Способ и устройство передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока

Изобретение относится к системам передачи информации по линиям энергоснабжения, в том числе по распределительным электрическим сетям переменного тока напряжением 0,4 кВ. Технический результат заключается в простоте и недорогой реализации устройства. Для этого в способе бинарные данные формируют в пакеты одинакового размера, добавляют в начало каждого пакета заданную комбинацию битов, образующую заголовок, рассчитывают контрольную комбинацию битов как хэш-функцию от комбинации битов данных и заголовка пакета, добавляют ее в конец пакета, при наступлении очередного интервала передачи, центром которого является момент перехода через ноль основной гармоники напряжения электрической сети, подключают в сеть на время длительности этого интервала один из двух источников синусоидального напряжения опорной частоты, при наступлении очередного интервала приема, центром которого является момент перехода через ноль основной гармоники напряжения электрической сети, принимают переданные сигналы вместе с наложенными на них помехами, выделяют напряжение опорной частоты с помощью фильтрации, разделяют его на два канала, далее в каждом канале выделяют с помощью фильтров напряжение разностной частоты, интегрируют его в течение интервала приема, по окончании интервала приема преобразуют аналоговое напряжение на выходе каждого интегратора в бинарную форму, кроме того, после каждого сдвига проверяют наличие заголовка в сдвиговом регистре каждого канала и вновь рассчитывают контрольную комбинацию по той же самой хэш-функции от последовательности битов данных принятого пакета, которая использовалась при передаче, если заголовок и контрольная комбинация в соответствующих позициях сдвигового регистра обнаружены, прием пакета закончен, принятые данные выбирают из сдвигового регистра того канала, в котором они были обнаружены, иначе выполняют следующий цикл передачи-приема очередного бита. Устройство содержит блок синхронизации, микропроцессор, блок сопряжения, блок транзисторных ключей, перемножители сигналов двух идентичных каналов приема, два фильтра низких частот, два интегратора и два компаратора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к системам передачи информации по линиям энергоснабжения (Н04В 3/54 МПК 8), в том числе по распределительным электрическим сетям переменного тока напряжением 0,4 кВ.

Предлагаемый способ может быть использован для организации недорогих каналов связи в составе автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ): в автоматизированных системах диспетчерского управления энергоснабжением (АСДУЭ); в системах автоматического сбора данных со счетчиков расхода электроэнергии, тепла, воды и газа; в системах управления удаленными исполнительными устройствами, в том числе устройствами коммутации нагрузки, регулировки уровня потребляемой мощности и т.д.; в системах охранной и пожарной сигнализации для получения информации с удаленных датчиков; а также в других системах, где не требуются большие объемы и скорости передачи информации.

Известен «Канал связи на тональных частотах по линии 10 кВ (К.И.Гутин. С.А.Цагарейшвили. Канал связи на тональных частотах по линии 10 кВ. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 2 (54), ВИЭСХ, Москва, 1985 г., стр.11-17). Известен также пассивно-активный способ образования тока сигнала, который реализован в генераторе пассивно-активного типа (С.А.Цагарейшвили. К.И.Гутин. Теоретические основы построения каналообразующего устройства на тональных частотах по электрическим сетям 0,4-35 кВ. Наука и технологии в промышленности, Москва, 2 (5), 2001 г., стр.55-56). Основным недостатком данных способов является большое потребление мощности из сети (о чем указывают и сами авторы), порядка сотен и даже тысяч кВт, что неприемлемо для организации каналов связи с электросчетчиками, элементами АСКУЭ бытовых абонентов, АСДУЭ, охранно-противопожарных систем и прочих приложений, требующих ограниченного потребления энергии. Прочие патенты данных авторов (RU 2224361 от 2002.04.15, кл. Н04В 3/54, RU 2224362 от 2002.04.15, кл. Н04В 3/54, RU 2224363 2002.04.15, кл. Н04В 3/54, RU 2143785 от 1998.12.30, кл. Н04В 3/54 и другие) направлены на снижение потребления мощности, тем не менее, потребляемая передатчиками мощность велика для вышеуказанных приложений.

Известен пассивный способ ввода токовых сигналов в линию низкого напряжения 220 В частотой 50 Гц и устройство (патенты RU 2260247 от 2003.04.29 кл. Н04В 3/54. RU 2260248 от 2003.04.29 кл. Н04В 3/54), в соответствии с которым производят двухполупериодное выпрямление напряжения 220 В, подавая его на входную диагональ двухполупериодного моста из диодов Д1, Д2, Д3, Д4, параллельно выходной диагонали которого включен последовательный колебательный контур, образованный конденсатором, катушкой индуктивности и дополнительным резистором, настроенным в резонанс на частоту F0=150 Гц, отличающийся тем, что, коммутируя управляемый ключ с частотой f0, вводят токовые сигналы с частотой f0 в линию низкого напряжения по цепи: фаза 1, диод Д1 «плюс» выходной диагонали моста, нагрузочный резистор, управляемый ключ, «минус» выходной диагонали моста, диод Д3, нейтральная точка, при этом диапазон изменения частоты коммутации управляемого ключа определяется математическим выражением: 13 кГц<f0<23 кГц.

Несмотря на то, что данный способ и устройство, его реализующее, снижают потребляемую мощность до 30 Вт, эти потери неприемлемы для вышеуказанных приложений.

Известен способ передачи и приема сообщении по электросети (RU 2216854 от 2001.12.27, кл. Н04В 3/54), заключающийся в том, что модулируют дискретный информационный сигнал модулирующей псевдослучайной последовательностью импульсов, полученным сигналом модулируют фазу сигнала несущей частоты, передают промодулированный сигнал несущей частоты в электросеть, принимают этот сигнал, перемножают его с копией псевдослучайной последовательности импульсов, отличающийся тем, что модулирующую псевдослучайную последовательность импульсов сдвигают по времени на один такт в зависимости от значения дискретного информационного сигнала, результаты упомянутого перемножения накапливают, сравнивают с пороговыми значениями, определяемыми наличием сигнала, соответствующего передаче "1" или "0" в дискретном информационном сигнале, и по результатам упомянутого сравнения определяют значение передаваемой информации.

Известно также устройство, его реализующее: устройство передачи и приема сообщений по электросетям, содержащее на передающей стороне генератор несущей и тактовой частот, первый выход которого соединен с входом генератора модулирующей псевдослучайной последовательности, фазовый манипулятор, вход которого соединен со вторым выходом генератора несущей и тактовой частот, и устройство присоединения к электросети, а на приемной стороне содержащее устройство присоединения к электросети, первый и второй перемножители, первые входы которых объединены и соединены с входом устройства синхронизации, а вторые входы соединены с выходом генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности, вход которого соединен с выходом устройства синхронизации, отличающееся тем, что на передающей стороне выход генератора модулирующей псевдослучайной последовательности соединен со вторым входом фазового манипулятора, а на приемной стороне введены первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, первые входы интеграторов соединены с выходами соответствующих перемножителей, причем второй вход первого перемножителя соединен с выходом генератора копии модулирующей псевдослучайной последовательности через элемент задержки, вторые входы интеграторов и третий вход схемы сравнения соединены с выходом устройства синхронизации.

К недостаткам данного способа и устройства, его реализующего, можно отнести то, что реализация требует применения быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей и специальных сигнальных процессоров, что существенно увеличивает стоимость приемника.

Известна система сбора данных по распределительной электросети переменного тока (RU 2246136 от 2003.10.31, кл. Н04В 3/54), включающая в себя один главный узел и несколько подчиненных узлов, в которой главный узел излучает синхросигнал заранее известного вида, состоящий из одного или нескольких символов, который одновременно принимается всеми подчиненными узлами, отличающаяся тем, что в качестве событий символьной синхронизации все узлы системы используют моменты пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения электросети, а главный узел излучает вышеуказанный синхросигнал строго периодически, через равные интервалы времени, при этом подчиненный узел с номером N передает свои данные в течение N-го полупериода основного напряжения сети, считая от момента окончания синхросигнала.

Известны также варианты этой системы, в частности, система, отличающаяся тем, что синхросигнал подвергают модуляции и используют также для широковещательной передачи данных от главного узла к подчиненным (вариант 4); и система, отличающаяся тем, что все сигналы, излучаемые главным и подчиненными узлами, имеют длительность, равную 1/3 полупериода сетевого напряжения, и центрированы относительно моментов пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения электросети (вариант 5).

Существенным признаком, совпадающим с заявляемым изобретением, является то, что в качестве событий синхронизации все узлы системы используют моменты пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения электросети.

Одним из недостатков этой системы является то, что она в основном ориентирована на сбор информации от подчиненных узлов к главному. Широковещательная передача данных от главного узла к подчиненным также возможна, о чем указывается в варианте 4, но скорость передачи полезной информации будет очень малой и находится в прямой зависимости от количества подчиненных узлов. В частности, учитывая, что один бит информации передается в каждый интервал пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения сети, при 256-битном синхросигнале, выдаваемом главным узлом, время передачи одного бита данных от главного узла равно времени передачи одного бита от подчиненного узла и может быть рассчитано по формуле:

Тп=(256+Кпу)·То,

где Кпу - количество подчиненных узлов,

То - интервал времени между пересечениями нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения сети.

Например, в сетях переменного тока с частотой 50 Гц То=10 мс, при Кпу=1024 Тп=12,8 с.

Информация от главного узла должна передаваться пакетами, в которых должен указываться как минимум номер (адрес) подчиненного узла и сами данные. Так, при длине пакета 64 бита время доставки информации будет занимать ориентировочно 3 минуты при Кпу=16 и 13,7 мин при Кпу=1024. Если учесть еще время ответа подчиненного узла, общее время обмена увеличится как минимум в два раза, а при больших объемах передаваемых данных - в десятки раз, что может быть неприменимо в системах оперативного управления или в системах, требующих более интенсивного обмена данными.

Известна технология Х-10 (патент US 4638299 от 1987.01.20, кл. Н04М 11/04), разработанная в 1978 г. корпорацией Х-10 с ориентацией на задачи дистанционного управления светильниками и простейшими бытовыми приборами. Протокол взаимодействия передающих и принимающих модулей X10 основан на амплитудной модуляции импульсных управляющих сигналов, передаваемых по силовой линии электропитания. Для передачи двоичной информации здесь используется генерация коротких импульсов частотой 120 кГц в момент перехода переменного напряжения через ноль. Импульсы представляют собой пакеты переменного напряжения амплитудой 5 В, частотой 120 кГц и длительностью 1 мс. Передача импульсов синхронизирована с переходом переменного тока через нулевой уровень в пределах интервала 200 мкс. В случае сети с частотой 50 Гц единичный бит передается в виде трех импульсов с интервалом 3,33 мс, что соответствует последовательному переходу через ноль напряжения всех трех фаз электрической сети. Для передачи команды X10 требуется одиннадцать периодов силового напряжения.

Выбор такой схемы кодирования обусловлен тем, что интервал перехода через ноль основной гармоники напряжения сети характеризуется меньшими уровнями шумов и влияния других устройств, подключенных к сети. Двоичной «1» соответствует передача частоты 120 кГц в течение 1 мс, а двоичному «0» - отсутствие импульса. В целях уменьшения ошибок для передачи одного бита используются два перехода через ноль. Поэтому скорость передачи ограничена величиной 60 бит/с (для сети 120 В, 60 Гц).

Прикладному уровню соответствует язык управления простейшими устройствами. Полная команда Х-10 состоит из двух пакетов, разделяемых интервалами в три периода, для ее передачи требуется 47 циклов или приблизительно 0,94 с. Первые два цикла передают стартовый код (уникальный код, равный 1110 и не имеющий дополняющих бит в смежных полупериодах), следующие четыре цикла представляют код дома (House Code A-Р) и последние пять циклов передают код модуля (Number Code 1-16) или код функции (Function Code On, Off...), так называемый ключевой код.

Основными недостатками системы на базе Х-10 являются относительно низкая скорость передачи информации; невысокая защищенность амплитудно-модулированных сигналов от внешних помех; отсутствие стандартных методов разрешения конфликтов посылок управляющих сигналов; отсутствие сигналов квитирования, подтверждающих принятие и исполнение команд; малая дальность передачи.

Существенными признаками, совпадающими с заявляемым изобретением, является то, что для уменьшения влияния шумов сигналы передают в моменты пересечения нулевого уровня основной гармоникой силового напряжения электросети, информацию передают пакетами, каждый пакет имеет стартовый код (заголовок).

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в следующем. Для автоматизированных систем оперативного управления удаленными устройствами (в их числе и системы сбора информации с удаленных устройств) очень важно иметь недорогой и надежный канал связи. Примеры таких систем: автоматизированные системы контроля и учета электроснабжения (АСКУЭ) бытовых и мелкомоторных абонентов, автоматизированные системы диспетчерского управления электроснабжением (АСДУЭ), системы управления уличным освещением, системы охранной и пожарной сигнализации и т.д. Требования к скорости передачи и объемам информации в таких системах невелики.

Традиционно в таких системах использовались различные проводные линии (типа "витая пара"), телефонные пары, радиоканалы, в том числе каналы сотовой связи. Основные недостатки таких каналов - большие финансовые и трудовые затраты, направленные на их создание и эксплуатацию.

Использование в качестве каналов линий распределительных электрических сетей переменного тока является экономически и технически более выгодным, и задача создания недорогой системы передачи данных является актуальной.

Трудности, возникающие на пути создания и широкого распространения таких систем, заключаются в том, что линии распределительных электрических сетей переменного тока характеризуются большим уровнем шумов и помех, амплитудно-частотные характеристики линий меняются во времени, максимальная дальность передачи данных ограничена пределами электрической сети одной трансформаторной подстанции. Существуют также нормативные документы, ограничивающие уровни передаваемых сигналов, полосы частот и нормы электромагнитных помех, в том числе ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97). Существенным показателем также является стоимость устройств передачи данных.

Изобретение направлено на достижение следующего технического результата: создание недорогой низкоскоростной системы двунаправленного обмена информацией по линиям распределительных электрических сетей переменного тока, удовлетворяющей требованиям и стандартам на электромагнитную совместимость технических средств, с достаточным уровнем помехозащищенности и проверки правильности полученной информации.

В предлагаемом способе поставленную задачу решают следующим образом.

Бинарную информацию, которую нужно передать, формируют в пакеты. Каждый пакет имеет фиксированную длину (количество передаваемых бит). В начало к каждому пакету добавляют заголовок фиксированного размера, в качестве которого используется заранее выбранная комбинация битов.

Далее вычисляют контрольную комбинацию (последовательность битов), рассчитанную как хэш-функцию от комбинации битов данных и заголовка пакета, и добавляют ее в конец пакета. Вид хэш-функции и длину контрольной комбинации выбирают такой, чтобы обеспечить однозначное соответствие комбинации битов данных пакета. Однозначность заключается в том, что одной комбинации битов данных вместе с заголовком пакета соответствует только одна контрольная комбинация.

Каждый бит подготовленного таким способом пакета передают в линию следующим способом. При наступлении очередного интервала передачи, центром которого является момент перехода через ноль основной гармоники напряжения электрической сети, а длительность менее половины периода этой гармоники, подключают в сеть на время длительности этого интервала один из двух источников синусоидального напряжения опорной частоты. Амплитуды и частоты этих источников одинаковы, а фаза одного из этих источников сдвинута относительно фазы другого на 180°.

Выбор источника осуществляется по следующему правилу. Если передаваемый бит равен "0", то выбирают тот же самый источник, который использовался для передачи предыдущего бита. Если передается бит "1", выбирают источник, отличный от того, который использовался для передачи предыдущего бита. При этом источник для передачи самого первого бита пакета выбирают произвольно.

Таким образом, при передаче используется способ дискретной относительной фазовой модуляции со сдвигом фазы на 180° (Петрович Н.Т. Новые способы осуществления фазовой телеграфии. Радиотехника, 1957, №10).

Прием переданного бита начинают при наступлении очередного интервала приема, центром которого является момент перехода через ноль основной гармоники напряжения электрической сети, а длительность выбирается меньше интервала передачи. На вход приемника поступают переданные сигналы, искаженные при прохождении по каналу связи, вместе с наложенными на них шумами.

Принятый сигнал предварительно отфильтровывают полосовым фильтром, настроенным на основную гармонику опорной частоты. Сигнал является узкополосным, поэтому фильтрация позволит значительно снизить влияние шумов.

Далее сигнал пропускают через два идентичных канала, отличающихся только тем, что в одном из них сигнал перемножают с синусоидальным напряжением гетеродина опорной частоты, а в другом перемножают с синусоидальным напряжением этого же гетеродина, но сдвинутого по фазе на 90°. В результате перемножения в каждом канале образуются синусоидальные напряжения суммарной и разностной частот, причем при близости частот гетеродина приемника и источников передатчика разностная частота будет стремиться к нулю. Соответственно напряжение разностной частоты будет стремиться к постоянной составляющей, амплитуда которой будет зависеть от сдвига фаз сигналов, поступающих на входы перемножителей, которые определяются сдвигом фаз между синусоидальными напряжениями источников опорной частоты передатчика и гетеродина приемника.

Побочные продукты перемножения в каждом канале подавляют фильтрами низких частот.

Сигнал разностной частоты интегрируют в течение интервала приема и затем по окончании интервала приема преобразуют в бинарную форму по следующему правилу: если напряжение на выходе интегратора превышает заранее заданный порог, кодируют этот факт как "состояние 1", иначе как "состояние 0".

Далее текущий код состояния интегратора каждого канала сравнивают с его же состоянием, полученным в предыдущем цикле приема-передачи. Если состояние изменилось, вдвигают в бинарный сдвиговый регистр "1", иначе - вдвигают "0". Разрядность бинарного сдвигового регистра каждого канала равна количеству бит в пакете.

После каждого сдвига проверяют наличие заголовка пакета в первых разрядах сдвиговых регистров каждого канала. Затем вновь рассчитывают контрольную комбинацию с использованием той же самой хэш-функции от последовательности битов данных пакета, которая использовалась при передаче. Если заголовок и контрольная комбинация в соответствующих позициях сдвигового регистра обнаружены, прием пакета закончен, принятые данные выбирают из сдвигового регистра того канала, в котором они были обнаружены, иначе выполняют следующий цикл передачи-приема очередного бита.

В процессе формирования передаваемых сигналов безразлично, при каком значении входного бита "1" или "0" производится изменение выбора подключаемого в сеть источника синусоидального напряжения, необходимо только обеспечить нужное соответствие вдвигаемых в сдвиговый регистр значений при приеме, иначе приемник будет инвертировать биты пакета.

При передаче вместо использования двух подключаемых источников синусоидального напряжения можно применять только один. При этом роль второго источника выполняет первый, но с предварительно сдвинутой на 180° фазой.

Вместо источников синусоидального напряжения передатчика можно применять источники прямоугольных сигналов, то же самое относится и к гетеродину приемника. При этом несколько ухудшатся спектральные характеристики излучаемых сигналов, но появляется возможность более простой и дешевой реализации передатчика и приемника.

Полученный технический результат заключается в том, что с помощью предлагаемого способа можно создавать недорогие низкоскоростные системы двунаправленного обмена информацией по линиям распределительных электрических сетей переменного тока, с уровнем сигналов и частотным диапазоном, удовлетворяющим нормативным документам и требованиям, с выявлением ошибочных сообщений.

Приведем пример устройств, реализующих предлагаемый способ.

По функциональному назначению устройство можно разделить на две основные части: передатчик и приемник.

На фиг.1 приведена функциональная схема передатчика. Позициями на схеме обозначены:

1 - блок синхронизации;

2 - модулятор;

3 - блок сопряжения с сетью;

4 - управляемый переключатель;

5 - первый источник синусоидального напряжения;

6 - второй источник синусоидального напряжения.

Схема работает следующим образом.

На вход модулятора 2, в качестве которого используют микропроцессор, поступает бинарная информация, которую нужно передать. Модулятор разбивает ее на пакеты фиксированной длины. К каждому пакету добавляется заголовок. Размер пакета и последовательность бит в заголовке фиксированы и задаются предварительно.

Далее по выбранному алгоритму вычисления хэш-функции рассчитывают контрольную комбинацию битов каждого пакета и добавляют ее в конец соответствующего пакета. В качестве хэш-функции можно, например, использовать один из известных алгоритмов вычисления циклического контрольного кода CRC (Кнут Д.Е. "Искусство программирования для ЭВМ", т.2 "Получисленные алгоритмы" - М., "Мир", 1977).

Блок синхронизации 1 в моменты перехода через ноль основной гармоники сетевого напряжения выдает синхроимпульсы, которые поступают на второй вход модулятора 2 и используются для определения момента начала передачи бита. Центр интервала передачи должен совпадать с моментом перехода через ноль основной гармоники сетевого напряжения. Величина интервала передачи сигнала выбирается из расчета, чтобы она была меньше половины периода основной гармоники сетевого напряжения, с учетом того, что влияние шумов меньше всего в момент перехода через ноль основной гармоники сетевого напряжения.

При наступлении начала интервала передачи модулятор 2 анализирует очередной бит пакета и выдает управляющий сигнал на переключатель 4. Таким образом, если бит равен "0", на вход блока сопряжения с сетью 3 подключается тот же самый источник, что использовался в предыдущем цикле (при передаче предыдущего бита). Если бит равен " 1", подключается источник, отличный от того, что использовался в предыдущем цикле.

Источники 5 и 6 непрерывно генерируют напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону с одинаковой частотой и амплитудой, отличающееся только сдвигом фаз на 180°. Амплитуду и частоту источников выбирают так, чтобы они соответствовали требованиям нормативных документов, в том числе ГОСТ Р 51317.3.8-99 (МЭК 61000-3-8-97).

Для упрощения схемы можно использовать один источник, а вместо второго сдвигать фазу его напряжения на 180° с помощью фазовращателя. Функциональная схема этого варианта передатчика приведена на фиг.2, где цифрой 7 обозначен фазовращатель.

Эпюры напряжений приведены на фиг.3 со следующими обозначениями:

8 - напряжение основной гармоники сети;

9 - передаваемые сигналы опорной частоты;

Тпер - интервал передачи;

Тпр - интервал приема.

На фиг.4 приведена функциональная схема приемника. Цифрами на схеме обозначены:

1 - блок синхронизации;

3 - блок сопряжения с сетью;

10 - перемножитель сигналов;

11 - фильтр нижних частот;

12 - интегратор;

13 - компаратор;

14 - элемент памяти;

15 - блок сравнения;

16 - сдвиговый регистр;

17 - блок выбора канала;

18 - гетеродин;

19 - фазовращатель.

Схема работает следующим образом.

Блок синхронизации в моменты перехода через ноль основной гармоники сетевого напряжения выдает синхроимпульсы, которые далее используются для определения момента начала и окончания интервала приема бита. Центр интервала приема должен совпадать с моментом перехода через ноль основной гармоники сетевого напряжения. Величина интервала приема выбирается из расчета, чтобы она была меньше величины интервала передачи.

Сигнал, поступивший из сети, вместе с наложенными на него шумами поступает в блок сопряжения с сетью 3, в котором выполняется его предварительная фильтрация с целью отделить первые гармоники сетевого напряжения и уменьшить ширину принимаемой полосы частот.

С выхода блока сопряжения с сетью 3 сигнал идет параллельно по двум каналам и поступает на первые входы перемножителей 10.

Гетеродин 18 генерирует синусоидальное напряжение той же опорной частоты, что генерируют источники в схеме передатчика, но сдвинутое по фазе на неизвестную постоянную величину. Фазовращатель 19 сдвигает напряжение гетеродина по фазе на 90°.

На второй вход перемножителя 10 первого канала поступает синусоидальное напряжение с выхода гетеродина 18, а на второй вход перемножителя 10 второго канала поступает синусоидальное напряжение с выхода фазовращателя 19.

В результате перемножения на выходе перемножителей 10 присутствуют напряжения суммарной и разностной частот, которые поступают далее на вход фильтров нижних частот 11.

Фильтры нижних частот 11 выделяют напряжение разностной частоты и подавляют напряжение суммарной частоты.

Если частоты источников синусоидального напряжения передатчика и гетеродина приемника близки, напряжение разностной частоты будет стремиться к постоянному значению. Величина его будет зависеть от сдвига фаз между синусоидальным напряжением, генерируемым источником передатчика, и синусоидальным напряжением, генерируемым гетеродином.

С выхода фильтров нижних частот 11 каждого канала выделенное напряжение разностной частоты поступает на вход интеграторов 12, которые интегрируют его в течение интервала приема. Длительность интервала приема определяется по сигналам, поступающим от блока синхронизации 1.

В момент окончания интервала приема компараторы 13 сравнивают напряжения на выходах интеграторов 12 с заранее заданным порогом. Если это напряжение превысило порог, на выходе компаратора 13 формируется сигнал, соответствующий логической "1", иначе "0".

Логические сигналы с выходов компараторов 13 поступают на входы элементов памяти 14 (элемент задержки на время, прошедшее между двумя интервалами приема) и на первые входы блоков сравнения 15. На вторые входы блоков сравнения каждого канала поступают задержанные сигналы с выходов элементов памяти 14.

При совпадении входных сигналов каждый блок сравнения выдает на своем выходе логический сигнал "0", иначе "1", которые далее вдвигаются в сдвиговые регистры 16.

Блок выбора канала 17 проверяет наличие заголовка в соответствующих разрядах сдвиговых регистров 16 и вычисляет контрольную комбинацию, по тому же алгоритму, что использовался при передаче. Содержимое сдвигового регистра 16 канала, в котором были обнаружены верные заголовок и контрольная комбинация, выдается на выход блока 17.

Модули передатчика и приемника целесообразно реализовать в виде одного устройства, сократив дублирующие блоки. При этом блоки 2, 4, 5, 7 (фиг.2) передатчика и блоки 14, 15, 16, 17 (фиг.4) приемника реализуются в микропроцессоре.

Полученная функциональная схема такого устройства приведена на фиг.5, где позициями обозначены:

1 - блок синхронизации;

3 - блок сопряжения с сетью;

10 - перемножитель сигналов;

11 - фильтр нижних частот;

12 - интегратор;

13 - компаратор;

20 - микропроцессор;

21 - блок транзисторных ключей;

22 - интерфейс ввода-вывода.

Устройство, реализующее способ передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока, имеет следующие конструктивные признаки.

Блок синхронизации, вход которого подключен к электрической сети, а выход подключен к первому входу микропроцессора.;

Блок сопряжения, подключенный к электрической сети, вход которого подключен к выходу блока транзисторных ключей, а выход блока сопряжения подключен ко входам перемножителей сигналов двух идентичных каналов приема.

Блок транзисторных ключей, входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам микропроцессора, а выходы ко входу блока сопряжения.

Каждый из двух каналов приема имеет идентичную структуру и состоит:

- из перемножителя, первый вход которого подключен к выходу блока сопряжения с сетью, второй вход подключен к соответствующему выходу микропроцессора, а выход подключен ко входу фильтра низких частот;

- фильтра низких частот, вход которого подключен к выходу перемножителя, а выход подключен ко входу интегратора;

- интегратора, вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, а выход подключен ко входу компаратора;

- компаратора, вход которого подключен к выходу интегратора, а выход подключен к соответствующему входу микропроцессора.

От известных аналогов устройство отличается тем, что в качестве перемножителя используется аналоговый мультиплексор, микропроцессор программно реализует блоки элементов памяти, запоминающие состояния компараторов каждого канала в предыдущем цикле приема, блоки сравнения текущего и предыдущего состояний компараторов, сдвиговые регистры и блок выбора канала.

В микропроцессоре программно реализуются блоки элементов памяти 14, запоминающие состояния компараторов 13 каждого канала на предыдущем шаге, блоки 15 сравнения текущего и предыдущего состояний компараторов, сдвиговые регистры 16 и блок выбора канала 17.

Микропроцессор 20 получает синхроимпульсы от блока синхронизации и формирует необходимые интервалы передачи и приема битов.

Для реализации блока 5 (фиг.1, 2) источника напряжения опорной частоты передатчика используются пара транзисторных ключей 21, подключающих источник постоянного напряжения к блоку сопряжения с сетью. Ключи управляются с соответствующих выходов микропроцессора 20 таким образом, чтобы на вход блока сопряжения с сетью поступали импульсы напряжения нужной частоты и фазы во время интервала передачи.

Микропроцессор 20 формирует пакеты для передачи, добавляет к каждому пакету заголовок и рассчитанную контрольную комбинацию. На основании импульсов синхронизации определяет интервалы передачи и приема, генерирует импульсы напряжения опорной частоты, с соответствующим очередному передаваемому биту пакета сдвигом фазы и выдает их на управляющие входы транзисторных ключей 21.

При приеме функцию гетеродина 18 и фазовращателя 19 (фиг.4) выполняет микропроцессор 20. Во время интервала приема он формирует и выдает импульсы на входы перемножителей 10 с необходимой частотой и фазой. По каждому каналу приема он также производит сравнение полученного состояния компараторов 13 с их состоянием в предыдущем цикле приема, вдвигает в сдвиговый регистр "1", если эти состояния различны, иначе - вдвигает "0", вычисляет контрольную комбинацию для каждого канала. После этого выбирает канал, в котором обнаружен верный заголовок и контрольная комбинация, совпавшая с расчетной.

Электрическая схема устройства, реализующего способ передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока, приведена на фиг.6.

Блок синхронизации реализован с помощью резистора R1 и оптопары VD1 (микросхема АОТ101А), с выхода которой на вход микропроцессора D4 поступают гальванически развязанные с сетью синхроимпульсы моментов перехода через ноль основной гармоники сетевого напряжения.

Блок сопряжения с сетью реализован в виде трансформатора TR1 с тремя обмотками. Первичная обмотка через разделительный конденсатор С1 включается в сеть. Обмотка, предназначенная для передачи, имеет среднюю точку, на которую подается питание, а ее концы с помощью транзисторных ключей Т1-Т2 коммутируются на "землю".

Транзисторные ключи управляются через резисторы R3, R4 от микропроцессора, который в момент интервала передачи формирует импульсы опорной частоты с фазой, соответствующей значению передаваемого бита.

Принимаемый сигнал снимается со вторичной обмотки трансформатора, предназначенной для приема и через полосовой фильтр, образованный элементами С2, R5, С3 и делителем R14, R15, задающим напряжение рабочей точки, поступает на вход перемножителя D1.

В качестве блока перемножителя сигналов используется микросхема аналогового мультиплексора (например, 74НС4051), на адресные входы А0, А1 которой подаются управляющие импульсы с портов микропроцессора (Журнал "Радио", № 8, 1999 г., В.Поляков, г.Москва).

Фильтры низких частот и интегрирующие цепочки образованы на элементах R6, R7, R8, R9, С4, С5, С6 в первом канале и соответственно R10, R11, R12, R13, С7, С8, С9 - во втором.

Компараторы реализованы на микросхеме LM324.

В качестве микропроцессора использована микросхема AT90S2313 фирмы Atmel (http://www.atmel.com), в котором программно реализованы блоки элементов памяти, запоминающие состояния компараторов, блоки сравнения текущего и предыдущего состояний компараторов, сдвиговые регистры и блок выбора канала.

Блок-схема алгоритма работы микропроцессора в режиме передачи пакета данных приведена на фиг.7.

В блоке 71 к пакету данных добавляется заголовок и рассчитанное значение хэш-функции.

В блоке 72 ожидается наступление очередного момента начала интервала передачи, с центром в точке перехода через ноль напряжения основной гармоники сети.

В блоке 73, в зависимости от значения текущего передаваемого бита, выбирается формирователь управляющих импульсов для транзисторных ключей.

Блок 74 формирует управляющие импульсы, соответствующие фазе 0°.

Блок 75 - фазе сдвинутой на 180°.

В блоке 76 проверяется, закончен ли пакет данных, если нет, то возврат к блоку 72.

Блок-схема алгоритма работы микропроцессора в режиме приема пакета данных приведена на фиг.8.

В блоке 81 ожидается наступление очередного момента начала интервала приема, синхронизированного с моментом перехода через ноль напряжения основной гармоники сети.

В блоке 82 на время интервала приема формируются управляющие импульсы для перемножителей сигналов.

По окончании интервала приема в блоке 83 считываются состояния выходов компаратора каждого канала, запоминаются для использования в следующем цикле алгоритма.

В блоке 84 сравниваются текущие состояния компараторов каждого канала с запомненными их же состояниями в предыдущем цикле алгоритма.

Если состояния совпали, в блоке 85 в сдвиговый регистр вдвигается "0".

Иначе в блоке 86 в сдвиговый регистр вдвигается "1".

В блоке 87 рассчитывается значение контрольной комбинации в каждом канале.

В блоке 88 проверяется наличие правильного заголовка и соответствия значений принятой и рассчитанной контрольной комбинации. Если ни в одном канале контрольная комбинация не совпала, продолжается прием следующего бита, возврат к блоку 81.

Если заголовок и контрольная комбинация обнаружены в сдвиговом регистре какого-либо канала, принятый пакет данных выбирается из этого регистра в блоке 89.

К достоинствам данного способа и устройства, его реализующего, можно отнести следующее:

- отсутствие скачков фазы внутри передаваемого сигнала позволяет сосредоточить мощность излучаемого сигнала в узкой полосе спектра (ширина полосы ориентировочно около 1 кГц с центром на несущей частоте);

- в качестве источника сигналов синхронизации используется напряжение сети, что позволяет надежно определять моменты передачи и приема сигналов;

- передача сигналов происходит в моменты перехода через ноль напряжения основной гармоники сети, которые характеризуются меньшими уровнями шумов и влияния других устройств, подключенных к сети;

- можно получить простую и недорогую реализацию устройства.

1. Способ передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока, заключающийся в том, что бинарные данные, предназначенные для передачи, формируют в пакеты одинакового размера, добавляют в начало каждого пакета заданную комбинацию битов, образующую заголовок, рассчитывают контрольную комбинацию битов как хэш-функцию от комбинации битов данных и заголовка пакета, добавляют ее в конец пакета, при наступлении очередного интервала передачи, центром которого является момент перехода через ноль основной гармоники напряжения электрической сети, подключают в сеть на время длительности этого интервала один из двух источников синусоидального напряжения опорной частоты, фаза одного из которых сдвинута относительно другого на 180°, причем, если передается бит "1", изменяют выбор источника по отношению к источнику, выбранному ранее при передаче предыдущего бита, если передается бит "0", выбор источника оставляют прежним при наступлении очередного интервала приема, центром которого является момент перехода через ноль основной гармоники напряжения электрической сети, принимают переданные сигналы вместе с наложенными на них шумами, выделяют напряжение опорной частоты с помощью фильтрации, разделяют его на два канала, в первом перемножают его с синусоидальным напряжением гетеродина той же самой опорной частоты, во втором перемножают его с синусоидальным напряжением этого же гетеродина, но сдвинутого по фазе на 90°, далее в каждом канале выделяют с помощью фильтров напряжение разностной частоты, интегрируют его в течении интервала приема, по окончании интервала приема преобразуют аналоговое напряжение на выходе каждого интегратора в бинарную форму, при этом превышение напряжения на выходе интегратора заранее выбранного порога кодируют как "состояние 1", иначе - как "состояние 0", далее в каждом канале выполняют сравнение текущего состояния интегратора с его же состоянием в предыдущем цикле приема, если состояние изменилось, вдвигают в бинарный сдвиговый регистр "1", иначе - вдвигают "0", отличающийся тем, что после каждого сдвига проверяют наличие заголовка в сдвиговом регистре каждого канала и вновь рассчитывают контрольную комбинацию с помощью той же хэш-функции от последовательности битов данных и заголовка принятого пакета, которая использовалась при передаче, если заголовок и контрольная комбинация в соответствующих позициях сдвигового регистра обнаружены, прием пакета закончен, принятые данные выбирают из сдвигового регистра того канала, в котором они были обнаружены, иначе выполняют следующий цикл передачи-приема очередного бита.

2. Способ передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока по п.1, отличающийся тем, что при передаче в качестве второго источника напряжения опорной частоты используют первый, предварительно сдвинув его фазу на 180°.

3. Способ передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока по п.2, отличающийся тем, что заголовок и контрольная комбинация располагаются в произвольном месте передаваемого пакета.

4. Устройство, реализующее способ передачи и приема информации по линиям распределительных электрических сетей переменного тока, состоящее из блока синхронизации, вход которого подключен к сети, выход подключен к первому входу микропроцессора, блока сопряжения, подключенного к сети, вход которого подключен к выходу блока транзисторных ключей, входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам микропроцессора, выход блока сопряжения подключен ко входам перемножителей сигналов двух идентичных каналов приема, вторые входы перемножителей подключены соответственно к третьему и четвертому выходам микропроцессора, выходы перемножителей каждого канала подключены соответственно к входам фильтров низких частот, выходы фильтров низких частот подключены ко входам интеграторов, к выходам интеграторов подключены входы компараторов, выходы компараторов подключены соответственно на второй и третий входы микропроцессора, отличающееся тем, что в качестве перемножителя используется аналоговый мультиплексор, а микропроцессор формирует пакеты для передачи, добавляет к каждому пакету заголовок и рассчитанную контрольную комбинацию, на основании импульсов синхронизации определяет интервалы передачи и приема, генерирует импульсы напряжения опорной частоты с соответствующим очередному передаваемому биту пакета сдвигом фазы, управляет транзисторными ключами, во время интервала приема формирует и выдает импульсы на входы перемножителей с необходимыми частотой и фазой, по каждому каналу приема производит сравнение полученного состояния порогового элемента с его состоянием в предыдущем цикле приема, вдвигает в сдвиговый регистр «1», если эти состояния различны, иначе - вдвигает «0», вычисляет контрольную комбинацию для каждого канала и выбирает тот канал, в котором обнаружены верный заголовок и контрольная комбинация, совпавшая с расчетной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам передачи цифровых данных (например, данных Интернет, видео-, аудио-, голосовых и/или других данных) через энергетические системы посредством технологии PLT (Power Line Telecommunication).

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительных трансформаторах тока, напряжения и конденсаторах ВЧ-связи высоких и сверхвысоких напряжений.

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) трактов связи. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области контроля технического состояния элементов сетей связи. .

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для передачи ультраширокополосных сигналов через проводную среду. .

Изобретение относится к ультраширокополосной связи, осуществляемой через проводную сеть. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования напряжения 220 В, 50 Гц в ток заданной амплитуды и частоты, который вводят в Фазы В и С трехфазной линии электропередачи без ее обработки высокочастотными заградителями.

Изобретение относится к транспорту и может быть использовано для дистанционного технического обслуживания и контролирования лифта. .

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к контролю технического состояния сетей связи

Изобретение относится к технике электросетевой передачи сигналов от контролируемых объектов к центральной станции и может быть использовано в автоматизированных системах коммерческого учета расхода электроэнергии (АСКУЭ), а также в системах автоматического сбора данных по расходу воды, газа и других аналогичных параметров (далее, в системах учета расхода энергоносителей)

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в качестве способа передачи и приема информации в прямом и обратном направлениях посредством цифровой связи

Изобретение относится к области мобильной связи, а именно к способу организации связи с удаленными объектами, на которых находится большое число абонентов, при помощи подвижных базовых станций, в частности для акваторий

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для компенсации искажений сигналов трактов систем передачи

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системе передачи информации по зашумленным линиям наружного освещения

Изобретение относится к электрическому соединителю (1), в частности, для сетей (16) передачи данных, через который информационные устройства (18, 19, 20) соединяются посредством линий (7, 17) передачи данных, имеющему, по меньшей мере, два контакта (5) устройства на стороне информационного устройства, по меньшей мере, один контакт (8) сетевой розетки на стороне линии передачи данных, а также трансформатор (13), соединенный между, по меньшей мере, двумя контактами (5) устройства и, по меньшей мере, одним контактом (8) сетевой розетки

Изобретение относится к информационным технологиям и может быть использовано при создании информационных сетей, работающих на основе сети линий электропередачи с использованием технологии PLC: передачи сигналов по проводам электроснабжения

Изобретение относится к технике электросетевой передачи сигналов от контролируемых объектов к центральной станции и может быть использовано в автоматизированных системах учета расхода электроэнергии

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано для передачи информационных сигналов от узла связи пункта управления на передающий радиоцентр, вынесенный за его пределы и удаленный на расстояние от 5 километров
Наверх