УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СМЕННЫМИ МОДУЛЯМИ Российский патент 2015 года по МПК G05B19/02 

Изобретение относится к области вычислительной техники и автоматики, в частности к модульной системе управления и контроля, и предназначено для управления подключаемыми сменными модулями.

Известно устройство сопряжения (УС), входящее в состав системы автоматизированного управления (см. Сборник докладов V научно-технической конференции "Молодежь в науке, Саров 2007 г., стр. 629, рис. 2"). Устройство содержит канал управления внешними устройствами, включающий в себя входное устройство, ячейки оперативной памяти - регистры модулей передатчика (ПРД), схему управления состоянием выходов регистров модулей ПРД, формирователь команд управления внешними устройствами, канал приема данных от внешних устройств, включающий в себя входное устройство модуля приемника (ПРМ), схему опроса - мультиплексоры модуля ПРМ, выходное устройство, устройство контроля функциональных узлов УС, формирователь внутренних сигналов управления, первая группа входов которого является группой выходов шины управления персонального компьютера, сторожевой таймер, канал подключения стандартных средств измерений (ССИ), включающий в себя устройство подключения стандартных средств измерений, группа входов-выходов которого является группой входов-выходов стандартных средств измерений.

Недостатками вышеуказанного устройства являются ограничения по числу типов выдаваемых и принимаемых сигналов от объектов управления (ОУ) и скорости формирования команд управления по программе персонального компьютера (ПК) ОУ, обусловленные временем коммутации внешнего источника питания (из состава ОУ) «сухими» контактами реле, либо транзисторными ключами оптопар модулей ПРД и ПРМ.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Решаемой технической задачей является создание устройства управления сменными модулями с расширенными функциональными возможностями.

Достигаемым техническим результатом является возможность подключения модулей других типов, которые имеют исполнительные элементы, формирующие команды управления на ОУ сигналами с более высоким быстродействием как отдельно, так и совместно с ранее используемыми модулями ПРД и ПРМ.

Для достижения технического результата в устройстве управления сменными модулями, содержащем формирователь внутренних сигналов управления, первая группа входов которого является группой выходов шины управления персонального компьютера, сторожевой таймер, канал подключения стандартных средств измерений, включающий в себя устройство подключения стандартных средств измерений, группа входов-выходов которого является группой входов-выходов стандартных средств измерений, канал управления внешними устройствами, включающий в себя схему управления состоянием выходов регистров модулей и входное устройство, группа входов которого является группой выходов шины данных персонального компьютера, группа выходов входного устройства соединена со второй группой входов формирователя внутренних сигналов управления, группами входов устройства подключения стандартных средств измерений и сторожевого таймера и с соответствующей группой входов каждого сменного модуля, канал приема данных от внешних устройств, включающий в себя выходное устройство и устройство контроля функциональных узлов, вторичный источник питания, новым является то, что группа выходов выходного устройства является группой входов шины состояния персонального компьютера, а группа входов соединена с группой выходов устройства контроля функциональных узлов, первая группа входов которого является группой выходов устройства подключения стандартных средств измерений и соответствующей группой выходов каждого сменного модуля, вторая группа входов устройства контроля функциональных узлов соединена с группой выходов формирователя внутренних сигналов управления и с соответствующей группой входов каждого сменного модуля, а третья группа входов - с группой выходов вторичного источника питания, выходы которого являются входами питания устройства управления сменными модулями, первый выход формирователя внутренних сигналов управления соединен с первым входом схемы управления состоянием выходов регистров модулей, второй вход которой соединен с выходом сторожевого таймера, первый вход которого соединен со вторым выходом формирователя внутренних сигналов управления, третий выход которого соединен со вторым входом сторожевого таймера и третьим входом схемы управления состоянием выходов регистров модулей, первый выход которой соединен с первым входом устройства контроля функциональных узлов, второй вход которого соединен с четвертым выходом формирователя внутренних сигналов управления, пятый выход которого соединен с третьим входом устройства контроля функциональных узлов, а шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы формирователя внутренних сигналов управления являются соответствующими входами каждого сменного модуля, при этом второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы схемы управления состоянием выходов регистров являются соответствующими входами сменных модулей, а шестой и десятый выходы и вход формирователя внутренних сигналов управления соединены соответственно с четвертым входом устройства контроля функциональных узлов, выходом и входом устройства подключения стандартных средств измерений.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет подключать модули других типов, которые имеют исполнительные элементы, формирующие команды управления ОУ сигналами с более высоким быстродействием как отдельно, так и совместно с ранее используемыми модулями ПРД и ПРМ.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства.

Устройство управления сменными модулями содержит формирователь внутренних сигналов управления 1, первая группа входов которого является группой выходов шины управления персонального компьютера, сторожевой таймер 2, канал подключения стандартных средств измерений, включающий в себя устройство подключения стандартных средств измерений 3, группа входов-выходов которого является группой входов-выходов стандартных средств измерений, канал управления внешними устройствами, включающий в себя схему управления состоянием выходов регистров модулей 6 и входное устройство 7, группа входов которого является группой выходов шины данных персонального компьютера, группа выходов входного устройства соединена со второй группой входов формирователя внутренних сигналов управления 1, группами входов устройства подключения стандартных средств измерений 3 и сторожевого таймера 2 и с соответствующей группой входов каждого сменного модуля, канал приема данных от внешних устройств, включающее в себя выходное устройство 5 и устройство контроля функциональных узлов 6, вторичный источник питания 8, группа выходов выходного устройства 5 является группой входов шины состояния персонального компьютера, а группа входов соединена с группой выходов устройства контроля функциональных узлов 4, первая группа входов которого является группой выходов устройства подключения стандартных средств измерений 3 и соответствующей группой выходов каждого сменного модуля, вторая группа входов устройства контроля функциональных узлов 4 соединена с группой выходов формирователя внутренних сигналов управления 1 и с соответствующей группой входов каждого сменного модуля, а третья группа входов - с группой выходов вторичного источника питания 8, выходы которого являются входами питания устройства управления сменными модулями, первый выход формирователя внутренних сигналов управления 1 соединен с первым входом схемы управления состоянием выходов регистров модулей 6, второй вход которой соединен с выходом сторожевого таймера 2, первый вход которого соединен со вторым выходом формирователя внутренних сигналов управления 1, третий выход которого соединен со вторым входом сторожевого таймера 2 и третьим входом схемы управления состоянием выходов регистров модулей 6, первый выход которой соединен с первым входом устройства контроля функциональных узлов 4, второй вход которого соединен с четвертым выходом формирователя внутренних сигналов управления 1, пятый выход которого соединен с третьим входом устройства контроля функциональных узлов 4, а шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы формирователя внутренних сигналов управления 1 являются соответствующими входами каждого сменного модуля, при этом второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы схемы управления состоянием выходов регистров модулей 6 являются соответствующими входами сменных модулей, а шестой, десятый выходы и вход формирователя внутренних сигналов управления 1 соединены соответственно с четвертым входом устройства контроля функциональных узлов 4, выходом и входом устройства подключения стандартных средств измерений 3.

Устройство работает следующим образом.

Устройство управления сменными модулями состоит из трех функционально независимых, программно доступных (для ПК) каналов:

- канал управления внешними устройствами;

- канал приема данных от внешних устройств;

- канал подключения стандартных средств измерений.

Устройство управления сменными модулями взаимодействует с ПК по LPT-порту, который имеет четырехразрядную шину управления (ШУ), восьмиразрядную шину данных (ШД), пятиразрядную шину состояний (ШС). Все сигналы взаимодействия с ПК имеют уровень ТТЛ и время передачи (приема) данных ≈ 1,5 мкс, а питание всех функциональных элементов устройства управления сменными модулями и самих подключаемых модулей напряжениями постоянного тока 5 В и 27 В обеспечивает ВИЛ 8.

Программное управление от ПК всеми функциональными элементами каналов устройства управления сменными модулями обеспечивает формирователь внутренних сигналов управления 1 (ФВСУ), который предназначен для формирования по командам с ПК сигналов, обеспечивающих:

- адресный доступ ко всем функциональным элементам устройства управления сменными модулями;

- запись (считывание) информации во все (со всех) программно доступные функциональные элементы устройства управления сменными модулями.

В соответствии с программой ПК сигналы в виде байта данных информации по ШД поступают на входное устройство 7 и далее поступают на выход к подключаемым сменным модулям. Также в соответствии с программой ПК сигналы в виде байта информации по ШД поступают на ФВСУ 1, куда одновременно поступают четыре сигнала управления по ШУ, в результате чего ФВСУ 1 вырабатывает внутренние сигналы управления во все программно доступные функциональные элементы устройства управления сменными модулями.

ФВСУ 1 включает в себя формирователь адреса, входное устройство, дешифратор команд управления, формирователь импульса записи в регистры подключаемых модулей. Формирователь адреса предназначен для обеспечения программного доступа к требуемым функциональным элементам устройства управления сменными модулями и включает в себя:

- регистр адреса (РА), который может быть собран на микросхеме 1533ИР23 и представляет собой восьмиразрядный регистр с асинхронной записью информации;

- дешифратор адреса (ДА), который может быть выполнен на микросхеме 1533ИД3.

Для получения доступа к выбранному функциональному элементу устройства управления сменными модулями необходимо программно записать присвоенный ему адрес в РА сигналами в виде байта данных через ШД.

Дешифратор команд управления предназначен для организации внутренней работы устройства управления сменными модулями и может быть собран на микросхеме 1533ИД3, а также предназначен для расшифровки команд, поступающих от ПК по ШУ, и формирования внутренних (для устройства управления сменными модулями) команд записи (считывания) информации во все (со всех) программно доступные функциональные элементы устройства управления сменными модулями.

Входное устройство предназначено для буферизации и задержки (выравнивания фронтов) ШУ LPT-порта ПК. Входное устройство состоит из триггера-защелки, который может быть выполнен на микросхеме 1533ИЕ7, схемы сравнения, которая может быть выполнена на микросхеме 1533СП1, и элементов RC цепи для задержки (выравнивания фронтов) сигналов ШУ LPT-порта ПК ≈ 150 нс.

Формирователь импульса записи в регистры подключаемых модулей предназначен для формирования импульса записи по сигналам от дешифратора управления (по командам ПК) и по срезу импульса внешнего генератора, подключенного к входу устройства управления сменными модулями. Он включает в себя схему «ИЛИ», одновибратор, который может быть собран на одном из триггеров микросхемы 1533ТМ2, и ячейку памяти (триггер, которым может быть микросхема 1533ТМ2).

Схема «ИЛИ» обеспечивает прохождение импульса записи на регистры подключаемых модулей либо от дешифратора управления, либо от одновибратора.

Выход ячейки памяти подключен к информационному входу одновибратора. Если в ячейку памяти записана информация, равная логическому «0», то одновибратор по срезу импульса, поступающего на вход устройства управления сменными модулями от ССИ, не запускается и импульс записи в регистры подключаемых модулей не формируется. Если же в ячейку памяти записана информация, равная логической «1», то одновибратор по срезу импульса, поступающего на вход устройства управления сменными модулями от ССИ, формирует одиночный импульс записи информации с ШД ПК в регистры подключаемых модулей. Если в этот момент времени процессор ПК обрабатывает свои программные или аппаратные прерывания, то запись информации с ШД ПК в выбранный регистр подключаемых модулей пройдет без его участия, т.е. в заданное ССИ время. Таким образом, исключается влияние задержек в работе ПО на обработку внутренних (аппаратных и программных) прерываний ПК на длительность формируемых команд управления ОУ (ССИ).

Для исключения формирования устройством управления сменными модулями нерегламентированных (непредусмотренных алгоритмом прикладного программного обеспечения) команд управления на сменные модули при возникновении аппаратных или программных сбоев в ПК предназначен сторожевой таймер 2, который предназначен для обеспечения автоматического выключения выходов подключаемых модулей через заданный интервал времени при возникновении аппаратных или программных сбоев (отказов) ПК. Выключение выходов подключаемых модулей сторожевым таймером 2 осуществляется при:

- пропадании связи (обрыве кабеля) между устройством управления сменными модулями и ПК;

- сбое в работе ПО («зависаний» ПК);

- нарушении алгоритма выдачи управляющих команд с ПК;

- превышении допустимой длительности импульса команды управления;

(Значение максимальной длительности импульса устанавливается программно при написании управляющей программы).

Для задействования сторожевого таймера 2 в соответствии с программой ПК сигналы в виде байта данных информации по ШД поступают в сторожевой таймер 2, одновременно с этим ФВСУ 1 выдает на сторожевой таймер 2 соответствующие сигналы управления.

Сторожевой таймер 2 включает в себя регистр хранения информации о временной уставке (информации о максимальной длительности импульса), счетчик-делитель тактовых импульсов, который может быть выполнен на микросхеме 1533ИЕ6, реверсивный счетчик тактовых импульсов, схему сравнения (включения-выключения сторожевого таймера 2), которая может быть выполнена на микросхемах 1533ЛЕ1 и 1533ЛА1, одновибратор, который может быть выполнен на микросхеме 1533ТМ2.

Регистр хранения информации о временной уставке представляет собой восьмиразрядный регистр с асинхронной записью информации, который может быть выполнен на микросхеме 1533ИР23. Для задействования сторожевого таймера 2 необходимо записать информацию с ШД в регистр хранения информации о временной уставке. Информация с ШД записывается в регистр по сигналу управления от ФВСУ 1. Диапазон задания уставки - от 1 до 255, что соответствует временному диапазону защиты от 0,1 до 25,5 секунд.

Контроль истечения временного интервала осуществляется реверсивным счетчиком, который может быть выполнен на микросхеме 1533ИЕ7, обеспечивающим подсчет импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов.

Для обеспечения правильной работы устройства управления сменными модулями при использовании сторожевого таймера 2 необходимо программно подтверждать включение выходов регистров модулей с периодичностью не более, чем заданное значение регистра сторожевого таймера 2.

Одновибратор формирует одиночный импульс при переполнении реверсивного счетчика, который поступает на вход схемы управления состоянием выходов регистров модулей 6 и на вход записи информации в реверсивный счетчик.

Схема управления состоянием выходов регистров модулей 6 предназначена для включения - выключения выходов регистров подключаемых модулей и входит в состав канала управления внешними устройствами. При подаче сигнала логического «0» схемой управления состоянием выходов регистров модулей 6 на входы управления регистров подключаемого модуля выходы регистров подключаемого модуля переходят в рабочее состояние и могут передавать данные - выходы включились. При подаче сигнала логической «1» схемой управления состоянием выходов регистров модулей 6 на входы управления регистров подключаемого модуля выходы регистров подключаемого модуля переходят в состояние высокого сопротивления (z-состояние) и не могут передавать данные, так как выходы выключились.

Основным элементом схемы управления состоянием выходов регистров модулей 6 является «R-S»-триггер, который может быть выполнен на микросхеме 1533ТМ2. Исходное состояние схемы управления состоянием выходов регистров модулей - выключенное, что соответствует состоянию логического «0» «R-S» - триггера. Включение выходов регистров модулей осуществляется переводом «R-S»-триггера в состояние логической «1». Включение выходов регистров модулей (установка триггера в состояние логической «1») осуществляется только от ПК по ШУ, через ФВСУ 1. Выключение выходов регистров модулей (установка «R-S»-триггера в состояние логический «0») осуществляется от:

- кнопки ВЫКЛЮЧЕНИЕ ВЫХОДОВ;

- сторожевого таймера 2;

- от ПК через ФВСУ 1.

Для того чтобы задействовать стандартные средства измерений (ССИ), которые нужны для работы, необходимо их подключить к устройству управления сменными модулями через канал подключения ССИ. Канал подключения ССИ обеспечивает выполнение следующих функций:

- формирование сигналов управления (синхронизацию, запуск/остановку) ССИ;

- формирование импульсов произвольной длительности (задаваемой программно);

- прием от ССИ электрических сигналов с уровнями - логический «0» или логическая «1».

В соответствии с программой ПК по ШД поступают на устройство подключения ССИ 3 сигналы в виде байта информации, одновременно ФВСУ 1 выдает на устройство подключения ССИ 3 соответствующий сигнал для выдачи до 6 команд управления на подключенные ССИ. Устройство управления сменными модулями может принимать от ССИ до четырех сигналов на устройство подключения ССИ 3, которые затем тетрадой считываются устройством контроля функциональных узлов 4 и далее через выходное устройство 5 поступают на прием ШС ПК для дальнейшей обработки в ПК.

Формирование сигналов управления (импульсов произвольной длительности, задаваемой программно) обеспечивается схемой формирования сигналов управления, которая может быть выполнена на базе восьмиразрядного регистра 1533ИР23. Выходы регистра являются выходами канала подключения ССИ. Первые два выхода имеют транзисторные усилители амплитуды сигналов, которые могут быть собраны на транзисторной сборке 1НТ251А. Амплитуда усиленного сигнала превышает 15 В. Сигналы с остальных выходов имеют ТТЛ-уровни. Для формирования напряжения (сигнала логической «1») на выбранном выходе необходимо командами от ПК записать в соответствующую ячейку регистра логическую «1». Номера выходов регистра (канала подключения ССИ) соответствуют номерам битов данных на ШД.

Прием от ССИ электрических сигналов с уровнями - логический «0» или логическая «1» осуществляется на входах канала подключения ССИ схемой, построенной на базе программно управляемого от ПК буфера - шинного формирователя, который может быть выполнен на микросхеме 1533АП5. Обращение к буферу для считывания информации осуществляется по ШУ ПК через ФВСУ 1. При использовании ССИ (генераторов импульсов) с низким выходным сопротивлением 50 (75) Ом предусмотрена возможность согласования входного сопротивления канала подключения ССИ. Высокому входному сопротивлению схемы приема сигналов соответствует значение информации логический «0» в шестом и седьмом разрядах регистра 1533ИР23. Низкому входному сопротивлению схемы приема сигналов соответствует значение информации логическая «1» в шестом и седьмом разрядах регистра 1533ИР23.

Канал приема данных от внешних устройств предназначен для передачи информации о состоянии подключенных сменных модулей (их выходных сигналов) и включает в себя:

- устройство контроля функциональных узлов 4;

- выходное устройство 5.

Устройство контроля функциональных узлов 4 для информации, принимаемой от подключенных сменных модулей, является транслятором (повторителем) шины принимаемых данных устройства управления сменными модулями. Данные в виде четырех битов (тетрады) информации считываются с подключенных сменных модулей в устройство контроля функциональных узлов 4 и далее через выходное устройство 5 поступают на прием ШС ПК.

Устройство контроля функциональных узлов 4 обеспечивает получение ПК информации от устройства управления сменными модулями о том, что устройство управления сменными модулями подключено к ПК, а также о соответствии напряжений источников питания ВИП 8 устройства управления сменными модулями норме, состоянии выходов регистров подключаемых модулей (включены или выключены), работоспособности устройства управления сменными модулями и составе устройства управления сменными модулями (количестве и типах плат установленных сменных модулей). Устройство контроля функциональных узлов 4 построено на мультиплексоре, который может быть выполнен на микросхеме 1533КП11.

Выходное устройство 5 предназначено для электрического сопряжения каскадов устройства управления сменными модулями с шиной состояния (ШС) ПК и построено на мультиплексоре, который может быть выполнен на микросхеме 1533КП11. Считывание информации с ШС в ПК осуществляется по тетрадам в соответствии с программой ПК.

Для контроля соответствия напряжений ВИП 8 норме в устройство контроля функциональных узлов 4 поступают сигналы от ВИП 8, и далее через выходное устройство 5 они поступают на прием ШС ПК, где они анализируются.

Для оперативного самоконтроля функциональных узлов устройства управления сменными модулями сигналы в виде байта данных информации поступают от ФВСУ 1 на устройство контроля функциональных узлов 4, откуда они по тетрадам считываются через выходное устройство 5 на ШС ПК.

Канал управления внешними устройствами предназначен для формирования команд (сигналов) управления от ПК на подключаемые сменные модули.

Канал управления внешними устройствами включает в себя:

- входное устройство 7, которое предназначено для электрического сопряжения сигналов ШД ПК с сигналами (каскадами) устройства управления сменными модулями и построено на основе шинного формирователя, который может быть выполнен на микросхеме 1533АП5.

- схему управления состоянием выходов регистров модулей 6.

По заявляемому устройству был изготовлен опытный образец, который подтвердил его работоспособность и возможность подключения модулей, которые имеют сигналы управления ОУ других типов и более высокое быстродействие.

Изобретение относится к области вычислительной техники и автоматики и предназначено для управления подключаемыми сменными модулями. Достигаемым техническим результатом является возможность подключения модулей других типов, которые имеют исполнительные элементы, формирующие команды управления на объекте управления сигналами с более высоким быстродействием как отдельно, так и совместно с ранее используемыми модулями передатчика и приемника. Устройство управления сменными модулями содержит формирователь внутренних сигналов управления, сторожевой таймер, канал подключения стандартных средств измерений, канал управления внешними устройствами, канал приема данных от внешних устройств, устройство контроля функциональных узлов, формирователь внутренних сигналов управления, вторичный источник питания. 1 ил.

Устройство управления сменными модулями, содержащее формирователь внутренних сигналов управления, первая группа входов которого является группой выходов шины управления персонального компьютера, сторожевой таймер, канал подключения стандартных средств измерений, включающий в себя устройство подключения стандартных средств измерений, группа входов-выходов которого является группой входов-выходов стандартных средств измерений, канал управления внешними устройствами, включающий в себя схему управления состоянием выходов регистров модулей и входное устройство, группа входов которого является группой выходов шины данных персонального компьютера, группа выходов входного устройства соединена со второй группой входов формирователя внутренних сигналов управления, группами входов устройства подключения стандартных средств измерений и сторожевого таймера и с соответствующей группой входов каждого сменного модуля, канал приема данных от внешних устройств, включающее в себя выходное устройство и устройство контроля функциональных узлов, вторичный источник питания, отличающееся тем, что группа выходов выходного устройства является группой входов шины состояния персонального компьютера, а группа входов соединена с группой выходов устройства контроля функциональных узлов, первая группа входов которого является группой выходов устройства подключения стандартных средств измерений и соответствующей группой выходов каждого сменного модуля, вторая группа входов устройства контроля функциональных узлов соединена с группой выходов формирователя внутренних сигналов управления и с соответствующей группой входов каждого сменного модуля, а третья группа входов - с группой выходов вторичного источника питания, выходы которого являются входами питания устройства управления сменными модулями, первый выход формирователя внутренних сигналов управления соединен с первым входом схемы управления состоянием выходов регистров модулей, второй вход которой соединен с выходом сторожевого таймера, первый вход которого соединен со вторым выходом формирователя внутренних сигналов управления, третий выход которого соединен со вторым входом сторожевого таймера и третьим входом схемы управления состоянием выходов регистров модулей, первый выход которой соединен с первым входом устройства контроля функциональных узлов, второй вход которого соединен с четвертым выходом формирователя внутренних сигналов управления, пятый выход которого соединен с третьим входом устройства контроля функциональных узлов, а шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы формирователя внутренних сигналов управления являются соответствующими входами каждого сменного модуля, при этом второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы схемы управления состоянием выходов регистров являются соответствующими входами сменных модулей, при этом шестой и десятый выходы и вход формирователя внутренних сигналов управления соединены соответственно с четвертым входом устройства контроля функциональных узлов, выходом и входом устройства подключения стандартных средств измерений.