無線通信監(jiān)控系統(tǒng)研究
時(shí)間:2022-11-23 03:58:32
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摘要:應(yīng)用無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無線監(jiān)控系統(tǒng),用于改變傳統(tǒng)游樂設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)有線布置方式,有利于節(jié)約資源和時(shí)間以及日后的維護(hù)保養(yǎng),保障游樂設(shè)施的安全運(yùn)行。
關(guān)鍵詞:無線通信;GMSK
大型游樂設(shè)施逐漸朝著“更快、更高、更刺激”的方向發(fā)展。而隨之帶來的危險(xiǎn)性也在逐漸增加。目前大型游樂設(shè)施上都布滿了各種傳感器,用于游樂設(shè)施的實(shí)時(shí)檢測監(jiān)控。在游樂設(shè)施信號測量系統(tǒng)中,以往的數(shù)據(jù)傳輸方式常常采用有線傳輸方式,以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性。然而在一些特殊的場合,高溫、野外及條件比較惡劣的環(huán)境中,待測系統(tǒng)中的某些參數(shù)(如溫度、壓力、電壓、電流等)需要實(shí)時(shí)傳輸出來給控制中心,傳統(tǒng)有線方式的應(yīng)用受到限制。在對大型游樂設(shè)施運(yùn)行過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出基于無線數(shù)據(jù)傳輸單元的游樂設(shè)施遠(yuǎn)程安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng),結(jié)合PLC與GSM網(wǎng)絡(luò)等手段,系統(tǒng)多個(gè)監(jiān)控單元分工合作,實(shí)現(xiàn)對游樂設(shè)施的安全監(jiān)控與安全預(yù)警功能。該系統(tǒng)能夠有效預(yù)報(bào)設(shè)備故障,減少事故發(fā)生率,提高設(shè)備的安全運(yùn)行水平。
1系統(tǒng)組成
無線通信系統(tǒng)由發(fā)送單元與接收單元兩部分組成,如圖1所示。在發(fā)射單元,傳感器采集到得模擬量數(shù)據(jù)(電壓、電流、溫度、壓力等)傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器,數(shù)據(jù)處理模塊將A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號編碼得到字節(jié)序列,再經(jīng)過發(fā)射模塊形成調(diào)制信號并送入信道,然后通過無線模塊發(fā)送出去。在接收端,首先接收模塊對接受到的調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào),在數(shù)據(jù)處理模塊恢復(fù)出字節(jié)序列,在電平轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析儲存,并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參量在顯示模塊中實(shí)時(shí)顯示出來。當(dāng)系統(tǒng)參量超過正常范圍時(shí),中心通訊管理軟件發(fā)出報(bào)警信號,現(xiàn)場工作人員通知操作員進(jìn)行檢修或停止工作。傳感器測得的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號,在數(shù)據(jù)處理模塊中,經(jīng)FIR數(shù)字濾波器濾掉其中高頻分量,然后將8位數(shù)字量作為直接數(shù)字頻率合成器DDS相位累加器的輸入信號,用DDS來產(chǎn)生高分辨率、載頻可編程、頻偏可調(diào)的頻率時(shí)變信號,傳輸給發(fā)送模塊通過差分編碼,單邊帶調(diào)制器進(jìn)行GMSK正交調(diào)制,實(shí)現(xiàn)調(diào)頻基帶信號向高頻的搬移,搬移后攜帶信息高頻向空間輻射,進(jìn)行無線通信。數(shù)據(jù)處理模塊如圖2所示。采用ALTERACycloneIIEP2C5T144C8芯片,CycloneII系列FPGA支持Altera公司的NiOSII嵌入式軟核處理器。該芯片具有40萬系統(tǒng)門,8064個(gè)邏輯單元內(nèi)嵌18K位塊RAM,包含4個(gè)時(shí)鐘管理模塊和8個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò),配置芯片(EPCS1),有源晶振及下載調(diào)試接口。整個(gè)芯片劃分為FIR濾波器模塊、DDS(直接數(shù)字頻率合成器)模塊、時(shí)鐘邏輯模塊、采樣控制模塊、儲存控制模塊等電路。時(shí)鐘模塊單元提供時(shí)序工作節(jié)拍,設(shè)計(jì)中采用100MHz的頻率輸出,以保證測控中同步脈沖的實(shí)時(shí)性。存儲單元完成數(shù)據(jù)的暫存與管理,采用“乒乓原理”實(shí)現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的寫入、讀出及管理功能。數(shù)據(jù)處理模塊中的FPGA芯片是發(fā)射單元的核心,用FPGA實(shí)現(xiàn)軟件無線電發(fā)射機(jī),不僅降低了產(chǎn)品成本,減少了設(shè)備體積,滿足了系統(tǒng)的需求,而且比專用芯片具有更大的靈活性和可控性。由于FPGA芯片不能處理模擬量信號,來自傳感器的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量才能輸入到FPGA中進(jìn)行處理。該系統(tǒng)采用AD公司的AD9283芯片,AD9283是8位的A/D轉(zhuǎn)換器,輸入為-0.5~0.5V的模擬信號,內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu),工作電壓為3.3V,A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻電路提供。經(jīng)過編輯的數(shù)字量信號送入發(fā)射模塊進(jìn)行GMSK(高斯濾波最小相移鍵控)編碼,GMSK具有良好的頻譜特性以及誤碼性能,目前已廣泛應(yīng)用于GSM在內(nèi)的眾多無線通信系統(tǒng)中。發(fā)送模塊與接收模塊原理如圖3所示。發(fā)送模塊主要由并串轉(zhuǎn)換、差分編碼和GMSK調(diào)制三個(gè)子模塊組合而成,首先將輸入的字節(jié)序列經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換變?yōu)楸忍匦蛄?,再?jīng)過差分編碼以及GMSK調(diào)制,形成GMSK調(diào)制信號。接受模塊主要由GMSK解調(diào)、差分解碼和串并轉(zhuǎn)換以及幀同步三個(gè)子模塊組成,分別實(shí)現(xiàn)發(fā)送端GMSM調(diào)制和并串轉(zhuǎn)換的逆過程。
2無線系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)射機(jī)通訊軟件和接收機(jī)FPGA的實(shí)時(shí)控制軟件。硬件描述采用VHDL語言,其主要特點(diǎn)在于,能形式化抽象表示電路的行為和結(jié)構(gòu),支持邏輯設(shè)計(jì)中層次與范圍的描述,可借用高級語言的精巧結(jié)構(gòu)來簡化電路行為的描述,具有電路仿真與驗(yàn)證機(jī)制以保證設(shè)計(jì)的正確性,支持電路描述由高層到底層的綜合轉(zhuǎn)換,硬件描述與實(shí)現(xiàn)工藝無關(guān),便于文檔管理,易于理解和設(shè)計(jì)重用。上位機(jī)通訊管理軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理及管理。下位機(jī)軟件是一個(gè)實(shí)時(shí)控制程序,每秒采集新的數(shù)據(jù),并將其發(fā)送出去??刂瞥绦蛄鞒倘鐖D4所示。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以連接不同的傳感器,遠(yuǎn)距離接受測試信號。以江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院真空造浪系統(tǒng)為例,由于油溫、油壓力、電壓、電流直接影響液壓系統(tǒng)的工作,開環(huán)系統(tǒng)對油溫變化非常敏感,為提高系統(tǒng)性能,設(shè)置傳感器監(jiān)控系統(tǒng),采集到的信號通過無線傳輸給計(jì)算機(jī),通過顯示界面將系統(tǒng)測量到的參數(shù)顯示出來,如圖5所示。
3結(jié)語
本文完成了基于無線通信的遠(yuǎn)程游樂設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),以無線的方式將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控系統(tǒng)中,便于對運(yùn)行的游樂設(shè)施的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行分析,以判斷其運(yùn)行是否正常,并可對異常情況進(jìn)行追蹤,確切掌握設(shè)備的實(shí)際特性,有助于判斷需要修復(fù)或更換的零部件和電子元器件,充分利用設(shè)備和零件的潛力,節(jié)約維修費(fèi)用,減少停機(jī)損失。
作者:司曉霞 韓喆 單位:1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 2.中國船舶科學(xué)研究中心
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