Главная » 2014 » Июнь » 20 » Скачать Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления. Карпенко, Леонид Владимирович бесплатно
3:34 AM
Скачать Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления. Карпенко, Леонид Владимирович бесплатно
Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления
Диссертация
Автор: Карпенко, Леонид Владимирович
Название: Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления
Справка: Карпенко, Леонид Владимирович. Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления : диссертация кандидата технических наук : 05.13.05 / Моск. гос. инженерно-физ. ин-т Москва, 2007 139 c. : 61 07-5/4055
Объем: 139 стр.
Информация: Москва, 2007
Содержание:
ГЛАВА 1 ПОСТРОЕНИЕ МОДУЛЕЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ
11 ОБЗОР ФУНКЦИЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
11 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МОДУЛЕЙ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
13 ВНУТРЕННЯЯ ТРАНСПОРТНАЯ ПОДСИСТЕМА МОДУЛЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
14 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
15 МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ МОДУЛЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ПА БАЗЕ ПРОГРАММИРУЕМОЙЛОГИЧЕСКОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ
ГЛАВА 2 о с н о в ы ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИЧАСТОТЫ
21 ОСНОВНЫЕ соотпоишния ПРИНЦИП РАьоты
22 МЕТОД ФАЗОВОЙ плоскости для ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОСЫ ЗАХВАТА Ф А П Ч
23 АНАЛИЗ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФАПЧ для СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИДАННЫХ с ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ
ГЛАВА 3 ПОСТРОЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ МОДУЛЕЙСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
31 ВЫБОР ТИПА ГЕНЕРАТОРОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ МОДУЛЕЙ ЦИФРОВЫХСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ Ь(>
32 ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
33 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ НА ПРОГРАММИРУЕМОЙЛОГИЧЕСКОЙ ИПТЕГРАЛЬПОЙ СХЕМЕ ;
34 УПР0П1ЕППЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ НЕ КРИТИЧНЫХ
ПРИЛОЖЕНИЙ
ГЛАВА 4 РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕСТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
41 ЗАДАНИЕ осповных ПАРАМЕТРОВ
42 ВЫБОР АРХИТЕКТУРЫ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
43 РЕАЛИЗАЦИЯ
44 РАЗРАБОТКА КОДА ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Введение:
В диссертации рассматриваются устройства передачи данных, используемыедля организации систем управления (СУ) магистральными нефте-,газопроводами, железными дорогами и т.п. Будем называть рассматриваемыеСУ распределенными или технологическими. Как правило, технологическиеСУ не требуют больших скоростей передачи данных, обеспечиваемыхоптическими и радио системами передачи данных (СПД). Вдольрассматриваемых объектов, обычно уже проложены медные кабели связи.Поэтому СПД, использующие для передачи данных кабели, являются наиболееэкономически привлекательными для рассматриваемых применений.Описанные в диссертации модули систем передачи данных с переменнойскоростью (СПДПС) предназначены для передачи цифровых потоков данныхЕ1 [1], Nx64 [2], [3] и Ethernet [4] по физическим кабельным линиям на .расстояния от 3 до 40 км при линейной скорости от 208 до 4624 кбит/с.Рассматриваются синхронные системы с одинаковыми скоростями передачиданных в направлениях приема и передачи. Эти СПД относятся к классуплезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) по классификации международногосоюза электросвязи (МСЭ-Т, англ. ITU-T).Диссертация состоит из 4-х глав. В первой главе приводится обзор,рассматривается подсистема синхронизации и коммутации модулей СПДПС. Предлагается собственная методика построения этих модулей. Во второй главерассматриваются теоретические аспекты работы преобразователей частоты(ПрЧ), которые являются системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).Данные ПрЧ используются в модулях СПД для точного преобразования частотработы различных интерфейсов [5], а также для подавления фазовыхискажений сигналов синхронизации [6]. Последней функции ПрЧ уделяетсяособое внимание, так как от нее зависит стабильность работы протяженнойцепочки из нескольких модулей СПД. Во второй главе выводятся формулы длярасчетов и предлагаются теоретические рекомендации по проектированию- 9 рассматриваемых ПрЧ. В третьей главе, которая является центральной частьюдиссертации, предлагается методика построения ПрЧ с использованиемпрограммируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Описаниереализации модуля СПДПС на базе разработанных методик приводится взаключительной, четвертой главе. Также приводятся результаты тестированияреализованного модуля.Термин СПДПС в диссертации трактуется двояко: во-первых,рассматриваемые модули имеют возможность адаптивного изменениялинейной скорости передачи, а, во-вторых, скорость обмена с каждойинтерфейсной микросхемой также может настраиваться для обеспечениямаксимальной совместимости.Данные, приведенные в диссертации, получены и проверены автором впроцессе разработки СПДПС Megatrans-4 и Orion-2 производства НТЦ Натеке.Использование этих данных может существенно повысить качество и ускоритьразработку новых модулей СУ, в которых требуется использованиемногоканальной коммутации данных с временным разделением каналов,полностью цифровых ПрЧ на основе ФАПЧ с возможностью быстрогоизменения параметров, а также цифровых синтезаторов частот.Актуальность исследованияБольшинство используемых кабельных СПД для СУ было разработано болеедвадцати лет назад. В настоящее время срок их эксплуатации заканчивается.Кроме того, эти СПД, использующие аналоговые технологии передачи,морально устарели - за последние годы были разработаны новые цифровыетехнологии, позволяющие упростить эксплуатацию СУ и повысить качествопередачи данных.Сегодня для замены этих систем, в основном, предлагаютсямодернизированные СПД устаревшего, аналогового типа. Такие системырассчитаны на передачу данных на единственно определенной скорости. Этозатрудняет их использование на кабельных участках увеличеннойпротяженности или на кабелях с плохими характеристиками. Прииспользовании таких кабелей соотношение сигнал / шум на входе приемникастановится меньше допустимого. Это приводит к превышению максимальнодопустимого уровня ошибок в линии. На высоких частотах наблюдаетсянаибольшие затухания в кабеле. Поэтому при ограниченной мошностипередатчика для увеличения соотношения сигнал / шум следует уменьшитьполосу передаваемого сигнала, убрав из нее наиболее высокочастотную часть.Для такого уменьшения полосы необходимо снизить скорость передачиданных. С появлением цифровых технологий передачи адаптивное изменениескорости в соответствии с параметрами используемого кабеля, обеспечиваетсяштатными функциями микросхем приемопередатчиков.В настоящее время также предлагаются СПД, использующие микросхемыцифровой абонентской линии (англ. digital subscriber line, xDSL). Этиинтегральные микросхемы (ИС) используют современные цифровыетехнологии передачи. Их использование делает возможным построениеСПДПС, передающих данные со скоростями от 208 до 4624 кбит/с. Ксожалению, микросхемы xDSL разрабатываются только зарубежнымикомпаниями для организации небольших СПД, содержащих не более восьмирегенераторов. При использовании этих ИС в системах, состоящих из десятковрегенераторов, возникают проблемы. Основными из них являются генерация иусиление фазовых искажений сигналов синхронизации в каждом модуле СПД. Большие фазовые искажения синхросигналов, в свою очередь, приводят кошибкам передачи данных, а в худшем случае - к продолжительным перерывамсвязи, что является неприемлемым для СУ. Подавление фазовых искаженийможет выполняться блоками ПрЧ, которые используются в модулях СПД дляпреобразования частот работы различных интерфейсов. Задача выбора ипостроения ПрЧ на основе ФАПЧ является одной из самых сложных дляразработчика СПД. Хотя существует большое количество теоретическойлитературы по ФАПЧ, отсутствуют практические методики по проектированиюподобных преобразователей.В диссертации особое внимание уделяется построению блоков ПрЧ. Предлагается методика расчета цифровых ПрЧ для рассматриваемого классаустройств.В интерфейсных и xDSL микросхемах не реализовано значительноеколичество функций, необходимых для модулей СПДПС. Кроме того, многимзаказчикам требуется введение в СПДПС специфических функций. Поэтомупервостепенное значение приобретает требования к гибкости построениямодулей СПД и возможности быстрого изменения их характеристик.Приведенные требования обуславливают необходимость создания методикипроектирования модулей СПД для СУ, содержащей проверенныеуниверсальные решения ряда задач, возникающих при разработке.В диссертации предлагается методика построения модулей СПД для СУ. Она предназначена для разработки устройств, имеющих несколькоразнородных сетевых интерфейсов, работающих на разных скоростяхпередачи данных. Методика предполагает использование ПЛИС в качествецентрального элемента модуля СПД. Предлагаются архитектура типовогоустройства и основные унифицированные блоки ПЛИС, необходимые дляпередачи (коммутации) данных. Применение методики удобно в силумодульности предлагаемых решений и возможности адаптации проекта подновые интерфейсные ИС. Методика успешно применяется при разработкесерийных СПДПС для СУ. Цели и задачи исследованияЦелью диссертации являются разработка методики построения модулейСПДПС и создание методики проектирования цифровых ПрЧ для этихмодулей.Для достижения поставленных целей последовательно решаются следующиезадачи:• Определение основных параметров модуля СПДПС.• Классификация и анализ существующих подходов к построению СПДПС.• Изучение принципов передачи синхросигналов в СПД класса ПЦИ.• Разработка методики построения модуля СПДПС.• Определение основных параметров ПрЧ для модуля СПДПС,• Анализ теоретических данных по системам ФАПЧ, составляющим ихблокам, выбор и адаптация необходимых алгоритмов расчета.• Реализация на ПЛИС нескольких элементов цифровых ПрЧ: управляемыхгенераторов, фильтров и фазовых детекторов. Выбор наиболееэффективной реализации ПрЧ.• Разработка алгоритма выбора типа преобразователей и синтезаторовчастоты.• Разработка методики проектирования ПрЧ на ПЛИС для модулейСПДПС.• Реализация модулей СПДПС на основе разработанных методик.• Тестирование реализованных модулей СПДПС. Объект исследованияВ диссертации рассматриваются вопросы построения оборудования классаПЦИ, разработанного для работы в составе технологических СУ. Приразработке элементов и устройств такого оборудования значительнуюсложность представляет построение систем синхронизации и коммутацииданных.В диссертации исследуются системы синхронизации и коммутации данныхна базе микросхем ПЛИС, а также общие вопросы построения модулейСПДПС. Предмет исследованияВ диссертации исследуется вопрос использования микросхем ПЛИС вкачестве центрального элемента модулей СПДПС. Рассматриваются вопросыпостроения подсистемы коммутации данных (далее транспортной подсистемы)модулей СПДПС на ПЛИС. Также рассматриваются вопросы построенияпреобразователей и синтезаторов частоты на ПЛИС. Методологическая и теоретическая основа исследованийМетодологическую и теоретическую основу исследования составилинаучные труды отечественных и зарубежных авторов в области электроники,связи, автоматики и информатики.В процессе анализа выпускаемых СПД для СУ использовались учебныекурсы «Интерфейсы» и «Телекоммуникационные системы», а также теорияпостроения синхронных и плезиохронных цифровых систем передачи данных.При разработке авторской методики построения модулей СПДПСиспользовались методы схемотехнического проектирования микроэлектронныхустройств. Применялись современные технологии проектирования ПЛИС. Использовался язык описания аппаратуры Verilog HDL и аппаратнонезависимый маршрут проектирования ПЛИС. Автор также использовалмногочисленные рекомендации крупнейших производителейкоммуникационных компонентов: Conexant, Infineon, Altera, Maxim-Dallas иMindspeed и др.В процессе проектирования цифрового преобразователя частоты (ПрЧ)использовалась теория ФАПЧ и метод фазовой плоскости. Такжеиспользовалась теория автоматического управления и методы цифровойобработки сигналов.Для предварительного анализа работы логических схем, реализованных наПЛИС, применялись методы функционально-логического моделирования.Для оценки параметров подсистемы тактовой сетевой синхронизации (ТСС)разработанной СПД применялись методы и программы испытаний, изложенныев рекомендациях международных организаций, занимающихся вопросамистандартизации: ITU-T, ETSI и IEEE.Информационная база исследованияВ числе информационных источников диссертации были использованы:• Литература по системам ФАПЧ, преимущественно относящаяся кобласти радиоприемных устройств [7], [8] и др.• Тематические статьи, размещенные на сайтах производителей ПЛИС:www.altera.com, www.xilinx.com, www.latticesemi.com, документация киспользуемым программам синтеза и моделирования (САПР), а такжекниги [9], [10] и др.• Книги [11], [12], [13] по цифровой фильтрации, обработке сигналов иавтоматическому управлению.• Книги, описывающие построение цифровых систем передачи данных,систем синхронизации, управления и удаленного мониторинга [4], [14],[15], [16] и др.• Online ресурсы: www.protocols.ru и www.vsi.ru (сетевые протоколы),www.opencores.com, vvww.hunteng.co.uk (открытые разработки),www.geocities.com/CapeCanaveral/5611/ (системы ФАПЧ) и др.• Многочисленные статьи печатных и online журналов: «Chip News»,«ЕЕ Times», «Электронные компоненты», «Живая электроникаРоссии», «Вестник связи» и др.• Результаты испытаний различных систем передачи и обработкиданных производства ЗАО «НТЦ Натеке», ФГУП «ЛОНИИС», SagemGroup, Siemens и Schmid Telecom.Научная новизна исследованияРазработана и апробирована методика проектирования цифровыхпреобразователей частоты на ПЛИС. Она позволяет по заданнымпараметрам проектировать ПрЧ для различных модулей СУ. При помощиразработанной методики возможно проектирование ПрЧ с малымичастотами среза и переключаемыми диапазонами подстройки. Запоследние годы было опубликовано несколько описаний цифровыхФАПЧ. Однако ни одна из них не может быть использована в качествеперестраиваемого ПрЧ в системах передачи данных.Предложена схема для предварительного определения ЛЧХцифровых преобразователей частоты на этапе моделирования ихработы. Она позволяет рассчитывать АЧХ цифровых ПрЧ,реализованных в ПЛИС, на этапе моделирования работы схемы.Рассчитанная АЧХ хорошо согласуется с экспериментальными даннымии позволяет предварительно оценить характеристики разработанногоПрЧ. Ранее определение АЧХ ПрЧ было возможно только путемэкспериментального исследования, для которого требовалось наличиесложного стенда, что было связанно с большими финансовыми ивременными затратами.Разработана и обоснована методика построения модулей СПДПС снесколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Известныоткрытые архитектуры построения модулей СПД с одинаковымисетевыми интерфейсами, работающими на одной скорости. При этомзадача построения модулей с интерфейсами разных типов нестандартизована, а открытые методики и архитектуры отсутствуют.Автором предлагается гибкая методика построения модулей СПДПС ссетевыми интерфейсами разных типов, работающими на разныхскоростях.Практическая значимость диссертацииВ диссертации приводятся практические рекомендации для построениямодулей СПДПС класса ПЦИ. При использовании этих рекомендаций задачаразработки новых модулей может быть решена в значительно более сжатыесроки, а полученные СПД с большой вероятностью будут качественными ирасширяемыми.Приведенные в диссертации данные были использованы автором в процессеразработки и тестирования семейства СПДПС Megatrans 4 производства «НТЦНатеке». Были спроектированы 3 базовых устройства - модуль сетевогоокончания и 2 линейных регенератора. Все модули успешно прошлисертификационные испытания, налал<ено серийное производство. Суммарныйобьем выпушенных изделий к концу 2006 года составил 1000 штук.Произведенные системы успешно эксплуатируются как в составе небольшихСУ, так и на объектах Российских железных дорог, ОАО «Транснефть» и др.Имеются 3 акта о внедрении, сертификат соответствия и протоколысертификационных испытаний.Пользуясь методиками, приведенными в диссертации, можно провестианализ уже разработанных систем, повысить качество их работы и устранитьфункциональные дефекты подсистемы синхронизации.Рассмотренные в диссертации блоки ПрЧ могут найти применение припроектировании следующих элементов СУ:• Контроллеров телемеханики.• Конвертеров интерфейсов.• Систем передачи синхронных потоков через Ethemet/IP сети.• Систем кросс-коммутации синхронных потоков.• Систем служебной связи.• Гибких мультиплексоров.• Систем восстановления качества синхросигнала.Апробация результатов диссертацииОсновные идеи, вошедшие в методику построения СПДПС, были приведеныв статье [17]. Они были также доложены и опубликованы в трудахконференций [5], [18]. В статьях [17] и [19], опубликованных в журналах «ChipNews» и «Электросвязь», была приведена методика расчета цифрового ПрЧ, Встатье [20] журнала «Вестник связи» были изложены требования по качествусигналов синхронизации к оборудованию класса синхронной цифровойиерархии (СЦИ, в основном [21], оптоволоконные системы) и пути достиженияэтого качества с использованием оборудования класса ПЦИ. Сбор материалов иоткликов на эту статью помог автору в определении необходимых параметровразрабатываемых блоков ПрЧ. В докладе [22] были сформулированыиспользуемые автором методы измерения фазовых искажений сигналовсинхронизации.