Проектирование локальной сети связи для обмена речевыми сообщениями (стр. 4 из 9)

При необходимости передачи речевого сообщения абонент нажимает клавишу, напротив которой расположена табличка с фамилией и инициалами вызываемого абонента. При этом загорается соответствующий индикатор, информирующий о нажатии клавиши. Если канал свободен то индикатор гаснет и тем самым информирует абонента об установлении связи и возможности передачи сообщения в канал связи. Этот режим работы называется «передача». Если канал занят то выход на передачу заблокирован до освобождения канала связи. При разговоре необходимо удерживать клавишу в нажатом состоянии. В противном случае произойдет обрыв связи между двумя абонентами и переход в режим ожидания.

В режиме «прием» на вызываемом абонентском устройстве загорается светодиодный индикатор напротив той таблички чье абонентское устройство пытается выйти на связь. Затем к линии связи подключается вызываемый аппарат идет прием речевых сообщений (режим «воспроизведение»). При появлении паузы в линии вызываемое абонентское устройство переходит в режим ожидания.

Для связи между абонентами используется моноканал. Преимущество этой топологии заключается в относительной дешевизне, простоте наращивания сети, для организации обмена речевыми сообщениями не требуется отдельного устройства, обеспечивающего работу сети связи. Каждое абонентское устройство в своем составе имеет устройство управления, предназначенное для организации работы сети связи.

Абонентские пульты питаются постоянным напряжением 12 В от общего блока питания, используя для этого отдельную линию, которая прокладывается рядом с сигнальной. Для передачи речевого сигнала используется широтно-импульсная модуляция. Выбранный вид модуляции позволяет упростить контроль моноканала, упростить схему приемной части (поскольку информация в ШИМ-сигнале заложена в постоянной составляющей и его можно подавать прямо на динамик).

Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению работы схемы абонентского устройства и начнем с аналоговой части.

В режиме «воспроизведение» сигнал с линии поступает на вход входного усилителя где он проходит предварительное усиление и далее поступает на вход импульсного усилителя, который состоит из преобразователя уровня и собственно самого импульсного усилителя. Здесь происходит усиление по току, после чего сигнал поступает на динамик. Эту часть схемы, включающей в себя входной и импульсный усилитель будем называть в дальнейшем приемной ветвью абонентского устройства. Управление приемной ветвью осуществляется путем влияния на преобразователь уровня. При отключении его блокируется прохождение сигнала по приемной ветви.

В режиме «передача» сигнал с динамика поступает на вход усилителя низкой частоты, где усиливается до уровня порядка 0,7 В. Этот каскад охвачен цепью АРУ которая стабилизирует уровень выходного сигнала, повышая тем самым качество речи (поскольку абонент может находится на различном расстоянии от переговорного устройства и сигнал с выхода динамика может изменяться от 3 мВ до 30 мВ). Далее усиленный сигнал поступает на вход ШИМ, где происходит модуляция меандра частоты 20 кГц. Эта величина является наиболее приемлемой поскольку при большем значении частоты несущей импульсные сигналы будут сильно искажены ввиду высокой величины паразитной емкости линии связи. При величине частоты несущей меньше 20 кГц в динамике на приемной стороне будет слышна несущая частота.

Далее промодулированный сигнал поступает на вход выходного усилителя, предназначенного для усиления по току и с выхода поступает в канал связи. Описанную часть схемы, состоящей из усилителя низкой частоты, ШИМ, выходного усилителя, будем называть передающей ветвью. В режиме «прием» эта часть схемы отключается путем отключения питания от усилителя низкой частоты.

Как уже было сказано при разработке структурной электрической схемы устройство может находится в четырех режимах, основным из них является режим ожидания с которого мы и начнем рассматривать работу нашей схемы.

Рассмотрим работу абонентского устройства во всех режимах его работы.

В режиме ожидания в абонентском устройстве работает только устройство управления и входной усилитель. Приемная и передающая ветви отключены от канала связи путем подачи управляющих сигналов с устройства управления на усилитель низкой частоты и импульсный усилитель. Производится сканирование клавиатуры. Индикаторы в этом режиме погашены.

При нажатии клавиши схема выходит из режима ожидания, производится подсветка светодиодного индикатора, соответствующего нажатой клавише. Затем устройство управления анализирует код нажатой клавиши и проверяет текущее состояние линии связи. При отсутствии сигналов в линии устройство управления выдает свой адрес в линию и включает передающую ветвь путем подачи питания на усилитель низкой частоты и меандра на вход ШИМ. Затем гасится светодиодный индикатор, сообщая тем самым абоненту о начале сеанса передачи и абонент начинает передачу сообщения ( режим «передача» включен).

Пока абонент говорит, устройство управления производит сканирование клавиатуры и проверяет отпущена ли клавиша. После окончания передачи абонент отпускает нажатую клавишу и устройство управления переводит абонентское устройство в режим ожидания.

Рассмотрим работу абонентского устройства при приеме речевых сообщений.

При поступлении сигнала из моноканала абонентское устройство выходит из режима ожидания. При этом производится прерывание процедуры сканирования клавиатуры и прием адресной части сообщения (режим «прием»). Устройство управления проверяет адрес места назначения и если сообщение адресовано не нам то микроконтроллер переводит абонентское устройство в режим ожидания.

Если сообщение адресовано нам то устройство управления производит подсветку индикатора, определяющего вызываемого абонента. Далее абонентское устройство переходит в режим «воспроизведения» (подключается приемная ветвь абонентского устройства). В процессе воспроизведения речевого сообщения устройство управления проверяет наличие паузы в моноканале. При ее появлении устройство управления производит гашение индикатора и отключение приемной ветви от канала связи (переход в режим ожидания).

Схема питается напряжением +5 В через стабилизатор напряжения за исключением импульсного усилителя, который запитан напряжением +12 В от линии через фильтр по питанию. Моноканал «подтянут» через резистор на линию питания +12 В и в режиме ожидания в линии сохраняется состояние логической единицы. Произведем расчет подтягивающего резистора и будем исходить из следующих соображений.

Как было сказано выше частота несущей ШИМ-сигнала составляет 20 кГц. Тогда период соответственно равен 50 мкс. Длительность одного полупериода составляет 25 мкс. Необходимо, чтобы затягивание фронтов было не более 10 - 15 % (обусловлено паразитной емкостью линии). Тогда время нарастания фронта импульса будет составлять 2,5 мкс. Исходя из этого определяем сопротивление подтягивающего резистора.

R_под=t/С, (3.1)

Где С - паразитная емкость линии, равна 25 нФ (погонная емкость линии равна 50 пФ/м, длина линии 500 м);

t- время нарастания фронта импульса;

R_под- сопротивление подтягивающего резистора.

R_под=2,5´10^-6 с/25´10^-9 Ф=1000 Ом

3.3 Разработка протокола обмена

На основании анализа форматов аналогичных систем предлагается следующая структура передаваемого сообщения (см. рис. 3.3 ).

Рис. 3.3 Формат передаваемого сообщения

Передаваемое сообщение состоит из 5-и полей:

- старт-бит;

- адрес получателя;

- адрес отправителя;

- речевое сообщение;

- пауза.

Старт-бит переводит микроконтроллер в режим «прием». Адрес получателя несет в себе информацию о том кому адресовано сообщение. Адрес отправителя необходим для определения исходящего абонентского устройства, после приема и декодирования которого подсвечивается соответствующий индикатор и вызываемому абоненту становится известно о том кто его беспокоит. Далее следует само речевое сообщение. Пауза - это состояние моноканала при котором в нем поддерживается состояние логической единицы в течение 2 - 3 периодов ШИМ сигнала. При приеме речевого сигнала микроконтроллер постоянно следит за состоянием моноканала и при обнаружении паузы переводит абонентское устройство в режим ожидания.

Рассмотрим временную диаграмму, поясняющую алгоритм формирования адресной части передаваемого сообщения (см. рис. 3.4).

Старт-бит

tt1

Рис. 3.4 Диаграмма, поясняющая алгоритм формирования адресной части речевого сообщения

Рассмотрим временную диаграмму, поясняющую алгоритм формирования адресной части передаваемого сообщения.

Стартовый импульс имеет длительность t. Она выбирается исходя из того, чтобы затягивание фронтов составляло не более 5 - 10 % от длительности импульса. Так при затягивании, равном 2,5 мкс длительность импульса должна составлять не менее 25 мкс.

Временной интервал t1 должен должен иметь величину, которой бы хватило для подготовки микроконтроллера к приему адресной части и эта величина должна быть не менее 2,5 мкс.

В предложенном формате сообщения адрес отправителя и получателя кодируется по 4-е бита каждый, причем первым передается адрес отправителя. Высокий уровень линии определяется как логическая единица, низкий - логический ноль.

При приеме адресной части сообщения в определенные моменты производится «склевывание» информации с линии (на временной диаграмме моменты «склевывания» показаны штрихами, проведенными поперек временной оси).