Неоконченная пьеса для … Humminbird'вского поплавка

Действие первое.

Как-то некоторое время назад (господи, неужели это было шесть лет назад? :( ) к нам в руки в связи с одной гидроакустической темой попал рыболовный любительский эхолот «Humminbird» с беспроводными датчиками-поплавками.

Естественно, как профессионалы-электронщики мы, поигравшись с ним некоторое время, решили датчик распилить.

Довольно-таки быстро восстановили схему, хотя включение одного элемента мы так и не поняли. Схему я здесь приводить не буду, дабы не нарваться на обвинение в «реверс-инжениринге». Но то, что мы увидели нас реально поразило и восхитило. Обычно подобные неординарные решения выдают китайцы. А тут, вроде, американская разработка. Хотя америкосы никогда так мозги себе сворачивать не умели и не умеют, видимо тоже китайская разработка.

            Для исследования поплавка цифровые осциллографы не годились: слишком мала длина записи. Нужен был АЦП с записью на комп. И такой АЦП имелся: PCI-ная плата L783 от L-Card. Его характеристики и прилагающаяся программа «L-Graph» формально позволяли решить задачу. Но здесь следует сказать пару «тёплых» слов в адрес L-Card'а и его продукции!

            На примере этого АЦП я понял, к сожалению, что в нашей многострадальной стране не умеют делать отнюдь не только автомобили! При работе с этой убогой платкой сразу вспомнился анекдот про японца с его «плёхо, плёхо!». Что бы заставить эту плату работать в начале каждого (!) рабочего дня уходила уйма времени на пляски с бубном. Причём, не смотря на использование стандартного PCI-моста (что-то из серии PCI9052, если память не изменяет) и дров, явно сгенеренных старым добрым windrive'ом, нам удалось добиться вменяемой работы АЦП на одном-единственном компе во всей конторе! Описание к плате, похоже, писал студент 3-го курса в перерывах между занятиями. Программа «L-Graph» начинала обнаруживать устройство только после каких-то диких манипуляций в БИОСе и пары-тройки перезагрузок виндовоза. Интерфейс проектировал и писал, судя по всему, тот же студент. В общем, если бы не военная приёмка, глаза б мои этого чудища не видали!

            Сердцем схемы является сверхмалопотребляющий PIC-микроконтроллер (МК). В RF-45 применяется восьминогий PIC16F684, в более дешёвом RF-40 применяется (если память не изменяет) четырёхногий PIC12F629.

            Укрупнённая схема издевайса показана ниже:     

       

Включается поплавок гениально просто: благодаря микропотребляющей схемотехнике МК имеет очень высокие входные сопротивления по постоянному току. Поэтому сопротивления даже пресной воды достаточно, что бы притянуть подвешенную к питанию через мегаомное сопротивление ногу МК к «земле» через пару внешних металлических контактов.

Зачем в схеме нужен резистивный делитель – вопрос. Если как опорная точка для АЦП, то почему он несимметричен? Если как датчик температуры воздуха, то почему сопротивления взяты с обычной точностью?

Кстати, так и осталось загадкой как МК меряет температуру воды. Единственный электрический элемент, которым поплавок касается воды – это металлический контакт включения поплавка. Но вряд ли сопротивление воды однозначно зависит от её температуры. А поплавок, тем не менее, очень точно замеряет температуру воды!

Прямоугольный радиоимпульс генерится просто набором прямоугольных импульсов с частотой несущей (узкополосный «пьезик» всё равно сделает из них почти гармонику).

Что бы «раскачать» пьезоизлучатель требуется достаточно высокое напряжение, трёхвольтовой батарейкой здесь явно не обойдешься. Но при этом ток через пьезокерамику очень маленький. Значит нужно поднимать напряжение. На чём? Ребята из «Хамминбёрда» дали правильный ответ – на диодном умножителе! Дёшево и сердито.

С выхода пьезоэлемента сигнал подаётся на диодный ограничитель, ибо импульсами с усилителя мощности можно легко положить первый каскад усилителя сигнала. Далее после ограничителя ставится LC-фильтр. Его назначение, скорее всего, - обузить обрезанные после ограничителя мощные отражённые сигналы и (возможно) защитить вход усилка от наводок со стороны МК.

Далее сигнал поступает на 3-х-каскадный усилитель. Вернее, он, возможно, даже четырёхкскадный, но включение последнего элемента для нас осталось загадкой. Этот элемент в корпусе SOT32 по надписям вроде совпадает с одним из биполярных транзисторов. Но тогда получается, что у него база сидит на земле, т.е. включение по схеме с ОБ! Объяснить вменяемо зачем здесь понадобилось такое решение я не могу. Была ещё идея, что это – стабилизатор, элемент детектора, который собственно и задаёт середину шкалы («опору») АЦП МК. Но, по большому счёту, а зачем здесь сдвиг шкалы, ведь сигнал после детектора однополярный? Просто диодная сборка – тоже не вариант. Тогда получается, что в схеме куча нафиг не нужных ёмкостей и резюков. В общем разбираться глубоко было особо некогда, да и лень. Более-менее можно утверждать только то, что – это, всё-таки, элемент детектора.

Питание усилителя поступает прямо с ноги МК. При этом к нашему удивлению, никаких проблем с развязкой цифровых и аналоговых цепей не возникает!  

Причём, что восхищает, как в «настоящих» РЛС и ГАК, происходит плавное управление коэффициентом усиления (КУ) первого каскада. Управление происходит за счёт точки смещения транзистора первого каскада. Смещение задаётся импульсами с двух выходов МК с последующим интегрированием первого (на рисунке это хорошо видно).

В начале смещение приводит к малому КУ для подавления мощных местных отражений, затем плавно растёт достигая максимума для дальностей около 19м, затем КУ скачком переключается остаётся максимальным и постоянным и после дальностей около 40м начинает резко уменьшаться для защиты от так называемых отражений «на второй развёртке» (в радиолокации такие отражения на жаргоне часто называют «ангелами»).

Кстати, хорошо видно, что несмотря на все усилия, мощный радиоимпульс частично пролезает в цепи питания усилителя (в самом начале осциллограммы).

А вот импульс питания 

Его ширина порядка 55мсек, что соответствует ~40м, т.е. ничего дальше этой дальности вы не увидите не потому что энергетика этого не позволяет, а потому что это насильно заложено в конструкции. А жаль! Как будет показано далее, этот дешёвенький поплавок вполне способен «пробивать» гораздо большие расстояния.

            Почти сразу после окончания очередного цикла приёмо-излучения (точнее – через 68мсек от начала излучения) МК начинает накачивать питающую ёмкость усилителя мощности через умножитель посредством подачи импульсов с периодом около 8,5мксек в течении почти 10мсек.

Далее, после диодного ограничителя, простенького полосового фильтра на параллельном колебательном контуре сигнал попадает на трёхкаскадный усилитель

и, затем, через дифференцирующую цепочку попадает на вход загадочного элемента в корпусе sot-23. Назначение его похоже на элемент детектора, поэтому он и был назван нами элементом-"детектором". Но при этом схема его включения и его содержимое - полная загадка. На первый взгляд обычный каскад с ОЭ, но тогда, при типовой распиловке транзисторов в этом корпусе, получается, что база у него на "земле"! Если это - спаренный диод, то ... короче, мы так и не врубились.

А вот что получается после того самого элемента-"детектора"

Далее, после обработки в МК (скорее всего, тупо, по фиксированному порогу по самому сигналу без всяких допобработок), отражения каким-то хитрым образом кодируются в 8-битные ШИМ-посылки. Вот, например, что идёт на передатчик (отражения в воздухе от железного шкафа на расстоянии где-то 20см):

 Длительность «толстого» импульса ~ 0.1мС, «тонкого» ~ 0.05мС

 И то же в более крупном масштабе

Короче из загадок остались следующие:

1. чем и как поплавок меряет температуру воды;
2. истинное лицо элемента-"детектора";
3. как, не имея возможности управлять частотой несущей (извините, блин, обычная кварцованная трёхточка!) можно "запрограммировать на работу в одном из каналов A или B" (фраза из инструкции);
4. кодировка сигнала с учётом того, что поплавок ещё как-то передаёт информацию о температуре воды!

Вся эта эпопея привела к созданию "стенда" на базе RF-45 и кораблика из магазина детских игрушек, к которому вручную было ещё и прикручено радиоуправление от детской машинки. 

Увы, испытать это чудо самодельной техники удалось только в гидроакустическом бассейне: после 3х-месячной задержки зп в конторе, в которой мы работали, народ пачкой положил на стол директору заявления. При этом директор, видимо обидевшись на это, закрыл в сейфе наш кораблик и ни никакие уговоры на тему его выдачи или продажи не поддавался. В результате, на руках у нас остался только ещё один поплавок RF-40.

Продолжение следует ...