在高可靠性无线工业控制系统应对干扰

无线控制是用于工业系统的巨大的优势，但也有克服一些关键挑战。本文着眼于挑战的干扰呈现给那些在各种距离Decawave，领新科技，向Digi以及爱特梅尔的收发器设备和模块中实现高可靠性的工业控制系统和不同的频率和无线协议。

有许多不同的方式来最小化在无线控制系统中的工业自动化干扰。设计人员可以交易的链路预算，距离，频率和协议，以获得尽可能最可靠的无线连接。干扰可能来自各种渠道，从宽带电子噪声对操作附近的其他无线系统。

协议是一种方式优化链路，使用码分复用（CDMA），以尽量减少丢失的符号的效果。前向纠错和循环冗余校验（CRC）现在常规地加入到保持数据的完整性，但它们可以占用宝贵位在有效载荷中。

扩频和跳频技术也被用来减少干扰。在整个频率范围的扩展信号再一次减少了干扰的任意一个频率的影响。或链路可以检测的问题，并自动转移到另一个频带，以避免在一个跳频方案的干扰。

与此同时设计者可以权衡通过这些技术，它可以是最多12公里的某些系统提供的范围内，以提供在一个工厂内有较高的链路预算，可以是较少受到其他信号。

所有这些技术具有对所使用的频谱连锁反应。子GHz的868兆赫和902兆赫频带挤满了许多不同类型的意思扩频或跳频是不可行的链路，而2.4GHz频带是家里的低功耗ZigBee协议还具有容纳的Wi- Fi和蓝牙，并应对来自微波炉等工业系统中常见的干扰。

作为挑战的例子中，只有少数的ZigBee通道，不与无线网络连接（通道15，20，25和26）重叠，因此​​有可忽略的干扰，而对于每个Wi-Fi信道有四个重叠ZigBee的渠道。在PER（分组错误率）的降低与干扰源和接收器和中心频率的差异（干扰源和接收器之间）之间的距离有密切的关系，呈现为使用2.4GHz频带系统设计者一些显著挑战。

代替的处理上，Decawave使用的3.5千兆赫至6.5千兆赫频带和超宽带协议的组合来提供更高的数据速率，通常在更不受干扰该磁头。 DecaWave的DW1000芯片是一个完整的单芯片CMOS超宽带芯片基础上，​​IEEE802.15.4-2011标准。这是第一个在ScenSor（寻求控制执行网络检测服从回应）系列器件，工作在110 kbps的，850 kbps和6.8 Mbps的数据速率，并为更高频率的结果，也可以定位标签的对象既室内和室外在10公分。

DecaWave DW1000收发器图

图1：DW1000收发器的框图。

该技术既涉及高可靠性的链接精确室内位置与通讯用于工厂自动化，特别是在偏远或难以访问的位置。因为DW1000允许的时间和数据通信二者的精确测量，以同时发生，它可以用于广泛的各种应用由实时定位系统的开发者（RTLS）和室内定位系统，以及物联网和无线互联网传感器网络。

工厂自动化设备供应商可以采用该技术为自动化和监控工具，10厘米与3定位精度 - 5米适用的Wi-Fi实时定位系统。使用更高的频率还提供了数据传输速率高达6.8 Mbit / s的相比，250 kbit / s的用于ZigBee和1Mbit/s的为Wi-Fi。

所使用的协议是802.15.4a标准，这是突发位置调制（BPM）和二进制相移键控（BPSK）的组合。将合并的BPM-使用BPSK调制码元，每个码元被突发的超宽带脉冲减轻易受干扰，在任何一个特定的频率组成。该芯片还结合使用两种不同的码每个通道以进一步优化信道链路和减少干扰码分CDMA技术的六个信道频分（FDMA）的。这然后用集成FEC和CRC错误校正相结合，确保干扰对信号不会影响。

该技术还具有内置的抗多径干扰，如脉冲频率的频段并不反映良好，更容易消散。

该DW1000采用2.8 V单电源电压为3.6 V，并具有31 mA的发射模式电流和接收模式下电流为64毫安低功耗运行。

向下在子GHz频带，领新技术开发出了收发器，用于可靠的远程遥控器和传感器的应用。该TRM-900-TT由一个高度优化的跳频扩频（FHSS）射频收发器和集成的远程控制代码转换器。该FHSS系统允许更高的功率，干扰少，因此给出了一个范围比窄带无线电设备。

操作在902至928兆赫频带，所述模块实现的？112 dBm的典型灵敏度。基本版能够产生+12.5 dBm的发射机输出功率，并实现了射程超过2英里（3.2公里）的线路站点链接的典型环境在0 dB增益天线。高功率版本输出23.5 dBm时，实现长达8英里（12.8公里）。

射频合成器包含一个VCO和低噪声小数N分频PLL。 VCO的工作基频的两倍，以减少造成干扰，因此允许在更长的范围内的杂散发射。接收和发送合成器集成在一起，使他们能够进行自动配置，以实现最佳的相位噪声，调制质量和建立时间。

接收机集成高效低噪声放大器，提供高达-112 dBm的灵敏度，和领新开发了先进干扰阻塞技术可以使收发信机中的干扰，在子GHz频带的存在时非常坚固。

模块如利用Digi的的XBee使设计人员能够在这两个使用802.15.4协议的2.4 GHz和900 MHz频段移动。这些嵌入式射频模块都有一个共同的足迹多个平台，包括多点和ZigBee /网状拓扑结构，2.4 GHz和900 MHz的解决方案共享。开发部署的XBee可能会进行替换的XBee另，根据与最小的开发动态的应用需求，具有2.4GHz的版本在全球部署的900 MHz的版本更长距离或环境需要更多的抗干扰性。

向Digi的XBee模块的图像

图2：向Digi的XBee模块具有相同的尺寸为2.4千兆赫和900兆赫的实现。

干扰是一个关键的原因是开发商转向模块。模块通过屏蔽同时提供防止电磁干扰，同时也优化了天线路径设计以从电子设备的其余部分与来自外部源的减少干扰。

Atmel的ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit的低功耗2.4 GHz的模块是结合了低功耗的AVR 8位微控制器和高数据速率的收发器，可提供高数据率从250 kb的传统ZigBee模块/ s到2 Mb / s的，帧处理，高接收灵敏度，高发射输出功率给一个强大的无线通信。该模块是专为无线传感，监测，控制和数据采集应用。

Atmel的ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit的模块的图像

图3：Atmel的ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit的模块。

为了解决干扰，IEEE802.15.4标准支持基于DSSS（直接序列扩频）两大PHY方案。在2.4GHz PHY使用C-QPSK调制，而780/868/915兆赫使用BPSK（二进制相移键控）调制，而这两个能提供良好的BER（误码率）性能。为了突出使用跳频在这些较低频段的挑战，802.15.4物理层提供31通道，四个在780 MHz频段中国（802.15.4c），一个在868 MHz频段欧洲，十在915 MHz的北美，十六个在2.4 GHz整个世界。

有时具有干扰设备本身内处理。德州仪器WL1835MOD结合呈现在管理跨频道干扰的主要挑战在单个设备中支持Wi-Fi无线MIMO和蓝牙4.0链接。

德州仪器WL1835MOD的图

图4：TI的WL1835MOD铲球在同一芯片上的Wi-Fi和蓝牙操作之间的干扰。

该芯片包括集成的2.4 GHz的功率放大器（PA）的无线网络连接，以及处理的802.11b / g和802.11n的数据传输速率为20 MHz或40 MHz的SISO（单天线）和20 MHz的MIMO（基带处理器多天线）的设计，以及蓝牙无线电前端。

要做到这一点，需要一个新的先进的共存方案。这个工作在MAC级，以协调在2.4GHz频带的使用的所有带宽的。在任何时候，所有的可用带宽可以被专用于802.11或蓝牙，只要一个或另一个是空闲的。例如，当没有蓝牙通信正在发生，所有的带宽的速度可支持802.11n的通信高达54兆比特/秒。或者，当802.11无线电空闲时，所有在2.4 GHz范围中的带宽可以被专门用于蓝牙通信。为了确保特定类型的关键通信，多声道的质量，共存溶液可以智能设置根据通信的时间敏感性质不同的优先级。

结论

有许多方法以最小化干扰的影响：移出拥挤频带，使用扩频和跳频技术，和增强链路更灵敏的接收器和优化，以减少外部信号的影响较高功率的发射机和布局。所有这一切都使得工业自动化设备设计人员权衡链路预算和链路距离，以实现他们所需要的高度可靠的链接。