Маршрутный регистратор системы передачи данных

3.3 Розробка джерела живлення

 

Розроблюваний блок живлення повинен  трансформувати бортове живлення ТЗ у напругу 5В. В якості  інтегральних стабілізаторів напруги оберемо мікросхеми µА7805. Стандартна схема ввімкнення цих мікросхем наведена на рисунку 3.3.

 

 

Рисунок 3.3 – Схема ввімкнення мікросхем  µА7805 та µА7812

 

Потужність рухомого модулю знайдемо як суму потужностей споживання окремих його елементів, тобто за виразом:

 

               (3.12)

 

де Р_{спож.дав} – потужність що споживається давачами;

Р_{спож.інд} – потужність що споживається індикаторами;

Р_{спож.МК} – потужність що споживається мікроконтролером;

Р_{спож.рад} – потужність що споживається радіомодулем;

Р_{спож.інд} – потужність що споживається ПЗЧ.

 

Потужність споживання окремих  елементів розрахуємо як добуток  робочої напруги на струм споживання (потужність ПЗЧ відома заздалегідь). Будемо вважати що до системи підключені лише давачі з самою великою потужністю споживання. Підставивши у (3.12) наведені вище числові дані отримаємо:

 

             (3.13)

 

Електрична принципова схема мобільного модуля розроблюваної системи наведена в графічній частині.

3.4 Вибір та обґрунтування середовища моделювання

 

Розробка будь-якого радіоелектронного пристрою супроводжується, як  
правило, фізичним або математичним моделюванням. Фізичне  
моделювання пов'язане з великими матеріальними витратами, оскільки необхідне виготовлення макетів і їх дослідження, яке може бути дуже трудомістким. Тому часто застосовують математичне моделювання з використанням засобів обчислювальної техніки [24].

Моделювання буде проводитись в моделювальному пакеті PROTEUS 7 DEMO. Вибір програмного пакету обумовлений тим, що це один з небагатьох програмних пакетів, що дозволяють моделювати схеми в складі яких є мікроконтролери та мікропроцесори. Також перевагою цього пакету над іншими є зручний інтерфейс та повним комплексом необхідних для моделювання елементів.

PROTEUS - це комерційний пакет програм класу САПР, який об'єднує в собі дві основні програми: ISIS - засіб розробки та налагодження в режимі реального часу електронних схем і ARES - засіб розробки друкованих плат. У якості автоматичного вбудованого трасировщика в ARES, починаючи з  
версії 7.4, використовується програма ELECTRA Autorouter. До цього вона була додатковим і самостійним засобом трасування. Для створення власних VSM (програмних) моделей з версіями до 6.3 поширювалася бібліотека VSM SDK (папка INCLUDE), яка в пізніших версіях відсутній.

 

3.5 Комп’ютерне моделювання ПЗЧ

 

Програма PROTEUS 7 DEMO має невисокі вимоги до параметрів комп’ютера. Процесор Pentium III, або новіші процесори, 250 МБ вільного місця на жорсткому диску. Операційну систему - Windows 98, ME, XP, 128 МБ оперативної пам’яті.

Схема ПЗЧ зображена на рисунку 3.4

 

 

 

Рисунок 3.4 – Досліджуваний ПЗЧ

 

АЧХ, ФЧХ та осцилограма вхідного та вихідного сигналу зображено  на рисунках 3.5 – 3.7 відповідно.

 

 

Рисунок 3.5 – АЧХ досліджуваного ПЗЧ

 

 

Рисунок 3.6 – ФЧХ досліджуваного ПЗЧ

 

 

Рисунок 3.7 – Осцилограма вхідного та вихідного сигналу

 

Проаналізувавши рисунки 3.5 – 3.7 можна  зробити висновок про працездатність розроблюваного підсилювача.

            3.6 Опис моделювальної схеми та аналіз результатів моделювання

 

Принцип роботи РКМ наведений  у попередніх розділах. Відповідно до нього зберемо моделювальну схему  у програмному середовищі PROTEUS 7 DEMO. Отримана схема зображена на рисунку 3.8. Відмінність від аналогічних за призначенням пакетів програм, наприклад, Electronics Workbench Multisim, MicroCap, Tina та ін. від PROTEUS 7 полягає у розвиненій системі симуляції (інтерактивного налагодження в режимі реального часу і покроково) для різних сімейств мікроконтролерів: 8051, PIC (Microchip), AVR (Atmel), та ін PROTEUS має великі бібліотеки компонентів, в тому числі і периферійних пристроїв: світлодіодні і РК індикатори, температурні давачі, годинник реального часу - RTC, інтерактивні елементи введення-виведення: кнопки, перемикачі, віртуальні порти та віртуальні вимірювальні прилади, інтерактивні графіки, які не завжди присутні в інших подібних програмах.

             Основною метою моделювання є підтвердження працездатності РКМ шляхом ілюстрування інформаційного обміну із ПЦС. У якості ПЦС буде використовуватись МК Attiny 3213. Даний МК введений у моделювальну схему для імітування запитів та відповідей ПЦС.

 

 

 

Рисунок 3.8 – Моделювальна схема РКМ

 

 

На рисунку 3.9 зображено термінали, які підключені до ліній Rx та Tx МК.

 

 

Рисунок 3.9 – Вікна терміналів

 

Проаналізувавши рисунок 3.9 можна зробити висновок про те, що РКМ коректно відповідає на команди та запити ПЦС.

 

 

 

Рисунок 3.10 – осцилограма сигналу, що подається на п’єзозуммер при включенні РКМ

 

Відповідно до програми розробленої вище, РКМ при включенні сповіщає про це користувача за допомогою звукового сигналу, який формується за допомогою п’єзомуммера. Осцилограма цього сигналу зображена на рисунку 3.10. На рисунку 3.11 зображено осцилограму інформаційного обміну РМК із ключем Touch Memory за допомогою шини 1-Wire.

 

 

 

 Рисунок 3.11 – осцилограма сигналу на шині  1-Wire

 

Проаналізувавши наведені вище рисунки можна зробити  висновок про працездатність РКМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Проектування безпровідної мережі  передавання даних

4.1 Розрахунок  основних характеристик  та параметрів мережі

 

Мережа бездротового зв’язку повинна  покривати територію м. Вінниця  та вінницький район. Враховуючи, що стільниковий зв'язок стандарту DECT дозволяє передавати дані лише при швидкості руху абонентів до 12 км/год. можна зробити висновок про недоцільність розташування базових станцій на трасах за межами міст. За межами Вінниці доцільно розташовувати БС лише у місцях великого скупчення ТЗ та на автостанціях.

Вінниця має площу 65 км². На цій площі зосереджено дві третини всього маршрутного транспорту, який доцільно обладнувати рухомими комунікаційними модулями. Отже розроблювана мережа повинна обслуговувати до 2000 рухомих абонентів у м. Вінниця. Допустима ймовірність блокування виклику складає . Антени що використовуватимуться забезпечують підсилення G_БС=12 дБ.

Визначимо загальне число частотних  каналів, які виділяються для  розгортання мобільної мережі на території м. Вінниця:

 

.                             (4.1) 

 

де F - виділена смуга частот (20 МГц);

F_к - смуга частот, яку займає один частотний канал (1,728 МГц).

Підставивши у (4.1) числові значення, отримаємо:

 

                                             (4.2)

 

Отже, задана смуга частот складається  з 10 несучих.

Використовуючи усі несучі частоти  можна організувати 120 дуплексних канали, тобто  .  Оберемо антени з діаграмою спрямованості 360⁰,  тобто М=1.

Допустима ймовірність блокування одного виклику в стільниковій мережі рухомого радіозв’язку розраховується за формулою [9]:

 

.             (4.3)

 

Підставивши у (4.3)  числові значення, отримаємо:

 

                                      (4.4)

 

Як видно з розрахунків реальна  ймовірність блокування виклику менше заданої.

Допустиме навантаження в одній  комірці розрахуємо за виразом [9]:

 

.                                             (4.5)

 

Підставивши у формулу (4.3) числові  значення отримаємо:

 

.

 

Знаючи величину допустимого навантаження  в одній комірці знайдемо кількість  абонентів, які обслуговуються одною  базовою станцією за виразом:

 

.                                          (4.6)

 

Підставивши у вираз (4.6) числові  значення, отримаємо:

 

                             (4.7)

 

Необхідна кількість базових станцій  розраховується за виразом:

 

.                                                (4.8)

 

Підставивши у вираз (4.8) числові  значення, отримаємо:

 

                                        (4.9)

 

Розрахуємо радіус однієї комірки  за виразом:

 

                                               (4.10)

 

Підставивши у вираз (4.10) числові  значення, отримаємо:

 

 

Отриманий радіус комірки розрахований з урахуванням лише кількості  абонентів та площі, що покривається. Але розраховане значення необхідно скоригувати з огляду на обмеження максимальної потужності передавачів. Таким чином для розрахунків приймемо максимальний радіус однієї комірки рівним 1,1 км, що відповідає емпірично отриманим даним, для умов міської забудови. В такому випадку для покриття площі м. Вінниця необхідно буде розташувати 17 базових станції на території міста. В подальших розрахунках перевіримо вірність даного припущення.

Площа одного стільника розраховується за виразом:

 

.                                                (4.11)

 

Підставивши у вираз (4.11) числові  значення, отримаємо:

 

.                             (4.12)

 

Для визначення необхідної потужності передавачів розроблюваної мережі скористаємось виразом [10]:

 

,                                  (4.13)

 

де R_max – максимальний радіус впевненої дії приймально-передавального комплексу в зоні прямої видимості, км. (R_max =1,1 км);

h₁ – висота підйому передавальної антени, м. (h₁=15);

h₂ – висота підйому приймальної антени, м. (h₂= 1,5);

η –  коефіцієнт корисної дії антен (η =0,7);

Р – потужність передавача, Вт;                              

R – активна складова вхідного  опору приймача, Ом. (R=50);   

U – чутливість приймача мобільної  трубки, мкВ/м (U=5);                      

N – коефіцієнт затухання, який  залежить від довжини хвилі,  провідності ґрунту та забудови  місцевості. (N=14).

Тобто, необхідну потужність передавача знайдемо з виразу:

 

                                             (4.14)

 

Підставивши у вираз (4.14) числові  значення, отримаємо:

 

                            (4.15)

 

Знайдемо рівень потужності на вході приймача мобільної станції  на вільному просторі [9]:

 

;   (4.16) 

 

де G_БС - підсилення антени, (в нашому випадку 12 дБ);

f – робоча частота (в нашому  випадку 1880 МГц).

  

Підставивши у вираз (4.16) числові  значення, отримаємо:

 

(5.17)

 

4.2 Розрахунок потужності передавача з врахуванням впливу рельєфу місцевості

 

Потужність сигналу на вході  радіоприймача Р_пр при максимальній спрямованості передаючої антени F(φ,θ), яка виражається через ефективну площу приймальної антени A_эф і потужність сигналу у точці прийому, яка віддалена на відстань r від передаючої антени Р_с, визначається як [9]:

 

        (4.18)

 

де  D_прд  - коефіцієнт спрямованої дії передаючої антени;

Р_Σ - потужність радіопередавального пристрою, яка випромінюється;

D_пр - коефіцієнт спрямованої дії прийомної антени;

λ - довжина хвилі;

r - відстань від передаючої антени;

ξ_зн - коефіцієнт послаблення напруженості поля сигналу в зоні неоднорідності;

ξ_з - коефіцієнт, який враховує поглинання енергії електромагнітного поля в землі;

ξ_дп- коефіцієнт дифракційних втрат.

При багатоповерховій забудівлі важливе  значення має висота підняття антен базових станцій. Напруженість поля сигналу в точці Q на відстані r, яка створюється передавачем базової станції, з урахуванням особливостей інфраструктури міста, визначається модифікованою формулою Веденського:

 

                                    (4.19)

 

де  ξ_з - коефіцієнт, який враховує поглинання енергії електромагнітного поля в землі.

ξ_з розраховується за виразом:

 

 (4.20)

 

де h' - висота підняття антени базової  станції над середнім рівнем забудівлі;

F - множник послаблення поля  сигналу, який визначається інфраструктурою міста (рис. 4.1).

 

 

Рисунок 4.1 -  Графік зміни множника послаблення поля сигналу

 

Величина поглинання оцінюється коефіцієнтом втрат в зоні неоднорідності, та розраховується за виразом ξ_зн:

 

        ,      (4.21)

 

де α - постійна затухання напруженості поля;

r_зн - протяжність зони неоднорідності.

 

Із збільшенням протяжності зони неоднорідності r_зн, поглинання енергії радіосигналу збільшується. Особливо відчутні втрати для спектрів УВЧ та НВЧ. Це проілюстровано на рисунку 4.2.

 

 

Рисунок 4.2 - Вплив неоднорідності середовища на поширення радіохвиль