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Jun 03, 2023

Fehler beim Wireless-Design

Mit dem Potenzial, Energie- und Betriebskosteneinsparungen in nahezu unbegrenzter Höhe zu erzielen

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) wird voraussichtlich exponentiell wachsen, da es das Potenzial hat, in fast allen Bereichen der Fertigung, einschließlich Transport und Lagerung, Energie- und Betriebskosteneinsparungen zu erzielen. Drahtlose Konnektivität kann die Einführung von IIoT beschleunigen, da sie einfach zu installieren, anzuwenden und neu zu konfigurieren ist. Die Argumente gegen den Einsatz von Wireless in IIoT-Anwendungen konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf deren Zuverlässigkeit und beruhten hauptsächlich auf negativen Benutzererfahrungen. Alles, von drahtlosen Tastaturen bis hin zu Datenaggregatoren, leidet unter Reichweitenbeschränkungen, wobei eine einzige Betonwand manchmal der ultimative Reichweitenkiller ist! Zuverlässigkeit und Sicherheit sind für die drahtlose Kommunikation in Industrieanlagen, in denen ein Ausfall keine Option ist, von entscheidender Bedeutung.

Glücklicherweise hat sich die Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation in letzter Zeit dramatisch verbessert. Bedeutende Fortschritte in der Netzwerkarchitektur und der HF-Leistung haben zum Einsatz unzähliger Geräte geführt, die drahtlose Kommunikation über kurze Entfernungen in rauen Industrieumgebungen nutzen, etwa in der Öl- und Gasindustrie sowie bei intelligenten Stromzählern. Mit zunehmender Reife geht man jedoch leicht fälschlicherweise davon aus, dass alle drahtlosen Technologien eine gute Leistung erbringen. Während es immer einfacher wird, Prototypen von Produkten zu bauen, die drahtlos kommunizieren, kann eine schlechte Leistung in der Regel auf einen Mangel an Fachwissen und Wissen seitens des Designers zurückgeführt werden. Durch die Befolgung einfacher Designrichtlinien von Anfang an können Fehler vermieden werden. Vereinfacht ausgedrückt funktioniert die drahtlose Verbindung nicht ohne das richtige HF-Design. Es ist nahezu unmöglich, alle möglichen Gründe dafür anzugehen, warum ein HF-Design möglicherweise nicht funktioniert. Durch die Überprüfung häufig gemachter Fehler in der Vergangenheit können diese jedoch zumindest vermieden werden.

Das vielleicht kritischste Teil eines HF-Systems ist die Antenne – das Metallstück, das elektromagnetische Strahlung in die Luft befördert. Damit ein HF-Produkt optimal funktioniert, muss die Antenne so dimensioniert sein, dass sie der Frequenz der von ihm gesendeten/empfangenen HF-Signale entspricht, und so platziert werden, dass sie ungehindert und ungehindert abstrahlen kann. Ein HF-Modul mit integrierter Antenne sollte am Rand der Trägerplatine mit Erdungsaussparung platziert werden. Für die Antenne gelten folgende Richtlinien:

HF-Schaltkreise sind anfällig für elektrisches und magnetisches Rauschen. Elektrisches Rauschen kann hochfrequente Oberwellen enthalten, die den HF-Empfänger desensibilisieren, oder vom HF-Sender hochmoduliert und übertragen werden, was zu Emissionen außerhalb des Bandes führt. Ein HF-Schaltkreis sollte weit entfernt von einem System mit einer Hochgeschwindigkeits-CPU und einem Speicherbus platziert werden, da die durch schnelle Taktsignale erzeugten Oberwellen auch den HF-Empfänger desensibilisieren könnten. Auch sollten HF-Schaltkreise nicht in der Nähe von Schaltkomponenten wie Triacs, Schaltnetzteilen oder Steuerkreisen für Elektromotoren platziert werden. Die durch Spannungsumschaltung erzeugten Transienten können vom Funk als Störimpulse übertragen werden, wodurch der HF-Empfänger desensibilisiert wird.

HF-Geräte wechseln typischerweise von einem Zustand mit sehr geringem Stromverbrauch, in dem der Stromverbrauch in der Größenordnung von Mikroampere liegt, in einen aktiven Zustand, in dem der typische Stromverbrauch in der Größenordnung von mehreren Milliampere liegt. Wenn die Stromversorgung (Batterie), die das HF-Gerät mit Strom versorgt, nicht richtig ausgewählt ist, können abrupte Änderungen im Stromverbrauch zu Spannungseinbrüchen führen, die dazu führen können, dass ein HF-Gerät zurückgesetzt wird und daher nicht richtig sendet. Wenn ein HF-Schaltkreis nicht ausreichend entkoppelt ist und der Spannungspegel der Stromversorgung nahe an der Rücksetzschwelle liegt, kann der HF-Schaltkreis durch Spannungseinbrüche während drahtloser Übertragungen zurückgesetzt werden.

Einige Beispiele aus der Praxis für die oben genannten Fehler sind:

Die HF-Antenne befindet sich in der Nähe von Störgeräuschen — Ein Gateway mit einer Hochgeschwindigkeits-CPU wurde mithilfe von zwei Leiterplatten implementiert – eine für die CPU-Leiterplatte und die andere mit einer integrierten Antenne neben einem Speicherbus. Die Reichweite des resultierenden Produkts betrug nur etwa 2 Meter. Bei der Neugestaltung wurde die Antenne vom Speicherbus und so weit wie möglich von der CPU-Leiterplatte entfernt (angesichts der Einschränkungen des Gehäuses), und die Produktreichweite wurde auf mehr als 30 Meter verbessert.

Übermäßiger Lärm — Die Reichweite eines Lichtdimmers, der einen Triac verwendete, betrug mehr als 30 Meter, wenn das Licht entweder vollständig ausgeschaltet oder vollständig eingeschaltet war. Wenn der Triac jedoch zum Dimmen des Lichts verwendet wurde, verringerte sich die Reichweite auf weniger als 10 Meter ( aufgrund von Rauschen vom Triac). Bei ähnlichen Dimmerprodukten anderer Anbieter mit einer anderen Implementierung derselben Technologie kam es zu keiner Verschlechterung der Reichweite, unabhängig vom Zustand des Dimmerschalters.

Suboptimale Antennenposition, einschließlich — Ein Vorhangmotor, bei dem sich die Drahtantenne im Metallgehäuse befand; ein Thermostat, bei dem sich die Antenne hinter einem Display befand; oder ein Fernseher, bei dem sich das HF-Modul hinter dem Bildschirm befand.

Stabile Stromversorgung — Ein an der Wand montierter, mit Knopfzellenbatterien betriebener Schalter funktionierte ordnungsgemäß, wenn weniger als fünf Geräte an das Netzwerk angeschlossen waren. Wenn mehr als fünf Geräte hinzugefügt wurden, führte die aufgenommene Strommenge zu einem Spannungseinbruch, der zum Zurücksetzen des Schalters führte.

Die Reichweite und Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation hat sich so weit verbessert, dass sie nun eine praktikable Konnektivitätslösung für IIoT-Geräte darstellt. Gute Technik kann jedoch leicht durch grundlegende Designfehler zunichte gemacht werden. In diesem Artikel haben wir einige Beispiele gezeigt, bei denen grundlegende Designfehler zu einer schlechten Produktleistung geführt haben, und Richtlinien bereitgestellt, die Designern helfen sollen, die Wiederholung dieser Fehler zu vermeiden.

Der Autor Olfert Paulsen trägt den Titel Wireless System Architect bei Silicon Labs.

www.silabs.com