Введение в цифровую связь
Глава 14 - Цифровая связь
При проектировании больших и сложных цифровых систем часто необходимо, чтобы одно устройство обменивалось цифровой информацией с другими устройствами и с других устройств. Одним из преимуществ цифровой информации является то, что она имеет тенденцию быть намного более устойчивой к переданным и интерпретируемым ошибкам, чем информация, символизируемая в аналоговой среде. Это объясняет ясность телефонных соединений с цифровым кодированием, компактных аудиодисков и большой энтузиазм в инженерном сообществе для цифровых коммуникационных технологий. Однако цифровая связь имеет свои собственные уникальные подводные камни, и существует множество различных и несовместимых способов ее отправки. Надеемся, что в этой главе вы познакомитесь с основами цифровой коммуникации, ее преимуществами, недостатками и практическими соображениями.
Предположим, нам поручено дистанционно контролировать уровень резервуара для хранения воды. Наша задача - разработать систему для измерения уровня воды в резервуаре и отправить эту информацию в отдаленное место, чтобы другие люди могли ее контролировать. Измерение уровня резервуара довольно простое и может быть выполнено с помощью ряда различных типов приборов, таких как поплавковые переключатели, датчики давления, ультразвуковые датчики уровня, емкостные датчики, тензодатчики или детектор уровня радара.
Для этой иллюстрации мы будем использовать аналоговое измерительное устройство уровня с выходным сигналом 4-20 мА. 4 мА представляет собой уровень бака 0%, 20 мА представляет собой уровень резервуара 100%, а что-то между 4 и 20 мА представляет собой уровень резервуара пропорционально от 0% до 100%. Если бы мы этого захотели, мы могли бы просто послать этот аналоговый токовый сигнал 4-20 миллиампер в местонахождение удаленного мониторинга с помощью пары медных проводов, где он будет приводить в действие какой-то панельный счетчик, масштаб которого был откалиброван для отражения глубина воды в баке, в любых единицах измерения.
Эта аналоговая система связи будет простой и надежной. Для многих приложений это было бы достаточно для наших потребностей. Но это не единственный способ выполнить эту работу. В целях изучения цифровых технологий мы рассмотрим другие методы мониторинга этого гипотетического резервуара, хотя описанный выше аналоговый метод может быть наиболее практичным.
У аналоговой системы, насколько это возможно, есть свои ограничения. Одна из них - проблема аналоговых помех сигнала. Поскольку уровень воды в баке символизируется величиной постоянного тока в цепи, любой «шум» в этом сигнале будет интерпретироваться как изменение уровня воды. Без шума, график текущего сигнала с течением времени для устойчивого уровня резервуара 50% будет выглядеть так:
Если провода этой схемы расположены слишком близко к проводам с мощностью переменного тока 60 Гц, например, индуктивная и емкостная связь может создать ложный сигнал «шума», который должен быть введен в эту цепь постоянного тока. Хотя низкий импеданс контура 4-20 мА (обычно 250 Ом) означает, что малые шумовые напряжения значительно нагружены (и, тем самым, ослаблены неэффективностью 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: любые электрические помехи, вводимые в аналоговую измерительную систему, будут интерпретироваться как изменения измеряемой величины. Один из способов борьбы с этой проблемой состоит в том, чтобы символизировать уровень воды в баке с помощью цифрового сигнала вместо аналогового сигнала. Мы можем сделать это очень грубо, заменив аналоговое передающее устройство на набор переключателей уровня воды, установленных на разных высотах на баке:
Каждый из этих переключателей подключен для замыкания цепи, передавая ток отдельным лампам, установленным на панели в месте мониторинга. Когда каждый переключатель закрыт, загорится соответствующая лампочка, и тот, кто смотрит на панель, увидит 5-ламповое изображение уровня бака.
Поскольку каждая ламповая схема является цифровой по своей природе: либо на 100%, либо на 100% от -электронных помех от других проводов вдоль прогона значительно меньше влияет на точность измерения на конце мониторинга, чем в случае аналогового сигнала. Огромное количество помех потребовалось бы, чтобы заставить сигнал «выключить» интерпретироваться как сигнал «on» или наоборот. Относительное сопротивление электрическим помехам является преимуществом, которым пользуются все виды цифровой связи по сравнению с аналоговыми.
Теперь, когда мы знаем, что цифровые сигналы намного более устойчивы к ошибкам, вызванным «шумом», давайте улучшим эту систему измерения уровня резервуара. Например, мы могли бы увеличить разрешение этой системы замера резервуара, добавив больше переключателей для более точного определения уровня воды. Предположим, мы установили 16 переключателей по высоте резервуара вместо пяти. Это значительно улучшило бы наше измерение, но за счет значительного увеличения количества проводов, которые должны быть нанизаны между резервуаром и местом мониторинга. Одним из способов уменьшить затраты на проводку было бы использование приоритетного кодера для приема 16 коммутаторов и генерации двоичного числа, которое представляло бы одну и ту же информацию:
Теперь для передачи информации требуется только 4 провода (плюс любые заземляющие и силовые провода), а не 16 проводов (плюс любые провода заземления и питания). В месте мониторинга нам понадобится какое-то устройство отображения, которое может принимать 4-битные двоичные данные и создавать легко читаемый дисплей для просмотра человеком. Для этой задачи можно было использовать декодер, подключенный для приема 4-битных данных в качестве входных и световых выходных ламп 1-на-16, или мы могли бы использовать 4-разрядную схему декодера / драйвера для управления какой-либо цифровой цифрой дисплей.
Тем не менее, разрешение высоты 1/16 резервуара может быть недостаточно для нашего применения. Чтобы лучше разрешить уровень воды, нам нужно больше бит в нашем двоичном выходе. Мы могли бы добавить еще больше переключателей, но это довольно быстро становится непрактичным. Лучшим вариантом было бы повторное присоединение нашего оригинального аналогового передатчика к баку и электронное преобразование его аналогового выхода 4-20 миллиампер в двоичное число с гораздо большим количеством бит, чем было бы практично с помощью набора дискретных переключателей уровня. Поскольку электрический шум, который мы пытаемся избежать, встречается в течение длительного периода времени от провода от резервуара до места наблюдения, это аналого-цифровое преобразование может происходить в баке (где у нас есть «чистый» сигнал 4-20 мА). Существует множество способов преобразования аналогового сигнала в цифровой, но мы пропустим подробное обсуждение этих методов и сосредоточимся на самой цифровой сигнальной коммуникации.
Тип цифровой информации, отправляемой с нашей контрольной лампы на контрольно-измерительную аппаратуру, называется параллельными цифровыми данными. То есть каждый бинарный бит отправляется по его собственному выделенному каналу, так что все биты поступают к месту назначения одновременно. Это, очевидно, требует использования по меньшей 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 сообщался по одному за раз. Этот тип информации называется последовательными цифровыми данными.
Мы могли бы использовать мультиплексор или сдвиговый регистр для получения параллельных данных от аналого-цифрового преобразователя (на передатчике танков) и преобразования его в последовательные данные. На принимающей стороне (место мониторинга) мы могли бы использовать демультиплексор или другой регистр сдвига для повторного преобразования последовательных данных в параллель для использования в схеме отображения. Точные сведения о том, как пары мультия / демультиплексора или сдвига сохраняются в синхронизации, являются, например, аналого-цифровым преобразованием, темой для другого урока. К счастью, есть цифровые микросхемы IC, называемые UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitters), которые обрабатывают все эти детали сами по себе и делают жизнь дизайнера намного проще. На данный момент мы должны продолжать фокусировать наше внимание на данном вопросе: как передавать цифровую информацию из резервуара в место мониторинга.