Глава 12. Линия акустической связи

Экспериментатор, работающий в области робототехники, всегда стремится создать машину, обладающую максимумом возможностей при минимальном вмешательстве человека. Система Бастер I, которая была построена на первом основном этапе программы, может делать самостоятельно очень немного; но схемы выбора команд, а особенно блок "отъезд", наделяют Бастер наиболее важным элементом независимости.

На первый взгляд может показаться, что линия связи, или возможность дистанционного управления, представляет собой шаг в неверном направлении. Это может выглядеть шагом назад к увеличению роли человека в управлении. Но в нашем случае это не обязательно так. Линия акустической связи, описываемая в настоящей главе, действительно дает оператору возможность вручную управлять Бастером издалека; но окончательное назначение линии связи значительно шире этого.

Линия акустической связи устанавливает дополнительный канал связи с Бастером. Прежде всего линия связи дает оператору возможность управлять Бастером на расстоянии. В качестве линии связи может быть прямая акустическая связь, при которой управляющие Бастером слова передаются посредством звуков. Однако те же самые звуки можно пере-дать Бастеру с помощью радиосвязи, что значительно увеличивает диапазон действия связи. Можно воспользоваться и телефонной связью, так как формат передачи информации посредством звука полностью совместим с сегодняшними стандартами передачи информации посредством частотной модуляции (FSK).

Более важным является то, что звуковые посылки можно записать на магнитную ленту и позднее воспроизвести. Таким образом становится возможным использовать звуковые сигналы для построения набора интересных программ поведения Бастера или "обучить" Бастер выполнять длинную последовательность сложных заданий.

Разумеется, нет никакой необходимости в том, чтобы панелью дистанционного управления управлял человек-оператор. Управление всей системой можно предоставить более сложной вычислительной системе на мини-ЭВМ или микропроцессоре, которая слишком велика, чтобы ее можно было разместить на шасси Бастера. И, наконец, можно заставить Бастер взаимодействовать с ЦВМ или устройством регистрации на магнитную ленту таким образом, чтобы он вел протокол своих действий, исключая неправильные или неэффективные движения по мере того, как он будет "осваивать" поставленные задачи.

В этой книге не рассматривается управление от ЦВМ и построение взаимодействия. С учетом всего сказанного видно, что включение в систему блока акустической связи представляет собой одно из наиболее значительных усовершенствований Бастера. Возможности дальнейшего усовершенствования управления ограничиваются лишь воображением экспериментатора и его квалификацией.

Общие принципы работы

Упрощенная блок-схема блока акустической связи, используемого в системе, приведена на рис. 12.1. При работе в режиме дистанционного управления экспериментатор задает 4-разрядные управляющие слова с помощью автономной панели управления. Плата просмотра данных, которая входит в состав передающей части, считывает данные с панели управления и преобразует высокий и низкий логические уровни в стандартные ЧМ-посылки: логический 0-1070 Гц и логическая 1-1270 Гц.

Рис. 12.1. Упрощенная блок схема линии акустической связи

Если вы хотите, например, чтобы Бастер быстро двигался вперед (FFAS), поднимите все тумблеры вверх, задавая стандартный код 1111, соответствующий этой команде. По мере того как плата просмотра считывает эти логические уровни, генератор звуковой частоты выдает последовательность из 4 звуковых сигналов частотой 1270 Гц. Задание команды медленного движения назад (RSLO), которой соответствует код 0001, приводит к появлению на выходе генератора 3 сигналов частотой 1070 Гц, за которыми следует один сигнал 1270 Гц.

На самом деле панель дистанционного управления, которая используется с системой Бастер II, имеет 7 входных тумблеров: 4 для задания управляющих слов и 3 для подачи специальных команд типа блокировки голода и имитации голода. Плата просмотра анализирует все тумблеры поочередно, после чего пропускает импульс, который в противном случае соответствовал бы восьмому разряду (рис. 12.2). Пропущенный импульс используется для синхронизации работы блока просмотра данных в приемной части системы акустической связи, в котором использован сдвиговый регистр.

Рис. 12.2. Полный цикл просмотра входных тумблеров

С выхода генератора звуковой частоты сигнал поступает на вход звукового усилителя, который усиливает звуковые ЧМ-сигналы, перед тем как они поступят на небольшой динамик.

Приемная часть акустической линии связи расположена на шасси Бастера. Небольшой микрофон принимает звуковые сигналы передатчика, после чего они усиливаются звуковым усилителем - он определяет чувствительность приемной части. Демодулятор превращает входные ЧМ-сигналы в их исходные логические уровни 0 и 1. Эта плата выдает также тактовые сигналы и сигнал синхронизации, которые содержатся в ЧМ-сигнале.

Окончательная дешифрация входной информации происходит на выходной плате линии связи. Выходами этой платы являются стандартные 4-разрядные управляющие слова, 3-разрядное слово команды и управляющий сигнал. 4-разрядные управляющие слова поступают на вход селектора команд, который имеет приоритет 5, а управляющий сигнал используется для того, чтобы передать управляющие слова на вход дешифратора команд. 3-разрядное слово команды, которое главным образом используется для проверки и блокировки различных действий, поступает на входы А платы управления селектором команд.

Режим дистанционного управления начинается в тот момент, когда приемная часть получает первые посылки от передатчика; и система автоматически выходит из этого режима, если данные не поступали более 5 с. В тот момент, когда обнаруживается потеря данных, Бастер автоматически переходит в состояние 0000 (RSTO) и находится в нем в течение 5 с. Если за это время данные не поступили, Бастер переходит к исполнению следующего действия с более низким приоритетом.

Информацию от динамика к микрофону можно передавать прямо по воздуху. Для обеспечения достаточной степени надежности связи в пределах комнаты средних размеров достаточно любого интегрального усилителя низкой частоты, способного выдать мощность 2,5- 3,5 Вт.

Звуковые ЧМ-сигналы могут сначала показаться интересным новшеством, однако все, что создает шум, начинает в конце концов раздражать. Можно заставить замолчать линию связи, одновременно расширив ее рабочий диапазон, если использовать пару приемников-передатчиков для передачи тех же сигналов по радио. Разумеется, необходимо ограничить выходную мощность передатчиков, чтобы избежать взаимных помех при работе поблизости других систем.

Передающая часть линии акустической связи

Передающая часть является независимым устройством. Как показано на рис. 12.3, она состоит из панели управления, источника питания, усилителя низкой частоты, платы просмотра и генератора частот.

Рис. 12.3. Схема соединений передающей части

Источник питания и звуковой усилитель

Питание для передающей части можно взять от стандартной электросети, воспользовавшись подходящим источником питания, который может выдавать +12 В при токе 2 А. Для портативного варианта передающей части можно воспользоваться 12-вольтовой батареей от ручного фонарика. В любом случае источник питания должен также содержать регулятор напряжения LM309, который выдает +5 В для питания логических микросхем. На рис. 12.4 приведены оба варианта источника питания.

Рис. 12.4. Возможные схемы питания передатчика. а - от сети 115 В; б - от батареи 12 В. S8 - тумблер 120/240 В, 10 A; PL1 - индикаторная лампа на 115 В переменного тока; П - трансформатор на 12,6 В, 2 А; BR1 - двухполупериодный выпрямитель 200 В, 6 А; VR1 - регулятор напряжения на +5 В, LM 309К; В1 - аккумулятор от фонарика на 12 В; СИД1 - светодиод (не обязательно)

Небольшие радиодетали, которые используются в источнике питания, а также звуковой усилитель можно разместить на одной печатной плате. Не показанная здесь схема звукового усилителя аналогична той, которая была использована на плате подачи аварийных сигналов в гл. И. Ручка регулировки уровня устанавливается на панели управления передающей части.

Динамик можно установить на том же алюминиевом корпусе, в котором размещаются источник питания и другие печатные платы; можно также установить его в любом месте и соединить с усилителем посредством стандартного кабеля с разъемом.

Панель управления

На панели управления передающей частью размещаются 7 тумблеров для задания управляющих слов и специальных команд, тумблер включения питания, потенциометр регулировки уровня звука; здесь можно также установить индикаторную лампочку. На рис. 12.5 приведены расположение тумблеров на панели управления и ее электрическая схема.

Рис. 12.5. Панель управления передатчика. а - схема соединения тумблеров; б - расположение деталей. S1-S7 - тумблеры с одной парой контактов

Четыре тумблера, с помощью которых задается управляющее слово, обозначены на передней панели как D1-D8. Они подсоединены таким образом, что, когда они находятся в нижнем или нулевом положении, в схему идет нулевой уровень. Эти тумблеры играют ту же роль, что и четыре тумблера на панелях управления, которые рассматривались в гл. 6 и 7.

Три тумблера, задающие команду, выполняют 7 из 10 функций, которые можно задать с помощью ключей, расположенных на местной панели ручного управления. Основное различие между двумя наборами тумблеров заключается в том, что на панели дистанционного управления команда задается посредством комбинации ключей, а не с помощью отдельных ключей. Например, при включении на местной панели ручного управления тумблера "имитация голода" Бастер переходит в режим "голод" независимо от состояния аккумуляторов. Этот же режим можно установить с панели дистанционного управления, задав с помощью ключей команду 001. В табл. 12.1 собраны другие команды, которые можно задавать Бастеру с помощью этих трех тумблеров.

Таблица 12.1. Таблица кодов команд, передаваемых по линии связи

К сожалению, на текущем этапе программы с помощью тумблеров команды нельзя задать Бастеру много различных действий. Тем не менее на этапе Бастер III они приобретут большее значение, когда будут конкретизированы действия S.

Важно заметить, что передаваемые с помощью акустической связи командные слова не оказывают влияния на Бастер, если переключатель "местный/дистанционный" на местной панели ручного управления находится в положении "местный". Другими словами, Бастер будет реагировать на команду "имитация голода" (001), поданную с панели дистанционного управления лишь в том случае, если переключатель "местный/дистанционный" находится в положении "дистанционный".

Плата просмотра данных

Плата просмотра данных опрашивает состояние каждого из семи тумблеров панели дистанционного управления. Тумблеры опрашиваются по одному, каждый в течение 10 мс (см. рис. 12.2).

Как видно из рис. 12.6, схема состоит из таймера 555, включенного по схеме генератора, трех триггеров, составляющих двоичный счетчик, и двоично-десятичного дешифратора 7442.

Рис. 12.6. Схема платы просмотра данных. НО - таймер 555, ПС2, 3 - сдвоенный J-К - триггер 7473, ИС4 - десятичный дешифратор 7442, ИС5, 6 - 6-НЕ 7404

Генератор 555 генерирует симметричные прямоугольные колебания, частота которых настраивается на 50 Гц с помощью подстроечного потенциометра 10 кОм. По заднему фронту этого сигнала запускаются триггеры, в результате чего они выдают двоичный код, изменяющийся от 0 до 7. Этот код поступает на входы дешифратора, который преобразует последовательность кодов в последовательность управляющих напряжений, соответствующих обычной последовательности 0, 1, 2, 3, 4, и т. д.

Коротко говоря, плата просмотра данных работает подобно распределителю импульсов, выдавая 20-миллисекундные импульсы поочередно на каждую из восьми выходных шин (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Временные диаграммы сигналов передатчиков

После завершения монтажа платы подайте на нее питание +5 В и установите частоту генератора, равную 50 Гц, с помощью потенциометра 10 кОм. По-видимому, удобнее всего это сделать, подсоединив осциллограф к выводу 3 микросхемы 555 (или к выходному сигналу CLK), после чего необходимо добиться того, чтобы период импульсов составлял 20 мс. Если окажется, что колебания несколько асимметричны, установите длительность нижней части (0 В), равной точно 10 мс, оставив верхнюю часть импульса такой длины, какой она получится.

Проверить работу триггеров и дешифратора несколько более сложно. Если в вашем распоряжении имеется осциллограф с надежным внешним запуском, подайте на вход внешнего запуска выход G₀. Если запускать развертку по переднему фронту этого сигнала, то на экране этот же сигнал должен появляться в самом начале. Сигнал G₁ должен появляться со сдвигом вправо на 20 мс, G₂ - со сдвигом на 40 мс и т. д.

Генератор звуковой частоты

Плата генератора звука считывает состояние тумблеров панели дистанционного управления, используя выходные сигналы платы просмотра. Схема платы приведена на рис. 12.8. Тумблеры опрашиваются по одному, начиная с D1, затем D2 и так далее до D7. Любой тумблер, установленный в 1, дает высокий уровень на выводе 4-6, аналогично установленный в нижнее положение тумблер дает на этом выводе низкий уровень.

Важно отметить, что сигнал G₀ не связан с каким-либо тумблером. Его отсутствие бросается в глаза при наблюдении последовательности импульсов на выводе 4-6. Пропущенный импульс используется для синхронизации схемы просмотра в приемной части акустической линии связи.

Напряжение на выводе 4-6 на плате генератора звука в любой момент равно либо 0 В (логический 0), либо около +5 В (логическая 1) в зависимости от состояния опрашиваемого тумблера. Через конденсатор С1 этот сигнал поступает на вход звукового генератора 566. Эта микросхема работает в режиме генератора, управляемого напряжением, который выдает 1070 Гц при логическом 0 на входе и 1270 Гц при им-пульсе +5 В. Выходной сигнал, снимаемый с вывода 5-3, приведен на рис. 12.7.

Этот выходной сигнал необходимо разбить на пачки импульсов, чтобы передать принимающей части информацию о начале и конце опроса каждого тумблера. Такая модуляция легко осуществляется путем логического умножения выходного сигнала звукового генератора 566 на сигнал CLK, поступающий с платы просмотра данных. Обратите внимание на то, что на входе платы сигнал CLK логически складывается с сигналом G₀. Это необходимо для того, чтобы заблокировать выходной сигнал генератора на время, соответствующее пропущенному импульсу. Выходной сигнал платы А₀ приведен на рис. 12.7.

Лучше всего проверять и настраивать плату генератора звука после того, как будет изготовлена и отложена принимающая часть.

Рис. 12.8. Схема генератора звука ИС1, 2-4-2И-НЕ 7400 (Radio Shack 276-1801), ИС3 - 2-4И-НЕ 7420 (Radio Shack 276-1809), ИС4 - 4-2 ИЛИ-НЕ 7402 (Radio Snack 276-1811), ИС5 - генератор низкой частоты 566 (Radio Snack 276-11724), Q1 - 2N697 или эквивалентный

Приемная часть линии акустической связи

Приемная часть размещается на корпусе Бастера в основной стойке печатных плат; как видно из рис. 12.9, приемный блок состоит из платы дешифрации импульсных ЧМ-сигналов и выходной платы. На первую плату сигнал поступает с небольшого пьезокристаллического микрофона.

Рис. 12.9. Схема соединений принимающей части

Плата дешифрации

Поступающий с микрофона информационный сигнал сначала усиливается однокаскадным транзисторным усилителем (Q3 и связанные с ним компоненты). Сигнал с усилителя через разделительный конденсатор С1 поступает на входы двух дешифраторов частот LM567 (рис. 12.10).

Такие дешифраторы частот, зачастую используемые в системах телефонной связи, работают в качестве активных узкополосных фильтров. Один из них настроен на частоту логической 1, равную 1270 Гц, а другой - на частоту 1070 Гц, соответствующую логическому 0. Нормально на выходе дешифраторов высокий потенциал, который падает до 0, когда на вход поступает сигнал соответствующей частоты. Коротко говоря, дешифратор на 1270 Гц выдает низкий уровень, когда входной сигнал соответствует логической 1, а при входном сигнале, соответствующем логическому 0, низкий уровень появляется на выходе дешифратора 1070 Гц.

Выходы двух дешифраторов складываются вместе; результат сложения на выводе 3-3 представляет собой последовательность импульсов CLK, напоминающую модулирующий сигнал на выводе 2-13 платы генератора звука. Сравните сигналы на рис. 12.7 и 12.11. Пропущенный импульс, разумеется, отсутствует на плате дешифратора.

Инвертированный сигнал CLK подается на запускающий вход таймера 556. Микросхема 556 представляет собой два таймера 555 в одном корпусе: в нашем случае они оба включены по схеме ждущего мультивибратора с возможностью повторного запуска (детекторы пропущенного импульса).

Длительность временного интервала таймера, который запускается импульсами CLK, установлена равной 30 мс. Пока акустические сигналы поступают каждые 20 мс, на выходе таймера постоянно находится высокий уровень. Когда же один импульс в последовательности пропускается, временной интервал таймера, равный 30 мс, истекает и таймер сбрасывается, давая импульс на выходе (см. сигнал SYNC на рис. 12.11). Таким образом, таймер выдает импульс всякий раз, когда в последовательности импульсов на входе один из импульсов пропускается, и получающийся импульс используется для синхронизации приема данных на выходной плате.

Рис 12.11. Временные диаграммы сигналов приемной части

Кроме детектирования пропущенного импульса, этот установленный на 30 мс таймер выдает импульс через 30 мс после того, как по какой-либо причине будет нарушена акустическая связь. Этот момент важен для понимания работы второго таймера, который служит детектором потери связи (рис. 12.10).

Рис. 12.10. Схема платы дешифрации. ИС1, 2 - дешифратор частоты LM567, ИС3 - 4-2И-НЕ 7400, ИС4 - сдвоенный таймер 556; Q 1, 2 - 2N404, Q3 - 2N697

Схема включения второго таймера аналогична только что описанной, но временной интервал задан равным не 30 мс, а 5 с. Детектор потери связи запускается выходным импульсом SYNC от 30-миллисекундного таймера, и пока эти импульсы следуют с нормальным периодом 160 мс, на выходе второго таймера A_f сохраняется высокий уровень. Если же информационные импульсы, а следовательно, и импульс SYNC не придут в течение 5 с, на выходе детектора потери связи появится низкий уровень.

Выходной сигнал платы дешифрации A_f используется в качестве основного управляющего сигнала режима дистанционного управления. Именно этот сигнал подается в схему управления селектором команд, чтобы на вход дешифратора команд движения и поворота поступали команды от дистанционной панели управления. Пока приемная часть воспринимает звуковые сигналы, генерируются импульсы SYNC и сигнал A_f поддерживается во включенном состоянии, удерживая систему в режиме дистанционного управления.

Выходные сигналы D_H1 и D_H2 совершенно идентичны, уровни логической 1 на этих шинах соответствуют единичному состоянию на входе.

Всю схему дешифрации можно собрать на одной печатной плате размером 100 X 150 мм.

Дешифраторы частоты легко настроить, подав на вход A_i сигнал амплитудой 500 мВ и меняя частоту сигнала между 1270 и 1070 Гц. Соедините вольтметр с одним из выходов DH и подайте на А_i звуковой сигнал частотой 1270 Гц. Регулируйте R8 до тех пор, пока вольтметр не покажет +5 В, затем покрутите потенциометр в обе стороны, чтобы заметить диапазон. Окончательно следует установить переменный резистор в среднее положение между двумя крайними, в которых выход DH падает в 0.

Аналогично настройте дешифратор частоты 1070 Гц, подав входной сигнал этой частоты и регулируя R9. В этом случае выходной сигнал дешифратора можно снимать на выходе CLK.

При правильно настроенных дешифраторах частот уровень выходного сигнала на выходах D_H должен быть около +5 В при частоте на входе в пределах 1270 ± 100 Гц и падать до 0 на любой другой. На выходе CLK должен быть уровень порядка +5 В при частоте входного сигнала 1270 или 1070 ± 100 Гц и 0 на любой другой частоте.

Теперь можно настроить акустический передатчик, используя плату дешифрации в качестве индикатора настройки. Включите передающую часть и установите все тумблеры в положение 0. Подключите осциллограф к выходу CLK и поверните потенциометр R1 на плате генератора звука до предела против часовой стрелки. Теперь регулируйте R5 до тех пор, пока на экране осциллографа не появятся импульсы. В этих условиях появление на экране импульсов CLK означает, что передатчик правильно настроен на передачу логического 0 посредством 1070 Гц.

Для настройки передатчика на 1270 Гц установите все тумблеры дистанционной панели управления в верхнее положение и поворачивайте R1 на плате генератора звука, наблюдая импульсы CLK на плате дешифрации. Поворачивайте R1 до тех пор, пока на экране не появится вся последовательность из семи импульсов.

Любая комбинация тумблеров на панели передающей части должна вызывать соответствующую последовательность импульсов на любом из выходов DH платы дешифрации.

Желательно проверить работу таймеров платы дешифрации, подавая на приемный блок информацию с передающего. Независимо от положения ключей на панели передатчика на выходе SYNC должны быть идущие в 0 10-миллисекундные импульсы, следующие с частотой около 6,2 Гц. При выключении передатчика сигнал на выходе SYNC должен упасть до 0.

Аналогично сигнал на выходе A_f должен быть порядка +5 В, пока сигналы передатчика поступают на приемную часть, и падать до 0 при выключении передатчика (с задержкой 5 с).

Что касается приема информации, первый синхронизирующий импульс появляется в течение 160 мс после включения передатчика. В момент появления первого импульса синхронизации на выходе Af появляется сигнал +5 В.

Выходная плата данных

На этой плате по существу восстанавливается положение тумблеров на панели передатчика. Как видно на рис. 12.12, импульсы CLK и D_H одновременно поступают на тактовый и информационный входы регистра сдвига и параллельной выдачи. При правильной синхронизации по тактовому сигналу первый бит записывается в регистр и появляется на выводе 1-3. Второй тактовый сигнал сдвигает первый бит на вывод 1-4 и записывает второй бит. Таким образом принимаемое информационное слово сдвигается в направлении вывода 1-12. После приема седьмого бита комбинация состояний разрядов, начиная с вывода 1-12 и кончая выводом 1-3, должна быть такой же, как и на панели управления передатчика.

Так как во время, соответствующее восьмому разряду, импульс CLK отсутствует, выходы сдвигового регистра не изменяются в течение времени пропущенного импульса. Однако выдача импульса синхронизации на плате дешифрации влечет за собой два события. Во-первых, таймер 555, который размещен на выходной плате, генерирует импульс длительностью 5 мс. Во-вторых, вслед за этим на вывод регистра сдвига поступает положительный импульс, сбрасывающий содержимое регистра в 0.

Во время 5-миллисекундного импульса, генерируемого таймером, непосредственно перед тем, как регистр сдвига будет сброшен, его выходные сигналы считываются в два 4-разрядных регистра-защелки. Когда вслед за этим регистр сбрасывается, запомненное слово остается на выходах выходной платы данных.

Если во время следующего цикла просмотра в состоянии тумблеров произойдет какое-либо изменение, оно появится на выходах регистров хранения.

При потере связи импульс синхронизации, появляющийся на 30 мс позднее, по-прежнему запустит двухтактное действие запоминания и сброса. Однако ввиду того что данные в сдвиговый регистр не записывались, на всех выходах будет нулевой сигнал, благодаря чему Бастер остановится.

После сборки выходной платы соедините ее с платой дешифратора, как показано на рис. 12.9. Передавая данные с помощью передатчика, наблюдайте сигнал таймера 555 на выводе 2-3 (выходная плата). С помощью переменного резистора 50 кОм добейтесь, чтобы длительность положительного импульса составляла 5 мс. Начало этого импульса должно совпадать с падающим фронтом SYNC (рис. 12.11).

Импульс сброса на выводе регистра сдвига 1-9 должен появляться по заднему фронту импульса таймера и исчезать вместе с сигналом SYNC.

Выходы 4-разрядных регистров хранения должны всегда совпадать с состояниями соответствующих тумблеров на панели передатчика. В данном случае выход A_D0 должен быть всегда равным 0. При желании вы можете использовать его совместно с резервным выходом D_H для создания схемы с контролем по четности. Систему можно еще более усовершенствовать, так чтобы она посылала принятые слова обратно. Этим достигается возможность обнаружения ошибок передачи, а система начинает напоминать коммерческие системы телефонной связи с ЦВМ.

Закончив принимающую часть, соедините ее со схемами селектора команд, как показано на блок-схеме, приведенной на рис. 12.9.

Рис. 12.12. Схема выходной платы приемной части. ИС1 - 8-разрядный сдвиговый регистр 74164, ИС2 - таймер 555, ИС3 - 4-2И-НЕ 7400, ИС4, 5 - 4-разрядный регистр-защелка 7475