RECEPTOR SERIAL COM DECODIFICADOR 128 BITS PARA ACIONAMENTO/DESACIONAMENTO REMOTO DE CONSUMIDORES Cristiane G. Langner (1,2), Juliano João Bazzo (1,3), Ivan J. Chueiri (1,2) (1)LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento; (2)PUCPR Pontifícia Universidade Católica do Paraná; (3)UFPR Universidade Federal do Paraná cristiane@lactec.org.br - juliano@lactec.org.br - chueiri@lactec.org.br SUMMARY The main purpose of the paper is to describe a serial data receiver with a 128-bit decoder. The herein described system implements the digital section of a remote on-off switching system applied to electrical energy distribution. By means of this system, the energy distribution company fully controls remotely the access of users to the electrical energy network. At the company side there is a signal transmission RF module through which it sends control commands to the network. At the user side, a valid message is received, decoded and executed. The user-side receiver, which is the focus of this paper, was implemented using a CPLD (Complex Programmable Logic Device). Experiments have proven that it is functionally reliable and insensitive to electromagnetic interferences. KEY WORDS: CPLD; Serial Receptor; 128 bits Decode; Remote on/off. RESUMO O principal objetivo deste trabalho é a descrição de um receptor de dados seriais com um decodificador de 128 bits. O sistema descrito implementa a parte digital de um sistema de acionamento/desligamento remoto aplicado na distribuição de energia elétrica. Com o uso deste sistema a empresa distribuidora tem total controle de acesso de usuários à rede elétrica. Na concessionária está instalado um módulo transmissor através do qual é permitido enviar comandos de controle à rede. No ambiente do consumidor, mensagens válidas são recebidas, decodificadas e executadas. O receptor instalado no ambiente do consumidor, que é o foco deste trabalho, foi implementado num dispositivo programável CPLD (Complex Programmable Logic Device). Experimentos têm confirmado que o sistema é confiável e insensível a interferências eletromagnéticas. PALAVRAS CHAVE: CPLD; Receptor Serial; Decodificador 128 bits; Acionamento/Desacionamento Remoto.
RECEPTOR SERIAL COM DECODIFICADOR 128 BITS PARA ACIONAMENTO/DESACIONAMENTO REMOTO DE CONSUMIDORES Cristiane G. Langner, Juliano João Bazzo, Ivan J. Chueiri LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento cristiane@lactec.org.br - juliano@lactec.org.br - chueiri@lactec.org.br ABSTRACT The main purpose of the paper is to describe a serial data receiver with a 128-bit decoder. The herein described system implements the digital section of a remote on-off switching system applied to electrical energy distribution. By means of this system, the energy distribution company fully controls remotely the access of users to the electrical energy network. At the company side there is a signal transmission RF module through which it sends control commands to the network. At the user side, a valid message is received, decoded and executed. The user-side receiver, which is the focus of this paper, was implemented using a CPLD (Complex Programmable Logic Device). Experiments have proven that it is functionally reliable and insensitive to electromagnetic interferences. 1. INTRODUÇÃO O gerenciamento remoto de sistemas ganhou força com a evolução dos sistemas de comunicação de dados. Através deste projeto será possível que o operador da concessionária de energia elétrica possa ligar ou desligar consumidores de forma remota evitando, com isso, o deslocamento de uma equipe técnica até o local para efetuar a operação. O sistema será implantado em dois ambientes, um dentro da concessionária e outro na entrada geral do circuito dos consumidores de energia elétrica. No ambiente da concessionária estão todos os servidores e equipamentos necessários para a execução adequada do processo automático de acionamento e desacionamento dos consumidores. Neste ambiente também é feita a gravação automática dos dispositivos que serão instalados em campo. Cada dispositivo conterá uma informação única de 128 bits do consumidor. Os dispositivos remotos, únicos para cada consumidor, serão acionados via concessionária. Um sistema de telecomunicações se encarregada da transmissão da mensagem. A ação é executada somente no dispositivo remoto do consumidor que possuir o código enviado. Optou-se pela utilização de dispositivos lógicos programáveis, CPLDs, pela flexibilidade, facilidade de gravação, confiabilidade e estabilidade. Também porque, o mesmo dispositivo pode conter toda a lógica de recepção e reconhecimento do consumidor, além de possuir o código único gravado na concessionária de energia elétrica. 2. CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO O fluxograma da Figura 1 resume a seqüência do tratamento da informação na operação do sistema.
2.3. Identificação do comando O sistema opera com dois tipos de comando, liga e desliga. Cada um é formado por uma combinação de 8 bytes (64 bits) de tal forma que, em conjunto com a palavra identificadora, forma a palavra completa de controle do relé de acionamento e desacionamento de consumidores, com 128 bits. 2.4. Controle do relé Após o recebimento da palavra de controle individual de 16 bytes (identificação + comando), um relé de retenção é acionado por um estágio de potência formado por transistores NPN do tipo TIP31 ou TIP33. O acionamento ocorre a partir de um pulso de aproximadamente 200ms aplicado à base do transistor. 3. CARACTERÍSTICAS DE IMPLEMENTAÇÃO Figura 1 Fluxograma do sistema 2.1. Recepção serial de bytes O sistema efetua a leitura do sinal recebido de um byte (8 bits) por vez no padrão RS-232 em nível TTL. Os 16 bytes (128 bits) são lidos de forma contínua e seqüencial, pois é desta forma que foram transmitidos. 2.2. Identificação do módulo Cada módulo é identificado por uma palavra única de 8 bytes (64 bits), o que permite 18.10 18 combinações. Essa palavra é informada ao módulo no momento da gravação da CPLD, sendo gerada por criptografia pelo software do sistema e armazenada em um banco de dados próprio no servidor do banco de dados da concessionária de energia elétrica. O sistema Religador Remoto foi desenvolvido para operar em uma CPLD (EPM3128ATC100-5) da Altera com sinal de clock de 10MHz. A utilização de um componente de baixa densidade só foi possível devido à implementação de uma máquina de estados para efetuar o reconhecimento de apenas um byte por vez, evitando, assim, o armazenamento dos 128 bits em células da CPLD ou a utilização de uma memória externa. A lógica que permite a operação do sistema receptor/decodificador é constituída basicamente por: um receptor de bytes padrão RS-232 em nível TTL que opera a uma taxa de 2400bps; uma máquina de estados que identifica a recepção contínua e seqüencial da palavra completa de 16 bytes e um circuito monoastável para acionamento do relé de retenção. O diagrama de blocos da Figura 2 representa a lógica do sistema implementada na CPLD.
Figura 2 Diagrama de blocos do sistema gravado na CPLD 3.1. Receptor de bytes RS-232 O sinal padrão RS-232 é composto por um bit de início (Start Bit), sete bits de dados e um bit de parada (Stop Bit). Após o bit de início vem o LSB (bit menos significativo) do byte de dados. O nível elétrico desse sinal na saída da porta serial de um PC é +12V (nível baixo) e 12V (nível alto). Para a entrada na CPLD este sinal deverá ter seu padrão elétrico adaptado ao padrão TTL. Como a inversão é efetuada internamente na CPLD, o sinal na entrada é de +5V (nível baixo) e 0V (nível alto) (Figura 3). Figura 3 Exemplo de sinal na entrada da CPLD (dado = 51h) O receptor foi ajustado para uma velocidade 2400bps, por ser esta a taxa de transmissão do rádio utilizado. Neste ponto vale a pena ressaltar que o sistema de telecomunicações utilizado pode ser substituído, sendo a taxa de transmissão facilmente adequada na CPLD. Após a identificação do bit de início, o receptor inicia a identificação dos 8 bits de dados, executando uma leitura a cada 400μs e armazenando a informação em um registrador de deslocamento. Terminada a leitura dos 8 bits o sistema aguarda a chegada de uma nova palavra. 3.2. Máquina de estados Após a recepção e armazenamento de um byte completo, o sistema utiliza uma máquina de estados seqüencial (Moore State Machine) para reconhecimento da informação. A cada byte correto o sistema avança seu estado até a identificação do módulo e do comando de acionamento do relé. Se não ocorrer nenhuma transição de estado num intervalo de tempo superior a 6,5ms, o sistema retorna ao estado inicial e aguarda um novo ciclo. A Figura 4 ilustra a máquina de estados. Cada estado, identificado por S (S00 a S24) é alcançado após o recebimento correto da informação. ID representa os bytes de identificação (ID1 a ID8), L representa os bytes de acionamento (L1 a L8) e D representa os bytes de desacionamento (D1 a D8). Após a identificação no estado S08, o byte seguinte irá direcionar o sistema para a seqüência de LIGA (estados de S09 a S16) ou DESLIGA (estados de S17 a S24).
Início LIGA DESLIGA Figura 4 Máquina de estados responsável pela identificação do módulo e comando transmitido 3.3. Acionamento (retenção do sinal) A máquina de estados possui dois estados finais, um para ligar o relé (S16) e outro para desligar o relé (S24). O estágio de acionamento faz com que o comando de liga ou desliga, depois de recebido, seja mantido acionado por cerca de 200ms, tempo necessário para garantir a comutação do relé de retenção. 4. CONCLUSÃO O sistema receptor serial com decodificador 128 bits para acionamento/desacionamento remoto de consumidores, tratado neste trabalho está funcionando e já se encontra na etapa de testes em campo. Já foi possível verificar a robustez, confiabilidade e flexibilidade, além da imunidade a desligamento ou religamento devido a ruídos na transmissão. Para ocorrer uma comutação do relé é necessária a identificação de uma palavra de 128 bits em um certo intervalo de tempo. Com a técnica de recepção serial de 8 bits por vez e a utilização de uma máquina de estados para fazer o reconhecimento dos 16 bytes que compõem a palavra serial de 128 bits transmitida, foi possível implementar todo a lógica de recepção e identificação do consumidor em um componente programável de apenas 128 células lógicas. A grande flexibilidade do sistema, proporcionada pela utilização de lógica programável (CPLD), é um de seus pontos fortes, pois o torna adaptável a uma gama de situações e sistemas de transmissão muito variados, além de ser algo facilmente manipulado pelos operadores, não requerendo grandes habilidades dos responsáveis pela utilização do equipamento. A utilização de dispositivos do tipo CPLD também protege o sistema, de forma simples e sem custos adicionais, contra ações de engenharia reversa, pois uma vez gravadas e protegidas, não é possível recuperar o sistema programado. 5. REFERÊNCIAS [01] Agência Nacional de Telecomunicações ANATEL, Regulamentação sobre Equipamentos de Radiocomunicação de Radiação Restrita, 1999 ; [02] ALTERA, Data Books e Max+Plus II Getting Started ; [03] HOROWITZ, Paul; WINFIELD, Hill. The Art of Electronics. 2 ed. USA: Cambridge University, 1998. [04] Norma Técnica COPEL, Materiais de Distribuição Padrão, NTC 81, Rev. Set. 1992. [05] Norma Técnica COPEL, Montagem de Redes de Distribuição Urbana, NTC 849, Rev. Set. 1992. [06] POWER Integrations, Inc., Data Sheet, TNY253/254/255 TinySwitch Family, Sep. 1998;