Методические указан. к КТР по ТОАТ Соколов

РОСЖЕЛДОР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО РГУПС)

____________________________________________________________________

Н.И. Гриненко, А.А. Корякин

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ

Методические указания к контрольной работе по дисциплине «Теоретические основы автоматики и телемеханики»

Ростов-на-Дону

2015

УДК 621.398.049.77

Гриненко, Н.И. Корякин А.А.

Разработка системы телеуправления: методические указания к контрольной работе по дисциплине «Теоретические основы автоматики и телемеханики» / Н.И. Гриненко, А.А. Корякин; Рост. гос. ун-т путей сообщения.- Ростов н/д, 2015. - 58 с. : ил. Библиогр. : 10 назв.

Излагаются методические рекомендации к синтезу системы телеуправления, предназначенной для телемеханического управления объектами (стрелками и сигналами) на ж.д. транспорте. В соответствии с заданиями на контрольную работу рассматриваются различные варианты схемных решений при построении функциональных узлов и устройств, входящих в состав передатчика и приемника системы ТУ. Приводятся необходимые формулы для расчетов помехоустойчивости различных типов кодов и системы ТУ.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. В.Н. Соловьев (РФ МГТУГА)

© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2015-05-22

ВВЕДЕНИЕ Целями контрольной работы являются:

-углубление и закрепление знаний по первому разделу «Системы телемеханики» дисциплины ТОАТ;

-получение практических навыков по проектированию системы телеуправления.

Для выполнения контрольной работы студентам учебной группы выдаются задания. Вариант выполнения задания определяется подчеркиванием в нем соответствующих исходных данных и определяется на установочном занятии. Образец задания на контрольную работу приведен в приложении А.

На каждом практическом занятии разрабатываются под руководством преподавателя определенные разделы задания. При этом студенты должны использовать материал лекций и учебно-методическую литературу, приведенную

всписке литературы.

В конце каждого практического занятия преподаватель выдает студентам задание для самостоятельного выполнения отдельных вопросов контрольной работы.

Синтез заданного типа избыточного кода для команд ТУ с построением функциональных электрических схем кодирующего и декодирующего устройств

Выполняются первый и второй разделы задания на контрольную работу. Рассмотрим методику выполнения первого пункта.

1 Структура команд ТУ и определения числа информационных (неизбыточных) разрядов в их составных частях.

Системы ТУ, используемые на ж.д. транспорте, являются многоканальными. Они имеют один пункт управления (ПУ) и несколько контролируемых пунктов (КП), на которых размещаются объекты управления (ОУ). Число каналов в системе ТУ определяется числом КП, входящих в систему.

В системах ТУ возможны два способа выбора объектов управления [1] :

-непосредственный способ;

-групповой способ.

При непосредственном способе выбора ОУ команды ТУ состоят из двух информационных частей: адресной части номеров КП и номеров команд ТУ для переключения ОУ из одного состояния в другое. Данный способ управления применяется при наличии небольшого числа объектов управления на КП. При этом в состав передатчика системы ТУ будут входить два шифратора: шифратор номеров КП и шифратор номеров команд, а в состав приемников, размещаемых на КП, будут входить два дешифратора: дешифратор номера КП и дешифратор номеров команд (рис 1.1).

Если на контролируемых пунктах имеется большое число объектов управления, то возникают определенные трудности технической реализации на интегральных микросхемах шифраторов и дешифраторов, с большим числом выходов. В этом случае целесообразно использовать групповой способ выбора объектов управления.

При групповом способе выбора все объекты управления, размещаемые на КП, разбиваются на несколько групп (Nгр.оу.), в каждой из которых содержится определенное число объектов (Nоу.гр.). Неизбыточные команды ТУ в этом случае будут содержать следующие информационные части:

-адресную часть номеров КП;

-номеров групп ОУ;

-номеров команд управления.

В состав передатчика системы ТУ на ПУ будут входить, соответственно, три шифратора: номеров КП, номеров групп ОУ, номеров команд. В состав приемника системы ТУ на КП будут входить: дешифратор номера КП, дешифратор номеров групп ОУ и дешифраторы номеров команд в группах ОУ, число которых будет равно числу групп ОУ.

На функциональной схеме (рис. 1.2) представлен пример реализации группового способа выбора объектов управления.

Так как неизбыточные команды ТУ подлежат избыточному кодированию с использованием того или иного типа помехоустойчивого кода, указанного в задании, то в структуре команд ТУ (после кодирования) будут содержаться кроме информационных частей контрольные разряды. Число контрольных разрядов k определяется правилами кодирования соответствующих типов кодов.

Для определения числа информационных разрядов mi в каждой из составных частей команд ТУ используются следующие формулы:

а) для кода номеров КП

NКП 2mкп 1;

(1.1)

б) для кода номеров групп ОУ
Nгр.оу 2mгр.оу	1;	(1.2)
в) для кода номеров команд ТУ
NКОМ 2mком 1,		(1.3)

где :

-Nкп – число КП в системе ТУ;

-Nгр.оу. – число групп ОУ;

-Nком. = 2Nоу.гр. – число команд управления в группе.

Значения величин Nкп., Nгр.оу., Nоу.гр. задаются в задании на КП. После определения значений числа информационных разрядов в состав-

ных частях команд определяется общее число информационных разрядов в командах ТУ:

mту=mкп+mгр.оу+mком. (1.4)

Рассмотрим методику выполнения второго пункта задания на контрольную работу.

2 Синтез заданного типа кода для команд ТУ с построением функциональных схем КУ и ДКУ

В соответствии с заданием студенты выполняют синтез одного из следующих типов кодов: Хэмминга с d=3 или d=4; циклические с d=3 или d=4 (получаемые способами умножения полиномов или вычисления и добавления разряда остатков); корреляционный; с контролем на четность и на нечетность; с постоянны весом.

Рассмотрим методики синтеза и схемы кодирующих и декодирующих устройств указанных кодов.

2.1 Общая методика синтеза помехоустойчивых кодов

В настоящее время известно большое число (несколько десятков) избыточных кодов, которые отличаются правилами кодирования и декодирования, принципами построения и работы кодирующих и декодирующих устройств. Однако, для множества различных типов кодов можно сформулировать общую методику их синтеза.

Исходными данными для синтеза любого типа кода являются: –N - число передаваемых сообщений;

– корректирующая способность кода (значения характеристик σ и S). Так как значения σ и S зависят только от кодового расстояния, то коррек-

тирующую способность обычно задают значением d. Задачи синтеза:

–получение по исходным данным заданного числа N избыточных сообщений кода, имеющих требуемое кодовое расстояние d и минимальное число контрольных (избыточных) разрядов k:

–техническая реализация синтезированного кода, то есть построение схем КУ и ДКУ.

Этапы синтеза.

1.Определение необходимого числа информационных разрядов m из неравенства

N≤ 2m-1; N+1≤ 2m .	(1)
2. Определение минимального значения числа	контрольных разрядов
(символов) k.

Для кодов, имеющих значение d=2, число контрольных разрядов для различных типов кодов может принимать значения от k=1 до k=m.

Для кодов с d=3 значения k определяются из неравенства
2k ≥ m+k+1 ,	(2)
где n=m+k.

На основании уравнения (2) составим таблицу 1, устанавливающую зависимость между значениями параметров m, k, n.

Таблица 1

m	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	…	26	27	28	…	57	58
k	2	3	3	3	4	4	4	4	4	4	4	5	5	…	5	6	6	…	6	7
n	3	5	6	7	9	10	11	12	13	14	15	17	18	…	31	33	34	…	63

Совершенными (плотноупакованными) называются такие коды, для которых при заданных значениях m, k , d скорость кода будет максимальной

m

Uкода= n =Uкод.max .

Для совершенных кодов соотношение между параметрами n и k определяется равенством n=2k-1 .

Для кодов с d=4 число контрольных разрядов k определяется из неравенства

2k-1 ≥ m+k	(3)
или из равенства
kd=4 = kd=3+1.	(4)

Используя соотношения (3) или (4), можно составить таблицу 2, в которой будут представлены значения параметров m,k,n для кодов с d=4.

Параметры для совершенных кодов, имеющих значения d=4, определяются по формуле

N = 2k-1 .

Для кодов, имеющих значения d≥5, формул для точного определения k нет. Есть только формулы, определяющие нижнее и верхнее значения числа k. Нижнее значение числа k (нижняя граница Хэмминга) определяется по формуле

S=(d-1)/2
2k ≥ ∑Cin	(5)

i=0

Верхнее значение числа k (верхняя граница Варшамова-Гилберта) по формуле

d-2

2k ∑Cin-1 ,

i=0

определяется

(6)

где n =m + k.

Точное значение числа k определяется при синтезе кодов имеющих d≥5.

Дальнейшими этапами синтеза избыточных кодов являются следующие.

3. Определение общего числа разрядов в избыточных сообщениях кодов

n=m+k.

4.Получение заданного множества N избыточных сообщений по правилам кодирования, которые используются в данном типе кода. После выполнения этого пункта будет решена I задача синтеза.

5.Построение схемы КУ .

6.Построение схемы ДКУ .

После выполнения пунктов 5, 6 решается вторая задача синтеза кодов.

2.2 Методика синтеза кодов Хэмминга матричным способом.

Коды Хэмминга являются групповыми, линейными, разделимыми кодами, имеющими минимальное кодовое расстояние d=3 или d=4. Корректирующие способности помехоустойчивых кодов по обнаружению и исправлению ошибок определённых кратностей определяются двумя характеристиками:

-максимальной кратностью обнаруживаемых ошибок σ = d-1;

-максимальной кратностью исправляемых ошибок S d 1.

2

Из этих формул следует, что код Хэмминга с d=3 позволяет обнаруживать все ошибки кратностей 1 и 2 и исправлять все однократные ошибки.

Код Хэмминга с d=4 позволяет обнаруживать все ошибки кратностей 1, 2 и 3, а исправлять – только однократные ошибки.

Она состоит в следующем [1,2,6].

В качестве исходных данных задаются:

-общее число передаваемых сообщений N;

-корректирующая способность кода, которая определяется обычно в виде значения минимального кодового расстояния кода d.

Задачами синтеза являются:

-получение по исходным данным заданного числа N кодовых комбинаций (избыточных сообщений) кода, имеющих минимальное число избыточных разрядов k и заданное значение d;

-техническая реализация синтезированного кода, т.е. построение функциональных электрических схем кодирующего (КУ) и декодирующего (ДКУ) устройств.

Этапы синтеза кода

1Определение числа информационных разрядов (символов) m из соотношения:

		N 2m 1,
	или	2m N 1.	(1)
2	Определение числа контрольных разрядов (символов) k по формулам:
	- для кода с d=3	2k m k 1;	(2)
	- для кода с d=4	2k 1 m k .	(3)
3	Определение общего числа разрядов n в кодовых комбинациях:
		n m k .	(4)
4	Построение проверочной матрицы H, которая используется в после-

дующем для получения линейных уравнений, определяющих алгоритмы кодирования и декодирования сообщений в этих кодах.

Например, проверочную матрицу для кода с d=3 в общем виде можно записать так:

Число строк в матрице равно числу контрольных символов k, а число столбцов равно общему числу разрядов n=m+k. Она состоит из двух подматриц:

-подматрицы информационных разрядов Pk×m размерности k×m;

-подматрицы контрольных разрядов Ik , которая представляет собой единичную подматрицу ранга k.

При построении подматрицы Pk×m столбцы её должны удовлетворять следующим требованиям:

-все столбцы должны быть различными;

-вес каждого столбца должен быть не меньше d-1, т.е. Wст≥ d-1;

-любая пара столбцов при их поразрядном суммировании по М2 должна давать столбец с весом, равным или большим d-2;

-для кода с d=4 дополнительно столбцы должны иметь нечетный вес, начиная с трех, т.е. Wст=3, 5, 7, 9 и т.д., а при поразрядном суммировании по М2 любых трех столбцов подматрицы Pk×m должен получаться столбец с весом, равным или большим d-3=1.

Исходя из этих требований, можно заключить следующее. Для кода с d=3

в качестве столбцов подматрицы Pk×m выбираются различные двоичные	k-
разрядные числа, содержащие две или большее число единиц, а для кода с	d=4
– двоичные числа с нечетным весом, начиная с трех.

При этом следует иметь в виду, что чем меньший вес будут иметь эти двоичные числа, тем меньшее число сумматоров по модулю два (М2) потребуется для построения схем кодирующего и декодирующего устройств.

Единичная подматрица Ik строится тривиально: её столбцы являются двоичными числами с целыми степенями двойки 20, 21, 22, … .

5 Получение по матрице H системы из k линейных уравнений, связывающих определённые информационные и контрольные символы. Число уравнений равно числу её строк. Уравнения составляются по следующим правилам.

Единицы, стоящие в каждой строке матрицы H, показывают, какие информационные mi и какой контрольный kj должны входить в соответствующее линейное уравнение. Единицы, стоящие в каждом столбце матрицы H, показывают, в какие линейные уравнения должны входить соответствующие информационные и контрольные символы. Если полученные суммы информационных и контрольных символов в каждом из k уравнений приравнять нулю, то полученная система будет определять алгоритм декодирования сообщений, а если эти уравнения разрешить относительно контрольных символов, то полученная система уравнений будет определять алгоритм кодирования сообщений.

6 Построение избыточных (разрешенных) кодовых комбинаций кода с использованием системы линейных уравнений, применяемых для кодирования сообщений.

7 Построение функциональной электрической схемы кодирующего устройства (КУ, кодера) с использованием указанной выше системы уравнений.

8 Построение функциональной электрической схемы декодирующего устройства (ДКУ, декодера) с использованием системы уравнений, применяемых для декодирования сообщений.

Пример. Для разрабатываемой системы телеуправления выполнить синтез кода Хэмминга с минимальным кодовым расстоянием d=3, если число передаваемых сообщений в системе N=7.

Построить функциональные электрические схемы кодирующего устройства и декодирующих устройств с обнаружением и исправлением ошибок.

Сиспользованием компьютерной модели провести исследования:

-работы схем КУ и ДКУ при отсутствии ошибок и их вводе;