UC&NL for DIY with love
 |
 |
|---|---|
| www.unavlab.com support@unavlab.com |
uSwitch - Гидроакустическая система телеуправления Краткое описание |
uSwitch - гидроакустическая система телеуправления
Краткое описание
0. Мотивация
Мы разрабатываем широкий спектр профессионального оборудования гидроакустической связи и навигации с применением самых передовых технологий в нашей области. Такое оборудование весьма сложно в разработке и тестировании, что естественным образом вляиет на доступность его для широкого круга потребителей. В тоже самое время мы верим, что доступность технологий, особенно для новых поколений исследователей и инженеров чрезвычайно важна. Именно поэтому мы идем по направлению популяризации гидроакустики, и надеемся, что uSwitch станет одним из тех проектов, которые позволят большому числу энтузиастов и любителей погрузиться в мир подводной связи. Ведь большая часть мирового океана все еще не исследована!
1. Принцип действия
uSwitch TX и uSwitch RX - две небольшие печатные платы (модули): передатчик и приемник. При помощи них вы можете передавать до 8 различных сигналов управления через толщу воды, на дистанции до 300 метров.
Работа с модулями исключительно проста: достаточно подключить гидроакустические антенны и подать питание. На каждом из модулей есть контакты STROBE, BIT 0, BIT 1. В передатчике это цифровые входы, а в приемнике - цифровые выходы. По умолчанию все эти контакты и на приемнике и на передатчике установлены в состояние цифровой единицы (3.3 Вольта).
Передаваемый код формируется состоянием контактов (пинов) BIT 0, BIT 1, а передача происходит, когда состояние пина STROBE переходит из состояния цифровой единицы в стотояние цифрового нуля.
На приемной стороне принятый код вызывает изменение пинов BIT 0, BIT 1, а факт приема - переходом пина STROBE в состояние цифрового нуля.
Так как есть два информационных пина (BIT 0, BIT 1) и у каждого может быть два цифровых состояния, то всего можно передать 4 различных кодов.
Такая архитектура позволяет использовать модули uSwitch как с различными платформами типа Arduino, так и при помощи простых элементов типа кнопки, светодиодов, реле и прочих, управляемых при помощи TTL-уровней.
2. Использование модулей
На рисунках 1 и 2 приведены схемы подключения.
Оба модуля питаются от источника постоянного тока напряжением от 5 до 15 вольт, что позволяет использовать для питания модулей как USB-порт ПК, Power bank, так и свинцовые 12-вольтовые аккумуляторы, сборки на основе Li-Ion аккумуляторов и просто элементы 9-ти вольтовые элементы питания типа “Крона”.
Гидроакустическая передающая антенна подключается к площадкам OUT и GND, расположенным в правой части печатной платы модуля передатчика.
 |
| Рис. 1 - Схема подключения модуля передатчика uSwitch TX |
Гидроакустическая приемная антенна подключается к площадкам IN и GND, расположенным в правой части печатной платы модуля приемника.
 |
| Рис. 2 - Схема подключения модуля приемника uSwitch RX |
На обоих модулях для сопряжения с внешними устройствами используются одни и те же пины, на передатчике - это цифровые входы, притянутые к единице, а на приемнике - цифровые выходы с открытым коллектором. Активное состояние входов передатчика - цифровой ноль. Для удобства подключения, нижняя часть разъема подключена к земле.
Для передачи одно из четырех кодов, при помощи пинов 3, 5 (BIT 0, BIT 1 соответственно) формируется передаваемый код. Соответствие номера кода и состояние пинов отражено в таблице 1.
При приеме кода модулем приемника, он, при помощи пинов 3, 5 (BIT 0, BIT 1 соответственно) формирует принятый код и переводит пин 1 (STROBE) в состояние цифрового нуля на 100 миллисекунд. Таким образом, подключенная к нему система должна считать состояние пинов 3, 5 после перехода пина 1 в состояние цифрового нуля.
Таблица 1 - Соответствие состояние пинов и передаваемых/принимаемых кодов
| BIT 0 (pin 3) | BIT 1 (pin 5) | Передаваемый код |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 2 |
| 1 | 1 | 3 |
После формирования передаваемого кода, для его передачи по гидроакустическому каналу, пин 1 (STROBE) должен быть переведен в состояние цифрового нуля на время, не менее 100 миллисекунд. Повторная передача может производится не ранее чем через 500 миллисекунд после начала предыдущей.
Временная диаграмма взаимодействия с модулями приведена на рисунке 3:
 |
| Рис. 3 - Временная диаграмма взаимодействия с модулями |
3. Гидроакустичемкие антенны
Модуль передатчика рассчитан на работу с антенной RT-1.332820-1, а к модулю применика можно подключать практически любую пьезокерамическую гидроакустическую антенну, например, недорогую RT-1.d23h03-1 на основе дискового пьезоэлемента. При желании, вы можете изготовить ее самостоятельно, воспользовавшись нашими инструкциями.
4. Ограничения
4.1. Ограничения со стороны распространения звука в воде
Гидроакустический канал связи является одним из самых сложных для передачи информации, поэтому необходимо иметь в виду следующие условия для работы любой гидроакустической системы связи:
- для работы всегда нужна “прямая видимость”. Это значит, что на пути акустического сигнала между передатчиком и приемником не должны быть никаких препятствий: элементов подводного ландшафта, плотных зарослей водорослей, элементов инфраструктуры (например, судов с низкой осадкой, опор мостов, причальных стенок и т.п.).
- антенны и приемника и передатчика должны быть на достаточной глубине, как минимум 1-1.5 метра в крупных водоемах.
- сильная зашумленность в водоемах (например, в виду активного судоходства или каких-то природных факторов) также может значительно влиять на качество связи и максимальную дальность работы гидроакустических систем.
4.2. Ограничения архитектуры
Мы постарались сделать максимально доступные и максимально функциональные устройства, в чем-то нам пришлось пойти на компромисс. Т.к. различные коды передаются последовательно передаваемыми тональными посылками, то достоверность кодов неодинаковая и убывает с увеличением кода. Если вам требуется использовать менее четырех кодов, то следует отдавать предпочтение младшим кодам.
5. Предупреждение
Пьезокерамические гидроакустические антенны устроены так, что развиваемое ими давление сильно зависит от подаваемого на них напряжения, поэтому в модуле передатчика в момент излучения сигнала возникает опасное для жизни высокое напряжение, амплитуда которого достигает 200 Вольт. Принимайте все требуемые меры защиты: во время работы передатчика никогда не прикасайтесь руками и любыми другими частями тела к плате и месту подключения гидроакустической антенны!!!
6. FAQ
Q: Есть ли ограничение на количество приемников, работающих с одним передатчиком?
А: Таких ограничений нет: все устройства работают в общей полосе частот. Сколько угодно приемников примут сигнал от передатчика, при условии что он до них дойтет. Однако, учитывая скорость звука в воде (порядка 1500 м/с) это может произойти в разное время, с задержкой, пропорциональной дальности.
Q: Возможно ли работать на одном водоеме несколькими комплектами системы?
A: Нужно учитывать, что все устройства работают в общем диапазоне и любой приемник будет реагировать на любой передатчик, если сигнал до него доходит. Пользователю придется самостоятельно обеспечивать разделение сигналов по времени.
Q: Приемник может различать сигналы от разных передатчиков?
A: Нет. Такой возможности не предусмотрено.
Q: Почему такая разница в дальностях при использовании антенн RT-1.332820-1 и RT-1.d23h03-1 в качестве передающих, 300 метров против 40?
A: Говоря простыми словами, дальность передачи определяется чувствительностью приемника и давлением, развиваемым передающей антенной. Плоская и недорогая антенна не позволяет закачать в нее требуемую мощность.
Q: А можно питать модуль передатчика от батареек?
A: Да, подойдет батарейка 9V типа “Крона”
Q: Могут ли влиять на работу системы акустические или электрические помехи?
A: Да. Приемник наиболее уязвим в этом смысле. Наиболее неблагоприятны шумы в рабочей полосе - 20-30 кГц.
Q: Для моей задачи требуется большее число управляющих сигналов и большая дальность, можно ли как-то доработать систему? A: Система задумывалась как любительская, и текущие характеристики являются фактически предельными для используемой платформы. Если требуется большее число управляющих посылок и/или передача произвольных данных, большая дальность и надежность, то рекомендуем обратить внимание на наши микромодемы uWAVE
Q: Мне требуется обратная связь, как это можно обеспечить? A: Наиболее простой способ использовать две пары приемник-передатчик, соединив обе пары по 1 в 1 по пинам.