CC BY
38
Секция автоматизации научных исследований и экспериментов
УДК 621.396.983.6
И .И. Турулин, В.И. Мартиросян
ЧАСТОТНО-ФАЗОВАЯ СИСТЕМА С АДРЕСНЫМ ОПРОСОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ РАССТОЯНИЙ
.
областях: судоходстве, авиации, геологии, геодезии, картографии, а также в технике и приборах, применяемых в армии, спецслужбах и спецподразделениях. Это далеко не полный перечень. Так, в последнее время наблюдается возрастание интереса к таким системам со стороны специалистов по спортивной медицине для контроля перемещений каждого игрока команды во время матча.
Предлагаемая система предназначена для определения местоположения каждого игрока футбольной команды во время матча или тренировки и записи этой информации на жесткий диск компьютера. Разумеется, система может применяться там, где требуется измерять относительно малые (до единиц километров) расстояния, если существующие навигационные системы (например, система GPS) применять нельзя вследствие недостаточной точности, экранировки сигналов или .
, -
онных систем в основном были разработаны к концу 60-х годов прошлого века [1,2]. Однако в настоящее время наблюдается интенсивное развитие компьютерных технологий и телекоммуникаций, благодаря чему появилась масса дешевых микросхем микроконтроллеров, радиомодемов, а также мощные и дешевые компьютеры. Малость расстояний дает возможность использовать недорогие радиомодемы и осуществлять адресный опрос объектов, что позволяет применять одинаковую аппаратуру для всех объектов независимо от их количества.
, -сти необходим пересмотр структурных решений с учетом новой элементной базы, поскольку многие оптимальные для новой элементной базы структурные решения ранее не прорабатывались как неоптимальные.
. ,
некоторой двумерной прямоугольной области (рис.1). На каждом объекте закреплен радиоответчик, далее по тексту - ответчик. Вне этой области, рядом с ее гра,
ПП1, ПП2 с координатами (x1 ,y1) и (x2 ,y2) соответственно. На рисунке показан ( , ) (x ,y), -
1 2 r1 r2. ( ) -
ветчик содержат радиомодемы и контроллеры, а также аналоговые радиоприемники и радиопередатчики. Надпись возле стрелки, идущей вниз, обозначает частоту , , - .
ответчик принимает радиоимпульс с частотой £ и переизлучает его на частоте к^ . Центральный пост (рис.2) содержит управляющую ЭВМ и радиомодем. Приемопередатчики ПП1 и ПП2 (рис.3) идентичны по структуре, но имеют разные адреса, записанные в энергонезависимую память микроконтроллера (флэш-память). ПП содержит радиомодем, контроллер, генератор качающейся частоты ГКЧ, умножитель частоты УЧ, радиопередающее устройство РПУ, преобразователь фаза-код, преобразователь частоты ПЧ, радиоприемное устройство РПрУ. Преобразование фаза-код частично или полностью осуществляется в контроллере.
Рис.1
Рис.2
Ответчик (рис.4), находящийся на объекте, также содержит РПрУ, ПЧ, РПУ, , . - -.
Работа системы. ЭВМ центрального поста выдает команду активации ПП1. По этой команде включается измерительный тракт ПП1 (все устройства кроме
, ). команду активации ответчика с заданным адресом - включается измерительный тракт ответчика (также все устройства кроме контроллера и радиомодема, которые ).
приемопередатчика вырабатывает сигнал с частотой £ изменяющейся от £ - М / 2 до £ + М / 2, с частотой качания £ (М - девиация частоты). Частота £ умножается на к в блоке УЧ, где к - целое положительное число, и сигнал с частотой £ = к" . , к1
, к1 -
частот. Сигнал с частотой к^ излучается антенной ответчика, после чего принимается блоком РПрУ приемопередатчика ПП1. После этого его частота преобразуется в первоначальную (£) блоком ПЧ. Этот сигнал совместно с сигналом ГКЧ подается на преобразователь фаза-код, с выхода которого код разности фаз Дфо е [-п, п] поступает в контроллер. Контроллер также подсчитывает число М полных циклов изменения фазы при изменении £ от £ - Д£ / 2 до £ + М / 2, рассчитывает с точностью до постоянного коэффициента значение полной фазы Дф = Дф0 + 2пМ и передает его на центральный пост. Далее ЭВМ дезактивирует 1, 2 .
В результате ЭВМ получает значения полной фазы Дф! и Дф2 для ПП1 и ПП2 соответственно, на основе которых рассчитываются расстояния г и г2 от объектов (точнее, ответчиков) до ПП1 и ПП2 соответственно (рис.1).
Рис.3
Рис.4
Как известно, фазочастотная характеристика линии задержки ф(ю) = -2я£т3, где т - время задержки. Очевидно, что при изменении частоты на М набег разности фаз Дф между входным и выходным сигналами линии задержки составит -2лМт рад иан. Следовательно, для ПП1 Дф1 = -2лМт3 1, где т 1 = 2^/с, с - скорость света. Коэффициент «2» в формуле для т 1 учитывает распространение радиосигнала от ПП до объекта и обратно. Отсюда г1 = тз1с / 2 = -Дф1с / (4лМ). Аналогично для ПП2 г2 = т2с / 2 = -Дф2с / (4лД1). Координаты объекта находятся путем элементар-.
Особенности реализации. Очев идно, что для обеспечения мобильности системы желательно, чтобы блоки ПП1 и ПП2 имели батарейное питание. Ответчики же принципиально должны иметь такое питание. В связи с этим необходимо предпринять меры по снижению энергопотребления. В современных контроллерах, например серии АТ90, имеется один или несколько режимов малого энергопо-, -мера. Этот таймер программируется в данном случае так, чтобы контроллер и все остальные блоки были выключены. Периодически таймер запускает контроллер, который включает радиомодем и проверяет наличие сигнала центрального поста. Причем время режима малого энергопотребления меняется адаптивно - в зависимости от частоты опроса объекта или ПП по команде из центрального поста.
В ПП и ответчиках использовано разделение диапазона принимаемых и излучаемых частот (^ и к^), что позволяет осуществить их разделение простыми средствами типа колебательного контура и использовать общую антенну. По этой же причине диапазон частот радиомодема должен существенно отличаться от ^ и к^.
В простейшем случае, если есть кратные разрешенные частоты, в качестве преобразователя частоты в ПП можно использовать делитель частоты в целое чис-, - . реализации дробных коэффициентов умножения и деления в качестве преобразователя частоты можно использовать синтезатор частот. При этом входной сигнал подают на синтезатор вместо сигнала эталонной частоты.
- -, . -( - ) .
Варианты построения системы. Возможна м одификация, при которой система реализуется как чисто фазовая. Частотная модуляция служит лишь для ликвидации неоднозначности по фазе, т.е. идентификации фазовой дорожки. В случае такой модификации повышается точность, поскольку при прочих равных условиях набег фазы будет в ^ /М раз выше по сравнению с описанной выше системой Для данной структуры системы блок ГКЧ можно заменить синтезатором частот и работать на нескольких (в пределе - на двух) частотах. При этом может оказаться дос-
таточным одной частоты, тогда система вырождается в чисто фазовую. Другая мо- . -вляется программным способом путем оценки времени прохождения сигнала от ПП к ответчику и обратно в радиомодемном тракте с помощью таймера контроллера. Однако данную модификацию можно применять только в случае, если максимальная погрешность измерения расстояния временным методом не превышает размеров фазовой дорожки. В противном случае необходимо снижать рабочую частоту фазоизмерительного тракта. Это ведет к росту погрешности и не всегда
- , , -, .
. -шевых навигационных систем для малых расстояний. В макете использованы микросхемы приемников и передатчиков диапазонов частот 300 и 1 000 МГц и двухчастотный генератор вместо ГКЧ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Белавин О.В. Основы радионавигации. - М.: Советское радио, 1967. - 471 с.
2. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1999. - 495 с.
УДК 612.821: 534.232
В.Г. Галалу, П.В. Хало
К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ МОЩНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ
Мощные низкочастотные колебания возникают во время землетрясений, , , . -жит в субсенсорной области, но субсенсорные воздействия, неосознаваемые человеком, вызывают изменения в его электроэнцефалограмме, электрической активности кожи и других биологических параметрах. Используя систему монито-
( ), -века чувствовать колебания инфранизкой частоты, определять мощность и на. - -ственно как повысит эффективность прогнозирования различных природных катаклизмов, так и снизит стоимость экспертной оценки.
,
сопутствующим фактором многих современных профессий (летчики, водители, космонавты и др.). Влияние инфранизких колебаний на человека мало зависит от его индивидуальных особенностей: при частотах порядка 1-2 Гц снижается острота
4 , 4 10 , 10-12 -
блюдается снижение внимания. Эти факторы представляют реальную опасность ,
,
систем с БОС. Основной технической проблемой в подобных системах мониторинга является создание генератора мощных акустических колебаний инфранизкой частоты высокой мощности.
