Радиомодем малого радиуса действия РМД400 для производственно-технологических сетей сбора данных и дистанционного управления

информация
статьи

В статье проанализированы некоторые организационные и технические аспекты разработки радиомодема малого радиуса действия РМД400, изложены мотивы выбора диапазона частот и элементной базы (микросхемы) приемопередатчика.

В статье проанализированы некоторые организационные и технические аспекты разработки радиомодема малого радиуса действия РМД400, изложены мотивы выбора диапазона частот и элементной базы (микросхемы) приемопередатчика

Производственно-технологические сети сбора данных и управления являются наиболее перспективной сферой применения радиомодемов малого радиуса действия. В большинстве случаев необходимая дальность связи в производственно-технологических сетях обеспечивается при мощности излучения передатчика, удовлетворяющей условию нелицензионного использования радиомодема. Понятие нелицензионного использования радиоэлектронного средства (РЭС) в Российской Федерации однозначно не определено и поэтому требует пояснения.

Свободно могут использоваться средства радиосвязи, включенные в Перечень РЭС, не подлежащих регистрации. Последняя редакция этого Перечня утверждена постановлением Правительства №590 от 12 октября 2004 г. Перечень включает РЭС для передачи информации, полученной со штрихкодовых этикеток, для дистанционного управления, сигнализации и оповещения в полосах радиочастот 433,075..434,79 и 868,0..868,2 МГц с мощностью излучения передатчика до 10 мВт. В Перечень включены также РЭС технологии Bluetooth в полосе радиочастот 2400...2483,5 МГц с мощностью излучения передатчика не более 2,5 мВт.

Следующий уровень доступности для пользователя имеют средства радиосвязи, не требующие получения разрешения на использование номиналов частот (но подлежащие регистрации). Обобщенным решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от 06.12.2004 №04-03-04-003 такой статус получили РЭС технологии Wi-Fi e Bluetooth a полосе радиочастот 2400...2483,5 МГц с мощностью излучения передатчика до 100 мВт при эксплуатации внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Данное решение ГКРЧ дает право юридическим и физическим лицам разрабатывать, производить, модернизировать, закупать за границей и эксплуатировать РЭС внутриофис-ных систем сбора данных указанных технологий без оформления частных решений ГКРЧ. Однако для разработки, производства и закупки за границей средств обмена данными других технологий, в частности ZigBee и любых нестандартных технологий, требуется получение частного решения ГКРЧ.

В последнее время на рынке появилось много предложений по микросхемам и модулям приемопередатчиков, которые могут быть использованы для построения радиомодемов малого радиуса действия. Микросхемы и модули ориентированы на применение в одном из диапазонов частот: 433, 868, 915 или 2450 МГц. При прочих равных условиях для потенциального потребителя предпочтительнее радиомодем, не подлежащий регистрации. Как отмечалось выше, не подлежат регистрации РЭС для обмена данными и дистанционного управления диапазонов частот 433 и 868 МГц, а также маломощные (2,5 мВт) РЭС технологии Bluetooth диапазона частот 2450 МГц. С уменьшением рабочей частоты снижается пространственное затухание радиоволн, что позволяет при одинаковой мощности излучения передатчика получить большую дальность радиообмена на частоте 433 МГц по сравнению с частотой 868 МГц и тем более с частотой 2450 МГц. На низких частотах выше КПД передатчиков, т.е. меньше потребление энергии от источника питания при одинаковой мощности излучения. Выбор диапазона частот 433 МГц по сравнению с диапазоном 868 МГц предпочтительней еще и потому, что в нем больше ширина выделенной для нелицензи-руемого использования полосы частоти больше возможностей отстройки от помех. Поэтому при разработке радиомодема РМД400 выбран диапазон частот 433 МГц.

Связь в условиях цеха промышленного предприятия осложнена наличием препятствий распространению радиоволн в виде металлических несущих конструкций и оборудования. Препятствия могут перекрывать прямой путь распространения, отражать и рассеивать радиоволны. В результате многолучевого распространения возникают замирания радиоволн в точке приема. Устойчивая радиосвязь в канале с замираниями достигается за счет значительного повышения энергетики радиолинии по сравнению с каналом без замираний.

При ограничении на мощность передатчика энергетика радиолинии может быть увеличена за счет повышения чувствительности приемника. Для этого необходимо уменьшать скорость обмена данными и полосу пропускания приемника. В предлагаемых на рынке микросхемах приемопередатчиков диапазона 433 МГц используются два основных решения, позволяющих изменять полосу пропускания приемника электронным способом: приемники прямого преобразования и супергетеродинные приемники с цифровой фильтрацией промежуточной частоты. Первое решение использовано в приемопередатчиках фирмы Xemics (ныне фирма Semtech), второе — a приемопередатчиках фирмы Chipcon. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики лучших представителей того и другого семейства для узкополосных систем.

При разработке радиомодема РМД400 сделан выбор в пользу микросхемы CC1020 фирмы Chipcon. Приемник с линейным частотным детектором в СС1020 обеспечивает высокую помехоустойчивость приема при индексе модуляции 1, в отличие от приемника прямого преобразования в ХЕ1205, в котором для качественного приема индекс модуляции должен быть не менее 2. Частотно-манипулированный сигнал с меньшим индексом модуляции может быть принят более узкополосным приемником. Сужение полосы пропускания приемника дает возможность использовать более мелкую сетку частот и увеличить количество частотных каналов в выделенной полосе радиочастот. Для узкополосного приема важно также обеспечить высокую стабильность частоты сигнала. СС1020 имеет минимальный шаг перестройки по частоте, что позволяет точнее компенсировать частотную ошибку, обусловленную начальной и температурной нестабильностью частоты опорного кварцевого генератора.

Кроме оборудования упомянутых стандартных технологий на российском рынке предлагается оборудование беспроводной обмена данными с фирменными протоколами. Это радиомодули и радиомодемы Nanonet фирмы Nanotron, XStream фирмы MaxStream, Wavenis фирмы Coronis Systems. Все перечисленные устройства работают в диапазоне частот 2,4 ГГц. В радиомодулях Nanonet используется расширение спектра методом линейной частотной модуляции и дисперсионные линии задержки на ПАВ для формирования на передаче и свёртки сигнала на приёме. В силу ограничений размеров кристалла устройств на ПАВ в радиомодулях Nanonet реализована высокая скорость обмена данными 2 Мбит/с, что обусловливает низкую чувствительность приёмника и малый радиус действия радиолинии. В радиомодеме Xstream используется псевдослучайная перестройка частоты с низкой скоростью передачи данных. Однако большая дальность связи достигается в этом радиомодеме не за счёт высокой чувствительности приёмника, а за счёт повышенной мощности передатчика. Энергопотребление Xstream также оставляет желать лучшего. Из перечисленных нестандартных технологий по критериям экономичности и радиусу действия наиболее подходит для применения в производственно-технологических радиолиниях технология Wavenis. Однако, так же как и прототипная технология Bluetooth, технология Wavenis не является сетевой технологией.

Промышленный радиомодем РМД400-ОЕМ выполнен в виде модуля типоразмера DIP40. Модуль включает приемопередатчик и микроконтроллер управления и обработки сигнала. Он является функционально законченной аппаратурой окончания канала данных и решает задачи физического уровня и уровня звена данных при приеме и передаче данных по радиоканалу. Сопряжение модуля с оконечным оборудованием данных (ООД) производится по асинхронному последовательному интерфейсу с ТТЛ-у ровнями. Модуль является основой конструктивно законченных вариантов радиомодема в пластмассовом настольном, пластмассовом с креплением на DIN-рейку и металлическом герметизированном корпусах. Корпусные варианты радиомодема РМД400 снабжены интерфейсами RS-232 и RS-485. По интерфейсу RS-232 радиомодем может подключаться к одному источнику и/или потребителю данных. По интерфейсу RS-485 радиомодем может подключаться к нескольким источникам и/ или потребителям данных на одном узле радиосети. Основные технические характеристики радиомодема РМД400 приведены в таблице 2.

Таблица 1. Сравнительные характеристики микросхем приемопередатчиков для узкополосных систем

Таблица 2. Основные технические характеристики радиомодема РМД400

Электронные компоненты N3'2006
Анатолий Сартаков, к. т. н.
mailbox@kb-mars.ru
www.kb-mars.ru

Материал размещен с любезного разрешения автора