Модуль-контроллер для имитации объекта управления

Полезная модель относится к устройствам моделирующим аппаратно-программными средствами объекты управления и представляет собой аналого-цифровое устройство, предназначенное для применения в управляющих системах, использующих электронные модули различного функционального назначения. Модуль-контроллер является полным аналогом объекта управления по входным и выходным сигналам и реализует программу его работы. Высокий уровень надежности и достоверности выдаваемой информации обеспечивается автоматическим тест-контролем, включаемого в работу модуля, а также текущим контролем кодовых и аналоговых сигналов. Имитационная аппаратура модуля позволяет воспроизводить возможные виды неисправностей в реальном режиме времени. Модуль-контроллер выполнен на современной элементной базе с использованием микропроцессорных и программируемых логических схем и может составить комплектацию для многоканального имитатора объектов управления, используемого в составе управляющих систем

Заявляемая полезная модель относится к устройствам, моделирующим аппаратно-программными средствами объекты управления и представляет собой аналого-цифровое устройство, предназначенное для применения в управляющих системах, использующих электронные модули различного функционального назначения.

Известны устройства, в которых сочетаются цифровые и аналоговые программируемые блоки фирмы Cypress Semiconductor [1], которые имеют процессорное ядро с ОЗУ и возможностью выбора частот тактирования. В состав устройства входят микроконтроллер, таймеры, контроллер прерываний, шина адреса и данных, приемопередатчики.

Недостатком указанного устройства является восьмиразрядное процессорное ядро, что вызывает необходимость, при организации внешнего интерфейса, аналоговые и цифровые средства коммутации соединять, в так называемые модули пользователя, что ограничивает применение данных устройств в специализированных модулях-контроллерах.

Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к заявляемой полезной модели относится модуль приема, передачи и обработки цифровых и аналоговых сигналов [2], содержащий приемопередатчики, цифровой сигнальный процессор, ОЗУ, блок аналоговых сигналов, контроллеры, блок цифровой обработки информации, генератор тактовых частот.

К недостаткам указанного устройства следует отнести отсутствие контроля выходных аналоговых сигналов и сервисного оборудования для проведения тест-контроля рабочего состояния модуля. Кроме того, в устройстве не предусмотрены средства имитации реальных неисправностей аналоговых сигналов и кодового обмена, что усложняет отладку системного программного обеспечения.

Технической задачей полезной модели является создание функционального узла, моделирующего поведение объекта управления с использованием всех возможных видов неисправностей и организацией автоматического контроля рабочего состояния модуля.

Указанная задача решается за счет того, что в модуль-контроллер для имитации объекта управления, содержащий управляющий микроконтроллер, соединенный двухсторонней связью с ОЗУ, входом - с формирователем

опорной частоты, а через мультиплексную шину - с устройством релейного обмена, в котором блок формирования релейных сигналов входом соединен с блоком преобразования релейных сигналов, а выходом - с блоком реле с электронными ключами, соответственно эти блоки имеют группу внешних входных и выходных связей для подключения к системе управления, в устройстве кодового обмена микроконтроллер соединен через мультиплексную шину с регистрами выдачи и регистрами приема, которые соответственно соединены выходом и входом с передающими и приемными усилителями, имеющими внешние информационные выход и вход для подключения к системе управления, второй внешний информационный вход которой соединен с ключом сигнала прерывания, выход которого - с регистрами приема, первый и второй выходы регистров приема соединены соответственно с ОЗУ и микроконтроллером, а вход - последовательно соединен с входом регистров выдачи и выходом формирователя опорной частоты, введены блок имитации неисправностей, мультиплексор, блок индикации, дешифратор адреса, ключ верного приема информации, кнопка сброса и бортовой источник питания, соединенный с цепью первичного питания, выходом - с блоком реле с электронными ключами, второй вход которого - с блоком имитации неисправностей, соединенным входом с блоком формирования релейных сигналов, а выходом - с блоком индикации, подключенным к мультиплексной шине и вторым входом - к дешифратору адреса, который подключен к мультиплексной шине, а вторым выходом последовательно соединен с блоком имитации неисправностей и мультиплексором, группа входов которого соединена с блоком реле с электронными ключами, выход подключен на мультиплексную шину, а последовательный вход соединен с блоком имитации неисправностей и с выходом микроконтроллера, вход которого соединен с кнопкой сброс, а выход через ключ верного приема информации для подключения к системе управления.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором устройства и блоки имеют следующее обозначение:

1 - модуль-контроллер для имитации объекта управления;

2 - устройство релейного обмена;

3 - блок преобразования релейных сигналов;

4 - блок формирования релейных сигналов;

5 - блок реле с электронными ключами;

6 - блок имитации неисправностей;

7 - бортовой источник питания (БИП);

8 - мультиплексор;

9 - устройство кодового обмена;

10 - передающие усилители;

11 - регистры выдачи (РгВ);

12 - ключ верного приема информации (ВПИ);

13 - приемные усилители;

14 - регистры приема (РгП);

15 - ключ прерывания;

16 - мультиплексная шина;

17 - блок индикации;

18 - дешифратор адреса (ДША);

19 - кнопка Сброс;

20 - формирователь опорной частоты (ФОЧ);

21 - микроконтроллер;

22 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

23 - входные цепи релейных сигналов;

24 - выходные цепи релейных сигналов;

25 - цепь первичного питания;

26 - выходные цепи кодового обмена;

27 - входные цепи кодового обмена.

Согласно чертежа, в модуле-контроллере для имитации объекта управления 1, управляющий микроконтроллер 21 соединен двухсторонне с ОЗУ 22, первый вход соединен с формирователем опорной частоты 20, а через мультиплексную шину 16 с устройством кодового обмена 9 и с устройством релейного обмена 2, в котором блок формирования релейных сигналов 4 входом соединен с блоком преобразования релейных сигналов 3, а выходом - с блоком реле с электронными ключами 5, причем блок 3 имеет группу внешних входных 23, а блок 5 - группу внешних выходных 24 связей для подключения к системе управления, а в устройстве кодового обмена 9 микроконтроллер 21 соединен через мультиплексную шину 16 с регистрами выдачи 11 и регистрами приема 14, которые соединены соответственно с передающими 10 и приемными 13 усилителями для подключения внешних выходных 26 и входных 27 связей кодового обмена к системе управления, второй вход 27 соединен с ключом сигнала прерывания 15, выход которого - с регистрами приема 14, соединенными с ОЗУ 22 и микроконтроллером 21, а входом последовательно соединен с входом регистров выдачи 11 и выходом формирователя опорной частоты 20, бортовой источник питания 7 соединен входом с цепью первичного питания 25, выходом - с блоком реле с электронными ключами 5, второй вход которого подключен к блоку имитации неисправностей 6, который соединен входом с блоком формирования релейных сигналов 4, выходом - с блоком индикации 17, подключенным к мультиплексной шине 16, а вторым входом - к дешифратору адреса 18, который также подключен к мультиплексной шине 16, а вторым выходом последовательно соединен с блоком имитации неисправностей 6 и мультиплексором 8, группа входов которого соединена обратными связями с блоком реле с электронными ключами 5 и выходом на мультиплексную шину 16, второй последовательный вход мультиплексора 8 соединен с блоком имитации неисправностей 6 и с выходом микроконтроллера 21, вход которого соединен с кнопкой Сброс 19, а выход через ключ верного

приема информации 12 для подключения к системе управления через внешнюю выходную цепь кодового обмена 26.

Предлагаемая полезная модель имитирует работу реального объекта управления и моделирует программу его действий в части релейного и кодового обмена в устройствах 2, 9 и выполняет:

- прием и обработку релейных сигналов, поступающих по входным цепям 23 от системы управления;

- формирование и выдачу ответных релейных сигналов по выходным цепям 24 в систему управления;

- имитацию пускового цикла путем включения бортового источника питания 7;

- имитацию неисправностей по выходным релейным сигналам;

- прием служебного массива и массивов информации по кодовому каналу 27 от системы управления;

- прием и ретрансляцию слова состояния объекта управления и его устройств (исправно-неисправно) по кодовому каналу 26;

- контроль принимаемой информации и сообщение о верном или неверном приеме по кодовому каналу 26 в систему управления;

- имитацию неисправности в приемной части кодового канала 27;

- депонирование принятой информации в ОЗУ.

Функциональное ядро модуля составляет управляющий микроконтроллер 21 (микросхема АТ89С 51), осуществляющий:

- управление основными элементами схемы по заданной программе;

- проведение внутреннего теста на исправность модуля и вывод результата на блок индикации;

- формирование исходного состояния схемы перед началом работы;

- считывание из приемной схемы массивов данных и их обработку;

- подсчет и сравнение частной, общей контрольных суммы принимаемых массивов и выдачу результатов на блок индикации и на ключ верного приема информации;

- запись в ОЗУ массивов информации, принимаемых из системы управления.

Функционально модуль-контроллер 1 является полным аналогом объекта управления по входным и выходным сигналам, реализация программы его работы выполняется микроконтроллером 21 по сигналам и командам приходящим из системы управления. Высокий уровень надежности и достоверности выдаваемой информации обеспечивается автоматическим тест-контролем, включаемого в работу модуля. Автономная проверка исправности проводится при включении питания на модуль или при нажатии кнопки Сброс 19 при включенном питании. Результат автономной проверки выводится в блок индикации 17 на индикаторы «Тест прошел» - «Тест не прошел». При этом реальной проверке подвергаются все основные узлы модуля: блок формирования релейных сигналов 4, реле с электронными ключами 5, блок имитации неисправностей 6, мультиплексор 8 с цепями обратной связи,

устройство кодового обмена 9, дешифратор адреса 18, мультиплексная шина 16, микроконтроллер 21.

После включения питания модуля микроконтроллер 21 выдает команды на блок имитации неисправностей 6 и на дешифратор адреса 18 для последовательного включения и выключения реле с электронными ключами в блоке 5. Каждое изменение состояния реле считывается микроконтроллером 21 с мультиплексора 8, после чего в микроконтроллере сравнивается ожидаемый и полученный результат.

В случае положительного результата проверки срабатывания реле, в блоке индикации 17 загорается индикатор «Тест прошел», в случае несоответствия результата - индикатор «Тест не прошел».

Не зависимо от результата проверки релейной части схемы, проверяется устройство кодового обмена 9. Микроконтроллер 21 записывает в регистры 11 для выдачи 32-х разрядное слово, включает приемную схему кодового канала на прием и выдает команду на выдачу информации. После получения прерывания от приемной схемы микроконтроллер считывает из регистров 14 приемной схемы полученное слово и сравнивает его с заданным. В случае полного соответствия принятого слова выданному, в блоке индикации 17 загорается индикатор признака верного приема информации «1р», а при выявлении несоответствия или при отсутствии прерывания индикатор «1р» остается в выключенном состоянии.

Взаимодействие модуля-контроллера с системой управления осуществляется по кодовому и релейному каналам обмена. По входным цепям кодового обмена 27 через регистры приема 14 транслируется информация для выполнения рабочей программы объекта управления, которая депонируется в ОЗУ 22. По выходным цепям кодового обмена 26 из модуля через регистры 11 и передающие усилители 10 выдается информация о результатах прохождения режима в виде одного слова о исправности (неисправности) бортовой аппаратуры. Система управления анализирует принятое слово и, при положительном результате, продолжает выполнение заданного режима, при отрицательном - исключает имитатор объекта управления из дальнейшей работы. Прием и выдача информации в устройстве кодового обмена 9 осуществляется 32-х разрядным последовательным кодом на частоте 50 Кбит/с. После окончания приема 32 разрядов данных, приемная схема микроконтроллера формирует прерывание и осуществляет чтение на мультиплексную шину 16 каждого принятого слова.

Достоверность принимаемой информации достигается следующими видами контроля, выполняемыми в микроконтроллере 21:

- контроль каждого слова на четность;

- контроль массива по частной контрольной сумме;

- контроль массивов по общей контрольной сумме.

По окончанию приема массива и его контроля, микроконтроллер сообщает в систему управления через ключ верного приема информации 12 о положительном («1») или отрицательном («0») результате принятой информации.

При отрицательном результате контроля система управления повторяет передачу массива, но не более двух раз, после чего имитатор объекта управления исключается из работы.

Взаимодействие системы управления по релейному каналу осуществляется в виде команд, поступающих по входу 23 в устройство релейного обмена 2 на блок преобразования 3. С выхода блока преобразования 3, осуществляющего прием, оптическую развязку и преобразование в ТТЛ, сигналы поступают на блок формирования 4 и блок имитации неисправностей 6, в которых осуществляется обработка входных релейных сигналов и выдача сигналов управления на блок реле с электронными ключами 5, формирующий ответные релейные сигналы для системы управления по выходным цепям 24.

В модуле-контроллере устройство релейного обмена 2 реализует более сорока входных и выходных сигналов, формируя признаки объекта управления, имитируя коммутации различных устройств, проводя блокировки-разблокировки рабочих цепей и их контроль, выполняя пуск и старт объекта управления при включении и отключении бортового источника питания 7.

В режиме «Тренировка» оператор системы управления имеет возможность моделировать различные виды неисправностей. Для чего в начале режима в мультиплексор записывается информация о виде и времени заданной неисправности. Модуль имеет в своем составе блок таймеров, обеспечивающий реализацию этих неисправностей в заданное время. Время возникновения неисправности может изменяться в пределах от 0 до 1638,4 сек. с точностью 0,1 сек. Запуск таймера осуществляется одним из двух внешних сигналов:

- контроль бортового комплекса управления;

- включить бортовой источник питания.

Все команды и сигналы по входам-выходам 23, 24 в устройстве релейного обмена выдаются напряжением питания постоянного тока ±27 В.

Модуль-контроллер может составить комплектацию для многоканального имитатора объектов управления, используемого в составе управляющих систем, что позволяет создавать реальные алгоритмы и максимально имитировать работу системы для эффективной отладки на стадии испытаний и повседневной эксплуатации.

Источники информации принятые во внимание:

1. Е.П.Угрюмов «Цифровая схемотехника», 2-е издание стр.620-622, С-Петербург, 2004 г.

2. Свидетельство на ПМ РФ №22389, МПК 15/00, 2001 г.

Модуль-контроллер для имитации объекта управления, содержащий управляющий микроконтроллер, соединенный двухсторонней связью с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), входом - с формирователем опорной частоты, а через мультиплексную шину - с устройством кодового обмена и с устройством релейного обмена, в котором блок формирования релейных сигналов входом соединен с блоком преобразования релейных сигналов, а выходом - с блоком реле с электронными ключами, соответственно эти блоки имеют группу внешних входных и выходных связей для подключения к системе управления микроконтроллер соединен через мультиплексную шину с регистрами выдачи и регистрами приема устройства кодового обмена, которые соответственно соединены выходом и входом с передающими и приемными усилителями, имеющими внешние информационные выход и вход для подключения к системе управления, второй внешний информационный вход которой соединен с ключом сигнала прерывания, выход которого соединен с регистрами приема, первый и второй выходы регистров приема соединены соответственно с ОЗУ и микроконтроллером, а входы регистров приема и регистров выдачи объединены и подключены к выходу формирователя опорной частоты, отличающийся тем, что введены блок имитации неисправностей, мультиплексор, блок индикации, дешифратор адреса, ключ верного приема информации, кнопка сброса и бортовой источник питания, соединенный с цепью первичного питания, выходом - с блоком реле с электронными ключами, второй вход которого - с блоком имитации неисправностей, соединенным входом с блоком формирования релейных сигналов, а выходом - с блоком индикации, подключенным к мультиплексной шине и вторым входом - к дешифратору адреса, который подключен к мультиплексной шине, а вторым выходом - к адресному входу блока имитации неисправностей и к мультиплексору, группа входов которого соединена с блоком реле с электронными ключами, выход подключен на мультиплексную шину, а управляющий вход соединен с блоком имитации неисправностей и с выходом микроконтроллера, вход которого соединен с кнопкой сброс, а выход через ключ верного приема информации для подключения к системе управления.