Разработка протокола передачи информации, использующего многоуровневый аналоговый сигнал. Проект приложения, осуществляющий моделирование коммуникационной сети датчиков пожарной безопасности на основании разработанного протокола в среде LabVIEW.
Аннотация к работе
Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам (рисунок 4). 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. 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 Rx сетевого адаптера) - рисунок 8. Стандарт IEEE 802.11b принят институтом IEEE в 1999 году и описывает сети для передачи данных по беспроводному (радио) каналу на скорости 11 Мбит/с. 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.Цель выпускной квалификационной работы - создание модели приемопередатчика способного повысить скорость передачи данных в проводных сетях.
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 ее устранения.
Не менее важным в системах пожарной сигнализации является стоимость развертывания сети датчиков. Так как сеть датчиков может покрывать значительные пространства, на общую стоимость развертывания так же влияет и стоимость используемой сети связи.
Основными характеристиками сети связи датчиков пожарной сигнализации являются скорость передачи данных и стоимость развертывания. Поскольку от этих двух параметров напрямую зависит качество работы всей системы противопожарной сигнализации, очень важным для них является использование дешевых, высокоскоростных сетей.
1.
Постановка задачи
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;
- 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 развернутой и получая квалифицированную техническую поддержку, она обеспечивает стабильную работу предприятия и удобные условия работы для сотрудников.
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/с 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 приемопередатчиков 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.
Схема подключения приемопередатчика RS-485 к UART представлена на рисунке 6. На рисунке обозначены: микроконтроллер - UART, п/п RS-485 - приемопередатчик RS-485, RX - порт приемника UART, TX - порт передатчика UART. Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Стандартными порогами чувствительности приемника являются ± 200 МВ. То есть, когда UAB > 200 МВ - приемник определяет «1», когда UAB < -200 МВ - приемник определяет «0». Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется.
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).
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 приемопередатчиков;
- 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 приемопередатчикам.
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/с по разделяемому неэкранированному кабелю UTP (рисунок 7).
Рисунок 7 - Кабель UTP
В качестве сетевой топологии в стандарте Ethernet 10BASE-T используется звездообразная 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 Rx 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 10Base-T
Физическая структуризация сетей, построенных на основе витой пары, повышает надежность 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 путем отключения соответствующего сегмента кабеля.
Для контроля целостности физического соединения между двумя непосредственно соединенными портами в стандарте 10Base-T введен 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 10Base-T для получения доступа к сети используется метод CSMA/CD. С помощью данного метода все узлы сети на разделяемой среде имеют возможность немедленно (с учетом 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 (Multiply Access, MA). Чтобы получить возможность передавать информацию, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая еще называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).
Среди достоинств стандарта Ethernet 10BASE-T можно отметить следующие: - широкая распространенность, 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 приемопередатчикам.
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 Мбит/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 дает возможность отказаться от применения дорогостоящего кабеля для развертывания коммуникационной сети. Однако данная особенность стандарта также является причиной основных его недостатков: низкая помехоустойчивость, высокое энергопотребление приемопередатчиков, потребность в наличии автономного источника питания для каждого приемопередатчика.
Среди достоинств стандарта IEEE 802.11b можно отметить следующие: - использование беспроводного канала передачи данных;
- широкая распространенность, 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 приемопередатчикам.
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 счет 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 приемопередатчики 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;
- построение графиков работы используемых в приемопередатчиках модулей;
- возможность настройки различных режимов протокола и параметров приемопередатчиков;
- 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 приемопередатчиком 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).
Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счете, 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 счет 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 приемном конце линии.
Рисунок 11 - Искажение импульсов в линии связи
Передаваемые сигналы искажаются изза несовершенства линии связи. Идеальная передающая среда, не вносящая никаких помех в передаваемый сигнал, должна, по меньшей мере, иметь нулевые значения сопротивления, емкости и индуктивности. Однако на практике медные провода, например, всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузок (рисунок 12). В результате синусоиды различных частот передаются этими линиями по-разному.
Рисунок 12 - Представление линии как распределенной индуктивно-емкостной нагрузки
Помимо искажений сигналов, возникающих изза 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 ее волновое сопротивление, представляющее собой полное (комплексное) сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной 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 емкость, 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 еще и от способа передачи данных. Поэтому, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, пока для нее не определен протокол физического уровня модели OSI.
Связь между полосой пропускания линии и ее 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, Pc - мощность сигнала, Рш - 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 счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) в линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет 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 растет 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 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 распространенными 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 оплеткой. 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 распространенностью. 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 приемником 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 приемник 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 учетом 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 счет дополнительных уровней сигнала
Согласно формуле Найквиста максимально возможная пропускная способность линии связи, без учета 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 изза 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.
Приведенные 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 приемника. 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 приема-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 приемника по фронту каждого пришедшего от приемника сигнала (рисунок 17).
Рисунок 17 - Автосинхронизация по фронту и срезу передаваемого сигнала
Данный метод осуществляется посредством запуска тактового генератора приемника 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 создает сам принцип ее организации. Синхронизация приемника, 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 приемопередатчиков является разработка устройств, способных передавать сигнал в соответствии с разработанным протоколом передачи. В ходе проектирования протокола передачи были описаны следующие требования к приемопередатчикам: - в качестве физической среды для передачи сигнала используется кабель UTP категории 2;
- должна быть реализована поддержка многоуровневой аналоговой передачи данных;
- синхронизация приемника 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 приемника 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).
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:
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 приемника была разработана функциональная схема, которая представлена на рисунке 21.
При поступлении сигнала из линии связи на приемник сначала
Вывод
Цель выпускной квалификационной работы - создание модели приемопередатчика способного повысить скорость передачи данных в проводных сетях.
В процессе проектирования была изучена предметная область на основе специализированной литературы.
Результатом выпускной квалификационной работы стала разработка протокола передачи и написание полнофункциональной и корректно работающей модели, всесторонне демонстрирующей специфику работы приемопередатчика.
Реализация и внедрение данного протокола передачи позволят ускорить передачу данных в проводных сетях связи, а также эффективнее использовать пропускную способность современных линий связи.
Список литературы
1. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы. САНПИН 2.2.2/2.4.1340-03 - СПБ: Инфра-М, 2004 г. - 24 стр.
2. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации (ППБ 01-03). - СПБ: ДЕАН, 2008 г. - 192 стр.
3. В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы - СПБ: Питер, 2011 г. - 944 стр.
4. А.Г. Алексенко, И.И. Шагурин. Микросхемотехника. - Москва: Радио и связь, 2005 г. - 496 стр.
5. И.И. Гроднев, Н.Д. Курбатов. Линии связи. - Москва: Связь, 2004 г. - 440 стр.
6. Дж. Тревис. LABVIEW для всех. - Москва: ДМК Пресс, ПРИБОРКОМПЛЕКТ, 2005 г. - 544 стр.
7. LABVIEW [Электронный ресурс]: Официальный сайт для разработчиков, использующих LABVIEW. - Режим доступа: www.labview.ru, свободный. - Загл. с экрана.
8. Е.Д. Баран. LABVIEW FPGA. Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы. - Москва: ДМК Пресс, 2009 - 448 стр.
9. Питер Блюм. LABVIEW. Стиль программирования. - Москва: ДМК Пресс, 2008 - 400 стр.