УСТРОЙСТВО СОГЛАСОВАНИЯ ДАТЧИКОВ С ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРОЙ Российский патент 2020 года по МПК G06F15/163 H05K1/11 

Устройство относится к системам согласования интегральных схем с электронной аппаратурой, использующей интегральные схемы в качестве своей функциональной части или использующей выходные данные интегральных схем для своего функционирования.

Примером области, демонстрирующей актуальность, решаемой патентуемым устройством задачи является проектирование измерительных приборов и комплексов, основой которых служат различные электронные датчики. Интегральные схемы входят в состав электронных датчиков как дискретные электронные компоненты, либо весь датчик выполнен в корпусе интегральной схемы. Разработка измерительных приборов и систем может занимать от нескольких месяцев до нескольких лет, в то время как обновление модельного ряда интегральных схем/датчиков происходит значительно чаще. Замена модели интегральной схемы/датчика в измерительном комплексе приводит к изменению электрической и монтажной схемы, связанной с датчиком, а также обновлению технической документации всего устройства, использующей интегральную схему/датчик в качестве своей функциональной части или использующей выходные данные интегральной схемы/датчика для своего функционирования. Использование патентуемого устройства способного осуществлять оперативное согласование интегральной схемы/датчика с измерительным комплексом будет являться решением данной задачи.

Известен вариант промышленного контроллера (патент РФ на ПМ №149610 д. публ. 2014.02.18.), в котором расширение его функциональных возможностей при работе с периферийными устройствами достигается за счет введения в схему устройства промышленного контроллера термометра, барометра и акселерометра в виде отдельных дополнительных микросхем, и интерфейсов RS-485, служащих для удаленного подключения датчиков и исполнительных устройств, а также снабжения схемы двумя разъемами, образующими две внутренние межмодульные шины, служащие для подключения модулей расширения ввода-вывода сигналов управляемых объектов, при этом контакты каждого из двух разъемов образуют отдельную внутреннюю межмодульную шину, которая содержит цепи интерфейса I2C, запроса прерывания и питания, а модули расширения выполнены с использованием БИС расширения для интерфейса I2C. Для соединения с управляющим компьютером используются интерфейсы Ethernet и/или CAN.

В приведенном варианте промышленного контроллера не предусмотрены средства, обеспечивающие аппаратно-программное конфигурирование аналоговых, цифровых и питающих цепей, связывающих средства управления и обработки данных с управляющими устройствами/модулями расширения/исполнительными устройствами/датчиками. Указанный недостаток ограничивает применение устройства с периферийными устройствами, чьи интерфейсы отличны от RS-485, I2C, Ethernet, CAN.

В качестве прототипа, выбрана система и способ обеспечения динамического модульного устройства обработки данных (патент РФ на изобретение №2386163: д. публ. 2003.10.22) у которой имеется печатная плата с процессором, которая является составляющей трехплатной конфигурации электрической монтажной платы, съемно помещенной внутрь непериферийного корпуса. Данное устройство имеет заменяемую соединительную панель, связанную с непериферийным корпусом, которая обеспечивает повышенную гибкость и поддержку периферийных устройств и приложений. При этом архитектура модульного устройства обработки данных спроектирована таким образом, чтобы обеспечить эксплуатационную гибкость посредством селективной связи с одним или более динамическим модульным устройством обработки данных в системе, где все динамические модульные устройства обработки данных соединены между собой на уровне системной шины.

В прототипе возможность сопряжения с периферийными устройствами ограничена конфигурацией конкретной модели заменяемой соединительной панели и не достижима путем программно-аппаратного конфигурирования межмодульных цепей и их подключения к перестраиваемым аналоговым, цифровым и питающим блокам модуля управления и обработки данных. Конструкция устройства также не предусматривает средства, обеспечивающие аппаратно-программное управление аналоговыми, цифровыми и питающими цепями между модулем управления и обработки данных и заменяемой соединительной панелью.

К техническому результату относится способность патентуемого устройства осуществлять программно-аппаратное конфигурирование аналоговых, цифровых и питающих цепей интегральных схем и/или соединителей для сопряжения с электронной аппаратурой, которая использует интегральные схемы в качестве своей функциональной части или использует выходные данные интегральных схем для своего функционирования, и сопряжение аналоговых, цифровых и питающих цепей к блокам питания и обработки данных модуля управления и обработки данных, что повышает гибкость процесса согласования интегральных схем с периферийной по отношению к ним электронной аппаратурой. Указанная способность достигается за счет того, что в состав платы модуля управления и обработки данных входят программно-конфигурируемые блоки питания и программно-конфигурируемые блоки аналоговой и цифровой обработки данных, связанные через систему реле быстроразъемными соединениями с платами - модулями расширения, на которых посредством дискретных электронных компонентов и/или интегральных схем возможно осуществить аппаратное конфигурирование электрических цепей патентуемого устройства с периферийными по отношению к патентуемому устройству интегральными схемами и/или соединителями, предназначенными для сопряжения с электронной аппаратурой, использующей интегральные схемы в качестве своей функциональной части или выходные данные интегральных схем для своего функционирования.

Патентуемая система согласования интегральных схем/датчиков с электронной аппаратурой состоит из трех модулей: платы модуля управления и обработки данных, содержащей блок питания, блок обработки данных, средство манипулирования данными; платы электронного модуля №1 для согласования патентуемого устройства с интегральными схемами/электронными датчиками; платы электронного модуля №2 для согласования патентуемого устройства с электронной аппаратурой, периферийной по отношению к патентуемому устройству, которая использует интегральную схему/электронный датчик в качестве своей функциональной части или выходные данные интегральной схемы/ электронного датчика для своего функционирования.

Блок питания модуля управления и обработки данных включает один или более источник стабилизированного напряжения, предназначенного для питания патентуемого устройства, а также один или более перестраиваемый источник стабилизированного напряжения, обеспечивающий питание различных периферийных устройств, связанных с модулем управления и обработки данных через плату электронного модуля №1 или плату электронного модуля №2.

Блок обработки данных модуля управления и обработки данных включает одно или более электронное средство управления, способное, посредством изменения исполняемой микропрограммы, осуществлять прием, запись, обработку и передачу данных поступающих от электронных модулей №1 и №2 по различным протоколам и цифровым интерфейсам обмена данными. Для записи исполняемой микропрограммы и/или для записи иных данных, например, первичных данных от датчика, в случае если микросхема представляет собой электронный датчик, на модуле управления и обработки данных установлены одна или несколько микросхем памяти (запоминающее устройство). Для повышения гибкости в работе с периферийными устройствами, сигналы которых имеют аналоговую природу с одним или более электронным средством управления связаны АЦП, ЦАП. Для повышения гибкости в работе с периферийными устройствами, сигналы которых передаются по интерфейсам, реализация которых невозможна программными средствами на одном или более электронном средстве управления, с одним или более электронным средством управления связаны микросхемы-конвертеры интерфейсов. Для повышения гибкости в работе с периферийными устройствами, цифровые сигналы которых имеют логические уровни напряжения, отличные от логических уровней напряжения электронных средств управления с одним или более электронным средством управления, связан многоканальный перестраиваемый буфер преобразования логических уровней напряжения.

Модуль управления и обработки данных сопрягается с электронными модулями №1 и/или №2 с помощью быстроразъемных соединений. Средство манипулирования данными предназначено для корректного сопряжения процессорного модуля с электронными модулями №1 и/или №2. Под корректным сопряжением процессорного модуля с электронными модулями №1 и/или №2 подразумевается такое сопряжение, при котором обеспечивается согласование питающих и сигнальных электрических цепей модуля управления и обработки данных с электронными модулями №1 и/или №2, в результате чего реализуется требуемое функционирование аппаратной и программной составляющих патентуемого устройства совместно с периферийными по отношению к патентуемому устройству интегральными схемами и/или соединителями, предназначенными для сопряжения с электронной аппаратурой, использующей для своего функционирования интегральные схемы в качестве своей функциональной части или выходные данные интегральных схем. Средство манипулирования данными включает: механические/ электронные/ электромеханические/ электрооптические/ электромагнитные реле, коммутаторы, мультиплексоры, демультиплексоры.

Электронный модуль №1 представляет собой печатную плату, предназначенную для размещения интегральных схем/датчиков вместе с необходимыми внешними вспомогательными электрическими цепями и сопряжения интегральных схем/датчиков вместе с необходимыми внешними вспомогательными электрическими цепями с модулем управления и обработки данных. Электронный модуль №1 содержит контактные площадки, предназначенные для монтажа микросхем/датчиков, контактные площадки для монтажа панелей/разъемов/гнезд/иных устройств ввода/вывода, в том числе и электронных, предназначенных для корректного сопряжения микросхем/датчиков посредством проводного, оптоволоконного или беспроводного канала, дополнительные контактные площадки для монтажа дискретных электронных компонентов и/или интегральных схем, реализующих аппаратное конфигурирование аналоговых, цифровых и питающих цепей интегральных схем и устройств ввода/вывода, быстроразъемные соединения, обеспечивающие корректное сопряжение электронного модуля №1 с модулем управления и обработки данных.

Электронный модуль №2 представляет собой печатную плату, предназначенную для сопряжения электронной аппаратуры, которая использует интегральные схемы/датчики в качестве своей функциональной части или использует выходные данные от интегральных схем/датчиков для своего функционирования, с модулем управления и обработки данных. Электронный модуль №2 содержит контактные площадки, предназначенные для монтажа панелей/разъемов/гнезд/иных устройств ввода/вывода в том числе и электронных, предназначенных для корректного сопряжения с электронной аппаратурой посредством проводного, оптоволоконного или беспроводного канала, дополнительные контактные площадки для монтажа дискретных электронных компонентов и/или интегральных схем, реализующих аппаратное конфигурирование аналоговых, цифровых и питающих цепей интегральных схем и устройств ввода/вывода, быстроразъемные соединения, обеспечивающие корректное сопряжение электронного модуля №2 с модулем управления и обработки данных.

Функциональная схема патентуемого устройства изображена на фиг. 1. Принцип работы патентуемого устройства раскрывает пример сопряжения интегральной схемы с электронной аппаратурой по проводному цифровому интерфейсу.

Электронная аппаратура сопрягается с патентуемым устройством посредством соединителя, ответная часть которого монтируется на одну из множества контактных площадок для монтажа панелей/гнезд (21) электронного модуля №2 (2). Интегральная схема, которую необходимо согласовать с электронной аппаратурой монтируется на одну из множества контактных площадок для монтажа интегральных схем (11) электронного модуля №1 (1). Для монтажа интегральных схем, выполненных в не стандартизированных или редко встречающихся корпусах, патентуемое устройство предусматривает возможность их монтажа посредством переходных панелей/гнезд, монтируемых на одну из множества контактных площадок для монтажа панелей/гнезд (14).

Проводящий рисунок электронного модуля №1 (1) электрически соединяет выводы интегральной схемы с контактными площадками для конфигурирования цепей (12) и со средством манипулирования данными (31) через быстроразъемные соединения (13, 32), соединяющие электронный модуль №1 с модулем управления и обработки данных (3). Проводящий рисунок электронного модуля №2 электрически соединяет выводы соединителя электронной аппаратуры с контактными площадками (22) и средством манипулирования данными (31) через быстроразъемные соединения (23, 33), соединяющие электронный модуль №2 с модулем управления и обработки данных. Средство манипулирования данными конфигурируется электронным средством управления (39), находящимся в блоке обработки данных (30), и в соответствии с установленной заранее инструкцией записанной в память запоминающего устройства (37) осуществляет трассировку цепей поступивших с быстроразъемных соединений (32, 33) к настраиваемому электронным средством управления ЦАП/АЦП (34), к конкретным микросхемам-конверторам интерфейсов (35), к настраиваемому электронным средством управления буферу преобразования логических уровней (36), к настраиваемому электронным средством управления блоку питания (38), либо устанавливает высокоимпедансное состояние на своем выводе. Контактные площадки (12, 22) обеспечивают возможность конфигурирования цепей, поступающих на быстроразъемные соединения (32, 33) посредством монтажа дискретных электронных компонентов, расширяя возможности системы манипулирования данными и обеспечивая реализацию технического результата патентуемого устройства.

Таким образом, процедура согласования интегральной схемы с электронной аппаратурой по цифровому проводному интерфейсу включает:

- монтаж интегральной схемы на электронный модуль №1;

- аппаратное конфигурирование вспомогательных электрических цепей интегральной схемы посредством монтажа электронных компонентов на электронный модуль №1;

- программное конфигурирование системы манипулирования данными, обеспечивающие корректное сопряжение модуля управления и обработки данных с электронными модулями №1 и №2;

- монтаж на электронный модуль №2 ответной части к соединителю для сопряжения патентуемого устройства с электронной аппаратурой;

- аппаратное конфигурирование вспомогательных электрических цепей соединителя, сопрягающего электронную аппаратуру с патентуемым устройством, посредством монтажа электронных компонентов на электронный модуль №2.

Описанный выше пример использования в полной мере иллюстрирует сущность предложенного изобретения, однако не ограничивает область применения патентуемого устройства или какой-либо его части.

Модульная архитектура патентуемого устройства и особенности конструкции, обеспечивающие аппаратно-программное конфигурирование питающих и сигнальных цепей и их сопряжение к блокам питания и обработки данных, позволяет оперативно изменять электрическую и монтажную схему, связанную с интегральной схемой/датчиком и/или электронной аппаратурой, использующей интегральную схему/электронный датчик в качестве своей функциональной части или использующей выходные данные интегральной схемы/электронного датчика для своего функционирования. Патентуемое устройство согласования датчиков с электронной аппаратурой позволяет сократить процесс проектирования приборов и систем, использующих интегральные схемы/датчики в качестве своей функциональной части или использующих выходные данные от интегральных схем/датчиков для своего функционирования, позволяя быстрее освоить их серийное производство и введение в эксплуатацию. Преимущества устройства становятся очевидными при необходимости оперативной замены испорченных интегральных схем/датчиков или/и устаревших моделей интегральных схем/электронных датчиков в сложных измерительных комплексах.

Пример реализации, демонстрирующей внешний вид патентуемого устройства, не ограничивающий патентуемое устройство или какую-либо его часть, представлен на фиг. 2а, фиг. 2б, фиг. 2в.

Архитектура патентуемого устройства не ограничивает его применение в качестве системы согласования интегральных схем с электронной аппаратурой, которое встраивается в готовые электронные системы. Патентуемое устройство может использоваться и как самостоятельное устройство:

- система регистрации-обработки первичных данных и/или система тестирования интегральных схем, при использовании модуля управления и обработки данных с электронным модулем №1;

- устройство обработки данных в различных электронных измерительных комплексах, при использовании модуля управления и обработки данных с электронным модулем №2.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении скорости согласования интегральной схемы/датчика с измерительным комплексом. Технический результат достигается за счет устройства согласования интегральных схем и электронной аппаратуры, включающего: модуль управления и обработки данных; электронный модуль, обеспечивающий монтаж одного или более типов корпусов/посадочных разъемов интегральных схем/датчиков; электронный модуль, обеспечивающий сопряжение модуля управления и обработки данных с электронной аппаратурой, причем плата модуля управления и обработки данных и печатная плата одного или более электронных модулей позволяют посредством средства манипулирования данными и дискретных электронных компонентов и/или интегральных схем осуществить программно-аппаратное конфигурирование аналоговых, цифровых и питающих цепей интегральных схем/датчиков и/или соединителей, сопрягающихся с периферийной электронной аппаратурой, использующей интегральные схемы/датчики в качестве своей функциональной части, или использует выходные данные интегральных схем/датчиков для своего функционирования, и сопряжение аналоговых, цифровых и питающих цепей к блокам питания и обработки данных модуля управления и обработки данных. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство согласования интегральных схем и электронной аппаратуры, которая включает интегральные схемы/датчики в качестве своей функциональной части или использует выходные данные интегральных схем/датчиков для своего функционирования, обладающее модульной архитектурой, которая включает, по крайней мере, один модуль управления и обработки данных, включающий блок питания, средство манипулирования данными, блок обработки данных, на котором располагается, как минимум, одно электронное средство управления, как минимум одно запоминающее устройство, как минимум, один буфер преобразования логических уровней напряжений, как минимум, одна микросхема - конвертер интерфейсов, как минимум, один ЦАП и АЦП, а также, по крайней мере, один электронный модуль, сопрягающийся с модулем управления и обработки данных посредством быстроразъемного соединения, представляющий собой печатную плату с проводящим рисунком, обеспечивающим монтаж одного или более типов корпусов/посадочных разъемов интегральных схем/датчиков и, по крайней мере, один электронный модуль, сопрягающийся с модулем управления и обработки данных посредством быстроразъемного соединения, обеспечивающий сопряжение модуля управления и обработки данных с электронной аппаратурой, отличающееся тем, что плата модуля управления и обработки данных и печатная плата одного или более электронного модулей позволяют посредством средства манипулирования данными и дискретных электронных компонентов и/или интегральных схем осуществить программно-аппаратное конфигурирование аналоговых, цифровых и питающих цепей интегральных схем/датчиков и/или соединителей, сопрягающихся с периферийной электронной аппаратурой, использующей интегральные схемы/датчики в качестве своей функциональной части, или использует выходные данные интегральных схем/датчиков для своего функционирования, и сопряжение аналоговых, цифровых и питающих цепей к блокам питания и обработки данных модуля управления и обработки данных.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в модуле управления и обработки данных электронным средством управления является один или более микроконтроллер, и/или одна или более программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), и/или один или более процессор.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что интегральной схемой является электронный датчик и/или посадочный разъем для коммутации выводов электронного датчика.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что включает в состав модуля управления и обработки данных и/или одного или более электронных модулей систему механических/ электронных/ электромеханических/ электрооптических/ электромагнитных реле.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что включает в состав модуля управления и обработки данных и/или одного или более электронных модулей одну или несколько микросхем-конвертеров интерфейсов, перестраиваемые буферы преобразования логических уровней, многоканальный перестраиваемый источник стабилизированного напряжения, АЦП, ЦАП, работа которых конфигурируется посредством исполнения инструкций электронным средством управления модуля управления и обработки данных.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что включает в состав модуля управления и обработки данных или, по крайней мере, в один электронный модуль один или несколько датчиков, данные от которых используются в алгоритмах программно-математического обеспечения устройства одним или более электронным средством управления модуля управления и обработки данных.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что включает в состав модуля управления и обработки данных или, по крайней мере, в один электронный модуль соединитель для средства вывода визуальной/звуковой информации.