디지털 커뮤니케이션 소개

크고 복잡한 디지털 시스템을 설계할 때 한 장치가 다른 장치와 디지털 정보를 주고받도록 해야 하는 경우가 많습니다. 디지털 정보의 한 가지 장점은 아날로그 매체에 기호화된 정보보다 전송 및 해석 오류에 훨씬 더 강한 경향이 있다는 것입니다.

이것은 디지털로 인코딩된 전화 연결의 명확성, 컴팩트 오디오 디스크 및 디지털 통신 기술에 대한 엔지니어링 커뮤니티의 많은 열정을 설명합니다. 그러나 디지털 통신에는 고유한 함정이 있으며 전송될 수 있는 다양한 방식과 호환되지 않는 방식이 많이 있습니다.

이 장이 디지털 커뮤니케이션의 기본, 장점, 단점 및 실제 고려 사항에 대해 알려 주기를 바랍니다.

물 저장 탱크의 수위를 원격으로 모니터링하는 작업이 주어졌다고 가정합니다. 우리의 임무는 탱크의 수위를 측정하고 이 정보를 다른 사람들이 모니터링할 수 있도록 먼 위치로 보내는 시스템을 설계하는 것입니다.

탱크 수위 측정은 매우 쉽고 플로트 스위치, 압력 트랜스미터, 초음파 수위 감지기, 정전 용량 프로브, 스트레인 게이지 또는 레이더 수위 감지기와 같은 다양한 유형의 기기를 사용하여 수행할 수 있습니다.

아날로그 통신의 예

이 그림을 위해 출력 신호가 4-20mA인 아날로그 레벨 측정 장치를 사용합니다. 4mA는 0%의 탱크 수준을 나타내고, 20mA는 100%의 탱크 수준을 나타내며, 4~20mA 사이는 0%와 100% 사이에 비례하여 탱크 수준을 나타냅니다.

원한다면 이 4-20 밀리암페어 아날로그 전류 신호를 한 쌍의 구리선을 통해 원격 모니터링 위치로 보낼 수 있습니다. 여기에서 일종의 패널 미터를 구동할 수 있습니다. 선호하는 측정 단위에 관계없이 탱크의 물 깊이입니다.

이 아날로그 통신 시스템은 간단하고 강력합니다. 많은 응용 프로그램의 경우 우리의 요구 사항에 완벽하게 부합합니다. 그러나 유일한 것은 아닙니다. 작업을 완료하는 방법입니다.

방금 설명한 아날로그 방법이 가장 실용적일 수 있지만 디지털 기술을 탐색하기 위해 이 가상 탱크를 모니터링하는 다른 방법을 살펴보겠습니다.

아날로그 시스템은 아무리 단순해도 한계가 있습니다. 그 중 하나는 아날로그 신호 간섭 문제입니다. 탱크의 수위는 회로의 DC 전류 크기로 상징되기 때문에 이 신호의 모든 "노이즈"는 수위의 변화로 해석됩니다.

노이즈가 없는 상태에서 50%의 안정적인 탱크 레벨에 대한 시간 경과에 따른 전류 신호의 플롯은 다음과 같습니다.

예를 들어 이 회로의 전선이 60Hz AC 전원을 전달하는 전선에 너무 가깝게 배열되면 유도 및 용량 결합으로 인해 이 DC 회로에 잘못된 "노이즈" 신호가 유입될 수 있습니다.

4-20mA 루프(일반적으로 250Ω)의 낮은 임피던스는 작은 노이즈 전압이 상당히 로드됨을 의미하지만(그러므로 전원 와이어에 의해 형성되는 용량성/유도성 결합의 비효율에 의해 감쇠됨) 이러한 노이즈는 상당할 수 있습니다. 측정 문제를 일으킬 만큼:

위의 예는 약간 과장되었지만 개념은 명확해야 합니다. any 아날로그 측정 시스템에 도입된 전기적 노이즈는 측정된 양의 변화로 해석됩니다.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 아날로그 신호 대신 디지털 신호를 사용하여 탱크의 수위를 상징하는 것입니다. 아날로그 트랜스미터 장치를 탱크의 다른 높이에 장착된 수위 스위치 세트로 교체하면 이 작업을 아주 조잡하게 할 수 있습니다.

이러한 각 스위치는 회로를 닫도록 배선되어 모니터링 위치의 패널에 장착된 개별 램프에 전류를 보냅니다. 각 스위치가 닫히면 해당 램프가 켜지고 패널을 본 사람은 누구든지 탱크 수위를 나타내는 5개의 램프를 볼 수 있습니다.

각 램프 회로는 본질적으로 디지털이므로 켜짐 또는 100% 할인 - 실행을 따라 다른 와이어의 전기적 간섭은 아날로그 신호의 경우보다 모니터링 끝에서 측정 정확도에 훨씬 적은 영향을 미칩니다.

거대한 "꺼짐" 신호를 "켜짐" 신호로 해석하거나 그 반대로 해석하려면 간섭 정도가 필요합니다. 전기적 간섭에 대한 상대적 저항은 아날로그에 비해 모든 형태의 디지털 통신이 누리는 이점입니다.

이제 디지털 신호가 "노이즈"로 인한 오류에 훨씬 더 강하다는 것을 알았으므로 이 탱크 레벨 측정 시스템을 개선해 보겠습니다. 예를 들어, 더 정확한 수위 측정을 위해 더 많은 스위치를 추가하여 이 탱크 게이징 시스템의 해상도를 높일 수 있습니다.

탱크 높이를 따라 5개 대신 16개 스위치를 설치한다고 가정합니다. 이렇게 하면 측정 분해능이 크게 향상되지만 탱크와 모니터링 위치 사이에 연결해야 하는 전선의 양이 크게 늘어납니다.

이 배선 비용을 줄이는 한 가지 방법은 우선 순위 인코더를 사용하여 16개의 스위치를 사용하고 동일한 정보를 나타내는 이진수를 생성하는 것입니다.

이제 16개의 와이어(접지 및 전원 와이어 포함)와 달리 4개의 와이어(필요한 접지 및 전원 와이어 포함)만 정보를 전달하면 됩니다. 모니터링 위치에서는 4비트 바이너리 데이터를 수용하고 사람이 볼 수 있도록 읽기 쉬운 디스플레이를 생성할 수 있는 일종의 디스플레이 장치가 필요합니다.

4비트 데이터를 입력으로 받아들이고 1/16 출력 램프를 켜도록 배선된 디코더를 이 작업에 사용할 수 있습니다. 또는 4비트 디코더/드라이버 회로를 사용하여 숫자를 구동할 수 있습니다. 디스플레이.

그러나 1/16 탱크 높이의 해상도는 우리 애플리케이션에 충분하지 않을 수 있습니다. 수위를 더 잘 해결하려면 이진 출력에 더 많은 비트가 필요합니다. 우리는 더 많은 스위치를 추가할 수 있지만 이것은 오히려 빨리 비실용적입니다.

더 나은 옵션은 원래 아날로그 송신기를 탱크에 다시 부착하고 4-20mA 아날로그 출력을 개별 레벨 스위치 세트를 사용하는 것보다 훨씬 더 많은 비트를 포함하는 이진수로 전자적으로 변환하는 것입니다.

우리가 피하려고 하는 전기 노이즈는 탱크에서 모니터링 위치까지 긴 전선을 따라 발생하기 때문에 이 A/D 변환은 탱크에서 발생할 수 있습니다(여기서 "깨끗한" 4-20mA 신호 ). 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 방법은 다양하지만 이러한 기술에 대한 심층적인 논의는 건너뛰고 디지털 신호 통신 자체에 집중하겠습니다.

탱크 기기에서 모니터링 기기로 전송되는 디지털 정보 유형을 병렬이라고 합니다. 디지털 데이터. 즉, 각 이진 비트는 자체 전용 와이어를 따라 전송되므로 모든 비트가 동시에 대상에 도착합니다.

이것은 분명히 모니터링 위치와 통신하기 위해 비트당 적어도 하나의 와이어를 사용해야 합니다. 각 비트가 한 번에 하나씩 통신되도록 단일 채널(1 와이어 + 접지)을 따라 이진 데이터를 전송하여 배선 필요성을 더욱 줄일 수 있습니다. 이러한 유형의 정보를 일련이라고 합니다. 디지털 데이터.

멀티플렉서 또는 시프트 레지스터를 사용하여 A/D 변환기(탱크 송신기에서)에서 병렬 데이터를 가져와 직렬 데이터로 변환할 수 있습니다. 수신 측(모니터링 위치)에서 디멀티플렉서 또는 다른 시프트 레지스터를 사용하여 디스플레이 회로에서 사용하기 위해 직렬 데이터를 다시 병렬로 변환할 수 있습니다.

mux/demux 또는 시프트 레지스터 쌍이 동기화 상태로 유지되는 방법에 대한 정확한 세부 사항은 A/D 변환과 같은 다른 강의 주제입니다. 다행스럽게도 UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)라는 디지털 IC 칩이 있어 이러한 모든 세부 사항을 자체적으로 처리하고 설계자의 삶을 훨씬 더 단순하게 만듭니다.

현재로서는 당면한 문제, 즉 탱크에서 모니터링 위치로 디지털 정보를 전달하는 방법에 계속 집중해야 합니다.