Структурная схема системы

Рис. 3.1 Структурная электрическая схема проектируемой системы

На основании анализа существующих аналогов и технических требований, предъявленных к проектируемой системе разработана структурная электрическая схема, представленная на рис. 3.1.

Структурная схема состоит из следующих блоков.

АУ 1, АУ 2, АУ i, АУ 15 - 15 абонентских устройств, предназначенных для обмена речевыми сообщениями.

Блок питания - преобразователь первичного напряжения сети 220 В в напряжение 12 В постоянного тока. Обеспечивает питание абонентских устройств по одному общему проводу.

Линия связи является трехпроводной. Один провод общий, по другому подается питание +12 В, третий провод сигнальный (моноканал).

Рис 3.2 Функциональная схема абонентского устройства, подключенного к каналу связи

АРУ - автоматическая регулировка усиления;

ШИМ - широтно-импульсный модулятор.

На основании технических требований к системе и разработанной структурной электрической схемы составлена функциональная схема абонентского устройства, показанного на рис. 3.2.

В качестве моноканала используется обычный телефонный провод, который обладает невысокой ценой и идеально подходит для системы передачи речевых сообщений, обладающей невысокой скоростью передачи информации. Перейдем непосредственно к рассмотрению самого абонентского устройства.

Оно представляет собой устройство с клавиатурой, состоящей из 15 клавиш и индикаторов. Напротив каждой клавиши располагается светодиодный индикатор, сигнализирующий абоненту о текущем состоянии канала и информирующий его о том кто его вызывает. Рядом с клавиатурой располагается динамик который выполняет функцию микрофона и телефона. Каждое абонентское устройство состоит из аналоговой и цифровой части. Аналоговая часть выполняет функцию приема и передачи сообщения. Цифровая часть представляет собой устройство управления, организующая работу абонентского устройства.

Рассмотрим работу составных частей системы.

Каждое абонентское устройство может находится в трех состояниях;

- состояние ожидания;

- «передача»;

- «прием»;

- «воспроизведение».

Состояние ожидания - основное состояние абонентского устройства. В этом режиме аналоговая часть абонентского устройства отключена от линии, индикаторы погашены, абонентское устройство находится в режиме пониженного энергопотребления.

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