ШПОРА ТОАТ. 1. Способы управления удаленными объектами
Скачать 0.93 Mb.
|
7. Кодовая и кодово-распределительная селекция Кодовая селекция – временно́е разделение многоэлементных сигналов. При кодовой селекции схема включения линейных реле совпадает со схемой распределительной селекции (см. рис. 10.15, а) 10.15. Схемы распределительной и кодовой селекции; временные диаграммы их работы ,а схема включения УО – со схемой качественно-комбинационной селекции (см. рис. 10.14, а). 10.14. Схемы качественно-комбинационной селекции За время одного цикла работы распределителей в кодовой селекции передается приказ на включение только одного объекта (рис. 10.15, в). Таким образом, командное значение определяется качеством всех трех импульсов, каждый из которых передается по отдельному временно́му каналу. Для кодовой селекции , . Кодовая селекция имеет наибольшую емкость при наименьшем числе каналов связи. Поэтому это лучший вид селекции, который наиболее часто используется. Иногда в системах телемеханики одновременно используют кодовую и распределительную селекции. Кодово-распределительная селекция применяется, если управляемые объекты расположены отдельными группами на большом расстоянии друг от друга. Так расположены объекты (стрелки и светофоры) промежуточных станций на железнодорожном участке (рис. 10.16). 10.16. Структурная схема диспетчерской централизации Поэтому кодово-распределительная селекция используется в системах диспетчерской централизации. Задача выбора управляемого объекта в этом случае делится на две: выбор группы (станция) и объекта в данной группе. Достоинством кодово-распределительной селекции является возможность с помощью одной команды ТУ передать приказы нескольким объектам в одной группе. Это необходимо, например, при установке маршрута на станции. Управляющий приказ (см. рис. 10.11, в) 10.11. Полярные качества импульсов несет в себе три команды: перевод стрелок 1 и 3 в плюсовое положение и открытие сигнала Н на станции А (см. рис. 10.16). | 8. Классификация и характеристики кодов. В зависимости от длины различают одноэлементные и многоэлементные коды. В одноэлементных кодах n = 1, и сообщение несет один импульс тока. Эти коды используют в системах телемеханики с разделительной и распределительной селекциями. В многоэлементных кодах n > 1 и сообщение несут n импульсов тока. Их используют при качественно-комбинационной и кодовой селекциях. В зависимости от основания различают двоичные и многопозиционные коды. Двоичные (бинарные, двухпозиционные) коды имеют два качества импульсов тока (k = 2). У многопозиционных кодов k > 2. Наиболее распространены двоичные коды, так как они имеют наиболее простую кодирующую и декодирующую аппаратуру. В дальнейшем рассматриваются двоичные коды и качества импульсов тока в них обозначаются абстрактно как 0 и 1 (это могут быть отрицательная и положительная полярность, малая и большая амплитуда тока и др.). Важнейшей особенностью кодов является их классификация по помехоустойчивости. Коды делятся на обыкновенные и корректирующие. Обыкновенные коды не обеспечивают защиту от искажений сигналов в результате воздействия помех в линии связи. При искажении трехэлементного кодового слова в двоичном коде с амплитудными качествами (рис. 11.2) Рис. 11.2. Искажение кодового слова на ПУ формируется слово 010, но в результате искажения из-за помех в линии связи подавляется амплитуда второго импульса, и на КП поступает слово 000. В результате искажается информация и ложно включается объект 1 вместо 3. Корректирующие коды обеспечивают защиту от искажений (корректируют их). Так как борьба с помехами основная проблема теории кодирования, то все большое разнообразие кодов, используемое в современных системах телемеханики, связано с их различными корректирующими способностями. поэтому рассмотрим именно с этой точки зрения основные коды, которые нашли применение в системах железнодорожной автоматики и телемеханики. Для оценки кодов используем две основные характеристики. Емкость кода S – число сообщений, которые передаются данным кодом; это число равно числу используемых кодовых слов. Избыточность кода
где n – число элементов кода; m – минимальное число элементов кода, необходимое для передачи S сообщений. | 9. Обыкновенные коды. В обыкновенных кодах для передачи сообщений используют все возможные кодовые слова. Поэтому применяют и другие названия – коды без избыточности, коды на все сочетания. Емкость двоичного обыкновенного кода
Равенство (11.2) есть условие неизбыточности двоичного кода. Двоичный обыкновенный код есть множество всех n-разрядных двоичных чисел. Если надо передать S сообщений, то число разрядов обыкновенного кода
где ]a[ - обозначение ближайшего к a целого числа . Формула (11.4) определяет минимальное число элементов кода, необходимое для передачи S сообщений среди всех кодов. Поэтому выражение для избыточности кода (11.1) принимает вид
Избыточность обыкновенного кода
Вероятность возникновения ошибки при передаче сообщений обыкновенным кодом линейно возрастает с увеличением длины кода. Другими словами, чем больше информации надо передать, тем менее надежно она передается. Это недостаток обыкновенного кода. Тем не менее, обыкновенный код широко используется, если величина q достаточно мала, так как имеет наибольшую емкость среди всех кодов и самую простую аппаратуру кодирования и декодирования. | ||||||||||
16. Линейные устройства К линейным устройствам относятся: линейная цепь, связывающая ПУ и КП; линейные питающие устройства; линейные приборы, формирующие и фиксирующие импульсы тока, передаваемые по линейной цепи. Рассмотрим линейные цепи, применяемые в системах железнодорожной автоматики. Линейная цепь с последовательным включением линейных реле, примененная в диспетчерской централизации временно́го кода, является нормально-замкнутой, поскольку в исходном положении обтекается током. Для передачи сообщений используют временные качества тока. В нормальном состоянии ток в линии не протекает и поэтому отсутствует контроль ее обрыва. Не требуется также высокое напряжение линейной батареи. Общим недостатком линейных цепей, у которых в качестве линейных приборов используют реле, является низкое быстродействие. В быстродействующих системах применяются бесконтактные линейные цепи. | 15. Структура телемеханической системы Для осуществления телемеханического способа управления объектами система управления должна содержать определенный набор функциональных узлов (рис. 12.1). 12.1. Структурная схема телеуправления В структурной схеме телеуправления выделяют пункт управления ПУ и контрольный пункт КП. На ПУ передаваемое сообщение (приказ) кодируется и посылается в линию связи в виде серии импульсов, которые обладают определенными признаками. На КП эти импульсы воспринимают специальные устройства, декодируют их и приводят в действие управляемый объект УО. Аппаратура пункта управления включает в себя следующие функциональные узла: пусковой узел П, который воспринимает команды с пульта управления и запускает кодирующие устройства; генератор Г, вырабатывающий импульсы тока, используемые для передачи по линии связи; кодер К (шифратор) для кодирования сообщения (придает импульсам тока определенные качества); распределитель Р, осуществляющий пространственное или временно́е разделение сигналов; линейный узел Л, служащий для согласования кодирующих устройств с линией связи. Аппаратура на контрольном пункте включает в себя: линейный узел Л, который воспринимает импульсы тока из линии связи и фиксирует их качества; декодер Д (дешифратор), который осуществляет декодирование принятого кодового сообщения, т.е. определяет объект, которому передается приказ, и формирует сигнал включения этого объекта; защитный узел З, предназначенный для обнаружения или исправления ошибок, возникающих при передаче сообщений; его структура определяется особенностями используемого кода. | |||||||||||
13. Сменно-качественный код. Сменно-качественный код является примером недвоичного кода с избыточностью. В этом коде два последних элемента кодового слова всегда различаются по качеству. Поэтому основание кода . Достоинством сменно-качественного кода является отсутствие интервалом между импульсами тока (рис. 11.10), 11.10. Вид сменно-качественного кода поскольку они различаются своим качеством. Это сокращает время передачи сообщения примерно в 2 раза. Процесс формирования кодовых слов начинается с выбора качества первого элемента Существует k вариантов выбора качества первого элемента и все слова разбиваются на k групп. Затем выбирается качество второго элемента. Существует k-1 вариант выбора и т.д. Для каждого последующего элемента существует k-1 вариант выбора. Поэтому емкость сменно-качественного кода Сменно-качественный код обнаруживает ошибки, в которых нарушается чередование качеств, и не обнаруживает ошибки, если чередование качеств сохраняется Смена качеств используется и в двоичных частотных кодах для того, чтобы не делать интервалов между импульсами тока. | ||||||||||||
10. Коррекция ошибок в избыточных кодах. Коррекция ошибок может быть двух видов: обнаружение и исправление. При обнаружении устанавливается факт наличия ошибки, но не указываются номера искаженных разрядов. При исправлении эти номера должны быть определены и исправлены (это более сложная задача). Свойство коррекции ошибок – следствие избыточности кодов. Код является избыточным, если для передачи сообщений используются не все возможные кодовые слова. Условие избыточности двоичного кода
Для исправления ошибок все множество слов S0 избыточного кода разбивается на S непересекающихся подмножеств (см. рис. 11.5), 11.5. Схема передачи избыточного кода по каналу связи содержащих по слов (среди них одно разрешенное слово). Каждое подмножество ставится в соответствие разрешенному слову Ap, входящему в это подмножество. Если принимается слово Bj, входящее в подмножество Mp, то считается, что передавалось слово Ap. Ошибка исправляется, если слово Bj действительно получилось из слова Ap в результате искажений. Число таких случаев . | ||||||||||||
14. Циклические коды. Циклические коды относятся к классу разделимых (n, m)-кодов, где n — длина кода, m — число информационных разрядов. Эти коды имеют сравнительно простые схемные и программные реализации кодирующих и декодирующих устройств и применяются в современных системах диспетчерской централизации. Название кода связано с тем, что его кодовые слова могут быть получены путем циклического сдвига одного кодового слова, которое называется образующим для данного кода. Сдвиг осуществляется справа налево. При этом крайний левый символ переносится на последнюю позицию справа. При описании циклических кодов n-разрядные двоичные векторы представляются в виде многочленов относительно фиктивной переменной х, которые расположены по убывающим степеням с коэффициентами 0 и 1. Вводятся три операции над многочленами. Операция сложения выполняется по правилам операции «сложение по модулю 2». Операция умножения выполняется по правилам Операция деления выполняется по правилу При делении многочленов старший член делимого делится на старший член делителя. Деление заканчивается, когда степень остатка становится меньше степени делителя. Имеет место равенство F(x) = P(x)Q(x) + R(x), (11.17) где F(x) —делимое, Р(х) —делитель, Q(x) — частное, R(x) — остаток. Если степень F(x) равна n, степень Р(х) равна к, то степень частного Q(x) равна п - к, а степень остатка меньше чем к. Рассмотренные операции над многочленами достаточно просто реализуются на регистрах сдвига с обратными связями, что и является причиной широкого применения циклических кодов. Идея построения циклических кодов состоит в следующем. В качестве разрешенных кодовых слов F(x) длины n выбираются такие, соответствующие многочлены которых делятся без остатка на некоторый порождающий многочлен Р(х) степени k (число контрольных разрядов кода). Все многочлены запрещенных кодовых слов без остатка на многочлен Р(х) не делятся. Это позволяет при приеме кодовых слов обнаружить ошибку. Если при приеме кода то по виду остатка можно определить номер искаженного разряда и исправить ошибку. В качестве порождающего многочлена (делителя) Р(х) в циклических кодах выбирается неприводимый многочлен степени к, который является делителем двучлена . Многочлен называется неприводимым, если он делится без остатка только на себя и на единицу и, следовательно, не может быть получен путем умножения многочленов низших степеней. При построении циклических кодов принято отводить под информационные m символов старших степеней многочлена, а под контрольные — к = m-n символов младших разрядов. Рассмотрим теперь процедуру декодирования. При приеме двоичного вектора F(x) осуществляется его деление на порождающий многочлен Р(х). Если кодовое слово принято без искажений, то остаток R(x) = 0 и делается вывод об отсутствии ошибки. Если R(x) ≠ 0, то ошибка есть. Рассмотрим теперь процедуру исправления одиночной ошибки. Одиночная ошибка в разряде кода хi представляется многочленом Еi (х) = хi. Если в разрешенном кодовом слове с многочленом F(x) происходит искажение разряда хi, то многочлен, соответствующий искаженному слову, . Тогда при делении на Р(х) получаем (11.22) Поскольку неискаженное кодовое слово F(x) делится на Р(х) без остатка, то остаток от деления (11.22) определяется остатком от деления вектора ошибки Ei(х) на Р(х), причем этот остаток не зависит от F(x). Это означает, что при искажении разряда хi в любом кодовом слове остаток от деления (11.22) будет один и тот же. Этот остаток называется «синдромом ошибки». Тем самым может быть определен номер i искаженного разряда. | 11. Коды с обнаружением ошибок Каждый такой код должен обнаруживать все одиночные ошибки как наиболее вероятные. Кроме того, он может и исправлять некоторые ошибки. Код с контролем на четность. У этого кода все разрешенные кодовые слова содержать четное число единиц. Для его формирования к обыкновенному коду достаточно добавить один избыточный (контрольный) разряд. При приеме кода подсчитывают число единиц. Если оно четно, то сообщение принимается. Например, декодер (рис. 11.6) 11.6. Схема декодера кода с контролем на четность решает данную задачу, используя контакты поляризованных реле Л1-Л3, которые фиксируют качества импульсов тока. Полный декодер обыкновенного трехэлементного кода имеет восемь выходов, а данный декодер имеет четыре выхода ( ), соответствующие разрешенным кодовым словам. При приеме запрещенного слова ни один из выходов декодера не подключается, и приказ не выполняется. В этом заключается обнаружение ошибки. Обнаруживаются все ошибки, которые нарушают четность числа единиц. Это все ошибки нечетной кратности (в этом числе и одиночные). Равновесный код (код с постоянным числом единиц). У этого кода все кодовые слова имеют постоянное число единиц. Поэтому его еще называют кодом «m из n», так как каждое слово имеет m единиц из n разрядов. Число m называют весом кода. Код не является разделимым, т.е. его разряды нельзя разделить на информационные и контрольные. При приеме декодер (рис. 11.7) 11.7. Схема декодера равновесного кода подсчитывает число единиц и, если оно равно m, то сообщение принимается. Не обнаруживаются ошибки четной кратности, у которых число искажений вида равно числу искажений вида . Корреляционные коды. У этих кодов существует зависимость (корреляция) между определенными элементами кода. Примером является код с повторением, у которого каждое слово обыкновенного кода повторяется дважды. При приеме необходимо сравнить одинаковые элементы обоих частей кода и, если они совпадают, то сообщение принимается. Декодер в этом случае состоит из декодера обыкновенного кода (рис. 11.8, а), схемы сравнения (рис. 11.8, б) 11.8. Схемы декодера кода с повторением и схемы включения управляемых объектов (рис. 11.8, в). Не обнаруживаются только ошибки четной кратности, в которых присутствуют искажения одинаковых разрядов. Код с суммированием (код Бергера). Этот код позволяет обнаруживать однонаправленные ошибки любой кратности. Однонаправленными называются кратные ошибки, содержащие только искажения вида или . Код применяется в тех случаях, когда в канале связи возникают помехи, длительность которых больше длительности одного импульса тока. Код с суммированием является разделимым и строится по следующим правилам: 1)сообщения кодируются обыкновенным кодом. Число информационных разрядов , где N – число передаваемых сообщений; 2)число контрольных разрядов . 3)в контрольных разрядах записывается двоичное число, десятичный эквивалент которого равняется числу нулей в информационных разрядах. При приеме кода число нулей в информационных разрядах сравнивается с числом, записанным в контрольных разрядах. Декодер состоит из декодера обыкновенного кода (рис. 11.9, б), 11.9. Код с суммированием и схемы декодера декодера числа, записанного в контрольных разрядах (рис. 11.9, в) и схемы сравнения (рис. 11.9, г). | 12. Код Хемминга Код Хэмминга исправляет ошибки кратности 1 и является разделимым. Число информационных разрядов , где N -число сообщений, которые необходимо передать. Код Хэмминга состоит из двух частей. Первая часть кодирует исходное сообщение, вставляя в него в определённых местах контрольные биты (вычисленные особым образом). Вторая часть получает входящее сообщение и заново вычисляет контрольные биты (по тому же алгоритму, что и первая часть). Если все вновь вычисленные контрольные биты совпадают с полученными, то сообщение получено без ошибок. В противном случае, выводится сообщение об ошибке и при возможности ошибка исправляется. Длина кода определяется из неравенства (11.14) Для того, чтобы определить значения контрольных разрядов, составляют контрольные суммы Si. Сумма Si—это сумма по модулю два значений разрядов, двоичные номера которых имеют 1 на i-м месте справа. Сумма по модулю два равна 1, если число 1 в сумме нечетно, и равна 0, если число 1 четно. В каждую контрольную сумму входит только один контрольный разряд, и каждый контрольный разряд входит только в одну контрольную сумму. Это вытекает из того, что двоичные номера контрольных разрядов имеют только одну единицу. Указанное свойство позволяет доопределять контрольные разряды независимо друг от друга. Если все контрольные суммы равны 0, то ошибки нет. Если хотя бы одна из сумм равна 1, то есть ошибка. В этом случае контрольные суммы рассматриваются как разряды двоичного числа, десятичный эквивалент которого указывает номер искаженного разряда. Исправление ошибки состоит в изменении значения искаженного разряда на противоположное. Для определения параметров кода Хэмминга выразим число т через п: Отсюда ; | ||||||||||
22. Мультиплексоры и демультиплексоры Мультиплексор (коммутатор каналов) осуществляет подключение одного из нескольких каналов к общему выходу. Для получения мультиплексора с большим числом входов строится мультиплексорное дерево. Демультиплексор решает задачу обратную задаче мультиплексора - передает последовательные данные с одного входа на несколько выходов. Чтобы ограничить число выводов микросхем, данные можно передавать последовательно во времени по одному проводу с использованием мультиплексора и демультиплексора, однако это уменьшает скорость передачи данных. Мультиплексоры могут использоваться в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный код, также как и регистры сдвига. Коммутатор на логических элементах. В общем случае коммутатор это тот же мультиплексор. Отличие только в режимах работы. Если мультиплексор обеспечивает последовательное переключение каналов, то коммутатор кроме мультиплексного режима позволяет одновременное соединение разного количества входов и выходов (микширование). 17. Распределители Распределитель осуществляет временно́е или пространственное разделение импульсов тока. Наиболее часто в системах ТУ–ТС используется пространственно-временно́е разделение. В зависимости от момента переключения с одной позиции (выхода) на другую распределители делятся на три группы. В распределителях с прямым ходом переключение происходит в момент поступления импульсов (рис. 12.7, а). 12.7. Временные диаграммы работы распределителя Распределители с обратным ходом переключаются в момент наступления интервалов между импульсами (рис. 12.7, б), а распределители с двойным ходом – во время импульсов и во время интервалов (рис. 12.7, в). Распределители классифицируются также в зависимости от принципа работы счетчика. Различают распределители, работающие, используя унитарный код, двоичные, в которых счет осуществляется с использованием двоичного кода, и программируемые, в которых счет осуществляется по специальной программе. Диоды и резисторы обеспечивают замедление на отпускание каждого реле-счетчика, что необходимо для надежного его включения через контакт предыдущего реле-счетчика. Каждый триггер счетчика переключается с поступлением на вход одного из фронтов (отрицательного) входного импульса и поэтому работает с частотой в 2 раза меньшей, чем предыдущий триггер. Аналогично изменяются разряды при перечислении двоичных чисел. Счетная схема считает импульсы (интервалы) в двоичном коде, и каждый триггер представляет собой разряд двоичного числа. Если счетчик имеет n триггеров, то число позиций распределителя . Счетная схема делит частоту входных импульсов в 2n раз. Обычно в интегральной технике распределители не изготавливают не в виде отдельных микросхем, а собирают из микросхем, реализующих функции счетчика и декодера по отдельности. Бесконтактные распределители, работающие с использованием унитарного кода, строят на базе сдвиговых регистров. Регистры выполняются в виде отдельных микросхем. | 18. Программируемые распределители Распределители, работающие с использованием двоичного кода, имеют 2n позиций. Это число в системы ТУ–ТС обычно должно быть равно длине используемого кода. Поэтому возникает задача построения распределителя (а фактически счетчика) с модулем счета не равным 2n. Такие распределители называют программируемыми. В интегральной технике применяются три способа программирования счетчика на произвольный модуль счета . Первый способ состоит в сбросе счетчика, когда счетчик по модулю 2n имеет элемент И, который фиксирует конец счета (число ) Второй способ состоит в предварительной (до начала счета) загрузке дополнения (числа ). В третьем способе программирования исключаются промежуточные состояния. Особым видом программируемых счетчиков являются реверсивные, которые могут работать в режиме сложения или вычитания в зависимости от значения управляющего сигнала . Условие переключения триггеров при вычитании следующее: каждый триггер переключается в противоположное состояние только при нахождении всех триггеров младших разрядов в состоянии 0. Отсюда следует способ настройки реверсивного счетчика на сложение и вычитание: сигналы управления трактом переноса надо снимать с прямых выходов триггеров при сложении и с инверсных при вычитании. В соответствии с этим счетчик работает как суммирующий, если сигнал равен 1, и как вычитающий, если равен 0. | 19. Генераторы Генераторы в системах ТУ–ТС используются для выполнение двух функций. Тактовые генераторы определяются временные такты функционирования системы. Они управляют работой счетчика или распределителя и обеспечивают синхронизацию. Генераторы качеств формируют импульсы тока с определенным качеством и воздействуют на линейные устройства. Генератором называется устройства, которое, благодаря энергии непериодического источника питания, создает периодически изменяющееся электрическое напряжения или ток и обеспечивает периодическое замыкание и размыкание электрической цепи (рис. 12.24, а). 12.24. Схема включения генератора и формы генерируемых импульсов В зависимости от формы генерируемых импульсов различают генераторы синусоидальных колебаний (рис. 12.24, б) и релаксационные генераторы. Последние генерируют импульсы специальной формы с наличием скачков – прямоугольные, экспоненциальные, пилообразные (рис. 12.24, в, г, д) и др. При этом импульсные последовательности характеризуются длительностями импульса tи и паузы tп, периодом колебаний , частотой следования и скважностью . В бесконтактной технике аналогами пульс-пары являются мультивибраторы. Простейшая схема мультивибратора состоит из двух инверторов с емкостными обратными связями. При включении питания эта схема оказывается в состоянии неустойчивого равновесия, когда оба транзистора открыты с некоторой степенью насыщения. Среди генераторов качеств наибольшее распространение в системах диспетчерских централизаций имеют частотные генераторы. | ||||||||||
20. Кодеры и декодеры Кодер (шифратор) служит для формирования всего множества кодовых слов, используемых в системе ТУ–ТС. Совместно с распределителем кодер осуществляет управление генератором качеств для придания импульсам тока определенных качеств согласно передаваемому сообщению. Обычно интегральные кодеры являются приоритетными. Это означает, что если на несколько входов будет подан активный сигнал логического 0, то приоритет отдается входу с большим номером. Приоритетный кодер имеет два дополнительных выхода: , если на входах нет ни одного нуля; , если на входах есть хотя бы один нуль. Эти выходы позволяют наращивать разрядность кодеров. Декодер (дешифратор) выполняет две функции – фиксирует качества импульсов тока в порядке их следования и осуществляет декодирование сообщения, т.е. образует выходную цепь для воздействия на управляемый объект. Рассмотрим разновидности декодеров обыкновенного кода. В схеме прямоугольного декодера трехэлементного обыкновенного кода выходная цепь реализует конъюнкцию от трех переменных. Недостатком такого декодера является большое число контактов, которое определяется по формуле:
где 2n – число выходных цепей, n – число контактов в одной цепи. Чтобы уменьшить число контактов, применяют пирамидальный декодер (рис. 12.32, б), у которого . Число N – сумма геометрической прогрессии с основанием и последним слагаемым Число диодов прямоугольного диодного дешифратора также определяется по формуле В интегральном исполнении выпускаются декодеры обыкновенного кода. Наличие трех входов управления позволяет получать декодеры четырехэлементного (на 16 выходов) и пятиэлементного (на 24 и 32 выходов) в результате параллельного соединения микросхем. | 21. Кодер и декодер для циклических кодов | 23. Одновибраторы Коммутатор на логических элементах. В общем случае коммутатор это тот же мультиплексор. Отличие только в режимах работы. Если мультиплексор обеспечивает последовательное переключение каналов, то коммутатор кроме мультиплексного режима позволяет одновременное соединение разного количества входов и выходов (микширование). |