Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 188
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Протокол UART
UART был выбран в качестве протокола передачи данных не случайно. Данный протокол встречается во многих устройствах, он может передавать данные с большой скоростью, и благодаря наличию встроенного в однокристальную микро-ЭВМ передатчика, передача не отнимает процессорного времени, так как начала и конец передачи могут вызывать прерывания. UART (универсальный асинхронный приёмопередатчик) – это аппаратное средство, которое переводит информацию из параллельной формы в последовательную и обратно. UART обычно используются вместе с такими стандартами связи как EIA, RS-232, RS-422 или RS-485.
Слово универсальный в названии означает то, что формат передачи и скорости передачи являются настраиваемыми параметрами. Уровни электрического сигнала и методы (например, дифференциальная пара) передачи данных управляются внешними по отношению к UART цепями.
Универсальный асинхронный приемопередатчик берёт байт данных и последовательно передаёт биты. На стороне получателя другой UART собирает биты в целый байт данных. Каждый UART содержит сдвиговый регистр, который является основным методом перевода последовательного кода в параллельный. Последовательная передача цифровой информации (бит) по одному проводнику (или в другой среде) является менее затратной, чем параллельная передача по нескольким проводникам. UART обычно не принимает и не передаёт данные напрямую между устройствами. Обычно, для этого используются отдельные интерфейсные устройства, которые переводят логические уровни сигнала UART в и из уровней внешних сигналов.
Внешние сигналы могут быть различной формы. Примеров стандартов являются RS-232, RS-422 и RS-485 от EIA (Electronics Industries Alliance – Альянс отраслей электронной промышленности). Исторически для передачи данных использовались токовые петли. Некоторые схемы передачи не используют проводники.
Примерами таких схем являются оптоволокно, инфракрасный порт и Bluetooth в режиме последовательного порта (Serial Port Profile – SPP). Некоторые схемы используют модуляцию. Примером является модуляция аудио сигнала в телефонной линии модема, радиочастотная модуляция в цифровых радио и другие. Передача может быть симплексной (передача только в одном), полный дуплекс (оба устройства передают и отправляют информацию в одно и то же время) и полудуплекс (устройства передают очередь друг другу).
Протокол UART является стандартом асинхронной последовательной передачи данных. Формат пакета определён как стартовый бит, за которым идут от пяти до девяти бит данных, один бит чётности (опционален) и один (или два) бита останова.
Каждый символ начинается со стартового бита (логический ноль), изменяемого количества информационных бит (обычно 8, но пользователь может выбрать от пяти до 9 бит в зависимости от того, какой УАПП используется), необязательного бита чётности и завершается одним или несколькими стоповыми битами (логическая единица). Стартовый бит сигнализирует получателю о приходе нового символа.
Следующие пять-девять бит, в зависимости от выбранной кодировки, представляют собой символ. Если используется бит чётности, то он будет передан за всеми битами информации. Следующие один или два бита всегда находятся в состоянии логической единицы и называются стоповыми битами. Они сигнализируют приёмнику о конце передачи символа. Так как стартовый бит всегда логический ноль, а стоповый бит всегда логическая единица, то за один символ будет гарантирована минимум две смены уровня сигнала.
Если линия держится в состоянии логического нуля дольше, чем время передачи одного символа, это означает разрыв связи, который может быть определён УАПП.
Технология PLC
PLC (Power Line Communication – связь через линии электропередачи) – технология передачи информации по существующим сетям электропитания, которая обеспечивает не только питание электронных устройств, но и управление/получение данных в полудуплексном режиме. Технологию PLC можно разделить на два вида – узкополосную и широкополосную. В табл.2 приведена их классификация по скорости.
Таблица 2-Классификация PLC-технологий по скорости передачи данных
Широкополосная PLC применяется на более высоких частотах (1,8– 250 МГц до 100 Мбит/с) и работает на относительно небольших расстояниях.
Поскольку этот вид PLC обеспечивает высокие скорости передачи данных и не требует дополнительной прокладки кабелей, эта связь наиболее эффективна для мультимедийных бытовых приложений.
В PLC, как и в любой другой технологии связи, передаваемые данные модулируются и отправляются приемнику адресата, где демодулируются.
Основой технологии PLC является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.
В PLC-связи используется множество схем модуляции. К наиболее известным из них относятся OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), BPSK (Binary Phase Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), S-FSK (Spread-FSK), а также запатентованные схемы, например, DCSK (Differential Code Shift Keying) компании Yitran.
Перечисленные схемы сравниваются по двум основным критериям — эффективности использования полосы частот и стоимости.
Таблица 3 – Сравнение схем модуляции
Для реализации надежной связи и технологической совместимости, в первую очередь, для интеллектуальных сетей электропитания и домашних сетей было разработано немало стандартов. Их параметры сведены в табл. 3. Однако принятия единого во всем мире PLC-стандарта еще не произошло. Этим вопросом занимается в настоящее время рабочая группа IEEE 1901.2. До сих пор наиболее надежным считается стандарт G3-PLC.
К недостаткам технологии PLC относятся следующие:
-
сети электропитания не приспособлены под передачу данных и ведут себя как низкочастотные фильтры. Моделирование каналов связи по таким линиям осложнено зашумленной средой передачи, частотной избирательностью каналов, нестационарностью, флуктуационным шумом и импульсными помехами. Для сохранения целостности сигнала по линиям электропередачи требуются надежные технологии передачи данных и оборудование; -
структура сети электропитания в различных странах разная. То же самое относится и к проводке внутри дома. Не существует универсального стандарта ни для PLC-связи, ни для энергосетей. Необходимо предпринять меры по обеспечению совместимости разных устройств; -
при отправке информации личного характера по сетям электропередачи требуется обеспечить ее защищенность.
2 РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА
Реализацию автоматизированной информационно-измерительной
системы коммерческого учета можно выполнить двумя способами в сети:
- произвести полную замену существующего оборудования;
- произвести модернизацию существующего оборудования.
Полная замена существующего оборудования сопровождается
большими экономическими и временными затратами. Также не возможность
моментальной (единовременной) замены оборудования может привести к
перебоям в энергоснабжении садового некоммерческого товарищества.
Модернизация имеющегося оборудования может подразумевать
несколько технически возможных решений. Во-первых, непосредственной
вмешательство в схему прибора энергетического учета. Такое решение не
будет универсальным, так как будет разрабатываться под каждую
определенную модель индивидуально. Во-вторых, возможно использовать
внешние интерфейсы электросчётчиков для снятия данных учета. Данное
решение подразумевает установку приемо-передающих модулей. Такое решение является наиболее универсальным и мене экономически затратным. Замене будут подлежать лишь счетчики, не имеющие внешних интерфейсов
передачи данных.
Для передачи данных наиболее распространённым является интерфейс
RS-485. Это промышленный интерфейс, на данный момент считается самым
надежным.
К устройству предъявляются следующие требования:
- не высокая стоимость;
- интеграция в сеть Wi-Fi;
- возможность чтения данных по интерфейсу RS-485;
- возможность удаленного управления нагрузками;
- наличие открытого API или свободного ПО для работы с устройством.
По заданным критериям был произведён поиск устройств. Поиск выявил несколько решений, удовлетворяющих предъявленным требованиям.
Реализация системы требует замены всех электросчетчиков, а управление системой осуществляется через личный кабинет, который находится на серверах компании. При потере доступа к глобальной сети, теряется возможность получать дынные и производить управление системой.
Другие решения страдают схожими проблемами или являются системами подходящими белее для производств чем для частного пользования.
2.1 Разработка аппаратного обеспечения
Основными назначениями разрабатываемого устройства – является:
автоматизированный сбор и передача данных, передача данных
дополнительных параметров работы электросети, управление нагрузками
(отключение должников от сети). Устройство имеет двадцать два контакта.
Назначение контактов модуля представлено в таблице 4.
Таблица 4— Контакты модуля
Для изготовления модуля были разработаны структурная и