“ENVÍO Y RECEPCIÓN DE DATOS MEDIANTE LINEAS DE

SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA
DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR
TECNOLÓGICA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA
“ENVÍO Y RECEPCIÓN DE DATOS MEDIANTE
LINEAS DE CORRIENTE ALTERNA PARA
APLICACIONES EN CONTROL DE ILUMINACIÓN
RESIDENCIAL”
TALLER DE INVESTIGACIÓN II
TRABAJO FINAL
MAESTRA
MARGARITA ÁLVAREZ CERVERA
PRESENTA:
AC CHI GASPAR ENRIQUE
MÉRIDA, YUCATÁN, MÉXICO
2012
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1
OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN ................................................................................. 2
Objetivos Generales.............................................................................................................. 2
Objetivos Específicos ............................................................................................................ 2
HIPOTESIS DEL PROYECTO .......................................................................................... 2
JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ................................................................................ 2
DELIMITACIONES Y LIMITACIONES ......................................................................... 3
IMPACTO TECNÓLOGICO, ECONOMICO Y AMBIENTAL.................................... 4
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES .............................................................................. 4
CAPITULO I ........................................................................................................................ 6
Fundamentos Teóricos ......................................................................................................... 6
1.1¿Qué es Powerline Communications? ........................................................................... 6
1.2Modelo OSI ...................................................................................................................... 6
1.2.1
Ventajas de la división en capas ............................................................................ 8
1.2.2
Capa Física ........................................................................................................... 8
1.2.2.1
Bit Rate ................................................................................................................. 9
1.2.2.2
Ancho de Banda de un Canal de Información ................................................. 10
1.2.2.3
Velocidad de Transmisión de un Canal de Información .................................. 12
1.2.2.4
Capacidad de un Canal de Información ......................................................... 15
1.2.2.5
Relación de Señal-Ruido de un Canal de Información .................................... 16
1.3Modulación FSK ............................................................................................................ 16
1.3.1
Modulación en Frecuencia .................................................................................. 16
1.3.2
Fundamentos teóricos del proceso de modulación en FSK .................................. 17
1.3.3
Circuito de Modulación FSK............................................................................... 20
1.4Estándares ...................................................................................................................... 22
1.4.1
Protocolo X10...................................................................................................... 22
1.4.2
Trama X10 .......................................................................................................... 23
1.4.2.1
Encabezado ..................................................................................................... 23
i
1.4.2.2
Código de Casa ................................................................................................ 24
1.4.2.3
Código Clave ................................................................................................... 25
1.4.3
European Standards (CENELEC) ...................................................................... 26
1.4.4
North American Standards (FCC part 15 ) ......................................................... 29
1.4.5
IEEE Standards .................................................................................................. 30
1.4.5.1
IEEE 1675-2008............................................................................................... 30
1.4.5.2
IEEE 1775 -2010 .............................................................................................. 30
1.4.5.3
IEEE 1901 -2010 .............................................................................................. 31
1.4.5.3.1
1.4.6
IEEE 1901.2 ............................................................................................. 31
HomePLug Powerline Alliance............................................................................ 32
CAPITULO II …………………………………………………………………… ............ 33
2.1Antecedentes .................................................................................................................. 33
2.1.2
Ventajas .............................................................................................................. 34
2.1.3
Desventajas ......................................................................................................... 34
2.2
Instalación Domótica con el protocolo EIB ........................................................... 34
2.3
Equipo para domótica Basado en el protocolo X10 con interfaz USB ............... 35
2.4
Diseño de un equipo utilizando la tecnología PLC ............................................... 35
CAPITULO III ................................................................................................................... 37
3.1
¿Qué es PsoC? .......................................................................................................... 37
3.1
Diseño de un dispositivo PLC con PSoC CY8CPLC20 ........................................ 37
3.2
Descripcion del dispositivo CY8CPLC20 .............................................................. 40
3.2.1
Configuración del dispositivo CY8CPLC20 mediante el Asistente ...................... 43
3.2.2
Descripción de la comunicación entre los Dispositivos PLC ................................ 46
3.3
Circuito de Acoplamiento ...................................................................................... 49
CAPITULO IV.................................................................................................................... 51
4.1 Resultados .................................................................................................................. 51
4.2 Conclusiones............................................................................................................... 54
4.3 Futuros Desarrollos ................................................................................................... 55
4.3.1 Corto Plazo ............................................................................................................... 55
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 57
ii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – Modelo de referencia OSI .............................................................................. 8
Figura 1.2 – Ancho de Banda de un Canal....................................................................... 10
Figura 1.3 – Modulación en Frecuencia a) Señal Digital FSK. B) Señal Moduladora
FSK. ..................................................................................................................................... 17
Figura 1.4 – Parámetros de la señal FSK ......................................................................... 20
Figura 1.5 – Circuito Modulador Básico FSK ................................................................. 21
Figura 1.6 – Sincronización del protocolo X10 con la línea eléctrica ............................ 22
Figura 1.7 – Envió de un 1 lógico en X10 ......................................................................... 23
Figura 1.8 – Bandas de frecuencia y niveles de potencia para el estándar CENELEC
50065-1 ................................................................................................................................. 27
Figura 1.9 – Regulación en el área de PLC, North America vs Europe ........................ 28
Figura 3.1 – Programable System on Chip (PsoC) ......................................................... 37
Figura 3.2 – Estructura Interna de dispositivo PLC con PSoC ..................................... 38
Figura 3.3 – Estructura Interna del Modem FSK de Capa Física (PHY) ..................... 39
Figura 3.4 – Selección del Modem FSK con protocolo de Red. ...................................... 40
Figura 3.5 – Entorno de Configuración del Dispositivo PLC (PSoC Designer 5.2) ..... 41
Figura 3.6 – Bloques Digitales del Dispositivo PLC ........................................................ 42
Figura 3.7 – Bloques Analógicos del Dispositivo PLC .................................................... 43
Figura 3.8 – Asistente de Configuración del Dispositivo PLC ....................................... 44
Figura 3.9 – Proceso de Comunicación Simplificado entre dos Dispositivos PLC ....... 47
Figura 3.10 – Algoritmo General de Comunicación entre los Dispositivos PLC.......... 48
Figura 3.11 – Circuito de Acoplamiento de Alto Voltaje ................................................ 49
Figura 3.12 – Respuesta en frecuencia del Filtro de Transmisión ................................. 50
Figura 3.13 – Respuesta en Frecuencia del Filtro de Recepción .................................... 50
Figura 4.1 – Medición Experimental de las Señales FSK generadas ............................. 51
Figura 4.2 – Señal FSK de un “0” lógico .......................................................................... 52
Figura 4.3 – Señal FSK de un “1” lógico .......................................................................... 53
Figura 4.4 – Variables de envió y recepción a) Dispositivo de Transmisión, b)
Dispositivo de Recepción .................................................................................................... 54
iii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Códigos de Casa del Protocolo X10 ................................................................... 24
Tabla 2. Códigos de dirección............................................................................................ 25
Tabla 3. Códigos de Función ............................................................................................. 26
Tabla 4. Rangos de frecuencia acordados para CENELEC EN50065-1 ....................... 27
Tabla 5.Rangos de Frecuencia acordados en CENELEC EN50065-1 ........................... 28
Tabla 3.1. Parámetros de Configuración del Modem PHY ............................................ 45
Continuación Tabla 3.1. ..................................................................................................... 46
iv
INTRODUCCIÓN
El constante avance tecnológico en el área de las comunicaciones ha ido evolucionado a
una velocidad tan rápida, debido a la gran demanda que se requiere; y es que en los años 80
se iniciaron investigaciones sobre el empleo de los cables eléctricos como medio de
transmisión de datos y a fines de esa década ya se conseguía transmitir información en
ambas direcciones. A finales de los 90 se consiguió que esta transmisión se realizara a
velocidades suficientemente elevadas. Esta tecnología consiste en utilizar las líneas de
distribución eléctricas para la transmisión de información.
En los últimos años, la tecnología de iluminación ha ido evolucionando a un ritmo mucho
más rápido que nunca. Los consumidores son más conscientes de la eficiencia energética y,
por tanto, han estado cambiando de bombillas incandescentes a bombillas fluorescentes
compactas (CFL), y recientemente a la tecnología LED de alto brillo (HB-LED). Mientras
que la ventaja principal es la eficiencia energética, la iluminación LED tiene una
característica adicional de ser capaz de emitir diferentes colores de la misma bombilla. El
método tradicional de sistemas de iluminación con HB-LED implica el uso de un
microcontrolador o de un sistema-on-chip (PSoC) como interfaz junto con dispositivos de
alta potencia discretos tales como controladores de corriente constante y conmutadores
MOSFET, así como una línea adicional de transmisión de datos para poder manejar las
características de un sistema de iluminación, tales como la intensidad de luz, cambios de
colores (RGB-LED) o el encendido o apagado de dicho sistema, haciendo uso de la
tecnología PLC podremos usar el sistema tradicional de control de sistemas de iluminación
utilizando la misma red eléctrica cableada disponible en nuestras casas.
1
OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN
Objetivos Generales
Crear un dispositivo capaz de enviar y recibir datos utilizando la red eléctrica, para poder
ser utilizado en el control de un sistema de iluminación HB-LED.
Objetivos Específicos
Hacer uso del Microcontrolador PSoC (Programable System on Chip) CY8CPLC20 de la
compañía Cypress Semiconductor para realizar un dispositivo que utilice la tecnología PLC
(Power Line Communications) junto con un modem que permita la modulación FSK para
poder enviar y recibir datos y ser utilizados en el control de un sistema de iluminación con
tecnología HB-LED.
HIPOTESIS DEL PROYECTO
El control de iluminación residencial ha tenido una tendencia de crecimiento, en los últimos
años debido al cambio que se ha hecho de las diferentes tecnologías de iluminación que van
desde las bombillas incandescentes pasando por los tubos fluorescentes hasta llegar a la
actual tecnología HB-LED (High-Brightness LED); que dadas sus características son mas
fáciles de controlar por técnicas de modulación digital ya que no contienen partes
inductoras o iones cargados, si no que son dispositivos de estado solido que emiten luz con
respecto a los materiales con los que están hechos y en determinadas cantidades, por lo que
ofrecen una gama de colores bastante amplia.
JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
El uso de la línea eléctrica instalada en las residencias es un medio viable de transporte de
datos que permita el control de lámparas con tecnología HB-LED, sin necesidad de utilizar
2
un bus de datos adicional al cableado existente. El dispositivo PLC (Power Line
Communications) que se plantea, será un medio de acoplamiento entre la línea de
comunicación de alto voltaje y a su vez un emisor-receptor dentro de un mismo sistema
embebido teniendo la característica de poder controlar la lámpara de una manera eficiente.
DELIMITACIONES Y LIMITACIONES
Se diseñaran 2 prototipos con tecnología PLC (Power Line Communications) que permitan
comunicar 2 nodos (clavijas) que puedan enviar y recibir datos, así como una matriz de
HB-LED’s de 8x8 junto con una maqueta que simulara una casa residencial con cables de
calibre 22 necesarios para crear una línea eléctrica interna real de una casa.
Las limitaciones serian
Velocidad Máxima de transferencia de bits 2400 bits/seg (baud rate).
Utilización de la tarjeta de desarrollo - CY3274 PLC HV Development Board,
debido a al circuito de acoplamiento que se requiere para que el microcontrolador
pueda enviar y recibir datos mediante la línea de alto voltaje, ya que se requieren
partes especificas para que no sea sensible al ruido, sin embargo se esta en espera
de adquisición por parte del cinvestav, los componentes necesarios para poder crear
un sistema de acomplamiento propio.
Modem con modulación FSK a un máximo de 3KHz de desviación (separación de
las señales lógicas “1” y “0”)
Despliegue de Información en un LCD de 2x16.
3
IMPACTO TECNÓLOGICO, ECONOMICO Y AMBIENTAL
Ambiental
El ahorro de energía mediante la utilización de lámparas con tecnología HB-LED que
permiten una mejor iluminación con menos electricidad que una lámpara tradicional así
como el uso eficiente de dicha energía.
Económico
Mejor manejo de la electricidad consumida por los sistemas de iluminación que pueden ser
inteligentes debido a la incorporación de un sistema embebido.
Tecnológico
El diseño de dispositivos que permitan crear canales de transmisión y recepción de datos
mediante el
uso de las líneas eléctricas disponibles en las casas, creando lugares
inteligentes y eficientes.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Actividades
Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Elaboración del
anteproyecto
Recolección de Información y
Elaboración del primer capitulo
Recolección de Información y
4
Elaboración del segundo capitulo
Desarrollo de pruebas
Elaboración del tercer capitulo
Elaboración del Cuarto Capitulo
Presentación de la tesis
5
CAPITULO I
Fundamentos Teóricos
1.1 ¿Qué es Powerline Communications?
Es una tecnología de comunicación que permite el envío de datos a través de cables de
alimentación existentes. Esto significa que, con solo cables de alimentación de corriente a
un dispositivo electrónico uno puede controlar tanto su encendido y en el mismo tiempo
recuperar datos de él de una manera semiduplex. Las líneas eléctricas están disponibles en
todas partes del mundo y son un medio de comunicación ampliamente disponible para la
tecnología PLC.
A pesar de que la red eléctrica se encuentra disponible casi en cualquier parte del mundo,
también hace que sea difícil predecir las características y el funcionamiento de los
productos PLC, debido a la calidad variable de las líneas eléctricas, la aplicación de
comunicación robusta utilizando las líneas eléctricas ha sido siempre un reto de ingeniería
por años [1].
1.2 Modelo OSI
En sus inicios el desarrollo de redes sucedió con desorden en muchos sentidos, había
muchas empresas que desarrollaban tecnologías propietarias (propiedad de la empresa
desarrolladora). Las tecnologías de networking que respetaban reglas propietarias en forma
estricta no podían comunicarse con tecnologías que usaban reglas propietarias diferentes.
Al final de la década de 1970 existía un gran número de pilas de protocolos de propietarios
de comunicaciones eje: SNA (System Network Architecture). [2]
6
Pila de protocolos: Conjunto de protocolos organizado jerárquicamente e interactúa
entre los nodos de una red.
Arquitectura de red: Conjunto de capas y protocolos
A principios de la década de 1980, se unen organizaciones internacionales de estándares
para crear un modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI).
Algunas organizaciones:
Organización Internacional para la Estandarización (ISO).
Sector de Estandarización de las Telecomunicaciones del ITU (ITU-T).
El modelo define lo siguiente:
División en capas para la intercomunicación de los sistemas de las redes de
conmutación de paquetes.
Nombres estándar para dichas capas.
Las funciones que debe realizar cada capa.
Los principios que se aplicaron para su división en capas son:
Se debe crear una capa siempre que se necesite un nivel diferente de abstracción.
Cada capa debe realizar una función bien definida.
La función de cada capa se debe elegir pensando en la definición de protocolos
estandarizados internacionalmente.
Los límites de las capas deben elegirse a modo de minimizar el flujo de información
a través de las interfaces.
7
La cantidad de capas debe ser suficientes para no tener que agrupar funciones
distintas en la misma capa y lo bastante pequeña para que la arquitectura no se
vuelva inmanejable.
1.2.1 Ventajas de la división en capas
Divide la comunicación de red en partes más pequeñas y sencillas, normaliza los
componentes de red para permitir el desarrollo y el soporte de los productos de diferentes
fabricantes, permite a los distintos tipos de hardware y software de red comunicarse entre sí
de una forma totalmente definida e impide que los cambios en una capa puedan afectar las
demás capas, de manera que se puedan comunicar con más rapidez. [2]
Las capas 1, 2 y 3 proporcionan acceso a la red, las capas 4, 5, 6 y 7 están dedicadas a la
logística del soporte de las comunicaciones de un extremo a otro.
Figura 1.1 – Modelo de referencia OSI
1.2.2 Capa Física
Define las especificaciones eléctricas, mecánicas, de procedimiento y funcionales para
activar, mantener y desactivar el enlace físico entre sistemas finales (Fig. 1). Las
8
características tales como niveles de voltaje, temporización de cambios de voltaje,
velocidad de datos físicos, distancias de transmisión máximas, conectores físicos y otros
atributos similares son definidos por las especificaciones de la capa física. Si se desea
recordar la Capa Física en la menor cantidad de palabras posible, piense en señales y
medios [3].
1.2.2.1 Bit Rate
Define el número de bits que se transmiten por unidad de tiempo a través de un sistema de
transmisión digital o entre dos dispositivos digitales, dicho de otro modo es la velocidad de
transferencia de datos. La tasa de transferencia se refiere al ancho de banda real medido en
un momento dado empleando rutas concretas de comunicación mientras se transmite un
conjunto específico de datos, desafortunadamente, por muchas razones la tasa es con
frecuencia menor al ancho de banda máximo del medio que se está empleando.
Los siguientes son algunos de los factores que determinan la tasa de transferencia:

Tipos de datos que se van a transferir

Topología de la red

Número de usuarios en la red

Congestión
El ancho de banda teórico de la red es una consideración importante en el diseño de la red,
porque la tasa de transferencia de la red nunca es mayor que dicho ancho de banda, debido
a las limitaciones puestas por el medio y a las tecnologías de red elegidas [4] [5].
9
1.2.2.2 Ancho de Banda de un Canal de Información
Cuando transmitimos una señal por un canal de comunicación, esta sufre una pérdida de
energía y las amplitudes de cada uno de sus armónicos disminuyen. Si todos los
coeficientes del desarrollo de Fourier (an, bn) fueran disminuidos igualmente, la señal
estaría disminuida en amplitud, pero no distorsionada, esto significa que la señal estaría
atenuada.
Lo que ocurre en la realidad es que cada medio de transmisión posee una respuesta en
frecuencias característica, de forma que la señal que se transmite por él sufre distintas
atenuaciones en función de la frecuencia. Un medio determinado tendrá solamente un rango
de frecuencias, entre las cuales, cualquier señal con una frecuencia comprendida dentro de
este rango que se transmita por él, sufrirá la misma atenuación en los armónicos que se
encuentren dentro del rango de frecuencias del canal.
Figura 1.2 – Ancho de Banda de un Canal
Llamaremos ancho de banda W de un canal, al rango de frecuencias entre las cuales los
armónicos sufren la misma atenuación durante la transmisión, de forma que se puede
aplicar la misma escala de amplificación para ese rango de frecuencias sin que se produzca
10
una distorsión. El ancho de banda sería pues, la diferencia entre la frecuencia superior e
inferior que se puede transmitir con atenuación pero sin distorsión por un medio físico
empleado como canal de comunicación (Fig. 2).
El ancho de banda de un canal no solamente está limitado por el medio de transmisión,
también lo está por los dispositivos conectados a él. Del mismo modo, la respuesta en
frecuencias del medio no es la única causa de distorsión de una señal, pueden influir
muchos otros factores.
Ningún medio de transmisión puede transportar señales sin causar pérdida de energía en la
señal transportada, cada armónico de la señal tiene asociado un valor de energía.
El valor:
(1.1)
es de especial interés, ya que es proporcional a la energía transmitida a la frecuencia o
armónico correspondiente. Proporciona una medida de la energía de la señal que
corresponde al n-ésimo armónico.
En general las amplitudes se transmiten sin degradación (es decir, con un mismo factor de
atenuación) para un rango de frecuencias que suele ser f=0 hasta f=fc, siendo fc la
frecuencia de corte característica del medio, medida en ciclos/segundo o Hertzios (Hz).
Todas las frecuencias superiores a dicha frecuencia de corte sufren fuertes atenuaciones,
este rango de frecuencias es lo que hemos denominado anteriormente como ancho de
banda, que es una propiedad del medio de transmisión y es posible limitar el ancho de
banda de un medio colocando filtros que disminuyan el rango de frecuencias que puede
transportar, pero no es posible ampliarlo, ya que depende intrínsecamente de las
propiedades físicas del medio.
11
Normalmente las señales generadas en los sistemas electrónicos, ya sean datos
informáticos, voz, señales de televisión, etc., son señales que varían en el tiempo y no son
periódicas, pero se pueden caracterizar como la suma de muchas señales periódicas de
diferentes frecuencias [4] [5].
1.2.2.3 Velocidad de Transmisión de un Canal de Información
Para estudiar la velocidad de transmisión de datos por un canal, vamos a suponer que esta
transmisión se realiza a través de algún tipo de cable eléctrico, aunque todos los conceptos
que se verán a continuación pueden extenderse a cualquier medio físico.
La información puede ser transmitida por un cable variando alguna propiedad de la
corriente eléctrica que circula por él, por ejemplo su voltaje. Nuestro propósito es transmitir
información digital, por lo tanto nos interesa poder representar los estados lógicos 0 y 1 de
una forma sencilla y fácilmente reconocible. Un convenio podría ser emplear un nivel de
tensión de 0 voltios para representar el estado lógico 0, y 5 voltios para representar el
estado lógico 1.
Se considera estados significativos de una línea a todos aquellos niveles de tensión que
representen información distinta. Si disponemos de dos niveles de tensión para representar
la información, entonces sólo podremos señalizar un bit en cada estado. Si en lugar de dos,
utilizáramos cuatro niveles de tensión, podemos agrupar la información a transmitir de
modo que cada nivel de tensión represente dos bits. En este caso se pueden transmitir dos
bits de información por cada intervalo significativo de tiempo.
Podemos definir la velocidad de modulación como el número de veces por segundo que la
señal cambia su valor en la línea o medio de transmisión. Esta velocidad se mide en
baudios. El número de baudios determina la cantidad de cambios de estado por segundo
12
que se producen en una transmisión. Cuantos más estados, más cantidad de bits por
segundo se podrán transmitir.
La expresión matemática que define la velocidad de modulación vendría dada por:
(1.2)
siendo T el intervalo de tiempo consumido por un estado.
Un cambio de estado puede implicar la transmisión de más de un bit de información, por lo
tanto, el concepto de baudio está ligado directamente a las características del medio de
transmisión y se corresponde con la cantidad de veces que la señal portadora oscila (cambia
de estado) por unidad de tiempo.
Definiremos ahora la velocidad de transmisión como el número de bits transmitidos por
segundo; su unidad es el bps (bits por segundo). En general, si el número de estados
posibles de la línea de comunicación es n, a cada estado le corresponderán log2 n bits de
información, por lo tanto la velocidad de transmisión será:
(1.3)
Solo en el caso de tener dos estados significativos (n=2), el número de baudios coincidirá
con la cantidad de bits por segundo que se pueden transmitir por la línea.
El tiempo necesario para transmitir un carácter depende del método de codificación y de la
velocidad de transmisión. Supongamos por ejemplo que tenemos caracteres codificados con
8 bits, que vamos a emplear dos estados significativos y que la velocidad de transmisión es
v bps:
(1.4)
13
En la transmisión de un conjunto de caracteres se puede considerar que el carácter va a
repetirse indefinidamente a partir del último bit, por lo tanto el tiempo tcarácter podría
concebirse como el periodo de la señal.
En tal caso, la frecuencia del primer armónico de la serie de Fourier será:
si para enviar la señal se emplea como medio físico de transmisión, por ejemplo, una línea
telefónica común, cuyo ancho de banda es aproximadamente 3 KHz, limitaremos las
frecuencias más altas que pueden pasar a través del medio, de modo que la frecuencia del
último armónico que podrá transmitirse sin distorsión será menor o igual a 3000 Hz :
como la frecuencia del N-ésimo armónico es N veces la frecuencia del primer armónico
podemos deducir que el número máximo de armónicos que se podrá transmitir por el medio
físico vendrá dado por la expresión:
(1.5)
en general, la cantidad de armónicos N para una velocidad de transmisión V y un ancho de
banda de 3KHz corresponde a la parte entera de la expresión anterior. Se puede deducir de
dicha expresión que si se aumenta la velocidad de transmisión se reduce el número de
armónicos que pueden pasar a través del canal sin distorsión. Para el ancho de banda que
presenta el medio físico utilizado en la red telefónica, si queremos obtener velocidades de
14
transmisión superiores a 2400 bps es necesario recurrir a sistemas con varios estados,
utilizando para ello varios niveles de voltaje [4] [5]
1.2.2.4 Capacidad de un Canal de Información
Nyquist elaboró una serie de teorías sobre el muestreo de señales, demostrando que si se
hace pasar una señal por un canal de ancho de banda W, dicha señal puede reconstruirse si
se toman muestras de la misma con una frecuencia igual a dos veces la frecuencia del ancho
de banda por segundo (2W). Muestrear a una frecuencia superior no tiene sentido, ya que
las frecuencias más altas que el ancho de banda no pueden ser recuperadas por haber sido
filtradas. Esto constituye el primer criterio de Nyquist, según el cual la velocidad máxima a
la que se puede transmitir una señal a través de un canal de ancho de banda W, y para una
señal de n niveles discretos viene dada por la expresión:
C
(1.6)
la cual define la capacidad de transferencia de un canal. Por ejemplo, para el canal
telefónico, si consideramos un caso ideal sin ruido y con un ancho de banda de 3 KHz,
según el teorema de Nyquist no se podría reconstruir señales binarias que se hubieran
transmitido por él a velocidades superiores a los 6000 bps.
La anterior expresión determina la velocidad máxima a la que se puede transmitir por un
canal ideal sin ruido. En la práctica no existen canales libres de ruido y otras
imperfecciones, por lo que esta velocidad máxima se verá notablemente reducida. De la
expresión también se podría deducir que se puede ampliar la capacidad de un canal
indefinidamente aumentando el valor de n; esto tampoco es posible, ya que el número de
estados de señalización está limitado por la potencia máxima de la señal, por la sensibilidad
15
del receptor, teniendo en cuenta esto podemos deducir una expresión que relacione nuestra
señal con el ruido [4] [5].
1.2.2.5 Relación de Señal-Ruido de un Canal de Información
La relación señal-ruido se define como
(1.7)
teniendo en cuenta esta relación, la capacidad del canal está dada ahora por
C
(1.8)
Esta ecuación se conoce como el Teorema de Shannon-Hartley y es una aplicación del
teorema de codificación para canales con ruido [4] [5].
1.3 Modulación FSK
1.3.1 Modulación en Frecuencia
Se denomina modulación en frecuencia, a aquella en que el parámetro de la señal senoidal
de la portadora que se hace variar, es la frecuencia. Cuando la señal moduladora es de
origen digital, la señal modulada tomará un número discreto de valores de la frecuencia,
iguales al número de valores que correspondan a la señal moduladora la Fig. 3 muestra este
proceso.
Esta es la primera técnica que se implementó en términos prácticos, para modular señales
digitales de datos mediante normas internacionales.
16
En la actualidad si bien no es usada con exclusividad en los sistemas de transmisión de
datos, se continúa empleando en radiocomunicaciones (en estaciones de radiodifusión
pública).
Figura 1.3 – Modulación en Frecuencia a) Señal Digital FSK. B) Señal Moduladora FSK.
C) Espectro de Frecuencias de la señal FSK
1.3.2 Fundamentos teóricos del proceso de modulación en FSK
La frecuencia f y la pulsación w, difieren a menos de una constante (2π), por lo que hablar
de una u otra es equivalente. Por tanto se puede expresar que la frecuencia w, es una señal
modulada en frecuencia, resulta diferente a cada instante por lo cual, la señal modulada
m(t), no puede representarse mediante una expresión sinusoidal ordinaria de tipo conocido:
Por lo tanto se definirá una función general sinusoidal, como:
(1.9)
Donde la fase , varía en función del tiempo.
17
Además se definirá como frecuencia instantánea wi la expresión siguiente:
(1.10)
De esta forma se podrá establecer una relación entre la frecuencia instantánea y la fase
.
Despejando
se obtendrá
(1.11)
Se observa que se puede modular una señal armónica, mediante una portadora que contenga
información, haciendo variar el ángulo
.
Precisamente, se denomina modulación angular, a la técnica que permite hacer variar el
ángulo de la portadora, con una señal moduladora. Tal modulación tiene dos formas
fundamentales: la modulación de frecuencia y la modulación de fase.
Si el ángulo
, varía linealmente con una señal modulante
, resulta:
(1.12)
Si ahora se mezcla la señal portadora,
con la modulante de la ecuación 1.12 se
obtendrá.
(1.13)
Calculando la frecuencia instantánea
(1.14)
(1.15)
18
De esta expresión se puede observar que la frecuencia instantánea, varía linealmente con la
derivada de la señal modulante.
La señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varían entre dos niveles de voltaje
discretos llamada d(t), que puede ser representada como:
Sea:
(1.16)
La forma de onda de la señal FSK con:
Forma de onda de la señal FSK
Amplitud pico de la portadora no modulada
Frecuencia de la portadora en radianes/ segundo
Señal binaria moduladora
Cambio de frecuencia de salida en radianes/segundo
Además el índice de modulación:
(1.17)
Con
que es la frecuencia de la señal moduladora.
La señal modulada es:
(1.18)
La frecuencia en radianes de la portadora cambia desde
. Este
cambio es proporcional a la amplitud y polaridad de la señal de entrada binaria. Conforme
cambia la señal de entrada binaria de 0 a 1 la salida FSK se desplaza entre dos frecuencias.
19
Frecuencia de marca o de “1” y frecuencia de espacio o de “0”. [6]
Figura 1.4 – Parámetros de la señal FSK
En FSK binario hay un cambio en la frecuencia de salida cada vez que la condición lógica
de la entrada cambia. La razón de la salida de cambio es igual a la razón de entrada de
cambio.
En modulación digital la razón de cambio a la entrada del modulador se llama razón de bit
y su unidad es el bps y la razón de cambio a la salida del modulador se conoce como
Baudio [7] y es igual al reciproco del tiempo de un elemento de señalización de la salida
Fig.4.
1.3.3 Circuito de Modulación FSK
Un modulador de FSK consiste en un VCO (oscilador controlado por voltaje), que está
diseñado para proporcionar
, donde k es la sensibilidad del VCO, en 20stán
por volt.
20
Figura 1.5 – Circuito Modulador Básico FSK
Los osciladores controlados por tensión se emplean
en generación y detección de
frecuencia modulada, generación de señales, llaveado de frecuencias y en lazos
enganchados en fase (PLL).
El mezclador es un circuito no lineal variante con el tiempo o un dispositivo capaz de
mezclar dos señales de entrada,
salida una mezcla de señales
y
, a frecuencias diferentes, produciendo a su
de diferentes frecuencias igual a una combinación lineal
de las dos frecuencias de entrada:

la suma de las frecuencias de las señales de entrada

la diferencia entre las frecuencias de las señales de entrada

las dos señales originales, habitualmente consideradas como parásitas que se
eliminan mediante filtros de frecuencia.
Un discriminador de frecuencia convierte la FM en AM y a continuación demodulan la
envolvente de AM con detectores convencionales de picos. La mayor parte de los
21
discriminadores de frecuencia requieren de un inversor de fase de 180°, un circuito
sumador y uno o más circuitos dependientes de frecuencia. [5]
Un filtro es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias
de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como
su fase.
1.4 Estándares
1.4.1 Protocolo X10
Para realizar la transmisión de datos se utilizan señales de radiofrecuencia que se inyectan a
la red eléctrica, sincronizándolos con los cruces por cero de la señal eléctrica. Esta técnica
es llamada control por corriente de portadora (carrier current control) Fig.6.
Figura 1.6 – Sincronización del protocolo X10 con la línea eléctrica
La presencia de las señales de radiofrecuencia en la red debe ser de 1 milisegundo para que
el uno lógico sea válido (Fig. 7). Un cero lógico es representado por la ausencia de las
señales de radiofrecuencia. [8]
22
Figura 1.7 – Envió de un 1 lógico en X10
Un paquete de datos X10 se transmite utilizando 11 ciclos de la señal de poder. El paquete
consta en primer lugar de un encabezado, el cual es transmitido durante dos ciclos; en
segundo lugar un código denominado de casa, el cual se necesitan cuatro ciclos; y
finalmente el código clave, el cual puede ser un código de dirección o un código de función
este código clave requiere de cinco ciclos para ser transmitido.
De lo indicado se puede deducir que un código X10 completo se transmite en 25 ciclos de
la línea de poder. Debido a la tasa de transferencia en un sistema a 60Hz es de 60 bps, la
transmisión del código completo tarda 417 milisegundos. Por esta razón, este protocolo
solo es usado para tareas en las que la velocidad de transmisión de datos no es vital. [8]
1.4.2 Trama X10
1.4.2.1 Encabezado
El encabezado siempre es el código “1110”. Los bits se transmiten cada cruce por cero, es
decir, un bit por cada semiciclo de la línea de poder
23
1.4.2.2 Código de Casa
El código de casa permite 16 diferentes combinaciones, las cuales son identificadas por las
letras de la “A” a la “P”. La tabla 1 permite visualizar las diferentes combinaciones para el
código de casa.
Casa H1
H2
H4
H8
A
0
1
1
0
B
1
1
1
0
C
0
0
1
0
D
1
0
1
0
E
0
0
0
1
F
1
0
0
1
G
0
1
0
1
H
1
1
0
1
I
0
1
1
1
J
1
1
1
1
K
0
0
1
1
L
1
0
1
1
M
0
0
0
0
N
1
0
0
0
O
0
1
0
0
P
1
1
0
0
Tabla 1. Códigos de Casa del Protocolo X10
24
Para transmitir el código de casa se debe transmitir un bit durante el primer semiciclo y su
complemento lógico durante el segundo semiciclo, por lo que la transmisión de cada bit se
realiza en un ciclo completo de la línea de corriente. Por ejemplo, para transmitir el código
de casa “A” (0110) se debe transmitir la secuencia:
0 1 1 0 1 0 0 1
Lo que implica ocupar 4 ciclos de la línea de corriente. [8]
1.4.2.3 Código Clave
Este código permite el envió de las direcciones de los dispositivos y las funciones a
realizar, las 16 primeras combinaciones corresponden a la dirección del dispositivo y las
otras 16 corresponden a una función a ser ejecutada. Las direcciones de los dispositivos son
identificadas por los números del 1 al 16. Existen 15 comandos diferentes dentro del
protocolo X10. La tabla 2 explica las combinaciones posibles. [8]
D1 D2 D3 D4 D5
D1 D2 D3 D4 D5
1
1
0
0
9
0
1
1
1
0
2 1
1
1
0
0
10 1
1
1
1
0
3 0
0
1
0
0
11 0
0
1
1
0
4 1
0
1
0
0
12 1
0
1
1
0
5 0
0
0
1
0
13 0
0
0
0
0
6 1
0
0
1
0
14 1
0
0
0
0
7 0
1
0
1
0
15 0
1
0
0
0
8 1
1
0
1
0
16 1
1
0
0
0
Código de Dirección
Código de Dirección
1 0
Tabla 2. Códigos de dirección
25
D1 D2 D3 D4 D5
Código de Función
Apagar todos los dispositivos 0
0
0
0
1
Encender todas las luces
0
0
0
1
1
Encender
0
0
1
0
1
Apagar
0
0
1
1
1
Dim
0
1
0
0
1
Brigth
0
1
0
1
1
Apagar todas las luces
0
1
1
0
1
Código Extendido
0
1
1
1
1
Pedir Saludo (Hail request)
1
0
0
0
1
Conceder Saludo
1
0
0
1
1
Dim pre configurado
1
0
1
X
1
Dato extendido
1
1
0
0
1
Estado encendido
1
1
0
1
1
Estado apagado
1
1
1
0
1
Petición de estado
1
1
1
1
1
Tabla 3. Códigos de Función
1.4.3 European Standards (CENELEC)
La norma de regulación europea PLC es llamada CENELEC EN50065-1 “Signalling on
low- voltaje electrical installations in the frecuency range 3kHz to 148.5kHz”,
(Señalización en instalaciones eléctricas de bajo voltaje en el rango de frecuencias de 3kHz
hasta 148.5kHz). En ella se define los rangos de frecuencia permitida de comunicación por
26
la línea eléctrica, amplitudes máximas de la señal, así como los límites de la interferencia
para las bandas de frecuencia adyacentes como se muestra en la tabla 4.
Band
Frequency Range
Purpose
3 kHz – 9 kHz
for electric distribution companies use only
A
9 kHz – 95 kHz
for electric distribution companies use and their licenses
B
95 kHz – 125 kHz
available for consumers with no restriction
C
125 kHz – 140 kHz
available for consumer only with media access protocol
D
140 kHz – 148.5 kHz available for consumers with no restriction
Tabla 4. Rangos de frecuencia acordados para CENELEC EN50065-1
los niveles máximos de salida en el rango de frecuencias de 9 kHz a 150 kHz para un
dispositivo de fase única es mostrada en la fig. 8, así como en la tabla 5. Las mediciones
fueron de acuerdo a la publicación del CISPR 16 (detector de cuasi-picos, mediciones de
longitud de 1 minuto en puntos específicos sobre la red artificial CISPR).
Figura 1.8 – Bandas de frecuencia y niveles de potencia para el estándar CENELEC 50065-1
27
El estándar CENELEC EN 50065-1 provee 5 diferentes canales en las bandas de 3 a 148.5 kHz, que
su poder de transmisión depende sobre el canal especifico donde se transmite y el método de
acoplamiento, pero no excede nunca los 500mW. Como se puede ver en la fig. 8 [9]
Frequency Range Maximal transmisión level
Type of devices
3 kHz – 95 kHz
134 dB (µV)
95 kHz – 148.5 kHz
116 dB (µV)
general purpose devices
95 kHz – 148.5 kHz
134 dB (µV)
special devices (such as industry applications)
Tabla 5.Rangos de Frecuencia acordados en CENELEC EN50065-1
Por otro lado, el estándar Norteamericano FCC parte 15 define que el rango de frecuencia
debe ser más amplio como se muestra en la fig. 8. La razón es que el rango de transmisión
de radio en onda larga no está siendo usada en Norte América. [10]
Figura 1.9 – Regulación en el área de PLC, North America vs Europe
28
1.4.4 North American Standards (FCC part 15 )
El Código Federal de regulación (CFR), Parte 15 de la FCC es un estándar de prueba
común para la mayoría de los equipos electrónicos. La parte 15 de la FCC cubre las
regulaciones bajo las cuales un radiador intencional, no intencional o incidental que pueden
funcionar sin una licencia individual. Algunas descripciones más interesantes utilizadas en
la Parte 15 de la FCC que se enumeran en la Subparte A.
Dispositivo Digital. “Un radiador no intencional (dispositivo o sistema) que genera y utiliza
señales de temporización o de impulsos a una velocidad en exceso de 9.000 pulsos (ciclos)
por segundo y utiliza técnicas digitales; inclusive equipo telefónico que utiliza técnicas
digitales o cualquier dispositivo o sistema que genera y utiliza energía de radio frecuencia
con el fin de llevar a cabo las funciones de procesamiento de datos, tales como cálculos de
la electrónica, las operaciones, transformaciones, grabación, archivo, clasificación,
almacenamiento, recuperación, o transferencia. Un dispositivo de radiofrecuencia que es
específicamente sujeto a un requisito de emanación de ninguna parte otra Regla FCC o un
radiador intencional sujeto a la subparte C de esta parte que contiene un dispositivo digital
no está sujeto a las normas para los dispositivos digitales, siempre que el dispositivo digital
se utiliza sólo la operación de habilitación del dispositivo de radio frecuencia y el
dispositivo digital no controla funciones adicionales o capacidades. “
Dispositivo Digital Clase A “ Es un dispositivo digital que se comercializa para uso en un
entorno comercial, industrial o empresarial, esta clase es exclusiva de un dispositivo que se
comercializa para uso por el público en general o se destina a ser utilizado en el hogar.”
29
Dispositivo Digital Clase B, Es un dispositivo digital que se comercializan para su uso en
un entorno residencial a pesar de su uso en entornos comerciales, empresariales e
industriales. Ejemplos de tales dispositivos incluyen, pero no se limitan a, los ordenadores
personales, calculadoras y aparatos similares electrónica que se comercializan para su uso
por el público en general. [11]
1.4.5 IEEE Standards
1.4.5.1 IEEE 1675-2008
“IEEE Standard for Broadband over Power Line Hardware”
Estándar para hardware de banda ancha sobre líneas de corriente, trata sobre el la
instalación del hardware necesario para poder trabajar la tecnología BPL (Broadband
Power Line), así como los temas de seguridad. [12]
1.4.5.2 IEEE 1775 -2010
“IEEE Standard for Power Line Communication Equipment – Electromagnetic
Compatibility (EMC) Requirements- Testing and Measurement Methods”
Este estándar es una parte de una serie planeada por el IEEE de estándares de ancho de
banda sobre líneas de corriente BPL (broadband power lines) que cubria los principales
aspectos de la tecnología de comunicación BPL: Seguridad, EMC (Electromagnetic
Compatibility) Compatibilidad Electromagnética, medio, coexistencia, interoperabilidad y
educación. Para proveer pruebas y mediciones de orientación, así como criterios EMC, esta
norma EMC servirá como puente entre las regulaciones nacional del espectro, la práctica de
la red pública. [13]
30
1.4.5.3 IEEE 1901 -2010
“IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and
Physical Layer Specifications”
El proyecto define un estándar para dispositivos de comunicación de alta velocidad (mayor
a 100Mbps en la capa física) que utilizan las líneas eléctricas, también llamado broadband
over power lines communication (BPL o banda ancha sobre líneas de corriente eléctrica).
Este estándar usa frecuencias de transmisión inferiores a 100 MHz, es utilizado por toda
clase de dispositivos BPL, incluidos los de conexión de última milla (menor a 1500 metros
del destino) para servicios de banda ancha así como dispositivos BPL usados en
construcciones redes de área local, aplicaciones de energía inteligentes (Smart energy),
aplicaciones de transporte de plataforma (vehículos) y otros tipos de distribución de datos
(menor a 100 metros entre dispositivos). Este estándar se centra en el balance y uso
eficiente del canal de comunicación sobre líneas de corriente eléctrica para toda clase de
dispositivos BPL, definiendo mecanismos detallados para coexistir y la interoperabilidad
entre diferentes tipos de dispositivos BPL, y asegurando que el ancho de banda deseado y la
calidad del servicio pueden ser entregados. [14]
1.4.5.3.1 IEEE 1901.2
“Standard for Low- Frecuency, Narrowband Power Line Communications” en estado de
aprobación final
El 31stándar IEEE 1901.2 fue diseñado para soporta aplicaciones de redes inteligentes
como redes de medición automática estaciones de carga para vehículos eléctricos, redes de
área local y comunicaciones de redes de paneles solares. Así como comunicación por banda
31
estrecha sobre líneas de corriente eléctrica para bajas frecuencia (menor que 500 kHz) para
aplicaciones en redes inteligentes. [15]
1.4.6 HomePLug Powerline Alliance
HomePlug AV (HPAV) representa la próxima generación de tecnología de la HomePlug
Powerline Alliance. Su propósito es ofrecer una alta calidad, multi-stream, la creación de
redes de entretenimiento sobre el cableado existente de CA dentro de la casa, al dirigirse a
la interoperabilidad con HomePlug 1.0. HPAV emplea avanzadas tecnologías PHY y MAC
que proveen 200 Mbps (millones de bits por segundo) a la red de la clase powerline para
video, audio y datos.
La capa física (PHY) utiliza esta tasa de canal de 200Mbps para proporcionar una velocidad
de 150Mbps de información robusta. El control de acceso a medios (MAC) de capa esta
diseñada para ser altamente eficiente, apoyada tanto de TDMA (Time Division Multiple
Access o Acceso Múltiple por División de Tiempo) y acceso CSMA (Carrier Sense
Multiple Access o Acceso Múltiple por Detección de Portadora) basada en la sincronización
del ciclo de línea de CA. El acceso TDMA ofrece calidad de servicio (QoS) y garantiza la
reserva incluyendo ancho de banda garantizado, alta fiabilidad y un control estricto de la
latencia y jitter. El acceso CSMA ofrece cuatro niveles de prioridad. La sincronización
ciclo de línea de CA provee una mejor adaptación de canal superior ante el ruido de
sincronización del ciclo de línea común. [16]
32
CAPITULO II
Antecedentes y Causas del Problema
2.1 Antecedentes
Inicialmente, la primera aplicación que involucraba transmisión de datos sobre líneas de
corriente fueron principalmente hechos solo para proteger secciones de sistemas de
distribución de energía en caso de fallas. (De hecho, la protección de las líneas de
comunicación sigue siendo una de las principales funciones de la tecnología PLC). La
robustez de las líneas de energía, su conectividad y disponibilidad hacen de esta tecnología
una solución óptima para el control en banda estrecha.
La comunicación sobre líneas de corriente por banda estrecha comenzó poco después del
comienzo del suministro de energía eléctrica generalizado, alrededor del año 1922 el primer
sistema de portadora de frecuencia comenzó a operar sobre líneas de alta tensión en el
rango de frecuencias de 15 hasta 500 kHz para propósitos de telemetría y esto continua
actualmente. Los productos de consumo como las alarmas de bebe han sido disponibles al
menos desde 1940. También, una motivación principal para la comunicación sobre líneas
de corriente ha sido poder realizar el manejo de carga en un futuro. [17]
En los años 50 se había creado un sistema que permitía a las empresas de energía controlar
el consumo, el encendido del alumbrado público y el valor de las tarifas eléctricas por
medio de una señal de baja frecuencia (100 Hz) que viajaba a través de los cables de la red
en un solo sentido. A mediados de los 80 se iniciaron investigaciones sobre el empleo de
los cables eléctricos como medio de transmisión de datos y a fines de esa década ya se
33
conseguía transmitir información en ambas direcciones. A finales de los 90 se consiguió
que esta transmisión se realizara a velocidades suficientemente elevadas. [18]
2.1.2 Ventajas
Utiliza la infraestructura ya existente, es decir el cableado eléctrico, por lo que no es
necesario ningún tipo de obra adicional.
Cualquier enchufe en una casa es suficiente para estar conectado.
Posibilidad de crear redes de datos domesticas utilizando el cableado existente.
Su instalación es muy rápida por parte del cliente.
Es posible combinarla con otras tecnologías.
Por medio de micro filtros se evitan las posibles interferencias generadas por los
electrodomésticos
2.1.3 Desventajas
Tiene escasa competencia tecnológica.
La producción de los equipos necesarios es todavía escasa.
Ausencia de estándares tecnológicos para la interoperabilidad de equipos.
Oposición de las compañías telefónicas.
2.2 Instalación Domótica con el protocolo EIB
Este proyecto utiliza la tecnología EIB (European Installation Bus) que es una variante del
protocolo X10 utilizado en la mayoría de proyectos domoticos. La principal desventaja es
que necesitan un cableado adicional utilizando un cable de par trenzado adicional a la línea
eléctrica existente y la transmisión de información no es necesariamente relevante.
34
Una de las características que tiene este sistemas es que como el medio que utilizan como
bus de datos y comunicación es un par trenzado, se puede conectar a un modem y poder
monitorear o controlar vía internet la eficiencia de la casa.
2.3 Equipo para domótica Basado en el protocolo X10 con interfaz USB
El proyecto utiliza la tecnología PSoC para crear un dispositivo de sincronización con la
red eléctrica, reduciendo el número de componentes externos que se necesitarían para el
dispositivo, añadiendo que cuenta con el protocolo de comunicación USB 2.0 y una interfaz
grafica diseñada en visual studio, sin embargo debido a la característica del protocolo X10
la velocidad de transferencia que se puede obtener con este dispositivo es de 60 bps como
máximo y no se garantiza la invulnerabilidad al ruido.
2.4 Diseño de un equipo utilizando la tecnología PLC
El dispositivo a diseñar cuenta con características suficientes para cumplir los requisitos de
transmisión sobre la red eléctrica que permitan controlar de manera eficiente diferentes
instalaciones de una residencia, como primer paso se desarrollara para el control de
iluminación para HB-LEDs, pero no implica que pueda ser extendido al control de
ventanas, puertas, detección de movimiento, detección de temperatura.
Una de las mayores ventajas sobre este dispositivo a diseñar es que permite hacer
mediciones de consumo sobre la misma red eléctrica, creando redes inteligentes y eficientes
reduciendo los costos de los consumidores.
Como muestra de ello es los medidores electrónicos que usan la tecnología PLC para
transmitir la información de consumo de un cliente, y en desarrollos futuros se pretende
35
utilizar tarjetas de recarga que permitan comprar energía y basta con solo pasarlo enfrente
del medidor para que este te autorice el consumo.
En Mérida se ha llevado a cabo pruebas piloto con la tecnología PLC en 2002 con
dispositivos ASCOM, teniendo resultados con enlaces de conexiones con fibra óptica,
satélite y microondas.
Siendo estas pruebas en el área de PLC denominada BPL (broadband over Power Lines) y
que la sensibilidad al ruido es muy poca, llegando a ser casi nula dependiendo de los
elementos eléctricos del medio de transmisión.
36
CAPITULO III
Diseño
3.1 ¿Qué es PsoC?
Es el acrónimo de Programable System on Chip (o Sistema Programable sobre Chip) y es
un microcontrolador que permite el desarrollo de sistemas embebidos debido a que tiene
características analógicas como digitales configurables dentro de si mismo, permitiendo el
ahorro de componentes externos.
Fig 3.1 Programable System on Chip (PsoC)
3.1 Diseño de un dispositivo PLC con PSoC CY8CPLC20
Tomando como principal característica el núcleo reconfigurable del PSoC podemos crear
módulos de generación, transmisión y recepción de datos para la línea de corriente
eléctrica, como puede ser un generador de FSK digital embebido, cualquier clase de filtros
ya sea pasa altas, pasabandas etc. así como cualquier otra clase de dispositivo que se
necesite. Además cuenta con puertos de entrada y salida que pueden ser analógicos o
37
digitales, y que pueden proveer información adicional al sistema proveniente de sensores
actuadores o cualquier variable requerida por el sistema.
La comunicación por banda estrecha sobre líneas de corriente eléctrica es posible, mediante
la combinación de una arquitectura PSoC 1 que contiene un procesador M8C que puede
trabajar a una velocidad de 24MHz internamente sin multiplicador de frecuencia (si no
hasta 48 MHz internamente máxima), y el núcleo de trasmisión y recepción del PLC, todo
en un mismo sistema (ver fig. 3.2).
Figura 3.2 - Estructura Interna de dispositivo PLC con PSoC
El núcleo de transmisión del PLC consta de dos bloques fundamentales:
Modem de Capa Física (PHY) con modulación FSK que permita transmitir a
2400bps. con alta robustes al ruido para no tener perdidas de datos.
Un protocolo de red sobre la línea de corriente electrica, que esta definido por
Cypress Semiconductor, pero que permite la opción de crear un propio, sin embargo
el protocolo de red diseñado por Cypress Semiconductor tiene características
38
necesarias para evitar perdidad o colisones en la red como es el CSMA (Carrier
Sense Multiple Access o Acceso Multiple por Detección de Portadora) y un CRC
(Cyclic Redundancy Check o Comprobación de Redundancia Ciclica) de 8 bits en
detección de errores para minimizar la perdida de datos.
El Modem de capa física con modulación FSK básicamente esta constituido por un
Transmisor digital, un Modulador y un PGA (Programmable Gain Amplifier o
Amplificador de Ganancia Programable) que junto modulador divide el
oscilador de
frecuencia local (internamente) en un factor definido dependiendo de si el dato de entrada
es un nivel alto lógico “1” o un nivel bajo lógico “0”. Entonces genera una onda cuadrada
de 133.3 kHZ (0 lógico) o 131.8kHz (1 lógico), que alimenta al PGA para generar la señal
modulada FSK e introducirla al circuito de acoplamiento para poder ser transmitido sobre
la red eléctrica.
Figura 3.3 – Estructura Interna del Modem FSK de Capa Física (PHY)
39
La señal entrante FSK de la red eléctrica pasa a un filtro pasa banda de alta frecuencia que
elimina los componentes de frecuencia que no están dentro del rango y da una señal filtrada
dentro del espectro deseado de 125 kHz a 140 kHz. El mezclador multiplica la señal filtrada
FSK con un generador de señales interno para producir frecuencias heterodinas.
El filtro pasa banda de frecuencias intermedias (IF) remueve el ruido que esta fuera de la
banda como requerimiento para el proceso de demodulación. Esta señal alimenta a un
correlador, que produce un componente de DC (consistente con los estados lógicos “1” y
“0”) y un componente de alta frecuencia.
La salida del correlador entra a un filtro pasa bajo (LPF) que solo envía los datos digitales
demodulados a 2400 bps y suprime todos los componentes de alta frecuencia generados en
el proceso de correlación. La salida del LPF es digitalizada por un comparador de
histéresis, esto elimina los efectos de retraso de correlación y disparos lógicos falsos debido
al ruido. [19]
3.2 Descripción del dispositivo CY8CPLC20
Figura 3.4 – Selección del Modem FSK con protocolo de Red.
40
Como se puede apreciar en la fig. 3.4, el tipo de dispositivo PLC que se va a diseñar consta
de una aplicación personalizada con respecto a lo que se desea transmitir o utilizar, en este
caso el envió de valores tomados desde un potenciómetro para modificar la intensidad de la
luz, y las otras dos partes son el protocolo de red definido por Cypress Semiconductor y el
diseño del modem de capa física con modulación FSK.
La fig. 3.5 proporciona una vista general del entorno de trabajo del dispositivo PLC, es en
esta pantalla donde se selecciona el modulo de usuario “Power Line Communications” y se
generan los bloques analógicos y digitales necesarios para realizar el modem de capa física
y el protocolo de red.
Modulo de Usuario
Power Line
Communications
Figura 3.5 – Entorno de Configuración del Dispositivo PLC (PSoC Designer 5.2)
41
Como se puede apreciar en la fig. 3.6 muestra los bloques digitales que se requieren para el
dispositivo PLC y los puertos de entrada y salida de las señales generadas. Las cuales ya
están predeterminadas dependiendo del tipo de encapsulado, (un dispositivo de 48 pines
tendrá esta misma configuración pero uno de 28 serán modificados).
Bloques Digitales
Figura 3.6 – Bloques Digitales del Dispositivo PLC
Así mismo los bloques analógicos necesarios que se pueden apreciar en la fig. 3.7 donde
cabe resaltar que existen elementos digitales tales como multiplexores que permiten
encaminar diferentes puertos o “pines” y no estar limitado en periféricos de entrada.
42
Bloques Analógicos
Figura 3.7 – Bloques Analógicos del Dispositivo PLC
3.2.1 Configuración del dispositivo CY8CPLC20 mediante el Asistente
En la fig. 3.8 se puede apreciar el asistente de configuración del dispositivo, y es en este
donde se configuran varios parámetros principales del PLC, uno de ellos es la razón de
transferencia en baudios, las ganancias de transmisión y recepción bajo los estándares
CENELEC EN 50065-1 y FCC part 15, el umbral de nivel de ruido, que es muy importante
para no tener interferencia generada por dispositivos que se encuentra alrededor del PLC.
43
El ancho de banda del canal, donde se aprecia que está configurado a una desviación
estándar de 3kHz, el reconocimiento de destinos y fuentes es del tipo de direccionamiento
lógico (Logical Address, LA=1 - source, LA=2 - destination)
Figura 3.8 – Asistente de Configuración del Dispositivo PLC
En la Tabla 3.1 se da una descripción detallada de cada uno de los parámetros de
configuración, así como los valores predeterminados que define el protocolo de red sobre
líneas de corriente eléctrica cypress semiconductor.
44
Tabla 3.1. Parámetros de Configuración del Modem PHY
45
Continuación Tabla 3.1.
3.2.2 Descripción de la comunicación entre los Dispositivos PLC
La comunicación que se da entre ambos dispositivos es un proceso simple, por que el
usuario configura el dispositivo con los parámetros de transmisión estándar y se enfoca al
desarrollo de aplicaciones personalizadas teniendo la gran ventaja de que poder utilizar la
características de un microcontrolador normal obteniendo variables de diferentes sensores y
actuadores y poder transmitir dicha información sobre la línea eléctrica,.
46
La fig. 3.9 muestra en un diagrama de flujo simplificado esta comunicación y el despliegue
de resultados.
Figura 3.9 Proceso de Comunicación Simplificado entre dos Dispositivos PLC
El algoritmo general de transmisión de datos entre dos dispositivos se muestra en la
Fig.3.10, donde hace lo siguiente:
1
Detecta si el pin de direccionamiento esta en un valor ALTO lógico si detecta un
“1” se configura el dispositivo como Fuente, de lo contrario será Destino.
2
En el dispositivo de destino pregunta si ha llegado un Mensaje o Información
del otro dispositivo PLC, en caso afirmativo incrementa la variable de contador
de recibido y lo despliega en el LCD, si no pregunta si el Dispositivo de
Transmisión esta en modo activo.
3
Si el dispositivo de transmisión esta activo comienza la transmisión de datos y la
variable contador de envios TX se incrementa de manera que vaya enviándose
cada dato.
47
4
Si el dispositivo de recepción reconoce un dato recibido incrementa la variable
contador de sucesos TX y lo despliega en el LCD.
5
La interrupción por puerto se da cada ves que se presiona el botón y esta
configura los dispositivos de modo inverso y regresa al programa principal.
Figura 3.10 - Algoritmo General de Comunicación entre los Dispositivos PLC
48
3.3 Circuito de Acoplamiento
Tal vez sea esta parte del diseño la más primordial, debido
que se realiza aquí el
acoplamiento con la línea eléctrica y el dispositivo PLC.
Figura 3.11 – Circuito de Acoplamiento de Alto Voltaje
La etapa de Transmisión y Amplificación consta de un filtro que permite transmitir la señal
FSK del dispositivo PLC sobre la red eléctrica pasando por un proceso de amplificación
debido a que la señal FSK generada en el dispositivo tiene una baja amplitud
(aproximadamente 125 mVp-p). El filtro de transmisión consta de un filtro pasa banda de
respuesta Chebyshev de cuarto orden, diseñado para un rizo de banda de paso de 1.5dB.
esto provee 16.5 dB de ganancia en la frecuencia central de 133kHz y tiene una supresión
de -20dBc en el limite de banda de 150 kHz, y - 50 dBc y – 60 dBc en el segundo y tercer
armónico de la portadora, respectivamente. La respuesta del filtro de transmisión se
muestra en la fig. 3.12.
49
Figura 3.12 Respuesta en frecuencia del Filtro de Transmisión
La etapa de recepción consta de un capacitor (c10) que provee aislamiento de DC, el
resistor (R10) provee una señal de impedancia de entrada para el receptor. Este resistor en
combinación con el diodo dual de barrera Schottky (D6), provee una señal limitada para
proteger el circuito de recepción de las señales transmitidas con alta amplitud y cualquier
señal externa acoplada desde la línea. El filtro de recepción integrado por la bobina (L5) y
el capacitor (C41), en combinación con la resistencia (R10), proporciona algún rechazo de
la interferencia fuera de banda, como señales emitidas de AM. Los resistores (R9) y (R11)
configuran el voltaje de polarización requerido en VCC/2 en el pin de recepción del
dispositivo PLC: la respuesta en frecuencia del filtro de recepción se puede observar en la
fig. 3.13. [20] [21]
Figura 3.13 – Respuesta en Frecuencia del Filtro de Recepción
50
CAPITULO IV
Conclusiones y Resultados
4.1 Resultados
Se comprobó de manera experimental que las señales FSK generadas del dispositivo fueran
las correctas. En la fig. 4.1 se puede observar una secuencia periódica de frecuencias que
representan las señales FSK que se están transmitiendo desde el dispositivo FSK.
Figura 4.1 – Medición Experimental de las Señales FSK generadas
51
Mejorando la división de tiempo por voltaje, podremos hacer una mejor observación de la
señal.
En la fig. 4.2 se puede observar que la frecuencia instantánea que tomo el osciloscopio fue
de 133.2 kHz lo que representa un “0” lógico e indica que el circuito de acoplamiento
cumple con las características de diseño que se propusieron.
Debido a que la modulación se realiza en una línea de corriente eléctrica que
inherentemente tiene ruido, y que durante el trayecto se pueden mezclar nuevos
componentes de frecuencia es indispensable que los filtros de transmisión y recepción
tengan un THD (Total Harminic Distortion o Distorción Harmonica Total), sea menor a
-60dB y la ganancia del ancho de banda (GBW) sea mayor a 50 MHz.
Figura 4.2 – Señal FSK de un “0” lógico
52
Se comprobo que la señal generada para un “1” lógico también correspondiera o estara
dentro del rango de frecuencias permitidas, en la fig. 4.3 se obtuvo una captura de un dato
transmitido con un valor de “1” y la frecuencia obtenida fue de 130.3 kHz estando muy
cerca de 131.8 kHz que es la frecuencia maxima que representa el valor lógico de “1”.
Figura 4.3 – Señal FSK de un “1” lógico
El los LCD se pueden observar que cuando se transmite un dato se van actualizando los
valores de las variables de envió y recepción. Como se puede observar en la fig. 4.4 los
valores actuales de las variables se actualizan cada vez que un dato es recibido.
53
Figura 4.4Variables de envió y recepción a) Dispositivo de Transmisión, b) Dispositivo de Recepción
a)
b)
4.2 Conclusiones
La transmisión de datos a través de la línea eléctrica es una opción viable debido al nuevo
desarrollo de dispositivos amigables que permiten el uso de esta nueva forma de
comunicación, demostrando también que los protocolos utilizados en el área de la domótica
como el X10 son obsoletos y que tienen una mayor sensibilidad al ruido, debido a que se
sincronizan con la red eléctrica, mientras que los dispositivos PLC introducen señales de
alta frecuencia sobre la misma red y generan una modulación permitiendo disminuir la
54
vulnerabilidad al ruido debido a que se puede filtrar un determinado ancho de banda
deseable de operación, además de que no se necesita complicados códigos de casa que
define el protocolo X10, siendo lento y complejo.
Una de las características importantes también del uso de tecnología PLC es el hecho de
que puede ser compatible con otros tipos de tecnologías como el Bluetooh, WiFi, etc.
además de que mantiene las características de un microcontrolador que puede operar con
variables externas que son transmitidas desde sensores.
4.3 Futuros Desarrollos
4.3.1 Corto Plazo
Se Mejorara el diseño de transmisión para poder tomar valores de un potenciómetro y hacer
el dimeo de luces, ya que ahorita solo se realizo la configuración como On- Off de un par
de HB-LEDs.
4.3.2 Mediano Plazo
Se implementara una interfaz grafica mediante LabVIEW en una computadora por puerto
USB y poder controlar RGB HB-LEDs
4.3.3 Largo Plazo
Se implementara tecnología CapSense de PSoC para poder utilizar dispositivos táctiles que
permitan ser la central de mando de la casa en general tales como pantallas táctiles, así
como introducir tecnología Bluetooh o WiFi a para que pueda ser también utilizado por un
Smartphone.
55
Anexos
La tarjeta de desarrollo CY3274 de Cypress Semiconductor permite familiarizarse con la
tecnología PLC, se necesitan como mínimo dos módulos para poder realizar pruebas de
conexión entre ambos dispositivos.
56
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