遥测遥控终端（通用7篇）
遥测遥控终端 篇1
摘要：介绍航标遥测遥控终端的设计,该终端是智能航标遥测遥控系统的关键部件;其硬件电路采用S3C2410 ARM9微处理器、GPS模块、GSM模块进行搭建;软件系统采用嵌入式Linux操作系统为开发平台。通过多线程、多进程的协同模块化设计和模块之间的有机组合,实现了整个终端所需功能的程序设计。经过调试和移植,结果表明终端可以稳定地实现数据采集和GPRS数据传输功能。
关键词：遥测遥控终端,嵌入式Linux,GPS,GPRS
0 引 言
虽然航标遥测遥控系统的研究与开发已经多年,取得了一些研究成果,但目前航标遥测遥控终端仍存在着性能和稳定性等方面的问题,还不能完全满足现代化、信息化航标管理的要求。随着计算机技术、网络技术和大规模集成电路的高速发展,以计算机技术、芯片技术和以软件为核心的嵌入式系统(Embedded System)成为当前研究和应用的热点[1]。嵌入式系统最大的特点是目的性和针对性强,而且通常都具有实时性高、功耗低、体积小、集成度高、成本低等特点。因此,采用嵌入式技术开发航标遥测遥控终端将大大提高系统性能。
嵌入式Linux操作系统是Linux系统在嵌入式领域的应用,它具有很小的内核,而且支持多种体系结构,具有良好的移植性和源代码公开的特性,给开发带来了便利,因此在嵌入式市场被广泛的应用。目前在应用的嵌入式Linux版本主要有:uCLinux、RTLinux、MontaVista Linux、ARM-Linux等[2],本设计采用的是适合ARM平台的ARM-Linux操作系统。
1 航标遥测遥控系统的组成
航标监控系统由中心控制系统、无线通信系统、终端设备三大部分组成[3],如图1所示。
中心控制系统的功能是完成航标数据的收集、处理、存储、显示和决策支持服务,主要由通信机、服务器、GIS客户端平台组成。通信机可实现多种通信服务如:GPRS无线网络通信服务、短消息通信服务、AIS通信服务、差分GPS信息收集服务等。服务器包括通信服务器、数据管理服务器,其中通信服务器完成通信机的命令和数据传送;数据管理服务器主要完成数据解析、存储、处理等功能,通过数据解析自动生成各种报表,通过处理完成数据分析、处理、判断、报警等功能,同时为各个管理用户(GIS平台等)提供数据。GIS客户端平台为一客户端软件,以S57电子海图为基础,在其上叠加航标信息实现可视化实时的航标信息显示、查询、报表等功能。
无线通信系统的功能是实现航标信息和控制命令的无线传输,可采用GSM/CDMA/AIS无线通信系统,可提供SMS和网络两种数据通信服务。
终端设备主要完成以下功能:
1) 采集航标数据,包括航标的工作状态、位置信息、能源信息、其他信息(如:温度、湿度、雾、风向、风速)等信息,并进行处理。
2) 按照设置命令的要求自动实现终端的工作方式配置;航标数据打包、上传;对航标设备工作状态进行遥控。
3) 自动定时检测、判断航标的工作状态、(浮标)位置状态、能源状态,当出现异常时发出报警信息。
可见,航标遥测遥控终端是整个系统的关键组成部分,本文后续内容只介绍该终端的软硬件设计。
2 遥测遥控终端的硬件结构
2.1 终端的组成
根据功能要求,我们设计的航标遥测遥控终端的组成框图如图2所示,主要由处理器模块、M22 GSM通信模块、GPS定位模块和数据采集模块组成。处理器模块是由S3C2410 ARM9微处理器芯片、1片8M×16位flash、2片16M×16位SDRAM组成的为处理器系统。S3C2410 16/32 bit RISC处理器是一款高性价比、低功耗、体积小、高性能、高集成度的微处理器。它采用主频可达203MHz 的 ARM920T 内核;集成了16KB 指令缓存和16KB 数据缓存;利用 MMU实现对虚拟内存的管理;LCD控制器支持STN屏或 FTT屏;支持 NAND flash。同时还具有:3个UART;4个带有PWM 的16位定时器;多达55个中断源的中断控制器;8通道10-bit ADC;2个 USB接口;1个 IIC-Bus 接口;2个串行外围接口电路(SPI);1个RTC等在片资源。因此,完全不需要进行接口扩展。它是整个终端的核心,负责整个系统的管理、控制、数据处理以及通信协议的解析和数据的处理。M22是一个封装了E-GSM/GPRS 900/1800双频GSM通信模块,终端通过它实现与服务(控制)中心的远程无线通信。GPS定位模块实现终端的定位,使终端可以安装在浮标上以实时监视浮标是否产生漂移。由于目前的航标灯均带有采集模块,并通过RS-485输出数据,因此,利用处理器的串口经过一个485转换装置就可实现数据采集。为了兼容没有采集模块的航标灯,我们也设计了自采集电路通过ADC通道采集日光值、工作电流和工作电压,利用带有PWM 的定时器采集灯质(周期)信息,并自动分析航标灯的工作状态,形成完整的航标信息。
2.2 系统校时模块
航标遥测遥控终端的时间系统是通过GPS输出的时间信号建立的。微处理器通过接收GPS的NMEA-0183格式的数据提取GMT时间建立时间系统。由于GPS的时间信息精度非常高,因此,终端具有很高的时间基准,从而保证了系统工作的稳定性。
3 终端的软件设计
终端软件采用了模块化的概念进行设计,根据对航标遥测遥控终端的功能需求分析,为了实现实时的数据采集与处理,我们把终端的功能分为数据采集与数据传输两大任务。数据采集负责实现RS-485接口数据采集与灯器遥控、GPS数据采集、自采集类型数据采集等功能。数据传输负责数据处理、数据分析、命令的解析和控制、与服务器的数据通信等功能。这两大任务通过两个进程实现,下面分别介绍。
3.1 数据采集进程
数据采集进程在主线程下创建GPS数据采集、RS-485接口通信、自采集数据三个线程来实现数据采集。数据采集操作的实现是首先创建硬件驱动程序[4,5],再通过各驱动程序入口点进行对底层的操作。GPS数据采集采用串口2;RS-485接口通信采用串口1;电流、电压、日光值的采集采用ADC接口;灯质采用中断和定时器组合采集,控制信号利用IO口产生。本模块程序流程如图3所示。
在程序启动时,进程在打开各个接口驱动后,便创建子线程。GPS子线程主要负责对GPS数据的读取,并将其存入全局缓冲区,这样便可与父进程及其它线程共享数据。为了减少该全局缓冲区上读写冲突,GPS数据接收程序中也设定一块局部缓冲区,只有当该缓冲区内收到完整的一帧数据时,才将其内容写入全局缓冲区,这样可以减小对全局缓冲区的操作频率。RS-485接口通信线程、自采集数据线程是根据控制命令和功能设置启动的。当命令管道收到命令时,如果是采集命令,则启动所有的采集线程采集数据,并将数据按照协议定义的格式写入数据管道,传送到数据传输进程;当收到的是遥控命令时,启动遥控操作,回复遥控应答数据。
3.2 数据传输进程
根据数据传输任务的要求,将数据传输进程分为:主控中心模块、无线通信控制模块、数据收集模块、数据处理模块、数据发送模块,如图4所示。主控中心模块为主线程,负责系统的初始化参数如:串口初始化、收发标志设置、线程标志设置、存储器配置等,同时实现对各个模块的调用以及协调各个模块的工作。
其他模块是以创建线程的模式实现,相应地创建了四个线程:无线通信控制线程、数据收集线程、数据处理线程、数据发送线程。这五个线程都独立占用CPU时间,从宏观上看这五个线程是并行运行的。无线通信控制线程主要完成GPRS无线模块的初始化工作,为数据传输提供一个透明的通道,包括串行口初始化、无线模块上电控制、GPRS连接初始化、无线模块工作状态监测。数据收集线程完成收集来自采集模块和服务器传送来的数据,由于采用专门线程来处理,提高了信息接收的可靠性,避免了信息的丢失。数据处理线程负责收集数据的处理、协议处理、控制命令处理等工作。收集数据的处理是根据需要对收集到的数据进行分析、处理和存储。协议处理是对接收和要发送的数据按照协议标准进行解析、处理或者打包,例如:GPRS服务器通信协议指令,在接收到后要进行格式判断,主要判断协议指令的开始和结束符号,之后还应进行RTUID(终端识别码)检查以及校验和的检查,断定是否为正确接收的数据或者指令,最后对数据和指令分别存储。控制命令处理是根据接收到的不同指令进行相应的解析和执行,如:RTUID、报警、跟踪等的功能设置。数据发送线程负责将根据GPRS服务器所设定的功能要求的数据和终端的报警信息发送给服务器。在这部分要完成的任务有发送时间的定时和发送数据的生成。发送时间的定时利用了软件时间定时器实现。
3.3 线程同步与进程间通信
在使用多线程设计时,要考虑线程间同步问题,即要控制访问潜在地可能被同时访问的资源,要求存在某种机制把对这类资源的访问串行化,特别注意一些全局变量的读写。如:在读取GPS数据时,应当将GPS数据接收线程挂起,直到读取线程工作完毕。
由于系统采用多进程设计,因此,必须解决进程间通信问题。进程的通信方式很多,包括:信号量、共享变量、管道等。管道包括无名管道和有名管道(FIFO)。它们的区别在于无名管道不存在文件系统里,所以只能用于有亲密关系的进程,如父子进程;有名管道在文件系统中有实体存在,相当于一个文件,在两个独立的进程之间可以使用[6,7,8]。本系统中的两个进程是独立的,所以采用了FIFO作为通信机制。定义fd_rdata、fd_wdata两个管道来实现主进程和数据传输进程之间的双向数据通信,其中,fd_rdata用于接收数据传输进程接收到的数据,fd_wdata实现将要发送的数据传送给数据传输进程,以便将数据发往控制中心。定义fd_col_cmd、fd_col_data两个管道来实现主进程和数据采集进程之间的双向数据通信,其中,fd_col_cmd用于向数据采集进程发送采集命令,fd_col_data实现将采集的数据传送给主进程,以进行处理。
4 结果与结论
根据上述软硬件设计方案,我们完成了相应的软硬件设计和安装调试,图5为服务器接收到的航标数据分析显示实例。
调试结果表明:终端可以稳定地实现航标数据的采集与传输。由此可见,以高速发展的嵌入式网络技术为核心进行设计,把无线GPRS移动通信技术、GPS定位技术和嵌入式Linux结合起来,可以很好地构建航标遥测遥控终端。文中采用GPS模块的授时可保证系统时间的确定性。软件系统采用嵌入式Linux操作系统,通过多线程、多进程的协同模块化设计和模块之间的有机组合,使终端具有很好的实时性、可靠性和扩展性,性能价格比高,能够满足航标信息采集和传输的可靠性高、速度快、维护方便、稳定性及扩展性的需求。
参考文献
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遥测遥控对抗技术浅析 篇2
关键词：遥测遥控对抗,无人机,天基空基平台
引言
当今, 遥测遥控是无人机、导弹、航天器必不可少的一部分, 无论是其中的哪种平台, 都必须借助遥测遥控的支持, 让地面指挥中心能够有效地发出指令, 检测对象执行任务情况以及对象内部有关参数。因此, 遥测遥控是地面与被测被控对象联系的窗口, 是综合状态监控、技术分析和控制决策的中枢, 全面负责对被测被控对象的指挥与调度。通过对遥测遥控的对抗, 可以有效降低敌方被控对象的作战用途, 弱化甚至使之不能完成作战使命, 是一个有效的制敌环节。
1 遥测遥控系统的组成原理及工作特点
1.1 遥测遥控系统的组成原理
遥测遥控系统的原理如图1所示, 它由测量和控制端 (站) 、信道以及被测和被控端 (即遥测遥控的对象) 三部分组成。测量和控制端对一个大的遥测遥控系统而言, 就是遥测遥控中心, 其功能是将接收到的遥测信号变为被测信号的参数, 并通过发射机发射出去;同时, 被测和被控端对接收机接收的遥控指令信号进行变换, 变成指令执行, 并通过执行器控制别测控对象。
现代遥测遥控系统的遥测、遥控信道有架空明线、电缆或光缆等, 这样构成的系统称为有线测控系统。通过无线电通信设备进行信息数据传递, 这样构成的系统成为无线遥测遥控系统。在军事上, 由于条件限制, 遥测遥控信息数据的传递基本采用无线通信信道, 特别是各种无人机和军用卫星大量使用的遥测遥控系统中, 信息的传递无一例外都是通过无线通信信道进行的。
1.2 无人机遥测遥控系统的工作特点
传统的无人机遥测主要是提供飞机的高度、速度和发动机转数等参数;遥控则是用于控制飞机进入预先规定的飞行航线, 给任务载荷加点以及在完成任务后控制其回收。传统上对无人机的遥测遥控主要通过地面站直接跟踪, 由于地球曲率的影响, 可遥测遥控的距离比较近。
当前, 无人机可以通过卫星实现超视距的遥测遥控。另外, 现代无人机还加强了自动导航和自主遥测遥控能力, 更易于地面中心站的监视, 同时也为无人机提供了更强的生存能力。如通过安装GPS接收机, 是无人机能够精确地实现航迹的规划;在遥测遥控系统出现故障时, 无人机可以通过事先加载的航迹实现自动返航等。
2 遥测遥控对抗系统组成和对抗特性
2.1 遥测遥控对抗系统
2.1.1 遥测遥控对抗系统基本组成
遥测遥控对抗系统的原理如图2所示, 图中虚线部分表示可能是有线连接, 也可能是无线连接。遥测遥控侦察接收系统可能是地面平台、空中平台甚至是天基平台, 同样, 遥测遥控干扰系统也可能搭载在各式各样的平台上。
2.1.2 遥测遥控对抗系统主要功能
以航天遥测遥控对抗为例, 系统主要组成包括:地面对抗系统与中心指控系统, 用以实现对遥控信号的干扰和对遥测信号的接收, 实现对遥测遥控信号的综合分析处理, 同时下达侦察与干扰指令;空中平台对抗系统用以实现对遥控信号的侦察和对遥测信号的干扰。
(1) 地面对抗系统与中心指挥控制系统基本功能。发射大功率的信号压制敌方上行遥控信号;接收空中平台转发信号并进行信号处理, 获取信号特征参数;接收、分析遥测信号;发送干扰参数指令, 引导空中对抗平台干扰敌方遥控接收终端;向其他作战系统下达作战指令。
(2) 空中平台侦察与干扰功能。空中平台对抗系统侦察接收到遥控信号进行采样或者直接变频放大转发到地面对抗系统进行信号分析和处理;通过地面站的引导与控制, 对遥测接收终端进行干扰。
2.2 不同目标平台遥测遥控对抗系统的对抗特征
遥测遥控对抗的目标平台主要包括导弹、无人机与卫星。从航天与航空概念上讲, 导弹属于航天, 同时在遥测遥控技术体制与工作方式等方面, 更类似于卫星。因此, 可以说遥测遥控对抗的对象主要是以无人机为代表的空基平台和以卫星为代表的天基平台。
对于以卫星为对象的航天遥测遥控对抗, 一般使用地面和空中两种对抗平台协同作战形式。
对于以无人机为对象的航天遥测遥控对抗, 采取的对抗方法主要是:当无人机直接受控与地面站时, 通过空中对抗平台网侦察无人机遥测遥控信号, 对无人机及地面站进行定位, 引导火力打击。而如果无人机通过卫星来进行遥控, 则根据遥控信号采用的高低频段, 通过地面站或空中平台对无人机进行定位, 引导干扰或集中活力打击。
3 结束语
各种复杂遥测遥控体制的遥测遥控技术的发展, 都为遥测遥控对抗技术的实现增添了新的困难, 在这种情况下, 采用一般对抗方式已无能为力。从发展趋势来看, 遥测遥控更趋向于统一的数字传输信道 (链路) , 天基遥测遥控组网实现了全球覆盖, 从单个设备的遥测遥控走向系统遥测遥控与网络信息交互, 可以在任意时刻进行遥测遥控信号的传输。这种信息网络化进程正是推动从局部的单点对单点的信道 (链路) 对抗走向系统对抗、体系对抗, 走向以网络为中心的信息网络对抗的动力。因此, 遥测遥控对抗与当前通信对抗一样面临着严峻的挑战, 只有树立系统对抗、体系对抗的对抗思想和对抗体制, 才能应付对遥测遥控技术快速发展的挑战。
参考文献
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遥测遥控终端 篇3
航标遥测遥控系统是一套基于航标数据采集、航标离位检测、远程数据传输和遥测数据显示及处理的应用系统, 在控制中心配以电子海 (江) 图, 直观的显示航标所处的工作状态和工作信息, 通过差分GPS技术确保实时数据的可靠。
1 系统概述
澜沧江属于典型的山区河流, 通航条件恶劣, 保障航行安全的航道助航设施及船舶运输安全管理还比较落后。为了改善这种状况, 建立完善的航标遥测遥控系统, 将增加西部水运交通建设的科技含量, 提升西部水运建设的技术水平, 促进当地航运事业的快速发展。
航标遥测遥控系统利用中心控制设备 (计算机) 通过系统软件对航标采集的数据进行自动、定时和主动发出指令收集, 同时系统开发适合北斗通信体制的逆向差分GPS系统解算各航标的定位信息, 计算机通过对收集到的所有数据进行分析确定航标工作状态, 根据航标工作状态决定计算机的下一步工作, 从而实现航标遥测遥控的功能[1]。
2 系统组成
航标遥测遥控系统是由航标数据信息采集终端站、逆向差分GPS系统、卫星通信系统数据信息链路、数据信息处理和监控中心组成的。系统的组成结构图, 见图1。
3 关键技术研究
针对山区河流急流险滩的特点, 解决重点航道示范段中航标设置和远程监控、维护等问题, 实现航标现代化管理, 确保船舶航行安全。研究开发了基于北斗卫星通信方式的逆向差分GPS软件, 攻破了急流险滩航标离位检测技术难题; 根据航标遥控遥测系统通信体制, 研究提出了航标数据采集与传输编码方式, 研制开发了航标遥控遥测终端。
3.1 航标数据自动采集技术研究
航标信息数据是测控系统建立的前提, 它包括蓄电池电压电流、灯器电压电流、太阳能电压电流、灯器工作状态和航标移位距离等数据。这些数据可以精确地描述航标的工作状态和运行状态, 通过研究和确定航标数据的采集内容和方法, 就可以确定并研制航标数据采集硬件设备RTU和与其相适用的应用软件。航标数据采集的结构框图见图2。
3.2 航标数据远程传输技术研究
对于澜沧江或类似该流域地理环境的特殊山区河流, 目前流行的GSM或CDMA等公众通信网络无法覆盖其河流沿岸, 无法保证无线通信的可靠性和稳定性;而且, 采用VHF等传统无线电通信手段也几乎是不可能的 (无法沿江架设很多VHF基站) 。因此, 分析数据传输技术在山区特殊环境下的应用特性, 应重点研究远程数据传输范围和可靠性问题, 从而确定合理可行的航标数据远程传输手段——卫星。为了节约成本, 在数据传输的工作方式上, 可以考虑选择短信息的方式, 这样不仅大大降低了使用费用, 也保证了设备的全天候工作。
以短消息的方式传输数据, 实现简单, 具有通信成本低、保密性能好、抗干扰能力强等优点。
3.3 航标离位检测技术研究
离位检测是航标遥测遥控中的一项重要技术, 它可以保证航标由于水流湍急而离位时, 在控制中心能够及时发现, 避免由于航标离位而错误引导船舶航行, 造成不可挽回的人员伤亡和物资损失。
当前, 全球卫星定位系统已广泛应用, 差分GPS技术非常成熟, 将其用于航标移位检测是航标遥测遥控系统的必然选择。根据澜沧江的特殊地理环境, 我们采用了逆向差分GPS系统, 从根本上提高了航标离位检测的精度, 为船舶的安全航行和作业提供了可靠的保证。
所谓逆向差分GPS (inverse difference GPS) 是指差分改正信息从活动站发往基准站, 采用集聚式, 各个活动站只需要给基准站返回自己的伪信息即可在基准站完成定位[2]。逆向差分主要由基准站、活动站和数据链路三部分组成。
3.4 系统供电研究
稳定可靠的电源供给是航标正常工作的必要条件。航标遥测遥控系统的供电, 特别是在澜沧江山区河流特殊地理环境条件下, 系统正常工作的能源问题比较突出。在分析了澜沧江长年来的气候、气温及航标自动数据采集系统等的耗电量, 根据航标发光灯器和定位、通信等模块的用电需要, 合理规划并设计电源供给方案确定了采用太阳能作为供电, 并确保了系统在无日照的前提条件下能够保证系统30 d供电正常。此外, 针对山区河流航标灯电源易遭偷盗等的特点, 研究相关硬件的伪装和加固工艺, 在保证航标用电需要的同时, 有效预防电源设备的被盗。
4 结束语
建立航标遥测遥控系统, 通过系统网络分级别管理、信息共享, 这对航标信息管理和自动化调度管理是非常重要的, 也是必不可少的关键一环。实现航标智能化、实现航标管理现代化分级综合管理。也是航标综合管理科学化、现代化的必然途径。
随着水路运输的迅猛发展, 航标对于船舶安全可靠航行所发挥的作用越来越大, 因此, 将高科技应用于航标管理, 不仅可以方便管理部门的日常管理和维护, 也可以有效的减少人力物力、节约开支, 并为船舶的安全航行和作业提供了有效、可靠的保障。
参考文献
[1]刘明, 赵起文, 王明盛.航标离位报警系统的研究[J].大连海事大学学报, 1997, 23 (1) :60-62.
遥测遥控终端 篇4
城市供水系统主要由管道、阀门、水泵和供电设备组成, 这些设备要集中控制才能协调工作。目前许多水厂调度是通过电话联系, 依靠人工判断水厂运行情况。这种方式不能准确和及时根据运行参数进行调整, 系统不能优化运行, 造成能源浪费;同时, 水源地需要大量野外操作和维护工作, 易发生操作错误, 影响供水系统稳定运行。
一、供水系统的发展方向
采用遥测遥控[1]系统来对供水厂进行监控, 需要实现供水厂全自动运行, 改善工作条件, 降低生产成本, 还要适应信息化的趋势, 使供水系统的建设、生产、管理、办公结合起来, 形成一个有机的总体。以无线通讯为基础的计算机三遥系统, 是可以实现遥测、遥信和遥控的计算机监控系统, 它采用有线和无线混成的方式进行数据测控与通讯, 有效地解决了供水系统中分散井点数据的检测、控制及电缆铺设的问题, 为供水厂自动调度提供了可靠的技术保障, 在城市供水系统中得到了广泛的应用。
二、模糊控制
2.1 Fuzzy逻辑
Fuzzy逻辑是一种无限值逻辑, 其值可取[0, 1]的任一值, Fuzzy逻辑不仅承认真值的中介过滤性, 还承认事物在形态和隶属方面具有亦此亦彼性、模棱两可性, 相邻中介之间是相互交叉和渗透的, 其真值也是不确定的。
2.2 Fuzzy控制的基本原理
所谓Fuzzy控制[2], 它表示对客观控制对象在主观上, 知识上和概念上的Fuzzy性, 一个Fuzzy控制完成的是一项确定的工作。Fuzzy控制的核心部分为Fuzzy控制器, 它将观测到的过程输出量 (确定量) 转化为Fuzzy量, 经过Fuzzy规则推理取得Fuzzy决策后, 再将其转化为确定量去实现自动控制过程。
Fuzzy控制器的控制规律由计算机程序实现。以单输入单输出Fuzzy控制器为例, 实现Fuzzy控制算法过程如下:微机经中断采样获取被控量的精确值, 然后将此量与给定值比较得到误差信号E。一般选误差信号E作为Fuzzy控制器的一个输入量, 把误差信号E的精确量进行Fuzzy量化变成Fuzzy量。至此, 得到了误差E的Fuzzy语言集合的一个子集 (实际上是一个Fuzzy向量) , 再由和Fuzzy控制规则 (Fuzzy关系) 根据推理的合成规则进行Fuzzy决策, 得到Fuzzy控制量为:
为了对被控对象施加精确的控制, 还需要将Fuzzy量转化为精确量, 称为解Fuzzy处理或清晰化。得到清晰的数字控制量后, 经数模转换变成精确的摸拟量送给执行机构, 对被控对象进行控制, 完成一次控制过程。然后, 进行第二次采样、控制, 循环下去, 就实现了被控对象的模糊控制。
三、供水网络监控系统
3.1系统整体设计方案
(1) 系统需求分析:本系统包括一个中心站和n个泵站。下位机完成对各参数的采集、存储, 并根据这些参数和生产指标对设备进行控制, 并响应中心站的遥测遥控命令。中心站对各分站的运行参数进行遥测和必要的修改, 紧急情况下对分站进行控制, 要有数据存储、打印、分析及设备管理功能, 并能根据建设规划预测生产容量, 下达生产指令等生产管理工作。
(2) 系统结构的确定:供水系统采用集散控制结构, 以适应系统的分散控制, 集中监测的要求。各站应具有双向通讯能力, 而且通信延迟应在一定范围内, 最长应在一分钟内成功。
3.2终端组成
在各泵站中, 需要各种参数测量的传感器, 如电流传感器、压力变送器、水位计、流量计以及火焰传感器、红外防盗传感器等。传感器输出信号用小信号调理电路进行放大、滤波, 信号经过处理后, 送到A/D板进行数字化, 然后进行计算机处理;计算机的输出通过I/O板送到继电器板以控制执行器。同时, 需装设光电隔离器以避免把测量电路的干扰引入计算机, 各站要有一套收发数据设备来完成遥测遥控任务。
3.3中控室的组成
在中控室, 配有中心服务器进行自动化控制;设置大屏幕显示器监视各泵站;还需有打印机进行报表打印。
3.4系统界面设计
本系统是水厂的远程监控系统, 其界面是用MCGS工控组态软件[3]来设计的。MCGS系统包括组态环境和运行环境两部分。用户在组态环境中进行设计和构造应用系统, 完成组态过程, 组态生成的结果是一个数据库文件, 称为“组态结果数据库”。运行环境是一个独立的运行系统, 它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理, 完成用户组态设计的目标和功能。
在水厂的监控系统中, 水位控制是一个很重要的环节。水位控制界面有五个窗口:封面窗口, 水位控制窗口, 实时曲线窗口, 历史曲线窗口, 历史数据窗口。水位控制窗口是主要显示窗口, 主要分为四大部分:动画显示区、数据显示区、流速控制区、底部为状态条。
动画显示区内显示了水位控制系统的结构框图, 储水系统要求控制水泵的抽水速度和放水阀门的出水量, 使储水箱的水既不能溢出, 也不能放空。数据显示区是显示水位高度的区域, 该区的图形由两块指针式仪表、数字显示框和文字标签三部分组成。控制区图形由三个滑动输入器, 一个自动/手动旋钮开关组成。状态条是进行人机交互式操作的图形界面, 用于窗口切换, 调出实时曲线、历史曲线、历史数据等。
四、结论
本系统能够实现各泵站与中心站之间的数据交换, 使中心站能及时地了解各泵站的运行情况, 远程遥控泵站的启停, 对各水泵进行严密的监测, 把各参数的运行轨迹, 变化范围, 波动状况等信息检测出来, 对各水泵进行实时控制, 并根据生产指标, 对水泵运行进行连续调节, 使供水系统始终处于最佳运行状态。
参考文献
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遥测遥控终端 篇5
自然界的动物历经几亿年的进化,在运动灵活性和环境适应性等方面有很多优越能力。研究人员设计机器人时模仿自然界中动物的精巧结构、运动原理和行为方式等,创造了许多具有特殊功能的仿生机器人[1],如机器苍蝇、机器蜘蛛、机器蛙、机器鱼、机器螃蟹、蛇形机器人、仿蚯蚓机器人和仿壁虎机器人等[2]。然而仿生机器人在运动稳定性、灵活性、可靠性、续航能力、简约的控制系统等方面还存在着难于在短期内突破的技术瓶颈,而动物机器人在这些方面具有明显的优势,因此动物机器人的研究近年来受到更多的重视[3]。所谓动物机器人,就是将电子装置与活体动物神经系统合二为一。它是以活体动物为载体,通过脑电遥控系统产生具有一定规律的电信号,施加到动物具有特定功能的神经核团,诱发躯体运动,从而实现动物的运动和某些行为的人为控制。
动物机器人特有的属性决定了其在反恐、侦查、定点清除、医疗康复、危险环境搜救以及狭小空间检测等各方面的广泛应用前景[4]。随着神经科学、计算机科学、微电子等技术的迅猛发展,它已成为现在科技研究的热点领域之一。在动物机器人研究中,一般动物机器人是将电子装置与活体动物神经系统合二为一。它是以活体动物为载体,通过脑电遥控系统产生具有一定规律的电信号,施加到动物具有特定功能的神经核团,从而诱发躯体运动,实现动物的运动和某些行为的人为控制。通过脑电遥测系统,记录神经核团的放电用于研究其神经活动规律,并在此基础上设计用于运动调控的脑电刺激方案。核团的功能,以便于更好的研制动物机器人。可见“脑电遥测遥控技术” 是动物机器人研制过程中的关键因素之一。
1 研究现状
1.1 遥控系统
动物脑电遥控遥测设备的研制始于20世纪30年代,1934年Light 和 Chaffee[5]利用电产生磁场,磁场感应线圈产生电流,以猴子为实验对象,实现了遥控刺激,但是这个系统比较繁琐且效率较低。Lafferty 和 Farrell[6]在1949年改进了这一系统,通过射频提供一个磁场来激发线圈电流,但是遥控距离不足3米,显然早期开发的这些装置并不能满足现代的神经科学及生机电交叉学科研究的需要。近年来,不少科研小组已经投入到脑电刺激遥控系统的研发中。
a) 微功率短距离无线通信
微功率短距离无线通信技术一般使用数字信号单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块,一般射频芯片采用FSK调制方式,工作于ISM频段,通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据程序进行操作即可实现基本的数据无线传输功能,因其功率小,开发简单快速而应用广泛,但数据传输速度、流量都较小较适合搭建小型网络[7]。
2004年,美国纽约州立大学研制出多通道脑刺激遥控系统,刺激信号既可以是单极性信号也可以是双极性信号。系统通过UHF发射器传输指令,通过背包的微处理器BS1-IC产生刺激脉冲。背包体积为 48mm×23mm× 19mm,质量为28g,使用6V、160mAh锂电池供电可以连续工作7h。在复杂环境下信号的传输距离超过300m[8](图1)。刺激大鼠的下丘脑的内侧前脑束(MFB)和左右两侧的第一躯体感觉皮层(SI),并给予适当的刺激,可以使大鼠完成转弯、前行、爬树、以及跳跃等各种指定动作[9]。
南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所选用鸽子为研究对象,改进了系统,采用集成收发射频芯片无线单片机CC1110利用模拟开关HCF4051实现8个通道输出双极性刺激脉冲。微刺激器的体积为30mm× 20mm× 6mm,质量为7.3g(包括锂电池3.8g)。用3.7V、140mAh锂电池供电,可以持续工作5h,通信距离为100m。成功的诱导鸽子左转、右转以及飞行的动作[10](图2)。
山东科技大学分别以集成收发射频芯片CC1000[11]和NRF9E5[12]研制了大鼠机器人,随后又研制了鸽子机器人[13]。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所以集成收发射频芯片CC1100研制了壁虎机器人[14],郑州大学以NRF905研制了大鼠机器人[15]。
b) ZigBee星形网络通信
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术[16]。ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上。
2010年中国科学技术大学研制出基于ZigBee星形网络通信的大鼠机器人。通过集成ZigBee射频的芯片 CC2430产生双极性脉冲,通信距离为50m。这个系统的特点是通过网络协调控制器,可以控制多个机器人[17]。
c) 蓝牙通信
蓝牙,是一种支持设备短距离通信的无线电技术, 使用全球通用的频带2.4GHz。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本计算机、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路[16]。
2007年浙江大学开发出了一个动物机器人远程控制训练系统。该系统是基于蓝牙通信,通过背包上的微处理器C8051F020产生刺激脉冲,实现4通道的双向输出或8通道的单向输出.背包体积为36mm×22m×15mm,质量为 20g,由两节3.7V、120mAh的锂电池供电能连续工作 8h,通信距离为100m[18]。
微功率短距离无线通信技术开发容易,功耗低,成本较低。蓝牙技术是一项易安装和设置、安全性高的即时技术,与微功率短距离无线通信技术相比成本较高。ZigBee与蓝牙相比更简单、速率更慢、功率及费用也更低[7]。
1.2 遥测系统
无线遥测技术在生物科学领域运用已有几十年的历史了。但是由于神经元动作电位具有发放快速,脑电的信号微弱等特点,所以传输这种信号的遥测系统需要特殊的设计。早期Skutt(1967)、McElligott(1973)、Eichenbaum(1977)、Pinlwart和Borchers(1987)等进行了无线遥测技术的改进研究,取得了一定的进展。近年来随着对信号指标的进一步要求,一系列的新型的脑神经活动遥测系统被相继开发出来[19,20,21]。
2002年,Hawley 等研制了记录自由移动老鼠的动作电位的遥测系统[22]。主要运用放大器TLV2262/TLV2264将信号放大再通过射频传输,还运用LED屏来追踪老鼠的位置。背包质量为34.9g(其中电池18.4g),电池持续工作时间超过24h,传输距离20m,如果采用螺旋状天线,传输距离可以达到200m。因神经元信号很微弱,很容易被湮灭,所以采集到的信号要经过放大处理,然后再传输。
2005年Vyssotski等研制出飞行鸽子的微型神经信号记录器[23](图3),记录神经信号和实现GPS定位,通过8通道的独立采集,利用SD卡存储和GPS定位。主要采用低噪声、低压的放大器AD8607/AD8609,10位的模数转换器PIC8LF452。神经信号记录器体积为59mm×36mm× 4mm 。神经信号记录器、GPS记录器和电池的总体积为66mm×36mm×18mm,总质量35g。此实验中记录的神经信号存储在SD卡中,没有经过远程传输,所以要求实验对象有较好的归巢能力。此记录器现在已经商品化,单价3000欧元左右。
1.3 遥控和遥测系统结合
单独的遥测或者遥控已经不能满足动物机器人研究发展的需要,研究者开始关心动物在刺激信号的作用下脑电的活性以及运动行为是否异常,这需要遥控和遥测的同时进行。将遥控和遥测集成与一体的系统是近几年才有的报道,也取得了一定的成绩。
a) 射频通信
2006年中国科学院自动化研究所宋卫国等以大鼠为研究对象,研制出一种用于自由活动动物的微型多模式遥控刺激器[24],该系统采用集成有射频功能的芯片NRF24E1,产生单极性/双极性的脉冲。微刺激器是 18mm×28mm双层线路板,质量为5g 。微刺激器用3.6V、650mAh质量为9g的锂电池供电,可以持续工作20h。记录主要是刺激(刺激脉冲:强度3.3V,单极性,脉冲持续时间: 0.4ms,频率0.1Hz)后相应的反应。
Ativanichayaphong[25]等于2008年将记录系统[22]和刺激系统[8]结合在一起用在自由移动的大鼠上,传输距离达300m,系统的体积为2.5cm×5cm×2.7cm,质量为20g(不含电池)(图4)。
b) 蓝牙通信
浙江大学研制出基于蓝牙通信的便携式脑电刺激和动物自由运动时神经元活性的记录[26]。主要包括前置放大器,背包和PDA。前置放大器主要采用高输入阻抗、高精度的放大器AD8222,体积为13mm×16mm×1.5mm,质量为3g。背包包括2个部分,其中主板体积为 36mm×22mm×3.5mm ,质量为40g ,含电池20g,主要是电流/电压刺激器和细胞活动记录的特殊回路。另一部分是蓝牙发射器,主要下载刺激的命令和上传获得的数据。主板的主要芯片是C8051F411,以及模拟转换器Max4754。背包是由2个 3.7V、120mAh聚合物电池供电,可以持续工作2h,传输距离为100m。
表1对上述各类遥控遥测系统进行了归纳和对比。
2 结语
通过以上各种动物脑电遥测遥控系统的介绍,动物脑电遥测遥控系统的研究已经取得重大的进展,但是在通信距离、刺激方式、持续供电等方面还存在进一步改进的空间。
动物机器人现有的通信方式,无论是通过射频收发芯片,蓝牙,还是ZigBee网络,距离都在几百米以内,这大大限制了动物机器人的工作范围。改进或寻找新的通信方式,使动物遥控系统通信距离可以达到几千米或不受距离的限制,是当前动物机器人研究的主要发展方向之一。如民用3G网络,现已经覆盖了很多城市,传输距离远,且3G技术正日益趋于成熟和完善。如能将3G网络应用于动物机器人,这将大大提高动物机器人应用范围。动物机器人现有的遥控系统大都采用电压刺激方式,但是电压刺激对脑运动核团的刺激强度不稳定,易受外界干扰。电流刺激可以克服这些缺点,且对动物运动诱导具有更好的重复性和更高的精度[27,28,29],但是小型化的恒流源难以实现,导致电流刺激装置难在小动物上实现。可见,实现电流刺激是当前动物机器人研究的一个发展方向。动物机器人现有的供电大都用锂电池供电,其持续工作时间最长只有24h,这大大制约了动物机器人的续航能力,另外电池的质量对小型的动物机器人也是额外的负担。目前已有研究者尝试利用动作自身的化学能来发电[30]。可见,寻求新的供电方式,提高续航能力,是当前动物机器人研究的又一发展方向。
随着生机电一体化前沿交叉学科的发展,在充分理解动物脑神经活动规律和运动行为基础之上开发的动物机器人将会具有更可靠的控制性,为人类提供了新型的机器人平台,结合传感器技术发展,一些特殊传感器,如温度传感器、气味传感器、图像传感器、位置传感器等,被研制出来,可以用于脑电遥测遥控系统完成一些特殊的用途。从而广泛的为人类服务。
摘要：动物机器人是一种新型特种机器人,其以活体动物作为机器人运动载体,无能源问题且运动能力强,但尚不能可靠控制。从脑神经网路入手研究运动神经调控机制是解决动物机器人控制问题的科学途径。自由运动活体动物的在体实验技术,包括脑电信号遥测和脑电刺激遥控,是该类研究的关键。对国内外动物脑电遥测和遥控技术的研究进展进行归纳评述,并分析其发展趋势,对未来的研究方向作出展望。
遥测遥控终端 篇6
现代卫星通信系统是通信系统的重要组成部分。在通信台站的值勤维护过程中,为确保通信正常,主要利用频谱仪对通信设备和电磁信号的工作参数进行监测以完成对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等通信指标的监控。但由于目前通信台站配备的频谱仪数量有限,价格昂贵,难以满足众多用户的操作需求以及对信息资源的共享需求和分析需求。
因此,考虑到频谱仪具有与计算机之间进行通信、实现远程监控的能力,为了更加充分地发掘现有值勤资源及配备设备的潜力,加强卫星通信网运行的自动化管理程度,迫切需要实现计算机对频谱仪的远程操控和实时读取检测数据,并具备对读取的数据进行波形回显、网络共享处理的功能,达到操作方便、显示直观、远程监控、多用户共享的目的。
目前已有解决方案多是利用通用语言或技术,如VB、VC、Java等,但在实际开发和使用过程中,多存在数据解析过程复杂、频谱图形显示效果差等问题。本文通过介绍《频谱仪遥测遥控系统》的设计过程,阐述如何使用Lab VIEW技术完成对频谱仪的软件虚拟化。
1 系统设计
1.1 总体设计
频谱仪遥控遥测平台涉及到虚拟仪器设计、网络数据库开发、多用户分时系统设计、信号处理等多种技术。工具方面需要若干PC机(分别作为服务器和客户操作终端)、GPIB接口卡(将IEEE-488接口和PC机连接起来的接口转换卡)和相应的连接网络,再加上相关的软件设置。系统配置如下,可根据实际情况,对配置进行相关改动。如图1所示:
频谱仪遥控遥测平台基于可编程仪器通用接口总线(GPIB)标准[1],依照虚拟仪器软件规范VISA[2],采用实验室虚拟仪器集成开发环境Lab VIEW进行开发。通过GPIB数据线以及计算机内安装的GPIB接口卡连接频谱仪与计算机,并传输数据。VISA库驻留在计算机系统内,是计算机与仪表的软件层连接。利用设备I/O端口的读写操作和属性控制,实现与仪表的命令与数据控制。所用控制指令均系hp8592B规范程控指令,计算机将采集到的频谱信息通过Wave Graph组件实现实时监测。本平台采用Lab VIEW服务器组件发布开发设计的虚拟操作面板为局域网内多用户提供分时操作。
1.2 模块组成
根据需求实现的功能,本软件可划分为五个相对独立的模块,如图2所示:
用户接口模块是整个软件的第一层,实现客户端的相关功能。调度控制及数据处理模块、数据采集模块和网间数据交互模块处于中间层,共同实现软件的应用逻辑。数据库模块和文件系统为软件的第三层,主要负责数据的存储。
2 系统实现
2.1 与频谱仪的软件接口
为了成功的采集到频谱仪的数据,还需要相应软件的支持。首先必须在监控工作站上安装相对应频谱仪的驱动并完成相应的硬件配置,然后利用Agilent公司的Agilent IO Libraries编写应用程序,完成相应的通信功能。
目前来说,与频谱仪的通信可以使用的接口库主要有两种,Agilent VISA(Virtual Instrument Software Architecture)和Agilent SICL(Standard Instrument Control Library)。Agilent VISA可以用于开发仪器仪表应用和仪器仪表驱动,同时它与IVI基础标准兼容[3]。Agilent SICL是Agilent提供的一个能够简便访问仪器仪表的IO库[3]。仅从针对频谱仪进行开发的效率来说,Agilent VISA高于Agilent SICL,因此在实现中选用Agilent VISA。
2.2 多用户实时频谱数据采集及显示
系统将收到的频谱数据在用户界面中的图形组件中显示出来。应用程序每收到一包数据就刷新显示一次。同时由于TRACE数据的回传信息仅提供系统ASCII码,未提供坐标及各种状态信息的回传参数(例如初始默认的参考电平值等)。为此,需要利用数组处理坐标变换的图形回显技术与其它查询指令相结合实现与频谱仪一致的波形显示。图3为系统实时显示的频谱图与频谱仪显示图的对比。
系统通过利用Lab VIEW的Data Socket和Remote Panels通信组件实现局域网内多用户的实时显示与操作。前者用于检测数据高速实时发布,是目前为止真正做到实时数据(Live Data)传输发布的技术,由于支持多进程并发而在实时性上明显优于TCP/IP、DDE等共享数据技术[4];后者支持位于远程计算机上的VI面板对频谱仪的直接操作,大大提高了用户操作的直观性。如图4所示:
同时为了使波形具有较为理想的显示效果,多个点连接所构成的曲线需要通过插值平滑后得到频谱包络。本系统使用的平滑算法有二次平滑和指数平滑。
2.3 控制指令的执行
在远程控制频谱仪的处理过程中,采用数据处理中的调度控制技术,将分离开了的各个调度分指令(通信处理模块和频谱仪一次只能处理一个分指令)在内存中使用单向链表进行存储。调度控制及数据处理模块每次提取位于链表最前端的没有完全处理的分指令提交给数据采集模块;如果链表中的所有元素都被遍历,则从头开始重新遍历;如果链表中的所有分指令都被完成,则标志着通信调度模块此时工作完成。如图5所示:
每次分指令的完成(或部分完成)都将得到频谱数据,实时频谱数据由控制调度及数据处理模块直接提交给用户接口模块。这里以频率设置为例,给出Lab VIEW中的具体实现。
频率的设置可以选择设置中心测量频率(Center Frequency)和扫频测量范围(Frequency Span);或设置起始频率(Start Frequency)和截止频率(Stop Frequency)。两种设置方法的关系如下:
Start Frequency=Center Frequency–Frequency Span/2
Stop Frequency=Center Frequency+Frequency Span/2
图6为程序片段:
2.4 远程数据库的访问
系统支持对历史频谱数据进行回显。用户接口模块根据用户的要求回显指定历史时间的频谱,读取相应的数据库记录或数据文件,根据读取的数据显示相应的频谱。局域网内用户需要访问远程数据库来实现历史数据的查询回显。平台中需要支持多个用户并发访问数据库(多个客户端和服务端)、同时数据存储数据量大(假设最快0.5秒钟存储一次频谱数据,每次存储401个点,每个点占用2个字节)。每条记录按照1.5K字节估算,则存储频谱数据1个月最大需要30×24×60×60×2×1.5=7776M空间。存储6个月约需要大约50G数据库空间)。针对这一问题的解决方案包括:1)采用NI公司开发的数据库访问软件包实现对远程数据库访问,但该软件包需要单独购买,价格昂贵。2)基于RDS与ADO技术构建数据库服务器,技术复杂与开发平台兼容性差。3)通过Web控件实现访问页模式下的数据库访问,其实时性难以满足,并且要结合其它语言例如Java Script或VBscript等。综合考虑技术复杂性与需求后,决定采用在Lab VIEW中以访问共享文件或网络驱动器中的远程数据库方式实现远程访问,因其简单健壮、经济而具有较高的实际意义。
3 结论
《频谱仪遥控遥测系统》利用Lab VIEW的仪表虚拟化技术,实现了频谱仪多用户操作及信息管理的网络化,频谱仪的远程实时控制以及资源搭配合理化,挖掘了频谱仪这类稀缺资源的利用价值,提高了卫星通信网的监测管理水平和自动化程度,具有较高的实用价值。
参考文献
[1]梅杓春,王勇.《现代电信仪表原理与应用》.北京:人民邮电出版社1998
[2]张毅,周绍磊,杨秀霞.《虚拟仪器技术分析与应用》.北京:机械工业出版社2004
[3]杨乐平,李海涛,杨磊.《LabVIEW高级程序设计》.北京:电子工业出版社2005
遥测遥控终端 篇7
遥控遥测系统的拉距实验是对遥控遥测系统的作用距离指标进行测试的一种实验。通过把发射机与接收机拉开一定的距离,对发射机发出的信号,或者对接收机接收到的信号进行衰减,衰减至接收机接收到的数据出现一定的误码。根据此时的衰减量,通过公式R=r·10(L1/20)可以算出系统的作用距离。其中R是作用距离,r是实际测试时拉开的距离,L1是衰减量。
以往的检测方式,包括GJB 2922-97《无人侦察机测控系统通用规范》都认为衰减器可以加在发射端也可以加在接收端,但在工程实际中,发现衰减器加在接收端时对信号的衰减比加在发射端时大。经分析发现,衰减器加在接收端会增加接收机的入口噪声。
1 拉距实验原理
遥控遥测系统中,基本的通信方程包括收发双方的设备性能、电磁波传播路径的影响和通信需求。基本的通信方程为[2]:
式中:Pr为接收机前端LNA输入接收到的信号功率;Pt为发射机功放末端输出的信号功率;Ltc为由发射机至发射天线端口之间的电缆引起的损耗;Gt为发射天线增益;Ltp为发射天线指向损耗;Ls为电磁波在空间传播的路径损耗;La为电磁波穿过地球大气层的大气损耗;Lp为发射天线和接收天线之间电波极化不匹配引起的极化损耗;Lrp为接收天线指向损耗;Gr为接收天线增益;Lrc为接收天线至接收机之间的馈线损耗;Sf为系统设计时预留的安全裕量。
通信系统和上述参数的模型可用图1表示。天线以及馈线的噪声用等效噪声温度Te来表示。
电磁波在自由空间传播的路径损耗[4]为:
式中:f是电磁波的频率;r是传输距离。如果把发射机和接收机拉开一小段距离r,并在发射机和天线之间加衰减器,增加衰减器的衰减量直到接收机接收到的信号出现一定的误码。此时的衰减值为L1,那么:
可得:
这就是系统的作用距离。从式(2)来看,衰减器无论加在发射端还是接收端都是一样的。但是,实际的拉距实验中得出的结果并不是这样。
2 接收机入口端的噪声[3]
接收机入口端的噪声N=KTeBn,其中,K为玻尔兹曼常数,Bn为等效噪声带宽。取决于信号的传输速率和调制方式,求出Te即可计算出噪声功率或噪声功率谱密度KTe。
Te由两部分组成,即:
所以:
式中:Ta为天线噪声温度;Lrc为接收机和天线之间的馈线损耗;T0为环境温度。
图2给出了天线噪声温度与频率及指向角关系的典型曲线[1]。图2(a)是频率低于100MHz的情况,图2(b)是频率高于100MHz的情况。
式(3)对Lrc求导得:
T0=290K为常温。由图2可知Ta
在接收端加衰减器相当于增大Lrc。这样,就增大了接收机前端的等效噪声温度,也就增加了接收机前端的入口噪声。
3 加衰减时的理论分析
3.1 衰减器加在发射机与发射天线之间
如果在发射机与发射天线之间加衰减器,衰减量为L1,那么接收机入口的信号功率Pr1为:
入口噪声为:
3.2 衰减器加在接收机与接收天线之间
如果在接收天线与接收机之间加衰减器,衰减量为L2,那么接收机入口的信号功率Pr2为:
入口噪声为:
3.3 相同信噪比下L1与L2之间的关系
在保证两种接法在接收机入口端具有相同信噪比的情况下,可以建立等式:
则:
两种接法中,Pt、Gt、Gr、Ltc、Ltp、Ls、La、Lp、Lrp、Lrc、Sf、K、Bn都相等。所以:
所以:
可得:
这就是L2与L1的关系,由此可知L2与L1并不相等。也就是说发射端加衰减器与接收端加衰减器并不一样。
4 拉距实验
下面对无人机的机载设备和地面设备进行拉距实验,分别在发射端和接收端加衰减器,记录两次衰减器的值,并和式(6)计算的结果相比较。
4.1 试验方法与步骤
将设备设在距离为r的两个位置上,r>5km,尽量消除发射天线进场效果对接收机的影响。这两个位置之间要求无线电通视。且为了减少多径干扰,机载设备的位置相对于地面设备的位置,其俯仰角应保证在2°～12°之间,使得发射天线主瓣方向对准接收天线。利用频谱仪测周围的电磁干扰,要求电磁干扰较小。机载设备与地面设备之间采用无线连接方式。机载设备只发射遥测信号,地面设备只接收遥测信号。这时,机载设备是一个发射系统,地面设备是一个接收系统。利用手持GPS测得机载设备和地面设备之间的距离。如图3和图4所示,连接设备,并把衰减器的值调为零。设备连好后,系统加电,建立链路。机载设备发送遥测数据并用地面上的误码率测试机测量误码率。然后对发射端加衰减(如图3所示),不断加大衰减,直到测得的误码率不为零。记下误码率的值和衰减值,此衰减值记为L1。然后系统断电,发射端衰减调为零,系统加电,建立链路,不断加大接收端的衰减(如图4所示),直到测得的误码率和前一个误码率相等。然后记下此时的衰减值,此衰减值记为L2。
4.2 实验结果
实验中,实际可测得接收端的线缆损耗Lrc为2dB,由于信号的发射频率为1.8GHz,由图2(b)可得,Ta取10K。T0为环境温度,取290K。把L1、Lrc、Ta、T0带入式(6)即可算出L2。
表1为拉距实验的结果和根据式(6)计算得到的结果的对比,实际测量的L2约等于计算所得的L2。这也证实了衰减器加在接收端会增加接收机入口噪声的结论是正确的。
5 结束语
本文分析了衰减器对遥控遥测系统接收机前端噪声的影响,实验结果表明,在遥控遥测系统的拉距实验中,在接收端加衰减器会增加接收机的入口噪声,从而影响实验结果。所以建议在拉距实验中,衰减器只接在发射端。
摘要：无人机遥控遥测系统的拉距实验是对系统作用距离进行外场测试的一种实验,该实验对信号进行衰减,然后换算成距离。在无人机遥控遥测系统拉距实验中,笔者发现,衰减量相同的衰减器加在发射端时和加在接收端时,对信号的衰减程度不一样。为了使拉距实验更加科学准确,笔者从接收端入口噪声温度的角度分析了衰减程度不一样的原因,并且通过拉距实验进行了验证。理论分析和实验结果证明:在接收端加衰减会增大接收机的入口噪声。因此,拉距实验中衰减器最好只加在发射端。
关键词：遥控遥测,衰减器,作用距离
参考文献
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