Система распределенного контроля по двухпроводной линии связи и питания

СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ПО ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ И ПИТАНИЯ Иванов Юрий Борисович, к.т.н., сотрудник Казачкин Антон Владимирович, сотрудник Академия ФСО России

Упрощение структуры и снижение энергопотребления систем распределенного контроля достигается при одновременной передаче информационных импульсов и напряжения питания на датчики по двухпроводной линии связи. В распределенных измерительных системах с совмещенной двухпроводной линией связи и напряжения питания кроме того необходимо решать задачу повышения достоверности обмена информацией.

Распределенные системы с обменом информацией по двухпроводным линиям связи и питания до 1000 м и более широко применяются для технологического контроля параметров производственных процессов, в области телеметрии, в различных системах охраны объектов и дистанционного управления. В таких системах для обмена информацией между центральным пунктом и периферийными терминалами или датчиками применяют совмещенную линию связи и питания. При этом информационный кодированный сигнал либо передают по двухпроводной линии связи через трансформаторы с двумя вторичными обмотками, к средней точке соединения которых подключают источник напряжения питания датчиков, либо суммируют его с питающим напряжением и выделяют с помощью фильтра и декодирующего микроконтроллера [1, 2].

Применение таких способов передачи данных по двухпроводной линии связи приводит к большой потребляемой мощности периферийных терминалов, которая мало зависит от скорости передачи информации и приводит в конечном итоге к уменьшению допустимой длины линии связи из-за потери напряжения на сопротивлении ее приводов. В частности, для повышения амплитуды принимаемых сигналов в датчиках применяют усилители, заграждающие и узкополосные фильтры, детекторы и аналоговые компараторы, а для выделения информационного сигнала из суммарного напряжения регулируют уровни срабатывания применяемых компараторов в зависимости от амплитуды продетектированного сигнала. Все это приводит к снижению достоверности обмена информацией в распределенных системах контроля и управления.

Уменьшение энергопотребления и повышение достоверности передачи и приема данных в распределенных системах контроля с двухпроводной линией связи и питания можно обеспечить следующими способами:

- применением микромощных датчиков контроля параметров объектов;

- использованием КМОП цифровых микросхем и микромощных АЦП;

- формированием широтно-модулированных импульсов тока для передачи данных и получения постоянного напряжения питания датчиков;

- автоматическим регулированием амплитуды передаваемых импульсов тока в зависимости от уровня напряжения в линии связи;

- формированием ответного сигнала в датчиках путем кратковременной побитной коммутации проводов линии связи.

Для реализации таких функций центральный блок управления и обработки данных должен формировать сигнал запроса в виде цифровой последовательности широтно-модулированных импульсов тока, подаваемых по линии связи на датчики с цифровым выходом, которые по его запросу должны формировать ответные сигналы путем изменения длительности импульсов тока. При этом в начале каждого импульса нужно задавать максимальное значение тока, подаваемого от блока управления в линию связи для заряда накопительных конденсаторов, применяемых в амплитудных детекторах датчиков. Затем сравнивать напряжение на линии связи с напряжением питания блока управления, и при достижении их равенства автоматически уменьшать амплитуду импульса тока. Выполнение таких операций позволяет стабилизировать амплитуду импульсов напряжения в линии связи на уровне напряжения питания блока управления.

Для повышения достоверности обмена информацией целесообразно при формировании сигнала запроса в блоке управления первый бит данных, передаваемых по линии связи, формировать в виде короткого импульса тока, соответствующего уровню «Лог. 0», а затем передавать номер опрашиваемого датчика широтно-модулированными импульсами тока. Для получения ответного сигнала от опрашиваемого датчика необходимо сформировать на выходе блока управления последовательность широких импульсов тока, эквивалентных уровню «Лог. 1», длительность которых модулируется ключевым элементом схемы опрашиваемого датчика в зависимости от значения кода, передаваемого от него на блок управления. При этом наличие импульсов тока в линии связи при формировании ответа от датчика следует подтверждать импульсами напряжения, подаваемыми на управляющий микроконтроллер центрального блока управления [3].

Структурная схема распределенной системы контроля с двухпроводной линией связи и питания (рис. 1) содержит блок управления и обработки данных, к которому через линию связи подключены N датчиков. В блоке управления применены: формирователь импульсов ФИ, служащий для преобразования импульсов тока в напряжение, поступающее на мажоритарный элемент МЭ и управляющий микроконтроллер УМК, подключенный через одновибратор ОВ и мажоритарный элемент МЭ к управляемому генератору тока УГТ. Импульсы тока /гт от УГТ поступают на датчики по линии связи, импульсы напряжения на которой сравниваются нелинейным звеном обратной связи ЗОС с напряжением питания блока управления для регулировки амплитуды импульсов тока.

В схеме каждого датчика применены: амплитудный детектор АД, служащий для получения напряжения питания формирователя импульсов ФИ, измерительного преобразователя ИП и микроконтроллера МК. Микрокон-

троллер формирует широтно-модулированные импульсы, пропорциональные выходному сигналу измерительного преобразователя ИП, которыми управляется ключевой элемент КЭ, коммутирующий линию связи. Датчики подключены к этой линии связи параллельно и служат для контроля различных физических величин.

Рис. 1. Структурная схема распределенной системы контроля

Информационный обмен в схеме распределенного контроля реализуется следующим образом (рис. 2). Для запроса номера датчика микроконтроллер УМК блока управления формирует последовательность широтно-модулированных импульсов байта данных, содержащего импульс стартового бита малой длительности 1И = 0,25 Т, составляющей 25 % от периода Т частоты передачи, и короткий импульс первого бита данных 1И1 = 0,25 Т, длительность которого соответствует уровню «Лог. 0» и является признаком передачи информации от блока управления к N датчикам. При этом импульсы тока от блока управления по линии связи одновременно подаются на все датчики и являются не только данными, но и служат для подзарядки накопительных конденсаторов в амплитудных детекторах АД каждого датчика для получения постоянного напряжения питания.

При малой длительности импульса тока в первом бите передачи данных микроконтроллер МК каждого датчика переводится в режим приема данных, после чего УМК формирует информационные импульсы, которыми задается номер опрашиваемого датчика. Большая длительность импульсов 1И2 = 0,75 Т соответствует уровню «Лог. 1», а их малая длительность 1И1 = 0,25 Т - передаче уровня «Лог. 0». Широтно-модулированные импульсы тока проходят по линии связи на формирователь ФИ каждого датчика для получения импульсов напряжения, которые микроконтроллер МК преобразует из последовательного кода в параллельный код. После последнего бита запроса МК датчика сравнивает полученный код с заданным номером датчика. При совпадении кодов микроконтроллер МК опрашиваемого датчика переводится в режим выдачи данных, формируемых измерительным преобразователем ИП, применяемым для контроля параметров.

Для приема информации от датчиков микроконтроллер УМК блока управления в следующем байте формирует стартовый импульс малой длительности 1И1 = 0,25 Т, а остальные информационные биты - большой длительности, составляющей 75 % от длительности периода Т частоты пере-

дачи. При этом микроконтроллер МК опрашиваемого датчика управляет ключевым элементом, который замыкается с задержкой на время 0,25 Т после начала импульса при передаче уровня «Лог. 0», либо вообще не замыкается при передаче бита «Лог. 1».

После приема одного-двух байтов информации от опрашиваемого датчика микроконтроллер УМК блока управления формирует два стоп-бита с общей длительностью ¿сг = 1,75 Т, в течение которой микроконтроллер МК опрошенного датчика выполняет сброс всех входящих в него функциональных узлов. После окончания стоповых битов микроконтроллер УМК блока управления снова переходит в режим передачи данных и выполняет опрос следующего датчика.

I Два стоп-бита I " пере-

Информационные биты-

I Два стоп-бита

Рис. 2. Временные диаграммы работы основных функциональных узлов

распределенной системы контроля

Снижение энергопотребления в системе распределенного контроля обеспечивается за счет применения нелинейного звена обратной связи НЗОС управляемого генератора тока УГТ, уменьшающего амплитуду импульсов тока на его выходе при равенстве напряжения на линии связи выходному напряжению мажоритарного элемента МЭ. По фронту импульса на выходе УМК одновибратор ОВ формирует импульс малой длительности, проходящий через мажоритарный элемент МЭ на управляемый генератор тока УГТ, который формирует максимальный ток для быстрого заряда распределенной емкости линии связи и накопительных конденсаторов в амплитудных детекторах всех датчиков.

После заряда этой суммарной емкости амплитуда напряжения на линии связи становится примерно равной выходному напряжению мажоритарного элемента МЭ, после чего срабатывает нелинейное звено обратной связи НЗОС и уменьшает ток 1ГТ до минимального значения вплоть до окончания широтно-модулированного импульса. При этом обеспечивается автоматическое согласование уровней информационных сигналов блока управления и датчиков.

При приеме информации блоком управления коммутация линии связи ключевым элементом КЭ датчика уменьшает до низкого уровня напряжение в линии связи. При этом срабатывает формирователя ФИ в блоке управления, на выходе которого появляется сигнал «Лог. 0», проходящий через мажоритарный элемент МЭ и выключающий управляемый генератор тока УГТ. В итоге срабатывание ключевого элемента КЭ каждого приво-

дит к уменьшению тока в линии связи и, как следствие, к резкому снижению мощности, рассеиваемой ключевым элементом и управляемым генератором тока.

В разработанной схеме управляемого генератора тока формирователь импульсов собран на диоде ¥01 и резисторе Ш (рис. 3). Импульсы мажоритарного элемента МЭ преобразуются в ток транзисторами ¥Т1, ¥Т2 с резистором К1, а в нелинейном звене обратной связи применены диоды ¥02, ¥03. При напряжении в линии связи меньше напряжения мажоритарного элемента иЛС < иМЭ, то транзистор ¥Т2 формирует максимальный ток Тгт ~ 50 мА, а при иЛС > иМЭ открываются диоды ¥02, ¥03 и уменьшают токи транзисторов ¥Т1, ¥Т2.

обратной связью

Повышение достоверности обмена информацией в распределенной системе контроля обеспечивается за счет следующих факторов:

1) дублирование импульсов тока, формируемых управляемым генератором тока по командам микроконтроллера УМК, импульсами напряжения на выходе формирователя ФИ, которые поступают на вход микроконтроллера УМК и подтверждают правильность передачи широтно-модулированных импульсов тока через линию связи на датчики;

2) обеспечение возможности контроля рабочего состояния каждого датчика при опросе управляющим микроконтроллером по виду ответных ши-ротно-модулированных импульсов;

3) отсутствие импульсов на выходе формирователя ФИ при случайном замыкании линии связи или цепи питания любого из датчиков в процессе формирования импульсов запроса управляющим микроконтроллером (т. е. отсутствие подтверждения правильности передачи данных, по которой можно судить о неисправности системы обмена информацией).

Кроме того, установлено, что в вышеописанной системе распределенного контроля по двухпроводной линии связи и питания реализуется автоматическое согласование амплитуды широтно-модулированных сигналов блока управления и датчиков в стандартном диапазоне питающего напряжения ипиТ = (3.. .5) В современных цифровых микросхем. При этом изме-

нение напряжения питания в диапазоне от 9 до 15 В не оказывает влияния на достоверность обмена информацией.

Список литературы

1. Патент РФ № 2217359, МПК Н04В3/54. Проводной канал телеметрической связи [Текст] / А. И. Иванов, А. И. Любимцев, Д. А. Насыров, А. Р. Нургалиев - опубл. 27.11.2003 г.

2. Патент РФ № 2381627, МПК Н04 Ь5/14, Н04 В1/56. Система дуплексной передачи информации по двухпроводной линии связи [Текст] / А. В. Шадрин - опубл. 10.02.2010 г.

3. Патент РФ № 2534026. Способ сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи [Текст] / Ю. Б. Иванов - опубл. 26.09.2014 г.

ИЗУЧЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ Колпаков Артем Игоревич, студент гр. НМ-41б Шабанова Ирина Александровна, к.ф.-м.н., доцент Танцюра Антон Олегович, к.ф.-м.н., старший преподаватель Юго-Западный государственный университет

В статье рассматриваются результаты исследования намагниченности магнитной жидкости балистическим методом. Показана возможность определения размеров наночастиц из кривой намагничивания.

Актуальность работы связана с тем, что магнитные жидкости (МЖ) до настоящего времени остаются объектом, привлекающим широкий интерес исследователей. Это объясняется не только возможностью их практического применения, но и возникновением целого ряда физических проблем, касающихся только таких сред. Благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как текучесть и способность взаимодействовать с магнитным полем, они обладают и рядом других особенностей, включающих оригинальные магнитомеханические, термомагнитные, магнито- и электрооптические свойства, исследованию которых посвящено достаточно большое количество работ.

Один из методов определения магнитных параметров МЖ, называемый магнитогранулометрическим методом, позволяет построить кривую намагничивания МЖ, зависимость намагниченности МЖ от напряженности магнитного поля. Данная зависимости дает возможность судить о размерах наночастиц и их взаимодействии с магнитным полем [1].

Хотя баллистический метод известен давно, но измерительная база его не подвергалась реконструкции с применением последних достижений измерительной и приборной техники. В исследовании проведена полная модернизации измерительной установки для анализа магнитных жидкостей магнитогранулометрическим методом. Преимущество данного метода заключается в том, что он абсолютный [2]. Блок схема модернизированной установки представлена на рис. 1.

Даная методика позволяет получить уточненные данные по зависимости и форме кривой намагниченности для малоконцентрированных магнитных жидкостей, а также установить детальную картину зависимости намагниченности в малых полях Н = 0 - 12 кА/м.

Ампула с образцом МЖ помещается внутри одной из двух одинаковых катушек индуктивности [3], включенных в противоположном направлении и установленных на вращающемся штоке. Затем измерительная ячейка помещается между полюсами лабораторного электромагнита и подключается к микровеберметру.

Рисунок 1 - Установка для определения кривой намагничивания магнитной

жидкости: 1 - катушки электромагнита; 2 - полюсные наконечники; 3 -установка для анализа кривой намагничивания МЖ; 4 - встречно намотанные измерительные катушки; 5 - микровеберметр; 6 - измеритель магнитной индукции; 7 - источник постоянного тока; 8 - аналого-цифровой преобразователь

При повороте штока ячейки на 180 наблюдается изменение магнитного

потока Фм: ЛФ = ^>(М"("М№ = 2^>MS, где S = *d2/4. Намагниченность может быть рассчитана по формуле:

M =

2ЛФ,

пй2ц0п

?

где d - внутренний диаметр ампулы, п - число витков в одной катушке, N -размагничивающий фактор. По этой методике относительная погрешность измерений составляет около 5%.

Начальную магнитную восприимчивость образцов МЖ можно найти по начальному наклону кривой намагничивания:

X о

_ M

да J Xо _ тт

UH J Н^о или H