李 徽, 何 淵, 黎定君, 李海蘭

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

LM1893芯片在感應(yīng)無(wú)線技術(shù)中調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用

李 徽, 何 淵, 黎定君, 李海蘭

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

研究了LM1893芯片在感應(yīng)無(wú)線技術(shù)中的應(yīng)用, 主要討論其在感應(yīng)無(wú)線技術(shù)中信號(hào)傳遞過程中的調(diào)制解調(diào),開發(fā)出一款滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的調(diào)制解調(diào)器. 該調(diào)制解調(diào)器具有靈敏度高、抗干擾力強(qiáng)、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)無(wú)線技術(shù)中數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的地上局與車上局之間的數(shù)據(jù)安全及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸.

感應(yīng)無(wú)線技術(shù); 調(diào)制解調(diào); 編碼扁平電纜; 有源濾波

Abstract:This paper researched the LM1893 chip in the wireless sensor technology applications focused on wireless sensor technology in signal transduction in the process of modulation and demodulation, has developed a modem to meet the industrial field applications. The modem has a high sensitivity, strong anti-interference, the advantages of low cost, while achieving a sensor wireless technology data communications systems on the ground between the Bureau and the Bureau of the car timely and accurate transmission of data security.

Key words:induction wireless technology; modem; encoding flat cable; active filter

1 感應(yīng)無(wú)線技術(shù)的介紹

感應(yīng)無(wú)線技術(shù)是20世紀(jì)七十年代末80年代初在日本開始興起一項(xiàng)新的工業(yè)應(yīng)用技術(shù), 主要針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)上大型多動(dòng)機(jī)車的自動(dòng)化方面而研制. 感應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)是一種新型的通信方式, 它既不同于有線通信, 又有別于無(wú)線通信技術(shù). 該技術(shù)免除了因有線通信拖帶通信電纜而帶來使用不便, 同時(shí)又不用擔(dān)心無(wú)線通信由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣而造成誤碼率高和數(shù)據(jù)失真. 該技術(shù)利用鋪設(shè)在地面的編碼扁平電纜交叉對(duì)線與安裝在移動(dòng)機(jī)車上的天線電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)通信傳輸, 利用編碼扁平電纜中對(duì)線的個(gè)數(shù)及在對(duì)線上的編碼來得到精確的地址(精度可以達(dá)到5mm). 該技術(shù)成功的解決工業(yè)移動(dòng)機(jī)車實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中管理控制的兩大難題: 中央控制室與移動(dòng)機(jī)車間可靠的數(shù)據(jù)通信, 移動(dòng)機(jī)車所在位置檢測(cè).基于感應(yīng)無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn),使得其在焦?fàn)t機(jī)車自動(dòng)行走、磁懸浮列車、計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)等中得到廣泛應(yīng)用. 以焦?fàn)t機(jī)車自動(dòng)行走連鎖控制系統(tǒng)為例: 其硬件結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[1].

圖1 用于焦?fàn)t機(jī)車自動(dòng)行走連鎖控制系統(tǒng)感應(yīng)無(wú)線系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信鏈路組成框圖

可以看出該技術(shù)的車上局和地上局的通信是由感應(yīng)無(wú)線編碼扁平電纜和天線來實(shí)現(xiàn)的, 信息送至感應(yīng)無(wú)線編碼扁平電纜和天線都是調(diào)制信號(hào), 而送至可編程控制器(PLC)的信號(hào)都是編碼指令, 需要對(duì)指令進(jìn)行解調(diào). 采用高性能的LM1893芯片為核心的調(diào)制解調(diào)器比第一代感應(yīng)無(wú)線技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì).

2 LM1893的介紹

LM1893芯片是由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的專用電力載波通信的高性能芯片, 該芯片價(jià)格低廉, 使用方便, 精度高, 可靠性好. 它集成收發(fā)和接送數(shù)據(jù)的全部功能, 可實(shí)現(xiàn)任意編碼方式的數(shù)字序列半雙工通信, 只需與控制器及一些外圍元件便可構(gòu)成完整的電力線載波系統(tǒng). 采用 FSK抗噪聲調(diào)制技術(shù), 可選擇噪聲濾波的脈沖發(fā)生器, 數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)4.8kB, 采用正弦波載頻可降低射頻干擾, 射頻功率可增強(qiáng)10倍, 載波頻率可在50～300kHz之間選擇[2].

LM1893分為發(fā)送和接受兩部分, 數(shù)據(jù)的發(fā)送部分由FSK調(diào)制器、電流控制振蕩器、正弦波發(fā)生器、輸出放大器及自動(dòng)電平控制電路(ALC)構(gòu)成. 接受部分由限幅放大器、鎖相環(huán)信號(hào)解調(diào)器、低通濾波器、直流消除電路及噪聲濾波電路構(gòu)成. 電路的發(fā)送與接收工作狀態(tài)由芯片引腳TX/RX控制切換.

當(dāng)5號(hào)引腳為高電平時(shí), LM1893工作于發(fā)送模式下, 要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入芯片內(nèi)的FSK調(diào)制器, 產(chǎn)生開關(guān)控制電流, 驅(qū)動(dòng)電流控制振蕩器產(chǎn)生±2.2%頻偏的三角波, 三角波經(jīng)過正弦波發(fā)生器形成已調(diào)正弦波信號(hào), 經(jīng)由輸出放大器驅(qū)動(dòng)后輸出到線路耦合電路, 再發(fā)送到電力線上. 電力線路上的負(fù)載情況復(fù)雜, 當(dāng)某種原因促使輸出幅度超過額定電平時(shí), ALC電路能夠有效地控制輸出放大器的輸出幅度, 使其輸出電平保持在穩(wěn)定范圍之內(nèi).

當(dāng)5號(hào)引腳為低電平時(shí), LM1893工作處于接受模式, 經(jīng)耦合電路送來的已調(diào)載波信號(hào)送入芯片的I/O端口, 由平衡限幅器放大, 取出信號(hào)中的直流分量并對(duì)耦合進(jìn)來的工頻信號(hào)衰減, 送入差分鎖相環(huán)路, 解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào). 其中包含有載波的高次諧波、噪音及直流分量, 經(jīng)三級(jí)RC濾波后取出其中的高頻分量, 再經(jīng)直流消除電路除去信號(hào)中的直流分量, 送入比較器整形, 經(jīng)脈沖噪聲濾波電路濾除脈沖噪聲干擾, 從數(shù)據(jù)輸出端輸出解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號(hào).

3 LM1839在調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用和調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)

由圖1所示, 移動(dòng)機(jī)車和地面編碼扁平電纜之間信號(hào)的傳輸是由電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn), 而其中信號(hào)的調(diào)制解調(diào)需要一個(gè)調(diào)制解調(diào)器來實(shí)現(xiàn), 基于電力載波通信芯片LM1839的調(diào)制解調(diào)器具有靈敏度高、抗干擾力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).

3.1 系統(tǒng)信號(hào)傳送鏈路及信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理

圖1為數(shù)據(jù)通信鏈路的原理圖, 圖中上部箭頭為生產(chǎn)作業(yè)指令(計(jì)劃指令)的信號(hào)流向, 下部箭頭為生產(chǎn)工礦信息的信號(hào)流向. 虛線則表示感應(yīng)無(wú)線編碼扁平電纜與天線之間通過近距離的感應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳遞.

計(jì)劃指令由PC發(fā)出后, 經(jīng)由實(shí)時(shí)控制中心對(duì)計(jì)劃指令做出處理后形成壓縮編碼指令, 通過通信模塊CP送到地上局, 地上局的調(diào)制解調(diào)器(IR-MODEM)(主要由LM1839芯片和外設(shè)電路構(gòu)成)將壓縮編碼指令調(diào)制放大后, 由感應(yīng)無(wú)線扁平電纜發(fā)出去. 而這個(gè)調(diào)制技術(shù)采用的是頻率調(diào)制(FM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的, 由于本場(chǎng)合的數(shù)據(jù)傳送屬于低中速數(shù)據(jù)傳輸, 同時(shí)屬于衰減的傳輸信道, 故采用FSK技術(shù). 系統(tǒng)要求信號(hào)傳輸?shù)倪^程中要有穩(wěn)定性, 同時(shí)適合現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境, 也要求其頻譜特性和功率頻譜密度便于分析解釋, 故采用相位不連續(xù)FSK信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制. 近距離感應(yīng)的編碼扁平電纜將信號(hào)傳給采用了差分技術(shù)的雙天線(這樣做可以將外界的各種干擾差分消除掉), 天線得到弱信號(hào)送至機(jī)上局的IR-MODEM, 將信號(hào)解調(diào), 解調(diào)后即還原為壓縮編碼指令, 再經(jīng)車上PLC解釋后形成相關(guān)的操作操控指令, 由IO單元輸出信號(hào)控制所需控制各子系統(tǒng)(子系統(tǒng)包括機(jī)車的作業(yè), 車上顯示屏顯示信息, 語(yǔ)音信息等).

同理, 各作業(yè)機(jī)車的工況信息按照?qǐng)D中下部的箭頭方向最終上傳到計(jì)劃記錄機(jī), 形成生產(chǎn)記錄, 同時(shí)傳送給實(shí)時(shí)動(dòng)畫機(jī)完成實(shí)時(shí)工況動(dòng)態(tài)顯示[3].

3.2 LM1839芯片用于IR-MODEM的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括地上IR-MODEM和車上IR-MODEM.

3.2.1 LM1893應(yīng)于解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

LM1893調(diào)解電路信號(hào)由9號(hào)引腳輸入, 以及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成片內(nèi)的信號(hào)限幅、帶通濾波、自動(dòng)控制信號(hào)相位同步的PLL鎖相環(huán)路的調(diào)制小輸出差成比例信號(hào)的鑒相等, 輸出片內(nèi)解調(diào)信號(hào),其片內(nèi)具體流程內(nèi)容如圖2所示.

3.2.2 LM1893應(yīng)于調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)

經(jīng)過MODEM其他電路處理的信號(hào)傳入LM1893. LM1893和相應(yīng)的外設(shè)件構(gòu)成信號(hào)的調(diào)制片內(nèi), 片內(nèi)的功能主要由片內(nèi)的MOD功能塊產(chǎn)生控制電流信號(hào), 再由電流信號(hào)控制振蕩器模塊(ICO)產(chǎn)生工作頻率, ICO輸出的信號(hào)經(jīng)正弦波發(fā)生電路控制載波頻率, 載波正弦波信號(hào)經(jīng)自動(dòng)電平控制(ALC)和片內(nèi)的功率放大模塊后輸出片內(nèi)調(diào)制信號(hào). 其具體的片內(nèi)流程如圖2所示[4].

圖2 LM1893片內(nèi)調(diào)制解調(diào)流程圖

圖3 調(diào)制解調(diào)器的流程模塊框圖

3.3 調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)和相關(guān)器件的選用

調(diào)制解調(diào)器的流程模塊框圖如圖3所示.

3.3.1解調(diào)器的設(shè)計(jì)和相關(guān)器件的選用

解調(diào)器車上局和地上局的信號(hào)輸入是不同的, 車上局解調(diào)器有一個(gè)載波信號(hào)輸入, 信號(hào)輸入經(jīng)隔直濾波后兩級(jí)放大, 放大所采用的運(yùn)算器為NE5532. NE5532是高性能低噪聲運(yùn)放, 它具有較好的噪聲性能,優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)與電源帶寬. 是DIP8腳雙運(yùn)放, 電壓適應(yīng)范圍寬. 選用其對(duì)降低整個(gè)IR-MODEM的噪音十分有益, 同時(shí)適合天線傳輸來的微弱信號(hào)的運(yùn)算放大. 限幅在-0.7V至+0.7間,限幅采用二極管構(gòu)成的電路限幅. 地上局則有兩個(gè)載波信號(hào)輸入, 由于感應(yīng)無(wú)線技術(shù)中的感應(yīng)電纜為交叉對(duì)線, 可以抑制噪音, 同時(shí)也可以獲得位置檢測(cè)數(shù)據(jù), 無(wú)線部分采用的則是差分技術(shù)的雙天線感應(yīng)技術(shù)[5], 消除了信道死區(qū)和干擾信號(hào), 故調(diào)制器有兩個(gè)載波信號(hào)的輸入. 經(jīng)過與車上局相同的濾波放大,其中的一路信號(hào)需移相, 再用加法電路使兩路信號(hào)成為一路信號(hào), 信號(hào)經(jīng)三極管限幅后, 車上局與地上局的信號(hào)流鏈完全相同. 由于LM1893只可實(shí)現(xiàn)半雙工的通信, 所以傳來的信號(hào)要在前面的信號(hào)處理完畢再接受, 選用模擬開關(guān)CD4051來控制, CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān), 開關(guān)接通哪一路通道, 由輸入的3位地址碼ABC來決定, INH為禁止端, Vcc為電源端. 當(dāng)RxEN為低電平時(shí), I/O與COM I/O接通.CD4051模擬開關(guān)發(fā)出的信號(hào)經(jīng)濾波放大限幅后分為兩路傳輸, 其中濾波包括有源濾波和帶通濾波兩部分,帶通濾波器選用BPF-1帶通濾波器.

由于一階濾波器的濾波效果不夠好, 無(wú)法滿足IR-MODEM的衰減要求, 故采用高階有源濾波放大電路.[6]此處RC高通濾波放大電路選用的運(yùn)算放大器是LM218, LM218運(yùn)算放大器是高精密運(yùn)算放大器, 可以保證信號(hào)的準(zhǔn)確度和整個(gè)IR- MODEM的可靠度. 信號(hào)經(jīng)過兩次濾波放大限幅后, 一路送入LM1893片內(nèi)進(jìn)行信號(hào)處理, 其具體過程如圖3所示. 另一路信號(hào)輸入仍以LM218運(yùn)算放大器組成的增益可調(diào)的一階有源高通放大整流載波電路, LM218的3號(hào)引腳的信號(hào)處于狀態(tài)決定信號(hào)是否送入由比較器LM211所構(gòu)成的比較電路. 當(dāng)LM211的3號(hào)引腳信號(hào)為正半部分時(shí), D3導(dǎo)通D4截止, 信號(hào)送入比較器LM211的2號(hào)引腳, 當(dāng)U1的3號(hào)引腳上的信號(hào)為負(fù)半部分時(shí), D4導(dǎo)通D3截止, 信號(hào)送不過去, 送過去的信號(hào)與Vcc/2比較, 若大于, 則輸出“1”, 打與非門送出解調(diào)信號(hào), 若小于, 則輸出“0”, 封鎖與非門.

3.3.2 調(diào)制器的設(shè)計(jì)和相關(guān)器件的選用

送入地上的調(diào)制器的信號(hào)是由PLC發(fā)出來的, 信號(hào)送入由光電耦合器和隔離數(shù)據(jù)器及相應(yīng)的邏輯電路所構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn), 輸入的RS-232電平首先通過電平轉(zhuǎn)換成TTL電平. 隔離數(shù)據(jù)接收器選用ADM202E, ADM202E具有兩個(gè)發(fā)送器和兩個(gè)接收器, 是串行收發(fā)驅(qū)動(dòng)器芯片, 內(nèi)部由電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路組成, 僅需要單電源供電就可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換, 外圍電路簡(jiǎn)單, 使用方便. 光電耦合器選用DLP521—2, 可以增加系統(tǒng)電路的安全性, 減小電路的干擾, 同時(shí)也可以減少電路設(shè)計(jì). 車上調(diào)制器具有兩個(gè)信號(hào)輸入, 由ADM202E和SN7516以及相應(yīng)的電路和器件構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路. 經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后的信號(hào), 需要控制其送入片內(nèi)調(diào)制的先后順序, 控制電路地上局選用CD4051八選一模擬開關(guān)構(gòu)成的電路, 而車上局卻用三極管控制電路. 片內(nèi)調(diào)制后的信號(hào)是微弱信號(hào), 無(wú)法發(fā)射和接收, 只有經(jīng)過放大后才可以. 由于車上局和地上局的輸出結(jié)構(gòu)是不同的, 故車上局和地上局的放大電路是不同的, 地上局的放大電路是一個(gè)并聯(lián)放大電路, 放大電路選用的運(yùn)算器為L(zhǎng)M218.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明: 該IR-MODEM能夠很好的完成信號(hào)的調(diào)制解調(diào), 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸, 同時(shí)具有成本低廉噪音低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定且適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn). 具有很好的實(shí)用價(jià)值,在感應(yīng)無(wú)線系統(tǒng)中有很好的推廣前景. 但由于受多種因素的約束, 信號(hào)傳遞速率較小的缺陷有待進(jìn)一步改進(jìn).

[1] 李 徽, 聶礎(chǔ)輝. 基于感應(yīng)無(wú)線技術(shù)的焦?fàn)t機(jī)車聯(lián)鎖及爐號(hào)識(shí)別系統(tǒng)[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2006(5): 6～10

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LM1893 Chips in the Wireless Sensor Technology Modem Applications

LI Hui, HE Yuan, LI Ding-jun, LI Hai-lan
(College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

TP271

A

1672-5298(2010)01-0065-04

2009-09-26

科技部創(chuàng)新基金項(xiàng)目(08C26214301129)

李 徽(1963- ), 男, 湖南岳陽(yáng)人, 湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院教授. 主要研究方向: 自動(dòng)控制工程, 感應(yīng)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用