CZ2008660A3

CZ2008660A3 - PLC communication method and apparatus for making the same

Info

Publication number: CZ2008660A3
Application number: CZ20080660A
Authority: CZ
Inventors: Seifert@Henryk
Original assignee: Modem Tec S. R. O.
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-05-05
Also published as: WO2010045893A1

Abstract

Zpusob PLC komunikace je založen zejména na tom, že v kroku generovaní dat jsou generovány datové pakety o konstantní délce, které obsahují pouze data, redundantní informace pro korekci chyb a kontrolní soucet pro kontrolu dat. V krocích korekce chyb a kontroly dat jsou zpracovávána všechna prijatá data. Krok korekce chyb se vykonává na prijímaci periodicky v casovém intervalu maximálne rovném casu potrebnému pro prenos jednoho bitu a s úcinností nejméne 5 % opravených chyb na jeden datový paket a krok kontroly dat se vykonává s kontrolním souctem realizovaným na polynomu minimálne 8 rádu. Zarízení pro PLC komunikaci spocívá v tom, že minimálne blok (BKC) korekce chyb, blok (BKD) kontroly dat a blok (BZD) zpracování dat jsou realizovány jako logické bloky softwarove generované v hradlovém poli. Blok (BKC) korekce chyb a blok (BKD) kontroly dat jsou propojeny datovou sbernicí o šírce minimálne 4 bitu. Soucástí bloku (BKC) korekce chyb je kruhová vyrovnávací pamet FIFO o velikosti datového paketu. Blok (BKD) kontroly dat sestává ze souboru paralelne razených aritmetických jednotek. Výpocetní výkon bloku (BKC) korekce chyb a bloku (BKD) kontroly dat je minimálne 10.sup.8.n. operací za sekundu.The method of PLC communication is based in particular on the fact that constant length data packets are generated in the data generation step, which contain only data, redundant error correction information and a data control check sum. All data received is processed in error correction and data checking steps. The error correction step is performed on the receiver periodically at a time interval equal to the time required to transmit one bit and with at least 5% corrected errors per data packet and the data check step is performed with a check sum realized on a polynomial of at least 8 orders. The PLC communication device consists in that the minimum error correction block (BKC), the data control block (BKD) and the data processing block (BZD) are implemented as logic blocks generated by the software generated in the gate array. Error correction block (BKC) and data control block (BKD) are interconnected by a data bus of at least 4 bit width. The error correction block (BKC) includes a data packet size FIFO buffer. The data control block (BKD) consists of a set of parallel arithmetic units. The error correction block (BKC) computing power and data control block (BKD) is at least 10.sup.8.n. operations per second.

Description

Oblast technikyTechnical field

Řešení se tyká způsobu úzkopásmového přenosu zpráv po energetických vedeních - tzv. PLC (Power Line Carrier) komunikace a zařízení pro vykonávaní tohoto způsobu,The solution relates to a method of narrowband transmission of messages over power lines - so-called PLC (Power Line Carrier) communication and devices for performing this method,

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

PLC komunikace představuje pro průmysl a především pro energetiku velice zajímavé komunikační řešení, neboť umožňuje budovat datové sítě bez investic do budovaní přenosových tras. S jejím využíváním se započalo v polovině minulého století v podobě jednosměrné komunikace (systém HDO), přičemž k většímu využití PLC komunikace dochází až v polovině devadesátých let v podobě dvousměmé komunikace, kdy se v návaznosti na expandující vývoj elektronických součástek podařilo zlepšit jak kvalitu přenosu, tak systémy vyhodnocovaní signálu.PLC communication represents a very interesting communication solution for industry and especially for power engineering, because it enables to build data networks without investments in the construction of transmission lines. Its use began in the middle of the last century in the form of unidirectional communication (HDO system), while the greater use of PLC communication occurs in the mid-nineties in the form of two-way communication, in response to the expanding development of electronic components and signal evaluation systems.

Možnosti použití PLC komunikace determinuje v rozhodující míře kvalita přenosového média, tj. energetických rozvodů, které jsou přenosovým prostředím velice dynamickým a s vysokou mírou rušení. Se změnou topologie sítě připojováním a odpojováním spotřebičů se velmi dynamicky mění útlum a tím velikost přijímaného signálu. Též většina moderních spotřebičů má nelineární charakteristiku zátěže, která se koncentruje v jednom vedení. Dále spotřebiče emitují široké spektrum rušení a ani vlastní rozvody nemají čisté lineami charakteristiky vlivem paralelních kapacit a podélných indukčností, přičemž vlivem různě velikého zátěžového proudu se na nelineárních prvcích vytváří rušení v širokém spektru frekvencí a s velmi dynamickou amplitudou, Z hlediska šířeni signálu jsou tedy energetické rozvody velice nevhodné přenosové médium a zabezpečení přenosu neskreslených dat v tomto prostředí je značným technickým problémem.Possibilities of PLC communication use are determined by the quality of the transmission medium, ie power distribution, which are very dynamic and with a high level of interference. As the network topology changes as the appliances are connected and disconnected, the attenuation and thus the size of the received signal changes very dynamically. Also, most modern appliances have non-linear load characteristics that concentrate in a single line. Furthermore, appliances emit a wide spectrum of disturbances and even their own distributions do not have pure linear characteristics due to parallel capacities and longitudinal inductances, and due to varying load current, disturbances are generated on non-linear elements at a wide spectrum of frequencies and very dynamic amplitude. a very inappropriate transmission medium and the security of undistorted data transmission in this environment is a major technical problem.

Způsoby PLC komunikace se člení na dva základní druhy, přičemž první způsob je úzkopásmový s omezenou rychlostí a druhý je širokopásmový s vysokými objemy přenášených dat, který nachází využití především v oblasti přenosu audio/video signálu. Z hlediska průmyslové využitelnosti je aktuální způsob úzkopásmové PLC komunikace, která má pro podmínky provozu definovanou harmonizovanou normu a má přiděleny pásma kmitočtů, přičemž se v naprosté většině případů jedná o komunikaci typu master/slave (master - nadřízený modem zahajující a řídící komunikaci, slavě - podřízený modem přijímající komunikaci).The methods of PLC communication are divided into two basic types, the first method being narrowband with limited speed and the second is broadband with high volumes of transmitted data, which is mainly used in the field of audio / video signal transmission. From the industrial usability point of view, the current method of narrowband PLC communication, which has a harmonized standard defined for the operating conditions and is allocated frequency bands, in most cases it is master / slave communication (master - master modem initiating and controlling communication, slave - slave modem receiving communication).

* · · ···· « 1 t * · · * · · · · * · · · 9 9 99 9 _ ·· · * * ·»*« ···< «9 99 9 99 99 99* 1 · t 9 9 99 9 _ 9 9 9 9 9 9 9 9 9 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99

V praxi je v souvislosti se zvyšující se úrovní elektromagnetického rušení stále zřejmější potřeba robustních způsobů PLC komunikace, umožňujících spolehlivou komunikaci i na silně rušených trasách. Z dostupných pramenů takový komplexní způsob není znám a ze známých dílčích řešení (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,828,676 „Method and apparatus for robust communication based upon angular modulation“ a US 5,553,081 „Aparatus and Method for Detection a signál in Communications systém“, nebo od Itran Communications Ltd. US 6,690,719 „Host to modem interface“) PLC komunikace mezi master a slavě se lze dobrati řešení poskytujícího maximální spolehlivost PLC komunikace podle dosavadního stavu techniky, které jako způsob modulace užívá systém BPSK (Binary phase shift keying), (ASK, FSK modulace) a standardně pro kontrolu správnosti kontrolní (redundantní) součet (CRC). Pro vlastní dekódováni přenášených dat se používá systém synchronizační hlavičky, po které následuje vlastní tělo zprávy. Komunikační systém může pracovat s volitelnou délkou těla zprávy, přičemž pro zvýšení odolnosti proti rušení a částečně i útlumu přenosové trasy je vyžíváno přepínání frekvence nosné vlny, které však pokaždé vyžaduje restartování systému. Řešení podle stavu techniky lze pak charakterizovat postoupností následujících kroků:In practice, in connection with the increasing level of electromagnetic interference, there is an increasing need for robust PLC communication methods that allow reliable communication even on heavily disturbed routes. Such a complex method is not known from the available sources and from known sub-solutions (see, for example, patents from Echelon Corp. US 5,828,676 "Method and apparatus for robust communication based on angular modulation" and US 5,553,081 "Aparatus and Method for Detection and Signal in Communications System") Or from Itran Communications Ltd. US 6,690,719 "Host to modem interface") PLC communication between master and slave can be achieved by providing a solution that provides the highest reliability of prior art PLC communication using BPSK (Binary phase shift keying) as a modulation method , (ASK, FSK modulation) and, by default, the checksum (redundant) sum (CRC) for correctness checking. To decode the transmitted data itself, a synchronization header system is used, followed by the message body itself. The communication system can operate with an optional message body length, using carrier frequency switching to increase immunity to interference and, in part, attenuation of the transmission path, but which always requires a system restart. The prior art solution can then be characterized by a sequence of the following steps:

1) generovaní dat - na „masteru“ jsou data generovaná v podobě datového paketu proměnné délky sestávajícího ze:1) data generation - on the master is data generated in the form of a variable-length data packet consisting of:

- synchronizační informace (preambule) nacházející se na začátku paketu, která slouží na „slávu“ k synchronizaci dat, tj. k určení počátku následujícího bloku přenášených dat,- the synchronization information (preamble) located at the beginning of the packet, which serves to 'glory' to synchronize the data, ie to determine the beginning of the next block of transmitted data,

- redundatní informace, která na „slávu“ slouží ke korekci chyb vzniklých při přenosu v bloku přenášených dat, a- redundant information that serves to 'glory' to correct transmission errors in a block of transmitted data, and

- kontrolního součtu, což je konkrétní hodnota získaná po aplikaci vhodného algoritmu na přenášená data a sloužící na verifikaci dat,- a checksum, which is a specific value obtained after applying a suitable algorithm to the data to be transmitted and used to verify the data,

- samotného bloku přenášených dat.- the block of transmitted data itself.

2) modulace a zesílení signálu - v modulátoru se datový paket vygenerovaný v kroku 1 moduluje na signál, který je v zesilovači zesílen na požadovanou výkonovou úroveň (viz např. US 6,636,117 od Echelon Corp. „Input/output buffer incorporating fiiter for powerline Communications line“).2) signal modulation and amplification - in the modulator, the data packet generated in step 1 is modulated to a signal that is amplified to the desired power level in the amplifier (see, eg, US 6,636,117 by Echelon Corp.) ").

3) vysílaní signálu - signál je vysílán do energetických rozvodů a je přiváděn na každý „slavě“, který je v dosahu „mastera“, a též případně na opakovač, který obdržený signál na základě své směrovací tabulky postoupí dál (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,485,040 „Powerline coupling network“, US 7,103,016 „Systém and method for providing transaction control on a data network“ a US 7,277,672 „Systém and method for selecting repeaters“).3) signal transmission - the signal is transmitted to the power distribution system and is fed to each "slave" that is within the "master" range, as well as to a repeater, which passes the received signal according to its routing table (see eg patents from Echelon Corp. US 5,485,040 "Powerline Coupling Network", US 7,103,016 "System and Method for Providing Transaction Control on a Data Network" and US 7,277,672 "System and Method for Selecting Repeaters").

4) příjem a zesílení signálu - na „slávu“ je přijatý signál z hlediska své úrovně napěťově řízeným operačním zesilovačem optimalizován pro další zpracování (viz např. patent od Itran Communications Ltd. US 6,766153 „Dynamic automatic gaincontrol circuit emplozing Kalman filtering“).4) signal reception and amplification - for “glory”, the received signal is optimized for further processing by its voltage-controlled op-amp (see eg patent from Itran Communications Ltd. US 6,766153 “Dynamic automatic gaincontrol circuit emplozing Kalman filtering”) .

5) demodulace signálu - na „slávu“ je signál průběžně demodulován a vygenerovaná data jsou postoupena k dalšímu zpracování.5) signal demodulation - the signal is continuously demodulated to "glory" and the generated data are forwarded for further processing.

6) odstranění informačního šumu - stanovuje se, je-li úroveň demodulovaného signálu větší než předem stanovená rozhodovací úroveň (carrier detect), čímž se z dalšího zpracování vyloučí informační šum (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,553,081 „Aparatus and method for detecting a signa) in Communications systém“ a US 95,260,974 „Adaptive carrier detection“).6) information noise removal - determined when the level of the demodulated signal is greater than a predetermined carrier detect, thereby eliminating information noise from further processing (see, e.g., patents from Echelon Corp. US 5,553,081 "Aparatus and method for detecting and signaling) and US 95,260,974 "Adaptive carrier detection").

7) synchronizace dat - podle informace obsažené v preambuli „slavě“ zjistí, zdali je konkrétní datový paket určen pro něj, tj, zda má začít zpracovávat data obsažená v paketu.7) data synchronization - according to the information contained in the preamble “slave” it determines whether a particular data packet is intended for it, ie whether to start processing the data contained in the packet.

8) korekce chyb - v datovém paketu se podle redundantní informace opravují chyby.8) error correction - errors in the data packet are corrected according to redundant information.

9) kontrola dat - na základě CRC kontrolních součtů se ověřuje pravdivost zpracovávaných dat.9) data checking - based on CRC checksum checks the veracity of processed data is verified.

10) zpracování dat - ověřená data obecně obsahují nějaký příkaz a před nebo po realizaci tohoto příkazu zpracuje „slavě“ potvrzení o příjmu dat na „master“, přičemž k tomuto potvrzení se připojí též preambule, kontrolní součet a redundantní informace.10) data processing - validated data generally contain some command and before or after executing this command it processes the slave acknowledgment of receipt of data to the master, together with preamble, checksum and redundant information.

12) vysílání potvrzení - potvrzení je vysíláno do energetických rozvodů - viz krok 3 (viz např. patent od Echelon Corp. US 7,103,016 „Systém and method for providing transaction control on a data network“),12) transmission of confirmation - the confirmation is transmitted to the power distribution system - see step 3 (see, for example, Echelon Corp. US patent 7,103,016 "System and method for providing transaction control on a data network"),

13) přijímaní potvrzení - na „masteru“ je potvrzení přijímáno (viz krok 4) a pokud „master“ toto potvrzení neobdrží nebo nebylo jeho přijetí úspěšně realizováno, opakuje se postup od kroku 1 včetně (viz též patent od Echelon Corp. US 7,103,016 „Systém and method for providing transaction control on a data network“).13) receipt of acknowledgment - acknowledgment is received on the master (see step 4) and if the master does not receive the acknowledgment or has not been successfully received, the procedure is repeated from step 1 inclusive (see also Echelon Corp. US patent 7,103,016 " System and method for providing transaction control on a data network ”).

Závažnými nevýhodami takto řešené PLC komunikace založené na známých řešeních je, že po silně rušených trasách jsou časté problémy vůbec s udržením spojení a přenos dat je velice po• · ♦ • · » «V·· ··A serious disadvantage of such a PLC communication based on known solutions is that there are often problems with maintaining the connection on heavily disturbed routes and data transmission is very high.

malý hlavně proto, že se musí mnohonásobně opakovat vysílání jedněch a těch samých dat, což je důsledkem toho, že:mainly because it is necessary to repeat the transmission of one and the same data many times, which is due to the fact that:

- způsob neumožňuje zpracovávat přijímaný signál v plném dynamickém rozsahu, tj. nelze zpracovávat signál se střídající se vysokou a nízkou amplitudou.- the method does not allow the received signal to be processed in the full dynamic range, ie it is not possible to process the signal with alternating high and low amplitude.

- v důsledku použití synchronizační sekvence, tzv. preambule, vysílané před užitnými daty a redundantní informaci, dochází k ztrátě množství přenášených datových paketů, a to nejen z důvodu výskytu náhodné chybové preambule, ale hlavně z důvodu znehodnocení preambule impulsním rušením, v důsledku čehož nedojde k synchronizaci přenášených dat.- Due to the use of the synchronization sequence, the so-called preamble transmitted before the payload and redundant information, the amount of transmitted data packets is lost, not only because of a random error preamble but mainly due to pulse interference degradation of the preamble, to synchronize the transmitted data.

- i pokud je preambule v pořádku a přenášená data jsou bez chyby, dochází často k zahození datového paketu, protože amplituda signálu je nižší, než je rozhodovací úroveň (carrier detect).- even if the preamble is correct and the transmitted data is error-free, the data packet is often dropped because the signal amplitude is lower than the carrier detect level.

- data jsou přenášena konstantní rychlostí a na konstantní frekvenci, přičemž při snížení kvality přenosové trasy dochází k rozpadu spojení.- data is transmitted at a constant rate and at a constant frequency, with the loss of quality of the transmission link, which breaks down the connection.

- dále jsou systémy navrženy tak, aby pracovaly v kolizním systému, tj. modemy naslouchají na normou definované frekvenci, jestli někdo nevysílá, a v okamžiku, kdy vyhodnotí, že nikdo nevysílá, mohou začít vysílat samy, přičemž tento systém vyžaduje definování rozhodčí úrovně signálu, pod kterou se vše považuje za šum.- furthermore, the systems are designed to operate in a collision system, ie modems listen to a standard frequency if no one is transmitting, and when they evaluate that no one is transmitting, they can start transmitting themselves, requiring the definition of an arbitrary signal level under which everything is considered noise.

- u rozsáhlejších systémů PLC v rozvodech o délce nad cca 200 až 500 metrů je třeba použít externích opakovačů.- For larger PLC systems in wiring longer than 200 to 500 meters, external repeaters are required.

- v případě použití proměnné délky přenášených datových paketů nelze stanovit časové okno, do kdy může „master“, zahajující datovou komunikaci, očekávat potvrzení od přijímacího modemu a „slavě“ nepozná příjem na straně „masteru“ v dalších přijatých datech, kde „master“ potvrzuje přijetí dat.- if variable length of transmitted data packets is used, it is not possible to set a time window until the master initiating data communication can expect confirmation from the receiving modem and "slave" does not recognize reception on the "master" side in other received data, where "master" confirms receipt of data.

- přenos vysokofrekvenčního signálu se vykonává v normou stanoveném frekvenčním pásmu 9 kHz až 125 kHz a 140 kHz až 148,5 kHz, přičemž se vysílá pomocný signál (kolizní) na frekvenci 132,5 kHz, který oznamuje ostatním zařízením na přenosové trase, že někdo zrovna vysílá a tedy musejí ostatní čekat, a který může být při silném rušení detekován systémem i omylem, tj. vlivem rušeni nedojde vůbec k navázání komunikace.- the transmission of the radio frequency signal shall be carried out in the standard frequency band of 9 kHz to 125 kHz and 140 kHz to 148,5 kHz, transmitting an auxiliary signal (collision) at a frequency of 132,5 kHz, notifying other equipment on the transmission line that it is currently transmitting and therefore others have to wait, which can be detected by the system and by mistake in case of strong interference, ie communication will not be established at all due to interference.

Obecným důsledkem výše zmíněných nedostatků je značná provozní nespolehlivost takto řešené PLC komunikace, a to hlavně v silně rušených rozvodech, zprovoznění takto koncipovaného • ·· * t » »· * · ·t · * · · · ·· • · · ·· ·· ·· systému je časově náročné, přičemž u běžně se vyskytující dynamicky proměnné přenosové trasy se toto zprovoznění musí často opakovat.The general consequence of the aforementioned shortcomings is the considerable operational unreliability of the PLC communication solved, especially in heavily disturbed distribution systems, putting such a conceived operation into operation. · ·· The system is time-consuming, and in the case of a commonly occurring dynamically variable transmission path, this commissioning must be repeated frequently.

Tak, jako nejsou ve stavu techniky žnámá komplexní řešení způsobu robustní PLC komunikace, taktéž nejsou známá ani komplexní řešení zařízení pro realizaci takovéto robustní PLC komunikace a z dostupných pramenů lze pouze vyvodit nej lepší možné řešení dle stavu techniky, založené na známých dílčích řešeních jednotlivých bloků takovéhoto zařízení, které jsou popsány v řadě patentů (viz např. patenty od Echelon Corp. US 5,828,676, US 6,636,117, US 5,553,081, US 6,636,117, US 5,485,040, US 7,103,016, US 7,277,672 a od Itran Communications Ltd. patenty US 95,260,974 nebo US 6,690,719), Všechna tato známá řešení jsou realizována diskrétními prvky, kterými jsou obecně signálové procesory a mikrokontroléry se specializovanými komunikačními jádry. Předmětné zařízení podle stavu techniky pak sestává z následujících funkčních bloků (viz obr, 1):Just as there are no known complex solutions of robust PLC communication in the state of the art, complex solutions of devices for realizing such robust PLC communication are not known, and the best possible solution according to the state of the art based on known partial solutions of individual blocks of such devices that are described in a number of patents (see, e.g., patents from Echelon Corp. US 5,828,676, US 6,636,117, US 5,553,081, US 6,636,117, US 5,485,040, US 7,103,016, US 7,277,672 and from Itran Communications Ltd. US Patents 95,260,974 or US 6,690,719) All these known solutions are implemented by discrete elements, which are generally signal processors and microcontrollers with specialized communication cores. The prior art device then consists of the following functional blocks (see Fig. 1):

1) blok BZVS zpracování vstupního signálu - zajišťuje zesílení vstupního signálu, přičemž pracuje s automatickým řízením zisku.1) Input signal processing BZVS block - provides input signal amplification while working with automatic gain control.

2) blok BD demodulátoru - zajišťuje demodulaci vstupního signálu a jeho frekvenční úpravu po přechodu přes frekvenční filtry obsažené v tomto bloku, tj. získává z modulovaného signálu binární modulační signál, přičemž se skládá ze dvou částí, a to samotného demodulátoru a obvodu pro měření úrovně snímaného signálu a vyhodnocení poměru signál/šum,2) BD demodulator block - provides demodulation of the input signal and its frequency adjustment after passing through the frequency filters contained in this block, ie obtains a binary modulation signal from the modulated signal, consisting of two parts, the demodulator itself and the level measuring circuit sensed signal and signal / noise ratio evaluation,

3) blok BS synchronizace - zajišťuje stanovení začátku přenosu dat.3) block BS synchronization - ensures determination of the beginning of data transmission.

4) blok BKC korekce chyb - zajišťuje opravu chyb vznikajících při přenosu datových paketů po energetických rozvodech a spolupodílí se na tvorbě redundantní informace u vysílaných dat,4) BKC error correction block - provides for correction of errors occurring during transmission of data packets over power distribution networks and participates in the creation of redundant information for transmitted data,

5) blok BKD kontroly dat - zajišťuje cestou výpočtu kontrolních součtů kontrolu správnosti přijatých a v bloku BKC případně upravených dat a spolupodílí se na tvorbě redundantní informace u vysílaných dat.5) data control BKD block - ensures by means of checksum calculation the correctness of received and corrected data in the BKC block and participates in the creation of redundant information for the transmitted data.

6) blok BZD zpracování dat - zajišťuje analýzu přijatých dat a podle typu těchto dat je směruje dále do různých vstupně/výstupních interních i externích zařízení.6) BZD block of data processing - provides analysis of received data and, according to the type of this data, directs it further to various input / output internal and external devices.

7) blok BPOP potvrzování/opakování přenosu - zajišťuje potvrzování příjmu dat přijatých od jiného modemu a současně hlídá příjem potvrzení o přijetí přenosu od dalšího modemu, přičemž pokud takové potvrzení ve stanovené časové lhůtě neobdrží, dá příkaz vysílači k opakování přenosu.7) BPOP acknowledgment / retransmission block - ensures acknowledgment of data received from another modem and at the same time monitors receipt of acknowledgment of transmission from another modem.

• · · ···· ·««* • · ···*«·· • ·· ······,· • · · · > > ·«* ·**· *· ,«< ·· ··· · «« «« ««,,,,,,,,>>,,>>>>> ** **> ** ** · ··

8) blok BV vysilače - zajišťuje vysílaní dat přijatých z externího bloku vstupu dat, nebo z externí záznamové/zobrazovací jednotky, a současně zasílá informaci o odeslaném přenosu do bloku BPOP.8) BV transmitter block - provides transmission of data received from an external data input block or from an external recording / display unit, and at the same time sends information about the transmitted transmission to the BPOP block.

9) blok BM modulátoru - zajišťující modulaci vysílaného přenosu se skládá ze dvou částí, a to numerického oscilátoru s diferenciálním kodérem a filtru modulovaného signálu, jelikož modulovaný signál je zdrojem nekonečného spektra harmonických modulačních signálů s postupně klesající amplitudou, které je třeba odstranit filtrací.9) block of BM modulator - providing modulation of transmitted transmission consists of two parts, namely a numeric oscillator with a differential encoder and a modulated signal filter, since the modulated signal is a source of an infinite spectrum of harmonic modulation signals with gradually decreasing amplitude, which must be removed by filtration.

10) blok BVZ výstupního zesilovače - zajišťuje zesílení vysílaného signálu na úroveň amplitudy vhodnou pro zajištěni co nejkvalitnějšího přenosu po energetických rozvodech.10) output amplifier BVZ - provides amplification of the transmitted signal to the amplitude level suitable for ensuring the best possible transmission over the power distribution.

Podstatné nevýhody takto koncipovaných řešení lze shrnout do následujícího:The main disadvantages of such solutions can be summarized as follows:

- zařízení může bez přerušení provozu pracovat pouze na jedné konstantní, byť sebevíce rušené, frekvenci a data mohou být odesílána pouze jednou rychlostí.- the device can only operate at one constant, albeit disturbed, frequency and data at one rate without interruption of operation.

- nízký výpočetní výkon použitých diskrétních prvků umožňuje implementovat pouze málo výkonné samoopravovaci postupy, které jsou schopny opravit pouze malou část chyb vzniklých při přenosu datových paketů.- the low computational power of the discrete elements used makes it possible to implement only low-performance self-correction procedures that are able to correct only a small part of the errors arising from data packet transmission.

- nízký výpočetní výkon při zpracování dat představuje omezení ve směrování dat do různých vstupně/výstupních zařízení.- The low processing power of data represents a limitation in routing data to various I / O devices.

- nízký výpočetní výkon vysílače představuje omezení ve vysílání dat z externího bloku vstupu dat nebo z extemí záznamové/zobrazovací jednotky.- the low processing power of the transmitter represents a limitation in the transmission of data from an external data input block or from the recording / display unit extems.

- zařízení postrádá diagnostické prvky, a to nejen co se týče diagnostiky kvality a stavu jednotlivých komunikačních modemů, ale také kvality přenosové trasy.- the device lacks diagnostic elements, not only in terms of diagnosing the quality and condition of individual communication modems, but also the quality of the transmission path.

- vstupní regulační zesilovače s automaticky řízeným ziskem (AGC) mají obecně pomalou odezvu na skokové změny úrovně signálu, tj. nejsou schopny optimálně přizpůsobit signál se střídající se vysokou a nízkou amplitudou pro další zpracování, a v důsledku toho dcmodulátor není schopen zpracovávat modulovaná data.the automatic gain control input amplifiers (AGCs) generally have a slow response to step changes in the signal level, i.e., they are unable to optimally adapt the signal with alternating high and low amplitudes for further processing, and as a result the modulator is unable to process modulated data.

- zařízení neobsahují jako svoji integrální součást opakovač, který umožňuje „slávu“ obdržená, ale jemu nenáležící data přeposlat na další členy dané komunikační sítě.- the devices do not contain as an integral part a repeater, which allows the "glory" received but not belonging to it to forward to other members of the given communication network.

Z výše uvedeného je zjevná aktuální potřeba nového řešení způsobu a zařízení pro PLC komunikaci po silně rušených trasách, které by poskytlo stabilnější spojení a rychlejší přenos dat.From the above, there is an apparent need for a new method and apparatus for PLC communication over heavily disturbed routes that would provide a more stable connection and faster data transfer.

♦··· 4** ··· 4 *

4 4 t Μt • · · «44« •4 4 4 · 44« ·*Φ 4 4 44 ·»· ·· 4«444 4 t Μt · · «44 44 • 4 4 · 44 · 4 44 44» 4 44 44

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Nedostatky způsobu PLC komunikace podle stavu techniky v podstatné míře odstraňuje způsob podle nároku 1 a nedostatky zařízení pro PLC komunikaci podle stavu techniky v podstatné míře odstraňuje zařízení podle nároku 7. Výhodné varianty řešení jsou obsahem vedlejších nároků.The drawbacks of the prior art PLC communication method are substantially eliminated by the method of claim 1 and the drawbacks of the prior art PLC communication devices substantially eliminate the device of claim 7. Advantageous variants of the solution are contained in the subclaims.

Způsob PLC komunikace podle předloženého vynálezu zahrnuje známé kroky generování dat, modulace a zesílení signálu, vysílání signálu, zesílení signálu, demodulace signálu, korekce chyb, kontroly dat, vysílání potvrzení a přijímání potvrzení, přičemž od známých způsobů se odlišuje tím, že datové pakety jsou generovány s konstantní délkou volitelnou v rozsahu od 8 B do 256 B a obsahují pouze data a redundantní informace pro korekci chyb a kontrolu dat, tj. neobsahují žádnou synchronizační preambuli, ani žádné start a stop bity, které se ve známých způsobech přenosu dat běžně používají. Odstraňuje se tím jeden z hlavních důvodů ztráty datových paketů u známých řešení.The PLC communication method of the present invention comprises the known steps of generating data, modulating and amplifying a signal, transmitting a signal, amplifying a signal, signal demodulation, error correction, data checking, transmitting acknowledgments and receiving acknowledgments, differing from known methods in that data packets are generated with a constant length selectable from 8 B to 256 B and contain only data and redundant error correction and data control information, ie no synchronization preamble, no start and stop bits commonly used in known data transfer methods . This eliminates one of the main reasons for data packet loss in known solutions.

Dále se krok korekce chyb vykonává na přijímači periodicky v časovém intervalu, který je roven nebo menší, než časový interval potřebný na přenos jednoho bitu přenášených dat, tj. aspoň jeden cyklus korekce chyb se vykoná po dobu přenosu každého jednoho bitu. Tím je podstatně zvýšena odolnost systému vůči impulsnímu rušení. Důležité je též, že korekce chyb se provádí s účinností nejméně 5 % opravených chyb najeden datový paket.Further, the error correction step is performed on the receiver periodically at a time interval equal to or less than the time interval required to transmit one bit of transmitted data, i.e. at least one error correction cycle is performed for each one bit transmission time. This significantly increases the immunity of the system to pulse disturbances. It is also important that error correction is performed with an efficiency of at least 5% of corrected errors per data packet.

Významný přínos pro zvýšení kvality přenosu představuje kontrola datových paketů vykonávaná s kontrolním součtem na polynomu minimálně 8 řádu, tj. minimální délka součtu je 8 b a přínosem je též to, že selekce dat se provádí zpracováním všech obdržených datových paketů, a to bez ohledu jak na velikost amplitudy modulovaného signálu, tak na příslušnost ke konkrétnímu přijímači - „slávu“. Přijímaná data jsou cyklicky střádaná ve vyrovnávací paměti, jejíž délka je rovna délce přenášeného datového paketu. Vždy po posunutí dat o jednu bitovou délku je provedena korekce chyb celého datového řetězce příslušnou metodou, např. Reed-Solomon korektorem chyb. Následně se provádí výpočet robustního kontrolního součtu, např. CRC24, a jeho porovnání s přenášeným obrazem vytvořeným ve výstupní části vysílajícího PLC modemu. V případě kladných výsledků obou předcházejících operací je analyzovaný datový paket označen za pravdivý a postoupen k dalšímu zpracování, např. mikrokontrolérem. Jestli výsledky nejsou shodné, provede se ve vyrovnávací paměti posunutí dat o bitovou délku a celý proces analýzy se opakuje.A significant benefit for improving the quality of transmission is the control of data packets performed with a checksum on a polynomial of at least 8 orders, ie the minimum length of the sum is 8 b and the benefit is that data selection is performed by processing all received data packets, regardless the magnitude of the amplitude of the modulated signal, as well as the belonging to a particular receiver - "glory". The received data is cyclically stored in a buffer whose length is equal to the length of the transmitted data packet. Each time the data is shifted by one bit length, error correction of the entire data string is performed by the appropriate method, eg Reed-Solomon error corrector. Subsequently, a robust checksum, such as CRC24, is calculated and compared with the transmitted image generated in the output portion of the transmitting PLC modem. In case of positive results of both previous operations, the analyzed data packet is marked as true and forwarded for further processing, eg by a microcontroller. If the results are not the same, the data is shifted in the buffer by a bit length and the analysis process is repeated.

φ ·φ ·

Φ Φ 1«Φ Φ 1 «

φφ φφ φφ φφ φ φ φ φ φ φφ φφφ φ φ φ φ φ φ φ φφ φφ

Výhodně jsou datové pakety po kroku modulování vysílány do energetických rozvodů s amplitudou rovnou minimálně 0,7 násobku nejvyšší přípustné amplitudy modulovaného signálu, která je definována platnými technickými normami. Ještě výhodněji jsou vysílány do rozvodů aspoň na jedné frekvenci a jednou rychlostí, přičemž za provozu se hodnoty frekvence a/nebo rychlosti mění v závislosti na míře rušení na přenosové trase v dané oblasti frekvenčního spektra. Např. pokud „master“ nedokáže udržet spojení se „slavem“ na jedné frekvenci a rychlosti, změní se v jednom nebo několika krocích frekvence a/nebo rychlost vysílání, a to směrem dolů k nižším hodnotám frekvence a/nebo rychlosti, až pokud se neustanoví stabilní spojení. V případě déle trvajícího stabilního spojení se může periodicky opět v jednotlivých krocích postupně zvyšovat hodnota frekvence a/nebo rychlosti až po dosažení maximálních hodnot frekvence a/nebo rychlosti stabilního spojení pro dané podmínky.Preferably, the data packets are transmitted to the power distribution system with an amplitude equal to at least 0.7 times the highest permissible amplitude of the modulated signal defined by the applicable technical standards after the modulation step. Even more preferably, they are transmitted to the wiring at least one frequency and one rate, wherein in operation the frequency and / or rate values vary depending on the amount of interference on the transmission path in a given region of the spectrum. E.g. if the master cannot maintain the slave connection at one frequency and speed, the frequency and / or transmission speed will change in one or more steps down to lower frequency and / or speed values until a stable connection is established . In the case of a longer-lasting stable connection, the frequency and / or speed values may be increased step by step periodically again in individual steps until the maximum frequency and / or the speed of the stable connection is reached for the given conditions.

Provozní charakteristiky digitálních filtrů při modulaci a demodulaci jsou přitom za provozu nastavovány u „slávu“ řídícím signálem vysílaným „masterem“. Použité digitální filtry, umožňuji postavit vysoce selektivní pásmové propusti, které jsou součástí jak výstupního, tak vstupního obvodu PLC modemu. Cílem je dosáhnout úzkopásmový přenos signálu s maximálním výkonem a s možností frekvenčního přeladění, které lze provádět okamžitě a za plného provozu tím, že aplikační firmware pozmění numerické parametry digitálních filtrů (jednotlivé koeficienty matematických rovnic, podle nichž probíhá výpočet „filtrování“ signálu) a tím je přeladí do jiného frekvenčního pásma a/nebo numericky přeladí hodinový oscilátor, který je součástí bloku modulátoru, na požadovanou frekvenci. Případná změna přenosové rychlosti se provede jednoduše změnou rychlosti posuvu sériových dat v modemu. Takovýto způsob přenosu eliminuje širokopásmový šum pouze na šum v pásmu propustnosti. Velký výkon soustředěný do úzkého svazku je energeticky méně náročný než širokopásmový a velmi nízká impedance v propustném pásmu pak účinně potlačuje šum.The operating characteristics of the digital filters during modulation and demodulation are set during operation in the "glory" by the control signal transmitted by the "master". Used digital filters allow to build highly selective bandpass filters, which are part of both output and input circuit of PLC modem. The goal is to achieve narrow bandwidth transmission with maximum power and frequency tuning capability that can be performed immediately and in full operation by modifying the application parameters of the digital filters (individual coefficients of the mathematical equations used to calculate the "filtering" of the signal) retune to another frequency band and / or numerically retune the clock oscillator that is part of the modulator block to the desired frequency. Any change in bit rate is made simply by changing the data rate of the serial data in the modem. Such a transmission method eliminates broadband noise only to noise in the bandwidth. The high power concentrated in a narrow beam is less energy-intensive than broadband and the very low pass band impedance effectively suppresses noise.

Dále je výhodné, když je v kroku přijímání signál zesilován s konstantním ziskem a poté je demodulován, přičemž tato demodulace se provádí pro celý rozsah amplitud zesíleného signálu, tj. v extrémním případu se data hledají i v šumu na energetickém rozvodu. Je nutno zpracovat signál s velmi malou amplitudou, ale i signál s maximální amplitudou a hlavně signál s nej menším odstupem od šumu. To se dosahuje použitím fázové modulace D-BPSK, která poskytuje nejnižší odstup signál-šum pro zpracování přijatého signálu a jelikož se používá diferenciální metoda, u které se změna fáze modulovaného signálu provádí jen při změně modulačního signálu, není nutno v přijímači regenerovat nosnou vlnu. Demodulace rovněž není závislá na amplitudě « 4It is further preferred that in the receiving step the signal is amplified with a constant gain and then demodulated, this demodulation being performed for the entire amplitude range of the amplified signal, i.e. in the extreme case the data is also sought for noise on the power distribution. It is necessary to process a signal with a very low amplitude, but also a signal with a maximum amplitude and especially a signal with the lowest distance from noise. This is achieved by using D-BPSK phase modulation, which provides the lowest signal-to-noise ratio for processing the received signal, and since a differential method is used in which the phase modulation of the modulated signal is performed only when the modulation signal is changed. Demodulation is also not dependent on amplitude «4

4 4 4 φ 44 • 44 4 4444 4 4 φ 44 • 44 4 444

4 φ · I |· ^a *« 4 4 44444 ···· 44 444 ·· ··· vstupního signálu, která se výrazně mění během přenosu vlivem změn impedance přenosové trasy (zapnutí - vypnutí motoru ap.).4 φ · I | · ^a * «4 4 44 444 44 444 ···· ·· ··· input signal, which changes significantly during transmission due to changes in the impedance of the transmission path (turn on - turn off the engine, etc.).

V praxi vstupní obvody PLC modemu neustále měří napětí na připojené přenosové trase, ať už tam datový paket je, nebo není. Vlivem vstupní pásmové frekvenční propusti se provádí měření např. jen v pásmu od 60 kHz do 120 kHz, a to např. 12bitovým AD převodníkem se vzorkovací frekvencí minimálně 500 kHz. Takto zpracovaný signál jejíž v digitální podobě postoupen přes selektivní úzkopásmový digitální filtr, který je naladěn přesně na frekvenci nosné vlny vysokofrekvenčního signálu, do kroku demodulace. Zde fázová změna v přenosovém kanálu vyvolá událost, jenž se projeví změnou logické hodnoty. Ta se přenese do (např. 30 B) posuvného registru (má přesně délku datového paketu) s paralelním výstupem. Při vysílání je v konečné fázi digitálního zpracování dat kódován vysílaný paket v obvodu korekce chyb a po modulování je vyslán ven na přenosovou trasu.In practice, the input circuits of the PLC modem constantly measure the voltage on the connected transmission path, whether or not there is a data packet. Due to the input band-pass filter, measurements are performed, for example, only in the band from 60 kHz to 120 kHz, for example by a 12-bit AD converter with a sampling frequency of at least 500 kHz. The signal thus processed, which in digital form is passed through a selective narrowband digital filter which is tuned precisely to the carrier frequency of the radio frequency signal, to the demodulation step. Here, the phase change in the transmission channel triggers an event that results in a change in the logical value. This is transferred to (eg 30 B) a shift register (having exactly the length of the data packet) with parallel output. During transmission, in the final phase of digital data processing, the transmitted packet is encoded in the error correction circuit and, after modulation, is sent out onto the transmission path.

Z hlediska urychlení přenosu u PLC komunikace je výhodné paralelně s vysíláním signálu, nebo bezprostředně po jeho vyslání, provádět výpočet časového okna, tj. časového intervalu, ve kterém se má čekat na příjem potvrzení o přijeti datového paketu od „slávu“. Pokud je přenos dat nepříznivě ovlivněn momentálním silným rušením, dojde po uplynutí tohoto časového okna automaticky k opakování vysílání. „Slavě“ modem pozná příjem na straně „masteru“ v dalších přijatých datech, kde „master“ potvrzuje, že předcházející data obdržel. Tento způsob umožňuje přenos dat s prakticky 100% úspěšností.From the viewpoint of speeding up transmission in PLC communication, it is advantageous to perform the calculation of the time window, ie the time interval in which the acknowledgment of receipt of the data packet from the "glory" is to be received, in parallel with the transmission of the signal. If data transmission is adversely affected by momentary strong interference, retransmission occurs automatically after this time window. The "slave" modem recognizes reception on the "master" side in other received data, where the "master" confirms that it has received the previous data. This method enables data transfer with virtually 100% success rate.

V předloženém řešení je funkce opakování signálu u „slavě“ modemu výhodně modifikována a využita na prodloužení dosahu u navrženého způsobu PLC komunikace. Dosaženo je to tím, že „slavě“ modem, který stejně přijímá všechny datové pakety z přenosové trasy, opakuje nejen svá nepotvrzená vysílání, ale opakuje také všechna přijatá data, která obdržel od „masteru“, případně vedlejšího „slávu“, a nepřináleží jemu. Opakování přenosu přijatých dat se provádí tak, že se ve „slavě“ modemu, vybaveném touto funkcí, pozměňují předem definovaným způsobem adresy přijatých datových paketů a takto upravené pakety se vysílají dále do rozvodů, a to s maximálním výkonem. Chování přenosové trasy může být velmi dynamické, často se nepříznivé podmínky změní na příznivé a může dojít k situaci, kdy přijímající „slavě“ najednou dostane zprávu od „mastera“ a následně tu samou, ale trochu časově zpožděnou, od opakujícího kolegy, což by mohlo způsobit kolizi. Proto přijímající „slavě“ nekomunikuje přímo s „masterem“ (jehož zprávu ignoruje), ale pouze s kolegou, který zprávu od „mastera“ upravil a zesílil.In the present solution, the signal repeat function of the "slave" modem is preferably modified and used to extend the range of the proposed PLC communication method. This is because the "slave" modem, which receives all data packets from the transmission path anyway, repeats not only its unconfirmed broadcasts, but also repeats all data received from the "master" or the "glory" and does not belong to it. . The retransmission of received data is carried out by changing the addresses of received data packets in a "slave" modem equipped with this function in a predefined manner and transmitting the packets thus treated further to the distribution lines, with maximum power. Behavior of the transmission path can be very dynamic, often unfavorable conditions turn favorable and there may be a situation where the receiving "slave" suddenly receives a message from the "master" and then the same, but somewhat delayed, recurring colleague, which could cause a collision. Therefore, the receiving "slave" does not communicate directly with the "master" (whose message is ignored), but only with a colleague who edited and amplified the message from the "master".

• · φ * ♦ * • · * ♦ »· • · · · ♦ * · • · · ♦ · ·• * • • · · · · · · · ·

Zařízení pro PLC komunikaci sestává z bloku BZVS zpracování vstupního signálu, bloku BD demodulátoru, bloku BKC korekce chyb, bloku BKD kontroly dat, bloku BZD zpracování dat, bloku BPOP potvrzování/opakování přenosu, bloku BV vysílače, bloku BM modulátoru a bloku BVZ výstupního zesilovače, tj. oproti známým řešením (viz obr. 1) neobsahuje blok BS synchronizace, což je logické, protože přenášené datové pakety neobsahují synchronizační preambuli. Přitom alespoň bloky BKC korekce chyb, BKD kontroly dat a BZD zpracování dat jsou realizovány jako softwarově vygenerované (buď při výrobě nebo před aplikaci) hardwarové logické bloky v alespoň jednom hradlovém poli, což je elektronická součástka, která disponuje velkým výpočetním výkonem i velkou odolností vůči vnějšímu rušení. Proto jsou výsledné změny funkce modemu prováděné přeprogramováním, tj. např. změnou uspořádaní samotného hradlového pole, nebo aplikačního firmwaru, takže i digitální filtry jsou v důsledku toho schopny za provozu měnit své parametry, což umožňuje v provozu bez problémů měnit jak přenosovou frekvenci modemu, tak rychlost vysílání/prijímání dat. Dále je z hlediska výrobních nákladů a provozní spolehlivosti výhodné, když alespoň bloky BM modulátoru, BD demodulátoru, BKC korekce chyb, BKD kontroly dat, BZD zpracování dat, BPOP potvrzování/opakování vysíláni a BV vysílače jsou realizovány na bázi jednoho programovatelného hradlového pole.The PLC communication equipment consists of the input signal processing block BZVS, the demodulator block BD, the error correction BKC block, the data control BKD block, the data processing BZD block, the BPOP acknowledgment / retransmission block, the BV transmitter block, BM modulator block and BVZ output amplifier block i.e., in contrast to known solutions (see FIG. 1), it does not contain a synchronization block BS, which is logical since the transmitted data packets do not contain a synchronization preamble. At the same time, at least BKC error correction, BKD data control and BZD data processing blocks are implemented as software-generated (either at production or prior to application) hardware logic blocks in at least one gate array, an electronic component that has high processing power and high resistance to external interference. Therefore, the resulting changes in modem function are made by reprogramming, ie, by re-arranging the gate array itself or the application firmware, so that even digital filters are able to change their parameters during operation, allowing to change both the modem's transmission rate without problems, so the speed of data transmission / reception. Further, in terms of manufacturing cost and operational reliability, at least the blocks of the BM modulator, the BD demodulator, the BKC error correction, the BKD data control, the BZD data processing, the BPOP acknowledgment / retransmission and the BV transmitters are realized on a single programmable gate array.

Důležité je, že propojení mezi blokem BKC korekce chyb a blokem BKD kontroly dat je realizováno datovou sběrnicí o šířce minimálně 4 bitů s minimální datovou propustností 10⁶ b/s, přičemž výpočetní výkon každého z těchto bloků je minimálně 10 operací za sekundu. Blok BKD kontroly dat je tvořen souborem paralelních elementárních aritmetických jednotek, jelikož z důvodu požadavku velmi rychlého výpočtu, kratšího než je bitová délka, je nutno použit paralelní metodu výpočtu. Z hlediska dosažení požadované robustnosti a rychlosti přenosu dat je také důležité, že součásti bloku BKC korekce chyb je kruhová vyrovnávací paměť FIFO o velikosti minimálně jednoho datového paketu, která má vstupní sběrnici sériovou a výstupní sběrnici paralelní.Importantly, the connection between the error correction BKC block and the data control BKD block is realized by a data bus of at least 4 bits wide with a minimum data throughput of 10 ⁶ bps, with a processing power of each of these blocks of at least 10 operations per second. The data control BKD block consists of a set of parallel elementary arithmetic units because, because of the requirement for a very fast calculation that is shorter than the bit length, a parallel calculation method must be used. In order to achieve the required robustness and data transfer rate, it is also important that the error correction block BKC is a circular FIFO buffer of at least one data packet size that has a serial input bus and an output bus parallel.

Výhodně blok BZVS zpracování vstupního signálu obsahuje zesilovač s konstantním ziskem zesilující přijímaný signál a ještě výhodněji zařízení pro PLC komunikaci obsahuje také blok BDK diagnostiky kvality přenosové trasy a stavů vlastního zařízení. Jelikož je řešeni zaměřeno na PLC přenos dat po velmi rušeném médiu, je taková funkční diagnostika pro správné rozmístění a údržbu PLC sítě zapotřebí. Rozumí se tím to, že přenášená data v sobě obsahují informace o stavu jednotlivých modemů a také o změřené úrovni (amplitudě) signálu a intenzitě rušení (amplituda šumu) v době přijmu a zpracování datového rámce v místě připojeni modemu k pře-Preferably, the input signal processing BZVS block comprises a constant gain amplifier amplifying the received signal, and even more preferably the PLC communication device also comprises a BDK block of path quality and own state diagnostics. Since the solution is focused on PLC data transmission over a very disturbed medium, such functional diagnostics is necessary for proper placement and maintenance of the PLC network. This means that the transmitted data contains information about the status of individual modems as well as the measured signal level (amplitude) and interference intensity (noise amplitude) at the time of receiving and processing the data frame at the point of connection of the modem to the modem.

« •φ *« •φ φ · φ φ ♦ φ ·♦ nosové trase. Tyto diagnostické údaje slouží k rychlé identifikaci možné závady, nebo nestability ve spolehlivosti spojení. Protože přenášená data obsahují i časový údaj, lze velmi přesně analyzovat problém na trase a provést patřičná opatření pro jeho odstranění, případně provést optimalizaci PLC sítě.• ♦ «« φ φ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ové ♦ trase ové trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase trase These diagnostic data are used to quickly identify a possible fault or instability in the reliability of the connection. Since the transmitted data also contains a time stamp, it is possible to analyze the problem on the route very precisely and to take appropriate measures for its elimination or to optimize the PLC network.

V některých případech je situace na přenosové trase velmi nepříznivá pro přenos vysokofrekvenčního signálu, neboť trasa je velmi zatížená impedančně. Skutečný dosah užitečného signálu je nízký (cca několik stovek metrů). Obecně se ve známých řešeních používají k prodloužení dosahu signálu samostatné opakovače signálu, které jsou situovány na vhodných místech přenosové trasy. K. překonání takového stavuje výhodnějším řešením opatřit některé (nebo i všechny) „slavě“ modemy na trase blokem BO opakovače signálu.In some cases, the situation on the transmission path is very unfavorable for the transmission of the high-frequency signal, as the path is very loaded with impedance. The effective range of the useful signal is low (about a few hundred meters). Generally, in known solutions, separate signal repeaters are used to extend the signal range, which are situated at suitable locations on the transmission path. To overcome such a state, it is a more advantageous solution to provide some (or even all) "slave" modems along the path of a BO repeater block.

Obecně lze konstatovat, že při aplikaci předloženého řešení se dosahuje zásadní zlepšení PLC komunikace díky novým kvalitativním charakteristikám přenášených dat a také kvalitnějšímu zpracování dat především v přijímací části zařízení - modemu. Při správné aplikaci předloženého způsobu a zařízení se dosahuje prakticky 100% přenosová spolehlivost, přičemž dosah komunikace je asi o rád větší než u známých řešení a s využitím originální sítě modemůopakovačů je možně pokrýt jakkoli velkou oblast. Pro praxi je též významné, že předložené řešení umožňuje rychlou identifikaci poruchy na přenosové trase a je snadno implementovatelné do různých zařízení.Generally, it can be stated that the application of the presented solution achieves a significant improvement of PLC communication due to new qualitative characteristics of transmitted data and also better data processing, especially in the receiving part of the device - modem. With the correct application of the present method and apparatus, virtually 100% transmission reliability is achieved, while the range of communication is about like that of the known solutions and using any original network of modem repeaters it is possible to cover any large area. It is also important for the practice that the present solution allows for rapid identification of a fault on the transmission path and is easy to implement in various devices.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Podstata řešeni bude blíže objasněna na příkladech jeho provedení, které jsou zde uvedeny pouze pro ilustrativní účely a nijak neomezují rozsah ochrany definovaný v patentových nárocích. Příklady provedení jsou vyobrazeny na připojených výkresech, kde je na: obr. 1 - blokové schéma PLC modemu podle dosavadního stavu techniky.The principles of the present invention will be elucidated in more detail by way of examples, which are provided for illustrative purposes only and do not limit the scope of protection defined in the claims. Fig. 1 is a block diagram of a PLC modem according to the prior art.

obr. 2 - blokové schéma PLC modemu podle první varianty předloženého řešení.Fig. 2 is a block diagram of a PLC modem according to the first variant of the present solution.

obr. 3 - blokové schéma PLC modemu podle druhé varianty předloženého řešení, obr. 4 - blokové schéma PLC modemu podle třetí varianty předloženého řešení.Fig. 3 is a block diagram of a PLC modem according to the second variant of the present solution. Fig. 4 is a block diagram of a PLC modem according to the third variant of the present solution.

obr. 5 - blokové schéma PLC modemu podle čtvrté varianty předloženého řešení.Fig. 5 - block diagram of a PLC modem according to the fourth variant of the present solution.

♦ · · * * · β · • ♦ · * · ·« · ·«· · · * • · · * · β · ··· V* »·♦ · β β * * * * * * * V V V V V V V V V

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad 1Example 1

Zařízení pro PLC komunikaci podle obr. 2 sestává z bloku BZVS zpracování vstupního signálu, bloku BD demodulátoru, bloku BKC korekce chyb, bloku BKD kontroly dat, bloku BZD zpracování dat, bloku BPOP potvrzování/opakování přenosu, bloku BV vysílače, bloku BM modulátoru a bloku BVZ výstupního zesilovače. Bloky BZVS, BM a BD jsou vyhotoveny jako logické obvody v integrovaném obvodu ST7540 od fy ST Microelectronics, Bloky BKC, BKD. BZD, BV a BPQP jsou vytvořeny jako softwarově vygenerované logické obvody v hradlovém poli FPGA typ XC3S200 od fy Xilinx.The PLC communication device of Fig. 2 consists of an input signal processing block, a BD demodulator block, an error correction BKC block, a data control BKD block, a data processing BZD block, a BPOP acknowledgment / retransmission block, a BV transmitter block, a BM modulator block and a BVZ output amplifier block. The BZVS, BM and BD blocks are designed as logic circuits in the ST7540 integrated circuit from ST Microelectronics, BKC, BKD. BZD, BV and BPQP are created as software generated logic circuits in FPGA type XC3S200 by Xilinx.

Způsob PLC komunikace s uvedeným zařízením sestává z kroků:The way of PLC communication with the mentioned device consists of the steps:

- generovaní dat v podobě datových paketů konstantní délky 32 B, které obsahují přenášená data a redundantní informace v podobě 2 B pro kontrolní součet a 4 B pro data potřebná pro korekci chyb na straně přijímače.- generating data in the form of 32 B constant-length data packets containing the transmitted data and redundant information in the form of 2 B for the checksum and 4 B for the data necessary for error correction on the receiver side.

- modulace signálu použitím FSK frekvenční modulace, frekvence 110 kHz, rychlost 2 400 b/s.- signal modulation using FSK frequency modulation, frequency 110 kHz, speed 2400 bps.

- zesílení signálu na úroveň 8 V,- signal amplification to 8 V,

- vysílaní signálu přes galvanicky oddělenou vazbu (neznázoměnou) do nízkonapěťového obvodu 230 V.- sending a signal through a galvanically isolated coupling (not shown) to a low voltage 230 V circuit.

- zpracování vstupního signálu obvodem ST7540 od fy ST Microelectronics zahrnuje jeho konstantní zesíleni, které zesílí amplitudu přijímaného signálu tak, aby při minimální velikosti lmV byl ještě následně zpracován demodulátorem. Nastavení zisku zesilovače je 10. Obvod ST7540 rovněž demoduluje signál s použitím FSK frekvenční demodulace.- processing of the input signal by ST Microelectronics's ST7540 circuit includes its constant gain, which amplifies the amplitude of the received signal so that it is subsequently processed by the demodulator at a minimum lmV size. The amplifier gain setting is 10. The ST7540 circuit also demodulates the signal using FSK frequency demodulation.

- všechna data získaná demodulací signálu, a to bez ohledu na příslušnost ke konkrétnímu zařízeni, jsou zpracovávána, přičemž:- all data obtained by signal demodulation, irrespective of belonging to a particular device, is processed, where:

- krok korekce chyb je vykonáván algoritmem Reed-Solomon periodicky v časovém intervalu 0,2 ms a s účinností nejméně 7 %, tj. 2 až 16 opravených bitů v rámci dvou elementárních symbolů Reed-Solomon algoritmu na jeden přenášený datový paket (2 B opravených chyb najeden datový paket),- the error correction step is performed by the Reed-Solomon algorithm periodically at a time interval of 0.2 ms and with an efficiency of at least 7%, ie 2 to 16 corrected bits within two Reed-Solomon algorithm element symbols per transmitted data packet (2 B corrected errors) per data packet)

- krok kontroly dat je vykonáván s kontrolním součtem realizovaným na polynomu 16 řádu ve tvaru x¹⁵ + x¹³ + 1.- the data checking step is performed with a checksum implemented on a polynomial 16 of order in the form x ¹⁵ + x ¹³ + 1.

- po kladném výsledku kontroly dat následuje krok zpracováni dat, ve kterém jsou zpracovávána všechna data bez ohledu na velikost amplitudy modulovaného signálu a který je realizován- the positive result of the data control is followed by a data processing step in which all data is processed regardless of the amplitude of the modulated signal and which is implemented

MicroBlaze embeded procesorem fy Xilinx, přičemž ve výsledku se takto získaná data dělí na data určená k uložení do paměti dat, data určená ke zpracování na vstupně/výstupních zařízeních, data přikazující opakování přenosu dat a data přikazující odeslání potvrzení o přijetí dat.MicroBlaze embeded by Xilinx processor, resulting in the data being divided into data to be stored in memory, data to be processed on the I / O devices, data retransmitting data, and data returning the acknowledgment of receipt.

• * · • * · 4· 4 4 4 4 • • • • • · • · 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 • 4 • 4 • 4 · • 4 · 4 4 4 4 4 4 • 4 • 4 • • • • 4 4 • · · • · · 4 4 4 4 4 4 • • 4 4 4 4 4 4 14*4 14 * 4 444 44 444 44 4« 4 « 4« 4 «

Příklad 2Example 2

Zařízení pro PLC komunikaci podle přikladu 1 a obr. 3, odlišující se tím, že obsahuje blok BO opakovače, který se nachází v hradlovém poli FPGA typ XC3S200 a je realizován MicroBlaze embeded procesorem fy Xilinx, který je vnitřně propojen s blokem BKC korekce chyb a blokem BKD kontroly dat. Blok BO opakovače přijatý datový paket, který ale danému zařízení nenáleží, upraví tak, že předem definovaným způsobem pozmění adresní část paketu, ale ostatní data v paketu nechá nezměněna. Takto upravený datový paket je vyslán do bloku BKD kontroly dat, kde se provede výpočet kontrolního součtu ze změněného datového paketu a připojí se k části přenášející informaci pro následnou kontrolu dat. V bloku BKC korekce chyb je doplněná redundantní informace z Reed-Solomon korektoru chyb a pak je po modulaci a zesílení na 8 V datový paket odeslán do sítě.PLC communication device according to Example 1 and Fig. 3, characterized in that it comprises a BO repeater block, which is located in the FPGA type XC3S200 and is implemented by MicroBlaze embeded by Xilinx processor, which is internally connected to the BKC error correction block and BKD data control block. The repeater BO blocks the received data packet, which does not belong to the device, but modifies the address portion of the packet in a predefined manner, but leaves the other data in the packet unchanged. The thus modified data packet is sent to the data control BKD block, where a checksum calculation from the changed data packet is performed and connected to the information carrying part for subsequent data checking. In the BKC error correction block, redundant information from the Reed-Solomon error corrector is added and then sent to the network after modulation and amplification to an 8 V data packet.

Příklad 3Example 3

Zařízení pro PLC komunikaci podle obr. 4 sestává z bloku BZVS zpracování vstupního signálu, bloku BD demodulátoru, bloku BKC korekce chyb, bloku BKD kontroly dat, bloku BZD zpracování dat, bloku BPOP potvrzováni/opakování přenosu, bloku BO, bloku BV vysilače, bloku BM modulátoru a bloku BVZ výstupního zesilovače. Bloky BM, BD, BKC, BKD, BPQP, BO, BV a BZD jsou vyhotoveny jako logické obvody softwarově vygenerované v hradlovém poli FPGA typ EP3C5 od fy Altera.The PLC communication device of Fig. 4 consists of an input signal processing block, a BD demodulator block, an error correction BKC block, a data control BKD block, a data processing BZD block, a BPOP acknowledgment / retransmission block, a BO block, a transmitter block BV, a block. BM modulator and BVZ output amplifier block. The blocks BM, BD, BKC, BKD, BPQP, BO, BV and BZD are designed as logic circuits software generated in FPGA type EP3C5 by Altera.

PLC komunikace s uvedeným zařízením sestává z kroků:PLC communication with the device consists of the following steps:

- generovaní dat v podobě datových paketů konstantní délky 38 B, které obsahují přenášená data a redundantní informace v podobě 3 B pro kontrolní součet a 4 B pro data potřebná pro korekci chyb na straně přijímače.generating data in the form of 38 B constant packet data packets containing transmitted data and redundant information in the form of 3 B for the checksum and 4 B for the data needed to correct errors on the receiver side.

·· · · 1 · ♦’ · • · · · · ««1 · ♦ 1 «« ««

- modulace signálu použitím DBPSK frekvenční modulace, frekvence 90 kHz, 105 kHz, a 120 kHz, rychlost 10 kb/s a 2,5 kb/s.- signal modulation using DBPSK frequency modulation, 90 kHz, 105 kHz, and 120 kHz, 10 kbps and 2.5 kbps.

- zesílení signálu na maximální úroveň 10 V.- signal amplification to a maximum level of 10 V.

- v kroku vysílání signálu se provádí výpočet časového okna, ve kterém se čeká na příjem potvrzení o přijetí datového paketu od „slávu“, které je generováno v bloku BPOP potvrzování/opakování přenosu.- in the step of transmitting the signal, a time window is calculated in which the acknowledgment of receipt of the data packet from the "glory" is generated in the BPOP acknowledgment / retransmission block.

- vysílaní signálu je realizováno přes galvanicky oddělenou vazbu (neznázoměnou) do nízkonapěťového rozvodu 230 V.- the signal is transmitted via a galvanically isolated coupling (not shown) to a low voltage 230 V distribution.

- zpracováni vstupního signálu jeho konstantním zesílením na přijímači je realizováno obvodem TLC072 od fy Texas Instruments, které zesílí amplitudu přijímaného signálu tak, aby při minimální velikosti 0,5mV byl ještě následně zpracován demodulátorem, přičemž nastavení zisku zesilovače je 20.- the processing of the input signal by its constant amplification on the receiver is realized by TLC072 circuit from Texas Instruments, which amplifies the amplitude of the received signal so that at a minimum size of 0.5mV it is further processed by the demodulator, the amplifier gain setting being 20.

- v kroku demodulace a modulace signálu se realizuje:- in the signal demodulation and modulation step:

- přepínám frekvenčních kanálů a přenosových rychlostí,- switching frequency channels and bit rates,

- krok korekce chyb vykonávaný algoritmem Reed-Solomon na přijímači periodicky v časovém intervalu 0,05 ms a s účinností nejméně 2 B opravených chyb najeden datový paket,- the error correction step performed by the Reed-Solomon algorithm on the receiver periodically at a time interval of 0,05 ms and with an efficiency of at least 2 B corrected errors per data packet,

- krok kontroly dat vykonávaný s kontrolním součtem realizovaným na polynomu 24 řádu ve tvaru x²³ + x²⁰ + x¹⁷ + x¹⁴ + x³ + x² +1.- a data checking step performed with a checksum implemented on a polynomial 24 of order in the form x ²³ + x ²⁰ + x ¹⁷ + x ¹⁴ + x ³ + x ² +1.

- po kladném výsledku kontroly dat následuje krok zpracování dat, ve kterém jsou zpracovávána všechna data bez ohledu na velikost amplitudy modulovaného signálu a který je realizovaný NiosII embedded procesorem fy Altera. Takto získaná data sestávají z dat určených k uloženi do paměti dat, dat určených ke zpracování na vstupně/výstupních zařízeních, dat přikazujících opakování přenosu dat, dat přikazujících odeslání potvrzení o přijetí dat a dat přikazujících přepínání frekvencí a přenosových rychlostí.- the positive result of the data check is followed by a data processing step in which all data is processed regardless of the amplitude of the modulated signal and which is implemented by the NiosII embedded processor of Altera. The data thus obtained consists of data to be stored in the data memory, data to be processed at the input / output devices, data to retry data transmission, data to send a acknowledgment of data reception and data to command frequency and data rate switching.

Příklad 4Example 4

Zařízení pro PLC komunikaci podle příkladu 3 a obr. 5, se odlišuje tím, že obsahuje blok BDK diagnostiky kvality přenosové trasy a stavu tohoto zařízení pro PLC komunikaci, který se naV 4 · chází v hradlovém poli FPGA typ EP3C5 od fy Altera a datově je propojen s bloky BD demodulátoru, BM modulátoru, BKC korekce chyb, BPOP potvrzováni/opakování přenosu a NiosII embedded procesorem fy Altera. Blok BDK přenášená data doplní o informace o stavu jednotlivých jemu dostupných zařízení pro PLC komunikací a také o změřené amplitudě signálu, amplitudě šumu, počtu opravených chyb přijatého datového paketu v době přijmu a zpracování datového paketu v místě jeho připojeni k přenosové trase, a také připojí informaci o počtu opakovaných a „slaveni“ nepotvrzených datových paketů.The PLC communication device according to Example 3 and Fig. 5 differs in that it contains a BDK block of diagnostics of the transmission path quality and the state of this PLC communication device, which is located in the FP4 gate array type EP3C5 from Altera and Interconnected with BD demodulator, BM modulator, BKC error correction, BPOP acknowledgment / retransmission and NiosII embedded processor by Altera. The BDK block complements the transmitted data with information about the status of individual devices available for its PLC communication as well as the measured signal amplitude, noise amplitude, the number of corrected errors of the received data packet at the time of receiving and processing the data packet at its connection point. information about the number of repeated and "celebrated" unconfirmed data packets.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Řešení je možné využít kdekoli v průmyslu, např. při lokálním měření různých analogových veličin (teplota, vlhkost atd.) a přenášení hodnot těchto veličin po metalickém vedení do vzdálených řídících uzlů (řídících automatů nebo na kontrolní operátorská stanoviště). Hlavní těžiště aplikací je při odečetech občanských médií (elektrická energie, voda, plyn, teplá voda, chlad atd.) a při přenosu dat ve velmi rozlehlých objektech, jejichž systém nevyžaduje přenos velkého množství dat (nejmarkantnější příklad jsou čidla v chemickém podniku).The solution can be used anywhere in the industry, eg for local measurement of various analog quantities (temperature, humidity, etc.) and for transferring values of these quantities over metallic lines to remote control nodes (controllers or control operator stations). The main focus of applications is in the reading of civic media (electricity, water, gas, hot water, cold, etc.) and in the transmission of data in very large objects whose system does not require the transmission of large amounts of data (the most prominent example are sensors in a chemical company).

200<?200 <?

• · · ·*·* ··• · · · ·

Claims

PATENT CLAIMS

A method of PLC communication comprising the steps of generating data, modulating and amplifying a signal, transmitting a signal, amplifying a signal on reception, signal demodulation, error correction, data checking, data processing, transmitting and receiving acknowledgments, characterized in that:

- in the data generation step, constant-length data packets containing only data, redundant error correction information, and a checksum to check the data are generated,

- in the error correction and data checking steps, all received data is processed regardless of signal amplitude and belonging to a particular receiving modem,

- the error correction step is carried out on the receiver periodically at a time interval which is at most equal to the time required to transmit one bit of transmitted data and with an efficiency of at least 5% corrected errors per data packet,

- the data checking step is performed with a checksum implemented on a polynomial of at least 8 orders.

PLC communication method according to claim 1, characterized in that, after the modulation step, the data packets are transmitted to distributions with an amplitude equal to at least 0.7 times the maximum permissible amplitude of the modulated signal.

A PLC communication method according to claim 1 or 2, characterized in that;

- the data packets are transmitted to the distribution lines after the modulation step at a frequency and / or a rate that varies in operation depending on the amount of interference on the transmission path,

- in the modulation and demodulation steps, the operating characteristics of the digital filters of the slave modem are set without interruption of the control signal transmitted by the master modem.

- - '· vw «>> * * * w w w · · · · · · w · · - - - - - - - · ··

PLC communication method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the receiving step the signal is amplified with a constant gain and then subjected to a demodulation step which is performed over the entire dynamic amplitude range of the amplified signal.

PLC communication method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the step of transmitting the signal, a calculation is made of the time interval during which the acknowledgment of receipt of the data packet from the "slave" modem is waiting.

PLC communication method according to one of the preceding claims, characterized in that the "slave" modem repeats all received data packets addressed to another slave by modifying the addresses of the transmitted data in a defined manner and sending them back to the slave. with maximum power.

7. PLC communication equipment consists of sequentially connected blocks, namely input signal processing block (BZVS), demodulator block (BD), error correction block (BKC), data control block (BKD), data processing block (BZD) , a transmission acknowledgment / retransmission block (BPOP), a transmitter block (BV), a modulator block (BM), and an output amplifier block (BVZ), characterized in that:

- at least the error correction block (BKC), the data control block (BKD) and the data processing block (BZD) are implemented as logic blocks in at least one gate array,

- the error correction block (BKC) and the data control block (BKD) are connected by a data bus of at least 4 bits wide,

- the error correction block (BKC) includes a FIFO ring buffer of at least one data packet size,

- the data control block (BKD) consists of a set of parallel arithmetic units,

- the aggregate computing power of the data correction block (BKC) and the data control block (BKD) is a minimum of 10 ^{7 8} operations per second.

The PLC communications apparatus of claim 6, wherein the amplifier in the input signal processing block (BZVS) is a constant gain amplifier.

PLC communication device according to claims 6 and 8, characterized in that it comprises a transmission path quality and status diagnostics block (BDK) which is connected to blocks (BM) of the modulator, (BD) of the demodulator, (BKC) of the correction. errors, (BKD) data checks, and (BPOP) acknowledgment / retransmission.

The PLC communications apparatus of claims 6 to 9, comprising a data packet repeater block (BO) interconnecting data control blocks (BKDs).