Способ передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК G08C19/16 

Изобретение относится к области телеизмерений, в частности к передаче импульсных сигналов через воздушный зазор и может быть использовано в системах для передачи и приема телеметрической информации от рабочих органов вращающихся узлов и механизмов.

Применяемые в настоящее время способы и устройства передачи и приема данных через воздушный зазор базируются либо на использовании радиоканала, либо на передаче импульсными сигналами. В последнем случае упрощается тракт бесконтактной передачи за счет исключения из него компонент радиоканала (модулятора, демодулятора, фильтра и др.) и в целом повышается его надежность [1].

В свою очередь, передача данных в импульсной форме имеет несколько реализаций. Среди них следует выделить способы, использующие передачу данных короткими импульсными посылками через индуктивно связанные контуры (ИСК) [2, 3]. Эти способы нацелены на повышение скорости передачи данных. Короткие по длительности сигналы возбуждения вращающегося контура ИСК, соответствующие единице в разряде кода данных, могут иметь прямоугольную форму [1, с. 20], экспоненциальную [2], остроугольную [3] или другую форму. Реакция на них неподвижного контура ИСК в общем случае состоит из нескольких полуволн. Первая полуволна реакции, имеющая большую по сравнению с последующими полуволнами амплитуду, позволяет в стационарной части аппаратуры установить факт передачи единицы или нуля в разряде кода.

Однако названные способы ориентированы в большей степени на передачу данных через воздушный зазор и негласно предполагают использование порогового способа восстановления кодовых посылок, как более простого. Но известно, что более эффективными при оценивании значения принятого сигнала являются способы, использующие интегральную оценку на всем интервале наблюдения сигнала (например [4], с. 109). Следовательно, соединив достоинства способов передачи короткими импульсами с интегральной оценкой реакции ИСК на них в неподвижной аппаратуре, можно добиться повышения помехозащищенности способа передачи и приема данных через воздушный зазор.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ, представленный в устройстве передачи и приема информации с вращающихся объектов [5]. Известный способ предполагает, что на вращающейся части информационно-измерительной системы из информационных посылок формируют достаточно короткие импульсы возбуждения первичного контура ИСК, образованных обмотками воздушного трансформатора и пассивными RC-элементами. Под из воздействием на неподвижном контуре, отделенном от вращающегося контура воздушным зазором, формируются адекватные реакции. Восстановление посылок осуществляют с помощью порогово-регенеративного элемента (компаратора), на первый вход которого подают переданный через зазор сигнал, а на второй - пороговый сигнал, получаемый с выхода фильтра. Способ ориентирован на передачу сигналов с времяимпульсной модуляцией, но его можно использовать и для передачи сигналов с кодоимпульсной модуляцией.

Недостатком известного способа является низкая помехозащищенность, обусловленная пороговым методом обработки принятых посылок. Можно повысить помехозащищенность этого простого способа, реализовав в нем дополнительно интегральный метод оценивания принятых разрядов информационного кода.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

На вращающейся части измерительной системы для каждого единичного разряда информационного кода формируют короткий по сравнению с длительностью разряда кода импульс возбуждения первичного контура индуктивно связанных контуров. Короткий импульс может иметь прямоугольную, экспоненциальную или другую форму. Этот импульс вызывает соответствующую реакцию вторичного контура ИСК, находящегося в стационарной части системы и отделенного от вращающегося контура воздушным зазором. Характерной особенностью реакции является то, что она состоит из нескольких полуволн положительной и отрицательной полярности. Количество полуволн зависит от режима работы ИСК. В режиме, граничном между апериодическим и колебательным таких полуволн две. В слабоколебательных режимах появляется третья полуволна. Исследования показали, что интегралы от положительной и отрицательной полуволн в граничном режиме совпадают по абсолютной величине. Это хорошо согласуется с известным законом сохранения энергии. То же самое справедливо и для других режимов и, соответственно, для другого количества полуволн. Следовательно, вычисляют значения интегралов для положительных и отрицательных полуволн реакции ИСК. Так как в отсутствие полуволн при передаче нуля в коде интегралы от присутствующего в канале сигнала помехи будут тоже одинаковыми по абсолютной величине, то следует учесть и пороговый признак, но уже после интегрирования. С этой целью значения интегралов сравнивают со значением порога Р. Для этого положительный интеграл подают на первый вход одного компаратора, на второй вход которого - уровень +Р. Отрицательный интеграл подают на второй вход другого компаратора, на первый вход которого - уровень -Р. Первый компаратор зафиксирует на своем выходе уровень логической единицы, когда положительный интеграл станет больше порога Р. Другой компаратор выработает единичный сигнал, если отрицательный интеграл опустится ниже порога -Р. С помощью логического элемента И, на входы которого подают сигналы с выходов названных компараторов, формируют сигнал, который соответствует принятому значению разряда кода данных. Интеграторы обнуляют в конце каждого интервала, соответствующего длительности одного разряда кода. Выбор значения порога Р осуществляют, исходя из формы возбуждающего сигнал (от него зависит величина интеграла), режима работы ИСК (определяет количество полуволн в реакции) и уровня помех в канале.

Предложенный способ позволяет устранить недостаток известного способа, а именно, повысить помехозащищенность передачи и приема данных через воздушный зазор с помощью возбуждаемых короткими импульсами ИСК, выходной сигнал которых в неподвижной части измерительной системы с целью восстановления кодовых посылок подвергают интегральной и пороговой обработке.

Принцип достижения названного технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с передаваемым через воздушный зазор сигналом поясняется фигурами 1 и 2.

В известном устройстве (прототипе) информационные посылки подают на формирователь сигнала, который создает короткий импульс, местоположение которого определяется параметром посылки, например ее амплитудой. Так формируют сигнал с времяимпульсной модуляцией. На фиг. 1, а изображен подобный импульс pri прямоугольной формы. Его подают на первичный (вращающийся) контур ИСК, образованных обмотками воздушного трансформатора и RC-элементами. На фиг. 1, б представлен сигнал g, формируемый на выходе неподвижного контура ИСК в ответ на импульс формирователя. Сигнал имеет положительную и отрицательную полуволны. В стационарной аппаратуре выявляют переданный импульс с помощью порогово-регенеративной схемы (компаратора). Для повышения помехозащищенности в прототипе используют фильтр, с помощью которого отслеживают напряжение низкочастотной помехи и используют его в качестве порогового уровня в компараторе. Таким образом, в прототипе отрицательную волну реакции ИСК не используют (отсекают компаратором). Заметим, что способ, используемый в прототипе для передачи и приема импульсных сигналов с времяимпульсной модуляцией, сохранит работоспособность при использовании сигналов с кодоимпульсной модуляцией.

В предлагаемом способе на вращающейся части системы для каждого единичного разряда кода данных формируют короткий импульс, например прямоугольной формы, аналогичный импульсу pri, показанному на фиг. 1, а (импульс может быть гауссовым, синусоидальным, экспоненциальным, остроугольным и другим). Нулевому разряду кода соответствует пауза на выходе соответствующего формирователя. Такой сигнал используют для возбуждения первичного контура ИСК. Под его воздействием на неподвижной части системы на выходе вторичного контура ИСК, отделенного воздушным зазором от первичного контура, формируется сигнал g, показанный на фиг. 1, б. Если сигнал такого вида выявляется на вторичном контуре, то это означает, что в данном разряде кода была передана единица, при его отсутствии - ноль. Вид сигнала на выходе ИСК для всех вариантов сигнала возбуждения один - сигнал состоит как минимум из двух полуволн, положительной и отрицательной, причем интегралы от них равны по абсолютной величине. В качестве примера на фиг. 1, в показаны значения названных интегралов для реакции g ИСК на короткий прямоугольный импульс нормированной (к собственной частоте колебаний контуров в 1 Гц) длительности 0,4 с, возбуждающий ИСК с одинаковыми контурами и коэффициентом связи между ними, равном 0,5, в граничном режиме при нормированной амплитуде 1 В входного воздействия [1, с. 19]. Сигнал на выходе неподвижного контура может быть искажен помехами, например нормального вида, как показано на фиг. 2, а - сигнал smes. Положительные значения искаженного помехой сигнала интегрируют первым интегратором, сигнал int1 на выходе которого представлен на фиг. 2, б линией двойной толщины. Отрицательные значения сигнала smes интегрируют вторым интегратором, выходной сигнал int2 которого представлен на фиг. 2, б сплошной тонкой линией. Разделение положительных и отрицательных значений реализуют с помощью первого компаратора и двух ключей, один из которых пропускает на первый интегратор значения сигнала, когда на прямом выходе первого компаратора формируется единица, соответствующая положительным значениям в сигнале smes. Второй ключ, управляемый инверсным выходом первого компаратора, пропускает на второй интегратор отрицательные значения. При передаче единицы в разряде кода (фрагмент 1 на фиг. 2, б) интеграторы возвращают значения, равные по абсолютной величине. Очевидно, если передается ноль в разряде кода (фрагмент 0 на фиг. 2, б), то оба интегратора тоже дадут одинаковые по абсолютной величине значения. Поэтому при восстановлении посылок учитывают еще и величину интеграла. При выбранной форме короткого импульса возбуждения известна реакция на него, а значит и величина интеграла. Логично предположить, если оба интеграла превысят по абсолютной величине некоторый порог Р, то в данном разряде кода присутствует единица. Сигнал int1 с выхода первого интегратора подают на первый вход второго компаратора, на второй вход которого подают порог +Р. Сигнал int2 с выхода второго интегратора подключают на второй вход третьего компаратора, на первый вход которого подают порог -Р. Уровни порогов на фиг. 2, б показаны штриховыми линиями. Сигнал k2 с выхода второго компаратора (эпюра 2 на фиг. 2, в) и сигнал k3 с выхода третьего компаратора (эпюра 3 на фиг. 2, в) подают на входы логического элемента И. На выходе элемента И получают сигнал vp восстановленных посылок, представленный эпюрой 4 на фиг. 2, в. Порог Р выбирается, исходя из формы короткого импульса возбуждения ИСК, режима их работы и уровня помех в канале. Для обеспечения нормального функционирования в конце каждого интервала передачи разряда кода на управляющий вход "Сброс" интеграторов подают сигнал sbros, представленный эпюрой 1 на фиг. 2, в. Сигнал sbros обнуляет значения интеграторов, подготавливая их к интегрированию очередного разряда. Предлагаемый способ, благодаря сочетанию в нем возбуждения ИСК короткими импульсами, используемыми для передачи сигналов через воздушный зазор, и интегрально-пороговой оценки принятых сигналов, менее чувствителен к мгновенным искажениям в полезном сигнале из-за помех. Следовательно, предлагаемый способ передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами имеет по сравнению с прототипом более высокую помехозащищенность.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства реализации предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами, а на фигурах 1 и 2 - эпюры, поясняющие его работу.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении помехозащищенности передачи и приема разрядов кода данных, в устройство, содержащее на его вращающейся части формирователь коротких импульсов, вход которого является входом устройства, а его выход соединен с первичным контуром индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых, расположенный на неподвижной части устройства и отделенный от первичного контура воздушным зазором, соединен с входом первого компаратора, введены на неподвижной части два ключа, два интегратора, второй и третий компараторы и элемент И. Первый компаратор использует нулевой порог, его вход соединен с входами первого и второго ключей, его прямой выход соединен с управляющим входом первого ключа, а инверсный выход подключен к управляющему входу второго ключа. Выход первого ключа соединен с входом первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, на второй вход которого подан порог +Р. Выход второго ключа соединен с входом второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом третьего компаратора, на первый вход которого подан порог -Р. На управляющие входы обоих интеграторов подают сигнал "Сброс". Выходы второго и третьего компараторов соединены с входами элемента И, выход которого является выходом устройства.

Устройство для реализации предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами содержит вращающуюся часть 1, неподвижную часть 2 и воздушный зазор 3. Вращающаяся часть 1 содержит формирователь 4 коротких импульсов и первичный контур 5 индуктивно связанных контуров 7. Неподвижная часть 2 устройства, отделенная от вращающейся части 1 воздушным зазором 3, содержит вторичный контур 6 индуктивно связанных контуров 7, первый компаратор 8, первый 9 и второй 10 ключи, первый 11 и второй 12 интеграторы, второй компаратор 13, третий компаратор 14, элемент И 15.

Входом устройства является вход формирователя 4 коротких импульсов, расположенного на вращающейся части 1, на который поступают разряды кода данных. Его выход соединен с первичным контуром 5 индуктивно связанных контуров 7. Выход находящегося на неподвижной части 2 вторичного контура 6 индуктивно связанных контуров 7, отделенного от первичного контура 5 воздушным зазором 3, соединен с входом первого компаратора 8, имеющего нулевой порог сравнения, а также со входами первого 9 и второго 10 ключей, выходы которых подключены соответственно к входам первого 11 и второго 12 интеграторов. Выход первого интегратора 11 соединен с первым входом второго компаратора 13, на второй вход которого подан порог +Р. Выход второго интегратора 12 соединен со вторым входом компаратора 14, на первый вход которого подан порог -Р. На управляющие входы обоих интеграторов подают сигнал "Сброс". Выходы второго 13 и третьего 14 компараторов соединены с входами элемента И 15, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На вращающейся части 1 на вход устройства поступают кодовые посылки данных прямоугольной формы. Формирователь 4 формирует из них короткие импульсы возбуждения первичного контура 5 индуктивно связанных контуров 7, например такие, как показано на фиг. 1, а. Их действие вызовет реакцию на вторичном контуре 6 ИСК 7 (фиг. 1, б). Реакцию образуют положительные и отрицательные полуволны, количество которых зависит от режима работы ИСК. В граничном режиме, например, таких полуволн две - положительная и отрицательная. Интегралы от положительных и отрицательных полуволн оказываются равными по модулю (фиг.1, в). Следовательно, необходимо вычислить их. Прямой выход первого компаратора 8 управляет первым ключом 9 так, что на первый интегратор 11 поступают положительные значения из смеси smes (фиг. 2, а) полезного сигнала и шума. В результате на выходе первого интегратора формируется сигнал int1, представленный на фиг. 2, б утолщенной линией. Инверсный выход первого компаратора управляет прохождением отрицательных значений сигнала smes через второй ключ 10 на вход второго интегратора 12, выходной сигнал int2 которого представлен на фиг. 2, б сплошной тонкой линией. На этой же фигуре пунктирами представлены пороговые значения +Р и -Р, используемые вторым 13 и третьим 14 компараторами для получения своих выходных сигналов k2 и k3, представленных на фиг. 2, в эпюрами 2 и 3 соответственно. На выходе элемента И 15 формируются восстановленные кодовые посылки vp, представленные эпюрой 4 на фиг. 2, в, как результат совпадения двух событий - превышение положительным интегралом int1 порога +Р и - отрицательным интегралом int2 порога -Р по модулю. Для корректной работы интеграторов необходимо обнулять их значения в конце каждого разряда кода. Это производится с помощью сигнала sbros, представленного на фиг. 2, в эпюрой 1, подаваемого на вход "Сброс" устройства.

Технический результат предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами и устройства для его реализации заключается в том, что достигается увеличение помехозащищенности передачи и приема разрядов кода данных за счет возбуждения вращающегося контура ИСК короткими импульсами и использования для обработки формируемых на неподвижном контуре сигналов интегрального и порогового методов восстановления.

Литература

1. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов / В.В. Карасев, А.А. Михеев, Г.И. Нечаев; Под ред. Г.И. Нечаева. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с.

2. Зилотова М.А., Карасев В.В., Николаева А.В. Способ передачи данных через воздушный зазор и устройство для его осуществления. Патент РФ №2565527. Бюл. №29, 2015.

3. Карасев В.В., Кольцов Д.Б. Способ передачи данных через воздушный зазор с использованием индуктивно связанных контуров, возбуждаемых остроугольным импульсом, и устройство для его осуществления. Патент РФ №2674923. Бюл. №35, 2018.

4. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1976. - 368 с.

5. Карасев В.В., Матвеев Л.Т., Нечаев Г.И. Устройство для передачи и приема информации с вращающихся объектов. А.с. СССР №802983.

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДАННЫХ ЧЕРЕЗ ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР КОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Расшифровка обозначений к фиг. 3:

1 - вращающаяся часть;

2 - неподвижная часть;

3 - воздушный зазор;

4 - формирователь коротких импульсов;

5 - первичный контур;

6 - вторичный контур;

7 - индуктивно связанные контуры;

8 - первый компаратор;

9 - первый ключ;

10 - второй ключ;

11 - первый интегратор;

12 - второй интегратор;

13 - второй компаратор;

14 - третий компаратор;

15 - элемент И.

Изобретение относится к области телеизмерений, в частности к передаче и приему импульсных сигналов через воздушный зазор, и может быть использовано в системах для передачи и приема данных от рабочих органов вращающихся узлов и механизмов. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности передаваемых данных. Такой результат достигается за счет того, что на вращающейся части устройства импульсы разрядов информационного кода используют для возбуждения первичного контура индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых отделен от него воздушным зазором и расположен на неподвижной части устройства, отличающийся тем, что из разрядов кода формируют короткие по сравнению с их длительностью импульсы возбуждения, положительные и отрицательные полуволны реакции на них в неподвижной части устройства интегрируют первым и вторым интеграторами, которые обнуляют в конце каждого разряда кода данных, полученные интегралы сравнивают на двух компараторах с одинаковыми по абсолютной величине, но разными по знаку порогами, величину которых выбирают, исходя из формы коротких импульсов и режима работы связанных контуров, сигналы с выходов компараторов подают на входы элемента И, на выходе которого получают восстановленные значения разрядов кода данных, переданных через воздушный зазор. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами, заключающийся в том, что на вращающейся части устройства импульсы разрядов информационного кода используют для возбуждения первичного контура индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых отделен от него воздушным зазором и расположен на неподвижной части устройства, отличающийся тем, что из разрядов кода формируют короткие по сравнению с их длительностью импульсы возбуждения, положительные и отрицательные полуволны реакции на них в неподвижной части устройства интегрируют первым и вторым интеграторами, которые обнуляют в конце каждого разряда кода данных, полученные интегралы сравнивают на двух компараторах с одинаковыми по абсолютной величине, но разными по знаку порогами, величину которых выбирают, исходя из формы коротких импульсов и режима работы связанных контуров, сигналы с выходов компараторов подают на входы элемента И, на выходе которого получают восстановленные значения разрядов кода данных, переданных через воздушный зазор.

2. Устройство для реализации способа передачи и приема данных через воздушный зазор короткими импульсами, содержащее на вращающейся части формирователь импульсного сигнала возбуждения, вход которого является входом устройства, соединенный с входом первичного контура индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых, соединенный с входом первого компаратора, расположен на неподвижной части, отделенной от вращающейся части воздушным зазором, отличающееся тем, что в него на неподвижной части введены первый и второй ключи, первый и второй интеграторы, второй и третий компараторы и элемент И, формирователь генерирует под воздействием разрядов кода данных короткие по сравнению с длительностью разрядов импульсы, вход первого компаратора, использующего нулевой порог, соединен со входами ключей, прямой выход первого компаратора соединен с управляющим входом первого ключа, выход которого соединен со входом первого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, на второй вход которого подан порог +Р, инверсный выход первого компаратора соединен с управляющим входом второго ключа, выход которого соединен со входом второго интегратора, выход которого соединен со вторым входом третьего компаратора, на первый вход которого подан порог -Р, управляющие входы интеграторов соединены со входом "Сброс" устройства, сигнал которого обнуляет интеграторы в конце каждого разряда кода, выходы второго и третьего компараторов соединены со входами элемента И, выход которого является выходом устройства.