منذ وقت ليس ببعيد ، واجهت مهمة غير تافهة - تجميع جهاز يمكنه نقل بعض المعلومات عبر خطوط الكهرباء (0.4 كيلو فولت) ، في شبكات المستهلكين المنزليين العاديين ، أو بالأحرى قراءات عدادات الكهرباء.

قبل العمل على هذا الجهاز ، لم يكن لدي فهم يذكر لمعالجة الإشارات الرقمية وكيفية عمل شبكات الكمبيوتر على المستوى المادي. كان من الضروري الغوص بسرعة في السؤال وبناء خطة لإنشاء نموذج أولي عملي.

أثناء الدراسة ، وجدت الكثير من المؤلفات المتخصصة في الإلكترونيات ، والميكروكونترولر ومعالجة الإشارات الرقمية ، مما ساعدني كثيرًا في هذا. ولكن في بداية الرحلة ، قد تكون مراجعة مثل هذه المقالات مفيدة لي لاختيار مجالات الدراسة.

المواد الإضافية هي مقتطف من الخبرة المهنية بالشكل الذي أود أن أخبره بنفسي من الماضي. تم تبسيط العديد من الحقائق إلى حد كبير من أجل قراءة أفضل.

الاتصالات

لنبدأ بالتجريد. تخيل أنك بحاجة إلى نقل معلومة من شخص إلى آخر. في الصورة: الرجل الأحمر هو المرسل ، والأزرق هو المستقبل.

سوف نستخدم الصوت لنقل المعلومات. المعلومات هي نوع من النص في رؤوسنا. يمكن تقسيم النص إلى أحرف ويمكن تمثيل كل حرف كإشارة صوتية. بهذه الطريقة ، يمكن تشفير كل حرف ببعض الإشارات الصوتية المناسبة.

موصل

الصوت ، كما تعلم ، ينتشر في شكل موجات - تقلبات في كثافة الهواء أو وسط آخر. في حالتنا ، فإن وسيط انتشار الإشارة هو الهواء. من الرجل الأحمر ، تنتشر الموجات الصوتية عبر الهواء في جميع الاتجاهات.

إشارة مفيدة

لحسن الحظ ، لا يمكننا نقل المعلومات ذهنيًا من رؤوسنا مباشرة إلى رئيس المحاور. لذلك ، الحروف من رؤوسنا على "مستوى الأجهزة" نقوم بتحويل (ترميز) إلى إشارات صوتية (مجموعات من الموجات الصوتية). سوف نسمي هذا "إشارة مفيدة".

هام: كل حرف يتم ترميزه بواسطة مجموعة ثابتة من الموجات الصوتية. من هذه الموجات يمكننا التعرف على حرف معين (إذا عرفناه بالطبع). هناك تحويل من حرف إلى صوت والعودة من صوت إلى حرف.

الضوضاء

الضوضاء هي نفس الإشارة ، لكنها لا تحمل معلومات مفيدة. تشوه الضوضاء الإشارة المطلوبة وتقلل من نطاق الاستقبال الموثوق. يمكن أن يكون حشدًا من الأشخاص يتحدثون بصوت عالٍ عن شيء خاص بهم ، أو ربما حتى صدى أو أصوات أخرى غريبة يتم مزجها بإشارة مفيدة. تتداخل الضوضاء عادةً مع مرور الإشارة المطلوبة إلى جهاز الاستقبال.

بروتوكول

في هذا الشكل ، تصل الإشارة إلى جهاز الاستقبال. يتعرف المتلقي (يفك تشفير) الأحرف من مجموعة من الموجات الصوتية ويجمع الكلمات منها. إذا بدا له أن هذه مجموعة لا معنى لها من الأصوات ، فإنه يتجاهلها أو يحاول استعادة الإشارة الأصلية باستخدام خوارزمية معقدة. جزئيًا ، بسبب هذا ، نسأل أحيانًا أولاً "ماذا؟" ، وعندها فقط ندرك أننا سمعنا كل شيء.

البروتوكول هو ، في الواقع ، مجموعة من القواعد والخوارزميات التي يمكننا من خلالها استخراج المعلومات من إشارة مفيدة. في هذا المثال ، هذه هي لغتنا التي نتواصل بها مع المحاور. منه نتعلم معنى الأصوات المنقولة. كل هذا يحدث دون وعي ، يمكننا أن نقول "على مستوى الأجهزة".

يوضح كل ما تم وصفه أعلاه في شكل مبسط للغاية كيف يعمل نقل البيانات ليس فقط بين الأشخاص ، ولكن أيضًا بين الأجهزة الإلكترونية. سيكون لها تأثير مادي فقط ، على سبيل المثال ، جهد كهربائي ، وكابل نحاسي كموصل. يمكن نقل المعلومات المخزنة في الجهاز باستخدام وسائط وبروتوكولات نقل فعلية مختلفة ، ولكن الجوهر هو نفسه تقريبًا: موصل ، تأثير مادي ، بروتوكول.

خطوط الكهرباء كقناة اتصال

بعد ذلك ، سنكتشف خطوة بخطوة كيفية نقل البيانات عبر خطوط الطاقة ، وعلى طول الطريق ، سنخرج ببروتوكول ~~لدراجتنا~~ . الأفكار الرئيسية من معيار الصناعة المفتوحة X10.

لاستخدام خطوط الكهرباء كقناة اتصال ، عليك أن تفهم كيف تعمل ، وما هي العمليات الفيزيائية التي تحدث فيها.

دعونا نلقي نظرة على مخطط توصيل الكهرباء من المحطة الفرعية إلى المباني السكنية. تتكون الشبكات الكهربائية من ثلاث مراحل ، وهناك ثلاث "مراحل" (أ ، ب ، ج) من المحطة الفرعية ، وهي معزولة كهربائياً عن بعضها البعض.

للتبسيط ، دعنا نتفق على أن كل مرحلة هي قناة اتصال منفصلة. لا يمكن للأجهزة المتصلة بمراحل مختلفة سماع بعضها البعض.

الآن هناك أجهزة في السوق يمكنها الاتصال بين المراحل ، بالنسبة لهم ، تعد المحطة الفرعية بأكملها قناة اتصال واحدة. لكن حتى الآن لا يلعب هذا دورًا خاصًا في التفاهم.

علاوة على ذلك ، في المخططات ، سننظر فقط في المرحلة "أ" (في حالات أخرى ، كل شيء مشابه).

عندما يتم توصيل العديد من أجهزة الإرسال والاستقبال بمرحلة واحدة ، يتم تكوين طوبولوجيا شبكة من النوع "الناقل المشترك". سيتم استقبال إشارة مرسلة من أحد الأجهزة بواسطة جميع الأجهزة الأخرى ضمن نطاق انتشار الإشارة.

موصل

دعنا ندرس وسيلة نقل الإشارة بمزيد من التفصيل. للقيام بذلك ، ضع في اعتبارك الشكل الذي تنتقل به الطاقة الكهربائية ، واكتشف كيف يمكننا من خلال هذا التدفق نقل إشاراتنا المفيدة.

تنتقل الكهرباء على شكل تيار متردد. عادة ما تكون الموصلات عبارة عن كبلات من الألومنيوم أو النحاس. يكون للجهد في الشبكة الكهربائية شكل جيبي بفترة 20 مللي ثانية (التردد 50 هرتز).

نظرًا لأن التيار يتناوب ، فإنه يغير اتجاه "التدفق" بشكل دوري ، وفي وقت التغيير في الاتجاه ، لا يتم نقل الطاقة عمليًا (إذا لم تأخذ في الاعتبار التحول بسبب الحمل القوي بالسعة أو الاستقراء). هناك لحظات من الهدوء. وهذا ما يسمى "تقاطع الصفر" (المشار إليها فيما يلي بـ ZC ) - اللحظة التي يكون فيها الجهد صفرًا.

في هذه المرحلة ، تتمتع الشبكة أيضًا بأدنى مستوى ضوضاء. هذه هي اللحظة الأكثر ملاءمة لتوليد إشارة مفيدة.

في شبكة كهربائية بتردد 50 هرتز (كما في روسيا) ، تحدث لحظة ZC 100 مرة في الثانية. وإذا قمت بنقل حرف واحد في كل مرة من خلال عبور صفري واحد ، فستكون سرعة الاتصال 100 باود. يعتمد معدل الإرسال بالبايت بالفعل على تنسيق الإطار ، وعلى عدد بتات الخدمة ، بالإضافة إلى البيانات نفسها ، التي ستكون في الإطار (حول تنسيق الإطار أدناه في النص).

التزامن

نقطة أخرى مهمة هي تزامن لحظة الإرسال والاستقبال بين الأجهزة.

بالنسبة لبروتوكولنا الجديد ، سوف نستخدم "نقل البيانات المتزامن" لأنه أسهل في التنفيذ.

يحتاج جهاز الإرسال إلى معرفة اللحظة المحددة التي يجب تشغيل DAC لتوليد الإشارة. يحتاج جهاز الاستقبال إلى فهم اللحظة المحددة التي يلزم فيها تشغيل ADC لقياس الإشارة الواردة ورقمنتها. للقيام بذلك ، يجب على شخص ما إرسال إشارة إلى المعالج.

سيتم ذلك عن طريق جزء منفصل من دائرة Zero Cross Detector. إنه ينتظر فقط أن يكون جهد الخط 0 فولت ، ويعطي إشارة عنه. في الشبكات ذات التردد 50 هرتز ، ستصل الإشارة كل 10 مللي ثانية.

ينتشر الجهد الكهربائي بسرعة الضوء ، وبالتالي يمكننا أن نفترض بشكل مشروط أن لحظة حدوث ZC في جميع نقاط الشبكة في وقت واحد.

يمكنك العثور على الإنترنت على أمثلة لدارات الكاشف تسمى "Zero Cross Detector" أو "Zero Cross Detector".