ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области обработки данных для специальных применений и может быть использована для создания высокопроизводительных модулей, применяемых в качестве автономного вычислительного ядра разнообразных систем сбора и обработки аудио и видео информации.
Известно устройство, содержащее блоки элементов И, (n+1)-входовые сумматоры, логический блок, состоящий из r цепей из последовательно включенных частотно-модулированного генератора запуска, высокочастотного автогенератора со схемой самогашения и приемно-излучающей системы высокочастотного автогенератора [RU 2348976, G06N 7/02, G06G 7/12, С2, 20.08.2008].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Известно также устройство, содержащее M*N однотипных модулей, объединенных в матричную структуру, где N - число модулей в строке матричной структуры сети, М - число строк, при этом, каждый модуль микроконтроллерной сети включает блок памяти программ, регистр адреса, регистр команд, мультиплексор логических условий, коммутатор адреса, блок синхронизации, элементы ИЛИ, регистр вектора соответствия, буферный регистр, дешифраторы номера вершины синхронизации, блок элементов ИЛИ, одновибраторы, элемент задержки, группу блоков модулей управления синхронизацией, мультиплексор каналов синхронизации, регистр конфигурации, мультиплексоры, дешифратор каналов синхронизации, генератор сигналов управления синхронизацией, две группы элементов И [RU 2336556, C1, G06F 9/28, G06F 15/173, 20.10.2008].
Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности, поскольку, в частности, оно ограничивается выполнением только арифметических операций.
Наиболее близким к предложенному является вычислительный модуль, содержащий блок памяти программ буферный регистр, микропроцессор, блок памяти данных, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом микропроцессора, первый выход которого соединен с входом блока памяти программ и с входом буферного регистра, первый выход которого соединен с входом блока памяти программ, блок приема и обработки дифференциальных пар высокочастотных сигналов, вход которого соединен со вторым выходом буферного регистра, первый вход-выход соединен со вторым входом-выходом микропроцессора и с входом-выходом блока памяти программ, а второй вход-выход соединен с третьим входом-выходом микропроцессора, таймер реального времени, датчик температуры, преобразователь потока цифровых данных в видеосигналы и преобразователь видеосигналов в поток цифровых данных, входы-выходы которых соединены с четвертым входом-выходом микропроцессора, формирователь аналогового стереофонического звукового сигнала, первый вход-выход которого соединен с четвертым входом выходом микропроцессора, а второй вход-выход соединен с пятым входом-выходом микропроцессора, первый и второй последовательные USB-интерфейсы, входы-выходы которых соединены соответственно с шестым и седьмым входами-выходами микропроцессора, вторичный источник питания, группа выходов которого соединена с группой входов питания микропроцессора, интерфейс для подключения жестких дисков, вход-выход которого соединен с восьмым входом-выходом микропроцессора, последовательный Ethernet-интерфейс, вход-выход которого соединен с девятым входом-выходом микропроцессора, последовательный интерфейс, вход-выход которого соединен с десятым входом-выходом микропроцессора, и двухканальный последовательный интерфейс, вход-выход которого соединен с одиннадцатым входом-выходом микропроцессора, при этом второй выход микропроцессора соединен с входом преобразователя потока цифровых данных в видеосигналы, а выход преобразователя видеосигналов соединен с входом микропроцессора [RU 92556, U1, G06F 19/00, 20.03.2010].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее первый блок памяти программ и буферный регистр, а также микропроцессор и блок памяти данных, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом микропроцессора, первый выход которого соединен с входом блока памяти данных и с входом буферного регистра, выход которого соединен с входом первого блока памяти программ, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом микропроцессора, таймер реального времени и датчик температуры входы-выходы которых соединены с третьим входом-выходом микропроцессора, преобразователь видеосигналов в поток цифровых данных, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора, а выход - соединен с первым входом микропроцессора, формирователь аналогового стереофонического звукового сигнала, первый вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора, а второй вход-выход - соединен с четвертым входом-выходом микропроцессора, первый последовательный USB-интерфейс, вход-выход которого соединен с пятым входом-выходом микропроцессора, второй последовательный USB-интерфейс, вход-выход которого соединен с шестым входом-выходом микропроцессора, интерфейс для подключения карт памяти, вход-выход которого соединен с седьмым входом-выходом микропроцессора, последовательный Ethernet-интерфейс, вход-выход которого соединен с восьмым входом-выходом микропроцессора, последовательный CAN-интерфейс, вход-выход которого соединен с девятым входом-выходом микропроцессора, и двухканальный последовательный интерфейс, вход-выход которого соединен с десятым входом-выходом микропроцессора, а также вторичный источник питания, группа выходов которого соединена с группой входов питания микропроцессора, введены микроконтроллер управления вторичным источником питания, вход-выход которого соединен с входом-выходом вторичного источника питания, второй блок памяти программ, вход-выход которого соединен с одиннадцатым входом-выходом микропроцессора, трехосевой микромеханический акселерометр, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора, и контроллер сенсорного экрана, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора, второй выход которого является выходом для подключения цветных графических панелей.
На чертеже представлена функциональная схема вычислительного модуля.
Вычислительный модуль содержит первый блок 1 памяти программ и буферный регистр 2, а также микропроцессор 3 и блок 4 памяти данных, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом микропроцессора 3, первый выход которого соединен с входом блока 4 памяти данных и с входом буферного регистра 2, выход которого соединен с входом первого блока 1 памяти программ, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом микропроцессора 3.
Вычислительный модуль содержит, также, таймер 5 реального времени и датчик 6 температуры, входы-выходы которых соединены с третьим входом-выходом микропроцессора 3, преобразователь 7 видеосигналов в поток цифровых данных, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора 3, а выход - соединен с первым входом микропроцессора 3, а также формирователь 8 аналогового стереофонического звукового сигнала, первый вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора 3, а второй вход-выход - соединен с четвертым входом-выходом микропроцессора 3.
Помимо указанного выше, вычислительный модуль содержит первый последовательный USB-интерфейс 9, вход-выход которого соединен с пятым входом-выходом микропроцессора 3, второй последовательный USB-интерфейс 10, вход-выход которого соединен с шестым входом-выходом микропроцессора 3, интерфейс 11 для подключения карт памяти, вход-выход которого соединен с седьмым входом-выходом микропроцессора 3, последовательный Ethernet-интерфейс 12, вход-выход которого соединен с восьмым входом-выходом микропроцессора 3, последовательный CAN-интерфейс 13, вход-выход которого соединен с девятым входом-выходом микропроцессора 3, и двухканальный последовательный интерфейс 14, вход-выход которого соединен с десятым входом-выходом микропроцессора 3.
Дополнительно к отмеченному, вычислительный модуль содержит и вторичный источник 15 питания, группа выходов которого соединена с группой входов питания микропроцессора 3, причем, предусмотрено, что отдельные выходы группы выходов вторичного источника 15 питания предназначены для питания микросхем, которые могут быть установлены на плате вычислительного модуля.
Кроме указанных выше, вычислительный модуль содержит микроконтроллер 16 управления вторичным источником питания, вход-выход которого соединен с входом-выходом вторичного источника 15 питания, второй блок 17 памяти программ, вход-выход которого соединен с одиннадцатым входом-выходом микропроцессора 3, трехосевой микромеханический акселерометр 18, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора 3, и контроллер 19 сенсорного экрана, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микропроцессора 3, второй выход которого является выходом 20 для подключения цветных графических панелей.
Поскольку система содержит элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма их реализации предполагает, как правило, использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, то ниже представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, а также примеры их выполнения на существующей элементной базе.
Работает вычислительный модуль следующим образом.
Вычислительный модуль разработан для его последующего применения в качестве автономного вычислительного ядра разнообразных малогабаритных сетевых систем сбора и обработки аудио/видео информации, работающих в температурном диапазоне от -40°С до +85°С. Он является модифицированной версией вычислительного модуля, защищенного патентом [RU 92556, U1, G06F 19/00, 20.03.2010].
Основой вычислительного модуля является микропроцессор 3, например, микропроцессор Freescale iMX.356 с ядром ARM1136JF-S, работающий на тактовой частоте до 532 МГц. Памятью программ для него служат первый блок 1, например NOR Flash объемом до 64 МБайт, и второй блок 17, например NAND Flash объемом до 2 ГБайт, а памятью данных - блок 4, например Mobile DDR SDRAM объемом до 128 МБайт.
В вычислительном модуле реализовано достаточно большое количество периферийных устройств и интерфейсов, перечень которых определяется наличием соответствующих блоков (контроллеров) в составе микропроцессора 3, в частности, преобразователь 7 видеосигналов в поток цифровых данных, выполненный, например, в виде видеодекодера (video decoder), подключаемого к порту "decoder data bus" микропроцессора 3 - аналого-цифровая микросхема, позволяющая выполнять преобразование четырех входных аналоговых композитных видеосигналов типа CVBS (PAL/SECAM/NTSC) в соответствующие им цифровые потоки данных в стандарте ITU-R ВТ 656.
2
Кроме того, используется формирователь 8 - аудиокодек (audio codec), подключаемый к микропроцессору 3 по интерфейсу IS - аналого-цифровая микросхема, позволяющая формировать аналоговый стереофонический звуковой выходной сигнал (Line Out) и аналоговый стереофонический сигнал на наушники (Headphones), а также принимать и преобразовывать в цифровой вид аналоговый стереофонический звуковой входной сигнал (Line In) и аналоговый монофонический сигнал с микрофона (МIС).
Последовательный Ethernet интерфейс 12 (Ethernet 10/100Base-T), реализованный на встроенном в микропроцессор 3 контроллере и внешней микросхеме физического уровня (Ethernet PHY), подключенной к микропроцессору 3 при помощи интерфейса MII (Media Independent Interface) и поддерживающей режим Auto-MDIX.
Первый последовательный USB интерфейс 9 (последовательный интерфейс USB 2.0 OTG (On-The-Go)), выполнен на встроенном в микропроцессор 3 периферийном контроллере, содержащем High Speed PHY (приемо-передатчик, реализующий физический уровень интерфейса USB 2.0 High Speed ОТG).
Второй последовательный USB интерфейс 10 (последовательный интерфейс USB 2.0 Host), выполненный на встроенном в микропроцессор 3 периферийном контроллере, содержащем Full Speed PHY (приемопередатчик, реализующий физический уровень интерфейса USB 2.0 Full Speed Host).
Два канала последовательного интерфейса 13 реализованы на встроенном в микропроцессор 3 контроллере CAN 2.0B и на двух внешних микросхемах трансиверов.
В двухканальном последовательном интерфейсе 14 один канал последовательного полудуплексного интерфейса RS-485 реализован на встроенном в микропроцессор 3 контроллере UART и внешней микросхеме приемо-передатчика RS-485 с функцией Auto Direction Control, позволяющий осуществлять прием/передачу последовательной информации на скоростях до 115200 бит/с., а два канала последовательного полнодуплексного интерфейса RS-232, реализованы на встроенном в микропроцессор 3 контроллере UART и внешней микросхеме приемо-передатчика RS-232, позволяющие осуществлять прием/передачу последовательной информации на скоростях до 115200 бит/с.
Третий выход 20 микропроцессора 3 является интерфейсом для подключения TFT LCD цветных графических панелей.
2
Также, в состав вычислительного модуля входят периферийные устройства, объединенные с микропроцессором 3 по интерфейсу типа IС, в частности, таймер 5 реального времени (Real Time Clock), датчик 6 температуры (t°-sensor) с диапазоном измерений от -55°С до +125°С и с типовой погрешностью измерения ±1°C, трехосевой микромеханический акселерометр 18 на соответствующей микросхеме с диапазоном измерений по каждой из осей от -8g до +8g и с разрешающей способностью (1/64)*g.
Для получения набора напряжений питания, требуемых микросхемам вычислительного модуля, в его составе предусмотрен источник 15 вторичного питания, формирующий из входного напряжения питания +12 В постоянного тока следующие номиналы питающих напряжений: +1.3 В (напряжение питания SRAM процессорного элемента), +1.5 В (напряжение питания PLL (встроенных умножителей частоты) процессора), +1.55 В (напряжение питания ARM-ядра процессора), +1.8 В (напряжение питания микросхемы Mobile DDR SDRAM), +3.3 B (напряжение питания для периферийных контроллеров и микросхем ввода-вывода). Управление последовательностью включения вторичных питающих напряжений, а также мониторинг качества входного питания и качества выходных вторичных питающих напряжений реализованы при помощи микроконтроллера 16 управления вторичным источником питания, типа PIC16F883.
Кроме того, в микроконтроллере 16 предусмотрена реализация функции таймера-толкача (Watch Dog Timer) для основного процессорного элемента, которая позволяет в случае некорректной работы пользовательских или системных программ (зависание, сбои, задержки по времени и т.д.) сформировать и подать сигнал сброса (Reset) на процессорный элемент Freescale i.MX356. Наличие данной функции заметно повышает надежность и стабильность работы вычислительного модуля в конечных изделиях пользователей.
Также, в вычислительном модуле предусмотрен контроллер 19 сенсорного экрана, позволяющий использовать совместно с данным вычислительным модулем графические панели с четырехпроводным резистивным touchscreen интерфейсом.
Конструктивно, рассматриваемый вычислительный модуль выполнен в виде одной многослойной (12 слоев) печатной платы с габаритными размерами 80×100 мм., с двухсторонним расположением элементов.
Благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, поскольку, в частности, в отличие от его ближайшего функционального аналога входное напряжение питания постоянного тока вместо +5 В обеспечивается величиной +12 В, что делает более удобным и простым применение вычислительного модуля в системах промышленной автоматизации, в различных охранных системах, системах видеонаблюдения и т.п. Расширена память программ (добавилась память программ типа NAND Flash большого объема - до 2 ГБайт), в результате чего, в устройствах, построенных на основе предложенного вычислительного модуля, стала возможной реализация сложных графических интерфейсов пользователя (например, системы типа Android), в последовательном интерфейсе 13 заложена поддержка двух независимых каналов последовательного интерфейса CAN 2.0B, что делает возможным применение вычислительного модуля в сложных системах управления технологическим оборудованием, в частности - в автомобильной промышленности (в современных автомобилях один канал типа CAN 2.0B используется в контуре управления электрооборудованием и двигателем, а еще один канал - для управления «интерьером» автомобиля: светом, аудиоцентром, кондиционером, датчиками в салоне, и т.д.). Также, благодаря использованию трехосевого микромеханического акселерометра 18 и датчика температуры 6, обеспечивается возможность измерения ускорений по трем взаимно перпендикулярным осям и температуры окружающей среды, что позволяет использовать вычислительный модуль в измерительных системах. Кроме того, введение в состав вычислительного модуля интерфейса 11 для подключения карт памяти делает возможным использование данного вычислительного модуля в различных системах протоколирования и регистрации информации.