Цифровая часть приемопередатчика
После долгих экспериментов я пришел к выводу, что простой и надежный приемник для RS232 сделать трудно. Для RS232 надо мастерить что-то вроде схемы "привязки к уровню черного (или белого?)" - как в телевидении. Простыми средствами мне это сделать не удалось. Поэтому было принято решение перейти к импульсно-кодовому представлению сигналов RS232 и передаче информации импульсами. Такая система давно разработана и называется IRDA. Однако по условию задачи связь должна быть через ком-порт. Где-то в и-нете я видел микросхемы (буржуйские, разумеется) которые подключаются прямо к ком-порту, а на выходе у них импульсная последовательность или даже просто оптический сигнал. И приемник встроен в ту же микросхему. Мне эта штука не понравилась по двум причинам: относительная дороговизна и жесткая привязка к фиксированной скорости ком-порта. Т.е. если вы (или какая-то умная программа) решили перенастроить порт на другую скорость - вам надо менять тактовую частоту на входе микросхемы. По всем эти причинам я решил смастерить что-то похожее на IRDA, но более простое и независимое от скорости работы порта. Вот что получилось.
Стандарт FIRDA
Каждый фронт в сигнале RS232 кодируется коротким однополярным импульсом, который передается по оптическому каналу. Hа приемнике эти импульсы поступают на вход триггера, работающего в счетном режиме. Hа выходе триггера получаем (в идеале) сигнал RS232. В принципе, это все. У это чудесного по своей простоте алгоритма есть только один существенный недостаток, который заключается в том, что при пропуске хотя бы одного импульса, на выходе триггера начинает появляться инверсия сигнала RS232. Конечно, можно сказать, что при потере стартового фронта в RS232 (или первого импульса в пачке IRDA) тоже произойдет сбой синхронизации, который при плотном потоке информации может быть ликвидирован не скоро. Однако, в предлагаемой системе потеря любого (а не только первого) импульса приводит к неприятностям. Грубо говоря, помехоустойчивость FIRDA раз в 8-10 хуже IRDA или RS232. В принципе, это было бы не так страшно (считаем, что ошибки появляются достаточно редко), если бы с течением времени FIRDA выходил на нормальный режим работы, как это происходит с его именитыми прототипами. Однако, если не предусмотреть специальных мер, FIRDA так и будет гнать инвертированный поток, пока не произойдет еще одного сбоя;)) Именно длительная инверсная работа мне казалась главным недостатком FIRDA и я дополнил его маленькой добавкой, которая в последствии меня самого удивила своей эффективностью и практически решила все проблемы. Добавка очень простая: если в течении некоторого времени (ну например 0.1 сек) на выходе триггера присутствует "1", то следует принудительно перевести его в нулевое состояние (считаем, что в паузах передачи на выходе RS232 - ноль). Теперь для полного счастья надо дергать готовность ком-порта передатчика один раз в 10 сек, прерывая передачу на 0.1 сек, с тем чтобы триггер приемника установился в исходное состояние. Очевидно, в данном примере потери в скорости передачи - 1процент. Вот теперь, действительно все. Как показала практика, дергать готовность ком-порта передатчика не надо. Многочисленные эксперименты показали, что при реальной работе через ком возникает множество естественных пауз различной длительности. (были проверены несколько сетевых игрушек, сеть между двумя Вин98, терминалки с разными протоколами. Действительно плотный поток оказался только у терминалок, работающих через Z-модем). В моей версии линка время принудительной установки триггера выбрано около 5 миллисекунд. Такие паузы встречаются очень часто. Правда, это ограничивает снизу используемые скорости передачи (в моем случае - не меньше 2400). Зато никаких проблем ни с каким софтом я не имел во всем диапазоне скоростей 2400..115200.
Описание принципиальной схемы
Сигнал Тх с выхода ком-порта через ограничивающий резистор R1 поступает на схему выделения фронтов, собранную на элементах DD1.1, DD1.2. Hа выводе 4 элемента DD1.2 присутствуют импульсы длительностью около 1 микросекунды. Временные параметры этих импульсов не достаточно стабильны, поэтому в схему включен генератор нормированных по длительности импульсов, собранный на триггере Т2. Он формирует импульсы длительностью около 3-4 микросекунд. При необходимости длительность подстраивается резистором R3. Для тех, кому важна стабильность/надежность/дальность работы линка и допустима максимальная скорость работы 57600, я бы посоветовал удвоить номинал С2 и тем самым увеличить длительность нормированного импульса до 8 миллисекунд. Можно использовать специальный переключатель максимальных скоростей 115200-57600. подключающий дополнительную емкость С2. (длина проводников до переключателя должна быть минимальна.) Схема цифровой части приемника содержит триггер Т1 с элементами R4,R5,C3,V2, задающими максимальную длительность единицы на выходе триггера. При указанных на схеме номиналах, она равна примерно 5 миллисекундам. Если кто-то собирается работать только с большими скоростями, имеет смысл уменьшить это время путем уменьшения С3. Hа элементах DD1.3, DD1.4 собран выходной усилитель, сигнал с которого поступает на вход Rx ком-порта. Это на всякий случай. У меня все прекрасно работало на перепутанном мотке проводов длинной 20 метров, когда я брал неусиленный сигнал (через резистор 1К) прямо с вывода 1 триггера Т1.
Теперь несколько слов о настройке схемы. К счастью, цифровая часть приемопередатчика является совершенно самостоятельной и самодостаточной схемой, допускающей полную настройку и отладку без всяких лазеров и аналоговой части. Порядок настройки. Создайте файл килобайт на 300, содержащий один символ (мне понравился Y). Создайте батник, который засылает этот файл в ком-порт, а потом вызывает сам себя;-) Запустите его. Проконтролируйте длительности и формы импульсов в передатчике.(лучше это делать на максимальной скорости, поскольку импульсы короткие). Закройте батник. Замкните выход передачика на вход приемника, а выход приемника подайте на вход Rx того же самого ком-порта. Войдите в любую терминальную программу (я пользовался DN-ской терминалкой) Попробуйте понажимать на клавиши. Вы должны увидеть нажимаемые символы на экране. Если этого не происходит, попробуйте просто замкнуть Rx и Tx и добиться описанного эффекта настройкой терминальной программы, после чего снова попытайтесь сделать то же самое через приемопередатчик. И наконец, последнее, самое важное испытание. Тут потребуется уже два компьютера. Соедините их ком-порты тремя проводами по классической схеме. Запустите какой-нибудь софт,использующий этот линк. Убедитесь, что все работает. Теперь попробуйте в разрыв одного сигнального провода вставить цифровой приемопередатчик. Попробуйте поработать с этим же софтом через эту железку и убедитесь, что FIRDA вас вполне устраивает, поимитируйте помехи в передаче доступными вам способами. После этого можно переходить к постройке аналоговой части линка.
Передатчик
Особых пояснений, как мне кажется, он не требует. Лазерный диод является коллекторной нагрузкой первого транзистора. Резистор в его эмиттерной цепи ограничивает ток через этот транзистор и создает условия для работы второго транзистора, который является фактически (совместно с R1) управляемым делителем входного напряжения. Второй транзистор управляется фототоком диода, встроенного в лазер для организации схемы ограничения температурного дрейфа его параметров. С увеличением светового потока увеличивается базовый ток второго транзистора, и он шунтирует входной сигнал на уровне, безопасном для лазера. Подстроечный резистор R3 предназначен для регулировки допустимого уровня излучения лазера. Номиналы схемы подобраны так, что при комнатной температуре можно уменьшить его сопротивление до нуля и это не приводит к фатальным последствиям для лазерного диода (по крайней мере у меня проблем не было). Настройка передатчика сводится к измерению амплитуды сигнала на резисторе R2 (при подключенной и работающей цифровой части) и установление подстроечным резистором амплитуды импульсов, соответствующей импульсному току 30-35 ма (при комнатной температуре).(Речь идет о 5-и милливаттных указках). Для надежности можно уточнить эти цифры для конкретной указки путем измерения тока через нее при свежезаряженных аккумуляторах (до разборки). Эту величину можно в дальнейшем принять за номинальный импульсный ток через указку. Если в схеме используется R4 (у меня его нет), и часть тока всегда течет через этот резистор, на соответствующую величину надо уменьшить выставляемый ток через R2, так что бы суммарный импульсный ток оказался в указанных выше пределах. При изменении температуры параметры излучения, конечно, будут плавать, но разброс значений будет существенно снижен за счет отрицательной обратной связи по световому потоку через фотодиод и второй транзистор. Резистором R4 можно выставить начальный уровень тока через лазер в отсутствие сигнала. Считается, что это повышает живучесть лазерного диода. С1 с этой же целью сглаживает переходные процессы при включении/выключении лазера. К питанию особых требований нет, можно взять +5В из компьютера. В заключение пару слов о разборке указки и ее цоколевке. Могу рассказать только о своей паре указок. Насколько это типично - не знаю. Сначала я делал надпил корпуса надфилем по периметру указки на уровне кнопки включения указки. Часть с батарейками отламывается. Становится видна маленькая печатная платка, на которой крепится кнопка. Платка припаяна прямо к выводам лазерного диода. Иголкой измерил глубину до втулки, в которую запрессован собственно лазер. Сделал второй надрез, стараясь попасть на уровень втулки, в результате чего получил обрубок указки с полностью сохраненной оптической частью, а с другой (обрубленной)стороны торчали три вывода с платкой, которую я отпаял. Итак, остались три вывода, торчащие из обрезанной части указки. Они расположены треугольником. Один из них соединен с корпусом лазерного диода. Это общий вывод лазерного диода и фотодиода. Предположим, что этот вывод соответствует верхнему углу треугольника. Тогда справа внизу будет расположен вывод фотодиода, а слева внизу - вывод лазерного диода. Перед разборкой полезно провести исследование расходимости луча лазера без оптической системы. Это вам понадобится при оценке чувствительности вашего приемника и дальности работы вашего линка. Для этого надо осторожно вывернуть оптическую систему из передней части указки и замерить диаметр пятна, который получается на расстоянии от указки в интервале 5-25 см. Теперь можно переходить к построению самой важной части линка - аналоговой части приемника.
Приемник. Аналоговая часть
Этот блок требует наибольшей аккуратности и, я бы сказал схемотехнической культуры при построении и наладке. Питание лучше брать не из компьютера, а от отдельного стабилизированного блока питания. Длина проводников должна быть минимальна. Фильтрующие питание конденсаторы C1,C2.C4,C5 д.б. расположены максимально близко к выводам операционного усилителя. Особенно важно близкое расположение к ОУ элементов входной цепи С3,VD1,R4. Желательно компактное расположение и экранирование всей конструкции. При грамотной схемотехнике у вас не должно быть никаких проблем с настройкой. У меня на столе не было выполнено ни одно из перечисленных выше требований и тем не менее все успешно работает. Так что есть надежда, что если сделать все правильно,то у вас тоже будет работать
Пару слов о самой схеме. Она предельно проста. Соблюдайте полярность фотодиода! Резистор R4 влияет на амплитуду сигнала с фотодиода и на его форму/частотные характеристики. Чем меньше номинал резистора, тем меньше сигнал с фотодиода и тем лучше его форма. У меня получались вполне приличные результаты при увеличении резистора до 4.7 К. Однако спешить с его увеличением я бы не советовал. И вообще, первое, что вы должны добиться - это работа приемника на какой-нибудь умеренной скорости, ну например 57600. Это лучше делать в следующем порядке. Итак, после десятой проверки монтажа выводим сопротивление подстроечника R1 в ноль и включаем питание. Подключаем к ком-порту собранный передатчик (цифровую и аналоговую части), запускаем батник (предварительно установив скорость работы порта 57600), позволяющий наблюдать непрерывную картинку передачи одного байта (о нем шла речь в первой части трилогии), располагаем лазер со снятой оптической системой в двух-трех сантиметрах от фотодиода, подключаем осциллограф к выходу приемника и начинаем медленно увеличивать сопротивление R1. Через некоторое время транзистор Т1 начнет приоткрываться, и на выходе приемника появится гребенка импульсов. Оптимальное значение сопротивления R1 определяется в ходе экспериментов визуально по форме и амплитуде импульсов на выходе приемника. При выключении передатчика амплитуда шумов на выходе приемника не должна превышать 1-2 вольта. Транзистор Т1 должен быть лишь слегка приоткрыт. Типичное значение напряжения на его коллекторной нагрузке- 1-2 вольта. После достижения успеха на этом первом этапе можно двигаться дальше - постепенно раздвигать приемник и передатчик, находить их наилучшее взаимное положение и, подстраивая R1, получать гребенку импульсов амплитудой почти равной амплитуде питания +12В. Форма у них может быть не совсем прямоугольной, но амплитуда должна быть хорошей. При максимально возможной раздвижке передатчика и приемника надо определить диаметр расфокусированного пятна лазера. Этот диаметр даст вам представление о максимальной дальности, на которой будет работать ваш линк. У меня этот диаметр равнялся примерно 20 см, что примерно соответствует динамическому диапазону в 33 дБ. Как мне кажется, этого вполне должно хватить для уверенной связи на расстоянии 100 метров без применения входных линз или на расстоянии 200 метров, если использовать светодиод типа ФД320 в виде красной пластмассовой линзочки диаметром около сантиметра на прямоугольном основании. А при наличии входной оптики... Впрочем, при больших дальностях уже другие проблемы... Вернемся к настройке приемника. Теперь полезно попробовать настройку для разных скоростей ком-порта. И, наконец, можно подключить цифровую часть приемника и повторить опыты, описанные в первой части данной трилогии. Я специально ничего не говорил о конструктивном оформлении приемника. Да, наверно полезно иметь какие-нибудь бленды на входных светодиодах. Вообще-то приемник весьма устойчив к засветкам разного рода. Обычная засветка лампочкой 60 ватт с расстояния 70 см под углом в 30 градусов никак не влияла на работу схемы. Конденсатор C3 очень хорошо "режет" все низкочастотные помехи.
Посмотрите на ваш радиоприемник. Вы увидите, что в диапазоне длинных волн «умещаются» передачи двух-трех радиостанций, на более коротких волнах (их называют средними) уже можно услышать их пять -десять. И наконец, в области коротких волн звучит буквально каждый миллиметр шкалы радиоприемника: вращая ручку настройки, вы слышите писк морзянки, сигналы радиомаяков, разноязычную речь и музыку. Станций так много, что приходится шкалу коротких волн растягивать, она делается в несколько раз длиннее, чем все остальные диапазоны приемника. Это не случайность, а закономерность: чем короче электромагнитные волны, тем больше их может уместиться, не мешая друг другу, на одном отрезке шкалы.
Но свет - такие же электромагнитные колебания, как и радиоволны, только гораздо короче. Поэтому оптический диапазон в пятьдесят тысяч раз шире радиодиапазона. Значит, если использовать свет для связи так, как мы это делаем с радио, можно добиться невиданной плотности передаваемых сообщений! Для этого нужно, чтобы передатчики друг другу не мешали. Этого можно добиться, если каждую передачу вести на строго определенной длине волн.
С радиоволнами все просто: передатчик может излучать электромагнитные волны любой длины. На них очень легко «нагрузить» сообщение. Волна, несущая какой-то сигнал -речь, музыку,- называется модулированной. Модуляция бывает двух видов: частотная (когда меняется длина волны излучения) и амплитудная (когда меняется его интенсивность). Так же модулировать можно было бы и свет, не будь он смесью разных электромагнитных волн, а будь одной волной достаточной интенсивности. Короче, нужен был лазер. И как только он появился, за него тут же ухватились связисты. Уже в 1962 году заработала лазерная линия связи между Калининским районом столицы и подмосковным городом Красногорском. Связь шла по открытому лучу: лазер стоял на одной из башен высотного здания Московского государственного университета на Ленинских горах. В то время это была самая высокая точка Москвы, Останкинская башня только проектировалась. Линия исправно работала в холод и в жару, днем и ночью. Хотелось бы добавить: в дождь и снег, но нельзя -в туман и непогоду световая линия работать переставала, и связь переключалась на обычную, электрическую. А плотных туманов в Москве бывает до восьмидесяти часов в год; на севере во много раз больше. Не передатчик может излучать электромагнитные волны любой длины. На них очень легко «нагрузить» сообщение. Волна, несущая какой-то сигнал -речь, музыку,- называется модулированной. Модуляция бывает двух видов: частотная (когда меняется длина волны излучения) и амплитудная (когда меняется его интенсивность). Так же модулировать можно было бы и свет, не будь он смесью разных электромагнитных волн, а будь одной волной достаточной интенсивности. Короче, нужен был лазер. И как только он появился, за него тут же ухватились связисты. Уже в 1962 году заработала лазерная линия связи между Калининским районом столицы и подмосковным городом Красногорском. Связь шла по открытому лучу: лазер стоял на одной из башен высотного здания Московского государственного университета на Ленинских горах. В то время это была самая высокая точка Москвы, Останкинская башня только проектировалась. Линия исправно работала в холод и в жару, днем и ночью. Хотелось бы добавить: в дождь и снег, но нельзя -в туман и непогоду световая линия работать переставала, и связь переключалась на обычную, электрическую. А плотных туманов в Москве бывает до восьмидесяти часов в год; на севере во много раз больше. Не сидеть же, ожидая погоды, без связи?
Конечно, нет, нужно исключить все вредные погодные воздействия, пустив свет по волоконному световоду.
Лазерный луч попадает в модулятор - устройство, которое «накладывает» на него передаваемый сигнал (речь, музыку, телевизионное изображение) - и уходит в волоконный кабель. Бесчисленное число раз отразившись от его стенок и пройдя в нем сотни и сотни метров, модулированный луч попадает в устройство, которое снова превращает его в привычный нам электрический сигнал.
По этому же световоду можно направить излучение второго лазера, с другой длиной волны, третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть тоньше волоса, можно одновременно передавать 32 ООО телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволит создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений, как сегодня работает радиотрансляция. Часто в одном жгуте комбинируют волоконные световоды и обычные электрические провода.
Есть и еще одно очень важное соображение, которое имеют в виду, создавая волоконно-оптическую связь. Два электрических провода, лежащие рядом, могут мешать друг другу. Переменный ток, текущий в одном проводе, вызывает такой же ток, только послабее, в другом. Возникает ложный сигнал -шум, треск, а то и музыка или речь, мешающие передаче по другому проводу. Такие сигналы-помехи называются наводками. Электрические искры и молнии дают наводки, принимаемые радиоприемником.
Особенно опасны наводки для работы электронно-вычислительных машин. В США был случай, когда огромную космическую ракету пришлось взорвать через несколько секунд после старта: из-за одной-единственной ошибки в вычислениях она сошла с траектории и грозила упасть на город. Расследование показало, что виновато маленькое реле: его неисправный контакт искрил, искра вызывала наводку, а та, в свою очередь,-сбой в работе машины. Крошечная искра стоила американцам нескольких миллионов долларов...
Для того чтобы избежать по-мех, провод одевают в «экран», или «броню» - плетеный чулок из медных нитей. Все высокочастотные кабели обязательно делаются в броне, именно так устроен кабель, идущий от антенны к телевизору. Но и это, как мы уже видели, не всегда помогает.
С волоконным световодом таких неприятностей не произойдет, слой непрозрачной краски на его поверхности - вот и вся изоляция. Поэтому считают, что миниатюрные полупроводниковые лазеры и оптическое волокно скоро вытеснят электронные приборы и кабели из вычислительной техники.
Лазеры уже можно гасить, зажигать и менять их яркость при помощи другого лазера, так, как включают, выключают и усиливают электрический ток электронные лампы и транзисторы. Свет заменяет электричество!
И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. «Автор» конструкции и хозяин этого устройства -белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже и согревают зверя.
Волоконно-оптические кабели оказались настолько удобными добавлениями к лазерному лучу, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но, в конце концов, не так давно был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера, например, такого, какой стоит в цехе завода имени Лихачева.
«Беспилотники стали очень популярной темой. Для чего их только не пытаются использовать — они и пиццу развозят, и поле боя разведывают… При этом все вынуждены преодолевать главное препятствие — слишком краткое время полета. Мультикоптеры остаются в воздухе по 10−20 минут, на самых современных аккумуляторах — 25−30. Этого часто не хватает», — говорит инженер из РКК «Энергия» Виталий Капранов.
В самом деле, многим аппаратам требуется оставаться в воздухе часами, ведя мониторинг газопроводов или состояния железных дорог, аэрофотосъемку районов бедствий, охрану территорий, ретрансляцию радиосигнала. Для таких задач можно использовать беспилотники «самолетного типа» с двигателями внутреннего сгорания, но они не слишком маневренны и неспособны зависать в одной точке. Во многих случаях электрические квадрокоптеры удобнее, и их пользователи идут на разные ухищрения, чтобы продлить срок работы: возят дополнительные аккумуляторы или даже запасные дроны, чтобы быстро проводить замену, пока отработавший свое время аппарат остается на подзарядке.
Инжененер РКК «Энергия» // Образование: МИФИ // Цели: провести эксперимент с передачей энергии на беспилотник, защитить диссертацию.
Отдельные модели беспилотников работают «на привязи», получая электроэнергию с земли. Однако провода тяжелые, их сдувает ветром вместе с самим беспилотником, и предел высоты для таких аппаратов редко превышает 200 м, высота 1 км уже недостижима. Предпринимаются попытки питать беспилотники по оптоволокну, отправляя наверх импульсы инфракрасного лазера. Оно вдесятеро легче металлического провода — но, увы, не предназначено для передачи больших мощностей и легко перегревается, что сильно усложняет дело.
Энергетическая «привязь» беспилотников неизбежна — но она может стать совсем невесомой и почти бесконечной, питая аппараты напрямую, чистым лазерным лучом. Такой проект разрабатывают Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов (КИПМ) РКК «Энергия». «Наша технология может обеспечить круглосуточную работу беспилотников без необходимости подзарядки», — говорит Иван.
Вплоть до недавнего времени передача энергии с помощью лазеров не имела большого смысла: их КПД составлял всего 10−20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получателя достигало в лучшем случае нескольких процентов исходной мощности. Только в 2000-х годах ситуация начала меняться: появились инфракрасные лазеры с КПД до 40−50% и высокоэффективные фотоэлектрические модули на основе арсенида галлия, способные преобразовывать в электричество до 40%, а иногда — и до 70% энергии излучения.
«Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления».
Это породило большую моду на создание автономных беспилотников, способных полностью обеспечивать собственные энергетические нужды от бортовых панелей солнечных батарей. Однако Солнце излучает в широком диапазоне волн, и панели приходится делать «универсальными», способными улавливать фотоны разной энергии. Лазерный луч позволяет работать намного ювелирнее: он имеет строго определенную частоту и позволяет заранее подобрать материал фотоэлемента так, чтобы фотоны именно этой длины волны выбивали из него максимальное количество электронов. Это повышает эффективность энергосистемы, снижает ее размеры и вес.
Проект, над которым работают Капранов, Мацак и их коллеги, использует для передачи энергии инфракрасные лазеры с двумя длинами волн — 808 и 1064 нм. 808-нанометровый луч ориентируется на фотоэлементы на базе арсенида галлия с эффективностью преобразования энергии до 40%. Но эта длина волны хороша лишь на малых дистанциях: уже при километровом удалении пучок вырастет в метровое размытое пятно. «С 1064 нм мы теряем 10% эффективности, но зато на километре луч дает пятно лишь в 3 см», — поясняет Капранов.
Зарядная станция с системой наведения может непрерывно снабжать беспилотник энергией, если он не улетает за пределы видимости либо если аппарат летает по определенному маршруту и подзаряжается в какой-то определенной точке своей траектории. При необходимости таким образом можно держать БПЛА в воздухе сутками, во многих случаях получая дешевую альтернативу космическому аппарату.
Российские инженеры не первые, кто работает над лазерной линией электропередачи. В 2011—2012 годах такую разработку продемонстрировала компания Laser Motive, использовав беспилотник с обычной солнечной батареей, где эффективность преобразования энергии была очень мала. «Они выступили с большим успехом, выиграли конкурс NASA Space Elevator, — замечает Виталий Капранов. — Для нас это сигнал: времени терять нельзя».
К сегодняшнему дню инженеры из комитета инновационных проектов «Энергии» уже разработали систему наведения лазерного луча, которая чутко удерживает беспилотник на прицеле. Она следит за аппаратом, ориентируясь на отражение сигнала слабого «навигационного» лазера от уголкового отражателя на корпусе, с точностью до 0,1°. Дальнейшее наведение обеспечивает миниатюрное зеркало внутри оптической системы «лазерной пушки». Оно позволяет менять направление луча с точностью до тысячных долей градуса, ориентируясь на поток энергии от ячеек фотоприемника, и добиваться максимального уровня полученной энергии. Эта аппаратура уже испытана в наземных экспериментах — на крышах двух рабочих корпусов «Энергии» в подмосковном Королеве, разделенных расстоянием 1,5 км. «Нам удавалось передавать энергию и в дождь, и во время тумана. Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления. А в остальное время все работало, мы предлагали коллегам заряжать телефоны», — говорит Капранов.
Монохроматическое излучение (809 нм), приемник с концентрирующей оптикой, параллельное соединение фотоэлементов.
«Основные помехи для распространения луча в атмосфере — у поверхности: пыль, дым, колебания воздуха от нагретых крыш, — поясняет разработчик. — Кроме того, чаще всего сами ячейки турбулентности ориентированы поперек, а не вдоль поверхности. Поэтому, если бы мы светили вертикально, помех было бы значительно меньше». Инженеры рассчитывают провести первый эксперимент с реальным беспилотником уже в следующем, 2017 году — а еще через два-три года выйти на рынок и просто сдавать в аренду станции лазерной передачи энергии вместе с беспилотниками или без них. Но их планы идут и выше.
В космосе лазерная передача энергии будет еще эффективнее, чем по воздуху: здесь почти нечему поглощать и рассеивать излучение. Сейчас многие космические аппараты получают энергию от солнечных батарей, но их массивные «крылья» в космосе создают много проблем. «Размер панелей пропорционален потребностям в мощности, — говорит Иван Мацак. — Нужно много энергии — нужны большие батареи. Масса космического аппарата растет, увеличивается масса топлива, снижается полезная нагрузка».
Свет в фотоэлементах превращается в электричество благодаря фотоэффекту: фотоны высоких энергий «выбивают» из материала электроны — и возникает ток. Разные полупроводники отличаются эффективностью преобразования света и разной чувствительностью к излучению разной длины волны. Как правило, солнечные батареи делают из кремния, он недорог, но в ток он превращает обычно не больше 10% энергии падающего света. Арсенид галлия (GaAs) дороже, но и эффективнее. В инфракрасном диапазоне, на длине волны около 808 нм, его производительность достигает 60%.
Кроме того, на некоторые спутники солнечные батареи просто некуда ставить. Размеры современных микроспутников измеряются десятками сантиметров и позволяют разместить в лучшем случае несколько квадратных дециметров солнечных панелей. Конструкторам приходится биться за каждый потребляемый ватт, а уж о том, чтобы поставить на такие аппараты энергоемкую нагрузку (например, электрореактивный двигатель для поддержания орбиты), и речи не идет. Микроспутники обычно живут несколько месяцев, выполняют свою задачу и сгорают в атмосфере. Но лазером их можно было бы подзаряжать прямо с борта МКС, продлевая срок службы.
И эта идея будет опробована уже в ближайшие годы. Разработанный Иваном Мацаком и его коллегами космический эксперимент «Пеликан» позволит испытать новый путь передачи энергии с российского сегмента МКС на борт грузового корабля «Прогресс». На расстоянии 1 км пятно от лазерного луча будет иметь диаметр 30−40 см, попадая на фотоприемник такого же размера. Для того чтобы передавать энергию с Земли, потребуется дополнительная фокусирующая система — по расчетам ученых, в этой роли может выступить и обычный телескоп с зеркалом диаметром около 2 м.
Ученые оценили возможность применения такой системы для энергоснабжения типичного крупного спутника. «Давайте возьмем такой аппарат, как «Ресурс-П», — объясняет Виталий Капранов. — Его солнечные батареи площадью 5 х 5 м можно заменить приемником размерами 1 х 1 м и дополнительно облегчить спутник в полтора раза. То есть мы могли бы сократить требования к мощности выводящей его ракеты или поставить больше приборов».
Но инженеры готовы пойти еще дальше и вывести в космос целую электростанцию — спутник с мощной энергетической установкой на основе ядерного реактора и с лазерным передатчиком энергии. Такой аппарат сможет питать сразу множество спутников — например, флот межорбитальных буксиров, которые будут довыводить на высокие орбиты самые тяжелые телекоммуникационные спутники. Теоретически, подобные электростанции смогут снабжать энергией и исследовательские роверы на других планетах. «Мы прорабатываем и такие проекты», — заверили нас инженеры РКК.
У проводных систем передачи данных появился конкурент – лазер. По лазерному лучу можно передавать до 10 Гбит информации в секунду: в сетях радиосвязи такая скорость невозможна. Лазерная связь совершенно безвредна для человека и имеет множество других достоинств. Правда, лазерный луч не может пробиться сквозь туман.
У лазерной связи своя ниша – она применяется на коротких дистанциях в местах, где возникают сложности с прокладкой кабеля. Операторам лазерной связи не нужно получать разрешение на ввоз оборудования и на использование частот.
Свет в окошке
В Москве и Петербурге все офисные центры поделены между различными операторами связи. Если, к примеру, здание обслуживает «Совинтел», то «Комстару» провести линию в этот офисный комплекс крайне трудно (лишь в очень редких случаях одно здание обслуживают два оператора связи). При этом владельцы офисных комплексов, как правило, не разрешают ставить на крышах своих домов радиосистемы для связи с другими операторами. Лазерная связь помогает преодолеть эти сложности. В офисе можно установить беспроводной оптический аппарат, который направит луч через окно на ближайший ретранслятор «своего» оператора связи и будет по этому лучу передавать информацию. Это позволяет пользователям обходиться без дорогого сервиса, навязываемого арендодателем, и самостоятельно налаживать более удобную и дешевую связь. При смене офиса оборудование можно демонтировать и перевезти на новое место.
Лазер может решить и проблемы крупных предприятий. Установить связь между офисом и производственными площадками – дело хлопотное. В условиях плотной городской застройки проложить кабель по территории завода и прилегающих улиц очень трудно. Но даже если кабель проложен, это не значит, что все проблемы позади. Коммунальные службы то и дело вскрывают асфальт для ремонта городских коммуникаций, частенько при этом перерубая проложенные кабели. Подвесные же кабели часто становятся жертвой подъемных кранов и штормового ветра. Лазерному лучу экскаватор не страшен. Кроме того, световой луч невозможно украсть и сдать как цветной металлолом, поэтому лазерной связи неопасны воры, промышляющие выкапыванием кабелей из-под земли.
Да и подслушивание лазерных систем – дело очень сложное. Если на пути луча поставить несанкционированное приемное устройство, то связь мгновенно прервется. Разместить подслушивающие устройства рядом с приемником и передатчиком тоже нельзя: они будут видны невооруженным взглядом.
20 лет без научной перепискиПопытки построить беспроводную связь при помощи лазерного луча предпринимались в Москве еще в конце 1960-х. Передатчики были установлены в здании МГУ на Ленинских горах и в одном из домов на Зубовской площади, неподалеку от станции метро «Парк культуры». Установка размером с комнату передавала сигнал успешно, но только в ясную погоду. Специалисты решили, что зависимость от состояния атмосферы слишком высока. Связь при помощи инфракрасного луча была признана бесперспективным направлением, и исследования были свернуты на 20 лет. Эта пауза дорого обошлась отечественной науке. В конце 1980-х советские исследователи вернулись к теме, но довести свои испытания до коммерческих образцов не успели. За них это сделали западные конкуренты.
Системы передачи данных при помощи инфракрасного луча появились на мировом рынке в начале 1990-х. Одним из первопроходцев была канадская A.T.Schindler. Вслед за ней свои разработки вывели фирмы Jolt и SilCom. В конце 1990-х на Западе среди производителей оборудования для лазерной связи в лидеры выбилась PAV Data Systems, а пионерам SilCom и A.T.Schindler пришлось слегка потесниться. Кроме того, в области лазерной связи свои разработки имеют американо-германская Lightpointe Communications (бывш.Eagle Optoelectronics), американские Astroterra, LSA Photonics, Lucent Technologies.
Дождь и туман
Поначалу зарубежные системы обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 м и обслуживали локальные сети передачи данных. В конце 1990-х появились системы следующего поколения – более надежные и «дальнобойные», позволяющие обслуживать сети городского масштаба.
На расстоянии до 1600 м системы работают прекрасно. Однако при передаче данных на большее расстояние качество связи снижается. Кроме того, лазерные системы не освободились от метеозависимости. Самая страшная преграда для лазерной связи – туман.
В свою очередь, радиорелейные системы «падают» во время дождя. В этой связи разработчики предлагают строить высоконадежные каналы связи на основе двух линий, одна из которых передает информацию по радио, а другая – по лазерному лучу. Соответственно одна «падает» в дождь, а другая – в туман. «Если нужно получить канал высокой надежности на дистанции до 3 км, то это идеальный вариант», – утверждает Александр Клоков, технический директор представительства американской MicroMax , дистрибутора и интегратора беспроводных оптических систем.
Случаются и другие естественные преграды. Например, говорят, что одна из сотовых компаний до сих пор размышляет, как поступить с выросшим на пути лазерного луча деревом – то ли срубать его, то ли аппарат переставить…
Западные и российские производители не конкурируют друг с другом
Источник: MicroMax Computer Intelligence, Inc
Плюнь в колодец
Преимущества лазерного луча оценил «Транстелеком». У этой компании возникли трудности с «Ростелекомом» и местными «Электросвязями»: конкуренты, владеющие инфраструктурой связи, не подпускают «Транстелеком» к кабельным колодцам. В итоге «Транстелеком» махнул рукой на колодцы и собирается подключать корпоративных клиентов к своим магистралям посредством лазерного луча.
Кроме того, лазерным лучом как каналом передачи сигнала пользуются операторы сотовой связи. Они применяют лазер в тех местностях, где в радиоэфире множество помех – например, в аэропортах.
Заместитель технического директора компании «Соник Дуо» (сеть «МегаФон») Игорь Парфенов
рассказал «Ко», что в московской сети «МегаФон» работают более 10 оптических систем. Компания намерена в течение 2003 года следить за их работой и по результатам наблюдений принять решение о целесообразности массового использования этого оборудования. Пока претензий к работе техники у «Соник Дуо» нет.
В свою очередь, руководитель группы инсталляции радиорелейного оборудования «Вымпелкома» Георгий Павленко сообщил, что его компания использует лазерные установки исключительно для временной работы, пока не получено разрешение на установку радиорелейной аппаратуры. «На постоянной основе эти системы лучше использовать на расстоянии до 500 м. Помимо тумана помехой для них является солнечный свет, поэтому необходимо устанавливать специальные фильтры», – говорит Павленко.
В МТС корреспонденту «Ко» рассказали, что сейчас лазерные приборы обеспечивают связь на участках, суммарная длина которых не превышает 1% от общей протяженности сети. Скорее всего, лазерная связь не превысит этого порога. «Оптические сети хороши для построения микросетей, на использование лазера не требуется разрешения Госсвязьнадзора. Но, к сожалению, практика нашей компании показала, что лазер пока обеспечивает надежную связь на расстоянии не более 500 метров».
В России оборудование для беспроводной связи на основе инфракрасного луча производят НИИ прецизионного приборостроения, компания «Катарсис» из Санкт-Петербурга, Рязанский государственный приборный завод, компании «НТЦ» из Новосибирска и «Сцептор» (последняя создана на базе Московского энергетического института), а также Воронежский институт связи.
Никто из производителей, кроме «Катарсиса», не продвинулся дальше опытного производства. В России хорошие инженеры, которые создают правильную технику, но совершенно не умеют ее продавать. «Например, простейший разъем должен быть стандартным. А у отечественных аппаратов разъемы многоштырьковые. Это, конечно, хороший разъем, но он больше подходит для ракет, – рассказывает Александр Клоков. – Установка российских систем требует распайки кабеля на месте, но какой здравомыслящий оператор пошлет своих работников паять что-нибудь на крышу?»
Отечественные и зарубежные системы пока не конкурируют друг с другом, поскольку находятся в разных «весовых категориях» (см. таблицу). По мнению Александра Клокова, в 2002 году в России будет продано в общей сложности около 400 систем лазерной связи.
Преимущества лазерного канала перед радиоканалом заключаются в том, что он, во – первых, не создаёт радиопомех; во – вторых, является более конфиденциальным; в – третьих, может применяться в условиях воздействия высокого уровня электромагнитных излучений.
Принципиальная схема передатчика представлена на Рис.1. Передатчик состоит из шифратора команд, выполненного на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), выходного блока – на транзисторах ВС847В (VT1, VT2) и интерфейса RS-232, который, в свою очередь, состоит из разъёма DB9-F (на кабель) (ХР1) и преобразователя уровней – на MAX3232 (DD3).
Цепь сброса микроконтроллера состоит из элементов DD2 (CD4011B), R2, C7. Выходной блок представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого через ограничитель тока на транзисторе VT2 включена лазерная указка. Питание передатчика осуществляется постоянным стабилизированным напряжением 9 – 12 В. Микросхемы DD1, DD2, DD3 питаются от напряжения 5В, которое определяется стабилизатором 78L05 (DA1).
Контроллер DD1 запрограммирован в среде BASCOM, что позволяет подавать ему команды с персонального компьютера (ПК) через интерфейс RS-232, с терминала Bascom, используя функцию «эхо».
Микроконтроллер имеет тактовую частоту 4Мгц от внутреннего генератора. Пачки импульсов частотой около 1,3 Кгц с вывода ОС0А (РВ2) поступают на выходной блок. Количество импульсов в пачке определяется номером команды, поступившей с ПК.
Для ввода команды необходимо нажать на клавиатуре ПК любую клавишу, затем при появлении надписей «Write command» и «Enter №1…8» ввести цифру от 1 до 8 и нажать клавишу «Enter».
Программа для микроконтроллера передатчика «TXlaser» состоит из основного цикла (DO…LOOP) и двух подпрограмм обработки прерываний: по приёму (Urxc) и по переполнению таймера 0 (Timer0).
Для получения выходной частоты 1,3 КГц таймер сконфигурирован с коэффициентом деления частоты (Prescale) = 1024. Кроме того, счёт начинается с нижнего значения Z = 253 (при высоком уровне на РВ2) и доходит до 255. Происходит прерывание по переполнению таймера, при обработке которого осуществляется переключение вывода РВ2, а таймеру вновь задаётся значение Z = 253. Таким образом, на выходе РВ2 появляется сигнал частотой 1,3 КГц (см. Рис.2). В этой же подпрограмме количество импульсов на РВ2 сравнивается с заданным, и в случае их равенства таймер останавливается.
В подпрограмме обработки прерывания по приёму задаётся количество импульсов, которое необходимо передать (1 – 8). В случае, если это количество будет больше 8, в терминал выдаётся сообщение «ERROR».
Во время работы подпрограммы на выводе PD6 присутствует низкий уровень (светодиод HL1 выключен), а работа таймера остановлена.
В основном цикле на выводе PD6 – высокий уровень, и светодиод HL1 включён.
Текст программы «TXlaser»:
$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
Config Pind.0 = Input "UART - RxD
Config Portd.1 = Output "UART - TxD
Config Portd.6 = Output "светодиод HL1
Config Portb.2 = Output "выход OC0A
"конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 "останов таймера
Dim N As Byte "определение переменных "
Dim N0 As Byte
Const Z = 253 "нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z
On Urxc Rxd "подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse "подпрограмма обраб.прерывания по переполнению
Enable Urxc
Enable Timer0
Do "основной цикл
Set Portd.6 "включение светодиода HL1
Loop
Rxd: "подпрограмма обработки прер. по приёму
Stop Timer0
M1:
Print "Write commad"
Input "Enter № 1...8:" , N0 "ввод команды
If N0 > 8 Then "ограничение номера команд
Print "Error"
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 "заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0 "запуск таймера
Return
Pulse: "подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6 "выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1 "приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then "если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500 "задержка 0,5с
Else
Start Timer0 "иначе, продолжить счёт
End If
Return
End "end program
Передатчик выполнен на печатной плате размерами 46х62 мм (см. Рис.3). Все элементы, кроме микроконтроллера, SMD – типа. Микроконтроллер ATtiny2313 применён в корпусе типа DIP. Его рекомендуется располагать в панели для DIP микросхем TRS (SCS) – 20, чтобы иметь возможность «безболезненно» перепрограммировать.
Печатная плата передатчика TXD.PCB находится в папке «FILE PCAD» .
Принципиальная схема приёмника лазерного канала представлена на рис.4. На входе первого усилителя DA3.1 (LM358N) фильтр низкой частоты, образованный элементами СЕ3, R8, R9 и имеющий частоту среза 1КГц, ослабляет фоновые помехи 50 -100 КГц от осветительных приборов. Усилители DA3.2 и DA4.2 усиливают и увеличивают длительность принятых импульсов полезного сигнала. Компаратор на DA4.1 формирует выходной сигнал (единица), который поступает через инверторы микросхемы CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Cигнал синхронно приходит на контакты микроконтроллера ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) и РВ3. Таким образом, Timer0, работающий в режиме счёта внешних импульсов и Timer1, отмеряющий время этого счёта, запускаются синхронно. Контроллер DD1, выполняющий функцию дешифратора, отображает принятые команды 1…8 установкой лог.1 на выводах PORTB соответственно РВ0…РВ7, при этом приход последующей команды сбрасывает предыдущую. При приходе команды «8» на РВ7 появляется лог.1, которая с помощью электронного ключа на транзисторе VT1, включает реле К1.
Питание приёмника осуществляется постоянным напряжением 9 -12В. Аналоговая и цифровая части питаются от напряжений 5В, которые определяются стабилизаторами типа 78L05 DA5 и DA2.
В программе «RXlaser» Timer0 сконфигурирован, как счётчик внешних импульсов, а Timer1, как таймер, считающий период прохождения максимально возможного количества импульсов (команда 8).
В основном цикле (DO…LOOP) Timer1 включается при принятии первого импульса команды (К=0), происходит сброс условия разрешения включения таймера Z=1.
В подпрограмме обработки прерывания по совпадению cчёта Timer1 со значением максимально возможного счёта считывается и устанавливается в PORTB номер команды. Устанавливается так же условие разрешения включения Timer1- Z=0.
Текст программы «RXlaser»:
$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
Ddrb = 255 "PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0 "PORTD-входа
Portd = 255 "подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1 "как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0
"определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit
X =80
Compare1a = X "кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0
On Compare1a Pulse "подпрограмма прерывания по совпадению
Enable Interrupts "разрешение прерываний
Enable Compare1a
Do "основной цикл
If Z = 0 Then "первое условие включения таймера
K = Portd.3
If K = 0 Then "второе условие включения таймера
Start Timer1
Z = 1
End If
End If
Loop
Pulse: "подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0 "считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm - 1 "определение номера бита в порту
Portb = 0 "обнуление порта
Set Portb.comm "установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End "end program
Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog .
Приёмник расположен на плате размерами 46х62 мм (см. Рис 5). Все компоненты – SMD типа, за исключением микроконтроллера, который необходимо разместить в панели для микросхем DIP типа TRS(SCS) – 20.
Настройка приёмника сводится к установке сквозного коэффициента передачи и порога срабатывания компаратора. Для решения первой задачи необходимо подключить осциллограф к выводу 7 DA4.2 и подбором величины R18 установить такой сквозной коэффициент передачи, при котором максимальная амплитуда шумовых выбросов, наблюдаемых на экране, не будет превышать 100 мВ. Затем осциллограф переключается на вывод 1 DA4.1 и подбором резистора (R21) устанавливается нулевой уровень компаратора. Включив передатчик и направив луч лазера на фотодиод, необходимо убедиться в появлении прямоугольных импульсов на выходе компаратора.
Печатная плата приёмника RXD.PCB находится также в папке FILE PCAD .
Повысить помехозащищённость лазерного канала возможно с помощью модуляции сигнала поднесущей частотой 30 – 36 КГц. Модуляция пачек импульсов происходит в передатчике, приёмник же содержит полосовой фильтр и амплитудный детектор.
Схема такого передатчика (передатчик 2) изображена на Рис.6. В отличии от рассмотренного выше передатчика 1 передатчик 2 имеет генератор поднесущей, настроенный на частоту 30 КГц и собранный на слотах DD2.1, DD2.4.. Генератор обеспечивает модулирование пачек положительных импульсов.
Приёмник лазерного канала с поднесущей частотой (приёмник 2) собран на отечественной микросхеме К1056УП1 (DA1). Схема приёмника изображена на Рис.7. Для выделения командных импульсов к выходу микросхемы DA1 10 подключены амплитудный детектор с фильтром низкой частоты и нормализатор импульсов, собранные на логических элементах DD3.1, DD3.2, диодной сборке DA3 и C9, R24. В остальном схема приёмника 2 совпадает со схемой приёмника 1.
