1 Introdução
Na automação industrial, os métodos de comunicação com fio para transmissão de dados entre veículos móveis e salas de controle centrais são inconvenientes devido à necessidade de arrastar os cabos de comunicação; os métodos de comunicação sem fio, por outro lado, sofrem com altas taxas de erro devido às condições adversas dos ambientes industriais. A comunicação de dados sem fio-baseada em indução (transmissão de dados por rádio de indução) utiliza indução eletromagnética entre um cabo codificado (também conhecido como barramento de indução) e uma antena de indução para trocar informações. Como o alcance da comunicação sem fio é estritamente limitado a 5–20 cm, esse método garante a flexibilidade do movimento da locomotiva e a confiabilidade da qualidade da comunicação, além de permitir o rastreamento-em tempo real da posição da locomotiva em movimento durante a comunicação.
Equipamentos elétricos em ambientes industriais, especialmente dispositivos de controle de velocidade de frequência-variável em locomotivas em movimento, podem gerar harmônicos fortes que são idênticos ou semelhantes à frequência portadora da comunicação indutiva de dados sem fio. Essa interferência de co-frequência não pode ser atenuada por filtros passa-faixa. Se medidas eficazes não forem tomadas na entrada para suprimi-la, a taxa de erro da comunicação indutiva de dados sem fio aumentará significativamente, tornando potencialmente o sistema inoperante. A modernização do sistema elétrico do forno de coque Fase I da Baosteel utilizou equipamentos importados do Japão. Na operação real, "foram observadas interrupções frequentes na comunicação do barramento de indução, com a análise atribuindo a causa a forte interferência aleatória e distorção de detecção da antena". Consequentemente, em algumas aplicações práticas, a tecnologia sem fio indutiva foi abandonada para comunicação de dados, sendo adotada apenas a tecnologia de detecção de posição sem fio indutiva.
Para suprimir a interferência na comunicação indutiva de dados sem fio, especialistas e estudiosos da área conduziram extensas pesquisas. Um estudo propôs uma configuração de antena receptora diferencial sem fio indutiva, enquanto outro sugeriu um método usando antenas receptoras duplas com uma única linha de transmissão. A técnica de supressão de interferência de co{2}}canal "linhas de transmissão duplas cruzadas com uma única antena receptora com espaçamento igual" para comunicação de dados sem fio indutiva apresentada neste artigo pode suprimir efetivamente o ruído de interferência de co{3}}canal, melhorar a relação sinal-para-ruído e é adequada para detecção de posição-com base no solo.
2 princípios básicos de comunicação indutiva de dados sem fio
Para analisar o princípio pelo qual a tecnologia de supressão de interferência de co-canal melhora a relação sinal-para-ruído na comunicação indutiva de dados sem fio, primeiro fornecemos uma breve análise e introdução aos princípios básicos da comunicação indutiva de dados sem fio.
2.1 Cabo Codificado e Antena Indutiva
O cabo codificado tem formato plano e contém vários pares de linhas de transmissão que se cruzam em pontos específicos de acordo com um esquema de codificação definido. O cabo codificado é instalado ao longo dos trilhos da locomotiva móvel, com uma extremidade conectada à sala de controle central.
A antena de indução consiste em dois conjuntos de bobinas-uma servindo como antena transmissora e outra como antena receptora-envoltas em uma caixa plástica, comumente chamada de caixa de antena. A caixa da antena é montada na locomotiva em movimento e conectada ao gabinete de controle da locomotiva. A caixa da antena se move com a locomotiva e mantém sempre uma distância de 5–20 cm do cabo codificado. Veja a Figura 1.
Quando a caixa da antena é posicionada próxima ao cabo codificado, cada par de linhas de transmissão no cabo codificado induz uma resposta nas bobinas dentro da caixa da antena, estabelecendo assim um canal de comunicação sem fio-de curto alcance entre a caixa da antena e o cabo codificado.
2.2 Análise da Amplitude e Fase do Sinal Induzido
A Figura 2 mostra um diagrama esquemático da linha de transmissão L colocada ao longo da bobina da antena. Na Figura 2, a largura da antena e o espaçamento entre as duas linhas de transmissão que se cruzam no cabo codificado são ambos iguais a W, onde W=2r.
Definição: O ponto central da bobina da antena é definido como a posição da bobina da antena; a região entre duas interseções da linha de transmissão L é referida como região K da linha de transmissão L (K=I, II, III, …), e a distância d representa o desvio da posição da bobina da antena x da linha central da região K correspondente.
Utilizando a bobina da antena como bobina de transmissão, analisamos a força eletromotriz induzida e gerada na linha de transmissão de comunicação. De acordo com a teoria da indução eletromagnética, quando uma corrente i=Imsinωt flui através da bobina da antena, a fem induzida na linha de transmissão é e=di/dt. Aqui, o coeficiente de indutância mútua M é função da posição da bobina da antena (x, y, z). Supondo que y e z permaneçam constantes à medida que a bobina da antena se move ao longo da direção x-, então:
e=f(x)ωImcosωt
Como há uma junção, a fem eI induzida gerada na região I da linha de transmissão está fora de fase com a fem eII induzida gerada na região II. Se tomarmos a fase de eI como referência, seja
Quando n é par, a fem induzida na linha de transmissão está em fase com eI; quando n é ímpar, e está fora de fase com eI, e o coeficiente de fase é (–1)n.
Quando a distância z entre a bobina de transmissão e o cabo codificado é pequena, as linhas de fluxo magnético geradas pela bobina de transmissão podem ser aproximadas como sendo uniformemente distribuídas ao longo da direção x-e passando perpendicularmente através da linha de transmissão. Portanto, a magnitude A da força eletromotriz induzida e gerada na linha de transmissão é proporcional à área efetiva de indução da linha de transmissão. Conforme mostrado na Figura 2, quando a bobina da antena está na posição 1 (d=0), a área de indução efetiva S=W × B está no máximo e A=Amax. Na posição d=r da bobina da antena 3, a área de indução efetiva S=0, e A=0. Na posição da bobina da antena 2, a área de indução efetiva S=(W – 2d) × B. Obtemos:
Por outro lado, se uma corrente passar através da linha de transmissão de comunicação e a bobina da antena for usada como bobina receptora, as Equações (1) a (3) ainda serão verdadeiras com base no princípio da indutância mútua.
3 técnicas de supressão de ruído de interferência
Para suprimir a interferência, especialmente o ruído de interferência co{0}}canal, a abordagem mais eficaz é evitar que o ruído de interferência entre na extremidade receptora. Portanto, a filosofia do projeto é a seguinte: implementando um projeto razoável para a extremidade receptora na sala de controle-a linha de transmissão de comunicação por cabo codificado-e a extremidade receptora no veículo-a antena receptora-o ruído de interferência é atenuado enquanto os sinais de comunicação são atenuados o mínimo possível, nem sequer atenuados, ou mesmo amplificados, atingindo assim o objetivo de melhorar a relação sinal-para{7}}ruído.
3.1 Projeto de duas linhas de transmissão cruzando uma única antena receptora com espaçamento igual
No "projeto de duas linhas de transmissão cruzando uma única antena receptora com espaçamento igual", dois pares de linhas de transmissão de comunicação cruzadas, L0 e L1, são dispostos dentro do cabo codificado. São utilizadas uma única antena transmissora e uma única antena receptora; a antena receptora é formada por condutores enrolados em um padrão cruzado em múltiplas voltas e pode, portanto, ser considerada como consistindo na bobina receptora 1 e na bobina receptora 2. O espaçamento entre as linhas de transmissão cruzadas, o espaçamento entre as antenas receptoras cruzadas e a largura da bobina de transmissão são todos W. Conforme mostrado na Figura 3.
A Figura 3 (a) mostra a estrutura real e um diagrama esquemático da operação. A Figura 3(b) é um diagrama esquemático simplificado das linhas de transmissão L0 e L1, da antena de transmissão e da antena de recepção, dispostas de forma plana para facilitar a análise; em aplicações reais, W=20 cm.
3.2 Análise de Supressão de Interferência em Linhas de Transmissão
Quando uma corrente de sinal é aplicada à antena de transmissão da locomotiva, o centro de controle recebe o sinal através das linhas de transmissão de comunicação. Para suprimir o ruído de interferência, a linha de transmissão L0 é cruzada em intervalos regulares de W. À distância, ele aparece como um cabo de par trançado, fornecendo supressão de ruído de interferência variando de vários dB a 30 dB, com uma média de até 15 dB.
Para sinais de comunicação, conforme Equação (3), a amplitude AL0 do sinal induzido na linha de transmissão de comunicação L0 é função da posição x da antena. Quando o centro da bobina de transmissão está alinhado com qualquer ponto de interseção em L0, AL0=0, resultando em uma zona morta do canal. Para evitar esta situação, um par adicional de linhas de transmissão de comunicação, L1, é disposto dentro do cabo de codificação, com seus pontos de intersecção deslocados daqueles de L0, conforme mostrado na Figura 3. Sejam d0 e d1 as distâncias pelas quais a posição x da bobina de transmissão é deslocada das linhas centrais das linhas de transmissão L0 e L1, respectivamente; então, r=d0 + d1. Deixe eL0 representar o sinal induzido pela linha de transmissão L0, e eL1 representar o sinal induzido pela linha de transmissão L1. No equipamento eletrônico da sala de controle, o sinal e'L1-que é eL1 deslocado em 90 graus - é somado com eL0 para obter o sinal composto e. De acordo com a Equação (2), temos:
Neste ponto, a antena transmissora está na pior posição possível. O diagrama vetorial de e é mostrado na Figura 4.
A análise acima indica que o receptor de linha de-transmissão-dupla cruzada mostrado na Figura 3 é altamente eficaz na supressão de ruído de interferência. Para sinais de comunicação, há uma atenuação de 3 dB quando a antena de transmissão está na pior-posição.
3.3 Análise de Supressão de Interferência pela Antena Receptora
Para ruído de interferência, as antenas de recepção tradicionais consistem em bobinas únicas sem acoplamento-cruzado e sem resistência a interferências. A antena receptora mostrada na Figura 3, entretanto, possui bobinas receptoras 1 e 2 que estão cruzadas. Durante a operação em campo, as forças eletromotrizes do ruído de interferência eN1 e eN2 induzidas nas duas bobinas estão defasadas. Se as ondas eletromagnéticas de ruído estiverem distribuídas uniformemente dentro de uma pequena área de 2W ao longo da direção x-da antena receptora, então eN1=−eN2, e a força eletromotriz do ruído extraída pela antena receptora, eN, é eN1 + eN2=0.
Para sinais de comunicação, o sinal modulado f₀ a ser transmitido pela sala de controle central é amplificado e transmitido através da linha de transmissão L₀; o sinal f₁ (que está 90 graus fora de fase com f₀) é amplificado e transmitido através da linha de transmissão L₁. Esses dois sinais geram um campo eletromagnético combinado no espaço próximo ao cabo de codificação, que é detectado e recebido pela antena receptora localizada próxima ao cabo de codificação. Como f₀ e f₁ são ortogonais, as zonas mortas do canal são evitadas. Os sinais induzidos gerados em uma antena receptora tradicional são descritos pela Equação (6). Conforme mostrado na Figura 3, a antena receptora gera forças eletromotrizes induzidas e(1) e e(2) nas bobinas receptoras 1 e 2, respectivamente. Devido às características de cruzamento equidistante, a antena receptora satisfaz o seguinte em qualquer posição:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); de acordo com a Equação (6), as magnitudes de e(1) e e(2) são iguais;
(2) Se o campo eletromagnético gerado na região K da linha de transmissão Li (i=0, 1) domina a bobina de recepção 1, então o campo eletromagnético gerado na região K+1 domina a bobina de recepção 2. Devido ao cruzamento das linhas de transmissão, o campo eletromagnético gerado na região K+1 está defasado daquele gerado na região K. Como a bobina de recepção 2 é cruzada com a bobina de recepção 1, após duas inversões de fase, as fases de e(1) e e(2) tornam-se iguais.
Portanto, a força eletromotriz induzida e=e(1) + e(2)=2e(1) extraída pela antena receptora do sinal de comunicação é duas vezes maior que a de uma antena receptora convencional.
Além disso, quando a bobina de transmissão envia um sinal, a tensão em ambas as extremidades da bobina de transmissão é de 200 Vp-p. Para evitar que o forte sinal transmitido danifique o circuito pré-amplificador do receptor, a bobina de transmissão é colocada entre as duas bobinas da antena receptora. Desta forma, a força eletromotriz induzida na antena receptora pelo sinal da antena transmissora é aproximadamente zero.
3.4 Análise Experimental da Supressão de Interferência da Antena Receptora
As condições experimentais foram as seguintes: o comprimento total da linha de transmissão foi de 3 m e W=20 mm. Foi utilizado um conjunto de equipamentos reais de comunicação de dados sem fio indutivos, com taxa de comunicação de 4800 b/s, modulação FSK e frequência portadora de 49 kHz. Durante a operação normal, a corrente de pico do sinal modulado que passa por L0 foi de 0,07 A; a corrente de pico do sinal modulado que passa pela bobina da antena de transmissão foi de 0,38 A.
Durante o experimento, a distância z entre a bobina transmissora e o cabo codificado foi mantida em 200 mm, e o centro da bobina transmissora foi mantido alinhado com um cruzamento de L0. Sob essas condições, a amplitude da tensão do sinal induzido na linha de transmissão L1 foi medida como sendo VL1=25 mVp-p, e a amplitude da tensão do sinal induzido na antena receptora foi medida como sendo VA=20 mVp-p.
Se um gerador de sinal for usado como fonte de interferência e um par de fios paralelos for usado para acoplamento para induzir interferência, consulte a Figura 5. O gerador de sinal produz uma tensão de interferência v=Vm sin(2πft), onde f=49 kHz e R=130 Ω.
O experimento mostrado na Figura 5(a) corresponde à interferência em uma antena receptora convencional, enquanto o experimento mostrado na Figura 5(b) corresponde à interferência nas bobinas cruzadas de uma antena receptora. Deixe VNm (pico-a-pico) denotar a força eletromotriz induzida por interferência-extraída da antena receptora. A Tabela 1 apresenta os dados de ambos os experimentos.
Resultados experimentais mostram que o sistema atinge uma supressão de ruído de interferência de até 48 dB. As análises teóricas e experimentais apresentadas acima demonstram que o uso de antenas receptoras cruzadas equidistantes não apenas fornece forte supressão de ruído de interferência, mas também oferece um ganho de 6 dB em sinais de comunicação em comparação com antenas receptoras tradicionais, melhorando significativamente a relação sinal-para-ruído.
4 Conclusão
A técnica de supressão de interferência envolvendo "cruzamento de linhas de transmissão duplas com uma única antena receptora em distâncias iguais" foi aplicada em um sistema de gerenciamento de controle centralizado-baseado em computador para locomotivas móveis utilizando tecnologia sem fio indutiva. Em aplicações práticas, esta técnica tem se mostrado eficaz na supressão de interferências em ambientes industriais, particularmente na supressão eficaz de interferências de co{2}}canais geradas por dispositivos de controle de velocidade de frequência-variável, garantindo assim a confiabilidade da comunicação de dados. É claro que a tecnologia de supressão de interferência para comunicação indutiva de dados sem fio proposta neste artigo aborda apenas a supressão de ruído na extremidade receptora. Para equipamentos eletrônicos operando em ambientes industriais agressivos, medidas adicionais como aterramento e blindagem devem ser implementadas; estes estão além do escopo deste artigo.