李 徽, 何 淵, 黎定君, 李海蘭

(湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

LM1893芯片在感應無線技術中調制解調器應用

李 徽, 何 淵, 黎定君, 李海蘭

(湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

研究了LM1893芯片在感應無線技術中的應用, 主要討論其在感應無線技術中信號傳遞過程中的調制解調,開發(fā)出一款滿足工業(yè)現(xiàn)場應用的調制解調器. 該調制解調器具有靈敏度高、抗干擾力強、價格低廉的優(yōu)點, 同時實現(xiàn)了感應無線技術中數(shù)據通信系統(tǒng)的地上局與車上局之間的數(shù)據安全及時準確的傳輸.

感應無線技術; 調制解調; 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 感應無線技術的介紹

感應無線技術是20世紀七十年代末80年代初在日本開始興起一項新的工業(yè)應用技術, 主要針對工業(yè)生產上大型多動機車的自動化方面而研制. 感應無線通信技術是一種新型的通信方式, 它既不同于有線通信, 又有別于無線通信技術. 該技術免除了因有線通信拖帶通信電纜而帶來使用不便, 同時又不用擔心無線通信由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣而造成誤碼率高和數(shù)據失真. 該技術利用鋪設在地面的編碼扁平電纜交叉對線與安裝在移動機車上的天線電磁感應實現(xiàn)通信傳輸, 利用編碼扁平電纜中對線的個數(shù)及在對線上的編碼來得到精確的地址(精度可以達到5mm). 該技術成功的解決工業(yè)移動機車實現(xiàn)計算機集中管理控制的兩大難題: 中央控制室與移動機車間可靠的數(shù)據通信, 移動機車所在位置檢測.基于感應無線技術的特點,使得其在焦爐機車自動行走、磁懸浮列車、計算機集成控制技術、智能倉儲系統(tǒng)等中得到廣泛應用. 以焦爐機車自動行走連鎖控制系統(tǒng)為例: 其硬件結構原理如圖1所示[1].

圖1 用于焦爐機車自動行走連鎖控制系統(tǒng)感應無線系統(tǒng)數(shù)據通信鏈路組成框圖

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

2 LM1893的介紹

LM1893芯片是由美國國家半導體公司生產的專用電力載波通信的高性能芯片, 該芯片價格低廉, 使用方便, 精度高, 可靠性好. 它集成收發(fā)和接送數(shù)據的全部功能, 可實現(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成完整的電力線載波系統(tǒng). 采用 FSK抗噪聲調制技術, 可選擇噪聲濾波的脈沖發(fā)生器, 數(shù)據傳輸率可達4.8kB, 采用正弦波載頻可降低射頻干擾, 射頻功率可增強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)據的發(fā)送部分由FSK調制器、電流控制振蕩器、正弦波發(fā)生器、輸出放大器及自動電平控制電路(ALC)構成. 接受部分由限幅放大器、鎖相環(huán)信號解調器、低通濾波器、直流消除電路及噪聲濾波電路構成. 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5號引腳為高電平時, LM1893工作于發(fā)送模式下, 要發(fā)送的數(shù)據送入芯片內的FSK調制器, 產生開關控制電流, 驅動電流控制振蕩器產生±2.2%頻偏的三角波, 三角波經過正弦波發(fā)生器形成已調正弦波信號, 經由輸出放大器驅動后輸出到線路耦合電路, 再發(fā)送到電力線上. 電力線路上的負載情況復雜, 當某種原因促使輸出幅度超過額定電平時, 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.

當5號引腳為低電平時, LM1893工作處于接受模式, 經耦合電路送來的已調載波信號送入芯片的I/O端口, 由平衡限幅器放大, 取出信號中的直流分量并對耦合進來的工頻信號衰減, 送入差分鎖相環(huán)路, 解調出數(shù)據信號. 其中包含有載波的高次諧波、噪音及直流分量, 經三級RC濾波后取出其中的高頻分量, 再經直流消除電路除去信號中的直流分量, 送入比較器整形, 經脈沖噪聲濾波電路濾除脈沖噪聲干擾, 從數(shù)據輸出端輸出解調后的數(shù)據信號.

3 LM1839在調制解調器的應用和調制解調器的設計

由圖1所示, 移動機車和地面編碼扁平電纜之間信號的傳輸是由電磁感應實現(xiàn), 而其中信號的調制解調需要一個調制解調器來實現(xiàn), 基于電力載波通信芯片LM1839的調制解調器具有靈敏度高、抗干擾力強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點.

3.1 系統(tǒng)信號傳送鏈路及信號調制解調原理

圖1為數(shù)據通信鏈路的原理圖, 圖中上部箭頭為生產作業(yè)指令(計劃指令)的信號流向, 下部箭頭為生產工礦信息的信號流向. 虛線則表示感應無線編碼扁平電纜與天線之間通過近距離的感應實現(xiàn)信號的雙向傳遞.

計劃指令由PC發(fā)出后, 經由實時控制中心對計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, 地上局的調制解調器(IR-MODEM)(主要由LM1839芯片和外設電路構成)將壓縮編碼指令調制放大后, 由感應無線扁平電纜發(fā)出去. 而這個調制技術采用的是頻率調制(FM)技術來實現(xiàn)的, 由于本場合的數(shù)據傳送屬于低中速數(shù)據傳輸, 同時屬于衰減的傳輸信道, 故采用FSK技術. 系統(tǒng)要求信號傳輸?shù)倪^程中要有穩(wěn)定性, 同時適合現(xiàn)場的惡劣環(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信號進行信號調制. 近距離感應的編碼扁平電纜將信號傳給采用了差分技術的雙天線(這樣做可以將外界的各種干擾差分消除掉), 天線得到弱信號送至機上局的IR-MODEM, 將信號解調, 解調后即還原為壓縮編碼指令, 再經車上PLC解釋后形成相關的操作操控指令, 由IO單元輸出信號控制所需控制各子系統(tǒng)(子系統(tǒng)包括機車的作業(yè), 車上顯示屏顯示信息, 語音信息等).

同理, 各作業(yè)機車的工況信息按照圖中下部的箭頭方向最終上傳到計劃記錄機, 形成生產記錄, 同時傳送給實時動畫機完成實時工況動態(tài)顯示[3].

3.2 LM1839芯片用于IR-MODEM的設計

整個系統(tǒng)包括地上IR-MODEM和車上IR-MODEM.

3.2.1 LM1893應于解調模塊的設計

LM1893調解電路信號由9號引腳輸入, 以及相應的外圍電路構成片內的信號限幅、帶通濾波、自動控制信號相位同步的PLL鎖相環(huán)路的調制小輸出差成比例信號的鑒相等, 輸出片內解調信號,其片內具體流程內容如圖2所示.

3.2.2 LM1893應于調制模塊的設計

經過MODEM其他電路處理的信號傳入LM1893. LM1893和相應的外設件構成信號的調制片內, 片內的功能主要由片內的MOD功能塊產生控制電流信號, 再由電流信號控制振蕩器模塊(ICO)產生工作頻率, ICO輸出的信號經正弦波發(fā)生電路控制載波頻率, 載波正弦波信號經自動電平控制(ALC)和片內的功率放大模塊后輸出片內調制信號. 其具體的片內流程如圖2所示[4].

圖2 LM1893片內調制解調流程圖

圖3 調制解調器的流程模塊框圖

3.3 調制解調器的設計和相關器件的選用

調制解調器的流程模塊框圖如圖3所示.

3.3.1解調器的設計和相關器件的選用

解調器車上局和地上局的信號輸入是不同的, 車上局解調器有一個載波信號輸入, 信號輸入經隔直濾波后兩級放大, 放大所采用的運算器為NE5532. NE5532是高性能低噪聲運放, 它具有較好的噪聲性能,優(yōu)良的輸出驅動能力及相當高的小信號與電源帶寬. 是DIP8腳雙運放, 電壓適應范圍寬. 選用其對降低整個IR-MODEM的噪音十分有益, 同時適合天線傳輸來的微弱信號的運算放大. 限幅在-0.7V至+0.7間,限幅采用二極管構成的電路限幅. 地上局則有兩個載波信號輸入, 由于感應無線技術中的感應電纜為交叉對線, 可以抑制噪音, 同時也可以獲得位置檢測數(shù)據, 無線部分采用的則是差分技術的雙天線感應技術[5], 消除了信道死區(qū)和干擾信號, 故調制器有兩個載波信號的輸入. 經過與車上局相同的濾波放大,其中的一路信號需移相, 再用加法電路使兩路信號成為一路信號, 信號經三極管限幅后, 車上局與地上局的信號流鏈完全相同. 由于LM1893只可實現(xiàn)半雙工的通信, 所以傳來的信號要在前面的信號處理完畢再接受, 選用模擬開關CD4051來控制, CD4051相當于一個單刀八擲開關, 開關接通哪一路通道, 由輸入的3位地址碼ABC來決定, INH為禁止端, Vcc為電源端. 當RxEN為低電平時, I/O與COM I/O接通.CD4051模擬開關發(fā)出的信號經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算放大器是LM218, LM218運算放大器是高精密運算放大器, 可以保證信號的準確度和整個IR- MODEM的可靠度. 信號經過兩次濾波放大限幅后, 一路送入LM1893片內進行信號處理, 其具體過程如圖3所示. 另一路信號輸入仍以LM218運算放大器組成的增益可調的一階有源高通放大整流載波電路, LM218的3號引腳的信號處于狀態(tài)決定信號是否送入由比較器LM211所構成的比較電路. 當LM211的3號引腳信號為正半部分時, D3導通D4截止, 信號送入比較器LM211的2號引腳, 當U1的3號引腳上的信號為負半部分時, D4導通D3截止, 信號送不過去, 送過去的信號與Vcc/2比較, 若大于, 則輸出“1”, 打與非門送出解調信號, 若小于, 則輸出“0”, 封鎖與非門.

3.3.2 調制器的設計和相關器件的選用

送入地上的調制器的信號是由PLC發(fā)出來的, 信號送入由光電耦合器和隔離數(shù)據器及相應的邏輯電路所構成的電路實現(xiàn), 輸入的RS-232電平首先通過電平轉換成TTL電平. 隔離數(shù)據接收器選用ADM202E, ADM202E具有兩個發(fā)送器和兩個接收器, 是串行收發(fā)驅動器芯片, 內部由電壓倍增電路和轉換電路組成, 僅需要單電源供電就可實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的轉換, 外圍電路簡單, 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, 同時也可以減少電路設計. 車上調制器具有兩個信號輸入, 由ADM202E和SN7516以及相應的電路和器件構成的電平轉換電路. 經過電平轉換后的信號, 需要控制其送入片內調制的先后順序, 控制電路地上局選用CD4051八選一模擬開關構成的電路, 而車上局卻用三極管控制電路. 片內調制后的信號是微弱信號, 無法發(fā)射和接收, 只有經過放大后才可以. 由于車上局和地上局的輸出結構是不同的, 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并聯(lián)放大電路, 放大電路選用的運算器為LM218.

4 結束語

通過工業(yè)現(xiàn)場實驗證明: 該IR-MODEM能夠很好的完成信號的調制解調, 實現(xiàn)信號的傳輸, 同時具有成本低廉噪音低、靈敏度高、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定且適應環(huán)境能力強等優(yōu)點. 具有很好的實用價值,在感應無線系統(tǒng)中有很好的推廣前景. 但由于受多種因素的約束, 信號傳遞速率較小的缺陷有待進一步改進.

[1] 李 徽, 聶礎輝. 基于感應無線技術的焦爐機車聯(lián)鎖及爐號識別系統(tǒng)[J]. 企業(yè)技術開發(fā), 2006(5): 6～10

[2] 朱今祥, 苗建蘇, 陳奇東. LM1893在電力線載波通信中的應用[J]. 微計算機信息, 2005, 21(2): 151～152

[3] 李 徽 . 基于感應無線技術的智能倉儲管理系統(tǒng)[J]. 高校教育研究, 2009 (3)

[4] 譚啟泉, 連級三. 新型無線感應系統(tǒng)的二進制幅度調制解調分析[J]. 鐵道學報, 2003, 25(4): 67～70

[5] 陳 進. 感應無線技術在工業(yè)移動機車自動化中的應用[J]. 自動化技術與應用, 2006, 25(4): 33～36

[6] 譚啟泉, 連級三. 新型無線感應技術在模擬載波通信中的應用[J]. 中國鐵道科學, 2003. 25(3): 104～107

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)新基金項目(08C26214301129)

李 徽(1963- ), 男, 湖南岳陽人, 湖南理工學院機械工程學院教授. 主要研究方向: 自動控制工程, 感應無線技術的應用