PCM og PPM

Höfundur: Dave Edwards af síðu hans Dave’s RC Flight : http://davesrcflight/mysite.wanadoo-members.co.uk
Þýtt með leyfi höfundar: Guðjón Ólafsson

Í þessari grein verða fyrirbærin PPM (enska Pulse Position Modulation) og PCM (e. Pulse Code Modulation) útskýrð, sagt frá hvernig þau virka og gefnar hugmyndir um kosti og galla þeirra. Einnig er lítillega talað um PCM öryggi (e. fail-safe) og hvernig það virkar.

Verkið sem fjarstýrigræjurnar vinna er að skoða stanslaust í hvaða stöðu stýripinnarnir eru og yfirfæra þá stöðu á stýrisarmana á servóunum. Það er vanalegt að hafa frá tveim upp í átta rásir í notkun í einu, þannig að tækið þarf að samstilla stöðu margra pinna og takka við marga servóarma.

Næstum því öll fjarstýritæki sem notuð eru fyrir flugvélar nota tíðnimótun (FM e. Frequency Modulation) og með henni er sett upp ein stök „útvarpstenging“ á milli fjarstýringarinnar (TX) og móttakarans (RX). Önnur gerð mótunar, PPM eða PCM er síðan notuð til að bera „stýrirásirnar“ á útvarpstengingunni, ein rás fyrir hvert servó. PPM eða PCM er notað til að samþætta (multiplex) stýrirásirnar í eina útvarpsrás. Hver framleiðandi fjarstýringa notar sína eigin aðferð við að búa til PCM og lýsingin hér á eftir gefur grunn hugmynd að því hvernig þetta virkar.

Það, hvernig stýrirásir eru samþættar, er nokkurn vegin eins í bæði PCM og PPM. Staðsetning pinnans fyrir rás 1 í fjarstýringunni er lesin og hún send til móttakarans. Strax á eftir er staðsetning pinna 2 lesin og þær upplýsingar sendar. Þetta er endurtekið með allar rásirnar, hverja á eftir annarri. Þetta gerist nokkuð ört, svo að svo virðist sem servóin viti strax ef einn pinni eða fleiri hafa verið hreyfðir, en í raun eru þessar upplýsingar ekki sendar nema 25 til 50 sinnum á sekúndu (eftir framleiðanda og gæðum tækja).

Aðferðin til að senda upplýsingar um staðsetningu pinnans er með því að breyta lengd púlsins. Púls með lengdina 1,5ms (millisekúnda) miðjar servóið. Ef púlsinn er styttur í 1,0ms, þá fer servóið alla leið í aðra áttina en ef hann er lengdur í 2,0ms, þá fer það alla leið í hina áttina. Aðrar staðsetningar falla þá á þetta bil. Einhver munur er á bilum á milli framleiðanda servóa, en hann er svo lítill að það skipti ekki máli.

Skoðum þetta aftur. Sendirinn les staðsetningu pinna 1 og púls af réttri lengd er búinn til, sem segir servóinu hvert það á að fara. Strax á eftir er staðsetning pinna 2 lesin og annar púls af viðeigandi lengd búinn til og svona gengur það fyrir allar rásir stýringarinnar.

Nú komum við að muninum á PPM og PCM. Í PPM er hverjum púls bara skeytt aftan við þann næsta á undan. Þetta þýðir að í tveggja rása stýringu eru tveir púlsar af viðeigandi lengd sendir til móttakarans, síðan kemur langt bil og svo aftur tveir púlsar. Í 10 rása fjarstýringu eru sendir 10 púlsar og síðan stutt bil og svo 10 púlsar aftur. Þessi röð púlsa og bila , eða „ramma“ er send mörgum sinnum á sekúndu. Móttakarinn verður að finna út hvaða púls fer á hvaða servó og það getur hann gert með því að bíða eftir bilinu. Fyrsti púlsinn eftir bilið er fyrir servó 1, næsti púls fyrir servó 2 o.s.frv. Þess vegna er þetta kallað á ensku Pulse Position Modulation, eða mótum með staðsetningu púlsa. Lengd púlsins segir servóinu í hvaða stöðu það á að fara.

Í PCM stýringu gerist annað. Þegar fjarstýringin les staðsetningu pinnanna, þá býr hún ekki til púlsa af mismunandi lengd fyrir servóin, heldur býr hún oftast til 10 bita kóða (fer eftir framleiðendum og gæðum tækja), þ.e. 10 bita bæti upplýsinga á forminu 1 og 0. Hver pinni er lesinn í röð og viðeigandi 10 bita kóði fyrir pinnana búinn til. Síðan eru þessir kóðar settir saman í ramma og ramminn sendur til móttakarans mörgum sinnum á sekúndu. Móttakarinn þarf nú að ákveða hvaða 10 bita kóði er fyrir servó 1, lesa hann og búa til púls af viðeigandi lengd fyrir servóið. Hann gerir þetta fyrir hverja einustu rás.

Hvers vegna gera þetta svona flókið? Við fyrstu sýn virðist sem við höfum gert þetta bara verra, vegna þess að með 10 bitum eru bara 1024 möguleikar og þar með bara 1024 mögulegar staðsetningar fyrir servóið. Með PPM eru fræðilega til óendanlega margar staðsetningar fyrir servóið. Veiki hlekkurinn á milli pinnanna á fjarstýringunni og servóanna í flugvélinni er útvarpsbylgjan. Með PPM er útvarpsbylgjan hliðræn (e. analogue), en með PCM er hún stafræn (e. digital). Eins og í flestum tilfellum þar sem stafræn gögn eru notuð, þá aukast gæðin. Með PPM, þá þarf móttakarinn að mæla lengd púlsanna, þ.e. hvenær púls byrjar og hvenær hann endar. Ef merkið frá fjarstýringunni er gott og sterkt, þá gerir hann þetta nákvæmlega og án mikilla vandkvæða, en ef merkið er veikt eða það koma inn truflanir, þá getur hann það ekki. Við höfum allir séð titring í servóum sem koma vegna þess að móttakarinn getur ekki reiknað út upphaf og endi púlsanna nógu vel. Með PCM, þarf lesarinn í móttakaranum ekki að finna neitt nema röð 1 og 0, þ.e. Púls eða ekki og hann veit nákvæmlega (eða svo til) hvenær hann á að leita þeirra. Þegar hann er ekki að leita að púls, þá skiptir ekki máli hvað er að gerast með merkið frá sendinum. Með PCM getur móttakarinn lesið úr upplýsingunum með mikilli nákvæmni þó verulegar truflanir séu í umhverfinu. Lesarinn þarf þó að geta séð hvenær upplýsingarnar sem hann fær eru gildar eða ekki. Þetta er gert með svokölluðum rammavartölum (e. frame check sums) Einföld aðferð til að gera þetta er að sendirinn telur heildarfjölda tölunnar 1 í hverjum ramma og sendir þessa tölu til móttakarans, sem aftur telur fjölda tölunnar 1. Ef tölurnar tvær eru þær sömu, þá er ekki líklegt að um villu sé að ræða. Það eru til betri aðferðir til að gera þetta sem gefa nákvæmari niðurstöður, en hugmyndin er sú sama. Móttakarinn hunsar einstaka ramma með ranga vartölu og notar bara aftur síðasta heila ramma sem hann fékk.

Futaba 6EXA – frrábær stýring fyrir byrjendur

Þannig gefur PCM mun öruggari tengingu á milli fjarstýringar og móttakara og útilokar allar litlu truflanirnar sem við getum fengið með PPM. Það er aftur á móti smá vandamál – PCM gefur fullkomna stjórn þó að móttakarinn sé að fá frekar dauft merki frá sendinum, en það eru takmörk fyrir þessu og handan þeirra hefur maður enga stjórn. Stjórnin er fullkomin eða engin og það koma engir kippir eða hopp sem vara mann við. Fjarlægðin ætti að vera jafn mikil og þegar maður notar PPM, en þegar farið er út fyrir hana, þá er stjórnin horfin án fyrirvara! Til að girða fyrir þennan galla var öryggi (e. fail-safe) búið til og er selt með sem aukabúnaður, en ég hef ekki trú á að slíkt öryggi virki á neina fjarstýrða flugvél. Ef þú tapar sendingu á milli fjarstýringar og móttakara, þá er engin leið til að flugvélin lendi sjálf örugglega. Ekkert flugmódel er öruggt fyrr en það er hreyfingarlaust á jörðu niðri. Að þessu sögðu, þá tel ég samt að það sé gott að hafa PCM öryggi, en nafnið á því hljómar betur en það virkar – ekki búast við of miklu af því.

(Það má taka fram hér að þýðandinn hefur alltaf litið svo á að öryggi eða „fail-safe“ sé ekki hannað til að auka öryggi módelsins eða bjarga því frá skemmdum, heldur til að koma í veg fyrir eða lágmarka eins og kostur er þær skemmdir og/eða meiðsl sem stjórnlaust módel getur valdið.)

PCM Öryggi.

Þeir sem hafa PCM stýringu geta stillt inn fyrirfram ákveðnar staðsetningar fyrir hvert servó sem þau eiga að fara í ef sambandið á milli fjarstýringar og móttakara fellur niður vegna þess að merkið er of dauft eða vegna truflana. Þetta er venjulega gert í tveim hlutum:

Í fyrsta lagi er SERVÓSTÖÐVUN (e. servo hold), sem fer í gang um leið og merkið fer að hverfa og gildir í allt að eina sekúndu (á sumum tækjum er þetta stillanlegt) Þetta heldur síðustu stöðu á öllum servóum og útilokar að mestu allar hreyfingar vegna truflana sem í flestum tilfellum eru stuttar.

Næsta ÖRYGGI kemur inn þegar merkið hefur verið veikt eða fjarverandi lengur en tíminn sem gefinn er fyrir SERVÓSTÖÐVUN og setur öll servó í fyrirfram ákveðnar stöður sem notandinn hefur stillt inn með fjarstýringunni. Ef engar stöður hafa verið stilltar, þá er venjulega sjálfgefið að servó halda þeim stöðum sem þau eru í, þ.e. halda servóstöðvun áfram. Ef inngjöfin er undanskilin, þá er þetta líklega besta aðgerðin, en hver og einn verður að íhuga vandlega hvernig þetta er notað.

Futaba 9C serían – magnaður sendir með ótæmandi möguleika

Á meðan á SERVÓSTÖÐVUN og ÖRYGGI stendur er móttakarinn stanslaust að leita að merki og um leið og hann fær gildan gagnaramma þá eru servóin aftur undir stjórn fjarstýringarinnar. Þannig að ef stuttar truflanir hindra merkið á milli fjarstýringar og móttakara t.d. ef elding slær niður í fjarska, þá virkar SERVÓSTÖÐVUN ekki nema í brot úr sekúndu.

Upplýsingarnar fyrir öryggis-staðsetningar servóanna eru stanslaust sendar til móttakarans á milli ramma þegar engar aðrar sendingar eru í gangi, en vegna þess að sendingar eru venjulega örar og mikið að gera, þá geta liðið nokkrar mínútur frá því kveikt er, að allar öryggisstaðsetningar eru komnar til móttakarans. Upplýsingar um SERVÓSTÖÐVUN eru aftur á móti í móttakaranum frá upphafi. Þessi töf er venjulega ekki vandamál ef tíminn frá því maður kveikir á og þangað til maður tekur á loft er tekinn með í reikninginn. Í Futaba FF9 sendinum er snjöll lausn sem virkar þannig að ef maður kveikir á mótakaranum fyrst og síðan á sendinum, þá sendir hann fyrst af öllu öryggisstillingarnar fyrstu 10 sekúndurnar. Síðan endurstillir hann þær einu sinni á hverri mínútu. PCM táknmyndin í efra horninu vinstra megin blikkar og ég tel það vera merki um að öryggisramminn hafi verið sendur, þó ég hafi hvergi fengið það staðfest. Aðrar stýringar hafa hugsanlega svipaða eiginleika.

Hver framleiðandi hefur sjálfgefnar stillingar fyrir öryggi sinna tækja og það er mikilvægt að notendur skilji nákvæmlega hvað muni gerast í módelum þeirra þegar það fer í gang.

Langt á undan sinni framtíð: Futaba 14-MZ:

Kostir PCM.

• Aukin langdrægni. Truflanir vegna þess að merkið er orðið dauft þegar módelið er langt í burtu eða loftnetið er í núllstöðu eru úr sögunni.
• Minni næmni vegna truflana eins og eldinga í fjarska, háspennulína, annarar notkunar á rásum fjarstýringa (bandaríski herinn að tala á 35MHz), sólbletta, rafsuðu o.s.frv.
• Servóin iða ekki og eyða þar af leiðandi minna rafmagni og endast betur. Stélrótorservó á þyrlum eiga auðveldara líf og hægt er að hafa aukna virkni á gíróum.
• Vegna þess að það er móttakarinn sem býr til servópúlsinn, þá er hann alltaf hreinn og endurtekinn. Það þýðir að móttakarinn hefur alltaf stjórn á servóunum sama hvað orðið er um merkið frá sendinum.

Ókostir PCM.

• Engin aðvörun um það að módelið sé að fara út úr drægni sendisins. Langdrægni er yfirleitt betri, en PCM getur falið slæma ísetningu móttakarans, slæma lögn eða lykkju á móttakaraloftneti, illa varinn mótor o.s.frv.
• Servóin skjálfa ekki þegar annar hefur kveikt á sendi á sömu rás og maður getur haft fullkomna stjórn á meðan maður er nálægt módelinu en síðan misst hana allt í einu þegar módelið fjarlægist.
• Dýrara.
• Maður er bundinn framleiðanda sendisins – aðrar gerðir móttakara virka ekki með honum.

Það eru til aðrir valkostir en PCM – skoðaðu IPD frá Multiplex.