КОНТРОЛЛЕР

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области микроэлектроники и вычислительной техники и может найти свое применение в качестве элемента интеграции в различное промышленное оборудование.
Уровень техники
В уровне техники представлен широкий спектр контроллеров, предназначенных для выполнения тех или иных задач. Так, в области робототехники известны узкоспециализированные контроллеры, предназначенные для управления движением.  Например, известен контроллер TB6560AFTG производства компании Toshiba, выполненный на базе однокристальной схемы и предназначенный для управления шаговым электродвигателем. Указанный контроллер представляет собой функционально законченное изделие, при этом внесение изменений в его конструкцию для обеспечения возможности выполнения им иных задач не представляется возможным.
Вместе с тем, на рынке существует возрастающая потребность в компактных устройствах контроля и управления, обладающих расширенными функциональными возможностями и способностью адаптации к меняющимся условиям производства. Примером этому может служить популярность устройств платформы Arduino, по существу представляющих собой плату с микроконтроллером и рядом интерфейсов связи и ввода/вывода информации. Данные устройства обладают повышенной функциональностью по сравнению со специализированными контроллерами, вследствие чего обеспечивают возможность их применения в различных областях включая системы «умный дом», промышленное производство, охранные системы, метеостанции и другие.
В то же время, к недостаткам таких устройств можно отнести то, что они предоставляют лишь базовый функционал, в то время как обеспечение требуемых функций осуществляется потребителем за счет использования так называемых плат расширения (Shields), таких как конвертеры напряжения, платы расширения для работы с датчиками,  двигателями, LCD-экранами, SD-картами,  платы со встроенными реле для подключения к нагрузке и прочее, представляющими собой иные функционально и конструктивно законченные изделия, не относящиеся к самой плате Arduino. Кроме того, указанные известные решения сами по себе не обладают возможностью выборочного независимого управления питанием подключаемой нагрузки.
Предлагаемая полезная модель направлена на преодоление недостатков известного уровня техники и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей контроллера, выполненного на основе печатной платы.
Раскрытие полезной модели
Для достижения указанного выше технического результата предлагается контроллер, выполненный на основе печатной платы, содержащий расположенные на печатной плате: модуль блока питания, выполненный с возможностью  преобразования входного напряжения в напряжения 5 В и 3.3 В, модуль микроконтроллера, модуль USB-контроллера, модуль блока управления внешней нагрузкой, модуль HUB-контроллера, модуль USB-вводов\выводов, состоящий из USB-разъемов и контроллеров питания этих портов, модуль загрузочного интерфейса, модуль блока индикации и модуль интерфейса GPIO для подключения внешних дополнительных модулей и плат расширения, при этом указанные модули расположены на печатной плате так, что модуль блока питания связан с модулем микроконтроллера, модулем HUB контроллера, модулем USB-вводов\выводов, модулем интерфейса GPIO и модулем блока управления внешней нагрузкой, а модуль микроконтроллера дополнительно связан с модулем блока управления внешней нагрузкой, модулем загрузочого интерфейса, модулем интерфейса GPIO, модулем HUB контроллера, при этом модуль HUB-контроллера дополнительно связан с модулем USB-контроллера, модулем загрузочного интерфейса, модулем блока индикации и модулем USB-вводов\выводов, а модуль микроконтроллера выполнен 32-разрядным с возможностью раздельного управления питанием каждого из множества интерфейсов USB.
В дополнительном варианте осуществления модуль блока управления внешней нагрузкой содержит два реле, одно из которых представляет собой реле общего назначения, а второе предназначено для управления электромагнитным замком. Кроме того, в вариантах развития полезной модели предусматривается, что множество интерфейсов USB для подключения внешних устройств может ограничиваться двенадцатью интерфейсами USB, а модуль интерфейса GPIO обеспечивает возможность подключения таких средств как считыватель RFID-карт, датчиков температуры и/или герконов.
В нижеследующем разделе описания представлены сведения, достаточные для специалиста и показывающие, каким образом может быть осуществлена полезная модель с достижением указанного технического результата.
Осуществление полезной модели
Далее в описании представлены иллюстративные примеры осуществления полезной модели, не предназначенные для ограничения объема правовой охраны. Для специалиста будет понятно, что принципы, положенные в основу предложенного решения могут быть использованы в различных отраслях промышленности, не ограниченными описанными ниже, при этом примеры, касающиеся аппаратной реализации устройства, в частности, указания на исполнительные и периферийные средства представлены в той мере, чтобы указывать на принципиальную возможность выполнения полезной моделью возлагаемых на нее функций. Такие средства могут быть заменены на любые известные из уровня техники средства, соответствующие указанным далее интерфейсам, без ущерба для возможности реализации полезной моделью ее назначения или достижения технического результата. Понятия «блок» и «модуль» также представлены в иллюстративных целях и использованы в качестве обобщения известных из уровня техники конструктивного выполнения соответствующих средств. В некоторых случаях данные понятия являются тождественными.
Для более полного понимания сущность полезной модели в описании даны отсылки на соответствующие позиции поясняющих чертежей, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид платы с установленными модулями;
фиг. 2 - блок-схема предлагаемого контроллера.
На фиг. 1 представлен общий вид изготовленного изделия согласно предложенной полезной модели.
Хотя принципы изготовления печатных плат и принципы физического размещения (фиксации) на них электронных компонентов выходят за рамки данной заявки, для специалиста будет понятно, что в качестве печатной платы для осуществления предложенного решения могут быть использованы, преимущественно, жесткие односторонние, многосторонние или многослойные печатные платы, содержащие основу в виде диэлектрика (см., например, ГОСТ Р 53429-2009). При развитии миниатюризации электронных компонентов и соответствующих интерфейсов очевидно, что решение может быть осуществлено на основе гибких печатных плат.
На фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемого контроллера.
Указанные на фиг. 2 модули (блоки) предназначены для выполнения следующих функций:
1. Блок питания, предназначенный для преобразования входного 12 В напряжения в 5 В и 3.3 В.  Данный блок обеспечивает питание компонентов устройства в целом. Напряжение 12 В может быть подано непосредственно на блок управления внешней нагрузкой.
2. Микроконтроллер (MCU), предназначенный для управления работой устройства. Данный блок отвечает за работу остальных компонентов устройства.
3. Модуль USB-контроллера, предназначенный для соединения с устройством по USB.
4. Блок управления внешней нагрузкой, в иллюстративном варианте осуществления состоящий из двух реле: общего назначения и для управления электромагнитным (ЭМ) замком.
5. HUB-контроллер, предназначенный для управления передачей данных между блоками 3,6 и 2.
6. Модуль USB-вводов\выводов, предназначенный для подключения других устройств (до 12 шт.).
7. Загрузочный интерфейс предназначен для отладки устройства. Данный блок отвечает за режим работы (штатный режим работы, загрузка ПО).
8. Блок индикации, предназначенный для индикации работы устройства.
9. Блок GPIO, Предназначенный для подключения других периферийных устройств (геркон, считыватель карт, датчики, т.д.) по таким интерфейсам как 1-wire.
В качестве центрального элемента предложенного решения предполагается использование 32-разрядного микроконтроллера (MCU). Разрядность в данном случае непосредственно связана с техническим результатом и обусловлена необходимостью обеспечения возможности подключения и контролирования увеличенного количества периферийного оборудования.
Существенным в предложенном решении является наличие загрузочного интерфейса, который позволяет адаптировать контроллер в зависимости от условий его использования. В качестве такого микроконтроллера используются микроконтроллеры STM32, а могут быть выбраны 32-разрядные микроконтроллеры, например, производства Atmega.
Кроме того, для достижения технического результата в предложенном решении указанный выше микроконтроллер подключается через USB-контроллер к общей шине USB, что позволяет управлять всем контроллером по тому же USB-интерфейсу, по которому подключаются все USB-устройства, а также обеспечивается  возможность гибкого управления периферийными устройствами.
Отмеченное выше обеспечивается включением в состав устройства представленных на фиг. 2 блоков, а также соответствующих связей между ними.
В частности, достижение результата обусловлено возможностью подключения к устройству множества внешних устройств по интерфейсу USB. В предпочтительном варианте осуществления количество таких устройств ограничено двенадцатью. При этом устройство обеспечивает раздельное управление питанием каждого из множества интерфейсов USB, к которым могут быть подключены внешние устройства. Например, подача питания на какой-либо, по меньшей мере один, из выбранных интерфейсов USB может быть прервана, либо питание может быть подано.
Основанием для выборочного управления подачей питания может являться информация, поступающая с датчиков внешних устройств. Например, такая информация может поступать в устройство через модуль интерфейса GPIO. В составе данной реализации GPIO (general-purpose input/output) есть интерфейс 1-wire. Данный протокол поддерживает множество устройств, таких как температурные датчики, считыватели карт, герконы, PIO-чипы и прочее. На основании полученной информации микроконтроллер по заданному алгоритму может осуществить как непосредственное управление внешними устройствами по интерфейсу 1-wire, так и обеспечить выборочную подачу или отключение питания по множеству интерфейсов USB (при участии HUB контроллера) и/или осуществить подачу управляющих сигналов в блок управления внешней нагрузкой. Гибкость управления обеспечивается, в том числе, наличием блока питания, выполненного с возможностью преобразования входного напряжения в напряжения 5 В и 3.3 В, из которых напряжения разного номинала могут независимо использоваться для подачи питания как на элементы самого контроллера, так и на периферийные устройства. В случае управления контроллером с компьютера возможно управление контроллером со стороны компьютера по описанному на нём алгоритму.
Предложенное решение обеспечивает возможность создания на его основе гибко изменяемой инфраструктуры.
Например, подключенные к множеству интерфейсов UBS периферийные устройства (например, входящие в состав производственного оборудования) могут иметь в комплекте датчики температуры, которые могут быть подключены к контроллеру по протоколу 1-wire через блок GPIO. Контроллер имеет возможность контролировать температуру подключенных устройств (например, производственного оборудования) и, в случае нештатной ситуации, в соответствии с заранее заданным алгоритмом, выборочно обесточивать устройство, датчик которого показывает превышение температуры, а также вызывать срабатывание замка в помещении, в котором данное оборудование расположено, посредством подачи соответствующего сигнала на блок управления внешней нагрузкой. Таким образом, периферийные устройства могут быть размещены в различных помещениях с независимым управлением доступом в них.
В альтернативном варианте, предложенное устройство может быть использовано в рамках системы безопасности/контроля доступа. В соответствии с данным вариантом микроконтроллер имеет доступ к информации, поступающей от считывателей RFID или герконов на модуль интерфейса GPIO. При этом в качестве средств, использованных в блоке управления внешней нагрузкой, могут располагаться несколько реле, например, реле управления электромагнитным замком и реле общего назначения. При поступлении информации от указанных средств в зависимости от заранее заданного алгоритма микроконтроллер может осуществить выборочное управление питанием как подключенных к USB периферийных устройств, так и управление устройствами, связанными с блоком управления внешней нагрузкой. В качестве таких средств управления в блоке управления могут выступать, например, известные из уровня техники реле. Таким образом, может быть обеспечена гибкость в управлении доступа к помещениям, в которых расположено оборудование требуемого уровня доступа, а также автоматическое управление питанием такого оборудования в зависимости от наличия условий необходимости доступа к нему.
В заявленном решении модуль интерфейса загрузчика обеспечивает возможность выбора и переключения режима загрузки микроконтроллера между режимом обновления прошивки и штатном режимом работы.
Наличие блока индикации позволяет обеспечить контроль состояния не только самого контроллера, но и подключенного периферийного оборудования, что целесообразно при размещении контроллера в централизованном пункте.
Таким образом, предложенное решение обеспечивает существенное расширение функциональных возможностей по сравнению с известными из уровня техники решениями, поскольку, представляет собой контроллер, выполненный на основе одной печатной платы, обеспечивает как контроль параметров состояния подключенных периферийных устройств, так и выборочное управление их питанием в соответствии с заранее заданным алгоритмом.