Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Цель проекта - создание модели приёмопередатчика способного повысить скорость передачи данных в проводных сетях.

На основании выполненного обзора литературы, рассмотрения и анализа существующих технологий достижения поставленной цели разработан протокол передачи информации, использующий многоуровневый аналоговый сигнал, и предложен проект приложения, осуществляющий моделирование коммуникационной сети на основании разработанного протокола. Смоделирована передача данных при различной плотности сигнала и вычислены параметры приёмопередатчика.

В качестве микросхем для реализации приёмопередатчика выбраны микросхемы типа ПЛИС. Модель разработана с использованием среды разработки NI LabVIEW.

Определения, обозначения и сокращения

CSMA/CD - carrier sense multiple access with collision detection, метод прослушивания несущей частоты с множественным доступом и распознаванием коллизий.

OSI - open system interconnection basic reference model, базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем.

UART - universal asynchronous receiver-transmitter, универсальный асинхронный приемопередатчик, преобразует заданный набор данных в последовательный вид.

UTP - unshielded twisted pair, неэкранированная витая пара, вид кабеля для построения линий связи.

АСПС - адресная система пожарной сигнализации.

Волновое сопротивление - комплексное сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определённой частоты при распространении вдоль однородной линии.

Затухание - коэффициент, показывающий насколько уменьшится мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе из линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии.

Коммуникационная сеть - система физических каналов связи и оборудования используемая для передачи цифровых данных.

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема.

Полоса пропускания - непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает заранее заданный предел.

Пропускная способность - характеристика линии связи, описывающая максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии.

ПУ - пульт управления.

Ширина спектра сигнала - разность между максимальной и минимальной частотами набора синусоид, дающими в сумме исходный сигнал.

Введение

Коммуникационные сети (сети связи) давно уже плотно вошли в нашу жизнь. Практически любой процесс передачи данных осуществляется посредством той или иной сети связи. Проверяя электронную почту, совершая звонок, или, просто слушая радио, мы зачастую даже не подозреваем, что используем сеть, а чаще всего несколько различных видов сетей связи. Их столь широкое разнообразие обусловлено многими факторами и самым главным из них является несоизмеримо большая скорость передачи по сравнению с другими способами передачи информации, например почтовым сообщением.

От скорости передачи в коммуникационной сети напрямую зависит время ожидания получения необходимой информации. Допустимое время ожидания может быть различным: от долей секунды в системах экстренного реагирования, до нескольких минут в корпоративных информационных системах предприятий. Именно в системах экстренного реагирования, таких как система пожарной сигнализации, особо важно получить необходимую исчерпывающую информацию об аварии в сжатые сроки, поскольку это является решающим аспектом успеха её устранения.

Не менее важным в системах пожарной сигнализации является стоимость развёртывания сети датчиков. Так как сеть датчиков может покрывать значительные пространства, на общую стоимость развёртывания так же влияет и стоимость используемой сети связи.

Основными характеристиками сети связи датчиков пожарной сигнализации являются скорость передачи данных и стоимость развёртывания. Поскольку от этих двух параметров напрямую зависит качество работы всей системы противопожарной сигнализации, очень важным для них является использование дешёвых, высокоскоростных сетей.

1. Постановка задачи

1.1 Характеристика предприятия

Компания «ПОЛАРМАР» была создана в 1996 году в Рыбинске с последующим открытием филиалов в Мурманске и Архангельске.

Основным направление работы компании является переоборудование систем управления судов морского и речного флота. С 2005 года «ПОЛАРМАР» выполняет заказы по переоборудованию судов военно-морского флота. В 2006 году компанией был выпущен программно-аппаратный комплекс «Следопыт» для отслеживания двигающихся водных объектов. В 2007 году компанией была разработана аналоговая система пожарной сигнализации «Рында» ориентированная главным образом для использования на судах.

В данный момент основными видами деятельности компании являются:

- разработка адресной системы пожарной сигнализации «Рында»;

- разработка системы управления «Орион 12150М» (катера «Мангуст»);

- разработка систем управления транспортным средством для морских и речных судов;

- доработка морских кондиционеров «Daikin» для ВМФ;

- разработка оборудования контроля расхода топлива, состояния и передвижения судов;

- компьютерная модернизация радиолокационных станций;

- разработка систем энергоснабжения и энергосбережения.

1.2 ИТ - инфраструктура предприятия

С повышением роли информационных систем в обеспечении бизнес-процессов возрастает необходимость развития и обеспечения оптимального функционирования ИТ - инфраструктуры компании «ПОЛАРМАР».

ИТ-инфраструктура предприятия - это совокупность оборудования, технологий, приложений, систем коммуникаций, служащих для технического обеспечения функционирования бизнес-приложений.

Компьютеры на предприятии объединены в локальную сеть с выделенным сервером. В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями. Общая схема ИТ-инфраструктуры компании «ПОЛАРМАР» представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая схема ИТ - инфраструктуры компании

Для работы на предприятии в основном используются компьютеры на базе процессоров Intel Celeron, оперативной памятью 512 Mb и операционной системой Windows 7 Professional.

Функции администратора сети возложены на подразделение, в задачи которого входит:

- назначение прав доступа к ресурсам и распределение этих ресурсов;

- обслуживание аппаратных и программных средств;

- проведение резервного копирования;

- поддержка пользователей.

Надежная ИТ - инфраструктура - залог эффектного функционирования предприятия. Будучи правильно спроектированной, грамотно развёрнутой и получая квалифицированную техническую поддержку, она обеспечивает стабильную работу предприятия и удобные условия работы для сотрудников.

1.3 Характеристика проблемы

Одним из основных видов деятельности компании «ПОЛАРМАР» является разработка АСПС «Рында» (рисунок 2).

Рисунок 2 - Демонстрация работы АСПС Рында

Данная система позиционируется компанией главным образом, как судовая система пожарной сигнализации. АСПС Рында имеет четыре уровня сигнализации: исчезновения питания, местный динамик ПУ, местный звонок сигнализации, включение аварийной сигнализации. ПУ системы способен отображать состояние и управлять в автоматическом и ручном режиме противопожарными отсеками (закрытие противопожарных дверей, отключение вентиляции, включение оборудования пожаротушения и дымоудаления).

Для судов речного и морского флота система пожарной сигнализации является одной из важнейших систем безопасности судна. Поскольку возникновение пожара в ограниченном пространстве особо опасно, является важной возможность в короткие сроки установить и устранить очаг возгорания. Поэтому для судовой системы пожарной сигнализации основным фактором определяющим эффективность работы системы является время задержки, которое требуется системе для выдачи сигнала тревоги и всей необходимой информации о очаге возгорания (местоположение, тип пламени, температура). Время задержки прохождения сигнала тревоги в АСПС Рында составляет 5-12 секунд. Чтобы повысить эффективность работы системы необходимо снизить время задержки прохождения сигнала тревоги.

В современных АСПС для оценки пожара и выдачи сигнала тревоги используется множество различных параметров, соответственно основное время задержки выдачи сигнала тревоги приходится на коммуникационную сеть датчиков. АСПС Рында для передачи данных использует существующие на судах двух и трехпроводных линий связи. Передача информации осуществляется по протоколу Modbus RTU RS-485 обеспечивающего скорость передачи 100 Кбит/c на расстояние до 1200 м. Для уменьшения общего времени задержки сигнала тревоги необходимо разработать протокол передачи, который позволит передавать данные с более высокой скоростью по существующим линиям связи.

1.4 Анализ существующих решений

1.4.1 Стандарт RS-485

Стандарт RS-485 (Recommended Standard 485 или EIA/TIA-485-A) является рекомендованным стандартом передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи. Разработан совместно ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA - Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA - Telecommunications Industry Association) в 1983 году, последний выпуск стандарта был сделан в 2003 году.

Сеть связи, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи экранированной витой пары (рисунок 3).

Рисунок 3 - Линия связи стандарта RS-485

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам (рисунок 4). Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» - отрицательна.



Рисунок 4 - Передача сигналов в стандарте RS-485

Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приёмопередатчиков с дифференциальными входами / выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера) - рисунок 5. На рисунке представлены: D (driver) - передатчик, R (receiver) - приемник, DI (driver input) - цифровой вход передатчика, RO (receiver output) - цифровой выход приемника, DE (driver enable) - разрешение работы передатчика, RE (receiver enable) - разрешение работы приемника, A - прямой дифференциальный вход / выход, B - инверсный дифференциальный вход / выход.

Рисунок 5 - Схема приёмопередатчика стандарта RS-485

Схема подключения приёмопередатчика RS-485 к UART представлена на рисунке 6. На рисунке обозначены: микроконтроллер - UART, п/п RS-485 - приёмопередатчик RS-485, RX - порт приёмника UART, TX - порт передатчика UART. Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (U_AB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Стандартными порогами чувствительности приёмника являются ± 200 мВ. То есть, когда U_AB > +200 мВ - приемник определяет «1», когда U_AB < -200 мВ - приемник определяет «0». Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется.

Рисунок 6 - Схема подключения приёмопередатчика RS-485

Стандартные параметры интерфейса представлены в таблице 1. RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальное расстояние передачи зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии - 120 м, при скорости 100 кбит/с - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяются специальные повторители (репитеры).

Таблица 1 - Стандартные параметры интерфейса RS-485

Допустимое число передатчиков / приемников	32 / 32
Максимальная длина кабеля	1200 м
Максимальная скорость связи	10 Мбит/с
Диапазон напряжений «1» передатчика	+1.5…+6 В
Диапазон напряжений «0» передатчика	-1.5… - 6 В
Диапазон синфазного напряжения передатчика	-1…+3 В
Допустимый диапазон напряжений приемника	-7…+12 В
Пороговый диапазон чувствительности приемника	±200 мВ
Максимальный ток короткого замыкания передатчика	250 мА
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика	54 Ом
Входное сопротивление приемника	12 кОм
Максимальное время нарастания сигнала передатчика	30% бита

Среди достоинств стандарта RS-485 можно отметить следующие:

- хорошая помехоустойчивость;

- большая дальность связи;

- однополярное питание +5 В;

- простая реализация приёмопередатчиков;

- возможность широковещательной передачи;

- многоточечность соединения;

- не высокая стоимость используемого кабеля.

Недостатками стандарта являются:

- низкая скорость передачи на дальнее расстояние (не более 100 кбит/с для расстояния 1200 м);

- необходимость подведения питания ко всем связанным сетью приёмопередатчикам.

1.4.2 Стандарт Ethernet 10BASE-T (IEEE 802.3L)

Технология Ethernet была разработана корпорацией Xerox PARC в 1973 году и описывается стандартами IEEE группы 802.3. Стандарт IEEE 802.3L описывает физический интерфейс Ethernet, позволяющий передавать данный со скоростью 10 Мбит/c по разделяемому неэкранированному кабелю UTP (рисунок 7).



Рисунок 7 - Кабель UTP

В качестве сетевой топологии в стандарте Ethernet 10BASE-T используется звёздообразная топология на основе концентратора (многопортового повторителя). Наличие концентратора в многоточечных сетях является обязательным. Конечные узлы соединяются с концетратором по топологии «точка-точка» с помощью двух витых пар. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя к станции (вход Rх сетевого адаптера) - рисунок 8. Расстояние между концентратором и конечным узлом не должно превышать 100 м. Максимально возможное количество узлов ограничивается величиной 1024.

При создании сети Ethernet на витой паре с большим числом конечных узлов концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру. Независимо от числа концентраторов в сети сохраняется одна общая для всех интерфейсов разделяемая среда.



Рисунок 8 - Сеть стандарта 10Bаse-T

Физическая структуризация сетей, построенных на основе витой пары, повышает надёжность и упрощает обслуживание сети, поскольку в этом случае появляется возможность контролировать состояние и локализовывать отказы отдельных кабельных отрезков, подключающих конечные узлы к концентраторам. В случаях обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера работа сети может быть быстро восстановлена путём отключения соответствующего сегмента кабеля.

Для контроля целостности физического соединения между двумя непосредственно соединёнными портами в стандарте 10Bаse-T введён тест LIT. Эта процедура заключается в том, что в те периоды, когда порт не посылает или получает данных, он посылает своему соседу импульсы длительностью 100 нс через каждые 16 мс. Если порт принимает такие импульсы от своего соседа, то он считает соединение работоспособным.

В стандарте 10Bаse-T для получения доступа к сети используется метод CSMA/CD. С помощью данного метода все узлы сети на разделяемой среде имеют возможность немедленно (с учётом задержки распространения сигнала в физической среде) получить данные, которые любой из узлов начал передавать в общую среду, иначе говоря среда к которой подключены все узлы работает в режиме коллективного доступа (Мultiply Access, MA). Чтобы получить возможность передавать информацию, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая ещё называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).

Среди достоинств стандарта Ethernet 10BASE-T можно отметить следующие:

- широкая распространённость, наличие стандартизированных протоколов передачи данных;

- хорошая помехоустойчивость;

- возможность широковещательной передачи;

- высокая скорость передачи данных.

Недостатками стандарта являются:

- низкая дальность передачи (до 100 м);

- наличие ограничений на количество узлов (до 1024);

- высокая стоимость используемого коммуникационного оборудования;

- большие габариты используемых сетевых плат;

- необходимость подведения питания ко всем связанным сетью приёмопередатчикам.

1.4.3 Стандарт IEEE 802.11b (Wi-Fi)

Стандарт IEEE 802.11b принят институтом IEEE в 1999 году и описывает сети для передачи данных по беспроводному (радио) каналу на скорости 11 Mбит/с. Данный стандарт для передачи данных использует диапазон радиочастот 2,4 ГГц.

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с. Один из первых высокоскоростных стандартов беспроводных сетей - IEEE 802.11a - определяет скорость передачи уже до 54 Мбит/с. Рабочий диапазон стандарта 5 ГГц.

Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi», могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

Для уширения спектра передачи сигнала в стандарте IEEE 802.11b используются комплементарные коды. Комплементарные коды, или CCK-последовательности, обладают тем свойством, что сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю, поэтому они, как и коды Баркера, могут использоваться для распознавания сигнала на фоне шума.

В стандарте IEEE 802.11b речь идет о комплексных комплементарных 8-чиповых последовательностях, определенных на множестве комплексных элементов, принимающих значения {1, -1, +j, - j}.

Комплексное представление сигнала - это удобный математический аппарат для представления модулированного по фазе сигнала. Так, значение последовательности равное 1 соответствует сигналу, синфазному к сигналу генератора, а значение последовательности равное -1 - противофазному сигналу; значение последовательности равное j - сигналу, сдвинутому по фазе на p/2, а значение равное - j, - сигналу, сдвинутому по фазе на - p/2.

Одной из ключевых особенностей стандарта IEEE 802.11b как уже было сказано выше является использования беспроводной линии для передачи данных, что в конечном итоге даёт возможность отказаться от применения дорогостоящего кабеля для развёртывания коммуникационной сети. Однако данная особенность стандарта также является причиной основных его недостатков: низкая помехоустойчивость, высокое энергопотребление приёмопередатчиков, потребность в наличии автономного источника питания для каждого приёмопередатчика.

Среди достоинств стандарта IEEE 802.11b можно отметить следующие:

- использование беспроводного канала передачи данных;

- широкая распространённость, наличие стандартизированных протоколов передачи данных;

- возможность широковещательной передачи;

- высокая скорость передачи данных.

Недостатками стандарта являются:

- низкая дальность передачи (до 200 м);

- низкая помехоустойчивость;

- высокая стоимость используемого коммуникационного оборудования;

- необходимость подведения питания ко всем связанным сетью приёмопередатчикам.

1.5 Постановка задачи

В результате анализа сложившейся ситуации по АСПС Рында компании «ПОЛАРМАР» было принято решение, что целью дипломного проектирования будет являться повышение эффективности работы адресной системы пожарной сигнализации за счёт увеличения скорости передачи данных в коммуникационной сети датчиков системы посредством усовершенствования протокола передачи.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- проанализировать предметную область;

- разработать протокол передачи;

- спроектировать приёмопередатчики данных;

- выбрать средства для реализации модели коммуникационной сети;

- спроектировать архитектуру модели;

- спроектировать пользовательский интерфейс;

- разработать программное средство демонстрирующее работу протокола передачи;

- вывести экономическое обоснование проекта.

Разработанный протокол передачи должен соответствовать следующим техническим характеристикам:

- помехоустойчивость;

- синхронизация датчиков с ПУ;

- требования к физическому уровню OSI;

- возможности масштабирования.

Данная разработка должна решать следующий перечень задач, который необходим для полнофункциональной работоспособности системы:

- демонстрация работы протокола передачи;

- вывод схем используемых протоколом приёмопередатчиков;

- построение графиков работы используемых в приёмопередатчиках модулей;

- возможность настройки различных режимов протокола и параметров приёмопередатчиков;

- вычисление параметров ограничиваемых особенностями физической среды передачи;

- выполнение в режиме модельного времени с возможность изменения коэффициента замедления его по отношению к реальному времени.

2. Проектирование системы

Основным компонентом данной проектируемой системы являются протокол передачи данных, используемый приёмопередатчиком для непосредственной передачи данных по сети. Исходя из этого, первым этапом проектирования системы будет разработка протокола передачи.

Практически все современные протоколы передачи данных базируются на модели OSI. Данная модель является общепризнанной абстрактной сетевой моделью и предназначена для разработки сетевых протоколов.

OSI описывает любую коммуникационную сеть как взаимодействие семи взаимосвязанных уровней, обслуживающих каждый свою часть сетевого взаимодействия. Для описания сетей связи используются следующие уровни:

- прикладной уровень;

- представительский уровень;

- сеансовый уровень;

- транспортный уровень;

- сетевой уровень;

- канальный уровень;

- физический уровень.

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и / или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня.

Физический уровень модель OSI предназначается непосредственно для передачи потока данных. Этот уровень осуществляет передачу электрических сигналов и их преобразование в биты данных.

2.1 Анализ предметной области

Одна из важнейших ролей при определении параметров линии связи отводится спектральному разложению передаваемого по этой линии сигнала. Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рисунок 9).

Рисунок 9 - Представление периодического сигнала суммой синусоид

Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. В частности, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра частот, от -? до +? (рисунок 10).

Рисунок 10 - Спектральное разложение идеального импульса

Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счёте, к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала любого вида. Искажения формы проявляются в том случае, когда синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счёт искажения обертонов - боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рисунок 11), и сигналы могут плохо распознаваться на приёмном конце линии.

Рисунок 11 - Искажение импульсов в линии связи

Передаваемые сигналы искажаются из-за несовершенства линии связи. Идеальная передающая среда, не вносящая никаких помех в передаваемый сигнал, должна, по меньшей мере, иметь нулевые значения сопротивления, ёмкости и индуктивности. Однако на практике медные провода, например, всегда представляют собой некоторую распределённую по длине комбинацию активного сопротивления, ёмкостной и индуктивной нагрузок (рисунок 12). В результате синусоиды различных частот передаются этими линиями по-разному.



Рисунок 12 - Представление линии как распределённой индуктивно-ёмкостной нагрузки

Помимо искажений сигналов, возникающих из-за не идеальных физических параметров линий связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т.д. Кроме внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи - так называемые наводки одной пары проводников на другую.

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается такими характеристиками, как затухание и полоса пропускания. Затухание показывает, насколько уменьшится мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусоиды, и эта зависимость также характеризует линию связи (рисунок 13).

Рисунок 13 - Зависимость затухания от частоты

Важным параметром медной линии связи является её волновое сопротивление, представляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определённой частоты при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в омах и зависит от таких параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная ёмкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласованно с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.

Затухание различных частот в линии связи определяет полосу пропускания (рисунок 13). Полоса пропускания является главной характеристикой любой линии связи поскольку именно она ограничивает максимально возможную скорость передачи сигналов по среде передачи. Кроме полосы пропускания важной характеристикой линии связи также является пропускная способность. Однако данная характеристика зависит не только от параметров физической среды передачи данных, но ещё и от способа передачи данных. Поэтому, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, пока для неё не определён протокол физического уровня модели OSI.

Связь между полосой пропускания линии и её пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:

В данной формуле C - пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, P_c - мощность сигнала, Р_ш - мощность шума. Из этого соотношения следует, что теоритического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счёт увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) в линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведёт к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применение специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растёт не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15% увеличения пропускной способности линии.

Основным типом кабеля используемого в системах пожарной сигнализации является неэкранированная витая пара (UTP). Данный кабель используется главным образом для проводки внутри помещений и разделяется в международных стандартах на 7 категорий:

- Категория 1 (полоса частот 0,1 МГц) - телефонный кабель, всего одна пара;

- Категория 2 (полоса частот 1 МГц) - 2 пары проводников;

- Категория 3 (полоса частот 16 МГц) - 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров;

- Категория 4 (полоса частот 20 МГц) - кабель состоит из 4 скрученных пар, использовался в сетях token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре, в настоящее время не используется;

- Категория 5 (полоса частот 100 МГц) - 4-парный кабель, используется при построении локальных сетей 100BASE-TX и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар;

- Категория 6 (полоса частот 250 МГц) - применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с и до 10 гигабит на расстояние до 50 м;

- Категория 7 (полоса частот 600-700 МГц) - спецификация на данный тип кабеля утверждена только международным стандартом ISO 11801, скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары.

Наиболее распространёнными категориями кабеля используемого для сети датчиков пожарной сигнализации на судах речного и морского флота являются категории 1 и 2.

Кабель UTP категории 2 состоит из 2 пар скрученных проводов, экранированных проводящей, заземляемой оплёткой. Полоса частот данного кабеля 1 МГц, что вполне приемлемо, однако данный кабель имеет высокое волновое сопротивление - 150 Ом, что следует учитывать для настройки передатчиков.

2.2 Проектирование протокола передачи

В качестве используемого за основу лини связи кабеля передачи было решено использовать кабель UTP категории 2 в связи с его широкой распространённостью. Наиболее подходящим для решения задач передачи данных по данному типу кабеля является протокол физического уровня RS-485. Однако данный протокол обеспечивает пропускную способность линии до 100 Кбит/с на расстоянии 1200 м, что является недостаточным для работы АСПС Рында.

Для стабильного распознавания приёмником переданного передатчиком сигнала необходимо чтобы спектр сигнала полностью или же значительной частью попадал в полосу пропускания линии связи. Если же значимые гармоники спектра будут выходить за границы полосы пропускания результирующий сигнал будет сильно искажаться и приёмник будет ошибаться при его распознавании (рисунок 14).

Рисунок 14 - Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Ширина полосы пропускания кабеля UTP категории 2 составляет 1 МГц. Соответственно с учётом типичного отношения мощности передатчика к мощности шума в 100 раз, согласно с формулой Шеннона данный кабель имеет пропускную способность:

Для увеличения пропускной способности канала передачи при невысоком уровне шума можно использовать уплотнение сигнала (введение дополнительных уровней сигнала кроме 0 и 1) (рисунок 15).

Рисунок 15 - Повышение скорости передачи за счёт дополнительных уровней сигнала

Согласно формуле Найквиста максимально возможная пропускная способность линии связи, без учёта шума на линии равна:

В данной формуле: С - пропускная способность сети, F - ширина полосы пропускания в герцах, M - количество различных уровней сигнала. Хотя в данной формуле М может быть различным, на практике удобней использовать М кратное степени 2, так как в этом случае в 1 сигнале будет кодироваться целое число бит исходной информации. Соответственно получаем:

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на рисунке 1, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

Приведённые выше вычисления позволяют оценить предельную пропускную способность кабеля UTP категории 2. Степень же приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.

RS-485 использует только 2 уровня для передачи сигнала и соответственно единственным способом увеличения скорости передачи является увеличение частоты передачи сигналов по линии связи. Однако данная операция не может выполняться бесконечно, т.к. в конечном итоге спектр передаваемого сигнала выйдет за границы полосы пропускания.

Применив метод многоуровневой передачи сигнала мы можем, используя оптимальную частоту передачи по линии связи, в соответствии с мощностью шума в линии связи максимально эффективно использовать полезную мощность передатчика сигнала.

Одной из насущных проблем разработки протокола физического уровня является организация синхронной работы передатчика и приёмника. В стандарте RS-485 для организации синхронизации используется система старт-стоповых битов (рисунок 16).

Рисунок 16 - Кадр стандарта RS-485

Использование старт-стоповых битов позволяет осуществлять синхронизацию приёма-передачи на уровне кадров информации. Однако данный метод не гарантирует синхронизацию внутри кадра. Кроме того использование старт-стоповых битов подразумевает, что в кадре размером 10 бит 2 бита будут служебными и не будут нести полезную нагрузку. Из этого следует, что 20% всей передаваемой информации по линии связи является служебной, и поэтому наблюдается потеря 20% скорости передачи данных по коммуникационной сети.

Эффективной заменой использования старт-стоповых битов является осуществление автосинхронизации приёмника по фронту каждого пришедшего от приёмника сигнала (рисунок 17).

Рисунок 17 - Автосинхронизация по фронту и срезу передаваемого сигнала

Данный метод осуществляется посредством запуска тактового генератора приёмника по фронту пришедшего импульса. Использование автосинхронизации по фронту импульса позволяет отказаться от применения старт-стоповых битов в каждом получаемом кадре.

Сложность реализации автосинхронизации по фронту импульса создаёт сам принцип её организации. Синхронизация приёмника, а соответственно считывание им единицы информации осуществляется им по фронту передаваемого передатчиком импульса. Соответственно любые два одинаковых и идущих друг за другом сигнала будут приводить к потере синхронизации и нарушению всего процесса передачи (рисунок 18).

Рисунок 18 - Нарушение синхронизации при передаче соседних импульсов одного уровня

Данная особенность накладывает ограничение на используемую последовательность сигналов передаваемых передатчиком: уровень каждого следующего сигнала должен отличаться от уровня предыдущего сигнала. Соответственно минимальное количество уровней в сигнале, позволяющее закодировать таким образом передаваемые данные - 3 (при использовании 2 уровневого сигнала мы можем получить единственную последовательность удовлетворяющую данному требованию: 01010101010101… - однако она не пригодна для кодирования информации).

2.3 Проектирование приемопередатчиков

Целью проектирования приёмопередатчиков является разработка устройств, способных передавать сигнал в соответствии с разработанным протоколом передачи. В ходе проектирования протокола передачи были описаны следующие требования к приёмопередатчикам:

- в качестве физической среды для передачи сигнала используется кабель UTP категории 2;

- должна быть реализована поддержка многоуровневой аналоговой передачи данных;

- синхронизация приёмника осуществляется по фронту сигнала переданного передатчиком;

- кодирование передаваемого значения должно осуществляться таким образом, чтобы в итоговом сигнале не было двух последовательно расположенных совпадающих по напряжению соседних импульса.

В соответствии с вышеописанными требованиями основными задачами передатчика являются:

- считывание данных для передачи и буферного запоминающего устройства;

- кодирование считанной информации;

- формирование импульса соответствующего уровня напряжения.

Задачами приёмника являются:

- распознавание фронта импульса;

- распознавание уровня напряжения в импульсе;

- вычисление закодированного уровнем напряжения переданного значения;

- запись полученного значения в буферное запоминающее устройство.

Так как задачи, выполняемые передатчиком, можно условно разделить на две группы: обработка цифровых данных и формирование аналогового сигнала, следовательно, для реализации структуры передатчика можно использовать два блока: ПЛИС и генератор сигнала (рисунок 19).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 19 - Функциональная схема передатчика

Основной задачей ПЛИС в данной схеме является кодирование данных. Так как для корректной работы протокола передачи необходимо чтобы в итоговом сигнале не было совпадающих по напряжению соседних импульсов, в итоговой последовательности передаваемых значений не должно быть совпадающих, соседних чисел, например 1 3 4 5 2 3 2 0 8 11 3 4. В соответствии с данным требованием наиболее оптимальным алгоритмом кодирования исходной информации является алгоритм изменения состояния передатчика посредством переходов в конечном автомате (рисунок 20).

Генератор сигнала, указанный в схеме передатчика, реализуется посредством делителя напряжения, величина напряжения, на выходе которого описывается зависимостью:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 20 - Использование переходов конечного автомата для кодирования информации

В данном выражении - напряжение на выходе генератора сигнала, - номер генерируемого уровня по напряжению, - общее количество уровней, - входное напряжение генератора.

Для решения задач приёмника была разработана функциональная схема, которая представлена на рисунке 21.

При поступлении сигнала из линии связи на приёмник сначала выполняется обработка самого сигнала - это удаление шума на полосовом фильтре, а также понижение уровня сигнала с помощью оптрона до допустимого для микросхем (0 … 6В).

После выполнения понижения уровня сигнала оптроном, с помощью дифференцирующей цепи выявляется изменение уровня сигнала (фронт или срез). Зависимость напряжения на выходе дифференцирующей цепи описывается выражением:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 21 - Функциональная схема приёмника

Где R - сопротивление резистора дифференцирующей цепи, С - ёмкость конденсатора дифференцирующей цепи.

С выхода дифференцирующей цепи сигнал поступает на выпрямляющий мост, основной задачей которого является преобразование двуполярного сигнала в однополярный. Зависимость напряжения на выходе выпрямляющего моста описывается выражением:

После выпрямляющего моста сигнал приходит на генератор разрешающих (тактовых) импульсов (далее ГРИ), который запускается для формирования нового тактового импульса. Таким образом, каждый тактовый импульс запускается по фронту принятого из линии импульса, что обеспечивает реализацию автосинхронизации приёма данных по каждому импульсу.

В соответствии с фронтом тактового (разрешающего) импульса производится запуск генератора линейно изменяющегося напряжения (далее ГЛИН) и генератора счётных импульсов (далее ГСИ). ГЛИН генерирует напряжение, изменяющееся по линейному закону:

Где R - сопротивление резистора ГЛИН, С - ёмкость конденсатора ГЛИН, t - время прошедшее с момента запуска ГЛИН. Данное соотношение описывает только изменение напряжения при зарядке конденсатора ГЛИН, изменение напряжения при разрядке конденсатора проходит по экспоненциальному закону. Чтобы устройство могло верно распознать принятый уровень импульса, за его длительность должен пройти полный цикл зарядки / разрядки конденсатора ГЛИН.

ГСИ запускается по фронту тактового импульса, формируя счётные импульсы, период которых равен интервалу времени, который необходим для того, чтобы напряжение ГЛИН изменилось на один уровень по напряжению в принятом сигнале. Соответственно параметры ГСИ тесно связаны с параметрами ГЛИН и для того чтобы устройство успело распознать принятый сигнал количество импульсов, сгенерированных ГСИ за время зарядки ГЛИН, должно быть больше чем максимальное количество уровней в принимаемом сигнале.

Для непосредственного распознавания уровня сигнала в приёмнике используется компаратор, который сравнивает текущее напряжение сигнала с эталонным напряжением ГЛИН. Компаратор генерирует на выходе напряжение своего питания, если напряжение сигнала больше чем напряжение на выходе ГЛИН и ноль если меньше.

Последний этап распознавания уровня импульса выполняет счётчик, который подсчитывает количество импульсов ГСИ пришедших с момента запуска ГЛИН и до того момента когда напряжение на его выходе стало больше чем напряжение сигнала от передатчика. Данное количество передаётся на ПЛИС и распознаётся как переданное передатчиком значение. ПЛИС выполняет чтение данного значения, раскодирование его и запись в буферную память. Временные диаграммы работы приёмника представлены на рисунке 22.

Рисунок 22 - Временные диаграммы работы приёмника

3. Технология реализации

3.1 Обзор технологии ПЛИС

ПЛИС - это электронный компонент, используемый для реализации цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Особенность архитектуры ПЛИС предоставляет целый ряд новых возможностей обработки цифровых данных по сравнению с архитектурой микроконтроллеров. Физическим ограничением быстродействия присущей всем традиционным архитектурам процессоров является последовательное выполнение команд. Архитектура ПЛИС имеет потенциально большее быстродействие по сравнению с микроконтроллерами. Это объясняется возможностью аппаратного распараллеливания вычислений.

Одним из наиболее распространённых типов ПЛИС в настоящее время является программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA). В основе архитектуры FPGA лежат программируемые логические блоки, блоки ввода-вывода и программируемые внутренние связи. Именно за счёт программируемых внутренних связей FPGA предоставляет возможность запрограммировать практически любую архитектуру. Любое приложение выполняемое на ПЛИС в конечном счёте представляет из себя аппаратную архитектуру в виде множества соединений логических блоков. Гибкость работы микросхем данного типа сравнима разве только с микроконтроллерами, но в отличие от них ПЛИС позволяет программировать непосредственно аппаратную составляющую устройства, что значительно повышает скорость вычислений. Однако ПЛИС не позволяет динамически изменять код исполняемой программы, т.к. она сохраняется в ПЛИС в виде аппаратной архитектуры. Поэтому, для того, чтобы изменить исполняемый микросхемой FPGA код, необходимо произвести цикл перезаписи микросхемы. Из чего следует, что ПЛИС менее гибок, чем микроконтроллер, который позволяет изменять исполняемый код во времени выполнения программы.

Достоинства ПЛИС:

- низкая стоимость;

- высокая скорость обработки;

- возможность параллельной обработки неограниченного числа задач.

Недостатки ПЛИС:

- сложность разработки приложений по сравнению с микроконтроллерами;

- меньшая гибкость обработки данных.

Основные сферы использования ПЛИС:

- обработка данных в режиме реального времени;

- реализация узкоспециальных алгоритмов;

- высокопроизводительное решение сложных математических задач;

- построение высокоскоростных систем ввода / вывода данных.

протокол коммуникационный датчик безопасность

3.2 Среда разработки NI LabVIEW

NI LabVIEW - среда графического программирования, разработанная компанией National Instruments. В качестве языка программирования среда разработки использует язык G - язык потокового графического программирования, разработанный в 1986 году.

Последовательность выполнения операций с данными в языке G определяется не порядком их следования, а наличием данных на входах этих узлов. Операторы, не связанные потоком данных, выполняются параллельно в произвольном порядке. Узлы диаграммы представляют собой простые инструкции или их наборы - функции. Выполнение инструкций узла происходит только после того, как на всех входных терминалах узла появляются данные. После выполнения инструкций его результат передается через выходные терминалы узла на входы следующих узлов. Несмотря на то, что язык G позволяет задавать тип данных в явном виде, одно из существенных отличий этого языка от других - это наличие проводников, выполняющих функции переменных. Вместо того, чтобы передавать переменные между функциями, передача данных определяется соединениями проводников. С другой стороны, в языке G присутствуют и стандартные для других языков конструкции, такие как условные циклы, циклы со счетчиком, структуры выбора, функции обратного вызова и логические функции.

Среда разработки LabVIEW тесно интегрирована с другими популярными средами разработки и языками программирования, к примеру Visual Studio и С# от Microsoft. Кроме этого в связи с близостью потокового программирования и принципа организации вычислений в микросхемах ПЛИС LabVIEW содержит в себе компилятор для записи программ написанных на языке G непосредственно в ПЛИС.

Преимущества среды NI LabVIEW по сравнению с классическими средами разработки ПО:

- наличие обширной библиотеки стандартных функций;

- встроенная поддержка параллельных вычислений;

- тесная интеграция с научным оборудованием, позволяющая работать с любым оборудованием как с обычной периферией компьютера;

- встроенная поддержка операционных систем реального времени;

- встроенный компилятор для программирования ПЛИС, позволяющий программировать ПЛИС без использования низкоуровневых языков;

- интеграция с другими средами и языками разработки (C# (.NET), C++, MatLab).

4. Реализация

4.1 Разработка модели

Разрабатываемая модель коммуникационной сети датчиков пожарной безопасности включает в себя следующие группы модулей:

- модули, моделирующие работу аналоговых компонентов приёмопередатчиков;

- модули, моделирующие работу цифровых компонентов приёмопередатчиков;

- служебные модули, обеспечивающие работу модели (модуль режима виртуальной памяти, модули обслуживающие пользовательский интерфейс модели).

Общая структура модели представлена на рисунке 23.

Рассмотрим подробнее модули, входящие в модель.

Модуль Main является основным модулем системы, контролирующим работу остальных модулей. Главное предназначение данного узла это предоставление удобного пользовательского интерфейса для работы с моделью (рисунок 24). Именно с помощью данной части отображаются результаты работы составляющих модели моделирующих работу аналоговых и цифровых компонентов приёмопередатчиков линии коммуникационной сети.



Рисунок 23 - Общая структура модели



Рисунок 24 - Лицевая панель модуля Main

Непосредственное моделирование аналоговых компонентов приёмопередатчиков осуществляется с помощью отдельной группы Analog devices, моделирующих работу:

- генератора сигнала (модуль source);

- оптрона (модуль optocoupler);

- дифференциальной цепи (differentiating_circuit);

- выпрямляющего моста (rectifier);

- генератора разрешающих импульсов (generator_allowing_pulse);

- генератора линейно изменяющегося напряжения (generator_linearly_varying_voltage);

- компаратора (comparator);

- генератора счётных импульсов (generator_count_pulse);

- счётчика импульсов (counter).

Каждый из модулей, которые моделируют работу аналоговых компонентов приёмопередатчиков, принимает на вход значение напряжения на входе компонента. Результатом работы данной группы модулей является значение напряжения на выходе реального компонента (рисунок 25). Для удобства взаимодействия между собой все модули данной группы поддерживают несколько режимов работы, таких как:

- инициализация (предназначена для инициализации внутренних переменных модуля при запуске модели);

- вычисление (непосредственное вычисление значения напряжения на выходе аналогового компонента приёмопередатчиков на основании напряжения на входе компонента);

- чтение (чтение значения напряжения на выходе компонента без изменения состояния модуля).

Рисунок 25 - Лицевая панель узла, моделирующего работу компаратора

Моделирование цифровых компонентов приёмопередатчиков осуществляется с помощью узлов группы Digital devices:

- исполняемый файл для микросхем ПЛИС (converter);

- модуль, эмулирующий работу ПЛИС передатчика и исполняющий исполняемый файл для микросхем ПЛИС (transmitter_fpga);

- модуль, эмулирующий работу ПЛИС приёмника и исполняющий исполняемый файл для микросхем ПЛИС (receives_fpga).

Ядром группы Digital devices является исполняемый файл для микросхем ПЛИС. Данный файл содержит код для записи в реальную микросхему ПЛИС приёмопередатчика для выполнения функций:

- управления буферным запоминающим устройством;

- кодирования и декодирования данных для передачи по сети.

Модули, которые эмулируют работу ПЛИС приёмника и передатчика предназначены для интеграции исполняемого файла для ПЛИС с остальными модулями модели (рисунок 26). Для удобства взаимодействия с остальными модулями данные узлы модели поддерживают следующие режимы работы:

- настройка (применяется для настройки работы эмулируемого ПЛИС);

- новый этап (выполняет запуск следующего этапа передачи информации по линии связи);

- чтение (чтение текущего состояния устройства);

- сброс (сброс настроек эмулированного ПЛИС).



Рисунок 26 - Лицевая панель модуля, эмулирующего работу микросхемы ПЛИС передатчика