Интеллектуальное устройство накопления и обработки информации

Полезная модель относится к области ядерного приборостроения, а именно к устройствам накопления и обработки информации, применяемым в составе систем и приборных комплексов радиационного контроля на объектах с ядерными энергетическими установками, а также на других радиационно-опасных объектах, связанных с получением, переработкой и использованием радиоактивных материалов.
Известно устройство накопления и обработки информации Digitizer 751 (каталог продукции фирмы «CAEN», https://www.caen.it/subfamilies/751-digitizer-family/), содержащее модуль управления, узел сопряжения с блоками детектирования (далее-БД), узел электропитания, узел диагностики. Недостатками известного устройства является отсутствие средств индикации и отображения измерительной информации, отсутствие энергонезависимой памяти для сохранения измерительной информации и средств самодиагностики узлов самого устройства и подключаемых к нему периферийных устройств. Известное устройство предназначено для эксплуатации в условиях помещений с регулируемыми климатическими условиями и стабилизированным напряжением электропитания.
Известно устройство накопления и обработки информации УНО-17Р1 (свидетельство утверждения описания типа средства измерения RU, Е.38.050.А №50995, Приложение стр. 3 https://all-pribors.ru/docs/53723-13.pdf), содержащее модуль управления на базе программируемых микроконтроллеров (8 разрядные процессоры), узел сопряжения с БД, узел электропитания, узел диагностики, узел отображения информации, аварийный сигнализатор. Недостатками известного устройства является его совместимость с ограниченной, жестко определенной номенклатурой БД, отсутствие контроля электропитания, энергонезависимой памяти и средств самодиагностики узлов устройства.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство накопления и обработки информации УНО-201Е ФГУП «ПСЗ» по Каталогу оборудования для радиационного контроля, Русское издание, 2010 г., стр. 4-2, 4-3, https://pszsep.ru/en/p/id3003/#.YiR6E3pBw3F, содержащее размещенные в корпусе узел получения и преобразования импульсных потоков от подключаемых БД в значение физической величины, выработки сигналов по каждому подключенному БД, хранения данных и связи с внешними устройствами, узел сопряжения с БД, узел диагностики подключаемых БД и узлов, входящих в устройство, узел ввода/вывода информации, средства индикации, узел электропитания. Недостатком известного устройства является возможность его применения для узко ограниченной, жестко определенной номенклатуры БД, сложность эксплуатации, обусловленная наличием в его составе дополнительных блоков питания, вырабатывающих фиксированные номиналы низковольтного напряжения питания БД, а также отсутствие встроенных средств управления электропитанием подключенных БД, отсутствие в составе УНО энергонезависимого постоянного запоминающего устройства. Известное устройство не допускает подключение БД и внешних устройств с использованием интерфейсов USB и Ethernet. Недостатком также является невозможность длительной/постоянной защиты от изменений (провалов, выбросов и кратковременных прерываний) напряжения питания, с одновременной автоматической подстройкой для продолжения функционирования в режиме работы с измененными значениями напряжения питания.
Задачей, решаемой при создании полезной модели, является создание интеллектуального устройства накопления и обработки информации, обеспечивающего возможность автоматического подключения БД за счет всторенных средств управления электропитанием и электронных ключей для коммутации выходов БД, и наличия базы данных характеристиками БД и каналов обмена информацией с интерфейсами RS-485, USB и Ethernet для связи с внешними устройствами.
Техническим результатом от применения предложенной полезной модели является возможность работы ИУНО со всей номенклатурой БД, представленных на рынке, без дополнительной адаптации под конкретный БД, и широкой номенклатурой компьютеризированных технических средств, оснащенных каналами обмена информацией с интерфейсами RS-485, USB и Ethernet, что в целом представляется расширением арсенала технических средств в области устройств обработки и накопления информации.
Технический результат достигается тем, что интеллектуальное устройство накопления и обработки информации (ИУНО) содержит содержащее размещенные в корпусе узел получения и преобразования импульсных потоков от подключаемых блоков детектирования (БД) в значение физической величины, выработки сигналов по каждому подключенному БД, хранения данных и связи с внешними устройствами (УППХС), узел сопряжения с БД, узел диагностики подключаемых БД и узлов, входящих в ИУНО, узел ввода/вывода информации, средства индикации, узел электропитания. УППХС снабжен микроконтроллером, электрически связанным с энергонезависимым запоминающим модулем, включающим оперативное запоминающее устройство для хранения значений измеряемой физической величины, поступающих от БД, и результатов диагностики БД и узлов ИУНО, и постоянное запоминающее устройство с обеспечением постоянного хранения предустановленной базы данных с характеристиками БД. Также вышеупомянутый микроконтроллер электрически связан с входящими в состав УППХС программно управляемыми интерфейсными модулями, по меньшей мере, по одному RS-485, USB, Ethernet с использованием проводной линии связи и Ethernet с использованием оптической линии связи для связи с внешними устройствами. Узел электропитания снабжен микроконтроллером, связанным с программно управляемыми преобразователем переменного/постоянного тока и блоком бесперебойного питания, при этом в ИУНО организована информационная шина с обеспечением связи всех узлов ИУНО между собой двусторонними электрическими дуплексными связями.
УППХС снабжен интеллектуальными электронными ключами для передачи сигналов от выходов подключенных БД к входам таймеров-счетчиков микроконтроллера и многоканальным модулем обмена данными по RS-485.
Узел электропитания снабжен стабилизатором напряжения с программируемыми делителями напряжения и мультиплексорами для подачи необходимого напряжения к соответствующим контактам соединителей для подключаемых БД и узлов ИУНО узла сопряжения с БД.
Узел сопряжения с БД содержит микроконтроллер, связанный с программно управляемыми электронными ключами для коммутации между входами сигналов от БД и узлами ИУНО.
Предустановленная база данных характеристик БД включает данные о типе и измерительных характеристиках БД, назначении входных и выходных информационных линий и линий управления БД, значениях напряжения питания БД, протоколах обмена, значениях параметров контроля работоспособности БД, а также значениях установленных пороговых уровней измеряемой БД физической величины.
Информационная шина выполнена в виде печатной кросс-платы с установленными на ней соединителями и проложенными между соединителями печатными проводниками, при этом узлы ИУНО в виде отдельных электрических плат с разъемами размещают в соединителях.
Узел ввода/вывода информации снабжен сенсорной панелью, выполненной с возможностью отображения данных, а также ввода данных (команд) для конфигурирования параметров подключенных узлов ИУНО и БД.
Входы сигналов от БД узла сопряжения с блоками детектирования выполнены в виде клеммных соединителей, а входы для подсоединения внешних устройств выполнены в виде электрических разъемов.
В корпусе ИУНО выполнен отдельный отсек, в котором размещены клеммные соединители и электрические разъемы.
Полезная модель поясняется схемой.
На фигуре изображена структурная схема ИУНО.
Полезная модель может быть осуществлена следующим образом.
Узел получения и преобразования импульсных потоков от подключаемых БД в значение физической величины, выработки сигналов по каждому подключенному БД, хранения данных и связи с внешними устройствами 1 (далее УППХС 1) представляет собой аппаратно-программное средство, выполняющее в ИУНО роль центрального процессора. УППХС 1 включает микроконтроллер с установленным ПО (например, STM32F407ZG фирмы «STMicroelectronics»), электрически связанный с энергонезависимым запоминающим модулем, включающий постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающим устройством (ОЗУ), а также с программно управляемыми посредством микроконтроллера модулями интерфейсными (МИ) для реализации каналов связи с интерфейсами RS-485, USB, Ethernet (проводной) и Ethernet (оптический), по меньшей мере, по одному модулю каждого типа. В состав УППХС 1 входят управляемые по сигналам микроконтроллера электрически связанные с ним интеллектуальные электронные ключи, сигнальные светодиоды, многоканальный модуль обмена данными. ПЗУ служит для введения и постоянного хранения прикладного программного обеспечения и базы данных (табличное хранение специфицированных сигналов подключаемых БД). Загружаемая база данных содержит характеристики БД в соответствии с номенклатурой имеющихся на рынке БД на настоящий момент, и включают данные о типе и измерительных характеристиках БД, назначении входных и выходных информационных линий и линий управления БД, значениях напряжения питания БД, протоколах обмена, значениях параметров контроля работоспособности БД, а также значениях установленных пороговых уровней измеряемой БД физической величины. В качестве запоминающего устройства применена, например, микросхема M25p80 «Micron». ОЗУ используется для размещения исполняемых (работающих, действующих) в реальном времени программных модулей и массивов информационных данных. Эту функцию успешно выполняет, например, ОЗУ встроенное в состав вышеупомянутого микроконтроллера STM32F407ZG. Программно управляемые посредством микроконтроллера модули интерфейсные (МИ) для реализации каналов связи с интерфейсами RS-485, USB, Ethernet (проводной) и Ethernet (оптический) обеспечивают связи с внешними устройствами. Каждый МИ выполнен как программно-аппаратное средство, включающее в себя микросхемы, обеспечивающие электрические и временные характеристики соответствующих интерфейсов (например, микросхема ADM2584 фирмы «Analog Devices» - для RS-485, встроенный порт микроконтроллера STM32F407ZG фирмы «STMicroelectronics» совместно с модулем защиты 82401 фирмы «Wurth Elektronik» - для USB, микросхема LAN9250 фирмы «Microchip» совместно с трансивером DP83869HM фирмы «Texas Instruments» - для Ethernet (проводной) и микросхема LAN9250 фирмы «Microchip» совместно с трансивером Fiber Transceiver фирмы «Texas Instruments» и модулем защиты HSP053-4M5 фирмы «Microchip» - для Ethernet (оптический)). Формирование информационных пакетов данных в соответствии с установленными протоколами обмена осуществляется микроконтроллером, входящим в состав УППХС 1. Управляемые по сигналам микроконтроллера электронные ключи (например, К293ЛП8Т АДБК.431160.781ТУ) обеспечивают передачу сигналов от аналоговых выходов БД к входам таймеров-счетчиков микроконтроллера и многоканального (до 8 каналов) модуля обмена данными по RS-485 (например, использован сервер последовательных устройств серии NPort фирмы «МОХА»). Светодиоды зеленого и красного цвета свечения обеспечивают индикацию работоспособности (светодиод зеленого цвета свечения) или наличия неисправности/отклонений от номинальных значений, контролируемых в процессе диагностики параметров узлов ИУНО (светодиод красного цвета свечения).
Узел сопряжения с блоками детектирования 2 (далее - УСБД 2) включает в себя микроконтроллер (например, микросхема STM32F407ZG фирмы «STMicroelectronics») с управляющим ПО, электрически связанный с управляемыми двунаправленными электронными ключами (например, микросхема СР74НС4067 фирмы «Texas Instruments»). Микроконтроллер узла УСБД 2 по командам от УППХС 1 вырабатывает управляющие сигналы для электронных ключей и таким образом осуществляет коммутацию между БД и ИУНО. Для согласования электрических характеристик цепей коммутации БД и ИУНО применяются операционные усилители (например, микросхемы МСР6001Т фирмы «Microchip») и аналого-цифровые преобразователи (например, микросхемы AD7768-1 фирмы «Analog Devices»).
Узел электропитания 3 (далее - УЭП 3) выполнен как аппаратно-программное средство, снабженное микроконтроллером (например, STM32F407ZG фирмы «STMicroelectronics»), связанным с преобразователем напряжения (например, модуль DPM8624-485 фирмы «JUNTEK»), обеспечивающим выработку напряжения постоянного тока от сети переменного тока напряжением 220 В и коммутирующим устройством, к которому подсоединен блок бесперебойного питания 6 (далее - БПП 6) с аккумуляторной батареей для подачи рабочего напряжения при отключении сети 220 В. Кроме того, УЭП 3 содержит стабилизатор напряжения 48 В (например, интегральные модули серии LowDrop фирмы «STMicroelectronics»), программируемые делители напряжения (ПДН), на выходе которых вырабатываются напряжения, по значению определяемые как результат от деления напряжения 48 В на значение определенного кода, вырабатываемого микроконтроллером, и считываемого из ПЗУ УППХС 1. Также в состав УЭП входят управляемые микроконтроллером мультиплексоры (например, микросхемы ADM2587 фирмы «Analog Devices»). Микроконтроллер вырабатывает управляющий код, который поступает на входы входящего в состав УЭП 3 преобразователя напряжения и определяет набор напряжений питания БД и узлов ИУНО.
При изменении параметров электропитания, подаваемого на вход ИУНО, УЭП 3 осуществляет автоматическую корректировку напряжения питания узлов ИУНО и подключенных БД и переход на автономную работу от аккумуляторной батареи с использованием БПП 6 и элементов электронных схем УЭП, реализующих стандартные алгоритмы (например, BMS).
УЭП 3 содержит электронные элементы (варисторы, конденсаторы, дроссели и пр.), обеспечивающие защиту цепей электропитания и сигнальных линий связи от перегрузок по напряжению и электромагнитных помех.
Узел диагностики 4 (далее - УДГ 4), обеспечивающий проверку работоспособности подключенных БД и узлов ИУНО, выполнен как аппаратно-программное средство, включающее микроконтроллер (например, STM32F407ZG фирмы «STMicroelectronics»), ОЗУ (например, ОЗУ встроенное в состав микроконтроллера) для хранения результатов проверки работоспособности БД и узлов ИУНО, управляемые двунаправленные электронные ключи (например, К293ЛП8Т АДБК.431160.781 ТУ) для коммутации линий напряжения питания БД и узлов ИУНО, сигналов управления, выходных аналоговых сигналов и сигналов интерфейса RS-485, используемого для подключения различных типов БД.
Для осуществления обмена информацией ИУНО с БД по каналам RS-485 в состав УДГ 4 входит многоканальный модуль обмена по RS-485 (например, сервер последовательных устройств серии NPort фирмы «МОХА»)
Узел ввода/вывода информации 5 (далее - УВВИ 5) может содержать, например, жидкокристаллический дисплей и клавиатуру. Для достижения современного исполнения оптимально применение сенсорной панели отображения и ввода данных (например, модуль Mikromedia 4М17"Сар фирмы «Mikroe») со встроенным микроконтроллером. Сенсорная панель служит для ввода оператором с экрана данных для настройки режимов работы ИУНО, в том числе состава подключаемых к ИУНО БД, а также отображения в разных формах измерительных данных от БД, сообщений о работоспособности БД, сообщений о режимах работы БД и служебных сообщений. Встроенный микроконтроллер предназначен для получения информации от сенсорной панели и передачи этой информации в УППХС 1 по внутренним шинам UART/SPI, а также для получения команд от УППХС 1 и вывода на экран сенсорной панели информации в установленных командами форматах.
Информационная шина ИУНО организована как узел соединителей 7 (далее - УС 7) на базе кросс-платы, представляющей собой печатную плату с установленными на ней электрическими соединителями (разъемами) и проложенными между соединителями печатными проводниками. Узлы ИУНО в виде отдельных электрических плат с разъемами размещают в соединителях кросс-платы, при этом все узлы ИУНО связаны между собой двусторонними электрическими дуплексными связями.
УППХС 1 посредством программного обеспечения осуществляет прием данных от УВВИ 5 и команд управления от внешних устройств, выполняет обработку поступающей информации с БД, передачу обработанной информации на УВВИ 5. УППХС 1 осуществляет резервное копирование и хранение результатов измерений, сформированных подключенными БД, хранение предустановленной информации, результатов диагностики, полученных от УДГ 4, формирование команд управления узлами ИУНО и подключенными БД. УППХС 1 осуществляет прием команд от внешних устройств и передачу запрашиваемой внешними устройствами информации, принимает данные о технических характеристиках БД, подключаемых к ИУНО, а также сохраняет измерительную информацию от БД, результаты диагностики БД и узлов ИУНО, служебную информацию о режимах работы ИУНО и вырабатывает управляющие команды на:
УСБД 2 для указания выбора расположения контактов, подключенного БД;
УЭП 3 для формирования номиналов электропитания, необходимых для функционирования подключенных БД;
УДГ 4 для выполнения проверки работоспособности БД и узлов ИУНО;
УВВИ 5 для обеспечения размещения данных на экране сенсорной панели и считывания команд, введенных с использованием сенсорной панели.
Таким образом, посредством УС 7 организуется внутренняя магистраль обмена данными.
В УСБД 2 для подключения БД используются клеммные соединители, что обеспечивает возможность подключения цепей в произвольной конфигурации, а для подключения внешних устройств - электрические разъемы.
В корпусе ИУНО выполнен отдельный отсек, в котором размещены клеммные соединители и электрические разъемы. Обеспечено обособленное расположение соединителей УСБД 2 и удобный легкий доступ к ним.
Устройство работает следующим образом.
Перед включением ИУНО необходимо подсоединить к разъемным соединителям (клеммам) ИУНО с помощью кабелей БД.
Электропитание узлов ИУНО обеспечивается УЭП 3 и БПП 6.
При включении ИУНО УППХС 1 вырабатывает команду для УДГ 4 на проведение процедуры проверки работоспособности узлов ИУНО.
В случае обнаружения неисправности в одном из узлов ИУНО на экран УВВИ 5 выводится соответствующее сообщение и включается индикаторный светодиод красного цвета свечения.
В случае получения положительного результата диагностики узлов ИУНО включается индикаторный светодиод зеленого цвета свечения и на экране сенсорной панели УВВИ 5 отображается сформированное сообщение-запрос к оператору об определении состава подключенных к ИУНО блоков детектирования. В соответствие с выведенным на экран меню оператор имеет возможность:
1) выбрать из предложенных вариант обмена данными с внешними устройствами: по каналу связи с интерфейсом Ethernet (оптический или проводной), по каналу связи с интерфейсом USB или по каналу связи с интерфейсом RS-485;
2) подтвердить имеющийся ранее сформированный состав БД, хранящийся в памяти УППХС 1.
3) начать процедуру формирования состава подключаемых БД;
В первом случае УППХС 1, получив от оператора вариант канала связи с внешними устройствами, формирует и направляет команду для микроконтроллеров из состава узлов ИУНО, в которой определен соответствующий выбранному варианту МИ, посредством которого будет реализовываться обмен данными с внешними устройствами.
Во втором случае УППХС 1 вырабатывает команду для микроконтроллеров из состава узлов ИУНО на передачу хранящейся в памяти УППХС 1 информации о подключенных БД. Используя полученную информацию, УППХС 1 формирует и направляет необходимые команды на УЭП 3 для установки требуемых номиналов напряжения питания БД и на УСБД 2 для формирования соответствующих коммутационных соединений для каждого БД. Далее, УППХС 1 вырабатывает команду для УДГ 4 на проведение процедуры диагностики (проверки работоспособности) БД. Каждая процедура диагностики БД подтверждается соответствующим сообщением на экране сенсорной панели в УВВИ 5.
В третьем случае оператор, используя предлагаемый на экране сенсорной панели УВВИ 5 список БД, определяет состав подключенных БД. Список БД формирует УППХС 1, используя информацию о БД, которая хранится в его памяти.
Для каждого БД УППХС 1 формирует и направляет необходимые команды на УЭП 3 для установки требуемых номиналов напряжения питания БД и на УСБД 2 для формирования соответствующих коммутационных соединений. Далее, УППХС 1 вырабатывает команду для УДГ 4 на проведение процедуры диагностики (проверки работоспособности) БД. Каждая процедура проверки работоспособности БД подтверждается соответствующим сообщением на экране сенсорной панели УВВИ 5.
При отрицательном результате проверки работоспособности БД УППХС 1 формирует на экране сенсорной панели УВВИ 5 сообщение-запрос оператору о возможности выбрать из списка другой тип БД или подсоединении работоспособного БД. После чего, повторяются процедуры коммутации БД и проверки его работоспособности.
При выборе типа БД из списка на экране сенсорной панели УВВИ 5 оператору доступен расширенный режим конфигурирования, при котором отдельно и независимо от значений других параметров могут быть установлены: тип и измерительные характеристики БД, назначение входных и выходных информационных линий и линий управления БД, значения напряжения питания БД, протоколы обмена данными с БД, значения параметров контроля работоспособности БД, а также значения установленных пороговых уровней измеряемой БД физической величины.
При положительном результате проверки работоспособности всех подключенных БД УППХС 1 переходит в режим сбора и обработки измерительной информации, поступающей с БД. Для этого УППХС 1 формирует и направляет в микроконтроллеры узлов ИУНО команды, в которых для каждого из подсоединенных БД определены условия получения и обработки информации.
Если БД вырабатывает статистически распределенные импульсные сигналы, то в команде, формируемой УППХС 1, указывается время начальной экспозиции измерения, условия изменения времени экспозиции (так называемый (N, Т) - режим) и значения пороговых величин измеряемого физического параметра (при необходимости).
Если измерительная информация, поступающая от БД, передается по каналу связи с интерфейсом RS-485, то в команде, вырабатываемой УППХС 1, указывается значение интервала времени, через который необходимо направить в БД команду-запрос измерительной информации. Код команды-запроса включается в состав командной информации для узлов ИУНО.
Команды от УППХС 1 принимаются микроконтроллерами узлов ИУНО. Полученная от БД информация записывается микроконтроллером УППХС 1 в оперативную память. Для измерительных данных каждого БД в оперативной памяти УППХС 1 определен свой массив данных. По команде-запросу от УППХС 1 микроконтроллеры узлов ИУНО передают в УППХС 1 массивы измерительной информации от БД, результаты диагностики БД и узлов ИУНО, служебную информацию о режимах работы ИУНО, используя внутреннюю магистраль обмена данными.
Полученные данные УППХС 1 передает внешним устройствам с использованием интерфейсов RS-485, USB, Ethernet (проводной), Ethernet (оптический). Данные передаются по команде-запросу от внешних устройств.
Изменения (провалы, выбросы, прерывания) напряжения питания и электромагнитные помехи любой длительности не влияют на функционирование ИУНО, бесперебойное функционирование которого обеспечивается за счет автоматической подстройки электрических параметров в УЭП 3 и БПП 6, и не приводят к выходу из строя цепей питания и сигнальных линий связи. Продолжительность автономной работы ИУНО определяется емкостью аккумуляторной батареи в БПП 6.
Таким образом, применение предложенной полезной модели обеспечит интеллектуализацию устройства накопления и обработки информации и даст возможность использования устройства с широкой номенклатурой БД, представленных на рынке, в том числе зарубежного производства. Повысится удобство эксплуатации и существенно упростится за счет его интеллектуальных качеств, что выразится в частности в автоматическом определении подключенного БД, автоматическом выборе питания подключенных БД за счет встроенных средств управления электропитанием. Энергонезависимая память обеспечит постоянное хранение предустановленного служебного программного обеспечения, необходимой базы данных и массива измерительной информации. Обеспечена универсальность подключения БД и внешних устройств с использованием различных интерфейсов. В ИУНО обеспечена длительная/постоянная защита от изменений (провалов, выбросов и кратковременных прерываний) напряжения питания, с одновременной автоматической подстройкой для продолжения функционирования устройства.