Принципиальная схема устройства: назначение, основные элементы и правила чтения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое принципиальная схема устройства. Для чего она нужна. Как читать и понимать принципиальные схемы. Какие основные элементы содержит принципиальная схема. Как научиться разбираться в принципиальных схемах.

Содержание

Что такое принципиальная схема устройства

Принципиальная схема устройства — это графическое изображение, показывающее все электрические и электронные компоненты устройства и их соединения. Она отражает принцип работы устройства на уровне отдельных элементов.

Основные характеристики принципиальной схемы:

Содержит условные графические обозначения всех элементов
Показывает электрические соединения между элементами
Отражает функциональные связи между компонентами
Позволяет понять принцип работы устройства
Является основой для сборки, наладки и ремонта устройства

Для чего нужна принципиальная схема

Принципиальная схема выполняет несколько важных функций:

Позволяет разобраться в устройстве прибора и понять принцип его работы

Служит основой для сборки устройства
Помогает в диагностике и ремонте неисправностей
Используется для расчета параметров и характеристик устройства
Является документацией на устройство

Основные элементы принципиальной схемы

Принципиальная схема содержит следующие основные элементы:

Условные графические обозначения компонентов

Для каждого типа электронных и электрических компонентов используются стандартизированные условные обозначения. Например:

Резистор — зигзагообразная линия
Конденсатор — две параллельные линии
Диод — треугольник с чертой
Транзистор — круг с выводами

Линии электрической связи

Показывают соединения между компонентами. Обычно изображаются прямыми линиями.

Функциональные обозначения

Указывают функции отдельных узлов и блоков схемы (усилитель, генератор и т.д.).

Позиционные обозначения

Буквенно-цифровые обозначения компонентов (R1, C3, VT2 и т.п.).

Номиналы и параметры

Указываются рядом с условными обозначениями компонентов.

Как читать принципиальную схему

Чтение принципиальной схемы включает следующие этапы:

Определение типа устройства и его основных функциональных блоков
Изучение условных обозначений компонентов
Анализ соединений между компонентами
Выделение основных функциональных узлов
Определение пути прохождения сигналов
Анализ принципа работы отдельных узлов и всего устройства

Правила построения принципиальных схем

При построении принципиальных схем следует соблюдать следующие основные правила:

Использовать стандартные условные графические обозначения
Располагать элементы схемы в соответствии с прохождением сигнала
Минимизировать число пересечений линий связи
Группировать функционально связанные элементы

Указывать позиционные обозначения и номиналы компонентов
Сопровождать схему необходимыми пояснениями

Виды принципиальных схем

Существуют следующие основные виды принципиальных схем:

Структурная схема

Отображает основные функциональные части устройства и связи между ними.

Функциональная схема

Разъясняет процессы, протекающие в устройстве или его частях.

Полная принципиальная схема

Содержит все электрические элементы и связи между ними.

Схема соединений (монтажная)

Показывает соединения составных частей изделия.

Как научиться разбираться в принципиальных схемах

Чтобы научиться читать и понимать принципиальные схемы:

Изучите условные графические обозначения компонентов
Ознакомьтесь с основами электротехники и электроники
Разбирайте простые схемы, постепенно переходя к более сложным
Пробуйте собирать устройства по готовым схемам
Анализируйте схемы реальных устройств
Используйте справочную литературу и онлайн-ресурсы

Программы для создания принципиальных схем

Для разработки принципиальных схем используются специальные программы:

САПР-системы (Altium Designer, OrCAD)
Онлайн-сервисы (CircuitLab, EasyEDA)
Векторные редакторы (AutoCAD, Visio)

Они позволяют быстро создавать и редактировать схемы, имеют библиотеки компонентов, поддерживают проверку ошибок.

Заключение

Принципиальная схема — важнейший документ, отражающий устройство и принцип работы электронных приборов. Умение читать и понимать такие схемы необходимо инженерам, техникам, радиолюбителям. Освоив основы построения и чтения принципиальных схем, вы сможете разбираться в работе сложных устройств и создавать собственные конструкции.

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВОЗДУХЕ

Цитировать:

Мамасадиков Ю., Мамасадикова З.Ю. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВОЗДУХЕ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 11(92). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12630 (дата обращения: 14.01.2023).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена актуальная проблема контроля концентрации углеводородов в воздухе. Приведены принципиальная схема оптоэлектронного устройства для контроля концентрации углеводородов в воздухе на полупроводниковых излучающих диодах. Изложен принцип действия принципиальной схемы оптоэлектронного устройства для контроля концентрации углеводородов в воздухе с экспоненциальной разверткой.

ABSTRACT

The article deals with the actual problem of controlling the concentration of hydrocarbons in the air. A schematic diagram of an optoelectronic device for monitoring the concentration of hydrocarbons in air on semiconductor emitting diodes is presented. The principle of operation of the principle diagram of an optoelectronic device for monitoring the concentration of hydrocarbons in air with an exponential sweep is stated.

Ключевые слова: Оптоэлектроника, симметричный мультивибратор, делитель частоты, излучающий диод, фотоприемник, микросхема, усилитель, счетчик, дешифратор, транзистор, триггер.

Keywords: Optoelectronics, symmetric multivibrator, frequency divider, emitting diode, photodetector, microcircuit, amplifier, counter, decoder, transistor, trigger.

Введение. При разработке приборов газового анализа одним из основных документов проектной документации является принципиальная схема. Именно она определяет основной состав компонентов приборов газового анализа и взаимосвязей между ними. Принципиальная схема — фундамент технического проекта, и от правильного ее выполнения зависит дальнейшее выполнение монтажных схем, схем соединений и всей сопроводительной документации.

Основная часть. Согласно с блок схемой [1] нами были разработано принципиальная схема оптоэлектронного устройства для контроля концентрации углеводородов в воздухе. Принципиальная схема оптоэлектронного устройства для контроля концентрации углеводородов в воздухе состоит из двух частей. На рис.1. приведено принципиальная схема передающего части оптоэлектронного устройства, а на рис.2. – приемная. В качестве фотоприемника использован охлаждаемый фоторезистор типа ФУО-613-8.

Задающий генератор, выполнен на микросхеме DD1.1 и DD1.2 который, входит в состав микросхемы серии К155ЛА3. Частота задающего генератора выбрано таким образом что выполнялось условия [2-11]:

(1)

Где: t_и— длительность импульса излучения; t_фп – постоянная времени фотоприемника.

Рисунок 1. Принципиальная схема передающего части оптоэлектронного устройства для контроля концентрации углеводородов в воздухе

Для фотоприёмника типа ФУО-613-8 постоянная времени составляет t_фп= 0,2 мс. По этому длительность импульса излучения выбран t _и= 0,5 мс в котором приблизительно выполняется условия (1). С целью обеспечения идентичный временной режим работы фоторезистора для опорного и измерительного потоков излучений, а также для обеспечения симметричность фотоэлектрического сигнала от опорного и измерительного потоков излучений период повторения импульса излучения выбран:

(2)

Где: t _п— длительность паузы.

Тогда необходимая частота импульсного потока излучений:

(3)

Для обеспечения выполнение условие (2) использован триггер (DD2), в качество которого использован микросхема серии типа К155ТМ2. Чтобы получит на выходе триггера симметричные прямоугольные импульсы с частотой следований f =1.0 кГц надо воздействовать на его счетный вход импульсными сигналами с частотой следований равным 2,0 кГц. Последний задается с помощью подстрочным резистором R₁ и емкостью С₁. В качестве делителя частоты использован последовательно соединенные два счетчика микросхемы типа К155ИЕ2 (микросхема DD3-DD4 рис.1).

Общий коэффициент деления счетчиков равно = 100,0. С выхода делителя частоты прямоугольные импульсы с необходимой частотой следований, (f = 10 Гц) через дифференцирующую цепочку R₃C₂ поступают на вход генератора экспоненциальной функции, выполненные на транзисторы VT

1 и VT₂. При поступление на базы транзистора VT₁ продифференцированного короткого импульса оно открывается. Свою очередь открывание транзистора VT₁ приводит к отпиранию транзистора VT₂, в результате которого конденсатор С₃ успевает для полного заряда за короткий промежуток времени.

Поскольку_{постоянная времени цепи дифференцирующего устройство t_ду= R₃C₂ выбран таким образом, что является достаточным для полного заряда С₃. Так как при этом сохраняется правило:
(4)
Где: t_зар– время заряда конденсатора С₃; t_зар= r_д С₃ — постоянная времени цепи заряда конденсатора С₃; r
д} – динамическая сопротивления транзистора VT₂ при его открытом состоянии.

Поскольку динамическая сопротивления транзистора VT₂ при его открытом состоянии достаточно мало и составляет всего лишь несколько Ом.

Рисунок 2. Принципиальная схема приемного части оптоэлектронного устройства для контроля концентрации углеводородов в воздухе

Измеренная время заряда конденсатора в разработанном устройстве при использование конденсатора емкостью С₃ = 0,1 мкф составляет t_зар = 10,0 мкс. После запирания транзистора VT₂ напряжение конденсатора С₃ начинает разряжаться через сопротивление R₆. В результате на конденсаторе С₃ формируется спадающий экспоненциальный импульс. Сформированный экспоненциальный импульс усиливается по току с помощью эмиттерного повторителя, построенного на VT₃. Резистор R₇ предназначен для исключения искажения конечного участка экспоненциального импульса. Усиленный экспоненциальный импульс с выхода VT₃ через резистор R₈ подается на вход эмиттерного повторителя VT₄ к которому подключен импульсный модулятор, построенный на транзисторе VT₆. При появлении на входе модулятора импульса транзистор VT₆ открывается и шунтирует вход эмиттерного повторителя VT₄, на которой поступает экспоненциальный сигнал с выхода эмиттерного повторителя VT₃. Таким образом, на входе транзистора VT₄ формируется дискретный экспоненциальный импульс, амплитуда которого со временем уменьшается по экспоненциальному закону. Сформированный дискретный экспоненциальный импульс достаточной амплитуды усиливается по току эмиттерными повторителями VT₄, VT₅и подается через ограничивающий резистор R₁₄ на опорный излучающий диод ИД₁.

Противофазные прямоугольные импульсы заполняющим дискретным экспоненциальным импульсам поступают с выхода триггера Т (микросхема DD₂) на вход транзистора VT₇. В результате открываются транзисторы VT₇, VT₈ и на коллекторе последнего формируются прямоугольные импульсы достаточной амплитуды. Эти импульсы с помощью эмиттерного повторителя VT₉ усиливаются по току и через ограничивающий резистор R₂₁ подаются на измерительный излучающий диод ИД₂. Потоки излучения опорных и измерительных излучающих диодов ИД₁ и ИД₂ проходя по очереди через газовую камеру ГК, принимаются фотоприемникам (рис.2). Последний преобразует эти потоки излучения в фотоэлектрический сигнал и подает его на вход малошумящего усилителя VT₁₀. С выхода усилителя VT₁₀ фотоэлектрический сигнал поступают на вход порогового устройств выполненные на микросхеме DA₁. В качестве порогового устройства использован микросхема типа К521СА3 на выходе которого формируется прямоугольные импульсы. Эти импульсы пройдя через дифференцирующие цепочки R₂₇C₆ поступают на один из входов схемы совпадение выполненные на микросхеме DD_5.1 и DD_5.2. В качестве схемы совпадение использован микросхема типа К155ЛА3. На другой вход последнего поступают прямоугольные импульсы с выхода второго дифференцирующего устройство построенного на микросхеме DD_1.3, DD_1.4. С выхода микросхем DD_5.2, сформированные серии импульсов, количество которого пропорционально к концентрацию углеводородов подается к входу счетчика построенного на микросхемы DD₆и DD₇.

Сигналы, далее пройдя через соответствующих дешифраторов выполненных на микросхеме DD₈и DD₉подается к индикатором. В качестве дешифратора использован микросхема типа К155 ИД1. По показанием индикаторов типа ИН-14 определяется концентрация углеводорода в воздухе.

Список литературы:

Мамасадиков Ю., Мамасадикова З.Ю. Оптоэлектронное устройство для контроля концентрации углеводородов в воздухе на полупроводниковых излучающих диодах // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 10(91). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12427 (дата обращения: 12.11.2021). DOI — 10.32743/UniTech.2021.91.10.12427.
Ю. Мамасадиков, З.Ю. Мамасадикова. Оптоэлектронное устройство для дистанционного контроля концентрации углеводородов в воздухе./ НТЖ ФерПИ, 2020, T.24, №6. с. 231 – 236.
Z.Yu. Mamasadikova. Optoelectronic devices for controlling the concentration of hydrocarbons in air with exponential scan// Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal Vol. 10, Issue 11, November 2020 – p. 1331–1336. DOI: 10.5958/2249-7137.2020.01403.2
Мамасадиков Ю., Aлихонов Э.Ж. Оптоэлектронное устройство для контроля линейной плотности хлопковых лент с функциональной разветкой // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 10(91). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12426 (дата обращения: 12.11.2021).
Jamoldinovich A. E. The importance of metrology and standardization today Alikhonov Elmurod //International scientific and technical journal “Innovation technical and technology”. – 2020. – Т. 1. – №. 4. – с. 1-3.
Mamasodikov Y., Qipchaqova G. M. Optical and radiation techniques operational control of the cocoon and their evaluation //Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal. – 2020. – Т. 10. – №. 5. – с. 1581-1590.
Mamasadikov Y., Mamasadikova Z. Y. Optoelectronic device for remote control of hydrocarbon concentration in air //Scientific-technical journal. – 2020. – Т. 3. – №. 6. – с. 3-7.
Мамасадиков Ю. М. Оптоэлектронный двухволновый метод для дистанционного газового анализа //Современные технологии в нефтегазовом деле-2018. – 2018. – с. 158-160.
Мусаев Э. С., Бутаев Т. Б., Мамасадыков Ю. Устройство для удаления коконов-глухарей. – 1988.
Мухитдинов М. и др. Устройство для определения содержания одного вещества в другом. – 1983.
Obidov J. G., Alixonov E. J. Organization of the education process based on a credit system, advantages and prospects //Academicia: An International Multidisciplinary Research Journal. – 2021. – Т. 11. – №. 4. – с. 1149-1155.

Схема устройства теодолита — ГЕОЛОГ

В своей работе мы используем только высококачественное профессиональное геологическое оборудование. Благодаря развитию цифровой и компьютерной техники значительно увеличилась скорость обработки информации, улучшилось качество выполнения работ, а еще сократилась стоимость. К примеру, при помощи роботизированных геодезических измерителей на строительной площадке уже не нужно несколько геологов, достаточно одного специалиста.

Очень важную роль в геодезических работах продолжает оказывать устройство, предназначенное для измерения горизонтальных и вертикальных углов в проведение топографических съемок – теодолит.

Схема устройства теодолита конструктивно состоит из вертикального и горизонтального кругов, цилиндрического уровня, микроскопа для снятия отсчетов, цилиндрического отвеса и подставки, зрительной трубы.

Горизонтальный круг представляет собой вращающуюся часть прибора, на котором расположены лимб (стеклянное кольцо с автоматическими делениями) и алидада. Лимб, как мы уже поняли, является шкалой деления. Лимб неподвижен, а алидада вращается вокруг него, изменяя отсчет горизонтального круга.

Основная его функция — измерение проекции вертикальных плоскостей. При измерениях получившиеся углы относят к двум группам: положительные (расположенные над горизонтом) и отрицательные (расположенные под ним).

Рассмотрим два варианта измерения углов (горизонтальный круг), в которых лимб с алидадой:

используются отдельно друг от друга. Применяют для того, чтобы измерить n-ое количество углов одинаковой высоты.
используются вместе со зрительной трубой. Измерение угла производится следующим образом: размещается центр горизонтального круг над углом при помощи оптического центрира.

Перед проведением исследования следует проверить общее состояние прибора, зачистить оптические поверхности, если это требуется, убедиться в его исправности. Затем проверяется вращение алидады и зрительной трубы.

Далее проверяется работа переключателя отсчетной системы. И наконец, следует проверка плавности вращения подъемных винтов. После того как было осуществлено выполнение предварительных проверочных мероприятий теодолит устанавливается на треногу. Потом выбираются две точки (например, A и B). Опорные точки выбираются так, чтобы осуществить наведение зрительной трубы на них. Труба наводится на первую точку, далее устанавливается прибор и измеряются данные с помощью вертикальной нити. Далее отслеживаем точку В (проводим ту же операцию). Затем переводим трубу через зенит, соответственно, изменяем положение круга. Снова наводим зрительную трубу на точку. Все измерения записываем в журнал.

Схема устройства теодолита как видно не особенно сложна. Подразделяются они на два вида: оптические и электронные. В целом, если изучить схему устройства теодолита, то можно использовать как оптический, так и электронный теодолит.

Мы работаем с любыми из описанных измерителей. Заказать проведение изысканий вы можете уже сегодня, цена на работы невысока, а качество и скорость вас приятно удивят. Смета может быть составлена нашими специалистами сразу после того как будет представлено техническое задание. Стоимость всех работ рассчитаем. Ждем ваших обращений.

Введение в принципиальные схемы | Onion Omega2 Arduino Dock Starter Kit

Почти во всех наших экспериментах будет использоваться принципиальная схема, чтобы точно выразить схему, которая будет построена. Также называемые схемами или принципиальными схемами, мы используем их как дополнительный способ убедиться, что мы на правильном пути. Кроме того, научиться читать их — очень полезный навык для всех видов электрических проектов в будущем!

Эта статья предназначена для использования в качестве справочника при чтении принципиальных схем, сохраните ее в закладках где-нибудь под рукой, если вы думаете, что вернетесь!

Общая структура

Как правило, принципиальные схемы выглядят примерно так:

Это схема из одного из наших экспериментов, и она соответствует сути принципиальной схемы: линии, соединяющие символы.

На принципиальной схеме любые прямые линии означают электрическое соединение между вещами — неважно, через перемычку, провод или большую металлическую пластину, пока может течь электричество. Различные символы представляют компоненты, которые соединяются проводами. Ниже мы подробно рассмотрим значение каждого символа.

Светоизлучающий диод

Светодиод — это компонент, который загорается при подаче питания.

Каждый светодиод имеет две клеммы, обозначенные на символе как плоский и заостренный концы треугольника. Это связано с тем, что светодиод имеет полярность и , и направление, в котором он ориентирован, имеет значение. Плоский конец — это «анод» (+), а заостренный конец — это «катод» (-), треугольник всегда должен указывать на землю, где бы он ни находился.

Резистор

Резистор представляет собой элемент цепи, преобразующий электрическую энергию в тепловую.

Резисторы имеют две неполярные клеммы — это означает, что ориентация не имеет значения. Сопротивление на клеммах резистора всегда находится в пределах некоторого процента от указанного значения. Сопротивление является мерой способности резистора преобразовывать электрическую энергию в тепло. Единицей измерения является Ом (Ом). Чем больше Ом, тем больше энергии будет откачивать резистор. Ом является единицей СИ, поэтому префикс «k» (для килограмма) используется для чисел больше 1000.

 1000 Ом = 1 кОм

Конденсатор

Конденсатор — это компонент, который блокирует быстрые изменения напряжения, но передает постоянное напряжение.

Конденсаторы в нашем комплекте имеют две неполярные клеммы. Они используются, когда нам нужно сгладить места, где напряжения могут быстро меняться. Способность конденсатора сглаживать напряжения называется его емкостью и измеряется в фарадах (Ф). К сожалению, фарады не очень хорошо масштабируются — 1F — это огромная емкость. В этих экспериментах мы будем работать с 0,0000001 фарад или 100 нанофарад (нФ).

Помимо наших экспериментов, конденсаторы используются в схемах фильтрации, обеспечивающих правильную передачу сигналов без помех.

Источник питания

Источник питания является движущей силой любой схемы, которую мы создаем.

Блок питания делает то, что он называет — обеспечивает питание для работы наших цепей. Если мы смоделируем электричество в виде водопада, то ток — это количество воды, протекающей через него, а напряжение — это высота водопада. Источник питания является источником как расхода, так и высоты. На большинстве диаграмм источник питания представляет собой «единственную» клемму, однако другая его клемма на самом деле является клеммой заземления — точно так же, как водопадам нужна земля, чтобы определить, насколько они высоки.

Земля

Земля — это точка с наименьшей энергией в нашей цепи, весь ток будет течь к земле.

Заземление — это отдельный символ клеммы, который обычно подразумевает контакт GND на док-станции. В схемах, которые мы будем строить, мы также будем эффективно использовать рельсы макетных плат, чтобы соединить много вещей с одной и той же землей.

Кнопочный переключатель

Кнопочный переключатель представляет собой однополюсный однопозиционный переключатель с четырьмя клеммными контактами, переключающими один вход на один выход.

Кнопочный переключатель имеет четыре клеммы, попарно подключенные к обеим сторонам переключателя. Каждая пара соединена друг с другом, поэтому переключатель закрывает единственный разрыв в цепи. «Однополюсный» относится к одному выходу, подключенному к двум контактам, а «однополюсный» относится к одному входу, подключенному к другой паре контактов.

Переключатель — однополюсный, двухпозиционный

Однополюсный двухпозиционный переключатель представляет собой переключатель с двумя входами, которые переключаются на один выход.

Коммутатор имеет три клеммы, по одной для каждого входа (обозначены L1 , L2 ) и одну для выхода (обозначена здесь COM ). Входы никогда не будут соединены, и один вход всегда исключительно подключен к выходу. Этот тип переключателя полезен для логических схем, потому что один вход может ссылаться на логический ВЫСОКИЙ , а другой логический НИЗКИЙ без неоднозначности разомкнутой цепи.

«Однополюсный» в SPDT относится к единственному выходу, а «двойной бросок» относится к двум отдельным входам.

Подстроечный потенциометр

Обычно называемый «подстроечный потенциометр», подстроечный потенциометр представляет собой регулируемый резистор.

Подстроечный потенциометр имеет три клеммы. Два из них сохраняют одинаковое значение сопротивления по отношению друг к другу — они обычно располагаются на противоположных концах. Третий (обычно средний) вывод регулируется вручную с помощью ручки тюнера. При повороте ручки сопротивление между средней клеммой и двумя другими клеммами изменяется — одна сторона увеличивается, а другая уменьшается.

Это создает регулируемый делитель напряжения, который можно использовать для отправки сигналов для чтения и обработки.

Фоторезистор

Фоторезистор — это датчик, который преобразует получаемый им свет в переменное сопротивление.

Фоторезистор имеет две неполярные клеммы. Его сопротивление изменяется в зависимости от света, попадающего на его поверхность. Его можно использовать в делителе напряжения для преобразования изменяющегося сопротивления в изменяющийся сигнал напряжения.

Зуммер

Зуммер гудит при подаче питания – это несложно.

Зуммер имеет две клеммы с соблюдением полярности. Когда анод (+) подключен к источнику питания, а катод заземлен к тому же источнику, он начнет шуметь. Как и большинство компонентов, зуммеры не регулируют подаваемую на них мощность. Это означает, что в цепи зуммера всегда должен использоваться токоограничивающий резистор.

Серводвигатель

Сервопривод — это двигатель, управляемый для обеспечения точного и повторяемого движения.

Сервоприводы обычно имеют три клеммы — линию питания ( Vcc ), сигнальный вход ( SIG ) и землю ( GND ). ) связь. Эти клеммы обычно объединяются в единый выходной кабель, заканчивающийся тремя перемычками. Принимаемые сигналы чаще всего представляют собой сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с частотой 50 Гц.

Встроенный чип (IC)

Интегральная схема (ИС) — это небольшая схема, созданная для того, чтобы быть модульным компонентом более крупных схем, с выводами внутрь и наружу в зависимости от компоновки схемы внутри.

Интегральная схема может иметь много выводов. В наших экспериментах с использованием интегральных схем мы более подробно рассмотрим назначение микросхемы и доступные входы и выходы.

Заголовки расширения

Этот символ используется для обозначения GPIO или другого контакта на док-станции Omega.

Во время наших экспериментов мы будем подключать множество цепей к Омеге. Этот символ обозначает определенный контакт, к которому должны подключаться части схемы.

Устройства

Этот символ используется для обозначения контактов на таких устройствах, как клавиатура и семисегментный дисплей, которые не имеют «официальных» символов, но все же требуют подключения к ним и от них.

Эти контакты всегда будут помечены устройством, которое они представляют. Сами штифты может быть не выложен так же как пины устройства, но все пины будут присутствовать.

Глава 5 Стр. 1 – Справочник по телекоммуникациям для транспортных специалистов

Содержание

В предыдущих главах рассматривались терминология, технология и история телекоммуникаций, а также необходимость создания жизнеспособного документа с требованиями. Эта тема продолжается рассмотрением основного структурного элемента телекоммуникационных систем — схемы связи. Телекоммуникационная технология, ее использование и развертывание — это повторяющийся процесс, в котором новое строится на основе старого. Это отраслевой (телекоммуникационный) способ обеспечения обратной совместимости и постоянного развертывания доступных новых технологий. Диаграмма представляет собой слияние голоса и данных по медным проводам. Аналоговая голосовая связь превратилась в цифровую голосовую связь. Один голосовой канал, передаваемый по паре медных проводов, превратился в сотни разговоров по той же паре проводов. Использование меди в качестве средства связи превратилось в использование оптоволокна. Изменение технологии было революционным, но внедрение изменений было эволюционным. Никаких внезапных и резких переходов от одной технологии или процесса к другому.

Рисунок 5-1: Диаграмма – поток технологий

В 1980-х годах этот процесс изменился. Совпадение событий, развитие технологий и действия Министерства юстиции США и судов ускорили изменение корпоративной структуры монополии, предоставленной AT&T. «Телефонная компания» согласилась разделиться на несколько конкурирующих бизнесов. Это создало конкурентную и открытую среду для развития коммуникационных услуг и оборудования, которая существует сегодня. Основные разработки и события:

Решение «Carterphone» от 1968 г. разрешило конечным пользователям приобретать и устанавливать телефонное оборудование у других компаний, помимо AT&T
Микропроцессор был изобретен в 1971 году
Полевые испытания, проведенные AT&T в 1977 году, показали, что оптоволокно можно использовать с коэффициентом потерь при передаче не выше, чем у меди.
Сеть ARPANET — предшественница Интернета — была активирована в 1969 году
AT&T реализовала план проникновения в 7 региональных и независимых телефонных компаний, а также производственную компанию – в 1983.

Эти события, а также огромный неудовлетворенный корпоративный и индивидуальный спрос объединились, чтобы сформировать новое направление в телекоммуникационных услугах и технологиях. Однако корпоративные изменения и изобретения не уменьшили желания обеспечить полную обратную совместимость с существующими системами.

Телекоммуникационная технология является основным элементом применения светофоров и управления автострадами, а также усовершенствованных систем управления транспортом. Использование телекоммуникационных технологий как части систем управления дорожным движением претерпело эволюционный процесс. Ранние системы светофоров, развернутые 50 лет назад, использовали доступные телекоммуникационные технологии. Развертываемые сегодня системы используют преимущества новых технологий, адаптируясь к существующим или устаревшим системам.

Эта глава посвящена рассмотрению конкретных конструкций коммуникационных цепей для систем управления светофорами и автомагистралями. Большая часть коммуникационного оборудования, используемого для обоих типов систем, очень похожа. Существуют различия в приложениях, но большинство из них носят иерархический характер и являются строительными блоками. Общим для всех схем является то, что они включают использование преобразователя среды или протокола. Поток в основном идет от простых систем на основе модемов с использованием витой пары к оптоволоконным и беспроводным сетям, от аналоговой передачи к цифровым системам передачи. От протоколов голосовой связи до протоколов Ethernet и беспроводных приложений (WAP). Примеры, приведенные в этой главе, представляют собой применение технологий, обсуждавшихся во второй главе.

Прежде чем обсуждать фактические типы коммуникационных цепей, необходимо рассмотреть некоторые из основных элементов цепей, а затем понять их использование в качестве части светофора или системы управления автострадой.

Базовые схемы связи для полевых устройств

Мы начинаем с базовой медной витой пары и переходим к оптоволоконным и беспроводным технологиям связи.

На самом деле NTCIP представляет собой набор протоколов, обеспечивающих поддержку многих различных аспектов требований транспортной системы связи.

Ключевым фактором в развертывании устройств управления дорожным движением и транспортом является использование коммуникационных протоколов NTCIP (протокола национального интерфейса связи на транспорте). Использование протоколов NTCIP влияет на общий дизайн коммуникационной сети. Два правила, которые необходимо всегда соблюдать при проектировании сети связи:

Все элементы связи стоят денег
Все протоколы связи требуют полосы пропускания

Каждый элемент, подключенный к цепи связи, имеет денежную стоимость. Следовательно, комплекс по своей сути дороже. Всегда старайтесь делать схемы простыми. Признайте, что общая стоимость касается не только первоначального оборудования. Дополнительные затраты на установку, оптимизацию, техническое обслуживание и эксплуатацию. Избегайте использования сложных телекоммуникационных технологий только потому, что они новейшие. «Последние и лучшие» не всегда обеспечивают решение проблем связи, возникающих в новой системе управления трафиком. Пусть правильно составленный документ с требованиями к системе связи станет вашим проводником.

Основные типы цепей

В этом разделе дается определение основных типов коммуникационных схем и концепция того, с чего инженеры связи начинают процесс проектирования системы. Во второй главе представлены ссылки на напрямую подключенные и коммутируемые схемы связи. На самом деле, будь то прямые или коммутируемые, все каналы связи попадают в одну из трех категорий:

Точка-точка (см. схему) — коммуникационное соединение между двумя устройствами или устройством и контроллером.
Point-to-Multipoint (см. схему) – схема связи, соединяющая несколько устройств с контроллером. Это также может называться Multipoint-to-Point — в зависимости от вашей отправной точки.
Multipoint-to-Multipoint (см. схему) – схема связи, позволяющая многим устройствам подключаться ко многим устройствам; этот тип системы всегда включает коммутатор или маршрутизатор.

На рис. 5-2 представлены три основных типа схем с использованием модемов в качестве оконечных устройств, подключенных к частным линиям связи. Существует множество вариантов, особенно при использовании коммутируемых сетей или интеллектуальных коммутаторов и маршрутизаторов. Например, Интернет является примером схемы «многоточка-многоточка». Многие отдельные домашние компьютеры могут подключаться к одному или нескольким веб-сайтам через ТСОП. Тот же тип услуг также предоставляется через сети кабельного телевидения с использованием комбинации маршрутизаторов и широкополосных мультиплексоров.

Рисунок 5-2: Диаграмма – 3 типа цепей связи

Процесс проектирования

Разработка проекта системы связи очень проста и не очень сложна, особенно если имеется хороший документ с требованиями. Рассмотрим процесс и этапы создания дизайна. Предположим, что для проекта сигнального перекрестка создан документ с требованиями. В документе перечислены следующие требования к системе связи:

Семь контроллеров 2070 размещены, как указано в таблице
Сигналы светофора на перекрестках автоматически настраиваются на временные параметры хост-компьютером
Сигналы светофора получают команды через полевые контроллеры
Хост-компьютер будет опрашивать 2070 контроллеров каждую секунду с запросом данных и временных данных.
Контроллеры 2070 будут хранить данные с регулируемых перекрестков до тех пор, пока не будет запрошен хост-компьютер
2070 контроллеры должны ответить на запрос хоста в течение 20 миллисекунд
Обратите внимание, что здесь не обсуждается тип используемой технологии.

Это позволяет инженеру по связи давать рекомендации по оборудованию на основе требований.

Инженеры по связи обычно визуализируют базовую схему коммуникационной схемы в виде блок-схемы, а не механической конструкции. Это помогает упростить общий процесс проектирования. Во время первоначальной встречи для рассмотрения концепции проекта инженеры по коммуникациям обычно создают эскиз «обратной стороны конверта» или «салфетки». Это помогает облегчить обсуждение и предоставить разработчику системы и «клиенту» (DOT) общие точки соприкосновения.

Рисунок 5-3: Схема системы связи на салфетке

Системы связи разрабатываются с нуля. Первым шагом является расположение точек связи, обычно идентифицируемых по местоположению. Предпочтительны адреса улиц, однако системы управления дорожным движением развертываются на перекрестках или в точках на шоссе. Точные местоположения будут определены во время обхода сайта. Таблица расположения устройств для системы светофоров может выглядеть следующим образом:

Таблица 5-1: Расположение полевых контроллеров
Главный компьютер	Полевой контроллер
7-я и Восточная Напа	2-й Восток и Восточная Испания
	Восточная Напа и Восточная Испания
	Восточный 2-й и Паттен
	4-й Ист и Довалл
	Восточная 4-я и Восточная Напа
	4-й восток и Франция
	Восточный 4-й и Паттен
	Восточный 4-й и Восточный Макартур

Затем таблица размещается на карте, чтобы помочь определить точное местоположение и измерить расстояние. Измерения расстояния между устройствами необходимы для определения «потери связи». Инженер связи должен знать, нужно ли будет усиливать сигнал связи, чтобы преодолеть чрезмерную потерю связи. Измерения расстояний также помогут в составлении сметы строительства.

Рисунок 5-4: Схема расположения

Примечание. Это «вымышленный» пример системы управления сигналами светофора, предназначенный для демонстрации того, как рассчитать требования к цепи передачи данных.

Затем создается таблица устройств и пропускной способности. В таблице показано количество данных на передачу по сайтам. Для этого типа системы главный компьютер обычно отправляет «взлом времени» и запрашивает, чтобы полевые устройства отправили доступные данные. Таблица становится базой данных для конфигурации системы.

Инженеру связи необходимо определить максимальный объем данных, передаваемых в одном направлении. На основании информации в таблице максимальный объем данных передается от полевых устройств к главному компьютеру. Всего 6400 бит. Следовательно, 9Канал связи 600 бит/с (9,6 кбит/с) можно успешно использовать.

Восточная Испания

Таблица 5-2: Расположение и таблица требований к данным
Артикул	Главный компьютер	Полевой контроллер	Максимальное количество данных на передачу
1	7-я и Восточная Напа		200 бит
2		2-й Восток и	800 бит
3		Восточная Напа и Восточная Испания	800 бит
4		Восток 2-й и Паттен	800 бит
5		Восточный 4-й и Довалл	800 бит
6		Восточная 4-я и Восточная Напа	800 бит
7		Восток 4-й и Франция	800 бит
8		Восточный 4-й и Паттен	800 бит
9		Восточный 4-й и Восточный Макартур	800 бит

Из этой информации создается схематическая диаграмма. Схема помогает инженеру связи визуализировать взаимосвязь всех точек связи. Общий проект сети связи включает в себя все устройства и кабельные трассы связи. Рисунок 5-5 можно рассматривать как обложку набора схем, показывающих более подробно.

Рисунок 5-5: Схема системы

Один из чертежей, который должен быть включен, — это детали кабеля с диаграммой, показывающей контакты разъема. Очень часто производители делают свои устройства с разнообразными кабельными разъемами. Большинство компьютеров используют разъемы DB-9, а модемы, как правило, имеют разъемы DB-25 или RJ45. Если требуются нестандартные кабели, кабельный разъем и таблица выводов сэкономят время и уменьшат путаницу. Если контроллер Signal использует разъем DB-25, а модем имеет разъем DB-9соединитель, вы должны включить таблицу со следующей информацией:

Таблица 5-3: Соединительный кабель DB-25
25-контактный разъем контроллера, № контакта	9-контактный разъем модема, № контакта	Сигнал RS232, Функция
1	н/д	Заземление рамы
2	3	ТХ
3	2	РХ
4	7	РТС
5	8	КТС
6	6	ДСР
7	5	Сигнальная земля
8	1	DCD
9	н/д	+ ТХ
11	н/д	— Техас
18	н/д	+ приемник
20	4	ДТР
22	9	РИ
23	н/д	ДСРД
25	н/д	— РХ

Рисунок 5-6: Разъем DB-25

Эта таблица основана на стандартах EIA/TIA для последовательных кабелей RS232. Дважды проверьте стандарты для окончательной справки и попросите производителей устройств предоставить схемы выводов. Стандарты меняются, но производитель может не учитывать эти изменения.

Это отправная точка в общем дизайне. По мере продолжения процесса инженер по коммуникациям будет продолжать совершенствовать дизайн до тех пор, пока не будет сделан разумный вывод о решениях, которые наилучшим образом будут поддерживать общие цели основного проекта. Разрабатывается серия схем, и правила проектирования, установленные в четвертой главе, используются для создания окончательного проекта.

Рисунок 5-7: Разъем DB-9

Цепи устройства управления дорожным движением

Ниже приводится описание коммуникационных цепей, обычно используемых в транспортных и дорожных системах. В заключение пятой главы мы приведем пример сложной коммуникационной системы, включающей ряд различных устройств дорожной и транспортной системы. В седьмой главе представлены примеры реальных систем, которые были развернуты (или находятся в процессе развертывания).

Ранее схемы связи описывались как состоящие из трех (3) основных элементов – передатчика, приемника и среды передачи. Это описание было дано, чтобы обеспечить базовое понимание схем связи. Схемы связи имеют еще один общий элемент — преобразование протокола. В самой элементарной системе — две (2) консервные банки и веревка — есть этот элемент. Жестяные банки преобразуют звук в вибрацию, которая передается струне. Обычный телефон преобразует человеческий голос (звук) в электрический сигнал (преобразование протокола). Электрический сигнал передается по медному проводу (носителю). Электрический сигнал принимается другим телефоном и преобразуется в звук. Модем преобразует протокол передачи данных с компьютера в протокол, который может передаваться через носитель. Модем — это сокращение от словосочетания модулятор/демодулятор. Модем преобразует двоичный протокол данных «единица/ноль» компьютера (или другого устройства передачи данных) в протокол, который можно передавать через определенный носитель (11). Модемы были разработаны для витой пары, радио и оптоволокна.

Система управления дорожным движением

Помните — программное обеспечение и протоколы данных задаются в байтах, а передача данных — в битах. 1200 бит данных составляют 150 байт. Один байт равен одному символу. Некоторые системы сигналов светофора используют бит-ориентированное сообщение. Хост-компьютер считывает отдельные биты в одном байте, чтобы найти индикаторы состояния устройства.

Регуляторам дорожного движения требуется достаточно простая система связи. Как правило, они объединены в последовательную сеть «точка-точка» или «точка-многоточка» с использованием аналоговых модемов с низкой пропускной способностью и медных витых пар для передачи голоса. Самой большой проблемой, с которой сталкивается инженер связи при проектировании этих цепей, являются требования к опросу. Системы светофоров традиционно разрабатываются с общесистемным опросом устройств каждую секунду. То есть каждый контроллер опрашивается каждую секунду для получения информации и получает синхронизирующий сигнал.

Рассмотрим систему светофоров, использующую скорость передачи данных 9600 бит/с. Если каждое устройство передает 1200 бит данных за один опрос, то теоретически к одному многоточечному каналу связи можно подключить максимум восемь устройств. С учетом двусторонней задержки или потенциальных проблем с линией инженер по связи подключал только семь устройств к каждой цепи. Теоретически для сигнальной системы с 50 контроллерами потребуется восемь отдельных многоточечных коммуникационных цепей.

Если система сигналов светофора использует 10-битное сообщение для предоставления всей необходимой информации, канал связи со скоростью 9600 бит/с теоретически может поддерживать максимум 960 полевых устройств. Используется следующая формула: 9600 битов, разделенных на 10 битов (каждое сообщение) = 960. Однако эта цифра дополнительно уменьшается на общее время (время двусторонней связи), необходимое для опроса каждого устройства, затухания сигнала в зависимости от расстояния, типа состав средств связи и отношение сигнал/шум линии связи. Кроме того, существует задержка, вызванная устройством для правильного форматирования и отправки ответа.

Если бы система использовала сообщение, ориентированное на байты, максимальное количество устройств было бы значительно меньше. Система, использующая сообщение размером 150 байт, будет ограничена максимум 8 устройствами на канале 9600 бит/с — 9600 битов, разделенных на 8 (один байт), разделенных на 150 байтов (каждое сообщение) = 8. Убедитесь, что инженер связи и производитель программного обеспечения согласовывают эти детали. Это сэкономит время при оптимизации системы.

Основные типы цепей данных

На следующей схеме показаны основные элементы модема. Фактически, DSU/CSU, сетевые интерфейсные карты (NIC), видеокодеки и многие другие передающие устройства имеют те же самые элементы. Ключевые различия основаны на типе интерфейса данных и среде передачи.

Рисунок 5-8: Блок-схема модема

Все коммуникационные схемы используют тот или иной тип среды — преобразователь протоколов, так что ввод/вывод устройства может передаваться через определенную среду или через коммуникационную сеть. Примеры:

Управление светофором
Коммуникационный шкаф для дорожных устройств
Переменный знак сообщения
Камера видеонаблюдения
Управление PTZ
Станция RWIS
Монитор высокого уровня воды

Эти термины также используются в руководствах по техническому обслуживанию и установке. Технические специалисты могут легко определить, какая сторона устройства подключена к оборудованию для передачи данных, а какая — к сети.

Когда инженер использует модем, он рассматривает его как посредника между оборудованием для передачи данных и сетью связи. Компьютер (или другое устройство передачи данных) называется оконечным оборудованием данных (DTE), а модем считается оборудованием передачи данных (DCE). DTE и DCE — это термины, которые помогают инженеру связи визуализировать систему связи технологически нейтральным образом. Устройство DCE имеет две стороны – DTE и сеть. Используя эти термины, инженер может визуализировать ориентацию оборудования в сети.

Камера видеонаблюдения считается DTE-устройством, поскольку она предоставляет данные в виде изображения. Камера фактически преобразует изображение в электрический сигнал, который должен передаваться через устройство DCE. Устройством DCE может быть модем, который преобразует электрический видеосигнал в сигнал T-1 для передачи по медной витой паре. В этом случае модем DCE называется кодеком.

Рис. 5-9: Принципиальная схема видеонаблюдения

Разработчик системы связи может предпочесть создать очень универсальную компоновку системы. Разработчик может выбрать технологии позже в процессе, но у него все еще есть рабочее представление о том, как будет развиваться система.

При окончательной доработке приведенная выше схема может выглядеть следующим образом:

Рисунок 5-10: Принципиальная схема видеонаблюдения

Схемы связи базового типа устройства управления движением

Связи связи для контроллеров типа 170/2070 и NEMA довольно просты. При нормальной работе используется двухпроводная полудуплексная схема со скоростью 1200 бит/с. Большинство систем подключаются с использованием протокола связи FSK между модемом полевого контроллера и модемом главного контроллера. Базовая прямая связь между одним 170/2070 и главным управляющим компьютером выглядит так, как показано на рис. 5-11. Обратите внимание, что частный кабель витой пары, установленный DOT, описывается как сеть .

Рисунок 5-11: Схема подключения полевого контроллера к хост-компьютеру

Рисунок 5-12: Схема — точка-многоточка

Частотная манипуляция (FSK) — это метод передачи цифровых сигналов. Каждое из двух двоичных состояний, «0» (низкий уровень) и «1» (высокий уровень), представлено аналоговым сигналом. «0» соответствует определенной частоте, а «1» соответствует другой частоте. Модем преобразует двоичные данные с компьютера в FSK для передачи по телефонным линиям, кабелям, оптическим волокнам или беспроводным средам. Модем также преобразует входящие сигналы FSK в цифровые состояния низкого и высокого уровня, которые компьютер может «понимать».

Модемы используют специальный протокол модуляции для преобразования цифрового выхода компьютера (или контроллера светофора) в аналоговый для передачи по телефонной линии или витой паре. Протокол, используемый модемами для подключения контроллеров сигналов светофора к компьютерам центрального управления, — это FSK (частотная манипуляция). Частотная манипуляция позволяет передавать данные на низкой скорости (менее 9,6 Кбит/с). Для более высоких скоростей передачи данных используются другие протоколы модема – PSK (фазовая манипуляция) и QAM (квадратурная амплитудная модуляция). Если вы хотите узнать больше об этих протоколах передачи, обратитесь к любому хорошему учебнику по телекоммуникациям — несколько из них перечислены в справочном разделе этого руководства.

Эта базовая система связи может быть применена практически к любой конфигурации. Замените 2/4-проводную витую пару частной линии оптоволокном, и базовая конфигурация сети не изменится. Протокол связи RS232, используемый контроллером 170, должен быть преобразован в сигнал световой волны для передачи по оптоволокну. Решили перейти на более новый контроллер типа 2070, но хотите сохранить существующие каналы связи по витой паре? Просто замените контроллер, потому что модемы и линия передачи остаются прежними. Примечание: Предполагается, что нет изменений в протоколах программного обеспечения во всей системе сигналов светофора .

Такое расположение (рис. 5-13) можно использовать для нескольких мест, где требуется несколько каналов связи «точка-точка». Каждый контроллер будет иметь прямую связь с центральным компьютером и выделенный коммуникационный порт. Инженеры назвали бы это сетью связи «точка-многоточка». Использование множества каналов связи, модемов и портов связи на центральном компьютере может быть дорогостоящим. Системы светофоров, как правило, используют вариант многоточечной связи. Такая схема называется многоабонентской схемой связи. Один модем на центральном компьютере обслуживает множество полевых модемов. Эта схема особенно рентабельна при аренде каналов частной линии у оператора. DOT платит за один канал связи, а не за восемь или более, которые он заменяет.

Рисунок 5-13: Диаграмма – Многоточечная система

«Задержка» – для этой цели – определяется как количество времени, прошедшее с момента запроса информации центральным компьютером до получения информации от полевого устройства.

Центральный компьютер контролирует весь процесс связи. Он опрашивает полевые контроллеры для получения информации, используя многоточечную схему, которая позволяет всем полевым устройствам реагировать индивидуально. У них есть виртуальный канал связи с центральным компьютером. Использование многоабонентской конфигурации позволяет центральному компьютеру опрашивать все полевые устройства, подключенные к одному каналу, но каждый полевой модуль должен отвечать последовательно и не может использовать канал, пока другой модуль осуществляет передачу. Использование многоабонентской схемы требует тесной координации между системой связи и системой программного обеспечения центрального компьютера. Убедитесь, что инженер по связи полностью осведомлен о требованиях к задержке связи программного обеспечения. Если модем полевого модуля находится на достаточном расстоянии от центрального компьютера, может потребоваться указание программному обеспечению ожидать ответа еще одну или две миллисекунды.

В таблице диаграмм DB-25–DB-9, показанной ранее в этой главе, указан контакт, обозначенный «CTS». Эти инициалы означают «Clear-to-Send». Модем полевого модуля будет ждать индикации готовности к отправке перед передачей информации на центральный компьютер. Если прошло слишком много времени, центральный компьютер выполнит еще одну последовательность опроса. Если задержка слишком велика или центральный сервер отправил слишком много запросов на информацию, центральный сервер может предположить, что один или несколько полевых контроллеров вышли из строя, и выдать отчет об ошибке.