Диссертация (1137104), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Количество смен состояния неограничено, максимальная частота переключений составляет 1 МГц, диапазонрабочих температур простирается от -40 до +85°C. Приборы выпускаются в 16контактных корпусах типа QFN.128FRAM – оперативное энергонезависимое запоминающее устройство (ЗУ),сочетающее высокое быстродействие и малую потребляемую мощность, сосвойством хранения данных и в отсутствие приложенного напряжения, но безих периодического восстановления, что необходимо для схем постояннойпамяти.
Основными преимуществами являются: информация при выключениипитания не стирается; длительность циклов записи и чтения одинакова; нетребуется цикл стирания заменяемых данных; небольшое энергопотребление;большой ресурс по записи, до 1016; промышленные стандарты назначениявыводов; хорошая устойчивость к внешним воздействиям.В сравнении с флэш-памятью время записи данных в ЗУ этого типа ипотребляемая им мощность намного меньше, а ресурс по циклам записинамного выше. Объясняется это тем, что традиционные энергонезависимыемикросхемы памяти представляют собой приборы с плавающим потенциаломзатвора, и операция записи требует высокого напряжения для «проталкивания»электронов через барьерный слой оксида.
К тому же, эта операция длительна,вызывает высокие механические напряжения в оксиде, что сокращаетдолговечность и ухудшает надежность прибора. Необычные и столь ценныесвойства FRAM обеспечивает сегнетоэлектрик, используемый в качестведиэлектрика накопительного конденсатора ячейки памяти. При этом ЗУ хранитданные не только в виде заряда конденсатора, но и в виде электрическойполяризации кристаллической структуры сегнетоэлектрика.Одной из важных отличительных особенностей FRAM является полноеотсутствие каких-либо задержек при считывании и записи информации,выполняемых со скоростью передачи данных системной шины. Полный циклзанимает меньше времени, чем единичный тактовый цикл шины, так что любаяоперация может начинаться немедленно после цикла записи данных илиадресации.
Опроса для подтверждения окончания операции, не требуется [70].1293.5. Приемо-передающий модульСреди аппаратных средств, используемых при разработке БМ, важноеместоотводилосьвыборуприемо-передающихустройств(рис.3.20),необходимых для приема и передачи информации по радиоканалу СТС КУГ исостоящихизуправляющегомикроконтроллера,приемопередатчика,встроенной антенны, флэш-памяти и др.Рисунок 3.20 – Приемо-передающие устройства СТС КУГВ последние годы растет интерес к использованию радиосигналов дляобменаинформациеймеждусистемамииудаленнымиприемнымиустройствами.
Преимущество таких беспроводных систем связи состоит вустранении большей части обычных проводных соединений, а также нетнеобходимости следовать регламентированным правилам обмена информацией,и не требуется лицензия на протоколы передачи данных. Кроме того, ненарушается работа систем из-за электромагнитных помех и помех со стороны130других частотных каналов, в результате может быть достигнута высокаястепень защиты информации.Важнейшим фактором при работе БСС является ограниченная емкостьаккумуляторных батарей, устанавливаемых на БМ. Следует учитывать, чтозаменить батареи чаще всего либо невозможно, либо сложно.
В связи с этим наБМнеобходимоориентированнуювыполнятьнанебольшойпростейшуюобъемпервичнуюпередаваемойобработку,информации,минимизировав при этом число циклов приема и передачи данных.Данные задачи могут быть реализованы за счет использованияспециальных коммуникационных протоколов альянса ZigBee. Данный альянсбыл создан в 2002 году именно для координации работ в области БСС, в неговошли крупнейшие разработчики аппаратных и программных средств: Philips,Ember, Samsung, IBM, Motorola, Freescale Semiconductor, Texas Instruments и др.Спецификация ZigBee обеспечивает стандартизацию организации беспроводнойсвязи между устройствами от разных производителей в различных областяхприменения иучитывает такиехарактеристикикак: пространственнаямасштабируемость сети (до 64 тыс.
узлов); функциональная масштабируемостьсети (количество сетей можно наращивать без перенастройки роутеров икоординатора сети); легкость установки и наладки; высокая живучесть сети –при потере связи с узлами сети сеть перестраивается, изменяя структуру имаршрутизацию; легкость наблюдения за самой сетью; открытая архитектура;высокое качество связи; высокая степень защиты информации в сети [87,89].Архитектура стека ZigBee, представлена на рисунке 3.21, определяет в своюочередь ряд уровней, каждый из которых отвечает за определенную частьстандарта IEEE 802.15.4 и представляет услуги уровню расположенному выше,при этом логические связи между уровнями определяют интерфейсы [88].131Рисунок 3.21 - Архитектура стека ZigBeeБеспроводные сети на основе ZigBee строятся на основе трех базовыхархитектур:звезда,кластерноедерево,ячеистая(mesh).Извсехрассматриваемых архитектур, наибольшими преимуществами для построенияСТС КУГ для мониторинга ЛУ МГ обладает ячеистая архитектура (mesh-сеть)исходя из того, что: задает альтернативные пути следования пакетов в сети;позволяет масштабировать сеть; вносит гибкость сети; увеличивается дальностьсвязи и повышается надежность сети.На данный момент ZigBee разработал единственный в этой областистандарт IEEE 802.15.4, который подкреплен наличием производства полностьюсовместимых аппаратных и программных продуктов, который позволяетустройствам находиться в спящем режиме большую часть времени, чтопродлевает срок службы батареи.В результате проведенного анализа и оценки показателей качестватехнических средств [91] было выбрано беспроводное устройство MLM-DB2 набазе платформы MeshLogic, с ультранизким энергопотреблением, внешний вид132которого представлен на рис.
3.18 [10,12,13,108]. Данные устройствапредназначены для создания распределенных беспроводных систем сбораданных и полностью реализуют все функции по работе с радиоканалом исетевым взаимодействием, сокращая срок и стоимость разработки конечногоизделия. В устройство интегрирована версия сетевого стека MeshLogic [5-7],оптимизированная для задач передачи информации от множества устройств доодной или нескольких точек сбора. Управление модулем выполняется попоследовательному интерфейсу набором API-команд.Особенностями данного устройства являются на уровне аппаратногообеспечения: физический уровень стандарта IEEE 802.15.4; диапазон частот2400-2483,5 МГц; различные варианты подключения 50-омной антенны, U.FLразъемиликонтакты;последовательногомалыеинтерфейсаразмеры,управления25,4x19,05x2,7мм;от9216009600доскоростьбит/с;уникальный 48-разрядный серийный номер; флэш-память объемом 4 Мб дляхранения пользовательских данных; низкое энергопотребление: 21 мА/24 мА/9мкА;мониторингнапряженияисточникапитания.Полныйпереченьтехнических характеристик представлен в таблице 3.5.Особенности встроенного сетевого стека на уровне программногообеспечения являются: полностью многоячейковая сеть; все узлы являютсямаршрутазорами; автоматический поиск маршрутов; самоорганизация исамоадаптация; автоматический переход маршрутазоров в «спящий» режим;автоматический динамический выбор свободного частотного канала; учеткачествасвязиизапасаэнергииисточниковпитания;высокаямасштабируемость; простая система команд.При передаче информации/пакетов по беспроводной сети необходимоучитывать следующие характеристики: диапазон идентификаторов сети имеетзначение0x0000-0xFFFE;диапазонсетевыхадресов0x0001-0xFFFE;широковещательный сетевой адрес 0x0000; объем данных в пакете не более 95133байт; объем буфера приема 100 байт.
Типовая схема включения представлена нарисунке 3.22.Таблица 3.5 – Технические характеристики MLM-DB2ПараметрТипДиапазон частотКоличество каналовВыходная мощностьЧувствительностьАнтеннаНапряжение питанияРежим передачиРежим приемаРежим управленияДежурный режимТипБит данныхСтоп-битЧетностьКонтроль потокаСкоростьСерийный номерФлэш-памятьГабаритные размерыТемпературныйдиапазонЗначениеПримечаниеРадиоканалIEEE 802.15.42400-2483,5 МГц16от –24 дБм до 0 дБмпо умолчанию 0 дБм-95 дБм50 ОмU.FL-разъем или контактыЭнергопотреблениеот 2,7 до 3,6 В21 мАпри 3,3 В24 мАпри 3,3 В3,7 мАпри 3,3 В9 мкАпри 3,3 ВИнтерфейс управленияUART81нетнетот 9600 до 921600 бит/спо умолчанию 115200 бит/сДополнительные функции48 бит4 МбДругие параметры25,4 x 19,05 x 2,7 ммот –40 до +85 °CВ качестве хост-устройства может быть использован микроконтроллерили микропроцессор, обладающий последовательным интерфейсом UART(сигналы TXD и RXD) для управления модулем в соответствии с системойкоманд, описание которой содержится в документе, а также несколькимилиниями цифрового ввода-вывода для сигналов /CS, /RDY, /IRQ и /RST.Аналоговый сигнал PM представляет собой нормированное к диапазону 0-2,5 Внапряжениеисточникапитания.ДлямодулясигналPMявляется134опциональным, но его использование рекомендуется при работе устройства отавтономного источника питания (например, от батарей или аккумуляторов), т.к.в этом случае модуль способен использовать эту информацию для болеерационального использования запаса энергии.
При работе устройства отстационарного источника питания подключать сигнал PM нет необходимости.Рисунок 3.22 - Типовая схема включения беспроводного приемопередающего модуляКаждая микросхема имеет уникальный 64-разрядный код, 48 бит которогоиспользуются модулем в качестве его серийного номера. В свою очередьмладшие 16 бит серийного номера задают значение по умолчанию сетевогоадреса модуля. Если микросхема не подключена к модулю MLM, то егосерийный номер устанавливается равным 0, а сетевой адрес - 1, в этом случаехост устройство самостоятельно задает сетевые адреса модулей и контролируетих уникальность в пределах сети.Основным рабочим режимом управления модулей является режиможидания, в котором сигналы /CS и /RST должны находиться в пассивном135состоянии (высокий уровень). В этом режиме модули самостоятельновыполняют следующие функции (рисунок 3.23(а)): большую часть временимодули находятся в спящем режиме для минимизации энергопотребления ипериодически проверяют состояние канала; периодически модули передаютслужебные широковещательные сигнальные пакеты (Link-сигналы и Routeсигналы) для оценки текущего состояния сети.а)б)Рисунок 3.23 - Цикл передачи команды и ответа модулем (а), чтенияпринятого пакета данных (б)Взаимодействие между хост-устройством и модулем выполняется покомандному интерфейсу в режиме управления, при этом цикл обменасообщениями состоит из следующих действий: хост устройство устанавливаетсигнал /CS в низкий уровень для активации интерфейса управления модуля(режим управления); о готовности принять команду модуль сообщаетустановкой сигнала /RDY в низкий уровень; дождавшись готовности модуля,хост-устройство передает по последовательному интерфейсу команду; послеполучения команды модуль деактивирует последовательный интерфейс,выставляет в высокий уровень /RDY и приступает к выполнению команды;после выполнения команды модуль передает ответ и снова устанавливаетнизкий уровень сигнала /RDY, сообщая о готовности принять следующуюкоманду;получивотмодуляответ,хост-устройствоможетпередатьследующую команду или завершить цикл обмена, установив сигнал /CS впассивное состояние (режим ожидания).136Прием по радиоканалу пакетов данных осуществляется следующимобразом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
