1 Вступ
У промисловій автоматизації дротові методи зв'язку для передачі даних між мобільними транспортними засобами та центральними диспетчерськими незручні через необхідність перетягування кабелів зв'язку; методи бездротового зв'язку, з іншого боку, страждають від високого рівня помилок через суворі умови промислового середовища. Індукційний-бездротовий зв’язок даних (передача даних за допомогою індукційного радіо) використовує електромагнітну індукцію між кодованим кабелем (також відомим як індукційна шина) та індукційною антеною для обміну інформацією. Оскільки діапазон бездротового зв’язку суворо обмежений 5–20 см, цей метод забезпечує як гнучкість руху локомотива, так і надійність якості зв’язку, а також дає змогу-відстежувати в реальному часі положення рухомого локомотива під час зв’язку.
Електрообладнання в промислових умовах, зокрема пристрої керування швидкістю-з змінною частотою на рухомих локомотивах, може генерувати сильні гармоніки, ідентичні або подібні до несучої частоти індуктивного бездротового передачі даних. Ці-частотні перешкоди не можуть бути послаблені смуговими фільтрами. Якщо на вході не вжити ефективних заходів для його придушення, частота помилок індуктивного бездротового обміну даними значно збільшиться, що потенційно призведе до непрацездатності системи. Для етапу I модернізації електричної системи коксової печі на Baosteel використовувалося обладнання, імпортоване з Японії. Під час фактичної роботи «спостерігалися часті переривання зв’язку індукційної шини, при цьому аналіз пояснював причину випадкових сильних перешкод і спотворень виявлення антени». Отже, у деяких практичних застосуваннях індуктивна бездротова технологія була залишена для передачі даних, і була прийнята лише індукційна бездротова технологія визначення положення.
Щоб придушити перешкоди в індуктивній бездротовій передачі даних, експерти та вчені в цій галузі провели масштабні дослідження. Одне дослідження запропонувало конфігурацію індуктивної бездротової диференціальної приймальної антени, тоді як інше запропонувало метод із використанням подвійних приймальних антен з однією лінією передачі. «Схрещені подвійні лінії передачі з однією приймальною антеною на однаковій відстані» метод придушення перешкод у -каналі для індуктивного бездротового обміну даними, представлений у цій статті, може ефективно пригнічувати перешкоди від перешкод у-каналі, покращити співвідношення-до-шуму та підходить для-наземного визначення положення.
2 Основні принципи індуктивної бездротової передачі даних
Щоб проаналізувати принцип, за яким-технологія придушення перешкод у каналах покращує співвідношення-до-шуму в індуктивному бездротовому передачі даних, ми спочатку надаємо короткий аналіз і вступ до основних принципів індуктивного бездротового передачі даних.
2.1 Кодований кабель та індуктивна антена
Кодований кабель має плоску форму і містить кілька пар ліній передачі, які перетинаються в певних точках відповідно до визначеної схеми кодування. Кодований кабель прокладається вздовж колій пересувного локомотива, одним кінцем з’єднаним з центральною диспетчерською.
Індукційна антена складається з двох наборів котушок-одна з яких служить антеною передавача, а інша — приймальною антеною-в пластиковій коробці, яку зазвичай називають антенною коробкою. Антенна коробка встановлюється на локомотиві, що рухається, і з'єднується з шафою керування локомотивом. Антенна коробка рухається разом з локомотивом і весь час зберігає відстань 5–20 см від кодованого кабелю. Дивіться малюнок 1.
Коли антенна коробка розташована близько до кодованого кабелю, кожна пара ліній передачі в кодованому кабелі викликає відповідь у котушках усередині антенного блоку, таким чином встановлюючи-канал бездротового зв’язку короткого діапазону між антенною коробкою та кодованим кабелем.
2.2 Аналіз амплітуди та фази індукованого сигналу
На малюнку 2 показана принципова діаграма лінії передачі L, покладеної вздовж котушки антени. На малюнку 2 ширина антени та відстань між двома пересічними лініями передачі в кодованому кабелі дорівнюють W, де W=2r.
Визначення: центральна точка котушки антени визначається як положення котушки антени; область між двома перетинами лінії передачі L називається областю K лінії передачі L (K=I, II, III, …), а відстань d являє собою відхилення положення x котушки антени від центральної лінії відповідної області K.
Використовуючи котушку антени як передавальну котушку, ми аналізуємо індуковану електрорушійну силу e, що генерується в лінії передачі зв’язку. Відповідно до теорії електромагнітної індукції, коли через котушку антени протікає струм i=Imsinωt, індукована ЕРС e в лінії передачі становить e=di/dt. Тут коефіцієнт взаємної індуктивності M є функцією положення котушки антени (x, y, z). Припускаючи, що y і z залишаються постійними, коли котушка антени рухається вздовж напрямку x-, тоді:
e=f(x)ωImcosωt
Оскільки існує з’єднання, індукована ЕРС eI, що генерується в області I лінії передачі, не збігається з фазою індукованої ЕРС eII, що генерується в області II. Якщо взяти за еталон фазу eI, то нехай
Коли n парне, індукована ЕРС e в лінії передачі знаходиться в фазі з eI; коли n непарне, e не в фазі з eI, а фазовий коефіцієнт дорівнює (–1)n.
Коли відстань z між передавальною котушкою та закодованим кабелем невелика, лінії магнітного потоку, створювані передавальною котушкою, можна наближено вважати рівномірно розподіленими вздовж напрямку x- і проходять перпендикулярно через лінію передачі. Тому величина A індукованої електрорушійної сили e, що створюється в лінії передачі, пропорційна ефективній площі індукції лінії передачі. Як показано на малюнку 2, коли котушка антени знаходиться в положенні 1 (d=0), ефективна площа індукції S=W × B є максимальною, а A=Amax. У положенні d=r котушки антени 3 ефективна площа індукції S=0 і A=0. У положенні котушки антени 2 ефективна площа індукції S=(W – 2d) × B. Отримуємо:
І навпаки, якщо струм пропускається через лінію передачі зв’язку, а котушка антени використовується як приймальна котушка, рівняння (1)–(3) все ще залишаються вірними на основі принципу взаємної індуктивності.
3 Методи придушення перешкод
Щоб придушити перешкоди, зокрема між-канальні перешкоди, найефективнішим підходом є запобігання проникненню перешкод у приймальну сторону. Таким чином, філософія дизайну полягає в наступному: шляхом впровадження розумної конструкції для приймального кінця в диспетчерській-закодованої кабельної лінії передачі зв’язку-і приймального кінця на транспортному засобі-приймальної антени-перешкоди послаблюються, тоді як сигнали зв’язку послаблюються якомога менше, не послаблюються взагалі або навіть посилюються, таким чином досягаючи мети покращення співвідношення сигнал-до-шуму.
3.1 Проектування двох ліній передачі, що перетинають одну приймальну антену на однаковій відстані
У «дизайні двох ліній передачі, що перетинають одну приймальну антену на однаковій відстані», дві пари перехрещених ліній передачі зв’язку, L0 і L1, розташовані всередині кодованого кабелю. Використовується одна передавальна антена та одна приймальна антена; приймальна антена утворена намотуванням провідників у перехрещеній схемі на кілька витків, і тому її можна розглядати як таку, що складається з приймальної котушки 1 і приймальної котушки 2. Відстань між перехрещеними лініями передачі, відстань між перехрещеними приймальними антенами та ширина передавальної котушки – усі W. Як показано на малюнку 3.
На малюнку 3(a) показана фактична структура та схематична діаграма операції. Фігура 3(b) є спрощеною схематичною схемою ліній передачі L0 і L1, передавальної антени та приймальної антени, викладених пласко для полегшення аналізу; у реальних застосуваннях, Вт=20 см.
3.2 Аналіз придушення перешкод лінії передачі
При подачі струму сигналу на передавальну антену локомотива центр управління приймає сигнал по лініях передачі зв'язку. Щоб придушити перешкоди, лінію передачі L0 перетинають з регулярними інтервалами Вт. Здалеку це виглядає як вита -пара кабелю, що забезпечує придушення перешкод у діапазоні від кількох дБ до 30 дБ із середнім значенням до 15 дБ.
Для сигналів зв’язку, відповідно до рівняння (3), амплітуда AL0 індукованого сигналу на лінії передачі зв’язку L0 є функцією положення антени x. Коли центр передавальної котушки вирівнюється з будь-якою точкою перетину на L0, AL0=0, що призводить до мертвої зони каналу. Щоб уникнути цієї ситуації, додаткова пара ліній передачі зв’язку, L1, розташована всередині кодуючого кабелю, з їх точками перетину, зміщеними відносно точок L0, як показано на малюнку 3. Нехай d0 і d1 являють собою відстані, на які позиція x передавальної котушки зміщена від осьових ліній ліній передачі L0 і L1 відповідно; потім r=d0 + d1. Нехай eL0 представляє сигнал, викликаний лінією передачі L0, а eL1 представляє сигнал, викликаний лінією передачі L1. В електронному обладнанні диспетчерської, сигнал e'L1-, який eL1 зсувається на 90 градусів, підсумовується з eL0, щоб отримати складений сигнал e. Згідно з рівнянням (2), ми маємо:
У цей момент передавальна антена знаходиться в найгіршому положенні. Векторна діаграма e показана на малюнку 4.
Наведений вище аналіз показує, що приймач із подвійною -передачею-лінії, показаний на малюнку 3, є дуже ефективним для придушення шуму перешкод. Для сигналів зв’язку існує затухання на 3 дБ, коли передавальна антена знаходиться в найгіршому-положенні.
3.3 Аналіз придушення перешкод приймальною антеною
Щодо перешкод традиційні приймальні антени складаються з одиночних котушок без перехресного-зв’язку та не мають стійкості до перешкод. Однак приймальна антена, показана на малюнку 3, має перехрещені приймальні котушки 1 і 2. Під час роботи в полі електрорушійні сили eN1 і eN2, індуковані двома котушками, не мають фази. Якщо шумові електромагнітні хвилі рівномірно розподілені в межах невеликої площі 2W вздовж x-напрямку приймальної антени, то eN1=−eN2, а електрорушійна сила шуму, вилучена приймальною антеною, eN, дорівнює eN1 + eN2=0.
Для сигналів зв'язку модульований сигнал f₀, який передається центральною диспетчерською, посилюється та передається через лінію передачі L₀; сигнал f₁ (який на 90 градусів зміщений по фазі з f₀) посилюється та передається через лінію передачі L1. Ці два сигнали створюють комбіноване електромагнітне поле в просторі поблизу кодуючого кабелю, яке виявляється та приймається приймальною антеною, розташованою поблизу кодуючого кабелю. Оскільки f₀ і f₁ ортогональні, мертвих зон каналу уникають. Індуковані сигнали, що генеруються традиційною приймальною антеною, описуються рівнянням (6). Як показано на малюнку 3, приймальна антена створює індуковані електрорушійні сили e(1) і e(2) у приймальних котушках 1 і 2 відповідно. Завдяки характеристикам еквідистантного перетину приймальна антена задовольняє наступне в будь-якому місці:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); згідно з рівнянням (6), величини e(1) і e(2) рівні;
(2) Якщо електромагнітне поле, створене в області K лінії передачі Li (i=0, 1), домінує над приймальною котушкою 1, тоді електромагнітне поле, створене в області K+1, домінує над приймальною котушкою 2. Через перетин ліній передачі, електромагнітне поле, що створюється в області K+1, не відповідає фазі поля, яке створюється в області K. Оскільки приймальна котушка 2 перетинається з приймальною котушкою котушки 1, після двох інверсій фази фази e(1) і e(2) стають однаковими.
Таким чином, індукована електрорушійна сила e=e(1) + e(2)=2e(1), витягнута приймальною антеною із сигналу зв’язку, вдвічі більша, ніж у звичайної приймальної антени.
Крім того, коли котушка передачі надсилає сигнал, напруга на обох кінцях котушки передачі становить 200 В{1}}p. Щоб потужний переданий сигнал не пошкодив схему попереднього підсилювача приймача, передавальну котушку розміщують між двома котушками приймальної антени. Таким чином, електрорушійна сила, викликана в приймальній антені сигналом передавальної антени, приблизно дорівнює нулю.
3.4 Експериментальний аналіз придушення перешкод приймальної антени
Умови експерименту були такими: загальна довжина лінії передачі становила 3 м, W=20 мм. Використовувався набір фактичного індуктивного бездротового обладнання для передачі даних зі швидкістю передачі даних 4800 біт/с, модуляцією FSK і несучою частотою 49 кГц. Під час нормальної роботи піковий струм модульованого сигналу, що проходить через L0, становив 0,07 А; піковий струм модульованого сигналу, що проходить через котушку передавальної антени, становив 0,38 А.
Під час експерименту відстань z між передавальною котушкою та закодованим кабелем підтримувалася на рівні 200 мм, а центр передавальної котушки вирівнювався з одним перетином L0. За цих умов амплітуда наведеної напруги сигналу на лінії передачі L1 була виміряна як VL1=25 mVp-p, а амплітуда наведеної напруги сигналу на приймальній антені була виміряна як VA=20 mVp-p.
Якщо генератор сигналів використовується як джерело перешкод, а пара паралельних проводів використовується для з’єднання, щоб викликати перешкоди, див. Малюнок 5. Генератор сигналів видає напругу перешкод v=Vm sin(2πft), де f=49 кГц і R=130 Ω.
Експеримент, показаний на малюнку 5(a), відповідає перешкодам у звичайній приймальній антені, тоді як експеримент, показаний на малюнку 5(b), відповідає перешкодам у схрещених котушках приймальної антени. Нехай VNm (пік-до-пік) позначає електрорушійну силу-інтерференції, що вилучається з приймальної антени. У таблиці 1 представлені дані для обох експериментів.
Експериментальні результати показують, що система забезпечує придушення перешкод до 48 дБ. Наведені вище теоретичні та експериментальні аналізи демонструють, що використання еквідистантних схрещених приймальних антен не тільки забезпечує потужне придушення шуму перешкод, але й забезпечує посилення сигналів зв’язку на 6 дБ порівняно з традиційними приймальними антенами, таким чином значно покращуючи співвідношення сигнал-до-шуму.
4 Висновок
Техніку придушення перешкод, яка передбачає «перетин подвійних ліній передачі з однією приймальною антеною на однаковій відстані», застосовано в комп’ютерній-централізованій системі керування керування мобільними локомотивами з використанням індуктивної бездротової технології. У практичних застосуваннях цей метод довів ефективність у придушенні перешкод у промислових середовищах, зокрема в ефективному придушенні перешкод у між-каналі, створюваних пристроями керування швидкістю зі змінною{3}}частотою, забезпечуючи таким чином надійність передачі даних. Звичайно, технологія придушення перешкод для індуктивного бездротового обміну даними, запропонована в цьому документі, стосується лише придушення шуму на приймальному кінці. Для електронного обладнання, що працює в важких промислових умовах, необхідно впровадити додаткові заходи, такі як заземлення та екранування; вони виходять за рамки цієї статті.