ПЛАТА С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области к области электроники и радиотехники, а именно к устройствам для подключения датчиков и исполнительных устройств, используемых в климатических метеостанциях, в системах мониторинга и управления, в автономных логгерах данных.
Уровень техники
Из уровня техники известен многофункциональный контроллер широкого применения (RU199632U1, 10.09.2020). Многофункциональный контроллер широкого применения состоит из основного микроконтроллера и подключенных к нему: портов ввода-вывода общего назначения (GPIO), разделенных на 4 группы, первая «IN1»-«IN4» и третья «OUT1»-«OUT4» группы портов подключены через соответствующие селекторы напряжения к понижающим стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, вторая «IN5»-«IN8» и четвертая «OUT5»-«OUT8» группы портов подключены к понижающему стабилизатору на 5В, интерфейсной шины IIC ( I2C ), блока последовательного синхронного интерфейса передачи данных в режиме полного дуплекса (SPI), универсальной последовательной шины (USB), а также тактовых программируемых кнопок, подключенных к основному микроконтроллеру, и блока драйверов двигателя, подключенных к основному микроконтроллеру и источнику внешнего питания, асинхронных приемопередатчиков (UART1 и UART2), соединенных с основным микроконтроллером и стабилизатором напряжения на 5В, встроенного Bluetooth модуля со светодиодом для беспроводной связи с внешними устройствами, соединенного с основным микроконтроллером, разъема для подключения плат расширения Arduino со светодиодом, подключенного к основному микроконтроллеру и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, порта ввода-вывода держателя карт памяти типа microSD для возможности увеличения объема памяти устройства, подключенного к основному микроконтроллеру и стабилизатору напряжения на 3,3В, схемы автоматического переключения питания между внешним питанием и USB, которая подключена к универсальной последовательной шине (USB) и стабилизаторам напряжения на 5В и 3,3В, в качестве основного микроконтроллера применен 32-битный чип STM32f407vgt6, а также введен переключатель режимов BOOT: RUN, DFU, подключенный с одной стороны к основному микроконтроллеру, а с другой - к порту USB через схему защиты контроллера от перепадов напряжения на порту USB. При этом контроллер выполнен на печатной плате, а все электронные компоненты размещены на одной стороне этой печатной платы.
Недостатком данного решения является то, что такое конструктивное выполнение не имеет достаточного количества необходимых разъемов и типов интерфейсов для подключения датчиков и исполнительных устройств, не обеспечивается вариативность питания и подключения датчиков, отсутствует сторожевой таймер, нет возможности работы от аккумуляторного питания, не обеспечивается непрерывная работоспособность, что в совокупности не позволяет назвать данное устройство универсальным, эффективным и надежным.
Заявленное устройство позволяет в существенной мере преодолеть указанные недостатки, присущие аналогу.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание устройства, встраиваемого в пользовательские проекты, выполненного с возможностью подключения и опроса множества различных измерительных датчиков с различным интерфейсом, с последующим логированием данных и их отправкой через сеть интернет, выдачей управляющих воздействий, а также выполненного с возможностью работы от аккумуляторного питания, обеспечивая работоспособность при отключении питающего напряжения, тем самым обеспечивающего высокую универсальность, эффективность и надежность работы устройства.
Технический результат заключается в реализации заявленного назначения.
Технический результат достигается за счет того, что плата для подключения датчиков и исполнительных устройств, содержащая соединенные между собой и установленные на печатной плате микроконтроллер, выполненный с возможностью приема и передач управляющих сигналов, с беспроводными интерфейсами Wi-Fi и Bluetooth, разъемы для подключения измерительных датчиков и исполнительных устройств, блок питания, блок управления питанием, часы реального времени, внешняя энергонезависимая память, причем дополнительно установлены сторожевой таймер, аккумуляторная батарея, контроллер заряда/разряда аккумуляторной батареи, блок резервного питания, при этом в качестве разъемов для подключения измерительных датчиков установлены восемь разъемов с интерфейсом I2C, девять разъемов с интерфейсом UART, два разъема с интерфейсом SPI и два аналоговых разъема, причем плата выполнена с возможностью питания от двух источников.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Блок-схема подключения датчиков и исполнительных устройств.
Осуществление полезной модели
Основная задача заявленного устройства – опрос и обработка показаний измерительных цифровых и аналоговых датчиков с последующим логированием данных и их отправкой через сеть интернет, выдачей управляющих воздействий, обеспечение работоспособности при отключении питающего напряжения. Устройство может использоваться в климатических метеостанциях, в системах мониторинга и управления. В качестве измерительных датчиков и исполнительных устройств могут быть использованы датчики измерения уровня радиоактивного излучения и накопленной дозы радиации, датчики измерения скорости и температуры потока газа, устройства для обеззараживания воздуха и поверхностей и другие.
Заявленное устройство выполнено с автономным питанием, представляет собой соединенные между собой и установленные на единой печатной плате, посредством сборочных операций, энергоэффективный микроконтроллер, выполненный с возможностью приема и передачи управляющих сигналов, с беспроводными интерфейсами Wi-Fi и Bluetooth для передачи данных, разъемы для подключения измерительных датчиков и исполнительных устройств, блок питания, блок управления питанием, часы реального времени, внешняя энергонезависимая память, сторожевой таймер, аккумуляторная батарея, контроллер заряда/разряда аккумуляторной батареи, блок резервного питания.
Для подключения измерительных датчиков предусмотрен двадцать один разъем с различными интерфейсами, например, девять разъемов UART, восемь разъемов I2C, два разъем SPI и два аналоговых.
Питание может осуществляться от сети 5В - 3А (JST 2.54) и от литий-ионного аккумулятора (1S - 3.7B) (JST 2.54). Также на плате установлен контроллер заряда/разряда аккумулятора (power management).
Дополнительно на плате установлены внешняя энергонезависимая EEPROM память на 512 Кбайт и часы реального времени с батарейкой для логирования данных, боковая тактовая кнопка, светодиод заряда аккумулятора. Посредством соответствующих разъемов на плате имеется возможность установки кулера (JST 2.54), возможность установки пищалок с генератором и без (JST 2.54), возможность установки GSM-модема, возможность установки Ethernet-модуля;
Разъем JST 2.54 защёлкивается в ответной части и обеспечивает стойкий и надежный к вибрациям и другим механическим воздействиям контакт.
Для обеспечения бесперебойной работы и увеличения эффективности/надежности работы устройства используется сторожевой таймер. Он служит для предотвращения «зависания» основного микроконтроллера. При работе платы его необходимо периодически перезагружать. Для этого необходимо подать на ножку IO32 переменный фронт (переход сигнала с низкого положения в высокое) импульса. Данные импульс должен поступать как минимум каждые 60 секунд (можно чаще). При зависании контроллера таймер перезагружает его по питанию - на время примерно 200мс у контроллера пропадает питание, после чего восстанавливается.
Блок управления питанием выбирает в зависимости от нагрузки и мощности блока питания – источник питания (аккумуляторная батарея или внешний блок питания). В случае пропадания питания он выступает в качестве блока бесперебойного питания (резервного питания).
Блок управления представляет из себя сборку транзисторов для выдачи управляющего воздействия, такого как управления силовым реле. Позволяет подключить нагрузку с потреблением суммарно до 1 А.
Кроме того, предусмотрен интерфейс подключения цифровой периферии через блок управления цифровой периферии с возможностью ШИМ, а также интерфейс для вентилятора с регулятором его оборотов, интерфейс для светодиодной панели, интерфейс OneWire.
Заявленное устройство отличается от общеизвестных аналогов:
наличием сторожевого таймера;
наличие аккумуляторной батареи и контроллера заряда/разряда аккумуляторной батареи;
наличием множества цифровых и аналоговых интерфейсов (I2C, UART, SPI, ONEWIRE);
наличием разъемов JST 2.54 для подключения датчиков и периферии;
наличием внешней памяти;
наличием часов реального времени;
наличием блока транзисторов для коммутации нагрузки;
На фиг. 1 представлена блок-схема платы, где видно, что выходы блока питания соединены с блоком управления питанием периферии и микроконтроллером, при этом выходы микроконтроллера соединены со входами часов реального времени, памяти, блока управления питанием периферии, кнопочного переключателя, модулей Wi-Fi, Bluetooth и Ethernet, а также со входами разъемов с интерфейсами I2C, UART, SPI, OneWire, для аналоговых устройств, для светодиодной панели, для модуля беспроводной связи по сетям сотовой связи, для подключения цифровой периферии (через блок управления цифровой периферией с возможностью ШИМ), для вентилятора (через регулятор оборотов). Также выход микроконтроллера соединен со входом сторожевого таймера, который в свою очередь соединен с блоком резервного питания, выходы которого соединены со входами блока питания и блока управления питанием.
Выходы блока управления питанием периферии соединены со входами разъемов с интерфейсами I2C, UART, SPI, OneWire, для аналоговых устройств, со входом блока управления цифровой периферией с возможностью ШИМ и регулятора оборотов вентилятора, а также со входом контроллера заряда со схемой защиты, выходы которого соединены со входом блока питания и аккумулятора, а выход аккумулятора соединен со входом контроллера заряда.
При этом со входами микроконтроллера соединены выходы часов реального времени, памяти, модулей Wi-Fi, Bluetooth и Ethernet, сторожевого таймера, разъемов с интерфейсами I2C, UART, SPI, OneWire, для аналоговых устройств, для модуля беспроводной связи по сетям сотовой связи, выход контроллера заряда, выход блока резервного питания.
При включении устройства кнопкой питания, система (контроллер) управления питанием выбирает источник питания в зависимости от нагрузки и возможностей внешнего блока питания. Также система (контроллер) отвечает за зарядку литий-ионного аккумулятора. Обеспечена работоспособность при отключении питающего напряжения.
После запуска устройства активируется сторожевой таймер. Он служит для предотвращения «зависания» основного микроконтроллера. Если не происходит перезагрузка таймера в установленный срок – он перезагружает контроллер (блок) по питанию.
В случае пропадания питания активируется блок резервного питания.
Для расширения портов ввода-вывода контроллера используется микросхема расширителя портов с цифровым управлением по шине I2C.
Подключение до девяти датчиков на шине UART возможно с помощью специальной микросхемы – мультиплексора UART.
Для целей логирования данных на борту платы установлены микросхемы часов реального времени и памяти EEPROM.
Коммутация внешний нагрузки осуществляется при помощи сборки транзисторов, управляемых с микроконтроллера.
Вышеуказанное выполнение устройства позволяет повысить эффективность его работы за счет универсальности подключения множества различных измерительных датчиков с различным интерфейсом, с последующей выдачей управляющих воздействий, а также отправкой телеметрических данных по беспроводным сетям, наличия сторожевого таймера, аккумулятора, блока управления питанием и блока резервного питания, контроллера заряда/разряда аккумулятора, обеспечивая бесперебойность, высокую универсальность, эффективность и надежность работы устройства.