А. Романов, Е. Козлов

Назначение, общая концепция магистрали

    Рассмотренная в статье система радиотелеметрии предназначена для построения беспроводной магистрали единого управления и сбора данных с функционально законченных устройств. Основным достоинством такой магистрали является возможность оперативного и независимого пространственного перемещения устройств, объединённых ею, в пределах сферы устойчивой связи. Такая независимость позволяет создать эффективные и эргономичные устройства и системы для:

• считывания штрих-кодов и кредитных карточек;
• идентификации личности и различных объектов;
• охранной сигнализации;
• обмена управляющей информа-цией и данными с объектами, установленными в труднодоступных местах;
• управления стандартными внешними устройствами персонального компьютера;
• управления бытовыми приборами и игрушками;
• спортивной биотелеметрии;
• клинической и экспериментальной медицины;
• других приложений.

    Практически, магистраль была использована при создании медицинского диагностического комплекса. В этом случае устройства, помещаемые на пациенте (группе пациентов), выполняются автономными, как за счёт предлагаемой виртуальной магистрали, так и за счёт возможности использования низковольтного источника батарейного питания с малой энергоёмкостью. Такая автономность снижает требования ГОСТ 12.2.025-76 к электробезопасности пациента и позволяет оперативно перестраивать структуру диагностического комплекса под конкретное медицинское подразделение с конкретными характеристиками используемого помещения.

Структура магистрали

    Магистраль представляет собой систему с одним ведущим и несколькими ведомыми устройствами (рис. 1).

Рис. 1. Схема магистрали

    В качестве программной модели магистрали была использована трёх-уровневая модель Meter Bus (автор Dr. Horst Ziegler из университета Падеборна в сотрудничестве с Texas Instruments Deutschland GmbH и Techem GmbH). Протокол магистрали MBus наилучшим образом подходит для построения радиотелеметрической шины, так как содержит формализованные средства управления процессом обмена информацией при повышенной вероятности коллизий на магистрали или пропадания информационных пакетов. Магистраль MBus в качестве физической среды использует двухпроводный кабель, по которому передаётся информация и питание. Настоящая радиотелеметрическая магистраль в качестве физической среды использует радиоканал.

    Основное назначение телеметрической системы — управление ведомыми объектами и сбор телеметрической информации. Для реализации настоящей задачи в системе предназначены следующие информационные пакеты (согласно спецификации MBus):

• SHORT FRAME (короткий управляющий фрейм), если в пакете отсутствуют данные:
  
  

  Start 0x10

  C field

  A field

  Check sum

  Stop 0x16

• CONTROL / LONG FRAME (длинный управляющий фрейм), если в пакете присутствуют данные:
  
  

  Start 0x16

  L field

  L field

  Start 0x68

  C field

  A field

  I field

  Data

  Check sum

  Stop 0x16

• SINGLE FRAME (подтверждение приёма):
  
  

  0xe5

    где Start 0x10 (Start 0x68) — заголовок пакета типа SHORT (CONTROL/LONG); C field — поле кода команды (заданной функции); A field — поле адреса ведомого устройства; L field — размер в байтах LONG пакета (для CONTROL пакета [L field = 3]); I field — дополнительная информация, если требуется; Data — пакет данных 0–252 байт (объём с учётом управляющих полей CONTROL/LONG фреймов); Check sum — контрольная сумма пакета; Stop 0x16 — окончание пакета.

    Дополнительную информацию относительно информационной модели магистрали можно узнать из спецификации Meter Bus (www.m-bus.com).

    Каждый передаваемый байт фрейма состоит из 14 информационных бит:

    где ST — старт-бит “0”; Mi — коды Хэмминга; Ki — информационные биты фрейма (K8 — старший бит); PR — бит чётности.

    С учётом бита чётности, применённое кодовое расстояние кодирования по Хэммингу — d = 4, то есть:

• констатируются двойные ошибки в каждом переданном байте пакета;
• исправлются одиночные ошибки в каждом переданном байте пакета.

    Важной особенностью радиоканала является недопустимость трансляции постоянного информационного уровня. Наилучшее отношение сигнал/шум в радиоканале достигается соотношением 50%–50% информационных бит высокого и низкого логического уровней. Для соответствия названному условию существует несколько традиционно используемых способов представления информации при передаче через радиоканал. Некоторые из них:

• Manchester-кодирование — представление каждого информационного бита двумя: логическая “1” передаётся кодом “10”, а логический “0” — кодом “01”;
• прореживание информационного сообщения: если встречается три последовательных одинаковых логических уровня, то они дополняются одним противоположным логическим уровнем;
• скремблирование: каждый байт информации табличным способом перекодируется в 12-бит сообщение, где гарантируется прореживание, как в предыдущем способе.

    Эксперименты показали, что в условиях значительного шума в канале (неблагоприятные условия) Manchester-код не позволяет уверенно синхронизировать приёмник ведомого устройства. Другие способы требуют декодирования принятой информации, что в режиме on-line не всегда возможно.

    В настоящей телеметрической системе использован широтный метод кодирования информационного бита. При этом логический уровень каждого бита кодируется последовательностью высокого и низкого уровней сигнала различной длительности.

    Принятый метод позволяет передавать информацию непрерывно, без учёта необходимости отведения времени на её обработку и позволяет надёжно синхронизироваться и детектировать ошибки в условиях зашумлённого канала.

    Все передаваемые фреймы защищены на следующих уровнях:

• синхронизации радиоканала на физическом уровне программной модели;
• формирования информационного бита (ШИМ кодирование бит информации);
• контроля чётности во фрейме;
• поиска и исправления ошибок по коду Хэмминга;
• контроля целостности заголовка пакета;
• анализа контрольной суммы пакета.

Стационарный модуль (мастер магистрали)

    В настоящей радиотелеметрической магистрали в качестве ведущего устройства (мастер-устройства) выбран персональный компьютер.

    Модуль трансивера выполнен в корпусе 9-контактного разъёма DB9. Устройство обменивается информацией с компьютером по по-следовательному порту и от него же питается. Непосредственно в качестве трансивера могут быть использованы микросхемы и модули, выпускаемые фирмами RF monolithics Inc. (www.rfm.com), STE electronica telecomnicazioni (www.stecom.com) и др. Трансивер полностью выполняет функции физического уровня 3-уровневой программной модели протокола разработанной магистрали. Функции Data Link уровня протокола выполняет высокопроизводительный микроконтроллер AVR семейства фирмы ATMEL AT90S2313. Основные достоинства, определившие выбор данного микроконтроллера — возможность работы от напряжения 3 В (с целью снижения потребляемого модулем тока), наличие аппаратного коммуникационного модуля UART (в системе реализована коммуникационная скорость 38400 бод), высокая производительность (при тактовой частоте 8,00 МГц время выполнения одной команды — от 125 нс) и развитая система команд. Названные достоинства позволили сделать “прозрачным” для системы наличие микроконтроллера уровня Data Link, на котором выполняются операции измерения длительности информационных бит, обработка принятой информации, кодирование и декодирование пакетов по алгоритму Хэмминга (с исправлением ошибок, если требуется) и другие сервисные процедуры, не требующие дополнительного времени при двунаправленных транзакциях.

Автономный модуль — ведомое устройство

    Ведомое устройство выполнено в двух модификациях:

• аппаратный конвертор стандартных коммуникационных протоколов (рис. 2а);
• исполнительное управляемое устройство (рис. 2б).

Рис. 2. Схема ведомого устройства

    В первом случае автономный модуль выполняет функции магистрального моста — расширителя внутрикрейтового интерфейса (например, I2C) на удалённые устройства. В этом варианте виртуальная радиотелеметрическая магистраль может представляться пользователем как часть стандартной внутрикрейтовой шины с полным сохранением её спецификации, кроме значений скоростей передачи информации, превышающих пропускную способность виртуальной магистрали.

    Второй вариант предполагает использование исполнительного устройства как удалённого активатора, информационно связанного с мастером шины. Некоторый определённый пользователем список команд (функций) ставится в соответствие возможным выполняемым действиям ведомого терминала (контроллера AT90S8515), после чего управление ведомыми устройствами производится на высоком уровне приложения персонального компьютера. Ведомое исполнительное устройство, в соответствии с заданной функцией, будет активировать те или иные действия и отвечать мастеру о выполнении функции или передавать необходимые данные.

Некоторые технические характеристики

• Количество ведомых устройств на виртуальной магистрали до 250.
• Удаление ведомого устройства от мастера в насыщенном помещении до 10 м.
• Скорость передачи информации трансивером до 115,2 кбод.
• Несущая частота 433,92 МГц.
• Скорость обмена информацией по COM-порту 38400 бод.
• Метод кодирования бит информации - ШИМ.
• Метод кодирования пакетов информации - Хэмминг.
• Протокол магистрали MBus.

    В настоящее время разработанная виртуальная магистраль проходит испытания в системе оценки состояния основных физиологических систем организма человека по ритмам сердца и мозга.

Тел.: (812) 247 8900  

Автор документа: Сергей Гаврилюк , http://www.gaw.ru"	Дата публикации: 08.08.2007 Дата редактирования: 08.08.2007
Кол-во просмотров 2030
Все новости одной лентой