УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ, ВЫПОЛНЕННОЕ ПО СЕТЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ETHERNET

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике, а именно к средствам цифровой записи параметрических, речевых, видео или иных данных в твердотельный энергонезависимый накопитель информации, и может быть использована в кораблях и судах для записи служебного телеграфного и телефонного обмена. При этом полезная модель может использоваться как автономно, так и в составе автоматизированных корабельной комплексов связи типа "Рокот".
Известно устройство ввода информации для записи данных в твердотельный накопитель (патент РФ.№ 2097825, G06F 3/06, 1996 г.), содержащее блок предварительной обработки информации, входы которого являются входами устройства, соединенный двусторонней связью с микроЭВМ, схему индикации объема информации, блок памяти, также соединенный двусторонней связью с микроЭВМ, блок управления питанием, подключенный к блоку питания, и схему контроля питания для формирования сигнала прерывания записи регистрируемой информации при снижении напряжения питания ниже допустимого. Блок памяти в устройстве выполнен съемным в виде карты памяти.
Для записи полетной информации на карту памяти после включения питания входные параллельные информационные коды в сопровождении тактовых импульсов подают на вход блока предварительной обработки информации, где их стробируют (синхронизируют), производят предварительную побайтовую упаковку и буферизацию входной информации и, по мере ее поступления, записывают поочередно в одно из двух оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) до их заполнения. Затем с помощью процессора и контроллера, входящих в состав микроЭВМ, регистрируемая информация считывается из ОЗУ, проверяется и записывается в виде файла в блок памяти устройства (накопитель) до его заполнения, после чего запись останавливается. Состояние устройства при этом визуализируется на индикаторах лицевой панели корпуса устройства, а объем заполнения блока памяти (в процентах к его полному объему) отображается схемой индикации объема информации.
Это устройство записи позволяет несколько повысить скорость регистрации данных и упростить процесс их дальнейшей обработки, а также контролировать возможное время регистрации, чтобы избежать потерь информации. В то же время возможный объем записываемой информации в этом устройстве ограничивается техническими характеристиками (объемом) карты памяти, и при длительном полете летательного аппарата может возникнуть необходимость в ее замене, что снижает функциональные возможности устройства записи.
Известно устройство для цифровой записи информации, реализованное в виде твердотельного бортового накопителя типа ТБН-К-4 (см. Руководство по технической эксплуатации МИВЮ.794121.003, АО «НПО «Прибор», 1998 г.). Носителем информации в этом устройстве также служит электронная карта памяти. При этом запись информации от каждого входа устройства производят в отдельные соответствующие им блоки памяти накопителя информационными массивами определенной длины. После заполнения каждого блока памяти продолжают запись информации взамен ранее записанной информации с образованием так называемого кольца. Для маркирования конца записи в кольце после записи каждого массива информации записывают массив единиц, длина которого существенно превышает массив полезной информации (в частности, при длине массива полезной информации 512 байт длина массива единиц составляет примерно 2 килобайта); при этом каждый следующий массив информации и сопровождающий его массив единиц записывают взамен предыдущего массива единиц.
Таким образом, в записи информации, принимаемой от каждого входа, присутствует единственный массив единиц, относящийся к последнему записанному массиву информации, что позволяет при включении питания накопителя обнаруживать адрес окончания предыдущей записи путем нахождения массива единиц.
После выключения питания накопителя по тем или иным причинам и последующем его включении, запись очередного массива информации в блок памяти продолжают с того места, где была прервана предыдущая запись. При этом предварительно в блоке памяти находят начальный адрес массива единиц, и, начиная с этого адреса, записывают массив нулей длиной 512 байт для маркировки начала записи данного включения, а затем очередной массив информации.
Это устройство имеет два входа для приема информации и содержит устройство согласования и формирования сигналов, предназначенное для предварительной обработки поступающей информации, связанное двусторонней связью с микроЭВМ, а также индикатор состояния устройства и блок питания со схемой его управления. С выхода микроЭВМ, включающей процессор и контроллер, соединенные внутренней шиной, регистрируемая информация подается в твердотельный накопитель (на электронную карту памяти), в котором выделены блоки памяти по количеству входов устройства.
Однако в таком устройстве необходимость записи массива единиц после регистрации каждого массива информации снижает реальное быстродействие записи. При этом возможность снижения этих потерь за счет увеличения длины массива информации отсутствует, поскольку при неожиданном выключении питания теряются все данные, подготовленные для записи, но не записанные на электронную карту, т.е. чем длиннее установленный массив полезной информации, тем большая часть данных может быть потеряна. Уменьшение длины массива единиц также невозможно, т.к. эта длина определяется необходимостью отличить границу записи от максимально возможной последовательности единиц в полезной информации.
Кроме того, после включения питания для определения начального адреса записи поступающих на входы накопителя новых данных необходимо произвести поиск массива единиц в каждом блоке памяти. С ростом емкости электронных карт памяти время поиска этого массива единиц, то есть время приведения устройства в состояние готовности к работе, пропорционально увеличивается, и при значениях емкости более 1 Гб может достигать десятков минут. Это недопустимо с точки зрения его функционального назначения и тем самым ограничивает возможность применения в известном устройстве электронных карт памяти большой емкости.
Одним из недостатков известного устройства является и отсутствие возможности непосредственно, без расшифровки накопленной информации, синхронизировать по времени массивы данных, записанные от разных входов накопителя. Кроме того, запись данных на электронную карту памяти не сопровождается записью каких-либо дополнительных данных, устанавливающих правильность выполнения этой записи, что может привести к неконтролируемому снижению достоверности записи.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является полезная модель № 34 244 «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ», МПК G01D 9/00 (2000.01), G06F 3/06 (2000.01), опубликованная 27.11.2003 Бюл. № 33.
Полезная модель № 34 244 решает задачу повышения быстродействия записи информации в твердотельный накопитель, снижения времени поиска границы записи после включения питания, синхронизации массивов данных, повышения достоверности записи информации.
Для этого в устройстве для записи цифровой информации, содержащем блок предварительной обработки информации с одним или несколькими входами, которые являются входами устройства, микроЭВМ, связанную двусторонней связью с блоком предварительной обработки информации, твердотельный накопитель информации с выделенными в нем блоками памяти по количеству входов устройства, соединенный двусторонней связью с выходом микроЭВМ, и блок питания, твердотельный накопитель снабжен дополнительно сформированным в нем блоком памяти поиска, подключенным двусторонней связью к микроЭВМ и предназначенным для поиска конца предыдущей записи с помощью записи служебной информации в виде номера включения накопителя и адреса начала записи с осуществлением записи по «кольцу».
При этом твердотельный накопитель информации выполнен в виде электронной карты памяти на микросхемах флэш-памяти, а микроЭВМ выполнена в виде процессора, подключенного двусторонней связью к контроллеру.
Блок предварительной обработки информации в устройстве выполнен в виде приемников-преобразователей в количестве, соответствующем числу входов устройства, подключенных к контроллеру обмена, соединенному двусторонней связью с буферным устройством, и регистра сигналов состояния, вход которого подключен к выходу контроллера обмена.
Кроме того, для контроля технического состояния накопителя он дополнительно снабжен сформированным в нем блоком памяти ошибок, также соединенным двусторонней связью с микроЭВМ.
Недостатком известного устройства для записи цифровой информации, являющегося прототипом, является относительно низкая надежность сохранности записываемой цифровой информации, ввиду того, что вся цифровая информация хранится на одном твердотельном накопителе информации, выход из строя которого приводит к потере всей информации, поступающей от всех входов устройства для записи цифровой информации.
При этом ограниченность объема памяти твердотельного накопителя информации предполагает в процессе записи новой информации, стирание ранее записанной. Также в нем не предусмотрено оперативное изъятие информации, записанной по одному из входов, без нарушения условий функционирования устройства в целом.
В устройстве-прототипе отсутствует резервирование источника электропитания, что также снижает его надежность при автономной работе.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности и качества записываемой информации, а также повышение надежности устройства для записи цифровой информации при его автономном функционировании, за счет использования сетевой архитектуры построения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройство для записи цифровой информации, выполненное по сетевой технологии Ethernet с несколькими входами, которые являются входами устройства, содержащее блок питания, индикатор состояния, контроллер обмена, к которому подключены твердотельный накопитель, выполненный в виде электронной карты памяти на микросхемах флэш-памяти, соединенный двусторонней связью с микроЭВМ, дополнительно введен резервный источник питания, а контроллер обмена и карта памяти конструктивно размещены в ячейке цифровой записи, и количество ячеек цифровой записи соответствует числу независимых входов устройства для записи цифровой информации, а поскольку каждая ячейка цифровой записи имеет два независимых канала, то и каждый вход устройства для записи цифровой информации имеет два канала, конструктивно ячейки цифровой записи размещены в блоке модулей расширения, каждая ячейка цифровой записи является съемной и через свой коммутатор Ethernet подключена к общей шине, к которой подключена микроЭВМ, конструктивно коммутаторы Ethernet, общая шина, микроЭВМ, а также основной и дополнительный блоки питания размещены в кросс-плате, а к общей шине через коммутатор Ethernet подключен вычислительный модуль блока управления, к разъемам которого подключены индикатор состояния, выполненный в виде дисплея, сенсорный интерфейс, для управления устройством цифровой записи и встроенный динамик, конструктивно вычислительный модуль блока управления с коммутатором Ethernet, а также дисплей, сенсорный интерфейс и встроенный динамик размещены в блоке управления устройством цифровой записи, а контроллер коммуникации с периферийными устройствами входит конструктивно в блок модулей расширения и связан с общей шиной кросс-платы.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна». Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи повышения надежности записываемой информации, а также повышение надежности функционирования устройства для записи цифровой информации при его автономном размещении. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом на фиг. 1, где показана общая блок-схема устройства для записи цифровой информации (УЗЦИ), в состав которого входят
1 – блок управления УЗЦИ;
2 – кросс-плата;
3 – блок модулей расширения;
4 – вычислительный модуль блока управления;
5 – коммутатор Ethernet;
6 – общая шина, для синхронизации внутренней локальной сети;
7 – сенсорный интерфейс;
8 – дисплей;
9 – встроенный динамик;
N
10.1 … 10. – коммутаторы Ethernet;
11 – блок питания 220 В, 50 Гц переменного тока (основное питание);
12 – блок питания 27 В постоянного тока (резервное питание);
13 – микроЭВМ;
N
14.1 … 14. – ячейки цифровой записи (ЯЦЗ).
Устройство для записи цифровой информации конструктивно состоит из блока управления 1; кросс-платы 2 и блока модулей расширения 3 (здесь и далее см. фиг. 1).
В свою очередь, блок управления 1 содержит в своем составе вычислительный модуль блока управления 4 со специализированным программным обеспечением, предназначенный для управления УЗЦИ; коммутатор Ethernet 5 для связи с общей шиной 6 из состава кросс-платы 2; сенсорный интерфейс 7, предназначенный для регулирования параметрами настройки УЗЦИ; дисплей 8, предназначенный для отображения служебной информации; встроенный динамик 9, предназначенный для прослушивания записанной цифровой информации.
Вычислительный модуль блока управления 4 может быть реализован на одноплатном компьютере с использованием технологии SMARC (Smart Mobility ARChitecture), см. SMARC 2.1 Specification 2020-03-23. Средства расширения и настройки реализуются на несущей плате. SMARC-модуль и несущая плата в совокупности обеспечивают функциональность «компьютера на одной плате».
Специализированное программное обеспечение реализует управление всеми функциями УЗЦИ: отображение интерфейса; контроль доступа; работа с каталогом записей; прослушивание записей; синхронизация времени с внешними источниками; настройки всех параметров; обеспечение протоколов дистанционной работы; вывод диагностической информации и журналов; выгрузка данных на USB.
Программное обеспечение может работать, например, под управлением операционной системы Linux. Управление функциями УЗЦИ в основном режиме осуществляется с помощью сенсорного интерфейса 7, расположенного поверх дисплея 8.
Реализация сенсорных интерфейсов, расположенных поверх дисплея, известны. (например, см. Мухин И. А. Сенсорные экраны — решение проблем (10 технологий). «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть — № 3(55) май 2006, с.50-52; 2 часть — № 4(56) июнь-июль 2006, с.40-41; 3 часть — № 7(59) ноябрь 2006, с.64-66).
Реализация коммутаторов Ethernet известна (например, Брайан Хилл. Глава 9. Основные сведения о коммутаторах // Полный справочник по Cisco = Cisco: The Complete Reference. — «Вильямс». — С. 1088. — ISBN 0-07-219280-1).
N
N
N
В свою очередь, кросс-плата 2 содержит в своем составе общую шину 6, предназначенную для синхронизации внутренней локальной сети УЗЦИ; коммутаторы Ethernet – 10.1 … 10., предназначенные для подключения ЯЦЗ 14.1 … 14.к общей шине 6; блоков питания 220 В 11 и блок питания 12 В 12, обеспечивающие электропитание УЗЦИ как в составе автоматизированных корабельной комплексов связи типа "Рокот", так и в автономном режиме; микроЭВМ 13, предназначенной для управления внутренней локальной сетью и коммутации ЯЦЗ 14.1 … 14.из состава блока модулей расширения 3.
Кросс-плата выполнена в виде печатной платы с разъемами, для установки оборудования.
Реализация кросс-плат известна (см.  ГОСТ Р 50304-92).
N
МикроЭВМ 13 и коммутаторы Ethernet – 10.1 … 10.обеспечивают контроль используемой ячейки кросс-платы, назначения ей сетевого адреса во внутренней сети. Кроме того, микроЭВМ обеспечивает управление работой источников электропитания (включение, выключение, перезагрузка).
Реализация микроЭВМ возможна и на микроконтроллере MCU (см. Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. — М.: Интернет-университет информационных технологий, 2003. — ISBN 5-7163-0089-8).
N
Реализация коммутаторов Ethernet – 10.1 … 10. аналогична коммутатору Ethernet 5.
N
В свою очередь блок модулей расширения (3) в своем составе содержит съемные ЯЦЗ 14.1 … 14., в состав которых, в свою очередь, конструктивно встроены контроллер обмена и карта памяти.
Каждая из ЯЦЗ обеспечивает: синхронизацию работы с вычислительным модулем блока управления 4; оцифровка аналоговой звуковой информации и ее кодирование; ведение встроенного каталога записей; проверку консистентности каталога и файлов записей; приём команд от вычислительного модуля блока управления 4 и выдачу на него телеметрических данных.
N
N
N
N
Для реализации указанных функций, каждая съемная ЯЦЗ 14.1 … 14. может быть реализована в виде одноплатных компьютеров, включающих в себя вычислительный модуль, построенный с использованием технологии SMARC и специализированного программного оборудования, работающего под управлением операционной системы Linux. Непосредственно запись в каждой ЯЦЗ производится на твердотельный накопитель в виде флеш-памяти. Внешний вход каждой ЯЦЗ имеет 2 канала, на которые подаются телефонные и телеграфные сигналы, предназначенные для записи. Таким образом, вход 1 содержит канал 1.1 и канал 1.2, вход 2 содержит канал 2.1 и канал 2.2, вход  содержит канал .1 и .2.
Общее количество подключаемых ЯЦЗ определяется техническими возможностями кросс-платы. Например, в изделии «Посейдон УЦЗ-1» используется 12 ЯЦЗ, что обеспечивает возможность одновременной записи до 24 каналов, см. рекламную листовку устройства цифровой записи «Посейдон УЦЗ-1».
Заявляемое устройство УЗЦИ работает следующим образом.
N
N
N
После включения источника питания 11 и настройки режима работы УЗЦИ, выбора соответствующего канала и соответствующего входа ЯЦЗ 14.1 … 14., посредством сенсорного интерфейса 7 на дисплее 8, в вычислительном модуле блока управления 4 формируются соответствующие управляющие команды, которые через коммутатор Ethernet 5 подаются на микроЭВМ 13, подключенную к общей шине 6. Посредством общей шины 6 микроЭВМ 13 через коммутаторы Ethernet 10.1 … 10. подает управляющие команды на ЯЦЗ 14.1 … 14., подготавливая их к работе.
N
Поступающая в ЯЦЗ 14.1 … 14.через каналы записи телефонная и телеграфная информация, с учетом того, что на один вход УЗЦИ приходится два канала записи ЯЦЗ.
В ЯЦЗ телефонная и телеграфная информация преобразуется на логическом и электрическом уровнях до цифрового вида, пригодного для дальнейшей обработки, и записывается в карту памяти ЯЦЗ в виде файлов. При этом предусмотрены следующие режимы записи в каждом из каналов: непрерывный, по сигналу от внешнего устройства и автоматический, при котором запись производится только при наличии речевого сигнала в канале записи. Файл или автоматически формируется по окончанию телефонной и телеграфной информации, или в результате управляющего сигнала, устанавливаемого на сенсорном интерфейсе 7.
Данные о размере, имени файла, времени записи и местоположении в карте памяти микроЭВМ 13 посредством общей шины 6, коммутатор Ethernet 5 передает в вычислительный модуль блока управления 4, с последующим отображением на дисплее 8.
При необходимости любой файл может быть прослушан посредством встроенного динамика 9, а также перезаписан на внешний накопитель в виде карты памяти, подсоединенной к входу той ЯЦЗ, на карте памяти которой файл записан. Записанный в ЯЦЗ файл может быть удален из карты памяти ЯЦЗ путем управляющих сигналов с сенсорного интерфейса 7.
Размеры записываемого в ЯЦЗ файл массива телефонной и телеграфной информации ограничиваются физическим объемом карты памяти ЯЦЗ.
При выключении источника питания 11, микроЭВМ 13 автоматически подключает источник резервного питания 12 и переводит УЗЦИ в режим автономного функционирования.
При неисправности ЯЦЗ, она меняется без нарушения работы остальных ЯЦЗ за счет сетевой архитектуры построения.
Таким образом, заявляемое УЗЦИ обеспечивает повышение надежности и качества записываемой информации, а также повышение надежности УЗЦИ при его автономном функционировании, за счет использования сетевой архитектуры построения, что указывает на достижение технической задачи.