Устройство приема сигналов от датчиков
DEVICE FOR RECEIVING SIGNALS FROM SENSORS

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти применение в составе бортовых систем управления общесамолетным (общевертолетным) оборудованием и бортовых автоматизированных систем контроля.
Устройства приема сигналов от датчиков для систем управления общесамолетным (общевертолетным) оборудованием и автоматизированных систем контроля должны обеспечивать преобразование аналоговых сигналов от различных типов датчиков, учитывающих множество параметров, например датчиков для измерения температуры жидкостей и газов, датчиков приближения контролирующих положение шасси, дверей и люков, датчиков тока контролирующих давление в жидкостях и газах.
Известно устройство, описанное в книге В.Г. Чернова «Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных» М., Машиностроение, 1988, стр. 121, содержащее токоограничивающие резисторы, аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на основе регистра последовательных приближений, компаратора и цифро-аналогового преобразователя, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), буферный регистр, регистр адреса и логическую схему управления (ЛСУ). Аналоговый мультиплексор с адресным выбором каналов обеспечивает подключение одного из измерительных каналов к входу АЦП. Загрузка адреса аналогового канала осуществляется через регистр адреса и ЛСУ. Сигнал с выбранного внешнего датчика поступает на вход АЦП, который по сигналу, поступающему от ЛСУ, производит преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Затем под управлением ЛСУ производится запись этого кода в соответствующую ячейку памяти ОЗУ. Накопленные в ОЗУ данные передаются во внешнее вычислительное устройство через буферный регистр. Токоограничивающие резисторы защищают каналы аналогового мультиплексора от перегрузки. Недостатком описанного устройства являются ограниченные функциональные возможности в части приема аналоговых сигналов от различных типов датчиков.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, описанное в патенте №2218597 «Устройство для сбора и обработки данных» 20.02.2002, РФ, G06F 17/40, содержащее n входных цепей, m мультиплексоров, блок предварительной обработки данных, содержащий АЦП, блок гальванической развязки, блок обработки и обмена с вычислительным комплексом. Входные цепи данного устройства подключены к датчикам сигналов с установленными в непосредственной близости к ним средствами, обеспечивающими протекание тока по линиям, соединяющим входные цепи с этими датчиками. Данные средства необходимы для контроля состояния линий до датчиков сигналов и подключены параллельно к ним. Эти средства реализованы на резисторах.
Данное устройство позволяет осуществлять сбор и обработку быстроизменяющейся информации о состоянии контролируемых объектов с множества каналов и контроль целостности линий, идущих от датчиков сигналов. Анализ состояния линий осуществляется по всем каналам приема сигналов.
Недостатком описанного устройства является использование для контроля входных линий внешних по отношению к нему средств, обеспечивающих протекание тока по измерительным цепям. Для бортовых систем установка дополнительных элементов на объекте нежелательна, так как требует конструктивного оформления, усложняет и утяжеляет фидер. Кроме того, устройство может принимать сигналы только от однотипных датчиков, так как в устройстве отсутствуют средства нормализации сигналов.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является обеспечение приема сигналов от датчиков.
Технический результат заключается в обеспечении приема сигналов от датчиков.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство приема сигналов от датчиков содержит n входных цепей, каждая из которых, имеет два входа, два выхода и состоит из проводника тока и токоограничителя, при этом два входа каждой входной цепи соединены с двумя входами токоограничителя, а два выхода токоограничителя являются выходами входной цепи, при этом проводник тока соединен между двумя входами входной цепи, коммутатор, блок нормализации сигнала, состоящий из буферного усилителя и фильтра, при этом вход блока нормализации сигнала является входом буферного усилителя, выход буферного усилителя соединен с входом фильтра и выход фильтра является выходом блока нормализации сигнала, аналогово-цифровой преобразователь АЦП, генератор тока, демультиплексор, m выходных цепей, контрольный датчик, причем входы n входных цепей являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов, а выходы n входных цепей соединены с входом коммутатора, имеющим вход контрольного напряжения и вход управления, выход коммутатора соединен с входом блока нормализации сигнала, выход которого соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя, выход которого является первым выходом устройства, вход управления коммутатора, являющийся управляющим входом устройства, соединен также с входом управления демультиплексора, подключенного к генератору тока, а выходы демультиплексора соединены с входами m выходных цепей, выходы которых являются выходами для питания датчиков сигналов, причем демультиплексор имеет дополнительный выход, соединенный с контрольным датчиком, выход которого является вторым выходом устройства.
Особенностью заявляемого технического решения является то, что за счет введения генератора тока, коммутатора, демультиплексора, блока нормализации сигнала и новых связей между узлами, предложенное устройство обеспечивает прием сигналов от различных датчиков.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства сбора данных, где
1 – n входных цепей, каждая содержит
2 - проводник тока,
3 - токоограничитель;
4 - генератор тока ГТ;
5 - коммутатор;
6 - демультиплексор;
7 - блок нормализации сигнала БН, содержащий;
8 - буферный усилитель БУ,
9 - фильтр;
10 - аналого-цифровой преобразователь АЦП;
11 - m выходных цепей;
12 - контрольный датчик КД.
Предлагаемое устройство приема сигналов от датчиков содержит n входных цепей 1, каждая из которых имеет два входа, два выхода и состоит из проводника тока 2 и токоограничителя 3, при этом два входа каждой входной цепи 1 соединены с двумя входами токоограничителя 3, а два выхода токоограничителя 3 являются выходами входной цепи 1, при этом проводник тока 2 соединен между двумя входами входной цепи 1, генератор тока ГТ 4, коммутатор 5, демультиплексор 6, блок нормализации сигнала БН 7, состоящий из буферного усилителя 8 и фильтра 9, при этом вход блока нормализации сигнала 7 является входом буферного усилителя 8, выход буферного усилителя 8 соединен с входом фильтра 9 и выход фильтра 9 является выходом блока нормализации сигнала 7, аналогово-цифровой преобразователь 10 АЦП,, m выходных цепей 11, контрольный датчик КД 12, причем входы n входных цепей 1 являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов, а выходы n входных цепей 1 соединены с входами коммутатора 5, выход которого подключен к входу блока нормализации сигнала БН 7, выход БН 7 соединен с входом АЦП 10, выход которого является первым выходом устройства, коммутатор 5 имеет вход контрольного напряжения и вход управления (адресации) устройства, вход управления коммутатора 5 является управляющим входом устройства и соединен с входом управления демультиплексора 6 подключенного к ГТ 4, выходы демультиплексора 6 соединены с входами m выходных цепей 11, через выходы которых осуществляется питание датчиков сигналов, причем демультиплексор 6 имеет дополнительный выход, соединенный с КД 12, выход которого является вторым выходом устройства.
Дифференциальные входы n входных цепей 1 являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов, которые в состав предлагаемого устройства не входят, а являются по отношению к нему внешними устройствами. В качестве этих внешних устройств могут служить датчики приближения, датчики температуры (активное сопротивление), датчики с токовым выходом. Каждая из n входных цепей 1 содержит проводник тока 2 и токоограничитель 3. Токоограничитель 3 обеспечивает защиту входов коммутатора 5 от перегрузки. В качестве токоограничителя 3 могут быть использованы резисторы. Проводник тока 2 обеспечивает протекание тока во входной цепи. В качестве проводника тока 2 может быть использован также резистор.
Дифференциальные выходы n входных цепей 1 соединены с входами коммутатора 5. Коммутатор 5 предназначен для опроса датчиков сигналов в соответствии с кодом адреса, поступающего на вход управления от внешнего устройства. В качестве устройства адресации может быть использован счетчик или регистр. Коммутатор 5 имеет контрольный вход для приема контрольного напряжения от внешнего источника напряжения. Дифференциальный выход коммутатора 5 соединен с входом БН 7, который служит для приведения уровня сигнала к диапазону преобразования АЦП 10, а также фильтрации сигнала от помех. БН 7 состоит из БУ 8 и фильтра 9, причем дифференциальный вход БН 7 является входом БУ 8, а выход фильтра 9 - выходом БН 7. Выход БУ 8 подключен к входу фильтра 9. Фильтр 9 может быть выполнен в виде пассивной RC цепи, постоянная времени которой рассчитывается исходя из необходимости установления сигнала с заданной точностью в течение времени включения каждого канала коммутатора 5. В качестве БУ 8 может быть использована микросхема инструментального усилителя. АЦП 10 предназначен для преобразования сигнала в цифровой код, либо для преобразования контрольного сигнала в цифровой код в зависимости от режима работы устройства. ГТ 4 предназначен для питания активных сопротивлений, например датчиков температуры. В этом случае демультиплексор 6 как распределитель тока питания поочередно питает датчики температуры. Управление демультиплексором 6 осуществляется от внешнего устройства, причем его вход управления соединен с входом управления коммутатора 5. Выходы демультиплексора 6 подключаются к внешним датчикам температуры через m выходных цепей 11, которые предназначены для защиты каналов демультиплексора 6 от перегрузки. В качестве m выходных цепей 11 могут быть использованы проходные (сериесные) резисторы. Дополнительный выход демультиплексора 6 предназначен для подключения к КД 12, в качестве которого также используется резистор. Выход КД 12 может быть соединен с дополнительным входом коммутатора 5 (на фиг. 1 не показан), либо с входом внешнего АЦП, для обеспечения встроенного контроля тока ГТ 4.
Устройство работает следующим образом. Аналоговый сигнал с выхода внешнего датчика через токоограничитель 3 каждой из n входных цепей 1 поступает на вход коммутатора 5. Коммутатор 5, в соответствии с кодом адреса канала, поступающего от внешнего управляющего устройства, подключает выход соответствующего токоограничителя 3, входящего в n входную цепь 1 к входу БН 7. Усиленный БУ 8 и отфильтрованный фильтром 9 сигнал с выхода БН 7 поступает на вход АЦП 10, который по команде из внешнего управляющего устройства, осуществляет его преобразование в цифровой код. Кроме этого, коммутатор 5 в соответствующее время подключает к входу БН 7 контрольное напряжение, которое поступает на контрольный вход коммутатора 5. АЦП 10 преобразует это напряжение в цифровой код. Код контрольного напряжения с выхода АЦП 10 используется в дальнейшем для контроля работоспособности БН 7 и АЦП 10. Для этого во внешнем устройстве обработки информации программно организуется допусковый контроль этого кода. В случае выхода этого кода за установленный допуск, БН 7 и АЦП 10 забраковываются. Допуск устанавливается на этапе разработки программного обеспечения, для устройства обработки информации исходя из технических характеристик элементов, входящих в указанные выше устройства.
При подключении внешнего датчика к первому входу одной из n входных цепей 1 и с общей шиной устройства, а второй вход одной из n входных цепей 1 - с соответствующей из m выходных цепей 11. Импульс стабильного тока от ГТ 4 проходит через данный внешний датчик, создавая на нем импульс напряжения. Этот импульс напряжения через соответствующую n входную цепь 1 и канал коммутатора 5 поступает на вход БН 7 и затем на вход АЦП 10 для преобразования в цифровой код. Контроль ГТ 4 осуществляется следующим образом. Импульс стабильного тока от ГТ 4 проходит через КД 12, создавая на нем импульс напряжения. Этот импульс напряжения через дополнительный канал коммутатора 5 поступает на вход БН 7 и затем на вход АЦП 10 для преобразования в цифровой код. Этот код с выхода АЦП 10 используется в дальнейшем для диагностики работоспособности ГТ 4. Для этого во внешнем устройстве обработки информации программно организуется допусковый контроль этого кода. В случае выхода кода за установленный допуск ГТ 4 забраковываются. Допуск устанавливается на этапе разработки программного обеспечения для устройства обработки информации исходя из технических характеристик элементов, входящих в указанное выше устройство.
При подключении одного вывода внешнего датчика приближения ко второму входу одной из n входных цепей 1, а другого вывода этого датчика с общей шиной устройства (корпусом), первый вход одной из n входных цепей 1 подключается к внешнему источнику напряжения. При изменении сопротивления указанного внешнего датчика изменяется ток, протекающий через проводник тока 2, создавая на нем падение напряжения, пропорциональное току. Это напряжение через одну их n входных цепей 1 и канал коммутатора 5 поступает на вход БН 7 и затем на вход АЦП 10 для преобразования в цифровой код. Датчик приближения работает в определенном интервале токов. С одной стороны режим нормальной работы ограничен минимальным рабочим током, с другой - максимальным рабочим током. Используя это свойство датчика можно осуществлять контроль входных цепей на обрыв и на замыкание. Так в случае фиксации устройством тока, равного нулю, можно диагностировать обрыв входной цепи. В случае фиксации устройством тока, превышающего максимальную величину рабочего тока датчика, - замыкание входной цепи на общую шину устройства (корпус).
При подключении внешнего генератора тока между первым и вторым входами одной из n входных цепей 1, ток этого внешнего генератора, протекающий через проводник тока 2, создает на нем падение напряжения, пропорциональное измеряемому току. Это напряжение через одну их n входных цепей 1 и канал коммутатора 5 поступает на вход БН 7 и затем на вход АЦП 10 для преобразования в цифровой код.
Предлагаемое техническое решение за счет введения ГТ 4, коммутатора 5, демультиплексора 6, блока БН 7 и новых связей между узлами устройства позволило создать простое, надежное устройство, в котором осуществляется прием сигналов от различных типов датчиков.