Радиотелеметрическая магистральА. Романов, Е. Козлов
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, объединенных 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 счет предлагаемой виртуальной магистрали, так и за счет возможности использования низковольтного источника батарейного питания с малой энергоемкостью. 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 трех-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 передается 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 приема):
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 0252 байт (объем с учетом 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:
| ST | M1 | M2 | K8 | M3 | K7 | K6 | K5 | M4 | K4 | K3 | K2 | K1 | PR |
где ST старт-бит "0"; Mi коды Хэмминга; Ki информационные биты фрейма (K8 старший бит); PR бит четности.
С учетом бита четности, примененное 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" передается 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 приемник 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 учета необходимости отведения времени на ее обработку и позволяет надежно синхронизироваться и детектировать ошибки в условиях зашумленного канала.
Все передаваемые фреймы защищены на следующих уровнях:
- синхронизации радиоканала на физическом уровне программной модели;
- формирования информационного бита (ШИМ кодирование бит информации);
- контроля четности 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 разъема 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 удаленные устройства. В этом варианте виртуальная радиотелеметрическая магистраль может представляться пользователем как часть стандартной внутрикрейтовой шины с полным сохранением ее спецификации, кроме значений скоростей передачи информации, превышающих пропускную способность виртуальной магистрали.
Второй вариант предполагает использование исполнительного устройства как удаленного активатора, информационно связанного с мастером шины. Некоторый определенный 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
| Ваш комментарий к статье | ||||
