СПОСОБ НАЗНАЧЕНИЯ АДРЕСА ВЕДОМОГО УСТРОЙСТВА В ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ С СОВМЕЩЕННОЙ ЛИНИЕЙ ПИТАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
METHOD OF ADDRESSING SLAVE DEVICE IN ELECTRONIC SYSTEM WITH COMBINED POWER AND DATA TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах ввода/вывода информации в электронных системах автоматизированного контроля, защиты и управления различного назначения, в частности для сбора данных с различных датчиков.
Известен способ передачи информации в системе безопасности грузоподъемного крана с использованием CAN (Controller Area Networks) интерфейса [1, 2]. CAN узлы представляют собой модули с программно заданными идентификаторами (адресами). Физически кабели-шины CAN представляет цепи питания и двухпроводную линию обмена данными (линии К и L).
Применение двухпроводной линии обмена информацией между отдельными CAN узлами, а также отдельных проводов питания в дополнение к ним, приводит к увеличению числа проводных линий связи, что снижает надежность системы и усложняет ее монтаж на машине. Наличие различных идентификаторов CAN узлов исключает их взаимозаменяемость без проведения дополнительных операций перепрограммирования.
Известен также способ обмена информацией между модулями системы безопасности грузоподъемного крана, в которой передача информации осуществляется по однопроводной мультиплексной линии связи. Каждый модуль имеет свой адрес на этой линии, а напряжение питания передается по отдельным проводам [3].
Реализация этого способа позволяет сократить число линий связи до 3 проводов, что снижает, но не устраняет указанные недостатки систем с CAN интерфейсом.
Более совершенными являются системы контроля, защиты и управления с двухпроводными линиями связи, в которых питание отдельных модулей системы и передача информации между ними осуществляются по двухпроводной линии связи (по одной паре проводов) [4, 5].
В известном способе обмена информацией между составными частями (контроллерами) системы безопасности грузоподъемного крана каждому контроллеру назначается свой адрес, записанный в памяти микроконтроллера, на котором он реализован. Ведущий контроллер (ведущее устройство) формирует запрос по совмещенной линии питания и передачи данных. На этот запрос ведомое устройство (периферийный контроллер), адрес которого совпадает с адресом в запросе, формирует ответный сигнал. Разделение передачи напряжения питания и сигнала в мультиплексной линии связи осуществляется, в частности, по времени [4].
В сетях MicroLAN с совмещенной линией питания и передачи данных используются самотактируемые устройства. Обработка временных интервалов основана на измерении и генерировании цифровых импульсов различной длительности. В системе используется одно ведущее и множество ведомых устройств. Назначение идентификационных номеров ведомых устройств осуществляется путем записи в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микросхем, на которых реализована сеть MicroLAN, уникального для каждой микросхемы регистрационного номера, который используется в качестве идентификатора устройства (узла) [5].
Недостатком известных способов назначения адресов ведомых устройств является отсутствие идентичности и взаимозаменяемости этих устройств. Это снижает технологичность их изготовления и усложняет ремонт и техническое обслуживание систем, в которых они используются. Например, если ведомые устройства представляют собой датчики с идентичными характеристиками, то для замены какого-либо датчика в сети необходимо провести перепрограммирование адреса замененного датчика либо ведущего устройства. Это увеличивает трудоемкость и продолжительность ремонта системы.
Техническими результатами, на достижение которых направлено изобретение, являются:
- обеспечение взаимозаменяемости ведомых устройств одного назначения с идентичными техническими характеристиками, используемых в качестве различных узлов сети;
- сокращение времени ремонта системы за счет исключения необходимости установки адреса заменяемого ведомого устройства;
- повышение отказоустойчивости системы за счет обеспечения возможности замены отказавшего ведомого устройства ответственного назначения на идентичное ему ведомое устройство, реализующее функцию, менее значимую для системы;
- повышение технологичности изготовления ведомых устройств за счет обеспечения идентичности их схемного и программного исполнения;
- сокращение количества (номенклатуры) различных устройств в системе с ведомыми устройствами одного назначения.
В предложенном способе назначения адреса ведомого устройства в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных, в которой подключенные к этой линии ведомые устройства в ответ на запрос ведущего устройства формируют ответные сигналы, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, одним параметром, указанные технические результаты достигаются тем, что ведомые устройства одного назначения с идентичными или эквивалентными техническими характеристиками выполняют конструктивно и программно идентичными. Каждое из них оснащают электрическим разъемом с числом контактов, превышающим число проводов в линии, и выполняют с возможностью изменения параметра ответного сигнала в зависимости от того, к каким контактам разъема подключены провода этой линии.
Кроме того, для достижения этих технических результатов, в частности:
- ведомые устройства выполняют с возможностью контроля (наличия) или измерения (величины) напряжений на контактах их электрических разъемов или токов, протекающих по этим контактам, и последующего изменения параметров ответных сигналов ведомых устройств в зависимости от наличия и/или величин этих напряжений или токов;
- запрос ведущего устройства формируют путем кратковременного отключения напряжения или тока, подаваемого на совмещенную линию питания и передачи данных, а ответный сигнал ведомого устройства формируют путем изменения тока, потребляемого этим устройством от этой линии;
- в качестве одного или нескольких параметров ответного сигнала ведомого устройства принимают изменение времени его запаздывания относительно сигнала запроса ведущего устройства, частоты, амплитуды и/или длительности импульса ответного сигнала.
Ведомое устройство выполнено, в частности, в виде датчика и оснащено первичным преобразователем физической величины в электрический сигнал, который используется для формирования ответного сигнала. Это устройство может быть выполнено на аналоговых и логических схемах, либо на основе микроконтроллера, с использованием которого выявляют наличие напряжения на контактах разъема, подключенных к проводам совмещенной линии питания и передачи данных, или протекающего по ним тока и формируют ответный сигнал.
Для достижения указанных технических результатов в предложенном способе может дополнительно осуществляться передача информации от ведущего устройства, по меньшей мере, в одно ведомое устройство, в частности, путем изменения, по меньшей мере, одного параметра сигнала запроса, например его длительности, либо путем формирования сигнала запроса в виде цифровой последовательности импульсов. Эта информация может быть использована для включения/отключения ответного сигнала ведомых устройств и/или для изменения параметров их ответных сигналов.
Реализация указанных отличительных признаков позволяет назначить адреса ведомых устройств в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных путем различного подключения этих устройств к линии без применения специальных аппаратных и программных средств назначения адресов в самих устройствах. Это обеспечивает взаимозаменяемость ведомых устройств одного назначения, сокращение времени ремонта системы за счет исключения необходимости установки адреса заменяемого устройства, повышение отказоустойчивости и технологичности изготовления ведомых устройств, а также сокращение их номенклатуры. Поэтому эти отличительные признаки находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемыми техническими результатами.
На фиг.1 представлена упрощенная функциональная схема системы, на фиг.2 - пример аппаратной схемной реализации ведомого устройства, а на фиг.3 - временная диаграмма, поясняющая его работу.
Система содержит одно ведущее 1 и N ведомых устройств (2.1, 2.2…2.N), объединенных совмещенной линией питания и передачи данных 3, преимущественно двухпроводной (фиг.1).
Ведомые устройства 2 одного назначения с одинаковыми техническими характеристиками выполняют идентичными. Каждое из них оснащают электрическим разъемом с контактами, число которых превышает число проводов в линии 3. В приведенном примере разъемы имеют по три контакта А, В и С при двухпроводной линии (фиг.1, фиг.2).
Каждое из ведомых устройств 2.1, 2.2…2.N подключают к линии 3 различным способом, не внося при этом в него каких-либо изменений. Его конструкцию, принципиальную схему и программное обеспечение сохраняют неизменными. Переключения каких-либо цепей ведомых устройств 2 или их перепрограммирования не осуществляют.
В примере реализации системы, показанной на фиг.1, подачу напряжения питания +Uп на линию 3 осуществляют с помощью управляющего микроконтроллера 4 и ключа 5, а контроль тока в линии 3 - c помощью резистора 6, подключенного к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или компаратора микроконтроллера 4.
Каждый из контактов А, В и С разъема ведомого устройства 2.1, 2.2...2.N может быть подключен к плюсовому проводу линии 3, к ее минусовому проводу или оставлен свободным. Поскольку линия 3 используется не только для передачи по ней информационных сигналов, но и для подачи питания на ведомые устройства, по меньшей мере, один из контактов А, В или С разъема каждого ведомого устройства 2.1, 2.2…2.N должен быть подключен к плюсовому проводу линии 3, а, по меньшей мере, один другой контакт А, В или С - к минусовому проводу линии 3. Оставшийся контакт А, В или С может быть подключен к плюсовому проводу линии 3, к ее минусовому проводу или оставлен свободным.
Соответственно, при двухпроводной линии 3 и трехконтактом разъеме (А, В и С) существуют 12 различных вариантов подключения ведомых устройств 2 к линии 3, т.е. изменением соединительного жгута можно обеспечить задание до 12 адресов ведомых устройств 2.1, 2.2…2.N (Nмах=12).
Если ведомое устройство не позволяет выявить свободное (не подключенное) состояние контактов А, Б и С, то при двухпроводной линии 3 количество различных назначаемых адресов уменьшается до 6 (Nмах=6).
Пример реализации такого ведомого устройства приведен на фиг.2.
Оно содержит выпрямитель 7, обеспечивающий подачу напряжения нужной полярности на стабилизатор напряжения 8 при подключении двух проводов линии 3 к любым контактам А, В и С разъема этого устройства, и два таймера (одновибратора) 9 и 10, выполненные, например, на микросхеме CD4098 с времязадающими RC цепочками 11 и 12.
Составной резистор времязадающей цепочки 11 выполнен в виде последовательно соединенных резисторов R/2R/4R, замыкаемых ключами 13, напряжение управления которых поступает с диодов 14. Напряжения на них используются также схемой формирования сигнала запуска 15 таймера 9.
Таймеры 9 и 10 соединены последовательно. К выходу второго таймера 10 через ключ 16 подключен формирователь ответного сигнала 17 ведомого устройства, например чувствительный элемент датчика.
Ведомое устройство содержит также конденсаторы 18 и 19, установленные на входе и выходе стабилизатора напряжения 8, подтягивающие резисторы 20 на входах ключей 13, ограничитель напряжения на входе стабилизатора напряжения 8 и другие компоненты, условно не показанные на фиг.2.
Схема запуска 15 может содержать, в частности, резистор 21 и RC цепочку 22, 23, обеспечивающую фильтрацию импульсных помех в линии 3.
Функции, выполняемые таймерами 9, 10 с времязадающими RC цепями 11, 12, ключами 13 с подтягивающими резисторами 20 и схемой запуска 15, могут быть реализованы на микроконтроллере.
В схеме, приведенной на фиг.2, осуществляется контроль токов, протекающих по контактам разъема A, В, С и, соответственно, по диодам 14. Возможен также контроль не токов, а напряжений на контактах разъема А, Б и С. В этом случае эти контакты соединяются со схемой запуска 15 и ключами 13 (или со входами АЦП микроконтроллера) через делители напряжения.
При необходимости задания количества адресов ведомых устройств N>12 увеличивается количество контактов разъема (до 4-х, 5-ти и т.д.) с соответствующим увеличением количества диодных цепочек выпрямителя 7, диодов 14, входов цепи запуска 15, ключей 13 с резисторами 20. К коммутируемым резисторам R/2R/4R добавляются резисторы 8R, 16R и т.д. Общий принцип построения ведомого устройства при этом сохраняется.
Поясним сущность предложенного способа назначения адресов ведомых устройств на примере работы электронной системы с совмещенной линией передачи данных и питания ведомых устройств.
Первоначально ключ 5 под управлением микроконтроллера 4 ведущего устройства 1 подает напряжение +Uп на линию 3. В результате этого напряжение питания +Uп подается на все ведомые устройства 2 (фиг.1). Входящие в их состав ключи 16 находятся в разомкнутом состоянии (фиг.2) и по датчику тока - резистору 6 (фиг.1) протекает небольшой по величине суммарный ток потребления всех ведомых устройств 2. При этом в каждом ведомом устройстве стабилизатор 8 обеспечивает необходимое напряжение питания таймеров 9, 10 и других функциональных узлов ведомого устройства.
В момент времени t0 микроконтроллер 4 ведущего устройства 1 кратковременно формирует сигнал отключения ключа 5 (фиг.1, фиг.3). В результате этого на линии 3 и, соответственно, на всех входах ведомых устройств 2 появляется кратковременный провал напряжения (фиг.3), который интерпретируется ведомыми устройствами как сигнал запроса ведущего устройства 1 на получение информации от ведомых устройств 2.
Ввиду кратковременности отключения ключа 5 (фиг.1) напряжение на конденсаторах 18 ведомых устройств 2 сохраняет величину, достаточную для нормальной работы стабилизаторов 8 (фиг.2).
В это время диоды 14 запираются и на вход таймера 9 через резистор 21, входящий в цепь запуска 15, подается напряжение питания +U, осуществляя запуск этого таймера.
После восстановления напряжения на линии, те из диодов 14, которые через диоды 7 связаны с контактами A, В, С разъема, к которым подключен минусовой провод линии, открываются за счет протекания по ним тока потребления данного ведомого устройства 2.1, 2.2…2.N, и напряжение на них становится близким к нулю. На остальных диодах, благодаря наличию резисторов 20, сохраняется высокий уровень потенциала.
В результате, на входах ключей 13 формируется двоичный код, который используется в качестве адреса данного ведомого устройства. В соответствии с данным кодом коммутируются резисторы R/2R/4R времязадающей цепи 11 таймера 9. Соответственно, момент времени t1 (фиг.3) изменяется в зависимости от того, каким образом два провода линии подключены к трем контактам A, В и C разъема ведомого устройства.
В момент времени t1 запускается второй таймер 10, имеющий фиксированную длительность выходного сигнала. В интервале времени t1-t2 (фиг.3) второй таймер 10 включает формирователь ответного сигнала 17, например индукционный концевой выключатель, тензометрический мост со схемой усиления сигнала и т.д.
Формирователь ответного сигнала 17 изменяет свой ток потребления, осуществляя модуляцию тока в линии 3. Например, при использовании в качестве формирователя 17 концевого выключателя его собственный ток потребления может составлять, например, 1 мА в разомкнутом состоянии концевика (фиг.3, лог.0) и 10 мА в замкнутом состоянии (фиг.3, лог.1).
Вид и параметры ответного сигнала определяются требованиями к передаче сигнала по линии 3 (дискретный или аналоговый сигнал, точность к передаче аналогового сигнала и т.д.). Поэтому кроме описанного способа формирования ответного сигнала в интервале времени t1-t2 ведомое устройство может формировать кодовую посылку, частотный, а также широтно-импульсный сигнал, что не имеет принципиального значения.
В итоге на резисторе (датчике тока) 6 ведущего устройства 1 от суммарного тока в линии 3 (фиг.3, I) формируется напряжение, величина которого в различные интервалы времени t1-t2 соответствует выходному сигналу каждого из ведомых устройств. Т.е. выходные сигналы различных ведомых устройств 2.1, 2.2…2.N формируются в различные интервалы времени в зависимости от неповторяющихся адресов этих ведомых устройств, заданных различным подключением проводов линии 3 к контактам их разъемов.
При реализации ведомых устройств на микроконтроллерах может использоваться не временное, а частотное разделение ответных сигналов. Способ назначения их адресов остается прежним.
При необходимости управления работой ведомых устройств или для изменения параметров их ответных сигналов, например для их выборочного отключения, переключения в энергосберегающий режим, масштабирования измеряемой величины и т.п., может использоваться передача сигнала управления от ведущего устройства 1 к ведомым 2. Для этого осуществляется изменение параметра сигнала запроса, например его длительности, или используется формирование сигнала запроса в виде цифровой последовательности импульсов. В этом случае предпочтительна реализация ведомых устройств на микроконтроллерах, реализующих эти функции программным способом с использованием известных алгоритмов. Способ задания адреса каждого ведомого устройства 2.1, 2.2…2.N при этом остается прежним.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенного способа. Изобретение охватывает другие возможные варианты его исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.