Программно-временное устройство на базе управляющего контроллера

Полезная модель относится к области автоматики и вычислительной техники. Устройство предназначено для коммутации электрических цепей через определенное (заданное) время в продукции гражданского, промышленного и специального назначения.
Из патентных источников известно устройство микропрограммного управления [1]. Указанное устройство содержит регистр микрокоманд, блок памяти микрокоманд, коммутатор адреса, коммутатор условий, блок местного управления, входы задания режима, выход микроопераций устройства. В свою очередь блок местного управления содержит элементы И-НЕ, RS-триггеры, элементы И, элементы НЕ, элементы ИЛИ-НЕ, одновибратор, D-триггер.
Недостатком аналога является его низкая надежность, обусловленная большим количеством дискретных элементов, обеспечивающих формирование логики работы устройства. Входные и выходные каскады данного устройства микропрограммного управления выполнены на базе низковольтовой логики, которая подвержена наводкам со стороны исполнительных устройств в момент коммутации.
Наиболее близким из известных аналогов, служащим прототипом заявленного программно-временного устройства, является микроэлектронное программно-временное устройство [2], представленное на фиг. 1. Устройство содержит электронный блок, представляющий собой две печатные платы (плата 1 и плата 2), контактный вход (КВ) и колодку внешних подключений (КВП). Прототип имеет возможность управлять только одним исполнительным устройством (ИУ). Для наилучшего понимания на фиг. 1 приводится схема прототипа с одним ИУ. Входом устройства является КВП на одну клемму, из которой подается электропитающее напряжение +27 В, а с других клемм выходят команды (сигналы). На плате 1 размещен генератор. На плате 2 расположены делитель частоты (ДЧ), счетчик импульсов (СИ), узел выдержки времени (УВВ) и переключатель временных интервалов (ПВИ). Платы 1 и 2, КВП, KB и ИУ электрически и механически соединены между собой.
В указанном устройстве переключение выходной цепи происходит в момент заданной выдержки времени. Отсчет выдержки времени начинается с момента включения питания, а при его отключении устройство возвращается в исходное состояние.
При подаче электропитающего напряжения на КВП, с генератора импульсы поступают на ДЧ и далее на СИ. УВВ анализирует состояние работающего СИ и вырабатывает сигнал в момент окончания временного интервала, установленного ПВИ. Сигнал от УВВ поступает через KB на ИУ.
Прототип имеет следующие недостатки:
низкая надежность ввиду использования реле с ограниченным количеством переключений и дребезгом контактов, механических устройств (пружина, переключатели и т.д.), которые теряют свои физические свойства при низких температурах;
отсутствие возможности отслеживания хода выполнения программы;
отсутствие квитирования (устройство продолжает отсчет независимо от того, сработало ли фактически исполнительное устройство);
отсутствие возможности реверсирования;
отсутствие возможности сопряжения с персональной электронной вычислительной машиной (ПЭВМ) и другими устройствами;
управление только одним ИУ;
отсутствие возможности подстройки под конкретную задачу (устройство).
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение электрических и эксплуатационных характеристик взятого за прототип программно-временного устройства, а именно повышение надежности устройства за счет использования оптореле, возможность реализации индикации хода выполнения программы при подключении к LED индикатору, наличие квитирования (реакции на пропадание квитанции), наличие реверсивности (обратного отсчета при отключении исполнительных устройств), возможность передачи необходимой информации на ПЭВМ по каналу RS-232/422/485, возможность управлять несколькими ИУ, возможность подстройки под конкретную задачу (устройство). Дополнительным техническим результатом, при использовании предлагаемой полезной модели, является использование базовой несущей конструкции для разных типов устройств (унификация).
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее корпус, внутри которого расположена электронная схема в составе генератора, делителя частоты (ДЧ), счетчика импульсов (СИ), узла выдержки времени (УВВ), переключателя временных интервалов (ПВИ), исполнительного устройства (ИУ) и обеспечивающееся электропитающим напряжением +27 В, причем генератор, ДЧ, СИ и УВВ соединены последовательно между собой, а выход ПВИ соединен с другим входом УВВ, в электронную схему дополнительно введены N-1 ИУ, N входных устройств коммутации (УК), выполненных на базе оптореле, N буферов, N преобразователей уровня (ПУ), N выходных устройств коммутации (УК) на базе оптореле, источник вторичного электропитания (ИВЭП), модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП), модуль Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART), модуль сопряжения с LED-индикатором и модуль сопряжения RS-232/422/485, причем генератор, ДЧ, СИ, УВВ, ПВИ, модуль АЦП и модуль UART выполнены на базе микроконтроллера, первый вход микроконтроллера выполнен с возможностью приема аналогового сигнала, причем N ПУ, N выходных УК, N ИУ, N входных УК и N буферов соединены последовательно, выходы N буферов соединены с 2÷n входами микроконтроллера, а вход-выход микроконтроллера соединен с входом-выходом модуля сопряжения RS-
232/422/485, на выходе которого получается кодограмма сопряжения с ПЭВМ, первый выход микроконтроллера соединен одновременно с входами N ПУ, а второй выход микроконтроллера соединен с входом модуля сопряжения с LED индикатором, а на выходе модуля сопряжения с LED индикатором получаются сигналы для отображения на LED индикаторе, а выходы выходных УК являются выходами всего программно-временного устройства, а входами, в свою очередь, являются входы входных УК, причем все устройство выполнено на одной базовой несущей конструкции.
Количество входов и выходов программно-временного устройства ограничиваются количеством контактов разъема. Для используемой несущей конструкции максимальное количество контактов разъема 224. Таким образом, максимальное количество входов и выходов - по 96. Остальные контакты остаются за электропитающим напряжением, аналоговыми сигналами, выходами на сопряжение с ПЭВМ и выходами на LED индикатор.
Входные УК предназначены для коммутации напряжения +27 В и выдачи +5 В. Выходные УК предназначены для коммутации +5 В и выдачи +27 В.
ИВЭП предназначен для обеспечения электропитающего напряжения +27 В и +5 В.
В предлагаемой полезной модели число «N» может принимать значения от 1 до 96.
Рассмотрим состав заявляемого устройства.
На фиг. 2 приведена структурная схема программно-временного устройства на базе управляющего контроллера, где обозначено:
3 - генератор;
4 - делитель частоты (ДЧ);
5 - счетчик импульсов (СИ);
6 - узел выдержки времени (УВВ);
7 - переключатель временных интервалов (ПВИ);
8 - исполнительное устройство (ИУ);
9 - входное устройство коммутации (УК);
10 - буфер;
11 - источник вторичного электропитания (ИВЭП);
12 - модуль аналого-цифрового преобразования (АЦП);
13 - модуль Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART) (универсальный асинхронный приемопередатчик);
14 - микроконтроллер;
15 - преобразователь уровня (ПУ);
16 - выходное устройство коммутации (УК);
17 - модуль сопряжения с LED-индикатором;
18 - модуль сопряжения RS-232/422/485.
Полезная модель состоит из генератор 3, ДЧ 4, СИ 5, УВВ 6, ПВИ 7, модуля АЦП 12 и модуля UART 13, выполненных на базе микроконтроллера 14, а все устройство выполнено на одной базовой несущей конструкции и еще в составе устройства содержится N ИУ 8, а также в заявляемое устройство дополнительно введены N входных УК 9, N буферов 10, N ПУ 15, N выходных УК 16, ИВЭП 11, модуль сопряжения с LED-индикатором 17 и модуль сопряжения RS-232/422/485 18.
Принцип работы заявляемой полезной модели следующий.
ИВЭП 11 формирует напряжение +(5±0,5) В для питания микроконтроллера 14 и управляющих схем устройства, а для N выходных УК 16 формируется напряжение +(27±3)В. Номинальное электропитающее напряжение +27 В. ИВЭП 11 устойчиво функционирует в диапазоне входных напряжений от +18 В до +32 В.
При подаче на устройство электропитающего напряжения микроконтроллер 14, через заданную выдержку времени, формирует сигнал управления (СУ) на ИУ 8. СУ формируется в уровнях первичного питающего напряжения. С целью обеспечения помехозащищенности микроконтроллера 14 и схем управления входные и выходные УК обеспечивают гальваническую развязку с ИУ 8.
ИУ 8 при получении СУ возвращает квитанцию (Кв), указывающую на то, что ИУ 8 скоммутировано (команда поступила на ИУ).
Квитанция с ИУ 8 поступает на оптореле входного УК 9. Далее устройство через временную выдержку, формируемую микроконтроллером 14, выдает СУ на один или несколько ИУ 8 в зависимости от заданной программы.
При отсутствии квитанции от ИУ 8 выдается сигнал о неисправности, после чего дальнейшее прохождение программы блокируется до появления квитанции.
Алгоритм программного обеспечения микроконтроллера 14 реализован следующим образом. Микроконтроллер 14 запускает внутренний таймер, формирующий из частоты внутреннего генератора 3 интервалы времени длительностью 0,5 секунды, которые формируют внутренние сигналы аппаратного прерывания.
Для управления каждым ИУ 8 зарезервирована переменная, в которой сохраняется количество поступивших прерываний при наличии запуска отсчета включения соответствующего ИУ 8. При этом счет количества прерываний таким же образом организован одновременно и для нескольких ИУ 8.
В момент включения устройства все переменные счета количества прерываний обнуляются. Затем происходит инициализация таймера, после чего разрешаются прерывания от него. При достижении СИ 5, соответствующего ИУ 8, требуемого значения временной выдержки с дискретом таймера, равным 0,5 секунды (требуемого количества соответствующих интервалов), выдается команда на включение необходимого ИУ 8.
Первое ИУ 8 формирует квитанцию о включении, которая поступает на вход первого входного УК 9.
В качестве входных и выходных УК используется оптореле. Преимущества оптореле - это малый ток управления, отсутствие электромагнитных помех при коммутации потребителя, напряжение изоляции, достигающее 600 В и широкий диапазон рабочих температур.
Поскольку ИУ 8 зачастую представляет собой электромагнитное устройство типа реле или контактора, то квитанция формируется из-под его же пары контактов, которые имеют «дребезг контактов» в момент коммутации.
Исключение «дребезга контактов» осуществляется на программном уровне путем анализа наличия устойчивого сигнала квитанции в течение не менее 100 миллисекунд, в противном случае микроконтроллер 14 считает, что квитанция от ИУ 8 не поступила.
При достижении переменной счета текущего ИУ 8 требуемого значения и получения от него устойчивой квитанции формируется команда разрешения счета временного интервала включения следующего ИУ 8 по аналогичному алгоритму, т.е. соответствующей переменной разрешается счет количества входов в прерывание и она инкрементируется при каждом входе в прерывание.
Благодаря наличию модуля АЦП 12 в качестве входного сигнала квитирования ИУ 8 используется аналоговый сигнал.
При этом при помощи модуля АЦП 12 на программном уровне сформировано пороговое устройство информирующее систему о том, что требуемый параметр после коммутации ИУ 8 достиг соответствующего порога по напряжению и разрешение на включение последующего ИУ 8 сформировано.
Отключение ИУ 8 происходит аналогичным образом. Для каждого ИУ 8 программно (на программном уровне) сформирована переменная, которая также инкрементируется при каждом входе в прерывание в процессе снятия команды на отключение ИУ 8. При достижении значения переменной отключения требуемого значения формируется команда на снятие напряжения с ИУ 8, а также обнуляется значение переменной, отвечающей за включение этого же ИУ 8.
Использование в устройстве однокристального микроконтроллера 14 с встроенным модулем UART 13 позволяет реализовать обмен с ПЭВМ с помощью модуля сопряжения по интерфейсу RS-232/422/485 18.
Модуль сопряжения с LED индикатором 17 позволяет реализовать сопряжение с семисегментными LED индикаторами.
В качестве буфера 10 используется 8-ми канальный шинный формирователь с опорными резисторами (установленными на корпус) для исключения несанкционированного срабатывания до момента получения квитанции на оптрон входного УК 9.
Схема ПУ 15 представляет собой 8-ми разрядный синхронный буферный регистр (с инверсным управлением и начальной установкой информации), поэтому модуль ПУ 15 реализован в устройстве кратно 8-ми каналам.
Для сопряжения ПУ 15 с оптореле используется магистральный передатчик с выходом по схеме с открытым коллектором, при этом на верхнее плечо управляющего светодиода оптрона подается напряжение с вторичного источника питания, ограниченное по току до уровня 10 мА, а сигналы управления с микроконтроллера коммутируются магистральным передатчиком.
Учитывая то, что вся элементная база устройства позволяет работать в широком температурном диапазоне, от минус 60°С до +85°С, то и само устройство функционирует в этом же диапазоне температур.
Дополнительным техническим результатом является использование стандартной базовой несущей конструкции, что позволяет говорить об унификации устройства.
Кроме того, в устройстве используется исключительно отечественная элементная база, что особенно актуально в рамках импортозамещения и условиях санкций со стороны западных стран.
Приведенные технические преимущества программно-временного устройства, реализуемого в соответствии с фиг. 2 подтверждены испытаниями в одной из опытно-конструкторских работ.
В соответствии с вышеописанной полезной моделью на предприятии разрабатывается программно-временное устройство на базе управляющего контроллера для применения в перспективных изделиях.
Таким образом, благодаря тому, что в известном устройстве, состоящем из реле, механических устройств и дискретных микросхем заменили механические элементы и дискретные микросхемы на оптореле и микроконтроллер, а так же дополнительно ввели буферы и преобразователи уровней с вышеописанными связями, улучшены электрические и эксплуатационные характеристики, а именно повышена надежность устройства за счет использования оптореле, реализована возможность индикации хода выполнения программы при подключении к LED индикатору, осуществлено наличие квитирования (реакции на пропадание квитанции), реализовано наличие реверсивности (обратного отсчета при отключении исполнительных устройств), осуществлена возможность передачи необходимой информации на ПЭВМ по каналу RS-232/422/485, реализована возможность управлять несколькими ИУ и выполнена возможность подстройки под конкретную задачу (устройство). Кроме того, дополнительным техническим результатом является использование базовой несущей конструкции (унификация).
Источники информации:
1. Авторское свидетельство SU №1524049, опубл. 23.11.1989, заявка №4336848 от 08.10.1987. МПК G06F 9/22;
2. Файкин Г.М. (RU), Калинин В.Ф. (RU). Устройство программно-временное микроэлектронное. Патент РФ на полезную модель №150842, опубл. 27.02.2015, заявка №2014139429 от 29.09.2014, МПК H03K 17/28, H03K 17/296, H01H 43/02 - прототип.