Телематика на транспорте

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени М.М. ДЖАМБУЛАТОВА»

Автомобильный факультет

Кафедра технической эксплуатации автомобилей

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по дисциплине: «Телематика на транспорте»

по направлению подготовки 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника

профиль - Электрооборудование автомобилей и тракторов

Махачкала 2015



В учебном пособии рассмотрены виды информации, типы и характеристики сигналов, получаемых от датчиков в системах транспортной телематики. Представлен широкий спектр датчиков на разных физических принципах, их характеристики, и даны примеры их конкретного применения в транспортной телематике.

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного форм обучения автомобильного факультета «ДагГАУ имени М.М. Джамбулатова» по направлению подготовки 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника, профиль - Электрооборудование автомобилей и тракторов, а также может быть полезным аспирантам и инженерно-техническим работникам, занимающимся разработкой и эксплуатацией электронных систем в транспортной телематике.

Печатается по решению Методического Совета ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный аграрный университет имени М.М. Джамбулатова» (протокол № 6 от 18 февраля 2015 г.) для внутривузовского пользования

Бекеев А.Х. и др., 2015

ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный аграрный университет имени М.М. Джамбулатова»



Введение

В современном мире, при решении практически всех вопросов, связанных с функциональной стороной транспорта и автотранспортного комплекса, с каждым годом все большее значение приобретает понятие транспортной телематики. Происходит активное замещение существовавших ранее технологий и методов организации транспортного процесса, информационного обеспечения транспорта и многого другого на современные технологии.

В России одной из важных задач развития автотранспортного комплекса является вхождение в мировые интеграционные процессы в области информационных технологий на транспорте, что позволит обеспечить повышение конкурентоспособности предприятий, возможность прогнозирования конъюнктуры и потребностей рынка и быстрого приспособления к изменению спроса и условий окружающей среды. В связи с этим появляется необходимость серьезного изучения и классификации развивающейся структуры транспортной телематики.

В настоящем учебном пособии рассмотрены виды информации, типы и характеристики сигналов, получаемых от датчиков в системах транспортной телематики. Представлен широкий спектр датчиков на разных физических принципах, их характеристики, и даны примеры их конкретного применения в транспортной телематике.

Изучение видов информации, типов и характеристик сигналов в транспортной телематике развивает у студентов данного направления практические навыки и умения по изучению характеристик сигналов и применяемых видов датчиков, а также углубляет и обобщает знания, полученные студентами при изучении данной дисциплины.



1. Виды информации в транспортной телематике

1.1 Общая характеристика систем транспортной телематики

Непрерывный рост мирового автотранспортного парка в последние десятилетия сопровождается активной разработкой и совершенствованием разнообразных интегрированных и автономных информационных систем, улучшающих функциональные, экономические, эргономические показатели, а также экологическую и персональную безопасность автомобильного транспорта. Одним из наиболее динамично развивающихся звеньев всего комплекса автотранспортной телематики являются системы, обеспечивающие сбор, преобразование и передачу информации.

Эти системы предназначены:

для получения и первичного преобразования сигналов, количественно характеризующих контролируемые параметры объектов автотранспорта;

формирования каналов связи, реализации физических процессов преобразования и передачи данных, организации протоколов обмена данными между бортовыми или внешними по отношению к транспортному средству абонентами;

приведения сигналов к виду, пригодному для дальнейшего использования в устройствах автотранспортной телематики. Отдельную категорию технических и программных средств образуют устройства отображения и хранения информации, которые также получили мощное и многообразное развитие в настоящее время.

При описании информационных систем используются фундаментальные понятия теории информации:

информация - совокупность сведений, способствующих реализации поставленной задачи;

сообщение - форма представления информации, т.е. определенным образом организованная совокупность символов (букв, цифр, знаков, звуков, изображений и др.), содержащих информацию.

сигнал - физический процесс (электромагнитные, акустические волны, постоянный электрический ток, напряжение и др.), несущий передаваемое сообщение.

Процесс трансформации данных в информационных системах можно охарактеризовать следующим образом.

Сбор информации - аппаратная и алгоритмическая реализация выбранных методов первичного преобразования физических величин, количественно характеризующих контролируемые параметры, с целью получения сигналов, пригодных для дальнейшего использования, в нашем случае - электрических сигналов. На этом этапе основная роль отводится первичным измерительным преобразователям, которые в конструктивно завершенном виде называются датчиками. Кроме того, процесс сбора информации во многих случаях сопровождается нормированием сигналов датчиков, т.е. приведением их к уровням, принятым в конкретных информационно-измерительных системах и устройствах. Часто при сборе информации осуществляется групповой опрос датчиков, а также начальная статистическая обработка сигналов датчиков, выполняемая с целью повышения достоверности первичных данных. Надо отметить, что в ряде случаев определение тех или иных параметров может осуществляться без применения соответствующих датчиков, а косвенными методами на основе сопутствующих доступных сигналов или данных.

Преобразование информации - т.е. изменение формы представления информации при условии максимально возможного сохранения её содержания. Данные преобразования могут быть многоступенчаты по структуре и многообразны по физическим принципам. Цель их заключается в обеспечении наилучшего согласования звеньев, образующих цепи функциональных устройств конкретных информационно-измерительных систем, а также в достижении необходимой надежности этих цепей и минимизации времени циклов преобразования. Преобразования могут касаться физической формы существования сигналов (электрические, оптические, акустические и пр.); их количественных значений (амплитуда, длительность и т.д.); формы изменения сигналов во времени (прерывистые, непрерывные); формата передаваемых сообщений (последовательные, параллельные, равномерные, неравномерные); используемых систем счисления (двоичные, десятичные и др.); кодовых цифровых эквивалентов сигналов (простые, корректирующие и др.).

Передача информации - это комплекс алгоритмических процедур, а также программных и аппаратных средств, обеспечивающих обмен данными между абонентами, с удовлетворением конкретных требований по верности, скорости, экономичности и безопасности этого обмена. Направленность обмена данными определяет выбор между симплексным, дуплексным или полудуплексным режимами. Определяющее значение для организации передачи информации имеет линия связи - физическая среда между передающими и приемными устройствами, по которой осуществляется передача сигналов. Это могут быть электропровода, коаксиальные кабели, СВЧ-волноводы, механические соединения, открытые или закрытые оптические, электромагнитные, акустические, гидравлические среды и пр. Совокупность приемопередающих устройств и линии связи образуют каналы связи. Это означает, что с использованием одной линии связи может быть образовано множество каналов связи.

Минимизация аппаратных средств и повышение их эффективности, во многих случаях достигаются путем организации систем группового обмена данными, на основе мультиплексирования сообщений, в соответствии с выбранной топологией (звезда, шина, гибрид).

На рис. 1.1 показана обобщенная схема передачи сообщений.

В процессе передачи сигналов по линии связи на них действуют помехи - любые случайные воздействия, ухудшающие верность передаваемых сообщений. Источники помех могут быть как естественного (грозовые разряды, атмосферные осадки, радиоизлучение и пр.), так и искусственного происхождения (промышленные электроаппараты, линии электропередачи, бортовая коммутационная аппаратура и пр.).

Следует различать помехи и разного рода искажения сигналов, которые возникают в приемной и передающей аппаратуре и также снижают верность передаваемых сообщений.

1.2 Информационные массивы, виды сигналов и способы их разделения

Информационные массивы автотранспортной телематики формально можно сгруппировать по функциональному назначению устройств и систем, контролируемые параметры которых образуют эти массивы.

Прежде всего, это параметры, непосредственно характеризующие техническое состояние и режимы функционирования агрегатов транспортных средств: температура жидкостей и газов, уровень топлива и технологических жидкостей, давление в газовых и жидкостных магистралях, режимы работы устройств защиты и комфорта, частота вращения и мгновенное положение коленчатого вала, разного рода диагностические данные и т.д.

Следующий массив может быть составлен из данных, характеризующих состояние и функционирование специализированного и вспомогательного оборудования: строительного, монтажного, холодильного, генерирующего, медицинского, ремонтного и др.

Отдельный массив образуют данные, характеризующие водителя транспортного средства: алкогольное и наркотическое опьянение, индивидуальные реакции, персонифицирующие признаки и т.д.

В массив, объединяющий данные, связанные с организацией дорожного движения и стоянки транспортных средств, входят данные о скорости и местонахождении единиц автотранспорта, рекомендуемых маршрутах и заторах, наличии свободных мест парковки, метеоусловиях, режимах безопасного движения, препятствиях впереди и позади автомобиля и т.д.

Естественно, что структура и информационное наполнение отмеченных выше массивов главным образом определяются типом транспортных средств. В индивидуальных транспортных средствах большее внимание уделяется безопасности и комфортности движения, в грузовых автоперевозках первое место занимают экономическая эффективность и надежность. При этом все автотранспортные средства составляют общий транспортный поток и подчиняются общим правилам организации дорожного движения.

Как уже отмечалось, данные в информационных системах передаются в виде сигналов. В общем случае различают аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывистые) сигналы.

На рис. 1.2 показан условный вид аналогового сигнала, т.е. сигнала, который присутствует в любой момент времени t и может принимать любое количественное значение А в допустимом диапазоне его изменения.

На рис. 1.3 показан условный вид дискретного сигнала. Здесь а - сигнал, дискретный по уровню и аналоговый по времени, т.е. сигнал, который присутствует в любой момент времени, но может количественно принимать только строго определенные значения; б - сигнал, аналоговый по величине, но присутствующий только в строго определенные моменты времени.



Если любому определенному количественному значению сигнала ставится в соответствие некоторый численный эквивалент, выраженный в цифровой, как правило, двоичной системе счисления, то этот эквивалент, существующий в виде физического сигнала, называется цифровым сигналом.

Сигналы характеризуются следующими параметрами:

длительностью - интервалом времени, в пределах которого сигнал существует;

динамическим диапазоном - отношением наибольшей мгновенной мощности сигнала к той номинальной мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи;

шириной спектра - диапазоном частот, в котором сосредоточена основная энергия сигнала.

Вид обрабатываемых сигналов определяет схемотехнику устройств и систем, которые подразделяются на цифровые и аналоговые. В первом случае необходимо учитывать тип линии связи, скорость передачи данных, разрядность сообщений, расстояние между абонентами и др. При обработке аналоговых сигналов следует учитывать их минимальное и максимальное значение, скорость изменения, уровень помех и пр.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно осуществляется специализированными устройствами, соответственно аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями.

Ограничение числа каналов связи для конкретной линии связи во многом определяется её физическим взаимодействием с выбранным типом сигнала. Возможно следующее разделение сигналов: временное, частотное, кодовое, амплитудное. При временном разделении для передачи каждого сигнала или сообщения предоставляется фиксированный интервал времени.

Частотное разделение основано на выделении для каждого сигнала или сообщения собственной несущей частоты, а приемник должен иметь возможность селекции каждой несущей частоты. Разделение по амплитуде осуществляется изменением амплитуды характерного параметра (ток, напряжение и др.) при переходе к следующему сигналу или сообщению. На приемной стороне идентификация сигналов или сообщений может быть выполнена с помощью амплитудных дискриминаторов. Кодовое разделение заключается в дополнении передаваемой кодовой комбинации несколькими разрядами, содержащими адрес получателя данного сообщения. Выделение конкретного сообщения осуществляется с помощью схем совпадения.

1.3 Элементы информационной метрики

Рациональная организация информационных систем основывается на точных количественных оценках информационных характеристик элементов системы: информационной ёмкости памяти и устройств отображения информации, скорости передачи сообщений, пропускной способности каналов связи и др. В теории информации для получения количественных оценок информационных процессов приняты следующие основные меры: структурные, статистические и семантические.

Структурные меры учитывают количество содержащихся в массиве информационных элементов и комбинаций из них. Наиболее часто используется аддитивная мера Р.Хартли (1928 г.).



,(1.1)

где: N - число информационных элементов в массиве (разрядность);

М - число возможных состояний одного информационного элемента,

Y - количество информации в массиве.

Если основание логарифма а = 2, единицей количества информации является бит. В некоторых случаях применяются другие единицы: например, если используется натуральный логарифм, т.е. а = е, единицей является нит, если десятичный логарифм, т.е. а = 10, в качестве единицы принимается дит. Один бит - это количество информации, содержащееся в одноэлементном сообщении с двумя возможными состояниями. Примером источника таких сообщений может быть любой датчик, который в каждый момент времени сигнализирует только об одном из двух возможных состояний: «включено - выключено»; «открыто - закрыто» и т.д. Таким образом, в двоичной (бинарной) системе счисления бит - это количество информации, которое содержит одноразрядное сообщение. Восемь бит составляют один байт.

Данные меры обладают свойством аддитивности, означающим, что количество информации от разных источников алгебраически складывается

Y(?) = Y(1) + Y(2) +... + Y(n)(1.2)

Структурные меры позволяют количественно оценить информационные массивы, что в конкретных случаях позволяет определить требуемые объемы памяти, необходимую пропускную способность каналов связи, мощность процессоров и т.д. Однако эти меры не имеют связи с какими-либо качественными характеристиками этих информационных массивов и не отражают их содержания.

Статистические меры связывают вероятность реализации сообщений и их информативность.



(1.3)

где Y(X_i) - количество информации в сообщении X_i;

Р(Х_i) - вероятность сообщения Х_i.

Это означает, что чем выше вероятность сообщения, тем меньше информации оно несет, и наоборот. Такие меры позволяют количественно оценить источник сообщений. Для характеристики источника сообщений, которым, в частности, может быть отдельное устройство отображения информации или измерительный преобразователь, применимо понятие ансамбля сообщений. Ансамбль составляет полная группа несовместных сообщений, суммарная вероятность которых равна единице. Как известно, количественной мерой неопределенности ансамбля, а следовательно и его информативности, является энтропия. В свою очередь, энтропия может быть определена как математическое ожидание количества информации для определенного источника сообщений

(1.4)

где: M(Y(x)) - математическое ожидание количества информации источника сообщений Х,

Xi - i-тое сообщение ансамбля Х из k сообщений;

Р(Х_i)- вероятность i-того сообщения ансамбля Х.

Следуя известным свойствам энтропии, можно сделать следующие выводы: информативность источника с равновероятными сообщениями максимальна, а детерминированного источника равна нулю.

Единицей измерения количества информации для статистических мер также является бит (в некоторых случаях используются единицы нит или дит).

Семантические меры, от слова семантика - смысл, позволяют в определенной степени формализовать оценку качественных характеристик предъявляемой информации, таких как содержательность, целесообразность, полезность и др.

Семантические меры создают фактор объективности при анализе сообщений. В качестве примера, в частности, может быть приведено соотношение для оценки целесообразности информации

Y = Log (P2/P1), (1.5)

где P2 и P1 - вероятности достижения цели после получения и до получения сообщения соответственно.

Очевидно, что сообщение может считаться целесообразным, если Y>0.

1.4 Дискретизация сигналов

Значительная часть датчиков в автотранспортном комплексе формирует выходные сигналы в аналоговой форме. Как правило, это изменяющееся в функции контролируемого параметра напряжение постоянного или переменного электрического тока. В то же время во многих современных информационных системах центральными элементами являются цифровые блоки обработки и преобразования информации, Кроме того, существенные преимущества передачи и хранения сообщений в цифровой форме, а также возможности унификации интерфейсов создают необходимость преобразования аналоговых сигналов в дискретные и их последующего цифрового кодирования.

В общем случае различают два способа преобразования аналоговых сигналов в дискретные - дискретизация по уровню и по времени.

При дискретизации по уровню функционально объединяются в одно устройство задатчик уровней дискретизации (рис. 1.4), схема сравнения мгновенного значения текущего аналогового сигнала A(t) с соответствующими дискретными значениями уровней U(1), U(2),..., U(n) и непосредственно устройство дискретизации, на выходе которого по командам схемы сравнения формируется дискретный сигнал D(t).

В качестве задатчика уровней дискретизации может быть использован источник опорных напряжений, построенный на базе источника стабилизированного напряжения и резистивного делителя напряжения.

Шаг дискретизации ?U, т.е. разность между двумя соседними уровнями дискретизации, например:

?U = U(2) - U(1), (1.6)

в этом случае будет определяться номиналом резисторов делителя источника опорных напряжений, задающим величину падения напряжения на них.

Функцию схемы сравнения может выполнять набор параллельно включенных компараторов. На один из входов всех компараторов подается текущий аналоговый сигнал, а на другой - набор опорных напряжений, в порядке возрастания по одному на каждый компаратор. Тогда, по мере возрастания текущего аналогового сигнала, поочередно будут переключаться компараторы и соответственно этому на выходе схемы сравнения будут формироваться командные сигналы Uупр для устройства дискретизации.

Число шагов и диапазон дискретизации задаются исходя из необходимой точности дискретизации. Если шаг дискретизации остается неизменным, т.е. ?U = const, во всем диапазоне дискретизации, то такая дискретизация называется равномерной (рис. 1.5). Из данного рисунка, очевидно, что математическое ожидание погрешности при равномерной дискретизации

M[?X] = ?U/2 (1.7)

При этом величина максимального значения погрешности ?X не зависит от характера кривой. Заранее известное значение максимальной погрешности определяет одно из основных преимуществ способа дискретизации по уровню в сравнении со способом дискретизацией по времени. В то же время его реализация связана с большей сложностью схемы управления устройством дискретизации, а следовательно её надежностью и стоимостью.

В ряде случаев применяется неравномерная дискретизация, когда ?U = var, что означает неравномерный шаг в диапазоне дискретизации. Такая дискретизация позволяет, обеспечивая заданную точность в диапазоне наиболее вероятных значений контролируемого параметра, упростить схему в первую очередь за счет уменьшения числа компараторов и числа опорных резисторов источника опорных напряжений. Неравномерная дискретизация позволяет в наиболее значимом диапазоне существования сигнала уменьшить шаг дискретизации и тем самым повысить точность преобразования, при этом в диапазонах изменения сигнала, не являющихся значимыми для его контроля, шаг дискретизации может быть увеличен. Таким образом, достижение необходимой точности не приводит к усложнению схемы управления устройством дискретизации.

При дискретизации по времени командные сигналы Uупр для устройства дискретизации формируются тактовым генератором (рис. 1.6).

Частота выходных импульсов тактового генератора определяет максимальный интервал ?t между отсчетами. Очевидно, что схема управления устройством дискретизации по времени в сравнении с дискретизацией по уровню значительно проще. Существующий аналитический аппарат, основанный на теореме Котельникова, позволяет определить интервал ?t, при котором имеется возможность с заданной точностью восстановить из полученного дискретного сигнала исходный аналоговый сигнал, если функция, описывающая этот сигнал, удовлетворяет некоторым условиям. Однако в большинстве случаев математическое ожидание погрешности дискретизации по времени не является величиной, заранее определенной.

Функции устройств дискретизации выполняют устройства выборки-хранения УВХ (рис. 1.7), которые могут быть выполнены в виде отдельных специализированных интегральных микросхем или в виде многокомпонентных электронных схем. Как пример, "режим выборки", т.е. фиксации мгновенного значения аналогового сигнала, и "режим хранения", т.е. поддержания этого значения в течение определенного промежутка времени, могут быть реализованы с помощью конденсатора Cx, для которого постоянная времени заряда (режим выборки) на много порядков меньше постоянной времени разряда (режим хранения).

Идеальными элементами, позволяющими обеспечить эту разницу, являются интегральные операционные усилители ОУ, у которых входное сопротивление на много порядков меньше выходного. По команде Uупр от схемы сравнения или тактового генератора токовый ключ ТК замыкается и конденсатор Сх в режиме выборки с минимальной постоянной времени Тз заряжается через выходное сопротивление ОУ1 до уровня текущего значения сигнала A(t). В этом режиме напряжение на конденсаторе следует всем изменениям сигнала A(t). С момента размыкания ТК начинается режим хранения, при котором конденсатор Сх с максимальной постоянной времени Тр разряжается через входное сопротивление ОУ2. Так как для операционных усилителей Rвх >> Rвых, то соответственно Тр >> Тз, что позволяет в течение определенного времени поддерживать сигнал D(t) на уровне, близком к значению A(t) в момент размыкания ТК.



1.5 Цифровое кодирование сигналов

Преобразование дискретных значений сигналов в кодовые комбинации с фиксированными цифровыми эквивалентами в принятой системе счисления называется цифровым кодированием. Это кодирование должно обеспечивать однозначное соответствие между каждым дискретным значением сигнала и его цифровым эквивалентом. Как правило, преобразование, передача и хранение информации в современных цифровых системах осуществляются в двоичных кодах, т.е. комбинациях дискретных сигналов, имеющих только два значения характерного параметра "0" и "1".

На рис. 1.8 показано, как различным значениям аналогового или дискретного сигналов могут быть поставлены в соответствие двоичные цифровые кодовые комбинации (N)₂.

Если сигнал электрический, то единице соответствует более высокий уровень напряжения, а нулю - более низкий. Например, для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) единица - это сигнал, напряжение которого попадает в диапазон от 2,4 до 5,0 В, ноль - от 0,0 до 0,4 В. Кроме кодов, основанных на двоичной системе счисления, для цифрового кодирования сигналов применяются коды с другими основаниями: восьмеричный (0,1, 2,...,7), десятичный (0,1, 2,...,9) и шестнадцатеричный (0,1,2,.., 9, А, В,...,Е, F). Если каждой позиции в записи цифрового кода соответствует число, равное основанию системы счисления в степени, определяемой порядковым номером этой позиции, то такой код называется позиционным (взвешенным). В противоположность коды, не обладающие таким свойством, называются непозиционными, Например, в позиционных кодах одно и то же число в различных системах счисления имеет следующий вид:

(EF)₁₆ = (239)₁₀ = (357)₈ = (11101111)₂.

Очевидно, чем ниже основание системы счисления, тем длиннее запись числа.

Для управления цифровыми десятичными знакосинтезирующими индикаторами (ЗСИ) используются двоично-десятичные коды. Суть этих кодов состоит в том, что каждая цифра десятичного числа, кодируется четырехразрядным двоичным кодом. К таким кодам, в частности, относятся коды, обозначаемые, как 8-4-2-1, 5-1-2-1 и др. При этом цифра в обозначениях этих кодов, соответствует численному значению (весу) каждого разряда в тетрадах, например:

(49)₁₀ = (0100 1001)₈₄₂₁ = (0111 1 111)₅₁₂₁.

Примерами непозиционных кодов могут служить коды Грея и Джонсона, принцип формирования которых заключается в том, что любые две соседние кодовые комбинации в упорядоченном по нарастанию или убыванию ряду отличаются только в одном разряде. Например, цифры 7 и 8 в двоичном позиционном коде записываются как 0111 и 1000, в коде Грея соответственно как 0100 и 1100, а в коде Джонсона - 01111111 и 11111111.

Множество кодовых комбинаций, каждая из которых имеет постоянное и одинаковое с другими комбинациями число разрядов, образует равномерный код. Если же число разрядов для всего множества комбинаций не является одинаковым, то такой код называется неравномерным. Примером неравномерных кодов являются так называемые эффективные коды.

Эффективное кодирование часто применяется при передаче сообщений, существенно отличающихся вероятностью появления. Тогда максимально вероятные сообщения кодируются комбинациями меньшей разрядности, а минимально вероятные - комбинациями большей разрядности. Эффективное кодирование позволяет либо уменьшить среднюю разрядность сообщений при фиксированном множестве сообщений или увеличить число сообщений при фиксированной средней разрядности.

Если для кодирования сообщений может быть использована любая из комбинаций, возможных для данной разрядности, то такой код называется простым или примитивным. Простой код не позволяет обнаружить какие-либо ошибки в кодовых комбинациях, т.к. любая из них является допустимой. Разрядность n простого кода связана с возможным числом сообщений N следующим соотношением:

n?Log₂N (1.8)

Оно обращается в равенство при целочисленных значениях Log₂N. Во всех остальных случаях n равно ближайшему большему целому числу от Log₂N.

Если полное множество кодовых комбинаций простого кода разделить на два непересекающихся подмножества разрешенных и запрещенных комбинаций, то это приведет к появлению избыточности числа символов в коде, не связанной с содержащейся в сообщениях информации. Избыточность вычисляется из соотношений

R = (n-R) / n, (1.9)

где n - полное число разрядов в коде;

R - число разрядов, достаточное для формирования всех сообщений.

Избыточность позволяет сформировать коды, позволяющие обнаруживать или исправлять ошибки. Эти коды называются помехоустойчивыми или корректирующими. Корректирующая способность кодов заключается в использовании избыточности для обнаружения или исправления ошибок фиксированной кратности и определяется кодовым расстоянием d_min, т.е. наименьшим числом разрядов, в которых отличаются любая пара кодовых комбинаций в разрешенном подмножестве. Под кратностью ошибок понимается число ошибочных разрядов в кодовой комбинации, т.е. если, например, речь идет о трехкратной ошибке, это означает, что ошибки содержатся в любых трех символах данной комбинации. Кратность гарантированно обнаруживаемых ошибок q_o и кратность гарантированно исправляемых ошибок q_и связаны с кодовым расстоянием d_min следующими соотношениями.

(1.10)

То, что ошибки определенной кратности обнаруживаются или исправляются гарантированно, означает, что любые ошибки меньшей кратности также обязательно обнаруживаются или исправляются.

1.6 Основные погрешности преобразований

В процессе преобразований и передачи информации сигналы и сообщения, содержащие эту информацию, отклоняются от своих истинных значений, тем самым создавая погрешности. Причины возникновения этих погрешностей многообразны - это неадекватность первичных и вторичных преобразователей (чувствительные элементы, аналого-цифровые преобразователи и пр), аппаратурные искажения (усилители, фильтры и пр.), помехи естественного и искусственного происхождения (линии связи, устройства хранения данных и пр.), несовершенство устройств отображения информации (дисплеи, принтеры и пр.), субъективные факторы (ошибки считывания, отвлечение внимания и пр.). Для каждой стадии обработки информации разработаны различные средства повышения достоверности информации. Но наиболее значимыми элементами, обеспечивающими эту достоверность, являются датчики. Действительно, если выходной сигнал датчика не соответствует контролируемому параметру, то все дальнейшие усилия по точности обработки этого сигнала не имеют смысла.

Основной характеристикой датчика является его передаточная функция, т.е. аналитическая или графическая зависимость, устанавливающая взаимосвязь между выходным сигналом датчика и физической величиной, контролируемой этим датчиком.

Диапазон преобразования датчика - это абсолютное значение алгебраической разности между верхним и нижним пределами преобразования.

Чувствительность датчика для линейной передаточной функции -это отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины. Если передаточная функция нелинейная, то используется понятие средней чувствительности.

Порог чувствительности датчика - это максимальное изменение входной (выходной) величины, при котором нет соответствующего изменения выходной (входной) величины. Если обозначить порог чувствительности как (, то 2 - это зона нечувствительности.

В качестве наиболее часто учитываемых погрешностей измерительных преобразователей можно выделить абсолютную и относительную погрешности. Абсолютная погрешность Х = Х - Хо выражает в единицах измеряемой величины разность между измеренным значением величины Х и её истинным значением Хо. Для более полного представления о точности результатов преобразований удобнее использовать относительную погрешность = Х / Хо, которая часто выражается в процентах.

Очень важно иметь данные об аддитивной и мультипликативной погрешностях преобразователя. Аддитивная погрешность - это погрешность, обусловленная смещением функции преобразования параллельно самой себе на некоторую постоянную величину. Чувствительность преобразователя не зависит от наличия и величины аддитивной погрешности (рис. 1.9).

Мультипликативная погрешность - это погрешность, вызванная поворотом функции преобразования на некоторый угол, что эквивалентно изменению чувствительности (рис. 1.10).

Характер погрешностей количественно описывается законом распределения, основными числовыми характеристиками которого являются математическое ожидание и дисперсия.

Математическое ожидание погрешности M[X] характеризует систематическую, т.е. остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся составляющую погрешности.

Дисперсия погрешности D[X] характеризует разброс значений погрешности относительно математического ожидания, тем самым указывая на случайную составляющую погрешности, т.е. вызванную случайными и хаотичными факторами.

На практике в качестве числовой характеристики точности преобразований используется среднее квадратическое отклонение и доверительный интервал, т.е. диапазон значений в который с заданной вероятностью попадает погрешность.



2. Датчики в системах транспортной телематики

2.1 Классификация датчиков

Назначение датчиков - реакция на определенное внешнее воздействие и преобразование его в определенный электрический сигнал, совместимый с электрическими схемами.

Понятие датчик следует отличать от понятия преобразователь. Преобразователь конвертирует один вид энергии в другой, тогда как датчик обеспечивает преобразование любого типа энергии внешнего воздействия в параметр электрического сигнала. Датчик такого типа будем называть датчиком прямого действия. Одни датчики прямого действия под влиянием входных воздействий могут непосредственно вызывать электрический сигнал - ток, напряжение. Такие датчики будем называть генераторными.

Другие датчики, изменяя свои электрические параметры и будучи включенными в соответствующие схемы, изменяют параметры электрического сигнала - напряжение, ток, частоту, фазу. Такие датчики являются параметрическими и по своему изменяемому параметру могут являться резистивными, индуктивными, емкостными.

В ряде случаев входное воздействие проходит многократное превращение, прежде чем станет электрическим сигналом; например, давление газа превращается в перемещение поршня или штока, который изменяет положение сердечника в катушке индуктивности, а изменение индуктивности, включенной в колебательный контур, в свою очередь, изменяет частоту генератора. Такой датчик давления следует отнести к классу составных датчиков.(так как несколько преобразователей), а по способу превращения входного воздействия в параметр электрического сигнала - к индуктивным датчикам. Если же усилие штока приложить к пьезоэлектрическому преобразователю, то на выходе его будет генерироваться электрическое напряжение. Тогда такой составной датчик будет генераторным пьезоэлектрическим датчиком.

В состав, например, химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой - термоэлемент -преобразовывает тепло в электрический сигнал. Это будет генераторный датчик с термоэлементом.

Оптоэлектронные составные датчики включают в себя источник и приемник излучения, связанные оптической средой. Внешнее воздействие может изменять параметры любой части этого датчика, а вид выходного сигнала зависит от типа фотоприемника: или изменяемая проводимость фоторезистора или фототок (фотоЭДС) фотодиода.

Еще одним примером составных датчиков могут служить различные ультразвуковые датчики, состоящие из источника и приемника колебаний, связанных упругой средой (твердое тело, жидкость, газ).

Развитие микромеханики и нанотехнологий вызвало появление новых типов составных датчиков, которые можно назвать активными в отличие от перечисленных выше - пассивных. В активных составных датчиках в чувствительном элементе искусственно возбуждается некоторый физический процесс, а измеряемое воздействие изменяет параметры этого процесса и по этому изменению оценивают величину (значение) воздействия, Примером могут служить так называемые резонансные датчики. В этих датчиках в объеме, принимающем измеряемые воздействия определенным образом возбуждаются колебания на резонансной частоте (механические или оптические). При внешнем воздействии условия резонанса изменяются, и это изменение является мерой входного воздействия. На этом принципе могут работать датчики: давления, деформации, температуры, ускорения.

Современное развитие электроники и нанотехнологий позволило создавать в едином технологическом цикле комбинацию первичных преобразователей и схем обработки полученных сигналов, что нашло отражение в появлении так называемых интеллектуальных датчиков. В качестве примеров назовем датчик координат на основе GPS-приемника, радар для определения скорости движущихся объектов и т.д. и т.п. Рассмотренная классификация датчиков иллюстрируется рис 2.1.

2.2 Датчики прямого действия

2.2.1 Датчики с изменяемой проводимостью

Любой датчик с изменяемой проводимостью является элементом электрической цепи, ток в которой определяется законом Ома

I=U/R, (2.1)

где R - сопротивление [Ом], зависящее от внешнего воздействия. В ряде случаев удобнее говорить об обратной величине сопротивления - проводимости.

= 1/R [сим]. (2.2)

Проводимость электрической цепи теоретически может изменяться от нуля (разрыв цепи) до бесконечности (короткое замыкание). Эти два крайних случая реализуются в контактных датчиках, которые можно разделить на три основных группы (рис. 2.2).



Концевые выключатели нашли широкое применение в системе контроля положения перемещающихся элементов; например, положения дверей автомобиля, капота, багажника, ремней безопасности и т.п.

Герконы могут управляться либо внешним воздействием (например, перемещающийся поплавок с магнитом в системах контроля уровня жидкости), либо с помощью специальных обмоток, создающих управляющие магнитные поля при протекании через них тока.

Биметаллические контакты, управляемые температурой, нашли применение в автоматических устройствах контроля температуры, а также могут использоваться для управления подачей топлива при запуске холодного ДВС.

При кажущейся простоте контактных датчиков их основным недостатком является нарушение электрического контакта в процессе работы, что особенно важно при работе в агрессивной, влажной, пыльной средах.

В датчиках с изменяемой проводимостью механизм проводимости может быть различным, поэтому в дальнейшем таким широко распространенным понятием, как «резистивные датчики», мы пользоваться будем не всегда.

В обычных проводниках величина сопротивления зависит от удельного сопротивления (удельной проводимости) и геометрической формы (длины и поперечного сечения). В ионных структурах (жидких и твердых электролитах), на которых основаны датчики химических составов, проводимость определяется подвижностью ионов. В полупроводниковых структурах она определяется типом полупроводникового материала и внутренней структурой полупроводникового прибора (полупроводникового резистора, диода, транзистора).

Простейший способ управления проводимостью (сопротивлением) - изменение длины проводника, что нашло применение в так называемых потенциометрических датчиках (рис. 2.3).

Переменный резистор Ro изготавливается либо намоткой на диэлектрическую основу высокоомного привода, либо нанесением на эту основу специального проводящего состава. Основа может иметь различную форму, чаще кольцевую, а по виткам обмотки или по проводящей полоске может перемещаться подвижной контакт, перемещение x которого является входной величиной датчика. Потенциометрические датчики кольцевого типа широко используются для измерения угловых перемещений; например, положения дроссельной заслонки, педали газа, уровня топлива с поплавковым приводом и т.д.

На рис. 2.4 приведена зависимость выходного напряжения от угла поворота движка, откуда видно, что при конечном значении сопротивления нагрузки Rн передаточная характеристика датчика нелинейна. Однако уже при Rн > 10Rо относительная погрешность нелинейности не превышает 0,15% и при использовании для обработки сигнала операционных усилителей с большим входным сопротивлением эту погрешность можно значительно уменьшить.

В современных потенциометрических датчиках подвижный контакт перемещается одновременно по двум концентрически расположенным полоскам - резистивной и контактной (медной),с которой снимается выходной сигнал.

Основным недостатком датчиков с переменными резисторами является нарушение контактов и изменение сопротивления вследствие износа резистивных поверхностей. Следует отметить также зависимость выходного сигнала от напряжения питания, что требует применения стабилизированных источников питания, либо применения логометрических способов обработки сигнала.

Большинство датчиков, основанных на преобразователях с изменяемой проводимостью, построены либо по потенциометрической, либо по мостовой схеме (рис. 2.5).

Мостовые схемы чаще применяют для повышения чувствительности при малых изменениях сопротивления преобразователя Rx. Питающее напряжение U зависит от характеристик преобразователей и может быть постоянным или переменным. Особенности включения датчиков на основе p-n-переходов будут рассмотрены ниже.

Среди физических и химических эффектов, влияющих на изменение проводимости, выделяют: тензорезистивный, пьезорезистивный, терморезистивный, магниторезистивный, фоторезистивный, гигрорезистивный, электрохимический.

Известно, что вольтамперная характеристика p-n-перехода является фото - и температурно - чувствительной, что позволяет отнести устройства на основе p-n-перехода к управляемым проводникам. Проводимость канала полевых транзисторов зависит от электрического поля, создаваемого затвором. Успехи в нанотехнологиях позволили создать полевые транзисторы, у которых это поле зависит от адсорбируемых на поверхности затвора молекул или ионов определенных химических веществ, что позволяет считать эти устройства также управляемыми проводниками.

Ниже рассмотрены датчики прямого действия на основе перечисленных эффектов.

Тензорезисторы

Самыми первыми тензоэлементами были металлические нити, расположенные на диэлектрической пленке. В настоящее время они чаще изготавливаются из константановой фольги (сплав меди и никеля). Для придания элементам нужной формы используют методы либо механической обработки, либо фотохимического травления. При небольших изменениях сопротивления металлического провода, не превышающих для большинства случаев 2%, справедливо соотношение

R=Ro(1+х), (2.3)

где Ro - сопротивление ненагруженного тензорезистора.

(2.4)



где S_e - коэффициент тензочувствительности материала;

e -величина деформации. Для большинства материалов S_e=2, и лишь для платины S_e=6.

Для измерения напряжений в разных направлениях меняется конфигурация резисторов; например, для измерений деформации рессоры применяют длиннобазный (у которого длина с параллельно ей расположенной нитью проволоки значительно больше ширины) резистор, а для измерения скручивающего момента вала - короткобазный. Диапазон сопротивлений тензорезисторов: от 1...100 до нескольких тысяч Ом.

Пьезорезисторы

Изготавливаются из полупроводниковых материалов, чаще из кремния, легированного бором. Пьезорезистивный эффект заключается в изменении проводимости при механическом напряжении в кристалле полупроводника, что связано с изменением подвижности носителей электричества в кристаллической решетке. Коэффициент тензочувствительности у кремния достигает значений от 1 до 150. Как правило, пьезорезисторы формируются в кремниевой диафрагме сразу в виде мостовой схемы, совмещенной с электронным усилителем (интеллектуальный датчик давления). В зависимости от толщины диафрагмы и способа передачи информации эти датчики могут измерять давление в диапазоне 1...10000 Па и до температур порядка 250^оС. Точность порядка = ±3% (фирма Honeywell). В микроисполнениии (диаметр датчика до 5 мм) они могут сочетаться с чипами, передающими информацию о давлении в шинах. Типовая чувствительность порядка 3 мВ/кПа.

В качестве другого примера применения пьезорезистивных преобразователей можно указать на системы взвешивания транспортных средств непосредственно в движении по дороге. Отделенная от полотна дороги платформа передает давление на специальные алюминиевые профили, на которые наклеены чувствительные тензорезисторы, реагирующие на вертикальные силы (возмущения). Большое количество датчиков (32шт) обеспечивает высокую точность взвешивания.

Терморезисторы

Терморезисторами традиционно называют металлические резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), для которых в достаточно широком температурном диапазоне

с=с_o[1+(t - t_o)], (2.5)

где с_o - удельное сопротивление материала при эталонной температуре t_o (обычно равной либо 0, либо 25°С). Для платины =3,710^-3 К^-1, для никеля =6,910^-3 К^-1, для меди =3,910^-3 К^-1, для вольфрама =4,5*10^-3 К^-1. Для примера, материалы, используемые для изготовления тензодатчиков (например, константан), имеют =0,0110^-3 К^-1.

Наиболее популярным терморезистивным датчиком является платиновый детектор, работающий в диапазоне температур 300...600°С и имеющий достаточно высокую линейность. Этот детектор применяется в термоанемометрическом расходомере воздуха в ДВС и будет рассмотрен ниже в главе «Составные датчики».

Термисторы

Термисторами называют терморезисторы из керамических полупроводников с большим значением ТКС (обычно отрицательным). Они изготавливаются, как правило, из оксидов одного или нескольких следующих металлов: никеля, марганца, кобальта, титана, железа. Сопротивление термисторов - в пределах от долей Ом до многих МОм. Они бывают в форме диска, капли, трубки, пластины или тонкого слоя, нанесенного на керамическую подложку.

Термисторы с отрицательными ТКС часто выполняют в форме бусинок нагревом спрессованных порошков оксидов металлов при температуре, достаточной для спекания в однородный твердый кристалл. Величина ТКС достигает 5%К^-1. Обычно термисторы не используются для прецизионного измерения температур (в отличие от терморезисторов) из-за большого разброса параметров и высокой нелинейности и применяются главным образом для изготовления термометров ограниченного диапазона измерения и температурного контроля (от -60 до +150^оС).

Для устройств с положительным ТКС сравнительно недавно был введен в применение керамический титанат бария с дополнительной примесью. Другие материалы с положительным ТКС были разработаны на основе композиций из бария-стронция-свинца и титана, а также на основе кремния.

Для автомобилей кремниевые датчики с положительным ТКС реализуют на основе кристалла кремния n-типа размером 500х500х240 мкм (датчик KTY фирмы Philips). С положительным ТКС они работают до 200^оС, при более высоких температурах ТКС становится отрицательным.

Температурные датчики на основе p-n-перехода Зависимость тока I от напряжения Vd на p-n переходе диода можно выразить в следующем виде:

I=I_o e^qVd/2kT, (2.6)

где I_o - ток насыщения, величина которого сильно зависит от температуры;

q - заряд электрона;

Vd - напряжение на p-n-переходе;

k - постоянная Больцмана;

T - температура в К.

Преобразование формулы:

Vd=2kT/q ln(I/I_o). (2.7)

Таким образом, если используется источник тока, обеспечивающий I = const >> I_o, то напряжение на диоде прямо пропорционально температуре. Базовые схемы датчиков на основе смещенного p-n перехода и транзистора, включенного по схеме диода, приведены на рис. 2.6 а и б:

Многие фирмы выпускают датчики, основанные именно на этом принципе. Среди них датчик LM35Z (National Semiconductors) - с выходом по напряжению, чувствительностью 10мВ/°С и погрешностью не выше ±0,1°С в диапазоне 0...80°С.

Магниторезисторы

Обнаруженный Томпсоном (лордом Кельвином) в 1856г. магниторезистивный эффект является результатом действия силы Лоренца и основан на отклонении линии тока под действием магнитного поля. Магниторезистивные датчики изготавливаются из тонких полосок пермаллоя (сплав 20% железа, 80% никеля) на кремниевой подложке, соединенных по мостовой схеме. Через пермаллой пропускают ток, а магнитное поле создается внешним подвижным магнитом. Фирма Honeywell выпускает такие датчики для измерения угловых и линейных перемещений. На датчиках размещены две катушки - Set/Reset и Offset. Короткий импульс тока 2...5 А, с длительностью 1...2 мкс первой катушки формирует поле, ориентирующее домены в одном направлении (так называемая «легкая ось», которая указана в документации). Подбирая ток катушки Offset, можно компенсировать любые внешние поля, достигая максимальной чувствительности. Рабочая температура - 55 + 150°С. Изменение сопротивления датчика составляет 3% при максимальном поле.

В настоящее время большое внимание привлекают материалы на основе нанотехнологий. Структуры из периодических слоев Fe-Cr или Cu-Co толщиной около 10 атомов дают изменение сопротивления до -15% в полях ± 30мТл, с рабочим диапазоном частот от постоянного поля до 1МГц (так называемый гигантский магнитно-резистивный эффект).

Изменения магнитного поля в некоторых датчиках достигают не перемещением подвижного магнита, а за счет изменения магнитной проводимости, например, при прохождении мимо датчика зубчатого колеса из ферромагнетика.

Фоторезисторы

Это поликристаллические полупроводники на основе PbS, PbSe, CdS, CdSe, проводимость которых увеличивается при освещении. Процесс увеличения проводимости происходит при перемещении электронов из валентной зоны в зону проводимости при поглощении падающих фотонов. Например, ширина запрещённых уровней для CdS составляет 2,41 эВ, длина волны границы поглощения равна

=с/ = 515 нм, (2.8)

где с - скорость света;

- частота поглощенного излучения.

Как видно, граница поглощения находится в видимом спектральном диапазоне. Другие фоторезистивные материалы имеют иные значения предельной длины волн - от ультрафиолетовых до инфракрасных.

Изготавливают фоторезисторы нанесением пасты из порошка соответствующего материала на керамическую подложку (в виде прямой одной или серпантинной полоски), высушивают, спекают при высокой температуре, а затем на полученную структуру наносят электроды и закрепляют выводы. Процесс изготовления заканчивается помещением фоторезистора в пластиковый или металлический корпус с окошком.

Основной характеристикой фоторезисторов является кратность изменения сопротивления

K=Rт/Rсв, (2.9)