Проектирование цифровых устройств телеизмерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

КАФЕДРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ»

Студент С.О. Пивень

Руководитель Н.И. Сорока

Минск 2015

ВВЕДЕНИЕ

Системы автоматического управления находят широкое применение в различных отраслях промышленности и повседневной жизни человека. Немаловажную роль занимают среди них телемеханические системы, предназначенные для получения информации о значениях измеряемых параметров контролируемых и управляемых объектов. К подобным системам относятся системы телеизмерения, при помощи которых можно наблюдать за различными процессами, находящимися на значительном расстоянии от наблюдателя. Объём передаваемой информации постоянно увеличивается. При этом степень точности информации должна оставаться без изменений либо её также следует увеличивать. Повышение достоверности и надёжности передачи информации является одной из основных задач телемеханики.

В данном курсовом проекте проектируемое цифровое устройство работает на кабельной линии связи по алгоритму адаптивной коммутации с циклическим опросом 9 датчиков, расположенных на семи контролируемых пунктах. Защита информации от помех производится циклическим кодом с кодовым расстоянием , передача производится методом двоичной частотной манипуляции.

Предназначается проектируемая система для измерения параметров в «умном доме». «Умный дом» это система, которая обеспечивает комфорт и безопасность для всех пользователей. С помощью датчиков она распознает конкретные ситуации во всем доме. В данной системе мы использовали датчики температуры, датчики давления воды, датчики влажности, освещения, противопожарные датчики и датчики утечки газа.

К проектируемому устройству, как и к устройству телеизмерения в целом, предъявляются следующие требования:

- процесс телеизмерения производится без непосредственного участия человека;

- первичный отбор информации всегда осуществляется первичными преобразователями;

- отображение измеряемого параметра осуществляется в виде, удобном для восприятия человеком: цифровом дисплее;

- передача телеметрической информации осуществляется спорадически.

Пояснительная записка состоит из восьми разделов. В первом разделе описываем область применения системы и технологического процесса.

Второй раздел посвящен выбору структуры системы.

В третьем разделе описываем алгоритм функционирования системы.

Четвертый раздел посвящён разработке структурной схемы системы.

В пятом разделе производится проектирование принципиальной электрической схемы.

Шестой раздел посвящен расчетной части.

Седьмой раздел посвящён системным расчётам: скорости передачи информации, пропускной способности канала связи, достоверности приёма данных, надёжности.

Восьмой раздел посвящён разработке программного обеспечения системы для микроконтроллера Atmega8 на языке Assembler.



1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

1.1 Область применения системы

Автоматизация эксплуатации жилых (квартира, индивидуальный жилой дом, коттедж), офисных и небольших производственных зданий и помещений с целью обеспечить должный уровень комфорта, безопасности и энергоэффективности.

Система «умный дом» - это комплекс интеллектуальной автоматики по управлению домом.

В нашем доме семь квартир, в каждой квартире мы устанавливаем по 9 различных датчиков. За всеми датчиками следят контрольные устройства и передают информацию на обработку компьютерным программам.

1.2 Описание технологического процесса

В нашей системе «умный дом» установлены датчики реагирующие на параметры среды. Телеизмерения параметров осуществляются периодически. Они должны обеспечивать передачу основных электрических или технологических параметров, необходимых для установления и контроля оптимальных режимов работы всей системы энергоснабжения в целом, а также для предотвращения или ликвидации возможных аварийных процессов.

Наружный датчик температуры снабдит систему данными температуре воздуха на улице. Его показания помогут определить оптимальный режим работы системы отопления и вентиляции.

Комнатные датчики температуры способствуют поддержанию комфортной температуры в отдельных помещениях.

Датчик утечки газа подаст сигнал на пульт и сообщит об утечке пронзительным сигналом. Если на вводе газа в дом установлен запорный кран с электромагнитным клапаном, поступление топлива будет прекращено.

Противопожарные датчики реагируют на наличие в воздухе дыма или повышение температуры свыше критической величины.

Датчик давления воды подаст на контроллер сигнал об изменении давления в трубопроводе. В зависимости от характера изменений «умный дом» решит, перекрывать ли воду.

Датчик влажности воздуха измеряет влажность воздуха и выводит показания на дисплей.

Датчик освещенности обеспечивает регулирование яркости свечения в зависимости от освещенности помещения.

Датчик шума обеспечивает включение освещения в доме.

Список измеряемых параметров приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Список измеряемых параметров системы

№ параметра	Тип датчика	Количество	Обозначение
1	Температуры (комнатный)	2	tk
2	Температуры (наружный)	1	tn
3	Давления воды	1	p
4	Влажности воздуха	1	vl
5	Освещения	1	s
6	Противопожарный	1	f
7	Утечки газа	1	g
8	Шума	1	sh

2. ВЫБОР СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ, ЛИНИИ СВЯЗИ И СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ

2.1 Выбор структуры системы

Структуру системы телеизмерения спроектируем в соответствии с техническим заданием.

Данная система будет состоять из пункта управления (ПУ) и семи контролируемых пунктов (КП), на которых и будет происходить измерение параметров.

На КП находятся 9 опрашиваемых датчиков, микроконтроллер (МК) для обработки информации и модулятор для модуляции сигнала и посылки его в линию связи (ЛС). На КП происходит измерение текущих значений, преобразование их в форму, удобную для обработки и передачи, и непосредственно передача результатов измерения на ПУ.

На ПУ находится демодулятор для демодуляции сигнала, МК для обработки информации и цифровой дисплей, необходимый для её отображения.

2.2 Выбор линии связи

Системы телемеханики разделяются по характеру расположения объектов в пространстве на системы для сосредоточенных объектов и рассредоточенных объектов. Объекты могут быть рассредоточены вдоль общей линии связи, по площади или в пространстве.

Системой телемеханики для рассредоточенных объектов называется система, в которой к общему каналу связи подключается, по меньшей мере, несколько КП. В данной системе предпочтительно будет выбрать радиальную структуру (рис. 2.1).

В системе с радиальной структурой КП располагаются на отдельных независимых лучах. Она свойственна кабельным распределительным сетям, сетям уличного освещения в крупных городах, газовым распределительным системам.

Данная структура линии связи, была выбрана, так как она позволяет обеспечить одновременную работу с несколькими КП. В данной системе, контрольными пунктами являются комнаты дома, а пунктом управления ПК (с интерфейсом оператора), а также МК ATmega (принимает информацию со всех контрольных пунктов и передает ее на ПК). На каждом контрольном пункте располагается МК ATmega, к которым подключены датчики: температуры (комнатный), температуры (наружный), давления воды, влажности, освещения, шума, противопожарные и утечки газа.

Рис 2.1 Радиальная структура линии связи

Между собой МК ATmega связаны с помощью последовательного интерфейса UART. МК на ПУ и КП связаны через интерфейс SPI.

Последовательный периферийный интерфейс (SPI) представляет собой несимметричный последовательный интерфейс, предназначенный для передачи данных на небольшие расстояния между интегральными микросхемами. Обычно главное устройство обменивается данными с одним или несколькими подчинёнными устройствами. Обмен происходит в полном дуплексном режиме и требует синхронизации с тактовым сигналом интерфейса.

Учитывая территориальную сосредоточенность и количество объектов в системе (один КП), выбираем радиальную структуру линии связи. В качестве линии связи выбираем кабельную линию. Структура линии связи для сосредоточенных объектов приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 2.2 - Структура линии связи для сосредоточенных объектов

2.3 Выбор структуры сигналов

На структуру сигналов оказывает влияние алгоритм работы. В данном курсовом проекте используется алгоритм адаптивной коммутации, который заключается в обнаружении канала с максимальным отклонением от предыдущего значения и передаче информации только от этого канала. Причём число операций поиска таких каналов совпадает с количеством датчиков на КП.

Системы с адаптивной коммутацией - это адресные системы. Структура сигналов в таких системах состоит из времени передачи синхрокода, времени передачи кода адреса датчика , времени передачи телеизмеряемого параметра и кода конца .



3. АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ

3.1 Алгоритм работы КП

Алгоритм работы контролируемого пункта представлен на графическом материале ГУИР КП 530107 001 ПД.

Алгоритм работы основан на принципе адаптивной коммутации. Данный принцип состоит в том, что в линию связи передаётся только информация с одного датчика, у которого наибольшая погрешность по сравнению с другими датчиками, т.е. его текущее значение имеет наибольшее отклонение от предыдущего измерения по сравнению с другими датчиками.

Количество подциклов в каждом цикле определяется числом датчиков. В начале каждого подцикла передачи информации опрашивается каждый датчик по очереди. Его аналоговое значение преобразуется к цифровому в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП). С АЦП сигнал в цифровой форме поступает на вход микроконтроллера (МК).

В МК происходит обработка принятого сигнала: цифровая форма пришедшего сигнала вычитается из значения сигнала, переданного на предыдущем цикле передачи. Запоминается максимальная из этих разностей, т.е. наибольшее отклонение измеряемого параметра, и код датчика, на котором зафиксировано максимальное отклонение.

В конце цикла происходит составление кадра, в который входят: код датчика с максимальным отклонением и значение телеизмеряемого параметра на этом датчике. Затем этот кадр кодируется циклическим кодом, и к защищенному кадру в начало дописывается синхрокод (FFFF16).

Далее каждый бит сформированного кадра кодируется 127 псевдослучайными битами, полученными по правилам составления М-последовательностей. В данном курсовом проекте для составления М-последовательности использован многочлен седьмой степени . Кодирование бита «1» происходит самой М-последовательностью, кодирование бита «0»- инвертированной М-последовательностью, полученной из тех же начальных условий, что и последовательность для кодирования бита «1».

Таким образом, происходит формирование широкополосного сигнала, тем самым увеличивается отношение сигнал/шум, уменьшается вероятность перехвата сигнала, а сам сигнал создаёт меньшие помехи для других систем связи.

Далее широкополосный сигнал поступает на вход модулятора, на котором осуществляется модуляция методом двоичной частотной манипуляции. С выхода модулятора промодулированный сигнал поступает в линию связи (ЛС).

3.2 Алгоритм работы ПУ

Алгоритм работы пункта управления представлен на графическом материале ГУИР КП 530107 002 ПД.

Сигнал, поступивший из линии связи, поступает на вход демодулятора ЧМ-2, откуда направляется на вход микроконтроллера.

Одной из основных проблем при приёме широкополосных сигналов является синхронизация приёмника и передатчика. В данном курсовом проекте она решается следующим образом. В МК формируется М-последовательность из тех же начальных условий, что и на контролируемом пункте. При приёме очередного бита с выхода демодулятора происходит вычисление взаимной корреляционной функции (ВКФ) между последними пришедшими 127 символами с демодулятора (последний пришедший записывается в конец) и М-последовательностью, сформированной в МК для бита «1». Таким образом, если в линии связи нет сигнала, то значение ВКФ не будет подыматься выше нескольких единиц. Значение ВКФ будет равно 127 только тогда, когда последовательности будут полностью совпадать (помехи снизят это значение на несколько единиц). Соответственно, когда ВКФ достигла уровня 127 (принимаем меньше 127, чтобы учесть влияние помех), считаем, что синхронизация установлена и далее отсчитываем ровно по 127 символов и сравниваем их с двумя последовательностями, сформированными в МК, для определения бита узкополосного сигнала («0» или «1»). При потере синхронизации (когда нельзя точно сказать, какой бит пришел - «0» или «1») опять начинается процесс синхронизации.

Когда расшифрованы первые 16 бит, то проверяется, соответствуют ли они синхрокоду (FFFF16). Если проверка прошла успешно, то происходит дальнейшая расшифровка сигнала, иначе ожидается появление синхрокода.

Когда расшифрована оставшаяся часть посылки, происходит декодирование циклического кода. Если обнаружена ошибка, то вся посылка бракуется и ожидается появление очередного синхрокода. Если ошибки нет, то информационная часть разделяется на код датчика и значение ТИ параметра и значение выводится на цифровое устройство вывода информации.

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

4.1 Структурная схема КП

На основании алгоритма работы КП (раздел 3.1) и метода передачи (ЧМ-2) была разработана структурная схемы КП, которая представлена на графическом материале ГУИР КП 530107 003 Э1.

Контролируемый пункт состоит из датчиков, коммутатора, АЦП, микроконтроллера и модулятора.

Система работает следующим образом. Аналоговые сигналы с датчиков через коммутатор поочерёдно поступают на вход АЦП, где преобразовываются в цифровой код. С выхода АЦП параллельный код поступает на вход микроконтроллера, где осуществляется обработка пришедших сигналов в соответствии с алгоритмом адаптивной коммутации, кодирование циклическим кодом, а также расширение полосы сигнала.

Более подробная работа МК была рассмотрена в разделе 3.1.

Далее обработанный сигнал поступает на вход модулятора, где происходит модуляция сигнала методом ЧМ-2. Демультиплексор разбивает входные биты на три подпоследовательности. Элементы задержек выравнивают во времени эти подпоследовательности, расширители увеличивают длительность каждого символа до значения длительности канального символа. Далее происходит сигнальное кодирование в транскодере и цифро-аналоговое преобразование полученных комбинаций, перемножение их с гармониками и суммирование. С выхода сумматора сигнал поступает в линию связи.



4.2 Структурная схема ПУ

Структурная схема ПУ была разработана на основании алгоритма работы ПУ, изложенном в разделе 3.2. Она изображена на графическом материале ГУИР КП 530107 004 Э2.

В состав структурной схемы ПУ входят демодулятор, микроконтроллер, регистрирующее устройство (принтер).

Сигнал из линии связи поступает на демодулятор, где происходит детектирование ЧМ-2 сигнала. С выхода демодулятора сигнал в цифровой форме поступает на вход микроконтроллера, где происходит обработка принятой информации. Этот шаг подробно описан в разделе 2.2. С выхода микроконтроллера сигнал поступает на регистрирующее устройство.



5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

Выбор элементной базы

Выбираем следующие исходные данные:

- минимальная наработка - 5000 часов;

- интервал рабочих температур - +10 oC - +50 oC;

- относительная влажность воздуха при t = 20оС - 80 %;

- вибрации: диапазон частот от 0 до 500 Гц, ускорение - 8g;

- потребляемая мощность - не нормируется;

- помехоустойчивость элементов - 2-я группа;

- напряжение питания микросхем - В%;

- серия микросхем должна иметь возможность сопрягаться с другими сериями микросхем;

- микросхемы должны обладать хорошей нагрузочной способностью.

Все функциональные блоки проектируемой системы телеизмерения, за исключением мультиплексора и усилителя осуществляют обработку сигналов в цифровой форме. Поэтому вся схемотехника системы строится на интегральных цифровых микросхемах, что обеспечивает быструю, стабильную и высоконадёжную обработку сигнала.

Основными управляющими элементами проектируемой системы телеизмерения являются микроконтроллеры (МК), в качестве которых используется МК семейства 51 компании IntelMCS51. Выбор данного элемента основан на его способности к выполнению возлагаемых на него функций, а также изученностью его архитектуры в ходе учебного процесса.

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой КМОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющем 40 внешних выводов. Для работы MCS51 требуется один источник питания +5 В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода MCS51 взаимодействует с внешней средой.

Корпус MCS51 имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора (6-12 МГц), четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограммированы пользователем на выполнение специализированных (альтернативных) функций обмена информацией со средой.

8-битное арифметико-логическое устройство (АЛУ) может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции «И», «ИЛИ», «Исключающее ИЛИ», а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п.

Память программ и память данных, размещённые на кристалле MCS51, физически и логически разделены (гарвардская архитектура). Память программ (постоянное запоминающее устройство - ПЗУ) имеет ёмкость 4 КБ. Память данных (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ), предназначенная для хранения переменных в процессе выполнения прикладной программы, адресуется одним байтом и имеет емкость 128 байт. Память программ, так же как и память данных, может быть расширена до 64 КБ путём подключения внешних БИС (ВПД).

В составе средств MCS51 имеются регистровые пары с символическими именами TH0, TL0 и ТН1, TL1, на основе которых функционируют два независимых программно-управляемых 16-битных таймера/счетчика событий, которые используются в проектируемой системе для реализации механизма синхронизации по кадрам.

В качестве устройств измерения телеметрируемого параметра выбраны датчики температуры TC5008 фирмы-производителя «Манотомь» (г. Томск, Россия), которые имеют диапазон измеряемых температур -25…+100°С. Достоинством этих датчиков является то что, эти датчики не нуждаются в подстройке, дополнительных буферах или линеаризации.

В качестве аналогового ключа, который служит для поочерёдного подключения каналов датчиков, был выбран аналоговый мультиплексор (коммутатор)ADG764 фирмы-производителя «AnalogDevices», который имеет 64вывода для подключения аналоговых приборов. Выбран именно этот мультиплексор, т.к. он удовлетворяет условиям по количеству выводов, а также обладает низким сопротивлением (не более 1,25 Ом) во всём диапазоне температур и напряжений. ADG764 коммутирует один из шестидесяти четырёх входов (S1-S64) к общему выводу D в соответствии с кодом на пятибитном адресном порту A0, A1, A2, A3 и A4.

Далее необходимо создать схему, обладающую очень малым входным сопротивлением и выходным напряжением, пропорциональным входному току. Для этого можно использовать преобразователь ток-напряжение, собранный по схеме инвертирующего усилителя с сопротивлением . Схема такого преобразователя показана на рисунке 6.2.

Рисунок 5.1 - Преобразователь ток-напряжение, собранный по схеме инвертирующего усилителя

В этой схеме входной ток протекает от источника через резистор обратной связи . В связи с тем, что неинвертирующий вход заземлён, потенциал инвертирующего входа также должен быть равен нулю. Тогда выходное напряжение должно быть равным Из этой формулы видно, что выходное напряжение операционного усилителя действительно прямо пропорционально его входному току.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используем 16-битный АЦП AD7720 фирмы «Analog Devices».Данный АЦП обладает высоким быстродействием (12,5 миллионов преобразований в секунду), отличается малыми энергопотреблениеми размерами и имеет низкую стоимость.

С целью увеличения мощности сигнала, выдаваемого в линию связи и принимаемого из неё, применяется кабельный усилитель на транзисторах.

Для гальванической развязки схемы и линии связи используется согласующий трансформатор Т1.

На стороне ПУ в составе линейного блока помимо согласующего трансформатора используется кабельный усилитель на транзисторах.

В качестве демодулятора ЧМ-2 выбрана схема DD240 фирмы-производителя «RadyneComStreamCorporation».

В качестве микроконтроллера на приёмной стороне такжевыбранMCS-51, достоинства которого были описаны выше.

Для отображения ТИ параметра используем цифровой индикатор HD44780. Он обладает высокой скоростью записи, и питается от напряжения +5В.

5.2 Проектирование принципиальной электрической схемы КП

В соответствии с разработанной структурной схемой, алгоритмом функционирования, временной структурой сигналов и выбранной элементной базой проектируем принципиальные электрические схемы устройств ПУ и КП, которые представлены на графических материалах.

На КП установлено 9 датчиков.



6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПУ

6.1 Расчет частотных и временных параметров

В соответствии с алгоритмом функционирования системы и принятой структурой сигнала в линии связи производится расчёт частоты генератора тактовых импульсов и длительности импульса.

Количество КП - 7, количество датчиков на каждом КП - 9.

Полное время передачи телеметрической информации складывается из времени передачи синхросигнала , времени передачи кодов адресов датчиков, времени передачи измерительных эквивалентов , времени передачи кода конца :

В соответствии с теоремой Котельникова, время, за которое необходимо опросить каждый датчик, определяется по формуле

где - максимальная частота измерения телеметрируемого параметра.

Тогда

Количество бит, необходимое для представления измеряемой величины в двоичном коде, определяется формулой

где - погрешность преобразования в цифровой эквивалент;

- знак округления в большую сторону.

Подставляя численные значения согласно техническому заданию, имеем:

На одном КП находится 9 датчиков, следовательно, число разрядов, необходимое для кодирования адреса датчика, определяется по формуле :

Количество разрядов, необходимое для кодирования кода конца (КК), примем равным 8 бит в связи с тем, что для обработки информации будет использоваться микроконтроллер и аналого-цифровые преобразователи:

Вся информация, кроме синхрокода, кодируется циклическим кодом с кодовым расстоянием . Согласно свойствам кода [4], по выражению

определим количество необходимых контрольных символов:

С учётом этого, общие длины кодовых комбинаций, необходимых для кодирования адресов датчиков, телеизмеряемых параметров и кода конца, будут равны:

Принимая количество разрядов синхрокода равным 16, определяем общую длину кодовой комбинации:

Тогда длительность одного бита будет равна:

Кроме защиты циклическим кодом, использован такой метод повышения качества работы системы как применение М-последовательности. Формирование псевдослучайной последовательности производится с помощью многочлена седьмой степени . Тогда длительность одного бита уменьшится в 7 раз, т.к. каждый бит будет кодироваться кодовой комбинацией из 7 символов:

Тогда частота генератора тактовых импульсов (ГТИ) определится как

После цифровой обработки информации применяется двоичная частотная манипуляция.

Зададимся скважностью сигнала и определим длительность одного импульса:

Тогда частоту полезного сообщения определим по выражению

:

Зададимся индексом манипуляции , тогда полосу частот, необходимую для передачи сигнала по методу ЧМ-2, согласно [2], определим по выражению :



6.2 Выбор и энергетический расчет линии связи

Линии связи являются основным, наиболее характерным и определяющим звеном системы передачи информации. От их состояния прежде всего зависит надежность действия систем телемеханики. Свойство, параметры и характеристики линий связи, а также их стабильность во времени и при изменении внешних условий определяют энергетические требования, предъявляемые к сигналу, оказывают влияние на его формирование и на используемые методы передачи, на принципы построения схемных решений приемопередающей аппаратуры.

Можно выделить два класса линий связи: проводные и беспроводные. Проводные линии связи по использованию подразделяются на воздушные и кабельные. На воздушных линиях металлические провода подвешиваются к изоляторам, укрепленным на специальных опорах. Используемый провод может быть стальным, медным или биметаллическим.

Для сооружения кабельных линий связи применяют специальной конструкции систему металлических проводов - кабель, куда входят, кроме различного числа пар (чисел) проводов, дополнительные средства повышения механической и электрической прочности: специальная изоляция, свинцовые оболочки, битумные, резиновые, металлические покрытия. В зависимости от конкретного назначения и вида использования кабели укладывают либо в земляные траншеи, либо в специальную канализацию. К кабельным линиям могут быть отнесены и высоковольтные кабели распределительных силовых сетей на промышленных предприятиях. В отдельных случаях кабели применяются на воздушных линиях связи. Для проводных линий свойственен электрический процесс (движение свободных электронов), который и используется в качестве переносчика.

В телемеханике наибольшее применение нашли три типа каналов: электрические, радио- и оптические. Основным, но не единственным признаком при выборе каналов обычно служит диапазон рабочих частот.

В предыдущем разделе была рассчитана полоса частот, необходимая для передачи закодированной информации . Исходя из этого значения, выбираем кабельную линию связи. Кабельные линии являются основой сетей магистральной дальней связи, по ним передают сигналы в диапазоне частот 12…550 кГц:

Кабельная линия связи имеет следующие параметры:

диаметр провода

удельное затухание - .

Для расчёта затухания примем расстояние между пунктом управления и контролируемым пунктом равным .

Затухание сигнала определяется по формуле :



7. СИСТЕМНЫЕ РАСЧЁТЫ

7.1 Расчёт помехоустойчивости

Расчёт помехоустойчивости производится для случая симметричного канала по методике, изложенной в разделе 3 [3]. Вероятности подавления и воспроизведения ложного сигнала в симметричном канале одинаковы и определяются выражением :

где - величина, характеризующая потенциальную помехоустойчивость,

V - вероятностный интеграл, значения которого приведены в приложении[3].

В данной ТМС передача осуществляется радиоимпульсами с прямоугольной огибающей и пассивной паузой. Тогда величина будет определяться по выражению :

где - спектральная плотность мощности шума согласно техническому заданию;

- длительность радиоимпульса, определённая в разделе 4;

- амплитуда сигнала на входе приёмника, которая определяется исходя из значения вероятности появления необнаруженной ошибки , заданной в техническом задании.

Вероятность появления необнаруженных ошибок для циклического кода (согласно [4, 3]) определяется по формуле :

где - кодовое расстояние циклического кода;

- общая длина кодовой комбинации;

- количество информационных символов в кодовой комбинации.

С помощью пакета Mathcad определим значение , подставив,, и в формулу :

Вероятность правильного приёма и вероятность обнаружения ошибок определяются по формулам и :

Подставляя численные зна чения, получим:

Далее производим подстановку значения в формулу и по таблице интеграла вероятностей (приложение )находим значение :

Из выражения определим амплитуду сигнала, необходимую для получения заданной помехоустойчивости:

- это амплитуда сигнала на входе приёмника. Для расчёта амплитуды сигнала на выходе передатчика необходимо учесть затухание в линии связи , рассчитанное в разделе 6. Для этого воспользуемся формулой :

7.2 Расчёт пропускной способности канала связи и скорости передачи сообщений

В подразделе 7.1 была рассчитана вероятность искажения одного символа, равная . Наименьшая длительность символа, поступающего в линию связи, равна .

Для определения пропускной способности воспользуемся выражением (1.56) из [2]:

где - техническая скорость передачи сигнала (называемая также скоростьюманипуляции), подразумевающая число элементарных символов (сигналов), передаваемых по каналу в единицу времени. Величина определятся из выражения :

Подставив численное значение , получим:

Тогда

Скорость передачи данных рассчитываем по формуле :

7.3 Расчёт спектра сигнала в линии связи

Амплитуда носителя , и, как было определено ранее, полоса частот составляет. Выражение для ЧМ-2 сигнала, согласно [1], имеет вид:

Частота полезного сообщения была определена ранее в разделе 6:

Частоту носителя определим из выражения :

Зададимся индексом манипуляции и произведём расчёт гармоник спектра. Для наглядности расчёты сведём в таблицу 7.1.

Таблица 7.1 - Значения амплитуд составляющих спектра ЧМ-2 сигнала

Вид составляющей	Частота, кГц	Выражение для расчёта амплитуд	Амплитуда, В
	290		23,35
	319		0
	261
	348		42,03
	232
	377		55
	203
	406		35
	174

Спектр ЧМ-2 сигнала, построенный в соответствии с таблицей 7.1, показан на рисунке 7.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7.1 - Спектр ЧМ-2 сигнала прии

Определим среднюю мощность сигнала в полосе частот по выражению

:

Полная мощность сигнала на сопротивлении 1 Ом определим по выражению:

Тогдат.е. в практической полосе частот будет передано 99,78% мощности всего сигнала, что достаточно для практических целей.

7.4 Расчёт надёжности

Надёжность является комплексным свойством, которое обусловливается качественными характеристиками (безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью) и количественными:

вероятность безотказной работы:

где - заданное время работы изделия;

средняя наработка до отказа:

интенсивность отказа схемы:

где - интенсивность отказов элементов данной группы;

- количество элементов данной группы.

Порядок расчёта:

Выбираются значения для элементов, входящих в состав изделия.

По выражению рассчитывается интенсивность отказа схемы.

Из выражения находится наработка до отказа.

По выражению определяется вероятность безотказной работы.

Произведём расчёт количественных показателей надёжности изделия, соответствующего разработанной принципиальной электрической схеме контролируемого пункта. Для удобства результаты расчёта сведём в таблицу 7.2.

Таблица 7.2 - Таблица расчёта интенсивности отказа схемы

Тип элемента	час-1	Количество, шт.	час-1
Цифровые интегральные микросхемы		4
Конденсаторы керамические		4
Резисторы плёночные		6
Кварцевые резонаторы		1
Трансформаторы		1
Диоды		2
Транзисторы		3

Тогда, подставив в формулу численные значения, рассчитаем среднюю наработку до отказа:

Вероятность безотказной работы при времени работы изделия, равным 5000 ч, будет рассчитана по формуле :

Следовательно, вероятность отказа рассчитаем по формуле :



8. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Программное обеспечение для микроконтроллера MCS-51 фирмы Intel разработано на языке Assembler. Выбор языка программирования связан с изученностью его в ходе учебных дисциплин «Вычислительные машины, системы и сети» и «Микропроцессоры в системах управления».

Кратко приведём характерные особенности для программного обеспечения контролируемого пункта.

Внешняя память данных не подключается.

Резидентная память данных распределяется следующим образом:

- в регистре R1 находится счётчик датчиков, который определяет текущий датчик;

- в ячейках памяти 1016 и 1116 находится значение, переданное на предыдущем цикле опроса.

- в ячейке памяти 1216 хранится адрес датчика с максимальной погрешностью в текущем цикле передачи;

- в ячейках 2016 - 2716 хранится кадр, который будет передан в текущем цикле передачи;

- в регистре R5 хранятся начальные условия для формирования М-последовательности.

Опишем особенности программного обеспечения пункта управления. Модуль внешней памяти данных также не подключается ввиду небольших объёмов обрабатываемой информации.

Резидентная память данных распределяется следующим образом:

- в ячейках памяти 1016 - 1F16 хранятся последние принятые 127 бит с демодулятора;

- в ячейках памяти 2016 - 2F16 хранятся 127 бит, сформированные по правилам составления М-последовательности из известных начальных условий;

- в ячейке памяти хранится признак установления синхронизации;

- в ячейках памяти 3116 - 3816 хранятся принятые узкополосные биты, которые впоследствии расшифровываются и выводятся на цифровой дисплей.

Листинги программ для контролируемого пункта и пункта управления приведены в Приложениях А, Б соответсвенно.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была разработана система телеизмерения “умный дом”, функционирующая по алгоритму адаптивной коммутации. В соответствии с техническим заданием был разработан алгоритм функционирования системы, на его основании построена функциональная схема. Применение в системе микроконтроллеров привело к значительному сокращению количества используемых микросхем. Далее была разработана принципиальная электрическая схема системы, выбраны марки и номиналы элементов, проведена проверка на соответствие заданным показателям. В системе применены электрические элементы на современной базе, что соответствует высоким качественным показателям.

На основании параметров несущего сигнала в канале связи была рассчитана помехоустойчивость системы. По данному показателю система удовлетворяет заданным параметрам. Произведен расчет надёжности системы, разработано программное обеспечение для ПУ и КП.

Применённый в системе алгоритм масштабирования позволил добиться заданной точности измерения для любого заданного диапазона телеизмеряемого параметра в пределах разрешающей способности устройства индикации.

Применение псевдослучайных бинарных последовательностей позволило увеличить помехозащищённость, скрытность, а также уменьшить создаваемые помехи для других систем. 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: Конспект лекций для студентов специальностей 1-53 01 03 «Автоматическое управление в технических системах» и 1-53 01 07 «Информационные технологии и управление в технических системах». Ч.4: Системы телемеханики - Минск: БГУИР, 2005. - 155 с.: ил.

2. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: Конспект лекций для студентов специальности Т.11.01.00 «Автоматическое управление в технических системах». Ч.1: Сообщения и сигналы. - Минск: БГУИР, 2000. - 128 с.

3. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: Конспект лекций для студентов специальностей 1-53 01 03 «Автоматическое управление в технических системах» и 1-53 01 07 «Информационные технологии и управление в технических системах». Ч.3: Линии связи и помехоустойчивость информации. - Минск: БГУИР, 2004.

4. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Телемеханика: Конспект лекций для студентов специальности Т.11.01.00 «Автоматическое управление в технических системах». Ч.2: Коды и кодирование. - Минск: БГУИР, 2001. - 168 с. ил. 98.

5. Сорока Н.И., Кривинченко Г.А. Руководство по курсовому проектированию специальности 1-53 01 07 «Информационные технологии и управление в технических системах» всех форм обучения.



ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Листинг программы MSC-51 контролируемого пункта

; подпрограмма задержки на 1 мс

W8:

MOV R6, #10D

WL1:

MOV R7, #100D

WL2:

DJNZ R7, WL2

DJNZ R6, WL1

RET

; подпрограмма опроса датчика

OPR:

DECR1

CLRP1.7

MOVP1, R1 ; адрес датчика на мультиплексор

SETBP1.7 ; разрешение на мультиплексор

MOVR3, P0 ; данные с датчика (старший байт)

MOVR4, P2 ; данные с датчика (младший байт)

CLRP1.7 ; убрать разрешение

RET

; подпрограмма выбора максимальной погрешности

MAX:

MOVA, 10D ; максимальное отклонение(старший байт)

CLRC

SUBA, R3 ; сравнение максимального значения с текущим значением (старшего байта)

JCML1

MOVA, 11D ; максимальное отклонение (младший байт)

SUBA, R4 ; сравнение максимального значения с текущим значением(старшего байта)

JNCML2

ML1:

MOV 10D, R3 ; запоминание нового максимального значения (старший байт)

MOV 11D, R4 ; запоминание нового максимального значения (младший байт)

MOV 12D, R1 ; запоминание кода датчика

ML2:

RET

; подпрограмма формирования M-последовательности и посылки на модулятор

M:

MOV R3, #127D

MB:

MOV R7, #8D

MBEG:

MOVA, R5 ; введение начальных условий

MOVC, ACC.7 ; вычисление

XRLC, ACC.3 ; состояния

XRLC, ACC.2 ; первого

XRLC, ACC.1 ; триггера

MOVACC.0, C ;

RLCA

XRLC, R6.7 ; во флаге С - выход 7 триггера

CPLC ; с учётом пришедшего бита

MOVP1.6, C ; посылка на модулятор

CALLW8 ; задержка 1 мс (остальные 0,23мс на выполнение программы)

DJNZ R3,MBEG

MOV A, R6

RLC A

MOV R6, A

DJNZ R7, MB

RET

; подпрограмма посылки бита на модулятор

SEND:

MOV R0, #20D

MOV R6,@R0

SL1:

CALLM ; формировние М-последовательности для каждого байта

INC R0

MOV A, R0

CLR C

SUB #27D

JZSL1

RET

; подпрограмма кодирования

KOD:

MOV 22D, R1 ; код датчика

MOV 23D, 10D ; старший байт ТИ параметра

MOV 24D, 11D ; младший байт ТИ параметра

MOV 25D, R1D ; код датчика (повторно)

MOV 26D, 10D ; старший байт ТИ параметра (повторно)

MOV 27D, 11D ; младший байт ТИ параметра (повторно)

RET

; подпрограмма построения кадра

FORM:

MOV 20, #FF ; старший байт синхрокода

MOV 21, #FF ; младший байт синхрокода

CALLKOD

RET

; основной алгоритм работы

ORG 30H

BEGIN:

MOVR1, #22D ; увеличиваем количество датчиков на 1

MOVR5, #10101010B ; НУ для формирования M-последовательности

L1:

CALLOPR ; опрос очередного датчика

CALLMAX ; определение максимальной погрешности

DJNZR1, L1

CALLFORM ; формирование кадра

CALLSEND ; посылка на модулятор

JMPBEGIN



ПРИЛОЖЕНИЕ Б

(обязательное)

Листинг программы MSC-51 пункта управления

; подпрограмма обработки принятой информации

PRIEM:

MOVA, 00H

SUB 0FH ; проверка наличия синхронизации М-последовательности

JCPL1

PL0:

CALLREAD ; чтение с демодулятора очередного бита

CALLVKF ; вычисление ВКФ

MOVA, R3

SUB #100D ; сравниваем ВКФ с 100 (в идеале со 127, но учитываем помехи)

JCPEND ; синхронизации нет

MOV 0FH, #01H ; признак: синхронизация установлена

MOVR6, #127D ; если есть синхронизация, то опрашиваем по 127 бит

PL1:

CALLDEM ; расшифровка бита (узкополосного)

CALLWRBT ; запись бита

CALLSYNC ; проверка на синхрокод

CALLDECOD ; декодирование и вывод

PEND:

RET

; подпрограмма вывода

VOUT:

CLRP3.6 ; сброс бита WRITE

MOVP1, 31H ; код датчика

SETBP3.6 ; установка бита WRITE

CLRP3.6 ; сброс бита WRITE

MOVP1, 32H ; старший бит ТИ параметра

SETBP3.6 ; установка бита WRITE

CLRP3.6 ; сброс бита WRITE

MOVP1, 33H ; младший бит ТИ параметра

SETBP3.6 ; установка бита WRITE

CLRP3.6 ; сброс бита WRITE

RET

связь схема электрический

; подпрограмма расшировки кода

DECOD:

MOV A, R7 ; счётчикбитов

CLR C

SUB #64D ; проверяем, закончилась ли инф. последовательность

JNZDLEND ; если нет, то пропускаем

MOVA, 36H ; проверяем

CLRC;

SUB 33H ; правильность

JNZ DL1;

MOV A, 35H ; принятой

CLR C;

SUB 32H ; комбинации

JNZDL1;

MOV A, 34H;

CLR C

SUB 31H

JNZDL1

CALLVOUT ; если нет ошибки, то выводим

DL1:

MOV R7, #00H

DLEND:

RET

; подпрограмма проверки принятия синхрокода

SYNC:

MOVA, R7

CLRC

SUB #16D ; кол-во принятых битов=16?

JNZSL1

MOVA, 38H ; сравнение

CLRC

SUB #FFH ; принятых 16 бит

JNZSL0

MOVA, 37H ; с синхрокодом

SUB #FFH

JZ SL1

SL0:

MOVR7, #00H ; если не синхрокод, то сбрасываем счётчик битов

SL1:

RET

; подпрограмма записи бита

WRBT:

MOV R0, #38H

MOV R1, #08H

WRL1:

MOVA,@R0 ; запись бита

RLCA

MOV @R0,A ; исдвиг

DEC R0

DJNZR1, WRL1 ; всей комбинации

INCR7 ; увеличение счётчика принятых битов

RET

; подпрограмма чтения бита и записи в память

READ:

MOV R0, #1FH

MOV R1, #10H

MOVC, P0.0 ; бит с демодулятора больше флага C

PL1:

MOV A,@R0

RLC A

MOV @R0, A

DEC R0

DJNZ R1, PL1

RET

; подпрограмма определения, какой бит пришёл

DEM:

MOV OEH, 00H

CALL VKF

MOVA, R3

SUB #100D ; сравниваем ВКФ со 100 (в идеале со 127, но учитываем помехи)

JNCB1

MOV 0EH, 01H ; проверяем инвертированную комбинацию

CALLVKF

MOVA, R3

SUB #100D ; сравниваем ВКФ со 100 (в идеале со 127, но учитываем помехи)

JNCB0

MOV 0FH, #00H ; потеря синхронизации

JMP DEMEND

B1:

MOV A, #01H

RRC A

JMP DEMEND

B0:

MOV A, #00H

RRC A

DEMEND:

RET

; подпрограмма построения M-последовательности

M:

MOV R0, #2FH

MOV R1, #10H

MOV R2, #127D

MOV A, R5

ML0:

MOVC, ACC.7 ; определение

XRLC, ACC.3 ; состояния

XRLC, ACC.2 ; первого

XRLC, ACC.1 ; триггера

MOV ACC.0, C ;

RLC A

MOV R6,A

ML1:

MOVA.@R0 ; запись

RLCA ; очередного

MOV @R0,A ; бита

DECR0 ; М-последовательности

DJNZR1,ML1 ; в память

DJNZR2,ML0

RET

;подпрограмма вычисления ВКФ

VKF:

MOVR3,#00H ;число совпадений

MOVR4,#00H ;число несовпадений

MOV R0,#1FH

MOV R1,#2FH

VBEG:

MOV R2,#10H

MOV A,@R0

XRL A,@R1

MOV R4,#08H

VL0:

RLCA ; подсчет количества

JNCVL1 ; совпадений

INCR3 ; и

JMPVL2 ; несовпадений

VL1:

INC R4

VL2:

DJNZ R4,VL0

DJNZR0, VBEG

MOVA,R3 ; вычисление разности

CLR C

SUB R4

MOV R3,A ; значениеВКФ

RET

;основной алгоритм

ORG 03H

CALLPRIEM ; работаем по прерыванию от демодулятора

ORGC0H

CALLM

MOV 0FH,#00H ;признака синхронизации нет

MOVR7,#00h ; счётчик принятых битов

Размещено на Allbest.ru

...