Разработка приемной части системы мониторинга транспортных средс. Разработка приёмной части системы мониторинга транспортных средств
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
«Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 39 передвижения самолетов. Исходя из средней скорости передвижения транспортного средства в городе, равной 60 км/ч, и средней скорости передвижения по трассе, равной 100 км/ч, было принято решение увеличить период генерации пакетов данных до 1 раза в 5 секунд. Использование такой скорости генерации позволит отслеживать маршрут транспортного средства с обновлением информации каждые 83,35 м и 138,9 м соответственно скоростям. Данная задержка вполне допустима для корректного отслеживания маршрута. 2) Уменьшение количество бит в секунду для передачи информации. Протокол VDL Mode 4 для воздушного транспорта использует 1600 бит/с для передачи пакетов каждого оборудования в сети, такой объём передаваемой информации в первую очередь связан с большим количеством передаваемых данных, как для отслеживания, так и для прогнозирования. Для работы с транспортными средствами было решено использовать 800 бит/с для передачи информации с каждого оборудования в сети, так как для корректного отслеживания наземного транспорта требуется меньше данных, чем для воздушного транспорта, кроме того исходя из относительно небольшой скорости передвижения пропадает необходимость прогнозирования будущего положения. 3) Изменение типа применяемой фазовой модуляции. В системе мониторинга воздушного транспорта в оборудовании применяется квадратурная фазовая модуляция Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). Основным преимуществом данного вида модуляции является кодирование двух бит передаваемой информации одним символом. Для реализации протокола VDL Mode 4 для наземного транспорта была применена более простая, двоичная фазовая модуляция Binary Phase Shift Keying (BPSK). Данный тип модуляции является одним из самых распространённых и простых в реализации, обладает высокой помехоустойчивостью, но в два раза медленнее по сравнению с QPSK, так как для модуляции используется один канал и как следствие один символ обрабатывает каждый бит последовательно. Таким образом, в данной работе путём изменений таких характеристик, как: скорость передачи данных, скорость генерации информации и тип фазовой модуляции получилось реализовать протокол VDL Mode 4, применяемый для управления воздушного транспорта, для работы с разрабатываемым оборудованием. Автоматическое Зависимое Вещательное Наблюдение (ADS-B) Основным преимуществом протокола VDL Mode 4, которое позволяет реализовывать самоорганизующиеся сети, является применение в рамках данного протокола системы Автоматического Зависимого Вещательного Наблюдения (ADS-B). Система ADS-B позволяет в автоматическом режиме передавать информацию об идентификации, местоположении, скорости, времени синхронизации и параметров транспортного средства, без участия сотрудников на транспортном средстве, используя формат сообщений VDL Mode 4. Кроме того система ADS-B позволяет организовать системы наблюдения со связями транспорт – оператор и транспорт – транспорт. Связь транспорт – транспорт является адресной связью и используется для реализации обмена информации между двумя транспортными средствами, на которых установлено оборудование, поддерживающее VDL Mode 4. Такой тип связи позволяет предотвращать конфликтные ситуации, так как водители смогут видеть друга друга в пределах заданного радиуса радиовещания. Кроме того, этот тип связи применяется для синхронизации между оборудованиями на транспортном средстве путём использования сообщений общего запроса резервирования автонастройки. Когда транспортное средство «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 40 находит в сети резервирование автонастройки, оно прекращает автономную рассылку общего запроса и начинает передавать информацию следуя полученным инструкциям из сообщения общего запроса. Инструкции определяются полем адресуемого смещения и содержат: 1) Инструкция на автономную широковещательную передачу. В этом случае оборудование принимает решение относительно своих собственных свободных или зарезервированных слотов. 2) Инструкция на передачу с учетом ранее установленных для этого оборудования слотов, которые выдаются с операторской станции при включении оборудования на транспорте. Связь транспорт – оператор является спутниковой связью. Такой тип связи необходим для реализации обмена информации между транспортным средством и операторской станцией. Этот тип связи применяется для наблюдения за транспортными средствами в сети оперативного мониторинга транспортных средств, а также для осуществления контроля и обратной связи со стороны оператора. Так же такой тип связи используется для синхронизации транспортного средства с операторской станцией, когда в оборудовании на транспорте включается питание. В этом случае система применяет процедуру первичного входа в сеть при которой происходит синхронизация времени по UTC, а также назначение текущих и будущих временных слотов для передачи данных, для того чтобы избежать интерференции данных с другими, уже работающими транспортными средствами. Разработка функциональной схемы приемной части системы оперативного мониторинга транспортных средств Функциональная схема – это документ, представляющий из себя разъясняющий материал. Предназначение функциональной схемы заключается в визуальном представлении элементов, из которого состоит оборудование, а также в пояснении принципа работы всего оборудования, а также его частей. В связи с этим, разработка функциональной схемы является обязательным этапом при проектировании оборудования любого типа. На рисунке 7 представлена функциональная схема приемной части разрабатываемого оборудования системы оперативного мониторинга транспортных средств. Рисунок 7. Функциональная схема приемной части оборудования Приведённая выше функциональная схема состоит из следующих элементов: 1) Антенна; 2) УМ – усилитель мощности 3) ПФ – полосовой фильтр 4) ДМ – демодулятор 5) АЦП – аналого-цифровой преобразователь 6) DSP – сигнальный процессор ADSP-2181 «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 41 Данная схема позволяет понять принцип работы приемной части оборудования. Прежде всего, оборудование принимает передаваемый в канале сигнал с помощью антенны – устройства, осуществляющего излучение или приём радиоволн. Сигнал, приходящий на антенну, является искаженным, так как вне оборудования на сигнал накладываются атмосферные, а также промышленные помехи. После приёма сигнал подаётся на усилитель мощности – элемент, который за счёт приходящей энергии от источника питания усиливает параметры сигнала. В данном случае вместе с полезной информацией будут так же усилены помехи, наложенные на сигнал. Усилитель мощности в оборудовании необходим для корректной работы следующего элемента. Сигнал от усилителя мощности подаётся на полосовой фильтр. Полосовой фильтр – один из разновидностей фильтров, основной особенностью которого является возможность выбора нижней и верхней частоты фильтра и определения полосы пропускания. Для реализации фильтрации был выбран КИХ фильтр (фильтр с конечной импульсной характеристикой). Этот фильтр является линейным цифровым фильтром с ограниченной по времени импульсной характеристикой. Основным достоинством КИХ фильтров является их устойчивость в любых условиях, а также постоянная и ограниченная длительность переходных процессов фильтра. Стоит отметить, что для корректного процесса фильтрации на приемной части, фильтра приемника должен обладать такими же характеристиками, что и фильтр на передатчике. При соблюдении данного параметра, сигнал на выходе фильтра будет соответствовать передаваемому сигналу. Уровень помех будет снижен, при этом сигнал будет незначительно искажён и сдвинут по времени, но это не будет влиять на переходные процессы. Функциональная схема КИХ фильтра представлена на рисунке 9 и содержит блоки задержки сигнала на 1 период дискретизации (К), умножитель на константу (G) и сумматор (+). Рисунок 9. Функциональная схема КИХ фильтра Далее сигнал поступает на демодулятор, основной задачей которого является восстановление изначальной информации, которая была преобразована модулятором на «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 42 передающей части оборудования. Модуляция применяется в системах радиопередачи для возможности правильного функционирования приемопередающих устройств. Для оборудования было решено использовать фазовую модуляцию, по которой работает обработка сигнала в протоколе VDL Mode 4, а именно двоичная фазовая модуляция BPSK, применяемая для обработки униполярных и биполярных цифровых сигналов. В данной системе используется один канал для обработки данных, поэтому каждый бит информации обрабатывается одним символом. Демодуляция наглядно показана на рисунке 10, здесь каждый бит сигнала перемножается с символом синусоидального сигнала на перемножителе. На выходе получаем демодулированный сигнал. Рисунок 10. Функциональная схема демодулятора BPSK Демодулированный аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь. Аналогово-цифровой преобразователь – это устройство, представляющее из себя электрическую плату, которое работает, основываясь на теореме Котельникова и выполняет преобразование поступившего на вход платы аналогового сигнала в цифровой, представляющий собой последовательность битов из нулей и единиц. На выходе АЦП получаем цифровой сигнал, который представляет из себя информацию по протоколу VDL Mode 4, содержащий данные о номере машины, местоположении, скорости и другой информации, представленной в виде двоичной последовательности. Последний элемент приемной части системы оперативного мониторинга – это сам процессор, выполняющий обработку полученной информации. На вход процессора поступает двоичная последовательность, которая является пакетом данных, передаваемым по каналу связи. Роль процессора на приеме заключается в распознавании информации из полученного пакета, распределения ее по необходимым массивам, а также преобразования информации для вывода на подключенное оборудование. Функциональная схема оборудования системы оперативного мониторинга транспортных средств. Для полного понимания принципа работы оборудования для системы оперативного мониторинга транспортных средств необходимо рассмотреть функциональную схему всего оборудования в целом, содержащую, как разрабатываемую в данной работе приемную часть, так и передающую часть. На рисунке 11 изображена функциональная схема оборудования системы мониторинга. Передающая часть очень похожа на приемную часть, в этой части «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 43 оборудования происходят такие процессы как: преобразование цифровой последовательности в аналоговый сигнал в ЦАП, модулирование сигнала перемножением на косинус, фильтрование сигнала КИХ фильтром, усиление сигнала на усилителе мощности для возможности его успешной передачи и передача сигнала с помощью антенны. Рисунок 11. Функциональная схема оборудования системы мониторинга Разработка электрической схемы оборудования системы оперативного мониторинга транспортных средств Электрическая схема – это документ, дающий наглядное представление об элементах оборудования и принципах их взаимодействия. В отличие от функциональной схемы, электрическая схема предоставляет для обзора полный и подробный состав элементов, действующих при помощи электрических связей между ними, учитывает все взаимосвязи элементов схемы, кроме того предоставляются характеристики каждого элемента. Необходимость разработки электрических схем связана с ее дальнейшим применением при практической разработке устройства, так как она содержит понятия о том, какие элементы понадобятся и с какими параметрами, а также как правильно подключать элементы друг к другу. В данном разделе на рисунке 12 приведена полная электрическая схема для всего оборудования. Это связано с тем, что в электрической схеме нет разделения на приемную и передающую часть. Кроме того, представлено подробное описание основных элементов в электрической схеме. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 44 Рисунок 12. Электрическая схема оборудования для системы оперативного мониторинга транспортных средств «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 45 Список элементов, входящих в электрическую схему, а также их параметры и количество представлены в таблице 1. Таблица 1. Список используемых элементов в электрической схеме Элемент Номинальный параметр Количество ADSP-2181 - 1 AD1847JP - 1 DS1644 - 1 ADM232A - 1 LM78M05CT - 1 EVQPAC04M - 2 DJ005A - 1 Диод - 1 LN21RPHL - 1 LN31GPHL - 1 74HC14D - 6 Конденсаторы 0,1 мкФ 18 0,33 мкФ 3 18 пФ 6 Конденсаторы электролитические 1 мкФ 3 10 мкФ 3 Резисторы 0 Ом 2 1,6 Ом 1 270 Ом 2 2 кОм 2 10 кОм 9 100 кОм 3 Резонаторы 16,67 МГц 1 16,9344 МГц 1 24,576 МГц 1 Более подробно разберём основные элементы приведённой выше электрической схемы. Первый и самый основной элемент – ADSP-2181. ADSP-2181 – это сигнальный процессор семейства ADSP-21XX производства Analog Devices. Графическое представление этого процессора представлено на рисунке 13. Именно для этого процессора было разработано программное обеспечение для устройства системы оперативного мониторинга. Основными особенностями данного процессора является: 1) Наличие последовательных портов SPORT0 и SPORT1 для приёма и передачи информации от 3 до 16 бит за одно слово с возможностью по канального разделения и распределения в кольцевые буферы. 2) Наличие аппаратных средств, таких как АЛУ (арифметико-логическое устройство) для выполнения арифметических и логических операций с функцией деления, умножитель выполняющий умножение 16-ти разрядных операндов как с учетом знака операнда, так и без учета, а также сдвигатель для перемещения битов, поступающих 16-ти разрядных операндов по выделенному для сдвигателя 32-ух разрядному полю с различными функциями. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 46 3) Возможность выполнения за один машинный цикл, равный 25 нс, до трёх команд. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 47 Рисунок 13. Графическое изображение процессора ADSP-2181 «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 48 Следующим элементом таблицы является цифровой стерео кодек AD1847JP. Это устройство предназначено для преобразования аудио информации, его основной особенностью является наличие пары 16-ти битных стерео входов для ЦАП и пары 16-ти битных входов для АЦП. Преимуществом этого кодека является то, что он не требует высокого качества фильтрации сигнала для выполнения операции аналогово-цифрового преобразования, так как на аналоговом входе выполняется пред дискретизация, кроме того на входе дополнительно установлены НЧ фильтры. При выполнении операции цифро- аналогового преобразования так же установлены дополнительные цифровые фильтры для снижения шумов и среза паразитных составляющих полученного аналогового сигнала на высоких частотах. Данное устройство не требует никаких дополнительных элементов для выполнения преобразования ЦАП и АЦП и отличается своей невысокой стоимостью. Графическое представление кодека AD1847JP представлено на рисунке 14. Рисунок 14. Графическое изображение кодека AD1847JP Следующее устройство DS1644 представляет из себя энергонезависимое ОЗУ обладающее емкостью для накопления информации в 32 кБайт или 262144 бит. Этой емкости достаточно для разрабатываемого оборудования и используется в нем для хранения массивов данных, содержащих информацию о идентификаторах всех устройств в сети, а также ключей для реализации функции шифрования канала передачи. Так же неиспользуемые ячейки будут применяться для хранения параметров некоторых устройств в оборудовании, например, значений импульсных характеристик для применяемого фильтра. Кроме того, данное устройство включает в себя часы реального времени с функцией автоматической корректировки, что может использоваться в протоколе VDL Mode 4 в случае нарушения синхронизации времени по UTC. Особенностью используемой независимой памяти является наличие собственной электрической цепи, которая выполняет функцию защиты от сбоев питания, что позволит предотвратить потерю данных в случае непредвиденного отключения или скачков напряжения в оборудовании. Графическое представление энергонезависимого ОЗУ DS1644 представлено на рисунке 15. «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 49 Рисунок 15. Графическое изображение энергонезависимого ОЗУ DS1644 Ещё одно не менее важное устройство в электрической схеме – трансивер ADM222A являющийся улучшенной модификацией устройств семейства AD230-AD241, который выполняет функцию приёма и передачи информации по стандарту RS-232. Данный стандарт предполагает, что передача информации происходит при напряжении от 5 В, но при это приём осуществляется на напряжении до 3 В. На данном устройстве эта возможность реализуется через встроенные в чип усилители мощности, а также устройства сдвига уровня сигнала, что позволяет достигнуть минимального рассеяния мощности. Таким образом, достигается передача сигнала с напряжением 9 V. Приемная часть устройства позволяет инвертировать приходящий сигнал с уровнем напряжения от 3 В до 15 В в сигнал с уровнем 0,8 В – 2,4 В с использованием резисторов номиналом в 5 кОм. Графическое представление трансивера ADM222A представлено на рисунке 16 Рисунок 16. Графическое изображение трансивера ADM222A «Оригинальные исследования» (ОРИС) • № 05 • 2021 ores.su 50 Так же в электрической схеме применяется линейный стабилизатор напряжения с положительной полярностью LM78M05CT имеющий выход с напряжением 5 В и выходным током 500 мА. Так же стабилизатор обладает автоматическим термальным выключателем. Задачей данного устройства является поддержание постоянного напряжения 5 В в электрической схеме при нестабильном входном напряжении. Стабилизатор необходим, так как все рассмотренные ранее устройства функционируют именно при напряжении 5 В. Для включения и выключения оборудования системы оперативного мониторинга транспортных средств в схеме используется выключатель EVQPAC04M. Для подключения внешнего питания к оборудованию в схеме применяется трех контактный цилиндрический разъем питания типа «Jack» с маркировкой DJ005A. Для отслеживания состояния оборудования в схеме подключено два светодиода, один светодиод LN21RPHL красного цвета, и один светодиод LN31GPHL красного цвета. Для выполнения функции инвертирования поступающей последовательности для корректной работы схемы применяется логические элементы 74HC14D в количестве 6 штук. Данное устройство выполняет логическую команду «НЕ». |