При проектировании больших и сложных цифровых систем часто необходимо, чтобы одно устройство передавало цифровую информацию другим устройствам. Одним из преимуществ цифровой информации является то, что она гораздо более устойчива к передаваемым и интерпретируемым ошибкам, чем символьная информация на аналоговом носителе.
Это объясняет чистоту телефонных соединений с цифровым кодированием, компактные аудиодиски и большую часть энтузиазма инженерного сообщества в отношении технологий цифровой связи. Однако цифровая связь имеет свои уникальные ловушки и существует множество различных и несовместимых способов её передачи.
Надеюсь, эта глава расскажет вам об основах цифровой связи, её преимуществах, недостатках и практических аспектах.
Допустим, перед нами стоит задача удалённо контролировать уровень воды в резервуаре. Нужно разработать систему для измерения уровня воды в резервуаре и отправки этой информации в удалённое место, чтобы другие люди могли контролировать процесс.
Измерение уровня в резервуаре довольно просто и может быть выполнено с помощью различных типов приборов, таких как поплавковые переключатели, датчики давления, ультразвуковые датчики уровня, ёмкостные датчики, тензодатчики или радарные датчики уровня.
Пример аналоговой связи
Для иллюстрации будем использовать аналоговый уровнемер с выходным сигналом 4-20 мА. 4 мА соответствует уровню в баке 0 %, 20 мА соответствует уровню в баке 100 %, а любое промежуточное значение в диапазоне от 4 до 20 мА соответствует уровню в баке пропорционально от 0 % до 100 %.
Чтобы не заморачиваться, мы могли бы просто отправлять этот аналоговый токовый сигнал 4-20 миллиампер в удалённый пункт мониторинга с помощью пары медных проводов, где он приводит в действие какой-нибудь щитовой измеритель со шкалой, откалиброванной для отражения глубины воды в резервуаре в любых предпочтительных единицах измерения.
Рис. 1. Аналоговый «контур» для измерения уровня в резервуаре.
Эта аналоговая система связи проста и надёжна. Для многих приложений этого вполне достаточно. Но это не единственный способ реализации.
В целях изучения цифровых методов мы изучим иные методы наблюдения за этим гипотетическим резервуаром, даже невзирая на то, что только что описанный аналоговый метод может оказаться наиболее практичным.
Аналоговая система, какой бы простой она ни была, имеет свои ограничения. Одной из них является проблема помех аналогового сигнала. Поскольку уровень воды в баке обозначается величиной постоянного тока в цепи, любой «шум» в этом сигнале будет интерпретироваться как изменение уровня воды.
Без «шума» график зависимости текущего сигнала от времени при постоянном уровне в резервуаре 50% будет выглядеть следующим образом:
Рис. 2. График сигнала при 50%-м уровне резервуара.
Если провода этой цепи расположены слишком близко к проводам, по которым передаётся питание переменного тока с частотой 60 Гц, например, индуктивная и ёмкостная «связь» могут создать ложный «шумовой» сигнал, который будет введён в эту цепь постоянного тока.
Хотя низкий импеданс контура 4–20 мА (обычно 250 Ом) означает, что малые «шумовые» напряжения значительно нагружаются (и тем самым ослабляются за счёт неэффективности ёмкостной/индуктивной «связи», образованной силовыми проводами), такие «шумы» могут быть достаточно значительными, чтобы вызвать проблемы измерения:
Рис. 3. График сигнала при 50%-м уровне резервуара с помехами в 60 Гц.
Приведённый выше пример немного утрирован, но суть понятна: любой электрический «шум», вносимый в аналоговую измерительную систему, интерпретируется как изменение измеряемой величины.
Одним из способов решения этой проблемы является интерпретация уровня воды в резервуаре с помощью цифрового сигнала вместо аналогового. Мы можем сделать это очень грубо, заменив аналоговый передатчик набором переключателей для уровней воды, установленных на разной высоте:
Рис. 4. Измерение уровня в резервуаре с переключателями.
Каждый из этих переключателей замыкает цепь, посылая ток на отдельные лампочки, установленные на панели в месте наблюдения. Когда каждый переключатель замыкается, загорается соответствующая лампочка, и любой, кто наблюдает за панелью, видит 5-ламповое представление уровня воды в резервуаре.
Поскольку каждая цепь лампы является цифровой по своей природе (либо 100 % включена, либо 100 % выключена), электрические помехи от других проводов вдоль участка оказывают гораздо меньшее влияние на точность измерения на конечном контрольном пункте, чем в случае аналогового сигнала.
Потребуется огромное количество помех, чтобы сигнал «выключено» интерпретировался как сигнал «включено» 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 усовершенствуем эту систему измерения уровня в резервуаре. Например, мы могли бы увеличить разрешение этой системы измерения уровня воды, добавив больше переключателей для более точного определения уровня воды.
Предположим, мы устанавливаем 16 выключателей по всей высоте бака (вместо пяти). Это значительно улучшит разрешение наших измерений, но за счёт значительного увеличения количества проводов, которые необходимо протянуть между резервуаром и местом наблюдения.
Одним из способов уменьшить эти затраты на проводку было бы использование кодировщика с приоритетом, чтобы сигналы от 16-ти переключателей сгенерировать в двоичное число, которое представляет ту же информацию:
Рис. 5. Кодировщик с приоритетом для перевода сигналов (0/1) от 16-ти переключателей в двоичное число, состоящее из 4 бит.
Теперь для передачи информации требуется только 4 провода (плюс любые необходимые провода заземления и питания), а не 16 проводов (тоже без учёта любых питающих/заземляющих проводов). В месте мониторинга нам понадобится некое устройство отображения, которое могло бы принимать 4-битные двоичные данные и показывать их в удобно читаемом виде на дисплее.
Для этой задачи можно использовать декодер, подключённый так, чтобы принимать 4-битные данные в качестве входных и зажигать одну из 16-ти выходных ламп, или мы могли бы использовать 4-битную схему декодера/драйвера для управления отображения каких-либо чисел.
Тем не менее, разрешение 1/16 высоты резервуара может оказаться недостаточным для нашего приложения. Чтобы лучше определить уровень воды, нам нужно больше битов в нашем двоичном выводе. Можно добавлять ещё больше переключателей, но это довольно быстро становится непрактичным.
Лучшим вариантом было бы таки прикрепить старый добрый аналоговый датчик к резервуару и электронным способом преобразовать его аналоговый выходной сигнал 4-20 мА в двоичное число с гораздо большим количеством битов, что будет лучшим решением, чем использовать огромный набор дискретных переключателей для уровней.
Поскольку электрические помехи, которых мы пытаемся избежать, встречаются на длинном участке провода от резервуара до точки мониторинга, 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 с нашего резервуара на контрольно-измерительную аппаратуру, называется параллельными цифровыми данными. То есть каждый двоичный бит передаётся по своему выделенному проводу, так что все биты достигают места назначения одновременно.
Это, очевидно, требует использования по крайней мере одного провода на каждый параллельный поток битов для связи с местом наблюдения. Мы могли бы ещё больше сократить наши потребности в проводке, отправляя двоичные данные по одному каналу (один провод + «земля»), чтобы каждый поток битов передавался по очереди. Этот тип информации называется последовательными цифровыми данными.
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 приёмном пункте (месте наблюдения) мы могли бы использовать демультиплексор или другой сдвиговый регистр, чтобы снова преобразовать последовательные данные в параллельные для использования в схеме дисплея.
Точные детали того, как пары мультиплексор/демультиплексор или регистра сдвига поддерживаются в синхронизации, как и аналого-цифровое преобразование, являются темой для другого урока. К счастью, существуют цифровые микросхемы, называемые УАПП (универсальные асинхронные приёмопередатчики, англ. UART от Universal Asynchronous Receiver-Transmitters), которые самостоятельно обрабатывают все эти детали и значительно упрощают жизнь проектировщика.
А пока сосредоточимся на рассматриваемом вопросе: как передать цифровую информацию из резервуара в место наблюдения?
