Устройство ввода-вывода

Данное техническое решение относится к вычислительной технике и может быть использовано для автоматических систем контроля и управления.
Известен «Модуль ввода дискретных сигналов» (RU 180923 U1, опубл. 29.06.2018 г., МПК G05D 29/00). Он содержит микропроцессор, связанный через буферный регистр и шину передачи данных с модулем процессора программируемого контроллера, регистр входных данных, сконфигурированный для приема информации от внешних контролируемых устройств и связанный с микропроцессором через внутреннюю шину передачи данных, а также основной блок гальванической развязки и дополнительный блок гальванической развязки, обеспечивающий «горячее» резервирование, сконфигурированные для параллельной работы и содержащие дискретные входы, предназначенные для одновременного приема дискретных сигналов от внешних контролируемых устройств. При этом выходы основного и дополнительного блоков гальванической развязки подключены к входам регистра входных данных для передачи дискретных сигналов через внутреннюю шину передачи данных в микропроцессор для обработки и выявления неисправности внешних контролируемых устройств и передачи сигнала выявленной неисправности в модуль процессора, при этом микропроцессор сконфигурирован для поразрядного сравнения поступающих дискретных сигналов и формирования сигнала неисправности того разряда, в котором различается информация на выходах основного и дополнительного блоков гальванической развязки.
Кроме того, он дополнительно содержит интерфейс CAN, связанный через контроллер интерфейса CAN с микропроцессором и сконфигурированный для получения информации о состоянии внешних контролируемых устройств и выдачи информации на внешний диагностический пульт для индикации результатов самодиагностики модуля и результатов диагностики внешних контролируемых устройств, а также для получения команд по изменению режима работы модуля.
Наиболее близким по технической сущности является «Устройство ввода-вывода» (RU 2524852 С2, опубл.10.06.2014 г., МПК G06F 3/00). Оно содержит приемопередатчик магистрального канала информационного обмена, контроллер магистрального канала информационного обмена, аналого-цифровой преобразователь, приемник разовых команд (дискретных сигналов), формирователь разовых команд, внутреннюю магистраль информационного обмена (состоящую из шины адреса, шины данных, сигнала чтения и сигнала записи). Вход-выход приемопередатчика магистрального канала информационного обмена является входом-выходом магистрального канала информационного обмена устройства ввода-вывода, контроллер магистрального канала информационного обмена соединен с приемопередатчиком магистрального канала информационного обмена, вход-выход данных контроллера магистрального канала информационного обмена, выход данных аналого-цифрового преобразователя, выход данных приемника разовых команд. Вход данных формирователя разовых команд соединены между собой при помощи внутренней магистрали информационного обмена, входы приемника разовых команд являются входами разовых команд устройства ввода-вывода, выходы формирователя разовых команд являются выходами разовых команд устройства ввода-вывода. При этом дополнительно введены приемник сигналов последовательного кода, формирователь сигналов последовательного кода, приемник числоимпульсного кода, блок контроля, состоящий из регистра адреса, регистра данных, элементов «И», «ИЛИ», схемы сравнения, блока выбора адреса (задатчик), формирователя телеметрии. Выходы данных приемника последовательного кода, выходы данных приемника числоимпульсного кода, входы данных формирователя последовательного кода, информационные входы регистра данных блока контроля объединены и подключены к шине данных внутренней магистрали информационного обмена. Входы приемника последовательного кода являются входами последовательного кода устройства ввода-вывода, выходы формирователя последовательного кода являются выходами последовательного кода устройства ввода-вывода. Входы приемника числоимпульсного кода являются входами числоимпульсного кода устройства ввода-вывода, входы аналого-цифрового преобразователя являются входами аналоговых сигналов устройства ввода-вывода. Выходы (шина) адреса контроллера магистрального канала информационного обмена объединены с адресными входами аналого-цифрового преобразователя приемника разовых команд, формирователя разовых команд, приемника последовательного кода, формирователя последовательного кода, приемника числоимпульсного кода, с информационными входами регистра адреса блока контроля и первыми входами схемы сравнения. Выход «чтение» (контроллера магистрального канала информационного обмена) соединен с входом «чтение» аналого-цифрового преобразователя, приемника разовых команд, приемника последовательного кода, приемника числоимпульсного кода и первым входом элемента «ИЛИ» блока контроля, второй вход которого соединен с входом «запись» формирователя последовательного кода, с входом «запись» формирователя разовых команд и выходом «запись» контроллера магистрального канала информационного обмена. Выходы регистра адреса блока контроля соединены с первыми входами формирователя телеметрии (ТМ), выходы регистра данных соединены со вторыми входами формирователя ТМ. Входы разрешения записи регистров данных и адреса соединены с выходом элемента «И», первый вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а второй вход с выходом элемента «ИЛИ». Вход блока выбора адреса является входом задания адреса устройства ввода-вывода. Выход блока выбора адреса соединен со вторыми входами схемы сравнения, выходы формирователя ТМ являются выходами телеметрического контроля устройства ввода-вывода.
Недостатками известных устройств являются то, что они не обеспечивают изоляцию входных и выходных команд устройства от внутренних цепей питания, схемно-техническая реализация устройства требует использования большого количества элементов жесткой логики, что в свою очередь существенно увеличивает размеры готового устройства и снижает надежность их работы.
Технический результат заключается в повышении помехозащищенности за счет введения блоков гальванической развязки по всем дискретным сигналам и интерфейсам обмена, а так же в увеличении надежности устройства ввода-вывода за счет резервирования интерфейсов обмена. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство ввода-вывода, содержит приемник разовых команд, приемник числоимпульсного кода, формирователь разовых команд, аналого-цифровой преобразователь.
Новыми признаками, обеспечивающими достижение заявленного технического результата, являются введение микропроцессора, первого и второго драйвера CAN интерфейса, контроллера USB интерфейса, шести блоков гальванической развязки, мультиплексора и блока формирования эталонного напряжения. При этом N входов приемника разовых команд являются N входами устройства ввода-вывода, N выходы приемника разовых команд соединены с N входами первого блока гальванической развязки, N выходов первого блока гальванической развязки соединены с N входами микропроцессора, первый вход-выход микропроцессора подключен к первому входу-выходу второго блока гальванической развязки, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом первого драйвера CAN интерфейса, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом первого CAN интерфейса, первый и второй входы приемника числоимпульсного кода являются N+1 и N+2 входами устройства ввода-вывода, N+1 и N+2 выходы приемника числоимпульсного кода соединены соответственно с N+1 и N+2 входами третьего блока гальванической развязки, выходы которого соединены с N+1 и N+2 входами микропроцессора, второй вход-выход микропроцессора подключен к первому входу-выходу четвертого блока гальванической развязки, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго драйвера CAN интерфейса, второй выход которого соединен со вторым входом-выходом второго CAN интерфейса. М выходов формирователя разовых команд являются М выходами устройства ввода-вывода, М выходов состояния формирователя разовых команд подключены к М входам состояния пятого блока гальванической развязки, а М выходов управления пятого блока гальванической развязки соединены с М входами управления формирователя разовых команд, М выходов состояния пятого блока гальванической развязки соединены с М входами состояния микропроцессора, М выходов управления которого соединены с М входами управления пятого блока гальванической развязки, третий вход-выход микропроцессора подключен к первому входу-выходу шестого блока гальванической развязки, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом контроллера USB интерфейса, второй вход-выход контроллера USB интерфейса соединен со вторым входом-выходом интерфейса USB. К входов аналогового мультиплексора являются аналоговыми входами устройства ввода-вывода, выход блока формирования эталонного напряжения соединен с К+1 входом мультиплексора, выход которого соединен с входом АЦП4 вход-выход АЦП соединен шиной данных с четвертым входом-выходом микропроцессора.
На фиг. изображена функциональная схема заявляемого устройства ввода-вывода.
Устройство ввода-вывода содержит приемник разовых команд 13, приемник числоимпульсного кода 14, формирователь разовых команд 15, аналого-цифровой преобразователь 8, микропроцессор 7, первый 1 и второй 2 драйверы CAN интерфейса, контроллер USB интерфейса 3, шесть блоков гальванической развязки 4,5,6, 9,10,11, мультиплексор 12 и блок формирования эталонного напряжения 16. N входов приемника разовых команд 13 являются N входами устройства ввода-вывода, N выходы приемника разовых команд 13 соединены с N входами первого блока гальванической развязки 9, N выходов первого блока гальванической развязки 9 соединены с N входами микропроцессора 7, первый вход-выход микропроцессора 7 подключен к первому входу-выходу второго блока гальванической развязки 4, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом первого драйвера CAN интерфейса 1, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом первого CAN интерфейса 17, первый и второй входы приемника числоимпульсного кода 14 являются N+1 и N+2 входами устройства ввода-вывода, N+1 и N+2, выходы приемника числоимпульсного кода 14 соединены соответственно с N+1 и N+2 входами третьего блока гальванической развязки 10, выходы которого соединены с N+1 и N+2 входами микропроцессора 7, второй вход-выход микропроцессора 7 подключен к первому входу-выходу четвертого блока гальванической развязки 5, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго драйвера CAN интерфейса 2, второй выход которого соединен со вторым входом-выходом второго CAN интерфейса 18. М выходов формирователя разовых команд 15 являются М выходами устройства ввода-вывода, М выходов состояния формирователя разовых команд 15 подключены к М входам состояния пятого блока гальванической развязки 11, а М выходов управления пятого блока гальванической развязки 11 соединены с М входами управления формирователя разовых команд 15. М выходов состояния пятого блока гальванической развязки 11 соединены с М входами состояния микропроцессора 7, М выходов управления которого соединены с М входами управления пятого блока гальванической развязки 11. Третий вход-выход микропроцессора 7 подключен к первому входу-выходу шестого блока гальванической развязки 6, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом контроллера USB интерфейса 3, второй вход-выход контроллера USB интерфейса 3 соединен со вторым входом-выходом интерфейса USB 19. К входов аналогового мультиплексора 12 являются аналоговыми входами устройства ввода-вывода. Выход блока формирования эталонного напряжения 16 соединен с К+1 входом мультиплексора 12, выход которого соединен с входом АЦП 8, вход выход АЦП 8 соединен шиной данных с четвертым входом-выходом микропроцессора 7.
Устройство ввода-вывода работает следующим образом. По интерфейсным шинам CAN 17 и 18 информация (идентификатор и данные) поступает в микропроцессор 7 через 2 и 4 блоки гальванической развязки. Микропроцессор сконфигурирован для приема сообщений удовлетворяющих требованиям фильтра идентификатора сообщения. Решение вопросов помехозащищенности обеспечивается за счет блоков гальванической развязки и аппаратного уровня CAN протокола. Таким образом, факт приема сообщения является достоверным, удовлетворяющим требованиям протокола обмена и соответствия контрольной суммы посылки. По приему сообщения микропроцессор передает в шину CAN интерфейса ответное сообщение с актуальной информацией о состоянии входных и выходных сигналов устройства ввода-вывода. Для ответного сообщения используется та шина CAN, по которой было принято последнее достоверное сообщение. При этом интерфейсы CAN 17 и 18 со стороны микропроцессора имеют одинаковый приоритет, и актуальной считается последняя принятая информация.
Прием разовых команд осуществляется следующим образом. Микропроцессор непрерывно считывает состояние N входов приемника разовых команд 13, подключенных через 1 блок гальванической развязки к портам общего назначения микропроцессора. Результат считывания сохраняется в регистрах микропроцессора и упаковывается в выходной массив данных для передачи в шины CAN интерфейса.
Прием числоимпульсного кода осуществляется следующим образом. Микропроцессор непрерывно контролирует время между импульсами, поступающими с входов приемника числоимпульсного кода 14 через 3 блок гальванической развязки на входы захвата микропроцессора. За счет использования входов захвата обеспечивается минимальное время реакции микропроцессора на изменение состояния входа. Результат захвата интерпретируется как время между входными импульсами и передается в шины CAN интерфейса.
Формирование разовых команд осуществляется следующим образом. Микропроцессор получает данные по шинам CAN интерфейса и в соответствии с их состоянием формирует управляющие воздействия на порты общего назначения, подключенные к формирователю разовых команд 15 через 5 блок гальванической развязки. В формирователе разовых команд реализованы сигналы обратной связи по текущему состоянию выходного сигнала. Микропроцессор анализирует соответствие формируемого управления сигналу обратной связи и по результатам сравнения выставляет признак исправности формирователя разовых команд. Результаты диагностики передаются в шины CAN интерфейса.
Прием аналоговых сигналов осуществляется следующим образом.
Микропроцессор через шину данных 4 формирует управляющие воздействия АЦП 8 для опроса состояния К аналоговых сигналов, подключенных к АЦП через мультиплексор 12. При этом К+1 вход мультиплексора подключен к блоку формирования эталонного напряжения 16. Эталонный канал напряжения используется микропроцессором для анализа исправности связей мультиплексор-АЦП-шина данных и достоверности работы АЦП. По результатам анализа выставляется признак исправности АЦП. Результаты диагностики и результаты преобразования по аналоговым каналам передаются в шины CAN интерфейса.
Контроллер USB интерфейса используется для связи микропроцессора с внешним диагностическим оборудованием на базе ПЭВМ. При подключении диагностического оборудования доступен просмотр текущего состояния каждого из узлов устройства ввода-вывода, а также результаты самодиагностики микропроцессора. Визуализация результатов работы на экране ПЭВМ существенно упрощает этапы настройки и ремонта готового оборудования.