Управляющий модуль для систем телемеханики

Полезная модель относится к вычислительной технике и может применяться в системах управления различными промышленными объектами, в т.ч. и на транспорте.
Жизненный цикл таких высоконадежных систем исчисляется нескольким десятками лет. В условиях, когда поставка системообразующих электронных компонент и необходимого программного обеспечения от иностранных производителей с каждым годом становится все более не гарантируемой, в особо ответственных применениях необходимо снижать зависимость от иностранной элементной базы и программного обеспечения.
В таких системах широко применяются встраиваемые компьютеры с шиной АТ96 в конструктиве Евромеханика 3U. Аналогом является модуль S-AT96-FOX2 («Современные технологии автоматизации», №2, 2001 г., стр. 56-65) производства фирмы Lippert Automationstechnik GmbH. Модуль имеет в своем составе: микропроцессор Geode с частотой 300 МГц, ОЗУ объемом 128 Мбайт, графический контроллер с объемом видео-ОЗУ 2 Мбайт, один интерфейс Ethernet 10/100Base-T, два интерфейса USB, флэш-память для программы ПЗУ, программно-управляемый сторожевой таймер. На модуль могут быть установлены диски в формате CompactFlash. Система управления может комплектоваться платами ввода-вывода: АТ96-СОМ8-1 8-ми канальная плата последовательных интерфейсов RS-232C с 16-ти байтовым FIFO; AT96-DIO16-2 плата цифрового ввода-вывода с изолированными входными и выходными дискретными сигналами; AT06-REL8-001 плата реле; AT96-BCU-001 плата контроля шины и мониторинга.
Прототипом модуля является модуль СРС203 производства Fastwell (https://manualzz.com/doc/44426533/cpc203-cpu-card). В модуле применен 32-разрядный микропроцессор Geode GX1 300 МГц зарубежного производства фирмы AMD. В состав модуля входят следующие устройства: системный контроллер, ОЗУ типа SDRAM объемом 128 Мбайт, загрузочная флэш-память с установленной программой-загрузчиком (BIOS), твердотельный диск (SSD) объемом 16 Мбайт, SVGA видео контроллер с объемом видеопамяти до 4 Мбайт, два интерфейса Ethernet 10/100Base-T, интерфейс USB, два интерфейса RS232C, шина расширения АТ-96, часы реального времени с календарем, сторожевой таймер. Совместимые операционные системы для этого модуля: уже неподдерживаемая MS-DOS, Windows 2000, QNX, Linux.
Недостаток известного модуля в его низкой производительности.
Технический результат от использования патентуемой полезной модели заключается в увеличении производительности управляющего модуля.
Указанный технический результат достигается управляющим модулем для систем телемеханики, содержащим микропроцессор (МП) с подключенными к нему оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), флэш-памятью, твердотельным накопителем (ТН), постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), энергонезависимыми часами реального времени с календарем (RTC), и содержащим сторожевой таймер, интерфейс Ethernet, интерфейс USB, интерфейс RS232C, контроллер шины АТ-96, и в котором использован в качестве:
МП - 64-разрядный микропроцессор 1890ВМ8Я с архитектурой КОМДИВ;
ОЗУ - память типа DDR3;
ТН - диск SSD формата mSATA;
ПЗУ - память типа EEPROM;
и который снабжен интерфейсом HDMI с электростатической защитой, подключенным к МП, интерфейсом GPIO с гальванической развязкой, подключенным к МП, и DC/DC преобразователями первичного напряжения 5 В во вторичные напряжения питания.
Поскольку в патентуемой полезной модели используется МП большей разрядности (64- разрядный МП) и с большей частотой (500 МГц) производительность модуля выше производительности модуля - прототипа.
Полезная модель представляет собой модуль в конструктиве «Евромеханика» 3U, шириной 8НР.
Структурная схема модуля приведена на фиг. 1.
В состав модуля входят следующие основные функциональные узлы:
- 64-разрядный микропроцессор 1890ВМ8Я с архитектурой КОМДИВ 1 (свидетельство №2015630088);
- оперативное запоминающее устройство 2 типа DDR3, соединенное с МП (1) шиной 3 DDR3. ОЗУ 2 типа DDR3 может быть построено, например, на основе 5-ти микросхем типа MT41K512M16HA-125_IT (https://www.micron.com/products/dram/ddr3-sdram/part-catalog/ mt41k512m16ha-125);
- флэш-память для программы-загрузчика операционной системы 4, соединенная с МП 1 шиной 5 SPI. Например, может быть использована флэш-память типа S25FL127SABMFI101 (https://www.cypress.com/part/s25fl127sabmfi101);
- твердотельный накопитель 6 в виде диска SSD формата mSATA, соединенный с МП 1 шиной 7 SATA. В качестве твердотельного накопителя может быть, например, использован диск DEMSR-A28D09BW2DC (https://e-components.ru/item/demsr-a-28-d09bw-2-dc);
- память 8 типа EEPROM, соединенная с МП 1 шиной 9 I2C 1. Например, может быть использована EEPROM типа M24C32-RMN6TR (https://datasheet4u.com/share_search.php?sWord=m24c32);
- энергонезависимые часы реального времени с календарем (RTC) 10, соединенные с МП 1 шиной 9 I2C 1. Например, могут быть использованы RTC типа DS1338Z-18P (https://ru.mouser.com/ProductDetail/Maxim-Integrated/DS1338Z-18?qs=1eQvB6Dk1vicNXkXZg%2FJoA%3D%3D);
- сторожевой таймер (не показан) в составе МП 1;
- приемопередатчики Ethernet 11 стандарта 100Base-TX, соединенные с МП 1 шиной 12 МП и шиной 13 RGMII и подключенные к соединителям 14 Х2, Х3 типа RJ45 шиной 15 ЕТН 1 и шиной 16 ЕТН 2. Например, могут быть использованы приемопередатчики типа KSZ8041FTLI (https://ru.mouser.com/ProductDetail/Microchip-Technology-Micrel/KSZ8
041FTLI?qs=kh6iOki%2FeLEQGvMy%252BIExFA%3D%3D) и RTL8211E-VB-CG (https://www.semiconductorstore.com/cart/pc/view Prd.asp?idproduct=48984#Documents);
- контроллер шины АТ96 17 на основе, например, ПЛИС EP2C8F256I8N (https://www.digikey.com/product-detail/en/intel/EP2C8F 256I8N/544-2151-ND/1468692), соединенный с МП 1 шиной 18 PCI и шиной 19 UART и подключенный к соединителю 20 XI, например, типа DIN41612 Туре С через приемопередатчики 21, например, типа SN74LVTH16245ADGGR (https://ru.mouser.com/ProductDetail/Texas-Instruments/SN74LVTH16245ADGGR?qs=fvkeCqCHl3Ak61E9E4fgHQ%3D%3D) с помощью шин 22 и 23 ISA;
- приемопередатчики интерфейса RS-232 24, соединенные с МП 1 через контроллер шины АТ96 17 шиной 25 UART 1, 2 и подключенные к соединителям 26 Х6, Х7, например, типа D-sub 9 с помощью шины 27 СОМ 1, 2. Например, могут быть использованы приемопередатчики типа MAX3245EEUI (https://ru.mouser.com/ProductDetail/Maxim-Integrated/ MAX3245EEUI?qs=ZENAYvsrzLqmLfSLu3%2FuCg%3D%3D);
- электростатическая (ESD) защита интерфейса HDMI 28, соединенная с МП 1 шиной 29 DVI и шиной 30 I2C 2 и подключенная к соединителю 31X5 HDMI с помощью шины 32 HDMI. Для электростатической защиты интерфейса HDMI может быть, например, использована микросхема IP4788CZ32 (https://www.nexperia.com/products/esd-protection-tvs-filtering-and-signal-conditioning/application-specific-esdsolutions/hdmi-and-displayport-protection/IP4788CZ32.html);
- гальваническая развязка интерфейса GPIO (general-purpose input/output) 33, соединенная с МП 1 шиной 34 GPIO и подключенная к соединителю 35 Х9, например, типа SNP346-10VP31-2 шиной 36. Для гальванической развязки могут быть, например, использованы оптопары TLP187 (https://toshiba.semicon-storage.com/ru/product/opto/photocoupler/detail.TLP 187.html);
- трансиверы USB 37, соединенные с МП 1 шиной 38 ULPI 1 и шиной 39 ULPI2 и подключенные к сдвоенному соединителю 40 USBx2 Х4 шиной 41 USB 1 и шиной 42 USB 2. Например, в модуле могут быть использованы трансиверы USB FUSB2805MLX (https://ru.mouser.com/ProductDetail/ON-Semiconductor-Fairchild/FUSB2805MLX?qs=MK8MP%252B118gCJ61jAXi9VOA%3D%3D);
- DC/DC преобразователи 43, подключаемые к шине первичного питания 5 В 44 через соединитель 20 X1, формирующие напряжения 3.3 В, 2.5 В, 1.35 В, 1.0 В на шине 45 для электропитания МП 1 и других электронных устройств. Например, в модуле могут быть использованы DC/DC преобразователи типа ADP5054ACPZ-R7 (https://ru.mouser.com/ProductDetail/Analog-Devices-Linear-Technology/ADP5054ACPZ-R7?qs=iCT64eccu7jTI4tTJYad%2Fw%3D%3D),
LD39100PUR (https://ru.mouser.com/ProductDetail/STMicroelectronics/
LD39100PUR?qs=KRbFvHUM3hE9XIvjCcfflHA%3D%3D), ST1S10PHR (https://ru.mouser.com/ProductDetail/STMicroelectronics/ST1S10PHR?qs=qolwYojYp3QSBN7Pd05xhg%3D%3D).
В качестве общего программного обеспечения модуля может, например, использоваться ОС Linux.
Модуль может быть применен в блоке управления контролируемого диспетчерского пункта централизации стрелок и сигналов, эксплуатируемых на отечественных железных дорогах. Модуль обеспечивает сбор, обработку и трансляцию сигналов телеуправления и телесигнализации. Модуль может устанавливаться в конструктивы Евромеханики по ГОСТ 28601.1-90 совместно с модулями: модуль источника питания, модуль контроля и управления, модуль ввода-вывода. Количество обслуживаемых сигналов телеуправления и телесигнализации до 768 шт. для одного модуля ввода-вывода. Патентуемый модуль может обслуживать до 5-ти модулей ввода-вывода, требуемое количество модулей и необходимое количество сигналов телеуправления и телесигнализации программно-аппаратно настраивается при проектировании блока управления для конкретного диспетчерского пункта.
Модуль и базовое программное обеспечение для него может производиться на территории Российской Федерации длительный срок: 20 лет и более. Необходимые модернизации базового ПО и аппаратуры модуля могут быть выполнены силами отечественных специалистов с применением перспективных российских микропроцессоров и операционных систем.