Разработка электронных реле с управлением по бортовой сети постоянного тока автомобиля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Мурзин Ильшат Айдарович

• Мурзин Ильшат Айдарович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мурзин Ильшат Айдарович

Список сокращений

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор методов и средств передачи сигналов

по электропроводке автомобиля

1.1. Структура современного автомобильного охранного комплекса

1.2. Способы и технические средства организации блокировок в автомобильных сигнализациях

1.2.1. Проводная блокировка

1.2.2. Проводная блокировка (цифровая шина)

1.2.3. Беспроводные блокировки

1.3 Аналитический обзор моделей и способов передачи сигнала

1.3.1. Передаточные функции

1.3.2. Входное сопротивление линии

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Модель электропроводки автомобиля при прямой цифровой передаче управляющих сигналов

2.1. Электрическая модель автомобильного аккумулятора

2.2. Оценка индуктивности и сопротивления проводов электропроводки автомобиля

2.3. Модель передатчика импульсного сигнала

2.4. Влияние нагрузок на процессы в электропроводке

2.5. Приемник импульсного сигнала

2.6. Расширенная модель электропроводки автомобиля

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Исследование импульсных шумов в

электропроводке автомобиля

3.1. Аналитический обзор методов и результатов измерений шумов

3.1.1. Распределение амплитуды импульсов

Стр.

3.1.2. Распределение псевдочастоты

3.1.3. Распределение длительности импульса

3.1.4. Распределение 1АТ

3.1.5. Импульсный шум с высокой частотой повторения

3.1.6. Низкая частота повторения импульсных помех

3.1.7. Периодические волны

3.2. Исследование импульсных шумов и помех низкочастотного диапазона от штатных потребителей автомобиля

3.2.1. Обработка количества импульсов по интервалам 100 и 6400 мкс

3.2.2. Распределение временных интервалов между импульсами

3.3. Импульсные помехи от дополнительного оборудования

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Алгоритмы кодирования-декодирования пакетов импульсных сигналов при прямой цифровой передаче

4.1. Энергетические ограничения при передаче импульсного сигнала по штатной электропроводке автомобиля

4.2. Асинхронный алгоритм №1

4.3. Асинхронный алгоритм №2

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Техническая реализация и экспериментальные исследования характеристик беспроводных реле

5.1. Принципиальная электрическая схема и электронная плата

беспроводного реле

5.2. Экспериментальные исследования серийных образцов реле

5.3. Методика настройки пороговых значений компаратора

Выводы по главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Приложение

Список сокращений

PLC - передача сигнала по цепям электропитания. LIN - локальная сеть межсоединений. CAN - локальная сеть контроллера.

OFDM - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов.

IAT - межимпульсный временной интервал.

VNA - векторный сетевой анализатор.

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика.

CDF - интегральная функция распределения вероятности.

PSD - спектральная мощность.

FSK - двоичная частотная манипуляция.

BER - ошибка по битам.

IFFT - обратное быстрое преобразование Фурье.

АКБ - аккумуляторная батарея.

ОУ - операционный усилитель.

МО - моторный отсек автомобиля.

ЭБУ - электронный блок управления двигателем.

АСС - замок зажигания подключает аксессуары автомобиля.

ON (IGN) - замок зажигания подключает цепи зажигания.

START - поворот ключа зажигания в положение запуска двигателя.

МП - микропроцессор.

БУКЛ - блок управления климатической установкой.

БУЭК - блок управления электрооборудованием кузова.

ЩП - щиток приборов.

ЗЖГ - замок зажигания.

ДКУ - датчик кислорода управляющий.

ДКД - датчик кислорода диагностический.

БН - бензонасос.

ЭКК - электромагнитный клапан компрессора.

ЭМК - электромагнитная муфта компрессора. ВСО - вентилятор системы охлаждения. БУСД - блок управления системой доступа. БУРБ - блок управления ремнями безопасности. СВ - сиденье водителя. СП - сиденья пассажиров.

КФГР - клапан изменения фаз газораспределения.

МРПС (МРЗС)- мотор-редуктор переднего (заднего) стеклоочистителя.

КЗАЖ - катушка зажигания.

ПРП (ПРЗ) - прикуриватели передний (задний).

БУВ - блок управления вариатором.

БУПП - блок управления полным приводом.

БУСС - блок управления системы стабилизации.

БУРУ - блок электроусилителя рулевого управления.

БУСП - блок управления стеклоподъемниками.

НОСТ - электронасос омывателя стекол.

БЯБ - блок управления подушками безопасности.

ЗПФ - задний противотуманный фонарь.

ФНЧ (ФВЧ) - фильтр нижних (верхних) частот.

ПФ - полосовой фильтр.

СКО - среднеквадратическое отклонение.

ШИМ - широтно-импульсная модуляция.

БМО - элементы для поверхностного монтажа.

МЭМС - микроэлектромеханический акселерометр.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электронных реле с управлением по бортовой сети постоянного тока автомобиля»

Введение

Современная наука об автомобильном бортовом оборудовании и автомобильных системах автоматического управления развивается в двух направлениях [1]: в направлении поиска способов улучшения параметров и характеристик существующих устройств, систем, аппаратов и приборов; в направлении разработки новых функциональных узлов, систем и блоков, обеспечивающих рабочие процессы в автомобиле. В работе [2] показано, что 80% инноваций в современном автомобиле связаны с электроникой, и эта тенденция, безусловно, сохранилась до сих пор. Совокупность систем автомобильной бортовой автоматики получила наименование «Автотронное» оборудование [1]. Автотронная система имеет широко разветвленную периферию и электронно-вычислительный блок управления -бортовой компьютер. Для согласования входной периферии с компьютером и компьютера с выходной периферией применяется интерфейсная (соединительная) подсистема.

В настоящее время в качестве физической среды для передачи сигналов между бортовым компьютером, электронными блоками управления и исполнительными устройствами используются витые пары или оптоволоконные кабели. В соответствии с требованиями по скорости передачи данных, в настоящее время связь в автомобилях реализуется с использованием трех протоколов: локальная сеть межсоединений (LIN), локальная сеть контроллера (CAN) и FlexRay. Все эти протоколы используют линию постоянного тока +12 В в качестве источника питания электронных блоков и выделенные линии для обеспечения связи. Растущее число электронных блоков приводит к росту числа проводных соединений, а жгуты проводки являются наиболее дорогим автомобильным компонентом. Затраты, связанные с проводкой, не ограничиваются только стоимостью материала и модулей: новые провода увеличивают вес автомобиля, увеличивая тем самым потребление бензина, требуют сложной конструкции сетей при обеспечении надежности связи.

В этих условиях, технология управления по линии питания +12 В (Power

Line Communication - PLC) [3, 4] позволяет сократить число проводных шединений. Элементы, входящие в системы управления автомобиля и использующие технологию PLC, могут обмениваться информацией между собой через сеть питания +12 В без дополнительных выделенных проводов для канала связи.

За последнее десятилетие были достигнуты значительные успехи в развитии PLC для домашних и офисных сетей переменного тока 220 В. Вопрос заключается в том, возможно ли перенесение технологии PLC на автомобильную проводку с учетом ее специфики и удовлетворения требований к автомобильной электронике

[5].

Отечественные работы по применению технологии PLC для автомобильных приложений практически отсутствуют. Многочисленные исследования зарубежных авторов, в частности [6-20, 33-41], показывают, что невозможно напрямую применить результаты, полученные для сетей переменного тока к автомобилям, потому что геометрические характеристики и древовидная структура кабельных жгутов в этих средах абсолютно разные. Исследования показывают, что потери кабельных линий автомобиля в полосе частот 0.500-30 МГц значительно больше, чем в домашних сетях и составляют от -10 дБ, до -80 дБ. Линия PLC автомобиля обладает низким входным сопротивлением, обусловленным в значительной мере низким внутренним сопротивлением автомобильного аккумулятора. Кроме того, каналы передачи данных по электропроводке автомобиля, в отличие от домашних сетей, в большей мере зависят от многочисленных случайным образом подключающихся электрических потребителей, таких как разнообразные электроприводы, антиблокировочная система, стеклоподъемники и.т.п. Их подключение приводит к резким изменениям сопротивлений нагрузок в линии передачи в течение коротких интервалов времени и, как следствие, к изменению свойств линии.

В автомобильной проводке присутствует гораздо больше импульсных помех, генерируемых многочисленными потребителями, причем временные и спектральные характеристики помех в сильной мере отличаются от помех сетей переменного тока [16, 20-22, 23-32].

Подводя итог рассмотренным исследованиям зарубежных авторов, отметим, что постановка задачи практически всегда требовала обеспечение высокоскоростной связи между любыми точками проводки. Анализ частотных характеристик проводки (а они содержали многочисленные провалы усиления на частотах, которые трудно предсказать теоретически) привел к необходимости использования сложных методов модуляции и кодирования сигнала, таких как OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Связь по OFDM требует больших аппаратных и программных затрат. Модемы, используемые для передачи данных, дорогостоящи, и, как следствие, в настоящее время производители автомобилей не решаются использовать технологию PLC вместо выделенных двухпроводных шин.

Но технологию PLC можно применять не только на этапе производства новых автомобилей, заменяя ей проводные шины. Обширная область применения связана с дополнительным оборудованием, которое устанавливается на новые или подержанные автомобили их владельцами самостоятельно или в специализированных центрах. В частности, в автомобильных системах контроля и управления доступом (автомобильных сигнализациях и охранных комплексах) используются электронные реле, управляемые по технологии PLC.

Такие изделия получили название беспроводных реле. Они могут быть использованы как для целей блокировки (разрыва цепей для препятствования угону), так и в составе систем управления. Например, в системе управления плавным торможением угнанного автомобиля, кратковременно прерывая цепи бензонасоса, датчиков, зажигания и т.п., до полной остановки автомобиля.

Управляющий сигнал по электропроводке автомобиля передается главным модулем автосигнализации. Штатная силовая электропроводка распространена по всему автомобилю и поэтому электронные беспроводные реле могут быть установлены практически в любом месте. Число используемых блокировочных реле ничем не ограничено. Более того, даже обнаружив главный управляющий модуль, остается неясным, сколько же использовано блокировочных реле, и какие цепи они прерывают. Снижение трудоемкости монтажа очевидны, т.к. прокладывать

провода от блока автосигнализации не нужно. В отличие от радиореле, беспроводные реле не подвержены внешним помехам.

По существу, беспроводные реле являются элементами систем скрытого дистанционного управления, входящими в состав информационных и управляющих систем автомобиля.

Первые беспроводные реле появились в середине 90-х годов прошлого столетия. С тех пор около десятка российских фирм производителей на разных этапах своей деятельности с тем или иным успехом применяли эту технологию. Первой достигла успехов в разработке и серийном выпуске беспроводных реле фирма Альтоника [42]. Беспроводные реле выпускались фирмами СтарЛайн, Мэджик Ринг, ТЭК Электроникс, Magic Systems, Вист Сервис, Stopol Group и Изиком. Следует отметить, что научные исследования по беспроводной передаче данных, применительно к автомобильным сигнализациям практически не велись. Отечественные публикации по данной тематике носят исключительно рекламный характер. Это объясняется, во-первых, закрытостью разработок и нежеланием делиться ими с конкурентами. Во-вторых, а это, пожалуй, самое главное, фирмы-разработчики шли исключительно путем проб и ошибок. Инженеры создавали макетные образцы, затем опытные и серийные партии, испытывая и дорабатывая реле в процессе многочисленных установок на автомобили. За более чем двадцатилетний срок применения таких реле не вышло практически ни одной научной статьи, из которой можно было бы понять принцип передачи сигнала, проблемы распространения сигналов по проводке, анализ шумов и помех в проводке и методов борьбы с ними, и.т.п.

Беспроводные реле успешно применялись на протяжении более чем 20 лет. Однако, усложнение электрооборудования современных автомобилей, появление новых электронных блоков, являющихся источниками помех и нагружающих все более разветвленную электропроводку, постепенно привело к тому, что вероятность декодирования беспроводного сигнала снизилась. Это объясняется тем, что способы передачи данных в электропроводку, алгоритмы кодирования и декодирования цифровых пакетов, созданные в середине 90-х годов и не менявшиеся с

тех пор, перестали удовлетворять новым условиям. Потребители столкнулись с проблемами ненадежной работы беспроводных реле, а производители, увлекшись радиореле и управлением по цифровой шине, стали постепенно отказываться от беспроводной технологии передачи. Беспроводные реле по-прежнему востребованы потребителями, но наблюдается некоторая «боязнь» применения, основанная на опыте эксплуатации. Для преодоления этой проблемы требуется разработка беспроводных реле нового поколения, обеспечивающих практически 100% работоспособность на любых современных автомобилях.

Передача цифрового управляющего сигнала по автомобильной проводке может быть организована двумя способами: с модуляцией сигнала, или с помощью прямой цифровой передачи [44]. Отметим строгие ценовые ограничения, которые предъявляются к беспроводным реле. Необходимо, чтобы их цена для конечного потребителя не превышала 20-30 $. Опыт продаж показывает, что превышение этой цены (а на автомобиль может быть установлено несколько реле) приводит к отказу потребителей от покупки, даже пусть и в ущерб угоностойко-сти автомобиля. Такая конечная цена, с учетом налогов и прибыли производителя, предполагает себестоимость реле на уровне 7-10 $. И здесь применение модулированной передачи, даже на одной несущей частоте с использованием стандартных промышленных трансиверов, например БТ7580 [43], неприемлемо по ценовым ограничениям.

При жестких ценовых ограничениях единственным выходом является применение прямой цифровой передачи сигнала. Она может быть реализована с использованием всего одного выхода микроконтроллера главного модуля и транзистора, работающего в ключевом режиме. На приемной части необходим лишь полосовой фильтр и импульсный усилитель. Применение цифровой передачи в беспроводных электронных реле, несомненно, предпочтительнее, но требует решения ряда задач, главной из которых является выделение на приемной части цифрового сигнала малого уровня на фоне импульсных помех.

Сказанное выше, подтверждает актуальность научно-технической задачи создания электронных реле, использующих прямую цифровую передачу сигнала по штатной электропроводке автомобиля.

Цель настоящей диссертации - разработка и анализ методов и алгоритмов прямой цифровой передачи управляющих сигналов по бортовой сети постоянного тока автомобиля и создание на их основе электронных реле, как элементов скрытого дистанционного управления в автомобильных охранных комплексах.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Аналитический обзор методов и моделей передачи сигналов по штатной электропроводке автомобиля и обоснование применения метода прямой цифровой передачи при управлении электронными беспроводными реле автомобильных охранных комплексов.

2. Рациональный выбор параметров и элементов передатчика и приемника импульсного сигнала для организации системы связи на основе прямой цифровой передачи.

3. Разработка электрической модели проводки автомобиля в виде комплекса взаимосвязанных потребителей энергии, соединенных отрезками проводки через распределительные узлы, с целью анализа основных факторов, влияющих на передачу и прием импульсного сигнала.

4. Аналитический обзор и классификация источников импульсных помех в электропроводке автомобиля, исследование их амплитудных, временных и частотных характеристик с целью разработки методов выделения полезного сигнала на фоне шумов и импульсных помех.

5. Разработка новых алгоритмов кодирования и декодирования, обеспечивающих работоспособность беспроводных электронных реле в условиях нестационарных импульсных помех.

6. Проверка работоспособности предложенных алгоритмов с использованием методов математического моделирования, полунатурных испытаний в лабора-

торных условиях и экспериментальных исследований беспроводных реле в составе автомобильного охранного комплекса.

7. Техническая реализация беспроводных реле и подтверждение их работоспособности при установках на современных автомобилях различных марок.

Методы исследования. Основные научные результаты получены с использованием методов теории электрических цепей, теории автоматического управления, теории вероятности, математического моделирования, аналоговой и цифровой схемотехники.

Достоверность научных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, опытом практического использования разработок в производственной и научной областях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана электрическая модель в виде комплекса взаимосвязанных источников и потребителей энергии, соединенных проводами бортовой сети, обеспечивающая анализ факторов, влияющих на передачу и прием импульсного сигнала.

2. Предложена классификация импульсных шумов в электропроводке автомобиля по широкому спектру признаков, позволяющая с единых методических позиций проводить систематизацию, осуществлять сравнительный анализ амплитудных, частотных и временных характеристик шумов.

3. Разработаны программно-аппаратные средства измерения импульсных шумов в диапазоне частот прямой цифровой передачи сигнала, предложены алгоритмы обработки для получения статистических параметров шумов и интегральных функций распределения вероятности межимпульсных временных интервалов.

4. Предложены и проанализированы алгоритмы кодирования и декодирования пакетов импульсных сигналов, использующие плавающий порог компаратора

приемника, и позволяющие выделять управляющие сигналы на приемной части электронных реле при совместном воздействии импульсных помех от электронных блоков автомобиля и подключаемого дополнительного оборудования.

5. Разработана методика автоматизированного выбора порогов компаратора приемника, обеспечивающая декодирование сигнала на фоне нестационарных импульсных помех.

6. Предложены усовершенствованные схемы электронных реле, управляемых по бортовой сети постоянного тока и обеспечивающих повышенную стойкость автомобиля к угону.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана Multisim-модель, состоящая из передатчика, электропроводки и приемника, позволяющая проводить анализ факторов, влияющих на характеристики передаваемого импульсного сигнала, и формировать рекомендации по выбору мест подключения передатчика и электронных реле. Предложенная модель может быть использована в процессе обучения монтажников дополнительного оборудования автомобилей.

2. Разработан и технически реализован программно-аппаратный комплекс по измерению и обработке импульсных шумов в электропроводке автомобиля. Комплекс может быть использован для исследования шумовых характеристик бортовой сети современных автомобилей и в процессе монтажа электронных блокировочных и сервисных реле.

3. Разработано программное обеспечение и тестовое оборудование, используемое монтажниками для выбора мест подключения электронных реле. Оборудование позволяет определить точки электропроводки автомобиля, подключение к которым позволяет гарантировать прием и декодирование сигнала электронным реле при различных режимах эксплуатации автомобиля.

4. Разработаны электрические схемы и программы для микроконтроллеров электронных реле, что позволило создать серийную партию блокировочных и сервисных реле для автомобильных охранных комплексов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 6 научно-технических конференциях, в том числе: на международных IEEE конференциях EIConRus (г. Зеленоград, 2019 г.), ICIEAM (г. Сочи, 2019 г.), SIBCON (г. Томск, 2019 г.), RusAutoCon (г. Сочи, 2019 г.), на 77-й Международной научно-методической и научно-исследовательской конференции (МАДИ, г. Москва, 2019 г.), на Международной научно-практической конференции «Воздействие научно-технической революции на характер связи науки с производством» (г. Челябинск, 2017 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты исследований по теме диссертационной работы, подтвержденные актом внедрения, реализованы при создании серийных партий беспроводных электронных реле и тестового оборудования автомобильных охранных комплексов фирмы Мэджик Ринг ЛТД.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Электрическая модель штатной проводки автомобиля в виде комплекса подключаемых потребителей энергии, позволяющая на качественном уровне анализировать процессы передачи и приема импульсного сигнала.

2. Результаты анализа импульсных шумов в электропроводке автомобиля, на основе которых разработаны новые алгоритмы кодирования и декодирования пакетов управляющих сигналов, обеспечивающие работоспособность электронных реле при воздействии импульсных помех от электронных блоков автомобиля и подключаемого дополнительного оборудования.

3. Двухуровневая методика автоматизированного выбора порогов компаратора приемника, обеспечивающая декодирование сигнала на фоне нестационарных импульсных помех.

4. Результаты разработки электронного реле, управляемого по бортовой сети постоянного тока автомобиля и обеспечивающего повышенную стойкость автомобиля к угону.

Публикации по теме диссертации.

Основные результаты диссертации изложены в 11 печатных работах общим объемом 6.1 печатных листов, включая 6 научных статей в рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ; 4 статей в сборниках докладов международных IEEE конференций, индексируемых в наукометрических базах Scopus и Web of Science; одной статьи, проиндексированной в РИНЦ.

Структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, списка литературы из 77 наименований. Материал изложен на 193 страницах с 99 рисунком и 35 таблицами в тексте.

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Здесь же приводится обзор содержания диссертации по разделам.

Глава 1. Аналитический обзор методов и средств передачи сигналов по штатной электропроводке автомобиля.

Глава носит обзорно-вводный характер. Так как электронные беспроводные реле работают в составе автомобильного охранного комплекса, то была рассмотрена типовая структура такого комплекса. Проанализированы достоинства и недостатки блокировочных реле, разрывающих электрические цепи автомобиля. В частности, отмечены недостатки реле управляемых по проводу от главного модуля сигнализации и реле, получающие команды по радиоканалу сигнализации. Обоснованы преимущества беспроводных реле, управляемых по технологии PLC. Рассмотрены режимы работы, при которых главный модуль сигнализации передает управляющий сигнал на беспроводные реле. Сделан вывод, что реле должно быть работоспособно, в том числе и при заведенном двигателе, когда в электропроводке автомобиля наибольший уровень импульсных помех.

Проведен аналитический обзор существующих методов передачи сигнала и моделей электропроводки. Отмечено, что большинство работ посвящено созданию модемов для высокоскоростной (более 10 Мбит/с) передачи сигналов с ис-

пользованием модулированной передачи OFDM. Проанализированы основные направления, по которым шли разработчики автомобильных PLC-систем. Первое направление связано с измерением частотных характеристик проводки без попыток построения какой-либо модели. Второе направление связано с попытками построения модели в виде «черного ящика», параметры которого настраиваются в процессе эксперимента. Авторы третьего направления пытались построить модель в виде структуры взаимосвязанных жгутов проводки, распределенные параметры которых рассчитывались или определялись экспериментально.

По итогам обзора сделан вывод о нецелесообразности применения модулированной передачи сигнала, как не удовлетворяющей ценовым ограничениям и необходимости использования прямой цифровой передачи.

Глава 2. Модель электропроводки автомобиля при цифровой передаче управляющих сигналов.

Предложена обобщенная модель в виде комплекса подключаемых источников и потребителей энергии, связанных отрезками проводки через распределительные узлы. На основе расчетов и экспериментальных исследований как в лабораторных условиях, так и непосредственно на автомобилях, на первом этапе предложены и обоснованы модели низшего уровня, входящие составными частями в обобщенную модель. Таковыми являются модели аккумуляторной батареи, соединительных проводов, передатчика и приемника импульсного сигнала, модели штатных потребителей автомобиля (ламп освещения, реле, электронных блоков...). Обоснована структура и выбор параметров передатчика и приемника импульсного сигнала. Так как электропроводки автомобилей отличаются друг от друга, выделены их общие свойства, определены несущественные элементы, а сама модель построена на примере электропроводки внедорожника Ниссан Х-Трейл. На основе построенной структурной схемы модели, разработана электрическая Multisim-модель системы связи. Обоснованы параметры ее составных частей. Проведена верификация модели в виде комплекса экспериментальных исследований непосредственно на автомобиле и доказана адекватность модели.

Глава 3. Исследование импульсных шумов в электропроводке автомобиля.

Проведен аналитический обзор существующих методов и результатов измерений импульсных шумов в электропроводке автомобиля. Отмечено, что уровень и временные характеристики шумов в сильной мере изменяются в зависимости от режима работы автомобиля, но статистическая обработка результатов измерений позволяет выявить некоторые общие свойства шумов. Показано, что в проводке в основном наблюдаются шумы в виде одиночных импульсов треугольной формы (вероятность появления менее 1%), шумы в виде пакетов из нескольких подряд идущих импульсов (до 14 %) и в виде одиночных импульсов, форма которых - затухающая синусоида (около 85%). Амплитуды наблюдаемых импульсов зависят от точки измерения и изменяются от нескольких милливольт до единиц вольт. Собственные частоты импульсов в виде затухающих синусоид - от сотен килогерц до десятков мегагерц. Особое внимание авторы исследований уделяют межимпульсному временному интервалу (IAT), который оказывает доминирующее влияние на прием модулированного сигнала.

Опираясь на работы исследования других авторов, сделан вывод о необходимости дополнительных исследований, связанных со спецификой прямой цифровой передачи. Показано, что энергетический спектр импульсного сигнала расположен в относительно низкочастотном (до 500 кГц) диапазоне и поэтому был поставлен ряд экспериментов по расширенному исследованию шумов именно этого диапазона частот. Представлены результаты статистической обработки импульсных шумов для трех автомобилей, измеренные при различных пороговых уровнях. Здесь же приведены статистические данные по шумам от дополнительного оборудования (инвертора, автомобильных сирен, пылесоса). Приведены статистические распределения ГЛ^ которые необходимо учитывать при выборе алгоритмов кодирования-декодирования импульсных пакетов.

Глава 4. Алгоритмы кодирования и декодирования пакетов импульсных сигналов при прямой цифровой передаче.

На основе временных и энергетических ограничений сформированы требования по ширине импульса, максимального времени на бит передаваемой информации и максимальной частоты передачи импульсов. Рассмотрены два алгоритма кодирования-декодирования сигнала. Для алгоритма №1 биты нуля и единицы передавались одиночными импульсами, с интервалом 80 и 100 мкс соответственно. Расчетные и полученные экспериментально вероятности приема сигнала, особенно при низких уровнях компаратора не соответствовали требованиям. Предложен алгоритм №2, в котором при тех же интервалах нуля и единицы информация передавалась сдвоенными импульсами, с промежутком в 6 мкс между ними. Такой промежуток времени был обоснован, исходя из статистических распределений межимпульсных интервалов, полученных в главе 3. Вероятности приема по алгоритму №2, полученные программным декодированием сигнала с наложенными импульсными шумами, были близки к 100% при всех уровнях компаратора.

Глава 5. Техническая реализация и экспериментальные исследования беспроводных реле при прямой цифровой передаче сигнала.

Разработана техническая документация, содержащая принципиальные схемы, программы микроконтроллеров и конструкции блокировочных и сервисных беспроводных реле. На основе документации изготовлены серийные партии реле. Приведены сравнительные результаты испытаний реле с программами по алгоритмам №1 и №2 на автомобиле. В результате подтверждено преимущество предложенного алгоритма №2 и продемонстрирована работоспособность реле при воздействии импульсных помех. Предложена двухуровневая методика выбора уровней компаратора приемника сигнала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мурзин Ильшат Айдарович, 2020 год

у //

Г"

у/

" /

4Г| ¡=- =

г ф --

/

/ /

1

/ у

_ ¿„У

Рис. 3.31. Функция распределения (Фольксваген, работающий двигатель)

3.3. Импульсные помехи от дополнительного оборудования

Включение дополнительного оборудования во время передачи кодовой посылки создает дополнительные импульсные помехи, что приводит затруднениям в приеме и декодировании сигнала. Видов дополнительного оборудования чрезвычайно много. Но, все же, можно выделить несколько типов оборудования, импульсные помехи от которых оказывают существенное влияние [73, 75].

Первый тип - оборудование, содержащее электродвигатели постоянного тока, в которых при искрении под щетками в питающую сеть попадают импульсные помехи. К такому оборудованию относятся автомобильные компрессоры и пылесосы.

Второй тип - инверторы и преобразователи напряжения. Инверторы являются импульсными преобразователями, частота переключения силовых транзисторов для разных модификаций составляет от 20 до 100 кГц. Сквозные токи транзисторов инверторов приводят к резким скачкам потребления, и, как следствие, к импульсным помехам. Преобразователи напряжения - чаще всего разнообразные зарядные устройства импульсного типа для телефонов, компьютеров....

Третий тип - сирены автосигнализаций. Современные одно и шести тональные сирены используют специализированные микросхемы GE 6065, LC9801... и мостовую транзисторную схему, в диагональ которой включается динамик. Изменение частоты звука регулируется длительностью импульса включения транзисторов (ШИМ), и в моменты переключения возникают импульсные помехи.

Приведем некоторые осциллограммы помех от дополнительного оборудования. Измерения проводились цифровым осциллографом RIGOL DS1052E, в котором заложена возможность предварительной фильтрации отображаемого сигнала.

На Рис. 3.32, а и б приведены осциллограмма и спектр сигнала на клемме аккумулятора при подключении в прикуриватель автомобильного компрессора "Беркут".

RIGOL STOP О \ О -USmU

9 .....Т" "

:

:

1' т mi J i 1 • .1 J 1 il 1 J 1 i ■ ■ J .

а б

Рис. 3.32. Компрессор "Беркут": а - осциллограмма; б - спектр

Данные получены при не заведенном двигателе, длина провода питания компрессора - 5 м. Осциллограммы, снятые непосредственно на компрессоре, дают качественно тот же сигнал, но с гораздо большей (примерно в 20 раз) амплитудой. Это объясняется потерями на проводе питания и в проводке автомобиля. Основная гармоника спектра (590 Гц) определяется циклом работы насоса компрессора. На осциллограмме видны импульсы от искрения щеток коллектора двигателя компрессора.

На Рис. 3.33, а и б приведены осциллограмма и спектр сигнала при подключении в прикуриватель автомобильного пылесоса "Vitec Albatross" (сигнал непосредственно на пылесосе). Так же, как и на компрессоре, видны импульсы от искрения щеток. Основная гармоника низкочастотной составляющей определяется циклом работы нагнетателя воздуха и составляет примерно 3500 Гц.

RIGOL STOP (S i

г о -lismu

а ... - - - ,----,----,----.----.---- J

1

,,,,

... 1

Л J M^^JWvMWH^WlvJ

50 .gmUrmts/diy 2.500kö= /diu Sg=500.0kS3 1

Time 500.0ns 0+23.76ms

а б

Рис. 3.33. Автомобильный пылесос: а - осциллограмма; б - спектр

На Рис. 3.34, а и б приведены осциллограммы на клемме аккумулятора при подключении в прикуриватель автомобильного инвертора (12/220 В) "Jet A Mi-nertor". В испытуемом инверторе импульсные помехи от переключения транзисторов наблюдаются с частотой порядка 62 кГц.

ИИШ50.0ти

Ите 100. ЭиБ 0+0.00005

а б

Рис. 3.34. Автомобильный инвертор: а - на холостом ходу; б - под нагрузкой

На Рис. 3.35 показаны осциллограммы при включении сирены автосигнализации в прикуриватель (а) и непосредственно на аккумулятор (б).

а б

Рис. 3.35. Сирена: а - на прикуривателе; б - на клемме аккумулятора

Подводя итог, отметим, что уровень импульсов определяется как источником помех, так и местом их подключения к автомобильной проводке и существенно (в десятки раз) ослабляется при измерении на клемме аккумулятора.

В Таблице 17. приведены математические ожидания и СКО дополнительного оборудования: сирены №1, сирены №2, инвертора и пылесоса.

Таблица 17.

Математические ожидания m100 и СКО <г100 дополнительного оборудования на 100

мкс интервалах

Дополнительное оборудование Математическое ожидание СКО

Инвертор (порог 0,2 В) 5,96 0,32

Сирена №1 (порог 0,2 В) 0,38 0,53

Сирена №2 (порог 0,2 В) 0,38 0,48

Пылесос (порог 0,2 В) 1,32 1,75

Пылесос (порог 0,5 В) 0,78 1,08

На Рис. 3.36 показаны IAT этих же устройств. Наибольшие проблемы в приеме сигнала ожидаются при работе пылесоса, так как велика вероятность появления импульсов, интервал между которыми менее 6 мкс. При работе инвертора создаются импульсные помехи с интервалов в 16 мкс, и это также оказывает влияние на прием сигнала.

L00 0.95 0.90 - sirenl - эгеп2 - nvertor_hii - uac cleaner 0.2

! Г r

J г //

j j //

// //

у //

/

У

_/

/

/

/

/

/

/ / j

/ / -— -д

_J /

время между импульсами, мкс

Рис. 3.36. IAT для дополнительного оборудования

Выводы по главе 3

1. Проведен аналитический обзор публикаций, по результатам которого выделены основные параметры импульсного шума. Важнейшим из них является статистическое распределение межимпульсных интервалов (IAT), так как именно оно определяет помехоустойчивость системы связи. По результатам анализа предложена многоуровневая, многоаспектная классификация импульсных шумов, являющаяся основой для исследований шумовых характеристик проводки современных автомобилей.

2. Обоснована специфика исследования импульсных шумов при прямой цифровой передаче сигнала, исходя из частотного диапазона передачи и предложенного алгоритма кодирования-декодирования сигнала. В результате сделан вывод о необходимости исследования импульсных помех, попадающих во временной интервал передачи одного бита информации.

3. Получены статистические параметры (математические ожидания, средне-квадратические отклонения, интегральные функции распределения вероятности межимпульсных интервалов) импульсных шумов для трех автомобилей и дополнительного оборудования. Анализ параметров позволил установить существование пороговых значений компаратора, при которых вероятность межимпульсных интервалов ниже 6 мкс мала (ниже 1%). Отмеченное свойство предложено использовать в алгоритмах кодирования и декодирования сигнала при его прямой цифровой передаче.

ГЛАВА 4. Алгоритмы кодирования-декодирования пакетов импульсных сигналов при прямой цифровой передаче

4.1. Энергетические ограничения при передаче импульсного сигнала по штатной электропроводке автомобиля

В главе 3 был предложен алгоритм №1, в котором биты нуля и единицы передавались одиночными импульсами со средним временем между ними 100 мкс (логический ноль передавался интервалом 80 мкс, а единица - 120 мкс). Таким образом, средняя частота следования импульсов, при условии, что в кодовом пакете приближенно одинаковое значение нулей и единиц, составляет 10 кГц. Разумеется, уместным будет вопрос о максимальной частоте следования импульсов, а это связано с рядом энергетических ограничений. В главе 2 было показано, что номинальное значение резистора в коллекторной цепи передатчика целесообразно устанавливать от 10 до 30 Ом. В частности, при сопротивлении 10 Ом и параллельно включенном форсирующем конденсаторе 0,22 мкФ, постоянная времени разряда конденсатора при выключении транзистора составляет 2,2 мкс. И если принять время окончания переходного процесса равным трем постоянным времени, получается, что минимальное время между двумя последовательными импульсами составляет около 6 мкс.

Допустим, что среднее время передачи бита составляет 100 мкс. Если считать, что за это время проходит один импульс сигнала длительностью 1 мкс, то скважность составляет величину в 0,01. Энергия, выделяющаяся в резисторе Я при поступлении одного импульса

и2 си2

ж = ' Т + (4.1)

где Ти - длительность импульса (в нашем случае 1 мкс); и=12 B, напряжение питания; С - емкость форсирующего конденсатора (0,22 мкФ).

Первая составляющая в (4.1) представляет тепловую энергию, выделяющуюся во время действия импульса. Вторая составляющая - это энергия разряда

конденсатора С, выделяющаяся в том же сопротивлении Я. Расчет показывает примерно одинаковый вклад этих составляющих

Ж = 14,4 • 10_6 +15,8 • 10_6 = 30,2 • 10_6 Дж при указанных выше численных значениях. Рассчитаем среднюю за период Тср = 100 мкс мощность, рассеиваемую коллекторным резистором Я

Ж 30 2 • 10"6 Рср =Ж = 30,2 7 = 0,302 Вт. (4.2)

ср Тср 10 ' '

Анализ выражения (4.1) показывает, что с энергетической точки зрения выгодно увеличивать значение коллекторного сопротивления и уменьшать емкость. Допустим, при сохранении постоянной времени разряда т = Я • С, мы увеличим в два раза Я, и уменьшим в два раза С. Расчет мощности по (4.2) дает в два раза меньшую величину Р = 0,15 Вт. Однако, уменьшение С, как показано в главе 2, ниже какого-то определенного значения ведет к искажению формы импульса в проводке и потери его амплитуды. Здесь, при выборе пары Я и С, можно провести моделирование (модель дана в главе 2), но лучше дополнительно проверить все экспериментально при конкретной схемотехнике передатчика.

Тип коллекторного резистора следует выбирать, в том числе, и по рассеиваемой на нем средней мощности. В настоящее время в электронных платах автомобильных сигнализаций применяется исключительно поверхностный монтаж электроэлементов. Установка навесных резисторов не технологична, они занимают больше места на электронной плате, и поэтому их применение необходимо особо оговаривать с заказчиком и технологами. Обычные недорогие резисторы для поверхностного монтажа имеют различную рассеиваемую мощность. И чем больше она, тем больше габариты резистора. В Таблице 18 приведены типы SMD резисторов, их габаритные размеры и рассеиваемые мощности.

Исходя из требований по рассеиваемой мощности, нам подходят только три типа резисторов: 1812, 2010 и 2512. Причем, для увеличения рассеиваемой мощности до 1 Вт, допускается параллельное соединение резисторов 1812 и 2010. Параллельное соединение резисторов 2512 для увеличения мощности до 2 Вт нужно

оговаривать особо, так как занимаемая ими на электронной плате площадь слишком велика.

Таблица 18.

Типы резисторов для поверхностного монтажа

Тип резистора Размеры, мм Р, мВт (70° С)

01005 0,4х0,2 31

0201 0,6х0,3 50

0402 1х0,5 63

0603 1,6х0,8 100

0805 2х1,25 125

1210 3,2х2,6 250

1812 4,5х3,2 500

2010 5х2,5 500

2512 6,4х3,2 1000

Примем в дальнейшем, что величина средней рассеиваемой мощности не должна превышать 1 Вт. Исходя из этого, можно утверждать, что при среднем интервале на бит Тср = 100 мкс на этом промежутке времени можно передать не более 4-х импульсов. При уменьшении интервала, количество импульсов сокращается пропорционально. Например, при среднем интервале 50 мкс, можно передать только два импульса. Таким образом, максимальная частота следования импульсов не должна превышать 40 кГц.

4.2. Асинхронный алгоритм №1

В главе 3 был предложен асинхронный алгоритм №1, условная схема которого показана на Рис. 3.19. Это достаточно простой алгоритм, полностью удовлетворяющий энергетическим ограничениям на прямую цифровую передачу. Рассмотрим помехоустойчивость этого алгоритма. Название «асинхронный» связано с тем, что временной интервал передачи импульсов нуля (80 мкс) и единицы (120 мкс) не привязан к какому-либо тактовому моменту времени. И если по каким-либо причинам не удается принять один из бит, то декодирование заканчивается и

весь кодовый пакет пропадает. Таким образом, при анализе помехоустойчивости алгоритма нельзя рассматривать ошибки по битам, и поэтому будем принимать во внимание % принятых пакетов.

Рассмотрим основные факторы, способные нарушить бит в алгоритме №1. На Рис. 4.1 в условном виде показаны импульсы сигнала и возможные импульсы помехи (пронумерованы). Пусть вначале передается логический ноль в виде двух импульсов сигнала, разделенных интервалом времени 80 мкс. Импульсы помехи №1 и №2 алгоритмически игнорируются, как не попадающие в окно валидации (симметрично относительно импульса сигнала). Импульс №3 попадает в окно и воспринимается как импульс полезного сигнала. Сам полезный импульс, идущий следом, алгоритмически игнорируется, а отсчет временного интервала до следующего полезного импульса начинается от импульса №3 помехи. Этот случай не нарушает бит нуля. Просто происходит допустимое алгоритмом смещение начала отсчета для определения следующего бита.

Алгоритм №1 | . Сигнал | - Помеха

Г0 =80 71 = 120

4- 1 2 1 о 1 п 4 1 5 1| 6 7 8 1 1 1 11 .

1. АТ° =50 Т =30 , окна АТ° - 50 МКС

4- Д7"1 =90

Т1 =120

1 2 з 4 5 8 9

о II 1 1

—J т окна Л 71 — 50 —* дтГ МКС

Рис. 4.1. Помехоустойчивость асинхронного алгоритма №1

Допустим, что последующий передаваемый бит - логическая единица. Импульсы помехи №4, 5, не попадающие в окно, игнорируются. Импульс №9 также игнорируется, хоть он и попадает в окно логической единицы. Однако если присутствуют импульсы помехи №6, 7, они попадают в окно логического нуля. И бит

воспринимается как логический ноль, что портит пакет. Таким образом, первый случай нарушения бита - если во время передачи 1 помеха попадает в окно 0.

Другой случай возможных проблем показан на Рис. 4.1. При попадании импульса помехи №3 (верхняя диаграмма) в окно нуля, отсчет временного интервала начинается именно с этого импульса помехи. А это приводит к сдвигу центра последующего окна единицы влево на некоторое произвольное время АТ . И здесь импульс помехи №8 (даже если отсутствуют импульсы №6 и 7, хотя и не приводит к потере бита единицы, но опять сдвигает центр последующего окна, так как именно от него начинается отсчет нового временного интервала. Таким образом, импульсы помех могут сдвигать окно валидации, и последующие импульсы сигнала просто могут не попасть в окно, что опять же разрушит пакет.

Проведем расчетную оценку вероятности приема пакета, рассматривая только первый случай нарушения бита. Обозначим тю0 - математическое ожидание появления импульса помехи в интервале 100 мкс (среднее время передачи бита). Будем считать событием попадание хотя бы одного импульса помехи в интервал валидации нуля (интервал серого цвета на Рис. 4.1) при передаче логической единицы. Так как длительность интервала составляет 30 мкс, то математическое ожидание попадания импульса помехи в этот интервал уменьшится соразмерно отношению длительности интервала и времени передачи бита и составит 30

т = ^^ • т100 = 0,3 • т100. Таким образом, вероятность приема бита можно оценить

через вероятность непопадания импульса в интервал валидации нуля, которая будет равна

Рбит =1 - 0,3 • т100.

В качестве примера рассмотрим тестовый 64-битный пакет (38Е2В296В44Е805Е)16 (соответствует одному из реально передаваемых пакетов, данные приведены в шестнадцатеричном формате). Пакет состоит из 35 логических нулей и 29 логических единиц. Тогда вероятность того, что ни один из 29 интервалов передачи единицы не будет нарушен, можно оценить как

Р = (Рбит )29 = (1 - 0,3 • тш)29. (4.3)

В Таблице 19 приведены результаты вероятности приема пакета, рассчитанные по (4.3). В клетках таблицы указаны вероятности и математические ожидания (в скобках), по которым рассчитывались вероятности. Математические ожидания, вычисленные в результате обработки экспериментальных реализаций помех, брались их Таблицы 14 (предварительно вычислялось среднее арифметическое математических ожиданий по двум реализациям).

Следует ожидать несколько завышенные расчетные вероятности. Это связано с неучтенным случаем сдвига окна валидации и, возможно, с другими случаями, которые сложно спрогнозировать теоретически. Но даже по этим данным можно сказать о низкой вероятности декодирования по алгоритму №1, особенно это видно для случая работающего двигателя.

Таблица 19.

Расчетные значения вероятности приема пакета (в скобках - математические

ожидания по которым производился расчет)

Порог, В/условия 0,2 0,3 0,4 0,5

Ниссан Зажигание 0,59(0,06) 0,88(0,015) 0,825(0,021) 0,822(0,022)

Двигатель 0,378(0,11) 0,494(0,08) 0,645(0,05) 0,953(0,006)

Опель Зажигание 0,288(0,14) 0,517(0,075) 0,73(0,036) 0,617(0,055)

Двигатель 0,015(0,445) 0,22(0,17) 0,395(0,105) 0,565(0,065)

Фольксваген Зажигание 0,517(0,075) 0,565(0,065) 0,45(0,09) 0,70(0,04)

Двигатель 0(1,15) 0,064(0,3) 0,15(0,21) 0,263(0,15)

Для достоверной оценки вероятности приема проведем программное декодирование пакетов с наложенным шумом. Прежде чем приступить к процессу декодирования, были сформированы файлы импульсов, Рис. 4.2. Для трех автомобилей (Ниссан, Опель, Фольксваген), при четырех пороговых значениях (0,2; 0,3; 0,4; 0,5 В) и для двух режимов работы (включено зажигание и заведен двигатель) были подготовлены экспериментальные реализации импульсного шума, длительностью 1с. Далее реализации шума были программно смешаны с непрерывно идущими, одинаковыми 160-ю пакетами сигнала. Итоговые файлы программно декодировались по алгоритму №1 и подсчитывался процент принятых пакетов.

Экспериментальная реализация импульсного шума (1000 мс)

<4- -►

Программная реализация 160-ти одинаковых пакетов (1000 мс)

6,4 мс 6,4 мс 6,4 мс 6,4 мс

Пакет №1 Пакет № Пакет №3 Пакет № 160

1-1 1-1 1-1 CZZ Z1 1- |-1 |-1 I-1

38E2D296D44E805E 38E2D296D44E805E 38E2D296D44E805E 38E2D296D44E805E Программная реализация шумы+пакеты

Рис. 4.2. Схема смешивания пакетов и импульсных помех

Блок схема алгоритма декодирования №1 приведена на Рис. 4.3.

Алгоритм основан на последовательной обработке интервалов времени между импульсами. При получении нового импульса фиксируется время, прошедшее с прошлого импульса, и прибавляется к переменной DURATION, выполняющей функцию накопителя. На первом этапе определяется, достаточно ли прошло времени для принятия решения о переданном бите (больше 66 мкс). Если недостаточно, то продолжаем накапливать до следующего импульса.

На втором этапе при удовлетворении первого условия проверяется, не прошло ли слишком много времени между импульсами (меньше 126 мкс). Если порог превышен, то производится сброс всей накопленной информации. Иначе считается, что импульс располагается в значимой области, и следующим условием определяем значение логического бита: если значение DURATION меньше 96 мкс, то считаем это «логическим нулём», в ином случае - «логической единицей». Добавляем определённый бит в кольцевой 64-битный буфер в младшую позицию, предварительно сдвинув остальные биты влево на одну позицию. При этом обнуляем переменную DURATION, чтобы приготовить её к приёму следующего импульса.

Рис. 4.3. Блок схема алгоритма №1

Добавление каждого импульса в буфер сопровождается анализом этого буфера на наличие в нем начала кодовой посылки. Так называемая преамбула выбрана так, чтобы отличаться от всей остальной передаваемой информации. В данном случае это два байта, в которых несколько раз подряд идут по три «единицы» и по три «нуля» - в шестнадцатеричной записи 0х38Е2. Преамбула ожидается на позиции шестнадцати наиболее «старых» битов кольцевого буфера. Также в алгоритм введена контрольная сумма некоторых байт. В дополнение к этому команда из посылки проверяется на симметричность. При выполнении всех условий посылка считается принятой и обрабатывается уже в другой части программы - основной.

Для реализации данного алгоритма на микроконтроллере были настроены таймер с шагом в 1 мкс и компаратор. Фронт импульса, превысивший настроенный порог компаратора, вызывает прерывание, в котором производятся все вычисления. Прерывание - это особый способ обработки событий, позволяющий не проверять наступление события (получение нового импульса) вручную, а реагировать на него немедленно только в момент его наступления. В остальное время процессор может обрабатывать любую другую информацию. В прерывании фиксируется время, прошедшее с предыдущего импульса, путем прочтения регистра счётчика таймера. После проверки всех условий для текущего значения регистра DURATION, производится выход из прерывания в основную часть программы.

Важно иметь в виду, что при реализации на микроконтроллере алгоритм зависит от времени выполнения. Из-за особенностей работы прерываний необходимо принять, обработать импульс и выйти из прерывания как можно быстрее, так чтобы микроконтроллер (МК) успел среагировать на следующее, а также иметь время в запасе на исполнение команд основной части. Также стоит учитывать особенности системы команд МК и время на исполнение дополнительных команд, обслуживающих другие прерывания.

В итоге, необходимо обеспечить соответствующую частоту тактирования процессора (с повышением частоты повышается энергопотребление), удобную систему команд и структуру памяти процессора, а также оптимизировать код по времени выполнения.

Результаты декодирования представлены в Таблице 20. В клетках таблицы представлены вероятности по программному декодированию, а в скобках - расчетные по формуле (4.3). В большинстве случаев (исключение составил Опель при включении зажигания), экспериментальные данные дают меньшие вероятности приема, чем расчетные.

Таблица 20.

Программные значения вероятности приема пакета (в скобках - расчетные по математическим ожиданиям)

Порог, В/условия 0,2 0,3 0,4 0,5

Ниссан Зажигание 0,34(0,59) 0,89(0,88) 0,89(0,825) 0,867(0,822)

Двигатель 0,191(0,378) 0,169(0,494) 0,256(0,645) 0,875(0,953)

Опель Зажигание 0,534(0,288) 0,881(0,517) 0,91(0,73) 0,864(0,617)

Двигатель 0,0(0,015) 0,06(0,22) 0,106(0,395) 0,166(0,565)

Фольксваген Зажигание 0,35(0,517) 0,284(0,565) 0,34(0,45) 0,422(0,70)

Двигатель 0,0(0,0) 0,0(0,064) 0,025(0,15) 0,037(0,263)

Вероятность растет с ростом порога, так как уменьшается количество импульсов помех, превышающих порог компаратора. Казалось бы, повышая порог, можно добиться улучшения приема. Но это не столь очевидно. При увеличении порога также снижается вероятность, что импульсы сигнала, ослабленные в электропроводке, смогут преодолеть повышенный порог. Если каждый пакет данных посылать несколько раз, то вероятность приема, конечно увеличивается. Пусть рпак вероятность приема пакета. Например, при пороге 0,2 В (Таблица 20) для автомобиля Опель при включенном зажигании рпак = 0,534. Тогда вероятность того, что пакет не будет принят, составит (1 - рпак), а вероятность неприема п последовательно идущих одинаковых пакетов составит (1 - рпак)п. Вероятность же того, что хотя бы один пакет будет принят, можно вычислить как

Р = 1 - (1 - Рпак )П . (4.4)

При четырех последовательных одинаковых пакетах, п = 4, вероятности, рассчитанные по (4.4), приведены в Таблице 21. В клетках таблицы показаны вероятности при 4-х кратной посылке, а в скобках - при однократной.

Несмотря на некоторое улучшение, вероятность приема по алгоритму №1 остается низкой.

Рассмотрим теперь случай воздействия помех от дополнительного оборудования. Смешаем помехи с сигналом по той же схеме, Рис. 4.2, но в качестве 1000

мс реализации будем брать импульсные помехи от инвертора, двух сирен и автомобильного пылесоса.

Таблица 21.

Вероятности приема пакета при четырехкратном повторе пакета (с скобках данные при однократном пакете)

Порог, В/условия 0,2 0,3 0,4 0,5

Ниссан Зажигание 0,81(0,34) 1,0(0,89) 1,0(0,89) 1,0(0,867)

Двигатель 0,57(0,191) 0,523(0,169) 0,69(0,256) 1,0(0,875)

Опель Зажигание 0,95(0,534) 1,0(0,881) 1,0(0,91) 1,0(0,864)

Двигатель 0,0(0,0) 0,15(0,06) 0,36(0,106) 0,516(0,166)

Фольксваген Зажигание 0,82(0,35) 0,737(0,284) 0,81(0,34) 0,89(0,422)

Двигатель 0,0(0,0) 0,0(0,0) 0,096(0,025) 0,14(0,037)

Реализации помех для всех устройств записаны при пороге 0,2 В, а для пылесоса еще и при 0,5 В. Результаты сведены в таблицу 22. Результаты говорят сами за себя. Только при воздействии помех от сирены №1 удалось принять 10 из 160 переданных посылок. В остальных случаях не принято ни одной посылки. Некоторое улучшение возможно путем снижения ширины окна валидации, но кардинально это ситуацию не изменит.

Таблица 22.

Вероятности приема пакета при помехах от дополнительного оборудования

Доп. оборудование Инвертор Сирена №1 Сирена №2 Пылесос Пылесос

0,2 В 0,2 В 0,2 В 0,2 В 0,5 В

Вероятность приема, % 0 6,25 0 0 0

4.3. Асинхронный алгоритм №2

Для поиска улучшенного алгоритма обратимся к полученным ранее в главе 3 интегральным функциям распределения вероятности межимпульсных интервалов (1АТ). Они приведены на Рис. 3.26-3.31. Даже поверхностный анализ показывает, что вероятность появления в реализациях шума последовательных импульсов, с интервалом между ними менее 10 мкс мала. В Таблице 23 приведены веро-

ятности (в процентах) появления последовательных импульсов помех с интервалом между импульсами менее 10 мкс и менее 6 мкс (в скобках).

Таблица 23.

Вероятности появления последовательных импульсов с интервалом менее 10 мкс

(в скобках - менее 6 мкс)

Порог, В/условия 0,2 0,3 0,4 0,5

Ниссан Зажигание 19(12) 20(13) 7(4) 1(1)

Двигатель 27(0,5) 4(0,3) 0(0) 0(0)

Опель Зажигание 30(30) 0,7(0,7) 0,7(0,7) 0(0)

Двигатель 33(20) 33(26) 18(16) 8(4)

Фольксваген Зажигание 0,3(0) 0,5(0) 0,3(0) 0,5(0)

Двигатель 38(0,5) 4(0,5) 2(0,5) 1,5(0,5)

Анализ результатов показывает, что при порогах свыше 0,4 В, вероятность появления последовательных импульсов с интервалом менее 6 мкс чрезвычайно мала. Это свойство распределений вероятностей учтем при построении усовершенствованного асинхронного алгоритма №2. В схематическом виде он показан на Рис. 4.4.

Рис. 4.4. Асинхронный алгоритм №2

Его отличие от алгоритма №1 заключается лишь в одном - полезный сигнал передается в виде сдвоенных импульсов, с расстоянием между ними 6 мкс. Это расстояние, как было обосновано в главе 2, является минимальным, которое можно достичь на практике, чтобы переходные процессы от импульсов не накладывались друг на друга. Таким образом, программно подсчитывается и анализируется время между двойными импульсами. И в соответствии с зависимостью алгоритма

от времени, в этом случае ограничение на выполнение становится ещё жёстче: необходимо обработать данные ориентировочно не более чем за 4 мкс.

Пусть, как и ранее при алгоритме №1, импульсы помех попадают в окно ва-лидации нуля при передаче единицы. Так как в соответствии с распределением IAT (Таблица 23), вероятность появления последовательных импульсов с интервалом в 6 и менее мкс мала, то эти помехи не воспринимаются как сигнал, и не искажают бит. Здесь тоже возможны случаи небольшого сдвига (не более 6 мкс) окна валидации при воздействии помех, но в целом ситуация гораздо лучше.

Блок схема алгоритма №2 приведена на Рис. 4.5. Отличие от алгоритма №1 в том, что программно подсчитывается и анализируется время между двойными импульсами. В соответствии с зависимостью алгоритма от времени, в этом случае ограничение на выполнение становится ещё жёстче: необходимо обработать данные ориентировочно не более чем за 4 мкс.

Прерывание по франту

сохранение значения таймера в TMR, сброс таймера

Это двойной импульс i

Условия и действия оригинального алгоритма

бдоОД из прерывания

Рис. 4.5. Блок схема алгоритма №2

В Таблице 24 приведены сравнительные вероятности приема однократных посылок по алгоритму №2 и алгоритму №1 (в скобках).

Таблица 24.

Вероятности приема пакета при однократном повторе по алгоритму №2 (в скобках по алгоритму №1)

Порог, В/условия 0,2 0,3 0,4 0,5

Ниссан Зажигание 0,99(0,34) 0,98(0,89) 0,99(0,89) 0,99(0,867)

Двигатель 0,95(0,191) 0,99(0,169) 1,0(0,256) 1,0(0,875)

Опель Зажигание 0,90(0,534) 1,0(0,881) 1,0(0,91) 1,0(0,864)

Двигатель 0,42(0,0) 0,56(0,06) 0,74(0,106) 0,98(0,166)

Фольксваген Зажигание 1,0(0,35) 1,0(0,284) 1,0(0,34) 1,0(0,422)

Двигатель 0,86(0,0) 0,95(0,0) 0,98(0,025) 0,99(0,037)

Наблюдается существенное повышение вероятности приема, а при порогах свыше 0,4 В вероятность близка к 100%.

Для четырехкратно повторенного пакета при алгоритме №2 данные сведены в Таблицу 25, и здесь наблюдается практически 100% прием для всех автомобилей и режимов работы.

Таблица 25.

Вероятности приема по алгоритму №2 при четырехкратном повторе

Порог, В/условия 0,2 0,3 0,4 0,5

Ниссан Зажигание 1,0 1,0 1,0 1,0

Двигатель 1,0 1,0 1,0 1,0

Опель Зажигание 1,0 1,0 1,0 1,0

Двигатель 0,89 0,96 1,0 1,0

Фольксваген Зажигание 1,0 1,0 1,0 1,0

Двигатель 1,0 1,0 1,0 1,0

Рассмотрим теперь работу алгоритма №2 при помехах от дополнительного оборудования. В Таблице 26 показаны межимпульсные вероятности для дополнительного оборудования, полученные из интегральных функций распределения, Рис. 3.36. Высокие % IAT наблюдаются для пылесоса, и поэтому при помехах от него следует ожидать низкий процент приема. Вероятности приема при помехах от дополнительного оборудования сведены в Таблицу 27. Здесь приведены дан-

ные для алгоритма №2, а в скобках - для алгоритма №1. Несмотря на значительное улучшение, можно отметить низкий процент приема пакетов на фоне импульсных помех от пылесоса.

И наконец, в таблицах 28-30 приведены вероятности приема пакета при совместном воздействии помех автомобиля и дополнительного оборудования (в скобках - при работающем двигателе).

Таблица 26.

Вероятности межимпульсных интервалов менее 10 мкс и менее 6 мкс для

дополнительного оборудования

Доп. оборудование Инвертор Сирена №1 Сирена №2 Пылесос Пылесос

0,2 В 0,2 В 0,2 В 0,2 В 0,5 В

Вероятность ¡Л^Ю мкс, % 1 7 0 60,5 33

Вероятность мкс, % 0,5 7 0 52,5 27,5

Таблица 27.

Вероятности приема по алгоритму №2 при помехах от дополнительного оборудования (в скобках - по алгоритму №1)

Доп. оборудование Инвертор 0,2 В Сирена №1 0,2 В Сирена №2 0,2 В Пылесос 0,2 В Пылесос 0,5 В

Вероятность приема, % 78,12(0) 53,75(6,25) 100(0) 0(0) 13,2(0)

Таблица 28.

Вероятности приема (%) для автомобиля Ниссан по алгоритму №2 (в скобках по алгоритму №1) при совместном действии помех

Дополнительное оборудование Порог, В

0,2 0,3 0,4 0,5

Инвертор 73,75(71,25) 88,12(75,00) 76,92(76,25) 70,15(88,75)

Сирена №1 53,75(48,75) 53,75(51,88) 41,03(51,88) 34,33(53,75)

Сирена №2 96,25(88,12) 98,75(94,38) 98,72(97,50) 98,51(98,12)

Пылесос 0,5 В) 11,87(12,50) 12,5(11,88) 7,69(12,50) 8,96(13,12)

Таблица 29.

Вероятности приема (%) для автомобиля Опель по алгоритму №2 (в скобках по алгоритму №1) при совместном действии помех

Дополнительное оборудование Порог, В

0,2 0,3 0,4 0,5

Инвертор 75,62(25,62) 87,50(37,50) 84,38(54,37) 64,29(71,87)

Сирена №1 46,25(17,50) 53,12(28,12) 53,75(40,62) 35,71(51,25)

Сирена №2 82,50(31,25) 96,87(50,00) 96,87(74,37) 100,0(95,62)

Пылесос 0,5 В) 10,00(3,75) 13,12(8,12) 12,50(6,87) 7,14(12,50)

Таблица 30.

Вероятности приема (%) для автомобиля Фольксваген по алгоритму №2 (в скобках по алгоритму №1) при совместном действии помех

Дополнительное оборудование Порог, В

0,2 0,3 0,4 0,5

Инвертор 80,00(48,75) 74,37(58,12) 71,25(60,62) 81,25(66,87)

Сирена №1 48,12(24,37) 50,00(44,37) 51,88(47,50) 53,12(49,37)

Сирена №2 97,50(35,00) 94,37(74,37) 93,75(90,00) 97,50(85,62)

Пылесос 0,5 В) 13,12(5,62) 13,12(10,00) 11,87(10,62) 13,12(11,25)

Как и ожидалось, вероятности декодирования при подключении дополнительного оборудования с высоким процентом IAT менее 6 мкс (сирена №1, пылесос) низки. Преодоление этого недостатка возможно в синхронных алгоритмах с возможностью исправления ошибок. Рассмотрение и анализ таких алгоритмов выходит за рамки диссертации. Главное, что следует отметить - техническая реализация таких алгоритмов непосредственно связана с ограничениями для беспроводных реле, описанными ранее.

Выводы по главе 4

1. Обоснованы энергетические ограничения при передаче импульсных сигналов по электропроводке автомобиля, исходя из максимальной мощности, выделяющихся в резисторах поверхностного монтажа платы передатчика. Частота передачи импульсов не должна превышать 40 кГц.

2. Проведен анализ помехозащищенности алгоритма №1 путем расчета через математические ожидания появления импульсов помех в интервале бита, и посредством программного декодирования кодовых пакетов с наложенным шумом. Результаты анализа показали несоответствие алгоритма №1 требованиям по вероятности декодирования пакета в беспроводных реле.

3. Предложен алгоритм №2, основанный на передаче сдвоенных импульсов сигнала, с расстоянием между ними 6 мкс. Результаты программного декодирования, особенно при четырехкратном повторе пакета, показали вероятность декодирования близкую к 100%, что полностью соответствует требованиям по вероятности декодирования пакета в беспроводных реле.

4. Приведены результаты программного декодирования при одновременном воздействии на пакет импульсов помех автомобиля и дополнительного оборудования. Наблюдались низкие вероятности декодирования при подключении дополнительного оборудования с высоким процентом IAT менее 6 мкс. Преодоление этого недостатка возможно при реализации синхронных алгоритмов с возможностью исправления ошибок.

ГЛАВА 5. Техническая реализация и экспериментальные исследования характеристик беспроводных реле

5.1. Принципиальная электрическая схема и электронная плата беспроводного реле

Техническая реализация электронного реле требует разработки принципиальной электрической схемы, выбора элементной базы, конструкции (разводки) печатной платы. Кроме этого, требуется разработать конструкцию корпуса реле и выбрать материал герметика.

Основные требования к реле:

- ток потребления в режиме ожидания не более 1,5 мА;

- коммутируемый ток 25 А для разрыва сильноточных и 0,5 А слаботочных

цепей;

- температурный диапазон от - 35 до +85 °С.

Принципиальная схема реле (вариант сдвоенного слаботочного реле), приведена на Рис. 5.1. Реле реализовано на микроконтроллере PIC16F1824-I/SN, тактовая частота внутреннего ^С-генератора установлена в 32 МГц. Также разработана (здесь не приводится) и реализована принципиальная схема реле на процессоре STM32L152 с МЭМС-акселерометром LIS3DH.

В качестве стабилизатора напряжения используется интегральный стабилизатор с микропотреблением LM 9036QMX-3.3 и выходным напряжением 3.3 В. Пониженное напряжение используется для обеспечения минимального тока потребления в режиме ожидания.

Полосовой фильтр реализован на операционном усилителе MCP 6291, а в качестве коммутирующего реле используется слаботочное сдвоенное реле с полной группой контактов TE_IM06DGR (ток коммутации 0,5 А на каждое реле). При реализации сильноточного беспроводного реле, используется реле TTI TR-20 на 25/30 А. Сервисные реле замков капота используют мостовое реле G8FD-2S.

Microcontroller: Pic16F1824-l/SN, v-05

ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР

R1

АЛЛ—»3.3V

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

R3 +

-wv i ffi

C2 L r—=-

C3 _+ 3

4= 4. S > с ^ 4

Vdd Vin

gnd gnd

gnd gnd

adj di5

LM9036QMX-3.3

♦i3v—OPI i|{-О p2 black

r

Jcii >01

• 100k 1%

-VPP ADC

МИКРОПРОЦЕССОР

PIC16F1824J/SL

_|_XTAL1

c=Hi'

"P8MHZ |

Vdd DD1 Vss RaS/Clki RaO/Cin*/sdat Ra4/clkouRa1/Cin-/sclk Ra3/Mclr Ra2/Cout/lnt Rc5 R* RcO

Rc4 TK Rcl

Rc3 Rc2

I—CNTRLPOW/DAT R10

ON RL1 —A/W—

r-^WWwi —1—5Jil—ir-cn

11

-ENGINE*

ON_RL1 >

--VPPADC

8

IR CODE ICSPC'

ENGINE*

R20

■W\-ENGJN+

РЕЛЕ СЛАБОТОЧНОЕ СДВОЕННОЕ

R25

—мл-

CNTRL

VD6

—Н—

200R R26

-ллл-

-Q Р11 brown

VD7

—(4-о p12brown

ЗкЗ

-О р® white w.slrip -Q PB blue w.strip ■О P7 green w.strip

CNTRL-ОРЮогапде

iNG.IN»-О P9 yellow

R12

CNTRLPOW/DAT-VW"

5k1

510k

BAT54CW

For learning one-time MCLR VPP ' programming relay •R13 ', 22k

MCLR_VPP—5-OMc'rVpp

„ in

ICSPC —j-Otb6_ elk у

CNTRLPOW/DAT—j-Ob7 dot g

(♦3.3V—j-Qdd M

i||-rOGnd

VD3

11116 MR2013+Accel

Size A3 Number Rev v.05

Date Thu Dec 05, 2019 Drawn by Pavel

Filename MRM_DBL_V05.sch Sheet 1 of 1

On О

Рис. 5.1. Принципиальная электрическая схема слаботочного беспроводного реле

Внешний вид плат различных вариантов реле приведен на Рис. 5.2.

Рис. 5.2. Варианты реле: а - сверху вниз: реле блокировочное силовое, реле слаботочное сдвоенное с акселерометром, реле замка капота сервисное;

б - тестовое реле

На Рис. 5.3. Показаны варианты разработанных пластиковых корпусов слаботочного и сильноточного реле.

Рис. 5.3. Корпуса реле сильноточного (слева) и слаботочного (справа)

Для обеспечения влагостойкости, электронная плата реле после размещения в корпусе заливается двухкомпонентным герметиком 3М.

На Рис. 5.4 приведен внешний вид сборки нескольких беспроводных реле. В таком виде реле поставляются с завода-изготовителя Lighting Technology (Тайвань). Далее они программируются, проходят тестирование и заливаются герме-

тиком на территории ООО Мэджик Ринг (г. Москва). Реле работают в составе автомобильных охранных комплексов Экселлент. Внешний вид электронной платы одной из моделей (Революшн-5) приведен на Рис. 5.5.

Рис. 5.4. Линейка беспроводных реле с завода-изготовителя

Рис. 5.5. Внешний вид электронной платы автосигнализации Экселлент

(модель Революшн-5)

Поверх платы главного модуля расположены электронные платы ОБЫ-пейджера и СЛК-модуля. Внешний вид платы главного модуля, на котором показана область передатчика беспроводного сигнала, приведен на Рис. 5.6.

транзистор передатчик на плате