БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

ЗАДАНИЕ

по дипломному проекту (работе) студента

Кирсанова Валерия Ивановича

Тема проекта (работы) Система охранной сигнализации микрорайона утверждена приказом по университету от “ ” г. №

2. Срок сдачи студентом законченного проекта (работы) 30.05.1999 г.

3. Исходные данные к проекту (работе)

Емкость системы не менее 10000 объектов охраны

Максимальное время задержки сообщения о взломе или пожаре - не более 15 с

Архитектура системы должна базироваться на принципах многоуровневых локальных сетей

Скорость передачи сообщений выбрать из ряда стандартных скоростей

В разработке использовать преимущественно отечественную элементную базу

4. Содержание расчетно - пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)

Обзор существующих технических решений

Выбор и обоснование требований к разрабатываемой системе

Разработка архитектуры системы

Разработка принципиальной электрической схемы блока ППК

Разработка программного обеспечения

Системные расчеты

5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)

Структурная схема системы

Схема функциональных связей ППК

Алгоритм управляющей программы

Электрическая принципиальная схема блока ППК

Результаты системных расчетов и граф состояний МК микросети

Конструктивный чертеж блока ППК

Содержание задания по технико-экономическому обоснованию

Содержание задания по производственной и экологической безопасности

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

№ п/п	Наименование этапов дипломного проекта (работы)	Срок выполнения этапов проекта (работы)	Примечание

Дата выдачи задания Руководитель

Задание принял к исполнению

Содержание

Введение

1. Обзор аналогов

2. Выбор и обоснование технических требований

3. Разработка архитектуры системы

3.1 Разработка структурной схемы системы

3.2 Разработка функциональной схемы абонентского устройства

3.3 Разработка протокола обмена

4. Разработка и расчет электрической принципиальной схемы абонентского устройства

5. Разработка управляющей программы

6. Расчет системных характеристик

7. Разработка конструкции печатной платы

8. Моделирование работы составных частей системы

9. Технико-экономическое обоснование проекта

10. Охрана труда и экологическая безопасность

Заключение

Список литературы

Введение

Вся производственная деятельность на промышленных предприятиях непрерывно связана с управлением. Для предупреждения потерь и успешного управления создают системы производственной связи.

Системы производственной связи способствуют ускорению производственных процессов, а своевременная доставка информации создает условия для нормального их протекания, предупреждая возникновение срывов и аварий, простои рабочих бригад, и.т.д. поэтому системы производственной связи в заметной мере влияют на повышение производительности труда. Системы производственной связи организуются применительно к особенностям производства каждого конкретного предприятия. В этом смысле можно говорить об определенной замкнутости производственной связи, особенно если учесть, что многие ее средства обслуживают локальные производственные участки и не имеют выхода в сети общего пользования: диспетчерская, производственная громкоговорящая и др.

Внутрипроизводственные сети связи, имеющие аналоги на сетях общего пользования, обладают большой спецификой по способам организации связи, типам применяемого оборудования, схемным решениям и.т.д. Средства производственной связи приспособлены для работы при наличии высоких уровней шумов, пыли, влаги и имеют другие дополнительные возможности, обеспечивающие оперативность управления производством.

Система производственной связи, как и другие элементы технической базы системы управления должна удовлетворять потребностям системы управления, которую они обслуживают. Это соответствие должно быть достигнуто по одному или нескольким следующим показателям: объем сообщений, передаваемых в единицу времени, время доставки заданного объема сообщений, верность доставляемой информации, экономичность доставки информации.

Объем сообщений, передаваемых в единицу времени, определяет качественный уровень системы связи. Если объем незначительный, могут быть использованы простейшие средства доставки информации. Иначе должны применяться современные средства, обладающие большой пропускной способностью.

Время доставки информации адресату складывается из времени составления адреса, подготовки информации, различного рода ожиданий в процессе установления соединений, времени передачи, а также получении информации адресатом. Для большинства различных систем управления производством этот показатель важнейший.

Верность доставляемой информации является важной ее характеристикой и характеризует степень соответствия принятого сообщения переданному.

Целью дипломного проектирования является проектирование локальной сети связи для обмена речевыми сообщениями. Необходимо проработать все вопросы, оговоренные заданием на проектирование. Разработку требуется проводить на современной элементной базе с использованием ПЭВМ. В ходе дипломного проектирования необходимо проанализировать существующие аналогичные системы и разработать систему, которая была бы более компактна, надежна, проста, экономична и имела бы невысокую стоимость по сравнению с существующими аналогами.

1. Обзор аналогов

1.1 Структуры переговорных устройств

В практике производственной связи различают следующие структуры связи:

парная,

параллельная,

радиальная одноступенчатая,

радиальная трехступенчатая,

радиальная с несколькими главными,

каждый с каждым,

смешанная (комбинированная),

Рис.1.1.1 Парная связь

Рис. 1.1.2 Параллельная связь



Рис. 1.1.3 Радиальная одноступенчатая

Рис. 1.1.4 Радиальная трехступенчатая

Рис. 1.1.5 Радиальная с несколькими главными



Рис. 1.1.6 Каждый с каждым

Главным называется абонент, у которого устанавливается аппаратура, обеспечивающая ему преимущества при связи либо только с одним абонентом, называемым парным; либо с несколькими абонентами, называемыми прямыми, каждый из которых может соединяться только с данным главным абонентом; либо с несколькими абонентами, называемыми индивидуальными, которые могут соединяться по собственному выбору с данным или с другими главными, а также с другими неглавными абонентами.

В системах и устройствах громкоговорящей связи можно осуществить в общем случае передачу:

циркулярную, когда речь главного абонента слышна всем прямым абонентам;

совещание, когда в разговоре принимает участие группа абонентов, каждый из которых слышит речь всех других.

Громкоговорящая связь предоставляет абонентам ряд преимуществ, которые традиционные средства традиционные средства телефонной связи не обеспечивают:

- при разговоре нет необходимости держать в руке микротелефонную трубку; абонент может совмещать разговор с выполнением других функций;

- в разговоре могут принимать участие несколько лиц, так как оконечные абонентские устройства, в отличие от телефонных аппаратов, не являются средствами индивидуального пользования;

разговор может происходить в условиях высокого уровня производственных шумов;

вызов требуемого абонента осуществляется более эффективными средствами, чем звонок телефонного аппарата;

время установления соединения минимально и равно продолжительности нажатия клавиши. Даже в системах прямой диспетчерской и директорской телефонной связи это время больше, так как к нему прибавляются время посылки сигнала вызова и время снятия вызываемым абонентом микротелефонной трубки;

увеличивается дальность связи, так как в состав аппаратуры включаются усилительные элементы.

Кроме этого, устройства и системы громкоговорящей производственной связи сохраняют и преимущества телефонной связи:

круг абонентов может быть расширен до любых пределов, необходимых для современных промышленных предприятий и учреждений;

может быть установлен приоритет в пользовании связью, обеспечено подключение абонентов к другому лицу, подключение к диктофону, и.т.д.

в отдельных системах и устройствах обеспечивается удержание абонента на время наведения справок. Как правило, во всех системах предусматривается связь со станциями аналогичной системы или городскими телефонными станциями по соединительным линиям с возможностью включения отдельных абонентов этих станций в систему громкоговорящей связи.

1.2 Принципы осуществления громкоговорящей связи

В простейшем виде громкоговорящую связь можно осуществить последовательным подключением к телефонному аппарату дуплексного усилителя с микрофоном и громкоговорителем. В этом случае абонент при желании может пользоваться либо микротелефонной трубкой, либо микрофоном для передачи и громкоговорителем для приема речи. Если усилитель симплексный, то разговорные токи усиливаются только при передаче, и ведущуюся передачу абоненты на входящем конце могут слышать по громкоговорителям, подключенным параллельно телефонным аппаратам.

Громкоговорящая связь может быть осуществлена:

по четырехпроводным линиям с использованием раздельных усилителей приема и передачи;

по двухпроводным линиям либо с использованием дуплексных усилителей с дифсистемами, либо с применением симплексных усилителей и автоматическим переключением трактов приема и передачи;

По каждому из указанных принципов может быть организована односторонняя связь, когда усилитель имеется только на одном конце линии связи, и двусторонняя, при которой усилители имеются на обоих концах линии связи.

Система четырехпроводной односторонней связи обладает простотой схемы и конструкций усилителей, отсутствием самовозбуждения, высоким качеством речи, удобством проведения совещаний. Однако дорогостояща.

Применение дифференциальной системы позволяет осуществить громкоговорящую связь по двухпроводной линии, но из-за неизбежной разбалансировки дифсистемы возникает электрическая связь между усилителями приема и передачи. Для устойчивой работы усилителя с дифсистемой необходимо обеспечить равенство полного сопротивления подключаемой нагрузки и сопротивления балансного контура.



Рис. 1.2.1 Структурная электрическая схема четырехпроводной связи

Рис. 1.2.2 Структурная электрическая схема дифференциальной системы усиления: Дифф.тр. - дифференциальный трансформатор;

Недостаток дифференциальной системы заключается в пропадании начальных звуков и коротких слов, что делает речь неестественной.

1.3 Конкретные системы производственной связи

1.3.1 Переговорное громкоговорящее устройство ПУ - 1

Устройство предназначено для прямой симплексной громкоговорящей связи между двумя абонентами. Оно обеспечивает передачу сообщений даже при выключенном аппарате абонента, с которым устанавливается связь. Комплект состоит из двух одинаковых абонентских устройств. При переводе одного из пультов в режим «Передача» второй автоматически переходит в режим приема. По окончании разговора необходимо перевести пульт в режим «Прием» каждое абонентское устройство состоит из пульта управления и блока питания. Пульт управления размещен в настольном пластмассовом корпусе, блок питания смонтирован в металлическом основании и закрыт кожухом. В блоке питания размещены сетевой трансформатор, выпрямитель, электролитические конденсаторы фильтра, плата с предохранителем и переключателем напряжения сети, плата для подключения шнура от пульта управления и соединительных линий. Блок питания подключается к питающей сети с помощью двухпроводного шнура, оканчивающегося двухполюсной вилкой.

1.3.2 Оперативно-переговорные устройства ОПУ-1М и ОПУ-10М

Устройство ОПУ-1М предназначено для переговоров руководителя с секретарем по симплексной системе «говорю-слушаю». Преимущество в разговоре отдается руководителю. ОПУ-1М состоит из пульта главного абонента, пульта абонента и блока управления.

Каждый пульт абонента имеет по одной клавише. В корпусе пульта встроен обратимый динамик. Блок управления состоит из усилителя, выполненного на четырех транзисторах, стабилизированного выпрямителя и схемы коммутации.

Устройство ОПУ-10М предназначено для громкоговорящей циркулярной связи главного абонента с одним из десяти абонентов по симплексной системе «говорю-слушаю». Преимущество предоставляется главному абоненту. Он может вести разговор с четырьмя абонентами одновременно.

Устройство ОПУ-10М состоит из пульта главного абонента, десяти пультов абонентов и блока управления. Пульт главного абонента соединен с блоком управления при помощи кабеля, абонентские точки подсоединяются к блоку управления четырехпроводными линиями для каждого абонента (радиальная схема).

Главный абонент вызывает абонента нажатием соответствующей абонентской кнопки. Сброс абонентской кнопки осуществляется нажатием любой ненажатой кнопки. Вызов абонентом главного абонента производится нажатием клавиши абонентского пульта, после чего на центральном пульте загорается соответствующая лампочка и звучит фонический вызов.

Блок управления состоит из усилителя, стабилизированного выпрямителя и блока коммутации. Громкоговорители используются в режиме передачи как микрофоны и в режиме приема как динамики. Усилитель выполнен на четырех транзисторах.

Таблица 1.3.1

Технические данные устройств типа «секретарь-директор»

Наименование параметра	Единица измерения	Значение параметра для аппарата типа
		ПУ-1	ЭХО-1	ОПУ-1	ЭХО-10	ОПУ-10
Емкость устройства	№	2	2	2	10	10
Кол-во проводов на линию		2	2	2	2	4
Сопротивление линии	Ом	200	20	150	600	50
Вых. Мощность на частоте 1кГц	ВА	0,25	0,6	1,0	0,15	1,0
Коэфф. нелин. Искажений	%	5	10	10	10	10
Полоса частот	Гц	300-3400	300-4000	400-5000	300-3400	400-5000
Напряжение питания	В	127; 220	127; 220	127; 220	127; 220	127; 220
Потребляемая мощность	ВА	10,0	5,0	10,0	5,0	10,0

1.3.3 Установка директорской громкоговорящей связи ДГУ - 1М

Установка предназначена для прямой двусторонней громкоговорящей связи центрального абонента с десятью или 20 абонентами по системе «говорю-слушаю», а также двухпроводным линиям телефонной сети. Разговором управляет центральный абонент. Вызов абонента производится голосом с пульта, вызов пульта абонентом - посылкой оптических и акустических сигналов. Схема установки содержит усилительное устройство пульта и усилительное устройство абонента, каждое из которых состоит из усилителя приема и передачи. Схемы усилителей выполнены на транзисторах; предусмотрена термостабилизация рабочих режимов.

Система работает нормально при сопротивлении шлейфа линии до 500 Ом. С выхода усилителей приема на обратимые динамики поступает речевой сигнал номинальной мощностью 0,1 - 0,15 ВА. Частотные характеристики всех усилителей равномерны в диапазоне частот 400 - 2500 Гц.

В состав аппаратуры входят пульт с усилителями и обратимым динамиком; релейный шкаф с выпрямителем; абонентские телефонные аппараты с усилителями и обратимыми динамиками. Установка рассчитана на круглосуточную работу в стационарных условиях при температуре окружающего воздуха от 5 до 40 градусов и относительной влажности 65%. Аппаратура изготовляется двух видов: на десять абонентов и на двадцать.

1.3.4 Система громкоговорящей связи «Телта-Рапид»

Предназначена для работы по двухпроводным линиям связи с сопротивлением каждой абонентской линии не более 50 Ом, при уровне шума в помещении приема и передачи не более 60 дБ. Система содержит блок питания и коммутации и 3,5 или 8 пультов абонентов в зависимости от комплектности.

Обеспечивает:

ведение разговора между двумя абонентами в симплексном режиме;

оптическая индикация занятия канала связи;

возможность прерывания разговора любыми абонентами;

Электропитание от сети переменного тока напряжением 220В;50Гц.

Габариты, мм; масса, кг: блока питания и коммутации - 270 155 60; 2,3, пульта абонента - 235 110 65; 0,6.

1.3.5 Станция прямой защищенной связи «Гранит»

Предназначена для организации в учреждениях и на предприятиях связи руководителя по четырехпроводным линиям соответственно с 40 (20) прямыми абонентами (ПА) в собственной радиальной сети и для связи руководителя и секретаря по соединительным линиям (СЛ) с абонентами внешней телефонной сети.

Количество соединительных линий 7, из них 2 индивидуальные для руководителя и секретаря.

Технические характеристики:

максимальное сопротивление шлейфа линии прямого абонента 2000 Ом;

максимальное расстояние от пульта до шкафа коммутационного оборудования 200 м;

электропитание: от сети переменного тока 220 В (основное), источника постоянного тока напряжением 60 В (резервное);

габариты, мм: пульта секретаря 324х260х145, руководителя 434х260х 145, шкафа с ТЭЗами 844х1837х370;

масса, кг: пульта секретаря 7, пульта руководителя 9;

Станция выполняет следующие виды услуг:

индивидуальную связь руководителя с прямым абонентом телефонную или громкую;

телефонную связь по соединительным линиям ддля руководителя и секретаря;

набор номера с помощью кнопочного номеронабирателя с индикацией набранного номера и хранение в памяти последнего набранного номера;

переключение индивидуальных соединительных линий на дополнительные телефонные аппараты и обратно;

удержание для ПА и СЛ с возможностью повторного подключения;

Совещание с группой до десяти прямых абонентов в режиме как громкой, так и телефонной связи.

Все операции максимально автоматизированы. Оптическая и акустическая сигнализация дают полную информацию об абонентах. Возможно подключение диктофона для записи переговоров. Установка построена на микросхемах, герконовых реле, полупроводниковых приборах.

На выносном табло предусмотрена сигнализация: о включении установки, включении пульта управления, неисправностях основных блоков, об отсутствии напряжения основного и дополнительного источников питания; переход с основного питания на резервное и обратно автоматически, без обрыва связи.

1.3.6 Диспетчерская система RDZ 50

Система служит для связи диспетчера с отдельным абонентом. Все аппараты абонентов и диспетчерская установка параллельно присоединены к одной паре линии дальней связи через разделительные трансформаторы. Система предназначена для магистральной линейной сети, например для железнодорожной сети.

Система состоит из одной диспетчерской установки и максимально из 52 абонентских аппаратов.

Система обеспечивает:

вызов абонентов двухтональным частотным набором / на основании рекомендаций CCITT/;

вызов одного абонента / максимальная длина вызова 1,2 секунды /;

вызов группы абонентов;

одновременный вызов всех абонентов;

оптическая индикация связи с абонентами на диспетчерском пульте;

оптическая индикация занятости линии на аппарате абонента;

диагностика всей системы / диспетчерской установки и

аппарата абонента /;

автоматическое регулирование уровня разговора;

динамическое ограничение уровня шума и фона / DJ и UP /;

запись разговоров на магнитофон;

управление внешнего вызова / акустического или светового /;

присоединение к телефонным коммутаторам;

возможность присоединения радиостанции и ее автоматическое управление через UP и DJ;

маленькие размеры и компактность установки;

аппараты абонентов, с точки зрения конструкции, равны и взаимозаменяемы;

Технические характеристики системы

входное и выходное сопротивление разговорного канала минимально 40 кОм;

полоса занимаемых частот 300 - 3400 Гц

характеристическое сопротивление магистральной линии 1200 Ом +/- 25%;

затухание магистральной линии максимально 20 дб;

питание от источника постоянного тока 5,5 В - 8 В, 24 В;

потребляемая мощность максимальна 0,3А

1.3.7 Система интегрированной беспроводной телефонии

Появление в составе учрежденческих АТС многофункциональной беспроводной аппаратуры связи, обеспечило развитие новых направлений в бизнесе, повысило производительность труда и уровень обслуживания клиентов.

Одной из таких систем можно назвать систему ISDX компании GPT со стандартным интерфейсом системы подвижной радиосвязи СТ2, которая обеспечивает до 1000 пользователей на территорию площадью до 5 млн.кв.м.

Эта система использует принцип микро-сотовой связи. Территория офиса разделена на несколько радиозон, каждая из которых обслуживается отдельным ретранслятором.

Ретрансляторы подключены к ISDX по каналам системы сигнализации учрежденческой цифровой сети. Это позволяет размещать ретрансляторы на удалении до 1000 м от ISDX.

Все микротелефонные аппараты должны быть зарегистрированы в системе, чтобы исключить возможность несанкционированного использования. Каждая микротелефонная трубка имеет свой идентификационный номер, который регистрируется программным обеспечением станции.

Все радиотелефонные трубки управляются системой, которая регистрирует их местонахождение. Это позволяет быстро направлять поступающие звонки на соответствующую трубку. Если радиоабонент не найден то поступающие звонки будут переключаться на специальный телефонный номер, указанный абонентом.

Стандартный интерфейс гарантирует тайну переговоров и несанкционированного входа в систему за счет сложного кодирования.

Технические характеристики

Конфигурация ISDX-Micro ISDX-S ISDX-L

Ретрансляторы до 40 до 80 до 400

(двухканальные)

Количество 1120 1500 11000

радиоабонентов

Ретранслятор

Крепление настенное/напольное

Размеры 440337320 мм

Цвет нейтральный серый

Напряжение питания 240 В 50 Гц пер. тока

Потребляемая мощность 40 Вт

Макс. удаление

от базового блока 1 км

Число радиоканалов 2,4 или 6

Соединительный кабель 2 витых пары на 32 радиоканала

Радиосистема

Стандарт DTI MPT 1375, DTI MPT 1334

Количество каналов 40

Мощность макс. 10 мВт

2. Выбор и обоснование технических требований

Требования к проектируемой системе предъявляются на основании ОСТ 4. 218.005 84 (устройства переговорные проводной связи общего назначения. Общие технические требования и методы испытаний).

Проектируемая система предназначена для оперативной связи на предприятиях и в учреждениях любого профиля и должна обеспечивать хорошее качество передачи речевых сообщений в условиях непреднамеренных помех (при использовании системы на промышленных предприятиях). Система должна удовлетворять всем требованиям соответствующего ОСТ и иметь приемлемую стоимость. Нужно обеспечить минимально возможное энергопотребление. Требуется обеспечить индикацию состояния канала, а также индикацию вызывающего абонента. Кроме этого необходимо уделить внимание надежности системы и простоте в эксплуатации. В системе требуется использовать адресное разделение.

Подобные требования можно выполнить, используя современную элементную базу.

Приведем требования к системе, предъявляемые ОСТ 4.218.005 - 84.

Обязательный перечень

АЧХ в режиме «передача», «прием».

Коэффициент гармоник электрического тракта.

Уровень громкости речевого сигнала в режиме «прием» или соответствующая ему величина электрической мощности.

Относительный уровень собственных шумов.

Абсолютный номинальный уровень сигнала по напряжению, передаваемого в линию.

Потребляемая мощность.

АЧХ в режиме «передача» должна находится в допускаемой области без фиксации по оси ординат. Погрешность должна находится в пределах 1 дБ.

дБ

30

20

15

5

Гц

300 3000 4000

Рис. 2.1. Область допусков для АЧХ

АЧХ в режиме «прием» должна находится в интервале от 10 до 30 дБ.

Коэффициент гармоник не должен превышать 10%1,5%.

Уровень громкости речевого сигнала «Прием» не должен быть ниже уровня громкости звука поданного в передающий аппарат. Погрешность при этом не должна быть больше 2 дБ.

Требования безопасности

Требования электробезопасности должны соответствовать ГОСТ 12.1.019 79, ГОСТ 12.2007. 0 75, ГОСТ 12.3.019 80.

Электрическое сопротивление изоляции устройств относительно корпуса должно быть не менее 100 МОм в нормальных климатических условиях, 5 МОм при повышенной температуре, 2 МОм при повышенной влажности. Погрешность измерения должна быть не больше 20 дБ.

Изоляция электрических цепей по отношению к любым металлическим частям системы должна выдерживать в течение одной минуты без пробоя или поверхностного перекрытия 350 В для цепей питания с амплитудным значением рабочего напряжения частотой (502) Гц в нормальных климатических условиях.

3. Разработка архитектуры системы

3.1 Структурная схема системы

Рис. 3.1 Структурная электрическая схема проектируемой системы

На основании анализа существующих аналогов и технических требований, предъявленных к проектируемой системе разработана структурная электрическая схема, представленная на рис. 3.1.

Структурная схема состоит из следующих блоков.

АУ 1, АУ 2, АУ i, АУ 15 15 абонентских устройств, предназначенных для обмена речевыми сообщениями.

Блок питания преобразователь первичного напряжения сети 220 В в напряжение 12 В постоянного тока. Обеспечивает питание абонентских устройств по одному общему проводу.

Линия связи является трехпроводной. Один провод общий, по другому подается питание +12 В, третий провод сигнальный (моноканал).

3.2 Функциональная схема абонентского устройства

Рис 3.2 Функциональная схема абонентского устройства, подключенного к каналу связи

АРУ автоматическая регулировка усиления;

ШИМ широтно-импульсный модулятор.

На основании технических требований к системе и разработанной структурной электрической схемы составлена функциональная схема абонентского устройства, показанного на рис. 3.2.

В качестве моноканала используется обычный телефонный провод, который обладает невысокой ценой и идеально подходит для системы передачи речевых сообщений, обладающей невысокой скоростью передачи информации. Перейдем непосредственно к рассмотрению самого абонентского устройства.

Оно представляет собой устройство с клавиатурой, состоящей из 15 клавиш и индикаторов. Напротив каждой клавиши располагается светодиодный индикатор, сигнализирующий абоненту о текущем состоянии канала и информирующий его о том кто его вызывает. Рядом с клавиатурой располагается динамик который выполняет функцию микрофона и телефона. Каждое абонентское устройство состоит из аналоговой и цифровой части. Аналоговая часть выполняет функцию приема и передачи сообщения. Цифровая часть представляет собой устройство управления, организующая работу абонентского устройства.

Рассмотрим работу составных частей системы.

Каждое абонентское устройство может находится в трех состояниях;

состояние ожидания;

«передача»;

«прием»;

«воспроизведение».

Состояние ожидания основное состояние абонентского устройства. В этом режиме аналоговая часть абонентского устройства отключена от линии, индикаторы погашены, абонентское устройство находится в режиме пониженного энергопотребления.

При необходимости передачи речевого сообщения абонент нажимает клавишу, напротив которой расположена табличка с фамилией и инициалами вызываемого абонента. При этом загорается соответствующий индикатор, информирующий о нажатии клавиши. Если канал свободен то индикатор гаснет и тем самым информирует абонента об установлении связи и возможности передачи сообщения в канал связи. Этот режим работы называется «передача». Если канал занят то выход на передачу заблокирован до освобождения канала связи. При разговоре необходимо удерживать клавишу в нажатом состоянии. В противном случае произойдет обрыв связи между двумя абонентами и переход в режим ожидания.

В режиме «прием» на вызываемом абонентском устройстве загорается светодиодный индикатор напротив той таблички чье абонентское устройство пытается выйти на связь. Затем к линии связи подключается вызываемый аппарат идет прием речевых сообщений (режим «воспроизведение»). При появлении паузы в линии вызываемое абонентское устройство переходит в режим ожидания.

Для связи между абонентами используется моноканал. Преимущество этой топологии заключается в относительной дешевизне, простоте наращивания сети, для организации обмена речевыми сообщениями не требуется отдельного устройства, обеспечивающего работу сети связи. Каждое абонентское устройство в своем составе имеет устройство управления, предназначенное для организации работы сети связи.

Абонентские пульты питаются постоянным напряжением 12 В от общего блока питания, используя для этого отдельную линию, которая прокладывается рядом с сигнальной. Для передачи речевого сигнала используется широтно-импульсная модуляция. Выбранный вид модуляции позволяет упростить контроль моноканала, упростить схему приемной части (поскольку информация в ШИМ-сигнале заложена в постоянной составляющей и его можно подавать прямо на динамик).

Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению работы схемы абонентского устройства и начнем с аналоговой части.

В режиме «воспроизведение» сигнал с линии поступает на вход входного усилителя где он проходит предварительное усиление и далее поступает на вход импульсного усилителя, который состоит из преобразователя уровня и собственно самого импульсного усилителя. Здесь происходит усиление по току, после чего сигнал поступает на динамик. Эту часть схемы, включающей в себя входной и импульсный усилитель будем называть в дальнейшем приемной ветвью абонентского устройства. Управление приемной ветвью осуществляется путем влияния на преобразователь уровня. При отключении его блокируется прохождение сигнала по приемной ветви.

В режиме «передача» сигнал с динамика поступает на вход усилителя низкой частоты, где усиливается до уровня порядка 0,7 В. Этот каскад охвачен цепью АРУ которая стабилизирует уровень выходного сигнала, повышая тем самым качество речи (поскольку абонент может находится на различном расстоянии от переговорного устройства и сигнал с выхода динамика может изменяться от 3 мВ до 30 мВ). Далее усиленный сигнал поступает на вход ШИМ, где происходит модуляция меандра частоты 20 кГц. Эта величина является наиболее приемлемой поскольку при большем значении частоты несущей импульсные сигналы будут сильно искажены ввиду высокой величины паразитной емкости линии связи. При величине частоты несущей меньше 20 кГц в динамике на приемной стороне будет слышна несущая частота.

Далее промодулированный сигнал поступает на вход выходного усилителя, предназначенного для усиления по току и с выхода поступает в канал связи. Описанную часть схемы, состоящей из усилителя низкой частоты, ШИМ, выходного усилителя, будем называть передающей ветвью. В режиме «прием» эта часть схемы отключается путем отключения питания от усилителя низкой частоты.

Как уже было сказано при разработке структурной электрической схемы устройство может находится в четырех режимах, основным из них является режим ожидания с которого мы и начнем рассматривать работу нашей схемы.

Рассмотрим работу абонентского устройства во всех режимах его работы.

В режиме ожидания в абонентском устройстве работает только устройство управления и входной усилитель. Приемная и передающая ветви отключены от канала связи путем подачи управляющих сигналов с устройства управления на усилитель низкой частоты и импульсный усилитель. Производится сканирование клавиатуры. Индикаторы в этом режиме погашены.

При нажатии клавиши схема выходит из режима ожидания, производится подсветка светодиодного индикатора, соответствующего нажатой клавише. Затем устройство управления анализирует код нажатой клавиши и проверяет текущее состояние линии связи. При отсутствии сигналов в линии устройство управления выдает свой адрес в линию и включает передающую ветвь путем подачи питания на усилитель низкой частоты и меандра на вход ШИМ. Затем гасится светодиодный индикатор, сообщая тем самым абоненту о начале сеанса передачи и абонент начинает передачу сообщения ( режим «передача» включен).

Пока абонент говорит, устройство управления производит сканирование клавиатуры и проверяет отпущена ли клавиша. После окончания передачи абонент отпускает нажатую клавишу и устройство управления переводит абонентское устройство в режим ожидания.

Рассмотрим работу абонентского устройства при приеме речевых сообщений.

При поступлении сигнала из моноканала абонентское устройство выходит из режима ожидания. При этом производится прерывание процедуры сканирования клавиатуры и прием адресной части сообщения (режим «прием»). Устройство управления проверяет адрес места назначения и если сообщение адресовано не нам то микроконтроллер переводит абонентское устройство в режим ожидания.

Если сообщение адресовано нам то устройство управления производит подсветку индикатора, определяющего вызываемого абонента. Далее абонентское устройство переходит в режим «воспроизведения» (подключается приемная ветвь абонентского устройства). В процессе воспроизведения речевого сообщения устройство управления проверяет наличие паузы в моноканале. При ее появлении устройство управления производит гашение индикатора и отключение приемной ветви от канала связи (переход в режим ожидания).

Схема питается напряжением +5 В через стабилизатор напряжения за исключением импульсного усилителя, который запитан напряжением +12 В от линии через фильтр по питанию. Моноканал «подтянут» через резистор на линию питания +12 В и в режиме ожидания в линии сохраняется состояние логической единицы. Произведем расчет подтягивающего резистора и будем исходить из следующих соображений.

Как было сказано выше частота несущей ШИМ-сигнала составляет 20 кГц. Тогда период соответственно равен 50 мкс. Длительность одного полупериода составляет 25 мкс. Необходимо, чтобы затягивание фронтов было не более 10 - 15 % (обусловлено паразитной емкостью линии). Тогда время нарастания фронта импульса будет составлять 2,5 мкс. Исходя из этого определяем сопротивление подтягивающего резистора.

R_под=/С, (3.1)

Где С паразитная емкость линии, равна 25 нФ (погонная емкость линии равна 50 пФ/м, длина линии 500 м);

время нарастания фронта импульса;

R_под сопротивление подтягивающего резистора.

R_под=2,510^-6 с/2510^-9 Ф=1000 Ом

3.3 Разработка протокола обмена

На основании анализа форматов аналогичных систем предлагается следующая структура передаваемого сообщения (см. рис. 3.3 ).

Рис. 3.3 Формат передаваемого сообщения

Передаваемое сообщение состоит из 5-и полей:

старт-бит;

адрес получателя;

адрес отправителя;

речевое сообщение;

пауза.

Старт-бит переводит микроконтроллер в режим «прием». Адрес получателя несет в себе информацию о том кому адресовано сообщение. Адрес отправителя необходим для определения исходящего абонентского устройства, после приема и декодирования которого подсвечивается соответствующий индикатор и вызываемому абоненту становится известно о том кто его беспокоит. Далее следует само речевое сообщение. Пауза это состояние моноканала при котором в нем поддерживается состояние логической единицы в течение 2 3 периодов ШИМ сигнала. При приеме речевого сигнала микроконтроллер постоянно следит за состоянием моноканала и при обнаружении паузы переводит абонентское устройство в режим ожидания.

Рассмотрим временную диаграмму, поясняющую алгоритм формирования адресной части передаваемого сообщения (см. рис. 3.4).

Старт-бит

t t1

Рис. 3.4 Диаграмма, поясняющая алгоритм формирования адресной части речевого сообщения

Рассмотрим временную диаграмму, поясняющую алгоритм формирования адресной части передаваемого сообщения.

Стартовый импульс имеет длительность t. Она выбирается исходя из того, чтобы затягивание фронтов составляло не более 5 10 % от длительности импульса. Так при затягивании, равном 2,5 мкс длительность импульса должна составлять не менее 25 мкс.

Временной интервал t1 должен должен иметь величину, которой бы хватило для подготовки микроконтроллера к приему адресной части и эта величина должна быть не менее 2,5 мкс.

В предложенном формате сообщения адрес отправителя и получателя кодируется по 4-е бита каждый, причем первым передается адрес отправителя. Высокий уровень линии определяется как логическая единица, низкий логический ноль.

При приеме адресной части сообщения в определенные моменты производится «склевывание» информации с линии (на временной диаграмме моменты «склевывания» показаны штрихами, проведенными поперек временной оси).

Временной интервал между моментами считывания состояния линии должен быть равен величине 25 мкс.

Длительность паузы должна быть не менее 10 периодов ШИМ-сигнала для повышения помехоустойчивости.

4. Разработка и расчет электрической принципиальной схемы абонентского устройства

4.1 Выбор микроконтроллера

Для повышения технико-экономических показателей (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) при разработке используются микроконтроллеры в качестве устройства управления.

В настоящее время существует множество фирм, выпускающих широкий ассортимент микроконтроллеров, такие как Motorola, Microchip, SGS-Thompson, National, ALCATEC. Они различаются электрическими характеристиками и насыщенностью периферийными устройствами. Хорошо зарекомендовала себя в плане быстродействия, экономичности, простоты схемы разрабатываемого устройства продукция фирмы Microchip.

В таблице 4.1 приведены параметры PIC-контроллеров фирмы Microchip. В управляющем микроконтроллере должны присутствовать как минимум один внешний вход прерываний (для моноканала), две линии для управления режимами работы абонентского устройства, одна линия подачи несущей на соответствующий вход ШИМ, шесть линий для обслуживания клавиатуры и индикаторов. Особые требования предъявляются к потребляемой мощности и стабильности работы. Данными свойствами обладает PIC- контроллер PIC16F84.

Этот микроконтроллер построен по RISC архитектуре. Набор его команд содержит всего 35 простых команд, которые выполняются за один машинный цикл, кроме команд пересылки. Он выгодно отличается низкой ценой и высокой производительностью. Важным достоинством является малое энергопотребление (2 мА на частоте 4 МГц и 5 В питании и менее 1 мкА в режиме SLEEP) и широкие диапазоны напряжения питания (2,5-6В) и тактовой частоты (до 20 МГц).

4.2 Принципиальная электрическая схема

Рассмотрим детально работу абонентского устройства (см. чертеж «электрическая принципиальная схема абонентского устройства»).

В режиме «передача» сигнал с динамика поступает на вход предварительного усилителя, собранного на транзисторе VT1, через разделительный конденсатор C2. Этот каскад построен на транзисторе типа n-p-n, охваченный параллельной обратной связью по входу и по выходу (резистор R1), которая предназначена для температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Для защиты транзистора VT1 от большого сигнала при работе приемной ветви в цепь базы включается диод VD3. Далее сигнал поступает на следующий усилительный каскад через разделительную емкость C4 и на вход цепи АРУ звука, состоящей из пикового детектора на диоде VD5, транзисторе VT4 и нелинейного сопротивления на транзисторе VT1. Величина этого сопротивления зависит от напряжения, снимаемого с пикового детектора и влияет на коэффициент усиления каскада на транзисторе VT3. Диод VD6 нужен для быстрого перезаряда емкости C7.

Следующий усилительный каскад представляет собой инвертор (DD3.1), охваченный отрицательной обратной связью R7, C6. Сопротивление R7 выводит рабочую точку инвертора на середину проходной характеристики элемента. Конденсатор C6 предназначен для ограничения полосы звукового сигнала на частоте 3400Гц. Диод VD4 предназначен для уменьшения потребления тока при работе абонентского устройства в режиме «воспроизведение». Затем сигнал через резистор R10 поступает на вход компаратора напряжения, который построен на трех инверторах DD3.3 DD3.5, порог срабатывания которого равен 0,5 напряжения питания. К сигналу звука подмешиваются импульсы треугольной формы, полученные из прямоугольных, путем пропускания их через цепочку C11, R11, C12, которая является фильтром низких частот. Сигнал звука меняет положение постоянной составляющей последовательности треугольных импульсов и на выходе образуется ШИМ-сигнал, длительность импульсов которого зависит от уровня сигнала звука на входе компаратора. Далее сигнал через транзисторный ключ (выполняет функцию выходного усилителя) построенный на транзисторе VT6 поступает в канал связи. Передающая ветвь может быть отключена подачей уровня логического нуля с линии микроконтроллера RB1 на резистор R3 (см. чертеж «электрическая принципиальная схема абонентского устройства»).

Рассмотрим теперь работу приемной ветви.

В режиме «воспроизведение», как было сказано выше, передающая ветвь отключается подачей сигнала низкого уровня на резистор R3.

Сигнал из канала через цепь R12, C8 поступает на вход инвертора, который выполняет функцию усилителя-ограничителя (резистор R8 выводит рабочую точку на середину проходной характеристики, R12 является токоограничивающим). Затем уже усиленный сигнал поступает на преобразователь уровня, построенный на транзисторе VT3. Это необходимо для нормальной работы следующего каскада поскольку он запитывается напряжением +12 В. Далее сигнал усиливается в импульсном усилителе, представляющим собой цепочку параллельно включенных инверторов DD1.1 DD1.6 и поступает на динамик через цепочку параллельно включенных диодов (в режиме «передача» эта цепочка предотвращает шунтирование входного сопротивления усилительного каскада, построенного на транзисторе VT3).

В режиме «передача» приемная ветвь отключается подачей уровня +5В на эмиттер транзистора VT2 с линии микроконтроллера RB1.

Цифровая часть схемы включает в себя микроконтроллер DD2, дешифратор DD4, клавиатуру S1 S15, блок индикаторов HL1 HL15.

Схема питается напряжением +12 В (импульсный усилитель) и +5 В.

Каскад, построенный на транзисторе VT5, выполняет функцию стабилизатора напряжения. Резистор R13 задает ток, протекающий через стабилитрон VD7.

4.3 Расчет усилителя низкой частоты

Выбираем транзистор КТ3102В так как он имеет высокий коэффициент передачи по току.

==160, (4.1)

где h_21min , h_21max параметры транзистора (выбираются из справочника).

Задаемся током коллектора I_0k, равным 1 мА. Определяем ток базы транзистора.

I_0б=I_0k/ h₂₁=1 мА/160= 6 мкА (4.2)

Задаемся напряжением U_k VT1 равным 0,5 E_п.

U_k=0,5E_п=0,55 В=2,5 В, (4.3)

Где E_п напряжение питания транзистора VT1.

Определяем сопротивление R3.

R3=( E_п 0,5E_п)/ I_0k=2,5 В/0,001 А=2,5 кОм

(принимаем равным 2,4 к) (4.4)

Задаемся сопротивлением R2 (оно влияет на глубину регулировки АРУ звука) величиной порядка 10 кОм. Тогда сопротивление R1 можно определить следующим образом.

R1=( U_k U_бэ I_0бR2)/I_0б=(2,5 В 0,7 В 610^-610000)/ 310^-6=

=300 кОм (4.5)

Определяем входное сопротивление каскада.

R_вх=(R_вх.т+R2)R1/( R_вх.т+R2+R1), (4.6)

Где R_вх.т входное сопротивление транзистора (h_11э) и определяется по данным справочника (R_вх.т=200 Ом)[ ].

R_вх=(200 Ом+10000 Ом)300000 Ом/( 200 Ом+10000 Ом+300000 Ом)=10 к

Теперь, зная входное сопротивление каскада, можно определить величину разделительной емкости C2.

C2=1/(2f_н0,5(R_дин+R_вх)), (4.7)

Где f_н нижняя частота спектра передаваемого сигнала (f_н=300 Гц),

R_дин сопротивление динамика (R_дин=50 Ом)

C2=1/(23,14300 Гц0,5(50 Ом+10000 Ом))=0,1 мкФ

Определяем выходное сопротивление каскада на транзисторе VT2.

R_вых=(R1R_i)/(R1+R_i), (4.8)

где R_i выходное сопротивление транзистора VT2 (R_i=1/h_22э=800 Ом).

h_22э справочная величина (h_22э=1,25 мСм) [ ].

R_вых=(300000 Ом800 Ом)/(300000 Ом+800 Ом)=800 Ом,

Определяем коэффициент передачи каскада K [ ].

K=R3I_ок/_t, (4.9)

K=2500 Ом0,001 мА/26 мВ=30

Определим разделительную емкость С4.

C4=1/(2f_н0,5R_вых)= 1/(23,14300 Гц0,5800 Ом)=1,310^-6 Ф

(4.10)

Теперь необходимо определить величину коэффициента усиления следущего каскада, который должен усилить сигнал до уровня 1,5 В (порог срабатывания компаратора).

K1=U_комп/(U_вхvt3K), (4.11)

Где U_комп напряжение на входе компаратора;

U_вхvt3 напряжение на входе каскада, построенного на транзисторе VT2.

K1=1,5 В/(0,003 В30)=10

Исходя из этого определяем величину сопротивления R7.

R7=K1R3=102500 Ом=25000 Ом (принимаем 24 кОм) (4.12)

Определяем емкость С6 (ограничивает полосу пропускания до уровня 3400 Гц)

С6=1/(2f_вR7)=1/(6,283400 Гц24000 Ом)=1,9 нФ (4.13)

(принимаем 2нФ)

4.2 Расчет ШИМ и цепи АРУ

Определяем величину конденсатора С12 исходя из условия =R11C12=1/f_пн. Где

f_пн частота следования прямоугольных импульсов, поступающих с вывода микроконтроллера на вход компаратора через цепь C11, R11 (выбирается равной 20 кГц, величиной сопротивления R11задаемся равной 20 кОм ).

С12=1/(2f_пнR11)=1/(6,2820000 Гц20000 Ом)=0,39 мкФ (4.14)

Емкость С11 определяется как разделительная по следующей формуле.

С11=10/(2f_пнR11)=10/(6,2820000 Гц20000 Ом)=3,9 мкФ (4.15)

Теперь можно перейти к расчету схемы АРУ звука. Поскольку в этой цепи используется нестандартный режим работы транзистора VT3, который используется как нелинейное сопротивление и расчет его затруднен, то определение параметров цепи АРУ проводится путем моделирования в среде Electronics Worcbench 5.0. Необходимо обеспечить минимально возможную постоянную времени цепи АРУ при ее моделировании.

4.3 Расчет импульсного усилителя, входного усилителя, стабилизатора напряжения

Определяем ток в нагрузке, неоходимый для раскачивания мощности 0,5 Вт в нагрузке при напряжении на нагрузке 11 В (полагаем потери порядка 1 В).

I_н=P_н/U_н=0,5 Вт/11 В=45 мА (4.16)

В качестве выходного импульсного усилителя будем использовать цепочку параллельно соединенных инверторов микросхемы КР564ЛН1.

Определяем разделительную емкость С1. При ее расчете не учитывается выходное сопротивление импульсного усилителя, выполненного на микросхеме КР564ЛН1.

С1=1/(2f_нR_дин)=1/(6,28300 Гц50 Ом)=10 мкФ (4.17)

Рассчитываем сопротивление R4. Для открытого транзистора справедлива следующая формула (I_к=1 мА этой величиной задаемся).

R6=U_п/I_к=11 В/1 мА=11 кОм (4.18)

Определяем сопротивление R 8. Его величина влияет на коэффициент усиления DD2.5 (коэффициент усиления такой схемы не может быть больше 10 и при расчете мы будем полагать его равным 10). Сопротивление R12 нужно выбирать в 5 10 раз больше, чем выходное сопротивление транзисторного ключа на транзисторе VT6. Его можно принять равным 10 кОм.

R12=K_dd2.5R14=1010 кОм=100 кОм (4.19)

Теперь перейдем к расчету стабилизатора напряжения.

Сопротивление R13 задает величину тока, протекающего через стабилитрон (будем использовать КС156Г). Для стабилизации напряжения необходимо протекание тока порядка 1 мА.

R_ст=(U_п U_ст)/I_ст=(11 В 5,6 В)/1 мА=6,4 кОм (принимаем 6,2 кОм),

(4.20)

где U_ст напряжение стабилизации.(справочная величина)[ ],

I_ст ток стабилизации. (справочная величина) [ ].

Емкость С13 предназначена для фильтрации высокочастотных составляющих. Ее можно выбрать равной 1 мкФ.

5. Разработка управляющей программы

5.1 Алгоритм управляющей программы

Схема алгоритма показана на рис. 5.1.

Абонентское устройство может находится в одном из четырех состояний:

«ожидание»;

«передача»;

«прием»;

«воспроизведение».

Режим «ожидание» является основным. В этом режиме на вход управления приемной и передающей ветвей подаются запрещающие сигналы. Индикаторы погашены.

В режиме «передача» разрешается работа передающей ветви подачей управляющего сигнала на соответствующий вход управления передающей ветвью. На вход подачи несущей ШИМ подается меандр частотой 20 кГц.

В режиме «прием» происходит прием адресной части сообщения при этом состояния управляющих выходов микроконтроллера не изменяются.

В режиме «воспроизведение» разрешается работа приемной ветви и подсвечивается соответствующий индикатор.



Рис. 5.1 Схема алгоритма основной программы

Рассмотрим работу вышеприведенного алгоритма.

На начальном этапе работы производится настройка соответствующих портов микроконтроллера и разрешается прерывание от линии. Далее осуществляется переход на процедуру сканирования нажатой клавиши. Выход из этой процедуры возможен только по нажатию клавиши или по прерыванию от линии. Процедуру обработки прерывания от линии мы рассмотрим несколько позже а сейчас остановимся на пояснении работы алгоритма, реализующего режим «передача».