Разработка устройства передачи тревожных сообщений по телефонным каналам общего пользования

В данном дипломном проекте необходимо разработать устройство передачи тревожных сообщений при числе абонентов от 1 до 100 и расстоянии до охраняемых объектов не более 10км. Это означает, что система передачи тревожных сообщений, в состав которой входит проектируемое устройство, должна обслуживать от 1 до 100 абонентов при расстоянии от них до пункта централизованной охраны (ПЦН) не более 10км, т.е. в ее состав может входить приемный комплект, устанавливаемый на пункте централизованного наблюдения, и определенное число идентичных абонентских комплектов в зависимости от числа абонентов. Более подробно подобные системы будут рассмотрены во втором разделе данного дипломного проекта.

Из-за специфики работы охранных систем нет необходимости передавать информацию в двух направлениях одновременно, т.е. ПЦН -объект и объект - ПЦН, и, следовательно, можно выбрать полудуплексный режим работы устройства, что значительно упростит его схемное решение (не нужно разделять сигналы передачи и приема информации, нет необходимости в использовании дифсистем). Т.к. большинство ЭВМ являются асинхронными терминалами, то выбор асинхронной передачи данных также позволяет упростить схемное решение устройства. Эти вопросы более подробно будут рассмотрены в третьем разделе дипломного проекта,

Применение частотной манипуляции ЧМн при передаче охранных извещений в разрабатываемом устройстве обусловлено тем, что спектральные характеристики сигналов с ЧМн допускают относительно простую реализацию устройства до скоростей передачи информации 1200 бит/с. Рабочие частоты f1 = 1,ЗкГц и f2 = 2,1кГц соответствуют информационным значениям "1" и "0" бит информации и выбирались с учетом международных Рекомендаций серии V Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ). Все это будет подробно описано в первом подразделе третьего раздела данного дипломного проекта.

Объясним выбор скорости передачи информации, равный 75бит/с. Из технического задания известно, что входной сигнал представляет собой шестнадцати позиционный код в уровнях ТТЛ, т.е. последовательности битов ("единиц" или "нулей") соответствует импульс с уровнем логической "1" или "0" логики ТТЛ и длительностью Ти. Длительность импульса Ти должна быть такой, чтобы в ней укладывалось не менее десяти (10) периодов частоты f1 или f2, это требование следует из условий нормальной работы приемника. Найдем такую длительность импульса с учетом того, что f1 = 1,ЗкГц и f2 = 2,1кГц. Тогда

Здесь, Тп1 - период повторения сигнала с частотой f1 = 1,ЗкГц;

Тп2 - период повторения сигнала с частотой f2 = 2,1кГц.

Скорость передачи информации должна соответствовать стандартной из ряда допустимых: 50бит/с, 75бит/с, 110бит/с, З00бит/с и т.д. наиболее оптимальной для реализации является скорость 75бит/с, при этом длительность импульса Ти = 13,3мс. В неё укладываются семнадцать (17) периодов частоты f1 и двадцать семь (27) периодов частоты f2, что вполне удовлетворяет условию нормальной работы приёмника устройства передачи тревожных сообщений.

Выходным сигналом устройства является аналоговый частотно-манипулированный сигнал, в котором каждому значению бита информации ("1" или "0") соответствует определенная частота синусоидального колебания. Как уже говорилось, "1" соответствует частота Т1 = 1,ЗкГц, а "0" соответствует частота f2 = 2,1кГц.

Выбранный в качестве канала связи коммутируемый телефонный канал общего пользования позволяет организовать широкий круг возможностей (например, использование автодозвонщиков и др.). Обоснование применения подобных характеристик устройства будет дано в следующих разделах дипломного проекта.

При разработке протокола обмена данных устройства передачи тревожных сообщений необходимо предусмотреть коррекцию ошибок, тестирование и управление режимами работы устройства, находящимся на объекте, устройством, находящимся на ПЦН.

При выборе принципиальных схем фильтров, входящих в состав демодулятора устройства, нужно учесть то, что они должны обеспечивать высокий уровень подавления сигналов за пределами полосы пропускания при низком уровне амплитудно-частотных искажений в полосе пропускания и иметь близкую к линейной фазо-частотную характеристику.

Также нужно проделать технико-экономический анализ и рассмотреть вопросы безопасности и надежности данной разработки.

2. ОБЗОР СИСТЕМ И МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ТРЕВОЖНЫХ СООБЩЕНИЙ

Современные условия жизни человека, в частности, рост криминальности в обществе, приводят к необходимости организации защиты таких общечеловеческих прав, как право на жизни и здоровье, собственность материальную и интеллектуальную. Средства защиты этих прав развивались достаточно длительный период времени и прошли путь от простейших средств физической защиты до современных эффективных комплексных многофункциональных систем защиты.

В состав комплексной системы защиты, представляемой на рис.2.1, входят следующие элементы;

1)детекторы вторжения, формирующие тревожные сигналы при вторжении на охраняемый объект;

2)пожарные детекторы, регистрирующие возникновение пожара на объекте;

3)устройства наблюдения, позволяющие постоянно просматривать оперативную обстановку в контролируемых зонах;

4)датчики состояния окружающей среды, контролирующие температуру воздуха, давление, радиационную обстановку, концентрацию вредных примесей в воздухе и многие другие параметры окружающей среды;

5)датчики контроля параметров оборудования, отклонение которых от нормального может привести к материальным потерям, к разрушениям этого оборудования или возникновению ситуации опасной для жизни или здоровья человека;

датчики контроля состояния системы защиты, контролирующие состояние и работоспособность системы, и формирующие тревожные сигналы при нарушении режима работы или попытки вмешательства в элемент системы.

Наряду с описанными выше типами датчиков могут быть и комбинированные датчики, детекторы или извещатели, решающие несколько задач одновременно, например, охранно-пожарные извещатели, регистрирующие как вторжение на охраняемый объект, так и пожар. Информация от этих устройств поступает на систему сбора и обработки информации. Уровень, задач решаемых этой системой, может быть различным. В простейшем случае это некоторое устройство, например, реле, включающееся от сигналов детектора и управляющее средствами оповещения. Это могут быть и более сложные устройства, к примеру, микропроцессор или персональная ЭВМ.

В общем, случае система обработки информации выполняет следующие основные задачи:

1)сбора и обработки информации, поступающей от детекторов и датчиков;

2)выявления аварийных ситуаций на основе анализа этой информации и информации, поступающей с системы регистрации и контроля доступа и управления;

3)оповещение о возникшей ситуации через каналы связи системы централизованного наблюдения и аварийных служб;

4)включения устройств оповещения о возникшей ситуации: акустической (сирена, звонок), оптической и речевой сигнализации;

5)включения устройств управления средствами защиты и противодействия возникшей ситуации (например, автоматизированных средств пожаротушения и дымоудаления);

6)регистрация изменений состояния системы, таких как включение на охрану, снятие с охраны, тревоги, программные изменения в системе и т.п.

Устройства управления осуществляют переключение системы защиты в режим охраны, снятие с охраны, включение режимов дневного наблюдения и других режимов. Обычно они представляют собой клавиатуры (пульт управления), с которых пользователи, имеющие право на управление системой, осуществляют необходимые переключения или вносят изменения в алгоритм функционирования системы.

Устройства оповещения предназначены

1)для информирования служб охраны объекта о возникновении нештатной ситуации;

2)для привлечения оповещения лиц, работающих на охраняемых объектах об аварийной ситуации;

3)для привлечения внимания окружающих или милиции к охраняемому объекту при попытке проникновения или кражи, пожаре или в других ситуациях.

Наиболее широко распространенные средства оповещения - это сирена, звонок, мигающие лампы-вспышки. Современные системы позволяют формировать также речевые сообщения на различных языках.

На систему обработки информации поступают также данные с системы контроля и регистрации доступа на защищаемый объект. Системы контроля доступа могут быть различными по принципу действия устройств опознавания каждого пользователя. Простейшие, хорошо всем известные способы опознавания основаны на непосредственном общении с охраной, на использовании пропусков, личных кодов, паролей и т.п. современные системы опознания пользователей используют идентификационные карточки с магнитным, электронным или оптическим кодированием; специальные электронные замки с ключами, имеющими встроенные микросхемы.

Системы защиты объектов могут быть

а)пассивными, только предупреждающими о возникшей ситуации или возможности ее возникновения,

б)активными, противодействующими возникшей ситуации и препятствующие ее дальнейшему развитию.

Если система защиты объекта не является автономно, а включена в систему централизованного наблюдения, то кроме непосредственных действий по предотвращению аварийной ситуации система сбора и обработки информации передает данные при помощи системы связи по каналу связи на пункт централизованной охраны. С последнего в свою очередь производится оповещение соответствующих служб о месте и характере аварийной ситуации, а также о требуемых мерах. Система связи обеспечивает преобразование передаваемой информации в сигналы, соответствующие типу канала связи (телефонная линия, радиоканал).

В системах централизованного наблюдения обычно используются:

1)системы, осуществляющие связь по телефонным каналам связи с переключением на время охраны телефонными линиями (используют для охраны телефонизированных объектов). Причем телефонная связь с этими объектами в режиме охраны не возможна, так как специальная аппаратура, устанавливаемая на АТС, переключает телефонную линию охраняемого объекта с аппаратуры АТС на аппаратуру охранной сигнализации;

2)системы, использующие занятые телефонные линии, т.е. линии по которым сохраняется возможность ведения телефонных разговоров и одновременно передавать сигналы системы охраны. Как и первая группа систем централизованного наблюдения требует установки специальной аппаратуры на АТС, дополнительных приборов на охраняемых объектах;

3)системы, осуществляющие связь по обычным телефонным каналам, не требующие специальной установки специальной аппаратуры на АТС. При этом используются автодозвонщики, автоматически набирающие заранее запрограммированные номера телефонов и передающие специальные речевые сообщения или цифровые коды.

Для организации связи в системах защиты могут использоваться также линии кабельного телевидения, силовая и осветительная сети, линии связи вычислительных сетей, радиовещательные сети и другие линии.

Проводные системы передачи тревожных сообщений в настоящее время занимают ведущее место в системах централизованного наблюдения, в условиях огромного числа телефонизированных объектов, квартир граждан, а также предприятий и организаций. Другие линии связи являются вспомогательными по отношению к проводным и применяются тогда, когда нет возможности использовать проводные линии связи, например, когда объект не телефонизирован или же качество проводного канала связи оставляет желать лучшего. В качестве вспомогательной линии связи чаще всего используется радиоканал.

Состояние охраняемого объекта, изменения в его работе можно наблюдать при помощи устройств отображения информации. Эти устройства позволяют наблюдать следующее:

состав системы защиты и охраняемого объекта, например, план объекта и расположение различных детекторов;

в каком состоянии находятся элементы системы защиты;

состояние всей системы, а следовательно, и защищаемого объекта в целом.

Простейшие устройства отображения информации представляют собой индикаторные лампы или светодиоды, соответствующие определенному объекту и его состоянию. Это может быть жидкокристаллический дисплей, на котором индуцируется соответствующий пакет, например, название нарушенной зоны или состояние системы. Это может быть монитор, на экране которого отображается план охраняемого объекта и его состояние.

Изменение в состояние системы защиты фиксируется устройствами регистрации данных. К ним относятся следующие устройства: запоминающие устройства ЭВМ (магнитные диски), магнитофон или печатающее устройство. При этом обычно фиксируется дата и время происшедшего события и само событие (какой пользователь включил систему на охрану, кто снял с охраны и другое). Практическая реализация такой комплексной системы защиты объектов является сложной и дорого стоящей задачей, да и не на всех объектах целесообразно устанавливать такие системы. Решение вопросов, связанных с защитой объектов, может быть осуществлено не только в комплексе, в единой системе, но также и по отдельности. К таким системам, выполняющими одну задачу, относятся системы охраны объектов. В зависимости от сложности, системы охраны состоит из различных элементов (разного количества и разного типа). Но у всех систем есть общие основные элементы. К их числу относятся

1) охранные извещатели или детекторы - это устройства, которые обнаруживают вторжение на охраняемый объект. Это могут быть различные устройства, от простейших (например, контактов, срабатывающих при открывании двери или окна) до сложных, обнаруживающих появление кого-либо в охраняемом помещении с помощью невидимого инфракрасного излучения и (или) радиоволн;

2) блок управления - устройство, которое анализирует сигналы, поступающие от извещателей, и принимает решение о вторжении на охраняемый объект и тем или иным способом сообщает об этом;

3) клавиатура, с помощью которой происходит установка объекта, имеющего свой номер, на охрану, а также снятие с данного объекта;

4) резервный блок питания, позволяющий сохранять работоспособность всей системы сигнализации при отключении сетевого питания;

5) тревожная кнопка, при нажатии которой, в блоке управления вырабатывается тревожное сообщение, поступающее на пункт централизованной охраны и (или) срабатывают звуковые или световые оповещатели (сирена, сторобирующая вспышка и т.п.), или по желанию пользователя происходит “тихая” тревога (без включения внешних световых или звуковых оповещателей).

Примерная простейшая система охраны объекта изображена на рис.2.2.

2.2 Краткий обзор систем передачи тревожных сообщений

Системы передачи извещений (СПИ) о проникновении и о пожаре являются основой комплекса централизованной охранно-пожарной сигнализации объекта.

Системы передачи извещений - это совокупность совместно действующих технических средств для передачи по каналам связи и приеме в пункте централизованной охраны извещений о проникновении на охраняемые объекты и (или) пожаре на них, служебных и контрольно-диагностических извещений, а также для передачи и приема команд телеуправления.

Системы передачи извещений разделяются по разным признакам, перечислим основные из них

по количеству охраняемых объектов - информационной емкости делят системы:

с постоянной информационной емкостью;

с возможностью наращивания информационной емкости;

по информационности подразделяют на системы:

а) малой информативности - до двух видов извещателей;

б) средней информативности - от трех до пяти видов извещателей;

в) большой информативности - свыше пяти видов извещателей;

3) по типу используемых проводных линий:

линии телефонной сети, в том числе переключаемые;

специальные линии связи;

по количеству направлений передачи информации;

однонаправленная передача информации;

двунаправленная передача информации (при наличии обратного канала связи);

по виду формата сообщения;

а) с постоянным форматом сообщения;

б) с переменным форматом сообщения;

по алгоритму обслуживания объектов;

неавтоматизированные - с ручным “взятием” объектов под охрану и “снятием” с охраны путем ведения телефонных переговоров дежурного пульта управления с представителем администрации охраняемого объекта;

автоматизированные - с автоматическим “взятием” и “снятием” с (без ведения телефонных переговоров);

по способу отображения поступающей на пульт централизованного наблюдения информации:

с индивидуальным или групповым отображением информации в виде световых и звуковых сигналов;

с отображением информации на дисплеях с применением устройств обработки и накопления банка данных

С охраняемых объектов могут передавать следующие виды извещений: “Тревога”, “Проникновение”, “Пожар”, “Неисправность”, “Взятие”, “Снятие”, “Наряд”, а также адреса объектов и другая служебная и диагностическая информация.

Рассмотрим более подробно автоматизированные системы передачи тревожных сообщений.

Сигнализатор “Комета-К” является системой передачи извещений (СПИ), обеспечивающий централизованную охрану до 800 объектов по занятым телефонным линиям или автономную охрану крупных объектов по телефонным линиям объекта или специально проложенным. Данный сигнализатор целесообразно применять для охраны квартир, коттеджей, отапливаемых дач и гаражей, музеев, картинных галерей, выставочных павильонов и т.д.

Особенности сигнализатора по сравнению с другими системами заключаются в следующем:

Работа по занятым телефонным линиям за счет высокочастотного уплотнения телефонных каналов;

Дискретное наращивание емкости при помощи 8 номерных групповых концентратов и 160 номерных блоков линейных;

Большая информативность: “Взят”, “Снят”, “Тревога”, “Неисправность”, “Взлом”, “Патруль”, номер направления, номер объекта, дата текущее время, “Авария”, “Сбой”, “Контроль”, “Норма”, “Происшествие”;

Индикация исправности шлейфа сигнализации;

автоматическая регистрация сообщений о состоянии объектов и команд телеуправления на печатающем устройстве;

автоматизация процессов сдачи объекта под охрану и снятие объекта с охраны с помощью шифроустройства;

два режима работы : ручной и автоматический;

автоматический переход на резервное питание.

СПИ “Комета-К” имеет блочную конструкцию и состоит из приемного и абонентского комплектов. Приемный комплект включает в себя приемный пульт (ПП) и устройство регистрации цифропечатающее (УРЦ), устанавливаемые в пункте централизованной охраны (ПЦО), устройства трансляции (УТ) и блоков линейных (БЛ), устанавливаемых на кроссе АТС. Абонентский комплект включает в себя индивидуальные ответчики (ИО), устанавливаемые на объектах, групповой концентратор (ГК), блок питания (БП) и фильтр (Ф), место установки, которых определяется условиями объекта. Структурная схема СПИ “Комета-К” приведена на рис. 2.3. групповой концентратор постоянно контролирует структуру абонентского комплекта- наличие и исправность подключенных к нему индивидуальных ответчиков независимо от их состояния. Приемный комплект предназначен для приема информации от АК, ее обработки и передачи на приемный пункт в ПЦО, /1/.

Система “Юпитер” предназначена для приема извещений с квартир (объектов), расположенных в зоне действия четырех АТС, с выдачей информации о состоянии сигнализации на пульт оператора - IBM PC - совместимый компьютер. В данной системе используются проводные каналы связи - занятые абонентские телефонные линии либо специально прокладываемые. Область применения - организация охраны территориально рассредоточенных квартир либо частных домовладений. Особенности системы в следующем:

использование в качестве каналов связи занятых телефонных линий за счет высокочастотного уплотнения телефонных каналов при работе по линиям АТС

возможность дискретного изменения емкости расширяет границы применения системы;

в системе предусмотрена автоматическая регистрация сообщений о состоянии объектов и команд телеуправления;

регистрация тревожных извещений имеет приоритет перед служебными;

программно-аппаратное обеспечение позволяет организовать совместимую работу с любым IBM PC - совместимым компьютером;

в системе предусмотрены два варианта организации сдачи под охрану (снятия с охраны ) объекта - с помощью специального замкового устройства либо с помощью набора кода на шифроустройстве, электронная защита от открывания отмычкой или взлома замкового устройства обеспечивает передачу сигнала тревоги на пульт управления без временной задержки, индикатор взятия объекта под охрану на замковом ответчике (ЗО), предварительный контроль целостности шлейфов сигнализации при сдаче объекта под охрану, распознавание короткого замыкания и обрыва шлейфа сигнализации, наличие помехозащищенного протокола обмена группового концентратора с ответчиками, наличие тестового режима проверки исправности абонентского комплекта, антисаботажная защита блоков;

пользователю предоставляется возможность выбора тактики применения сигнализации, охрана квартир или объектов, многорубежная охрана.

Эта система состоит из приемного и абонентского комплекта. Приемный комплект включает в себя устройства трансляции (УТ) общим количеством до тридцати двух (по восемь на каждой из четырех АТС), коммутатор пункта централизованной охраны (КПЦО), ПЭВМ с принтером устанавливаемые в пункте централизованной охраны (ПЦО). Емкость приемного комплекта зависит от количества УТ и может дискретно увеличиваться с шагом в 20 направлений (до 160 номеров). Абонентский комплект включает в себя групповой концентратор (ГК), замковые и кодовые ответчики (ЗО и КО)общим количеством до 8 штук (соотношение которых определяется пользователем), блок питания (БП), фильтр подключения (Ф) устанавливаемые на охраняемом объекте, /2/.

Структурные схемы приемного и абонентского комплекта представлены на рис.2.4.

В централизованной охране очень широкое распространение получила СПИ “Фобос”. В настоящее время эксплуатируется более 3000 подобных систем. Система “Фобос” предназначена для приема извещений с объектов, оборудованных охранной и пожарной сигнализацией и выдачи информации о состоянии охраняемых объектов дежурному пульта управления. В системе используются проводные каналы связи - абонентские телефонные линии АТС, переключаемые на период охраны на аппаратуру системы, либо выделенные линии. Область применения системы - организация охраны территориально рассредоточенных объектов, больших музеев, банков, универмагов, складов, гаражных и садовых кооперативов и коттеджей.

Особенности системы “Фобос” перечислены ниже:

1)современный дизайн, небольшие массы и габариты пульта управления, простота и удобство эксплуатации отличают данную систему от ее предшественниц;

2) в системе предусмотрена автоматическая регистрация с выводом на принтер сообщений о состояние объектов и команд телеуправления;

3) программно-аппаратная совместимость с IBM РС - совместимы компьютерами дает возможность организации на базе системы автоматизированного рабочего места;

4) возможность дискретного изменения емкости расширяет границы применения системы;

5)развитая система команд телеуправления и большая информативность обеспечивают выполнение требований тактики охраны практически для любого объекта;

6)в системе предусмотрены два варианта сдачи объекта под охрану - с временной задержкой на выход и без нее, индикатор “взятия” объекта под охрану на устройстве оконечном, предварительный визуальный контроль целостности шлейфа сигнализации при сдачи объекта под охрану, контроль времени прибытия группы задержания на объект по тревоге, раздельный контроль неисправности линии связи и нарушения шлейфа сигнализации;

7) автоматизированное рабочее место дежурного пульта управления на базе системы обеспечивает прием, обработку, регистрацию и отображение оперативной информации, поступающей с пульта управления, отображение информации о состояниях всех охраняемых объектах одновременно, информацию о действиях дежурного пульта управления при обслуживании тревожных ситуаций, контроль и самоконтроль работы дежурных пульта управления.

Система “Фобос” состоит из пульта оператора (ПО) с блоком питания (БП) и устройства печатающего (УП), устанавливаемых в пункте централизованной охраны (ПЦО); ретрансляторов (Р), устанавливаемых на кроссе АТС, и устройств оконечных (УО), устанавливаемых на охраняемых объектах, ее структурная схема представлена на рис.2.5, /3/.

Однако главной причиной, сдерживающей еще более широкое внедрение СПИ “Фобос” и других описанных выше, была и остается так называемая “ручная” тактика работы системы, которая требует непосредственного общения по телефонному каналу оператора ПЦН и охраняемого объекта при постановке последнего под охрану и снятии с нее.

Именно поэтому специалистами НИЦ “Охрана” была разработана автоматизированная система “Фобос - А” на базе СПИ “Фобос”.СПИ “Фобос - А”обеспечивает:

автоматизацию процесса взятия под охрану / снятия с охраны объектов;

автоматическую регистрацию взятых / снятых объектов на ПЦН за счет использования ПЭВМ в качестве пульта оператора;

сокращение временных затрат абонента в процессе взятия под охрану / снятия с охраны за счет применения нового устройства оконечного автоматизированного (УО-А);

передачу и отображение дополнительных тревожных извещений телесигнализации: “подбор кода” и “принуждение”;

увеличение числа охраняемых объектов до 960 на одно рабочее место дежурного оператора;

полную совместимость с комплексом средств автоматизации деятельности оперативного персонала ПЦО (КСА ПЦО), активно внедряемым в подразделения вневедомственной охраны, эксплуатирующих “Фобос”.

Структурная схема СПИ “Фобос - А” показана на рис.2.6.

Опишем более подробно основные характеристики новых узлов данной системы по сравнению с СПИ “Фобос”, /3/. УО-А является активным многофункциональным устройством, реализованной на современной базе (PIC-процессор) и обеспечивает:

питание от абонентской телефонной линии;

предварительный (до взятия под охрану) контроль шлейфа сигнализации;

контроль на обрыв и замыкание шлейфа сигнализации с выдачей сигнала тревоги на ретранслятор, световую и звуковую индикацию в различных режимах работы;

возможность предварительной установки и записи в энергонезависимую память трехзначного кода взятия под охрану / снятия с охраны объекта, телефонного номера, по которому передается заявка на взятие, и порядкового номера подключения УО-А к системе (от 0 до 960);

автоматический дозвон по телефонному номеру для передачи заявки на взятие;

прием сигналов квитанций от ретранслятора, передаваемых на УО-А после соединения;

передачу на ретранслятор сигналов заявки на взятие под охрану;

непрерывную передачу на ретранслятор кодированных сигналов о состоянии шлейфа сигнализации после перехода УО-А в режим охраны;

состояние световой и звуковой сигнализации вне зависимости от дальнейшего состояния шлейфа сигнализации до перевзятия объекта под охрану;

возможность подключения дополнительного шлейфа контроля прибытия наряда в виде обычного датчика, работающего на замыкание;

возможность подключения дополнительного выносного индикатора для его установления за пределами охраняемого объекта.

Одним из преимуществ выше описанных систем является их ориентации на использование телефонной линии связи, которая достаточно хорошо разветвлена на территории всей страны, а также различного оборудования АТС. Но возможны ситуации, когда состояние или работа этих линий не соответствует всем требованиям, предъявляемых к каналам передачи тревожных сообщений. Наиболее помехоустойчивыми и оптимальными для данных систем являются оптоволоконные линии связи, но к сожалению, глобальных и хорошо разветвленных сетей такого типа пока нет, а аренда уже существующих обойдется дороже обычных телефонных линий связи.

В данном дипломном проекте будет разработан модем, который возможно использовать при построении системы передачи тревожных сообщений подобной СПИ “Фобос - А” и другим, описанным ранее. Более подробно конфигурация данной системы, а также основные характеристики модема будут рассмотрены в следующем разделе.

3. ВЫБОР КОНФИГУРАЦИИ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ТРЕВОЖНЫХ СООБЩЕНИЙ ПОСРЕДСТВОМ УСТРОЙСТВА ПЕРЕДАЧИ ТРЕВОЖНЫХ СООБЩЕНИЙ И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ДАННОГО УСТРОЙСТВА

Для передачи тревожного сообщения, представляющего из себя информацию в двоичной форме в виде последовательности битов, по стандартному телефонному каналу связи необходимо использовать модем. Эта информация представлена обычно в виде цифровых сигналов, которые не могут быть непосредственно переданы по телефонному каналу связи. Поэтому необходимо преобразовывать эти сигналы в вид, пригодный для передачи по телефонным каналам. Это преобразование выполняет модем (модулятор-демодулятор), в нашей стране используется также название или устройство передачи сообщений. В дальнейшем по тексту будут использоваться оба названия.

Скорость, с которой цифровая информация может быть передана выражается количеством битов, передаваемых в одну секунду (бит/с). Бит представляет собой двоичный символ - “1” или “0”.

Модем также должен выполнять обратное преобразование в цифровой вид и передачу ООД (терминалы, ПЭВМ, рабочие станции и др.) сигналов, принятых телефонных каналов.

Для выполнения этой функции на передаче производится кодирование цифрового сигнала в соответствии с модуляционным кодом, формирование спектра и модуляции колебания. В итоге спектр модулированного сигнала размещается по возможности в центре полосы пропускания телефонного канала, равной 300-3400 Гц. На приеме производится выделение модулированного сигнала, его детектирование, демодуляция и декодирование, в результате чего образуется исходный цифровой сигнал.

Как уже говорилось все системы централизованного наблюдения, использующие в качестве канала связи телефонные линии связи, подразумевают использование устройства передачи сообщений.

В настоящее время существует большое количество модемов, предназначенных для организации передачи данных по телефонным каналам общего пользования. Совместимость модемов разных изготовителей обеспечивается соответствием их нормам международных Рекомендаций V Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ). Поэтому необходимо чтобы, разрабатываемое устройство соответствовало нормам МККТТ.

В табл. 3.1 приведены основные характеристики модемов на разные скорости и соответствующие номера Рекомендаций МККТТ, в которых изложены технические требования к модемам /5/. При этом приняты следующие условные обозначения:

ЧМн - частотная манипуляция;

ДОФМ, ТОФМ - двукратная (4-позиционная), трехпозиционная (8-позиционная) относительно фазовая модуляция, соответственно;

КАМ-n - “n”-позиционная квадратурная амплитудная модуляция;

АФМ-n - “n”-позиционная амплитудно - фазовая модуляция;

КК - коммутируемый телефонный канал общего пользования;

КА - некоммутируемый, или арендованный телефонный канал;

дуплекс. - дуплексный;

п/дуплекс. - полудуплексный;

фикс. - фиксированный;

автомат. - автоматический.

Таблица 3.1

Основные характеристики модемов на разные скорости и соответствующие им номера Рекомендаций МККТТ

Строгой классификации модемов не существует, но практически они могут быть разделены по следующим признакам:

типу используемого канала;

области применения;

конструктивному исполнению.

По типу используемого канала модемы делятся на:

модемы для коммутируемых каналов;

модемы для арендованных каналов;

комбинированные модемы.

Модемы для коммутируемых каналов имеют преимущественно двухпроводное окончание и приспособлены для работы с АТС любых систем, различать их сигналы и передавать свои сигналы. Практически все модемы для коммутируемых каналов обеспечивают передачу информации по двухпроводным “физическим” линиям или арендованным каналам с двухпроводным окончанием.

Модемы для арендованных каналов преимущественно имеют четырех проводное окончание.

Комбинированные модемы рассчитаны на работу как по коммутируемым, так и по арендованным каналам и поэтому имеют возможность функционировать как с двухпроводным, так и с четырехпроводным окончаниям. Такие модемы имеют обычно возможность автоматического резервного переключения на коммутируемый канал.

При четырехпроводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга, а при двухпроводном окончании и работе в дуплексном режиме передатчик порождает помехи на входе своего приемника (так объединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема).

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одногоиз следующих методов:

поочередной передачи в каждом из направлений (полудуплексный режим);

частотного разделения направлений передачи (дуплексный режим: симметричный или асимметричный - в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях);

одновременной передачи в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика (дуплексный режим с эхо-компенсацией).

Наиболее простым в реализации и наименее эффективным по использованию канала связи является полудуплексный режим работы, т.к. передача ведется только в одном направлении, и имеют место потери времени на смену направлений передачи. Этот метод применяется при малых скоростях передачи (см.табл.3.1).

На начальном этапе применения одновременной передачи использовался дуплексный режим (Рекомендация V.22). Из-за уменьшения практически в 2 раза полосы частот, выделяемой для передачи сигналов в каждом из направлений, при этом методе применяются более многопозиционные, т.е. менее помехоустойчивые методы модуляции. Поэтому данный метод разделения направлений передачи получил распространение для скоростей передачи до 2400 бит/с, а Рекомендация V.22bis стала фактическим стандартом на скорость передачи 2400 бит/с. Нашла также применение разновидность данного метода - асимметричный дуплекс (например, в Рекомендации V.23 - комбинация скоростей 1200/75 бит/с).

Следует отметить, что модемы для коммутируемых каналов, наряду с выполнением основных функций модуляции-демодуляции, аналогичных реализуемым в модемах для арендованных каналов, решают ряд дополнительных сложных задач, обусловленных особенностями коммутируемых телефонных каналов. Кроме разделения сигналов, передаваемых в противоположных направлениях по одной паре проводов, к этим задачам относятся

сопряжение с коммутируемым каналом (создание шлейфа по постоянному току, формирование и передача сигналов набора и автоответа, приём вызова и других служебных тональных сигналов);

обеспечение высокой достоверности передачи информации по каналам пониженного по сравнению с арендованными каналами качества.

По скорости передачи модемы могут быть условно разделены на две крупные группы:

1) модемы на скорость до 2400 бит/с;

2) модемы на скорость более 2400 бит/с.

По области применения модемы могут быть разделены на 3 группы:

1) модемы для передачи данных;

2) факсимильные модемы;

3) комбинированные модемы.

Подавляющее большинство типов модемов предназначены для передачи данных.

По конструктивному исполнению модемы делятся на внешние, встраиваемые в ПЭВМ и для групповых устройств.

В современных модемах применяются следующие типы модуляции:

- частотная ЧМн (скорость до 1200 бит/с),

- относительная фазовая ОФМ (скорость до 4800 бит/с),

- квадратурная амплитудная КАМ (скорость до 9600 бит/с),

- многопозиционная комбинированная амплитудно-фазовая КАФМ (скорость до 19200 бит/с).

В модемах, использующих ОФМ, фаза несущей принимает только фиксированные значения из ряда допустимых (например, 0, 90, 180 и 270 градусов), а информация закладывается в изменение фазы несущего колебания.

В модемах, использующих ЧМн, каждому значению бита информации ("1" и "0") соответствует определенная частота синусоидального сигнала. Спектральные характеристики сигналов с частотной манипуляцией допускают относительно простую реализацию модемов до скоростей 1200 бит/с.

Частотная манипуляция на скорости 1200/600 бит/с используется в модемах по Рекомендации V.23. В модемах, стандартизированных рядом Рекомендаций (V.23, V.26, V.27), возможна организация дополнительного обратного канала.

Рабочие частоты, соответствующие информационным значениям "1" и "О" бит информации, используемые в указанных стандартах, приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Значения рабочих частот модема при передаче "1"и "0" для различных скоростей и соответствующих им номеров Рекомендаций МККТТ

В модемах используется синхронная и асинхронная передача информации. Модемы с синхронной передачей информации обеспечивают передачу данных сплошным потоком (байт за байтом, бит за битом), стартовые и стоповые биты отсутствуют. При асинхронной (стартстопной) передаче обмен информацией между модемом и ООД ведется стартстопными знаками.

Каждый стартстопный знак состоит из стопового бита, 7-ми или 8-ми битов информации, бита проверки и одного или двух стоповых битов. Бит проверки (parity bit) служит для контроля четности (even) или нечетности (odd), ему могут придаваться фиксированные значения "1" (mark) или "0" (space), или он может вообще отсутствовать (none). В последнем случае количество битов информации равно 8.

Полезная скорость передачи информации при асинхронной передаче ниже, чем скорость передачи элементов сигнала, что обусловлено необходимостью передачи стартового, стопового бита и бита проверки. Большинство типов ПЭВМ являются асинхронными терминалами.

Наряду с функциями модуляции/демодуляции в большинстве современных модемов реализованы команды "интеллектуального" управления (набор команд AT, набор команд Рекомендации V.25 bis), функции защиты от ошибок, сжатия данных. В ряде типов модемов имеются защита доступа, возможности сетевого управления, засекречивание информации.

С учетом технического задания и выше описанных характеристик модемов (табл. 3.1 и 3.2), а также первого раздела данного дипломного проекта, очевидно, что разрабатываемый модем будет соответствовать Рекомендации МККТТ V.23. Рабочие частоты f1 = 1,ЗкГц и f2 = 2,1кГц соответствуют информационным значениям "1" и "0" бит информации и выбирались с учетом табл. 3.2.

3.2 Выбор конфигурации системы передачи тревожных сообщений

Для того, чтобы выбрать структурную схему устройства передачи тревожных сообщений, необходимо рассмотреть его основные функции. Итак, модем должен позволять

1) принимать вызовы;

2) производить набор номера с анализом сигналов АТС;

3) передавать и принимать информацию со скоростью 75 бит/с с обеспечением защиты от ошибок;

4) управляться другим модемом.

Разрабатываемое устройство входит в состав комплексной системы защиты, следовательно, оно должено управлять режимами приемоконтрольного пульта (ПКП), т.е. с пункта централизованного наблюдения (ПЦН) можно осуществить

1) постановку на охрану объекта;

2) снятие с охраны объекта;

3) снятие текущих данных с ПКП о состоянии объекта;

4) тестирование функционирования модема и линии связи.

На объекте модем должен осуществлять следующее:

- выдачу тревожного сообщения с номером объекта и номером шлейфа, где произошло нарушение на ПЦН;

- при постановке на охрану или снятии с охраны объекта "вручную", выдачу сообщения об этом на ПЦН;

- выдачу сообщения о состоянии объекта при запросе с ПЦН.

Вышеперечисленные сообщения, а также специальные сообщения с ПЦН, кодируются в двоичной форме в виде битов и хранятся в памяти модема.

Основными функциональными узлами модема являются передатчик, приёмники микроЭВМ.

Передатчик выполняет функции преобразования цифрового сигнала в сигнал, пригодный для передачи по телефонной линии связи, и выдачи последнего в телефонную линию. В данном случае выходной сигнал передатчика представляет собой частотно-манипулированный сигнал.

Приёмник, в свою очередь, осуществляет приём частотно-манипулированного сигнала и преобразует его цифровой сигнал.

МикроЭВМ предназначена для:

1) обработки принимаемого от приёмника цифрового сигнала;

2) выдачи управляющих сигналов, предназначенных для всех устройств модема и ПКП, на основе обработки принятых сигналов;

3) приёма управляющих сигналов от устройств модема и ПКП;

4) выдачу на передатчик нужных сообщений в ходе работы.

Структурная схема модема приведена на рис. 4.1.

Здесь в состав передатчика модема входят модулятор (М) и выходной усилитель (У).

Модулятор предназначен для выполнения основной задачи передатчика, а именно для преобразования цифровых сигналов в частотно-манипулированные сигналы.

Выходной усилитель обеспечивает возможность регулирования в заданных пределах уровня передачи модема, а также согласование с линией связи.

В состав приёмника модема входят усилитель с АРУ (У АРУ) и демодулятор (ДМ).

Усилитель с АРУ обеспечивает поддержание неизменным входного уровня принятого сигнала, подаваемого на дальнейшую обработку в приемнике, при изменении уровня на выходе линии в широких пределах.

Демодулятор преобразует поступающий аналоговый частотно-манипулированный (ЧМн) сигнал в цифровой вид.

Устройство коммутации и согласования с телефонной линией (УКиС) предназначено, в основном, для коммутирования выхода передатчика модема, входа приёмника и входа/выхода устройства установления соединения в моменты передачи, приёма и ожидания вызова и номеронабирания соответственно. Устройство установления соединения с номеронабирателем (УУС) осуществляет установление соединения между модемами объекта и ПЦН с использованием автодозвона и анализом сигналов от АТС.

С выходов 1 и 7 микроЭВМ управляет работой УКиС и УУС. С выходов 3 и 4 выдаются необходимые сообщения в телефонную линию (ТЛ) посредством передатчика модема. С выхода 8 микроЭВМ выдается сигнал "снятия трубки". Управляющие сигналы для ПКП выдаются с выхода 10 микроЭВМ, т.е. осуществляется управление режимами модема. Сигналы, извещающие о наличии различных сигналов АТС в телефонном канале, поступают на вход 2 микроЭВМ модема. С выхода приёмника модема цифровые сигналы поступают на входы 5 и 6 микроЭВМ. Управляющие сигналы, поступающие от ПКП для микроЭВМ, подаются на вход 9.

5. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА ПЕРЕДАЧИ ТРЕВОЖНЫХ СООБЩЕНИЙ

Как уже говорилось, модулятор осуществляет преобразование цифровых сигналов, представленных в двоичной форме в виде битов, в аналоговые сигналы, представляющие из себя частотно-манипулированные сигналы, у которых каждому значению бита информации соответствует определенная частота синусоидального сигнала.

Модулятор состоит из двух генераторов синусоидальных колебаний Г1 и Г2 и коммутатора. Выходы генераторов подключены к входам коммутатора Ком. На вход управления коммутатора поступает цифровой сигнал (последовательность логических "0" и "1"). Функциональная схема модулятора приведена на рис. 5.1.

Рассмотрим работу данного устройства при помощи временных диаграмм, изображенных на рис. 5.2. При включении схемы оба генератора начинают вырабатывать синусоидальные колебания, причем генератор Г1 вырабатывает колебания с частотой f1=1,ЗкГц, а генератор Г2 - с частотой f2=2,1кГц. При этом цифровой сигнал с выхода 3 микроЭВМ поступает на управляющий вход коммутатора (смотри рис.4.1).

Если на управляющий вход коммутатора приходит логическая "1", то на его выход проходят колебания от генератора Г1 в течении Ти=13,3мс. Если же на управляющий вход поступает логический "0", то на выход коммутатора проходят колебания от генератора Г2 в течении Ти=13,3мс.

При отсутствии на управляющем входе сигнала от микроЭВМ, что будет равносильно поступлению на него логического "0", возникнет ошибка работы системы. Для предотвращения этой ситуации применим стробирующий вход коммутатора.

При подаче на стробирующий вход логического "0" разрешается подключение на выход коммутатора, а при наличии на стробирующем входе логической "1" коммутатор не пропускает на свой выход сигналы от генераторов Г1 и Г2.

Таким образом, для правильной работы модулятора необходимо во время передачи кодовой последовательности подавать на стробирующий вход коммутатора логический "0". Это реализуется с помощью микроЭВМ.

5.2 Разработка функциональной схемы демодулятора

Демодулятор преобразует принимаемые аналоговые сигналы, представляющие из себя частотно-манипулированные (ЧМн) сигналы, в цифровые сигналы, представленные в двоичной форме в виде битов. Функциональная схема данного устройства представлена на рис.5.3.

Полосовой фильтр ПФ1 предназначен для выделения полосы частот, которую занимает принимаемый ЧМн сигнал. Выделенный сигнал поступает в первый и второй каналы демодулятора, которые занимаются обработкой сигналов с частотами f1=1,ЗкГц и f2=2,1кГц соответственно. Полосовые фильтры ПФ2 и ПФЗ выделяют из поступившего на их вход ЧМн сигнала частоты f1 и f2 соответственно. Амплитудные детекторы АД1 и АД2 выделяют огибающую принятого синусоидального сигнала с частотами f1 и f2. Компараторы К1 и К2 при поступлении сигнала от АД1 и АД2, амплитуда которого превышает опорное напряжение Uоп, формируют на своем выходе прямоугольные импульсы. Формирователи коротких прямоугольных импульсов ФИ1 и ФИ2 вырабатывают на своем выходе короткий прямоугольный импульс в момент перепада входного сигнала с логического "0" на логическую "1". Устройство восстановления последовательности УВП служит для восстановления последовательности битов цифрового сигнала.

Также как и в предыдущем подразделе рассмотрим работу демодулятора при помощи временных диаграмм, представленных на рис.5.4. Данные диаграммы приведены не для количественного анализа, а только для пояснения работы приведенной функциональной схемы демодулятора.

Сигнал, приходящий на вход демодулятора, представляет из себя аддитивную смесь полезного ЧМн сигнала и шума, возникающего в виду несовершенства телефонной линии связи. Полосовой фильтр ПФ1, настроенный на частоту ЧМн сигнала, выделяет из поступившей на его вход смеси ЧМн сигнал, который далее поступает на входы полосовых фильтров первого и второго каналов.

Поступивший на вход полосового фильтра ПФ2 ЧМн сигнал состоит из определенной последовательности двух гармонических сигналов с частотами f1 и f2. Данный полосовой фильтр настроен на частоту f1=1,ЗкГц. Если на вход фильтра ПФ1 поступит сигнал с частотой f1, то он без существенных искажений пройдет на амплитудный детектор АД1. С помощью последнего выделяется огибающая этого сигнала, которая является входным напряжением компаратора К1. При превышении входного напряжения компаратора опорного напряжения Uоп, на его выходе вырабатывается напряжение равное Uвых.. Когда входное напряжение уменьшится до порогового, тогда выходное напряжение будет равно 0. Затем по переднему фронту полученного импульса запускается формирователь коротких прямоугольных импульсов ФИ1, на его выходе получается короткий импульс в уровнях ТТЛ. Таким образом на выходе первого канала формируется короткий прямоугольный импульс, при наличии на его входе сигнала с частотой f1.