Устройство сбора данных
DEVICE FOR DATA COLLECTION

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти применение в составе бортовых систем управления общесамолетным (общевертолетным) оборудованием.
К устройствам сбора данных систем управления общесамолетным (общевертолетным) оборудованием предъявляются повышенные требования к диагностическому обеспечению. Они должны обеспечивать автоматический непрерывный контроль собственной работоспособности с локализацией неисправного компонента, а также контроль собственной работоспособности в наземных условиях при предполетной подготовке объекта. При этом требования по обеспечению полноты контроля особенно высоки. В то же время аппаратная реализация встроенного контроля не должна приводить к снижению надежности устройства сбора данных.
Известно устройство для сбора и обработки данных, описанное в патенте №2218597 РФ, G06F 17/40, содержащее входные цепи, мультиплексоры, блок предварительной обработки данных, блок гальванической развязки, блок обработки и обмена с вычислительным комплексом. Входные цепи данного устройства подключены к датчикам сигналов с установленными в непосредственной близости к ним средствами, обеспечивающими протекание тока по линиям, соединяющим входные цепи с этими датчиками. Данные средства необходимы для контроля состояния линий до датчиков сигналов и подключены параллельно к ним. Эти средства реализованы на резисторах.
Данное устройство позволяет осуществлять сбор и обработку быстроизменяющейся информации о состоянии контролируемых объектов с множества каналов и контроль целостности линий, идущих от датчиков сигналов. При этом по измерительной цепи проходит сигнал в виде небольшого тока. Этот сигнал через соответствующую входную цепь подается на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) блока предварительной обработки данных. Наличие этого сигнала на входе блока обработки и управления указанного блока указывает на то, что линия до датчика не имеет повреждений. В случае повреждения линии, например обрыва, ток в линии отсутствует, что и фиксирует блок обработки и управления, который через последовательный интерфейс и блок гальванической развязки посылает информацию в блок обработки и обмена с вычислительным комплексом. Анализ состояния линии осуществляется по всем каналам приема сигналов.
Недостатком описанного устройства является использование для контроля входных линий и каналов мультиплексора внешних по отношению к нему средств, обеспечивающих протекание тока по измерительным цепям. Для бортовых систем установка дополнительных элементов на объекте нежелательна, так как требует конструктивного оформления, усложняет и утяжеляет фидер.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для сбора данных, описанное в журнале «Analog Dialogue)), том 34-1, стр. 5, 2000 г., содержащее входную цепь формирования сигнала с датчиком тока (шунт) и дифференциальным усилителем с высоким входным сопротивлением и высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, АЦП со средствами сопряжения с микроконтроллером.
Описанное устройство позволяет осуществлять преобразование тока потребления источников питания в широких пределах, в том числе тока короткого замыкания. Однако устройство не позволяет контролировать целостность линий, идущих от источника питания к потребителю, так как потребитель может быть отключен. Обрыв цепей в этом случае не может быть обнаружен. Этот недостаток может быть устранен при использовании указанного устройства сбора данных от датчиков, которые имеют нормируемый минимальный рабочий ток.
Основным недостатком указанного устройства является отсутствие контроля дифференциального усилителя и АЦП. Кроме того, необходимость обработки данных от большого количества датчиков требует наличия достаточно большого количества АЦП, а при необходимости нормализации сигналов (фильтрации) - достаточно большого количества средств нормализации.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей в части обеспечения встроенного контроля входящих в предлагаемое устройство элементов.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей в части обеспечения встроенного контроля входящих в предлагаемое устройство элементов, что ведет к сокращению времени на техническое обслуживание (диагностику).
Указанный технический результат достигается тем, что устройство сбора данных содержит источник питания датчиков, n-входных цепей формирования сигналов, каждая из которых включает в себя датчик тока, связанный с дифференциальным усилителем, блок формирования контрольного сигнала, состоящий из соединенных переключателя и буфера, коммутатор, блок нормализации сигнала, состоящий из соединенных буферного усилителя и фильтра, где первые входы n-входных цепей формирования сигналов являются входами устройства сбора данных, а вторые входы соединены с выходом источника питания датчиков, третьи входы n-входных цепей формирования сигналов подключены к выходу блока формирования контрольного сигнала, а выходы n-входных цепей формирования сигналов соединены с входами коммутатора, выход которого подключен к входу блока нормализации сигнала, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом устройства, причем коммутатор имеет вход для приема первого контрольного напряжения и вход управления (адресации), являющийся первым входом управления устройства, блок формирования контрольного сигнала имеет вход для приема второго контрольного напряжения и вход управления, который соединен с входом управления источника питания датчиков, являющимся вторым входом управления устройства.
Особенностью заявляемого технического решения является то, что за счет введения блока формирования контрольного сигнала, коммутатора, блока нормализации сигнала и новых связей между узлами устройства предложенное устройство имеет расширенные функциональные возможности и позволяет осуществлять встроенный контроль входящих в него узлов и снизить время на его обслуживание и диагностику.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства сбора данных,
где:
1 - источник питания датчиков ИПД;
2 - n-входных цепей формирования сигнала n-ВЦФС, где каждая содержит
3 - датчик тока,
4 - дифференциальный усилитель ДУ;
5 - блок формирования контрольного сигнала БФКС, содержащий
6 - переключатель,
7 - буфер;
8 - коммутатор;
9 - блок нормализации сигнала БНС, содержащий
10 - буферный усилитель БУ,
11 - фильтр;
12 - аналого-цифровой преобразователь АЦП.
Предлагаемое устройство сбора данных содержит источник питания датчиков ИПД 1, n-входных цепей формирования сигналов n-ВЦФС 2, каждая из которых содержит датчик тока 3, связанный с дифференциальным усилителем 4, блок формирования контрольного сигнала БФКС 5, состоящий из соединенных переключателя 6 и буфера 7, коммутатор 8, блок нормализации сигнала БНС 9, состоящий из соединенных буферного усилителя 10 и фильтра 11, причем первые входы n-входных цепей формирования сигналов n-ВЦФС 2 являются входами устройства и служат для подключения к внешним устройствам, вторые входы соединены с выходом источника питания датчиков ИПД 1, третьи входы подключены к выходу блока формирования контрольного сигнала БФКС 5, выходы n-входных цепей формирования сигналов n-ВЦФС 2 соединены с входами коммутатора 8, выход которого подключен к входу блока нормализации сигнала БНС 9, выход которого соединен с входом АЦП 12.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом.
N-входных цепей формирования сигнала n-ВЦФС2 содержат датчик тока 3 и ДУ 4, первые входы каждой цепи из n-ВЦФС 2 являются входами устройства и служат для подключения к внешними устройствам, например к датчикам приближения. Вторые входы ВЦФС 2 служат для подключения к ИПД 1 и обеспечивают через n-ВЦФС 2 питание внешних устройств. ДУ 4 обеспечивает высокое входное сопротивление и высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала. Инвертирующий вход является первым входом ВЦФС 2, а неинвертирующий вход - вторым входом ВЦФС 2. Вход смещения ДУ 4 является третьим входом ВЦФС 2. В качестве ДУ 4 может быть использована микросхема INA149. Датчик тока 3 подключен между инвертирующим и неинвертирующим входами ДУ 4. В качестве датчика тока 3 может быть использован резистор типа CR1206.
БФКС 5 предназначен для формирования контрольного сигнала и выдачи его в каждую цепь из n-ВЦФС 2 по команде, поступающей на вход управления переключателя 6 от внешнего устройства управления. БФКС 5 имеет вход для приема второго контрольного напряжения от внешнего источника напряжения.
БФКС 5 включает в себя переключатель 6 и буфер 7, причем первый вход переключателя 6 является входом для приема контрольного напряжения, а второй вход подключен к общей шине устройства (к корпусу). Вход переключателя 6 является вторым входом управления устройства, а выход соединен с входом буфера 7. Выход последнего является выходом БФКС 2. Буфер 7 может быть выполнен по схеме повторителя напряжения на операционном усилителе. В качестве буфера 7 может быть использована микросхема усилителя типа ОР1177, а в качестве переключателя 6 - микросхема ADG453.
Коммутатор 8 предназначен для опроса датчиков приближения в соответствии с кодом адреса, поступающего на вход управления от внешнего устройства. В качестве устройства адресации может быть использован счетчик или регистр. Коммутатор 8 имеет n входов для подключения выходов каждой цепи из n-ВЦФС 2 и дополнительный вход для приема первого контрольного напряжения от внешнего источника напряжения.
БНС 9 служит для приведения уровня сигнала к диапазону преобразования АЦП 12, а также фильтрации сигнала от помех. За счет высокого входного сопротивления БНС 4 обеспечивает развязку между коммутатором 8 и АЦП 12. БНС 9 состоит из БУ 10 и фильтра 11, причем вход БУ 10 является входом БНС 4, а выход фильтра 11 - выходом БНС 9. Выход БУ 10 подключен к входу фильтра 11. Фильтр 11 может быть выполнен в виде пассивной RC-цепи, постоянная времени которой рассчитывается исходя из необходимости установления сигнала с заданной точностью в течение времени включения каждого канала коммутатора 8. В качестве БУ 10 может быть использована микросхема инструментального усилителя типа AD8221.
АЦП 12 предназначен для преобразования сигнала, пропорционального току датчика приближения, в цифровой код либо для преобразования контрольных сигналов в цифровой код в зависимости от режима работы устройства.
Через первый вход устройства от внешнего потребителя, например датчика приближения, через датчик тока 3 каждого из n-ВЦФС 2 протекает тот или иной ток, создавая на нем падение напряжения, которое поступает на вход ДУ 4. Напряжение, пропорциональное току, протекающему через датчик приближения, с выхода ДУ 4 поступает на вход коммутатора 8. Коммутатор 8, в соответствии с кодом адреса канала, поступающего от внешнего управляющего устройства, подключает выход соответствующего ДУ 4, входящего в соответствующую ему цепь из n-ВЦФС 2 к входу БНС 9. Усиленный и отфильтрованный сигнал с выхода БНС 9 поступает на вход АЦП 12, который по команде из внешнего управляющего устройства осуществляет его преобразование в цифровой код. Кроме этого, коммутатор 8 в соответствующее время подключает к входу БНС 9 первое контрольное напряжение, которое поступает на вход для приема первого контрольного напряжения коммутатора 8. АЦП 12 преобразует это напряжение в цифровой код. Код контрольного напряжения с выхода АЦП 12 используется в дальнейшем для диагностики работоспособности БНС 9 и АЦП 12. Для этого во внешнем устройстве обработки информации программно организуется допусковый контроль этого кода. В случае выхода этого кода за установленный допуск БНС 9 и АЦП 12 забраковываются. Допуск устанавливается на этапе разработки программного обеспечения для устройства обработки информации исходя из технических характеристик элементов, входящих в указанные выше устройства.
В рабочем режиме переключатель 6, входящий в БФКС 5, замыкает вход буфера 7 на общую шину устройства (корпус). При этом контрольное напряжение на входы смещения ДУ 4 не подается. Режим работы БФКС 5 задается командой, поступающей из внешнего управляющего устройства на вход управления переключателя 6. По этой же команде ИПД 1 включается (становится активным) и выходное напряжение питания поступает на датчики приближения через датчики тока 3. Внешние датчики приближения работают в определенном интервале токов. С одной стороны, режим нормальной работы ограничен минимальным рабочим током, с другой - максимальным рабочим током.
Используя это свойство датчиков, можно осуществлять контроль входных цепей на обрыв и на замыкание. Так, в случае фиксации устройством тока, равного нулю, можно диагностировать обрыв входной цепи. В случае фиксации устройством тока, превышающего максимальную величину рабочего тока датчика, - замыкание входной цепи на общую шину устройства (корпус).
В режиме расширенного (наземного) контроля переключатель 6 подключает вход буфера 7 к источнику второго контрольного напряжения (на фиг. 1 не показан).
При этом команда на включение расширенного контроля подается из внешнего управляющего устройства на вход управления переключателя 6 и вход управления ИПД 1. В этом режиме выходное напряжение ИПД 1 отключается, питание на внешние датчики приближения не подается. Падение напряжения на датчике тока 3 в каждой цепи из n-ВЦФС 2 отсутствует. С выхода буфера 7 контрольное напряжение подается на входы смещения всех ДУ 4 всех цепей n-ВЦФС 2. С выходов последних это напряжение поступает на входы коммутатора 8. Коммутатор 8, в соответствии с кодом адреса канала, поступающего из внешнего управляющего устройства, подключает выход соответствующего ДУ 4 к входу БНС 9. С выхода БНС 9 контрольные сигналы поступают на вход АЦП 12, который по команде из внешнего управляющего устройства осуществляет их преобразование. N кодов контрольного напряжения с выхода АЦП 12 поступают во внешнее устройство обработки информации для диагностики работоспособности каждого канала коммутатора 8 и каждого ДУ 4. Для этого программно организуется допусковый контроль указанных кодов. При несоответствии каждого указанного кода установленному допуску соответствующий ему канал коммутатора 8 или ДУ 4 забраковывается. Допуск рассчитывается исходя из технических характеристик элементов ДУ 4, БНС 9, АЦП 12 на этапе разработки программного обеспечения.
Предлагаемое техническое решение за счет введения блока БФКС 5, коммутатора 8, блока БНС 9 и новых связей между узлами устройства позволило создать новое многоканальное устройство сбора данных, в котором осуществляется встроенный контроль входящих в него узлов, и снизить затраты времени на его обслуживание и диагностику.