последнее обновление 8 марта 2015 г.

home page КОНТАКТЫ, SKYPE, E-MAIL, ТЕЛЕФОН КОНТАКТЫ, SKYPE, E-MAIL, ТЕЛЕФОН КОНТАКТЫ, SKYPE, E-MAIL, ТЕЛЕФОН

Underwater video

RADIO Telemetry Industrial Sensors

   home page  >> micro telemetry devices

Компания EXERGIA DIVISION II

 

Микротелеметрия является одним из самых быстрорастущих сегментов применения радиоэлектронных средств, начиная с 2004 года, производство устройств микротелеметрии обогнало производство устройств WiFi, и в настоящее время лидирует на рынке систем маломощной радиосвязи и радиоуправления. Мы обладаем большим количеством готовых разработок в области микротелеметрических устройств и систем, обладающих уникальными свойствами и характеристиками. Это устройства дистанционного подрыва лавин, системы слежения за объектами, сети датчиков для контроля водо/теплоснабжения, станции наблюдения за чистотой окружающей среды, промышленная телемеханика и связь.

Примеры готовых разработок находятся здесь, это основные узлы и модули, такие как ждущие приемники командных радиолиний, аналого-цифровые преобразователи, кодеры и декодеры, беспроводные датчики, и многие другие устройства.

Для тех, кто не знаком с данным классом радиоэлектронных систем, ниже приводится краткое описание основных принципов работы систем микротелеметрии и телемеханики.

 

1.1 Радиоканалы систем телеметрии, радиоуправления и слежения за движущимися объектами.

Системы микротелеметрии используют радиочастоты в диапазонах 315, 418, 434, 868 и 900 Мгц. В диапазонах 315-434 Мгц испльзуется амплитудная и частотная манипуляция, в диапазонах 868 и 900 Мгц, используются шумоподобные сигналы и частотная манипуляция с минимальным сдвигом и гауссовым формированием спектральной плотности сигнала.

Передатчики и приемники систем микротелеметрии выпускаются в виде отдельных гибридных микросборок, основным исполнением является SIP - модуль с однорядным расположением выводов - для недорогих радиомодулей, и SMD с двухрядным корпусом - для модулей высокого качества. На картинке показан радиомодуль компании LINX, которая является одним из ведущих производителей подобных гибридных микросхем.

Типичные параметры приемников такого класса - чувствительность от -98 дБм до - 110 дБм, потребляемый ток от 5 до 12 мА. Чувствительность приемников определяется для коэффициента ошибок 10Е-5, при скоростях 300-9600 бод для АМ и до 115200 бод для ЧМ. Приемники микротелеметрии бывают трех типов: супергетеродины с низкой ПЧ, сверхрегенеративные детекторы с избирательным УВЧ на входе и приемники с прямым преобразованием. (о помехоустойчивости модемов - см. статью)

Параметры приемных устройств с шумоподобной модуляцией значительно выше, т.к. определяются для коэффициента ошибок 10Е-6, то есть на порядок выше, чем у обычных приемников. Примерно на порядок выше и цена приемников ШПС.

Дальность действия микротелеметрических систем зависит от условий связи, таких как: наличие помех, прямой видимости, а также от типа антенн, вида модуляции и мощности передатчиков. В целом, системы микротелеметрии покрывают расстояния от десятков - сотен метров, до десятков километров.

Передатчики систем микротелеметрии обладают отличными параметрами внеполосных радиоизлучений, стабильности частоты и амплитуды сигнала в широком диапазоне температур. Выходная мощность передатчиков от 0 дБм до 30 дБм.

Отдельный класс устройств - трансиверы, то есть модули, в которых имеется как приемник, так и передатчик. Трансиверы применяются в системах с квитированием, то есть с обратной связью, в которых удаленный пункт телеметрии принимает командную посылку со своим адресом, и затем выдает запрашиваемую информацию в сторону центрального устройства. В системах с обратной связью имеются ограничения по току потребления удаленных устройств, т.к. в большинстве случаев они питаются от батарей, и постоянно включенный приемник, даже с низким потреблением, "посадит" питание максимум за месяц работы. Решение такой проблемы рассматривается в 1.2. К классу трансиверов также относятся модули ZigBee 802.15.4 и Bluetooth.

 

 1.2 ВСТРАИВАЕМЫЕ МОДУЛИ КОМАНДНЫХ РАДИОЛИНИЙ СО СВЕРХМАЛЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТОКА В РЕЖИМЕ ДЕЖУРНОГО ПРИЕМА И ОЖИДАНИЯ ПЕРЕДАЧИ.

Приемник со сверхмалым потреблением тока в режиме дежурного приема - является наиважнейшим узлом систем радиоуправления и телеметрических систем с командным радиоканалом и питанием от батарей. Ждущий приемник является основным потребителем энергии в системе. Ток, потребляемый приемником в дежурном режиме - основной фактор разряда батарей и аккумуляторов.

Для решения задач дежурного приема сконструирован специальный модуль сверхрегенеративного приемника со сверхмалым потреблением тока и широким диапазоном рабочих температур. Основу модуля составляет чипсет, разработанный компанией Microlinear, предназначенный для систем радиоуправления. Сверхрегенеративный детектор приемника контролируется схемой температурной стабилизации рабочей точки, выполненной на микромощном ОУ, а также отдельный генератор частоты самогашения на КМОП элементах. Чувствительность приемника в диапазоне 433.92 Мгц, не хуже - 94 дБм, потребляемый ток - не более 70 микроампер (!!!) при напряжении питания 3 Вольта. Две литиевых батарейки размера АА, работают с таким модулем несколько лет. Совместно с декодером циклического кода, трехвольтовой литиевой батареей и исполнительным устройством, например простейшим реле, такой приемник может годами ждать команды на исполнение какого-либо задания. Мы применяем такой приемник в системах с циклическим опросом, квитированием, а также в системах проверки работоспособности удаленных датчиков. Например, в одной из разработанных нами систем, необходимо периодически проверять работоспособность групп сейсмодатчиков, установленных в системе слежения за сходом лавин. В этой системе, приемник, по определенному сигналу, кратковременно включает миниатюрный вибромотор, установленный на плате каждого сейсмодатчика,  таким образом, полностью тестируя работоспособность каждого датчика. Другими примерами применения данного сверхрегенеративного приемника, является система избирательного слежения за редкими животными в заповедниках, слежение за ценными грузами, командные радиолинии радиозондов, и другие применения, где требуется включить радиомаяк, исполнительное устройство или передатчик данных только по адресному запросу.

Приемники нашего производства снабжаются декодерами циклических кодов (rolling codes), запрограммированных по рекомендациям KeeLoq Microchip, для устройств простых радиолиний,  декодерами Моторола и кодеками нашего производства для радиолиний с передачей данных и сверхдлинных адресов. Декодеры Microchip выполняются в корпусах с 18-ю выводами, Моторола - с 24-мя выводами, наши кодеки выполнены на базе микроконтроллера ATMega32 имеют 40 выводов, кварцевую стабилизацию тактовой частоты, и позволяют передать данные с 16-ти разрядной точностью, с адресацией до 32768 устройств.

На рисунке слева, представлена упрощенная схема приемника командной радиолинии с простым декодером циклического кода, и обучающим ключом.

Декодер работает в двух режимах - learn - обучение и дежурный прием. В режиме обучения, в память декодера автоматически прописываются до 7 передающих кодеров, в случае применения внешней памяти типа FIFO, число прописываемых кодеров возрастает до 48. Декодер имеет выход LowBat - низкое напряжение батареи. Высокий уровень на этом выходе сигнализирует, что у передатчика, который в данный момент работает с декодером, "сели" батареи. Детектор уровня питающего напряжения, встроен в кодер передатчика, рисунок справа. Данный тип передатчика (кодера) может передать 15 различных команд. Стандартом, описывающим устройства этого класса, специально оговаривается нулевое или пренебрежимо малое потребление тока передатчиком в паузах между циклами передачи. Типичное потребление тока в режиме ожидания - 100 нА (наноампер). Передатчики систем с АМ, как правило имеют ярко выраженную зависимость выходной мощности от напряжения питания. Так, передатчики на чипсетах RF Monolithics, при напряжении питания 3 вольта, развивают 30 мвт, при повышении питания до 18 вольт, мощность возрастает до 600 мвт, что дает возможность регулировать радиус действия в зависимости от реальных требований. Как правило, регулировка мощности производится переключением отводов от элементов батареи питания, с шагом 1.2-1.5 вольта, или при помощи регулируемого импульсного преобразователя напряжения.

Приемники командных радиолиний со сверхмалым потреблением тока в режиме ожидания, изготавливаются компанией Эксергия в любой конфигурации, с количеством адресов от 16 до 32768 с кодерами на жесткой логике, а также с кодерами циклических кодов. Как правило, мы определяем структуру приемника исходя из техзадания заказчика. Приемники могут быть рассчитаны как на выполнение одной или нескольких простейших команд типа "вкл/выкл", так и для выполнения задач передачи больших массивов данных, со скоростями до 9600 бод, при передаче до двух байтов данных и байта адреса в одиночном пакете. Приемники командных радиолиний, как правило, выполняются на одной плате с декодером и исполнительными реле или транзисторными ключами, в отдельных случаях приемники снабжаются портом RS-232, что позволяет выводить данные непосредственно на компьютер, через стык Hyperterminal.

 

 1.3 ВСТРАИВАЕМЫЕ МОДУЛИ КОМАНДНЫХ РАДИОЛИНИЙ С СУПЕРГЕТЕРОДИННЫМИ ПРИЕМНИКАМИ.

Если на приемной стороне командной радиолинии имеются батареи достаточной емкости, или стационарное гарантированное питание от других источников, то возможно применять радиоприемные модули более высокого класса, выполненные по схеме супергетеродина с одним или двумя преобразованиями частоты. Мы используем радиоприемные модули супергетеродинов производства компаний Linx и Radiotronix, возможно применение приемников Radiometrix и RF Solutions. В дежурном режиме, такие приемники потребляют ток от 3 до 12 мА, и могут проработать от автомобильного аккумулятора 65 АЧ примерно 6500 часов ≈ 270 дней (из расчета 10 мА), что несколько меньше одного года (8760 часов).

Супергетеродины, по сравнению со сверхрегенераторами, обладают гораздо большей чувствительностью ( до -112 дБм) и избирательностью, что позволяет строить на таких приемниках линки большей дальности. Реально достижимая дальность связи в диапазоне 433 Мгц, более 100 км, при мощности передатчика 100 мвт. На дальних расстояниях, безусловно необходимо применять направленные антенны с коэффициентом усиления более 6 дБи. Цифровые декодеры, применяемые в составе супергетеродинных приемников, ничем не отличаются от описаных выше устройств. Супергетеродинные приемники позволяют реализовать более высокие скорости передачи данных, в отдельных случаях до 250 килобит в секунду.

 

 1.4 ВСТРАИВАЕМЫЕ МОДУЛИ КОМАНДНЫХ РАДИОЛИНИЙ.  ПЕРЕДАТЧИКИ.

Передатчики командных радиолиний могут иметь выходную мощность от 10 мвт (10 дБм), до 1 ватта (30 дБм). Маломощные передатчики применяются на коротких расстояниях, в устройствах считывания данных со счетчиков, радиоуправлении, и разнообразных устройствах охраны и автоматики. Маломощные передатчики строятся по двухкаскадной схеме, задающие генераторы, как правило стабилизируются резонатором на поверхностных акустических волнах (ПАВ), но некоторые производители выпускают передатчики с кварцевой стабилизацией. Мощные передатчики, состоят из трех каскадов. Передатчики с амплитудной манипуляцией бывают двух видов, с манипуляцией глубиной порядка 80%, и передатчики со стопроцентной манипуляцией.

Неполная модуляция имеет название ASK - amplitude shift keying, полная манипуляция называется ООК - on-off keying. Нетрудно догадаться, что ООК - это обычная телеграфная манипуляция незатухающими колебаниями, ASK- это обычная амплитудная модуляция видеоимпульсами*. В передатчике с амплитудной манипуляцией , на входе модулятора устанавливается сглаживающий ФНЧ Бесселя, реже устанавливается Гауссов фильтр. Такой способ формирования модулирующих импульсов сужает спектр занимаемых частот до теоретического, т.е. ∆F=2T, где Т - длительность одиночного бита. Мы не применяем передатчиков с ASK, т.к. они имеют невысокие энергетические показатели, и как следствие, каналы связи, построенные на ASK, имеют низкие показатели помехоустойчивости. Передатчики с ООК имеют самые высокие энергетические показатели: телеграфирование незатухающими колебаниями является одним из помехоустойчивых видов связи, а передатчик, при наличии на входе бита со значением "0", вообще не потребляет тока. Передатчики с частотной манипуляцией, имеют отличные энергетические показатели, поскольку выходной каскад передатчика может работать в классе "С". К сожалению, вследствие неизбежного разброса параметров задающего генератора с резонатором на ПАВ, у недорогих передатчиков, приходится применять частотную манипуляцию с индексом много больше 1. Такие сигналы применяются в радиовещании на УКВ, и не являются оптимальными для цифровой передачи данных с низкими скоростями. Существуют дорогие модели ЧМ микропередатчиков с кварцевой стабилизацией и синтезатором частот. В таких передатчиках применяется классическая бинарная ЧМ с индексами 0.5, 0.7 и 1. Мы разработали и используем свои ЧМ передатчики без синтезатора частот, но с возможностью перестройки по каналам с помощью простой замены кварцевого резонатора. Наши передатчики работают с дуобинарным кодированием [1], Гауссовой фильтрацией и индексом модуляции 0.5. Наши передатчики имеют вдвое большую скорость, чем любые другие, выпускаемые ведущими производителями, и позволяют работу со скоростями до 56 килобит в секунду в стандартном радиоканале шириной 25 Кгц. Наряду со стандартными устройствами, мы используем модифицированные радиомодули, предназначенные для передачи видео и звука в диапазонах 512, 900, 1200, 2400, и 5000 Мгц. Так, по каналу видео, шириной 6.5 Мгц, мы передаем 12 Мбит, а по каналу звука - 38400 бит/сек.

 

 1.5 КОНФИГУРАЦИЯ МИКРОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ И МОДУЛЕЙ

  ПУ - приемное устройство (центральный компьютер снабженный радиомодемом)

  КП - контролируемый пункт (удаленное устройство, передающее информацию от датчиков и принимающее команды от ПУ)

  ТУ - команда телеуправления (обычно подается оператором или компьютером в сторону КП)

  ТИ - коды телеизмерений, передаются от аналогоцифрового преобразователя КП в сторону ПУ

  АП - адрес пункта, байт с адресом КП, передаваемый по командному каналу

  АФТИ - адрес функции телеизмерения, байт с адресом запрашиваемого датчика или другого устройства

Конфигурация систем и системных модулей производится на основе готовых функциональных узлов, таких как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, устройства сопряжения портов RS232/485, Ethernet, кодеров, декодеров и радиотрактов. Конструирование структурной схемы производится с участием специалистов заказчика. Заказчик должен указать рабочие частоты, разрядность аналоговых измерений, количество контролируемых пунктов, расстояния, и т.д. Системы микротелеметрии могут быть двух типов, в некоторых случаях комбинированные:

А. системы без командного канала, в которых удаленные устройства доставляют информацию на центральный пункт методом распределенных во времени коротких посылок. В этом случае, КП работает по псевдослучайному алгоритму передачи данных. Этот режим полностью соответствует понятию симплекс, то есть режим односторонней связи.

Б. системы с командным каналом, в которых команды опроса или команды дистанционного управления доставляются к удаленным пунктам при помощи командной радиолинии. В этом случае, ПУ опрашивает КП по строго определенному расписанию. Этот режим может быть как дуплексным так и полудуплексным, в зависимости от конфигурации радиоканалов и антенн.

Системы без командного канала, предназначены только для сбора информации от удаленных объектов, таких как датчики - метео, промышленные, видео и другие, а также для сбора информации о движущихся объектах. Информация в таких системах, передается в виде случайно распределенных по времени коротких посылок, то есть, инициатором сеанса связи является удаленное устройство - КП. Посылки кодируются методом избыточного кодирования, с использованием циклических кодов и контрольных сумм. Приемное устройство в таких системах всегда "слушает эфир" и пропускает к оператору (центральному компьютеру) только проверенные декодером данные*. В случае коллизии, то есть случайного наложения посылок от двух или нескольких КП на входе приемного устройства**, декодер системы распознает ошибку, и такой сеанс связи бракуется.

Безусловно, такие системы пригодны только для медленных процессов и не допускают никаких действий, кроме запрограммированных алгоритмов в каждом удаленном устройстве - КП. Одной из уникальных особенностей таких систем, является их низкое энергопотребление. Как правило, КП работает от батарей, которых хватает не менее чем на год ( обычно - несколько лет). Обязательным служебным сигналом, который передается в таких системах, является сигнал, показывающий снижение заряда батарей. При этом, КП может продолжать работать в течении времени, достаточного для установки свежего комплекта питания. Примерами таких устройств являются радиомаяки слежения за движущимися объектами, например контейнерами, ценными грузами, сети слежения за животными в заповедниках, а также сети датчиков в муниципальных службах. Такие сети чрезвычайно эффективны и обеспечивают рекордно высокие экономические (инвестиционные) показатели.

* Вероятность того, что декодер примет бракованную посылку за правильную - ничтожно мала, и может не учитываться. Практически это означает, что может смениться несколько десятков поколений операторов системы, которые никогда не видели ни одной ошибки.

** Вероятность такого события определяется соотношением фаз задающих генераторов, и соотношения длительности посылки и длительности паузы между посылками. Как правило, закладывается при проектировании системы, и определяется в пределах от 50:1 (50 правильных : 1 бракованная) до 10000:1 и выше.

Системы с командным каналом, позволяют строить структуры, подобные "большим" системам телемеханики или SCADA. Структура взаимодействия центрального устройства (ПУ - приемное устройство), может быть смешанной, то есть иметь два типа доступа, случайный, описаный выше, с возможностью коллизий, и детерминированный (циклический опрос, поллинг). В случае детерминированного доступа, удаленное устройство посылает информацию только в том случае, если оно получило запрос от ПУ. Как правило, ПУ опрашивает удаленные устройства по очереди, посылая в сеть посылку, в которой содержится адрес запрашиваемого устройства (адрес пункта - АП или МАС адрес) или параметра (адрес функции АФ). Системы с командным каналом обладают значительно большим потенциалом возможностей: по командному каналу передаются сигналы телеуправления - ТУ, что позволяет включать или выключать удаленные устройства, командный канал позволяет "зациклить" систему на одном пункте, командный канал позволяет уравнять  КП и ПУ в некоторых алгоритмах взаимодействия.

Примером систем с командным каналом является беспроводная система телемеханики ЕХ2000 на основе модуля RMS, описаная нами ранее, см. здесь и здесь.

Таким образом, используя наши разработки, возможно модульное конструирование систем любой сложности и радиуса действия, работающих в широком диапазоне частот, температур и выполняющих множество задач сбора, передачи, обработки и хранения информации, управления и слежения за объектами и многих других задач и функций. Описать все варианты использования систем радиотелемеханики, невозможно. Поэтому далее будут приведены примеры готовых радиотелемеханических модулей и законченных устройств, разработанных нами ранее для разных областей применения, таких как борьба с лавинами, метеонаблюдение, беспроводные газоанализаторы и др. Примеры готовых разработок - здесь.

 
 

Сайт оптимизирован для мониторов с резрешением 1280 x 1024 и выше. All Rights reserved. Exergia Division II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рейтинг@Mail.ru

FarPost

Exergia Division II