В настоящей статье освещены вопросы реализации программной и аппаратной части простого устройства передачи информации по открытому оптическому каналу посредством использования направленного лазерного луча.
Ключевые слова: передача информации, лазерное излучение, программный алгоритм, широтно-импульсная модуляция, устройство приема, фотодиод.
При наличии требований об отсутствии проложения множества информационных проводников между сообщающимися элементами какой-либо технической системы, или в условиях, где избыточные проводные соединения способны оказывать негативное воздействие на работу устройства приемо-передающего тракта, применение метода организации беспроводной передачи информации может являться эффективным решением.
Беспроводная передача информации может быть организована различными способами, из которых наибольшее применение нашли передачи форматов Bluetooth и Wi-Fi, основным недостатком которых могут являться невысокие помехоустойчивость и степень защищенности информационного канала [1]. Также, множество устройств работают на радиочастотах, используемых для этих технологий, что приводит к снижению скорости передачи информации. Эти недостатки исключает способ применения инфракрасного канала, в свою очередь обладающего недостатком приемо-передачи на малые расстояния.
Одним из способов беспроводной передачи информации, не использующим радиодиапазон и, соответственно, исключающим недостатки описанных выше, может являться способ передачи информации по оптическому каналу при помощи использования направленного лазерного излучения.
1. Общая структура приема и передачи информации при помощи лазера
Устройство приема и передачи информации лазерным излучением включает в себя электронно-вычислительную машину (ЭВМ) оператора, лазерный луч с управляемой микроконтроллером широтно-импульсной модуляцией, устройство приема на основе фотодиодов и устройство вывода полученных данных. Общая структурная схема устройства приемо-передающего информационного тракта, организованного при помощи лазерного излучения приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Общая структурная схема устройства приемо-передающего информационного тракта, организованного при помощи лазерного излучения
Оператор формирует массив данных, содержащий необходимую к передаче информацию, в виде двоичного кода, поступающего на логические выходы микроконтроллера с широтно-импульсной модуляцией, являющейся основой управления излучением блока модуляции. Далее, модулированный лазерный луч, интерпретируемый заданной последовательностью, приходит парциальными пакетами на поверхность фотодиодов, выводы которых подключаются к АЦП устройства приема, после чего, принятая информация поступает на устройство вывода данных. Общий схематичный вид такой передачи приведен на рисунке 2 в виде упрощенной модели.
Рис. 2. Общий схематичный вид приемо-передачи в виде упрощенной модели
2. Программно-аппаратная реализация модуляции лазерного луча
Аппаратная реализация модуляции лазерного излучения обусловлена работой каскада электрической схемы силового тактирующего ключа на основе N-канального полевого транзистора, проиллюстрированного на рисунке 3.
Рис. 3. Каскад электрический схемы силового тактирующего ключа на основе N-канального полевого транзистора
Напряжение питания, приходящее с выходов источника на сток N– канального транзистора, подается на вход лазерного излучателя с временными задержками, дублируемыми частотами управляющего сигнала, приходящего с микроконтроллера на затвор. Важнейшей характеристикой транзистора, в данном режиме работы, является сопротивление его открытого канала, что очень важно учитывать при выборе модели транзистора [2].
Достаточно простой алгоритм временных задержек, определяемый информацией в виде двоичного кода и представляющий из себя простой набор двух команд считывания логических нуля и единицы, может быть реализован практически в любой среде программирования микроконтроллерных устройств. В рамках написания данной статьи были использованы популярная среда разработки «Arduino IDE» и соответствующая отладочная аппаратная платформа «Arduino Uno» на базе микроконтроллера ATmega328. Листинг простого программного алгоритма, способствующего передаче информации за счет регулирования величины модуляции лазера представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Листинг программного алгоритма, способствующего передаче информации за счет регулирования модуляции лазера
В алгоритме, листинг которого проиллюстрирован на рисунке 4, в качестве порта с ШИМ-модуляцией использовался 9 порт платы Arduino Uno, а в качестве временной задержки был выбран интервал в 250 мсек.
Заключение
Передача информации по оптическому каналу с использованием направленного лазерного излучения может являться оптимальным решением в условиях, где необходимо передавать информацию на немалые расстояния, при собственной помехозащищенности и надежности канала связи. Примером подобных условий, может являться космическое пространство, где к конструкции секторов антенны управляемой формы, помимо приема информации и корректной работы, предъявляются требования минимизировать собственную массу, что обеспечивается исключением большого количества проводов. В настоящей статье, на примере упрощенного представления, был освещен метод организации приемо-передающего тракта по оптическому каналу с использованием лазерного луча.
Литература:
- Беспроводные технологии [Электронный ресурс] // Wikipedia: Свободная общедоступная мультиязычная универсальная интернет — энциклопедия [сайт]. [2015]. URL: https: // ru.wikipedia.org / wiki
- Ключ на полевых транзисторах [Электронный ресурс] // Chipinfo.pro [сайт]. [2017] URL: https://chipinfo.pro
