Помехоустойчивая система радиоуправления

Описываемая здесь система радиоуправления обладает повышенной помехоустойчивостью, что достигнуто многократной передачей команд. При этом дешифратор выдает сигнал о приеме соответствующей команды лишь в том случае, когда по крайней мере в двух из трех подряд принятых команд содержится одна и та же информация.
Для передачи команд используется числоимпульсный код. Шифратор передатчика построен на двух цифровых КМОП- микросхемах серии К561 (рис. 1, DD1, DD2).

Рис.1

На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов, работающий на частоте около 200 Гц. В связи с тем что порог переключения КМОП- элементов не соответствует точно половине напряжения питания, для симметрирования импульсов в традиционную схему генератора добавлены элементы R2 и VD1.
Импульсы генератора подаются на счетчик с дешифратором (микросхема DD2), нормально имеющий коэффициент пересчета 10. В те моменты, когда счетчик находится в состоянии 0 или 1, на выходах 0 или 1 (выводы 3 или 2 соответственно) присутствует логическая 1, которая запрещает прохождение импульсов генератора через элемент DD1.3 на модулятор передатчика, выполненный на транзисторе VT1. При остальных состояниях счетчика импульсы в положительной полярности проходят на базу VT1 и включают генератор передатчика. В результате, если не нажата ни одна из кнопок SB1—SB7, на базу VT1 проходят пачки из восьми импульсов, разделенные интервалом, равным 2,5 периода импульсов (первые 4 временные диаграммы на рис. 2).

Рис.2

Передаче таких пачек соответствует отсутствие команды.
Рассмотрим, как происходит формирование команд на примере команды, содержащей 5 импульсов. Если нажать кнопку SB5, счетчик, как и ранее, запрещает прохождение на модулятор первых двух импульсов. Затем на VT1 проходит 5 импульсов, после чего счетчик устанавливается в состояние 7 и на его выходе 7 (вывод 6 DD2) устанавливается логическая 1. Этот сигнал через замкнутые контакты кнопки SB5 поступает на вход R счетчика
DD2 и сбрасывает его в 0. В результате на выводе 10 элемента DD1.3 формируются пачки из пяти импульсов, разделенные интервалами такой же длительности, что и при отсутствии передачи команды.
При нажатии на любую другую кнопку генерируются пачки с соответствующим номеру кнопки числом импульсов — от одного до семи, разделенные таким же интервалом.
Генератор передатчика собран по простейшей схеме с кварцевой стабилизацией на транзисторе VT2. Колебательный контур L1C3 настроен на частоту кварцевого резонатора 27,12 МГц.
В передатчике не предусмотрено специальных мер для согласования колебательного контура передатчика с антенной, поэтому излучаемая мощность передатчика невелика, и радиус действия системы радиоуправления составляет 5...10 м. Для повышения дальности можно повысить напряжение питания передатчика до 9 В и применить согласующий LC-контур или удлиняющую катушку.
Схема приемника системы радиоуправления приведена на рис. 3.

Рис.3

Входной каскад приемника собран по схеме сверхрегенеративного детектора на транзисторе VT1. Сверхрегенератор обладает замечательными свойствами — высокой чувствительностью, малой зависимостью уровня выходного сигнала от уровня входного, простотой, однако ему свойственны и недостатки — малая избирательность, излучение сигнала, в результате которого он работает как маломощный передатчик и может мешать другим приемникам.
Работа сверхрегенеративного детектора описана во, многих книгах и статьях по радиоуправлению и здесь не рассматривается.
На нагрузочном резисторе входного каскада R3 выделяются, кроме полезного сигнала, пилообразные импульсы гашения с частотой 40...60 кГц, для их фильтрации используется RC-цепь R4C9, для той же цели служит конденсатор С10. Эти же элементы подавляют кратковременные импульсные помехи (например, от электродвигателей управляемой модели) и частично шумы сверхрегенеративного детектора.
Примерная форма полезного сигнала на коллекторе транзистора VT2, работающего в режиме линейного усиления, показана на первой диаграмме рис. 4.

Рис.4

Этот сигнал еще далек от пачек прямоугольных импульсов, необходимых для работы дешифратора. Для получения хорошей прямоугольной формы импульсов служит усилитель-формирователь на транзисторе VT3. При отсутствии полезного сигнала, когда на коллекторе- транзистора VT2 существует шумовой сигнал сверхрегенератора небольшой амплитуды, транзистор VT3 находится в состоянии неглубокого насыщения, напряжение между его коллектором и эмиттером составляет 250...300 мВ, и он не усиливает входной сигнал. Такая
рабочая точка транзистора VT3 устанавливается подстроечным резистором R6.
При появлении пачек радиочастотных импульсов сверхрегенеративный детектор подает на базу транзистора VT2 пачки импульсов положительной полярности, на коллекторе VT2 и базе VT3 появляются сигналы в, соответствии с первой диаграммой рис. 4. Отрицательная полуволна сигналов закрывает транзистор VT3, и на его коллекторе формируются импульсы положительной полярности, открывающие ключевой каскад на транзисторе VT4. На его коллекторе формируются пачки импульсов отрицательной полярности с амплитудой, равной напряжению источника питания, они подаются на вход дешифратора команд.
Схема дешифратора команд приведена на рис. 5.

Рис.5

Пачки входных импульсов отрицательной полярности поступают на формирователь, собранный на элементах R1, С1, DD1.1. Такой формирователь обладает свойствами интегрирующей цепочки и триггера Шмитта. На его выходе импульсы имеют крутые фронты независимо от крутизны фронтов на входе. Кроме того, он подавляет импульсные помехи малой длительности.
С выхода элемента DD1.1 импульсы поступают на детектор паузы. Он собран на элементах R2, С2, VD1, DD1.2. Так же, как и DD1.1, элемент «Исключающее ИЛИ» DD1.2 работает как усилитель-повторитель сигнала, поскольку один из его входов соединен с общим проводом.
Детектор паузы работает следующим образом. Первый отрицательный импульс пачки, проходя через диод VD1 на вход элемента DD1.2, переключает его в состояние 0. В паузе между соседними импульсами происходит постепенный заряд конденсатора С2 током, текущим через резистор R2, напряжение на входе DD1.2 при этом, однако, не доходит до порога переключения этого элемента. Каждый последующий импульс через диод VD1 быстро разряжает конденсатор С2, поэтому во время действия пачки на выходе DD1.2 будет логический 0. В паузе между пачками напряжение на входе 9 DD1.2 достигает порога переключения, этот элемент переключается лавинообразно за счет положительной обратной связи через конденсатор С2 в состояние 1. В результате в паузе между пачками на выходе 10 элемента DD1.2 формируется положительный импульс (четвертая диаграмма DD1 : 10 на рис. 4), сбрасывающий счетчик на микросхеме DD2
в 0.
Импульсы с выхода формирователя DD1.1 поступают также на счетный вход CN счетчика DD2, в результате чего после окончания пачки счетчик устанавливается в состояние, соответствующее числу импульсов в пачке. В качестве примера на рис. 4 проиллюстрирована работа счетчика в случае приема пачек из пяти импульсов. К моменту окончания пачки на выходах 1 и 4 счетчика
появляются логическая 1, на выходе 2— логический 0 (диаграммы пятая—седьмая DD2 : 3, DD2: 4, DD2: 5 на рис. 4). Фронтом импульса с детектора паузы DD1.2 происходит перепись состояния счетчика в сдвигающие регистры DD3.1, DD4, DD3.2, в результате чего на их выходах 1 появляется соответственно логическая 1, логический 0, логическая 1.
После окончания второй пачки из пяти импульсов импульс с выхода детектора паузы DD1.2 сдвигает ранее записанную информацию из разрядов 1 сдвигающих регистров в разряды 2, а в разряды 1 записывает результат подсчета числа импульсов очередной пачки и т. д. В результате при непрерывном приеме пачек из пяти импульсов на всех выходах сдвигающих регистров DD3.1 и DD3.2 будут логические 1, на всех выходах DD4— логические 0. Эти сигналы поступают на входы мажоритарных клапанов микросхемы DD5, на их выходах появляются сигналы, соответствующие входным, они поступают на входы дешифратора DD6. На выходе 5 дешифратора появляется логическая 1, которая и является признаком приема команды с числом импульсов, равным пяти.
Так происходит прием сигналов при отсутствии помех. Если же уровень помех силен, число импульсов в пачке может отличаться от необходимого. В этом случае сигналы на выходах каждого из сдвигающих регистров будут отличаться от правильных. Предположим, что при приеме одной из пачек вместо пяти счетчик насчитает шесть импульсов. После приема двух пачек из пяти импульсов и одной из шести состояния выходов регистров DD3.1, DD4 и DD3.2 будут соответственно следующими: 011, 100, 111. На входы элемента DD5.1 поступят две логические 1 и один логический 0.
Поскольку выходной сигнал мажоритарного клапана соответствует большинству сигналов на его входах, он выдаст на вход 1 дешифратора DD6 логическую 1. Аналогично элемент DD5.2 выдаст логический 0, элемент DD5.3—логическую 1. На выходе 5 дешифратора будет логическая 1, так же как и в случае приема сигналов без помех.
Таким образом, если в последовательности пачек импульсов, поступающих на вход дешифратора команд, в любых трех подряд идущих пачках две имеют правильное число импульсов, на нужном выходе микросхемы DD6 будет постоянно поддерживаться логическая 1.
Если не нажата ни одна из кнопок передатчика, на выходах 1—2—4 счетчика DD2 после окончания пачки из восьми импульсов будет логический 0 и на всех используемых выходах дешифратора DD6 также логический 0.
Правая часть схемы рис. 5 соответствует применению описываемой системы радиоуправления в гусеничной модели. В таблице

приведено соответствие команд числу импульсов пачек и выходные сигналы дешифратора системы в соответствии с обозначениями схемы рис. 5. Пачкам из пяти импульсов соответствует команда «Стоп». При ее приеме, как уже указывалось выше, логическая 1 появляется на выходе 5 DD6. Эта логическая 1 поступает на входы R триггеров DD7.1 и DD7.2 и устанавливает их в 0. Не рассматривая пока роли микросхемы DD8, условимся считать, что сигнал при прохождении через ее элементы не меняется. В результате приема команды «Стоп» на выходах ПВ (правый вперед), ЛВ (левый вперед) и Н (назад) будет логический 0, двигатели, подключенные к указанным выходам через усилители, будут остановлены.
При подаче команды «Вперед» логическая 1 появится на выходе 6 DD6, она установит триггер DD7.2 по входу S в состояние 1. Триггер DD7.1 независимо от своего исходного состояния установится в состояние 0 по входу С, так как на его входе D — логический 0. В результате на выходах 17В и ЛВ появится логическая 1, на выходе Н—логический 0. Оба двигателя гусеничной модели будут вращаться, обеспечивая движение модели вперед. При подаче команды «Назад» триггер DD7.1 будет в состоянии 1, DD7.2—в состоянии 0, двигатели обеспечат движение модели назад.
Указанные команды хранятся в триггерах микросхем DD7 и после .отпускания кнопок SB5—SB7. Предположим, что при движении модели вперед будет нажата кнопка SB2 «Вправо». В этом случае логическая 1 появится на выходе 2 DD6, она поступит на вывод 2 элемента DD1.4 и изменит логическую 1 на его выходе на логический 0. В результате сигнал ПВ станет равным нулю и правый двигатель остановится. Модель будет разворачиваться вправо за счет левой гусеницы (вторая строка таблицы). При движении назад нажатие кнопки SB2 также заставит измениться сигнал на выходе элемента DD1.4 на противоположный, но теперь уже с логического 0 на логическую 1. Правый двигатель также затормозится и модель также будет разворачиваться вправо. Аналогично ведет себя модель и при нажатии кнопки SB4 «Влево».
Команды «Вправо» и «Влево» не запоминаются, они действуют лишь во время нажатия соответствующей кнопки. Аналогично не запоминаются и команды «Фара» и «Сигнал» (SB1 и SB3). При нажатии на эти кнопки включаются соответственно транзисторы VT2 и VT1. Их базы подключены к выходам дешифратора DD6 без ограничительных резисторов, что допустимо при напряжении питания КМОП- микросхем серии К561 в пределах 3...6 В.
Для подачи сигналов на двигатели модели служат усилители, собранные по схеме
рис. 6.

Рис.6

При подаче, например, на вход ПВ этой схемы логической 1 включаются транзисторы VT1, VT3 и напряжение +6 В подается на выход П+ усилителя, подключенный к одному из выводов правого двигателя. Если при этом на входе ПН будет логический 0, напряжение 0 В поступит на второй вывод правого двигателя и он будет вращаться вперед.
Система радиоуправления была установлена на модель планетохода, оборудованную ранее «кибернетическим устройством», позволявшим модели объезжать препятствия при столкновении с ними (см. «Радио», 1987, № 2, с. 49—50). Микросхема DD8 как раз и служит для сопряжения дешифратора системы радиоуправления с кибернетической платой планетохода, обеспечивающей этот маневр. Полная схема соединения узлов планетохода приведена на рис. 7.

Рис.7

Здесь А1 — приемник по схеме рис. 2, А2 — плата с микросхемами DD1 — DD4 «Кибернетического планетохода», A3 — дешифратор системы по схеме рис. 5, А4 — усилители двигателей по схеме рис. 6. На схеме рис. 7 показано также подключение лампы фары HL1. Автором не была использована команда «Сигнал», источник звукового сигнала может быть включен в коллекторную цепь транзистора VT1 аналогично включению HL1 в цепь коллектора VT2.
Питание двигателей и узлов А1—АЗ разделено для исключения влияния помех от двигателей на электронную часть планетохода. Общие провода обеих цепей питания объединяются лишь в узле А4, на это надо обратить внимание при монтаже. Для исключения влияния помех от двигателей в их цепи питания включены дроссели L1—L4 и конденсаторы С1—С4, металлические корпуса двигателей соединены с общим проводом.
При отсутствии узла А2 на входы П, Л, С узла A3 можно подать напряжение в соответствии с указаниями на рис. 7, можно также исключить микросхему DD8 на рис. 5, соединив непосредственно выход триггера DD7.1 с выходом Н, а выход триггера DD7.2 со входами DD1.3 и DD1.4.
Все узлы системы радиоуправления собраны на печатных платах: передатчик — на односторонней (рис. 8),

Рис.8

приемник — на односторонней (рис. 9),

Рис.9

дешифратор — на двусторонней (рис. 10),

Рис.10

усилители двигателей — на односторонней (рис. 11).

Рис.11

На этих рисунках односторонние платы показаны со стороны, противополож-ной той, на которой установлены детали, плата дешифратора — с двух сторон.
В системе радиоуправления использованы  резисторы МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25, керамические конденсаторы КТМ (С1 на рис. 3), КМ-5 и КМ-6—остальные, электролитические конденсаторы К50-6 (С4, С8, С11, С12 на рис. 3), К50-16 (С13 на рис. 3), К52-2 (С1 на рис. 6). Здесь можно использовать К50-6, К50-16 или ЭТО-2, этот конденсатор подпаян к печатной плате усилителей, но расположен между двигателями модели. Подстроечный резистор R6 на рис. 3 типа СПЗ-1б, его выводы отогнуты под углом 90°. Вместо стандартных дросселей ДМ-0,2 30 мкГн (L2 на рис. 3) и ДМ-3 12 мкГн (LI—L4 на рис. 7) можно поставить самодельные с близкими параметрами.
В передатчике установлен кварцевый резонатор в стеклянном корпусе диаметром 10 мм на частоту 27,12 или 28...28,2 МГц. При отсутствии кварцевого резонатора передатчик можно собрать по любой из опубликованных схем, сохранив, однако, схему формирования пачек и модулятора такой же, как на рис. 1. Катушка L1 колебательного контура передатчика намотана на каркасе диаметром 5 мм и подстраивается сердечником из карбонильного железа диаметром 4 мм и длиной 6 мм. Она содержит 12 витков провода ПЭЛШО-0,38. Катушка L1 приемника намотана на каркасе диаметром 8 мм тем же проводом, содержит 9 витков и подстраивается сердечником из карбонильного железа с резьбой М6. В передатчике можно использовать такую же катушку, как и в приемнике.
Питается передатчик от батареи 3336, для питания двигателей использованы четыре элемента А343, электронная часть работает от четырех элементов A316. Антенной приемника служит велосипедная спица длиной 300 мм, антенна передатчика — телескопическая, состоит из четырех колен общей длиной 480 мм. Передатчик собран в пластмассовом корпусе размером 75Х150Х30 мм, кнопки SB1—SB7 — самодельные из микропереключателей МП7.
В модели планетохода. платы прикреплены винтами М2 к стойкам из органического стекла, приклеенным к корпусу модели. В передней части планетохода установлена плата А2, затем платы А1, A3, А4.
Сборку системы радиоуправления и ее настройку рекомендуется проводить в такой последовательности. На плате передатчика
надо собрать цифровую часть, укрепив все резисторы, кроме R5, и транзисторы, но не укреплять кварцевый резонатор, катушку L1 и конденсаторы С3—С5. Подбором резисторов R1 и R2 установить частоту импульсов на выходе DD1.2 180...220 Гц со скважностью, близкой к 2. Длительность отрицательных импульсов в указанной точке (логический 0) должна быть несколько большей, чем пауза (логическая 1). При отсутствии осциллографа можно воспользоваться высокоомным вольтметром постоянного тока — среднее напряжение на выходе 9 DD1.2 должно быть несколько менее половины напряжения питания.
Далее следует проверить правильность генерации пачек. Пока ни одна из кнопок не нажата, на выходе 10 DD1.3 должны быть пачки из 8 импульсов, разделенные интервалами. При нажатии кнопок SB1—SB7 — пачки из соответствующего числа импульсов. В случае отсутствия осциллографа о правильности генерации пачек можно судить по среднему напряжению на выходе DD1.3. При пачках из 8 импульсов оно должно составлять 40 % от напряжения источника питания, при 7—39 %, 6—37,5 %, 5—36 %, 4—33 %, 3—30 %, 2—25 %, при 1 импульсе в пачке—17 %.
Затем можно собрать дешифратор команд и, установив в передатчике резистор R5, соединить коллектор транзистора VT1 платы передатчика со входом дешифратора. Напряжение питания обеих плат может быть общим 4,5 В. Нагрузкой транзистора VT1 передатчика являются последовательно соединенные резисторы R4, R6 и переход база-эмиттер VT2. Следует убедиться, что в дешифраторе импульсы проходят через формирователь DD1.1, их форма и скважность не претерпевают заметных изменений, а детектор паузы работает правильно. Длительность положительных импульсов на выводе 10 DD1.2 должна быть приблизительно равной периоду повторения входных импульсов, среднее напряжение на этом выводе при отсутствии передачи команд (т. е. при подаче пачек из 8 импульсов) должно составлять 10 % от напряжения питания, при нажатии кнопки SB1—33 %.
Дальнейшую проверку можно производить, предварительно соединив входы Л и П с плюсом источника питания, вход С — с общим проводом. В этом случае сигналы на выходах Н, ЛВ, ПВ при нажатии кнопок должны соответствовать указанным в таблице. После этого можно соединить узлы A3 и А4 и двигатели модели по схеме рис. 7. Знаками «+» и «—» у двигателей помечена полярность подачи на них напряжения питания, при котором обеспечивается движение модели вперед. Дроссели L1—L4 и конденсаторы С1 — С4 следует подпаять непосредственно к выводам двигателей.
Далее следует проверить четкость управления моделью по паре проводов, соединяющих платы передатчика и дешифратора. Если все работает нормально, можно передатчик и приемник собрать полностью. После сборки приемника нужно предварительно подстроить резистор R6. Для этого следует сорвать сверхрегенеративный режим транзистора VT1, замкнув накоротко колебательный контур L1C2, подключить между коллектором и эмиттером транзистора VT3 вольтметр, установить движок R6 в положение минимального сопротивления и, плавно увеличивая его сопротивление, установить по вольтметру напряжение 250...300 мВ. При этом, возможно, придется подобрать резистор R5. Снять перемычку с контура L1C2.
Включив передатчик и приемник и постепенно увеличивая расстояние между ними, их контура надо подстроить по максимуму амплитуды сигнала, наблюдаемого при помощи осциллографа или вольтметра переменного напряжения в контрольной точке КТ1. Затем надо подстроить резистор R6 для получения в соответствии с рис. 4 правильной формы импульсов в контрольной точке КТ2. Собрав целиком модель по схеме рис. 7 и убедившись в нормальной работе системы управления на расстоянии 2...3 м, добиться максимальной дальности действия подстройкой резистора R6.
При отсутствии указанных в описании микросхем можно применить соответствующие микросхемы серии К176, они, как правило, работают и при напряжении питания 4,5...6 В. В передатчике и приемнике можно использовать практически любые высокочастотные n-р-n кремниевые транзисторы (КТ316, КТ312, КТ3102, КТ315 с любыми буквенными индексами). При отсутствии микросхемы К561ЛП13 можно с ущербом для помехоустойчивости исключить сравнение последовательно приходящих команд, заменив микросхемы DD3, DD4, DD5 дешифратора команд на одну микросхему К561ИР9 (рис. 12)

Рис.12

или К176ИРЗ. Усилители для двигателей можно собрать на германиевых р-п-р транзисторах и электромагнитных реле (рис. 13).

Рис.13

Можно использовать реле срабатывающие при напряжении не более 4 В. Это могут быть реле. типа РЭС-9, паспорта РС4.524.203, 214, 216, 219; РЭС-10, паспорта РС4.524.304, 315; РЭС-34, паспорта РС4.524.374, 377;
РЭС-47, паспорт РФ4.500.421; РЭС-48, паспорта РС4.590.204, 216; РЭС-59, паспорт ХП4.500.021; РЭС-60, паспорта РС4.569.439, 440 и другие.

C. Бирюков.