מערכות על שבב משתמשות בתקשורת שעוברת דרך קווי אספקת החשמל לשליטה ביישומים משובצים

מאת: סם דייוויס PET

במבט ראשון קווי אספקת החשמל יכולים להיראות כאמצעי תקשורת מתאים לשליטה ובקרה של התקנים חיצוניים. אך יישום זה מורכב מאחר שקשה לחזות את האיכות והאמינות של התקשורת על פני קווי מתח קיימים בשל משתני הקו – רעש, עכבה (אימפדאנס) ואיכות הקו. מערכת תקשורת קווי המתח (PLC) של חברת Cypress Semiconductor מתגברת על המשתנים האלו בעזרת תכנון, שמאפשר תקשורת בטוחה ואמינה למרחק של עד 3800 מטרים.
כפי שמוצג באיור 1, מערכת על שבב (SoC) אופיינית של Cypress מורכבת משתי מערכות משנה על שבב: ליבת PLC וליבת PSoC® (מערכת על שבב ניתנת לתכנות). בנוסף למערכת PLC, קיים מעגל צימוד חיצוני לקווי החשמל שמשלים את החומרה הדרושה למערכת. ליבת PSoC משפרת את המשאבים האנלוגיים והספרתיים הניתנים לתכנות. בליבת PLC משולבים השכבה הפיסית של המודם לקווי המתח ופרוטוקול התקשורת ברשת. בנוסף לרשת, ליבת PSoC משלבת פונקציות מרובות כגון מדידות הספק, ניהול המערכת ודחיפת תצוגת LCD. מעבר לגמישות והאינטגרציה שלה, המערכת מציעה אמינות עם יחס הצלחה של 100% בשידור נתונים ברשתות חשמל רגילות וניסיונות חוזרים מובנים בתוך הקידוד שלה למקרה של איבוד נתונים ברשתות רועשות או ברשתות עם עכבה נמוכה.
המערכת מציעה גמישות של יצירת תקשורת דרך קווי מתח גבוה ומתח נמוך לתאורה ולבקרה תעשייתית, לאוטומציה ביתית, לקריאת מודדים אוטומטית ולניהול אנרגיה חכם.
ליבת PLC
הוספת ליבת PLC למערכת של Cypress מוסיפה את קידוד היישום המתקבל מבלוקים אנלוגיים וספרתיים ניתנים לתכנות ובקר המיקרו של ארכיטקטורת PSoC. שילוב זה מספק פלטפורמה חומרה יחידה ליישומים מרובים, מפחית את עלויות הרכיבים, את גודל המעגל ואת כמות השבבים ומשפר את הייצוריות. אלו כוללים:
שכבה פיסית של מודם לקווי מתח – מבוסס על אפנון FSK
קצבי באוד שניתנים לקונפיגורציה – עד 2400 סיביות בשנייה
הגברי שידור וקליטה וסף BIU שניתנים לקונפיגורציה
פרוטוקול רשת לקווי החשמל
שכבות משולבות לקישור, תעבורה ורשתות נתונים
תקשורת דו כיוונית בחצי דופלקס
גילוי שגיאות CRC ב- 8 סיביות
שכבת יישומים בקווי החשמל עם יכולת SPI, UART ו-  I2C
בשכבה הפיסית שבאיור 3, המשדר הופך לטוריים את הנתונים הספרתיים משכבת הרשת ומזין אותם למאפנן. המאפנן מחלק את תדירות המתנד המקומי במספר שתלוי ברמה הלוגית של הנתונים, “1” או “0”. לאחר מכן, הוא מחולל גל מרובע ב- 133.3 קילו-הרץ (“0” לוגי) או ב- 131.8 קילו-הרץ (“1” לוגי) שמוזן למגבר, עם הגבר ניתן לתכנות, ליצירת אות FSK שמועבר למעגל הצימוד לקו המתח. מתח המגבר המשתנה מ- 55 מילי-וולט ל- 3.5 וולט מאפשר למודם PLC לפעול ביעילות גם דרך ערוץ רועש. אפשר גם לקבוע את קונפיגורציית התדירות להגדלת סטיית FSK.
אותות FSK שנקלטים ממעגל הצימוד לקווי המתח נשלחים למסנן מעביר גבוהים שמסנן רכיבים מחוץ לפס התדירות ומפיק אות בספקטרום הרצוי של 125 – 140 קילו-הרץ. הערבל מכפיל את האותות המסוננים באות מקומי ויוצר תדירויות הטרודיין.
מסנן מעביר תדירות ביניים מסיר רעש נוסף כנדרש לפענוח אפנון נוסף. האות מוזן למעגל מתאם (correlator) שמפיק רכיב מתח ישר (“1” ו- “0” לוגיים) ורכיב תדירות גבוהה. המתאם מזין מסנן מעביר נמוכים שמפיק את הנתונים הספרתיים ב- 2400 באוד ומדכא את כל רכיבי התדירות הגבוהים יותר. משווה ההיסטרזיס הופך לספרתי את מוצא המסנן ומבטל את השפעות ההשהיה במתאם ואת אותות העירור הלוגיים השגויים שנוצרו מרעש. המקלט הופך את הנתונים למקביליים ומעביר אותם לשכבת הרשת. בתגובה לדרישות של יישומים מסוימים, ליבת PLC משתמשת בתקשורת דו כיוונית עם ליבת PSoC, אשר משתמשת בארכיטקטורה על שבב ניתנת לקונפיגורציה.

איור 1: מערכת אופיינית לתקשורת בקווי אספקת מתח

איור 2: מערכת חכמה לניהול אנרגיה

איור 3: מודם FSK מפיק אות מסונן בספקטרום של 125–140 קילו–הרץ

ליבת PSoC
בפלטפורמת PSoC מוחלפים רכיבים מרובים של מערכת מסורתית מבוססת בקר מיקרו בהתקן ניתן לתכנות בשבב יחיד בעלות נמוכה. התקני PSoC כוללים בלוקים ניתנים לקונפיגורציה של לוגיקה אנלוגית וספרתית וחיבורים פנימיים ניתנים לתכנות. ארכיטקטורה זו מאפשרת למשתמש ליצור התקנים היקפיים בהתאמה אישית שתואמת את דרישות היישום.
ההתקנים במשפחה זו כוללים את CY8CPLC10 במארז SSOP 28 פינים, בעל פונקציה יחידה עם ממשק I2C המותאם לעלות, את CY8CPLC20, מבוסס PSoC שניתן לתכנות ואת CY8CLED16P01 מבוסס PSoC שניתן לתכנות ומותאם לתמיכה בנורית LED שנתונים במארז SSOP של 28 פינים, במארז QFN של 48 פינים או במארז TQFP של 100 פינים.
CY8PLC20 כולל:
ממירי ADC של עד 14 סיביות
ממירי DAC של עד 9 סיביות
מגברים עם הגבר ניתן לתכנות
מסננים ומעגלי השוואה ניתנים לתכנות
קוצבי זמן, מונים ומאפנני PWM של עד 32 סיביות
מודולי CRC ו- PRS
עד ארבעה מקמ”שי UART בדופלקס מלא
ממשקי SPI
יכולת התחברות לכל פיני GPIO
זיכרון הבזק לתכנות בגודל 32 קילו-סיביות, 50,000 מחזורי מחיקה או כתיבה
זיכרון SRAM לנתונים
זיכרון EEPROM לאמולציה
ממשק I2C עד 400 קילו-הרץ
קוצבי זמן “כלב שמירה” ו-“שינה”
גילוי מתח נמוך ניתן להגדרת המשתמש
מעגל פיקוח משולב
מתח ייחוס מדויק על השבב

מעגל צימוד למתח הרשת
מעגל הצימוד לקווי הרשת (איור 1) הוא יחידה חיצונית שמחברת אותות במתח נמוך מליבת PLC לקווי החשמל. ספק מתח ממותג הכלול ביחידה פועל מקווי החשמל המשמשים לתקשורת. המעגל עומד בדרישות לאיתות בקווי מתח גבוה לפי EN50065-1:2000 ובתקן FCC חלק 15. הוא פועל במתח חילופין 110 או 240 וולט ובמתח ישר או חילופין של 12 וולט או 24 וולט. המעגל מקבל אותות שידור FSK שמקורם בליבת PLC במשרעת (אמפליטודה) נמוכה ללא סינון ומעביר אותם למסנן השידור ולבלוק ההגברה. מסנן השידור הוא מסוג Chebyshev מסדר רביעי מעביר פס, המתוכנן לאדוות מעבר מרביות של 1.5 dB. הוא מספק הגבר של 16.5 dB בתדר מרכזי של 133 קילו-הרץ, דיכוי של – 20 dBc ב- 150 קילו-הרץ ו- 50 dBc ו- 60 dBc בהרמוניות השניה והשלישית בהתאמה של הגל הנושא. אות השידור במוצא דוחף שנאי בידוד, T1, שמתחבר לקווי המתח. קבל 1.0 מיקרו-פאראד (C14) מסיר את היסט המתח הישר של המשדר בצד ההתקן וקבל 0.15 מיקרו-פאראד (C9) עם השנאי יוצרים מסנן מעביר גבוהים שחוסם את אות המתח הגבוה (50 הרץ) ומעביר את אות 133 קילו-הרץ של PLC.
האות הנקלט מועבר מקווי החשמל אל ליבת PLC דרך שנאי הבידוד T1. השנאי חייב לספק עכבה וזליגה נמוכות בתדירות האות. קבל פנימי של 0.01 מיקרו-פאראד מספק בידוד מתח ישר ונגד 2.0 קילו-אוהם בכניסה קובע את עכבת הכניסה של המקלט. הנגד ושתי דיודות מספקים הגבלת אותות להגנה מפני כניסת אותות גבוהים. מסנן הקליטה, המורכב ממשרן 1 מילי-הנרי, קבל 150 פיקו-פאראד ונגד של 2.0 קילו-אוהם, מנחית הפרעות שמחוץ לפס הקליטה, כדוגמת אותות שידור AM.
ספק המתח הממותג הוא ממיר רגיל עם מיישר גשר מלא בכניסה. נגד 1.0 אוהם בכניסה מספק הגבלת זרם. מנחת MOV מגן מפני מתחי מעבר ונתיך מגן מפני זרם יתר. הממיר מיועד לפעולה בכל מקום ממתח של 90 עד 240 וולט חילופין. התוצאה היא שיאי מתח ישר של עד 350 וולט כך שיש לקבוע בהתאם את קבלי הסינון.

תכנונים לייחוס
חברת Cypress מספקת תכנונים לייחוס לקווי מתח חילופין של 110 ו-240 וולט ולמתח ישר או חילופין ב-12 או 24 וולט. מערכת PLC יכולה לספק תקשורת נתונים גם דרך קווי מתח אחרים עם מעגלי צימוד מתאימים. תכנוני המתח הגבוה תואמים לתקנות השימוש בחשמל.
החברה מספקת גם ערכות הערכה ופיתוח. ערכות ההערכה, CY3272 לתקשורת בקווי מתח גבוה ו- CY3273 לתקשורת בקווי מתח נמוך, תואמות לתקני FCC ו- CENELEC וכוללות מעגל הערכה, מדריך להתחלה מהירה, כבלים, כבל USB, מתאם ל-12 וולט חילופין ותקליטור ובו תוכנה, דפי נתונים, מדריך למשתמש, הוראות יישום, שרטוטים וקובצי Gerber. ערכת הפיתוח לתקשורת בקווי מתח גבוה CY3274 (איור 4) וערכת הפיתוח לתקשורת בקווי מתח נמוך CY3275 מאפשרות תכנון עם התקני CY8CPL20. הערכות CY3276 לפיתוח תקשורת בקווי מתח גבוה ו- CY3277 לפיתוח תקשורת בקווי מתח נמוך מיועדות ליישומי תאורה עם התקני CY8CLED16P01.
כלי הפיתוח כוללים:
תוכנת פיתוח בחינם
אמולטור במעגל (ICE) וצורב
אמולציה במהירות מלאה
מבנה נקודות עצירה מורכב
זיכרון מעקב בגודל 128 קילו–ביית
אירועים מורכבים
מהדר, מאסף (assembler) ומקשר

ניתוח ספקטרום
נתח ספקטרום שימש למדידת אותות PLC במשך דקה אחת. הבדיקה נעשתה במתח של 110 ושל 230 וולט חילופין. המודם הוגדר לערכים הבאים:
הגבר שידור של 125 מילי-וולט משיא לשיא
מקור אות שעון ממתנד חיצוני
קצב באוד של 2400 סיביות בשניה עם רוחב פס של 1.5 קילו-הרץ
שבב CYCPLC10 במצב בדיקה פנימי שימש לשידור נתונים רציף. חיבור I2C לא שימש להפעלת השידור מאחר שהכבל עלול היה ליצור רעש חריג. בשימוש רגיל חיבור I2C נמצא על מעגל אחד עם המערכת במארז מסוכך. בגרף שבאיור 5 מוצגות תוצאות בדיקת הפליטה של שבב שהותקן המעגל ההערכה CY3272. מדידות השיא והממוצע נלקחו מחיבורי מתח הרשת. קווי מגבלת השיא והממוצע מייצגים את מגבלות תקן EN50065 – 1:2001. רמת השיא של מוצא השבב שנמדדה במוצא הרשת של המעגל הייתה 119 dBµV.

חסינות לרעש
בדיקות במעגל תכנון לייחוס הראו את החסינות של המערכת על שבב הניתנת לתכנות –  CY8CPLC10 – לרעש לבן ולהפרעות בפס שידור צר בפס תדירויות התקשורת של PLC. אותות ההפרעה נבחרו מאחר שהיה ידוע שהם קריטיים לתפקוד של מעגלי PLC. לצורך כך שימשו סוגי ההפרעות הבאים.
רעש לבן
צליל יחיד רציף
צליל רציף בפרצים (bursts)
אות מאופנן AM

פתרון PLC של Cypress מאפשר למתכננים לשלב פונקציות מערכת ופונקציונליות של תקשורת דרך קווי מתח בשבב יחיד. בעבר היה על מתכנני מערכות לרכוש שבבים מיוחדים עבור פונקציות המערכת שלהם. הבסיס לפתרון של Cypress הוא פלטפורמת SoC שמאפשרת למתכננים לממש תכנונים באינטגרציה גבוהה עם כמות רכיבים מינימלית. גישה זו מקדישה תשומת לב מיוחדת לביצועים של מערכת PLC והופכת את המערכת אמינה לשימוש במגוון תנאים.