1 Introduksjon
I industriell automatisering er kablede kommunikasjonsmetoder for dataoverføring mellom mobile kjøretøy og sentrale kontrollrom upraktiske på grunn av behovet for å dra kommunikasjonskabler; trådløse kommunikasjonsmetoder på den annen side lider av høye feilrater på grunn av de tøffe forholdene i industrielle miljøer. Induksjon-basert trådløs datakommunikasjon (dataoverføring via induksjonsradio) bruker elektromagnetisk induksjon mellom en kodet kabel (også kjent som en induksjonsbuss) og en induksjonsantenne for å utveksle informasjon. Fordi den trådløse kommunikasjonsrekkevidden er strengt begrenset til 5–20 cm, sikrer denne metoden både fleksibiliteten til lokomotivbevegelsen og påliteligheten til kommunikasjonskvaliteten, samtidig som den muliggjør sanntidssporing av det bevegelige lokomotivets posisjon under kommunikasjon.
Elektrisk utstyr i industrielle omgivelser, spesielt hastighetskontrollenheter med variabel-frekvens på bevegelige lokomotiver, kan generere sterke harmoniske som er identiske med eller lik bærefrekvensen til induktiv trådløs datakommunikasjon. Denne ko-interferensen kan ikke dempes av båndpassfiltre. Hvis det ikke tas effektive tiltak ved inngangen for å undertrykke den, vil feilraten for induktiv trådløs datakommunikasjon øke betydelig, noe som potensielt kan gjøre systemet ubrukelig. Fase I-koksovnens elektriske system ettermontering på Baosteel brukte utstyr importert fra Japan. I faktisk drift ble "hyppige avbrudd i induksjonsskinnekommunikasjonen observert, med analyse som tilskrev årsaken til tilfeldig sterk interferens og antennedeteksjonsforvrengning." Følgelig, i noen praktiske anvendelser, har induktiv trådløs teknologi blitt forlatt for datakommunikasjon, med bare induktiv trådløs posisjonsdeteksjonsteknologi som er tatt i bruk.
For å undertrykke interferens i induktiv trådløs datakommunikasjon, har eksperter og forskere på området utført omfattende forskning. En studie foreslo en induktiv trådløs differensiell mottaksantennekonfigurasjon, mens en annen foreslo en metode som bruker doble mottaksantenner med en enkelt overføringslinje. De "kryssede doble overføringslinjene med en enkelt mottaksantenne med lik avstand" sam-kanalinterferensundertrykkelsesteknikk for induktiv trådløs datakommunikasjon presentert i denne artikkelen kan effektivt undertrykke sam-kanalinterferensstøy, forbedre signal-til-støyforholdet og er egnet for bakkeposisjon{6}}.
2 Grunnleggende prinsipper for induktiv trådløs datakommunikasjon
For å analysere prinsippet som sam-kanalinterferensundertrykkelsesteknologi forbedrer signal-til-støyforholdet i induktiv trådløs datakommunikasjon, gir vi først en kort analyse og introduksjon til de grunnleggende prinsippene for induktiv trådløs datakommunikasjon.
2.1 Kodet kabel og induktiv antenne
Den kodede kabelen er flat i form og inneholder flere par overføringslinjer som krysser på bestemte punkter i henhold til et definert kodeskjema. Den kodede kabelen er installert langs sporene til det mobile lokomotivet, med den ene enden koblet til det sentrale kontrollrommet.
Induksjonsantennen består av to sett med spoler-en som fungerer som senderantenne og den andre som mottakerantenne-innkapslet i en plastboks, ofte referert til som antenneboksen. Antenneboksen monteres på det bevegelige lokomotivet og kobles til lokomotivets styreskap. Antenneboksen beveger seg med lokomotivet og holder en avstand på 5–20 cm fra den kodede kabelen til enhver tid. Se figur 1.
Når antenneboksen er plassert nær den kodede kabelen, induserer hvert par overføringslinjer i den kodede kabelen en respons i spolene i antenneboksen, og etablerer derved en trådløs kommunikasjonskanal med kort rekkevidde mellom antenneboksen og den kodede kabelen.
2.2 Analyse av amplituden og fasen til det induserte signalet
Figur 2 viser et skjematisk diagram av overføringslinjen L lagt flatt langs antennespolen. I figur 2 er bredden på antennen og avstanden mellom de to kryssende overføringslinjene i den kodede kabelen begge lik W, hvor W=2r.
Definisjon: Midtpunktet til antennespolen er definert som antennespolens posisjon; området mellom to skjæringspunkter for overføringslinjen L omtales som område K for overføringslinjen L (K=I, II, III, …), og avstanden d representerer avviket til antennespolens posisjon x fra senterlinjen til det tilsvarende området K.
Ved å bruke antennespolen som sendespolen analyserer vi den induserte elektromotoriske kraften e generert i kommunikasjonsoverføringslinjen. I følge teorien om elektromagnetisk induksjon, når en strøm i=Imsinωt flyter gjennom antennespolen, er den induserte emf e i overføringslinjen e=di/dt. Her er den gjensidige induktanskoeffisienten M en funksjon av antennespolens posisjon (x, y, z). Forutsatt at y og z forblir konstante når antennespolen beveger seg langs x-retningen, så:
e=f(x)ωImcosωt
Fordi det er et kryss, er den induserte emf eI generert i region I av overføringslinjen ute av fase med den induserte emf eII generert i region II. Hvis vi tar fasen av eI som referanse, la
Når n er jevn, er den induserte emf e i overføringslinjen i fase med eI; når n er oddetall, er e ute av fase med eI, og fasekoeffisienten er (–1)n.
Når avstanden z mellom overføringsspolen og den kodede kabelen er liten, kan de magnetiske flukslinjene som genereres av overføringsspolen tilnærmes til å være jevnt fordelt langs x-retningen og passerer vinkelrett gjennom overføringslinjen. Derfor er størrelsen A av den induserte elektromotoriske kraften e generert i overføringslinjen proporsjonal med det effektive induksjonsarealet til overføringslinjen. Som vist i figur 2, når antennespolen er i posisjon 1 (d=0), er det effektive induksjonsområdet S=W × B på sitt maksimum, og A=Amax. Ved posisjon d=r til antennespole 3, det effektive induksjonsområdet S=0 og A=0. Ved posisjonen til antennespolen 2, det effektive induksjonsområdet S=(W – 2d) × B. Vi får:
Omvendt, hvis en strøm føres gjennom kommunikasjonsoverføringslinjen og antennespolen brukes som mottaksspolen, vil ligningene (1) til (3) fortsatt gjelde basert på prinsippet om gjensidig induktans.
3 Teknikker for støydemping
For å undertrykke interferens, spesielt sam-interferensstøy, er den mest effektive tilnærmingen å forhindre at interferensstøy kommer inn i mottakeren. Derfor er designfilosofien som følger: ved å implementere en rimelig design for mottakerenden i kontrollrommet-den kodede kabelkommunikasjonsoverføringslinjen-og mottaksenden på kjøretøyet-dempes den mottakende antennen-støyen mens kommunikasjonssignalene dempes så lite som mulig, ikke engang dempes så lite som mulig. oppnå målet om å forbedre signal-til-støyforholdet.
3.1 Design av to overføringslinjer som krysser en enkelt mottaksantenne med lik avstand
I "designet av to overføringslinjer som krysser en enkelt mottakerantenne med lik avstand," er to par kryssede kommunikasjonsoverføringslinjer, LO og L1, anordnet innenfor den kodede kabelen. En enkelt senderantenne og en enkelt mottaksantenne brukes; mottaksantennen er dannet av viklingsledere i et kryssmønster over flere vindinger, og kan derfor betraktes som å bestå av mottaksspole 1 og mottaksspole 2. Avstanden mellom de kryssede overføringslinjene, avstanden mellom de kryssede mottaksantennene og bredden på alle senderspolen er vist på figur W. Som vist på figur W.3.
Figur 3(a) viser den faktiske strukturen og et skjematisk diagram av operasjonen. Figur 3(b) er et forenklet skjematisk diagram av overføringslinjene LO og L1, senderantennen og mottaksantennen, lagt flatt ut for enkel analyse; i faktiske applikasjoner, B=20 cm.
3.2 Analyse av overføringslinjeinterferensundertrykkelse
Når en signalstrøm påføres senderantennen på lokomotivet, mottar kontrollsentralen signalet via kommunikasjonsoverføringslinjene. For å undertrykke interferensstøy, krysses overføringslinjen L0 med regelmessige intervaller på W. På avstand fremstår dette som en tvunnet -parkabel, og gir interferensstøyundertrykkelse fra flere dB til 30 dB, med et gjennomsnitt på så mye som 15 dB.
For kommunikasjonssignaler, i henhold til ligning (3), er amplituden AL0 til det induserte signalet på kommunikasjonsoverføringslinjen L0 en funksjon av antenneposisjonen x. Når senteret av sendespolen er på linje med et hvilket som helst skjæringspunkt på L0, AL0=0, noe som resulterer i en kanaldødsone. For å unngå denne situasjonen, er et ekstra par kommunikasjonsoverføringslinjer, L1, anordnet innenfor kodekabelen, med deres skjæringspunkter forskjøvet fra de til L0, som vist i figur 3. La d0 og d1 representere avstandene som posisjonen x til sendespolen er forskjøvet fra senterlinjene til henholdsvis L0 og L1 overføringslinjene; deretter, r=d0 + d1. La eL0 representere signalet indusert av transmisjonslinjen L0, og eL1 representere signalet indusert av transmisjonslinjen L1. I kontrollrommets elektroniske utstyr summeres signalet e'L1-som er eL1 forskjøvet 90 grader - med eL0 for å oppnå det sammensatte signalet e. I følge ligning (2) har vi:
På dette tidspunktet er senderantennen i verst mulig posisjon. Vektordiagrammet til e er vist i figur 4.
Analysen ovenfor indikerer at den kryssede doble-overførings-mottakeren vist i figur 3 er svært effektiv til å undertrykke interferensstøy. For kommunikasjonssignaler er det en dempning på 3 dB når senderantennen er i verste-stilling.
3.3 Analyse av interferensundertrykkelse av mottaksantennen
For interferensstøy består tradisjonelle mottaksantenner av enkeltspoler uten krysskobling og mangler interferensmotstand. Mottaksantennen vist i figur 3 har imidlertid mottaksspoler 1 og 2 som er krysset. Under drift i felt er interferensstøyens elektromotoriske krefter eN1 og eN2 indusert i de to spolene ute av fase. Hvis de elektromagnetiske støybølgene er jevnt fordelt innenfor et lite 2W-område langs x-retningen til mottakerantennen, så er eN1=−eN2, og den elektromotoriske støykraften som trekkes ut av mottakerantennen, eN, eN1=}}
For kommunikasjonssignaler forsterkes og overføres det modulerte signalet f0 som skal sendes av det sentrale kontrollrommet; signalet f1 (som er 90 grader ut av fase med f0) forsterkes og sendes via overføringslinjen L1. Disse to signalene genererer et kombinert elektromagnetisk felt i rommet nær kodekabelen, som detekteres og mottas av mottakerantennen som er plassert nær kodekabelen. Siden f0 og f1 er ortogonale, unngås kanaldødsoner. De induserte signalene generert i en tradisjonell mottakerantenne er beskrevet av ligning (6). Som vist i figur 3, genererer mottaksantennen induserte elektromotoriske krefter e(1) og e(2) i henholdsvis mottaksspolene 1 og 2. På grunn av egenskapene til ekvidistant kryssing, tilfredsstiller mottaksantennen følgende i enhver posisjon:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); i henhold til ligning (6) er størrelsene til e(1) og e(2) like;
(2) Hvis det elektromagnetiske feltet generert i område K på overføringslinjen Li (i=0, 1) dominerer mottaksspole 1, så dominerer det elektromagnetiske feltet som genereres i område K+1 mottaksspole 2. På grunn av kryssingen av overføringslinjene, er det elektromagnetiske feltet generert i område K+1 ute av fase med det som er generert i område K+1, ettersom det som genereres i coil K. to faseinversjoner, fasene til e(1) og e(2) blir de samme.
Derfor er den induserte elektromotoriske kraften e=e(1) + e(2)=2e(1) ekstrahert av mottaksantennen fra kommunikasjonssignalet det dobbelte av en konvensjonell mottaksantenne.
I tillegg, når sendespolen sender et signal, er spenningen over begge ender av sendespolen 200 Vp-p. For å forhindre at det sterke overførte signalet skader mottakerens forforsterkerkrets, plasseres sendespolen mellom de to spolene til mottakerantennen. På denne måten er den elektromotoriske kraften indusert i mottakerantennen av sendeantennesignalet tilnærmet null.
3.4 Eksperimentell analyse av mottaksantenneinterferensundertrykkelse
Forsøksforholdene var som følger: den totale lengden på overføringslinjen var 3 m, og W=20 mm. Et sett med faktisk induktivt trådløst datakommunikasjonsutstyr ble brukt, med en kommunikasjonshastighet på 4800 b/s, FSK-modulasjon og en bærefrekvens på 49 kHz. Under normal drift var toppstrømmen til det modulerte signalet som gikk gjennom L0 0,07 A; toppstrømmen til det modulerte signalet som passerte gjennom senderantennespolen var 0,38 A.
Under eksperimentet ble avstanden z mellom sendespolen og den kodede kabelen holdt på 200 mm, og senteret av sendespolen ble holdt på linje med en kryssing av L0. Under disse forholdene ble amplituden til den induserte signalspenningen på overføringslinjen L1 målt til å være VL1=25 mVp-p, og amplituden til den induserte signalspenningen på mottaksantennen ble målt til å være VA=20 mVp-p.
Hvis en signalgenerator brukes som interferenskilde og et par parallelle ledninger brukes for kobling for å indusere interferens, se figur 5. Signalgeneratoren sender ut en interferensspenning v=Vm sin(2πft), hvor f=49 kHz og R=130 Ω.
Eksperimentet vist i figur 5(a) tilsvarer interferens i en konvensjonell mottakerantenne, mens eksperimentet vist i figur 5(b) tilsvarer interferens i de kryssede spolene til en mottakerantenne. La VNm (topp-til-topp) angi interferens-indusert elektromotorisk kraft som trekkes ut fra mottaksantennen. Tabell 1 viser dataene for begge eksperimentene.
Eksperimentelle resultater viser at systemet oppnår en støydemping på opptil 48 dB. De teoretiske og eksperimentelle analysene som er presentert ovenfor viser at bruken av ekvidistante kryssede mottaksantenner ikke bare gir sterk undertrykkelse av interferensstøy, men gir også en 6 dB forsterkning i kommunikasjonssignaler sammenlignet med tradisjonelle mottaksantenner, og forbedrer dermed signal-til-støyforholdet betydelig.
4 Konklusjon
Interferensundertrykkingsteknikken som involverer "kryssing av doble overføringslinjer med en enkelt mottaksantenne på like avstander" har blitt brukt i et datamaskin-basert sentralisert kontrollstyringssystem for mobile lokomotiver som bruker induktiv trådløs teknologi. I praktiske applikasjoner har denne teknikken vist seg effektiv for å undertrykke interferens i industrielle miljøer, spesielt for å effektivt undertrykke sam-kanalinterferens generert av enheter med variabel-hastighetshastighet, og dermed sikre påliteligheten til datakommunikasjon. Selvfølgelig tar interferensundertrykkingsteknologien for induktiv trådløs datakommunikasjon som er foreslått i denne artikkelen kun for støyundertrykking ved mottakerenden. For elektronisk utstyr som opererer i tøffe industrielle miljøer, må tilleggstiltak som jording og skjerming implementeres; disse er utenfor omfanget av denne artikkelen.