УСТРОЙСТВО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ
DEVICE TO SWITCH INTERFACES

Изобретение предназначено для использования в автоматизированных системах управления (АСУ) различного назначения, в которых необходимо обеспечить обмен двух или большего числа ЭВМ с абонентами, имеющими на входе/выходе по одному интерфейсу.
В АСУ нередко требуется обеспечить обмен двух или большего числа ЭВМ с абонентами через аппаратуру передачи данных (АПД), имеющей на выходе по одному интерфейсу. Необходимость такого обмена возникает при обеспечении надежности АСУ за счет резервирования ЭВМ, либо из-за требований получать/выдавать информацию от АПД поочередно в разные ЭВМ. Как правило, такая АПД, спроектированная задолго до создания АСУ, имеет интерфейс, обеспечивающий связь по схеме «точка - точка», и не рассчитана на подключение к нескольким ЭВМ.
Известны переключатели (коммутаторы) интерфейсов, построенные на основе механических коммутационных элементов (смотри, например, книгу Михаила Гука «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия», 3-е издание, издательство «Питер», 2006, стр.684). Недостатками таких переключателей являются невысокая надежность устройств переключения и необходимость ручного управления ими.
Для обеспечения подключения АПД с одним интерфейсом к нескольким ЭВМ могут применяться конвертеры (преобразователи) интерфейсов. ЭВМ подключаются к конвертеру через интерфейс с множественным доступом (например, Ethernet), a АПД по своему интерфейсу. Примером таких конверторов может служить конвертер Ethernet-RS232 фирмы МОХА NPort-5400 (смотри сайты www.moxa.ru или www.moxa.com). Программными средствами в ЭВМ создаются виртуальные порты, соответствующие АПД, после чего АПД становится доступной для нескольких ЭВМ. Очередность работы нескольких ЭВМ с АПД определяется алгоритмами взаимодействия, заложенными в АСУ. Недостатком такого подключения является изменение временной диаграммы обмена с АПД из-за неизбежных задержек при работе дополнительных программных средств ЭВМ, обеспечивающих доступ к виртуальным портам, и обмен их с конвертерами по общему интерфейсу с множественным доступом. Такие задержки в ряде случаев (например, при работе в режиме реального времени) могут оказаться недопустимыми.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является переключатель интерфейсов (расщепитель последовательного порта), описанный в «Everyday Practical Electronics/ETI», №12/99, с.897 (дайджест в журнале «Радиохобби, №1, 2000, с.17). Этот переключатель содержит интерфейсные микросхемы, преобразующие сигналы интерфейса RS232, поступающие от интерфейса ЭВМ и от двух АПД, в сигналы уровня TTL, и мультиплексор сигналов уровня TTL. Мультиплексор управляется одним из сигналов интерфейса RS232 ЭВМ, не используемым в основной процедуре обмена, и, в зависимости от логического состояния этого сигнала, направляет основные сигналы интерфейса ЭВМ на первую или вторую АПД.
Недостатками устройства-прототипа являются невозможность применения такого устройства для переключения интерфейсов, работающих с полным набором сигналов, и ограниченность функциональных возможностей, так как переключение интерфейсов может быть выполнено только по инициативе ЭВМ.
В основу изобретения положена задача создания устройства переключения интерфейсов с расширенными функциональными возможностями.
Результатом применения предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей переключателя интерфейсов, в частности:
- автоматическое подключение интерфейса АПД к интерфейсу одной из нескольких ЭВМ, проявившей активность;
- возможность переключения интерфейсов, работающих с полным набором сигналов;
- приоритетное подключение интерфейса АПД к интерфейсу одной из ЭВМ при одновременной активности нескольких ЭВМ;
- возможность ручного управления подключением интерфейса АПД к интерфейсу выбранной ЭВМ;
- возможность анализа корректности процесса обмена между АПД и ЭВМ и передачи результатов анализа в сеть мониторинга АСУ для информирования обслуживающего персонала о возникающих при обмене сбоях и отказах;
- возможность управления переключениями интерфейсов обслуживающим персоналом АСУ через сеть мониторинга.
Расширение функциональных возможностей переключателя интерфейсов обеспечивает повышение надежности АСУ и поочередную работу нескольких ЭВМ с одной АПД.
Этот результат достигается введением в устройство микроконтроллера, входы которого соединены с выходными линиями интерфейсов, а выходы - со входами включения/отключения интерфейсных микросхем. С целью обеспечения ручного управления переключением интерфейсов в состав устройства вводится механический переключатель, выходы которого подключаются к входам микроконтроллера. К входам/выходам микроконтроллера подключаются также линии интерфейса сети мониторинга. Программа микроконтроллера анализирует состояние входов микроконтроллера и осуществляет включение/отключение интерфейсных микросхем, соответствующих сложившейся ситуации. Для визуального наблюдения за переключением интерфейсов к выходам микроконтроллера подключаются индикаторные светодиоды.
В качестве примера построения устройства переключения интерфейсов рассмотрим устройство для подключения к двум ЭВМ аппаратуры передачи данных (АПД) с одним интерфейсом RS232.
Схема устройства переключения интерфейсов, связи его с ЭВМ и АПД изображены на фиг.1.
Устройство состоит из интерфейсных микросхем 1, 2, 3 и микроконтроллера 4. Наиболее экономично устройство можно построить, применив отечественные микросхемы типа 5659ИН1 или импортные микросхемы МАХ235. Эти микросхемы содержат по 5 приемников и передатчиков RS232. Входы и выходы микросхем могут быть переведены в отключенное состояние подачей логической единицы на управляющий вход микросхемы. Интерфейсные микросхемы 1, 2 и 3 соединены интерфейсами RS232 с ЭВМ1, ЭВМ2 и АПД соответственно. Они выполняют функцию преобразования уровней сигналов интерфейса RS232 в уровень сигналов TTL. Соответствующие выходы TTL микросхем 1 и 2 объединены друг с другом и с TTL входами микросхемы 3. Соответствующие входы TTL микросхем 1 и 2 объединены между собой и с TTL выходами микросхемы 3. Все выходы интерфейсных микросхем могут быть отключены подачей на управляющие входы 5 логической единицы. Управляющие входы 5 микросхем 1 и 2 соединены с выходами микроконтроллера 4, а на управляющий вход микросхемы 3 постоянно подан логический ноль. Микросхемы 1 и 2, таким образом, могут включаться/отключаться по программе микроконтроллером, а микросхема 3 постоянно включена в работу. Входы микроконтроллера соединены также с выходными сигналами интерфейсов RS232. На фиг.1 и на последующих чертежах для упрощения не показаны необходимые для работы устройства источник питания и гасящие резисторы на входах микроконтроллера, соединенных с сигналами интерфейсов RS232.
Устройство работает следующим образом. При подаче питания на устройство начинает работать программа микроконтроллера. Эта программа производит настройку соответствующих выводов микроконтроллера на вход и выход, отключает обе интерфейсные микросхемы, соединенные с интерфейсом ЭВМ, подав на них логическую единицу. Интерфейс АПД оказывается отключенным от обеих ЭВМ. После этого программа микроконтроллера начинает периодически считывать состояние входов микроконтроллера, соединенных с выходами интерфейсов ЭВМ. Состояние логического нуля соответствует неактивному, а состояние логической единицы активному сигналу. Обнаружив активные сигналы интерфейса ЭВМ, микроконтроллер подает сигнал логического нуля на управляющий вход 5 той интерфейсной микросхемы, которая соединена с соответствующим интерфейсом. Интерфейсная микросхема начинает работать, интерфейс АПД оказывается соединенным с интерфейсом активной ЭВМ. При одновременной активности ЭВМ микроконтроллер осуществляет управление интерфейсными микросхемами 1 и 2 по приоритету, заданному при разработке его программы.
Для расширения функциональных возможностей устройства TTL выходы интерфейсной микросхемы 3 могут быть соединены дополнительно с входами микроконтроллера, как показано на фиг.2. В этом случае программа микроконтроллера может определять состояние сигналов на интерфейсе АПД, что обеспечит реализацию протоколов управления переключением интерфейсов по сигналам, передаваемым АПД. Например, если один из сигналов интерфейса АПД не используется в основном протоколе обмена, то при единичном состоянии этого сигнала микроконтроллер будет соединять интерфейсы АПД и ЭВМ1, а при нулевом состоянии сигнала соединит интерфейсы АПД и ЭВМ2.
Дополнительные возможности по управлению переключением интерфейсов обеспечивают также включенные между входами микроконтроллера и общим проводом механические переключатели установки режима работы устройства, например тумблер 6 с нейтральным положением с контактами 7, 8, 9 (смотри фиг.3). Программа микроконтроллера подключает к этим входам внутренние подтягивающие резисторы. Если тумблер установлен в нейтральное положение, на обоих входах микроконтроллера устанавливается уровень логической единицы. Когда тумблер находится в одном из двух крайних положений, замыкаются контакты тумблера 7 и 9 или 8 и 9, на одном из входов микроконтроллера устанавливается уровень логического нуля. Считывая состояние входов микроконтроллера, программа определяет положение тумблера. При нейтральном положении тумблера программа осуществляет переключение интерфейсов на основе анализа сигналов интерфейсов, как описано выше. При крайних положениях тумблера микроконтроллер осуществляет принудительное переключение интерфейса АПД на интерфейс ЭВМ1 или ЭВМ2 без анализа состояния линий интерфейсов. Таким образом, с помощью тумблера можно производить переключение интерфейсов вручную по усмотрению обслуживающего персонала АСУ. Это бывает необходимо в режимах отладки АСУ и для переключения интерфейсов в случае, если при отказе ЭВМ на ее интерфейсе остались единичные сигналы и программа микроконтроллера не в состоянии произвести правильное подключение.
Для визуального контроля за переключением интерфейсов к выходам микроконтроллера подключаются индикаторные светодиоды 10 (смотри фиг.4). Их включение/выключение производится программой микроконтроллера. С помощью индикаторных светодиодов можно наблюдать состояние отдельных цепей интерфейсов, определяющих алгоритм работы устройства, результат работы программы микроконтроллера (факт подключения АПД к ЭВМ1 или ЭВМ2).
Своевременное обнаружение и устранение отказов технических средств, в том числе и устройств переключения интерфейсов, в значительной мере зависит от своевременного информирования о случившемся событии службы эксплуатационного обеспечения объекта, на котором эксплуатируется АСУ. Довести до этой службы необходимую информацию в реальном масштабе времени позволяет дополнительный канал обмена 11 (смотри фиг.5), соединяющий микроконтроллер с сетью мониторинга объекта 12 и через нее - с автоматизированным рабочим местом службы эксплуатационного обеспечения (АРМ ЭО) 13, подключенного к сети мониторинга каналом обмена 14. Поскольку программа микроконтроллера имеет доступ ко всем интерфейсным сигналам, на основе микроконтроллера можно разработать процедуры проверки корректности обмена ЭВМ с АПД. При нормальном прохождении обмена микроконтроллер периодически передает на АРМ ЭО информацию об активности интерфейсов ЭВМ, положении тумблера установки режима работы устройства, выбранном автоматически или вручную соединении. Обнаружив любое нарушение в работе, например обмен ЭВМ с АПД не производится более допустимого времени или нарушается нормальное взаимодействие, микроконтроллер передает в сеть мониторинга соответствующее сообщение. Получив это сообщение, служба эксплуатационного обеспечения имеет возможность принять своевременные меры для нейтрализации возникшей неисправности - попытаться переключить обмен на другую ЭВМ специальными командами с АРМ ЭО или перейти на ручное управление. Обнаружив прекращение обмена АРМ ЭО с устройством переключения, что может произойти из-за отключения питания устройства или отказа микроконтроллера, служба эксплуатационного обеспечения также устраняет причины неполадок.
При необходимости организовать поочередную работу двух ЭВМ с одной АПД программа микроконтроллера строится таким образом, что после обнаружения активности одной из ЭВМ устанавливается ее соединение с АПД на необходимое для обмена фиксированное время. Только по истечении этого времени микроконтроллер вновь начинает анализ активности интерфейсов и может соединить с АПД другую ЭВМ или повторно первую.
При необходимости переключать на одну АПД более двух ЭВМ в схему устройства добавляется необходимое количество интерфейсных микросхем и производятся соединения, подобные уже рассмотренным. Программа микроконтроллера должна быть переработана с учетом возросшего количества анализируемых сигналов и управляемых микросхем.
Отличительные особенности устройства обеспечивают получение следующего положительного результата - повышение надежности АСУ, благодаря автоматическому переключению обмена с неисправной ЭВМ на исправную, сокращению времени обнаружения и устранения неисправностей. В большинстве случаев устройство позволяет автоматически переключать АПД между двумя ЭВМ без доработки аппаратуры и программного обеспечения АПД и ЭВМ. Также просто удается организовать поочередный обмен нескольких ЭВМ с одной АПД. Положительным моментом применения в устройстве микроконтроллера является и то, что при необходимости включения в состав АСУ АПД с новыми протоколами обмена модификация функций и алгоритма работы переключателя интерфейсов может быть произведена без доработки конструкции посредством простой замены управляющей программы микроконтроллера.