Основы цифровой электроники. Канал связи
Аналоговые и дискретные величины.
В жизни нам приходится иметь дело как с электрическими, так и не электрическими величинами: температурой, количеством жидкости, напряжением, током. Все величины можно разделить на две группы:
- величины с непрерывными значениями в определенных пределах;
- величины с фиксированным количеством значений.
К величинам с непрерывными значениями относятся те, которые могут принять любое значение в определенных пределах. Например, при измерении температуры абсолютно реальны значения: -1.59°C, +52°C, -36.82°C, +198.4527°C. В данном случае нет фиксированных значений: температуру, как и многие физические величины, можно измерять до бесконечного количества знаков — все зависит от прибора измерения и отображения полученных значений. Такие величины называют аналоговыми.
Ряд величин имеет фиксированное количество состояний. Например: контакт замкнут или разомкнут, ток в цепи есть или его нет. Такие величины называют дискретными. Из толкового словаря: «дискретный — раздельный, состоящий из отдельных частей; индивидуально идентифицируемый».Так же к ним можно отнести и события: изменение измеряемой величины. Например, повышение температуры.
Все величины часто преобразуют в электрические сигналы — их проще передавать передать по каким-либо каналам связи и обрабатывать.
«Язык» систем передачи и преобразования сигналов.
Теперь необходимо определится с таким понятием как «кодирование сигналов». В данном контексте слово «кодирование» не подразумевает шифрование и криптозащиту данных. Здесь под словом «код» подразумевается «язык», которым пользуются «Отправитель» и «Получатель» информации при приеме, передаче и обработке полученных сигналов.
При передаче сигналов подразумевается, что «Получатель» понимает «язык» «Отправителя». Поясним это на примере. У нас имеется простейшая схема: последовательно соединенные источник питания, выключатель и лампочка. В данном случае мы имеем ОДИН физический канал связи:
«Отправителю» необходимо передать сообщение «Получателю». Он делает это, замыкая контакты выключателя. До передачи сообщения было оговорено, что «подача сообщения = свечение лампочки». Как только «Отправитель» замыкает контакты выключателя у «Получателя» загорается лампочка.
Примечание.
Если быть точным, то сообщением является МОМЕНТ загорания лампочки, переход из неактивного состояния в активное. А факт свечения лампочки является лишь подтверждением того, что событие УЖЕ произошло. Для того чтобы «Отправитель» мог передать новое сообщение, необходимо также договориться о длительности замыкания контактов выключателя, а также оговорить время, через которое система должна быть установлена в исходное (дежурное) состояние.
Все это позволяет сделать следующие заключения:
1. Правила, по которым осуществляется обмен сообщениями, называют протоколом обмена. Часто используются термины «логика протокола обмена» или «логика обмена».
2. Канал связи имеет два уровня:
- физический — совокупность средств передачи и преобразования сигнала;
- логический — протокол обмена, в котором ранее оговоренные методы проверки появления сигнала, времени его активности и времени перевода системы в дежурное состояние.
3. Совокупность ФИЗИЧЕСКОГО и ЛОГИЧЕСКОГО уровней канала связи называют интерфейсом обмена данными или просто «интерфейс».
4. Имея один и тот же ФИЗИЧЕСКИЙ канал связи, мы можем использовать РАЗНЫЕ правила обмена сообщениями. Никто не мешает «Отправителю» и «Получателю» ЗАРАНЕЕ договориться об иных правилах. Например: «сообщение = погасание лампочки».
Методы передачи сигналов.
В данной схеме
мы имеем ДВА состояния схемы:
- контакты выключателя разомкнуты = лампочка погашена;
- контакты выключателя замкнуты = лампочка светится.
Используя эту схему и руководствуясь заранее оговоренными правилами (логикой), мы может передать от «Отправителя» к «Получателю» ОДНО сообщение. Следовательно, данный физический и логический уровни позволяют закодировать ОДНО сообщение. Что делать, если нам необходимо передать два сообщения? Это можно сделать несколькими способами. Например, увеличим количество каналов передачи данных: используем для передачи сообщений между «Отправителем» и «Получателем» ЕЩЕ ОДИН канал связи:
Данный метод передачи сообщения имеет положительные и отрицательные стороны.
Положительные:
- НЕ ИЗМЕНЯЯ протокола обмена данными, мы увеличили количество передаваемых сообщений;
- все сообщения могут быть переданы независимо друг от друга, и нет временных задержек, связанных с занятостью канала связи: у нас два НЕЗАВИСИМЫХ канала связи.
Отрицательные:
- каждое сообщение занимает ВЕСЬ канал связи;
- для увеличения количества передаваемых сообщений необходимо использовать еще один канал связи. А если необходимо передать сотни или тысячи сообщений? Тогда необходимое использовать множество каналов связи... Это весьма дорогостоящее мероприятие.
Способ, при котором сигналы передаются параллельно (одновременно) называют «параллельным интерфейсом». Этот метод хорош для передачи относительно небольшого количества сообщений.
Но что делать, когда увеличение количества индивидуальных каналов связи неприемлемо? Можно применить метод обмена сообщениями при помощи заранее оговоренных уровней (напряжения или тока) — дискретных сообщений. Схемотехническая реализация устройства для передачи сообщения может быть различной. Например, как показано на рисунке ниже, это может быть последовательно соединенные источник питания, реостат (или магазин сопротивлений) и вольтметр.
«Отправитель» и «Получатель» ДО передачи сообщения договорились:
1) сообщения будут передаваться путем изменения напряжения в линии связи и будем использовать источник напряжения 12 Вольт;
2) для каждого из сообщений имеется фиксированное (опорное) напряжение:
- сообщение №1 – напряжение 2 Вольт;
- сообщение №2 – напряжение 3 Вольт;
….
- сообщение №9 – напряжение 10 Вольт;
- сообщение №10 – напряжение 11 Вольт.
3) использованы следующие методы увеличения помехозащиты:
- напряжения менее 1,5 Вольта и более 11,5 Вольт считают ошибкой, поэтому игнорируются.
- увеличены пороги достоверности принятой информации: принятый сигнал от опорного напряжения (2, 3, 4…10, 11 Вольт) может отличаться на +0,2 и – 0,2 Вольта.
Что мы имеем в данном случае? Имея один канал связи, мы получили возможность передачи довольно большого количества сообщений. Но данный метод имеет большие недостатки:
- более сложная техническая реализация устройств передачи и приема сообщения;
- необходимость калибровки всего комплекта аппаратуры как минимум перед началом эксплуатации. Дело в том, что канал связи вносит искажения в передаваемый сигнал. В нашем случае эта помеха будет проявляться в виде уменьшения напряжения, при помощи которого мы и кодируем наши сообщения. Например, вместо напряжения 3 Вольта мы можем получить 2,5 Вольта, что сделает прием сообщения невозможным. Поэтому ПЕРЕД эксплуатацией станции необходимо калибровать (подстраивать) приемную аппаратуру, что в ряде случае может являться большой проблемой.
Устранить необходимость постоянной калибровки можно: необходимо изменить ЛОГИЧЕСКИЙ и/или ФИЗИЧЕСКИЙ уровни интерфейса. Например, сделать 6 Вольт калибрующим напряжением (половина напряжения питания) и назвать этот сигнал «Калибровка». При отсутствии сообщений «Отправитель» постоянно выдает в канал/линию связи 6 Вольт. «Получатель» в процессе эксплуатации канала связи автоматически подстраивает свой приемник по этому опорному напряжению.
Автор - Данилин Александр
Сайт автора - www.ugolok-mastera.ru
Читайте также