10. Интерфейс микропроцесорных систем автоматизации

Интерфейс микропроцессорных систем автоматизации (СА), реализованных в соответствии со схемой (см. рис. 1.1), это совокупность программного обеспечения и технических средств, осуществляющих связь микроконтроллера с объектом автоматизации, приведение в соответствие уровней и форм сигналов, и выбор направления их передачи.

Датчики и исполнительные устройства СА могут находиться на значительных расстояниях от микроконтроллера, но система должна обеспечивать большую точность передачи информации с минимальным запаздыванием. В качестве переносчика информации используют электрический ток или электромагнитные колебания, обладающие свойством изменять свою форму или параметры под воздействием сообщения или информации и превращаться при этом в сигнал. Информация - это часть сообщения, имеющая новизну.

Так как передаваемых сигналов, несущих информацию много, а их переносчик один, то сигналы должны отличаться друг от друга и соответствовать передаваемой информации, т. е. образовываться по определенному закону. Передаваемые сообщения могут быть непрерывные или дискретные. Непрерывные сообщения представляют речь, музыку или изменяющиеся во времени параметры U, I, P, t и т. д. Дискретные сообщения представляют собой последовательность импульсов напряжения разной амплитуды и формы, которые различают, обозначая символами 0 и 1.

Каждый символ 0 и 1 несет информацию, объемом в 1 Бит и является основанием двоичной системы счисления. Объем информации N, передаваемой в двоичной системе, определяется выражением N = 2ⁿ, где n - число бит.

Непрерывные сообщения можно передавать в дискретной форме путем их дискретизации по времени и квантования по амплитуде.

Структурная схема системы электросвязи (СЭС) для передачи информации имеет следующий вид (рис. 10.1).

И И - источник информации s_i(t); n_i - переносчик информации с нанесенной на него информацией u_i(t); канал - канал связи, в котором на сигнал может накладываться помеха n(t) и изменять параметры сигнала x(t) = u_i(t) + n(t) - сигнал с помехой; n_м - приемник сигнала, выделяющий из него информацию s_i(t ); ПИ - приемник информации.

10.1. Каналы связи

Канал связи - совокупность технических средств, предназначенных для передачи сигналов и среды распространения любых сигналов от источника к получателю. При распространении по каналу сигнал претерпевает изменения из-за поглощения, рассеяния, воздействия помех и т. д.

В канал связи от источника подаются импульсы постоянного тока или электромагнитные колебания в диапазоне частот от единиц Гц до 3000 ГГц.

Исходя из условий распространения электромагнитных колебаний в проводных каналах или воздушной и других средах, весь диапазон частот принято делить на поддиапазоны и характеризовать не только частотой, но и длиной волны (табл.10.1).

Классификация радиоволн Таблица 10.1

Частоты	Длина волны, м	Название поддиапазона
0-3 кГц	0-1000000	звуковые частоты
3-30 кГц	100000-10000	мириаметровые частоты
30-300 кГц	10000-1000	километровые частоты
300-3000 кГц	1000-100	гектометровые частоты
3-30 МГц	100-10	декаметровые частоты
30-300 МГц	10-1	метровые частоты
300-3000 МГц	1-0,1	дециметровые частоты
3-30 ГГц	0,1-0,01	сантиметровые частоты
30-300 ГГц	0,01-0,001	миллиметровые частоты
30-3000 ГГц	0,001-0,0001	децимиллиметровые частоты

В последние 20 лет активно осваивался для связи диапазон частот 10²  10³ ТГц (терагерц) 1 ТГц = 10¹² Гц, где длина волны достигает 1 мкм (1/1000 миллиметра), т. е. лежит в области световых волн. Сейчас для связи используют инфракрасную область световых волн с длиной волны 1,3 - 1,55 мкм, а информацию передают по оптоволоконным световодам, используя излучение полупроводникового лазера.

Каналы связи принято характеризовать следующими параметрами:

1) диапазоном рабочих частот f₀;

2) шириной полосы пропускания f_к = f_max - f_min;

3) динамическим диапазоном Д_к = Р_к maх –P_к min, определяемому разностью уравнений мощности сигнала. Динамический диапазон часто оценивают затуханием сигнала  на один километр длины канала в децибелах (дб/км) или неперах (Нп/км);  = 10 lg(P_к max /P_к min), дб/км или  = 0,5 ln(P_к max /P_к min), Нп/км.

Ширина полосы пропускания канала зависит от среды и его структуры (материала, конструкции токоведущих проводов). Так верхняя передаваемая частота для воздушных двухпроводных линий связи из стали равна 31 кГц, а из меди 145 кГц. У симметричных медных кабелей - 850 кГц, а у коаксиальных кабелей до 10 мГц.

При выборе канала для передачи сигналов необходимо, чтобы параметры канала были выше соответствующих параметров сигнала: ширины спектра f_c = f_c max - f_c min, динамического диапазона Д_с = Р_c max - Р_c min, максимальной частоты f_c max. Если f_c<f_к, то пропускная способность используется не полностью, а если f_c> f_к, то происходит искажение сигнала на выходе канала.

У дискретных сигналов важными параметрами являются:

- длительность t_c;

- объем V_с = t_cf_clog2(P_c /P_помехи);

- количество информации N = 2ⁿ.