Základy digitální techniky - ZDT

Transkript

1 Základy digitální techniky - ZDT Doc.Ing. Vlastimil Jáneš, CSc K 620 E mail: janes@fd.cvut.cz Dokumentace na webu FD : Cvičící: Img. Tomáš Musil E mail: musil@asix.cz

2 1. Úvod do základů digitální techniky Krátký pohled na přístrojové vybavení na palubě letadla (Boeing 737

3 Uspořádání panelů spřístroji před kapitánem a před 1.pilotem

4 Umístění panelů P1, P2, P3 a P7 Na těchto panelech jsou umístěny standardní měřící přístroje pro sledování letu kapitánem a 1. pilotem

5 PANEL P1 - kapitán

6 PANEL P3-1. pilot

7 Přístroje na panelu P7 - varovná signalizace požáru - hlavní světelné výstrahy systému - digitální signalizace kontrolního systému (DFCS) Přístroje na panelu P2 - displej pro primární a sekundární motor EIS přístrojový systém motorů s LED -přistávací páka a indikátory pozice - indikátor zadního okraje klapky a světelný signalizátor předního okraje klapky - spínač protiskluzové a automatické brzdy a osvětlení - indikátor tlumiče vybočení

8 Panel P7 a centrální panel P2

9 Přední horní panel P5 1. Kontroly letu 2. Vypínač inerčního letu (inerční reference) 3. Palivový systém 4. Elektrická zařízení zdroje 5. Osvětlení řídící kabiny, nouzový výstup, nekouřit,. 6. Řízení proti zamrznutí 7. Výkonová hydraulika 8. Osvětlení dveří 9. Záznam zvuku 10. Klimatizace a pneumatika 11. Natlakování vstřikovací trysky 12. Externí osvětlení 13. Spínač a indikátor APU startu 14. Start motorů a zapalovací elektroda

10

11 Přední panel P5 vzadu. 1. Signální panel předního kraje křídla, ukázka pozice individuálních latěk a klapek 2. Nízko zatížený motor(chod naprázdno) a přepínač modulu poruch 3. Spínač servisních hovorů 4. Kyslíkový systém pro pasažéry a pro posádku 5. Testovací panel varovného přetížení 6. Testovací panel letového záznamníku 7. Pozorovací digitálně sluchový řídící panel 8. Spínač klenutého světlíku 9. IRS mód selektorové jednotky 10. IRS displej a řízení

12

13 Centrum řídící elektroniky Řídící elektronika včetněřídících mikropočítačů je umístěna pod výstupní chodbičkou z kabin (pod palubou) Zdůvodů žádané vysoké spolehlivosti je nutné zálohování všech řídicích systémů!! (až 3x) - nároky na paměti a další elektroniku. Záznamy o průběhu letu - černá skříňka Umístění elektronických systémů včetně řídících mikropočítačů

14

15 Konstrukční vany E1-1 až E1-5

16 Vany E2, E3, E4

17 Elektronické systémy pro řízení letu (FMS Flight Management System, FMCS - Flight Management Computer System) DFCS - Digital Flight Control System A/T - Autothrottle (A/T) System ADIRS - Air Data Inertial Reference System CDS - Common Display System SMYD - The Stall Management Yaw Damper - Yaw Damper/WTRIS Functions

18 Zobrazení a zpracování dat Na počítač (obecněji i na každý systém - řídicí, měřicí, ) můžeme hledět jako na zařízení, které zpracovává data - transformuje vstupní data na výstupní. Data mohou být různého druhu, např. čísla, obrázky, zvuk, texty, údaje o výšce, rychlosti, poloze apod. Abychom mohli data strojově zpracovávat, musíme je nějakým způsobem zobrazit pomocí fyzikální veličiny (např. pomocí elektrického napětí, proudu, výchylky ručky přístroje, úhlu natočení kolečka). Existují v podstatě dva způsoby zobrazení dat: spojité (analogové) diskrétní (číslicové) Při spojitém zobrazení může fyzikální veličina nabývat libovolné hodnoty (zpravidla v rámci určitého intervalu), při diskrétním zobrazení nabývá pouze několika dovolených izolovaných hodnot. Někdy je číslicové zobrazení definováno tak, že veličina může nabývat hodnoty z konečného počtu diskrétních intervalů ( hodnot). Je zřejmé, že při číslicovém zobrazení je počet zobrazovaných hodnot konečný. U diskrétního zobrazení také označujeme izolované hodnoty jako stavy a říkáme, že data jsou reprezentována určitým stavem.

19 Zobrazení a zpracování dat Číslicová data zpracováváme číslicovými počítači. Analogově reprezentovaná data se dříve zpracovávala výhradně analogovými zařízeními (počítači). Dnes je tendence i tato data zpracovávat číslicově. Je ale potřeba je převést na číslicovou reprezentaci. K tomu slouží analogově/digitální a digitálně/analogové převodníky. Problematice číslicového zpracování analogového signálu bude věnována následující kapitola. Dva příklady spojitého zobrazení ukazuje obr. 1.1, ukázka diskrétního zobrazení je na obr. 1.2.

20 Obr. 1.1 Příklad spojitých signálů

21 Zobrazení a zpracování dat První příklad může reprezentovat zobrazení reálných čísel pomocí elektrického napětí spřevodními vztahy U = 10.x nebo x = U/10 Druhý graf je příkladem analogového zobrazení, kdy určitou veličinu (např. tlak) reprezentujeme třeba výchylkou sloupce(v logaritmické stupnici) l = f(x) [cm].

22 Obr. 1.2 Příklad diskrétního zobrazení Natočení kolečka(stupně) Napájení IO (TTL)

23 V diskrétní oblasti první případ představuje zobrazení desítkových cifer pomocí úhlu (např. natočením kolečka). Druhý obrázek je reprezentace dvojkových (logických) hodnot pomocí napětí (tzv. TTL úrovně). Všimněme si, že každá z hodnot je reprezentována intervalem, přičemž tyto intervaly jsou vzájemně disjunktní. Ostatní intervaly se označují jako zakázaná pásma. Mění-li se zobrazovaná hodnota, měla by fyzikální veličina překlenout tato pásma co nejrychleji a nikdy nenabýt dlouhodobě hodnot ze zakázaných pásem. V takovém případě hrozí, že systém, který diskrétní data zpracovává, bude pracovat nesprávně nebo bude nestabilní.

24 Z hlediska matematického není ani jedno z diskrétních zobrazení zobrazením takové, jak jej známe z definice (každému x je přiřazeno právě jedno y). Podíváme-li se na zobrazení z druhé strany, vidíme, že určitému intervalu fyzikální veličiny odpovídá jedna zobrazovaná hodnota, což již zobrazení je. Každý systém totiž mění své parametry v čase (opotřebením), v závislosti na okolní teplotě, díky rušení apod. Může se tak stát, že mechanický systém bude po čase číslici 2 reprezentovat nikoliv úhlem 72, ale 70. Díky takto nadefinovanému zobrazení je rozpoznána i při úhlu 70 číslice 2 jako zobrazovaná hodnota.

25 Společně se zakázanými pásmy se tak ukazuje jedna z výhod číslicového zpracování dat - odolnost proti rušení, proti změnám parametrů součástek apod. Porovnáním analogového a číslicového zobrazení se na první pohled může zdát, že číslicové zobrazení má menší rozlišovací schopnost. Není to zcela pravda. I analogová zařízení mají omezenou rozlišovací schopnost, tudíž nejsou schopna rozpoznat všechny reálné hodnoty reprezentovaných dat.

26 Chceme-li u číslicového zobrazení zvětšit rozlišovací schopnost, tj. zvětšit počet prvků množiny, které jsme schopni zobrazit, můžeme např. zmenšit intervaly a zakázaná pásma. Tím však eliminujeme výhody číslicového zobrazení. Lépe je zvětšit počet zobrazovacích veličin; v našem případě použijeme dvěči více koleček (dvojice úhlů). Rázem jsme schopni zobrazit 100 diskrétních hodnot. Praxe ukazuje, že často je zjemnění zobrazení, resp. rozlišení, v případě úpravy číslicových zařízení méně finančně nákladné než v případě analogového zpracování. To je další důvod pro použití číslicových zařízení.

27 Obr. 1.3 Analogové a diskrétní zobrazení času

28 Ještě jedno srovnání mezi číslicovým a analogovým zobrazením poskytuje zobrazení času právě pomocí digitálních a analogových hodin (obr. 1.3). Časový interval 16:05:00 až 16:05:59 je reprezentován stavem digitálních hodin 16:05, pak se zobrazení skokem mění na 16:06. V případě analogových hodin ve zmíněném časovém intervalu projde minutová ručička spojitě úhel od cifry 5 k 6. Pokud chceme zlepšit vlastnosti zobrazení, přidáme v případě digitálních hodin další stavy (zobrazení sekund), v případě analogových hodin sekundovou ručičku.

29 Číslicové zpracování analogového signálu Signálem rozumíme průběh veličiny (zpravidla elektrického napětí) v čase. Signály dělíme (v souladu se zobrazením dat) také na spojité (analogové) a diskrétní (číslicové). Navíc rozlišujeme spojitost a diskrétnost v amplitudě nebo v čase. Je-li signál spojitý v amplitudě, může nabývat libovolných hodnot. Je-li spojitý v čase, hodnota signálu je definována (nebo se může měnit) v jakémkoli časovém okamžiku. U signálu diskrétního v čase je hodnota signálu definována jen v určitých časových okamžicích. Různé druhy signálů ukazuje obr. 1.4.

30 Obr. 1.4 Spojité a diskrétní signály

31 Varianta a) zobrazuje signál spojitý v čase i amplitudě, varianta b) zachycuje signál spojitý v čase, ale diskrétní v amplitudě. Na obrázku c) je signál diskrétní v čase s libovolnou hodnotou napětí, konečně obrázek d) představuje signál diskrétní jak v čase tak v amplitudě. Číslicové zpracování analogového signálu se děje v transformačním řetězci, jehož blokové schéma je na obr. 1.5.

32 Obr. 1.5 Řetězec pro číslicové zpracování analogového signálu

33 Řetězec je možné rozdělit na tři části. Úkolem vstupní části je převést analogový signál (spojitý v čase i amplitudě) na posloupnost čísel, zpravidla dvojkových (tj. na signál diskrétní v čase i amplitudě). Vlastní zpracování signálu (analýza, číslicová filtrace, rozpoznávání řeči, ) je realizováno často signálovým procesorem nebo speciálními obvody. Výstupní část zase převádí posloupnost čísel na výstupní analogový signál. Základním prvkem řetězce na vstupu je A/D převodník. Každý převodník má konečnou dobu převodu. Po tuto dobu musí být na jeho vstupu konstantní hodnota (uvědomme si znovu, že na výstupu převodníku je posloupnost čísel, tj. signál diskrétní v čase i amplitudě). Proto musíme snímat okamžité hodnoty napětí vstupního analogového signálu v přesných časových okamžicích a tyto hodnoty zapamatovat po dobu převodu.

34 Tomuto procesu se říká vzorkování signálu, anglicky sampling a příslušnému obvodu vzorkovací obvod, anglicky sample and hold. Obvod obsahuje spínač a kondensátor, označovaný jako paměťová kapacita. V pravidelných intervalech se krátkým Sepnutím spínače sejme okamžitá hodnota vstupního napětí, na kterou se nabije kondensátor (slouží jako tzv. analogová paměť), obr.1.6. Obr. 1.6 Blokové schéma vzorkovacího obvodu

35 Volba frekvence vzorkování se určuje pomocí vzorkovacího teorému (Shannon-Kotelnikovův), který říká, že vzorkovací frekvence signálu musí být alespoň dvojnásobná než nejvyšší frekvence, která se ve vzorkovaném signálu vyskytuje nebo ta, kterou chceme zpracovávat. Pokud není dodržen vzorkovací teorém, dochází k jevu zvanému aliasing, kdy dochází ve vzorkovaném signálu k promíchání spektra. To má za následek zkreslení vysokých kmitočtů při vzorkování (jinak řečeno špatné navzorkování). Proto se před vzorkovací obvod vkládá analogový antialiasingový filtr, který potlačívysokékmitočty (jde o filtr typu dolní propust).

36 Při vlastním převodu A/D převodníkem, který má konečné rozlišení, dojde k diskretisaci v amplitudě, tj. vstupní vzorek napětí z určitého intervalu se převede jako jedno dvojkové číslo. Tomuto procesu se také říká kvantování. Po zpracování je výstupní číslicový signál (posloupnost čísel) převeden na analogovou formu D/A převodníkem. Protože je výstupní signál diskrétní v amplitudě, je vyhlazen výstupním analogovým filtrem (typu dolní propust). Názorným příkladem je digitální zpracování zvuku a nahrávky na CD. Lidské ucho slyší frekvence nejvýše do hodnoty cca 20 khz. Vyšší frekvence nemá cenu zpracovávat ani zaznamenávat. Podle vzorkovacího teorému se zvolila frekvence vzorkování 44,1 ksample/s (sample = vzorek, tj. 44,1 tisíc vzorků za sekundu). Protože se ale v audio signálu mohou vyskytnout frekvence vyšší než 20 khz, vkládá se před vzorkovací obvod antialiasingový filtr, který potlačí frekvence nad 20 khz.