Energy Meter with Ethernet Interface

(1)

VYSOK ´

E U ˇ

CEN´I TECHNICK ´

E V BRN ˇ

E

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA INFORMA ˇ

CN´ICH TECHNOLOGI´I

´

USTAV PO ˇ

C´ITA ˇ

COV ´

YCH SYST ´

EM ˚

U

FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF COMPUTER SYSTEMS

ELEKTROM ˇ

ER S ROZHRAN´IM ETHERNET

BAKAL ´

A ˇ

RSK ´

A PR ´

ACE

BACHELOR’S THESIS

AUTOR PR ´

ACE

TOM ´

A ˇ

S BINEK

AUTHOR

(2)

VYSOK ´

E U ˇ

CEN´I TECHNICK ´

E V BRN ˇ

E

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA INFORMA ˇ

CN´ICH TECHNOLOGI´I

´

USTAV PO ˇ

C´ITA ˇ

COV ´

YCH SYST ´

EM ˚

U

FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY DEPARTMENT OF COMPUTER SYSTEMS

ELEKTROM ˇ

ER S ROZHRAN´IM ETHERNET

ENERGY METER WITH ETHERNET INTERFACE

BAKAL ´

A ˇ

RSK ´

A PR ´

ACE

BACHELOR’S THESIS

AUTOR PR ´

ACE

TOM ´

A ˇ

S BINEK

AUTHOR

VEDOUC´I PR ´

ACE

Ing. JOSEF H ´

AJEK

SUPERVISOR

(3)

Abstrakt

Tato práce je vˇenována problematice mˇeˇren´ı elektrické energie s pomoc´ı vestavˇených systém˚u s následnou moˇznost´ı odes´ılán´ı dat do poˇc´ıtaˇcové s´ıtˇe. Jsou rozebrány základn´ı principy fun-gován´ı analogových a digitáln´ıch elektromˇer˚u.

Souˇcást´ı práce je návrh elektromˇeru s rozhran´ım Ethernet, zaloˇzeného na integrovaném obovdu MCP3909 a mikrokontroleru PIC18F97J60. V implementaˇcn´ıˇcásti je navrˇzen postup pro prezentaci dat mˇeˇriˇce pomoc´ı HTML stránky a jej´ı zpracován´ı na pˇripojeném poˇc´ıtaˇci.

Abstract

This thesis is dedicated to the means of measuring electrical power consuption by embed-ded systems with subsequent ability to present data on a computer network. The basic principles of operation of analogue and digital energy meters are discussed.

The thesis contains a design of an Ethernet-enabled energy meter based on MCP3909 inte-grated circuit and microcontroller PIC18F97J60. A way of presenting energy meter output using a HTML page and parsing this page on a PC is suggested in the implementation part of this document.

Kl´ıˇ

cov´

a slova

elektromˇer, ethernet, MCP3909, PIC18F97J60

Keywords

energy meter, ethernet, MCP3909, PIC18F97J60

Citace

Tomáˇs Binek: Elektromˇer s rozhran´ım Ethernet, bakaláˇrská práce, Brno, FIT VUT v Brnˇe, 2011

(4)

Elektromˇ

er s rozhran´ım Ethernet

Prohl´

aˇ

sen´ı

Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto bakaláˇrskou práci vypracoval samostatnˇe pod veden´ım pana ing. Josefa Hájka

. . . . Tom´aˇs Binek 17. kvˇetna 2011

Podˇ

ekov´

an´ı

T´ımto bych rád podˇekoval vedouc´ımu práce ing. Hájkovi za vstˇr´ıcnou pomoc v kaˇzdé situaci. A d´ık také patˇr´ı ing. ˇSimkovi za praktické rady pˇri mém prvn´ım osazován´ı SMD souˇcástek.

c

Tom´aˇs Binek, 2011.

Tato práce vznikla jako ˇskoln´ı d´ılo na Vysokém uˇcen´ı technickém v Brnˇe, Fakultˇe in-formaˇcn´ıch technologi´ı. Práce je chránˇena autorským zákonem a jej´ı uˇzit´ı bez udˇelen´ı oprávnˇen´ı autorem je nezákonné, s výjimkou zákonem definovaných pˇr´ıpad˚u.

(5)

Obsah

1 Uvod´ 3

2 Mˇeˇren´ı spotˇreby elektrick´e energie 4

2.1 Historick´e souvislosti . . . 4

2.2 Matematick´y z´aklad mˇeˇren´ı . . . 4

2.3 Princip elektromechanick´eho elektromˇeru . . . 6

2.3.1 Z´akladn´ı prvky . . . 6

2.3.2 Hlin´ıkov´y disk . . . 6

2.3.3 Kompenzace tˇren´ı . . . 7

2.3.4 Pevn´e magnety . . . 7

2.3.5 Loˇziska . . . 8

2.3.6 Zar´aˇzka . . . 8

2.4 Princip digit´aln´ıho elektromˇeru . . . 8

2.4.1 Mˇeˇren´ı napˇet´ı a proudu . . . 8

2.4.2 Proudov´y kan´al . . . 9

2.4.3 Napˇet’ov´y kan´al . . . 10

2.4.4 Pˇrevod na v´ykon - metody n´asoben´ı . . . 11

2.4.5 V´ystup . . . 14

2.5 Chyby mˇeˇren´ı . . . 14

2.5.1 Obecn´a klasifikace chyb . . . 14

2.5.2 Chyby specifick´e pro digit´aln´ı elektromˇery . . . 15

3 Vestavˇen´e syst´emy s rozhran´ım Ethernet 17 3.1 Ethernet . . . 17

3.1.1 V´yvoj . . . 17

3.1.2 Standard IEEE 802.3 . . . 19

3.1.3 Vrstva MAC . . . 19

3.1.4 Vrstva PHY . . . 20

3.1.5 Nepovinn´a rozˇs´ıˇren´ı . . . 22

3.2 Ethernet pro vestavˇen´a zaˇr´ızen´ı . . . 22

3.2.1 Radiˇˇ c Ethernetu ENC28J60 . . . 23

3.2.2 Rada MCU PIC18F s integrovan´ˇ ym Ethernetov´ym ˇradiˇcem . . . 23

3.3 Microchip TCP/IP Stack . . . 24

4 N´avrh zaˇr´ızen´ı 26 4.1 Dostupn´a zaˇr´ızen´ı na trhu . . . 26

4.1.1 Web Enabled Meter firmy Energy Tracking . . . 26

(6)

4.1.3 Tweet-a-watt . . . 26

4.1.4 Shrnut´ı . . . 27

4.2 V´ybˇer integrovan´eho obvodu mˇeˇriˇce . . . 27

4.3 Rozdˇelen´ı pˇr´ıpravku . . . 27

4.4 Blokov´e schema . . . 28

4.5 Propojen´ı desek . . . 28

4.6 Nap´ajec´ı zdroj . . . 28

4.7 Proudov´y senzor . . . 29

4.8 Napˇet’ov´y senzor . . . 29

4.9 Vizu´aln´ı signalizace spotˇreby . . . 29

4.10 V´ybˇer MCU . . . 30

4.10.1 Vlastnosti MCU . . . 30

4.10.2 Pˇripojen´ı k poˇc´ıtaˇcov´e s´ıti pomoc´ı RJ-45 . . . 31

5 Realizace hardwaru a v´ysledky 32 5.1 Zdroj. . . 32

5.2 Dˇeliˇc napˇet´ı . . . 32

5.3 MCU. . . 32

6 Implementace softwaru 36 6.1 Microchip TCP/IP stack. . . 36

6.2 Vytváˇren´ı dynamických stránek na MCU . . . 36

6.2.1 Demonstraˇcn´ı aplikace . . . 36

6.3 Zpracov´an´ı dat z mˇeˇriˇce . . . 37

6.4 Skript k pr˚ubˇeˇzn´emu odeˇc´ıt´an´ı spotˇreby . . . 38

7 Z´avˇer 40

(7)

Kapitola 1

´

Uvod

Spotˇreba energie po celém svˇetˇe vzr˚ustá a nemalá ˇcást této energie je dodávána ve formˇe energie elektrické. Abychom mohli energii odebrat, mus´ı se vyrobit a k nám dopravit. Aby se mohla vyrobit a dopravit, mus´ı se zaplatit. A abychom zaplatili, mus´ı se mnoˇzstv´ı energie zmˇeˇrit. Proto je jednou z kl´ıˇcových oblast´ı v elektroenergetice jiˇz od jej´ıch poˇcátk˚u mˇeˇren´ı. Vývoj elektromˇeru a poˇzadavky na nˇej jsou do znaˇcné m´ıry svázány s rozvojem a vyuˇzit´ım elektrické energie obecnˇe. Od prvn´ıch zaˇr´ızen´ı, mˇeˇr´ıc´ıch pouze dobu sepnut´ı obvodu, pˇres novˇejˇs´ı mˇeˇriˇce berouc´ı v úvahu proud i napˇet´ı, po modern´ı digitáln´ı zaˇr´ızen´ı schopná mˇeˇrit velmi pˇresnˇe i mnohem ˇsirˇs´ı charakteristiky odbˇer˚u.

Ceny energi´ı nav´ıc stále rostou, coˇz vytváˇr´ı tlak na pˇresnost mˇeˇren´ı ze strany spotˇrebitel˚u a nav´ıc vede k hledán´ı moˇznosti úspor v rámci podnik˚u i domácnost´ı. Tento fakt opˇet vede ke zvýˇsené poptávce po r˚uzných typech elektromˇer˚u, aby se dalo pˇresnˇe zjistit, ve kterých m´ıstech vzniká jaký odbˇer a t´ım identifikovat moˇzné úpravy vedouc´ı ke sn´ıˇzen´ı náklad˚u.

V posledn´ı dobˇe se také stále ˇcastˇeji zmiˇnuje hledisko enviromentáln´ı ˇsetrnosti, které mimo jiné prosazuje odbourán´ı zbyteˇcné spotˇreby energie vˇseho druhu. Vyp´ınán´ı svˇetel v prázdných m´ıstnostech a zjiˇst’ován´ı spotˇreby zaˇr´ızen´ı v reˇzimu stand-by jsou dva pˇr´ıklady ˇsetˇren´ı elektrickou energi´ı. I toto hledisko tedy pˇredstavuje impuls smˇerem k pˇresnˇejˇs´ımu mˇeˇren´ı spotˇreby v rámci jednotlivých zaˇr´ızen´ı uvnitˇr soukromých dom˚u a byt˚u.

Tato bakaláˇrská práce se zabývá návrhem a vytvoˇren´ım jednofázového elektromˇeru s rozhran´ım Ethernet, který je schopen odes´ılat údaje o aktuáln´ı spotˇrebˇe pˇripojeného zaˇr´ızen´ı do poˇc´ıtaˇcové s´ıtˇe. Zaˇr´ızen´ı je zaloˇzeno na integrovaném obvodu MCP3909 pro vlastn´ı mˇeˇren´ı elektrické energie a mikroprocesoru z rodiny PIC18F s integrovaným Eth-ernetovým ˇradiˇcem. Na ˇzádost ze strany pˇripojeného poˇc´ıtaˇce mikroprocesor pˇres sbˇernici SPI zjist´ı aktuáln´ı údaj o spotˇrebˇe a vygeneruje HTML stránku s odpovˇed´ı. V´ıce o pr˚ubˇehu z´ıskáván´ı a odes´ılán´ı dat se doˇctete v kapitole6.

Jeˇstˇe neˇz se pust´ıme do návrhu implementace zaˇr´ızen´ı, je tˇreba uvést alespoˇn jemný his-torický kontext a popsat základn´ı teorii mˇeˇren´ı elektrické energie. To, spolu s popisem dvou nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch typ˚u elektromˇer˚u, zajiˇst’uje kapitola2. Dalˇs´ı podstatnou funkc´ı zaˇr´ızen´ı je zpracován´ı dat mˇeˇriˇce pomoc´ı mikroporcesru a odes´ılán´ı pˇres Ethernet. Kapitola3proto poskytuje základn´ı popis vestavˇených zaˇr´ızen´ı s komunikac´ı pomoc´ı Ethernetu. Vlastn´ımu návrhu zaˇr´ızen´ı na úrovni komponent a ploˇsných spoj˚u se vˇenuje kapitola 4, na kterou navazuje kapitola6, popisuj´ıc´ı implementaci softwarové ˇcásti projektu. Celou práci potom uzav´ırá zhodnocen´ım výsledk˚u a výhledem k budouc´ım zlepˇsen´ım kapitola 7.

(8)

Kapitola 2

Mˇ

eˇ

ren´ı spotˇ

reby elektrick´

e energie

Tato kapitola popisuje historický vývoj mˇeˇriˇc˚u elektrické energie, matematické vyjádˇren´ı d˚uleˇzitých fakt˚u a vztah˚u, dále princip fungován´ı dvou v souˇcastosti pouˇz´ıvaných typ˚u – indukˇcn´ıho a digitáln´ıho a nastiˇnuje chyby vznikaj´ıc´ı v pr˚ubˇehu mˇeˇren´ı.

2.1 Historick´

e souvislosti

Informace o vývoji elektromˇer˚u jsou ˇcerpány z [2]. Neˇz se zaˇcala mˇeˇrit skuteˇcná spotˇreba elektrické energie, jej´ı vyuˇzit´ı bylo pˇredevˇs´ım v napájen´ı obloukových lamp. Proto se zpoˇcátku pouˇz´ıvala fixn´ı sazba za poˇcet lamp na jeden mˇes´ıc. Prvn´ı mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroj se objevil kolem roku 1872. Patent pro Samuela Gardinera byl vydán na zaˇr´ızen´ı, které fungovalo jako hodiny, které bˇeˇzely pokud byl sepnutý obvod. Pozdˇeji, s nástupem stˇr´ıdavých rozvod˚u, byl vyvinut elektromˇer mˇeˇr´ıc´ı v ampérhodinách. Tento postup se pouˇz´ıval aˇz do roku 1894, kdy stále ˇcastˇejˇs´ı pouˇzit´ı elektromotor˚u vyvolalo snahu vyrobit mˇeˇriˇc, který by vzal v ´

uvahu jak proud, tak napˇet´ı. Toho bylo dosaˇzeno téhoˇz roku, kdy R. Schallenberger up-ravil sv˚uj dˇr´ıvˇejˇs´ı náhodný objev rotace objektu p˚usoben´ım magnetických pol´ı do komerˇcnˇe pouˇzitelného wattmetru. Nutno ale uvést, ˇze objev rotace kovového tˇelesa p˚usoben´ım dvou o 90◦ posunutých magnetických pol´ı objevil uˇz roku 1885 Galileo Ferraris. Dneˇsn´ı in-dukˇcn´ı elektromˇery funguj´ı v zásadˇe na stejném principu i pˇresto, ˇze proˇsly dlouho dobou vývoje, která znamenala zmˇeny pˇredevˇs´ım v uloˇzen´ı rotuj´ıc´ıho kotouˇce (

”jewel bearing“ bylo nahrazeno kuliˇckovým loˇziskem a pozdˇeji magnetickým loˇziskem), systému brzdˇen´ı kotouˇce (bouˇr´ım odolné magnety), pˇridán´ı teplotn´ı kompenzace a zvýˇsen´ı mˇeˇr´ıc´ıho rozsahu. Tento typ elektromˇeru je i v dneˇsn´ı dobˇe stále jeˇstˇe pouˇz´ıvaný (d´ıky své velmi dlouhé ˇzivotnosti – bˇeˇznˇe 30 let). Avˇsak s nástupem digitáln´ıch technologi´ı se zaˇcaly objevovat digitáln´ı ˇc´ıtaˇce pˇripojené k indukˇcn´ımu mˇeˇriˇci a poté, v devadesátých letech 20. stolet´ı, jiˇz plnˇe digitáln´ı elektromˇery.

2.2 Matematick´

y z´

aklad mˇ

eˇ

ren´ı

Ve stˇr´ıdav´e s´ıti lze napˇet´ı popsat vztahem

u(t) =Umax·sin(ωt) (2.1)

kde

Umax je amplituda napˇet´ı

(9)

tje ˇcas.

V distribuˇcn´ı s´ıti n´ızkého napˇet´ı v ˇCR upravuj´ı tyto hodnoty normy CSN 33 0120 Elek-ˇ trotechnické pˇredpisy – Normalizovaná napˇet´ı IEC (vydán´ı srpen 2001) a CSN 33 0121ˇ Elektrotechnické pˇredpisy – Jmenovitá napˇet´ı veˇrejných distribuˇcn´ıch s´ıt´ı nn (vydán´ı srpen 2001).

Jejich hodnoty jsou Umax = 230·

√

2= 325 V.

ω= 2πf = 2π·50 Hz= 314 rad/s...

Po pˇripojen´ı z´atˇeˇze zaˇcne obvodem prot´ekat proud. Pr˚ubˇeh proudu popisuje vztah i(t) =Imax·sin(ωt+φ) (2.2)

kde

Imax je amplituda proudu

ω je ´uhlov´a frekvence tje ˇcas

φje f´azov´y posuv v˚uˇci napˇet´ı.

Fázový posuv závis´ı na charakteru zátˇeˇze. Pro ˇcistˇe rezistivn´ı zátˇeˇz bude roven nule, pro indukˇcn´ı zátˇeˇz bude nabývat záporných hodnot, protoˇze se proud bude zpoˇzd’ovat za napˇet´ım a pro kapacitn´ı zátˇeˇz bude naopak kladný.

Ve stejnosmˇerných obvodech je vyjádˇren´ı a výpoˇcet výkonu velice jednoduché. Vypoˇc´ıtá se vynásoben´ım napˇet´ı a proudu v obvodu. Ve stˇr´ıdavých obvodech je princip stejný, ale d´ıky periodickým pr˚ubˇeh˚um obou veliˇcin a jejich vzájemnému posunut´ı vzniká hned nˇekolik zaj´ımavých jev˚u. Pro okamˇzitou hodnotu výkonu ve stˇr´ıdavém obvodˇe plat´ı:

p(t) =u(t)i(t) =Umaxsin(ωt+φ)Imaxsin(ωt) (2.3)

=UmaxImax((1−cos 2ωt) cosφ+ sin 2ωtsinφ) (2.4)

Z výˇse uvedeného vztahu vyplývá, ˇze pr˚ubˇeh výkonu je také sinusový, ale s dvojnásobnou frekvenc´ı oproti napˇet´ı. Toto bl´ıˇze ilustruje obrázek 2.1. Vlivem fázového posunu nemus´ı být okamˇzitý výkon v obvodˇe vˇzdy kladný. Jinak ˇreˇceno, ˇcást výkonu dodaného ze zdroje se mu pozdˇeji z obvodu zase vrac´ı, aniˇz by vykonalo jakoukoli uˇziteˇcnou práci. Tento výkon se nazývájalový výkon. Pokud bychom zapojili do obvodu pouze ideáln´ı c´ıvku nebo ideáln´ı kondenzátor, obvod by nekonal ˇzádnou práci i pˇresto, ˇze by j´ım tekl proud. Pro popis této skuteˇcnosti se pouˇz´ıvá úˇcin´ık, který je definován jako kosinus fázového posuvu. Znaˇc´ı se cosφ. Pokud souˇcin proudu a napˇet´ı vynásob´ıme jeˇstˇe hodnotou úˇcin´ıku, dostaneme ˇcinný výkon v obvodˇe.

pc(t) =u(t)i(t) cosφ (2.5)

Tento výkon se nevratnˇe zmˇen´ı na jiné formy energie a koná tedy práci. Opak k ˇcinnému výkonu je výkon jalový, který se pouze pˇrelévá mezi spotˇrebiˇcem a zdrojem. N´ızké hodnoty ´

uˇcin´ıku (a t´ım tedy vysoké hodnoty jalového výkonu) jsou v praxi neˇzádouc´ı, protoˇze zname-naj´ı zbyteˇcné proudové nároky obvodu a t´ım také i vyˇsˇs´ı ztráty na veden´ı. Pro pr˚umyslové spotˇrebitele je dokonce stanovena zákonem ˇc. 222/1994 Sb. povinnost kompenzovat in-dukˇcn´ı charakter úˇcin´ıku tak, aby dosahoval hodnoty minimálnˇe 0.95. Pro domácnosti tato povinnost neplat´ı.

Z hlediska praktického mˇeˇren´ı nás nejv´ıce zaj´ımá hodnota ˇcinného výkonu, protoˇze to je hodnota, za kterou plat´ıme.

(10)

-Um -Im 0 Im Um

-fi 0 pi/2 pi 3pi/2 2pi 5pi/2 u(t)

i(t) p(t)

Obrázek 2.1: Pr˚ubˇeh napˇet´ı, proudu a výkonu ve stˇr´ıdavém obvodˇe

Celková spotˇrebovaná energie za daný ˇcasový úsek se vypoˇc´ıtá jako integrál ˇcinného výkonu podle ˇcasu.

W = Z t1 t0 pc(t)dt= Z t1 t0 u(t)i(t) cosφdt (2.6)

Z uvedené rovnice je vidˇet, ˇze libovolný elektromˇer mus´ı brát v úvahu jak velikost proudu, tak i napˇet´ı.

2.3 Princip elektromechanick´

eho elektromˇ

eru

Jak jiˇz bylo uvedeno v sekci 2.1, prvn´ı indukˇcn´ı elektromˇery se objevily okolo roku 1894 a i dneˇsn´ı modely jsou zaloˇzeny na stejn´em principu. Tato podkapitola je zaloˇzena na informac´ıch z [6].

2.3.1 Z´akladn´ı prvky

Na obrázku 2.2 m˚uˇzeme vidˇet základn´ı ˇcásti indukˇcn´ıho elektromˇeru a jejich uspoˇrádán´ı uvnitˇr pˇr´ıstroje. Indukˇcn´ı elektromˇer se skládá z hlin´ıkového disku na osce, elektromagnetu, brzd´ıc´ıch magnet˚u, proudové c´ıvky a napˇet’ových c´ıvek. Pˇr´ıstroj bere d´ıky své konstrukci v úvahu i úˇcin´ık a hlin´ıkový disk se otáˇc´ı rychlost´ı úmˇernou napˇet´ı proudu a fázovému posunu, takˇze mˇeˇr´ı ˇcinný výkon na zátˇeˇzi.

2.3.2 Hlin´ıkov´y disk

Disk se otáˇc´ı d´ıky p˚usoben´ı v´ıˇrivých proud˚u, které vznikaj´ı jako d˚usledek zmˇen magnet-ického toku v okol´ı disku. Tento magnetický tok zajiˇst’uje elektromagnet na nˇemˇz jsou

(11)

Obr´azek 2.2: Z´akladn´ı prvky indukˇcn´ıho elektromˇeru, pˇrevzato z [6]

navinuty proudové c´ıvky a napˇet’ová c´ıvka. Toˇcivý moment mus´ı být nejvˇetˇs´ı v pˇr´ıpadˇe jed-notkového úˇcin´ıku. Toho se dosahuje co nejpˇresnˇejˇs´ı kalibrac´ı fázového posuvu mezi napˇet´ım na napˇet’ové c´ıvkách v˚uˇci napˇet´ı na c´ıvkách proudových. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe by mˇel být tento posuv 90◦. Správného nastaven´ı se dosahuje pˇridán´ım nˇekolika závit˚u nakrátko k napˇet’ové c´ıvce. Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ım poˇzadavkem na disk samotný je jeho malá váha. ˇC´ım lehˇc´ı disk, t´ım menˇs´ı má setrvaˇcnost a t´ım pádem lépe reaguje na okamˇzité zmˇeny v hodnotˇe výkonu. Nav´ıc by tˇeˇzký disk v´ıce opotˇrebovával loˇziska, coˇz by vedlo ke kratˇs´ı ˇzivotnosti celého zaˇr´ızen´ı.

2.3.3 Kompenzace tˇren´ı

Dalˇs´ı závit nakrátko vˇetˇs´ıho pr˚umˇeru je k napˇet’ové c´ıvce pˇridán jako kompenzace tˇren´ı v systému. To je nutné, aby se zvýˇsil toˇcivý moment pˇri mˇeˇren´ı malých výkon˚u. Jinak by se právˇe kv˚uli tˇren´ı nemusel disk roztoˇcit. Tato kalibrace se nazývá kalibrac´ı lehké zátˇeˇze. Zároveˇn je ale potˇreba dávat pozor, aby elektromˇer neregistroval energii i v pˇr´ıpadˇe, ˇze do zátˇeˇze neteˇce ˇzádný proud. Norma stanov´ı, kolik maximálnˇe otoˇcen´ı disku za ˇcasový interval m˚uˇze nastat v pˇr´ıpadˇe odpojené zátˇeˇze. Zastaven´ı disku bez odbˇeru se v praxi dosahuje vloˇzen´ım jedné nebo nˇekolika dˇer do plochy disku. Pokud se dostane tato d´ıra pod napˇet’ovou c´ıvku, malá s´ıla magnetického toku ho nedokáˇze posunout dále a disk se t´ım zastav´ı.

2.3.4 Pevn´e magnety

Za normáln´ıch podm´ınek je ale tˇren´ı v elektromˇeru velice malé a rotor by se pohyboval pˇri mˇeˇren´ı jmenovitého výkonu znaˇcnou rychlost´ı. To nen´ı ˇzádouc´ı a proto se pˇridávaj´ı pevné

(12)

magnety, které otáˇcky disku brzd´ı. S´ıla brzdˇen´ı se nastavuje bud’ pomoc´ı zmˇeny polohy magnet˚u, kdy posunut´ım magnetu smˇerem k okraji disku se zvyˇsuje brzd´ıc´ı efekt, nebo pouˇzit´ım magnetického boˇcn´ıku, který je pˇribliˇzován nebo oddalován od magentu a t´ım odvád´ı v´ıce nebo ménˇe jeho magnetického toku od rotuj´ıc´ıho disku.

2.3.5 Loˇziska

Loˇziska jsou konstruována pˇredevˇs´ım tak, aby vykazovala co nejmenˇs´ı tˇren´ı. Proto jsou pouˇz´ıvána loˇziska bˇeˇzná v kapesn´ıch hodinkách zaloˇzená na umˇelém saf´ıru nebo rub´ınu, nebo novˇeji loˇziska magnetická. Zanáˇsen´ı nebo opotˇrebován´ı loˇzisek je jednou z nejˇcastˇejˇs´ıch pˇr´ıˇcin nesprávné funkˇcnosti elektromˇeru. Loˇzisko se m˚uˇze vydˇr´ıt nebo se m˚uˇze vyskytnout zhuˇstˇen´ı maziva, které potom brzd´ı otáˇcen´ı.

2.3.6 Zar´aˇzka

Pokud nen´ıˇzádouc´ı, aby elektromˇer registroval i záporné odbˇery, m˚uˇze být vybaven zaráˇzkami. Vˇetˇsinou se jedná o ozubený krouˇzek a západku, která brán´ı pohybu v obráceném smˇeru. Vyuˇzit´ı tohoto systému vyˇzaduje kompenzaci ke tˇren´ı, které pohyb západky po zubech vyvolává, jak bylo popsáno výˇse.

V´ıcefázové elektromˇery se konstruuj´ı vˇetˇsinou jako v´ıce oddˇelených jednofázových elek-tromˇer˚u, které ale maj´ı spoleˇcnou osu rotoru, na které je navleˇceno v´ıce disk˚u.

2.4 Princip digit´

aln´ıho elektromˇ

eru

Digitáln´ı elektromˇer pracuje na principu zcela odliˇsném od elektromechanického elektromˇeru popsaného v pˇredchoz´ı podkapitole. Nav´ıc na rozd´ıl od analogového elektromˇeru neexistuje jeden vˇseobecnˇe pouˇz´ıvaný princip, ale hned nˇekolik moˇznost´ı jak pro zjiˇst’ován´ı hodnot napˇet´ı a proudu v obvodˇe, tak pro jejich násoben´ı a zpracován´ı.

2.4.1 Mˇeˇren´ı napˇet´ı a proudu

Prvn´ım krokem pro mˇeˇren´ı výkonu je mˇeˇren´ı hodnot napˇet´ı a proudu. Integrované mˇeˇriˇce pracuj´ı s hodnotami napˇet´ı , které jsou podstatnˇe menˇs´ı neˇz hodnoty vyskytuj´ıc´ı se v rozvodné s´ıti. Proto je potˇreba vhodnou metodou transformovat vysokonapˇet’ové hodnoty na jejich n´ızkonapˇet’ovou reprezentaci. V obou ˇcástech máme dvˇe nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı metody a kaˇzdá z nich má své výhody i nevýhody. Jsou to:

• Mˇeˇren´ı napˇet´ı

– Pouˇzit´ı odporov´eho dˇeliˇce

– Pouˇzit´ı transform´atoru

• Mˇeˇren´ı proudu

– Pouˇzit´ı boˇcn´ıku

– Pouˇzit´ı proudov´eho transform´atoru Popisy metod mˇeˇren´ı ˇcerpaj´ı pˇredevˇs´ım z [4] a [1].

(13)

2.4.2 Proudov´y kan´al

K pˇrevodu hodnoty proudu na mal´e napˇet´ı se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvaj´ı tyto souˇc´astky a zapojen´ı

• Boˇcn´ık (levn´e)

• Proudov´y transform´ator (pro vˇetˇs´ı proudy)

• Zpˇetnovazebn´ı transformátorový pˇrevadˇeˇc (ménˇe ˇcasté)

Boˇcn´ık

Jako proudový senzor v tomto pˇr´ıpadˇe funguje velmi malý odpor, který je pˇripojen sériovˇe k zátˇeˇzi a prot´ıká j´ım tedy stejný proud jako zátˇeˇz´ı. Na boˇcn´ık jsou kladeny zvýˇsené nároky ohlednˇe mnoˇzstv´ı vyzaˇrovaného tepla a tepelné stability, protoˇze pˇri mˇeˇren´ı vyˇsˇs´ıch proud˚u i na malých odporech vzniká relativnˇe velký ztrátový výkon. Viz tabulka 2.4.2. Dále je

I = 1A I = 5A I = 10A I = 17A R = 200µΩ 200µ 5m 20m 57m

R = 1 mΩ 1m 25m 100m 289m

R = 300 mΩ 300m 7.5 30 86 Tabulka 2.1: Ztrátový výkon na mˇeˇr´ıc´ım boˇcn´ıku [W]

pˇri pouˇzit´ı boˇcn´ıku poˇc´ıtat s ovlivˇnován´ım hodnoty mˇeˇreného proudu samotným boˇcn´ıkem zvláˇstˇe v pˇr´ıpadech, kdy jiˇz nen´ı hodnota odporu boˇcn´ıku zanedbatelná vzhledem k hodnotˇe odporu zátˇeˇze, tzn. Pˇri mˇeˇren´ı vˇetˇs´ıch výkon˚u. Tato chyba se ale dá spoˇc´ıtat pˇri znalosti hodnoty napˇet´ı zdroje (tedy s´ıt’ového napˇet´ı) a hodnoty boˇcn´ıku. Poté m˚uˇzeme provést korekci namˇeˇrené hodnoty. Dále boˇcn´ık vykazuje parazitn´ı indukˇcnost se kterou je potˇreba poˇc´ıtat a vhodnˇe ji kompenzovat zaˇrazen´ım RC ˇclánku. Postup pro výpoˇcet tohoto ˇclánku lze nalézt v [1]. Posledn´ı nevýhodou boˇcn´ıku je fakt, ˇze mˇeˇr´ıc´ı obvod je pˇr´ımo napojen na vysokonapˇet’ový mˇeˇrený obvod. Boˇcn´ık má vˇsak také svoje výhody, mezi neˇz patˇr´ı pˇredevˇs´ım n´ızká cena a linearita ve velkém rozsahu hodnot.

Proudov´y transform´ator

Druhou moˇznost´ı pro mˇeˇren´ı hodnoty proudu je pouˇzit´ı proudového transformátoru. Tento typ transformátoru (v anglické literatuˇre téˇz oznaˇcovaný jako Rogowského c´ıvka “Rogowski coil”) je zvláˇstn´ı druh transformátoru, který se umist’uje okolo mˇeˇreného vodiˇce, který takto tvoˇr´ı jeho primárn´ı vinut´ı. Zmˇenou proudu v mˇeˇreném vodiˇci se v sekundárn´ım vinut´ı in-dukuje napˇet´ı, jehoˇz velikost je pˇr´ımo úmˇerná velikosti zmˇeny proudu. Pro stˇr´ıdavé ob-vody tedy velikost napˇet´ı urˇcuje velikost proudu protékaj´ıc´ıho mˇeˇreným vodiˇcem. Výhodou pouˇzit´ı proudového transformátoru je galvanické oddˇelen´ı mˇeˇreného a mˇeˇr´ıc´ıho obvodu, které poskytuje vyˇsˇs´ı bezpeˇcnost pˇri práci, dále menˇs´ı energetické nároky obvodu (a t´ım i ménˇe vyzáˇreného tepla). Pro vysoké proudy (100A) je pouˇzit´ı této metody nutnost´ı, právˇe z d˚uvod˚u tepelných úˇcink˚u. Nevýhodou pouˇzit´ı proudového transformátoru je jeho citlivost na pˇr´ıtomnost stejnosmˇerné sloˇzky v mˇeˇreném obvodˇe. Pˇri vyˇsˇs´ıch hodnotách se dostává jádro sekundárn´ı c´ıvky do saturace a výraznˇe zhorˇsuje pˇresnost mˇeˇren´ı.

(14)

Obrázek 2.3: Zpˇetnovazebn´ı transformátorový pˇrevadˇeˇc - principiáln´ı schema R2 R1 U1 U2 0 4 7 2 9 −0 −0 0 6 ADE7763 J P8 J P10 ATTENUATION NETWORK R53 R57 R54 J P7 J P9 J P51 TP5 TP4 V2N V2P 200mV RMS TO 300mV RMS 100V RMS TO 180V RMS NEUTRAL PHASE 255k 46 255k 46 1k 46 C54 33nF C53 33nF R56 1k 46 SK1 1 SK1 2

Obrázek 2.4: Napˇet’ový dˇeliˇc - obecné schema a konkrétn´ı pouˇzit´ı

Zpˇetnovazebn´ı transform´atorov´y pˇrevadˇeˇc

Dokument [5] uvád´ı dalˇs´ı metodu pˇrevodu proudu na napˇet´ı, ˇcásteˇcnˇe podobnou výˇse zm´ınˇenému pouˇzit´ı proudového transformátoru. Jde o pouˇzit´ı transformátoru s kompenzac´ı, dle schematu na obrázku2.3. Mˇeˇrený proud Ipprocház´ı skrz primárn´ı vinut´ı transformátoru

(vˇetˇsinou c´ıvka s jednou smyˇckou vodiˇce) a vytv´aˇr´ı tak magnetick´y tok Φp. Kompenzaˇcn´ı

proud protéká kompenzaˇcn´ı c´ıvkou transformátoru, která má výraznˇe vyˇsˇs´ı poˇcet závit˚u neˇz primárn´ı a vytváˇr´ı tak magnetický tok Φc. Vinut´ı jsou konstruovány tak, aby vytváˇrely

opaˇcné magnetické toky a senzor pak tedy sn´ımá výsledný tok Φf, který je dán Φf = Φp−Φc.

Celkem pro obvod pak plat´ı:

∆Φf

Φp

= 1

1 +kcksA

(2.7) kdeksje pˇrevodn´ı konstanta magnetick´eho toku na napˇet´ı senzoru,kcje pˇrevodn´ı koeficient

výstupn´ıho napˇet´ı doln´ı propusti ku kompenzaˇcn´ımu magnetickému toku a A je celkový napˇet’ový zisk operaˇcn´ıho zesilovaˇce a doln´ı propusti.

Pˇri hodnotˇe zlomku z (2.7) 5·10−4 _{a souˇ}_cinu _k

cksA ∼= 2000 je dosaˇziteln´a pˇresnost

zapojen´ı pˇribliˇznˇe 0.05%.

Senzor m˚uˇze být konstruován jako c´ıvka (pak se jedná o kompenzovaný proudový trans-formátor), magnetorezistor nebo Hall˚uv prvek, pˇr´ıpadnˇe jiné zaˇr´ızen´ı z této kategorie.

2.4.3 Napˇet’ov´y kan´al

Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı volbou pro utlumen´ı napˇet´ı v s´ıti na hodnotu vstupu mˇeˇriˇce (typicky menˇs´ı neˇz 1V) je rezistorový dˇeliˇc napˇet´ı. Jeho základn´ı princip natolik vˇseobecnˇe známý, ˇze nen´ı potˇreba jej zde podrobnˇe popisovat. Základn´ı zapojen´ı a konkrétn´ı schematické zapo-jen´ı rezistorového dˇeliˇce v digitáln´ım elektromˇeru ukazuje obrázek 2.4. Výhoda napˇet’ového dˇeliˇce je v jeho cenˇe, protoˇze rezistory jsou velmi levné souˇcástky (ménˇe neˇz jednotky korun) – oproti napˇr´ıklad proudovému transformátoru, kde se cena pohybuje okolo sta korun.

(15)

Vysokou hodnotu odporu R1, na kterém je témˇeˇr celé napˇet´ı ze s´ıtˇe, je dobré rozdˇelit

do série menˇs´ıch. To plat´ı obzvláˇst’ v pˇr´ıpadˇe SMD proveden´ı. Rezistory tohoto typu maj´ı totiˇz tendenci mˇenit svoje vlastnosti, pokud jsou stále vystaveny vysokému napˇet´ı.

Dalˇs´ı výhoda napˇet’ového dˇeliˇce spoˇc´ıvá v jeho snadné rozˇsiˇritelnosti hned dvˇema zaj´ı-mavými moˇznostmi. Prvn´ı z nich je pouˇzit´ı dˇeliˇce zároveˇn pro pevnou kalibraci pˇr´ıstroje. V pˇr´ıpadˇe, ˇze totiˇz dˇeliˇc vytvoˇr´ıme jako delˇs´ı sérii vhodnˇe odstupˇnovaných hodnot odpor˚u a zároveˇn pˇrizp˚usob´ıme desku tak, abychom mohli jednoduˇse jednotlivé odpory zkratovat, vytvoˇr´ıme jednoduchou kalibraˇcn´ı metodu pro napˇet’ový kanál. U této metody je potˇreba m´ıt na pamˇeti, ˇze mezi prvn´ım a posledn´ım rezistorem je prakticky celé napˇet´ı s´ıtˇe, tud´ıˇz napˇet´ı zdrav´ı nebezpeˇcné.

Druhou moˇznost´ı je ovládán´ı sepnut´ı zkratovac´ıch spojek pomoc´ı MCU, které zároveˇn ˇr´ıd´ı mˇeˇriˇc. T´ım se dá dosáhnout velkého rozsahu zmˇeˇritelných napˇet´ı pomoc´ı jednoho mˇeˇr´ıc´ıho prvku. Tato metoda je pouˇzita napˇr´ıklad v [5], kde je výsledné zaˇr´ızen´ı schopno mˇeˇrit napˇet´ı v rozsahu 30V – 500V.

Alternativou k dˇeliˇci napˇet´ı je pouˇzit´ı signálového napˇet’ového transformátoru. Tato volba bude výraznˇe draˇzˇs´ı a také nároˇcnˇejˇs´ı na prostor na desce zaˇr´ızen´ı, ale na druhou stranu poskytne vlastnost, které pomoc´ı dˇeliˇce nelze dosáhnout. Tou je galvanické oddˇelen´ı obvod˚u mˇeˇriˇce od vysokonapˇet’ové ˇcásti. Ve vysokonapˇet’ových mˇeˇriˇc´ıch nebo v labora-torn´ıch pˇr´ıpravc´ıch pro studenty by pravdˇepodobnˇe bylo jedinou moˇznou volbou. Pˇri výbˇeru transformátoru je potˇreba brát ohled pˇredevˇs´ım na linearitu pˇrevodu a pˇr´ıpadné odchylky kompenzovat, pokud maj´ı systematickou formu.

Virtualizace napˇet’ov´eho kan´alu

Posledn´ı vˇec´ı, která stoj´ı za zm´ınku ohlednˇe napˇet’ového kanálu elektromˇeru je moˇznost jeho virtualizace, která je popsána v [13]. Vyuˇz´ıvá se faktu, ˇze napˇet´ı je v celé rozvodné s´ıti v rámci objektu (d˚um, byt) stejné. Napˇet’ový senzor je um´ıstˇen na jednom m´ıstˇe, napˇr´ıklad hned v rozvodné skˇr´ıni a údaje o napˇet´ı odes´ılá bezdrátovým spojen´ım k mˇeˇriˇc˚um. Jelikoˇz je potˇreba pˇresnˇe párovat pr˚ubˇehy napˇet´ı a proudu kv˚uli fázovému posuvu, mus´ı se pro komunikaci pouˇz´ıt robustn´ı synchronizaˇcn´ı protokol. Nav´ıc pˇri vyˇsˇs´ı vzorkovac´ı frekvenci vznikaj´ı nároky na m´ısto v pamˇeti, potaˇzmo rychlost bezdrátového spojen´ı mezi zaˇr´ızen´ımi. Vyuˇzit´ı se nab´ız´ı tam, kde nechceme zasahovat do jiˇz existuj´ıc´ıho obvodu (rozpojo-vat vodiˇce a podobnˇe), abychom zmˇeˇrili poˇzadované hodnoty. Napˇet’ový mˇeˇriˇc instalujeme jednou a poté uˇz staˇc´ı pouˇz´ıt nˇekterou neinvazivn´ı metodu mˇeˇren´ı proudu (proudový trans-formátor, Hall˚uv prvek) k mˇeˇren´ı proudu v poˇzadovaném m´ıstˇe. Takto je moˇzné mˇeˇrit i odbˇer celého objektu, um´ıstˇen´ım rozep´ınac´ıch proudových transformátor˚u jeˇstˇe pˇred roz-vadˇeˇc a napˇet´ı odeˇc´ıtat v domˇe. A posledn´ı zaj´ımavou moˇznost´ı vyuˇzit´ı je zjiˇstˇen´ı ztrát ve veden´ı. Pokud známe napˇet´ı na vstupu domu a napˇet´ı u konkrétn´ıho zaˇr´ızen´ı, m˚uˇzeme dopoˇc´ıtat k jakým ztrátám po cestˇe doˇslo. Je jasné, ˇze vyuˇzit´ı tohoto systému pro jeden mˇeˇriˇc by bylo neekonomické. Zm´ınˇený dokument [13] proto uvaˇzuje o nasazen´ı tam, kde je vyˇsˇs´ı poˇcet mˇeˇriˇc˚u u zaˇr´ızen´ı a mˇeˇren´ı výkonu je ˇcastým jevem.

2.4.4 Pˇrevod na v´ykon - metody n´asoben´ı

Základn´ım pˇredpokladem pro mˇeˇren´ı spotˇrebované energie je mˇeˇren´ı momentáln´ıho výkonu a jeho integrace. Následuj´ıc´ı informace vycházej´ı z [3]. Pro vytvoˇren´ı násob´ıc´ıho prvku existuj´ı dvˇe skupiny metod a i v rámci nich r˚uzné konkrétn´ı metody:

(16)

– Metoda vz´ajemn´e vodivosti

– Metoda vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Hall˚uv efekt

– Metoda ˇcasov´eho dˇelen´ı (TDM)

• Digit´aln´ı metoda n´asoben´ı

Metoda vzájemné vodivostije principiálnˇe zaloˇzena na tranzistorových zesilovaˇc´ıch,

kde prvn´ı zesilovaˇc zesiluje konstantn´ı proudIbias a na jeho v´ystupu je tedy proud, kter´y

je pˇr´ımo úmˇerný vstupn´ımu signálu. Takto se z´ıská proud odpov´ıdaj´ıc´ı hodnotˇe napˇet´ı.

i1 =k1v1 (2.8)

Tento proud se potom zes´ıl´ı dalˇs´ım podobným zesilovaˇcem, jehoˇz hodnota zes´ılen´ı je ovládána hodnotou proudu v mˇeˇreném obvodˇe (vhodnˇe pˇrevedenou na napˇet´ı). Pro výstupn´ı proud druhého zesilovaˇce dostáváme

i2 =k1v1v2+k2v1 (2.9)

Je vidˇet, ˇze abychom dostali ˇcistou hodnotu n´asobku v1v2, mus´ıme z v´ysledku odstranit

ˇ

clen k2v1. To se dˇeje zaˇrazen´ım korekˇcn´ıho prvku, napˇr´ıklad zaˇrazen´ım stejn´eho zesilovaˇce

jako v prvn´ım stupni, který je ale zapojen obrácenˇe, takˇze odeˇc´ıtá od výsledku právˇe ˇclen k2v1.

Metoda vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Hall˚uv efektPokud pˇriloˇz´ıme na polovodiˇcovou destiˇcku napˇet´ı tak, ˇze j´ı procház´ı proud a zároveˇn vytvoˇr´ıme magnetické pole kolmé na destiˇcku, objev´ı se mezi opaˇcnými konci destiˇcky napˇet´ı, které je pˇr´ımo úmˇerné násobku proudu a s´ıly magnetického pole. Toto je znázornˇeno na obrázku 2.5, kde I znaˇc´ı procházej´ıc´ı proud, BZ magnetické pole a S1, S2 jsou kontakty, na kterých se objev´ı Hallovo napˇet´ı. Jev je

pojmenov´an po Edwin Hallovi, kter´y ho objevil roku 1879.

Pro úˇcely násoben´ı analogových signál˚u napˇet´ı a proudu se Hallova jevu vyuˇz´ıvá tak, ˇ

ze napˇet´ı na zátˇeˇzi je pˇres vhodný odpor pˇripojeno na kontakty B1 a B2, ˇc´ımˇz vytvoˇr´ı proud I úmˇerný velikosti napˇet´ı na zátˇeˇzi. Napˇet´ı úmˇerné proudu do zátˇeˇze se pˇrivede na malou c´ıvku um´ıstˇenou nad destiˇckou, ˇc´ımˇz se vytvoˇr´ı magnetické pole BZ a t´ım pádem

se objev´ı Hallovo napˇet´ı pˇr´ımo úmˇerné souˇcinu napˇet´ı a proudu do zátˇeˇze. Vyuˇzit´ı Hallova efektu pro násoben´ı v elektromˇerech ale má podstatné nevýhody. Je málo lineárn´ı, bˇehem v´ıceletého pouˇz´ıván´ı nevykazuje stabiln´ı vlastnosti a je náchylný ke zmˇenám teploty. Nav´ıc jeho citlivost na magnetické pole v okol´ı by mohla být zneuˇzita k nepoctivci k ovlivˇnován´ı registrace elektromˇeru.

Metoda ˇcasového dˇelen´ı Princip této metody je ménˇe fyzikáln´ı neˇz pˇredcházej´ıc´ıch dvou. Metoda spoˇc´ıvá v dvoj´ı modulaci obdéln´ıkových signál˚u tak, ˇze ˇs´ıˇrka impuls˚u je ´

umˇerná hodnotˇe napˇet´ı a výˇska obdéln´ık˚u je úmˇerná proudu. Modulace je ˇr´ızena tak, aby pr˚umˇerná hodnota výstupn´ıho signálu odpov´ıdala souˇcinu obou vstupn´ıch signál˚u. Pouˇzit´ı tˇechto násobiˇc˚u je pˇredevˇs´ım pro zaˇr´ızen´ı s tˇr´ıdou pˇresnosti 0.5 a vyˇsˇs´ı.

Digit´aln´ı metoda n´asoben´ı Spotˇrebovanou energii m˚uˇzeme lehce spoˇc´ıtat

numer-ickým násoben´ım, pokud máme k dispozici digitáln´ı hodnoty proudu a napˇet´ı navzorkované na dané vzorkovac´ı frekvenci.

Z

p(t)dt= ∆tXUspIsp (2.10)

Pro z´ıskán´ı digitáln´ıch hodnot napˇet´ı a proudu je samozˇrejmˇe nutný A/D pˇrevodn´ık. K vynásoben´ı hodnot potom dalˇs´ı ˇc´ıslicové obvody nebo mikroprocesor. Pouˇzitelnost a

(17)

Obr´azek 2.5: Schema Hallova senzoru, pˇrevzato z [7]

pˇresnost této metody se výraznou mˇerou odv´ıj´ı od parametr˚u pouˇzitých A/D pˇrevodn´ık˚u. Pˇredevˇs´ım jde o rozliˇsen´ı a vzorkovac´ı frekvenci (tedy rychlost pˇrevodn´ıku). Napˇr. pro zaˇr´ızen´ı ve tˇr´ıdˇe pˇresnosti 2 je vzhledem k poˇzadovanému rozsahu a pˇresnosti potˇreba pˇrevodn´ık minimálnˇe 12bitový. Pokud nejsou k dispozici pˇrevodn´ıky poˇzadovaných kvalit, existuje nˇekolik technik, které umoˇzˇnuj´ı pouˇz´ıt i napˇr. 8bitové pˇrevodn´ıky. Jedná se o zaˇrazen´ı programovatelného pˇredzesilovaˇce na vstup pˇrevodn´ıku, ˇc´ımˇz se dosáhne vyˇsˇs´ı pˇresnosti a nelineárn´ı kvantizace (menˇs´ı hodnoty jsou kvantizovány pˇresnˇeji neˇz hodnoty vyˇsˇs´ı). Pro zvýˇsen´ı rozsahu existuje jeˇstˇe jedna zaj´ımavá metoda, která spoˇc´ıvá v modu-laci vstupn´ıho signálu na jiný, pˇredem známý signál (napˇr´ıklad pilu), kvantizaci takového sloˇzeného signálu a poté vypoˇc´ıtán´ı statistického pr˚umˇeru za v´ıce vzork˚u. Pˇridávaný signál by mˇel být pomalu rostouc´ı a jeho amplituda by mˇela být vˇetˇs´ı neˇz kvantizaˇcn´ı krok pˇrevodn´ıku a to tak, aby se mˇeˇren´ı v jedné fázi vstupn´ıho signálu rozprostˇrelo do minimálnˇe tˇr´ı kvantizaˇcn´ıch stupˇn˚u. Pˇresnost celkového mˇeˇren´ı se potom zvyˇsuje s poˇctem pr˚umˇerovaných vzork˚u na jednu hodnotu výstupu. Zároveˇn je ale potˇreba si uvˇedomit, ˇze takto ub´ıráme na rychlosti pˇrevodn´ıku.

Dalˇs´ım významným parametrem pˇrevodn´ıku je jeho rychlost a tedy dosaˇzitelná vzorko-vac´ı frekvence. Vzorkovzorko-vac´ı teorém ˇr´ıká, ˇze je potˇreba vzorkovat minimálnˇe s dvojnásobnou frekvenc´ı neˇz je maximáln´ı frekvence signálu, který chceme mˇeˇrit. Pokud vezmeme jako základn´ı frekvenci frekvenci napˇet´ı, je potˇreba mˇeˇritminimálnˇe na jej´ım ˇctyˇrnásobku, protoˇze pr˚ubˇeh výkonu ná dvakrát vyˇsˇs´ı frekvenci neˇz pr˚ubˇehy napˇet´ı a proudu, jak je vysvˇetleno v (2.4). pokud bychom poˇc´ıtali s ˇcistˇe sinusovými pr˚ubˇehy, byla by minimáln´ı frekvence pˇrevodn´ıku 200 Hz. To ale nem˚uˇzeme udˇelat, protoˇze, aˇckoli je pr˚ubˇeh napˇet´ı v s´ıti bl´ızký sinusové vlnˇe, o pr˚ubˇehu proudu toto ˇr´ıct nelze. Elektronická zaˇr´ızen´ı napájená zdrojem s m˚ustkovým usmˇerˇnovaˇcem (v horˇs´ım pˇr´ıpadˇe jednocestným) a kapacitn´ım vyhlazován´ı produkuj´ı pr˚ubˇehy velmi odliˇsné od sinusového. Pro mˇeˇren´ı pr˚ubˇeh˚u aˇz do 30. harmon-ické potˇrebujeme vzorkovac´ı frekvenci 6 kHz. I zde se dá pouˇz´ıt technika do jisté m´ıry odstraˇnuj´ıc´ı potˇrebu rychlého pˇrevodn´ıku. Ta spoˇc´ıvá v mˇeˇren´ı na niˇzˇs´ı frekvenci (stovky Hz) a pr˚umˇerován´ı pˇres nˇekolik period. Nutno zm´ınit, ˇze této techniky jiˇz nen´ı potˇreba v modern´ıch integrovaným mˇeˇriˇc´ıch pouˇz´ıvat, protoˇze napˇr. obvod MCP3909 od firmy Mi-crochip (integrovaný jednofázový mˇeˇriˇc) pracuje se vzorkovac´ı frekvenc´ı 12 kHz na obou kanálech (napˇet’ovém i proudovém).

(18)

2.4.5 V´ystup

Na rozd´ıl od indukˇcn´ıho elektromˇeru, kde je údaj o aktuáln´ı spotˇrebˇe jaksi skryt v mechan-ickém pohybu hlin´ıkového disku, u digitáln´ıch elektromˇer˚u máme k této informaci mnohem lepˇs´ı pˇr´ıstup. M˚uˇzeme ji bud’ z´ıskat z rychlosti pulz˚u z frekvenˇcn´ıho výstupu, které inte-grované obvody ˇcasto maj´ı nebo mnohem pohodlnˇeji vyuˇz´ıt datového rozhran´ı SPI, bˇeˇzné souˇcásti modern´ıch integrovaných mˇeˇriˇc˚u. M˚uˇzeme takto z´ıskat informaci i z jednotlivých A/D pˇrevodn´ık˚u proudu a napˇet´ı i vypoˇc´ıtanou hodnotu aktuáln´ıho výkonu.

Frekvenˇcn´ı výstup je sp´ıˇse neˇz pro zpracován´ı mikroprocesorem vhodný bud’ k indikaci spotˇreby pomoc´ı svˇetelných impuls˚u LED nebo j´ım m˚uˇzeme otáˇcet krokovým motorkem, který je napojen na mechanický ˇc´ıtaˇc spotˇrebované energie. Tohoto pˇr´ıstupu se vyuˇz´ıvalo v zaˇcátc´ıch digitáln´ıho mˇeˇren´ı elektrické energie. Dnes se mnohem ˇcastˇeji vyskytuje elek-tromˇeru display, který zobrazuje jak hodnotu registrované spotˇreby, tak pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ı uˇziteˇcné informace.

Výstup elektromˇeru jako celku, tedy mnoˇzstv´ı spotˇrebované energie by mˇel znát jednak uˇzivatel této energie, ale také dodavatel, který potom podle spotˇreby úˇctuje cenu. Pro distributora energie by tedy bylo velmi vhodné, aby mohl takto

”pˇreˇc´ıst“ údaj z elektromˇeru i na dálku a nemusel pos´ılat na m´ısto svého pracovn´ıka. K tomuto úˇcelu se pouˇz´ıvá nˇekolik metod. Nejslibnˇejˇs´ı z nich je vyuˇzit´ı silových vodiˇc˚u pro datovou komunikaci – anglicky Power Line Communication, oznaˇcováno zkratkou PLC. Elektromˇer obsahuje PLC modem, který poˇzadovaná data odeˇsle pˇres distribuˇcn´ı s´ıt’ k nejbliˇzˇs´ımu sbˇernému m´ıstu, napˇr´ıklad transformátoru na sloupu elektrického veden´ı. Tam je dalˇs´ı zaˇr´ızen´ı s PLC modemem, které data pˇreˇcte a jednou za ˇcas je odes´ılá napˇr´ıklad pomoc´ı datové s´ıtˇe GPRS do centráln´ıho ´

uloˇziˇstˇe.

Technologie PLC je velmi slibná jak pro tyto malé pˇrenosy, tak i pro vysokorychlostn´ı datové pˇrenosy. Po rozvdech lze vys´ılat i rychlost´ı 1 Gbps, coˇz znamená moˇznost vyuˇzit´ı v domác´ıch i distribuˇcn´ıch internetových s´ıt´ıch. Na trhu jsou dostupná zaˇr´ızen´ı schopná pˇrenáˇset okolo 100 Mbit/s, tedy pˇribliˇznˇe jako 100Mbitový Ethernet.

2.5 Chyby mˇ

eˇ

ren´ı

Abychom vyjádˇrili pˇresnost mˇeˇren´ı nebo mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje, zavád´ıme pojem chyba mˇeˇren´ı, který nám ˇr´ıká v jakém rozmez´ı se m˚uˇze skuteˇcná hodnota veliˇciny pohybovat okolo údaje námi zmˇeˇreného. V oblasti mˇeˇren´ı elektrické energie se také mus´ıme chybou mˇeˇren´ı váˇznˇe zabývat. Proto si v následuj´ıc´ı kapitole uvedeme základn´ı pojmy a vztahy ohlednˇe chyb mˇeˇren´ı obecnˇe i konkrétnˇe v oblasti digitáln´ıch mˇeˇriˇc˚u elektrické energie. Podkapitola vycház´ı z [11].

2.5.1 Obecn´a klasifikace chyb

Z hlediska p˚uvodu m˚uˇzeme chyb rozdˇelit do n´asleduj´ıc´ıch kategori´ı:

• Omyly neboli hrub´e chyby

• Systematick´e chyby

• N´ahodn´e chyby

Hrubé chyby vznikaj´ı napˇr´ıklad pouˇzit´ım vadného mˇeˇriˇce, vynechán´ım ˇc´ıslice v pˇrepisu hod-noty a podobnˇe. Ze své podstaty tedy znaˇcnˇe vyˇcn´ıvaj´ı z ˇrady ostatn´ıch (správných) mˇeˇren´ı.

(19)

Obrázek 2.6: Schematické uspoˇrádán´ı digitáln´ıho mˇeˇriˇce, pˇrevzato z [11]

Tento druh chyb se nijak nekompenzuje, hodnoty mˇeˇren´ı zat´ıˇzené hrubou chybou se v˚ubec nezapoˇc´ıtávaj´ı do celkového souboru mˇeˇren´ı. Systematické chyby jsou takové, které maj´ı jednu pˇr´ıˇcinu a ovlivˇnuj´ı vˇsechny namˇeˇrené hodnoty stejnou mˇerou. V nˇekterých pˇr´ıpadech je dokáˇzeme vyˇc´ıslit nebo je kompenzovat t´ım pádem se zbavit jejich vlivu na výsledné hod-noty mˇeˇren´ı. Náhodné chyby jsou ˇsum jehoˇz hodnota v daném konkrétn´ım mˇeˇren´ı nem˚uˇze být pˇresnˇe urˇcena, aˇckoli ˇcasto m˚uˇzeme dobˇre matematicky popsat maximáln´ı rozsah této chyby. Náhodné chyby kompenzovat nelze, m˚uˇzeme pouze brát v úvahu jejich moˇzný rozsah.

2.5.2 Chyby specifick´e pro digit´aln´ı elektromˇery

Pˇri popisu chyb v digitáln´ıch mˇeˇriˇc´ıch budeme vycházet z uspoˇrádán´ı zaˇr´ızen´ı na obrázku

2.6, kde VT znaˇc´ı transformátor napˇet´ı, CT proudový transformátor a M znaˇc´ı mˇeˇriˇc. Pr˚ubˇehy veliˇcin i se systematickými chybami popisuje následuj´ıc´ı sada rovnic:

U =Umsinωt; U1 =Um(1 +δU+δl) sin(ωt+θU) (2.11) I =Imsin(ωt+ϕ); I1=I−m(1 +δI) sin(ωt+ϕ+θI) (2.12) W = Z T 0 IU dt; W1 = (1 +δma) Z T 0 I1U1dt (2.13) δW = 100% W1−W W (2.14) , kde

U a I jsou okamˇzité hodnoty napˇet´ı a proudu na vstupu transformátor˚u ω je úhlová rychlost

tje ˇcas

ϕje f´azov´y posuv mezi proudem a napˇet´ım

U1 aI1 jsou hodnoty napˇet´ı a proudu na vstupu mˇeˇriˇce

Um aIm jsou amplitudy napˇet´ı a proudu

δU, δI, δma, δmr a δl jsou systematické sloˇzky chyb poˇradˇe napˇet’ového transformátoru

proudového transformátoru, mˇeˇren´ı ˇcinné a reaktivn´ı sloˇzky výkonu, ztrát v pˇr´ıvodn´ıch vodiˇc´ıch mezi transformátory a mˇeˇriˇcem

θU aθI jsou chyby fáze napˇet’ového a proudového transformátoru

W je hodnota práce neovlivnˇená chybami W1 je hodnota práce zmˇeˇrená zaˇr´ızen´ım a

δW je chyba zmˇeˇrené práce vyjádˇrená v procentech

ˇ

(20)

následuj´ıc´ı vztahy pro výsledné chyby mˇeˇren´ı:

δWa = 0.029 tanϕ(θI−θU) + (δI+δU+δl+δma) (2.15) δWr = 0.029 cotϕ(θI−θU) + (δI+δU+δl+δmr) (2.16)

Pˇri znalosti nˇekteré systematické chyby tak m˚uˇzeme upravit mˇeˇrené výsledky, aby neob-sahovaly danou ˇcást systematické chyby.

(21)

Kapitola 3

Vestavˇ

en´

e syst´

emy s rozhran´ım

Ethernet

3.1 Ethernet

Ethernet je v souˇcasné dobˇe nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım standardem pro pˇripojen´ı k LAN s´ıti, s v´ıce neˇz 50 miliony pˇr´ıpojek (údaj z roku 1995). A to i pˇresto, ˇze p˚uvodn´ı návrh Ethernetu od firem Digital, Intel a Xerox, vydaný roku 1980 specifikoval metody pˇrenosu dat po s´ıti tvoˇrené tlustými koaxiáln´ımi kabely poloduplexn´ımi spoji s rychlost´ı 10 Mbit/s. Kudy vedla cesta ke 100 Mbit/s s´ıti uˇz´ıvaj´ıc´ı kroucené dvojlinky a dál aˇz k souˇcasnému vrcholu 100 Gbit/s pouˇz´ıvaj´ıc´ımu skupinu optických vláken? Text této kapitoly volnˇe vycház´ı z [8] a [14].

3.1.1 V´yvoj

Koaxiáln´ı kabeláˇz — na zaˇcátku stál jiˇz zm´ınˇený dokument z roku 1980, který byl roku 1983 standardizován organizac´ı IEEE jako standard 802.3, který specifikoval pˇr´ıstupovou metodu CSMA/CD a fyzickou (PHY) vrstvu oznaˇcovanou jako 10BASE-5. Pˇrezd´ıvalo se mu “Thicknet”, kv˚uli pouˇzit´ı (vˇetˇsinou ˇzlutých) tlustých koaxiáln´ıch kabel˚u (pr˚umˇer 9.5 mm). S rozvojem osobn´ıch poˇc´ıtaˇc˚u a t´ım i poptávky po jejich propojován´ı se cena Ethernetových transciever˚u a obt´ıˇznost instalace tuhých koaxiáln´ıch kabel˚u ukázaly jako limituj´ıc´ı faktory. Tyto skuteˇcnosti vedly k vytvoˇren´ı specifikace média 10BASE-2, pouˇz´ıvaj´ıc´ı stejnou MAC vrstvu, ale m´ısto tlustých koaxiáln´ıch kabel˚u pouˇz´ıvaj´ıc´ı tenˇc´ı koaxiáln´ı kabely RG-58 A/U a konektory BNC. Menˇs´ı transcievery umoˇznili jejich integraci na rozˇsiˇruj´ıc´ı desky poˇc´ıtaˇc˚u a nemusely být tedy instalovány zvláˇst’ jako na zaˇcátku. Jedinou nevýhodou pˇrechodu bylo sn´ıˇzen´ı maximáln´ı délky s´ıt’ového segmentu z 500 metr˚u na 185 metr˚u. Tento standard, pˇrezd´ıvaný “Thinnet” byl vydán organizac´ı IEEE roku 1985.

UTP, hvˇezdicov´a topologie — ke konci 80. let pˇriˇsel dalˇs´ı mezn´ık ve v´yvoji, kdyˇz

nar˚ustaj´ıc´ı poˇcet stanic pˇripojených na sd´ılenou sbˇernici Ethernetu zaˇcal naráˇzet na problémy se souˇcasným vys´ılán´ım v´ıce stanic a tud´ıˇz kolizemi a také nevyhovoval fakt, ˇze pˇri pˇreruˇsen´ı sbˇernice na jednom m´ıstˇe byly od s´ıtˇe odstˇriˇzeny vˇsechny stanice na segmentu. Jako odpovˇed’ pˇriˇsel pˇrechod na hvˇezdicovou topologii, do té doby vyuˇz´ıvanou v telefonn´ıch rozvodech a definice nového pˇrenosového média, pouˇz´ıvaj´ıc´ıho dnes pˇrevládaj´ıc´ı nest´ınˇené mˇedˇené kroucené dvojlinky. Tato pˇr´ıstupová vrstva nesla oznaˇcen´ı 10BASE-T.

100 Mbit — s dalˇs´ım rozvojem kanceláˇrské techniky, jej´ıˇz výkon se od prvn´ıho

(22)

pˇrenosu mezi poˇc´ıtaˇci. Fyzické spojen´ı oznaˇcené 100BASE-TX je dnes nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ım spojen´ım v s´ıt´ıch LAN. Následuj´ıc´ı podkapitoly ukáˇz´ı princip fungován´ı MAC a PHY vrstev právˇe na pˇr´ıkladu 100Mbitového Ehernetu. V sektoru osobn´ıch poˇc´ıtaˇc˚u je pomalu vytlaˇcován novˇejˇs´ım Gigabitovým Ethernetem oznaˇceným 1000BASE-T, pracuj´ıc´ım se ste-jnou kabeláˇz´ı, ale 10krát vyˇsˇs´ı rychlost´ı.

1 Gbit — dalˇs´ım rychlostn´ım krokem ve v´yvoji je pˇrechod na gigabitovou verzi

Eth-ernetu, která byla standardizována jako IEEE 802.3-2008 roku 2008, avˇsak prvn´ı dodatky specifikuj´ıc´ı pˇrenos rychlost´ı 1 Gbit po optických vláknech byly vydány jiˇz roku 1998. V souˇcasné dobˇe se dostává gigabitovému ethernetu masového rozˇs´ıˇren´ı v domác´ıch poˇc´ıtaˇc´ıch a s´ıt´ıch, kde m˚uˇze vyuˇz´ıvat stávaj´ıc´ı metalickou kabeláˇz, pokud je alespoˇn kvality Cat5e.

10 Gbit— ve velkých a páteˇrn´ıch s´ıt´ıch, které agreguj´ı provoz z bˇeˇznˇe pouˇz´ıvaných s´ıt´ı jednotlivc˚u a firem se jiˇz s úspˇechem pouˇz´ıvá dalˇs´ıho stupnˇe Ethernetu, kterým je 10Gbitový spoj. Prvn´ı verze (IEEE 802.3ae definuj´ıc´ı provoz po optických vláknech) byla schválena roku 2003. Pozdˇeji pˇribyla i specifikace provozu po kroucených dvojlinkách po stejném typu kabelu jako pˇredchoz´ı verze (4 kroucené páry, konektor RJ-45), avˇsak výraznˇe lepˇs´ı kvality (vyhovuj´ıc´ı specifikaci Cat6a). Zaj´ımavost´ı je, ˇze poˇc´ınaje 10GBitovým Ethernetem uˇz neexistuj´ı poloduplexn´ı spoje a t´ım pádem je upuˇstˇeno od pouˇzit´ı metody CSMA/CD pro pˇr´ıstup ke sd´ılenému médiu, která byla na poˇcátku jednou ze základn´ıch vymoˇzenost´ı celé architektury.

40 Gbit a 100 Gbit— posledn´ım v souˇcasnosti standardizovaným vývojovým stupnˇem

je rychlost 40 a 100 Gbit˚u, schválená organizac´ı IEEE roku 2010. Pˇrenosová média pro tuto rychlost jsou optické kabely, mˇedˇené vodiˇce a backplane (ploˇsné spoje). S pouˇzit´ım jednovidového vlákna je moˇzno pˇrenáˇset aˇz do vzdálenosti 40 km.

Pˇrenosová média Ve standardech se vyskytuje specifikace mnoha fyzických médi´ı,

po kter´ych je moˇzno provozovat komunikaci. Ne vˇsechna jsou ale vyuˇz´ıv´ana. Mezi ne-jpouˇz´ıvanˇejˇs´ı patˇrily a patˇr´ı:

• Koaxiáln´ı kabel — tlustý a tenký (na zaˇcátku éry Ethernetu)

• Kroucen´a dvoulinka — r˚uzn´e kategorie kvality kabel˚u podle rychlosti

– Cat3 pro 10Mbit — kabely kvalitativnˇe podobn´e telefonn´ım

– Cat5 pro 100Mbit

– Cat5e pro 1Gbit

– Cat6a pro 10Gbit

• Optická vlákna — jednovidová a v´ıcevidová

Pˇrenosová média se také výraznˇe liˇs´ı maximáln´ı vzdálenost´ı po které jsou schopna pˇrenáˇset signál. U koaxiáln´ıho kabelu se tato vzdálenost pohybuje ve stovkách metr˚u (500 metr˚u pro tlustý kabel a 185 metr˚u pro tenký), u metalických kabel˚u je okolo 100 metr˚u a pro optická vlákna dosahuje i des´ıtek kilometr˚u (pro jednovidová vlákna obecnˇe v´ıce neˇz pro mnohavidová).

Ménˇe pouˇz´ıvaná média jsou potom mˇedˇená twinaxiáln´ı kabeláˇz (principiálnˇe podobná koaxiáln´ımu kabelu, ale se dvˇema vodiˇci) a PCB spojen´ı v rámci backplane (velmi krátká spojen´ı v rámci ploˇsných spoj˚u v s´ıt’ových zaˇr´ızen´ıch).

(23)

Obr´azek 3.1: Struktura vrstev standardu 802.3 a zapouzdˇren´ı dat, pˇrevzato z [14]

Obrázek 3.2: Struktura Ethernetového rámce, jeho vys´ılán´ı a struktura MAC adresy, pˇrevzato a upraveno z [14]

3.1.2 Standard IEEE 802.3

Standard definuje dvˇe vrstvy, z nichˇz kaˇzdá je do znaˇcné m´ıry autonomn´ı a s druhou vrstvou komunikuje pouze skrz omezenou mnoˇzinu zpráv. T´ımto se znaˇcnˇe podobá pˇr´ıstupu ISO/OSI modelu. Vrstvy se oznaˇcuj´ı MAC (Media Access Control) a PHY (fyzická vrstva). Spodn´ı dvˇe vrstvy zm´ınˇeného modelu se daj´ı témˇeˇr ztotoˇznit s vrstvami Ethernetu. Obˇe vrstvy se skládaj´ı z dalˇs´ıch podvrstev, z nichˇz nˇekteré jsou nepovinné. Toto ilustruje obrázek

3.1. Zároveˇn ukazuje, jakým zp˚usobem jsou zapouzdˇrována data do kontejner˚u pˇr´ısluˇsných vrstev.

3.1.3 Vrstva MAC

Vrstva MAC je nezávislá na médiu i na do znaˇcné m´ıry i na rychlosti pˇrenosu. Je ˇcistˇe softwarová (stejnˇe jako vˇsechny dalˇs´ı vyˇsˇs´ı vrstvy). Zabývá se vytváˇren´ım Ethernetových rámc˚u, adresac´ı v rámci s´ıt’ového segmentu, ovˇeˇrován´ım kontroln´ıch souˇct˚u pˇr´ıchoz´ıch rámc˚u a ˇr´ızen´ım proudu (“flow control”). S fyzickou vrstvou komunikuje pomoc´ı MII (“Media Independent Interface” – Rozhran´ı nezávislé na médiu). Strukturu Ethernetového rámce m˚uˇzeme vidˇet na obrázku 3.2.

MAC vsrtva se zabývá i adresován´ım. Konkrétnˇe jde o adresován´ı konkrétn´ıho fyzického rozhran´ı (portu). Jako adresa se pouˇz´ıvá 6 oktet˚u, z nichˇz prvn´ı 3 identifikuj´ı výrobce a

(24)

následuj´ıc´ı 3 konkrétn´ı zaˇr´ızen´ı. ˇC´ısla pro výrobce (oznaˇcované OUI – Organizationally Unique Identifier) pˇridˇeluje organizace IEEE, dalˇs´ı rozdˇelen´ı adres v rámci OUI uˇz je ˇcistˇe záleˇzitost´ı kaˇzdého výrobce. Popsanou strukturu ilustruje obrázek 3.2. Pomoc´ı MAC adres lze provádˇet vys´ılán´ı typu unicast, multicast i broadcast. Adresa pro broadcast je sloˇzena ze samých jedniˇcek, tedy FF:FF:FF:FF:FF:FF. Multicastových adres je v´ıc a jsou oznaˇcovány jako “skupiny”. Jejich adresy jsou vˇsechny, které v nejménˇe významném bitu prvn´ıho ok-tetu obsahuj´ı hodnotu 1. vzhledem k tomu, ˇze oktety se v Ethernetu pos´ılaj´ı od nejménˇe významného bitu, broadcast a multicast oznaˇcuje hodnota prvn´ıho pˇrijatého bitu MAC adresy.

3.1.4 Vrstva PHY

Vrstva PHY je celá závislá na médiu a poskytuje sluˇzby souvisej´ıc´ı s odes´ılán´ım rámc˚u pˇres konkrétn´ı druh nosiˇce, jako je kódován´ı bitové posloupnosti rámc˚u do posloupnosti vhodné pro pˇrenos daným médiem. Zajiˇst’uje také pˇr´ıstup ke sd´ılenému médiu a detekci koliz´ı tam, kde k nim m˚uˇze docházet.

CSMA/CD

Jelikoˇz v Ethernetové s´ıti aˇz do gigabitového Ethernetu vˇcetnˇe mohou být na jednom s´ıt’ovém segmentu dvˇe a v´ıce zaˇr´ızen´ı vys´ılaj´ıc´ıch souˇcasnˇe, je potˇreba pˇr´ıstup ke sd´ılenému médiu vhodným zp˚usobem ˇr´ıdit tak, aby pokud moˇzno ke koliz´ım (tj. souˇcasnému vys´ılán´ı dvou prvk˚u) v˚ubec nedocházelo a pokud se tak stane, aby byl tento fakt zjistitelný. K tomuto úˇcelu byla vyvinuta technologie CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Col-lission Detection — V´ıcenásobný pˇr´ıstup pomoc´ı detekce nosné / Detekce koliz´ı ). Metoda ˇreˇs´ı zm´ınˇené problémy a nav´ıc definuje, jak má zaˇr´ızen´ı postupovat pro znovuodeslán´ı dat po detekované kolizi. Princip metody nen´ı sloˇzitý a proto si ho pop´ıˇseme.

Pˇred vyslán´ım rámce zaˇr´ızen´ı zjist´ı aktuáln´ı stav linky. Pokud je obsazená (prob´ıhá pˇrenos), zaˇr´ızen´ıˇceká na uvolnˇen´ı. Po uvolnˇen´ı nav´ıc ˇceká dobu definovanou jako Mezirámcová prodleva, která slouˇz´ı pro pˇr´ıpravu zaˇr´ızen´ı na s´ıti k pˇrij´ımán´ı dalˇs´ıho rámce.

Pokud je sbˇernice volná, zaˇr´ızen´ı zaˇcne vys´ılat. Jelikoˇz zaˇr´ızen´ı na s´ıti o sobˇe vzájemnˇe nev´ı (na fyzické vrstvˇe), ani na sbˇernici neexistuje ˇzádný pˇredem daný systém pˇridˇelován´ı (jako je tomu napˇr´ıklad u Token Ringu), m˚uˇze se stát, ˇze dvˇe zaˇr´ızen´ı zaˇcnou vys´ılat souˇcasnˇe nebo témˇeˇr souˇcasnˇe. V takové pˇr´ıpadˇe nastává kolize.

Vys´ılaj´ıc´ı zaˇr´ızen´ı zjist´ı kolizi tak, ˇze data vys´ılaná na linku neodpov´ıdaj´ı dat˚um souˇcasnˇe z linky pˇrij´ımaným (jsou ruˇsena jiným rámcem). Pokud k tomu dojde, zaˇr´ızen´ı zastav´ı vys´ılán´ı a zaˇcne vys´ılat takzvaný

”jam signal“ oznamuj´ıc´ı, ˇze doˇslo ke kolizi. Druh´e zaˇr´ızen´ı tento sign´al zachyt´ı a zaˇcne ˇcekat.

S moˇznost´ı detekce kolize úzce souvis´ı minimáln´ı délka rámce. Ta je zvolena tak, aby i v nejhorˇs´ım pˇr´ıpadˇe, kdy dvˇe zaˇr´ızen´ı na opaˇcných konc´ıch maximálnˇe dlouhého segmentu vys´ılaj´ı rámce minimáln´ı velikosti, byly tyto schopny zachytit alespoˇn ˇcást rámce z druhé strany a t´ım detekovat kolizi. Proto se do rámc˚u, které by byly jinak kratˇs´ı neˇz 64 oktet˚u pˇridává výplˇn.

Po detekci kolize nastává ˇcekán´ı. Zaˇr´ızen´ı ˇcekaj´ı náhodnou dobu a poté se znovu pokus´ı o vyslán´ı rámce. V pˇr´ıpadˇe opˇetovné detekce kolize se vˇzdy zdvojnásob´ı maximáln´ı délka intervalu ˇcekán´ı, dokud se nedosáhne úspˇeˇsného odeslán´ı nebo poˇctu 16ti detekovaných koliz´ı za sebou. V druhém pˇr´ıpadˇe je rámec zahozen a chyba oznámena vyˇsˇs´ı vrstvˇe, která se podle svého uváˇzen´ı pokus´ı nebo nepokus´ı odeslat rámec znovu.

(25)

Obr´azek 3.3: Detailn´ı princip PHY vrstvy 100Mbitov´eho Ethernetu, pˇrevzato z [14]

K´odov´an´ı bit˚u

ˇ

Cistá data nejsou pro odes´ılán´ı pˇres médium vhodná, protoˇze z nich napˇr´ıklad nelze odvodit hodinový signál nebo potˇrebuj´ı zbyteˇcnˇe velkou ˇs´ıˇrku pásma. Z toho d˚uvodu se bitová posloupnost pˇricházej´ıc´ı z MAC vrstvy kóduje do jiné posloupnosti, která je vhodná pro pˇrenos po konkrétn´ım médiu. Vhodnost závis´ı na v´ıce parametrech a proto napˇr´ıklad 10BASE-T pouˇz´ıvá jiné kódován´ı neˇz 100BASE-T. N´ıˇze popsanou strukturu kódován´ı na fyzické vrstvˇe 100Mbitového Ethernetu graficky ukazuje obrázek 3.3.

K´odov´an´ı bit˚u — 10Mbit – Manchester

V 10Mbitových Ethernetových s´ıt´ıch se pro vys´ılán´ı na fyzickém médiu pouˇz´ıvá kódován´ı Manchester. Toto kódován´ı v Ethernetu kóduje 0 jako pˇrechod ze stavu 1 od 0 na lince a 1 kóduje naopak, tedy pˇrechod z 0 do 1. Bylo zvoleno proto, ˇze v kaˇzdém bitu obsahuje zmˇenu stavu a lze z nˇej tedy odvodit hodinový signál. Jeho nevýhodou je vyuˇzit´ı dvojnásobné ˇs´ıˇrky pásma neˇz má vstupn´ı infromace.

K´odov´an´ı bit˚u — 100Mbit – 4B/5B

Ve 100Mbitovém Ethernetu je posloupnost bit˚u postupnˇe zpracována tˇremi r˚uznými kodéry. Nejdˇr´ıv je to zakódován´ı kaˇzdých 4 bit˚u pomoc´ı 5bitové posloupnosti. Tento krok ˇreˇs´ı nemoˇznost pos´ılat dlouhé ˇretˇezce nul, aniˇz by se ztratila synchronizace a zároveˇn pˇridává moˇznost krom datových znak˚u odes´ılat i jiné, jako jsou znaˇcky “Start-of-stream”, “End-of-stream”, “Error” a “Idle”, které maj´ı význam pouze pro fyzickou vrstvu. Pˇrevodn´ı tabulku lze nalézt napˇr´ıklad v [14] Toto kódován´ı zvýˇs´ı ˇs´ıˇrku pásma dat ze 100 MHz na 125 MHz.

K´odov´an´ı bit˚u — 100Mbit – NRZI

Dalˇs´ım krokem je zakódován´ı pomoc´ı NRZI. Toto kódován´ı má na výstupu zmˇenu, pokud vys´ılá 1 a ˇzádnou zmˇenu pokud vys´ılá 0.

K´odov´an´ı bit˚u — 100Mbit – MLT-3

Posledn´ım krokem je pouˇzit´ı kódován´ı MLT-3 (Multi Level Transition). Toto kódován´ı je tˇr´ıstavové (+1, 0, -1) a 1 na vstupu kóduje jako pˇrechod na nejbliˇzˇs´ı jinou napˇet’ovou úroveˇn, 0 kóduje jako ˇzádnou zmˇenu stavu. Výhoda tohoto kódován´ı je v rychlejˇs´ım pˇrep´ınán´ı mezi stavy, protoˇze maj´ı menˇs´ı rozd´ıl potenciál˚u a pˇredevˇs´ım ve sn´ıˇzen´ı potˇrebné ˇs´ıˇrky pásma. D´ıky 4 stav˚um na cyklus je moˇzné sn´ıˇzit základn´ı frekvenci ze 125 MHz na pˇribliˇznˇe 31.25 MHz.

(26)

3.1.5 Nepovinn´a rozˇs´ıˇren´ı

Standard specifikuje k výˇse zm´ınˇeným funkc´ım nav´ıc jeˇstˇe dvˇe nepovinné. Jsou to “Auto-negotiation” – Vyjednáván´ı nejvyˇsˇs´ı moˇzné rychlosti pˇrenosu a Auto-crossover – automat-ické pˇrepnut´ı vys´ılac´ıho a pˇrij´ımac´ıho prvku. Tato rozˇs´ıˇren´ı nejsou nutná pro samotný provoz linky, ale zvyˇsuj´ı pohodl´ı uˇzivatel˚u a administrátor˚u pˇri instalaci a pouˇz´ıván´ı.

Auto-negotiation

Zaˇr´ızen´ı pˇripojená na lince se snaˇz´ı dohodnout nejvyˇsˇs´ı moˇznou rychlost a typ pˇrenosu, který oba podporuj´ı. Toto vyjednáván´ı se dˇeje pˇri inicializaci linky a je zpˇetnˇe kompat-ibiln´ı – to znamená, ˇze zaˇr´ızen´ı nepodporuj´ıc´ı vyjednáván´ı se jeho pouˇzit´ım nedostanou do problém˚u, pouze se zvol´ı pˇrednastavená nebo nejniˇzˇs´ı moˇzná varianta. Automatické vyjednáván´ı je volitelnou funkc´ı u 10Mbitové a 100Mbitové specifikace, u 1Gbitové uˇz je povinnou souˇcást´ı standardu. Komunikace prob´ıhá s vyuˇzit´ım FLP (Fast Link Pulses), pomoc´ı kterých je pˇreneseno 16bitové “kódové slovo linky” (Link code word). Toto slovo specifikuje jaké moˇznosti spojen´ı podporuje vys´ılaj´ıc´ı zaˇr´ızen´ı. Aby pˇrij´ımaj´ıc´ı zaˇr´ızen´ı ak-ceptovalo pˇrijaté kódové slovo jako validn´ı, mus´ı pˇrijmout stejné slovo 3krát za sebou. Bliˇzˇs´ı popis FLP a obsahu kódového slova lze nalézt napˇr´ıklad v [14]. Pokud zaˇr´ızen´ı nepˇrijme ˇ

zádné kódové slovo, pouˇzije nejniˇzˇs´ı moˇznou rychlost (ˇcasto poloduplexn´ı 10Mbit). Nˇekterá zaˇr´ızen´ı krom samotného vyjednávaj´ı “hádaj´ı” typ spojen´ı pouˇzitého na lince z fyzických kódován´ı komunikace, která na lince jiˇz prob´ıhá. To je oznaˇcováno jako paraleln´ı detekce (parallel detection). V pˇr´ıpadˇe, ˇze obˇe zaˇr´ızen´ı podporuj´ı automatické vyjednáván´ı, ale nenajdou spoleˇcnou moˇznost komunikace, linka je neaktivn´ı.

Auto-crossover

Tato moˇznost je jednoduˇsˇs´ı a spoˇc´ıvá v automatickém vyzkouˇsen´ı vzájemné výmˇeny vys´ılac´ı a pˇrij´ımac´ı strany linky. Výhoda pouˇzit´ı metody spoˇc´ıvá v nezávislosti na pouˇzit´ı kˇr´ıˇzeného nebo nekˇr´ıˇzeného kabelu u kroucených dvoulinek. Pokud totiˇz spoj´ıme dvˇe koncová zaˇr´ızen´ı (napˇr. poˇc´ıtaˇce), která nepodporuj´ı Auto-crossover pˇr´ımým kabelem, zaˇr´ızen´ı nebudou moci komunikovat. Implementace tohoto rozˇs´ıˇren´ı je dnes bˇeˇzná ve vˇetˇsinˇe s´ıt’ových zaˇr´ızen´ı. Nˇekdy je také tato vlastnost oznaˇcována jako Auto-MDIX.

3.2 Ethernet pro vestavˇ

en´

a zaˇ

r´ızen´ı

I pˇresto, ˇze v principu nen´ı Ethernet technologie urˇcen´a pro vestavˇen´a zaˇr´ızen´ı, postupem ˇ

casu se mu i v tomto odvˇetv´ı dostává vr˚ustaj´ıc´ı pozornosti. M˚uˇze za to pˇredevˇs´ım rozvoj poˇc´ıtaˇcových s´ıt´ı zaloˇzených na Ethernetu, které se stávaj´ı naprosto bˇeˇznou výbavou pod-nik˚u a domácnost´ı vˇsech velikost´ı. Proto je moˇznost pˇripojit zaˇr´ızen´ı do poˇc´ıtaˇcové s´ıtˇe pomoc´ı jiˇz existuj´ıc´ı infrastruktury velmi lákavá. A výrobci tˇemto potˇrebám vycházej´ı vstˇr´ıc uvádˇen´ım zaˇr´ızen´ı a integrovaných obvod˚u, které znaˇcnˇe zesnadˇnuj´ı vyuˇzit´ı Eth-ernetu pˇri vývoji nových vestavˇených zaˇr´ızen´ı. V následuj´ıc´ıch kapitolách si uvedeme dva konkrétn´ı pˇr´ıklady – samostatný integrovaný ˇradiˇc Ethernetu ENC28J60 a ˇrada mikropro-cesor˚u PIC18F, oboj´ı od firmy Microchip, které v kombinaci s volnˇe dostupným TCP/IP stackem téhoˇz výrobce pˇredstavuj´ı velmi pˇr´ıvˇetivou vývojovou platformu pro vestavˇená zaˇr´ızen´ı pˇripojitelná k s´ıti Ethernet.

(27)

Obr´azek 3.4: Z´akladn´ı prvky v zapojen´ı ENC28J60, pˇrevzato z [9]

3.2.1 Radiˇˇ c Ethernetu ENC28J60

Zaˇr´ızen´ı ENC28J60 (viz zdroj [9]) zajiˇst’uje implementaci vrstev MAC a PHY standardu IEEE 802.3. Nav´ıc poskytuje podporu pro Wake-on-LAN, tedy vzbuzen´ı s´ıt’ového zaˇr´ızen´ı zaslán´ım speciáln´ıho paketu. K výhodným vlastnostem také patˇr´ı dvojice výstup˚u pro LED indikuj´ıc´ı stav linky a prob´ıhaj´ıc´ı pˇrenos. Na obrázku3.4je vidˇet princip zapojen´ı základn´ıch prvk˚u a komunikace s MCU. Jelikoˇz vys´ılán´ı dat rychlost´ı 10Mbit pˇres aˇz 100 metr˚u vodiˇce je relativnˇe energeticky nároˇcné, obvod m˚uˇze odeb´ırat aˇz 250 mA proudu pˇri napájec´ım napˇet´ı 3.45 V. To je potˇreba m´ıt na pamˇeti jak pˇri navrhován´ı zdroje pro vestavˇené zaˇr´ızen´ı, tak i pˇri vytváˇren´ı ploˇsných spoj˚u (pˇredevˇs´ım k napájec´ım pin˚um a ke konektoru RJ-45). U pˇrij´ımac´ıch a vys´ılac´ıch vodiˇc˚u je také dobré je navrhovat co nejkratˇs´ı, aby nefungovaly jako vys´ılac´ı antény.

Veˇskerá komunikace s ˇradiˇcem prob´ıhá pˇres bˇeˇznˇe dostupné rozhran´ı SPI. Obvod je tak moˇzné pˇripojit k celé ˇradˇe mikroprocesor˚u i r˚uzných výrobc˚u. Pˇres rozhran´ı je moˇzno ˇc´ıst a zapisovat stavové, datové i ˇr´ıd´ıc´ı registry integrovaného obvodu.

Jako hodinový signál je moˇzno pouˇz´ıt krystal o frekvenci 25 MHz pˇripojený mezi piny OSC1 a OSC2 nebo pˇripojit extern´ı zdroj hodinového signálu k pinu OSC1.

3.2.2 Rada MCU PIC18F s integrovan´ˇ ym Ethernetov´ym ˇradiˇcem

Dalˇs´ı moˇznost pro vytvoˇren´ı vestavˇeného zaˇr´ızen´ı s rozhran´ım Ethernet je pouˇzit´ı MCU z rodiny PIC18F s integrovaným Ethernetovým ˇradiˇcem. Jedná se o rodinu 8-bitových mikrokontroler˚u s 64 kB aˇz 128 kB flash programové pamˇeti, 3808 bajty pamˇeti RAM v pouzdrech se 64, 80 a 100 piny. Datasheet je uveden jako zdroj [10].

Zaˇr´ızen´ı v sobˇe integruj´ı vˇsechny funkce v minulé podkapitole popsaného ˇradiˇce Eth-ernetu ENC28J60. I pˇripojen´ı k fyzickému médiu pˇres konektor RJ-45 je stejné jako pro samostatný ˇradiˇc a je ukázáno na obrázku 3.5. Jelikoˇz se v Ethernetu pracuje s relativnˇe vysokou frekvenc´ı a vysokými proudy, je na m´ıstˇe brát v úvahu i vznik a odst´ınˇen´ı elektro-magnetického ruˇsen´ı, které by mohlo negativnˇe ovlivˇnovat správnou funkˇcnost obvodu. K tomu jsou urˇceny souˇcástky jako feritové jádro, kondenzátory 0.1µF a odpory hodnoty 75 Ω, viditelné na obrázku 3.5. Pokud je potˇreba odolnost proti EMI dále pos´ılit, na m´ıstech oznaˇcený CMC je moˇzné vloˇzit tlumivky souhlasného proudu (common-mode choke).

Vzhledem k pr´aci na Ethernetu je potˇreba MCU provozovat na frekvenci 25 MHz stejnˇe jako tomu bylo u ˇradiˇce ENC28J60.

(28)

Obr´azek 3.5: Pˇripojen´ı MCU k s´ıti pomoc´ı RJ-45, pˇrevzato z [10]

3.3 Microchip TCP/IP Stack

Microchip TCP/IP Stack je volnˇe pouˇzitelná implementace TCP/IP modelu pro mikrokon-trolery firmy Microchip. Nen´ı jedinou implementac´ı TCP/IP stacku pro vestavˇené systémy, ale poskytuje nˇekteré zaj´ımavé funkce a kvalitn´ı dokumentaci a podporu. Informace obsaˇzené v této podkapitole vycház´ı z [12]. Následuj´ıc´ı seznam vyjmenovává nˇekteré zaj´ımavé rysy stacku:

• Existence BSD Socket API pro 32bitov´e MCU

• Podpora DHCP pro automatické z´ıskáván´ı adres na s´ıti

• Implementovan´e servery sluˇzeb HTTP, FTP a dalˇs´ıch

• Moˇznost vytváˇren´ı dynamických stránek

• Moˇznost pouˇzit´ı autentizace pro str´anky

• SSL pro zabezpeˇcenou komunikaci

Standardn´ı implementace TCP/IP modelu bere vrstvy jako co nejv´ıce oddˇelené a komu-nikuj´ıc´ı pouze s vrstvami bezprostˇrednˇe soused´ıc´ımi a pˇr´ıpadnˇe vykonávaj´ıc´ı nˇekteré op-erace autonomnˇe v rámci své vrstvy (typicky ˇreˇsen´ı ˇcasovaných – timeout operac´ı). Pro systém s velkým mnoˇzstv´ım jak programové, tak datové pamˇeti a v´ıceúlohovým operaˇcn´ım systémem je implementace takového softwaru ne pˇr´ıliˇs obt´ıˇznou záleˇzitost´ı. Ale pokud usilu-jeme o pouˇzit´ı stejných sluˇzeb na mikroprocesoru bez operaˇcn´ıho systému a nav´ıc s velmi omezeným rozssahem pamˇet´ı (napˇr. nˇekolik stovek bajt˚u datové pamˇeti), stává se úloha mnohem obt´ıˇznˇejˇs´ı.

Microchip se proto m´ırnˇe odklonil od výˇse popsaného pˇr´ıstupu. Nˇekteré vrstvy komu-nikuj´ı s nepˇr´ımo soused´ıc´ımi niˇzˇs´ımi vrstvami v m´ıstech, kde takový zásah výraznˇe vylepˇsil implementaci. Pro ˇreˇsen´ı asynchronn´ıch akc´ı TCP/IP stack vyuˇz´ıvá techniky zvané ko-operativn´ı multitasking. Tato technika spoˇc´ıvá v úmyslném zavádˇen´ı pˇredáván´ı procesoru mezi aplikacemi (nebo ˇcástmi aplikace), které maj´ı bˇeˇzet souˇcasnˇe. V modern´ıch operaˇcn´ıch

(29)

systémech na stoln´ıch poˇc´ıtaˇc´ıch se tato technika jiˇz nevyuˇz´ıvá (v minulosti se vyuˇz´ıvala napˇr´ıklad v prvn´ıch verz´ıch operaˇcn´ıho systému Windows), avˇsak na poli vestavˇených systém˚u je to jeden z nejbˇeˇznˇejˇs´ıch postup˚u pro sd´ılen´ı procesorového ˇcasu.

Jelikoˇz TCP/IP je zdaleka pˇrevládaj´ıc´ı technologie na Ethernetových spojen´ıch, existuj´ı mnohé komerˇcn´ı i nekomerˇcn´ı alternativy k uvedenému ˇreˇsen´ı. Za vˇsechny uved’me projekt lwIP (Lightweight IP), coˇz je svobodná implementace (pod BSD licenc´ı) TCP/IP stacku, která klade obzvláˇstn´ı d˚uraz na úsporu pamˇeti jak programové, tak datové. M˚uˇze bˇeˇzet na systémech s des´ıtkami kilobajt˚u RAM a vleze se do pˇribliˇznˇe 40 kB programové pamˇeti. Je volnˇe ke staˇzen´ı ze stránek projektu: http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/.