無線數(shù)傳電臺

方案所介紹的全雙工數(shù)傳電臺主要采用頻分雙工(FDD-Frequency Division Duplexing)工作方式。它主要由接收單元、激勵器單元、功放單元、控制單元、電源單元、基帶單元六部分組成。

圖1 數(shù)傳電臺結(jié)構(gòu)原理框圖

激勵器單元

激勵單元完成射頻信號的調(diào)制和音頻信號的處理，即把要調(diào)制的話音、數(shù)據(jù)送到VC0調(diào)制并進行電壓放大。它由話放處理、數(shù)字鎖相環(huán)、壓控振蕩器、電壓放大器、功率調(diào)整電路、電源電路組成。圖2所示是激勵器單元的組成框圖。圖中，麥克風送來的微弱信號首先送給話放處理電路，以進行話音放大、濾波、預(yù)加重等信號處理，然后經(jīng)過電子開關(guān)送給壓控振蕩器進行直接調(diào)頻，同時將基帶處理后的數(shù)字信號也經(jīng)過電子開關(guān)切換后送給壓控振蕩器進行直接調(diào)頻。鎖相環(huán)路可選用快恢復(fù)二極管來提高鎖相環(huán)路的鎖定速度，環(huán)路濾波器可選用無源比例積分濾波器，VCO則采用模塊化設(shè)計。數(shù)字鎖相環(huán)芯片采用日本富士通的MBl504H集成電路芯片，該芯片集成化程度高、體積小，特別是其泵電源高達8 V，可相對降低VCO的壓控靈敏度。為了減小發(fā)射機在較寬溫度范圍內(nèi)的頻率變化，建議采用溫補晶體振蕩器作基準頻率。由于VCO輸出的信號較弱，只有數(shù)個毫瓦，故可經(jīng)過功分后，將一路送給鑒相器與基準頻率進行比較，并產(chǎn)生誤差電壓以控制VCO的頻率至設(shè)定頻點，另一路送給電壓放大器，然后經(jīng)三級放大處理，使其能夠推動功放電路工作。

圖2 激勵器單元原理框圖

考慮到一般需要外接蓄電池作為電源，激勵器電源輸入可采用7809三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，以提供較寬的電壓動態(tài)范圍。同時，也可采用多級LC濾波來改善穩(wěn)壓和降噪效果。

功放單元

功放單元的主要任務(wù)是把激勵器送來的射頻信號經(jīng)功放模塊放大到44 dBm，然后經(jīng)過低通濾波器濾除高次諧波后送給雙工器，最后通過天線發(fā)射出去。如果天線出現(xiàn)開路或短路，那么功率將反射回來，此時檢測電路將進行檢波，然后比較放大，再送一個信號給MCU，由MCU控制相關(guān)電路關(guān)斷功放，以達到保護功放模塊的目的。功放電路的組成如圖3所示。

圖3 功放單元組成框圖

接收機單元

接收單元可完成射頻信號的解調(diào)和音頻信號的處理。它一般由濾波器、選擇回路、高放、雙平衡混頻器、一中放、二中放組成。其中二中放由二本振、二混頻、鑒相器、靜噪控制電路組成，混頻器中的一中頻為21.4 MHz，二中頻為455 KHz，混頻方式為外差式。

當射頻信號經(jīng)天線送到雙工器后，再經(jīng)過第一級帶通濾波器濾波，并經(jīng)限幅后將送給高放電路。然后進入第二級帶通濾波器濾波，最后送給雙平衡混頻器混頻。限幅電路的作用是防止強干擾信號損壞高放前端組件。

高放電路一般采用雙調(diào)諧回路和一級放大形式，輸入輸出回路均采用抽頭形式可使電路匹配、增益兼顧。高放管可選用低噪聲管2SC3356，其特點是具有很低的噪聲和較高的功率增益。經(jīng)高放放大的信號再與壓控送來的第一本振信號經(jīng)過雙平衡混頻器進行混頻。2SC3356是集成組件，特點是噪聲低，高次組合少。一為21.4MHz的信號經(jīng)過兩級中頻放大后，可送到中放集成電路TA31136FN，與20.945 MHz晶體振蕩器產(chǎn)生的二本振進行混頻，而混出的455 kHz二中頻信號，則經(jīng)過455 kHz陶瓷濾波器濾波后，通過二中放的5腳輸入。限幅放大器的輸出可在內(nèi)部直接驅(qū)動，并在外部通過相移線圈完成鑒頻，鑒頻輸出的音頻信號由9腳輸出。該信號一路經(jīng)電子開關(guān)送給去加重、濾波、放大后送給揚聲器還原聲音。另一路經(jīng)過濾波后送給基帶信號處理器。

圖4 接收機單元原理框圖

電源設(shè)計

通過系統(tǒng)電源可對外接直流電源進行濾波、反極性保護等處理，然后輸出穩(wěn)定的電源電壓，同時，電源還必須進行必要的短路和過流保護。系統(tǒng)電源可外接+12 V直流電，然后通過反極性保護電路，來防止電源接反。再經(jīng)過多級LC濾波電路來濾除各種雜波和高低頻交流干擾后，送到電源繼電器，由繼電器控制面板電源開關(guān)，來開關(guān)整機電源。其電源電路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)框圖

控制和基帶單元

控制單元以ATMEGA64為核心來完成本機工作狀態(tài)的控制，包括收發(fā)信機的頻合數(shù)據(jù)，面板顯示器、鍵盤的控制，工作頻段控制，數(shù)傳以及話音通信狀態(tài)的控制等。

基帶單元則負責處理本機和計算機終端的數(shù)據(jù)交換。它以DSP芯片ADSP-2185M為核心，并以單片機AT90S8515以及CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件來組成控制和接口電路。同時以數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及運算放大器等構(gòu)成信號與電臺的接口電路?；鶐卧獎t采用DSP進行數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)。圖6給出了基帶單元的構(gòu)成原理框圖。

圖6 基帶單元原理框圖

電氣SCADA系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)

電氣分布自動化

交通控制系統(tǒng)

石油/天然氣生產(chǎn)過程自動化

工業(yè)自動化過程控制

水處理

相比較而言，用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式比其它方式具有如下優(yōu)點，下面介紹一下用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式相比于有線通訊的優(yōu)點。

有線通信方式的建立必須架設(shè)電纜，或挖掘電纜溝，因此需要大量的人力和物力;而用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式則無需架設(shè)電纜或挖掘電纜溝，只需要在每個終端連接無線數(shù)傳電臺和架設(shè)適當高度的天線就可以了。相比之下用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，節(jié)省了人力物力，投資是相當節(jié)省的。

當然在一些近距離的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中，無線的通訊方式并不比有線的方式成本低，但是有時候?qū)嶋H的現(xiàn)場環(huán)境難以布線，客戶根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的需要還是會選用無線的方式來實現(xiàn)通訊。

當要把相距數(shù)公里到數(shù)十公里距離的遠程站點相互連接通訊的時候，采用有線的方式，必須架設(shè)長距離的電纜或者挖掘漫長的電纜溝，這個工程周期可能就需要數(shù)個月的時間，而用數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，只需要架設(shè)適當高度的天線，工程周期只需要幾天或者幾周就可以，相比之下，無線的方式可以迅速組建起通信鏈路，工程周期大大縮短。

有線通訊的局限性太大，在遇到一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，比如遇到山地、湖泊、林區(qū)等特殊的地理環(huán)境或是移動物體等布線比較困難的應(yīng)用環(huán)境的時候，將對有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程有著極強的制約力，而用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將比有線通訊有更好的更廣泛的適應(yīng)性，幾乎不受地理環(huán)境限制。

在用戶組建好一個通訊網(wǎng)絡(luò)之后，常常因為系統(tǒng)的需要增加新的設(shè)備。如果采用有線的方式，需要重新的布線，施工比較麻煩，而且還有可能破壞原來的通訊線路，但是如果采用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，只需將新增設(shè)備與無線數(shù)傳電臺相連接就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的擴充了，相比之下有更好的擴展性。

無線數(shù)傳電臺是采用數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺。區(qū)別與模擬調(diào)頻電臺加MODEM的模擬式數(shù)傳電臺，數(shù)字電臺提供透明RS232接口，傳輸速率19.2Kbps，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間小10ms，具有場強、溫度、電壓等指示，誤碼統(tǒng)計、狀態(tài)告警、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。無線數(shù)傳電臺作為一種通訊媒介，與光纖、微波、明線一樣，有一定的適用范圍:它提供某些特殊條件下專網(wǎng)中監(jiān)控信號的實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，具有成本低、安裝維護方便、繞射能力強、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠的特點，適合點多而分散、地理環(huán)境復(fù)雜等場合。

一、概述1主要特點:

●載波頻率: 433MHz， 450MHz，470MHz等ISM頻點; ●多種可選的通訊接口:RS-232、TTL、 RS-485、USB;●8個通訊信道，也可根據(jù)客戶要求擴展;

●傳輸數(shù)率:1200、2400、4800、9600、19200、38400bps;

●數(shù)據(jù)格式:8N1/8E1/8O1(也可提供其它格式，如9位數(shù)據(jù)位);

●提供方波傳輸功能，方便非標的編碼客戶使用;

●收發(fā)一體，半雙工工作模式;

●低功耗，并具有休眠功能;

●工作溫度:-35℃ ~ +75℃(工業(yè)級);

●天線阻抗:50Ω(標配為SMA，可定制);●符合EN 300220 and ARIB STD-T67標準。

2、無線模塊的應(yīng)用領(lǐng)域:

水、電、氣等無線抄表系統(tǒng);

樓宇自動化、安防、機房設(shè)備無線監(jiān)控、門禁系統(tǒng);

無線呼叫系統(tǒng)、無線排隊機、醫(yī)療器皿;

無線POS、PDA ;

無線數(shù)據(jù)傳輸，自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng));

無線LED顯示屏、搶答器等、智能交通;

RS-485總線轉(zhuǎn)為無線通訊。

應(yīng)用案例:

用戶首先關(guān)心的是傳輸距離問題，距離其實不是問題。近則采用433MHz頻段無線數(shù)據(jù)終端DTD433，遠則選用GPRS透明傳輸數(shù)據(jù)終端DTP_S09F。所謂"近"，指3公里以內(nèi)可以覆蓋大多數(shù)廠礦;所謂"遠"，是指通訊距離超過3公里，甚至跨越不同地域以及不同國家，好在中國移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了全球，所以距離不是問題。DTP_S09F與DTD433遠近結(jié)合可以滿足絕大部分無線測控的要求。

◆多臺PLC之間的無線通信方案

多臺西門子S7_200之間的無線MODBUS通信設(shè)計說明，具有設(shè)計說明及PLC主機和從機的程序。

多臺三菱PLC之間的無線N:N通信設(shè)計，匯川PLC與三菱PLC方案一樣。

兩個臺達PLC之間的MODBUS無線通信例程，程序源代碼和設(shè)計說明。

◆無線PLC數(shù)據(jù)終端與無線MODBUS測控終端的連接應(yīng)用

PLC與3公里以內(nèi)4DI/4DO無線開關(guān)量終端DTD433H以及4AI/4AO無線模擬量終端DTD433F進行MODBUS協(xié)議無線通信，實現(xiàn)無線MODBUS傳輸。

◆觸摸屏與PLC的無線通信方案

西門子200PLC和無線PLC數(shù)據(jù)終端與深圳步科觸摸屏的無線通信;

威綸觸摸屏與S7-200的無線PPI通信;

昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS與PLC的無線通信;

Autoface觸摸屏與西門子PLC的無線MODBUS通信;

顯控觸摸屏無線通信實例;

運行觸摸屏組態(tài)程序，能采用MODBUS協(xié)議，西門子PPI協(xié)議，三菱N:N協(xié)議，永宏P(guān)LC協(xié)議，臺達PLC協(xié)議等。

◆組態(tài)軟件與PLC的無線通信方案

組態(tài)王軟件與西門子PLC的無線PPI、MODBUS通信;

力控組態(tài)軟件與西門子PLC的無線通信;

3、無線模塊的詳細規(guī)格:

供電電源: DC 5V (可根據(jù)用戶要求定制);

輸出功率: ≤500mW;(可根據(jù)用戶要求定制)

接收電流: <28mA(TTL接口);

接收靈敏度:-123dBm (1200bps) ;

-118dBm (9600bps)

發(fā)射電流: <350mA;

休眠電流: <20uA;

傳輸距離:2km 以上(BER=10-5@9600bps,標配10cm天線，空曠地，天線高度1.5m);

3Km 以上(BER=10-5@1200bps,標配10cm天線，空曠地，天線高度1.5m);

外型尺寸:80mm×45mm×20mm (不包括天線接頭 )。

1、 320無線傳輸模塊一只。

2、 DB九頭。

3、 鞭狀天線一支(約10cm)

4、可選配件:

1、 RS-232接口編程連接線。(方便用戶通過電腦的232接口對模塊參數(shù)進行設(shè)置)

2、 USB接口編程聯(lián)接線。(方便用戶通過電腦的USB接口對模塊參數(shù)進行設(shè)置)

3、 數(shù)據(jù)傳輸測試設(shè)備。(方便用戶在選型或?qū)嶋H使用中對模塊進行測試)

4、 可選天線。(用戶可跟據(jù)自己的實際使用情況，選擇適合自己的天線，使通訊效果達到最佳)

1、為達到最好的通訊效果，請盡量使用紋波系數(shù)較小的電源，電源的最大電流應(yīng)該大于模塊最大電流的1.5倍。

2、TTL、RS-485、RS-232三種接口只能選其一。

3、傳輸數(shù)率分為:接口數(shù)率:用戶可通過PC軟件更改;

空中數(shù)率:空中數(shù)率需要用戶在定貨時說明。

4、當接口SLEEP 為低時，模塊將進入休眠模式。在此模式下，將不能進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。當SLEEP 為高或懸空時150mS后，模塊進入工作狀態(tài)。(如不需要休眠功能，此腳懸空)

數(shù)據(jù)傳輸可以簡單地分為有線(包括架設(shè)光纜、電纜或租用電信專線)和無線(分為建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(433/470mMHZ頻段和2.4G等免費ISM頻段)或借用CDPD、 GSM、CDMA 等公用網(wǎng)信息平臺)兩大類方式。