Коммуникационный gsm/gprs контроллер
«Коммуникационный GSM/GPRS контроллер», выполненный в виде корпуса, в котором установлена печатная плата с размещенными на ней программируемым микроконтроллером, энергонезависимой памятью, портом RS-232, гальванически изолированными интерфейсами RS-485 и CAN-bus, интерфейсом Ethernet, контактами для подключения внешних устройств к восьми входам/выходам универсальных программируемых цифровых каналов, преобразователем сигналов интерфейса I 2C в сигналы интерфейса 1Wire, разъемом для подключения внешних датчиков, имеющих интерфейс 1Wire, радиомодемом GSM/GPRS с антенной и интерфейсом для SIM CARD, инфракрасным портом, астрономическим таймером-календарем с резервированным питанием от батареи, схемой защиты от перемены полярности напряжения питания, аппаратным сторожевым таймером "WatchDog", съемным блоком программирования, с предустановленной интегрированной средой разработки прикладных программ КРУГОЛ
фирмы «КРУГ», реализующей языки программирования из стандарта МЭК 61131-3, причем, корпус снабжен средствами крепления к горизонтальной или вертикальной опорной поверхности и снабжен гнездом сетевого кабеля для подключения к коммутатору 10/100Base-Tx с поддержкой технологии РоЕ.
Заявленное техническое решение (контроллер) относится к устройствам с программным управлением, а именно к программируемым контроллерам и может быть использовано в устройствах сбора, обработки и передачи информации в технических системах.
Из существующего уровня техники известен контроллер, содержащий печатную плату с микропроцессором, источник питания, постоянное запоминающее устройство, устройство контроля времени и схему управления исполнительными реле, а также линии связи, подключенные к каналам ввода-вывода микропроцессора, линии управления и сигнализации, схему согласования и защиты линий связи, схему управления зарядом внешнего аккумулятора, при этом микропроцессор связан с цепью управления зарядом внешнего аккумулятора. (Патент RU 41167 U1, 08.07.2004, опубликовано 10.10.2004).
Недостатком известного контроллера является отсутствие в его составе интерфейсов I2C и 1Wire для подключения внешних датчиков температуры, влажности и задымления, что сужает область применения контроллера в системах «умный дом», отсутствие интерфейсов RS-485, CAN и радиомодема GSM/GPRS ограничивает его применение в распределенных системах сбора информации, а отсутствие блока программирования с интегрированной средой программирования на языках стандарта МЭК 61131-3 замедляет процесс разработки программ пользователя и усложняет перенос программ на другие контроллеры данного класса.
Известен контроллер, содержащий печатную плату, на которой расположены микроконтроллер, осуществляющий сбор информации с импульсных каналов и передачу по интерфейсам RS-232, который используется для соединения с компьютером, RS-485 и CAN, обеспечивающим удаленное подключение с объектом, литиевый элемент, энергонезависимую память, канал телеуправления, часы реального времени, блок питания, дополнительную печатную плату с зажимами для подключения импульсных каналов, часы реального времени выполнены со встроенной энергонезависимой памятью, a CAN контроллер выполнен отдельной микросхемой. (Патент RU 61900 U1, 23.10.2006, опубликовано 10.03.2007).
Недостатком известного контроллера является отсутствие в его составе интерфейсов I2C и 1Wire для подключения внешних датчиков температуры, влажности и задымления, что сужает область применения контроллера, а отсутствие блока программирования с интегрированной средой программирования на языках из стандарта МЭК 61131-3 замедляет процесс разработки программ пользователя и усложняет перенос программ на другие контроллеры данного класса.
Известен контроллер, содержащий корпус с кроссплатой, являющейся объединяющим узлом, модуль источника вторичного электропитания, системный модуль, содержащий вычислительное ядро системы, а также интерфейс Ethernet, набор из 4-х дополнительных модулей ввода, необходимых для реализации задач сбора данных с приборов первичного учета энергоресурсов, блок интерфейса оператора, включающего печатную плату с расположенными на ней жидкокристаллическим индикатором, клавиатурой, инфракрасным портом, интерфейсом SD-card для подключения ФЛЭШ-карт, пьезокерамическим излучателем и кронштейном для установки на нем соединителей для подключения внешних цепей и интерфейсов, коммутация которых с кросс-платой выполнена плоским кабелем. (Патент RU 63560 U1, 20.12.2006, опубликовано 27.05.2007).
Недостатком известного контроллера является отсутствие в его составе интерфейсов I2C и 1Wire для подключения внешних датчиков температуры, влажности и задымления, что сужает область применения контроллера в системах «умный дом», отсутствие интерфейсов RS-485, CAN и радиомодема GSM/GPRS ограничивает его применение в распределенных системах сбора информации, а отсутствие блока программирования с интегрированной средой программирования на языках стандарта МЭК 61131-3 замедляет процесс разработки программ пользователя и усложняет перенос программ на другие контроллеры данного класса.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является контроллер, выполненный в виде корпуса с клеммной панелью, в котором установлена печатная плата с размещенным на ней микроконтроллером, осуществляющим прием информации с цифровых входов и порта RS-232, и передачу принятой информации по интерфейсу Ethernet, а также энергонезависимая память, причем корпус снабжен средствами крепления к горизонтальной или вертикальной опорной поверхности и снабжен гнездом сетевого кабеля для подключения к коммутатору 10/100Base-Tx с поддержкой РоЕ (передача питания через сеть Ethernet), а также разъемным клеммным блоком контактов, включающим контакты для подключения внешних устройств к четырем входам/выходам универсальных программируемых цифровых каналов, контакты для подключения проводов питания и управляющей цепи исполнительного устройства, контакты для подключения последовательного порта подключаемого устройства к контроллеру, а также контакты для подключения к оптически развязанным релейным выходам с величиной тока до 2,5 А и напряжения до 60 В. Контроллер снабжен кнопками управления и разъемом для подключения внешнего питания 12-36 В постоянного напряжения, предназначенного для использования, если подключаемый коммутатор не поддерживает технологию РоЕ, гнездо сетевого кабеля для подключения к коммутатору 10/100 Base-Tx с поддержкой РоЕ. (Патент RU 2348966 С1, 21.02.2008, опубликовано 10.03.2009) (прототип).
Недостатком известного контроллера является отсутствие в его составе интерфейсов I2C и 1Wire для подключения внешних датчиков температуры, влажности и задымления, что сужает область применения контроллера в системах типа «умный дом», отсутствие интерфейсов RS-485, CAN и радиомодема GSM/GPRS ограничивает его применение в распределенных системах сбора информации, а отсутствие блока программирования с интегрированной средой программирования на языках стандарта МЭК 61131-3 замедляет процесс разработки программ пользователя и усложняет перенос программ на другие контроллеры данного класса.
Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в расширении функциональных возможностей контроллера и расширении арсенала технических средств в данной области техники.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном контроллере дополнительно установлены: преобразователь сигналов интерфейса I2C в сигналы интерфейса 1Wire с разъемом для подключения внешнего датчика, имеющего интерфейс 1Wire, радиомодем GSM/GPRS с антенной и интерфейсом для SIM CARD, инфракрасный порт, интерфейс RS-485, интерфейс CAN, схема защиты контроллера от неправильного подключения полярности питающего напряжения, съемный блок программирования, содержащий процессор, блок индикации с клавиатурой, запоминающее устройство с предустановленной интегрированной средой разработки прикладных программ КРУГОЛ фирмы «КРУГ», реализующей языки программирования из стандарта МЭК 61131-3, причем блок программирования подключается к контроллеру через интерфейс Ethernet.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение выполняемых контроллером функций за счет введения возможности подключения к нему датчиков температуры, влажности, дыма по интерфейсу 1Wire, возможности дистанционной передачи показаний счетчиков вещества и энергии через радиомодем GSM/GPRS в центры коммерческого учета. Наличие интерфейсов RS-485, CAN и радиомодема GSM/GPRS расширяет возможность применения контроллера в территориально распределенных системах управления, схема защиты контроллера от неправильного подключения полярности питающего напряжения повышает его надежность, а блок программирования с интегрированной средой разработки прикладных программ КРУГОЛ ускоряет разработку программ пользователя и повышает надежность прикладного программного обеспечения.
На фиг.1 показана блочная схема коммуникационного GSM/GPRS контроллера, а на фиг.2 приведен общий вид устройства без блока программирования.
«Коммуникационный GSM/GPRS контроллер» содержит: основание корпуса 1, печатную плату 2, разъем для подключения каналов ввода/вывода 3, программируемый микроконтроллер 4, индикатор состояния микроконтроллера «INIT» 5, индикатор режима работы контроллера «STATUS» 6, кнопку «СБРОС» 7, интерфейс RS-232 8, интерфейс RS-232/485 9, интерфейс RS-232/CAN-bus 10, сетевой интерфейс Ethernet 11, интерфейс USB 12, энергонезависимую память NANDFLASH 13, оперативную память SDRAM 14, оперативную память SRAM с питанием от батареи 15, разъем подвода питания 16, преобразователь сигналов интерфейса I2C в сигналы интерфейса 1Wire 17, разъем для подключения внешних датчиков с интерфейсом 1Wire 18, радиомодем GSM/GPRS с интерфейсом для SIM CARD 19, инфракрасный порт IrDA 20, астрономический таймер-календарь RTC 21, батарею питания таймера-календаря RTC 22, схему защиты от неправильной полярности подключения напряжения питания 23, аппаратный сторожевой таймер «WatchDog» 24, DC/DC преобразователь питания 25, винты крепления платы к основанию корпуса 26, блок программирования 27, блок индикации 28, блок клавиатуры 29, сетевой кабель Ethernet 30, устройство крепления контроллера на DIN-рейку 31, крышку корпуса 32.
Программное обеспечение контроллера (ПО) состоит из четырех составляющих:
- Начальный загрузчик
- Загрузчик операционной системы;
- Операционная система (ОС) Linux;
- Прикладное ПО.
Начальный загрузчик
Начальный загрузчик используется для начальной записи ПО при производстве контроллера. Бинарный код начального загрузчика загружается во внутреннюю память микроконтроллера по встроенному порту USB-slave (обеспечивается BOOT ROM микроконтроллера) и ему передается управление. Начальный загрузчик должен обеспечить запись в NandFlash-память бинарных файлов Загрузчика операционной системы и файлы ОС Linux по одному из интерфейсов микроконтроллера.
Загрузчик операционной системы
В качестве Загрузчика ОС используется UBoot или RedBoot. При старте контроллера обеспечивается передача управления исполняемому коду Загрузчика операционной системы.
ОС Linux
Все системные и сопутствующие файлы ОС Linux расположены на системном разделе NandFlash памяти контроллера, который является корневым (каталог '/'). Корневая файловая система по умолчанию работает в режиме «только для чтения», что повышает отказоустойчивость ОС. Корневая система содержит пустой каталог /gsw, в который будет записываться прикладное ПО. Операционная система построена на базе ядра Linux v.2.6.x последней стабильной версии на момент создания образа системного раздела. Ядро включает в себя драйверы для поддержки всей аппаратной части контроллера. Функциональность ОС Linux достаточна для работы среды исполнения кода прикладной программы. По сценарию старта системы производится инициализация всех интерфейсов контроллера, основываясь на пользовательских настройках, которые находятся в разделе с прикладным ПО. При отсутствии пользовательских настроек используются настройки по умолчанию. По окончании инициализации ОС управление передается скрипту с предопределенным названием, находящемуся в разделе с прикладным ПО.
Прикладное ПО
Прикладное ПО располагается в прикладном разделе флэш - памяти, который содержит скрипт с предопределенным названием, содержащий процедуру старта прикладного ПО, файл для настройки параметров ОС Linux. Структура каталогов и набор файлов формируются по усмотрению производителя прикладного ПО.
Описание работы контроллера
Перед началом работы соединить разъем 11 на плате коммуникационного GSM/GPRS контроллера кабелем Ethernet 30, а к разъему 16 подключить напряжение питания 24 В постоянного тока. Двухцветный светодиодный индикатор «INIT» 5 отображает текущее состояние контроллера:
- «не светится» - контроллер обесточен;
- «красный» - питание контроллера включено;
- «зеленый» - успешный старт загрузчика операционной системы (ОС).
Функционально контроллер может работать в одном из трех режимов: «ЗАПУСК», «РАБОТА», «ПРОГРАММИРОВАНИЕ». Текущий режим работы контроллера индицируется индикатором «STATUS» 6.
После подачи напряжения питания контроллер переходит в режим «ЗАПУСК», происходит чтение состояния кнопки «СБРОС» 7 для определения дальнейшего режима работы контроллера. Если кнопка была нажата в течение 2-3 сек., то загорается красным цветом индикатор «STATUS», при этом выставляется внутренняя переменная загрузчика в состояние 1, далее происходит запуск системного ПО, проверка и восстановление, если необходимо, файловых систем. Все интерфейсы ввода вывода в данном режиме неактивны, а дискретные выходы выключены. Далее контроллер переходит в режим «РАБОТА», если не было зафиксировано нажатие кнопки «СБРОС». Режим «РАБОТА» является основным для контроллера и обозначается зеленым цветом свечения индикатора «STATUS». В этом режиме контроллер исполняет программу пользователя. Все интерфейсы, аналоговые и дискретные входы/выходы контроллера используются в соответствие с программой пользователя.
Если в режиме «ЗАПУСК» было зафиксировано нажатие кнопки «СБРОС», то контроллер переходит в режим «ПРОГРАММИРОВАНИЕ», который предназначен для конфигурирования контроллера и загрузки в него программы пользователя, при этом все интерфейсы кроме Ethernet 11 неактивны, программа пользователя не исполняется, индикатор «STATUS» светится пульсирующим красным свечением. В данном режиме контроллер программно и аппаратно поддерживает блок программирования 27, который содержит, блок индикации 28 с клавиатурой 29 и запоминающее устройство с предустановленной интегрированной средой разработки прикладных программ КРУГОЛ фирмы «КРУГ», реализующей языки программирования из стандарта МЭК 61131-3. Блок программирования подключается к контроллеру через интерфейс Ethernet 11. Блок индикации 28 имеет возможность графического отображения объектов интерфейса интегрированной среды разработки КРУГОЛ, что позволяет пользователю выбирать предпочтительный язык программирования из числа языков стандарта МЭК 61131-3 и программировать алгоритм управления на выбранном языке, используя клавиатуру 29, отлаживать программу в режиме реального времени и записывать ее в память контроллера. Далее контроллер перезапускается нажатием кнопки «СБРОС» и через режим «ЗАПУСК» переходит в режим «РАБОТА», причем, запрограммированный контроллер может исполнять программу пользователя, как при подключенном блоке программирования 27, так и без него. Напряжение питания 24 В постоянного тока преобразуется DC/DC преобразователем 25 в напряжения 5 В и 3,3 В постоянного тока для питания всех узлов контроллера. Инфракрасный порт IrDA 20 позволяет бесконтактно снимать данные измерений с контроллера на портативный компьютер-ноутбук. Сторожевой таймер «WatchDog» 24 выводит контроллер из неуправляемых состояний путем его автоматического перезапуска при сбоях в условиях сильных электромагнитных помех. Блок защиты 23 предотвращает повреждение контроллера при несоблюдении полярности подключения напряжения питания 24 В.
«Коммуникационный GSM/GPRS контроллер» практически реализован с использованием комплектующих изделий, приведенных в таблице.
| Таблица | |||
| Номер позиции на фиг.1 и 2 |  | Тип | Кол-во на изделие |
| 1, 32 | Основание и крышка корпуса | В 65 05 112 на DIN-рейку | 1 |
| 2 | Печатная плата | Стеклотекстолит FR-4 | 1 |
| 3 | Разъем каналов ввода/вывода | 15EDGRC-3.81-16 | 1 |
| 4 | Микроконтроллер | AT91SAM9G20 | 1 |
| 5, 6 | Светодиодный индикатор | Двухцветный, d=3 мм | 2 |
| 7 | Кнопка «СБРОС» | TS_A2PS_130, h=5 мм | 1 |
| 8 | Интерфейс RS-232 | MAX3243ECOBR | 1 |
| 9 | Интерфейс RS-232/485 | SN75176BD | 1 |
| 10 | Интерфейс.RS-232/CAN | SN65HVD251D | 1 |
| 11 | Сетевой интерфейс Ethernet | Micrel KS28721CL | 1 |
| 12 | Интерфейс USB | Тип В (USB slave); | 1 |
| 13 | Память NANDFLASH | Samsung K9F1G08UOB | 1 |
| 14 | Память SDRAM | Samsung K4S561632J | 2 |
| 15 | Память SRAM | Samsung K6X8016T3 В | 1 |
| 16 | Разъем подвода питания 24 В | 15EDGRC-3.5-03. | 1 |
| 17 | Преобразователь I2C в 1Wire | DS2482S-100 | 1 |
| 18 | Разъем с интерфейсом 1Wire | RJ11 | 1 |
| 19 | Радиомодем GSM/GPRS | SIM300DZ Hilo (Sagem) | 1 |
| 20 | Инфракрасный порт IrDA | TFDS4500 | 1 |
| 21 | Таймер-календарь RTC | DS1338Z-33 | 1 |
| 22 | Батарея питания таймера RTC | CR2032 | 1 |
| 23 | Диод защиты по питанию 24 В | Диод шоттки 10MQ040N | 1 |
| 24 | Сторожевой таймер «WatchDog» | ADM6822SYRJ | 1 |
| 25 | DC/DC преобразователь питания | TRACO TEN3 2411 | 1 |
| 26 | Винты крепления платы | 3×10 мм | 2 |
| 27 | Блок программирования | ASUS A2500L | 1 |
1. Коммуникационный GSM/GPRS контроллер, выполненный в виде корпуса, в котором установлена печатная плата с размещенными на ней программируемым микроконтроллером, осуществляющим прием информации с цифровых входов и порта RS-232 и передачу принятой информации по интерфейсу Ethernet, а также энергонезависимой памятью, причем корпус снабжен средствами крепления к вертикальной и горизонтальной опорной поверхности и снабжен гнездом сетевого кабеля для подключения к коммутатору 10/100 Base-Tx с поддержкой технологии РоЕ, а также разъемным блоком контактов, включающим контакты для подключения внешних устройств к четырем входам/выходам универсальных программируемых цифровых каналов, контакты для подключения проводов питания и управляющей цепи исполнительного устройства, контакты для подключения последовательного порта подключаемого устройства к контроллеру, а также контакты для подключения к оптически развязанным релейным выходам с величиной тока до 2,5 А и напряжения до 60 В, снабженный кнопками управления и разъемом для подключения внешнего питания 12-36 В постоянного напряжения, предназначенного для использования, если подключаемый коммутатор не поддерживает технологию РоЕ, отличающийся тем, что он снабжен преобразователем сигналов интерфейса I2 С в сигналы интерфейса 1 Wire, разъемом для подключения внешних датчиков, имеющих интерфейс 1 Wire, радиомодемом GSM/GPRS с антенной и интерфейсом для SIM CARD, инфракрасным портом, гальванически изолированными интерфейсами RS-485 и CAN-bus, разъемным блоком контактов для подключения внешних устройств к четырем дополнительным входам/выходам универсальных программируемых цифровых каналов, астрономическим таймером-календарем с резервированным питанием от батареи, схемой защиты от перемены полярности напряжения питания, аппаратным сторожевым таймером "WatchDog", индикатором режима работы, съемным блоком программирования.
2. Контроллер по п.1, отличающийся тем, что память микроконтроллера способна хранить системное программное обеспечение, в том числе среду исполнения кода прикладной программы (операционную систему реального времени) и хотя бы один алгоритм управления.
3. Контроллер по п.1, отличающийся тем, что блок программирования содержит процессор, блок индикации с клавиатурой, запоминающее устройство с предустановленной интегрированной средой разработки прикладных программ КРУГОЛ фирмы «КРУГ», реализующей языки программирования из стандарта МЭК 61131-3.
4. Контроллер по п.1, отличающийся тем, что блок программирования подключается к контроллеру через интерфейс Ethernet, причем запрограммированный контроллер может исполнять программу пользователя, как при подключенном блоке программирования, так и без него.
5. Контроллер по п.3, отличающийся тем, что блок индикации с клавиатурой имеет возможность графического отображения объектов интерфейса интегрированной среды разработки КРУГОЛ.
