АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЗОНД С ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ЦИФРОВОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в современных системах радиозондирования атмосферы для измерения вертикальных профилей метеовеличин.
Аэрологический радиозонд с пакетной передачей информации по цифровому каналу связи может быть применен в системах радиозондирования атмосферы построенных по радиолокационному принципу, в том числе совместно с радиолокационными станциями МАРЛ-А и «Вектор-М» с доработкой соответствующего программного обеспечения.
Известен цифровой радиозонд со сверхрегенеративным приемопередатчиком (РФ, ПМ №106395 МПК G01S 13/95, от 11.06.2010 г., опубликовано 10.07.2011 г.) содержащий сверхрегенеративный приемопередатчик с приемопередающей антенной радиозонда, микроконтроллер с цифровым программируемым устройством и аналого-цифровым преобразователем, кварцевый резонатор, выходы двух метеопараметров окружающей среды, входную/выходную шину последовательного интерфейса, первый, второй и третий каналы измерения метеопараметров.
Указанный радиозонд был выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Недостатком данного радиозонда является наличие дополнительного промежуточного преобразования сигнала из цифрового кода в частотные сигналы телеметрии, что вносит дополнительные искажения в результат измерений. Телеметрический сигнал прототипа состоит из опорного канала и нескольких каналов метеовеличин разделенных по времени, каждый из которых представляет последовательность видеоимпульсов период которых связан с измеряемой величиной, такой способ передачи информации имеет низкую помехоустойчивость, низкую скорость и как следствие ограничивает объем передаваемой информации.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является улучшение точности измерения профилей метеорологических величин и повышение эксплуатационных характеристик, за счет увеличения скорости передачи телеметрической информации, исключения дополнительной погрешности преобразования цифрового кода в частотный сигнал, повышения помехоустойчивости, минимизации ошибок возникающих при передаче, обработке и декодировании сигнала радиозонда.
Для решения поставленной задачи, в аэрологическом радиозонде с пакетной передачей информации по цифровому каналу связи, содержащим опорный резистор, датчик температуры, датчик влажности, коммутатор, измерительный преобразователь, детектор фронта, таймер счетчик, аналого-цифровой преобразователь, центральное процессорное устройство, генератор тактовых импульсов, кварцевый резонатор, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство, сверхрегенеративный приемопередатчик, антенную систему, стабилизатор напряжения, батарею питания, согласно полезной модели, центральное процессорное устройство формирует кадры цифровых данных содержащих информацию об измеренных метеопараметрах, которые при помощи сверхрегенеративного приемопередатчика с подключенной к его выходу антенной системой передаются по цифровому каналу связи.
Формирование центральным процессорным устройством кадров цифровых данных содержащих информацию об измеренных метеопараметрах, которые при помощи сверхрегенеративного приемопередатчика с подключенной к его выходу антенной системой передаются по цифровому каналу связи позволяет:
- исключить ошибку измерения, возникающую в результате промежуточного преобразования цифрового кода в частотный сигнал;
- увеличить скорость передачи данных по цифровому радиоканалу, что позволит повысить точность построения профилей измеряемых метеовеличин;
- повысить помехоустойчивость системы радиозонд - базовая станция;
- увеличить объемы передаваемой информации и ввести дополнительную избыточность информации, что позволит легче восстанавливать исходный сигнал в условиях больших удалений радиозонда от точки выпуска.
В результате патентных исследований не выявлено аналогичных технических решений, характеризуемых заявленной совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает «новизной», может найти применение в измерительной технике, т.е. является «промышленно применимым».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показана общая схема устройства.
оп
Радиозонд содержит опорный резистор R 1, датчик температуры ДТ 2, датчик влажности ДВ 3, коммутатор К 4, измерительный преобразователь ИП 5, детектор фронта ДФ 6, таймер-счетчик ТС 8, аналого-цифровой преобразователь АЦП 7, центральное процессорное устройство ЦПУ 10, генератор тактовых импульсов ГТИ 13, кварцевый резонатор ZQ, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство ЭСППЗУ 12,, сверхрегенеративный приемопередатчик СПП 11, антенную систему А, стабилизатор напряжения СН 9, батарею питания G.
Схема радиозонда имеет следующие соединения.
оп
Выходы опорного резистора R 1 и датчика температуры ДТ 2 соединены с первым и вторым входом коммутатора К 4. Первый выход центрального процессорного устройства ЦПУ 10 соединен управляющей шиной с третьим входом коммутатора К 4.
Выход коммутатора К 4 соединен с первым входом измерительного преобразователя ИП 5.
Выход измерительного преобразователя ИП 5 соединен с входом детектора фронта ДФ 7.
Выход детектора фронта ДФ 6 соединен с входом таймера счетчика ТС 8.
Выход таймера счетчика ТС 8 соединен с первым входом центрального процессорного устройства ЦПУ 10.
Выход датчика влажности ДВ 3 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя АЦП 7.
Выход аналого-цифрового преобразователя АЦП 7 соединен с вторым входом центрального процессорного устройства ЦПУ 10.
Выход генератора тактовых импульсов ГТИ 13 соединен с третьим входом центрального процессорного устройства ЦПУ 10. В цепь обратной связи генератора тактовых импульсов ГТИ 13 включен кварцевый резонатор ZQ.
Центральное процессорное устройство ЦПУ 10 и электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство ЭСППЗУ 12 соединены по двунаправленной шине.
Второй выход центрального процессорного устройства ЦПУ 10 соединен с первым входом сверхрегенеративного приемопередатчика СПП 11. Выход сверхрегенеративного приемопередатчика СПП 11 соединен с антенной системой А.
Таймер счетчик ТС 8, детектор фронта ДФ 6, аналого-цифровой преобразователь АЦП 7, центральное процессорное устройство ЦПУ 10, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство ЭСППЗУ 12 и генератор тактовых импульсов ГТИ 13 выполнены на базе одного микроконтроллера МК.
Батарея питания G подключена к входу стабилизатора напряжения СН 9. Первый выход стабилизатора напряжения СН 9 соединен с входом датчика влажности ДВ 3, четвертым входом коммутатора К 4, вторым входом измерительного преобразователя ИП 5 и входами питания устройств микроконтроллера МК. Второй выход стабилизатора напряжения СН 9 соединен с вторым входом сверхрегенеративного приемопередатчика СПП 11.
В качестве датчика влажности используются емкостные датчики со встроенным преобразователем емкость-напряжение, например датчики HIH-4000, HIH-5030, HIH-5031 фирмы Honeywell. В качестве датчика температуры используются высокоомные термисторы, например СТ3-18, ММТ-1 и др. В качестве опорного резистора используется резистор с малым значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС), например С2-29 В. В качестве коммутатора используются например мультиплексоры типа 4051, 4052, 4053 и др. В качестве измерительного преобразователя используются схемы преобразователей сопротивление-частота, например выполненные на микросхемах LMC555, ICM7555, КР1006ВИ1, LM392, AD8542, LMV331 и др. В качестве микроконтроллера используются микроконтроллеры со встроенным модулями аналого-цифрового преобразователя, детектора фронта, таймера счетчика, электрически стираемого программируемого постоянного запоминающего устройства, генератора тактовых импульсов, например из серии ATMega фирмы ATMEL, STM8S фирмы STMicroelectronics, LPC13xx фирмы NXP и т.п. В качестве стабилизатора напряжения используется например схема питания аэрологического радиозонда выполненная на основе патента на полезную модель №82344. Сверхрегенеративный приемопередатчик может быть выполнен, например на основе патента на изобретение №2291467.
оп
оп
оп
Радиозонд работает следующим образом. Центральное процессорное устройство ЦПУ 10 формирует сигнал управления коммутатором К 4. Коммутатор К 4 подключает к входу измерительного преобразователя ИП 5 либо датчик температуры ДТ 2, либо опорный резистор R 1 в соответствии с алгоритмом работы, реализованным в программе микроконтроллера МК. Измерительный преобразователь ИП 5 представляет собой генератор прямоугольных импульсов, частью времязадающей цепи которого является опорный резистор R 1 или датчик температуры ДТ 2 в зависимости от текущего состояния коммутатора К 4. На выходе измерительного преобразователя ИП 5, таким образом, формируется последовательность прямоугольных импульсов, период следования которых в разные моменты времени зависит от сопротивления опорного резистора R 1 или датчика температуры ДТ 2.
Детектор фронта ДФ 6 обнаруживает нарастающий (спадающий) фронт импульса, по которому состояние таймера-счетчика ТС 8 фиксируется центральным процессорным устройством ЦПУ 10, после чего состояние таймера-счетчика ТС 8 обнуляется.
Выходное напряжение датчика влажности ДВ 3 оцифровывается аналого-цифровым преобразователем АЦП 7, состояние которого фиксируется центральным процессорным устройством ЦПУ 10.
Центральное процессорное устройство ЦПУ 10 используя оцифрованные значения напряжения канала влажности, периодов каналов опоры и температуры, функции преобразования датчика температуры ДТ 2, датчика влажности ДВ 3 и измерительного преобразователя ИП 5 заложенные в алгоритме работы микроконтроллера МК и градуировочные коэффициенты датчика температуры ДТ 2, датчика влажности ДВ 3 и измерительного преобразователя ИП 5 хранящиеся в электрически стираемом программируемом постоянном запоминающем устройстве ЭСППЗУ 12 производит вычисление фактических значений температуры и относительной влажности воздуха. После чего центральное процессорное устройство ЦПУ 10 подготавливает полученные данные для передачи по цифровому каналу данных: осуществляет кодирование, формирует кадр цифровых данных.
В сверхрегенеративном приемопередатчике СПП 11 генерируются несущая частота излучения и частота суперизации, а также выполняется частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) частоты суперизации цифровым сигналом, сформированным в центральном процессорном устройстве ЦПУ 10, и амплитудная модуляция несущей частоты частотой суперизации. Сформированный сигнал передается при помощи антенной системы А по цифровому каналу связи. Функции формирования частоты суперизации и частотно импульсной модуляции цифровым сигналом могут быть также реализованы на микроконтроллере с довольно высокой тактовой частотой. В радиолокационных системах радиозондирования для определения наклонной дальности до радиозонда, сверхрегенеративный приемопередатчик формирует ответный сигнал на запросный импульс посылаемый радиолокационной станцией.
Для тактирования центрального процессорного устройства ЦПУ 10 в микроконтроллере имеется встроенный генератор тактовых импульсов ГТИ 13, в цепь обратной связи которого включен высокостабильный кварцевый генератор ZQ.
Питание радиозонда осуществляется от батареи питания G, напряжение которой преобразуется до уровней необходимых для работы узлов радиозонда при помощи стабилизатора напряжения СН 9.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения профилей метеорологических величин и повысить эксплуатационные характеристики, за счет увеличения скорости передачи телеметрической информации, исключения дополнительной погрешности преобразования цифрового кода в частотный сигнал, повышения помехоустойчивости, минимизации ошибок возникающих при передаче, обработке и декодировании сигнала радиозонда.