Устройства передачи данных с переменной скоростью для систем управления

В диссертации рассматриваются устройства передачи данных, используемые для организации систем управления (СУ) магистральными нефте-, газопроводами, железными дорогами и т. п. Будем называть рассматриваемые СУ распределенными или технологическими. Как правило, технологические СУ не требуют больших скоростей передачи данных, обеспечиваемых оптическими и радио системами передачи данных (СПД). Вдоль рассматриваемых объектов, обычно уже проложены медные кабели связи. Поэтому СПД, использующие для передачи данных кабели, являются наиболее экономически привлекательными для рассматриваемых применений.

Описанные в диссертации модули систем передачи данных с переменной скоростью (СПДПС) предназначены для передачи цифровых потоков данных El [1], Nx64 [2], [3] и Ethernet [4] по физическим кабельным линиям на расстояния от 3 до 40 км при линейной скорости от 208 до 4624 кбит/с. Рассматриваются синхронные системы с одинаковыми скоростями передачи данных в направлениях приема и передачи. Эти СПД относятся к классу плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) по классификации международного союза электросвязи (МСЭ-Т, англ. ITU-T).

Диссертация состоит из 4-х глав. В первой главе приводится обзор, рассматривается подсистема синхронизации и коммутации модулей СПДПС. Предлагается собственная методика построения этих модулей. Во второй главе рассматриваются теоретические аспекты работы преобразователей частоты (ПрЧ), которые являются системами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Данные ПрЧ используются в модулях СПД для точного преобразования частот работы различных интерфейсов [5], а также для подавления фазовых искажений сигналов синхронизации [6]. Последней функции ПрЧ уделяется особое внимание, так как от нее зависит стабильность работы протяженной цепочки из нескольких модулей СПД. Во второй главе выводятся формулы для расчетов и предлагаются теоретические рекомендации по проектированию рассматриваемых ПрЧ. В третьей главе, которая является центральной частью диссертации, предлагается методика построения ПрЧ с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Описание реализации модуля СПДПС на базе разработанных методик приводится в заключительной, четвертой главе. Также приводятся результаты тестирования реализованного модуля.

Термин СПДПС в диссертации трактуется двояко: во-первых, рассматриваемые модули имеют возможность адаптивного изменения линейной скорости передачи, а, во-вторых, скорость обмена с каждой интерфейсной микросхемой также может настраиваться для обеспечения максимальной совместимости.

Данные, приведенные в диссертации, получены и проверены автором в процессе разработки СПДПС Megatrans-4 и Orion-2 производства НТЦ Натеке. Использование этих данных может существенно повысить качество и ускорить разработку новых модулей СУ, в которых требуется использование многоканальной коммутации данных с временным разделением каналов, полностью цифровых ПрЧ на основе ФАПЧ с возможностью быстрого изменения параметров, а также цифровых синтезаторов частот.

Актуальность исследования.

Большинство используемых кабельных СПД для СУ было разработано более двадцати лет назад. В настоящее время срок их эксплуатации заканчивается. Кроме того, эти СПД, использующие аналоговые технологии передачи, морально устарели — за последние годы были разработаны новые цифровые технологии, позволяющие упростить эксплуатацию СУ и повысить качество передачи данных.

Сегодня для замены этих систем, в основном, предлагаются модернизированные СПД устаревшего, аналогового типа. Такие системы рассчитаны на передачу данных на единственно определенной скорости. Это затрудняет их использование на кабельных участках увеличенной протяженности или на кабелях с плохими характеристиками. При использовании таких кабелей соотношение сигнал / шум на входе приемника становится меньше допустимого. Это приводит к превышению максимально допустимого уровня ошибок в линии. На высоких частотах наблюдается наибольшие затухания в кабеле. Поэтому при ограниченной мощности передатчика для увеличения соотношения сигнал / шум следует уменьшить полосу передаваемого сигнала, убрав из нее наиболее высокочастотную часть. Для такого уменьшения полосы необходимо снизить скорость передачи данных. С появлением цифровых технологий передачи адаптивное изменение скорости в соответствии с параметрами используемого кабеля, обеспечивается штатными функциями микросхем приемопередатчиков.

В настоящее время также предлагаются СПД, использующие микросхемы цифровой абонентской линии (англ. digital subscriber line, xDSL). Эти интегральные микросхемы (ИС) используют современные цифровые технологии передачи. Их использование делает возможным построение СПДПС, передающих данные со скоростями от 208 до 4624 кбит/с. К сожалению, микросхемы xDSL разрабатываются только зарубежными компаниями для организации небольших СПД, содержащих не более восьми регенераторов. При использовании этих ИС в системах, состоящих из десятков регенераторов, возникают проблемы. Основными из них являются генерация и усиление фазовых искажений сигналов синхронизации в каждом модуле СПД. Большие фазовые искажения синхросигналов, в свою очередь, приводят к ошибкам передачи данных, а в худшем случае — к продолжительным перерывам связи, что является неприемлемым для СУ. Подавление фазовых искажений может выполняться блоками ПрЧ, которые используются в модулях СПД для преобразования частот работы различных интерфейсов. Задача выбора и построения ПрЧ на основе ФАПЧ является одной из самых сложных для разработчика СПД. Хотя существует большое количество теоретической литературы по ФАПЧ, отсутствуют практические методики по проектированию подобных преобразователей.

В диссертации особое внимание уделяется построению блоков ПрЧ. Предлагается методика расчета цифровых ПрЧ для рассматриваемого класса устройств.

В интерфейсных и xDSL микросхемах не реализовано значительное количество функций, необходимых для модулей СПДПС. Кроме того, многим заказчикам требуется введение в СПДПС специфических функций. Поэтому первостепенное значение приобретает требования к гибкости построения модулей СПД и возможности быстрого изменения их характеристик. Приведенные требования обуславливают необходимость создания методики проектирования модулей СПД для СУ, содержащей проверенные универсальные решения ряда задач, возникающих при разработке.

В диссертации предлагается методика построения модулей СПД для СУ. Она предназначена для разработки устройств, имеющих несколько разнородных сетевых интерфейсов, работающих на разных скоростях передачи данных. Методика предполагает использование ПЛИС в качестве центрального элемента модуля СПД. Предлагаются архитектура типового устройства и основные унифицированные блоки ПЛИС, необходимые для передачи (коммутации) данных. Применение методики удобно в силу модульности предлагаемых решений и возможности адаптации проекта под новые интерфейсные ИС. Методика успешно применяется при разработке серийных СПДПС для СУ.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертации являются разработка методики построения модулей СПДПС и создание методики проектирования цифровых ПрЧ для этих модулей.

Для достижения поставленных целей последовательно решаются следующие задачи:

• Определение основных параметров модуля СПДПС.

• Классификация и анализ существующих подходов к построению СПДПС.

• Изучение принципов передачи синхросигналов в СПД класса ПЦИ.

• Разработка методики построения модуля СПДПС.

• Определение основных параметров ПрЧ для модуля СПДПС.

• Анализ теоретических данных по системам ФАПЧ, составляющим их блокам, выбор и адаптация необходимых алгоритмов расчета.

• Реализация на ПЛИС нескольких элементов цифровых ПрЧ: управляемых генераторов, фильтров и фазовых детекторов. Выбор наиболее эффективной реализации ПрЧ.

• Разработка алгоритма выбора типа преобразователей и синтезаторов частоты.

• Разработка методики проектирования ПрЧ на ПЛИС для модулей СПДПС.

• Реализация модулей СПДПС на основе разработанных методик.

• Тестирование реализованных модулей СПДПС.

Объект исследования.

В диссертации рассматриваются вопросы построения оборудования класса ПЦИ, разработанного для работы в составе технологических СУ. При разработке элементов и устройств такого оборудования значительную сложность представляет построение систем синхронизации и коммутации данных.

В диссертации исследуются системы синхронизации и коммутации данных на базе микросхем ПЛИС, а также общие вопросы построения модулей СПДПС.

Предмет исследования.

В диссертации исследуется вопрос использования микросхем ПЛИС в качестве центрального элемента модулей СПДПС. Рассматриваются вопросы построения подсистемы коммутации данных (далее транспортной подсистемы) модулей СПДПС на ПЛИС. Также рассматриваются вопросы построения преобразователей и синтезаторов частоты на ПЛИС.

Методологическая и теоретическая основа исследований.

Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области электроники, связи, автоматики и информатики.

В процессе анализа выпускаемых СПД для СУ использовались учебные курсы «Интерфейсы» и «Телекоммуникационные системы», а также теория построения синхронных и плезиохронных цифровых систем передачи данных.

При разработке авторской методики построения модулей СПДПС использовались методы схемотехнического проектирования микроэлектронных устройств. Применялись современные технологии проектирования ПЛИС.

Использовался язык описания аппаратуры Verilog HDL и аппаратно-независимый маршрут проектирования ПЛИС. Автор также использовал многочисленные рекомендации крупнейших производителей коммуникационных компонентов: Conexant, Infineon, Altera, Maxim-Dallas и Mindspeed и др.

В процессе проектирования цифрового преобразователя частоты (ПрЧ) использовалась теория ФАПЧ и метод фазовой плоскости. Также использовалась теория автоматического управления и методы цифровой обработки сигналов.

Для предварительного анализа работы логических схем, реализованных на ПЛИС, применялись методы функционально-логического моделирования.

Для оценки параметров подсистемы тактовой сетевой синхронизации (ТСС) разработанной СПД применялись методы и программы испытаний, изложенные в рекомендациях международных организаций, занимающихся вопросами стандартизации: ITU-T, ETSI и IEEE.

Информационная база исследования.

В числе информационных источников диссертации были использованы:

• Литература по системам ФАПЧ, преимущественно относящаяся к области радиоприемных устройств [7], [8] и др.

• Тематические статьи, размещенные на сайтах производителей ПЛИС: wavw.altera.com, www.xilinx.com, www.latticesemi.com, документация к используемым программам синтеза и моделирования (САПР), а также книги [9], [10] и др.

• Книги [11], [12], [13] по цифровой фильтрации, обработке сигналов и автоматическому управлению.

• Книги, описывающие построение цифровых систем передачи данных, систем синхронизации, управления и удаленного мониторинга [4], [14], [15], [16] и др.

• Online ресурсы: www.protocols.ru и www.vsi.ru (сетевые протоколы), www.opencores.com, www.hunteng.co.uk (открытые разработки), www.geocities.com/CapeCanaveral/56n/(системы ФАПЧ) и др.

• Многочисленные статьи печатных и online журналов: «Chip News», «ЕЕ Times», «Электронные компоненты», «Живая электроника России», «Вестник связи» и др.

• Результаты испытаний различных систем передачи и обработки данных производства ЗАО «НТЦ Натеке», ФГУП «ЛОНИИС», Sagem Group, Siemens и Schmid Telecom.

Научная новизна исследования.

• Разработана и апробирована методика проектирования цифровых преобразователей частоты на ПЛИС. Она позволяет по заданным параметрам проектировать ПрЧ для различных модулей СУ. При помощи разработанной методики возможно проектирование ПрЧ с малыми частотами среза и переключаемыми диапазонами подстройки. За последние годы было опубликовано несколько описаний цифровых ФАПЧ. Однако ни одна из них не может быть использована в качестве перестраиваемого ПрЧ в системах передачи данных.

• Предложена схема для предварительного определения АЧХ цифровых преобразователей частоты на этапе моделирования их работы. Она позволяет рассчитывать АЧХ цифровых ПрЧ, реализованных в ПЛИС, на этапе моделирования работы схемы. Рассчитанная АЧХ хорошо согласуется с экспериментальными данными и позволяет предварительно оценить характеристики разработанного ПрЧ. Ранее определение АЧХ ПрЧ было возможно только путем экспериментального исследования, для которого требовалось наличие сложного стенда, что было связанно с большими финансовыми и временными затратами.

• Разработана и обоснована методика построения модулей СПДПС с несколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Известны открытые архитектуры построения модулей СПД с одинаковыми сетевыми интерфейсами, работающими на одной скорости. При этом задача построения модулей с интерфейсами разных типов не стандартизована, а открытые методики и архитектуры отсутствуют. Автором предлагается гибкая методика построения модулей СПДПС с сетевыми интерфейсами разных типов, работающими на разных скоростях.

Практаческая значимость диссертации.

В диссертации приводятся практические рекомендации для построения модулей СПДПС класса ПЦИ. При использовании этих рекомендаций задача разработки новых модулей может быть решена в значительно более сжатые сроки, а полученные СПД с большой вероятностью будут качественными и расширяемыми.

Приведенные в диссертации данные были использованы автором в процессе разработки и тестирования семейства СПДПС Megatrans 4 производства «НТЦ Натеке». Были спроектированы 3 базовых устройства — модуль сетевого окончания и 2 линейных регенератора. Все модули успешно прошли сертификационные испытания, налажено серийное производство. Суммарный объем выпущенных изделий к концу 2006 года составил 1000 штук. Произведенные системы успешно эксплуатируются как в составе небольших СУ, так и на объектах Российских железных дорог, ОАО «Транснефть» и др. Имеются 3 акта о внедрении, сертификат соответствия и протоколы сертификационных испытаний.

Пользуясь методиками, приведенными в диссертации, можно провести анализ уже разработанных систем, повысить качество их работы и устранить функциональные дефекты подсистемы синхронизации.

Рассмотренные в диссертации блоки ПрЧ могут найти применение при проектировании следующих элементов СУ:

• Контроллеров телемеханики.

• Конвертеров интерфейсов.

• Систем передачи синхронных потоков через Ethernet/IP сети.

• Систем кросс-коммутации синхронных потоков.

• Систем служебной связи.

• Гибких мультиплексоров.

• Систем восстановления качества синхросигнала.

Апробация результатов диссертации.

Основные идеи, вошедшие в методику построения СПДПС, были приведены в статье [17]. Они были также доложены и опубликованы в трудах конференций [5], [18]. В статьях [17] и [19], опубликованных в журналах «Chip News» и «Электросвязь», была приведена методика расчета цифрового ПрЧ. В статье [20] журнала «Вестник связи» были изложены требования по качеству сигналов синхронизации к оборудованию класса синхронной цифровой иерархии (СЦИ, в основном [21], оптоволоконные системы) и пути достижения этого качества с использованием оборудования класса ПЦИ. Сбор материалов и откликов на эту статью помог автору в определении необходимых параметров разрабатываемых блоков ПрЧ. В докладе [22] были сформулированы используемые автором методы измерения фазовых искажений сигналов синхронизации.

Выводы.

• Сформулирована задача разработки нового модуля LTU (модуля линейного окончания СПДПС). По методике (п. 1.5) разработан модуль LTU. Приведена его структурная схема, детально описана реализация центрального коммутатора на ПЛИС.

• Приведены параметры блока ПрЧ, синтезированного для модуля LTU с использованием методики (п. 3.3). Вычисленные и измеренные в лаборатории характеристики ПрЧ согласуются в пределах 10%-ной погрешности.

• Предложена схема для предварительного определения АЧХ преобразователя частоты на этапе математического моделирования работы ПЛИС. Эта методика использует испытательную схему моделирования, разработанную по портотипу экспериментальной лабораторной установки. Результаты лабораторных измерений и математического моделирования согласуются в пределах допустимой 5%-й погрешности.

Заключение

.

В диссертации рассматривается схемотехника модулей систем передачи данных с переменной скоростью, используемых в системах управления.

Разработана методика построения модулей СПДПС класса ПЦИ с несколькими разнородными сетевыми интерфейсами. Данная методика включает в себя новую архитектуру модуля, разработанную автором путем синтеза стандартных архитектур. В методике предлагается использование микросхемы ПЛИС в качестве центрального коммутатора данных. Предлагаются типовые реализации основных блоков ПЛИС, к которой подключаются все интерфейсные микросхемы, а также микроконтроллер. Для каждой интерфейсной микросхемы в ПЛИС создается, так называемый, «аппаратный контроллер», который подключается к внутренней общей шине.

Использование предлагаемой методики позволяет в несколько раз уменьшить время разработки новых модулей СПДПС и быстро расширять функциональность уже разработанных изделий, что, в свою очередь, необходимо в силу сжатых сроков разработки и наличия большого числа специфических требований различных заказчиков.

Детально рассмотрен наиболее сложный блок ПЛИС модуля СПДПСцифровой преобразователь частоты (система ФАПЧ). Проведены расчеты характеристик данного ПрЧ. Разработано несколько реализаций его компонентов: фильтров и управляемых генераторов. Выбраны лучшие реализации. Для ПЛИС Altera Cyclone ЕР1СЗТ144С8 синтезирован ПрЧ, работающий на частоте 180 МГц, и УГ, работающий на частоте 275 МГц.

Впервые разработана методика проектирования полностью цифровых ПрЧ на ПЛИС по заданным характеристикам. Разработана программа расчета параметров ПрЧ. При этом время синтеза ПрЧ с необходимыми параметрами занимает всего несколько минут. Использование разработанной методики ограничено кратковременной стабильностью используемого кварцевого генератора и шириной полосы захвата ПрЧ (на низких частотах среза). Предложены направления дальнейшей модернизации методики.

Разработана схема для предварительного определения АЧХ цифрового ПрЧ на этапе моделирования логической схемы ПЛИС. Она позволяет с 95%-ной точностью оценить АЧХ цифрового ПрЧ любого типа до проведения дорогостоящих испытаний в сертифицирующей организации.

Описан процесс реализации и результаты тестирования семейства модулей СПД, построенных с использованием предложенных автором алгоритмов и методик.

Результаты диссертации были успешно опробованы и внедрены в процессе разработки следующих серийных СПДПС: «Орион», «Орион-2», «Megatrans-4». В настоящее время налажено серийное производство всех описанных в диссертации модулей. Использование предложенных методик позволило «НТЦ Натеке» одному из первых в мире создать работающий образец модуля СПДПС на xDSL микросхеме 2-го поколения Infineon SDFE со скоростью передачи данных до 11,6 Мбит/с.