Синтез функциональной схемы системы

6. Синтез функциональной схемы системы.

Функциональная схема показывает взаимодействие устройств, блоков, узлов и элементов системы в процессе её работы.

Функциональная схема выполняется на уровне блоков, которыми являются распределители, регистры, дешифраторы, генераторы и т.д.

Рассмотрим отдельные узлы функциональной схемы.

На рис.6.1 приведена бесконтактная схема управления «светлым щитом». В общем случае «светлый щит» представляет собой щит со светящимися лампами сигнализации, воспроизводящий сообщение о состоянии каждого объекта световым сигналом лампы. Несоответствие указывается миганием лампы положения или включением специальной лампы.

В нашем случае «светлый щит» построен по схеме с двумя лампами, причем при отключенном объекте горит лампа управляемая цепью «сигнализация 1», а лампа управля-

емая цепью «сигнализация 2» погашена. При изменении состояния управляемого объекта горящая лампа гаснет, а вторая лампа начинает мигать до тех пор пока ключ квитирования (КК) не установится в положение соответствующее состоянию управляемого объекта. Верхнее положение КК соответствует включенному, а нижнее - выключенному состоянию объекта управления.

Рассмотрим работу схемы управления. Пусть ключ квитирования установлен в верхнее положение и из объекта управления приходит сигнал, что он находится в включенном состоянии. В этом случае триггер 1 и триггер 10 будут находиться в одинаковом единичном состоянии (при наличии разрешения прохождения сигнала квитирования уровнем логической 1). При этом на выходах элементов 15 и 16 уровень логического 0 и следовательно на выходе элемента 17 уровень логического 0, т.е. сигнал «несоответствие» отсутствует. С выхода элемента 18 логическая 1 поступает на входы элементов 6 и 8, а логическая 1 с прямого выхода триггера 1 на входы элементов 6 и 7. Таким образом на выходе элемента : появляется логическая 1,которая через элемент 11 поступает в усилитель 21, где усиливается и подается в цепь «сигнализация 2» зажигающая лампу свидетельствующую о включенном состоянии объекта управления.

Если состояние объекта управления изменилось «отключено» ,то приходит сигнал на вход R триггера 1 и он устанавливается в нулевое состояние. При этом на выходах элементов 15 и 16 образуются уровни логической 1. На выходе элемента 17 формируется сигнал «несоответствие» уровнем логической 1.

С выхода элемента 18,уровень логического 0 поступает на вход элемента 6,на его выходе формируется 0. Уровень логического 0 с прямого выхода триггера 1 формирует 0 на выходе элемента 7. Таким образом на выходе элемента 11 уровень 0 и цепь «сигнализация 2» устанавливается в 0,лампа в этой цепи гаснет. Вместе с тем логический 0 с выхода элемента 18 формирует 0 на выходе элемента 8,а логическая 1 с инверсного выхода триггера 1 разрешает прохождение низкочастотных импульсов с генератора НЧ,которые проходя через элемент 12 и усилитель 14 вызывают мигание лампы в цепи. При установке ключа квитирования в нижнее положение «отключено» триггер 10 устанавливается в нулевое положение, что приводит к появлению 0 на выходах элементов 15, 16, 17 и снятия сигнала «несоответствие».

Появление логической 1 на входе элемента 8 формирует на его выходе логическую 1, которая через элемент 12 и14 устанавливают цепь «сигнализация 1» в состояние логической 1,что соответствует зажиганию лампы стоящей в данной цепи.

Схема синхронизации распределителей импульсов.

В системе применена циклическая схема синхронизации распределителей.

На рис.6.2 представлена циклическая схема синхронизации распределителей. Питание распределителей на ПУ и КП осуществляется от генераторов (Г) частота генерации которых должна быть одинаковой. Т.к. практически невозможно сделать два генератора, которые генерировали бы строго одинаковую частоту, то следовательно через некоторое время после включения импульсы распределителей на ПУ и КП не будут совпадать. Во избежании этого в начале каждого цикла с одного из распределителей (ведущего) обычно замкнутого в кольцо и непрерывно (циклически) работающего посылается синхронизирующих сигнал (СС) на другой распределитель (ведомый). Ведомый распределитель запускается в начале цикла и останавливается в конце. В следующем цикле он вновь запускается СС и так каждый цикл. Синхронизация распределителей в каждом цикле делает надёжной их работу и является основным преимуществом циклической синхронизации. Однако в этом случае стабильность частоты генераторов должна быть такой, чтобы рассогласование их частот не привело к несовпадению импульсов в пределах одного цикла. Вероятность рассогласования возрастает с увеличением числа элементов распределителя. Во избежании рассогласования частот генераторов в цикле целесообразно использовать дополнительное синфазирование по импульсам.

На рис.6.3 представлена функциональная схема формирования импульсов, а на рис.6.4 временные диаграммы её работы, схема работает следующим образом. По сигналу Пуск триггера 2 и 5 устанавливаются в 1. Триггер 5 формирует передний фронт СИ, а триггер 2 разрешает прохождение тактовых импульсов с задающего генератора 1.через схему 3 на делитель частоты 4 с коэффициентом деления «К».

С появлением первого импульса от делителя триггер 5 устанавливается в нулевое состояние в результате чего формируется СИ. Тактовые импульсы ТИ предназначенные для управления работой распределителя импульсов поступают с частотой f/К на выход через схему 6. Цикл формирования СИ и ТИ завершается при поступлении сигнала «Сброс» на вход R триггера 2.

В приёмном устройстве блок синхронизации состоит из анализатора длительности импульсов и формирователя тактовых импульсов. Анализатор выделяет синхроимпульсы и запускает формирователь тактовых импульсов (ТИ) обеспечивающий синхронную работу приёмного и передающего распределителей.

Функциональная схема анализатора длительности импульсов (АДИ) и формирователя тактовых импульсов показана на рис.6.5, а временные диаграммы её работы на рис.6.6.

Схема работает следующим образом. Импульсы поступают на вход одновибратора 1 и запускают его своим передним фронтом. Одновибратор вырабатывает импульсы, длительность которых соответствует длительности синхроимпульсов. Формирователи 2 и 3, в качестве которых используются дифференцирующие цепи, выделяющие задние фронты (срезы) всех поступающих на их входы импульсов. Очевидно, что на входе схемы 4 получается сигнал только в случае поступления СИ на вход АДИ. Выделенный сигнал устанавливает триггер 5 в единицу, которая разрешает прохождение импульсов от задающего генератора 6 через схему 7 на вход делителя частоты 8.

Выходные ТИ управляют работой распределителя импульсов. На последнем такте работы триггер 5 сбрасывается в 0.

Аналого-цифровой преобразователь (см. рис.6.7).

 

Согласно заданию для системы должен быть разработан преобразователь перемещения в код Грея. Число разрядов преобразователя при погрешности преобразования 1% определено в разделе и составляет 7 разрядов двоичного кода. Количество разрядов двоичного кода и кода Грея совпадают, следовательно преобразователь 7-ми разрядный. Разрабатываем фотоэлектрический преобразователь перемещений в код Грея построенный по методу считывания. Функциональная схема такого преобразователя приведена на рис.6.7.

В фотоэлектрических преобразователях в качестве задающего элемента используется оптическое стекло, на которое нанесена кодовая маска в виде сочетаний прозрачных и не прозрачных участков. В качестве чувствительных элементов применяются фотоэлементы.

Свет от источников проходит через оптическое устройство, формирующее луч считывания и кодовый диск и попадает на фотоэлементы. Если между источником света и фотоэлементом находится прозрачный участок диска, то фотоэлемент будет находится в проводящем состоянии, что соответствует наличию 1 в данном разряде кода. Если между источником света и фотоэлементом находится непрозрачная площадка, то последний не будет проводить и это состояние будет соответствовать 0. Далее через усилитель сигналов код пересылается для записи в запоминающее устройство.

Применение в данном типе преобразователя кода Грея определяется следующими соображениями. При применении обычного двоичного кода из-за технологических погрешностей (перенос задающего элемента, неточность нанесения маски) могут возникать большие погрешности из-за возможного неодновременного изменения цифр в отдельных разрядах двоичного числа во время перехода от одного числа к другому. Причем ошибка может быть как минимальной, если она возникает в младшем разряде, так и максимальной, если она возникает в старшем разряде кода.

Для устранения этого недостатка и применяется код Грея, т.к. в этом коде при переходе от одного числа к другому комбинация изменяется только в одном разряде, а не в нескольких, как в двоичном коде. Причем кодовая маска составлена так, что изменение (в старшем или младшем – безразлично) может дать погрешность только на единицу, т.е. в весе младшего разряда.

Цифро-аналоговый преобразователь.

ЦАП второго ТИ строится по методу суммирования токов с весовыми значениями резисторов (см. рис.6.8). ЦАП состоит из последовательно-параллельного регистра, преобразующего последовательный код в параллельный, источников тока I₁ – I_n, ключей коммутации К₁ – К_n, декодирующей сетки, выходного усилителя. При поступлении последовательного кода, он преобразуется в параллельный, который поступая на управление ключами коммутации заменяет соответствующие из них. На входе выходного усилителя формируется напряжение в соответствие с поступившем кодом. Декодирующая сетка с весовыми резисторами для преобразования кода в напряжение по методу суммирования токов состоит из последовательно соединённых резисторов, сопротивления которых пропорциональны весам двоичных разрядов. Все источники тока дают одинаковое значение тока и имеют бесконечно большое внутреннее сопротивление. на выходе сетки представляет собой суммарное падение напряжения на цепочке резисторов. Если замкнуть только ключ К_n, то ток источника I_n протекает по всем сопротивлениям схемы и

U_вых = IR∙2 ^n-1.

Если все ключи замкнуты, то на выходе возникает максимальное значение напряжения:

U_вых = IR∙ (2 ^n-1 + 2 ^n-2 + … + 2¹ + 2⁰).

Это значит, что выходное напряжение является функцией преобразуемой кодовой комбинации при условии, что сопротивление и источники тока идеальные.

Цифровая индикация.

Для отображения цифровой информации полученной с выхода АЦП в системе используется устройство цифровой индикации с формированием цифр в процессе считывания. В нашем случае применяем индикаторы на светодиодных матрицах, в которых формирование цифры происходит из семи полосок, так называемые семисигментные индикаторы. Такие индикаторы требуют специальное устройство для их управления, которое называется дешифратором двоичного кода в код управления семисигментным индикатором. Одна декада такого семисигментного индикатора с дешифратором изображена на рисунке 6.9. В качестве индикатора используется семисигментный индикатор АЛС 321, а в качестве дешифратора интегральная микросхема 514 ИД 2. Например, при поступлении на вход дешифратора кода соответствующего четырем, т.е. 0100, открываются ключи выходам дешифратора 514 ИД 2 и начинают светиться сегменты 2,3,6,7, образуя цифру 4.

Преобразователь двоичного кода в инверсный.

В качестве кода адреса КП используется инверсный код. Инверсный код по сравнению с двоичным кодом имеет удвоенное число символов, причем вторая половина группы символов совпадает с первой, если число 1 в исходной группе чётное и добавляемые разряды инвертируются, если число 1 в исходной группе нечётное. Схема, выполняющая данную функцию приведена на рис.6.10.

Работает схема следующим образом. Исходная комбинация поступает на вход устройства анализа чётности 1, на входы инверторов 2-4 и первый канал коммутатора 5. Выходы инверторов подключены ко второму каналу коммутатора. При наличии в исходной комбинации чётного числа 1, на выходе анализатора чётности формируется логический 0, и данные с канала 1 коммутатора в прямом коде выдаются на выход коммутатора. Если число 1 – нечётно, на выходе схемы 1 формируется 1 и с канала 2 коммутатора код в инверсном виде выдаётся на выход коммутатора.

Приём инверсного кода осуществляется в 2 этапа. На первом этапе определяется число 1 в первой основной группе символов. Если число 1 – чётное, то вторая группа принимается без изменений, если нечётное, то символы второй группы инвертируются. После этого они поэлементно сравниваются и при наличии хотя бы одного несовпадения, комбинация бракуется.

Схема приёмной части инверсного кода приведена на рис.6.11. Работает она следующим образом. Первая исходная группа принимается устройством анализа чётности 1, вторая в исходном состоянии поступает на вход первого канала коммутатора 5 и в инверсном коде на вход второго канала коммутатора 5. Если число 1– чётно, то на выходе схемы 1 формируется 0 и информация второй группы в прямом коде поступает через коммутатор 5 на входы полусумматоров 6-8, где поразрядно сравниваются при совпадении на выходе элемента 9 формируется уровень 0, что свидетельствует об отсутствии ошибок. Если сравнение не происходит, то на выходе элемента 9 формируется 1 и кодовая комбинация бракуется. Если число 1 в исходной комбинации нечётно, то на выход коммутатора передаётся инверсный код второй группы и далее всё протекает аналогично.

Преобразование двоичного кода в код Хемминга.

В коде режима КП используется код с исправлением одной ошибки. Код режима КП имеет три двоичных разряда и соответствующие им 6 разрядов кода Хемминга.

Код Хемминга имеет вид:

К₁ К₂ d₃ К₃ d₂ d₁

d₁ – d₃ – код данных (d₃ – старший разряд);

К₁ - К₃ – контрольные символы.

Определение состава контрольных символов, т.е. определение того какой контрольный символ должен стоять на контрольной позиции (0 или 1) производится по коэффициентам при помощи проверки на чётность следующим образом. В таблице 6.1 записаны все кодовые комбинации, исключая нулевую, для трёхразрядного двоичного кода и рядом справа, сверху вниз поставлены символы комбинации кода Хемминга.

 

Таблица 6.1.

3 (d3)	2 (d2)	1 (d1)	Символы кода
0 0 0 1 1 1	0 1 1 0 0 1	1 0 1 0 1 0	К1 К2 d3 К3 d2 d1

По таблице 6.1 составляется таблица 6.2 , в которой выписаны символы в трёх строках в следующей последовательности:

Таблица 6.2.

К1	+ d3	+ d2	-
К2	+ d3	-	+ d1
К3	-	+ d2	+ d1

В первую строку таблицы 6.2 записываются символы, против которых проставлены символы «1» в младшем разряде комбинации двоичного кода таблицы 6.1, во вторую строку проверочных коэффициентов записываются символы, против которых стоит 1 во втором разряде таблицы 6.1, третью строку таблицы 6.2 записываются символы, против которых стоит 1 в третьем разряде таблицы 6.1. Число проверок означает число строк в проверочной таблицы 6.2,которое равно числу контрольных символов К.

Нахождение состава контрольных символов при помощи проверок производится следующим образом. Суммируются информационные символы, входящие в каждую строку таблицы 6.2. Если сумма 1 в данной строке чётная, то значение символа К=0, если нечётное, то К=1. При помощи первой строки таблицы 6.2 определяется К₁, второй – К₂ и третьей – К₃.

Схема преобразователя двоичного кода в код Хемминга приведена на рис.6.12.

Декодирование кода Хемминга производится методом проверки комбинации на чётность по коэффициентам таблицы 6.2 (см. рис.6.13). Если комбинация принята без искажений, то сумма 1 по модулю 2 даёт 0. По результатам суммирования каждой из проверок составляется двоичное число, которое указывает на место искажения.

Например, первая и вторая проверки показали наличие искажения, а третья дала 0. Получаем число 011=3, это означает, что в третьем символе кодовой комбинации, включающей и контрольные символы (счёт слева направо) возникли искажения, поэтому этот символ необходимо исправить на обратный. После этого контрольные символы, стоящие на заранее известных местах отбрасываются.

 Декодер кода Хемминга в исходный код приведён на рис.6.13.

Функциональная схема.

Функциональная схема работает следующим образом. На пульте управления ключами выбора КП выбирается контролируемый пункт, с которым необходимо работать. Ключами выбора объекта выбирается соответствующий объект управления, ключами режима – режим работы. После набора операции код выбора КП преобразуется из потенциального в двоичный код на преобразователе кода 4, а на элементах 9 –12, 18 преобразуется из двоичного кода в инверсный. Код с ключей выбора объекта управления на преобразователе 5 преобразуется в двоичный код, а на эле 13 – 15 (полусумматорах) в код Хемминга. Код режима на элементах 1 – 3 преобразуется в код Хемминга. Преобразованные коды поступают в блок режимов работы 21 и далее под действием сигналов с распределителя импульсов РИ 19 записываются в параллельно-последовательный регистр 23 и под действием сигналов с РИ последовательным кодом выдаются в линейный усилитель ЛУ 24 и далее в линию связи с КП. Генератор тактовых импульсов ГТИ 16 служит для формирования тактовых импульсов управления РИ.

Код из линии связи поступает в первый КП, проходит через линейный усилитель ЛУ1 25 и далее распределяется по узлам КП.

Синхроимпульсы с выхода ЛУ1 поступают в генератор тактовых импульсов ГТИ 38, где с помощью специальной схемы происходит подстройка его частоты к частоте ГТИ ПУ.

Остальной код поступает в последовательно-параллельный регистр 27, где под действием сигналов с распределителя импульсов 46 преобразуется в параллельный код.

Общий адрес с регистра 27 поступает в преобразователь инверсного кода в двоичный, выполненный на элементах 31 – 34, 42, 47 – 50. При условии отсутствия ошибки в слове с выхода элемента 50 в блок режимов работы 51 выдается сигнал об отсутствии ошибки в коде и БРР производит анализ общего адреса поступившего из регистра 27 в БРР. При условии совпадения адреса КП с принятым адресом БРР продолжает дальней- шую обработку кода. При обнаружении ошибки в инверсном коде элемент 50 выдает об этом сигнал в БРР и обработка общего адреса не происходит.

Если информация предназначена данному КП, то БРР выбирает соответствующий объект управления и производит над ним заданную операцию. Происходит это следующим образом. Код адреса объекта управления с выхода регистра 27 поступает на вход декодера кода Хемминга на элементах 35 – 37, 43 – 45, где производится его анализ, данные анализа с выходов элементов 43 – 45 вместе с двоичным кодом с выхода регистра 27 поступают в БРР, где при отсутствии ошибки в коде происходит его дальнейшая обработка. При наличии ошибки происходит её исправление и только затем код обрабатывается. Тоже самое происходит и с кодом режима работы (ТУ, ТС, ТИ) который в виде кода Хемминга поступает на декодер на элементах 28 – 30, 39 – 41.

Предположим, что передана команда на включение третьего объекта ТУ, в этом случае после анализа кода БРР выдает соответствующий адрес и команду «включить» на вход коммутатора 53, который передает данную команду на выход D3 и далее в ТУ3, который включается и выдает сигнал об изменении состояния «выключено» на состояние «включено». Данный сигнал через элемент 56 поступает на вход D1 коммутатора 55 и под управлением сигналов адреса с БРР выдается на входы D параллельно-последовательного регистра 54. Под действием сигналов с РИ данная информация последовательным кодом передается в преобразователь двоичного в циклический код 52 и далее в ЛУ1. Линейный усилитель выдает код в линию связи с ПУ. Код поступивший в ПУ через ЛУ 24 поступает в БРР 21 и далее на преобразователь циклического кода в двоичный, с выхода которого код поступает на вход D1 последовательно-параллельного регистра 20. Под управлением сигналов в выхода БРР в регистре происходит преобразование последовательного кода в параллельный и выдача его на входы D коммутатора 17. Под действием сигналов адреса с выхода БРР данный код выдается на выход D1 коммутатора 17 и далее в схему управления “светлым щитом” 6. Оттуда сигнал выдается на лампы сигнализации. При этом лампа свидетельствующая о выключенном состоянии третьего объекта телеуправления гаснет, а лампа «вкл.» соответствующая третьему объекту начинает мигать до тех пор, пока ключ квитирования третьего объекта не будет установлен в соответствующее состояние и не будет нажата кнопка «квитирование». После этого лампа включения третьего объекта будет гореть ровным светом. При передаче на КП сигналов о вызове состояния объектов телесигнализации передачи состояния объекта происходит аналогично. Если поступил запрос на телеинформацию с первого или второго объекта ТИ, работа системы происходит аналогично. При запросе аналоговой информации с ТИ она предварительно преобразуется в код Хемминга в АЦП 58 построенному по методу считывания. Далее она пересылается в ПУ, где с выхода коммутатора 17 поступает на ЦАП 18 построенный по методу суммирования токов и далее поступает на аналоговый указатель.

Дискретная информация, поступающая из ТИ 2 в ПУ с выхода D2 коммутатора 17, поступает в блок управления цифровой информацией 7, где происходит преобразование двоичного кода в код управления цифровыми семисегментными индикаторами.

Так как схема построения системы передачи информации цепочная, т.е. от ПУ к КП1 отКП1 к КП2 и т.д. и обратно, то в КП1 введён второй линейный усилитель ЛУ2 26, который передает информацию в КП2 и принимает её из КП2 и через ЛУ1 выдаёт на ПУ.