БОРТОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ

Полезная модель относится к вычислительной технике и предназначена для цифровой обработки данных в бортовых комплексах летательных аппаратов.
В настоящее время для эффективного использования объектов управления от бортового вычислителя требуется большое количество вычислений и реализации сложных алгоритмов. Для реализации этих целей требуется применение мощных вычислительных средств с широкими функциональными возможностями.
Известна вычислительная система [1], содержащая несколько микроЭВМ с индивидуальными устройствами памяти и несколько общих устройств памяти, каждое из которых связано с двумя микроЭВМ. При работе с индивидуальной памятью микроЭВМ могут выполнять программы независимо друг от друга. Для обмена информацией между микроЭВМ используются общие запоминающие устройства.
Известна микропроцессорная вычислительная система [2], состоящая из нескольких автономных микропроцессоров, соединенных посредством системной шины с общей внешней памятью. Обмен информацией между микропроцессорами осуществляется через общую память. Доступ автономных микропроцессоров к общей памяти обеспечивается распределителем системной шины. Такая организация системы предпочтительнее предыдущей, так как все микропроцессоры имеют одинаковые возможности при использовании общей памяти.
Известна микропроцессорная вычислительная система [3], которая содержит микропроцессоры, соединенные двухсторонними связями через устройство сопряжения с устройством памяти, и устройство распределения ресурсов, выполняющее функции системного диспетчера.
Известна микропроцессорная система [4], содержащая микропроцессорные модули, внешнее оперативное запоминающее устройство, устройство связи с памятью, блок коммутации и генератор импульсов, при этом информационный вход-выход, адресный
и управляющие входы запоминающего устройства связаны соответственно с информационным входом-выходом, адресным и первыми управляющими входами каждого микропроцессорного блока, а также с информационным входом, адресным и первыми управляющими выходами устройства связи с памятью. Синхронизация работы элементов системы осуществляется по сигналам с генератора тактовых импульсов. В данной системе отсутствует тестовый контроль и контроль правильности функционирования входящих в ее состав.
Известны другие специализированные управляющие вычислительные системы и системы управления и обработки данных (см., например, полезные модели [5, 6, 7]).
Недостатком этих систем являются недостаточно широкие функциональные возможности из-за их узкой специализации.
Известна также управляющая вычислительная система, принятая за прототип [8]. Эта вычислительная система содержит, по меньшей мере, пять микроЭВМ, каждая из которых содержит микропроцессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, связанные между собой внутренней магистралью микроЭВМ, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовому входу микропроцессора, узел обработки программных прерываний, входы которого являются многоканальным входом программных микроЭВМ, а выход подключен к управляющему входу микропроцессора. Система содержит системную интерфейсную магистраль, к которой подключены микроЭВМ. В состав системы входит также блок документирования (накопитель информации), выполненный, например, на магнитных накопителях.
Недостатками системы-прототипа являются недостаточно широкие функциональные возможности из-за узкой специализации и невысокая надежность функционирования в случае прекращения подачи напряжения питания, в том числе кратковременного.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание бортового вычислителя с более широкими функциональными возможностями и повышенной надежностью функционирования.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в бортовой вычислитель, содержащий подключенную к системной интерфейсной магистрали микроЭВМ (электронно-вычислительной машины), включающей процессор, постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство микроЭВМ, связанные между собой внутренней магистралью микроЭВМ, введен, по меньшей мере, один подключенный к системной интерфейсной магистрали адаптер мультиплексных каналов информационного обмена, входы-выходы которого являются соответственно входами-выходами мультиплексных каналов информационного обмена бортового вычислителя, при этом микроЭВМ дополнительно содержит энергонезависимое запоминающее устройство микроЭВМ, подключенное к внутренней магистрали микроЭВМ, микроЭВМ дополнительно содержит входы конфигурации и вход-выход последовательного интерфейса, которые являются соответственно входами конфигурации и входом-выходом последовательного интерфейса бортового вычислителя, постоянное запоминающее устройство микроЭВМ выполнено в виде перепрограммируемого запоминающего устройства, реализованного на основе элементов с электрическим стиранием и программированием, а источник электропитания бортового вычислителя имеет выход перезапуска вычислителя, соединенный с входом сброса процессора.
Предлагаемый бортовой вычислитель также может содержать устройство разовых команд, подключенное к системной интерфейсной магистрали, а входы и выходы устройства разовых команд являются соответственно входами и выходами разовых команд бортового вычислителя.
Адаптеры мультиплексных каналов информационного обмена могут быть совмещены с устройствами разовых команд и иметь входы и выходы разовых команд, которые являются соответственно входами и выходами разовых команд бортового вычислителя.
В предлагаемом бортовом вычислителе источник электропитания снабжен по своему входу элементом развязки, входы которого являются входами бортового вычислителя для подключения к разным бортовым сетям электропитания.
При этом элемент развязки содержит диоды элемента развязки, аноды которых являются входами элемента развязки, а их катоды соединены между собой и образуют выход элемента развязки.
В предлагаемом бортовом вычислителе микроЭВМ может иметь вход-выход последовательного канала, выполненного в соответствии со стандартом USB.
В предлагаемом бортовом вычислителе микроЭВМ может иметь вход-выход локальной сети, выполненный в соответствии со стандартом сети Ethernet.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - функциональная схема бортового вычислителя;
на фиг.2 - схема источника 8 электропитания.
1 - системная интерфейсная магистраль;
2 - микроЭВМ;
3 - процессор;
4 - постоянное запоминающее устройство микроЭВМ;
5 - оперативное запоминающее устройство микроЭВМ;
6 - внутренняя магистраль микроЭВМ;
1
7 - первый адаптер мультиплексных каналов информационного обмена;
N
7 - N-й адаптер мультиплексных каналов информационного обмена;
8 - источник электропитания;
9 - элемент развязки;
10, 11 - диоды элемента развязки;
12 - энергонезависимое запоминающее устройство микроЭВМ;
13 - устройство разовых команд;
14 - вход-выход интерфейса USB;
15 - вход-выход локальной сети;
16 - вход-выход последовательного интерфейса;
17 - стабилизатор напряжения;
18 - первый диод;
19 - первый резистор;
20 - второй резистор;
21 - третий резистор;
22 - четвертый резистор;
23 - второй диод;
24 - пятый резистор;
25 - шестой резистор;
26 - первый конденсатор;
27 - второй конденсатор;
28 - первый компаратор;
29 - второй компаратор;
30 - седьмой резистор;
31 - формирователь выходного сигнала;
32 - первый триггер Шмитта;
33 - второй триггер Шмитта;
34 - выход перезапуска бортового вычислителя;
35 - входы разовых команд;
36 - выходы разовых команд;
1
37 - вход-выход первого мультиплексного канала информационного обмена;
N
37 - вход-выход N-го мультиплексного канала информационного обмена;
38 - входы конфигурации.
1
N
Бортовой вычислитель содержит подключенную к системной интерфейсной магистрали 1 (шина ISA или CompactPCI) микроЭВМ 2, включающую процессор 3, постоянное запоминающее устройство 4 микроЭВМ и оперативное запоминающее устройство 5 микроЭВМ, связанные между собой внутренней магистралью 6 микроЭВМ, N адаптеров 7, ..., 7 мультиплексных каналов информационного обмена, входы-выходы которых являются входами-выходами мультиплексных каналов информационного обмена бортового вычислителя, устройство 13 разовых команд, входы и выходы которого являются соответственно входами 35 и выходами 36 разовых команд бортового вычислителя (фиг.1). МикроЭВМ 2 содержит также энергонезависимое запоминающее устройство 12 микроЭВМ 2, подключенное к внутренней магистрали 6 микроЭВМ. МикроЭВМ 2 дополнительно
содержит входы конфигурации и вход-выход последовательного интерфейса, которые являются соответственно входами конфигурации и входом-выходом последовательного интерфейса бортового вычислителя.
Постоянное запоминающее устройство 4 микроЭВМ выполнено в виде перепрограммируемого запоминающего устройства микроЭВМ, реализованного на основе элементов с электрическим стиранием и программированием, а источник 8 электропитания бортового вычислителя имеет выход перезапуска вычислителя, соединенный с входом сброса процессора 3.
В качестве последовательного интерфейса бортового вычислителя может использоваться последовательный порт RS-232, то есть вход-выход 16 последовательного интерфейса является входом-выходом интерфейса RS-232.
1
N
Адаптеры 7, ..., 7 мультиплексных каналов информационного обмена с первого по N-й могут быть совмещены с устройствами разовых команд и иметь входы и выходы разовых команд, которые являются соответственно входами и выходами разовых команд бортового вычислителя.
В предлагаемом бортовом вычислителе микроЭВМ 2 может иметь вход-выход последовательного канала, выполненного в соответствии со стандартом USB, который является входом-выходом 14 интерфейса USB бортового вычислителя.
В предлагаемом бортовом вычислителе микроЭВМ 2 может иметь вход-выход локальной сети, выполненный в соответствии со стандартом сети Ethernet (IEEE 802.3 10/100BASE-TX), который является входом-выходом 15 локальной сети бортового вычислителя.
Вход-выход 16 последовательного интерфейса, вход-выход 14 интерфейса USB и вход-выход 15 локальной сети могут использоваться в качестве технологических портов программирования бортового вычислителя, а также для соединения вычислителя с другими вычислителями, вычислительными комплексами и устройствами.
Все электронные устройства, входящие в состав бортового вычислителя выполнены в виде функционально и конструктивно законченных модулей.
Источник 8 электропитания бортового вычислителя имеет выход перезапуска вычислителя, который соединен с входом сброса процессора 3.
Источник 8 электропитания снабжен по своему входу элементом 9 развязки, входы которого являются входами бортового вычислителя для подключения к разным бортовым сетям электропитания.
Элемент 9 развязки содержит диоды 10, 11 элемента развязки, аноды которых являются входами элемента развязки, а их катоды соединены между собой и образуют выход элемента 9 развязки. Количество диодов в элементе 9 развязки определяется числом разных бортовых сетей электропитания +27 В(I) и +27 В(II), к которым может быть подключен бортовой вычислитель. В простейшем случае таких диодов в элементе выбирают равным двум, как показано на фиг.1.
1
N
1
N
Адаптеры 7, ..., 7 работающие в режиме контроллера или оконечного устройства по командам из программы пользователя, обеспечивает обмен информацией по основному и резервному каналам информационного обмена в соответствии с ГОСТ 26765.52-87. Взаимодействие адаптеров 7, ..., 7 с микроЭВМ 2 осуществляется по системной интерфейсной магистрали 1 через порты ввода-вывода и прерывания системной интерфейсной магистрали 1.
Устройство 13 разовых команд обеспечивает обмен информацией по восьми входным линиям разовых команд типа "ключ на корпус" и по восьми выходным каналам типа "ключ на корпус".
1
N
1
N
Входы-выходы мультиплексных каналов 37, ..., 37 информационного обмена (входы-выходы адаптеров 7, ..., 7) предназначены для подключения к бортовому вычислителю адаптеров, обеспечивающих обмен информацией биполярным кодом в соответствии с ARINC-429 и ГОСТ 18977-79, устройств разовых команд (устройств дискретного ввода-вывода), устройств аналогового ввода-вывода
с целью обеспечения возможности обмена информацией вычислителя с объектами управления, источниками и потребителями информации, а также с другими вычислителями соответственного по каналам с биполярным кодом в соответствии с ARINC-429 и ГОСТ 18977-79, каналам разовых команд (дискретным каналам), аналоговым каналам.
Источник 8 (фиг.2) содержит стабилизатор 17 напряжения, который вырабатывает напряжения, необходимые для питания микроЭВМ 2 и других блоков и устройств бортового вычислителя, например, ±5 В, ±12 В, ±15 В. Стабилизатор 17 напряжения может быть выполнен по любым известным схемам. Источник 8 электропитания содержит также включенные между первым и вторым выходными выводами стабилизатора 17 напряжения последовательно соединенные первый диод 18, включенный в прямом направлении, первый, второй и третий резисторы 19, 20 и 21, включенные между первым и вторым выходными выводами стабилизатора 17 напряжения, последовательно соединенные четвертый резистор 22, второй диод 23, включенный в прямом направлении, пятый и шестой резисторы 24 и 25, а также первый и второй конденсаторы 26 и 27, первый и второй компараторы 28 и 29, седьмой резистор 30 и формирователь 31 выходного сигнала.
Первый конденсатор 26 включен между точкой соединения первого и второго резисторов 19 и 20 и вторым выходным выводом стабилизатора 17 напряжения. Второй конденсатор 27 включен между точкой соединения второго диода 23 и пятого резистора 24 и вторым выходным выводом стабилизатора 17 напряжения. Вход первого компаратора 28 подключен к точке соединения второго и третьего резисторов 20 и 21. Выход первого компаратора 28 подключен к точке соединения четвертого резистора 22 и второго диода 23. Вход второго компаратора 29 подключен к точке соединения пятого и шестого резисторов 24 и 25. Седьмой резистор 30 включен между первым выходным выводом стабилизатора 17 напряжения и выходом второго компаратора 29. Выход второго компаратора 29 подключен к входу формирователя 31 выходного
сигнала, выход которого является выходом 34 перезапуска бортового вычислителя.
Входы 38 конфигурации, вход-выход 16 последовательного интерфейса, вход-выход 14 интерфейса USB и вход-выход 15 локальной сети обеспечивают возможность изменения конфигурации и перепрограммирования без демонтажа бортового вычислителя.
Построение примененных в предлагаемом бортовом вычислителе и неописанных функциональных блоков хорошо известно.
Бортовой вычислитель работает следующим образом.
При подаче на бортовой вычислитель электропитания +27 В(I) и +27 В(II) на выходе элемента 9 развязки появляется напряжение, которое включает источник 8 электропитания.
1
N
1
N
После включения источника 8 электропитания начинается автоматическая самоинициализация микроЭВМ 2. Процессор 3 начинает выполнение рабочей программы. Выбор рабочей программы осуществляется в зависимости от сигналов, поданных на входы 38 конфигурации. В соответствии с этой программой бортовой вычислитель осуществляет прием данных от объектов управления, источников и потребителей информации (датчиков, исполнительных механизмов и т.п.), поступающих по мультиплексным каналам через входы-выходы 37, ..., 37 мультиплексных каналов информационного обмена с первого по N-й через соответствующие адаптеры, подключенные к этим каналам, обработку этих данных и выдачу результатов (управляющих команд и данных) также по мультиплексным каналам через входы-выходы 37, ..., 37 мультиплексных каналов информационного обмена.
В случае, когда на входы 38 конфигурации поданы сигналы, соответствующие технологическому режиму, осуществляется обмен данными по последовательному интерфейсу, локальной сети, интерфейсу USB. При этом осуществляется загрузка программ в микроЭВМ 2 и передача собранных в процессе работы бортового вычислителя данных во внешние вычислительных устройства (подключенные к входу-выходу 16 последовательного интерфейса, входу-выходу 14 интерфейса USB и входу-выходу 15 локальной сети).
В случае отключения напряжений питания +27 В(I) или +27 В(II) напряжение на выходе элемента 9 развязки не исчезает, обеспечивая непрерывное функционирование бортового вычислителя даже при отсутствии одного из напряжений.
В случае одновременного отключения напряжений питания +27 В(I) или +27 В(II) вся необходимая информация благодаря энергонезависимому запоминающему устройству 12 сохраняется и может быть использована для дальнейшей работы.
Источник 8 электропитания бортового вычислителя работает следующим образом.
При включении источника 8 электропитания на первом и втором выходных выводах стабилизатора 17 напряжения появляется рабочее напряжение. При первом включении питания первый и второй конденсаторы 26 и 27 разряжены. Первый конденсатор 26 начинает заряжаться через первый резистор 19, а второй конденсатор 27 - через четвертый резистор 22. Причем постоянная времени цепи, состоящей из первого конденсатора 26 и первого резистора 19 (примерно 1 с) намного больше постоянной времени цепи, состоящей из второго конденсатора 27 и четвертого резистора 22 (1 мс). То есть второй конденсатор 27 зарядится намного раньше, чем первый конденсатор 26.
Напряжение со второго конденсатора 27 через делитель, образованный пятым и шестым резисторами 24 и 25, поступает на инвертирующий вход второго компаратора 29. Пока напряжение на входе второго компаратора 29 не превышает внутреннего опорного напряжения, выходной транзистор второго компаратора 29 закрыт, и на вход формирователя 31 выходного сигнала через седьмой резистор 30 подается сигнал с первого выходного вывода стабилизатора 17 напряжения, то есть на вход формирователя 31 выходного сигнала подается сигнал логической единицы. При этом на выходе формирователя 31 выходного сигнала также присутствует сигнал логической единицы.
В момент времени, когда второй конденсатор 27 зарядится до такого напряжения, при котором напряжение на выходе делителя, образованного пятым и шестым резисторами 24 и 25, а
следовательно, на входе второго компаратора 29, достигнет уровня, превышающего внутреннее опорное напряжение второго компаратора 29, выходной транзистор второго компаратора 29 открывается и шунтирует выход второго компаратора 29. Таким образом, на вход формирователя 31 выходного сигнала подается сигнал логического нуля, а на его выходе формируется сигнал логического нуля необходимого уровня напряжения и мощности. При этом происходит сброс подключенного к источнику 8 электропитания бортового вычислителя.
Напряжение с первого конденсатора 26 через делитель, образованный вторым и третьим резисторами 20 и 21 поступает на инвертирующий вход первого компаратора 28. Пока напряжение на входе первого компаратора 28 не превышает внутреннего опорного напряжения, выходной транзистор первого компаратора 28 закрыт. Когда первый конденсатор 26 зарядится до такого напряжения (примерно через 1 с после включения), при котором напряжение на выходе делителя, образованного вторым и третьим резисторами 20 и 21, а следовательно, на входе первого компаратора 28, достигнет уровня, превышающего внутреннее опорное напряжение первого компаратора 28, выходной транзистор первого компаратора 28 открывается и шунтирует цепь заряда второго конденсатора 27.
При этом второй конденсатор 27 начинает разряжаться через цепь, образованную пятым и шестым резисторами 24 и 25, а второй диод 23 препятствует быстрому разряду второго конденсатора 27 через открытый выходной транзистор первого компаратора 28. В момент времени, когда второй конденсатор 27 разрядится до напряжения (примерно через 2 с), при котором напряжение на выходе делителя, образованного пятым и шестым резисторами 24 и 25, а следовательно, на входе второго компаратора 29 станет ниже напряжения внутреннего опорного напряжения второго компаратора 29, выходной транзистор второго компаратора 29 закрывается и на вход формирователя 31 выходного сигнала подается сигнал логической единицы. При этом на выходе формирователя 31
выходного сигнала также присутствует сигнал логической единицы.
В установившемся режиме первый конденсатор 26 полностью заряжен до уровня напряжения, близкого к уровню напряжения на выходных выводах стабилизатора 17 напряжения, а второй конденсатор 27 полностью разряжен.
При перерыве питания первый конденсатор 26 начинает разряжаться через цепь, образованную вторым и третьим резисторами 20 и 21. При этом диод 18 препятствует разряду конденсатора 26 через резистор 26 и низкоомную цепь нагрузки.
Если время перерыва питания не превышает времени разряда первого конденсатора 26 до напряжения, при котором напряжение на выходе делителя, образованного вторым и третьим резисторами 20 и 21, а следовательно, на входе первого компаратора 28, станет меньше внутреннего опорного напряжения первого компаратора 28 (не превышает 26-20 с), то выходной транзистор первого компаратора 28 остается открытым, что не позволяет заряжаться второму конденсатору 27 при появлении питания.
Таким образом, после короткого перерыва питания, когда первый конденсатор 26 не успевает разрядиться, второй конденсатор 27 остается разряженным, и при появлении напряжения питания на выходе схемы контроля сразу устанавливается сигнал логической единицы.
При длительном перерыве питания (больше 20 с), первый конденсатор 26 успевает разрядиться до напряжения, при котором напряжение на выходе делителя, образованного вторым и третьим резисторами 20 и 21, а следовательно, на входе первого компаратора 28, станет меньше внутреннего опорного напряжения первого компаратора 28. При этом закрывается выходной транзистор первого компаратора 28. Поэтому при появлении напряжения питания все повторяется как при первом включении, второй конденсатор 27 успевает зарядиться, а на выходе 34 перезапуска бортового вычислителя формируется импульс сигнала логического нуля длительностью не менее 2 с, который обеспечивает сброс бортовой вычислителя.
Формирователь 31 выходного сигнала может быть выполнен по различным схемам. В частности, формирователь 31 образован первым и вторым триггерами 32 и 33 Шмитта.
Таким образом, предлагаемый бортовой вычислитель обладает универсальностью, более широкими функциональными возможностями и повешенной надежностью функционирования.
Представленные чертежи и описание системы позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить ее промышленным способом и использовать для сбора информации и последующей ее обработки для выработки сигналов управления бортовым радиоэлектронным оборудованием летательных аппаратов, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.
Источники информации.
1. Пат. США №4065809, МПК G 06 F 15/16, 1977 г.
2. Пат. США №3959775, МПК G 06 F 15/16, 1976 г.
3. А.С. СССР №742943, МПК G 06 F 15/16, 1980 г.
4. А.С. СССР №907551, МПК G 06 F 15/16, 1982 г.
5. Свид. РФ №4394 на ПМ, МПК G 06 F 15/16, 1997 г.
6. Свид. РФ №4395 на ПМ, МПК G 06 F 15/16, 1997 г.
7. Свид. РФ №9321 на ПМ, МПК G 06 F 15/16, 1999 г.
8. Свид. РФ №6923 на ПМ, МПК G 06 F 15/16, 1998 г. (прототип)