Модуль для имитации объекта управления с контролем входных параметров
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. Введенные средства входного контроля аналоговых и дискретных сигналов обеспечивают высокую достоверность поступающей информации. Надежность и достоверность выдаваемой информации обеспечивается автоматическим тестконтролем, 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 1 п.ф., 1 илл.
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 [l], 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 -контроллер для имитации объекта управления [2], содержащий устройство релейного обмена в составе блока преобразования, блока формирования релейных сигналов, блока реле, блока имитации неисправностей, бортового источника питания, мультиплексора, устройство кодового обмена в составе передающих и приемных усилителей, приемных и передающих регистров, ключа прерывания и общей части в составе микроконтроллера, ОЗУ, дешифратора адреса, блока индикации, формирователя частоты.
К недостаткам указанного устройства следует отнести отсутствие контроля параметров входных аналоговых сигналов и кодовой информации, поступающих в устройства релейного и кодового обмена.
Технической задачей полезной модели является создание функционального узла, моделирующего поведение объекта управления и обеспечивающего непрерывный входной контроль параметров аналоговой и кодовой информации.
Указанная задача решается за счет того, что в модуль для имитации объекта управления, содержащий управляющий микроконтроллер, соединенный двухсторонней связью с ОЗУ, первым входом - с формирователем опорной
частоты, вторым входом - с кнопкой сброс с внешним входом, а через мультиплексную шину соединенный в устройстве релейного обмена с блоком формирования релейных сигналов, вход которого соединен с блоком преобразования релейных сигналов, группа входов которого подключена к внешнему устройству, первый выход - с блоком реле с электронными ключами, которые подключены группой выходов к внешнему устройству, второй выход - с блоком имитации неисправностей, первый выход которого соединен с блоком индикации, подключенным к мультиплексной шине и дешифратору адреса, который также подключен к мультиплексной шине, а выходом соединен с мультиплексором и блоком имитации неисправностей, второй выход которого соединен с блоком реле с электронными ключами, вход которого подключен к бортовому источнику питания, соединенному с цепью первичного питания, вторая группа выходов подключена к мультиплексору, соединенному с мультиплексной шиной, а второй вход соединен последовательно с блоком имитации неисправностей и выходом управляющего микроконтроллера, который соединен через мультиплексную шину в устройстве кодового обмена с регистрами приема и регистрами выдачи, подключенными через передающие усилители к внешнему устройству, к которому также подключен ключ верного приема информации, соединенный входом с управляющим микроконтроллером, третий вход которого соединен с регистрами приема, подключенными к ОЗУ и последовательно с регистрами выдачи - к формирователю опорного напряжения, вход ключа прерываний и вход приемных усилителей подключены к внешнему устройству, введены схема контроля длительности и скважности, супервизор, формирователь опорного напряжения, схема контроля уровня входного сигнала, аналоговый мультиплексор, блок преобразования уровня, соединенный группой входов с входами блока преобразования релейных сигналов, а группой выходов с аналоговым мультиплексором, вход которого соединен с дешифратором адреса, а группа выходов - со схемой контроля уровня входного сигнала, которая соединена выходом с мультиплексной шиной, а входом - с формирователем опорного напряжения, супервизор соединен со вторым входом микроконтроллера, схема контроля длительности и скважности соединена входами с приемными усилителями и ключом прерывания, а выходом - с регистрами приема.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором устройства и блоки имеют следующее обозначение:
1- устройство релейного обмена (УРО);
2- блок преобразования уровней;
3- аналоговый мультиплексор;
4- схема контроля уровня;
5- блок преобразования релейных сигналов;
6- блок формирования релейных сигналов;
7- блок реле с электронными ключами;
8- блок имитации неисправностей;
9- бортовой источник питания (БИП);
10- мультиплексор;
11- устройство кодового обмена (УО);
12- передающие усилители;
13- регистры выдачи (РгВ);
14- ключ верного приема информации (ВПИ);
15- приемные усилители;
16- схема контроля длительности и скважности;
17- регистры приема (РгП);
18- ключ прерывания;
19- мультиплексная шина;
20- формирователь опорного напряжения (ФОН);
21- блок индикации;
22- дешифратор адреса (ДША);
23- формирователь опорной частоты (ФОЧ);
24- кнопка Сброс;
25- управляющий микроконтроллер;
26- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
27- супервизор;
28- входные релейные сигналы;
29- выходные релейные сигналы;
30- цепь первичного питания;
31- выходные цепи кодового обмена;
32- входные цепи кодового обмена;
33- внешний вход кнопки Сброс.
Согласно чертежа, в модуле для имитации объекта управления управляющий микроконтроллер 25 соединен двухсторонне с ОЗУ 26, первый вход соединен с формирователем опорной частоты 23, а через мультиплексную шину 19 соединен с устройством кодового обмена 11 и с устройством релейного обмена 1, в котором блок формирования релейных сигналов 6 входом соединен с блоком преобразования релейных сигналов 5, а выходом - с блоком реле с электронными ключами 7, причем блок 5 имеет группу внешних входных 28, а блок 7 - группу внешних выходных 29 связей для подключения к системе управления, а в устройстве кодового обмена 11 микроконтроллер 25 соединен через мультиплексную шину 19 с регистрами выдачи 13 и регистрами приема 17, которые соединены соответственно с передающими 12 и приемными 15 усилителями через схему контроля длительности и скважности 16 для подключения внешних выходных 31 и входных 32 связей кодового обмена к системе управления, второй вход 32 соединен с ключом сигнала прерывания 18, первый выход которого соединен с блоком 16, а второй - с регистрами приема 17, соединенными с ОЗУ 26 и микроконтроллером 25, а входом последовательно соединен с входом регистров выдачи 13 и выходом формирователя опорной частоты 23, бортовой источник питания 9 соединен входом с цепью первичного питания 30, выходом - с блоком реле с
электронными ключами 7, второй вход которого подключен к блоку имитации неисправностей 8, который соединен входом с блоком формирования релейных сигналов 6, выходом - с блоком индикации 21, подключенным к мультиплексной шине 19, а вторым входом - к дешифратору адреса 22, который также подключен к мультиплексной шине 19, а вторым выходом последовательно соединен с блоком имитации неисправностей 8 и мультиплексором 10, группа входов которого соединена обратными связями с блоком реле с электронными ключами 7 и выходом на мультиплексную шину 19, второй последовательный вход мультиплексора 10 соединен с блоком имитации неисправностей 8 и с выходом микроконтроллера 25, вход которого соединен с кнопкой Сброс 24 с внешним входом 33, а выход через ключ верного приема информации 14 для подключения к системе управления через внешнюю выходную цепь 31, группа входных релейных сигналов 28 соединена с блоком преобразования уровней 2, выходные цепи которого подключены к аналоговому мультиплексору 3, вход которого соединен с дешифратором адреса 22, а группа выходов подключена к схеме контроля уровня 4, на вход которого поступает напряжение с формирователя опорного напряжения 20, результат контроля уровня выдается через мультиплексную шину 19 в микроконтроллер 25.
Предлагаемая полезная модель имитирует работу реального объекта управления, в которой введенные блоки обеспечивают входной контроль аналоговых и дискретных сигналов в устройствах релейного обмена 1 и кодового обмена 11. Входные релейные сигналы 28 поступают на блок преобразования уровней 2 и, далее, на аналоговый мультиплексор 3, коммутирующий заданный релейный сигнал на схему контроля уровня 4 входного сигнала, которая обеспечивает непрерывный контроль уровня, в соответствии с заданной временной диаграммой, либо осуществляет последовательный контроль всех релейных сигналов посредством переключения каналов аналогового мультиплексора 3. Формирователь опорного напряжения 20 выдает на схему контроля уровня 4 опорное напряжение.
При обнаружении несоответствия релейного сигнала заданным параметрам, схема контроля уровня 4 выдает на шину данных код ошибки, который считывается микроконтроллером 25 и через устройство кодового обмена 11 выдается на выход 31 с фиксированным временем возникновения ошибки.
Схема контроля длительности и скважности 16 дискретной информации контролирует заданные значения параметров входных сигналов 32 и, в случае наличия сбоев, записывает в регистр приема 17 код ошибки, который считывается микроконтроллером 25 и выдается на выход 31 с зафиксированным порядковым номером слова и принятым адресом.
Внешний вход 33 кнопки Сброс 24 предназначен для установки модуля в исходное состояние при выявлении сбоев в его работе внешним контроллером-монитором». Наличие в схеме модуля супервизора 27 позволяет контролировать уровень напряжения питания микроконтроллера 25 и, при
снижении напряжения больше заданной величины, а также при сбоях в работе, осуществлять аппаратный сброс микроконтроллера
Функциональное ядро модуля составляет управляющий микроконтроллер 25 (микросхема АТ89С51), осуществляющий:
- управление основными элементами схемы по заданной программе;
- входной контроль аналоговой и кодовой информации;
- 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 сумм 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-имитатор является полным аналогом объекта управления по входным и выходным сигналам, реализация программы его работы выполняется микроконтроллером 25 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 24 при включенном питании. Результат автономной проверки выводится в блок индикации 21 на индикаторы «Тест прошел» - «Тест не прошел». При этом реальной проверке подвергаются все основные узлы модуля: блок формирования релейных сигналов 6, реле с электронными ключами 7, блок имитации неисправностей 8, мультиплексор 10 с цепями обратной связи, устройство кодового обмена 11, дешифратор адреса 22, мультиплексная шина 19, микроконтроллер 25.
После включения питания модуля микроконтроллер 25 выдает команды на блок имитации неисправностей 8 и на дешифратор адреса 22 для последовательного включения и выключения реле с электронными ключами в блоке 7. Каждое изменение состояния реле считывается микроконтроллером 25 с мультиплексора 10, после чего в микроконтроллере сравнивается ожидаемый и полученный результат.
В случае положительного результата проверки срабатывания реле, в блоке индикации 21 загорается индикатор «Тест прошел», в случае несоответствия результата - индикатор «Тест не прошел».
Независимо от результата проверки релейной части схемы, проверяется устройство кодового обмена 11. Микроконтроллер 25 записывает в регистры 13 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 17 приемной схемы полученное слово и сравнивает его с заданным. В случае
полного соответствия принятого слова выданному, в блоке индикации 21 загорается индикатор признака верного приема информации «1р», а при выявлении несоответствия или при отсутствии прерывания индикатор «1р» остается в выключенном состоянии.
Взаимодействие модуля с системой управления осуществляется по кодовому и релейному каналам обмена. По входным цепям кодового обмена 32 через регистры приема 17 транслируется информация для выполнения рабочей программы объекта управления, которая депонируется в ОЗУ 26. По выходным цепям кодового обмена 31 из модуля через регистры 13 и передающие усилители 12 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 11 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 19 каждого принятого слова.
Достоверность принимаемой информации достигается следующими видами контроля, выполняемыми в микроконтроллере 25:
- 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 14 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 28 в устройство релейного обмена 1 на блок преобразования 5. С выхода блока преобразования 5, осуществляющего прием, оптическую развязку и преобразование в ТТЛ, сигналы поступают на блок формирования 6 и блок имитации неисправностей 8, в которых осуществляется обработка входных релейных сигналов и выдача сигналов управления на блок реле с электронными ключами 7, формирующий ответные релейные сигналы для системы управления по выходным цепям 29.
В модуле-имитаторе объекта управления устройство релейного обмена 1 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 9.
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 28, 29 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. Патент РФ на ПМ №56674, МПК G06F 15/00, опубликовано 10.09.2006, Бюл. №25.
Модуль для имитации объекта управления с контролем входных параметров, содержащий управляющий микроконтроллер, соединенный двухсторонней связью с ОЗУ, первым входом - с формирователем опорной частоты, вторым входом - с кнопкой сброс с внешним входом, а через мультиплексную шину соединенный в устройстве релейного обмена с блоком формирования релейных сигналов, вход которого соединен с блоком преобразования релейных сигналов, группа входов которого подключена к внешнему устройству, первый выход - с блоком реле с электронными ключами, которые подключены группой выходов к внешнему устройству, второй выход - с блоком имитации неисправностей, первый выход которого соединен с блоком индикации, подключенным к мультиплексной шине и дешифратору адреса, который также подключен к мультиплексной шине, а выходом соединен с мультиплексором и блоком имитации неисправностей, второй выход которого соединен с блоком реле с электронными ключами, вход которого подключен к бортовому источнику питания, соединенному с цепью первичного питания, вторая группа выходов подключена к мультиплексору, соединенному с мультиплексной шиной, а второй вход соединен последовательно с блоком имитации неисправностей и выходом управляющего микроконтроллера, который соединен через мультиплексную шину в устройстве кодового обмена с регистрами приема и регистрами выдачи, подключенными через передающие усилители к внешнему устройству, к которому также подключен ключ верного приема информации, соединенный входом с управляющим микроконтроллером, третий вход которого соединен с регистрами приема, подключенными к ОЗУ и последовательно с регистрами выдачи - к формирователю опорного напряжения, вход ключа прерываний и вход приемных усилителей подключены к внешнему устройству, отличающийся тем, что в него введены схема контроля длительности и скважности, супервизор, формирователь опорного напряжения, схема контроля уровня входного сигнала, аналоговый мультиплексор, блок преобразования уровня, соединенный группой входов с входами блока преобразования релейных сигналов, а группой выходов с аналоговым мультиплексором, вход которого соединен с дешифратором адреса, а группа выходов - со схемой контроля уровня входного сигнала, которая соединена выходом с мультиплексной шиной, а входом - с формирователем опорного напряжения, супервизор соединен со вторым входом микроконтроллера, схема контроля длительности и скважности соединена входами с приемными усилителями и ключом прерывания, а выходом - с регистрами приема.
