通信装置（共7篇）
通信装置 篇1
摘要：为了进一步加强电脑与电信领域的对外科技合作与交流, 本刊与中国驻外使领事馆以及相关机构建立信息共享机制, 以2008年第1期开始, 定期发布国外最新的项目研发动态。如有兴趣者, 请与本刊联系。
1、市场机遇
美国通信行业协会最近报道, 美国的无线装置总体市场情况有望在2009年实现245亿美元。互联网协议电视的普及和多功能无线装置的出现提出了改良天线设计的要求, 以便提供高质量的可靠信号或高宽带流量。
2、牛津的发明
牛津研究人员已设计出一种小型天线, 这种天线由三个独立元件构成, 每个元件均可传输和接收电磁波三种可能的正交极化。与传统设计相比, 这种平面天线组件使消费性电子产品具备关键优势, 但由于尺寸限制, 这种天线不能用于更小的装置。
此外, 设计可通过各种方法对牛津天线进行配置, 具体取决于需要的连接是否可靠耐用或具。
3、备大容量
拟议的牛津天线设计将:节省空间, 降低成本, 且易于与无线装置集成, 如:移动电话、智能手机、移动电视、掌上电脑、手提电脑、汽车挡风玻璃、保健设备。
4、专利情况
本发明为一项英国专利。
基于红外光的无线音频通信装置 篇2
1 系统设计及要求
利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件, 定向传输语音信号, 传输距离为2m, 频率范围为300~3400Hz。增加红外光通信中继转发节点, 以改变通信方向90°, 延长通信距离2 m。接收的声音应无明显失真。系统设计要求如图1所示。
2 系统方案
2.1 系统方案的论证与选择
红外通信按照信道传输信号类型的分类, 即数字通信和模拟通信。
系统采用模拟信号发送。即通过音频放大电路不失真的放大音频信号, 通过红外发射管将信号发射到红外接收管, 要求红外发射管工作在截止区和饱和区之间, 把输入的音频信号经过处理后, 加载在红外管上, 而且不能超出红外管的输出幅度。方案设计简便、成本较低, 但对硬件设计要求高。本系统采用模拟信号作为载体来传输信息, 主要由音频信号放大发射模块, 中继站模块, 红外发射模块, 红外接收模块, 电源模块组成。
2.2 音频信号放大模块
设计采用采用LMV358对音频信号进行放大。LMV358是一款是由两个独立的高增益运算放大器组成运放芯片, 频率范围宽, 低功耗, 由于LMV358是一片轨到轨的芯片, 所以输出信号可以达到电源信号或更低, 所以不容易造成饱和失真或截止失真。
2.3 红外发射管与接收管的选择
940nm红外发射管具有光强度高, 响应速度快, , 功耗低等优点, 最远可以传输10米左右, 设计采用940nm红外发射管作为音频信号传输的载体。系统采用与940nm发射管配套的黑色940nm红外接收管, 接收发射管输出的模拟信号, 最大正向电流为30Ma, 功耗低, 宽角度, 抗干扰能力强。
2.4 功放电路模块
系统设计采用TDA2822进行音频输出放大, 它是一款广泛应用于收音机、随身听、耳机放大器等小功率功放电路中的功放芯片, 具有工作电压低 (3—12V) , 集成度高, 音质好的双声道特点。
3 系统整体电路
系统电路主要分为5大模块, 音频信号放大发射模块, 中继站模块, 红外发射模块, 红外接收模块, 电源模块电路。系统电路图如图2所示:
电源由变压、滤波、稳压三部分组成, 为整个系统提供+5V电压, 确保电路的正常稳定工作。红外光通信中继转发节点是通过红外接收管把发射过来的信号采集接收放大, 从而达到信号再传输的功能。
4 设计方案测试结果
其中:D--距离, F--频率
距离越远, 频率越大, 损耗会增加。随着距离的增加, 信号也会相对的减小。所以, 要提高红外对管接收与发射距离就要加大发射电流以增大发射功率, 从而提高发射距离。此外, 输入波形频率越高, 接收的信号幅度越大。
5 结论
基于红外光的无线音频通信装置, 通过设计中继站对装置进行更远距离传输。该装置在中定向传输语音信号过程中, 无明显失真, 通讯方向性强, 适用于近距离的无线传输。设计装置性价比高, 实现灵活, 调整率高, 在生活电子产品中容易得以应用。
参考文献
[1]王兆安.电力电子技术 (第四版) [M].北京:机械工业出版社, 2000.
通信装置 篇3
医用植入装置有多种类型,其中一类由植入体和体外部分组成,如图1(a)所示。植入体通过外科手术植入人体内部,与体外部分完全独立,没有“实体”性质的连接,二者的联系“纽带”是无形的电磁波。系统运行时体外部分发送电磁波,植入体从该电磁波获得能量;同时二者之间也通过该电磁波进行信息通信。前面提到的人工耳蜗、植入式无线颅内压测量仪、无线血糖传感器等都是其代表。如果从“供电”和“通信”的角度看,它们也是技术上最为复杂的一个类型。本文讨论的“医用植入装置”特指此种类型在此类医用植入装置中,射频系统的设计既关系到能量传输的效率,也影响通信的性能。
射频识别是一种新兴的自动识别技术,它最典型的应用就是无线IC卡。无线IC卡系统由一个读卡器(PCD)和IC卡(PICC)构成,如图1(b)所示,它们利用射频方式进行非接触双向通信。
对比本文关注的“医用植入装置”和“无线IC卡系统”可知,二者具有很大的相似性:PICC相当于“植入体”,而PCD则相当于“体外部分”。由此,有可能利用RFID技术实现医用植入装置的通信。这样做具有显而易见的好处:以往的医用植入装置的设计往往采用专用集成电路,因而具有较高的成本和较长的研发周期。而RFID技术成熟、应用广泛、器件丰富,若能够将RFID技术应用于医用植入装置,医用植入装置中的通信环节即可以“商用现货”的形式实现,进而大大降低成本和研发周期。
本文的核心就是基于对医用植入装置特殊技术要求和无线IC卡系统现有技术特点的分析,提出对RFID技术进行裁剪和扩展方案,成功地实现了RFID技术在医用植入装置上的应用。
1 技术分析
不同的医用植入装置对射频通信系统的要求也各不相同,这主要体现在传输能量的大小、通信方向、是否双工通信及通信速率上。下面以人工耳蜗作为应用实例,提出对射频通信系统的具体要求。
一个完整的人工耳蜗系统包括植入体(包含刺激器与电极)和体外语音处理器,它们之间射频通信的技术要求是:体外语音处理器需通过电磁波连续不断地向植入体提供工作能量;体外语音处理器与植入体之间需要具有非双工的双向数据通信能力;为了具有较高的“刺激速率”,下行通信(体外语音处理器到植入体)速率应达到数百kb/s以上;上行通信(植入体到体外语音处理器)主要用于系统测试和参数调整,故通信速率达到几十kb/s便可以满足要求;考虑到实用性,整个系统必须是微小型化设计和超低功耗设计,电路应尽量简洁和便于实现。
目前的RFID主要应用在3个频段上:低频(典型为125 kHz)、高频(13.56 MHz)和超高频(860 MHz以上)。其中低频段不能满足数据通信速率的要求;而在超高频段人体对电磁波的吸收比高频段高1～2个数量级。因此综合技术需求、能量效率和人体健康等各方面因素,确定采用13.56 MHz的工作频率。而且目前该频率的RFID技术成熟、应用广泛,这对系统的设计和实现最为有利。
13.56 MHz的RFID主要有2个被广泛采纳的标准:ISO 14443和ISO 15693[4],其中ISO 14443又定义了TYPE A和TYPE B 2种类型。在这2种标准协议中,下行通信都采用了最简单的直接ASK调制方式,区别主要是数据编码和调制度的不同;系统的通信速率相对“较低”,最高只有106 kb/s,相对设计目标有比较大的差距;在上行通信中采用编码数据调制副载波,然后再用已调副载波对13.56 MHz的载波进行负载调制,不同协议的区别在于数据编码和副载波调制方式。
通过以上分析可知,RFID现有标准协议不能完全满足设计目标要求。一方面需要提高下行通信速率,另一方面为了使植入体部分的电路尽量简单,期望不用副载波而是由数据直接对13.56 MHz的载波进行负载调制。因此需对RFID的“标准技术”进行裁剪和扩展,设计一种技术方案并寻求合适的器件,实现上述设计目标。
2 设计与实现
系统整体框图如图2所示,全系统由体外语音处理器和植入体组成。
由于人工耳蜗的体外语音处理器需要承担计算量较大的语音信号处理任务,故选用了低功耗的DSP芯片TMS320VC5502作为核心处理和控制,但其射频分系统的核心则是RFID芯片MLX90121,它负责产生射频载波,为植入体提供能量;在下行通信时接收来自DSP的数据,对载波进行ASK调制;在上行通信时接收由植入体负载调制的载波,并进行解调将结果输出到DSP。
植入体内包括用于从射频载波获取电源的高频整流、滤波和稳压电路,用于恢复数据的ASK解调和数据解码电路,用于上行通信的LSK电路,为耳蜗听神经提供电流刺激的控制电路和电极。植入体的控制核心是一片微功耗单片机。
2.1 MLX90121的硬件连接和初始化设置
MLX90121是完全支持ISO 14443和ISO 15693协议的RFID收发集成电路芯片,它还允许用户以“直接模式”进行发送和接收,支持若干非RFID标准的工作模式,因而为扩展应用提供了可能。成功的应用取决于针对MLX90121正确的硬件和软件设计。
在本系统中,MLX90121关键外围电路如图3所示。MLX90121外接13.56 MHz晶振产生射频载波。射频信号经过功率放大后由TX引脚输出,再经过阻抗匹配网络传输到天线线圈;接收信号则经过适当的衰减后由RX引脚输入;芯片内的模拟电路部分实现通信中的调制和解调;其中MOD引脚的电阻将影响ASK调制深度,为了最大限度保持为植入体提供稳定的能量,在保证可靠数据通信的前提下,尽量减小调制度。经过实际测试,系统在10%的调制度下即可正常工作。
MLX90121具备可以直接与DSP接口的数字端口,在DSP的控制下运行。在系统中它与DSP的数字接口线共有5个。其中MODE和RTB决定MLX90121的当前模式:
MODE/RTB=0/0配置模式
MODE/RTB=0/1保留
MODE/RTB=1/0发射模式
MODE/RTB=1/1接收模式
CK提供向MLX90121写入数据的时钟,DIN和DOUT则分别为数据的输入和输出。
使用MLX90121的第一步是初始化,这一过程在配置模式下通过写入MLX90121的内部寄存器完成。关键寄存器有3个:
模拟配置寄存器AnalogConfig地址0 H
电源状态寄存器PowerState地址1 H
数字配置寄存器DigitalConfig地址3 H
具体步骤是:首先通过设置MODE/RTB=0/0进入配置模式,而后通过DIN在CK的配合下写入数据,每个数据帧为12 bit,包括4 bit的寄存器地址和8 bit的配置数据[5]。
在本系统的设计中将要使用MLX90121的直接发射和接收模式,而且已经确定了下行通信采用非100%的ASK调制,上行通信采用无副载波的LSK调制,于是对MLX90121的初始化配置如下[5]:
模拟配置寄存器AnalogConfig=83 H
电源状态寄存器PowerState=01 H
数字配置寄存器DigitalConfig=00 H
正确初始化以后,MLX90121即会有13.56 MHz的等幅载波输出。此后如果进入发射模式,通过DIN写入数据即可实现下行通信;若进入接收模式,则接收并经过解调的信号由DOUT输出。
2.2 下行通信
下行通信时,首先通过设置MODE/RTB=1/0使得MLX90121进入发射模式,这时只要保持CK=0,MLX90121便处于直接发送模式,输出的射频信号直接由DIN引脚输入的数据实施ASK调制。调制度由模拟配置寄存器和引脚MOD所连接的电阻共同决定。通信的数据率则完全取决于DSP向DIN写入数据的速度,其上限仅受MLX90121时序和接收端解调电路性能的限制,与RFID的技术标准无关。通过这种方式,大大提高了下行通信的数据率。本系统设计通信速率为678 kb/s,测试结果表明该速率仍有进一步提高的空间。
系统下行通信采用曼彻斯特码,这是因为曼彻斯特码具有0和1码元数量相等的特性,调制后的载波具有稳定的能量;另一方面曼彻斯特码的解码电路非常简单,容易实现。图4是完整的下行通信过程中各阶段的波形示意图。系统对单稳态电路的要求是可以双向触发但不可重复触发,其暂态时间τ满足:T/2≤τ≤T,其中T为一个数据位的宽度。
植入体在接收下行通信数据时,首先需要提取射频信号的包络并整形,整形之后的信号再经过单稳态解码电路恢复原始数据。连续不断的下行数据传送至单片机,单片机根据数据协议解释后执行,控制相关电路完成对耳蜗听觉神经的电流刺激。
2.3 上行通信
上行通信时,首先通过设置MODE/RTB=1/1使得MLX90121进入接收模式,并保持CK=0和DIN=1不变,则在给定的初始化设置下MLX90121处于一种特殊的直接接收模式[6]。此时,MLX90121的TX引脚输出等幅载波,植入体以LSK方式对该载波进行调制,已调载波由MLX90121的RX引脚接收,其内部的模拟前端电路实现对载波信号幅度变化的边缘检测,并在每次载波幅度跳变时在DOUT引脚输出一个窄脉冲,如图5所示。
经过分析发现,MLX90121引脚DOUT的输出脉冲指示了经LSK调制后载波幅度变化边沿的位置,但没有直接解调出调制信号的包络。为了能从解调输出的脉冲流序列中恢复出数据,需要采用某种编码机制。对该编码机制的要求是:无论数据为0还是1,在编码后必须在码内有“跳变”存在,且根据跳变出现的位置间的关系可以确定是0还是1。显然曼彻斯特码可以满足上述要求。它在每个码内都存在一个跳变,只要确定了前一个码元的内容,即可依次根据跳变边缘的时间信息对后续码元做出判决。因此在系统的上行通信中也采用了曼彻斯特编码。
MLX90121是面向RFID标准协议设计的芯片,在扩展应用中会有带宽或码率的限制,从而决定了上行通信的速率。按照给定的初始配置参数,经实际试验发现可以实现稳定“解调”的平均数据率为100 kb/s,能保持稳定的范围约为70～120 kb/s。当数据率变化时,DOUT引脚输出脉冲的宽度也会随之改变,但若超出上述范围,输出脉冲将会重叠或分裂,从而使得输出脉冲的信息发生模糊,无法从中恢复原始数据。为此,本系统设计上行通信的调制速率为100 kb/s。由于采用曼彻斯特编码的缘故,实际有效信息的数据率为50 kb/s。按照上述设计,DOUT引脚输出脉冲之间的间隔只可能出现10μs和20μs两种情况。DSP根据这一特征,并结合适当的同步头和数据协议设计,即可通过软件算法解码出原始数据。
植入体的单片机通过ADC获得数据(人工耳蜗所需的监测、测量数据),根据数据协议增加同步头等数据位,再进行曼彻斯特编码形成发送数据帧,最后进行LSK调制。单片机只需通过一个I/O引脚控制的MOS管开关的通断以改变接收线圈回路的负载即可实现LSK调制。
本文以RFID芯片MLX90121为核心设计,实现了人工耳蜗体外语音处理器与植入体之间的半双工高速通信。系统的无线能量传输稳定可靠,下行通信速率为678 kb s,上行通信速率为100 kb/s。本系统的实现证明了基于商用RFID技术及其器件实现医用植入装置的双向通信是可行的。相对使用ASIC技术的产品,极大地节约了研发成本、缩短了研发周期并且具有很强的可移植性。
参考文献
[1]AN S K,PARK S I,JUN S B,et al.Design for a simpli-fied cochlear implant system[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2007,54(6):973-982.
[2]陈昭祥.植入式无线颅内压自动监测系统的设计[D].[硕士论文].中国科学院声学研究所,2009.
[3]刘娟,王尚奇,简水生.血糖浓度检测技术的最新进展[J].激光生物学报,2005,14(5):393-396.
[4]耿力.ISO/IEC的RFID空中接口标准比较分析[J].信息技术与标准化,2006,7:25-29.
[5]Melexis.MLX90121data sheet[EB/OL].Belgium:Melexis,2005.http://www.melexis.com/.
通信装置 篇4
双向工频通信系统TWACS(Two Way Automatic Communication System)是20世纪90年代在美国出现的一种基于电力配电网络的通信系统。它用50 Hz作为输入/输出信号的载波频率通道,在电压波形的过零点附近加入调制信号,在输出通道上调制电压波形,在输入通道上调制电流波形,以实现双向通信[1,2,3,4]。TWACS技术完全利用已有的电力网络作为传输载体,无需增加中继环节,可直接进行跨变压器台区的长距离传输,成本低廉,可以作为配电网通信手段的一种重要补充。我国中压配电线路多采用中性点不接地或非直接接地系统,不具有零序通路,而且电网噪声复杂多变,对工频信号检测很不利。在对我国配电网工频通信信道特性研究和实际测试的基础上,开发了一种适合我国配电网的实用化工频通信装置。
1 工频通信系统原理
基于配电网的双向工频通信系统组成如图1所示,主要由子站装置和用户终端装置两大部分组成。
子站装置安装在变电站主控室,由主控制器、信号调制、信号解调3部分组成,负责向用户终端发送命令和接收用户终端信息。用户终端安装在用户侧,负责接收控制命令并完成相应动作或发回用户信息。子站装置和用户终端都必须设置调制和解调单元,以实现信号的双向传递。定义子站装置到用户终端的信号为下行信号,用户终端到子站装置的信号为上行信号。下行信号的发送由子站装置的信号调制电路实现,并通过调制变压器耦合到10 kV母线上,变电站范围内的所有用户终端都能接收到该信号。上行信号的接收是由子站装置信号解调电路采集相应10 kV馈线出口处电流互感器(TA)中的电流信号来完成的。用户终端实现下行信号的接收和上行信号的调制,主控制器用于数据存储和通信控制。
1.1 信号调制原理
下行信号的调制由子站装置在220 V低压侧实现,通过调制变压器耦合到中压10 kV母线上,下行信号调制等效电路如图2所示。
图2中T为调制变压器,其作用是把控制电路和高压强电隔离,Li表示主变副边漏感,Ls、Rs为调制电路参数。当在电压波形正过零点前Δt/2处闭合晶闸管VSCR时,产生的瞬间电流i′c通过调制变压器耦合到主变副边产生电流ic,ic在Li上引起一个畸变电压,从而使10 kV电压波形在过零处产生畸变,这个畸变可以往整个主变供电的配电网络传播。畸变信号的频谱特征,能量大小可以通过调节Ls、Rs值得到[5,6]。1个数据位以2个电压周期为单位调制,“0”表示第1个周期调制、第2个周期不调制,“1”表示第1个周期不调制、第2个周期调制。
上行信号的调制在用户终端实现,等效电路和信号波形(Um和Im为幅值)如图3所示。
在电压接近过零点时,用户220 V侧回路中的晶闸管导通,产生瞬间电流ic,ic过零时晶闸管自动断开,调制电流ic叠加在电压过零区域对应的电流波形上,并通过配电变压器耦合到10 kV馈线电流上,可在10 kV馈线的电流互感器中检测出来。与上行信号调制不同的是,此处的晶闸管是双向的,在正、负过零点处都可导通,即可以产生2个方向不同的脉冲信号,调制信号波形如图3下方所示。1个数据位由4个相邻周期为单位进行调制,“0”表示在8个过零点中的2、4、5、7处调制,“1”表示在1、3、6、8处调制。
1.2 信号解调原理
工频信号解调的任务就是要检测出调制信号的有无,对调制信号的大小和形状并无过多要求,因此目前的工频通信系统主要采用时域方法解调信号。下行信号的检测有时间作差法和幅值作差法2种。时间作差法利用前后2个周期对应电压幅值相等时,其时刻的差别来检测调制信号,是一种模拟解调方法;幅值作差法利用前后2个周期对应时刻相等时,电压幅值的差别来检测调制信号,是一种数字解调方法[6]。时间作差法原理如图4所示。
将以基准点开始的2个电压波形进行全波整流后,设置3个比较电平,配合微处理器的高速捕获计数器即可实现下行信号的检测。如图4所示,负过零点处附近的电压波形在经过不同电平比较后,可得到t1～t6的6个时间信息和负过零时间信息t0,令:Δt1=t0-t1,Δt2=t0-t2、Δt3=t0-t3、Δt4=t0-t4、Δt5=t0-t5、Δt6=t0-t6,同理有:Δt′1=t′0-t′1、Δt′2=t′0-t′2、Δt′3=t′0-t′3、Δt′4=t′0-t′4、Δt′5=t′0-t′5、Δt′6=t′0-t′6。不考虑其他电网噪声,当有调制信号时,Δt将增大;如果2个负过零点处都没有调制信号时,则Δti=Δt′i,令
当D<λ时,无调制信号;当D>λ时,表示信息位1;当D<-λ时,表示信息位0,λ为设定的阈值。该方法具有运算量小、简单易实现的优点,但是抗电压扰动的能力较弱。u1～u3确定后,由于电网电压往往有±10%的波动,使得u1～u3不是最佳检测门限。随着信号处理技术和集成芯片的高速发展,使得利用现代数字信号处理技术进行信号解调变得可行。幅值作差法利用高速、高精度A/D对电压波形进行全周期采样存储,或局部采样足够的点数存储,采样数据与前一个周期的对应采样点作差,根据差值的大小及正负即可解调出下行信号。
上行信号的检测采用幅值作差方法,在电压过零附近设置检测窗口,利用相邻电流波形进行检测,如图5所示。
从基准点开始,在电压波形过零区域设置8个检测窗口,在每个窗口对应的电流区域采样k个点,分别为A11-A1k、B11-B1k、…、A41-A4k、B41-B4k,令:
D=0表示无信号;D=+4λ表示信息位1;D=-4λ表示信息位0,λ为入站电流脉冲强度。
2 系统装置硬件设计
工频通信系统装置包括子站装置和用户终端。子站装置主要完成下行信号的调制、上行信号的解调及整个系统的控制功能,用户终端完成上行信号的调制和下行信号的解调,装置硬件结构如图6所示。
2.1 微处理器的选择
考虑到工频通信在信号调制时侧重处理器的控制功能,而在信号解调时侧重处理器的数字信号处理功能,因此系统主控单元选用数字信号控制器(DSC),它集成了单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。在DSC领域,美国微芯公司(Microchip)推出的dsPIC系列具有很高的性价比,采用改进的哈佛架构,将MCU的控制特性与DSP的计算能力无缝地集成在一起。这种集成的功能对于需要高速、重复计算和控制的应用非常理想。以16位单片机为核心的dsPIC数字信号控制器,提供了MCU所具有的所有功能:大容量程序存取器(Flash)和数据存储器(RAM),快速、复杂和灵活的中断处理,丰富的模拟和数字外设,电源管理,可灵活选择的多种时钟模式,上电复位,欠压保护,看门狗定时器,代码加密,全速实时仿真以及全速在线调试解决方案。同时,dsPIC数字信号控制器还融合了可管理高速计算活动的数字信号处理功能,具有专门的DSP引擎,堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案。
设计中选用dsPIC33F系列,片内集成大容量Flash和RAM,无需外扩存储芯片。内部集成12位A/D转换模块,该模块以逐次逼近(SAR)原理为基础,提供最高500 K次采样/s(SPS)的转换速率。A/D转换时钟、自动采样时间、A/D转换时间、采样启动方式以及转换结果输出格式等都可通过设置相应的寄存器灵活选择,满足信号解调时的采样要求。此外,片内外设UART、I2C、SPI、CAN等能够满足各种通信需求。DSP引擎、2个40位累加器、支持除法运算的硬件、桶形移位寄存器、17×17位乘法器、16位工作寄存器阵列和多种数据寻址模式,共同为dsPIC33F提供了广泛的数学处理能力。此外,直接存储器访问(DMA)允许数据在多个外设和专用DMA RAM之间进行无CPU开销的传输。可靠的现场可编程闪存程序存储器确保能对使用的dsPIC33F器件应用进行扩展[7,8]。
2.2 过零检测电路
过零检测电路为信号调制和信号解调提供时间基准,由电压互感器(TV)、前置放大电路、低通滤波电路、移相电路、电压比较电路组成,如图7所示。
220 V工频电压信号经TV取样后送至前置放大器放大,并进行必要的相位补偿。滤波电路采用二阶有源低通滤波器,防止高频噪声影响电压比较电路造成过零点不稳。移相电路将经过处理后的50 Hz正弦信号移相90°,然后经电压过零比较器处理后产生50 Hz方波信号,送至CPU的外部中断引脚。
2.3 信号调制电路
信号调制电路完成上、下行信号的调制,由晶闸管触发电路及其保护电路组成。当要进行信号调制时,CPU的2个I/O口输出信号到与非门进行编码,主要目的是为了防止晶闸管在CPU上电过程中的误触发。触发电路主要利用带光隔离的小功率晶闸管MOC3052驱动后面的大功率晶闸管,其中还包括阻容滤波电路以防止电压上升过快引起晶闸管的误触发,如图8所示。
2.4 信号解调电路
信号解调电路完成上、下行信号的检测,原理框图如图9所示。
其中下行信号的检测相对简单,主要由TV取样、放大、滤波等电路组成,其中滤波电路采用4阶Bessel有源带通滤波器,具有最优的线性相频特性,通带频率200～800 Hz。由于带通滤波电路消除了50 Hz基波信号,而调制信号和各次谐波幅值较小,需要对经过滤波后的信号再进行后级放大,将信号处理成CPU内部A/D容许的范围之内,然后送至CPU进行A/D采样。
上行信号检测通过采集相应10 kV馈线出口处A、B、C三相电流互感器中的电流信号实现。考虑到实际应用中变电站一次测只有A、C两相TA的情况,增加了求和电路,利用三相平衡条件下的A、C相电流求出B相电流。三相背景抵消电路主要功能是利用电网三相电流之间的相位关系,最大可能地抵消掉电网本身的负载电流,同时将其他两相上的调制信号叠加到检测相,从而突出上行调制信号。由于负载电流很大,而调制信号十分微弱,抵消掉一部分背景信号相当于提高了信噪比和采样芯片的分辨率。如果没有抵消电路,由于受到采样A/D输入信号范围的限制,后级放大电路的放大倍数不可能很大,必将影响采样精度,因此背景抵消电路的作用十分重要。在三相负载平衡的条件下,A、B、C三相背景电流大小相等,相位相差120°。当检测A相调制信号时,将A相电流与B相电流求差,将C相电流放大姨3倍并向后移相90°,然后将A、B相之差减去经移相和放大处理后的C相,即IA-IB-姨3 IC∠-90°,即可实现三相背景电流的抵消,同时将有用的调制信号加强。实际的硬件电路主要由运算放大器构成的求和、求差电路,以及放大和移相电路构成,原理如图10所示。
3 系统软件设计
软件开发平台采用MPLAB集成开发环境(IDE),内置组件包括项目管理器、编辑器、汇编器/链接器、调试器、软件模拟器等。此外,针对dsPIC33F系列数字信号控制器,Microchip公司提供了专门的C语言开发工具MPLAB C30,可无缝集成在MPLAB IDE中。系统软件设计采用了模块化编程思想,并以C语言和汇编语言混合编程的方式完成整个软件设计。主程序由C语言实现,完成数据处理、信息存储及系统的控制与管理,使得程序大为简化,便于移植;汇编语言主要用于关键算法的优化以及对底层硬件(如DSP引擎)的操作。系统主程序流程如图11所示。
装置上电后首先进行硬件初始化,包括I/O口、定时器、中断、A/D转换器、通信接口等,然后等待控制器的指令。如果没有指令,说明系统工作在非通信时段,此时只对电网信息进行采集并存储,为系统通信提供有用信息;如果收到控制器的指令,系统工作在通信时段,开始进行下行信号的调制。终端检测到下行同步信号后进行下行信号解调和上行信号调制,然后由子站装置对上行信号解调后进行数据存储,数据通信等工作。
子程序主要包括过零检测、信号调制和信号解调等。过零检测主要是利用过零检测电路产生的方波触发外部中断,为信号调制和信号解调提供时间基准。信号调制子程序根据编码规则,在不同过零点位置控制晶闸管的导通,并可通过改变导通角调节调制信号的强度。信号解调子程序主要由数据采集、数字差分、数字滤波、信号检测算法等组成,如图12所示。其中数字差分是利用工频信号特有的调制特点,采样后对相邻周期进行幅值求差,从而消除大部分工频基波、整次谐波干扰,同时也增强了调制信号[9,10,11,12]。数字滤波采用有限脉冲响应(FIR)滤波器,对数字差分后的信号进行滤波,截止频率1 kHz[13,14]。针对所选DSC,采用提供有专业的数字滤波仿真和设计软件(dsPICworks&FD Lite),可以很方便地用软件实现。信号检测算法主要采用相关检测算法,关键代码由汇编语言实现[15]。
4 结论
通信装置 篇5
选用漏电保护开关时应根据系统的保护方式、使用目的、安装场所、电压等级、被控制回路的漏电电流以及用电设备的接地电阻数值等因数来选定。
一是要根据使用目的来选择。用于防止人身触电事故的漏电保护装置, 一般根据直接接触保护和间接接触保护两种不同的要求选用, 在选择动作特性时也应有所区别。直接接触保护是防止人体直接触及电气设备的带电导体而造成的触电伤亡事故, 当人体和带电导体直接接触时, 在漏电保护装置动作切断电源之前, 通过人体的触电电流和漏电保护装置的动作电流选择无关, 它完全由人体触电的电压和人体电阻所决定, 漏电保护装置不能限制通过人体的触电电流, 所以用于直接接触保护的漏电保护装置, 必须具有小于0.1S的快速动作性能, 或具有IEC漏电保护装置标准规定的反时限特性。间接接触保护是为了防止用电设备在发生绝缘损坏时, 在金属外壳等外露金属部件上呈现危险的接触电压。漏电保护开关的动作电流I△n的选择应和用电设备的接地电阻R和允许的接触电压U联系考虑, 用电设备上的接触电压U要小于规定值。漏电保护器的动作电流I△n的选择要求是:I△n≤U/R, 其中U为允许接触电压R为设备的接触电阻。一般对于额定电压为220V的固定式电气设备, 当用电设备金属外壳的接地电阻在500Ω以下时, 可选用30~50m A, 0.1s以内动作的漏电保护装置;当用电设备金属外壳的接地电阻在100Ω以下时, 可选用200~500m A的漏电保护装置;对于较重要的用电设备, 为了减少瞬间的停电事故, 也可选用动作电流为0.2s的延时型保护装置。固定通信台站机房建设时必须有接地保护设施, 若没有接地保护设施, 当用电设备发生漏电、碰壳等绝缘故障时, 设备外壳可能呈现和工作电压相同的危险电压, 极易发生触电事故, 因此, 电气设备安装规程中规定, 必须在台站进户线的电能表后面, 安装动作电流为30m A和0.1S以内动作的高灵敏型漏电保护开关。
二是要根据使用场所来选择。固定通信台站有严格的防潮要求, 在给固定通信台站安装漏电保护装置时, 也要充分考虑人与台站内用电设备是否经常接触、用电设备是否是长期处在潮湿的环境中工作等因素。一般在220V的低压线路中, 如果用电设备的金属外壳等金属部件容易被人触及时, 同时这些用电设备又不能按照我国用电规程要求使其接地电阻小于4Ω或10Ω时, 则宜按照间接接触保护要求, 在用电设备的供电回路中安装漏电保护装置, 同时还应根据不同的使用场所, 合理地选取不同动作电流的漏电开关。如在潮湿的工作场所, 由于人体比较容易出汗或沾湿, 使皮肤的绝缘性能降低, 人体电阻明显下降, 当发生触电时, 通过人体的电流必然会比干燥的场所大, 危险性高, 因此, 适宜安装15~30m A, 并能在0.1S内动作的漏电保护装置。
三是要根据电路和用电设备的正常泄漏电流来选择。漏电保护装置的动作电流选择得越低, 当然可以提高开关的灵敏度。然而, 任何供电回路和用电设备, 绝缘电阻不可能无穷大, 总会有一定的泄漏电流存在。所以从保证电路的稳定运行和提供不间断的供电来讲, 漏电保护装置的动作电流选择要受到电路正常泄漏电流的制约。由于测定电流的泄漏电流, 必须有较复杂的测试方法或使用专用测试设备进行测量, 这里有可参照经验公式:对于我们台站常用电的单相电路来讲, 应I△n≥IH/2000。若固定通信台站还有三相动力线路及动力和照明混合线路时, 则应I△n≥IH/1000。 (其中:I△n为漏电保护开关装置动作电流, IH为电路的实际最大供电电流) 一般台站供电电路, 如果使用3A电能表的用户, 正常情况下泄漏电流约在1m A左右, 原则上, 若单相电路中的泄漏电流超过电路最大供电电流的1/3000时, 我们应对电路进行检修。
基于光纤通信的电流差动保护装置 篇6
随着技术的进步, 光纤凭借自身良好的抗干扰性成为传导载体的重要载体, 通过广信进行传导, 信号大大增强, 继电器的保护动作十分迅速。随着新的光纤技术以及通信技术的发展, 通信成本逐渐下降, 电力通信网络化的发展以及光纤的大规模普及都为光纤的广泛应用提供了条件。当前我国的大部分电网都是采用光纤作为保护通道, 在应用中, 光纤保护在发生故障时都可以十分迅速地对故障作出判断并快速反应。
差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的, 根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理, 差动保护石将电器设备在保护装置中看做一个点, 正常的运行中流入和流出的电流应该是没有差别的, 那么差动电流就是零, 继电器就不需要保护行动。而如果设备出现故障, 流入的电流与流出的电流不一致, 保护动作就会将断路器跳开, 从而切断电源, 发挥保护作用。
二、光纤纵联差动保护的基本工作原理
光纤差动的保护原理与普通的联动保护原理大体一致, 都是需要通过计算三相电流的变化, 从而判断电流的流量是否是零, 并依此来确定是否发挥保护动作, 当电流互感器的二次侧电流继电器中有电流经过达到需要发挥保护的动作值, 那么保护装置就会发生反应, 自动跳开故障路线的开关, 从而保护电路。实际上不同的电流差动是需要借助光纤通道的, 即时地向对侧传递数据, 同时接受对方数据, 电流的采样信号经过编码形成光纤信号然后传递给对侧的保护装置, 当保护装置收到信号之后, 可以转换为电信号, 各侧保护利用本地和对侧电流数据按相进行差流计算。根据电流差动保护的特点来对故障进行判断, 判断故障是否是区内故障, 这时保护装置会自动跳闸, 如果是区外问题, 那么保护装置不需要任何动作。
光纤电流差动保护石在电流差动保护的机场上逐渐地发展而形成的, 在使用过程中, 发挥保护作用的原理是根据基本的电流定律, 能够迅速促进单元化, 同时不受运行方式的影响。
在实际的应用中, 光纤纵联差动保护是将被保护的电流的大小和相位传送到对侧然后进行比较的过程, 通过比较来判断线路内部是否存在故障的可能性, 同时针对性的进行保护动作。因为这种保护在运行的过程中不需要与相邻的线路进行配合, 所以可以全线速动也无需其他的保护, 这就降低了几点保护的难度, 方便了计算人员的工作开展。
三、光纤电流差动保护的应用
应用中, 光纤的电流差动微机保护装置时通过高性能的硬件、模块化的软件以及十分灵活的通讯系统来实现的, 这一系统是数字式传输的保护装置, 在我国220kV及以上输电线路的主保护及后备保护中发挥了很重要的作用。
3.1光纤电流差动保护装置的组成。
光纤电路差动保护的装置是由分相电流差动和零序电流差动为主体的快速主保护, 这一保护装置是通过三段式距离保护、四段式零序电流保护构成的全套后备保护装置, 同时还拥有综合重合闸功能, 不仅如此, 该保护装置还具备断路器分相操作箱及能够实现交流电压切换的回路。
3.2光纤电流差动保护装置性能特点:
(1) 在光纤的电流差动保护装置中, 界面十分友好, 文字易懂, 方便打印。 (2) 高速的通信接口和两侧数据的同步, 也是光纤电流差动保护的一大特点。 (3) 通信方式十分灵活, 拥有RS485通信接口及以太网接口等独特优势。 (4) 在光纤保护装置中电路板使用表面贴装技术, 提高可靠性。 (5) 在这一保护装置中, 可靠地振荡闭锁功能能够保证发生故障时可靠闭锁, 从而切除故障。 (6) 光纤电流差动保护装置是各种保护原理的统一体。
结束语
光纤电路差动保护装置具有十分优越的功能, 可以确保电力系统保护的准确和速动, 在高压和超高压电路中都得到了十分广泛地应用。随着技术的不断发展, 通过不断进行技术改进, 到目前, 光纤保护的性能及稳定性极大提高, 保证了电网运行的可靠性。
摘要：当前在我国很多地区都已经开始启用光纤保护装置, 但是在应用的过程中, 如何对使用中的光纤进行保护是摆在当前光纤系统面前的难题, 根据光纤系统发挥作用的原理可以将其分为光纤电流差动保护和光纤纵联保护两种, 本文对光纤通信系统的电流保护装置进行解析。
关键词：光纤,电流差动保护原理
参考文献
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通信装置 篇7
随着科技的飞速发展, 汽车的普及程度越来越高, 高性价比的车型层出不穷, 但随之而来的汽车被盗现象也越来越严重。现在主流的汽车防盗装置一般都是利用车上装置的传感器接收异常的振动信息后发出报警声来通知车主的。这种报警装置的缺陷在于容易发生误报警和远距离停车无法听见报警声。所以基于弥补这些缺陷的目的, 本文采用中远距离无线通信模块和单片机智能控制相结合的思路, 设计了一种性能更优越的远程防盗报警系统。该系统利用移动通信模块, 可以实现中远距离无线报警, 而且报警端设在车主身上, 以振动方式提醒, 无噪音污染。
短距离无线传输具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点, 在许多领域有着广泛的应用前景。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的实际需求, 短距离无线通信逐渐引起广泛关注。常见的短距离无线通信有无线局域网WLAN、蓝牙及欧洲的HiperLAN, 但其硬件设计、接口方式、通信协议及软件堆栈复杂, 需专门的开发系统, 开发成本高、周期长, 最终产品成本也高, 因此这些技术在嵌入式系统中并未得到广泛应用。基于RF技术的产品PTR2000不存在这些问题, 且中短距离无线数据传输技术成熟, 功能简单、携带方便, 使其在嵌入式短程无线通信产品中得到了广泛应用。
1 系统总体设计
在本文中, 车载防盗装置的基本设计思路是:以装置于车内的光电传感器作为监控端, 光电传感器的位置可以放置于司机座位后背上, 也可以装置在车门内壁;单片机采集从光电传感器获得的异常信号并发出响应;无线发送模块根据单片机的响应指令发送报警信号;车主手中的无线接收模块接收报警信号并向车主报警。整个防盗装置设计小巧, 性能可靠, 误报率低, 更难能可贵的是, 该装置还保留了与车载GPS导航系统的接口, 可以通过卫星导航系统实时传回被盗汽车的位置参数, 从而为需要更具智能化防盗功能的用户提供了方便。
在发送端, 单片机与光电传感器相连, 通过光电传感器完成信息采集功能, 一旦发生汽车盗窃行为, 当盗窃分子打开车门坐在驾驶位上的时候, 光电传感器的探头由于人身体的遮挡就会接收不到红外光信号, 此时, 光电传感器就会向单片机发送一个外部中断信号, 单片机接收到外部中断信号后就会通过串口通知无线通信模块PTR2000, 数据通过无线通信模块发送出去。在接收端, 无线通信模块PTR2000接收到数据后同样通过串口传给接收方单片机, 单片机收到此数据后, 控制与其相连的蜂鸣器发出报警信号。
在该装置中, 单片机采用深圳宏晶科技有限公司的STC11F系列的单片机, 无线通信模块采用PTR2000。
该装置的总体结构如图1所示。
2 无线通信模块
2.1 PTR2000器件引脚及其功能介绍
PTR2000采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式, 其工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗极低且便于设计生产, 这些优异特性使得PTR200非常适合于便携及手持产品的设计, 是目前低功率无线数据通信的理想选择。它是基于nRF401 器件的无线数据传输模块, 采用低发射频率、高灵敏度设计。该器件使用433MHz 频段, 是真正的单片UHF无线收发一体器件。
PTR2000的主要特征如下:
采用DDS (直接数据合成) +PLL频率合成技术, 因而频率稳定性极好。
灵敏度高。
工作电压低 (2.7V) , 功耗小, 接受待机状态电流仅为8μA。
具有两个频道, 可满足需要多信道工作的场合。
工作数率最高达20kbit/s (也可在较抵速率下工作, 如9600bps) 。
超小体积, 约40×27×5mm3。
可直接与控制器串口进行连接, 也可以用RS232与计算机或者单片机接口, 软件编程非常方便。
PTR2000各引脚的功能说明如下:
VCC (1脚) :下输入端, 电压范围为2.7～5.25V。
CS (2脚) :频道选择端。CS=0时, 选择工作频道1, 即433.92MHz;CS=1时选择工作频道2, 即434.33 MHz。
DO (3脚) :数据输出端。
DI (4脚) :数据输入端。
GND (5脚) :电源地。
PWR (6脚) :节能控制端。当PWR=1时, 模块处于正常工作状态, PWR=0时, 模块处于待机微功耗状态。
TXTN (7脚) :发射/接收控制端。当TXTN=1时, 模块为发射状态;当TXTN=0时, 模块被设置为接受状态。
2.2 工作模式
其工作模式包括工作频道的设置和发送、接收、待机状态, 由TXEN、CS、PWM 3个引脚共同决定, 其工作模式设置如表1所示。
3 硬件设计
3.1 单片机与PTR2000接口电路的设计
PTR2000利用串口进行数据传输, 而单片机带有串口, 所以, 单片机与该通信模块通过串口相联系。系统主要以单片机STC11F02E (16脚) 为控制处理核心, 由它完成对数据的采集处理以及控制数据的无线传输, STC单片机具有低功耗、超低价、高速、高可靠以及强抗干扰等优点, 所选用的16脚STC11F02E芯片具有2K的Flash程序存储器, 2K的EEPROM, 256字节RAM, 有12个I/O口, 内置串口波特率发生器, 内置看门狗。
3.2 光电传感器
光电传感器是一种利用光电子应用技术, 将光信号转换成电信号而进行非电量参数检测的装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件3部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点, 而且可测参数多, 传感器的结构简单, 形式灵活多样, 体积小。目前常用的光电传感器类型主要有光电管、光电倍增管、半导体光敏元件。近年来, 随着光电技术的发展, 光电传感器已成为系列产品, 应用也越来越广泛。
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的, 按光电元件输出量性质可分二类, 即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流, 它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量方法可分为透射式, 漫反射式, 遮光式三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中, 恒光源发出的光能量穿过被测物, 部份被吸收后, 透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指光源发出的光投射到被测物上, 再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物体遮住其中一部份, 使投射到光电元件上的光通量改变, 改变的程度与被测物体在光路位置有关。本文中采用的便是遮光式光电传感器。
4 软件设计
4.1 PTR2000模式设定
设置PTR2000的状态 (发射或接收) , 选择固定的通信频道1 (CS=0) , 并让PTR2000模块一直处于正常工作状态 (PWM=1) 。无线通信实现过程如下:
(1) 发送端在发送数据之前, 应将PTR2000模块置于接收模式, 即TXEN=0。
(2) 接收端应将PTR2000置于接收模式, 即TXEN=0。接收端单片机绝大部分时间都处于接收状态, 当单片机发送端收到来自光电传感器的异常信号便通过PTR2000向接收端发送信号。
(3) 当接收端PTR2000接收到数据之后将数据传给接收端单片机, 单片机控制蜂鸣器报警。
4.2 无线通信的协议设计
无线通信中, 由于外部环境的干扰, 通常误码率较高, 因此通信协议的设计对保证通信的可靠性十分重要。协议的设计主要是帧结构的设计, 数据帧的内容包括起始字节、数据长度字节、数据字节、结束字节和校验和字节。由于在该系统中利用数据通信传输的数据较少, 所以数据帧中每个内容只用一个字节表示即可。
采用校验和的方法进行帧的校验, 发送端对待发送的数据进行校验和计算, 将所有字节相加, 将校验和值放在数据后一起发送;在接收端, 对接收到的数据进行校验和计算, 然后与收到的校验和字节比较, 进行误码判断。对于单片机, 指令帧主要有4种:发送端单片机的请求发送指令、接收端单片机的确认发送指令、错误/超时重发指令、发送端单片机的发送完毕指令, 在该系统设计中指令帧采用数据帧的格式。
4.3 程序流程
当光电传感器将异常信号通过外部中断传给发送方单片机之后, 单片机启动PTR2000的发送模式, 向接收端发送请求发送指令, 接收端接收到该指令后, 发回确认指令, 然后发送端开始发送数据, 数据发送完毕之后, 向接收端发送结束指令。该系统的工作流程 (监控端) 如图2所示。
5 结束语
基于单片机无线通信而设计的车载防盗装置, 可实现对汽车的中远距离无线监控。相对于传统的车载防盗装置, 该防盗系统误报率低, 性价比高, 性能可靠, 有着广阔的发展前景。短距离无线传输具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点。无线通信模块PTR2000数据传输技术成熟, 功能简单、携带方便, 其在嵌入式短程无线通信产品中应用广泛。根据实际验证, 该防盗装置运行良好, 报警准确, 无噪声污染, 可以方便地移植, 以便构成更智能的防盗系统。
摘要：设计出以STC11F02E单片机为控制核心, PTR2000为无线通信收发模块, 光电传感器为监控部件的车载防盗装置。介绍了其硬件接口电路和单片机之间的通信协议设计, 最后简要叙述了该装置的工作流程。经验证, 该系统有一定的实用价值。
关键词：STC11F02E,无线通信,光电传感器,车载防盗装置
参考文献
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