1 Introduktion
Inom industriell automation är trådbundna kommunikationsmetoder för dataöverföring mellan mobila fordon och centrala kontrollrum obekväma på grund av behovet av att dra kommunikationskablar; trådlösa kommunikationsmetoder, å andra sidan, lider av höga felfrekvenser på grund av de hårda förhållandena i industriella miljöer. Induktion-baserad trådlös datakommunikation (dataöverföring via induktionsradio) använder elektromagnetisk induktion mellan en kodad kabel (även känd som en induktionsbuss) och en induktionsantenn för att utbyta information. Eftersom den trådlösa kommunikationsräckvidden är strikt begränsad till 5–20 cm säkerställer denna metod både flexibiliteten i lokens rörelser och tillförlitligheten i kommunikationskvaliteten, samtidigt som den möjliggör realtidsspårning av det rörliga lokets position under kommunikation.
Elektrisk utrustning i industriella miljöer, särskilt variabla-hastighetsstyrenheter på rörliga lok, kan generera starka övertoner som är identiska med eller liknar bärfrekvensen för induktiv trådlös datakommunikation. Denna sam-interferens kan inte dämpas av bandpassfilter. Om effektiva åtgärder inte vidtas vid ingången för att undertrycka den, kommer felfrekvensen för induktiv trådlös datakommunikation att öka avsevärt, vilket potentiellt gör systemet obrukbart. Fas I-koksugnens elektriska system vid Baosteel använde utrustning importerad från Japan. I verklig drift, "observerades frekventa avbrott i induktionsskenans kommunikation, med analys som tillskrev orsaken till slumpmässiga starka störningar och antenndetekteringsdistorsion." Följaktligen, i vissa praktiska tillämpningar, har induktiv trådlös teknologi övergetts för datakommunikation, varvid endast induktiv trådlös positionsdetekteringsteknik har antagits.
För att undertrycka störningar i induktiv trådlös datakommunikation har experter och forskare inom området utfört omfattande forskning. En studie föreslog en induktiv trådlös differentiell mottagningsantennkonfiguration, medan en annan föreslog en metod som använder dubbla mottagningsantenner med en enda transmissionslinje. Den "korsade dubbla transmissionsledningar med en enda mottagande antenn med lika avstånd" sam-kanalinterferensundertryckningsteknik för induktiv trådlös datakommunikation som presenteras i detta dokument kan effektivt undertrycka sam-kanalstörningsbrus, förbättra signal-till-brusförhållandet och är lämplig för markpositionsbaserad{6}}.
2 grundläggande principer för induktiv trådlös datakommunikation
För att analysera principen genom vilken sam-kanalinterferensundertryckningsteknik förbättrar signal-till-brusförhållandet i induktiv trådlös datakommunikation, ger vi först en kort analys och introduktion till de grundläggande principerna för induktiv trådlös datakommunikation.
2.1 Kodad kabel och induktiv antenn
Den kodade kabeln är platt till formen och innehåller flera par överföringsledningar som korsar vid specifika punkter enligt ett definierat kodningsschema. Den kodade kabeln installeras längs spåren på det mobila loket, med ena änden ansluten till det centrala kontrollrummet.
Induktionsantennen består av två uppsättningar spolar-en som fungerar som sändarantenn och den andra som mottagarantenn-inkapslad i en plastlåda, vanligen kallad antennlådan. Antennlådan monteras på det rörliga loket och kopplas till lokets styrskåp. Antennlådan rör sig med loket och håller ett avstånd på 5–20 cm från den kodade kabeln hela tiden. Se figur 1.
När antennboxen är placerad nära den kodade kabeln, inducerar varje par överföringsledningar i den kodade kabeln ett svar i spolarna i antennboxen, vilket skapar en trådlös kommunikationskanal med kort räckvidd mellan antennboxen och den kodade kabeln.
2.2 Analys av den inducerade signalens amplitud och fas
Fig. 2 visar ett schematiskt diagram av transmissionsledningen L som är placerad platt längs med antennspolen. I figur 2 är antennens bredd och avståndet mellan de två korsande transmissionslinjerna i den kodade kabeln båda lika med W, där W=2r.
Definition: Antennspolens mittpunkt definieras som antennspolens position; regionen mellan två skärningar av transmissionslinjen L kallas region K för transmissionslinjen L (K=I, II, III, …), och avståndet d representerar avvikelsen för antennspolens position x från mittlinjen för motsvarande region K.
Med hjälp av antennspolen som sändningsspolen analyserar vi den inducerade elektromotoriska kraften e som genereras i kommunikationsöverföringslinjen. Enligt teorin om elektromagnetisk induktion, när en ström i=Imsinωt flyter genom antennspolen, är den inducerade emf e i transmissionsledningen e=di/dt. Här är den ömsesidiga induktanskoefficienten M en funktion av antennspolens position (x, y, z). Om du antar att y och z förblir konstanta när antennspolen rör sig längs x--riktningen, då:
e=f(x)ωImcosωt
Eftersom det finns en korsning är den inducerade emf el som genereras i region I av transmissionsledningen ur fas med den inducerade emf el som genereras i region II. Om vi tar fasen av eI som referens, låt
När n är jämnt är den inducerade emf e i transmissionsledningen i fas med eI; när n är udda är e ur fas med eI och faskoefficienten är (–1)n.
När avståndet z mellan sändningsspolen och den kodade kabeln är litet, kan de magnetiska flödeslinjerna som genereras av sändningsspolen approximeras som likformigt fördelade längs x-riktningen och passerar vinkelrätt genom överföringsledningen. Därför är storleken A på den inducerade elektromotoriska kraften e som alstras i transmissionsledningen proportionell mot den effektiva induktionsarean för transmissionsledningen. Som visas i figur 2, när antennspolen är i position 1 (d=0), är den effektiva induktionsarean S=W × B på sitt maximum, och A=Amax. Vid position d=r för antennspole 3, den effektiva induktionsarean S=0 och A=0. Vid positionen för antennspolen 2, den effektiva induktionsarean S=(W – 2d) × B. Vi får:
Omvänt, om en ström passerar genom kommunikationsöverföringsledningen och antennspolen används som mottagningsspolen, gäller fortfarande ekvationerna (1) till (3) baserat på principen om ömsesidig induktans.
3 Interferensbrusdämpningstekniker
För att undertrycka störningar, särskilt sam-kanalstörningsbrus, är det mest effektiva tillvägagångssättet att förhindra störningsbrus från att komma in i den mottagande delen. Därför är designfilosofin följande: genom att implementera en rimlig design för den mottagande änden i kontrollrummet-den kodade kabelkommunikationsöverföringslinjen-och den mottagande änden på fordonet-dämpas den mottagande antennen-störningsbruset medan kommunikationssignalerna dämpas, inte ens dämpas så lite som möjligt, inte ens dämpas så mycket som möjligt. uppnå målet att förbättra signal-till-brusförhållandet.
3.1 Design av två transmissionsledningar som korsar en enda mottagningsantenn med lika avstånd
I "utformningen av två transmissionsledningar som korsar en enda mottagande antenn med lika mellanrum" är två par korsade kommunikationsöverföringslinjer, LO och L1, anordnade i den kodade kabeln. En enda sändarantenn och en enda mottagningsantenn används; mottagarantennen bildas av lindning av ledare i ett korsmönster över flera varv, och kan därför anses bestå av mottagningsspole 1 och mottagarspole 2. Avståndet mellan de korsade transmissionsledningarna, avståndet mellan de korsade mottagarantennerna och bredden på sändarspolen visas i figur W.
Figur 3(a) visar den faktiska strukturen och ett schematiskt diagram över operationen. Fig. 3(b) är ett förenklat schematiskt diagram av transmissionsledningarna LO och L1, sändningsantennen och mottagarantennen, planlagda för att underlätta analysen; i faktiska applikationer, B=20 cm.
3.2 Analys av överföringslinjeinterferensdämpning
När en signalström tillförs sändarantennen på loket, tar kontrollcentralen emot signalen via kommunikationsöverföringsledningarna. För att undertrycka störningsbrus korsas överföringsledningen L0 med regelbundna intervall på W. På avstånd framträder detta som en tvinnad -parkabel, vilket ger undertryckning av störningsbrus som sträcker sig från flera dB till 30 dB, med ett genomsnitt på så mycket som 15 dB.
För kommunikationssignaler, enligt ekvation (3), är amplituden AL0 för den inducerade signalen på kommunikationsöverföringsledningen LO en funktion av antennpositionen x. När mitten av sändningsspolen är i linje med någon skärningspunkt på L0, AL0=0, vilket resulterar i en kanaldödzon. För att undvika denna situation är ett ytterligare par kommunikationsöverföringsledningar, L1, anordnade inom kodningskabeln, med deras skärningspunkter förskjutna från de för L0, som visas i figur 3. Låt d0 och d1 representera de avstånd med vilka sändningsspolens position x är förskjuten från centrumlinjerna för överföringsledningarna L0 respektive L1; sedan, r=d0 + d1. Låt eLO representera signalen som induceras av transmissionsledningen LO, och eL1 representerar signalen som induceras av transmissionsledningen L1. I kontrollrummets elektroniska utrustning summeras signalen e'L1-som är eL1 förskjuten 90 grader - med eL0 för att erhålla den sammansatta signalen e. Enligt ekvation (2) har vi:
Vid det här laget är sändarantennen i sämsta möjliga läge. Vektordiagrammet för e visas i figur 4.
Ovanstående analys indikerar att mottagaren med korsad dubbel-överföring- som visas i figur 3 är mycket effektiv för att undertrycka störningsbrus. För kommunikationssignaler finns en 3 dB dämpning när sändarantennen är i värsta-läge.
3.3 Analys av interferensdämpning av mottagningsantennen
För störningsbrus består traditionella mottagningsantenner av enkla spolar utan kors-koppling och saknar störningsmotstånd. Mottagningsantennen som visas i figur 3 har emellertid mottagningsspolar 1 och 2 som är korsade. Under drift i fält är de elektromotoriska störkrafterna eN1 och eN2 som induceras i de två spolarna ur fas. Om de elektromagnetiska brusvågorna är likformigt fördelade inom ett litet 2W-område längs den mottagande antennens x-riktning, är eN1=−eN2, och den elektromotoriska bruskraften som extraheras av mottagarantennen, eN, eN1=}}
För kommunikationssignaler förstärks och sänds den modulerade signalen f, som skall sändas av det centrala kontrollrummet, via överföringsledningen Lq; signalen f^ (som är 90 grader ur fas med fq) förstärks och sänds via transmissionsledningen L^. Dessa två signaler genererar ett kombinerat elektromagnetiskt fält i utrymmet nära kodningskabeln, som detekteras och tas emot av den mottagande antennen som är placerad nära kodningskabeln. Eftersom fq och f, är ortogonala, undviks kanaldöda zoner. De inducerade signalerna som genereras i en traditionell mottagningsantenn beskrivs av ekvation (6). Såsom visas i figur 3 genererar mottagningsantennen inducerade elektromotoriska krafter e(1) och e(2) i mottagningsspolarna 1 respektive 2. På grund av egenskaperna för korsning på samma avstånd, uppfyller den mottagande antennen följande vid vilken position som helst:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); enligt ekvation (6) är storleken på e(1) och e(2) lika;
(2) Om det elektromagnetiska fältet som genereras i region K på överföringsledningen Li (i=0, 1) dominerar mottagningsspole 1, så dominerar det elektromagnetiska fältet som genereras i region K+1 mottagningsspole 2. På grund av korsningen av transmissionsledningarna är det elektromagnetiska fältet som genereras i region K+1 ur fas med mottagningsområdet K, efter mottagningsområdet K2. två fasinversioner, faserna för e(1) och e(2) blir desamma.
Därför är den inducerade elektromotoriska kraften e=e(1) + e(2)=2e(1) som extraheras av mottagningsantennen från kommunikationssignalen dubbelt så stor som en konventionell mottagningsantenn.
Dessutom, när sändningsspolen sänder en signal, är spänningen över båda ändarna av sändningsspolen 200 Vp-p. För att förhindra att den starkt sända signalen skadar mottagarens förförstärkarkrets placeras sändarspolen mellan de två spolarna på mottagningsantennen. På detta sätt är den elektromotoriska kraft som induceras i mottagarantennen av sändarantennsignalen ungefär noll.
3.4 Experimentell analys av mottagningsantenninterferensdämpning
De experimentella förhållandena var följande: överföringsledningens totala längd var 3 m och W=20 mm. En uppsättning verklig induktiv trådlös datakommunikationsutrustning användes, med en kommunikationshastighet på 4800 b/s, FSK-modulering och en bärvågsfrekvens på 49 kHz. Under normal drift var toppströmmen för den modulerade signalen som passerade genom LO 0,07 A; toppströmmen för den modulerade signalen som passerade genom sändarantennspolen var 0,38 A.
Under experimentet hölls avståndet z mellan sändningsspolen och den kodade kabeln på 200 mm, och mitten av sändningsspolen hölls i linje med en korsning av L0. Under dessa förhållanden mättes amplituden för den inducerade signalspänningen på transmissionsledningen L1 till VL1=25 mVp-p, och amplituden för den inducerade signalspänningen på den mottagande antennen uppmättes till VA=20 mVp-p.
Om en signalgenerator används som interferenskälla och ett par parallella ledningar används för koppling för att inducera störningar, se figur 5. Signalgeneratorn matar ut en interferensspänning v=Vm sin(2πft), där f=49 kHz och R=130 Ω.
Experimentet som visas i figur 5(a) motsvarar interferens i en konventionell mottagningsantenn, medan experimentet som visas i figur 5(b) motsvarar interferens i de korsade spolarna hos en mottagarantenn. Låt VNm (topp-till-topp) beteckna den interferens-inducerade elektromotoriska kraften som extraheras från den mottagande antennen. Tabell 1 presenterar data för båda experimenten.
Experimentella resultat visar att systemet uppnår en störningsbrusdämpning på upp till 48 dB. De teoretiska och experimentella analyserna som presenteras ovan visar att användningen av korsade mottagningsantenner på lika avstånd inte bara ger stark störningsbrusdämpning utan också ger en 6 dB förstärkning i kommunikationssignaler jämfört med traditionella mottagningsantenner, vilket avsevärt förbättrar signal-till-brusförhållandet.
4 Slutsats
Interferensundertryckningstekniken som involverar "korsning av dubbla transmissionslinjer med en enda mottagande antenn på lika avstånd" har tillämpats i ett datorbaserat-baserat centraliserat kontrollhanteringssystem för mobila lok som använder induktiv trådlös teknik. I praktiska tillämpningar har den här tekniken visat sig vara effektiv för att undertrycka störningar i industriella miljöer, särskilt för att effektivt undertrycka sam-kanalstörningar som genereras av styrenheter med variabel-frekvenshastighet, och därigenom säkerställa tillförlitligheten för datakommunikation. Naturligtvis tar den störningsundertryckande tekniken för induktiv trådlös datakommunikation som föreslås i detta dokument endast brusdämpning i den mottagande änden. För elektronisk utrustning som arbetar i tuffa industriella miljöer måste ytterligare åtgärder såsom jordning och skärmning implementeras; dessa ligger utanför ramen för denna uppsats.