскажу в следующей статье.

Шум

В ЛЭП изначально присутствует довольно мощный сигнал это передаваемая электрическая энергия от подстанции до жилых домов. И при нагрузке появляется большое количество шума на широкой полосе частот. Бытовая техника, блок питания компьютера, зарядные устройства они испускают широкий спектр частот в электрическую сеть.

Для понимания, сравним выделенную линию передачи данных с ЛЭП.
Выделенная линия это отдельный провод, по которому общается некоторое количество устройств. Можно сравнить с пустой комнатой, в которой можно комфортно общаться.



А ЛЭП можно сравнить с коридором, в котором проводят работы перфоратором, и по середине едет поезд (очень шумно). В этих условиях передать информацию сложно, но реально.

Протокол

Кодирование очень простое выбираем несколько символов и ставим в соответствие каждому какую-либо частоту сигнала. Для простоты сделаем три символа:

• Start по этому символу устройство поймёт, что началась передача кадра;
• 0 это символ бита 0;
• 1 это символ бита 1.

Передатчик по сигналу из ZC детектора на короткое время генерирует синусоиду нужной частоты. И таким образом передается по одному символу (S, 0 или 1) за один переход напряжения сети через ноль (каждые 10 миллисекунд). Приемники измеряют этот сигнал, узнают его частоту и записывают соответствующий этой частоте символ (S, 0 или 1) в буфер.


Теперь мы умеем сообщать о начале кадра и передавать некоторый набор единиц и нулей. Далее из них будем складывать слова или кадры. Целостные порции информации.

Формат кадра

Нужно ещё придумать формат кадра, который мы будет передавать с помощью этих символов. Есть несколько важных моментов, которые отразятся на формате данных: длина кадра, адресация, проверка целостности.

Длина кадра
Чем больше порция данных, тем меньше накладных расходов на передачу данных, так как помимо самих данных в кадре есть служебная информация вроде контрольной суммы и адреса назначения. Но чем меньше порция данных, тем больше вероятность успешной передачи. Тут важно найти золотую середину. Определяется это обычно опытным путем. Если взять пример из компьютерных сетей, то в Ethernet кадре было выбрано ограничение в 1500 байт данных (несмотря на то, что эта цифра быстро устарела, она используется до сих пор).


При сильном увеличении длины кадра, вероятность передать хоть какие-то данные стремится к нулю.

Адресация
Нужно ещё не забыть, что у нас топология сети общая шина. Информацию, отправляемую в эту шину, будут получать все устройства. И чтобы общение у них хоть как-то заладилось, у них должны быть адреса.
Адрес добавим в самое начало кадра, чтобы принимающая сторона, для которой не предназначены эти данные, не тратила время на прослушивание и ожидание всего кадра, так мы немного освободим процессор от бесполезной работы.

Длина адреса выбирается исходя из максимального количества устройств, которые могут одновременно находится в одной области видимости. Например, 8 бит это максимум 255 устройств (если 0 оставить как широковещательный).

Проверка целостности
При передаче информации по ЛЭП очень большая вероятность потерять часть данных. Поэтому обязательно должна быть проверка целостности. Для этих целей в кадр добавляется концевик. Это некоторая избыточная информация, с помощью которой приёмник сможет убедиться в том, что данные не искажены.

Придумаем окончательный вид кадра. Пусть длина адреса будет 8 бит (255 устройств в канале + 1 широковещательный адрес). Затем идут данные 8 бит (1 байт).
Концевиком у нас будет просто результат сложения адреса и байта. Но есть один нюанс: устройство может стабильно ловить сильный шум на частоте наших символов 0 или 1 и думать, что это полезный сигнал. И есть большая вероятность ложно считывать крайние значения типа 0x00 или 0xFF. Для защиты от этого, при подсчете концевика, просто будем прибавлять число 42.

Примерно так будет выглядеть один кадр данных: отправляем число 110 на устройство с адресом 17, концевик 169 (110 + 17 + 42).


Целый кадр будем собирать по кусочку из приходящих символов 0 и 1 после символа Start.

Опишем алгоритм приема кадра.
Изначально устройство находится в ожидании символа Start. Буфер отключен, в него ничего не пишем.
Когда пришёл символ Start, для удобства очищаем буфер приема и запускаем счетчик бит (по счетчику бит будем определять целый кадр).


Каждый следующий символ (0 или 1) последовательно пишем в буфер приема и инкрементируем счетчик бит.


Когда соберется нужное количество бит (полный кадр), проверяем целостность. Выделяем из кадра Адрес и Данные. Подсчитываем по алгоритму Концевик и сравниваем с тем, что в кадре.



Если значения сошлись, извлекаем из кадра данные и отправляем в вышестоящий протокол.



Если значения не сошлись, продолжаем ждать символ Start. И всё заново.

Примерно таким образом мы можем медленно, но верно передавать байт за байтом от одного устройства другому. Приемник будет складывать эти байты в приемный буфер протокола на уровень выше физического и там уже будет решать, что делать: выполнить входящую команду или вернуть какие-то данные в ответ.

Итог

В этой статье я постарался общим и понятным языком ввести читателя в тему передачи данных по линиям электропередач. Надеюсь, кому-то это информация пригодится, возможно, не только в области PLC.
В следующей части хотелось бы рассказать про алгоритм быстрой генерации синуса, который я применял. И о том, как из массива чисел оцифрованного сигнала узнать его частоту (ДПФ). Немного расскажу про железки для всего этого.

Возможно кто-то в комментариях подкинет ещё идей. Буду рад обратной связи!

---

Ссылки и материалы по теме:
Про шум в сетях
Ещё про шум в сетях
Один из вариантов Детектора нуля
Wiki: Связь по ЛЭП
Wiki: Трёхфазная система электроснабжения
ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97) Совместимость технических средств электромагнитная. Передача сигналов по низковольтным электрическим сетям.