УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ЛИНИИ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE FOR RECEPTION AND TRANSFER OF INFORMATION ALONG DC SUPPLY LINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в бортовых системах контроля, защиты и управления автомобилей и строительно-дорожных машин, в частности грузоподъемных кранов.
Известно устройство для приема и передачи сигналов в системе контроля, защиты и управления грузоподъемного крана, содержащее устройства приема и передачи аналоговых и дискретных параметров, несущих информацию о режимах работы крана, объединенных отдельными проводными линиями связи [1].
Параллельный обмен информацией между составными частями системы приводит к увеличению числа электрических линий связи в системе и к снижению ее надежности.
Известно также устройство для передачи и приема информации в системе защиты и управления грузоподъемного крана, построенное с использованием мультиплексных двухпроводных кабелей-шин CAN-Bus и обеспечивающее распределение сообщений между составными частями этой системы на основе CAN протокола [2].
В устройстве с шиной CAN за счет применения двухпроводной линии обмена информацией (линий K и L) вместо множества отдельных проводов достигается повышение надежности системы защиты и управления машины.
Однако одной из наиболее значимых особенностей протокола CAN являются сложные механизмы обнаружения и ограничения ошибок, что приводит к усложнению устройств приема и передачи данных. К этому же недостатку приводит необходимость использования отдельных проводов для передачи напряжения питания на отдельные составные части системы.
Наиболее близким к предложенному является устройство для приема и передачи информации по линии питания постоянного тока, содержащее двунаправленные блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения в совмещенной линии питания и обмена информацией, установленные в контроллерах - в составных частях бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины. Каждый из блоков развязки содержит силовой ключ и диодно-конденсаторную цепь либо дроссель, включенный последовательно в линию питания постоянного тока.
Передача цифровых сигналов в этом устройстве осуществляется путем модуляции напряжения в совмещенной линии питания и обмена информацией. Это приводит к увеличению уровня электромагнитных помех, создаваемых устройством, к его повышенной чувствительности к воздействию импульсных помех на этой линии, а также к увеличению уровня пульсаций питающего напряжения его информационно-управляющих устройств.
Техническими результатами, на достижение которых направлено предложенное техническое решение, являются:
- снижение уровня электромагнитных помех, создаваемых устройством;
- снижение чувствительности устройства к воздействию импульсных помех на совмещенную линию питания и обмена информацией;
- снижение уровня пульсаций питающего напряжения на выводах питания электронных информационно-управляющих устройств составных частей бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины и, соответственно, повышение устойчивости и надежности обмена информацией.
В предложенном устройстве для приема и передачи информации по линии питания постоянного тока, содержащем двунаправленные блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения в совмещенной линии питания и обмена информацией, установленные в составных частях бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины, эти технические результаты достигаются тем, что каждый из блоков развязки содержит трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно в линию питания постоянного тока, а вторая обмотка подключена к устройствам приема и передачи цифровых сигналов, которые выполнены с возможностью взаимного блокирования их работы.
Для достижения этих технических результатов устройство приема цифровых сигналов содержит, в частности, последовательно соединенные усилитель, выпрямитель или демодулятор, фильтр и пороговое устройство. При этом усилитель либо выпрямитель или демодулятор выполнен с возможностью блокирования его работы передаваемым цифровым сигналом.
Пороговое устройство выполнено, в частности, в виде регенератора импульсной последовательности, например, с возможностью переключения его выходного сигнала при уровне сигнала на выходе фильтра, близком к половине его максимального значения. Усилитель при необходимости оснащается устройством автоматической регулировки усиления.
Устройство передачи цифровых сигналов может быть реализовано на основе управляемого генератора.
Любая из составных частей бортовой системы может содержать собственную, например, однопроводную мультиплексную линию связи. В этом случае устройства приема и передачи цифровых сигналов содержат соответствующие драйверы мультиплексной линии связи.
Кроме того, для достижения указанных технических результатов вход устройства приема и выход устройства передач цифровых сигналов подключены, в частности, к различным выводам второй обмотки трансформатора, а параллельно источнику питания или цепи питания каждой составной части бортовой системы устанавливаются конденсаторы и/или иные устройства подавления импульсных помех. Отдельные составные части бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины посредством совмещенной линии питания и обмена информацией соединены по физической сетевой топологии типа «звезда» или «дерево».
Благодаря указанным отличительным признакам в предложенном устройстве осуществляется передача информационных сигналов по линии питания в виде тока, что обеспечивает снижение уровня электромагнитных помех, создаваемых этой линией и, соответственно, устройством в целом. Одновременно это обеспечивает снижение чувствительности устройства к воздействию импульсных помех на совмещенную линию питания и обмена информацией, возникающих, в частности, при коммутации сильноточных нагрузок, при проведении электросварки на машине и т.п. Передача сигналов в виде тока позволяет также подключить фильтрующие конденсаторы или иные устройства защиты от помех непосредственно к выводам питания электронных схем каждой составной части бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины, что обеспечивает снижение пульсаций напряжения их питания и, соответственно, повышение устойчивости работы устройства.
На чертеже приведен пример функциональной схемы бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины с предложенным устройством для приема и передачи информации по линии питания постоянного тока.
В приведенном примере показаны две составные части 1, 2 этой системы, соединенные между собой совмещенной линией питания и передачи данных 3.
Их устройства приема и передачи цифровых сигналов могут быть идентичными. Пример их исполнения у составной части 1 показан в развернутом виде, а у составной части системы 2 - в виде общего блока.
В бортовой системе контроля, защиты и/или управления машины может быть три и более составных частей. Они объединяются между собой посредством указанной совмещенной линии питания и обмена информацией 3 по физической сетевой топологии типа «звезда» или «дерево». Это приводит к пропорциональному перераспределению выходного тока передающей (активной) составной части этой системы. Ослабление принимаемого сигнала при этом компенсируется усилителем, входящим в состав каждого устройства приема цифровых сигналов.
Двунаправленные блоки развязки цифровых сигналов и питающего напряжения в каждой из составных частей системы 1, 2 содержат трансформатор 4, первая обмотка которого включена последовательно в линию питания постоянного тока 3, а вторая обмотка подключена к устройствам приема и передачи цифровых сигналов.
Устройство приема цифровых сигналов содержит, в частности, последовательно соединенные усилитель 5, выпрямитель или демодулятор 6, фильтр нижних частот 7 и пороговое устройство 8. При этом усилитель 5 либо выпрямитель или демодулятор 6 выполнен с возможностью блокирования его работы (обнуления коэффициента передачи) передаваемым цифровым сигналом.
Пороговое устройство 8 выполнено, в частности, в виде регенератора импульсной последовательности. Например, на основе компаратора, порог переключения которого устанавливается на уровне половины амплитуды сигнала на выходе фильтра 7. Амплитуда указанного сигнала в этом случае определяется с помощью пикового детектора или устройства выборки-хранения, а половина этой амплитуды устанавливается с помощью делителя напряжения, соединенного с опорным входом компаратора.
Выпрямитель или демодулятор 6 может быть выполнен, в частности, в виде активного двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях, а фильтр 7 - в виде конденсатора, включенного в обратную связь этого операционного усилителя. Фильтр 7 может быть выполнен также в виде отдельного устройства с использованием RC или LC цепей.
Усилитель 5 может быть оснащен устройством автоматической регулировки усиления, вход которого подключен, например, к выходу фильтра 7.
Устройство передачи цифровых сигналов может быть реализовано в виде управляемого импульсного генератора 9, формирующего импульсы несущей частоты f во время передачи логического нуля или логической единицы передаваемой информации. Т.е. логическому нулю в линии 3 может соответствовать либо отсутствие переменного тока несущей частоты в этой линии, либо его наличие. Соответственно логической единице - наоборот, его наличие или отсутствие. В любом случае величина несущей частоты f значительно превышает длительность нуля и единицы (бита) передаваемой информации.
В устройстве приема цифровых сигналов эта частота f подавляется фильтром 7.
Любая из составных частей бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины может содержать собственную мультиплексную линию связи 10, например, типа LIN, CAN и т.п., соединяющую устройства для приема и передачи информации с информационно-управляющим устройством 11 и с другими условно не показанными функциональными узлами каждой составной части этой бортовой системы. В этом случае используется драйвер 12 мультиплексной линии связи 10.
Если мультиплексная линия связи отсутствует, то выход информационно-управляющего устройства 11, формирующего информационные сигналы, подлежащие передаче в другую составную часть 2 системы по линии 3, соединяется непосредственно с управляющим входом TX генератора 9, а выход порогового устройства 8 - с входом RX этого информационно-управляющего устройства 11 (на чертеже условно не показано). В этом случае взаимное блокирование работы устройств приема и передачи цифровых сигналов, т.е. исключение обратной передачи принимаемых сигналов в линию 3, а также приема собственного передаваемого сигнала, осуществляется самим информационно-управляющим устройством 11 с использованием его программно-аппаратных средств.
Информационно-управляющее устройство 11 в общем случае реализовано на основе микроконтроллера и в зависимости от назначения и выполняемых функций каждой составной части 1, 2 бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины может содержать набор различных датчиков, исполнительных устройств, органов управления, элементов индикации и других элементов.
Для развязки передаваемых и принимаемых сигналов вход устройства приема (усилителя 5) и выход устройства передачи цифровых сигналов (управляемого генератора 9) подключены, в частности, к различным выводам второй обмотки трансформатора 4.
Параллельно источнику питания или цепи питания каждой составной части бортовой системы устанавливаются конденсаторы 13 и/или иные устройства подавления импульсных помех - варисторы, ограничители напряжения и т.п.
Питание всей системы осуществляется от источника питания 14 - от аккумулятора, генераторной установки, выпрямителя со сглаживающим фильтром, импульсного стабилизатора и т.п. Этот источник может быть как внешним по отношению к системе, так и входящим в одну из ее частей.
Устройство работает следующим образом.
Электрическое питание всех составных частей 1, 2 и т.д. бортовой системы контроля, защиты и/или управления машины осуществляется от одного источника 14 по объединенной линии питания и передачи данных 3.
В устройстве реализована двухсторонняя передача информации между всеми составными частями этой системы.
Для этого информационно-управляющее устройство 11 какой-либо составной части системы, работая по программе, заложенной в памяти его микроконтроллера, принимает сигнал с линии 3 и выявляет, что эта линия свободна для передачи.
Далее информационно-управляющее устройство 11 в последовательном коде с использованием своего передатчика 9 по объединенной линии 3 формирует запросы на получение информации от каждой составной части системы или на передачу информации в них. Каждый запрос содержит, в частности, адрес составной части системы, с которой должен произойти обмен информацией, команду, информацию (при передаче данных) и контрольную сумму.
Сигнал с линии 3 поступает одновременно на входы информационно-управляющих устройств 11 всех составных частей системы. Эти информационно-управляющие устройства 11 осуществляют прием информации с линии 3 и проверку контрольной суммы. Если контрольная сумма не совпадает, результат приема игнорируется и информационно-управляющее устройство 11 переходит в режим ожидания следующей передачи, которая циклически повторяется с целью обеспечения надежности системы при работе в условиях помех.
При совпадении контрольной суммы каждое информационно-управляющее устройство 11 производит сравнение принятого адреса с собственным адресом и в случае их совпадения принимает информацию и формирует сигналы подтверждения этого приема либо начинает передачу ответной информации с использованием управляемого генератора 9 и трансформатора 4. При этом другие информационно-управляющие устройства, адреса которых не совпадают с переданным адресом, игнорируют принятый сигнал запроса и находятся в режиме ожидания обращения к ним. Благодаря этому в любой момент времени в режиме передачи находится только одна составная часть системы и конфликта по загрузке объединенной линии питания и обмена данными 3 не происходит.
В описанном устройстве при использовании описанного физического уровня протокола передачи данных может быть реализована последовательная передача цифровой информации как в асинхронном, так и в синхронном режимах. При этом могут быть реализованы различные канальные, сетевые, транспортные и прикладные уровни протокола передачи информации. В частности, лежащие в основе протоколов доступа по проводным сетям LIN, CAN, MicroLAN и т.п.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенного устройства. Изобретение охватывает другие возможные варианты его исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.
Источники информации
1. RU 2129524 C1, B66C 23/88, 13/18, 27.04.1999.
2. Успех благодаря применению новых идей в краностроении. Проспект фирмы Liebherr-Werk Ehingen Gmbh, Postfach 1361, 1999.
3. RU 2276094 C1, B66C 13/18, 23/88, 10.05.2006.