|
在工業自動控制系統中，數據的傳輸是實現自控的基礎，數據傳輸可以簡單地分為有線(包括架設光纜或租用電話專線)和無線(分為建立專用無線數據傳輸系統或借用CDPD，GSM，CDMA等公用網絡信息平臺)兩種方式。一般的自來水行業的取水泵站與凈水廠都有一定的距離(一般為幾公里到幾十公里)，而中控室一般設在凈水廠，因而要求取水泵站遠程子站能夠將采集其信號并及時傳回中控室，同時將中控室的指令快速傳給遠程子站以實現取水泵站的自動控制。這就要求無線通信系統具有傳輸速率高、輪詢時問短、響應時間快等特點。所以，實現取水泵站的自動控制必須建立可靠的無線數據傳輸系統。 1 專用無線數傳系統的整體結構 圖1所示是一個無線數傳電臺的整體結構圖。現在國內大部分的遙控遙測電臺都是用模擬調頻對講發信機(即車載電臺)加MODEM芯片改制而成的。它不是專業的數字數據傳輸設備，而是工作于230 MHz／800 MHz數傳業務頻段和350 MHz／800 MHz集群業務頻段的對講機。這種方式在國外早已淘汰。用這種電臺傳輸數據存在著可靠性差、性能指標低、誤碼率高、靈敏度低、無網管等缺點。如果數據傳不回來或控制不能下達，它將無法判斷是停電、電源壞、信號差、天線饋線不匹配、溫度高還是PLC／／RTU無數據。因此，在要求高速度、遠距離、高可靠性的傳輸中，則應當采用本文給出的基于DSP (Digital SignalProcess-ing)等技術的數傳電臺。而美國MDS公司以及DATAIANC等廠家的設備，也具備這些功能。 2 無線數傳工作原理 無線數傳系統中上位機與模塊間的通信是通過異步串口來完成的。在通信前，串口的數據幀格式(8個數據位或9個數據位)與速率應與模塊一致。上位機與模塊間的通信內容有兩類，一類是數據，一類是命令。數據或命令可用DTR或DSR信號來區分。無論是上位機傳給模塊還是模塊傳給上位機的數據都采用無格式傳送(透明傳送)。在使用中，一般用戶不會涉及到模塊間的數據傳輸控制及格式。但作為對模塊的基本工作原理的了解，以及在時序要求較嚴的應用中，對模塊間的傳輸格式以及傳輸中每一部分所占用的時間，都應有一定的了解。 2．1 模塊發送過程 當模塊收到上位機的數據后，模塊先通過DTR線判斷收到的數據是命令還是數據，若是命令則執行相應的命令；若是發送數據，則先將要發送的數據送到發送緩沖區，并同時將模塊的狀態由接收狀態轉換成發射狀態，這個轉換過程需要100 ms，狀態轉換完成后，再啟動發送打包程序。發送打包程序的功能是將緩沖區的數據打包成適合無線發送的數據包，并將一些控制信令動態地插入到數據包中，然后將這個數據包的數據送到模塊中的數據調制口，并按V23協議以FSK的調制方式發射出去。在這個過程中，所有的進程均是并行完成的。 2．2 模塊接收過程 在接收狀態下，接收機總是接收碼流中的同步信息，一旦收到同步信息，將立刻進行位同步，獲得位同步后，再進行碼同步，碼同步完成后，即可接收數據及控制信息。收到數據后，再按規定的串口幀格式傳送給上位機。 2．3 基本數傳功能 常見的數傳模塊的功能一般分為基本數傳功能、擴展功能、高級擴展功能等三種。這里主要介紹實現基本數傳功能的硬件連接方式。如果用TX表示設備端口上的數據發送(數據離開功能塊)端子，用RX表示設備端口上的數據接收(數據進入功能塊)端子，那么，設備A與設備B之間的串口連接方式如圖2所示。 如果將串口連線也看成一個兩端口的設備，并對這兩個端口的端子做標注，則兩設備進行串口通訊的連接電路如圖3所示，其中圖3中間框內的串口連線可以看成一個兩端口的設備。如果用無線數傳模塊替代串口連接線，則設備A與設備B之間的通信連接電路如圖4所示。 對比圖3與圖4可以看出，如果將兩個無線模塊組成的無線信道也看成是一個兩端口的設備，則對設備A與設備B而言，串口通訊時有線連接與無線連接的端子的對應關系是一樣的。 3 組網設計和現場測試 3．1 理論計算 無線數傳電臺的通信距離、聯通后的誤碼率大小和系統抗干擾及穩定性等指標，在理論上取決于傳輸視距和接收物強度等兩個因素。 對于視距傳輸而言，電波信號的傳輸根據工作波長(頻段)的長短不同，具有地面波傳輸(長波)、電離層反射傳輸(短波)和空中傳輸(超短波、微波1三種方式。我國無線電管理部門將專用無線數據傳輸業務主要分配到200～240 MHz頻段(另外還有800 MHz等頻段)，這個頻段的電波傳播是通過空中進行的。由于地球曲率的影響、兩個點(主站天線高度為H，遠程站天線高度為h)之間最大可視距離D為： 假設主站天線架設在辦公樓頂(高約為100m)，遠程站天線架設在平房頂上(高約4 m)，則： 考慮到230 MHz電波具有一定的繞射能力。并假設天線理論最遠可以通過50 km左右。因此，天線架設的相對高度是決定通信距離的第一因素。 當接收場強電波從電臺發出后，再經過饋線和天線，它將通過空中向遠方傳播。而當信號受到衰減并到達遠端接收機時，其場強電平為： Pr=P1+G1+Gr-Lt-Lr-Lo 式中，Pr為正常接收電平(dBm)，只為發信功率(dBm)，Gt、Gr為收發天線增益(dBm)，Lt、Lr為收發饋線損耗(dBm)，Lo為自由空間損耗(dBm)。其中自由空間損耗為Lo=32．45+201gf(MHz)+201gD(km)。其中f的單位為MHz，D的單位為km。 電波信號到達接收機的場強不同，解調輸出信號的信噪比亦會不同，從而會影響系統的判斷而造成誤碼。如果場強太小，即使距離再近，接收機也接收不到。所以接收場強是決定通訊距離的第二因素。 接收場強Pr與接收機的門限電平(即在BER小于10-6時接收機要求的場強電平值。不同的電臺，該指標不同，一般為-11O dBm)的差距即為衰落儲備。Pr與接收門限電平的差距越大，衰落儲備應當越多，抗干擾能力越強，誤碼越少，一般要求衰落儲備在20 dBm以上。 3．2 實際側試 由于自來水系統的要求，一般取水泵站與凈水廠都有一定的距離和高差，以便充分利用勢能來輸送水。因此，遠程分站與主站的實際環境往往有山丘、建筑物、樹木等。這種情況會以不同程度和方式影響信號的傳輸。故在工程設計前，必須進行現場信號傳輸和接收場強的測試(應準確到dBm)，以便根據現場環境和工作要求，確定主站和各遠程子站電臺的功能、天線類型、架設高度等參數，只有使上下信號具有足夠的抗干擾能力，才能實現有效可靠的數據采集和控制。 4 結束語 本文提供了實現無線數據高效可靠傳輸的一種新途徑。事實上，只要選用技術指標高、質量穩定可靠的無線數據傳輸產品，再通過現場測試來確定天線類型、架設高度和電臺的功率，那么，用無線數傳電臺就一定能夠實現高速率、高穩定、高可靠性的無線數據傳輸。 |
