СКАЧАТЬ:  tit.zip [1,19 Mb] (cкачиваний: 54)
 

Лабораторная работа №2

по дисциплине: «Интегрированные системы проектирования и управления»

на тему: «Основы работы в All Fusion»

Взаимодействующие объекты

Диаграммам 1

Диаграмма 2

Диаграмма 3

Диаграмма 4

Цель лабораторной работы - изучение процесса передачи информации по каналу связи, использующего код «Манчестер II»

Передача информации между двумя достаточно удалёнными устройствами требует представления её в виде последовательного потока битов, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Физической основой такой системы является линия связи, которая обычно выполняется в виде витой пары проводов, коаксиального кабеля, либо оптического световода. В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии, могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик (рис.1.1).

Рис.1. Передача информации между удаленными устройствами.

Алгоритмы работы передатчика, ретранслятора и приемника определяются выбранным кодом, предназначенным для передачи по линии, или линейным кодом. Простейшим линейным кодом является униполярный код типа NRZ (non return to zero, рис.1.2.).

Рис 2. линейный код типа NRZ

В этом коде нули представлены отсутствием импульса (напряжение, близкое нулю), а единицы - наличием импульса (некоторое положительное напряжение). Этот код имеет три недостатка:

- Большинство линий связи сопрягаются с аппаратурой через реактивные элементы, такие как трансформаторы. Поскольку униполярные сигналы всегда содержат постоянную составляющую и значительную долю низкочастотных компонентов в спектре при передачи длинной последовательности единиц, такое сопряжение затруднено или вовсе невозможно - реактивные элементы на достаточно низких частотах представляют собой либо «обрыв», либо «короткое замыкание»

- Ретрансляторы и приемники способны надёжно восстановить синхронизирующую временную сетку только тогда, когда паузы между импульсами не слишком велики. Появление очередного импульса после значительной паузы требует каждый раз корректировать «ход часов» ретранслятора или приемника. Другими словами, при передачи достаточно большой последовательности нулей приемник (или ретранслятор) теряет синхронизацию с передатчиком (или ретранслятором).

-                     Отсутствие возможности оперативной регистрации ошибок, таких как пропадание или появление лишних импульсов из-за помех.

Для ликвидации этих недостатков необходимо введение избыточности одним из двух способов:

1. Скорость передачи сигналов по линии выбирается большей, чем скорость передачи информации, без использования дополнительных электрических уровней сигналов.
2. Скорость передачи сигналов по линии выбирается равной скорости передачи информации, однако вводятся дополнительные электрические уровни сигналов.

Примером кода с избыточностью, введённой согласно способу 1, является код «Манчестер II». Форма биполярного сигнала при передаче кода «Манчестер II» показана на (рис.1.3.). Единица кодируется отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала, нуль - положительным перепадом. На границах битовых интервалов сигнал, если это необходимо, меняет значение, «готовясь» к отображению очередного бита в середине следующего битового интервала.

Рис. 3. Форма биполярного сигнала при передачи кода «Манчестер II»

С помощью этого кода решаются сразу все указанные проблемы. Поскольку число положительных и отрицательных импульсов на любом достаточно большом отрезке времени равно (отличается не более чем на один импульс, что практически не имеет значения), постоянная составляющая равна нулю. Подстройка «часов» приемника или ретранслятора производится п_А и передачи каждого бита, т.е. снимается проблема рассинхронизации. Спектр сигнала содержит только две частотные составляющие: F и 2F, где F - скорость передачи информационных битов. Наличие только двух (а не трёх или более) электрических уровней напряжения позволяет надёжно их распознавать (хорошая помехозащищённость).

Критерием ошибки может являться «замораживание» сигала на одном из уровней на время, превышающее время передачи одного информационного бита, поскольку независимо от передаваемого кода сигнал всегда «колеблется» и никогда не «замирает». Плата за эти чрезвычайно полезные качества - удвоение требуемой пропускной способности связной аппаратуры(2F)

Канал связи, использующий код «Манчестер II» (рис.1.4..) включает в себя шифратор, дешифратор и двухпроводную магистраль. Сигнал в коде «Манчестер II» может быть получен путём суммирования по модулю «два» сигналов NRZ и С. Другими словами, сигнал, представленный в коде «Манчестер II», принимает единичные значения в тех интервалах времени, в которых сигналы NRZ и C имеют противоположные логические значения (01 или 10).

Рис.4. Канал связи, использующий код «Манчестер II»

Преимущества кода Манчестер II» перед кодом NRZ:

-                     Синхросигналы и информация передаются по одному каналу, в то время как при использовании кода NRZ нужны два канала.

-                     Диапазон логических частот NRZ начинается от нуля и не превышает половины тактовой частоты. Сигнал «Манчестер II» содержит только две логические составляющие: f_c/2 и f_c . Постоянная составляющая при использовании биполярных сигналов равна нулю. Из этого следует, что приемник кода «Манчестер II» может быть узкополосным и поэтому более помехоустойчивым, чем приемник кода NRZ.

-                     Легко обнаруживаются ошибки в передачи информации. Критерий ошибки - наличие постоянного сигнала в течении времени, превышающего один период тактовой частоты.

В геофизических глубинных приборах «Манчестер-II» является самым оптимальным вариантом, т.к. обладает двумя большими плюсами, которые перекрывают все его минусы:

-                     практически абсолютной помехоустойчивостью;

-                     способностью передавать информацию на большие расстояния без потери данных.

Перед передачей информации процессор должен знать свой адрес и саму передаваемую информацию. Информация чаще всего занимает два байта, а адрес один байт. По ГОСТу для ВГ-6 (стандартный кодер-декодер протокола Манчестер II) посылка по Манчестеру II представляет собой два байта информации плюс четыре служебных бита, подаваемого в последовательном коде в порт процессора, подключённый к одному из транзисторов. В порт, подключённый ко второму транзистору, подаётся инверсное значение посылки. Посылка строится по следующему принципу: три синхронизирующих импульса + шестнадцать бит информации + бит чётности.

Значение бита чётности определяется по следующему методу:

1. Подсчитывается количество бит в двух байта, данных (количество единиц в двух байтах).
2. Если полученное число нечётное, то бит чётности равен 1.
3. Если полученное число чётное, то бит чётности равен 0.

Т.о. вся посылка должно содержать ровно 20 бит.

Бит чётности необходим для проверки достоверности принимаемой информации. Блок декодирования информации типа ВГ-6 подсчитывает количество бит в посылке и сверяет на чётность с последним битом посылки. Если значения совпадают, то посылка принята правильно, иначе производится повтор передачи.

Порядок выполнения лабораторной работы 

1. Изучить комплекс для геофизических исследований скважин, включающий ГДИ5с-М, фильтр (имитатор кабеля), осциллограф, регистратор Гектор, ПК. Получить допуск к выполнению лабораторной работы.

Рис 5. Схема подключения скважинного прибора

1. Собрать схему подключения скважинного прибора к каротажному регистратору, состоящую из ГДИ5с-М, фильтра, осциллографа, «Гектора» и источника постоянного тока.
2. Подключить скважинный прибор к первому каналу регистратора, заземлению и переключателем выбрать род работ 1.
3. Подключить осциллограф к фильтру для получения импульсных сигналов.
4. Через фильтр подать питание скважинному прибору +24В, а «Гектор» подключить к сети с напряжением 220 В.
5. Снять показания осциллографа.

Ход работы:

В качестве внешней оплетки каротажный кабель имеет броню без поверхностной изоляции. Следовательно, высокочастотный информационный сигнал, проходящий через каротажный кабель, подвергается искажению и ослаблению под действием сопротивления и емкости кабеля. При этом степень искажения зависит как от длины линии связи (каротажного кабеля), так и от частоты информационного сигнала. Простая электрическая схема эквивалента кабеля, которая была смоделирована в программе Multisim 11.0, рис. 1.5.

Рис. 6. Имитатор каротажного кабеля длиной 3 км в программе Multisim 11.0

Как видно на рис. 1.5. , имитатор кабеля представляет собой каскадное соединение RC-цепочки, где каждый каскад соответствует 1 км реального кабеля. Пример искажения биполярного прямоугольного импульса на выходе имитатора каротажного кабеля показан на рис. 1.6.

Рис. 7. Форма биполярных прямоугольных импульсов на входе и на выходе имитатора каротажного кабеля.

Как видно на рис. 1.6., прямоугольный сигнал на выходе каротажного кабеля подвергся значительному искажению (уменьшился по амплитуде и исказились фронты), что обусловлено значительной реактивностью (емкостью) каротажного кабеля. В данном случае имитатор кабеля представляет собой не что иное, как фильтр. На рис. 1.7. представлено АЧХ смоделированного имитатора кабеля.

Как видно из АЧХ имитатора кабеля, коэффициент затухания сигнала начинает увеличиваться от 10 кГц и при частоте порядка 100 кГц достигает степени, при которой его очень трудно восстановить. Таким образом, реальная скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей в зависимости от их длины ограничивается диапазоном до 10–100 кГц.

С учетом этих факторов основное внимание при разработке информационной системы для приема и регистрации геофизической информации мы уделили компенсирующим фильтрам усиления и восстановления формы сигнала при приеме сигнала с кабеля.

Рис. 8. АЧХ имитатора кабеля.

В качестве примера рассмотрим модель передатчика сигнала в кодировке «Манчестер-2». Модель собрана на микроконтроллере PIC18F4420 в среде компьютерного моделирования Proteus 7.0 (рис.1.8).

На рис. 1.9. показан пример кодирования с помощью «Манчестер-2». Кодирование с использованием «манчестерского» кода осуществляется за счет положительных и отрицательных переходов уровня потенциала, осуществляемых посередине битового интервала. Нулю исходных данных соответствует положительный переход, а единице – отрицательный. За счет наличия переходов потенциала «манчестерский» код обладает самосинхронизацией.

Рис.9. Схема получения двуполярного кода «Манчестер-2».

Рис. 10. Кодировки сигналов и форма сигналов на выходе кабеля.

Передаваемое слово 0x9999. Скорость передачи 20 кБит/сек

Рис. 11. Алгоритм приема кодоимпульсного сигнала «Манчестер-2» для PIC18F4420.

PIC18F4420, позволяет производить декодировку информационного сигнала, передаваемого с геофизического прибора, по следующему алгоритму (рис. 1.10.):

1. Алгоритм начинается с поиска синхроимпульса. Цифровой сигнальный процессор ждет любого перепада на выводе PF5, по полученному перепаду запускаем временной счетчик T и ждем следующего.

2. Когда придет второй перепад, мы сравниваем содержимое временного счетчика T с заданной временной константой Tstart, значение которой определяет длительность синхроимпульса (длительность равна трем периодам синхронизации (при скорости, равной 20 кБот, Tstart = 36 мксек)). Если значение оказывается равным Tstart, то обнуляем счетчик и ждем третьего перепада, если T не равно Tstart, то переходим к пункту (1). При получении третьего перепада сравниваем значение временного счетчика с Tstart. Если значение счетчика больше половины такта синхронизации и меньше Tstart, то обнуляем счетчик и ждем второго перепада. Если нет, то сравниваем значение счетчика с Tstart + 1 импульс синхронизации. Если значение оказывается больше, то переходим к пункту (1).

3. Далее начинаем поиск перепадов. Если был переход из 0 в 1, то считается, что принят ноль, если из 1 в 0, то принята единица, и т. д.

4. Повторяем пункт (3), пока не придет 16 бит данных.

Подобным образом можно декодировать не только кодоимпульсные, но и частотно- и время-импульсные методы кодирования.

На рис 1.11. представлен показание осциллографа «Сигналы на входе(а) и на выходе(б) имитатора кабеля (фильтр)»

Рис 1.11 (а). Сигнал на входе имитатора кабеля(фильтр).

Рис 1.11 (б). Сигнал на выходе имитатора кабеля(фильтр).

Вывод: На основе изученной нами информации мы сделали ряд выводов. Регистрации геофизических данных на сегодняшний день является весьма актуальной задачей, особенно на фоне неуклонного роста количества

разрабатываемой различными производителями геофизической аппаратуры. При этом растет и объем информации, которую необходимо передавать из скважины в наземную станцию. Поэтому растет и количество методов передачи данных (частотные, кодоимпульсные, и др.). Все это требуется совершенствования систем регистрации данных, чтобы системы регистрации успевали обрабатывать эту информацию.