СПОСОБ НАЗНАЧЕНИЯ АДРЕСА ВЕДОМОГО УСТРОЙСТВА В ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ С СОВМЕЩЕННОЙ ЛИНИЕЙ ПИТАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Российский патент 2010 года по МПК H04B3/54 G06F13/38 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах ввода/вывода информации в электронных системах автоматизированного контроля, защиты и управления различного назначения, в частности для сбора данных с различных датчиков.

Известен способ передачи информации в системе безопасности грузоподъемного крана с использованием CAN (Controller Area Networks) интерфейса [1, 2]. CAN узлы представляют собой модули с программно заданными идентификаторами (адресами). Физически кабели-шины CAN представляет цепи питания и двухпроводную линию обмена данными (линии К и L).

Применение двухпроводной линии обмена информацией между отдельными CAN узлами, а также отдельных проводов питания в дополнение к ним, приводит к увеличению числа проводных линий связи, что снижает надежность системы и усложняет ее монтаж на машине. Наличие различных идентификаторов CAN узлов исключает их взаимозаменяемость без проведения дополнительных операций перепрограммирования.

Известен также способ обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемного крана, в которой передача информации осуществляется по однопроводной мультиплексной линии связи. Каждый модуль имеет свой адрес на этой линии, а напряжение питания передается по отдельным проводам [3].

Реализация этого способа позволяет сократить число линий связи до 3 проводов, что снижает, но не устраняет указанные недостатки систем с CAN интерфейсом.

Более совершенными являются системы контроля, защиты и управления с двухпроводными линиями связи, в которых питание отдельных модулей системы и передача информации между ними осуществляются по двухпроводной линии связи (по одной паре проводов) [4, 5].

В известном способе обмена информацией между составными частями (контроллерами) системы безопасности грузоподъемного крана каждому контроллеру назначается свой адрес, записанный в памяти микроконтроллера, на котором он реализован. Ведущий контроллер (ведущее устройство) формирует запрос по совмещенной линии питания и передачи данных. На этот запрос ведомое устройство (периферийный контроллер), адрес которого совпадает с адресом в запросе, формирует ответный сигнал. Разделение передачи напряжения питания и сигнала в мультиплексной линии связи осуществляется, в частности, по времени [4].

В сетях MicroLAN с совмещенной линией питания и передачи данных используются самотактируемые устройства. Обработка временных интервалов основана на измерении и генерировании цифровых импульсов различной длительности. В системе используется одно ведущее и множество ведомых устройств. Назначение идентификационных номеров ведомых устройств осуществляется путем записи в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микросхем, на которых реализована сеть MicroLAN, уникального для каждой микросхемы регистрационного номера, который используется в качестве идентификатора устройства (узла) [5].

Недостатком известных способов назначения адресов ведомых устройств является отсутствие идентичности и взаимозаменяемости этих устройств. Это снижает технологичность их изготовления и усложняет ремонт и техническое обслуживание систем, в которых они используются. Например, если ведомые устройства представляют собой датчики с идентичными характеристиками, то для замены какого-либо датчика в сети необходимо провести перепрограммирование адреса замененного датчика либо ведущего устройства. Это увеличивает трудоемкость и продолжительность ремонта системы.

Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, являются:

- обеспечение взаимозаменяемости ведомых устройств одного назначения с идентичными техническими характеристиками, используемых в качестве различных узлов сети;

- сокращение времени ремонта системы за счет исключения необходимости установки адреса заменяемого ведомого устройства;

- повышение отказоустойчивости системы за счет обеспечения возможности замены отказавшего ведомого устройства ответственного назначения на идентичное ему ведомое устройство, реализующее функцию, менее значимую для системы;

- повышение технологичности изготовления ведомых устройств за счет обеспечения идентичности их схемного и программного исполнения;

- сокращение количества (номенклатуры) различных устройств в системе с ведомыми устройствами одного назначения.

В предложенном способе назначения адреса ведомого устройства в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных, в которой подключенные к этой линии ведомые устройства в ответ на запрос ведущего устройства формируют ответные сигналы, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, одним параметром, указанные технические результаты достигаются тем, что ведомые устройства одного назначения с идентичными или эквивалентными техническими характеристиками выполняют конструктивно и программно идентичными. Каждое из них оснащают электрическим разъемом с числом контактов, превышающим число проводов в линии, и выполняют с возможностью изменения параметра ответного сигнала в зависимости от того, к каким контактам разъема подключены провода этой линии.

Кроме того, для достижения этих технических результатов, в частности:

- ведомые устройства выполняют с возможностью контроля (наличия) или измерения (величины) напряжений на контактах их электрических разъемов или токов, протекающих по этим контактам, и последующего изменения параметров ответных сигналов ведомых устройств в зависимости от наличия и/или величин этих напряжений или токов;

- запрос ведущего устройства формируют путем кратковременного отключения напряжения или тока, подаваемого на совмещенную линию питания и передачи данных, а ответный сигнал ведомого устройства формируют путем изменения тока, потребляемого этим устройством от этой линии;

- в качестве одного или нескольких параметров ответного сигнала ведомого устройства принимают изменение времени его запаздывания относительно сигнала запроса ведущего устройства, частоты, амплитуды и/или длительности импульса ответного сигнала.

Ведомое устройство выполнено, в частности, в виде датчика и оснащено первичным преобразователем физической величины в электрический сигнал, который используется для формирования ответного сигнала. Это устройство может быть выполнено на аналоговых и логических схемах, либо на основе микроконтроллера, с использованием которого выявляют наличие напряжения на контактах разъема, подключенных к проводам совмещенной линии питания и передачи данных, или протекающего по ним тока и формируют ответный сигнал.

Для достижения указанных технических результатов в предложенном способе может дополнительно осуществляться передача информации от ведущего устройства, по меньшей мере, в одно ведомое устройство, в частности, путем изменения, по меньшей мере, одного параметра сигнала запроса, например его длительности, либо путем формирования сигнала запроса в виде цифровой последовательности импульсов. Эта информация может быть использована для включения/отключения ответного сигнала ведомых устройств и/или для изменения параметров их ответных сигналов.

Реализация указанных отличительных признаков позволяет назначить адреса ведомых устройств в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных путем различного подключения этих устройств к линии без применения специальных аппаратных и программных средств назначения адресов в самих устройствах. Это обеспечивает взаимозаменяемость ведомых устройств одного назначения, сокращение времени ремонта системы за счет исключения необходимости установки адреса заменяемого устройства, повышение отказоустойчивости и технологичности изготовления ведомых устройств, а также сокращение их номенклатуры. Поэтому эти отличительные признаки находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемыми техническими результатами.

На фиг.1 представлена упрощенная функциональная схема системы, на фиг.2 - пример аппаратной схемной реализации ведомого устройства, а на фиг.3 - временная диаграмма, поясняющая его работу.

Система содержит одно ведущее 1 и N ведомых устройств (2.1, 2.2…2.N), объединенных совмещенной линией питания и передачи данных 3, преимущественно двухпроводной (фиг.1).

Ведомые устройства 2 одного назначения с одинаковыми техническими характеристиками выполняют идентичными. Каждое из них оснащают электрическим разъемом с контактами, число которых превышает число проводов в линии 3. В приведенном примере разъемы имеют по три контакта А, В и С при двухпроводной линии (фиг.1, фиг.2).

Каждое из ведомых устройств 2.1, 2.2…2.N подключают к линии 3 различным способом, не внося при этом в него каких-либо изменений. Его конструкцию, принципиальную схему и программное обеспечение сохраняют неизменными. Переключения каких-либо цепей ведомых устройств 2 или их перепрограммирования не осуществляют.

В примере реализации системы, показанной на фиг.1, подачу напряжения питания +Uп на линию 3 осуществляют с помощью управляющего микроконтроллера 4 и ключа 5, а контроль тока в линии 3 - c помощью резистора 6, подключенного к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или компаратора микроконтроллера 4.

Каждый из контактов А, В и С разъема ведомого устройства 2.1, 2.2...2.N может быть подключен к плюсовому проводу линии 3, к ее минусовому проводу или оставлен свободным. Поскольку линия 3 используется не только для передачи по ней информационных сигналов, но и для подачи питания на ведомые устройства, по меньшей мере, один из контактов А, В или С разъема каждого ведомого устройства 2.1, 2.2…2.N должен быть подключен к плюсовому проводу линии 3, а, по меньшей мере, один другой контакт А, В или С - к минусовому проводу линии 3. Оставшийся контакт А, В или С может быть подключен к плюсовому проводу линии 3, к ее минусовому проводу или оставлен свободным.

Соответственно, при двухпроводной линии 3 и трехконтактом разъеме (А, В и С) существуют 12 различных вариантов подключения ведомых устройств 2 к линии 3, т.е. изменением соединительного жгута можно обеспечить задание до 12 адресов ведомых устройств 2.1, 2.2…2.N (Nмах=12).

Если ведомое устройство не позволяет выявить свободное (не подключенное) состояние контактов А, Б и С, то при двухпроводной линии 3 количество различных назначаемых адресов уменьшается до 6 (Nмах=6).

Пример реализации такого ведомого устройства приведен на фиг.2.

Оно содержит выпрямитель 7, обеспечивающий подачу напряжения нужной полярности на стабилизатор напряжения 8 при подключении двух проводов линии 3 к любым контактам А, В и С разъема этого устройства, и два таймера (одновибратора) 9 и 10, выполненные, например, на микросхеме CD4098 с времязадающими RC цепочками 11 и 12.

Составной резистор времязадающей цепочки 11 выполнен в виде последовательно соединенных резисторов R/2R/4R, замыкаемых ключами 13, напряжение управления которых поступает с диодов 14. Напряжения на них используются также схемой формирования сигнала запуска 15 таймера 9.

Таймеры 9 и 10 соединены последовательно. К выходу второго таймера 10 через ключ 16 подключен формирователь ответного сигнала 17 ведомого устройства, например чувствительный элемент датчика.

Ведомое устройство содержит также конденсаторы 18 и 19, установленные на входе и выходе стабилизатора напряжения 8, подтягивающие резисторы 20 на входах ключей 13, ограничитель напряжения на входе стабилизатора напряжения 8 и другие компоненты, условно не показанные на фиг.2.

Схема запуска 15 может содержать, в частности, резистор 21 и RC цепочку 22, 23, обеспечивающую фильтрацию импульсных помех в линии 3.

Функции, выполняемые таймерами 9, 10 с времязадающими RC цепями 11, 12, ключами 13 с подтягивающими резисторами 20 и схемой запуска 15, могут быть реализованы на микроконтроллере.

В схеме, приведенной на фиг.2, осуществляется контроль токов, протекающих по контактам разъема A, В, С и, соответственно, по диодам 14. Возможен также контроль не токов, а напряжений на контактах разъема А, Б и С. В этом случае эти контакты соединяются со схемой запуска 15 и ключами 13 (или со входами АЦП микроконтроллера) через делители напряжения.

При необходимости задания количества адресов ведомых устройств N>12 увеличивается количество контактов разъема (до 4-х, 5-ти и т.д.) с соответствующим увеличением количества диодных цепочек выпрямителя 7, диодов 14, входов цепи запуска 15, ключей 13 с резисторами 20. К коммутируемым резисторам R/2R/4R добавляются резисторы 8R, 16R и т.д. Общий принцип построения ведомого устройства при этом сохраняется.

Поясним сущность предложенного способа назначения адресов ведомых устройств на примере работы электронной системы с совмещенной линией передачи данных и питания ведомых устройств.

Первоначально ключ 5 под управлением микроконтроллера 4 ведущего устройства 1 подает напряжение +Uп на линию 3. В результате этого напряжение питания +Uп подается на все ведомые устройства 2 (фиг.1). Входящие в их состав ключи 16 находятся в разомкнутом состоянии (фиг.2) и по датчику тока - резистору 6 (фиг.1) протекает небольшой по величине суммарный ток потребления всех ведомых устройств 2. При этом в каждом ведомом устройстве стабилизатор 8 обеспечивает необходимое напряжение питания таймеров 9, 10 и других функциональных узлов ведомого устройства.

В момент времени t0 микроконтроллер 4 ведущего устройства 1 кратковременно формирует сигнал отключения ключа 5 (фиг.1, фиг.3). В результате этого на линии 3 и, соответственно, на всех входах ведомых устройств 2 появляется кратковременный провал напряжения (фиг.3), который интерпретируется ведомыми устройствами как сигнал запроса ведущего устройства 1 на получение информации от ведомых устройств 2.

Ввиду кратковременности отключения ключа 5 (фиг.1) напряжение на конденсаторах 18 ведомых устройств 2 сохраняет величину, достаточную для нормальной работы стабилизаторов 8 (фиг.2).

В это время диоды 14 запираются и на вход таймера 9 через резистор 21, входящий в цепь запуска 15, подается напряжение питания +U, осуществляя запуск этого таймера.

После восстановления напряжения на линии, те из диодов 14, которые через диоды 7 связаны с контактами A, В, С разъема, к которым подключен минусовой провод линии, открываются за счет протекания по ним тока потребления данного ведомого устройства 2.1, 2.2…2.N, и напряжение на них становится близким к нулю. На остальных диодах, благодаря наличию резисторов 20, сохраняется высокий уровень потенциала.

В результате, на входах ключей 13 формируется двоичный код, который используется в качестве адреса данного ведомого устройства. В соответствии с данным кодом коммутируются резисторы R/2R/4R времязадающей цепи 11 таймера 9. Соответственно, момент времени t1 (фиг.3) изменяется в зависимости от того, каким образом два провода линии подключены к трем контактам A, В и C разъема ведомого устройства.

В момент времени t1 запускается второй таймер 10, имеющий фиксированную длительность выходного сигнала. В интервале времени t1-t2 (фиг.3) второй таймер 10 включает формирователь ответного сигнала 17, например индукционный концевой выключатель, тензометрический мост со схемой усиления сигнала и т.д.

Формирователь ответного сигнала 17 изменяет свой ток потребления, осуществляя модуляцию тока в линии 3. Например, при использовании в качестве формирователя 17 концевого выключателя его собственный ток потребления может составлять, например, 1 мА в разомкнутом состоянии концевика (фиг.3, лог.0) и 10 мА в замкнутом состоянии (фиг.3, лог.1).

Вид и параметры ответного сигнала определяются требованиями к передаче сигнала по линии 3 (дискретный или аналоговый сигнал, точность к передаче аналогового сигнала и т.д.). Поэтому кроме описанного способа формирования ответного сигнала в интервале времени t1-t2 ведомое устройство может формировать кодовую посылку, частотный, а также широтно-импульсный сигнал, что не имеет принципиального значения.

В итоге на резисторе (датчике тока) 6 ведущего устройства 1 от суммарного тока в линии 3 (фиг.3, I) формируется напряжение, величина которого в различные интервалы времени t1-t2 соответствует выходному сигналу каждого из ведомых устройств. Т.е. выходные сигналы различных ведомых устройств 2.1, 2.2…2.N формируются в различные интервалы времени в зависимости от неповторяющихся адресов этих ведомых устройств, заданных различным подключением проводов линии 3 к контактам их разъемов.

При реализации ведомых устройств на микроконтроллерах может использоваться не временное, а частотное разделение ответных сигналов. Способ назначения их адресов остается прежним.

При необходимости управления работой ведомых устройств или для изменения параметров их ответных сигналов, например для их выборочного отключения, переключения в энергосберегающий режим, масштабирования измеряемой величины и т.п., может использоваться передача сигнала управления от ведущего устройства 1 к ведомым 2. Для этого осуществляется изменение параметра сигнала запроса, например его длительности, или используется формирование сигнала запроса в виде цифровой последовательности импульсов. В этом случае предпочтительна реализация ведомых устройств на микроконтроллерах, реализующих эти функции программным способом с использованием известных алгоритмов. Способ задания адреса каждого ведомого устройства 2.1, 2.2…2.N при этом остается прежним.

В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенного способа. Изобретение охватывает другие возможные варианты его исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.

Использование: в области приборостроения. Технический результат заключается в повышение отказоустойчивости и технологичности изготовления ведомых устройств, а также в обеспечении их взаимозаменяемости. Способ заключается в назначении адресов ведомых устройств путем их различного подключения к двухпроводной линии без применения специальных аппаратных и программных средств назначения адресов в самих устройствах. Ведомые устройства выполняют идентичными, а каждое из них оснащают электрическим разъемом с числом контактов, превышающим число проводов в линии, и изменяют параметры ответных сигналов на запрос ведущего устройства в зависимости от того, к каким контактам разъемов подключены провода этой линии. В качестве изменяемого параметра принимают время запаздывания относительно сигнала запроса ведущего устройства, частоту, амплитуду и/или длительность ответного сигнала. Ведомые устройства выполнены, в частности, в виде датчиков с аппаратной реализацией или с реализацией на основе микроконтроллера. Дополнительно может осуществляться передача информации от ведущего устройства к ведомым, в частности, путем изменения какого-либо параметра сигнала запроса, например его длительности, или путем формирования сигнала запроса в виде цифровой последовательности импульсов. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ назначения адреса ведомого устройства в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных, в которой подключенные к этой линии ведомые устройства в ответ на запрос ведущего устройства формируют ответные сигналы, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, одним параметром, отличающийся тем, что каждое из ведомых устройств оснащают электрическим разъемом с числом контактов, превышающим число проводов в линии, и выполняют с возможностью изменения указанного параметра в зависимости от того, к каким контактам разъема подключены провода этой линии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ведомое устройство выполняют с возможностью контроля или измерения напряжений на контактах его электрического разъема и изменения параметра ответного сигнала в зависимости от наличия и/или величин этих напряжений.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ведомое устройство выполняют с возможностью контроля или измерения токов, протекающих по контактам его электрического разъема и изменения параметра ответного сигнала в зависимости от наличия и/или величин этих токов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что запрос ведущего устройства формируют путем кратковременного отключения напряжения или тока, подаваемого на совмещенную линию питания и передачи данных.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ведомое устройство выполнено в виде датчика и оснащено первичным преобразователем физической величины в электрический сигнал, который используется для формирования ответного сигнала.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ответный сигнал ведомого устройства формируют путем изменения тока, потребляемого этим устройством от совмещенной линии питания и передачи данных.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве одного или нескольких параметров ответного сигнала ведомого устройства принимают изменение времени его запаздывания относительно сигнала запроса ведущего устройства, и/или частоты, и/или амплитуды, и/или длительности импульса ответного сигнала.

8. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что ведомое устройство выполнено на основе микроконтроллера, с использованием которого выявляют наличие напряжения на контактах разъема, подключенных к проводам совмещенной линии питания и передачи данных, или протекающего по ним тока и формируют ответный сигнал.

9. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют передачу информации от ведущего устройства, по меньшей мере, в одно ведомое устройство.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанную передачу информации от ведущего устройства осуществляют путем формирования сигнала запроса в виде цифровой последовательности импульсов или путем изменения, по меньшей мере, одного параметра сигнала запроса.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что указанное изменение, по меньшей мере, одного параметра сигнала запроса осуществляют путем изменения его длительности.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что информацию, передаваемую от ведущего устройства, используют для включения/отключения ответного сигнала, по меньшей мере, одного ведомого устройства и/или для изменения параметров этого ответного сигнала.