Модернизация подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации

3.1 Разработка и обоснование функциональной схемы

Выбор узлов функциональной схемы

Выбор микроконтроллера является самым ответственным этапом в подборе всех необходимых узлов для проекта. Он выполняет основную задачу - сбор и предварительную обработку информации, именно от характеристик микроконтроллера зависит способность подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации обеспечить достоверную обработку и передачу данных.

Для простоты ориентирования среди микроконтроллеров производители делят их на семейства:

- PIC10/12/16 - 8 битные микроконтроллеры, частота до 20 МГц и производительностью до 5 MIPS.

- PIC18 - высокопроизводительные 8 битные микроконтроллеры, частота до 48 МГц и производительностью до 12 MIPS.

- PIC24 - 16 битные микроконтроллеры, частота до 32 МГц и производительностью до 16 MIPS.

- DSPIC30/33 - 16 битные сигнальные микроконтроллеры, частота до 80 МГц и производительностью до 40 MIPS.

- PIC32MX - 32 битные микроконтроллеры, частота до 80 МГц, производительностью до 80 MIPS и 1.53 DMIPS/МГц.

Исходя из того факта что длительность видео импульса составляет 2.7 мксек., его необходимо оцифровывать с периодом 1.35 мксек., что соответствует частоте 740740 Гц. Оцифровка - это лишь первый этап, далее необходимо будет сформировать пакеты для отправки и передать по каналу связи. Поток данных при 8 разрядном АЦП составит 5 925 920 Кбит/сек. С данными условиями могут справиться микроконтроллеры самой старшего семейства - PIC32.

Выбор микроконтроллера.

Учитывая, что каналом передачи данных будет Ethernet это основное условие для выбора микроконтроллера. На рынке представлены 18 микроконтроллеров (Приложение "Г") удовлетворяющих вышеперечисленным условиям - PIC32MX с модулем Ethernet из них был выбран PIC32MX795F512L т.к. обладает наибольшим объемом оперативной и постоянной памяти. Это позволит при программировании не задумываться о доступных ресурсах и сконцентрироваться на поставленной задаче.

Выбираемое АЦП должно отвечать следующим требованиям:

1. Разрядность - 8 или 10 битное АЦП;

2. Интерфейс передачи данных - параллельный;

3. Частота дискретизации не меньше 1 МГц.

По перечисленным параметрам можно найти большое число АЦП от различных производителей, поэтому есть смысл выбирать по самой низкой цене. А также выбранный микроконтроллер содержит модуль АЦП удовлетворяющий данным условиям.

Выбор осуществлялся среди следующих недорогих АЦП:

Таблица 3.1

Список недорогих АЦП

Высокая частота дискретизации обусловлена небольшой разрядностью и параллельным интерфейсом. АЦП с низкой частотой и большей разрядностью используют последовательный интерфейс.

Отдельные АЦП обладают простой структурой - сам модуль АЦП и регистр хранящий последнее значение преобразования.

У такой структуры есть существенный недостаток - необходимо обращаться к АЦП в каждом периоде преобразования, а это существенно увеличивает затраты процессорного времени микроконтроллера.

Входящая в состав микроконтроллера PIC32MX795L АЦП имеет более сложную структуру [17, 18].

Рис. 3.1 - Структура АЦП входящей в состав PIC32MX795F512L

В приведенном рисунке 3.1 нужно обратить внимание на регистры ADC1BUF0-ADC1BUFF - это буфер обмена, который может хранить до 16 результатов аналого-цифрового преобразования. Именно данная структура сыграла решающее значение в выборе. Буфер обмена позволяет обращаться к АЦП не каждый цикл преобразование, а один раз в 16 преобразований. Таким образом происходит существенная экономия процессорного времени, что предоставляет достаточно возможностей для формирования пакетов данных и передачи их по Ethernet каналу.

Выбрана АЦП входящая в состав микроконтроллера.

Для сопряжения с ЭВМ был выбран интерфейс Ethernet. Выбранный микроконтроллер обладает дополнительными модулями для работы в сетях Ethernet, но они ориентированы на более высокий уровень, т.е. работа с пакетами данных. Для сопряжения с сетью микроконтроллеру необходим модуль обеспечивающий низкоуровневую, физическую работу с сетью.

Для создание программного обеспечения микроконтроллера планируется использовать свободный для распространения TCP/IP стек от производителя Microchip. Данная библиотека предусматривает использование контроллера физической части Ethernet DP83848C[15].

Рис. 3.2 - Схема взаимодействия контроллера Ethernet DP83848C и микроконтроллера

Основная задача контроллера DP83848C обеспечить логическое взаимодействие микроконтроллера с сетью и получение из сети Ethernet пакетов с заданным MAC адресом.

Также существуют Ethernet интерфейсы, использующие более простой протокол обмена данными с микроконтроллером. Рассмотрим микросхему ENC28J60 - контроллер Ethernet 10 BASE-T[16].

Рис. 3.3 - Схема взаимодействия контроллера Ethernet ENC28J60 и микроконтроллера

На представленном рисунке Ethernet интерфейс использует протокол SPI для обмена данными с микроконтроллером, а также, в отличии от DP83848C, обеспечивает доступ в сеть Ethernet со скорость 10 мбит/сек.

Таблица 3.2

Сравнительные характеристики Ethernetинтерфейсов

Из представленных контроллеров Ethernet был выбран DP83848C по следующим причинам:

1. Обеспечивает необходимую скорость доступа в сеть Ethernet;

2. Производитель микроконтроллера предоставляет необходимые библиотеки TCP/PI для работы с сетью через данный контроллер.

Входными сигналами для микроконтроллера являются:

1. 3 импульсных сигнала - важен только факт наличия импульса.

2. 1 аналоговый сигнал - необходимо определять амплитуду.

Выбор пал на распространенный транзисторный оптрон PC817 применяемый во многих устройствах, особенно часто в импульсных блоках питания. В качестве излучателя света применяется светодиод, а приемника биполярный транзистор обратной проводимости.

Выбран был АЦП входящий в состав микроконтроллера поэтому необходимо развязывать аналоговую линию. Это в свою очередь может повлиять на качество сигнала и отрицательно сказаться на работе все подсистемы. Исходя из этого гальваническая развязка по аналоговой линии применяться не будет. Это не означает что линия остается без защиты.

В роли сервера обработки данных и выносного компьютера будут выступать обыкновенные компьютеры. Для обработки и отображение данной информации нет необходимости в очень высокой производительности и достаточно однопроцессорных систем. Выбор комплектующих основывается на следующих требованиях:

1. Для более быстрой обработки, отображения и передачи информации можно применить многопоточные процессоры;

2. Для отображения информации достаточно встроенной видеокарты;

3. Операционная система Windows 7 или 8;

4. Рекомендованный объем оперативной памяти 2 Гбайта;

5. Для ведения логов по воздушному движению необходим жесткий диск большего объема.

6. Блок питания для такого компьютера можно применить не большой мощности.

7. Монитор необходимо взять диагональю 22-24 дюйма и разрешением 1920х 1200, это позволит более детально отображать информацию о воздушном пространстве.

Исходя из определенных требований для сервера обработки данных и выносного рабочего места можно применить 2 ПК одинаковой конфигурации.

Таблица 3.3

Конфигурация компьютеров

Представленная в таблице 3.3 одна из множества возможных конфигураций персонального компьютера. Она полностью отвечает всем требованиям. Но может использоваться и другая конфигурация, это во многом зависит от представленных в магазинах компонентов.

Основной канал передачи данных будет организован на основе связного кабеля с помощью ADSL модемов. Поэтому необходимо выбрать 2 модема с возможностью организации VPN.

Таблица 3.4

Сравнительные характеристики ADSL модемов

Представленные модели аналогичны по характеристикам и обладают возможностью организации моста. Фирма производителя модемов был выбрана ZyXel. Представляет на рынке сетевое оборудование продолжительное время и зарекомендовала себя как производитель надежной продукции, что не мало важно для передачи настолько ответственной информации.

Выбран модем ADSL2+ маршрутизатор ZyXELP-660HNLiteEE.

Для организации резервного канала передачи данных было выбрано Wi-Fi канал. Между источником РЛ информации и приемником обеспечена прямая видимость, примерное расстояние 2,5 км. Для организации Wi-Fi канала можно применить специализированной оборудование для организации Wi-Fi мостов. Данное оборудование способно организовать мост на расстоянии 5, 10 и более километров, поэтому на расстояние 2,5 км не составит проблем в создании резервного канала передачи данных.

Таблица 3.5

Сравнительные характеристики Wi-Fiмостов

Для сравнения выбрано оборудование низкой стоимости с возможностью внешнего размещения и организации моста до 3 км. Ubiquiti Nano Station M2 обладает большей максимальной мощностью передатчика, что позволит организовать более стабильный мост и низкой ценой. Выбрано Wi-Fi оборудование Ubiquiti Nano Station M2.

3.2 Разработка принципиальной электрической схемы

Аналоговая часть подсистемы

Аналоговая часть подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации состоит из компонентов обеспечивающих гальваническую развязку и защиту микроконтроллера. Основная задача входных цепей - уровни входных напряжений привести к логическим уровням портов ввода/вывода микроконтроллера и обеспечить защиту от возможных скачков напряжения.

Рис. 3.5 - Электрическая принципиальная схема входных цепей

Входная цепь по сигналу "Видео" рассчитывается исходя из характеристик аналогового входа микроконтроллера. Для расчета параметров компонентов необходимы следующие данные:

1. Максимальный рекомендованный импеданс входной сигнала Rin, для PIC32F795L составляет 5 Ком[17];

2. Максимальное напряжение входного сигнала Vin, для PIC32F795L составляет AVdd+0.3 В. AVdd - напряжение питания модуля АЦП максимальное возможное Vdd+0.3 В. Vdd - напряжение питания микроконтроллера составляет - 2.3-3.6 В. Исходя из этих данных можно рассчитать максимально возможную амплитуду входного сигнала, она составляет 3.6+0.3+0.3=4.2 В[17].

Блок сбора и первичной обработки радиолокационной информации

Блок первичной обработки радиолокационной информации состоит из микроконтроллера PIC32MX795L и необходимой для его работы обвязки - кварц на 8 МГц и 2 конденсатора на 20 пкф согласно технической документации микроконтроллера. Схема представлена в приложении "Д".

Интерфейс передачи цифровой информации

Интерфейс передачи цифровой информации состоит из контроллера интерфейса Ethernet и необходимой для его работы обвязки согласно технической документации на контроллер DP83848C. Схема представлена в приложении "Е".

3.3 Расчет параметров АЦП

Прежде чем развертывать Wi-Fi мост, необходимо определить оптимальные места расположения антенн и рассчитать потери сигнала в пространстве. Эти данные позволят точно сказать - насколько стабильно будет работать канал связи.

В первую очередь необходимо определить расстояния между объектами и выбрать места размещения антенн, которые обеспечат прямую видимость. Прямая видимость - крайне важное условие, т.к. на частоте 2.4 ГГц сигнал практически не огибает препятствия и возникают большие потери проходя через них. А также многократно отражается от различных поверхностей, но с данной проблемой борются специальные протоколы передачи данных.

Рис. 3.4 - Примерный план аэропорта

На представленном рисунке изображен план аэропорта с объектами, между которыми будет создаваться Wi-Fi линия связи. Расстояние между объектами 2.42 км и при этом выполняется главное условие - наличие прямой видимости.

Далее необходимо рассчитать затухание сигнала при прохождении данного расстояния. Это позволит сделать вывод о возможности использования выбранного оборудования[7].

Вначале рассчитаем потери в свободном пространстве:

, (3.3)

где 92,45 - эмпирический коэффициент,

f - рабочая частота в ГГц;

d - расстояние между объектами в километрах.

Рассчитаем потери для частоты 2.4ГГц - Lp2.4:

дБ

Затем рассчитаем общие потери при распространении:

, (3.4)

где Ptx- выходная мощность передатчика;

Ltx - потери в кабеле от передатчика до антенны;

Gtx - коэффициент усиления передающей антенны;

Lp - потери в свободном пространстве;

Grx - коэффициент усиления принимающей антенны;

Lrx - потери в кабеле от антенны до приемника;

Prx - чувствительность приемника.

Используемые антенны на обоих концах: NanoBridge M2 2.4 GHz.

Gtx. Gpx = 18 дБи.

Ptx = 15 дБм (предполагаем, что используется устройства со стандартной мощностью 32 мВт).

Lpx, Ltx = 3 дБ(кабель 8м + коннектор для коаксиального кабеля на частоте 2.45 Ггц).

Lp - в соответствии с расчетами выше.

Prx - -80 дБ (Чувствительность приемника для точки доступа на 54 мбит/с).

Рассчитаем значения частоты для 2.4 ГГц:

дБ

Допустимое минимальное значение 5 дБ, наше значение удовлетворяет заданному условию.

На основе проведенных расчетов видно, что выбранное оборудование обеспечит нормальную работу канала связи. Третьим важным условием для размещения антенн является высота. Она влияет на такой показатель как - зона Френеля.

Радиоволна в процессе распространения в пространстве занимает объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля. Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал. Блокирование 20% зоны Френеля вносит незначительное затухание в канал. Свыше 40% - затухание сигнала будет уже значительным, следует избегать попадания препятствий на пути распространения[7].

В данном случае в зону Френеля может попасть только земля, т.к. на пути канала связи нет других естественных или искусственных препятствий.

Рис. 3.5 - Высоты расположения антенн

Здание объекта ОРЛ-Т являет одноэтажным, а здание КДП трехэтажным. Предположим, что на объекте антенну расположим на крыше с применение штанги на высоте 4-х метров, а в здание КДП на уровне окна третьего этажа, на высоте 8-и метров.

Рассчитаем зону Френеля по следующей формуле:

, (3.5)

где R - радиус зоны Френеля (м);

S, D - расстояние от антенн до самой высшей точки предполагаемого препятствия;

f - частота (ГГц).

Прежде чем приступить к расчету зоны Френеля необходимо определить расстояние S+D, т.к. антенны располагаются на разных уровнях, данное расстояние будет больше чем дистанция между объектами. Предположим, что S+D являет гипотенузой в прямоугольном треугольнике с катетами 4м и 2.42км, тогда по теореме Пифагора:

м

Разница получается незначительной, поэтому для расчета можно использовать дистанцию 2.42км.

Радиус зоны Френеля для расстояния 2.42км в центральной точке канала получилась 8.68м. Теперь необходимо рассчитать фактический радиус зоны Френеля. Для этого возьмем половину расчетной дистанции канала связи 1210.00165м и половину расстояния по земле до средней точки 1210м и рассчитаем разницу между высотой нижней антенны и зоны Френеля:

м

Соответственно радиус зоны Френеля - это сумма высоты минимальной антенны и получившегося результата - 4+1.99=5.99м. Перекрытие зоны Френеля составляет 2.01/8.68*100=23%. Исходя из заданных условий, данное перекрытие является приемлемым и соответственно антенны можно разместить на данных высотах[7].

3.5 Разработка алгоритмов обработки РЛ информации

В ВКР рассмотрен важный, но не заметный для людей аспект авиапутешествий как аэронавигация. Обозначена актуальность и важность внедрения вычислительной техники. В результате автоматизации процессов сбора, обработки и передачи радиолокационной информации достигается важная цель - улучшение безопасности полетов. В достижении поставленной цели помогают современные технологии, которые отсутствовали во времена создания таких РЛС как на объекте ОРЛ-Т Оренбургского центра УВД. Внедрение модернизированной подсистемы сбора, обработки и передачи РЛ информации позволит поднять на новую ступень качество получаемой диспетчерами РЛ данных. Улучшение достоверности позволит принимать более верные решения и впоследствии уберечь от возможных происшествий. Также нельзя забывать об экономической выгоде улучшения безопасности полетов. Добросовестные авиаперевозчики предпочтут летать там, где безопаснее, а каждый привлеченный самолет - это прибыль.

Проведен анализ текущей подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т. Были выявлены слабые места существующей подсистемы, ее моральное и физическое устаревание. В результате тщательного обследования и выявления всех недостатков было принято решение о необходимости модернизации существующей подсистемы. Определены критерии эффективности подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т и требования к ней. Разработана достаточно простая формула, позволяющая производить сравнение подобных подсистем, на основе такой важной характеристики, как достоверность переданных РЛ данных. Таким образом, имеется возможность сравнить подобные подсистемы и выявить наиболее подходящую. Также были определены требования к узлам новой подсистемы для ее эффективной работы.

Разработана структурная схема подсистемы сбора, обработки и передачи радиолокационной информации объекта ОРЛ-Т. Разработанная структурная схема позволяет определить место модернизированной подсистемы в существующей, т.к. модернизация должна производиться, не затрагивая существующей подсистемы. В итоге должен получиться тандем из двух подсистем. Разработано аппаратное средство сопряжения РЛС с интерфейсом Ethernet. Было выбрано все необходимо оборудование и разработана принципиальная схема. Рассчитаны электронные компоненты схемы для согласования уровня сигналов РЛС с уровнями входов микроконтроллера. Разработан алгоритм оцифровки и предварительной обработки радиолокационных данных. В результате была определена наиболее оптимальная частота дискретизации аналого-цифрового преобразования, а также рассчитаны параметры конфигурации АЦП входящего в состав выбранного микроконтроллера. Далее был разработан оптимальный способ формирования пакета отправляемых данных на сервер обработки и подробно описано назначение каждого байта в сформированном пакете. Разработан алгоритм обработки данных для сервера. Разработан и подробно описан процесс обработки полученных данных от интерфейса "РЛС-Ethernet". В результате было определено два важных этапа обработки данных, это шумоподавление и череспериодная компенсация. Пройдя через такую обработку, информация получает свой конечный вид и готова для передачи в КДП. Разработано программное обеспечение для сервера обработки данных. Рассчитана и спроектирована Wi-Fi линия связи от объекта ОРЛ-Т до КДП. В результате расчетов доказано, что выбранное оборудование подходит для организации резервной лини передачи данных. Было определено такое условие размещения антенн, как прямая видимость и определены высоты их расположения. Рассчитан радиус Френеля, говорящий о том, что размещать антенны на выбранных высотах допускается.

Список использованных источников