МОДУЛЬ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА

Полезная модель относится к архитектуре модуля центрального процессора (далее по тексту - модуль ЦП) промышленного контроллера с программируемой логикой (далее по тексту - ПЛК). ПЛК является вычислительной и управляющей единицей в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП). Расширяющаяся область применения и объем производства АСУ ТП требуют расширения арсенала и усовершенствования конструкторских решений и технических средств для использования в качестве модуля ЦП с программируемой логикой. Модуль ЦП предназначен для построения высоконадежных встраиваемых энергоэффективных систем с малыми габаритными размерами.
Известно устройство, состоящее из объединительной платы с возможностью установки модуля процессора и плат расширения, в которой модуль процессора и не менее четырех плат расширения устанавливаются непосредственно в мезонинные разъемы объединительной платы в одной плоскости, параллельной объединительной плате, что позволяет уменьшить пространственный объем и повысить надежность вычислительных узлов на базе данной объединительной платы. Объединительная плата содержит мезонинный разъем для установки модуля процессора, интерфейсные разъемы, преобразователь напряжения, разъем питания, усилитель-формирователь шинных сигналов, группу мезонинных разъемов для установки плат расширения (RU 165470).
Известен модуль центрального процессора, представляющий собой промышленный контроллер, содержащий печатную плату со встроенным накопителем информации и с размещенным на ней микропроцессором, осуществляющим сбор информации с входов и портов RS-232 и RS-485 и передачу по интерфейсу Ethernet, контроллер последовательных портов и контроллер сетевых интерфейсов, связанные с микропроцессором и с блоком колодок и разъемов, предназначенных для подключения сторонних устройств и коммутаторов, энергонезависимую память, часы реального времени с автономным источником питания, причем он снабжен программным обеспечением для преобразования данных цифрового информационного протокола нижнего уровня в данные информационного протокола верхнего уровня, размещенным на встроенном накопителе информации, содержащем операционную и исполнительную системы, имеет разъем для подключения съемных накопителей информации, связанным с микропроцессором, а также содержит дополнительно, по меньшей мере, по одному контроллеру последовательных портов и контроллеру сетевых интерфейсов, связанных с микропроцессором и с блоком колодок и разъемов (RU 109303).
Известен модуль ЦП промышленного контроллера с программируемой логикой, содержащий:
- центральный микропроцессор, предназначенный для выполнения задачи прикладной программы, в результате которой обрабатываются входные данные от датчиков, и результатом обработки которых являются выходные данные, предназначенные для управления исполнительными механизмами;
- дополнительный микропроцессор с архитектурой ядра, отличной от архитектуры ядра центрального микропроцессора, и предназначенный для выполнения точно такой же задачи с точно такими же входными данными от датчиков, что и в центральном микропроцессоре, он дополнительно содержит программируемую логическую интегральную схему с контроллером шины, предназначенным для обмена данными по шине между модулем ЦП и модулями ввода и/или вывода промышленного контроллера, и микроконтроллер, Центральный микропроцессор (ЦМ), предназначен для выполнения задачи прикладной программы;
- дополнительный микропроцессор (ДМ) предназначен для выполнения точно такой же задачи с теми же входными данными от датчиков, что и ЦМ;
- контроллер шины (КШ), сформированный в ПЛИС, предназначен для обмена данными по шине;
- микроконтроллер безопасности (МБ) для контроля работы своего функционального ядра содержит контролирующее ядро и модуль сравнения, который предназначен для сравнения результатов вычислений с параллельно работающих функционального и контролирующего ядер, МБ разрешает КШ передачу выходных данных в шину в случае, если выполнено условие равенства результатов обработки из ЦМ и ДМ, и время выполнения задачи ЦМ и ДМ находится в заданном интервале времени, и результаты вычислений функционального и контролирующего ядер равны (RU 2703681, прототип).
Недостатками известных технических решений является узость функциональных возможностей, которая определяется неоптимальным размещением аппаратов на плате, значительный объем неиспользуемого пространства и отсутствие надежного теплоотвода от них, связи с компоновкой его составных частей, не учитывающие возможностей возникновения шумов и местных взаимных нагревов оборудования, возбуждающих помехи, обусловленные взаимным влиянием аппаратов.
Технической проблемой, разрешаемой с помощью настоящей полезной модели, является создание нового энергоэффективного компактного модуля ЦП с программируемой логикой и расширение арсенала модулей ЦП.
Технический результат, обеспечивающий решение указанной проблемы за счет использования заявленного технического решения, заключается в реализации расширения арсенала и функциональных возможностей модуля ЦП за счет создания новой конструкции, обладающей высокой надежностью и удобством в эксплуатации.
Одновременно обеспечены необходимые габариты и масса модуля ЦП благодаря оптимальному взаимному расположению вычислительных устройств на плате, сокращению объема неиспользуемого пространства и повышению плотности установки. Реализована возможность целесообразного распределения вычислительных ресурсов модуля ЦП между задачами с высоким и невысоким энергопотреблением; достигается снижение помех благодаря минимизации общего и местных взаимных нагревов аппаратуры, обусловленных взаимным влиянием цепей электропитания и связи. При этом за счет использования единого радиатора, занимающего большую часть площади платы, позволяющего максимально использовать естественную конвекцию (пассивную систему охлаждения), уменьшается средняя рабочая температура вычислительных средств и вероятность их перегрева. Также функциональные возможности модуля ЦП могут быть увеличены с помощью шины расширения путем установки модулей расширения.
Сущность полезной модели состоит в том, что модуль центрального процессора содержит многослойную печатную плату, с первой (верхней) и второй (нижней) сторон которой выполнены плоские проводники в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение между собой и с центральным процессором несимметрично смонтированных на плате активных элементов электрической цепи, а также шину расширения, разъем тестирования и отладки при программировании и разъемы обмена данными между модулем центрального процессора и модулями ввода и/или вывода промышленного контроллера, одновременно он снабжен радиатором под естественную конвекцию, установленным на первой стороне платы и выполненным с ребристостью, образованной параллельно ориентированными каналами, продуваемыми атмосферным воздухом и направленными в противоположную от платы сторону, причем на первой стороне платы размещены следующие активные элементы: центральный процессор, первый и второй элементы оперативной памяти; трансформаторы интерфейсов Ethernet, приемопередатчик интерфейса RS-232; преобразователь интерфейса LVDS, стабилизаторы напряжения, супервизор питания, цифровой датчик температуры; флеш-память контроллера Ethernet и формирователь доступа GPIO, а вдоль всех краев первой стороны платы установлены разъемы, при этом на второй стороне платы размещены следующие активные элементы: твердотельный флеш-накопитель SSD; контроллер Ethernet; программируемая микросхема; оптрон отпоизолированного сброса; генератор тактовой частоты шины PCIe; третий и четвертый элементы оперативной памяти; две микросхемы памяти SPI FRAM; приемопередатчики интерфейсов RS-422/485, а по краям второй стороны платы установлены разъемы.
Предпочтительно на первой стороне платы дополнительно размещены: кнопка сброса, зуммер и несколько светодиодов, а также группа установленных вдоль ее краев разъемов: разъем интерфейса входов и выходов; разъем подключения мониторов; разъем подключения LCD панелей; четыре разъема последовательного ввода-вывода данных; сервисный разъем тестирования и отладки; разъем подключения внешних светодиодов; два разъема локальной вычислительной сети; разъем дополнительного питания; разъем отпоизолированного сброса; два разъема дискретного ввода/вывода; разъем универсальной последовательной шины; два сервисных разъема диагностики питания и разъем принтерного терминала, при этом на второй стороне платы дополнительно размещен отсек для батарейки, а группа разъемов на этой стороне платы включает сокет для батарейки и разъем подключения флеш-памяти Compact Flash.
Предпочтительно на первой стороне платы дополнительно установлены разъем разрешения использования супервизора питания, два разъема подключения удаленного сброса, разъем сброса настроек базовой системы ввода-вывода BIOS и два разъема конфигурации последовательных порто ввода-вывода.
Предпочтительно радиатор размещен на первой стороне печатной платы между разъемами, установленными по периметру печатной платы, выполнен из алюминиевого сплава и закреплен винтами.
Предпочтительно разъем тестирования и отладки при программировании выполнен в виде проходного сервисного разъема, а шина расширения выполнена с расположением контактов перпендикулярно ребру печатной платы.
Предпочтительно твердотельный флеш-накопитель напаян на плату.
Предпочтительно часы реального времени встроены в процессор.
На чертеже фиг. 1 изображен общий вид модуля ЦП под углом сверху, со снятым радиатором; на чертеже фиг. 2 изображен общий вид модуля ЦП под углом сверху, с установленным радиатором; на фиг. 3 - расположение элементов модуля ЦП на лицевой стороне платы; на фиг. 4 - расположение элементов модуля ЦП на нижней стороне платы; на фиг. 5 - функциональная схема модуля ЦП.
Модуль центрального процессора (ЦП) содержит многослойную печатную плату, с первой (верхней) и второй (нижней) сторон которой выполнены плоские проводники в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение между собой и с центральным процессором конструктивно несимметрично смонтированных на плате активных элементов, обозначенных на чертежах.
На первой (верхней) стороне платы модуля ЦП размещены и обозначены позициями (Поз.) следующие активные элементы:
Поз. 1- печатная плата (многослойная пластина из диэлектрика с нанесенными на нее токопроводящими дорожками) 90×96 мм.
Поз. 2 - D1 - центральный процессор VX86DX3 (тактовая частота 800 МГц) со встроенными часами реального времени и графическим сопроцессором.
Поз. 3- DD1, DD2 - первый и второй элементы оперативной памяти RAM DDR3.
Поз. 4 - T1 - трансформатор интерфейса Ethernet 10/100/1000 Мбит/с.
Поз. 5 - T2 - трансформатор интерфейса Ethernet 10/100 Мбит/с.
Поз. 6 - D4 - приемопередатчик интерфейса RS-232.
Поз. 7 - DA6 - стабилизатор напряжения (регулятор напряжения постоянного тока) 1.35В и 1.2В.
Поз. 8 - DA3 - стабилизатор напряжения (регулятор напряжения постоянного тока) ядра процессора 0.95В.
Поз. 9 - D7 - преобразователь интерфейса LVDS (низковольтная дифференциальная передача сигналов (англ. low-voltage differential signaling) - способ передачи электрических сигналов, позволяющий передавать информацию на высоких частотах при помощи дешёвых соединений на основе медной витой пары).
Поз. 10 - DA7 - стабилизатор напряжения (регулятор напряжения постоянного тока) 1.35В.
Поз. 11 - DD11 - супервизор питания (сторожевой таймер, внешний watchdog, схема контроля напряжения питания процессора 2,отключает его при выходе уровня напряжения питания из диапазона допустимых значений).
Поз. 12 - DA19 - цифровой датчик температуры.
Поз. 13 - DA1 - стабилизатор напряжения (регулятор напряжения постоянного тока) 1.35В.
Поз. 14 - BF1 - зуммер (buzzer).
Поз. 15 - DD108 - флеш-память контроллера Ethernet 10/100/1000 Мбит/с.
Поз. 16 - DD31 - формирователь доступа GPIO (General-Purpose Input/Output). Разрешение использования интерфейса ввода/вывода общего назначения (GPIO).
Поз. 17 - SW1 - гальванически изолированная кнопка сброса Reset.
Поз. 18 - HL1-HL5 - светодиоды.
На второй (нижней) стороне платы модуля ЦП размещены и обозначены позициями (Поз.) следующие активные элементы:
Поз. 3- DD3, DD4 - третий и четвертый элементы оперативной памяти RAM DDR3.
Поз. 19 - D2 - напаянный на плату 1 твердотельный флеш-накопитель SSD объемом 8 Гбайт (Solid State Drive, SSD) - энергонезависимое запоминающее устройство на основе микросхем памяти).
Поз. 20 - D6 - контроллер Ethernet 10/100/1000 Мбит/с.
Поз. 21 - D8 - программируемая микросхема FPGA.
Поз. 22 - DA9 - оптрон отпоизолированного сброса.
Поз. 23 - DD26 - генератор тактовой частоты шины PCIe (Clock Generators PCIe, позволяет изменять частоту шины).
Поз. 24 - DD10 - микросхема памяти SPI FRAM (EEPROM).
Поз. 25 - DD15 - микросхема памяти SPI FRAM (EEPROM).
Поз. 26 - DA18 - приемопередатчик интерфейса RS-422/485.
Поз. 27 - DA17 - приемопередатчик интерфейса RS-422/485.
Поз. 28 - D3 - приемопередатчик интерфейса RS-232.
На первой (верхней) стороне платы 1 расположены разъемы.
XP1 - разъем GPIO.General Purpose Input Output. Интерфейс, который содержит Входы (Input) и Выходы (Output) общего назначения.
.
XP2 - разъем VGA.Video Graphics ArrayРазъём для подключения мониторов по стандарту видеоинтерфейса VGA.
.
XP3 - разъем LVDS.Low-Voltage Differential Signaling Разъём для подключения LCD панелей по стандарту видеоинтерфейса LVDS.
XP4 - разъем COM (RS-422/485). Последовательный порт ввода-вывода компьютера = интерфейсы для цифровой передачи данных.
XP8 - разъем COM (RS-422/485). Последовательный порт ввода-вывода компьютера = интерфейсы для цифровой передачи данных.
XP9 - разъем для подключения внешних светодиодов.
XP10 - разъем LAN 10/100/1000 Мбит/с. «Local Area Networks» или «Локальная вычислительная сеть».
XP11 - разъем дополнительного питания.
XP12 - разъем отпоизолированного сброса.
XP13 - разъем COM (RS-232).Последовательный порт ввода-вывода компьютера = интерфейсы для цифровой передачи данных.
XP14 - разъем COM (RS-232). Последовательный порт ввода-вывода компьютера = интерфейсы для цифровой передачи данных.
XP15 - разъем LAN 10/100 Мбит/с. «Local Area Networks» или «Локальная вычислительная сеть».
XP16 - 24-контактный разъем (разъем дискретного ввода/вывода).
XP18 - 24-контактный разъем (разъем дискретного ввода/вывода).
XP19 - разъем USB1-4. Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина» - последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике.
XP20 - сервисный разъем JTAG FPGA (разъем для программирования FPGA).
XP21 - сервисный разъем диагностики питания.
XP23 - сервисный разъем диагностики питания.
XP24 - разъем LPT. Line Print Terminal - построчный принтерный терминал. Предназначался, прежде всего, для подключения принтеров.
X1 - разъем разрешения использования супервизора питания.
X2 и X3 - разъемы подключения удаленного сброса.
X4 - разъем сброса настроек BIOS (Basic Input/Output System - «базовая система ввода-вывода», программное обеспечение (ПО) для работы с аппаратурой компьютера и подключёнными к нему устройствами.
X6, X7 - разъемы конфигурации портов COM (RS-422/485).
На второй (нижней) стороне платы 1 расположены разъемы
XP7 - разъем подключения флеш-накопителя Compact Flash.
XP5 - сокет (разъем) CR2032 для батарейки. Имеет контакты, к которым с помощью специального держателя с захватом и рычага прижимается батарейка.
На плате 1 имеется проходной разъем XP5 - сервисный разъем JTAG тестирования и отладки (разъем для программирования), со сквозными отверстиями на обе стороны платы 1.
Аппаратная шина расширения - компьютерная шина, представляет собой разъем XS1 - PC/104 (ISA 8/16 бит) на базе 8-разрядного варианта шины ISA. Особенностью механического используемого в данном модуле конструктива PC/104 является расположение контактов не на ребре платы 1, а перпендикулярно ей, что позволяет устанавливать несколько плат друг на друга как бутерброды. Такая конструкция шины расширения позволяет собрать до 3-6 плат в один большой «сэндвич» и разместить его в компактном герметичном корпусе, который будет иметь большую ударопрочность.
Наличие 24-контактных разъемов дискретного ввода/вывода XP16 (DIO_A) и XP18 (DIO_B) позволяет задействовать 48 линий для подключения внешних дискретных сигналов. Логика работы этих линий (алгоритм работы) описана в прошивке, которая хранится в микросхеме FPGA (компонент D8, поз. 21). Использование различных прошивок обеспечивает универсальность и широкую применяемость заявляемого модуля ЦП. Используя одну номенклатуру такого модуля и самостоятельно меняя алгоритм работы дискретных портов ввода/вывода (меняя программно прошивку), потребитель может применять заявляемый модуль для решения широкого круга задач контроля и управления. При этом потребитель сможет самостоятельно разрабатывать прошивки для модуля, что даст ему возможность создания уникальных готовых решений на базе данного модуля ЦП. Кроме простого дискретного ввода вывода на FPGA можно реализовать многоканальные счетчики событий и частотомеры, а также интерфейсы для подключения ЦАП/АЦП.
Изделие полностью соответствует спецификации PC/104 (форм-фактор материнских плат), в части характеристик: габаритных размеров модуля и расположения присоединительных разъемов
Обеспечена высокая плотность монтажа (большое количество элементов на располагаемой площади платы 1) с использованием электрокомпонентов типоразмера 0,4-0,2 мм (например, резисторов размера 0,4-0,2 мм). Необходимо применения высокоточного оборудования при производстве данного модуля.
Модуль ЦП предназначен для эксплуатации преимущественно в составе электронного оборудования, устанавливаемого на транспортные средства и необслуживаемого оборудования, эксплуатируемого во временном режиме 24×7.
Питание модуля ЦП осуществляется от внешнего источника постоянного тока с фиксированным значением напряжения + 5 В ± 5%.
Допустимые условия эксплуатации модуля ЦП - диапазон рабочих температур от минус 40°С до плюс 85°С; относительная влажность воздуха до 80% (без конденсации влаги).
Допустимые механические воздействия: синусоидальная вибрация в диапазоне частот от 5 до 2000 Гц с ускорением - 10 g; устойчивость к одиночным ударам, пиковое ускорение - 150 g; устойчивость к многократным ударам, пиковое ускорение - 50 g.
Модуль центрального процессора работает следующим образом.
При штатной эксплуатации модуль ЦП принимает сигналы, содержащие данные и инструкции (опрос интерфейсов, запрос данных из памяти, выполнение вычислений над данными), и выдаёт сигналы с обработанными данными через соответствующую шину.
В общем случае, выполнение программы состоит в считывании данных из модулей ввода-вывода данных подключенных к модулю ЦП по шине ISA (XS1) и/или с внешних устройств по каналам последовательной передачи данных Ethernet, подключаемых к разъемам XP10 и XP15, RS232 - XP13 и XP14, RS422/RS485 - XP4 и XP8, и последующей обработки данных по алгоритму, заданному программой и выдачи результирующих управляющих данных в модули ввода-вывода данных и на внешние контролируемые и управляемые устройства по интерфейсам передачи данных.
Детальный алгоритм работы модуля ЦП определяется ПО, установленным на модуле процессора. При подключении сетевых модулей к разъёмам и наличии сетевого подключения к микросхемам сетевых интерфейсов осуществляется автоматический выбор протоколов согласно настройкам для достижения заданной или наиболее эффективной работы сети. По завершении настроек происходит обмен данными с одним или несколькими внешними узлами сети. Одновременно через соединители XP16 и XP18 может осуществляться приём и выдача дискретных сигналов. При необходимости через порты USB (XP19) осуществляется подключение внешних USB-устройств.
Если при перезагрузке вычислителя выявляется ошибка контрольной суммы параметров BIOS, то загрузка параметров BIOS производится из микросхем поз.24, 25 памяти FRAM. Это позволяет повысить надежность работы модуля при длительной необслуживаемой эксплуатации.
Для повышения надежности работы модуля при длительной необслуживаемой эксплуатации служат два сторожевых таймера, формирующих аппаратный сброс микропроцессора и его перезагрузку в случае «зависания» ПО.
Внешний сторожевой таймер (External Watchdog, фиг.5) имеет фиксированный период срабатывания 1,6 с. Встроенный в микропроцессор сторожевой таймер (Watchdog, фиг.5) имеет программируемый период срабатывания.
Данные, полученные процессором поз.2 VX86DX3 от ПК, могут передаваться непосредственно в соответствующие средства ввода-вывода, а также восприниматься как задание или команды для исполнения процессором VX86DX3, в соответствии с программой, загруженной в оперативное запоминающее устройство ОЗУ DDR3 DD1, DD2, DD3, DD4 поз.3.
При функционировании изделия его аппаратура выполняет, в частности, следующее:
Флеш-накопитель SSD, поз.19 служит как компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме микросхем памяти он содержит управляющий контроллер.
ОЗУ (DD1, DD2, DD3, DD4 поз.3) представляет собой динамическую память с произвольным доступом. Память динамического типа имеет плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти. Реализует функции синхронной динамической памяти с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных.
Приемопередатчики интерфейса RS-232 служат для согласования электрических параметров, обработки и передачи информации, использующих последовательные каналы передачи данных.
Микросхема памяти FRAM (оперативная память) использует слой сегнетоэлектрика для обеспечения энергонезависимости.
Формирователь опорного напряжения для ОЗУ поддерживает на своём выходе высокостабильное постоянное электрическое напряжение для задания величины выходного напряжения стабилизированного источника электропитания аналого-цифровых преобразователей, режимов работы аналоговых и цифровых интегральных схем и систем, и как эталон напряжения.
Контроллеры источников питания обеспечивают выдачу управляющих воздействий и контроль выходных параметров источников питания.
Импульсные регуляторы DA6, DA3, DA7 и DA1 (поз.7, 8, 10, 13) (стабилизаторы) напряжения реализуют поддержание напряжений питания модуля в допустимых пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.
Супервизор питания обеспечивает удержание микропроцессора в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет заданного значения и не стабилизируется, или производит сброс микропроцессора при снижении напряжения питания ниже критического уровня или при внезапном провале напряжения.
Генератор поз.23 тактовых импульсов (генератор тактовой частоты) шины PC/104 предназначен для синхронизации протекающих процессов.
Кнопкой сброс SW1 (RESET) осуществляет, при необходимости, перезапуск модуля в произвольный момент времени.
В процессе работы радиатор служит для отвода и рассеивания выделяемого процессором тепла.
Конструктивные преимущества заявляемого модуля ЦП заключаются, в частности, в том, что данный модуль ЦП позволяет устанавливать модули расширения параллельно ему, что дает возможность избежать дополнительных кабельных соединений, он снабжен радиатором под естественную конвекцию, установленным параллельно плате с верхней стороны и выполненным с ребристостью, образованной параллельно ориентированными каналами, продуваемыми атмосферным воздухом и направленными в противоположную от платы сторону.
При этом оптимальная компоновка функциональных элементов и их размещение на обеих сторонах платы позволяют соответствовать следующим конструктивным требованиям:
- функциональной законченности, когда связи каждого элемента обладают необходимой полнотой и выполняют определенные частные функции;
- минимизации количества и протяженности связей каждого из активных элементов;
- плотности компоновки, определяемой отношением числа активных элементов к площади платы, то есть реализовано максимальное заполнение отводимого элементам конструктивного пространства на поверхности платы;
- расположение элементов таким образом, чтобы рассеивать приблизительно одинаковые мощности во избежание местных перегревов на плате;
- жесткости и прочности модуля ЦП, достаточных для транспортирования любым видом транспорта и эксплуатации в полевых условиях;
- активные элементы не создают существенных помех друг другу.
Конструкция модуля ЦП позволяет:
- автоматизировать процессы сборки и монтажа;
- сократить период настройки, так как может быть произведена автоматизированная настройка всех узлов модуля ЦП;
- повысить надежность связей каждого из активных элементов и модуля ЦП в целом.
Технический результат, достигаемый за счет использования заявленного технического решения, заключается в реализации расширения арсенала и функциональных возможностей модуля ЦП за счет создания альтернативной конструкции, обладающей широкими функциональными возможностями, высокой надежностью и удобством в эксплуатации.