2.5. Многоканальные системы для передачи измерительной информации

Часто при построении ИИС требуется одно­временно передавать информацию от множества объектов (датчиков) к одному получателю. Использовать для передачи сообщений от каждого объекта отдельную линию связи нерентабельно, или невозможно. Поэтому возникает необходимость передавать всю информацию по одной и той же линии, но так, чтобы каждое сообщение передавалось по своему каналу связи. Для этого на пе­редающем конце линии необходимо устройство уплотнения каналов (рис. 2.5.1).

Рис. 2.5.1. Принцип построения многоканальной системы

На приемном конце линии соответствующие устройства разде­ляют сообщения, направляя каждое своему получателю информа­ции ПИ. Такая система связи, когда при одной линии создается множество каналов, называется многоканальной. На совре­менных линиях число каналов может достигать сотен и тысяч.

Чтобы передаваемые по каналам сигналы можно было разделить, их нужно различать по каким-то призна­кам. В зависимости от того, какие признаки сигналов используются для разделения каналов, различают методы частотного и временного разделения каналов. В некоторых системах используют комбинированное, т.е. совме­стно частотное и временное разделение. Возможно также разделе­ние по форме сигналов и фазе.

В системах с частотным разделением каналов чаще использует­ся амплитудная, частотная и фазовая модуляции. В системах с вре­менным разделением каналов может применяться любой ее вид.

Разделение каналов по частоте основано на том, что каждо­му каналу выделяется своя полоса частот. Структурная схема системы с частотным разделением каналов приведена на рис. 2.5.2. Сигналы, пропорциональные измеряемым величинам, с датчиков Д₁, Д₂,..., Д_n поступают на вход модуля­торов поднесущих частот МП₁, МП₂, ..., МП_n. На другой вход мо­дуляторов подается напряжение с генераторов поднесущей часто­ты ГП₁, ГП₂, ..., ГП_n. Напряжения генераторов, промодулированные по амплитуде, частоте или фазе, подаются на суммирующее устройство , где суммируются. Это результирующее напряжение поступает на модулятор несущей М, в котором осуществляется вто­ричная модуляция, и затем на передающее устройство ПУ.

Рис. 2.5.2. Структурная схема системы с частотным разделением каналов

На приемной стороне колебания усиливаются в приемном устройстве Пр и далее поступают на демодулятор несущей ча­стоты ДН. Напряжение на выходе ДН, имеющее такой же вид, что и напряжение на входе модулятора М, через полосовые фильтры Ф₁, Ф₂, ..., Ф_n, выделяющие поднесущие ко­лебания, подается на демодуляторы поднесущих колебаний ДП₁, ДП₂, ..., ДП_n и затем через фильтры низких частот ФНЧ к потре­бителю информации или на регистрирующее устройство РУ.

В некоторых случаях структурная схема может быть значитель­но проще. В частности, датчик, модулятор и генератор поднесущей частоты могут представлять единый узел. Примером такого узла при ЧМ может служить LC- или RС-генератор, частота колебаний которого меняется в зависимости от положения подвижной пласти­ны конденсатора, перемещающейся под действием измеряемой ве­личины X. При амплитудной модуляции можно объединить в один узел датчик и модулятор поднесущей. Примером этого является мост, питаемый переменным током, в одно или несколько плеч ко­торого включены фото-, термо- или тензорезисторы. Может отсут­ствовать также и модулятор М, в этом случае вторичная модуляции осуществляется в передатчике. Кроме того, схема зависит и от вы­бранного вида модуляции.

Разделение каналов по времени основано на том, что каждому каналу выделяется заранее известный отрезок времени. В таких системах информация по каж­дому каналу передается периодически в течение короткого проме­жутка времени, причем это время намного меньше периода опроса всех каналов, а в остальную часть периода информация передает­ся по другим каналам. Иначе говоря, если в системах с частотным разделением каналов каждому выделяется определенная полоса частот, то здесь каждому каналу задается свой интервал времени.

Следует заметить, что как при частотном, так и при временном разделении каналов для уменьшения влияния канала на канал между ними нужно оставлять защитные промежутки. Значения этих промежутков по частоте или по времени определяются допу­стимыми погрешностями систем.

Структурная схема системы с временным разделением каналов приведена на рис. 2.5.3. С помощью коммутатора K₁ к модулятору М, а затем к передающему устройству ПУ пооче­редно подключаются датчики Д₁, …, Д_n. Во многих системах име­ются также датчики калибровочного сигнала Д_к для периодиче­ской поверки системы.

Рис. 2.5.3. Структурная схема системы с временным разделением каналов

На приемной стороне системы после демодуляции (ДМ) каналы разделяются коммутатором K₂, синхронно связанным с K₁. Сигна­лы, соответствующие каждому каналу, поступают на свои регист­рирующие устройства РУ. Кроме того, в системе может быть реги­стрирующее устройство (РУ_), записывающее суммарный сигнал до разделения каналов.

Синхронизация режимов на передающей и приемной сторонах осуществляется с помощью синхронизирующих устройств. Синхро­низирующее устройство передающей стороны (СНХ) вырабатывает импульсы синхронизации, отличающиеся каким-либо образом от сигналов, несущих измерительную информацию. Эти импульсы пе­редаются по линии связи и воспринимаются синхронизирующим устройством приемника, которое управляет устройством движения (УД) коммутатора К₂.

Напряжение на выходе коммутатора К₂ для случая, когда ис­пользуется амплитудная модуляция сигналов, имеет вид, показанный на рис. 2.5.4. Импульс синхронизации на этом рисунке отли­чается своей шириной.

На рис. 2.5.5 показана работа многоканальной измерительной си­стемы при широтно-импульсной модуляции. В этом случае наи­большая ширина импульса, соответствующая максимально возмож­ному значению измеряемого параметра, должна быть меньше вре­мени, отведенного для данного канала. Здесь импульс синхрониза­ции отличается от канальных импульсов своей амплитудой. Часто импульсы синхронизации также отличаются своей шириной. Для этого их ширину берут в 4–5 раз больше максимальной ширины канальных импульсов.

Рис. 2.5.4. Вид выходных сигналов при АМ

Рис. 2.5.5. Вид выходных сигналов при ШИМ

Так как при временном разделении каналов измеряемый про­цесс передается в виде отдельных выборок, отстоящих друг от дру­га на расстоянии t, на приемном конце измерительной системы не­обходимо восстановить процесс по этим выборкам. Поэтому период работы коммутатора должен быть найден, исходя из погрешности восстановления исследуемого процесса.

В частности, если воспользоваться теоремой Котельникова, то

(2.5.1)

где – полоса частот самого быстроменяющегося измеряемого параметра.

В ряде случаев восстанавливать исходный процесс можно, ис­пользуя, например, фильтр нижних частот.

Синхронизацию коммутаторов на приемном и передающем кон­цах линии можно осуществлять несколькими способами:

а) пошаговой синхронизацией – в этом случае работой коммута­торов K₁ и К₂ управляет один генератор так, что каждому выход­ ному импульсу управляющего генератора соответствует один шаг коммутаторов;

б) циклической синхронизацией – при этом каждый из коммутаторов управляется своим генератором импульсов; естественно, что частоты генераторов должны быть при этом равны; вследствие не­которого неравенства частот синхронизация нарушается и один из коммутаторов начинает отставать, причем это отставание с каж­дым периодом будет увеличиваться. Для исключения рассогласо­вания работы коммутаторов после каждого периода управляющие генераторы должны быть синхронизованы.

Опрос каналов при временном разделении может происходить периодически, когда все датчики последовательно подключаются к системе на равные интервалы времени и непериодически.

При непериодическом обслуживании каналов возможны два ре­жима работы. В первом датчики подключаются к системе только тогда, когда происходит определенное изменение измеряемой вели­чины. При этом возможны «естественная» дисциплина обслужива­ния, когда датчики (каналы) обслуживаются в порядке очередно­сти поступления «заявок», и обслуживание с приоритетом, когда какой-то i-й канал (или каналы) подключаются сразу же после по­ступления «заявки» вне зависимости от длины очереди.

Во втором режиме выборка того или иного канала происходит случайно и не зависит от характера изменения измеряемой вели­чины. При непериодическом опросе каждому каналу также соот­ветствует какой-то интервал времени, но он не является определен­ным для данного канала. Поэтому для различения сигналов, сле­дующих по разным каналам, необходим дополнительный различи­тельный признак. При передаче по каналам кодовых групп таким признаком может служить код номера (адреса) канала. Подобное различение каналов иногда называют методом кодового разделения каналов.

Частотное и временное разделение каналов можно использовать и совместно в одной измерительной системе. На рис. 2.5.6 приведена система с частотным разделением каналов, в ко­торой несколько каналов уплотняются временным разделением. Из рисунка видно, что на передающей стороне один модулятор поднесущей (МП_k+1) и один генератор поднесущей (ГП_k+1) с по­мощью коммутатора К₁ поочередно обслуживают n каналов. Таким образом, информация по этим каналам передается на одной подне­сущей частоте. На приемной стороне эта поднесущая выделяется фильтром Ф_k+1, а в дальнейшем каналы разделяются коммутато­ром К₂, работающим синхронно с К₁. Это позволяет значительно увеличить число каналов на одной линии.

Рис. 2.5.6. Структурная схема системы с частотным и временным

разделением каналов

В системах с разделе­нием каналов по форме сигнала канальные сигналы могут иметь перекры­вающиеся спектры и поступать в линию связи одновременно. Так как признаком, отличающим один сигнал от другого, является его форма, для разделения необходимо использовать устройства, вы­ходные сигналы которых наиболее чувствительны к изменению фор­мы. Такими устройствами являются вычитающие, дифференцирую­щие и интегрирующие цепи.

Принцип разделения по форме сигнала рассмотрим на примере трехканальной системы, в которой действуют сигналы U₁(t) = U₁, U (t) = U₂t, U₃(t) = U₃t² и в линию связи поступает их сумма U(t) = U₁ + U₂t + U₃t². Сигналы имеют форму, показанную на рис. 2.5.7, а. Уст­ройство разделения каналов на приемной стороне имеет вид, пока­занный на рис, 2.5.7, б. Для выделения сигнала U₃(t) принятое на­пряжение последовательно дифференцируется цепочками ДЦ₁ и ДЦ₂, напряжения на выходе которых U '(t) = U₂+2U₃t, U ''(t)=2U₃, а затем дважды интегрируется цепями ИЦ₁ к ИЦ₂.

Рис. 2.5.7. Разделение канала по форме сигнала:

а)форма канальных сигналов; б) структурная схема устройства разделения каналов

Для выделения сигнала второго канала напряжение с выхода ДЦ₁ интегрируется цепочкой ИЦ₃, а затем из него вычитается (в вычитающем устройстве ВУ₁) выходное напряжение третьего канала. Таким образом, осуществляется операция

(2.5.2)

Сигнал, следующий по первому каналу, можно выделить вычи­танием из суммарного напряжения выходного напряжения интегра­тора ИЦ₃. Тогда

. (2.5.3)

Разделение сигналов по форме является частным случаем раз­деления по частоте.

Разделение каналов по фазе требует 90° сдвига между канальными сигналами и поэтому практическое использование его очень ограничено. Вообще говоря, возможно сов­местное использование частотного и фазового разделения, что позво­ляет увеличить в два раза число каналов системы с частотным разделением.