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        擴(kuò)頻電流環(huán)通信方法的研究與實(shí)現(xiàn)

        2021-08-27 04:28:49王建華劉存良
        消防界 2021年12期

        王建華 劉存良

        摘要:消防二總線系統(tǒng)中監(jiān)控器回碼采用電流環(huán)通信方式,通信數(shù)據(jù)易受干擾。本文提出一種基于擴(kuò)頻的發(fā)送、接收算法,即監(jiān)控器對通信數(shù)據(jù)依次進(jìn)行卷積、交織和擴(kuò)頻編碼形成新的發(fā)送報(bào)文,增加信號(hào)的抗干擾性;控制器接收報(bào)文設(shè)計(jì)過采樣算法進(jìn)行數(shù)據(jù)精確解調(diào)。

        關(guān)鍵詞:二總線;電流環(huán);擴(kuò)頻

        一、行業(yè)痛點(diǎn)

        目前,消防二總線是一種不對稱的通信總線,即控制器下行發(fā)碼需兼顧通信與供電,因此采用電壓調(diào)制方式。為了盡量減少電能損耗,監(jiān)控器上行回碼仍采用控制器端供電的電流環(huán)方式,而且為了降低系統(tǒng)功耗,回碼電流不宜過大,通常為幾十微安。

        這種電流環(huán)的通信方式存在以下問題:第一,隨著傳輸距離增加,電流信號(hào)衰減嚴(yán)重,會(huì)造成接收端無法正確解調(diào);第二,在實(shí)際工程應(yīng)用中,為了兼顧施工方便并節(jié)省成本,存在不同系統(tǒng)多種線路共同鋪設(shè),甚至是平行布線,而電流環(huán)通信環(huán)境易受周圍線路干擾;第三,現(xiàn)有電流環(huán)通信數(shù)據(jù)通常采用原碼進(jìn)行傳輸,數(shù)據(jù)受干擾后無法進(jìn)行自修復(fù),致使控制器因無法正確接收報(bào)文而要求監(jiān)控器重復(fù)發(fā)送,這同樣會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通信效率下降。

        綜上所述,需研究一種既能提升通信成功率,又能保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)通信方法。

        二、鼎信方案

        (一)監(jiān)控器回碼

        目前,消防二總線系統(tǒng)中,為了避免一次回碼時(shí)間過長造成監(jiān)控器的電壓下降太大,需要對通信數(shù)據(jù)按限定時(shí)間分組為不同的通信數(shù)據(jù)塊后再進(jìn)行傳輸。此外,傳統(tǒng)電流環(huán)通信報(bào)文中也只包含以原碼形式存在的分組數(shù)據(jù)。

        鼎信回碼方案如圖1所示。首先,對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積、交織和擴(kuò)頻編碼形成幀載荷數(shù)據(jù),然后在幀載荷數(shù)據(jù)前面增加訓(xùn)練符和前導(dǎo)碼組成新的通信報(bào)文。其中,訓(xùn)練符,采用長度8位的曼徹斯特編碼。訓(xùn)練符是為了激勵(lì)運(yùn)放電路提前進(jìn)入工作狀態(tài);前導(dǎo)碼,采用長度16位或32位的序列。前導(dǎo)碼是在15位或31位m序列的基礎(chǔ)上增加一位0或1,使序列中的0和1個(gè)數(shù)相同,其目的是消除直流信號(hào)的影響。

        (二)控制器收碼

        現(xiàn)有消防二總線控制器收碼方案:首先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后對電壓進(jìn)行單次采樣并經(jīng)比較器進(jìn)行閾值判別,這種鑒別方式易受干擾信號(hào)的影響。

        鼎信控制器收碼方案包括:ADC高速采樣、數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均、數(shù)據(jù)鎖相、頻偏修正和數(shù)據(jù)解碼5個(gè)步驟。

        1.ADC高速采樣

        鼎信方案采用高速ADC對電流轉(zhuǎn)換為電壓后的信號(hào)進(jìn)行采樣處理,得到過采樣數(shù)據(jù)集。示例如圖2所示。其中,過采樣數(shù)據(jù)記作Sij,i為第i個(gè)采樣信號(hào),j為對第i個(gè)采樣信號(hào)過采樣的次數(shù)。

        2.數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均

        對過采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均,其目的是消除高頻信號(hào)的干擾。下面是K均值滑動(dòng)平均算法的示例,其中Aij為與采樣點(diǎn)Sij相對應(yīng)的滑動(dòng)平均后的數(shù)據(jù)。

        3.數(shù)據(jù)鎖相

        數(shù)據(jù)鎖相就是要在滑動(dòng)平均之后的數(shù)據(jù)集Aij中找到信號(hào)的最佳采樣點(diǎn)。我們把n個(gè)連續(xù)信號(hào)的過采樣數(shù)據(jù)集作為一個(gè)鎖相窗口,第i個(gè)信號(hào)的鎖相算法為:

        其中,Max{Pi1,……,Pij}所對應(yīng)的Aij就是第i個(gè)信號(hào)的最佳相位點(diǎn)。

        4.頻偏修正

        因?yàn)榭刂破髋c監(jiān)控器采用獨(dú)立的晶振工作,而其易受溫度變化造成頻偏。針對頻偏呈現(xiàn)線性變化的特點(diǎn),提出動(dòng)態(tài)頻偏調(diào)整算法,實(shí)現(xiàn)按位逐次逼近最佳相位點(diǎn)。

        如圖3所示,以右偏調(diào)整為例(步長j=5)加以說明:

        STEP1:在Group_i中計(jì)算并得到本組真正的最佳相位點(diǎn)Ai3,標(biāo)記R_Pos=Ai3;以同樣步長確定Group_i+1數(shù)據(jù),并標(biāo)定出假設(shè)的最佳相位點(diǎn),標(biāo)記為I_Pos=A(i+1)3。

        STEP2:在Group_i+1中計(jì)算并得到真正的最佳相位點(diǎn)為R _Pos= A(i+1)5,我們采用逐位逼近算法,即標(biāo)記J_Pos=A(i+1)4為Group_i+1最佳相位點(diǎn),并重新確定Group_i+1組數(shù)據(jù),并以此為依據(jù),按相同的步長確定Group_i+2數(shù)據(jù)。

        依次類推,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)逐位跟隨相位調(diào)整。

        5.數(shù)據(jù)解碼

        首先鎖定前導(dǎo)碼,然后到達(dá)幀載荷編碼數(shù)據(jù),最后對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

        三、結(jié)語

        本文提出的一種基于擴(kuò)頻的電流環(huán)通信方法,監(jiān)控器對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、卷積、交織和擴(kuò)頻,增強(qiáng)了通信幀的抗干擾性,提升了通信可靠性,并新加入訓(xùn)練符和前導(dǎo)碼,由訓(xùn)練符激勵(lì)運(yùn)放電路進(jìn)入工作狀態(tài),避免運(yùn)放電路啟動(dòng)延遲的影響,又利用前導(dǎo)碼消除通信幀中的直流信號(hào)減少干擾信號(hào),實(shí)現(xiàn)了重新設(shè)計(jì)通信幀格式,得到新的發(fā)送報(bào)文,確保了遠(yuǎn)距離通信時(shí)能夠提高通信成功率。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王建華.新時(shí)代消防企業(yè)自主創(chuàng)新與發(fā)展[J].消防界(電子版),2019,22(05):53-54.

        [2]王建華,劉存良.一種平行二總線通信方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].消防界(電子版),2021,10(07):50-51.

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