Вычислительный управляющий блок

Предлагаемая полезная модель относится к универсальным программируемым аппаратным устройствам на основе электронных схем общего назначения и предназначена для использования в составе системы управления стендов динамического моделирования.
Из данной области техники известны следующие технические решения.
Известен вычислительно-интерфейсный модуль (патент RU 195789), содержащий микропроцессор с технологическим интерфейсом JTAG, двумя контроллерами шины PCI Express, соединитель мезонина, выполненный как ХМС соединитель, общесистемный соединитель модуля, выполненный как VPX соединитель, контроллер интерфейса USB 2.0, четыре динамических ОЗУ SDRAM, два датчика температуры, память идентификации EEPROM, два РПЗУ программ и начальной загрузки NOR Flash, РПЗУ данных пользователя NAND Flash, два канала мультипротокольных приемопередатчиков RS232, управляемых по интерфейсам UART 2, 3 микропроцессора, три канала приемопередатчиков Ethernet, генераторы тактовых серий, блок управления вводом-выводом разовых команд, супервизор напряжений питания и источники вторичных напряжений питания, ПЛИС с технологическим интерфейсом JTAG для встроенного контроля модуля и два ЭЗУ NVRAM для хранения результатов контроля, драйвер сигналов MLVDS, третий канал мультипротокольных приемопередатчиков RS232/RS485, узел входных предохранителей, при этом блок управления вводом-выводом разовых команд под управлением ПЛИС выполняет функциональный контроль выходных разовых команд, включая сигнал ИСПРАВНОСТЬ, а также тестовый контроль электрических цепей входных разовых команд, буфер для системных сигналов NVMRO, SYS_CON и SYSRESET.
Известно устройство для обработки данных с кодовых датчиков по патенту RU 183221. Указанное устройство содержит средства индикации текущих значений кодов, принимаемых с выхода кодовых датчиков, подключенных ко входу предлагаемого устройства, средства индикации аварийных ситуаций, возникающих при выходе получаемых значений кодовых датчиков за заранее заданные пределы, средства оперативного управления инверсией значений, принимаемых от кодовых датчиков, средства оперативного задания аддитивного смещения значений, принимаемых от кодовых датчиков, а также средства оперативного задания допустимых пределов изменения кодовых значений, принимаемых от кодовых датчиков, позволяющие задавать указанные предельные значения без перепрограммирования устройства в целом, причем все перечисленные средства оперативного задания параметров осуществляют в виде оперативно коммутируемых электрических цепей на указанной печатной плате.
Известно устройство цифровой обработки сигналов (патент RU 202726), включающее связанные каналами обмена данными программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и цифровой сигнальный процессор (ЦСП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к ПЛИС посредством буферизированных каналов и к тактовым генераторам, модули внешней памяти типа DDR3, подключенные к ПЛИС и ЦСП, приемопередатчик Ethernet, связанный с ЦСП, мост PCIe-PCI для обмена данными с персональным компьютером, подключенный к ПЛИС, отличающееся тем, что включает разъемы JTAG для подключения к аппаратуре тестирования и отладки, связанные с ПЛИС и ЦСП, включает буферизированные настраиваемые цифровые линии ввода/вывода стандарта LVTTL, подключенные к ПЛИС.
Общим недостатком для представленных устройств является ограниченный функционал в части осуществления процессов обработки и передачи сигналов, принимаемых от различного рода датчиков, наличие системных интерфейсов связи с ЭВМ, не позволяющих использовать устройства самостоятельно, что затрудняет отладку работы совокупной системы. Представленные устройства являются интерфейсно-вычислительными модулями и не предназначены для замыкания контура стенда динамического моделирования.
Устройство, известное из уровня техники, по патенту RU 202726, по технической сущности является наиболее близким к заявленной полезной модели и может выступать в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание вычислительного управляющего блока (ВУБ) для применения в составе динамического стенда с целью сопряжения с, по крайней мере, одним датчиком положения, как кодовыми (по протоколам EnDat, SSI, BISS и т. д.), так и инкрементным (с сигналами типа RS-422 или sin/cos, 1В, пк-пк) для определения текущего углового положения и скорости оси стенда с последующей цифровой обработкой аналоговых сигналов указанных параметров, передачей вычисленных углового положения и скорости, другой информации о состоянии системы в промышленный компьютер (ПК) стойки управления стенда динамического моделирования и с выдачей сигналов, необходимых для аттестации стендов динамического моделирования, включая импульсные сигналы достижения заданных угловых положений и аналогового сигнала, пропорционального текущей угловой скорости.
Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении функциональных возможностей в части осуществления процессов обработки сигналов датчиков положения, регистрирующих текущее положение оси стенда, при достижении сопряжения с различного рода устройствами управления динамическим стендом.
Технический результат достигается за счет исполнения вычислительного управляющего блока, включающего в себя программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) и микроконтроллер, подключенный к ПЛИС, отличающегося тем, что указанный вычислительный блок содержит в своем составе буферы, модуль формирования разовых команд для сервоконтроллера, модуль синхронизации и сброса, состоящий из гальванической трансформаторной развязки и цифрового приемо-передатчика, модуль цифровых измерений, состоящий из цифровых преобразователей и цифровых коммутаторов, позволяющих коммутировать цифровые Sin/Cos сигналы, модуль аналогового тракта Sin/Cos сигналов, модуль аналогового тракта сервоконтроллера на ввод и вывод, предназначенный для преобразования дифференциальных аналоговых сигналов в одиночные и наоборот, модуль концевых выключателей, выполненный в виде оптронной сборки и обеспечивающий вход и выход гальванически развязанных сигналов, при этом к ПЛИС подключены буферы, модуль концевых выключателей и модуль синхронизации и сброса, к микроконтроллеру подключены модуль формирования разовых команд для сервоконтроллера, модуль аналогового тракта сервоконтроллера на ввод и вывод, модуль аналогового тракта Sin/Cos сигналов и модуль цифровых измерений, причем модуль аналогового тракта Sin/Cos сигналов связан с модулем цифровых измерений.
В предпочтительном варианте своего исполнения, ВУБ дополнительно включает шины EtherCAT, Ethernet и CAN, связанные с микроконтроллером, для обеспечения сопряжения с устройствами управления.
В другом предпочтительном варианте своего исполнения, ПЛИС подключены модули MRAM и FLASH памяти.
Далее заявленная полезная модель будет описана по ссылкам на чертежи:
На фиг.1 – Структурная схема предлагаемого ВУБ, где 1- программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), 2- микроконтроллер, 3 - разъемы внешней синхронизации, 4 - входные разъёмы датчика положений (ДП), 5- разъёмы управления сервоконтроллерами, 6 - модуль синхронизации и сброса, 7 - буферы RS-485, 8 - модуль аналогового тракта sin/cos сигналов, 9 - модуль формирования разовых команд, 10 - модуль аналогового ввода/вывода, для сервоконтроллера 11 - модуль MRAM-памяти, 12 - модуль FLASH-памяти, 13 - оптронная развязка, 14 - коммутатор sin/cos, 15 - адаптеры физического уровня, 16 - разъёмы КВ/Резерв, 17 - выходные разъёмы датчика угловых положений (ДП), 18 - EtherCat, 19 - Ethernet, 20 - CAN.
На фиг.2 – Временная диаграмма напряжений сигналов аналогового тракта ВУБ.
На фиг.3 – Временная диаграмма напряжений входного и выходного дифференциальных сигналов аналогового тракта.
Предлагаемый ВУБ (фиг.1) включает в себя микроконтроллер (2), в предпочтительном варианте фирмы STMicroelectronics модели STM32H753BIT6, и программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) (1), предпочтительно фирмы Altera модели EP4CE10E22C8N. Хранение конфигурации ПЛИС осуществляется в модуле FLASH памяти (12). В качестве пользовательского постоянного хранилища данных в ВУБ применяется модуль MRAM-памяти (11).
ВУБ включает в свой состав буферы (7), модуль формирования разовых команд для сервоконтроллера (9), модуль синхронизации и сброса (6), состоящий из гальванической трансформаторной развязки и цифрового приемо-передатчика, модуль цифровых измерений, состоящий из цифровых преобразователей и цифровых коммутаторов (14), позволяющих коммутировать цифровые Sin/Cos сигналы, модуль аналогового тракта Sin/Cos сигналов (8), модуль аналогового тракта сервоконтроллера на ввод и вывод (10), предназначенный для преобразования дифференциальных аналоговых сигналов в одиночные и наоборот, модуль концевых выключателей, выполненный в виде оптронной развязки (13) и обеспечивающий вход и выход гальванически развязанных сигналов, при этом к ПЛИС (1) подключены буферы (7), модуль концевых выключателей, модуль синхронизации и сброса (6) и модули MRAM (11) и FLASH (12) памяти.
К микроконтроллеру (2) подключены модуль формирования разовых команд для сервоконтроллера (9), модуль аналогового тракта сервоконтроллера на ввод и вывод (10), модуль аналогового тракта Sin/Cos сигналов (8) и модуль цифровых измерений, причем модуль аналогового тракта Sin/Cos (8) сигналов связан с модулем цифровых измерений.
ВУБ дополнительно включает шины EtherCAT (18), Ethernet (19) и CAN (20), связанные с микроконтроллером (2), для обеспечения сопряжения с устройствами управления.
Предлагаемая полезная модель осуществляется следующим образом. Аппаратное обеспечение ВУБ разделено на несколько трактов:
- тракт сопряжения микроконтроллера (2) и ПЛИС (1);
- тракт пользовательского постоянного хранилища данных (11, 12);
- тракт внешней синхронизации и сброса;
- тракт системы цифровых измерений (вход и выход);
- тракт аналоговых сигналов;
- тракт разовых команд сервоконтроллера (9);
- тракт аналогового ввода сервоконтроллера (10);
-тракт аналогового вывода сервоконтроллера (10);
- тракт концевых выключателей (КВ);
- тракт EtherCat.
Сопряжение микроконтроллера (2) и ПЛИС (1) осуществляется по трём каналам:
- шине QuadSPI для передачи цифровых измерений с тактовой частотой 130 МГц;
- шине SPI для передачи конфигурационной информации с частотой 80 МГц;
- резервных разовых команд.
В качестве пользовательского постоянного хранилища данных в ВУБ применяется модуль MRAM-памяти (11). Модуль (11) сопряжён с ПЛИС (1) по шине SPI, команды управления которым аналогичны командам управлением модулем FLASH-памяти (12).
Тракт внешней синхронизации и сброса реализуется посредством гальванической трансформаторной развязки 1:1 и цифрового приёмо-передатчика сигнальных уровней LVTTL, M-LVDS. Тракт синхронизации рассчитан на применение с сигналом частотой 10 МГц, также способен регистрировать фронт сигнала 1кГц.
Тракт системы цифровых измерений осуществляется с помощью цифровых преобразователей RS422 в составе (7), соединённых с ПЛИС (1), цифровых коммутаторов (14), позволяющих коммутировать цифровые Sin/Cos сигналы. Тракт предназначен для связи с датчиком угловых положений.
На фиг.2 представлена временная диаграмма напряжений сигналов аналогового тракта ВУБ.
Дифференциальные сигналы датчика угловых положений (ДП) − DPP и DPN − по одному из каналов (sin или cos) имеют амплитуду 0,25 В и смещение на 2,5 В. Эти сигналы являются внешними для ВУБ.
Сигнал MID – выход инструментального усилителя и фильтра низких частот аналогового тракта. На плате ВУБ установлено 4 инструментальных усилителя, коэффициент усиления которых зависит от установленных сопротивлений R68…R71 (равны 1.92 кОм) соответственно.
Формула сигнала MID:
DP
где V – дифференциальное входное напряжение.
Сигнал MID преобразуется во входные дифференциальные сигналы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера ВУБ (2) INP и INN по формулам:
Опорное напряжение питания аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера (2) ВУБ равно +2,5 В.
В таком случае, граничные значения преобразования в 16-ти разрядном режиме:
INP
INN
0, при  = 0 В и  = +2,5 В;
16
INP
2-1, при  = +2,5 В и INN = 0 В.
Преобразования вычисляются по формуле:
где α - значение преобразования.
Следовательно, 1 квант преобразования АЦП микроконтроллера ВУБ соответствует
Значение напряжения разницы дифференциальных линий может быть получено путём умножения преобразованного значения на квант преобразования и вычитания 2,5 В. Значения напряжения будут заключены в границы -2,5 В…+2,5 В.
Пояснения к процессу преобразования сигнала в аналоговом тракте ВУБ изображены на фиг.3, где представлены входной и выходной дифференциальный сигнал аналогового тракта.
Линии, соединяющие вершины синусоид, показывают соответствие входных-выходных сигналов в аналоговом тракте. Также, отмечены граничные значения преобразования АЦП микроконтроллера ВУБ. Граничные значения: 0x0000 соответствует -2,5В; 0xFFFF – 2,5В.
Пунктирными линиями отмечено соответствие граничных значений преобразования АЦП микроконтроллера ВУБ входным значениям.
Рассчитав обратные коэффициенты преобразования аналогового тракта ВУБ, получим:
- значение 0x0000 соответствует -0,5076 В;
- значение 0xFFFF соответствует 0,5076 В;
- для входного дифференциального сигнала имеется запас по значению напряжения 7,6 мВ.
Тракт разовых команд сервоконтроллера предназначен для приёмо-передачи сигналов между ВУБ и сервоконтроллерами (до 4-х штук). Тракт состоит из массива (24 шт.) модулей приёмо-передачи (9) и четырёх выходных разъёмов (5). Каждый модуль приёмо-передачи состоит из оптронов гальванической развязки от микроконтроллера входа, выхода и управления, источника и усилителя питания, регулирующих токопотребление модуля.
Тракт аналогового ввода сервоконтроллера состоит из преобразователей дифференциальных аналоговых сигналов в одиночные и цепи связи, передающие одиночные аналоговые сигналы на входы АЦП микроконтроллера.
Тракт аналогового вывода сервоконтроллера состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) DAC70004IPW, соединённого с микроконтроллером ВУБ по протоколу SPI и преобразователей одиночного аналогового сигнала в дифференциальный.
Тракт КВ содержит оптронные сборки (13) TLP293-4, разъёмы «КВ» и «Резерв» (16), цепи связи с ПЛИС (1). Тракт обеспечивает вход и выход гальванически развязанных сигналов. Для получения выходного сигнала воспринимающее устройство должно обеспечить подтяжку коллекторного выхода к высокому уровню.
Тракт EtherCat содержит приёмо-передатчик физического уровня LAN9252, входной и выходной разъёмы RJ-45, резисторы 30 Ом, установленные последовательно в цепях связи приёмо-передатчика физического уровня и микроконтроллера. На печатной плате тракт экранирован отдельным полигонным заземлением.
Тракт CAN содержит приёмо-передатчик физического уровня SN65HVD23x, входной и выходной разъёмы 189-009-413R57X, цепи связи с микроконтроллером.
Тракт Ethernet содержит приёмо-передатчик физического уровня DP83848C, разъём RJ-45, резисторы 30 Ом, установленные последовательно в цепях связи приёмо-передатчика физического уровня и микроконтроллера. На печатной плате тракт экранирован отдельным полигонным заземлением.