Устройство выдачи команд и сбора информации на основе семи универсальных регистров ввода/вывода с изменяемой логикой работы
DEVICE FOR ISSUING COMMANDS AND COLLECTING INFORMATION ON BASIS OF SEVEN UNIVERSAL I/O REGISTERS WITH VARIABLE OPERATING LOGIC

Изобретение относится к устройствам автоматики и вычислительной техники, в частности к микропрограммным устройствам с жесткими алгоритмами работы. Изобретение может найти применение в бортовой радиоэлектронной аппаратуре реального времени самостоятельно или в составе аппаратуры управления.
Известно устройство (Патент RU №2574837 С2, МПК G05B 19/00) «Система логического управления» (СЛУ), содержащая соединенные между собой, по меньшей мере, один модуль входов для приема и преобразования входных сигналов, по меньшей мере, один модуль выходов для формирования сигналов управления, логический модуль, модуль диагностики для сбора, анализа и передачи диагностической информации от функциональных модулей, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, один модуль оптической связи для обеспечения межканальных связей, модули соединены между собой посредством индивидуальных цифровых линий связи стандарта LVDS, при этом каждый модуль содержит, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленый цифровой канал связи, система содержит интерфейс внешних связей - индивидуальные оптические линии связи, каждый модуль содержит независимый узел диагностики, предназначенный для формирования диагностических сообщений по признаку работоспособности с привязкой к единому времени системы, соединенный с модулем диагностики.
Описанное устройство предназначено для организации управляющих воздействий и сбора информации от абонентов посредством локальных связей. Связь с абонентами и средой управления организованна на базе физической магистрали LVDS и оптических каналах связи. Отличительной чертой является реализация устройства на базе стандартных процессоров и микросхем типа ПЛИС.
Недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности работы в системах реального времени, набор стандартных интерфейсов типа LVDS и интерфейс оптической связи, для которых необходим специализированный контролер с поддержкой жестко заданного интерфейса управления, разделение устройства на подсистемы - аналогового приема/выдачи информации и цифровой обработки и приема/выдачи информации.
Известен микропрограммный автомат (Патент RU №2527190 С1, МПК G06F 9/00), состоящий из регистра памяти логических условий, двух регистров памяти состояний с парафазной связью между ними и двух комбинационных схем. Микропрограммный автомат предназначен для организации различных комбинаторных схем с различными исполнительными функциями. Автомат может быть использован в вычислительной технике для обработки информации и управления технологическими процессами в реальном времени.
Недостатками данного микропрограммного автомата являются: отсутствие возможности изменения логики работы в реальном времени, необходимость реализации множества микропрограммных автоматов для различных алгоритмов, зависимость синхронизации от внешних управляющих сигналов «Останов», «Пуск», отсутствие внешнего интерфейса связи для приема управляющих воздействий.
Известно устройство сбора, обработки и передачи телеметрической информации (Патент RU №2449346 С1, МПК G06F 9/00), содержащее блок ввода данных, блок формирования адреса, блок памяти, блок управления, генератор тактовых импульсов, блок согласования входных сигналов, блок анализа кодов, блок индикации, блок самоконтроля, коммутатор, входные и выходные шины. Технический результат достигается введением блока анализа кодов, блока индикации, блока самоконтроля, коммутатора и новых связей между функциональными элементами.
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к микропрограммным устройствам управления с жестким алгоритмом работы.
Ключевыми недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности работать в системах реального времени по причине применения в качестве управляющего элемента микросхему микроконтроллера, отсутствие стандартной шины прямого доступа в память («ПДП»), что усложняет стыковку с внешними управляющими абонентами, отсутствие блока дискретного вывода информации и управление внешними абонентами только по стандартным последовательным интерфейсам.
Известно устройство для программного управления (Патент RU №94026017 А1, МПК G05B 19/18), являющейся наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению и принято за прототип. Устройство для программного управления, содержащее блок памяти, имеющий четыре группы выходов, первая из которых соединена с первой группой входов блока управления; вторая группа входов которого подключена к выходам блока согласования входных сигналов, входы которого соединены с входными шинами устройства, первая группа выходов блока управления соединена с первой группой входов блока формирования адреса, вторая группа входов которого подключена к второй группе выходов блока памяти, третья группа входов к первой группе выходов блока ввода данных, выходы к соответствующим адресным входам блока памяти, третья группа выходов которого соединена с выходными шинами устройства, и генератор тактовых импульсов, отличающееся тем, что в него введены блок самоконтроля, коммутатор, блок анализа кодов, блок индикации, в блок памяти пятая группа выходов, в блок управления первый, второй, тактовый входы, третья группа входов, вторая и третья группы выходов, в блок формирования адреса четвертая группа входов, в генератор тактовых импульсов управляющий вход, а в блок ввода данных вторая группа выходов и два одиночных выхода, при этом первый выход блока анализа кодов соединен с первыми входами блока управления и блока индикации, второй вход которого подключен к второму выходу блока анализа кодов, остальные входы подключены к четвертой группе выходов блока памяти, первая пятая группы выходов которого соединены с соответствующими группами информационных входов блока анализа кодов, четвертая группа информационных входов блока формирования адреса подключена к второй группе выходов блока управления, тактовый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, выходные шины устройства через коммутатор соединены с первой группой входов блока самоконтроля, выходы которого через коммутатор соединены с соответствующими выходными шинами устройства, вторая группа выходов блока ввода данных соединена с третьей группой входов блока управления, третья группа выходов которого через коммутатор соединена с второй группой входов блока самоконтроля, первый одиночный выход блока ввода данных соединен с вторым входом блока управления и с управляющими входами генератора тактовых импульсов и блока анализа кодов, второй одиночный выход с управляющим входом коммутатора.
Выше описанное устройство относится к вычислительной технике и может быть использовано самостоятельно или в составе прибора, для контроля, диагностики и управления.
Устройство имеет 4 ключевых недостатка:
1. Устройство требует наличие оператора управления;
2. Устройство содержит четко заданный автомат управления без перенастройки исполняемых функций в реальном масштабе времени;
3. Устройство реализует функции самодиагностики только по команде оператора. Режим самодиагностики не выполняется в штатном режиме работы;
4. В устройстве отсутствует программируемый генератор опорных частот для тактирования внешних подключаемых устройств.
Достигаемым техническим результатом является - увеличение количества исполняемых функций, выполнение самодиагностики в реальном времени, возможность перенастройки исполняемых функций в реальном масштабе времени, применение контроллера внешнего интерфейса типа «Прямого доступа в память» (Шина: данных, адреса, управления), и введение генератора опорных частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство выдачи команд и сбора информации на основе семи универсальных автоматов ввода/вывода с изменяемой логикой работы, содержащее контроллер-загрузчик начальных настроек, имеющий в составе двунаправленный вход/выход 1 «Шина данных ПЗУ», выход 1 «Шина адреса ПЗУ», выход 2 «Шина управления ПЗУ» которые выведены для соединения с внешним ПЗУ, двунаправленный вход/выход 2 «Шина данных», выход 3 «Шина адреса», выход 4 «Шина управления», выход 5 соединены с двунаправленным входом/выходом 1, входом 1, входом 2, входом 3 мультиплексора шин соответственно, шина «ПДП» - двунаправленный вход/выход 2 «Шина данных от внешнего устройства», вход 4 «Шина адреса от внешнего устройства», вход 5 «Шина управления от внешнего устройства» соединяются с мультиплексором, двунаправленный вход/выход 3 «Шина данных», выход 1 «Шина адреса», выход 2 «Шина управления» мультиплексора шин соединены с каждым из семи двунаправленных входов/выходов 1 контроллера сбора данных, с каждым из семи двунаправленных входов/выходов 1 контроллера управления, с каждым из семи двунаправленных входов/выходов 1 контроллера выдачи команд, с каждым из семи входов 1 контроллера сбора данных, с каждым из семи входов 1 контроллера управления, с каждым из семи входов 1 контроллера выдачи команд, с каждым из семи входов 2 контроллера сбора данных, с каждым из семи входов 2 контроллера управления, с каждым из семи входов 2 контроллера выдачи команд, соответственно, из состава семи универсальных регистров ввода/вывода с изменяемой логикой, двунаправленный вход/выход 3 «Шина данных», выход 1 «Шина адреса», выход 2 «Шина управления» мультиплексора шин соединены с двунаправленным входом/выходом 1, входом 1, входом 2 настраиваемого генератора опорных частот, выход 1 и выход 2 перенастраиваемого генератора опорных частот выведены для подключения внешнего устройства, вход/выход 2 каждого из семи универсальных регистров ввода/вывода выведены для подключения внешнего устройства, в устройство введен контроллер самодиагностики, выход 1 которого соединен с входом 1 контроллера - загрузчиком начальных настроек, входы 1-7 соединены с каждым из выходов 1 семи универсальных регистров ввода/вывода соответственно, двунаправленная шина «Шина данных» 1, выход «Шина адреса» 2, выход «Шина управления» 3 соединены с двунаправленным входом/выходом 4, входом 6, входом 7 мультиплексора шин соответственно, вход 8 соединен с выходом 3 перенастраиваемого генератора опорных частот.
Указанная совокупность признаков позволяет упростить эксплуатацию устройства и расширить область его применения за счет внедрения контроллера (загрузчика начальных настроек), реализовать встроенный контроль в реальном масштабе времени за счет применения контроллера самодиагностики и позволяет изменять логику работы устройства за счет применения внешнего интерфейса типа прямого доступа в память «ПДП», а также выдавать две перепрограммируемые частоты для тактирования внешних устройств.
Устройство поясняется схемами и чертежами:
- на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства выдачи команд и сбора информации на основе семи универсальных регистров ввода/вывода с изменяемой логикой работы;
- на фиг 2 представлена работа универсального регистра ввода/вывода в режиме циклического опроса;
- на фиг 3 представлена работа шины «ПДП» в режимах чтения/записи данных;
- в табл.1 - установочные константы, в адресном пространстве ПЗУ, для настройки работы семи универсальных регистров ввода\вывода и перепрограммируемого генератора опорных частот;
- в табл. 2 - адресное пространство контролера сбора данных семи универсальных регистров ввода/вывода;
- в табл. 3 - адресное пространство контролера выдачи команд семи универсальных регистров ввода/вывода.
Устройство выдачи команд и сбора информации на основе семи универсальных регистров ввода/вывода с изменяемой логикой работы (фиг. 1) содержит в своем составе контроллер-загрузчик начальных настроек 1, мультиплексор шин 2, универсальные регистры ввода/вывода 6-12, контроллер сбора данных 3 из состава каждого универсального регистра ввода/вывода, контроллер управления 4 из состава каждого универсального регистра ввода/вывода, контроллер выдачи команд 5 из состава каждого универсального регистра ввода/вывода, контроллер самодиагностики 13, настраиваемый генератор опорных частот 14, внешнюю шину «ПДП» 15.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом: в начальный момент времени по включению питания или прохождения сигнала «Сброс» контроллер загрузчик 1 захватывает управления устройством, подключает мультиплексор шин 2 к своим шинам (ШД, ШУ, ША), при этом связь от внешнего управляющего устройства через шину «ПДП» 15 недоступна. Загрузчик 1 производит инициализацию каждого из семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12, а также перенастраиваемого генератора опорных частот 14 последовательно. Инициализация производиться чтением установочных констант из внешнего ПЗУ и записью их в контроллер управления 4 из состава семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и перенастраиваемого генератора опорных частот 14. Адресное пространство ПЗУ и адресное пространство контроллера управления (табл. 1) разделено по соответствующим настройкам. Устройство на (фиг. 1) имеет 4 типа исполняемых функций в зависимости от констант, установленных в адресном пространстве ПЗУ:
- выдача команд управления в импульсном режиме (длительность импульса регулируется);
- выдача команд управления в режиме удержания информации (для сброса команды необходимо подать соответствующий сигнал управления);
- прием информации в режиме циклического опроса, с заполнением двух сдвиговых регистров (интервал между опросами и время опроса регулируется);
- прием информации в режиме моментального сохранения информации при изменении состояния логического сигнала с лог.0 в лог. 1 или лог. 1 в лог. 0. Информация сохраняется побитно в двух регистрах.
Режимы работы устройства (фиг. 1) выбирают заполнением полей в адресном пространстве ПЗУ или непосредственной записью установочных значений в адресное пространство контроллера управления 4 каждого из семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и перенастраиваемого генератора опорных частот 14, через шину «ПДП» 15 (фиг. 3) от внешнего управляющего устройства и мультиплексор шин 2. Ниже перечисленные константы определяют логику работы устройства:
1. константы настройки режима регистра - (1) регистр работает на выдачу информации; (2) регистр работает на прием информации;
2. настройка работы регистра в режиме выдачи информации - (3) команда выдается в импульсном режиме; (4) команды выдается в режиме удержания информации;
3. настройка работы регистра в режиме опроса информации - (4) информация снимается в режиме моментального сохранения информации по всем выводам; (5) информация сохраняется в режиме циклического опроса в сдвиговом регистре;
4. настройка установки разрешения работы генератора опорных частот - (0) оба генератора запрещены, (1) включен генератор 1, (2) включен генератор 2, (3) включены оба генератора;
5. Настройка длительности импульса периода частоты генератора;
6. Настройка паузы периода частоты генератора.
После завершения загрузки начальных настроек в контроллер управления 4, каждый универсальный регистр ввода/вывода 6-12 и настраиваемый генератор опорных частот 14 выдает сигнал готовности к работе в контроллер самодиагностики 13.
Далее универсальные регистры ввода/вывода 6-12 и перенастраиваемый генератор опорных частот работают согласно заданным алгоритмам.
Принцип работы одного универсального регистра ввода/вывода 6-12 в режиме циклического опроса (фиг. 2) заключается в последовательном опросе состояния телеметрических данных, поступающих на два выделенных входа сбора данных (выделенный вход сбора данных 0, выделенный вход сбора данных 1) и далее в контроллер сбора данных 3. При этом сами выводы универсального регистра ввода/вывода 6-12 (шины выдачи/сбора данных) работают как внешние управляющие воздействия для открытия аналоговых или цифровых ключей. Диаграмма формирования управляющих воздействий формируется в контроллере выдачи команд 5. Запись информации осуществляется в два сдвиговых регистра, при этом открытие первого ключа соответствует записи информации в первый бит регистра, 16-го ключа в 16-ый бит регистра и т.д.
Принцип работы одного универсального регистра ввода/вывода 6-12 в режиме моментального сохранения информации заключается в сохранении телеметрических данных по всем входам шины выдачи/сбора данных. При этом сами входы (шина выдачи/сбора данных) работают как приемник внешних данных от абонента. Собранная информация сохраняется в двух регистрах, при этом вход 1 соответствует биту 1 в регистре, вход 16 - биту 16 регистра и т.д. Информация, сохраненная в первом регистре, соответствует текущему состоянию информации на входе. Информация, сохраненная во втором регистре, соответствует информации, которая имела состояние изменения в определенный момент времени, но в текущий момент отсутствует. Разрешение обновления информации во втором регистре возможно только после чтения данного регистра. Таким образом, второй регистр отслеживает моментальное изменение состояния переключения лог.0 в лог.1, далее лог. 1 в лог. 0, или лог. 1 в лог. 0, далее лог. 0 в лог. 1 (импульсы), при этом сохраняя первое изменение состояния, фиксируя фронт сигнала.
В данном режиме отдельные выделенные входы (выделенный вход сбора данных 0, выделенный вход сбора данных 1) в работе не используются.
Данные, полученные в результате чтения и сохраненные в регистрах контролера сбора данных 3 универсальных регистров ввода/вывода 6-12 доступны по определенному адресному пространству (табл. 2) через внешнюю шину «ПДП» 15, мультиплексор шин 2 и внутренние магистрали обмена (ШД, ША, ШУ).
Принцип работы одного универсального регистра ввода/вывода 6-12 в режиме выдачи информации заключается в удержании потенциалов на выходе (шина выдачи/сбора данных). Изменение состояния вывода лог. 0 в лог.1 или лог. 1 в лог. 0 осуществляется записью данных в контроллер выдачи команд 5 из состава универсальных регистров ввода/вывода 6-12.
Принцип работы одного универсального регистра ввода/вывода 6-12 в режиме выдачи информации в импульсном режиме (шина выдачи/сбора данных) заключается в удержании состояния лог. 1 в течение заданного промежутка времени и последующий возврат в состояние лог. 0. Выдача команд в импульсном режиме происходит автоматически при записи данных в контроллер выдачи команд 5 из состава универсальных регистров ввода/вывода 6-12.
Запись данных для формирования управляющих воздействий внешним абонентам через выводы (шина выдачи/сбора данных) в универсальные регистры ввода/вывода 6-12 осуществляется через внешнюю шину «ПДП» 15, мультиплексор шин 2, внутренние магистрали обмена (ШД, ША, ШУ) и далее записью данных в контроллер выдачи команд 5 (табл. 3).
Настраиваемый генератор опорных частот 14 после инициализации выдает заданные опорные частоты с двух независимых выходов (F1, F2), для тактирования внешних абонентов.
Все настройки (изменение режимов работы, выдаваемые частоты, длительности удержания команд и интервалы опроса) можно менять в реальном масштабе времени посредством записи констант в контроллер управления 4 от внешнего управляющего устройства по шине ПДП 15, мультиплексор шин 2, внутренней магистрали (ШД, ША, ШУ).
Контроллер самодиагностики 13 после получения сигналов (сигнал управления) о готовности к работе семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14 считывает начальные настройки с семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14. После сохранения начальных настроек контроллер самодиагностики в циклическом режиме опрашивает установочные константы с семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14, при совпадении раннее сохраненного результата и вновь считанного в поле данных, по определенному адресному пространству контроллера самодиагностики 14 взводиться бит лог. 1, соответствующий номеру универсального регистра ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14. В случае несовпадения результата сравнения вновь считанных настроек и ранее сохраненных, в поле данных по определенному адресному пространству взводиться бит лог. 0, соответствующий номеру универсального регистра ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14. Сигнал управления в контроллере самодиагностики 13 снимается в случае записи новых настроенных констант в универсальные регистры ввода/вывода 6-12 и настраиваемый генератор опорных частот 14. После восстановления сигнала управления контроллер самодиагностики 14 вновь сохранит установочные константы от того универсального регистра ввода/вывода 6-12 или настраиваемого генератора опорных частот 14, с которого управляющий сигнал отсутствовал. Контроллер самодиагностики 13 производит чтение установочных констант с универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14 только в случае отсутствия обмена по внутренней шине (ША, ШД, ШУ) и доступа к мультиплексору шин 2. На время занятости мультиплексора шин 2 контроллер самодиагностики останавливает работу и восстанавливает с точки последней операции, когда доступ к внутренней магистрали (ША, ШД, ШУ) и мультиплексору шин 2 восстановлен.
Доступ к адресному пространству в контроллере самодиагностики 13 с данными о состоянии диагностики семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и о настраиваемом генераторе опорных частот 14 доступен по шине «ПДП» 15, через мультиплексор шин 2, далее выделенный адрес с данными в контроллере самодиагностики 13.
Внешняя запись данных в выделенный адрес с данными о состоянии диагностики семи универсальных регистров ввода/вывода 6-12 и настраиваемого генератора опорных частот 14 через шину «ПДП» 15, мультиплексор шин 2, в контроллер самодиагностики 13 приведет к выдаче сигнала управления в контроллер-загрузчик начальных настроек 1. Контроллер-загрузчик начальных настроек, при получении сигнала управления от контроллера самодиагностики 13, произведет инициализацию от внешнего ПЗУ, того универсального регистра ввода/вывода 6-12, или настраиваемого генератора опорных частот 14, бит которого был сброшен в массиве данных контроллера самодиагностики 13 от внешнего управляющего устройства по шине «ПДП» 15, или всех универсальных регистров 6-12 и генератора опорных частот 14 сразу.
Данное устройство используется в аппаратуре управления космических аппаратов в подсистемах сбора информации и выдачи команд управления. Устройство прошло, квалификационные наземные испытания и допущено до летной эксплуатации.
Из известных автору патентных материалов и дополнительных источников информации не известен набор признаков, сходных с признаками заявляемого объекта.