ИНТЕРФЕЙС ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRIC INTERFACE (VERSIONS)

Предлагаемый интерфейс электрический относится к области электротехники и радиоэлектроники и может быть использован в устройствах вычислительной и т.п.техники для обеспечения электрического соединения между собой различных функциональных модулей (плат) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и передачи по нему управляющей информации, данных, адресов, организации цепей питания и т.п.
Известны интерфейсы электрические для обеспечения многопроводных связей между приборами РЭА и их модулями (платами), например, с применением розеток и сопрягаемых с ними вилок [1], и подобных им. При этом одна часть интерфейса электрического, например, вилка, крепится на модуле (плате, приборе), а вторая - розетка - на кабеле. Сам по себе такой интерфейс достаточно компактен, но совместно с кабелями РЭА получается довольно громоздким.
Известен многопроводный интерфейс электрический для соединения между собой печатных плат, одна часть которого содержит контакты в виде штекерной вилки на печатной плате, а вторая - контакты в виде гнездовой колодки [2, 3] на другой печатной плате. При использовании такого интерфейса одна часть элементов электрического соединения, например, соединитель типа «вилка», размещается на краю печатной платы, а другая часть - соединитель типа «розетка» размещается на другой плате, выполненной в виде кросс-платы (или «материнской» платы). По такому принципу выполняется интерфейс электрический в различных контроллерах, функциональных модулях, состоящих из нескольких печатных плат, в настольных компьютерах и другой РЭА.
Недостаток такого интерфейса электрического состоит в том, что он не позволяет обеспечить объединение плат в малогабаритную «монолитную» конструкцию, поскольку платы располагаются перпендикулярно друг другу.
Известен интерфейс электрический, каждый контакт соединителей которого на одном конце содержит гнездо, а на другом - штырь. На основе таких контактов разработаны интерфейсы электрические, обеспечивающие наращивание приборов путем непосредственного соединения соединителей соседних модулей (плат). При этом плоскости плат в составе РЭА (моделей РЭА) параллельны друг другу, соединители и их контакты располагаются перпендикулярно плоскости плат и входят друг в друга, причем гнезда контактов соединителя находятся с одной стороны каждой платы, а штыри - с другой. Такой интерфейс электрический используется в РЭА, выполненной в конструктиве типа PC/104 [4]. При этом обеспечивается наращивание РЭА до заданных параметров без единого провода между модулями (платами) и без кросс-плат. По цепям таких интерфейсов электрических проходят шины питания плат (модулей), шины управления, данных, адреса и т.д. При такой конструкции РЭА провода и кабели необходимы только для организации внешних интерфейсов электрических - цепей питания приборов в составе системы РЭА, цепей входных сигналов и команд от датчиковой аппаратуры и выходных управляющих сигналов и команд к исполнительным органам.
Вместе с тем, такой интерфейс электрический обладает особенностями и создает определенные ограничения. Рассмотрим эти особенности и ограничения с точки зрения адресации модулей (плат) в составе РЭА. В качестве примечания можно отметить, что модули могут быть одноплатными или многоплатными. При этом адресации в составе РЭА могут подлежать либо модули в целом, либо каждая плата модуля.
Каждый модуль (плата) сложного устройства РЭА имеет свой адрес в адресном пространстве любого устройства, который записывается либо в некоторую микросхему хранения этого адреса, либо обеспечивается путем установки определенного количества переключателей (перемычек) в заданные положения.
При этом каждый модуль (плата) должен иметь также входную шину адреса, дешифратор адреса, поступающего от модуля управления («материнской» платы компьютера) и схему сравнения. Все это требует наличия определенной материальной части в составе платы и определенных логических действий по идентификации этой платы (модуля) в адресном пространстве РЭА. При этом даже абсолютно одинаковые модули (платы) в одном устройстве все равно должны иметь разные адреса. Такие же модули (платы), примененные в другом устройстве, могут иметь совсем иные адреса.
Обычно в известных устройствах модуль управления (или материнская плата) на цепях интерфейса электрического шины адреса устанавливает код (адрес) того модуля (платы), с которым собирается работать. Все модули (платы) устройства, кроме выбранного, игнорируют этот адрес, а выбранный модуль (плата) устанавливает обратную связь с модулем управления. При этом при любом количестве единиц и нулей на шине адреса в работу включается только один модуль (плата) с заданным адресом. Вместе с тем существуют ситуации, когда одновременно необходимо управлять несколькими модулями (платами) по одинаковым командам. Простейший и очевидный пример такой ситуации - одновременный запуск или останов таймеров нескольких модулей (плат) по какому-то событию. Обычная адресация плат такой возможности не предоставляет.
В целом можно отметить следующие негативные прямые и косвенные проявления применения известного интерфейса электрического в аппаратуре:
- при записи адреса в модуль (плату) в процессе его изготовления возможны ошибки, которые трудно проконтролировать, поскольку отсутствуют явные видимые признаки адреса (например, при записи его в микросхему);
- поэтому готовый модуль (плата) в процессе испытаний должен проверяться при переборе всех возможных входных адресов, поступающих от модуля управления и реагировать только на записанный в его памяти код адреса;
- одинаковые модули (платы) с разными адресами можно при сборке прибора РЭА перепутать местами, тогда их входные и выходные интерфейсы в конструкции РЭА окажутся «не на своем месте» (это, конечно, выявляется в процессе испытаний при проверке работоспособности РЭА, но на устранение этого конструктивного дефекта требуется время);
- возможен сбой записанного адреса в составе работающего модуля (платы);
- невозможно подать команду (или данные) одномоментно более чем в один модуль (плату, т.е. более чем по одному адресу),
- в случае дефекта в адресной части модуля (платы) его необходимо ремонтировать или браковать.
Задача изобретения направлена на упрощение технической реализации модулей (плат) и приборов, в которых будет применен предложенный интерфейс электрический, и процесса их испытаний, на исключение процесса адресации модулей (плат) перед установкой их в состав сложных устройств РЭА по заданному адресу, увеличение функциональной надежности и функциональных возможностей РЭА в процессе эксплуатации, т.е. - на улучшение потребительских свойств предложенного интерфейса электрического в составе РЭА.
Эта задача решается тем, что в интерфейсе электрическом с n входными цепями, где n более двух, содержащем соединитель, причем контакты соединителя содержат с одной стороны гнездо, а с другой стороны - штырь, первая цепь интерфейса электрического заканчивается на первом контакте соединителя, а вторая и последующие цепи смещаются на один шаг в сторону первой цепи, для чего первый контакт соединителя выполнен укороченным со стороны штыря, второй и последующие контакты подвергнуты деформации таким образом, что штырь второго контакта смещен в положение штыря первого укороченного со стороны штыря, штырь каждого следующего контакта занимает освободившееся место смещенного на один шаг предыдущего штыря соединителя.
Эта задача может быть решена тем, что в интерфейсе электрическом с n входными цепями, где n более двух, содержащем соединитель, причем контакты соединителя содержат с одной стороны гнездо, а с другой стороны - штырь, при этом все штыри контактов деформированы таким образом, что штырь каждого следующего контакта занимает место смещенного предыдущего штыря соединителя.
Кроме того, в интерфейс электрический может быть введена дополнительная n+1 цепь, причем первая и n+1 цепи соединителя снабжены внешними токопроводящими перемычками.
На фиг.1 и 2 приведены варианты конструктивного выполнения электрической схемы предлагаемого интерфейса в виде электромонтажных схем, выполненных по одному принципу, при этом на чертежах и далее в тексте обозначены:
1 - модуль управления,
2 - первый управляемый модуль (плата),
3 - второй управляемый модуль (плата),
4 - последний управляемый модуль (плата),
5 - цепь адреса модуля (платы).
На фиг.3 и 4 приведены два варианта конструкции соединителя, обеспечивающие нужное построение предложенного интерфейса электрического. При этом на чертежах и далее в тексте обозначены:
6 - гнездо контакта,
7 - штырь контакта,
8 - корпус соединителя.
На фиг.5 приведено частное применение данного интерфейса электрического для обеспечения питания сложной РЭА, каждый модуль 2, 3, 4 которой выполнен по принципу «два из трех» и содержит три идентичные платы 9, 10, 11. При этом на фиг.5 и далее в тексте обозначены:
2 - первый управляемый модуль,
3 - второй управляемый модуль,
4 - последний управляемый модуль,
9 - плата канала А,
10 - плата канала В,
11 - плата канала С.
При этом в каждом модуле 2-4 на фиг.5 содержится по три однотипных платы канала А 9, канала В 10 и канала С 11, осуществляющих резервирование РЭА по принципу «два из трех».
Рассмотрим сначала конструкцию соединителя.
Каждый контакт соединителя предложенного интерфейса электрического (фиг.3 и 4) содержит гнездо 6 и штырь 7. Гнездо 6 контакта соединителя может быть выполнено, например, в виде двухсторонней плоской пружины (конструкция гнезда соединителя может быть и иной). Ответная часть контакта соединителя выполнена в виде штыря 7. Электрическое соединение цепей предложенного интерфейса, осуществляется после того? как штыри контактов соединителя одной платы (модуля) войдут в гнезда контактов соединителя другой платы.
На фиг.3 контакт цепи интерфейса электрического, изображенный на первом месте слева, имеет укороченный штырь 7, а все последующие контакты деформированы таким образом, что цепь второго контакта смещается влево и в своем продолжении соединяется с первой цепью следующей платы. Каждая следующая цепь также смещается на один шаг влево.
На фиг.4 первое место слева на соединителе не имеет контакта в виде гнезда, штырь 7 второго контакта за счет его деформации занимает место штыря первого отсутствующего контакта, а все последующие контакты деформированы таким образом, что штырь каждого следующего контакта занимает освободившееся место смещенного на один шаг предыдущего штыря соединителя, при этом последнее место n-ного контакта не имеет штыря. За счет этого все цепи интерфейса электрического от соединителя к соединителю смещаются влево (фиг.1 и 2). Если количество управляемых модулей (плат) 2-4 (кроме базового модуля 1) в устройстве РЭА равно количеству контактов n в соединителе, то первый контакт соединителя базового модуля 1 (или материнской платы) окажется соединенным с левым (первым) контактом соединителя первой платы 2, а последний n-ный контакт соединителя базового модуля 1 окажется соединенным с левым (первым) контактом соединителя нижнего (последнего) модуля 4.
Конструкция корпуса соединителя 8 не имеет существенных признаков, влияющих на реализацию данного изобретения, поэтому она в описании изобретения не рассматривается. Пайка контактов соединителя в составе интерфейса РЭА к печатной плате может осуществляться традиционно в металлизированные отверстия на плате или с помощью соединительных проводов. При этом необходимо и достаточно, чтобы первый контакт соединителя (левый на фиг.1 и 2) был электрически связан с входом цепи адреса 5 модуля (платы). Остальные контакты соединителя интерфейса могут быть даже не припаяны к печатной плате, а проходить транзитом сквозь платы (модули) 2, 3 вплоть до последней платы.
Интерфейс электрический в целом, так же как и прототип обеспечивает наращивание приборов РЭА до заданных параметров без единого провода между модулями (платами) и без кросс-плат путем непосредственного соединения соединителей соседних модулей (плат). При этом плоскости плат в составе РЭА (моделей РЭА) остаются параллельны друг другу, соединители и их контакты располагаются перпендикулярно плоскости плат и входят друг в друга. По цепям таких интерфейсов электрических могут проходить шины питания плат (модулей), шины управления, данных, адреса и т.д. При такой конструкции интерфейсов электрических подключение каждой следующей платы (модуля) приводит к смещению всех цепей интерфейса на один шаг влево (фиг.1 и 2).
Такое построение интерфейса электрического, например, в части адресного пространства устройства РЭА позволяет иметь на адресном входе каждой управляемой платы 2-4 всего один единственный адресный контакт 5 - крайний слева на фиг.1 и 2, обеспечивающий выбор данной платы при наличии на нем разрешающего сигнала (по аналогии с таким входом в сложных микросхемах). В этом случае плата (модуль) не требует никаких иных материальных средств для сохранения ее адреса в составе устройства, идентификации его с адресом на шине адреса и т.д. При этом в устройстве РЭА можно обращаться одновременно к любому количеству его модулей (плат), для чего достаточно, чтобы базовый модуль 1 («материнская» плата) выставил на контактах своего соединителя (и на контактах соединителя первого модуля) требуемое количество нулей и единиц, обеспечивающих одновременный выбор необходимых модулей.
Использование такого интерфейса электрического не исчерпывается адресацией модулей (плат). С его помощью может быть обеспечено электропитание резервированной РЭА. Так, на фиг.5 приведено применение данного интерфейса для обеспечения питания сложной РЭА, каждый модуль 2-4 которой выполнен по принципу «два из трех» и содержит три идентичные платы 9-11, шины питания которых выведены на первый контакт отдельного соединителя интерфейса электрического питания платы. Цепи E1, E2, и Е3 - это выходные шины питания трех управляемых независимых источников питания, подключенных к модулю управления 1 (на чертеже не показаны). Дополнительным признаком такого интерфейса электрического является то, что в «трехфазном» интерфейсе используется четыре цепи. При этом контакты соединителей первой и четвертой цепи каждой платы 9-11 соединены между собой. Работает такой интерфейс питания в «троированной» РЭА следующим образом.
Как видно на фиг.5, первая шина питания Е1 через соединитель модуля управления 1 соединяется с первым контактом соединителя первой платы 9 канала А первого модуля 2, являющимся в данном случае входом питания платы 9 канала А, и через перемычку 5 на этой плате - со свободным четвертым контактом ее соединителя. Одновременно вторая шина питания E2 «транзитом» поступает на первый контакт второй платы 10 канала В и через свою перемычку - на свободный четвертый контакт ее соединителя, а третья шина питания Е3 «транзитом» через две платы поступает на первый контакт соединителя третьей платы 11 канала С первого управляемого модуля 2. За счет перемычек между первым и четвертым контактами соединителей всех плат и смещения цепей в соединителях размещение шин питания Е1, E2, ЕЗ на входе четвертой платы будет аналогично размещению шин питания на входе первой платы 9 первого модуля 2. Далее процесс подачи напряжения питания на платы 9-11 второго З и последующих, вплоть до последнего управляемого модуля 4, повторяется, при этом первые платы 9 канала А всех модулей получают питание от шины Е1, вторые - от шины Е2, третьи - от шины Е3.
Такое построение РЭА позволяет проверять работоспособность всех ее модулей в части резервирования одновременно, комбинируя с помощью управляемых источников питания (на чертеже не показаны) подачу питания E1, E2, Е3 на те или иные платы. Этот же принцип проверки резервирования может быть применен и при адресации плат.
Кроме того, применение предложенного интерфейса электрического позволяет не только избирательно управлять модулями (платами), подавать на них питание, но и иметь от них одновременно полный объем требуемой информации. В этом случае цепи предложенного интерфейса электрического должны подключаться к соответствующим, также первым контактам соединителей модулей (плат), формирующим выходную информацию. В этом случае информация от каждого модуля (платы) будет поступать вверх к модулю управления 1 от всех выбранных модулей (плат). Таким образом, каждая цепь, связывающая модуль управления 1 с входом или выходом управляемых модулей (плат), может быть использована в качестве последовательной шины обмена данными. Предложенный интерфейс электрический в каждом устройстве РЭА может сосуществовать с традиционными интерфейсами, дополняя друг друга и расширяя функциональные возможности аппаратуры.
Из изложенного видно, что применение предложенного соединителя упрощает техническую реализацию плат РЭА (не требует никаких ресурсов для задания и идентификации адреса платы и исключает процесс предварительной адресации модулей (плат) перед установкой их в состав сложных устройств), увеличивает функциональную надежность и функциональные возможности РЭА в процессе эксплуатации. Применение предложенного интерфейса электрического позволяет изготовить устройства РЭА, в которых можно общаться одновременно с любым количеством модулей (плат) этого устройства, обеспечивать резервированные приборы резервированным питанием и т.д. Естественно, что модуль управления в таком устройстве также должен иметь возможность работать одновременно с выбранными модулями.
Изложенное подтверждает улучшение потребительских свойств предложенного интерфейса электрического.
Совокупность признаков в рассмотренном автором предложении не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Литература
1. Соединители СНП268. БСАР.430420.014ТУ. Технические условия.
2. Патент РФ № 2006112 H01R 12/04.
3. Патент РФ № 2072119 H01R 12/14.
4. Сайт www.pc104.org