Введение в цифровую коммуникацию

При проектировании больших и сложных цифровых систем часто необходимо, чтобы одно устройство передавало цифровую информацию другим устройствам и от них. Одно из преимуществ цифровой информации состоит в том, что она гораздо более устойчива к передаваемым и интерпретируемым ошибкам, чем информация, представленная в аналоговом формате.

Этим объясняются четкость телефонных соединений с цифровым кодированием, компактные аудиодиски и большая часть энтузиазма инженерного сообщества в отношении цифровых коммуникационных технологий. Однако цифровая связь имеет свои уникальные недостатки, и существует множество различных и несовместимых способов ее передачи.

Надеюсь, эта глава познакомит вас с основами цифровой связи, ее преимуществами, недостатками и практическими соображениями.

Допустим, нам поставили задачу удаленно контролировать уровень резервуара для хранения воды. Наша задача - разработать систему для измерения уровня воды в резервуаре и отправить эту информацию в удаленное место, чтобы другие люди могли ее контролировать.

Измерение уровня в резервуаре довольно простое и может быть выполнено с помощью ряда различных типов инструментов, таких как поплавковые выключатели, датчики давления, ультразвуковые датчики уровня, емкостные датчики, тензодатчики или радарные датчики уровня.

Пример аналоговой связи

Для иллюстрации мы будем использовать аналоговый измеритель уровня с выходным сигналом 4-20 мА. 4 мА соответствует уровню в резервуаре 0%, 20 мА представляет уровень резервуара 100%, а любое значение между 4 и 20 мА представляет уровень резервуара пропорционально между 0% и 100%.

Если бы мы хотели, мы могли бы просто послать этот аналоговый токовый сигнал 4-20 миллиампер на место удаленного мониторинга с помощью пары медных проводов, где он будет управлять каким-либо панельным измерителем, шкала которого откалибрована для отражения глубина воды в резервуаре в любых предпочтительных единицах измерения.

Эта аналоговая система связи будет простой и надежной. Для многих приложений этого вполне хватило бы для наших нужд. Но это не единственный способ выполнить работу.

В целях изучения цифровых технологий мы рассмотрим другие методы мониторинга этого гипотетического резервуара, хотя только что описанный аналоговый метод может быть наиболее практичным.

У аналоговой системы, какой бы простой она ни была, есть свои ограничения. Одна из них - проблема интерференции аналогового сигнала. Поскольку уровень воды в резервуаре символизируется величиной постоянного тока в цепи, любой «шум» в этом сигнале будет интерпретироваться как изменение уровня воды.

Без шума график изменения текущего сигнала во времени для устойчивого уровня в резервуаре 50% будет выглядеть следующим образом:

Если провода этой схемы расположены слишком близко к проводам, передающим питание переменного тока частотой 60 Гц, например, индуктивная и емкостная связь может создать ложный «шумовой» сигнал, который может быть внесен в эту цепь постоянного тока.

Хотя низкий импеданс контура 4-20 мА (обычно 250 Ом) означает, что малые шумовые напряжения значительно нагружаются (и, таким образом, ослабляются из-за неэффективности емкостной / индуктивной связи, образованной силовыми проводами), такой шум может быть значительным. достаточно, чтобы вызвать проблемы с измерением:

Приведенный выше пример немного преувеличен, но концепция должна быть ясной: любой электрический шум, вносимый в аналоговую измерительную систему, будет интерпретироваться как изменение измеряемой величины.

Одним из способов решения этой проблемы является обозначение уровня воды в резервуаре с помощью цифрового сигнала вместо аналогового. Мы можем сделать это очень грубо, заменив аналоговое передающее устройство на набор переключателей уровня воды, установленных на разной высоте на резервуаре:

Каждый из этих переключателей подключен для замыкания цепи, посылая ток на отдельные лампы, установленные на панели в месте наблюдения. Когда каждый переключатель замыкается, загорается соответствующая лампа, и всякий, кто смотрит на панель, видит 5-ламповое изображение уровня резервуара.

Поскольку каждая схема лампы является цифровой по своей природе - либо на 100% включен или 100% со скидкой - электрические помехи от других проводов вдоль трассы оказывают гораздо меньшее влияние на точность измерения на контрольной стороне, чем в случае аналогового сигнала.

огромный необходимо количество помех, чтобы сигнал «выключен» интерпретировался как сигнал «включен» или наоборот. Относительная устойчивость к электрическим помехам является преимуществом всех форм цифровой связи по сравнению с аналоговой.

Теперь, когда мы знаем, что цифровые сигналы гораздо более устойчивы к ошибкам, вызванным «шумом», давайте улучшим эту систему измерения уровня в резервуаре. Например, мы могли бы увеличить разрешение этой системы измерения уровня воды в резервуаре, добавив больше переключателей для более точного определения уровня воды.

Допустим, мы установили 16 выключателей по высоте резервуара вместо пяти. Это значительно улучшит нашу разрешающую способность, но за счет значительного увеличения количества проводов, которые необходимо протянуть между резервуаром и местом наблюдения.

Один из способов снизить затраты на проводку - использовать кодировщик приоритета, чтобы взять 16 переключателей и сгенерировать двоичное число, которое представляет ту же информацию:

Теперь для передачи информации необходимы только 4 провода (плюс любые необходимые провода заземления и питания), в отличие от 16 проводов (плюс любые провода заземления и питания). В месте наблюдения нам понадобится какое-то устройство отображения, которое могло бы принимать 4-битные двоичные данные и создавать легко читаемый дисплей для просмотра человеком.

Для этой задачи можно использовать декодер, подключенный для приема 4-битных данных в качестве входных и загорать 1 из 16 выходных ламп, или мы могли бы использовать схему 4-битного декодера / драйвера для управления какой-либо числовой цифрой. дисплей.

Тем не менее, разрешение 1/16 высоты резервуара может быть недостаточно для нашего приложения. Чтобы лучше определить уровень воды, нам нужно больше битов в нашем двоичном выходе. Мы могли бы добавить еще переключателей, но это быстро становится непрактичным.

Лучшим вариантом было бы повторно прикрепить наш оригинальный аналоговый передатчик к резервуару и электронным способом преобразовать его аналоговый выход 4-20 мА в двоичное число с гораздо большим количеством битов, чем было бы практично при использовании набора дискретных переключателей уровня.

Поскольку электрический шум, которого мы пытаемся избежать, встречается на длинном участке провода от резервуара до места наблюдения, это аналого-цифровое преобразование может происходить в резервуаре (где у нас есть «чистый» сигнал 4-20 мА. ). Существует множество методов преобразования аналогового сигнала в цифровой, но мы пропустим подробное обсуждение этих методов и сосредоточимся на самой передаче цифрового сигнала.

Тип цифровой информации, отправляемой от наших танковых контрольно-измерительных приборов к контрольно-измерительным приборам, называется параллельным . цифровые данные. То есть каждый двоичный бит отправляется по собственному выделенному проводу, так что все биты достигают места назначения одновременно.

Это, очевидно, требует использования по крайней мере одного провода на бит для связи с местом мониторинга. Мы могли бы еще больше сократить наши потребности в проводке, отправив двоичные данные по одному каналу (один провод + земля), чтобы каждый бит передавался по одному за раз. Этот тип информации называется серийным . цифровые данные.

Мы могли бы использовать мультиплексор или сдвиговый регистр для получения параллельных данных от аналого-цифрового преобразователя (в передатчике резервуара) и преобразования их в последовательные данные. На принимающей стороне (месте мониторинга) мы могли бы использовать демультиплексор или другой сдвиговый регистр, чтобы снова преобразовать последовательные данные в параллельные для использования в схемах дисплея.

Точные детали того, как пары мультиплексоров / демультиплексоров или сдвиговых регистров поддерживаются в синхронизации, как и аналого-цифровое преобразование, являются темой другого урока. К счастью, существуют цифровые микросхемы ИС, называемые UART (универсальные асинхронные приемники-передатчики), которые самостоятельно обрабатывают все эти детали и значительно упрощают жизнь разработчикам.

На данный момент мы должны продолжать концентрировать наше внимание на текущем вопросе:как передать цифровую информацию из резервуара в место наблюдения.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист цифровой связи