УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ КОРАБЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ИСТОЧНИКАМИ И ПОТРЕБИТЕЛЯМИ ИНФОРМАЦИИ

Данная полезная модель относится к средствам вычислительной техники, предназначена для сопряжения корабельных источников информации с ее потребителями в реальном масштабе времени, при этом устройство выполняет цифровые методы обработки, преобразования, хранения и трансляцию по сети Ethernet к исполнительным механизмам.
Известны вычислительные устройства и системы различного назначения для передачи информации между различными частями распределительных вычислительных систем, например, 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 устройства обмена информацией микропроцессоры, вторые входы-выходы которых через блоки ввода-вывода образуют группу выходов системы на исполнительные механизмы.
Система-аналог имеет недостаточную надежность в случае отказа отдельных элементов, например, адаптера межмагистрального обмена, очевидны недостатки тестового контроля не полностью охватывающего функционирование входящих в ее состав устройств.
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к заявляемой полезной модели является корабельная автоматизированная система управления [2], содержащая центральный прибор управления и связи, в состав которого входят две электронные вычислительные машины, соединенные с первым входом-выходом адаптера цифрового ввода-вывода и адаптера мультиплексного канала, подключенного к системной шине второй ЭВМ, которая связана посредством резервированной магистрали локальной вычислительной сети и соответствующих сетевых адаптеров с первой ЭВМ и периферийными приборами связи с объектами управления, а интерфейсная плата последовательного канала соединена с блоком преобразования для связи с корабельным навигационным комплексом по первому цифровому оптоизолированному последовательному каналу, второй вход-выход адаптера подключен к системе совместного применения оружия по каналу релейного обмена.
Данное устройство предназначено для сбора информации от внешних источников и последующей ее обработки для выработки сигналов управления различным корабельным оборудованием. Следует сделать некоторые замечания, относящиеся к известному устройству:
- структурная организация не обеспечивает высокого уровня надежности прибора, т.к. при отказе ЭВМ происходит пропадание связи с источниками и объектами управления;
- очевидны ограничения в связи между ЭВМ по магистральной вычислительной сети;
- отсутствует дублирование внешних связей корабельных обеспечивающих систем и дублированных связей с периферийными приборами связи с объектами управления;
- отсутствуют средства имитации сопрягаемых объектов управления;
- отсутствует возможность подключения к центральному прибору управления и связи комплекта отладочных средств.
Заявляемая полезная модель является составной частью корабельной системы управления, работающей в реальном масштабе времени и обеспечивает сопряжение системы с корабельными обеспечивающими системами.
Задачей полезной модели, имеющей модульную аппаратно-программную структуру, является создание резервированного базового устройства сопряжения с более широкими функциональными возможностями, повышенной надежностью, удобством отладки прибора и математического обеспечения.
Указанная задача решается за счет того, что в устройство сопряжения корабельной системы управления с источниками и потребителями информации, содержащее основной контур сопряжения с корабельными обеспечивающими системами, в составе модуля вычислителя, включающего микроконтроллер с ОЗУ, который соединен через шину PCI с первым, вторым сетевыми контроллерами и видеоконтроллером, а через внутреннюю часть шины ISA микроконтроллер соединен с ПЗУ, контроллером периферийных устройств, контроллером шины IDE, связанного двухсторонней связью с НЖМД, причем контроллеры шины IDE, периферийных устройств и видеоконтроллер имеют входы-выходы для аппаратных средств подключения, введен резервный контур сопряжения, в состав основного и резервного контуров введены модуль мультиплексного канала обмена, модуль релейного обмена, модуль переключения резервной ЭВМ, соединенные внешней шиной ISA, а также модуль коммутатор локальной вычислительной сети, при этом в модуле мультиплексного канала обмена первая группа входов-выходов шины ISA соединена с адаптером, который последовательно соединен с первыми входами первого-четвертого контроллеров, вторые и третьи входы которых соединены последовательно с генератором и схемой управления, соединенной двухсторонней связью с адаптером и мультиплексором, выход которого с адаптером, первый вход - со схемой управления, второй вход - с
последовательными выходами первого-четвертого контроллеров, которые соединены выходом и двухсторонней связью соответственно с первым-четвертым ОЗУ и второй двухсторонней связью соответственно с первым-четвертым приемопередатчиками, которые подключены двухсторонними связями к корабельным обеспечивающим системам, вторая группа входов-выходов шины ISA соединена в модуле релейного обмена с буферным каскадом и шинным усилителем, которые соединены соответственно выходом и двухсторонней связью с ПЛИС, группа выходов которой соединена через электронные ключи с узлом электромеханических реле, группа обратных связей которых соединена с первыми входами ПЛИС, вторая группа входов - с блоком оптоэлектронной развязки, внешние входы которого и внешние выходы узла электромеханических реле подключены к аналогичным устройствам правого контура сопряжения и корабельным обеспечивающим системам, первый и второй источники питания соединены двухсторонними связями с узлом электромеханических реле и последовательным входом - с выпрямителем, подключенным к фильтру, соединенному с первичной сетью, третья группа входов-выходов шины ISA соединена в модуле переключения резервной ЭВМ с шинным усилителем и дешифратором адреса, выходы которого соединены с шинным усилителем, с первым входом мультиплексора и последовательной связью - с первыми входами регистра прерывания, регистра управления, первого и второго регистров сторожевого таймера, вторые входы которых соединены шиной данных с шинным усилителем и мультиплексором, второй-пятый входы которого соединены с регистром прерываний, регистром управления, первым и вторыми регистрами сторожевого таймера, выходы которых соединены с регистром управления и регистром прерывания, второй выход которого соединен с шиной ISA, a входы и выходы регистров прерывания и управления подключены к правому контуру сопряжения, в модуле коммутатора локальной вычислительной сети коммутатор соединен первой и второй группой входов-выходов с первым приемопередатчиком, а третьей и четвертой группой входов-выходов - со вторым приемопередатчиком, каждый из которых, соответственно через первый-второй и третий-четвертый преобразователи, подключены к приборам корабельной системы управления, при этом первый преобразователь соединен двухсторонней связью с первым сетевым контроллером в модуле вычислителе, второй сетевой контроллер которого соединен двухсторонней связью с правым контуром сопряжения, в котором все модули, блоки, внутренние и внешние связи аналогичны левому контуру сопряжения.
Введение указанных модулей и связей совместно с резервным контуром сопряжения и резервными связями с корабельными обеспечивающими системами, а также наличие дублированной вычислительной сети с приборами корабельной системы управления позволило создать структуру полезной модели - устройства сопряжения, обладающего высоким уровнем надежности и резервирования.
Для отладки алгоритмов работы устройства и программного обеспечения в основном и резервном контуре сопряжения в модуле-вычислителе имеются контроллеры для подключения аппаратных средств:
клавиатуры, монитора, накопителей, манипулятора «мышь».
В модуле релейного обмена ПЛИС реализует логические функции (адресация релейных сигналов на магистраль, выработка и выдача на ключевые элементы релейных команд, непрерывный контроль ряда сигналов с помощью обратных связей и т.д.). Встроенные в программируемую логическую схему имитаторы релейных сигналов пусковых установок и системы совместного применения оружия позволяют проводить отладку программного обеспечения и автономные проверки системы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором модули и блоки имеют следующее обозначение:
1.1 - левый контур сопряжения (ЭВМ 1);
1.2 - правый контур сопряжения (ЭВМ 2);
2 - модуль мультиплексного канала обмена (МКО);
3 - модуль релейного обмена (МРО);
4 - модуль вычислитель;
5 - модуль коммутатор локальной вычислительной сети;
6 - модуль переключения резервной ЭВМ;
7, 8, 9, 10 - приемопередатчики 1, 2, 3, 4;
11, 12, 13, 14 - ОЗУ 1, 2, 3, 4;
15, 16, 17, 18 - контроллер 1, 2, 3, 4;
19 - адаптер;
20 - мультиплексор 1;
21 - схема управления;
22 - генератор;
23 - блок оптоэлектронной развязки (ОЭР);
24 - узел электромеханических реле (УЭР);
25 - электронные ключи;
26 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);
27 - буферные каскады;
28 - шинный усилитель;
29 - источник питания 1 (ИП1, =27В);
30 - источник питания 2 (ИП2, =27В);
31 - выпрямитель;
32 - фильтр радиопомех;
33 - первичная сеть;
34 - шина ISA;
35 - АТА DISK(НЖМД);
36 - контроллер шины IDE;
37 - контроллер периферийных устройств;
38 - ПЗУ;
39 - ОЗУ 5;
40 - микроконтроллер;
41 - видеоконтроллер;
42 - сетевой контроллер 2;
43 - сетевой контроллер 1;
44 - шина PCI;
45 - коммутатор;
46, 47 - приемопередатчик 5, 6;
48, 49, 50, 51 - преобразователь 1, 2, 3, 4;
52 - дешифратор адреса;
53 - шинный формирователь 2;
54 - мультиплексор 2;
55 - регистр прерываний (РrП);
56 - регистр управления (РrУ);
57, 58 - регистры сторожевого таймера (РrТ 1), (РrТ 2).
Указанные на чертеже модули имеют следующее функциональное назначение:
- модуль 2 представляет четырехканальный терминал мультиплексного канала обмена, каждый канал независим, может работать в режиме контроллера или оконечного устройства под управлением центрального процессора по шине ISA, возможна синхронная работа всех четырех каналов, модуль имеет резервированные внешние связи с системой обработки данных, с навигационным комплексом, с радиолокационным комплексом;
- модуль 3 обеспечивает обмен релейными сигналами с системами совместного применения оружия и исполнительными устройствами, при этом гальваническая развязка осуществляется за счет применения оптопар, электромеханических реле и дополнительных источников питания, кроме того, в ПЛИС встроены имитаторы внешних сопрягаемых систем, которые позволяют проводить отладку программного обеспечения и автономные проверки корабельной системы управления;
- модуль 4 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 внешние связи с аппаратными средствами подключения (монитор, клавиатура, НГМД, НЖМД, манипулятор «мышь»);
- модуль 5 представляет собой 16-канальный коммутатор локальной вычислительной сети Ethernet и обеспечивает прием и передачу данных к приборам корабельной системы управления;
- модуль 6 представляет системный адаптер, обеспечивает аппаратно-программный контроль состояния своей и сопряженной ЭВМ и позволяет уменьшить время переключения резервной ЭВМ при отказе основной.
Согласно чертежа, в устройстве сопряжения модуль вычислитель 4 в составе накопителя НЖМД 35, соединенного двухсторонней связью с контроллером шины IDE 36, контроллера периферийных устройств 37, видеоконтроллера 41, соединенных внешними связями с аппаратными средствами подключения, при этом видеоконтроллер, первый сетевой контроллер 43 и второй сетевой контроллер 42 соединены внутренней шиной PCI 44 с микроконтроллером 40, который двухсторонне соединен с ОЗУ 39 и внутренней частью шины ISA 34 с контроллером шины IDE 36, контроллером периферийных устройств 37 и ПЗУ 38, причем внешняя шина ISA 34 соединена первой группой входов-выходов в модуле мультиплексного канала обмена 2 с адаптером 19, который последовательно соединен с первыми входами контроллеров 15, 16, 17, 18, вторые и третьи входы которых последовательно соединены с генератором 22 и схемой управления 21, соединенной двухсторонними связями с адаптером 19 и мультиплексором 20, выход которого соединен с адаптером 19, вход - со схемой управления 21, а второй вход - последовательно с выходами контроллеров 15, 16, 17 и 18, при этом каждый из контроллеров соединен выходом и двухсторонней связью с ОЗУ 11, 12, 13, и 14 и второй двухсторонней связью с приемопередатчиками 7, 8, 9 и 10, которые подключены внешними двухсторонними связями к корабельным обеспечивающим системам, вторая группа входов-выходов шины ISA 34 соединена в модуле релейного обмена 3 с буферным каскадом 27 и шинным усилителем 28, соединенными соответственно выходом и двухсторонней связью с ПЛИС 26, группа выходов которой через электронные ключи 25, соединена с узлом электромеханических реле 24, обратные связи которых соединены с ПЛИС 26, вторая группа входов - с блоком оптоэлектронной развязки 23, внешние входы которого и внешние выходы узла электромеханических реле 24 подключены к аналогичным устройствам правого контура сопряжения 1.2 и к корабельным обеспечивающим системам, первый и второй источники питания 29 и 30 соединены двухсторонними связями с узлом электромеханических реле 24 и последовательным входом - с выпрямителем 31, вход которого подключен к фильтру 32, соединенному с сетью 33, третья группа входов-выходов шины ISA 34 соединена в модуле переключения резервной ЭВМ 6 с шинным усилителем 53 и дешифратором адреса 52, выходы которого соединены с шинным усилителем 53, с первым входом мультиплексора 54 и последовательной связью - с первыми входами регистра прерываний 55, регистра управления 56 и регистрами сторожевого таймера 57 и 58, вторые входы которых соединены шиной данных с шинным усилителем 53 и мультиплексором 54, второй-пятый входы которого соединены с регистром прерываний 55, регистром управления 56, регистрами сторожевого таймера 57 и 58, выходы которых соединены с регистром прерываний 55, имеющим выход на шину ISA 34, и регистром управления 56, вход и выход которых соответственно подключены к правому контуру сопряжения 1.2, в модуле
коммутатора локальной вычислительной сети 5 коммутатор 45 соединен первой и второй группами входов - выходов с приемопередатчиком 46, а третьей и четвертой группой входов-выходов - с приемопередатчиком 47, каждый из которых соответственно через преобразователи 48, 49 и 50, 51 подключены к приборам корабельной системы управления, при этом преобразователь 48 соединен двухсторонней связью с первым сетевым контроллером 43 в модуле вычислителе 4, второй сетевой контроллер 42 двухсторонне соединен с правым контуром сопряжения 1.2, в котором все модули, блоки, внутренние и внешние связи аналогичны левому контуру сопряжения 1.1.
Устройство предназначено для взаимодействия корабельной системы управления с обеспечивающими системами и решает задачи приема, обработки, хранения и передачи информации и выполняет функции информационного сопряжения:
- с информационно-управляющей системой (ИУС);
- с навигационным комплексом (НК);
- с радиолокационным комплексом (РЛК);
а также функции:
- коммутации информационных потоков в резервированной локальной вычислительной сети, по которой осуществляется взаимодействие системных приборов;
- управление исполнительными механизмами.
После централизованного включения питания с пульта управления системы, в устройстве сопряжения происходит запуск в модуле вычислителе 4 микроконтроллера 40, который выполняет тестирование и первоначальные настройки в соответствии с содержимым ПЗУ 38. Проводится загрузка ОЗУ 39 и выполняются программы, содержащиеся на АТА DISK 35 (НЖМД) и по шине ISA 34 проводятся следующие операции:
- устанавливается в исходное состояние и подготавливается к использованию системный адаптер - модуль 6 переключения резервной ЭВМ и контроллеры 15-18 обмена с внешними системами в модуле мультиплексного канала обмена 2 и модуле релейного обмена 3;
- настраивается аппаратно-программный контроль состояния «своей» и сопряженной ЭВМ в модуле 6 с помощью сигналов дешифратора адреса 52 и передачи данных через шинный усилитель 53 записываются необходимые значения в регистры сторожевого таймера 57 и 58, в регистре управления 56 устанавливаются разряды, которые разрешают сигналы прерывания микроконтроллера 40 из регистра прерываний 55 в случае «отказа» сопряженной ЭВМ;
- производится настройка используемых каналов в модуле МКО 2, для чего через адаптер 19 устанавливаются в определенное состояние программно доступные регистры схемы управления 21, в буферные ОЗУ 11-14 каждого канала засылаются последовательности команд для режима
приема данных, для режима передачи данных, определяется размер и вид буфера ОЗУ.
Далее устанавливается связь по локальной вычислительной сети «Ethernet» с другими приборами корабельной системы управления через модуль коммутатор 5 и сетевые контроллеры 42, 43, осуществляется
согласование интерфейса параллельной шины PCI 44 с межприборным последовательным интерфейсом сети «Ethernet».
Управление работой устройства сопряжения осуществляется с помощью команд поступающих в микроконтроллер 40 с пульта управления системы по локальной вычислительной сети. Получив соответствующие команды, устройство сопряжения осуществляет сеансы обмена с обеспечивающими системами корабля. Через адаптер 19 в схему управления 21 модуля МКО 2 поступает сигнал принять информацию от обеспечивающих систем, после чего каналы модуля под управлением контроллеров 15-18 автоматически выполняют последовательность команд из буферного ОЗУ 11-14 и производится обмен информацией по магистральному последовательному интерфейсу через приемопередатчики 7-10. По завершению сеанса связи, принятая информация хранится в буферном ОЗУ 11-14 и считывается микроконтроллером 40 через мультиплексор 20 и адаптер 19. Происходит ее необходимая обработка и передача в другие приборы корабельной системы управления с помощью сетевых контроллеров 42, 43 и модуля коммутатора локальной вычислительной сети 5.
В соответствии с временной диаграммой работы системы управления, микроконтроллер 40 выдает релейные сигналы управления на исполнительные механизмы и систему совместного применения оружия, а так же следит за их выполнением, анализируя ответные сигналы. Выдачу и прием релейных сигналов микроконтроллер 40 выполняет с помощью модуля релейного обмена 3, транслируя информацию в ПЛИС 26 по шине ISA 34 через буферные каскады 27 и шинный усилитель 28. Для формирования выходных сигналов в корабельные обеспечивающие системы микроконтроллер 40 устанавливает в ПЛИС 26 триггеры, управляющие электронными ключами 25 и электромеханическими реле 24, после чего контролируется результат по цепям обратной связи из УЭР 24 в ПЛИС 26. Если результат отрицательный, то сигнал выдается из сопряженного контура. Входные сигналы из внешних систем поступают на элементы оптоэлектронной развязки 23, где они преобразуются в логические уровни ТТЛ и опрашиваются аналогично сигналам обратной связи из УЭР 24.
Для обеспечения безотказной работы устройства сопряжения введено дублирование, то есть имеется два независимых идентичных контура сопряжения - левый 1.1 (ЭВМ1) и правый 1.2 (ЭВМ2) с индивидуальным питанием, при этом, при работе системы управления один из них включается в рабочий режим (основной), а другой находится в резерве и готов в случае отказа основного устройства продолжить его работу в заданном режиме.
Высокую скорость переключения резервной ЭВМ в режим основной при отказе обеспечивает модуль переключения резерва 6. Для чего микроконтроллер 40 по шине ISA 34 через дешифратор адреса 52 и шинный усилитель 53 с постоянным интервалом времени записывает определенное значение в регистры сторожевого таймера 57 и 58, из которого происходит непрерывное вычитание. В случае «зависания» микроконтроллера 40, таймер переполняется и из регистра управления 56 в сопряженный контур поступает сигнал «отказ», по которому резервная ЭВМ переключается и продолжает выполнение режима. Из сопряженного контура сигнал «отказ» поступает в регистр прерывания 55, который формирует прерывание на шину ISA 34.
Функционирование дублированной локальной вычислительной сети «Ethernet» обеспечивается в устройстве сопряжения модулями-коммутаторами 5 (ЛВС1 и ЛВС2), каждый из которых управляет потоками данных в своей сети и позволяет одновременно пересылать информационные сообщения между любыми парами абонентов в корабельной системе управления.
Модуль-коммутатор поддерживает режим полного дуплекса, в котором данные передаются и принимаются одновременно, при этом скорость передачи данных повышается в два раза.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Свидетельство на ПМ РФ №4395, кл. МПК G 06 F 15/16, 1997 г.
2. Свидетельство на ПМ РФ №27871, кл. МПК G 06 F 15/16, 2002 г.