LM1893芯片在感应无线技术中调制解调器应用

2010-09-08黎定君李海兰

湖南理工学院学报（自然科学版） 2010年1期

关键词：调制解调器电平滤波

李徽, 何渊, 黎定君, 李海兰

(湖南理工学院机械工程学院, 湖南岳阳 414006)

LM1893芯片在感应无线技术中调制解调器应用

李徽, 何渊, 黎定君, 李海兰

(湖南理工学院机械工程学院, 湖南岳阳 414006)

研究了LM1893芯片在感应无线技术中的应用, 主要讨论其在感应无线技术中信号传递过程中的调制解调,开发出一款满足工业现场应用的调制解调器. 该调制解调器具有灵敏度高、抗干扰力强、价格低廉的优点, 同时实现了感应无线技术中数据通信系统的地上局与车上局之间的数据安全及时准确的传输.

感应无线技术; 调制解调; 编码扁平电缆; 有源滤波

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 感应无线技术的介绍

感应无线技术是20世纪七十年代末80年代初在日本开始兴起一项新的工业应用技术, 主要针对工业生产上大型多动机车的自动化方面而研制. 感应无线通信技术是一种新型的通信方式, 它既不同于有线通信, 又有别于无线通信技术. 该技术免除了因有线通信拖带通信电缆而带来使用不便, 同时又不用担心无线通信由于工业现场环境恶劣而造成误码率高和数据失真. 该技术利用铺设在地面的编码扁平电缆交叉对线与安装在移动机车上的天线电磁感应实现通信传输, 利用编码扁平电缆中对线的个数及在对线上的编码来得到精确的地址(精度可以达到5mm). 该技术成功的解决工业移动机车实现计算机集中管理控制的两大难题: 中央控制室与移动机车间可靠的数据通信, 移动机车所在位置检测.基于感应无线技术的特点,使得其在焦炉机车自动行走、磁悬浮列车、计算机集成控制技术、智能仓储系统等中得到广泛应用. 以焦炉机车自动行走连锁控制系统为例: 其硬件结构原理如图1所示[1].

图1 用于焦炉机车自动行走连锁控制系统感应无线系统数据通信链路组成框图

可以看出该技术的车上局和地上局的通信是由感应无线编码扁平电缆和天线来实现的, 信息送至感应无线编码扁平电缆和天线都是调制信号, 而送至可编程控制器(PLC)的信号都是编码指令, 需要对指令进行解调. 采用高性能的LM1893芯片为核心的调制解调器比第一代感应无线技术更具有优势.

2 LM1893的介绍

LM1893芯片是由美国国家半导体公司生产的专用电力载波通信的高性能芯片, 该芯片价格低廉, 使用方便, 精度高, 可靠性好. 它集成收发和接送数据的全部功能, 可实现任意编码方式的数字序列半双工通信, 只需与控制器及一些外围元件便可构成完整的电力线载波系统. 采用 FSK抗噪声调制技术, 可选择噪声滤波的脉冲发生器, 数据传输率可达4.8kB, 采用正弦波载频可降低射频干扰, 射频功率可增强10倍, 载波频率可在50～300kHz之间选择[2].

LM1893分为发送和接受两部分, 数据的发送部分由FSK调制器、电流控制振荡器、正弦波发生器、输出放大器及自动电平控制电路(ALC)构成. 接受部分由限幅放大器、锁相环信号解调器、低通滤波器、直流消除电路及噪声滤波电路构成. 电路的发送与接收工作状态由芯片引脚TX/RX控制切换.

当5号引脚为高电平时, LM1893工作于发送模式下, 要发送的数据送入芯片内的FSK调制器, 产生开关控制电流, 驱动电流控制振荡器产生±2.2%频偏的三角波, 三角波经过正弦波发生器形成已调正弦波信号, 经由输出放大器驱动后输出到线路耦合电路, 再发送到电力线上. 电力线路上的负载情况复杂, 当某种原因促使输出幅度超过额定电平时, ALC电路能够有效地控制输出放大器的输出幅度, 使其输出电平保持在稳定范围之内.

当5号引脚为低电平时, LM1893工作处于接受模式, 经耦合电路送来的已调载波信号送入芯片的I/O端口, 由平衡限幅器放大, 取出信号中的直流分量并对耦合进来的工频信号衰减, 送入差分锁相环路, 解调出数据信号. 其中包含有载波的高次谐波、噪音及直流分量, 经三级RC滤波后取出其中的高频分量, 再经直流消除电路除去信号中的直流分量, 送入比较器整形, 经脉冲噪声滤波电路滤除脉冲噪声干扰, 从数据输出端输出解调后的数据信号.

3 LM1839在调制解调器的应用和调制解调器的设计

由图1所示, 移动机车和地面编码扁平电缆之间信号的传输是由电磁感应实现, 而其中信号的调制解调需要一个调制解调器来实现, 基于电力载波通信芯片LM1839的调制解调器具有灵敏度高、抗干扰力强、运行稳定等优点.

3.1 系统信号传送链路及信号调制解调原理

图1为数据通信链路的原理图, 图中上部箭头为生产作业指令(计划指令)的信号流向, 下部箭头为生产工矿信息的信号流向. 虚线则表示感应无线编码扁平电缆与天线之间通过近距离的感应实现信号的双向传递.

计划指令由PC发出后, 经由实时控制中心对计划指令做出处理后形成压缩编码指令, 通过通信模块CP送到地上局, 地上局的调制解调器(IR-MODEM)(主要由LM1839芯片和外设电路构成)将压缩编码指令调制放大后, 由感应无线扁平电缆发出去. 而这个调制技术采用的是频率调制(FM)技术来实现的, 由于本场合的数据传送属于低中速数据传输, 同时属于衰减的传输信道, 故采用FSK技术. 系统要求信号传输的过程中要有稳定性, 同时适合现场的恶劣环境, 也要求其频谱特性和功率频谱密度便于分析解释, 故采用相位不连续FSK信号进行信号调制. 近距离感应的编码扁平电缆将信号传给采用了差分技术的双天线(这样做可以将外界的各种干扰差分消除掉), 天线得到弱信号送至机上局的IR-MODEM, 将信号解调, 解调后即还原为压缩编码指令, 再经车上PLC解释后形成相关的操作操控指令, 由IO单元输出信号控制所需控制各子系统(子系统包括机车的作业, 车上显示屏显示信息, 语音信息等).

同理, 各作业机车的工况信息按照图中下部的箭头方向最终上传到计划记录机, 形成生产记录, 同时传送给实时动画机完成实时工况动态显示[3].

3.2 LM1839芯片用于IR-MODEM的设计

整个系统包括地上IR-MODEM和车上IR-MODEM.

3.2.1 LM1893应于解调模块的设计

LM1893调解电路信号由9号引脚输入, 以及相应的外围电路构成片内的信号限幅、带通滤波、自动控制信号相位同步的PLL锁相环路的调制小输出差成比例信号的鉴相等, 输出片内解调信号,其片内具体流程内容如图2所示.

3.2.2 LM1893应于调制模块的设计

经过MODEM其他电路处理的信号传入LM1893. LM1893和相应的外设件构成信号的调制片内, 片内的功能主要由片内的MOD功能块产生控制电流信号, 再由电流信号控制振荡器模块(ICO)产生工作频率, ICO输出的信号经正弦波发生电路控制载波频率, 载波正弦波信号经自动电平控制(ALC)和片内的功率放大模块后输出片内调制信号. 其具体的片内流程如图2所示[4].

图2 LM1893片内调制解调流程图

图3 调制解调器的流程模块框图

3.3 调制解调器的设计和相关器件的选用

调制解调器的流程模块框图如图3所示.

3.3.1解调器的设计和相关器件的选用

解调器车上局和地上局的信号输入是不同的, 车上局解调器有一个载波信号输入, 信号输入经隔直滤波后两级放大, 放大所采用的运算器为NE5532. NE5532是高性能低噪声运放, 它具有较好的噪声性能,优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽. 是DIP8脚双运放, 电压适应范围宽. 选用其对降低整个IR-MODEM的噪音十分有益, 同时适合天线传输来的微弱信号的运算放大. 限幅在-0.7V至+0.7间,限幅采用二极管构成的电路限幅. 地上局则有两个载波信号输入, 由于感应无线技术中的感应电缆为交叉对线, 可以抑制噪音, 同时也可以获得位置检测数据, 无线部分采用的则是差分技术的双天线感应技术[5], 消除了信道死区和干扰信号, 故调制器有两个载波信号的输入. 经过与车上局相同的滤波放大,其中的一路信号需移相, 再用加法电路使两路信号成为一路信号, 信号经三极管限幅后, 车上局与地上局的信号流链完全相同. 由于LM1893只可实现半双工的通信, 所以传来的信号要在前面的信号处理完毕再接受, 选用模拟开关CD4051来控制, CD4051相当于一个单刀八掷开关, 开关接通哪一路通道, 由输入的3位地址码ABC来决定, INH为禁止端, Vcc为电源端. 当RxEN为低电平时, I/O与COM I/O接通.CD4051模拟开关发出的信号经滤波放大限幅后分为两路传输, 其中滤波包括有源滤波和带通滤波两部分,带通滤波器选用BPF-1带通滤波器.

由于一阶滤波器的滤波效果不够好, 无法满足IR-MODEM的衰减要求, 故采用高阶有源滤波放大电路.[6]此处RC高通滤波放大电路选用的运算放大器是LM218, LM218运算放大器是高精密运算放大器, 可以保证信号的准确度和整个IR- MODEM的可靠度. 信号经过两次滤波放大限幅后, 一路送入LM1893片内进行信号处理, 其具体过程如图3所示. 另一路信号输入仍以LM218运算放大器组成的增益可调的一阶有源高通放大整流载波电路, LM218的3号引脚的信号处于状态决定信号是否送入由比较器LM211所构成的比较电路. 当LM211的3号引脚信号为正半部分时, D3导通D4截止, 信号送入比较器LM211的2号引脚, 当U1的3号引脚上的信号为负半部分时, D4导通D3截止, 信号送不过去, 送过去的信号与Vcc/2比较, 若大于, 则输出“1”, 打与非门送出解调信号, 若小于, 则输出“0”, 封锁与非门.

3.3.2 调制器的设计和相关器件的选用

送入地上的调制器的信号是由PLC发出来的, 信号送入由光电耦合器和隔离数据器及相应的逻辑电路所构成的电路实现, 输入的RS-232电平首先通过电平转换成TTL电平. 隔离数据接收器选用ADM202E, ADM202E具有两个发送器和两个接收器, 是串行收发驱动器芯片, 内部由电压倍增电路和转换电路组成, 仅需要单电源供电就可实现TTL电平与RS-232电平的转换, 外围电路简单, 使用方便. 光电耦合器选用DLP521—2, 可以增加系统电路的安全性, 减小电路的干扰, 同时也可以减少电路设计. 车上调制器具有两个信号输入, 由ADM202E和SN7516以及相应的电路和器件构成的电平转换电路. 经过电平转换后的信号, 需要控制其送入片内调制的先后顺序, 控制电路地上局选用CD4051八选一模拟开关构成的电路, 而车上局却用三极管控制电路. 片内调制后的信号是微弱信号, 无法发射和接收, 只有经过放大后才可以. 由于车上局和地上局的输出结构是不同的, 故车上局和地上局的放大电路是不同的, 地上局的放大电路是一个并联放大电路, 放大电路选用的运算器为LM218.