1 Pengenalan
Dalam automasi industri, kaedah komunikasi berwayar untuk penghantaran data antara kenderaan mudah alih dan bilik kawalan pusat menyusahkan kerana keperluan untuk menyeret kabel komunikasi; kaedah komunikasi tanpa wayar, sebaliknya, mengalami kadar ralat yang tinggi disebabkan oleh keadaan persekitaran industri yang keras. Komunikasi data wayarles berasaskan aruhan-(Transmisi Data oleh Radio Aruhan) menggunakan aruhan elektromagnet antara kabel berkod (juga dikenali sebagai bas aruhan) dan antena aruhan untuk bertukar maklumat. Oleh kerana julat komunikasi wayarles terhad kepada 5–20 cm, kaedah ini memastikan kedua-dua fleksibiliti pergerakan lokomotif dan kebolehpercayaan kualiti komunikasi, di samping membolehkan-penjejakan masa sebenar kedudukan lokomotif bergerak semasa komunikasi.
Peralatan elektrik dalam tetapan industri, terutamanya peranti kawalan kelajuan frekuensi -pembolehubah pada lokomotif bergerak, boleh menjana harmonik yang kuat yang sama atau serupa dengan frekuensi pembawa komunikasi data tanpa wayar induktif. Gangguan frekuensi bersama-ini tidak boleh dilemahkan oleh penapis laluan jalur. Jika langkah berkesan tidak diambil pada input untuk menyekatnya, kadar ralat komunikasi data wayarles induktif akan meningkat dengan ketara, yang berpotensi menyebabkan sistem tidak boleh beroperasi. Pengubahsuaian sistem elektrik ketuhar kok Fasa I di Baosteel menggunakan peralatan yang diimport dari Jepun. Dalam operasi sebenar, "gangguan yang kerap dalam komunikasi busbar aruhan telah diperhatikan, dengan analisis mengaitkan punca kepada gangguan kuat rawak dan herotan pengesanan antena." Akibatnya, dalam beberapa aplikasi praktikal, teknologi wayarles induktif telah ditinggalkan untuk komunikasi data, dengan hanya teknologi pengesanan kedudukan wayarles induktif yang diterima pakai.
Untuk menyekat gangguan dalam komunikasi data tanpa wayar induktif, pakar dan sarjana dalam bidang telah menjalankan penyelidikan yang meluas. Satu kajian mencadangkan konfigurasi antena penerima pembezaan wayarles induktif, manakala satu lagi mencadangkan kaedah menggunakan antena penerima dwi dengan talian penghantaran tunggal. "talian penghantaran dwi bersilang dengan antena penerima tunggal pada jarak yang sama"-teknik penindasan gangguan saluran bersama untuk komunikasi data wayarles induktif yang dibentangkan dalam kertas kerja ini boleh menyekat bunyi gangguan bersama-saluran, meningkatkan isyarat-kepada-nisbah bunyi dan sesuai untuk pengesanan kedudukan berasaskan tanah{{6}.}
2 Prinsip Asas Komunikasi Data Wayarles Induktif
Untuk menganalisis prinsip yang menggunakan-teknologi penindasan gangguan saluran bersama meningkatkan isyarat-ke-nisbah hingar dalam komunikasi data wayarles induktif, kami mula-mula menyediakan analisis ringkas dan pengenalan kepada prinsip asas komunikasi data wayarles induktif.
2.1 Kabel Berkod dan Antena Induktif
Kabel yang dikodkan berbentuk rata dan mengandungi beberapa pasang talian penghantaran yang bersilang pada titik tertentu mengikut skema pengekodan yang ditetapkan. Kabel yang dikodkan dipasang di sepanjang trek lokomotif mudah alih, dengan satu hujung disambungkan ke bilik kawalan pusat.
Antena aruhan terdiri daripada dua set gegelung-satu berfungsi sebagai antena pemancar dan satu lagi sebagai antena penerima-dibungkus dalam kotak plastik, biasanya dirujuk sebagai kotak antena. Kotak antena dipasang pada lokomotif bergerak dan disambungkan ke kabinet kawalan lokomotif. Kotak antena bergerak dengan lokomotif dan mengekalkan jarak 5–20 cm dari kabel berkod pada setiap masa. Lihat Rajah 1.
Apabila kotak antena diletakkan berhampiran dengan kabel yang dikodkan, setiap pasangan talian penghantaran dalam kabel yang dikodkan mendorong tindak balas dalam gegelung dalam kotak antena, dengan itu mewujudkan saluran komunikasi wayarles jarak pendek-antara kotak antena dan kabel yang dikodkan.
2.2 Analisis Amplitud dan Fasa Isyarat Teraruh
Rajah 2 menunjukkan gambarajah skema talian penghantaran L diletakkan rata bersama gegelung antena. Dalam Rajah 2, lebar antena dan jarak antara dua talian penghantaran yang bersilang dalam kabel yang dikodkan adalah sama dengan W, di mana W=2r.
Definisi: Titik tengah gegelung antena ditakrifkan sebagai kedudukan gegelung antena; rantau antara dua persimpangan talian penghantaran L dirujuk sebagai rantau K talian penghantaran L (K=I, II, III, …), dan jarak d mewakili sisihan kedudukan gegelung antena x dari garis tengah kawasan K yang sepadan.
Menggunakan gegelung antena sebagai gegelung pemancar, kami menganalisis daya gerak elektrik teraruh yang dijana dalam talian penghantaran komunikasi. Menurut teori aruhan elektromagnet, apabila arus i=Imsinωt mengalir melalui gegelung antena, emf e teraruh dalam talian penghantaran ialah e=di/dt. Di sini, pekali aruhan bersama M ialah fungsi kedudukan gegelung antena (x, y, z). Dengan mengandaikan bahawa y dan z kekal malar apabila gegelung antena bergerak di sepanjang arah x-, maka:
e=f(x)ωImcosωt
Oleh kerana terdapat persimpangan, emf eI teraruh yang dijana di rantau I talian penghantaran adalah di luar fasa dengan emf eII teraruh dijana di rantau II. Jika kita mengambil fasa eI sebagai rujukan, biarlah
Apabila n genap, emf e teraruh dalam talian penghantaran adalah sefasa dengan eI; apabila n adalah ganjil, e berada di luar fasa dengan eI, dan pekali fasa ialah (–1)n.
Apabila jarak z antara gegelung pemancar dan kabel yang dikodkan adalah kecil, garisan fluks magnet yang dihasilkan oleh gegelung pemancar boleh dianggarkan sebagai diagihkan secara seragam di sepanjang arah x-dan melepasi secara berserenjang melalui talian penghantaran. Oleh itu, magnitud A daya gerak elektrik teraruh e yang dijana dalam talian penghantaran adalah berkadar dengan luas aruhan berkesan talian penghantaran. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, apabila gegelung antena berada pada kedudukan 1 (d=0), kawasan aruhan berkesan S=W × B berada pada tahap maksimum, dan A=Amax. Pada kedudukan d=r gegelung antena 3, kawasan aruhan berkesan S=0, dan A=0. Pada kedudukan gegelung antena 2, kawasan aruhan berkesan S=(W – 2d) × B. Kami memperoleh:
Sebaliknya, jika arus dialirkan melalui talian penghantaran komunikasi dan gegelung antena digunakan sebagai gegelung penerima, Persamaan (1) hingga (3) masih berlaku berdasarkan prinsip kearuhan bersama.
3 Teknik Penindasan Bunyi Gangguan
Untuk menyekat gangguan, terutamanya bunyi gangguan bersama-saluran, pendekatan yang paling berkesan ialah menghalang bunyi gangguan daripada memasuki hujung penerima. Oleh itu, falsafah reka bentuk adalah seperti berikut: dengan melaksanakan reka bentuk yang munasabah untuk hujung penerima di dalam bilik kawalan-talian penghantaran komunikasi kabel yang dikodkan-dan hujung penerima pada kenderaan-antena penerima-bunyi gangguan dilemahkan, sementara isyarat komunikasi dilemahkan, tidak dilemahkan sedikit sebanyak mungkin, tidak dilemahkan sama sekali mencapai matlamat untuk menambah baik isyarat-kepada-nisbah bunyi.
3.1 Reka Bentuk Dua Talian Penghantaran Melintasi Antena Penerima Tunggal pada Jarak Sama
Dalam "reka bentuk dua talian penghantaran melintasi antena penerima tunggal pada jarak yang sama," dua pasang talian penghantaran komunikasi bersilang, L0 dan L1, disusun dalam kabel yang dikodkan. Antena pemancar tunggal dan antena penerima tunggal digunakan; antena penerima dibentuk oleh konduktor penggulungan dalam corak bersilang ke atas berbilang lilitan, dan oleh itu boleh dianggap sebagai terdiri daripada gegelung penerima 1 dan gegelung penerima 2. Jarak antara talian penghantaran bersilang, jarak antara antena penerima bersilang, dan lebar gegelung pemancar semuanya adalah W. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.
Rajah 3(a) menunjukkan struktur sebenar dan gambar rajah skema bagi operasi itu. Rajah 3(b) ialah gambarajah skematik yang dipermudahkan bagi talian penghantaran L0 dan L1, antena pemancar, dan antena penerima, dibentangkan rata untuk memudahkan analisis; dalam aplikasi sebenar, W=20 cm.
3.2 Analisis Penindasan Gangguan Talian Penghantaran
Apabila arus isyarat dikenakan pada antena pemancar pada lokomotif, pusat kawalan menerima isyarat melalui talian penghantaran komunikasi. Untuk menyekat hingar gangguan, talian penghantaran L0 bersilang pada selang masa tetap W. Dari jauh, ini kelihatan sebagai kabel pasangan-terpintal, memberikan penindasan hingar gangguan antara beberapa dB hingga 30 dB, dengan purata sebanyak 15 dB.
Bagi isyarat komunikasi, menurut Persamaan (3), amplitud AL0 isyarat teraruh pada talian penghantaran komunikasi L0 ialah fungsi kedudukan antena x. Apabila pusat gegelung pemancar diselaraskan dengan mana-mana titik persilangan pada L0, AL0=0, menghasilkan zon mati saluran. Untuk mengelakkan keadaan ini, sepasang talian penghantaran komunikasi tambahan, L1, disusun dalam kabel pengekodan, dengan titik persilangannya diimbangi daripada L0, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Biarkan d0 dan d1 mewakili jarak di mana kedudukan x gegelung pemancar diimbangi daripada garis tengah talian penghantaran L0 dan L1, masing-masing; kemudian, r=d0 + d1. Biarkan eL0 mewakili isyarat yang disebabkan oleh talian penghantaran L0, dan eL1 mewakili isyarat yang disebabkan oleh talian penghantaran L1. Dalam peralatan elektronik bilik kawalan, isyarat e'L1-yang eL1 dianjak sebanyak 90 darjah -dijumlahkan dengan eL0 untuk mendapatkan isyarat komposit e. Menurut Persamaan (2), kita mempunyai:
Pada ketika ini, antena pemancar berada dalam kedudukan yang paling teruk. Rajah vektor bagi e ditunjukkan dalam Rajah 4.
Analisis di atas menunjukkan bahawa penerima baris-transmisi-bersilang yang ditunjukkan dalam Rajah 3 sangat berkesan untuk menahan hingar gangguan. Untuk isyarat komunikasi, terdapat pengecilan 3 dB apabila antena pemancar berada dalam keadaan-terburuk.
3.3 Analisis Penindasan Gangguan oleh Antena Penerima
Untuk hingar gangguan, antena penerima tradisional terdiri daripada gegelung tunggal tanpa-gandingan silang dan kekurangan rintangan gangguan. Antena penerima yang ditunjukkan dalam Rajah 3, bagaimanapun, mempunyai ciri-ciri gegelung penerima 1 dan 2 yang bersilang. Semasa operasi di lapangan, bunyi gangguan kuasa elektromotif eN1 dan eN2 teraruh dalam dua gegelung berada di luar fasa. Jika gelombang elektromagnet hingar diagihkan secara seragam dalam kawasan kecil 2W di sepanjang arah x-antenna penerima, maka eN1=−eN2, dan daya gerak elektrik hingar yang diekstrak oleh antena penerima, eN, ialah eN1 +} eN1 +}
Untuk isyarat komunikasi, isyarat termodulat f₀ yang akan dihantar oleh bilik kawalan pusat dikuatkan dan dihantar melalui talian penghantaran L₀; isyarat f₁ (iaitu 90 darjah daripada fasa dengan f₀) dikuatkan dan dihantar melalui talian penghantaran L₁. Kedua-dua isyarat ini menghasilkan gabungan medan elektromagnet dalam ruang berhampiran kabel pengekodan, yang dikesan dan diterima oleh antena penerima yang terletak berhampiran kabel pengekodan. Oleh kerana f₀ dan f₁ adalah ortogon, zon mati saluran dielakkan. Isyarat teraruh yang dijana dalam antena penerima tradisional diterangkan oleh Persamaan (6). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, antena penerima menghasilkan daya gerak elektrik teraruh e(1) dan e(2) dalam gegelung 1 dan 2, masing-masing. Disebabkan oleh ciri-ciri lintasan sama jarak, antena penerima memenuhi perkara berikut di mana-mana kedudukan:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); mengikut Persamaan (6), magnitud e(1) dan e(2) adalah sama;
(2) Jika medan elektromagnet yang dijana di rantau K talian penghantaran Li (i=0, 1) mendominasi gegelung penerimaan 1, maka medan elektromagnet yang dijana di rantau K+1 mendominasi gegelung penerimaan 2. Disebabkan oleh persilangan talian penghantaran, medan elektromagnet yang dijana di rantau K+1 yang dijana dalam kawasan penerimaan koil adalah di luar fasa penerimaan koil tersebut dengan K2 yang dijana. 1, selepas dua penyongsangan fasa, fasa e(1) dan e(2) menjadi sama.
Oleh itu, daya gerak elektrik teraruh e=e(1) + e(2)=2e(1) yang diekstrak oleh antena penerima daripada isyarat komunikasi adalah dua kali ganda daripada antena penerima konvensional.
Selain itu, apabila gegelung pemancar menghantar isyarat, voltan merentasi kedua-dua hujung gegelung pemancar ialah 200 Vp-p. Untuk mengelakkan isyarat dihantar yang kuat daripada merosakkan litar prapenguat penerima, gegelung penghantar diletakkan di antara dua gegelung antena penerima. Dengan cara ini, daya gerak elektrik yang teraruh dalam antena penerima oleh isyarat antena pemancar adalah lebih kurang sifar.
3.4 Analisis Eksperimen Penerimaan Penindasan Gangguan Antena
Keadaan percubaan adalah seperti berikut: jumlah panjang talian penghantaran ialah 3 m dan W=20 mm. Satu set peralatan komunikasi data wayarles induktif sebenar telah digunakan, dengan kadar komunikasi 4800 b/s, modulasi FSK, dan frekuensi pembawa 49 kHz. Semasa operasi biasa, arus puncak isyarat termodulat yang melalui L0 ialah 0.07 A; arus puncak isyarat termodulat yang melalui gegelung antena pemancar ialah 0.38 A.
Semasa eksperimen, jarak z antara gegelung pemancar dan kabel yang dikodkan dikekalkan pada 200 mm, dan pusat gegelung pemancar dikekalkan sejajar dengan satu lintasan L0. Di bawah keadaan ini, amplitud voltan isyarat teraruh pada talian penghantaran L1 diukur sebagai VL1=25 mVp-p, dan amplitud voltan isyarat teraruh pada antena penerima diukur sebagai VA=20 mVp-p.
Jika penjana isyarat digunakan sebagai punca gangguan dan sepasang wayar selari digunakan untuk gandingan bagi mendorong gangguan, lihat Rajah 5. Penjana isyarat mengeluarkan voltan gangguan v=Vm sin(2πft), dengan f=49 kHz dan R=130 Ω.
Eksperimen yang ditunjukkan dalam Rajah 5(a) sepadan dengan gangguan dalam antena penerima konvensional, manakala eksperimen yang ditunjukkan dalam Rajah 5(b) sepadan dengan gangguan dalam gegelung bersilang antena penerima. Biarkan VNm (puncak-ke-puncak) menandakan gangguan-daya gerak elektrik teraruh yang diekstrak daripada antena penerima. Jadual 1 membentangkan data untuk kedua-dua eksperimen.
Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa sistem mencapai penindasan hingar gangguan sehingga 48 dB. Analisis teori dan eksperimen yang dibentangkan di atas menunjukkan bahawa penggunaan antena penerima silang jarak sama bukan sahaja memberikan penindasan hingar gangguan yang kuat tetapi juga menawarkan keuntungan 6 dB dalam isyarat komunikasi berbanding dengan antena penerima tradisional, dengan itu meningkatkan isyarat-kepada-nisbah hingar dengan ketara.
4 Kesimpulan
Teknik penindasan gangguan yang melibatkan "melintasi talian penghantaran dwi dengan antena penerima tunggal pada jarak yang sama" telah digunakan dalam-sistem pengurusan kawalan berpusat berasaskan komputer untuk lokomotif mudah alih yang menggunakan teknologi wayarles induktif. Dalam aplikasi praktikal, teknik ini telah terbukti berkesan dalam menyekat gangguan dalam persekitaran industri, terutamanya dalam menyekat gangguan ko-saluran yang dijana oleh peranti kawalan kelajuan frekuensi pembolehubah-secara berkesan, dengan itu memastikan kebolehpercayaan komunikasi data. Sudah tentu, teknologi penindasan gangguan untuk komunikasi data wayarles induktif yang dicadangkan dalam kertas ini hanya menangani penindasan hingar pada bahagian penerima. Untuk peralatan elektronik yang beroperasi dalam persekitaran industri yang keras, langkah tambahan seperti pembumian dan perisai mesti dilaksanakan; ini adalah di luar skop kertas ini.