УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ОБЪЕКТОМ УПРАВЛЕНИЯ

Данная полезная модель относится к средствам вычислительной техники, является составной частью системы управления и предназначена для сопряжения системы с управляемым объектом, выполняя цифровые и аналоговые методы обработки, преобразования, контроля и выработки управляющих команд на исполнительные механизмы.
Известны вычислительные устройства и системы различного назначения для передачи информации между различными частями распределительных вычислительных систем, примером такого аналога является многопроцессорная корабельная система обработки данных [1], содержащая микропроцессоры, устройство обмена информацией, блоки ввода-вывода, внешние запоминающие устройства, первую и вторую интерфейсные магистрали обмена, адаптер межмагистрального обмена, пульт управления, блоки ввода данных от корабельных источников информации, при этом к первой магистрали подключены через устройство обмена информацией микропроцессоры, вторые входы-выходы образуют группу выходов системы на исполнительные механизмы объекта управления.
Система-аналог имеет недостаточную надежность в случае отказа отдельных элементов, например, адаптера межмагистрального обмена. Кроме того, отсутствие тестового контроля и контроля правильности функционирования входящих в ее состав блоков и устройств затрудняет оперативный поиск и устранение возможных неисправностей в системе.
Наиболее близким по технической сущности и решаемым задачам к заявляемой полезной модели является система автоматизированного управления оружием [2], в которой функцию устройства сопряжения системы с объектом управления выполняют: модуль процессорной платы, модуль обмена релейными сигналами с бортовой системой управления оружием (БСУО), модуль цифрового обмена с БСУО, соединенные через внешнюю информационную шину с устройством подключения к бортовой системе управления оружием.
К недостаткам данной системы следует отнести отсутствие системного резервирования, что может привести к невыполнению объектом управления (ОУ) заданной программы, кроме того в составе системы отсутствуют средства имитации ОУ, что усложняет отладку программного обеспечения, ограничивает возможности тестовых проверок собственной аппаратуры и тренировки обслуживающего персонала.
Задачей полезной модели, имеющей модульную аппаратно-программную структуру, является создание резервированного базового устройства сопряжения, использующего резервный контур в качестве горячего резерва, а также в качестве имитатора объекта управления.
Указанная техническая задача решается за счет того, что в устройство сопряжения системы управления с объектом управления, содержащее основной контур сопряжения в составе модуля центрального процессора, модуля-контроллера мультиплексного канала, модуля релейного обмена, соединенных системной шиной ISA, отличающееся тем, что введен резервный контур сопряжения, в состав основного и резервного контуров введены модуль-коммутатор цепей связи, модуль силового питания и общий для обоих контуров источник силового питания с пультом управления питанием, при этом, модуль силового питания подключен двухсторонними связями к шине ISA, первой группой внешних выходов соединен с объектом управления, второй группой внешних выходов - с резервным контуром сопряжения, а входом - с источником силового питания, второй выход которого соединен с модулем-коммутатором цепей связи основного контура сопряжения, третий и четвертый выходы соединены аналогичными цепями с резервным контуром сопряжения, первый и второй вход источника питания соединен с сетью основной и резервной и двухсторонней связью - с пультом управления питанием, модуль-коммутатор цепей связи соединен внутренней кодовой магистралью с модулем-контроллером мультиплексного канала, группой двухсторонних релейных сигналов и выходом - с модулем релейного обмена, первой и второй группой внешних входов-выходов и группой внешних входов подключен к объекту управления через общую информационную шину основного и резервного контура сопряжения, в котором все модули, внутренние и внешние связи аналогичны основному контуру сопряжения.
Введение указанных модулей и связей совместно с резервным контуром сопряжения и резервными связями с объектом управления позволило создать структуру - устройства сопряжения, обладающего высоким уровнем надежности и резервирования. Наличие резервного контура сопряжения и использование его в качестве имитатора объекта управления в режиме отладочных работ и тестовых проверок исключило традиционные приборы-имитаторы, входящие в состав системы управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на котором модули и блоки имеют следующее обозначение:
1.1 - основной контур сопряжения (ОКС);
1.2 - резервный контур сопряжения (РКС);
2 - модуль-контроллер мультиплексного канала;
3 - модуль-коммутатор цепей связи;
4 - модуль релейного обмена;
5 - модуль центрального процессора (ЦП);
6 - модуль силового питания;
7, 8, 9, 10 - приемопередатчики 1, 2, 3, 4;
11, 12, 13, 14 - блок информационного обмена 1, 2, 3, 4 (БИО);
15, 16, 17, 18 - ОЗУ 1, 2, 3, 4;
19 - шинные усилители;
20 - буферные каскады;
21 - дешифратор адреса 1 (ДША1);
22 - блок формирования прерываний (БФП);
23 - коммутатор кодовой магистрали (КМ);
24 - коммутатор релейных сигналов (PC);
25 - блок автоматического контроля (БАК);
26 - коммутатор цепей связи (ЦС);
27 - компараторы;
28 - узел электромеханических реле (УЭР);
29, 30 - блок оптоэлектронной развязки 1, 2 (ОЭР);
31 - электронные ключи;
32 - мультиплексор 1;
33 - блок цепей непрерывного контроля (ЦНК);
34 - блок адресных регистров;
35 - дешифратор адреса 2 (ДША2);
36 - шина ISA;
37 - контроллер периферийных устройств;
38 - контроллер шины IDE;
39 - ПЗУ;
40 - ОЗУ 5;
41 - АТА DISK (НЖМД);
42 - микроконтроллер;
43 - видеоконтроллер;
44 - сетевой контроллер 1;
45 - сетевой контроллер 2;
46 - тестовый регистр;
47 - дешифратор адреса 3 (ДШАЗ);
48 - регистр адреса;
49 - регистр прерываний (Рг Пр);
50 - мультиплексор 2;
51 - регистр данных;
52 - устройство сравнения напряжения (УСН);
53 - формирователь опорного напряжения (ФОН);
54 - мультиплексор 3;
55 - датчик тока;
56 - блок электронных ключей;
57 - блок реле;
58 - силовой источник питания (ИП);
59 - пульт управления питанием.
Указанные на чертеже модули имеют следующее функциональное назначение:
- Модуль-контроллер мультиплексного канала 2 обеспечивает сопряжение управляющего вычислителя (центрального процессора) с объектом управления (ОУ) в качестве четырехканального терминала последовательной шины данных. Основу модуля составляют четыре блока информационного обмена (БИО), реализованные на БИС 1879 BAIT, каждый канал которого работает независимо друг от друга. Модуль состоит из общей части и четырех контроллеров обмена со своим ОЗУ и приемопередатчиком. Общая часть обеспечивает взаимодействие ЦП с каждым из четырех контроллеров по межмодульному параллельному интерфейсу шины ISA. Модуль имеет встроенные средства самотестирования, что обеспечивает контроль работоспособности, как в процессе реальной работы, так и вне рабочего режима.
- Модуль-коммутатор 3 обеспечивает транзит релейной и кодовой информации к ОУ или имитатору (резервный КС), а также контроль состояния ОУ и ряда его параметров. В состав модуля входят - коммутатор цепей связи, коммутаторы кодовой магистрали и релейных сигналов, блок автоматического контроля с компараторами. Модуль многофункционален и выполняет ряд операций таких, как подключение цепей связи к ОУ или имитатору, коммутацию силового питания, контроль питания ОУ, контроль автономного питания ОУ, контроль сопротивления изоляции. Коммутация цепей связи реализуется моностабильными реле IMO7GR, кодовые и релейные сигналы коммутируются четырех контакторными моностабильными реле С938-03. Контроль цепей питания и сопротивления изоляции реализованы на микросхемах AD826AN.
- Модуль релейного обмена 4 обеспечивает сопряжение канала релейного обмена ОУ с шиной ISA центрального процессора, при этом выполняет непрерывный контроль, входных параметров, обеспечивая выдачу релейных сигналов, прием релейных сигналов, в соответствии с задаваемыми адресами и данными (ОУ, либо имитатор ОУ), выработку сигнала прерывания в случае аварийной ситуации. Функциональное ядро модуля реализовано с использованием программируемой логической интегральной микросхемы ПЛИС M4A3-256/128-10V1 CMU208Pin фирмы LATTICE США. В состав ПЛИС входит дешифратор, узел цепей непрерывного контроля, блок адресных регистров, узел аналого-цифрового преобразования.
- Модуль центрального процессора 5 представляет собой встраиваемую микро-ЭВМ и используется в качестве вычислителя со встроенными стандартными для ЭВМ типа IBM/PC адаптерами ввода-вывода, формирующими внешнюю шину ISA, шину PCI, модуль имеет ресурс для подключения к аппаратным средствам (монитор, клавиатура, НГМД, НЖМД, манипулятор «мышь»).
- Модуль 6 является коммутатором силовых и слаботочных релейных сигналов, программно управляемый непосредственно с шины ISA, обеспечивает подачу силового питания на ОУ, осуществляет контроль
выдаваемых релейных сигналов, формирует слаботочные релейные сигналы для имитатора ОУ, осуществляет защиту от перегрузки сильноточных рабочих цепей при выдаче сигналов в ОУ.
Согласно чертежа, в устройстве сопряжения в модуле 5 микроконтроллер 42 соединен с ОЗУ 40 и внутренней шиной - с видеоконтроллером 43 и сетевыми контроллерами 44 и 45, внешние входы-выходы которых подключаются к первой и второй локальным вычислительным сетям соответственно, ПЗУ 39, контроллер периферийных устройств 37, контроллер шины IDE 38 с накопителем НЖМД 41 подключены к микроконтроллеру 42 и к шине ISA 36, первая группа входов-выходов которой в модуле 2 соединена с шинными усилителями 19, блоком формирования прерываний 22, буферными каскадами 20 с дешифратором адреса 21, каждый из которых через внутреннюю шину данных соединены с первым - четвертыми блоками информационного обмена 11, 12, 13, 14, соединены с двусторонними связями соответственно с ОЗУ 15, 16, 17, 18 и приемопередатчиками 7, 8, 9, 10, входы-выходы которых соединены в модуле 3 с коммутатором кодовой магистрали 23, вход которого и вход коммутатора релейных сигналов 24 подключены к коммутатору цепей связи 26, второй его выход соединен с компараторами 27, группа входов которых соединена с блоком автоматического контроля 25, внешние входы-выходы блоков 23, 24 и 25 соединены с электрическими цепями объекта управления, при этом, вторая группа входов-выходов коммутатора релейных сигналов 24 соединена в модуле 4 с узлом электромеханических реле 28 и с блоком оптоэлектронной развязки 29, а вход блока 25 соединен с блоком оптоэлектронной развязки 30, при этом блоки 28, 29 и 30 соединены соответственно группой входов - с электронными ключами 31, группой выходов - с мультиплексором 32 и выходом - с боком 32 и блоком цепей непрерывного контроля 33, причем вторая группа входов-выходов шины ISA 36 соединена выходом - с блоком 31, входом - с блоком 32, входом - с блоком 33, выходом - с дешифратором адреса 35 и выходом - с блоком адресных регистров 34, вход которого соединен с блоком 35, а выход - последовательно с блоками 31, 32 и 33, третья группа входов-выходов шины ISA 36 соединена в модуле 6 входами с тестовым регистром 46, дешифратором адреса 47, вход которого соединен с регистром адреса 48, регистром данных 51, а выходами - с мультиплексором 50 и регистром прерываний 49, который соединен входами с блоком 46 и с устройством сравнения напряжения 52, подключенным к формирователю опорного напряжения 53, а последовательной цепью - с блоками 50 и 51, который двухсторонне соединен с блоком 48 и с мультиплексором 54, первый вход которого соединен с блоком реле 57, второй - с блоком электронных ключей 56, соединенным с датчиком тока 55, вторым выходом - с блоком 50 и группой внешних выходов с объектом управления, блок 57 соединен со вторым входом блока 50, группа внешних выходов блока 57 подключена к резервному контуру сопряжения 1.2, аналогичный выход которого подключен к блоку 29 в контуре сопряжения 1.1, вторые входы в блоках 56 и
57 подключены последовательно к силовому источнику питания 58, второй выход которого соединен с блоком 26, третий и четвертый выходы - с резервным контуром сопряжения 1.2, первый и второй входы блока 58 соединены с сетью 1 и сетью 2, а двухсторонней связью - с пультом управления питанием 59, при этом связи и блоки в резервном контуре сопряжения 1.2 аналогичны основному контуру сопряжения 1.1.
Устройство предназначено для взаимодействия системы управления с объектом управления и представляет собой резервированную микропроцессорную систему, построенную на базе процессора 586ДХ4-100, имеющего в составе каждого контура сопряжения шину ISA, с подключенными к ней модулями, которые обеспечивают решение следующих задач:
- организацию выполнения различных режимов работы системы с объектом управления (практические работы, регламентные);
- организацию информационного обмена с приборами системы по сети Ethernet;
- подключение цепей связи системы к цепям связи объекта управления;
- выработку рабочего напряжения;
- контроль сопротивления изоляции и рабочего напряжения на шинах объекта управления;
- управление кодовым и релейным обменом в процессе выполнения рабочих режимов;
- непрерывный контроль рабочих параметров и состояния исполнительных механизмов и исключение из работы неисправного объекта управления;
- использование резервного контура сопряжения в качестве имитатора ОУ позволяет проверить прибор во всех режимах взаимодействия с объектом управления.
Управление работой устройства сопряжения осуществляется с помощью команд поступающих в модуле 5 в микроконтроллер 42 через сетевые контроллеры 44 или 45 по локальной вычислительной сети (ЛС1 или ЛС2). В составе модуля имеется электронный диск, используемый в качестве репрограммируемого ЗУ, в котором при штатной эксплуатации записана операционная система и программы, реализующие функции, возложенные на устройство сопряжения.
В модуле 2 мультиплексного канала обмена центральным процессором может быть определен блок информационного обмена 11-14 в качестве контроллера шины (KШ), при котором реализуются все форматы сообщений, передаваемые по информационной магистрали.
Управление БИО осуществляется центральным процессором по шине ISA 36 для настройки канала (сигналы записи-чтения, адреса регистров, 16-ти разрядные данные для записи).
Дешифратор адреса 21 анализирует поступающие через буферные каскады 20 адресные сигналы и формирует сигналы записи/чтения в ОЗУ 15-18 и данные в приемные регистры БИО 11-14.
Кодовая информация к (от) объекту управления поступает через БИО 11-14, приемопередатчики 7-10, через коммутатор кодовой магистрали 23. Сеанс связи завершается выработкой сигнала прерывания, формируемого блоком БФП 22, поступающим на шину ISA в виде сигнала запроса на обслуживание ЦП.
В устройстве сопряжения реализацию релейного обмена с ОУ выполняют модуль релейного обмена 4 совместно с модулем-коммутатором цепей связи 3. Работа устройства основана на принципе программно-управляемого обмена информацией по шине ISA 36, при которой реализуются следующие операции:
- выдача релейных сигналов по задаваемым входным адресам и данным;
- прием релейных сигналов в соответствии с адресом на его входе;
- организация цепей непрерывного контроля (ЦИК) и выработка сигнала прерывания в случае аварийной ситуации.
Для организации релейного обмена ввода-вывода используются восьмиразрядные порты с адресами 100(Н), 101(Н) и 102(Н). Порты 100(Н) и 101(Н) предназначены для установки адреса в блоке адресных регистров 34. Порт 102(Н) предназначен для ввода и вывода информации по адресам, установленным в блоке 34.
Для выдачи релейных сигналов на исполнительные механизмы ОУ или на имитатор ОУ, в дешифраторе адреса 35 дешифрируется байт данных порта 100(Н) и младший бит порта 101(Н), а в блоке 34 устанавливается соответствующий адрес.
В зависимости от значения младшего разряда порта 102(Н) в блоках электронных ключей 31 и мультиплексоре 32 соответственно устанавливаются в нулевое или единичное состояние управляющие триггера и ключи по адресам блока 34. Электронные ключи управляют установкой соответствующих реле в узлах 28 и 29. Трансляция релейных сигналов на ОУ или от ОУ выполняется через коммутатор PC 24. При этом, контроль релейного обмена осуществляется блоком автоматического контроля 25 через блок оптоэлектронной развязки 30 в блок цепей непрерывного контроля 33 и мультиплексор 32, данные которых считываются в шину ISA 36.
Устройство сопряжения является одновременно источником силового питания для ОУ, при этом функцию распределения питания и его коммутацию выполняет модуль 6, в котором блок электронных ключей 56 коммутирует напряжение на ОУ, а блок реле 57 на имитатор ОУ, при использовании резервного контура сопряжения 1.2 в качестве имитатора. Все основные логические узлы модуля: тестовый регистр 46, дешифратор адреса 47, регистр адреса 48, регистр прерываний 49, мультиплексоры 50 и 54, регистр данных 51 реализованы в программируемой интегральной микросхеме M4A3-256/128-10V1 фирмы LATTICE.
Выходные каскады на объект управления в блоке 56 выполнены на оптодрайверах и ключевых транзисторах, при этом оптодрайверы обеспечивают гальваническую развязку цепей управления от силового
источника питания 58 и формируют необходимые по параметрам сигналы для управления ключевыми транзисторами. Непрерывный контроль тока, выдаваемого по цепи питания ОУ, осуществляется датчиком тока 55 путем преобразования его значений в напряжение, которое сравнивается с рядом опорных напряжений блока формирователя 53 в устройстве сравнения напряжения 52.
При превышении тока, по сравнению с заданным значением, в модуле инициируется прерывание на шину ISA, с занесением кода причины в регистр прерываний 49. Для проведения автономного контроля в модуле предусмотрен тестовый регистр 46, осуществляющий имитацию входных сигналов наличия прерывания. Работа модуля осуществляется согласно базовым адресам 100(Н)...111(Н) по шине ISA. Базовые адреса используются для записи в регистр адреса 48 и регистры данных 51 и выдачу релейных сигналов в ОУ или в имитатор.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Описания изобретения к патенту РФ №2139566, кл. МПК G06F 15/16, 04.09.1997 г.
2. Патент РФ №56673, кл. МПК G06F 15/00, 11.05.2006 г.