1 Введение
В промышленной автоматизации проводные способы передачи данных между мобильными транспортными средствами и центральными диспетчерскими неудобны из-за необходимости протаскивания кабелей связи; С другой стороны, методы беспроводной связи страдают от высокого уровня ошибок из-за суровых условий промышленной среды. Беспроводная передача данных на основе индукции- (передача данных с помощью индукционного радио) использует электромагнитную индукцию между кодированным кабелем (также известным как индукционная шина) и индукционной антенной для обмена информацией. Поскольку дальность беспроводной связи строго ограничена 5–20 см, этот метод обеспечивает как гибкость движения локомотива, так и надежность качества связи, а также позволяет в-отслеживать в реальном времени положение движущегося локомотива во время связи.
Электрическое оборудование в промышленных условиях, особенно устройства управления скоростью с переменной-частотой на движущихся локомотивах, может генерировать сильные гармоники, идентичные или подобные несущей частоте индуктивной беспроводной передачи данных. Эти со-помехи не могут быть ослаблены полосовыми фильтрами. Если на входе не будут приняты эффективные меры по его подавлению, то частота ошибок индуктивной беспроводной передачи данных значительно возрастет, что потенциально приведет систему к неработоспособности. На этапе I модернизации электрической системы коксовой печи на предприятии Baosteel использовалось оборудование, импортированное из Японии. В реальной эксплуатации «наблюдались частые прерывания связи по индукционной шине, при этом анализ показал, что причиной являются случайные сильные помехи и искажения обнаружения антенны». Следовательно, в некоторых практических приложениях от индуктивной беспроводной технологии отказались в пользу передачи данных, приняв только индуктивную технологию беспроводного определения положения.
Чтобы подавить помехи при индуктивной беспроводной передаче данных, эксперты и ученые в этой области провели обширные исследования. В одном исследовании была предложена индуктивная конфигурация беспроводной дифференциальной приемной антенны, а в другом предложен метод с использованием двух приемных антенн с одной линией передачи. Представленный в этом документе метод подавления помех в совмещенном-канале для индуктивной беспроводной передачи данных "скрещенные двойные линии передачи с одной приемной антенной на равном расстоянии" может эффективно подавлять помехи в совмещенном канале, улучшать соотношение-/-сигнала и подходит для наземного-определения местоположения.
2 основных принципа индуктивной беспроводной передачи данных
Чтобы проанализировать принцип, с помощью которого технология подавления помех в одном канале улучшает соотношение сигнал-к-шуму при индуктивной беспроводной передаче данных, мы сначала даем краткий анализ и введение в основные принципы индуктивной беспроводной передачи данных.
2.1 Кодированный кабель и индуктивная антенна
Кодированный кабель имеет плоскую форму и содержит несколько пар линий передачи, которые пересекаются в определенных точках в соответствии с определенной схемой кодирования. Кодированный кабель прокладывается вдоль путей подвижного локомотива, один конец которого подсоединяется к центральному диспетчерскому пункту.
Индукционная антенна состоит из двух наборов катушек,-одна из которых служит антенной передатчика, а другая — антенной приемника,-заключенных в пластиковую коробку, обычно называемую антенной коробкой. Антенный короб устанавливается на движущемся локомотиве и подключается к шкафу управления локомотива. Антенный короб перемещается вместе с локомотивом и постоянно находится на расстоянии 5–20 см от кодированного кабеля. См. рисунок 1.
Когда антенный блок расположен рядом с кодированным кабелем, каждая пара линий передачи в кодированном кабеле вызывает отклик в катушках внутри антенного блока, тем самым создавая канал беспроводной связи ближнего-действия между антенным блоком и кодированным кабелем.
2.2 Анализ амплитуды и фазы индуцированного сигнала
На рисунке 2 показана принципиальная схема линии передачи L, проложенной горизонтально рядом с катушкой антенны. На рисунке 2 ширина антенны и расстояние между двумя пересекающимися линиями передачи в кодированном кабеле равны W, где W=2r.
Определение: Центральная точка антенной катушки определяется как положение антенной катушки; область между двумя пересечениями линии передачи L называется областью K линии передачи L (K=I, II, III, …), а расстояние d представляет собой отклонение положения антенной катушки x от центральной линии соответствующей области K.
Используя антенную катушку в качестве передающей катушки, анализируем наведенную электродвижущую силу e, возникающую в линии передачи связи. Согласно теории электромагнитной индукции, при протекании тока i=Imsinωt через катушку антенны ЭДС наведенной e в линии передачи равна e=di/dt. Здесь коэффициент взаимной индуктивности M является функцией положения катушки антенны (x, y, z). Предполагая, что y и z остаются постоянными при движении катушки антенны в направлении x-, тогда:
е=f(x)ωImcosωt
Поскольку существует соединение, индуцированная ЭДС eI, генерируемая в области I линии передачи, не совпадает по фазе с индуцированной ЭДС eII, генерируемой в области II. Если мы примем фазу eI в качестве эталона, то пусть
Когда n четно, наведенная ЭДС e в линии передачи находится в фазе с eI; когда n нечетно, e находится в противофазе с eI, а фазовый коэффициент равен (–1)n.
Когда расстояние z между передающей катушкой и кодируемым кабелем мало, линии магнитного потока, генерируемые передающей катушкой, можно аппроксимировать как равномерно распределенные вдоль направления x- и проходящие перпендикулярно через линию передачи. Следовательно, величина A индуцированной электродвижущей силы e, генерируемой в линии передачи, пропорциональна эффективной площади индукции линии передачи. Как показано на рисунке 2, когда антенная катушка находится в положении 1 (d=0), эффективная площадь индукции S=W × B максимальна, а A=Amax. В положении d=r антенной катушки 3 эффективная площадь индукции S=0, а A=0.. В положении антенной катушки 2 эффективная площадь индукции S=(Вт – 2d) × B. Получаем:
И наоборот, если ток пропускается через линию связи и катушка антенны используется в качестве приемной катушки, уравнения (1)–(3) по-прежнему остаются верными на основе принципа взаимной индуктивности.
3 метода подавления помех
Чтобы подавить помехи, особенно помехи внутри-канала, наиболее эффективным подходом является предотвращение попадания помех на принимающую сторону. Таким образом, философия проектирования заключается в следующем: путем реализации разумной конструкции приемной стороны в диспетчерской-кодированной кабельной линии передачи связи-и приемной стороны на транспортном средстве-приемная антенна-помеховый шум ослабляется, в то время как сигналы связи ослабляются как можно меньше, не ослабляются вообще или даже усиливаются, тем самым достигая цели улучшения сигнала-до-шума соотношение.
3.1 Проектирование двух линий передачи, пересекающих одну приемную антенну на одинаковом расстоянии
В «конструкции двух линий передачи, пересекающих одну приемную антенну на одинаковом расстоянии» две пары пересекающихся линий связи, L0 и L1, расположены внутри кодированного кабеля. Используются одна передающая антенна и одна приемная антенна; приемная антенна формируется путем намотки проводников по перекрестной схеме в несколько витков и, следовательно, может рассматриваться как состоящая из приемной катушки 1 и приемной катушки 2. Расстояние между пересекающимися линиями передачи, расстояние между скрещенными приемными антеннами и ширина передающей катушки равны W. Как показано на рисунке 3.
На рисунке 3(а) показаны фактическая структура и схематическая диаграмма операции. Рисунок 3(b) представляет собой упрощенную принципиальную схему линий передачи L0 и L1, передающей антенны и приемной антенны, расположенную плоско для простоты анализа; в реальных приложениях Вт=20 см.
3.2 Анализ подавления помех в линиях передачи
При подаче сигнального тока на передающую антенну локомотива центр управления принимает сигнал по линиям связи. Для подавления помех линия передачи L0 пересекается через равные интервалы W. На расстоянии она выглядит как витая-пара кабеля, обеспечивающая подавление помех в диапазоне от нескольких дБ до 30 дБ, в среднем до 15 дБ.
Для сигналов связи, согласно уравнению (3), амплитуда AL0 индуцированного сигнала в линии связи L0 является функцией положения антенны x. Когда центр передающей катушки совмещен с любой точкой пересечения на L0, AL0=0, что приводит к мертвой зоне канала. Чтобы избежать этой ситуации, внутри кодирующего кабеля размещается дополнительная пара линий связи L1, точки их пересечения смещены от точек пересечения L0, как показано на рисунке 3. Пусть d0 и d1 представляют собой расстояния, на которые положение x передающей катушки смещено от осевых линий линий передачи L0 и L1 соответственно; тогда r=d0 + d1. Пусть eL0 представляет сигнал, индуцированный линией передачи L0, а eL1 представляет сигнал, индуцированный линией передачи L1. В электронном оборудовании диспетчерской сигнал e'L1-, который представляет собой eL1, сдвинутый на 90 градусов, суммируется с eL0 для получения составного сигнала e. Согласно уравнению (2), имеем:
В этот момент передающая антенна находится в наихудшем возможном положении. Векторная диаграмма e показана на рисунке 4.
Приведенный выше анализ показывает, что приемник скрещенной двойной -линии передачи-, показанный на рисунке 3, очень эффективен при подавлении помех. Для сигналов связи наблюдается затухание на 3 дБ, когда передающая антенна находится в худшем-положении.
3.3 Анализ подавления помех приемной антенной
Что касается помех, традиционные приемные антенны состоят из одиночных катушек без перекрестной-связи и не имеют помехоустойчивости. Однако приемная антенна, показанная на рисунке 3, имеет перекрещенные приемные катушки 1 и 2. Во время работы в полевых условиях электродвижущие силы помех eN1 и eN2, индуцированные в двух катушках, не совпадают по фазе. Если шумовые электромагнитные волны равномерно распределены в пределах небольшой площади 2 Вт вдоль направления x- приемной антенны, то eN1=−eN2, а шумовая электродвижущая сила, извлекаемая приемной антенной, eN, равна eN1 + eN2=0.
Что касается сигналов связи, модулированный сигнал f₀, передаваемый центральной диспетчерской, усиливается и передается по линии передачи L₀; сигнал f₁ (который сдвинут по фазе на 90 градусов с f₀) усиливается и передается по линии передачи L₁. Эти два сигнала генерируют комбинированное электромагнитное поле в пространстве возле кодирующего кабеля, которое обнаруживается и принимается приемной антенной, расположенной рядом с кодирующим кабелем. Поскольку f₀ и f₁ ортогональны, мертвые зоны канала отсутствуют. Наведенные сигналы, генерируемые в традиционной приемной антенне, описываются уравнением (6). Как показано на рисунке 3, приемная антенна генерирует наведенные электродвижущие силы e(1) и e(2) в приемных катушках 1 и 2 соответственно. Благодаря характеристикам равноудаленного пересечения приемная антенна в любом положении удовлетворяет следующим требованиям:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); согласно уравнению (6) величины e(1) и e(2) равны;
(2) Если электромагнитное поле, генерируемое в области K линии передачи Li (i=0, 1), доминирует в приемной катушке 1, то электромагнитное поле, генерируемое в области K+1, доминирует в приемной катушке 2. Из-за пересечения линий передачи электромагнитное поле, генерируемое в области K+1, находится в противофазе с полем, генерируемым в области K. Поскольку приемная катушка 2 пересекается с приемной катушкой 1, после двух инверсий фаз фазы e(1) и e(2) становятся одинаковыми.
Следовательно, индуцированная электродвижущая сила e=e(1) + e(2)=2e(1), извлекаемая приемной антенной из сигнала связи, в два раза больше, чем у обычной приемной антенны.
Кроме того, когда передающая катушка посылает сигнал, напряжение на обоих концах передающей катушки составляет 200 Впик-пик. Чтобы сильный передаваемый сигнал не повредил схему предусилителя приемника, передающая катушка помещается между двумя катушками приемной антенны. Таким образом, электродвижущая сила, наведенная в приемной антенне сигналом передающей антенны, равна примерно нулю.
3.4 Экспериментальный анализ подавления помех приемной антенны
Условия эксперимента были следующими: общая длина линии передачи составляла 3 м, W=20 мм. Использовался набор настоящего индуктивного оборудования беспроводной передачи данных со скоростью связи 4800 бит/с, FSK-модуляцией и несущей частотой 49 кГц. При нормальной работе пиковый ток модулированного сигнала, проходящего через L0, составлял 0,07 А; пиковый ток модулированного сигнала, проходящего через катушку передающей антенны, составлял 0,38 А.
В ходе эксперимента расстояние z между передающей катушкой и кодируемым кабелем поддерживалось на уровне 200 мм, а центр передающей катушки располагался на одной линии с одним пересечением L0. В этих условиях амплитуда напряжения наведенного сигнала на линии передачи L1 измерялась как VL1=25 мВп-p, а амплитуда напряжения наведенного сигнала на приемной антенне измерялась как VA=20 мВп-p.
Если в качестве источника помех используется генератор сигналов, а для связи с целью создания помех используется пара параллельных проводов, см. рисунок 5. Генератор сигналов выдает напряжение помех v=Vm sin(2πft), где f=49 кГц и R=130 Ом.
Эксперимент, показанный на рисунке 5(a), соответствует помехам в обычной приемной антенне, а эксперимент, показанный на рисунке 5(b), соответствует помехам в скрещенных катушках приемной антенны. Пусть VNm (от пика-до-пика) обозначает электродвижущую силу,-индуцированную помехами, извлекаемую из приемной антенны. В таблице 1 представлены данные обоих экспериментов.
Результаты экспериментов показывают, что система обеспечивает подавление помех до 48 дБ. Теоретический и экспериментальный анализ, представленный выше, показывает, что использование равноудаленных скрещенных приемных антенн не только обеспечивает сильное подавление помех, но также обеспечивает усиление сигналов связи на 6 дБ по сравнению с традиционными приемными антеннами, тем самым значительно улучшая соотношение сигнал-/-шум.
4 Заключение
Метод подавления помех, включающий «пересечение двух линий передачи с помощью одной приемной антенны на равных расстояниях», был применен в компьютерной-системе централизованного управления мобильными локомотивами, использующей индуктивную беспроводную технологию. На практике этот метод доказал свою эффективность при подавлении помех в промышленных условиях, особенно при эффективном подавлении помех в совмещенном-канале, создаваемых устройствами управления скоростью с переменной-частотой, обеспечивая тем самым надежность передачи данных. Конечно, технология подавления помех для индуктивной беспроводной передачи данных, предложенная в этой статье, направлена только на подавление шума на принимающей стороне. Для электронного оборудования, работающего в суровых промышленных условиях, необходимо применять дополнительные меры, такие как заземление и экранирование; это выходит за рамки данной статьи.