Архитектура высокоскоростного интерфейса передачи данных контрольно-измерительных систем

Название полезной модели: "Архитектура высокоскоростного интерфейса передачи данных контрольно-измерительных систем".

Область техники, к которой относится полезная модель:

- модульные электронные системы формирования и обработки сигналов;

- системы промышленной автоматики;

- системы сбора данных и управления;

- контрольно-измерительное оборудование;

- учебное оборудование (лабораторные комплексы);

- стенды полунатурного испытания.

Предлагаемая полезная модель обладает дополнительными возможностями по сравнению с известными прототипами, например, «Модульной программируемой платформой для проведения измерений и автоматизации «PXI»» ф. National Instruments (США), в отличие от которой добавлена аналоговая шина для передачи сигналов и объединения аналоговых устройств.

Общие признаки прототипа и предлагаемой полезной модели:

- наличие аналоговых цепей в шине передачи информации;

- использование цифровой локальной шины стандарта PCI;

- применение модульной схемы построения систем.

Причины, препятствующие получению аналогом технического результата, обеспечиваемого полезной моделью:

- отсутствие возможности организации обмена широкополосными аналоговыми сигналами между отдельными модулями, непосредственно по электрическим цепям шины;

- отсутствие возможности оперативного программного управления коммутацией аналоговых цепей.

1. Название полезной модели

"Архитектура высокоскоростного интерфейса передачи данных контрольно-измерительных систем"

2. Область техники, к которой относится полезная модель

Области применения полезной модели:

- модульные электронные системы формирования и обработки сигналов и радиосигналов;

- электронные системы промышленной автоматики;

- электронные системы сбора данных и управления;

- контрольно-измерительное оборудование;

- учебное оборудование (лабораторные комплексы);

- стенды полунатурного испытания.

3. Уровень техники

Предлагаемая полезная модель дополняет новыми возможностями высокоскоростные цифровые шины передачи данных.

Подобные решения известны, в частности существует «Модульная программируемая платформа для проведения измерений и автоматизации «PXI»» разработки фирмы National Instruments (США), в которой шина передачи данных дополнена сигналами синхронизации аналоговых устройств. Источники информации: www.ni.com/russia, www.labview.ru.

Общие признаки прототипа и предлагаемой полезной модели:

- наличие дополнительных аналоговых цепей в шине передачи информации;

- возможность масштабирования шины;

- использование цифровой локальной шины стандарта PCI;

- применение модульной схемы построения систем.

Причины, препятствующие получению аналогом технического результата, обеспечиваемого полезной моделью:

- отсутствие возможности организации обмена аналоговыми широкополосными сигналами между отдельными модулями, непосредственно по электрическим цепям шины;

- отсутствия возможности оперативного программного управления схемой коммутации аналоговых цепей отдельных модулей, подсоединенных к шине обмена данными.

4. Раскрытие полезной модели

Сведения, раскрывающие сущность полезной модели.

Сущность полезной модели заключается в наличии следующих существенных признаков, отличающих ее от существующих аналогов:

- наличие универсального аналогового интерфейса в сменных модулях и на универсальной платформе, обеспечивающего возможность обмена аналоговыми широкополосными сигналами между модулями в произвольной комбинации и коммутацию сигналов по командам от ЭВМ

- наличие дополнительных дифференциальных аналоговых цепей в шине обмена информации;

- передача аналоговых сигналов осуществляется как в режиме постоянной коммутации, так и в режиме множественного доступа к шине - циклами с временным разделением;

- наличие аналоговых цепей двух типов: одна или несколько линий сбора данных - функционирующих в режиме множественного доступа, одна или несколько коммутируемых аналоговых линий;

- множественный доступ обеспечивается с помощью элементов электрической развязки - устройства выборки-хранения и аналоговые мультиплексоры;

- схема электрического соединения аналоговых цепей устройств в шине определяется электронной картой виртуальных соединений.

Ожидаемый технический результат применения полезной модели, наделенной указанными признаками, выражается в:

- возможности организации общих электрических связей модульных компонентов, подключенных к шине, для передачи аналоговых сигналов, без применения внешних электрических соединителей;

- возможности автоматического конфигурирования схемы соединения аналоговых цепей, при подключении нового электронного устройства-модуля к шине передачи данных, за счет идентификации этого устройства контроллером шины;

- возможности произвольного порядка размещения электронных модулей на шасси электронной шины передачи данных;

- отсутствие зависимости между заданной схемой электрических соединений и порядком размещения электронных модулей на шасси электронной шины передачи данных;

- сокращении числа внешних кабельных соединений;

- существенном сокращении времени, затрачиваемого на изменение схемы коммутации аналоговых сигналов между модулями;

- возможность использования в составе шины стандартных устройств PCI сторонних производителей, без аналогового расширения;

- возможности коммутации аналоговых сигналов с высокой скоростью переключения (до 10000 переключений в секунду);

- ширина полосы пропускания аналоговых каналов до 300 МГц;

- возможность увеличения количества объединенных в шину устройств до десятков и сотен единиц.

Организация аналогового соединения по шине осуществляется следующим образом. Все устройства подключенные к шине имеют электрическое соединения аналоговых цепей с аналоговыми линиями передачи шины, через элементы электрической развязки, которые в исходном состоянии обеспечивают полную изоляцию аналоговых цепей модуля от линии передачи шины. При включении системы происходит инициализация (или принудительной переинициализации) шины происходит процесс идентификации и конфигурирования устройств контроллером шины. По результатам идентификации устройств подключенных к шине и определения адресов, на основе имеющийся карты виртуальных соединений, контроллером формируются управляющие коды конфигурирования каждого устройства, которые по цифровой шине передачи данных загружаются в каждое из устройств, находящихся на шине. Конфигурационные коды однозначным образом определяют режимы и циклы работы каждого ихустройств. В результате данного процесса образуется сеть физических электрических соединений, объединяющая требуемым образом электронные устройства находящиеся на шине. Согласование волнового сопротивления линий передачи данных и входных/выходных аналоговых цепей, обеспечивается электронной настройкой входных цепей электронных устройств. При подключении на один источник аналогового сигнала нескольких входов электронных устройств, наиболее геометрически отдаленный вход электронного модуля настраивается в режим согласование с линией передачи, остальные входы настраиваются в режим высокого входного сопротивления.

Признаки, используемые для характеристики полезной модели.

Признаками полезной модели являются:

- совместное использование стандартной локальной цифровой шины PCI версии 2.1 и локальной аналоговой шины (универсального аналогового интерфейса);

- состав аналоговой шины (универсального аналогового интерфейса) образован дифференциальными цепями передачи аналоговых сигналов - одной или нескольких линий сбора и передачи данных, и одной или нескольких линий обмена данными;

- возможность организации произвольной комбинации электрических соединений, количество которых в каждый момент времени ограничено общим количеством аналоговых линий обмена данными и сбора данных;

- количество электрических аналоговых связей может быть увеличено, при применении предусмотренных циклов временного разделения в режиме множественного доступа;

- назначение аналоговых цепей шины заключается также в передаче сигналов синхронизации;

- модульная структура построения;

- наличие связей между модулями через локальные аналоговую и цифровую шины.

5. Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлено схематичное изображение архитектуры высокоскоростного интерфейса передачи данных контрольно-измерительных систем (6).

Из рисунка видно, что основу интерфейса модульной платформы составляют две шины: локальная цифровая шина (1) стандарта PCI v 2.1 и локальная аналоговая шина (2). Локальная аналоговая шина состоит из линии сбора данных (3) и нескольких линий обмена (4). Модули и устройства (5) подключаются к обеим шинам одновременно. Команды управления и цифровые потоки информации передаются по шине PCI, аналоговые сигналы по аналоговой шине.

Линия сбора данных и линии обмена представляют из себя пары несимметричных либо симметричных полосковых линий на печатной плате, значение волнового сопротивления каждой из которых составляет 50 Ом. Цепи связи между аналоговой линиями и аналоговыми цепями устройств, а также цифровые цепи соединения устройств с цифровой шиной могут быть конструктивно объединены в один либо несколько разъемов.

На фигуре 2 представлено схематичное изображение аналогового интерфейса одного из модулей и его связь с аналоговой шиной платформы.

Локальная аналоговая шина (2) состоит из линии сбора данных и нескольких (например 8, 16 или 32) линий обмена (4). Линия сбора данных предназначена для двунаправленной передачи сигналов между модулями в режиме разделения во времени. Линии обмена предназначены для связи между модулями в соответствии с состояниями аналоговых коммутаторов, находящихся в каждом из модулей и управляемых по цифровой шине.

Коммутаторы (7), находящиеся в каждом из модулей, позволяют:

- принимать сигналы с любой из линий обмена и передавать их на внутреннюю аналоговую схему модуля для дальнейшей обработки;

- передавать сигналы, формируемые аналоговой схемой модуля на любую из линий обмена;

- коммутировать между собой линии обмена.

6. Осуществление полезной модели

Данная полезная модель материально реализуема в виде печатной платы содержащей электрические цепи с соответствии со стандартом PCI, а также дополнительные аналоговые цепи передачи данных. На плате (либо подключенный через разъем) должен присутствовать контроллер шины. Программное обеспечения контроллера шины должно поддерживать функционирование шины на основе данной полезной модели.

Осуществление полезной модели возможно на основе платы промышленного компьютера, содержащего шину PCI (например, БАГЕТ-83, СРС-600 и др.). При таком варианте реализации, конструкция электронного шасси дополняется аналоговыми цепями, в соответствии с описанием.

Одним из указанных способов реализуется аппаратная часть интерфейса обмена модульной электронной системы. Алгоритм функционирования зависит от реализации и может быть поддерживать однократное конфигурирование системы при включении, а также может поддерживать возможность «горячей замены» электронных модулей.

При встраивании в модульную электронную систему электронных модулей, определяется их тип и происходит их идентификация. На основе идентификационной информации и карты виртуальных соединений формируются управляющие коды для каждого из подключенных устройств, которые в режиме функционирования системы однозначно определяют приоритет устройства, режим и временные циклы его работы. Карта виртуальных соединений является низкоуровневым языком описания физических электрических соединений аналоговых входов и выходов отдельных модульных устройств, находящихся на шине. Предполагается, что карта виртуальных соединения является продуктом работы специализированной САПР, в которой происходит системное проектирование виртуального контрольно-измерительного комплекса.

1. Архитектура высокоскоростного интерфейса передачи данных контрольно-измерительных систем, содержащего цепи локальной цифровой шины стандарта PCI, предназначенного для применения в системах обработки сигналов и радиосигналов при объединении множества электронных устройств, отличающегося тем, что содержит аналоговые цепи передачи данных, обеспечивающие требуемую произвольную конфигурацию из всех возможных вариантов соединений аналоговых цепей, объединяемых электронных устройств.

2. Архитектура высокоскоростного интерфейса передачи данных по п.1, позволяющая размещать в произвольном порядке либо взаимно заменять подключаемые электронные устройства с сохранением фактических логических связей.

3. Архитектура высокоскоростного интерфейса передачи данных по п.1, обеспечивающая возможность множественного доступа электронных устройств, подключенных к шине, к аналоговым цепям передачи данных.