Пристрій вводу аналогових сигналів

Реферат: Винахід належить до області перетворення даних та їх реєстрації для цифрового обладнання автоматизованих систем керування технологічними процесами і керуючих систем безпеки. Пристрій вводу аналогових сигналів за рахунок введення нового складу елементів та нової організації взаємозв'язку між ними, використання програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС), швидкодіючих гальванічно розділених один від одного аналогових перетворювачів, вузлів гальванічного приймання-передавання та швидкодіючої шини LVDS, використання діагностики всіх вузлів і елементів пристрою, забезпечує підвищення швидкодії, точності перетворень і надійності з одночасним спрощенням структурної схеми пристрою, виконання функцій діагностики і самодіагностики, розширення функціональних можливостей. UA 102008 C2 (12) UA 102008 C2 UA 102008 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до пристроїв збору, перетворення даних та їх реєстрації для цифрового обладнання автоматизованих систем керування технологічними процесами і керуючих систем безпеки та призначений для перетворення і вводу в цифрові системи сигналів датчиків параметрів промислових технологічних процесів у вигляді сигналу струму або напруги. Відомий "Аналого-цифровой преобразователь с обнаружением ошибок, связанных с выходом за пределы диапазона", по патенту РФ 2341893 Н03М 1/10, який належить до контрольно-вимірювальних приладів системи безпеки і передатчикам керування технологічним процесом та містить мультиплексор, джерело опорного сигналу, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), схему керування, засіб підключення вхідних сигналів, засіб видачі вихідних сигналів. Мультиплексор має вхідний сигнал вибору і послідовність аналогових вихідних сигналів, які вибирають із множини аналогових вхідних сигналів. Джерело опорного сигналу видає перший опорний сигнал. Джерело опорного сигналу виконаний у 3-х варіантах: 1й - окремий еталон в схемі; 2-й - простий провідник з'єднаний з загальним еталоном, який є частиною аналогової системи; 3-й - частина комерційної схеми АЦП. Аналогово-цифровий перетворювач отримує послідовність аналогових вихідних сигналів і перший опорний сигнал і видає послідовність цифрових вихідних сигналів. Схема керування містить процесор (як правило вбудований мікроконтролер (МК). Схема керування підключає вхідний сигнал вибору для вибору послідовності аналогових вихідних сигналів, порівнює послідовність цифрових вихідних сигналів від АЦП з послідовністю нормальних діапазонів, які зберігаються і які відповідають вихідним цифровим сигналам. Процесор видає вихідний сигнал помилки, коли принаймні один із цифрових вихідних сигналів виходить за межі свого нормального діапазону. Аналогові сигнали мають свої нормальні діапазони, які не перекриваються. До недоліків вище зазначеного АЦП належать: наявність одного блока виміру напруги і одного АЦП, який послідовно перетворює вхідні сигнали в цифрову форму від декількох вхідних ліній; використання загального мультиплексора на вході АЦП, що значно знижує швидкодію усього пристрою; використання мікроконтролера забезпечує послідовну обробку вхідних сигналів, тобто всі алгоритми повинні послідовно пройти через один і той же апаратний пристрій; наявність загального джерела опорної напруги, що використовується декількома каналами. Відомий також "Модуль сбора данных" по патенту РФ № 2374683, який належить до пристроїв збору даних і містить програмовану логічну інтегральну схему (ПЛІС) DD5, яка взаємодіє з прискорювачем вводу/виводу за допомогою локальної шини, послідовний постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП), синхронний динамічний оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), генератор сигналів довільної форми, програмований синтезатор частоти, мезонін (ПЛІС DD1), ПЛІС DD3, роз'єднання, послідовний ПЗП, синхронний динамічний ОЗП, блок виміру напруги, кварцовий генератор, блок зовнішнього запуску. ПЛІС DD5 виступає як завантажувач ПЛІС DD3. Прискорювач вводу/виводу забезпечує взаємодію шини РСІ і локальної шини. Перше ППЗП зберігає параметри прискорювача вводу/виводу, які завантажуються при подачі на модуль збору даних. Завантажувач ПЛІС DD5, ПЛІС DD3, прискорювач вводу/виводу підключені до локальної шини. Перший та другий синхронний динамічний ОЗП є буферами для збору і виводу даних. Генератор сигналів довільної форми використовує друге динамічне ОЗП. Програмований синтезатор частоти забезпечує можливість незалежного встановлення довільної частоти дискретизації для АЦП. Мезонін є модулем розширення і виконаний на одній печатній платі. Мезонін збільшує кількість каналів виміру і формування до 14 каналів. ПЛІС DD3 реалізує більшу частину функціональних можливостей модуля і може динамічно перепрограмовуватись за рахунок застосування завантажувача. Роз'єднання слугує для зв'язку ПЛІС DD3 і ПЛІС DD1 мезоніну. Друге послідовне ПЗП зберігає калібрувальну інформацію. В першому блоці виміру напруги здійснюється аналого-цифрове перетворення, зчитування кодів напруги, корекція отриманого коду напруги і запис його в перше СД ОЗП. Кварцовий генератор генерує сигнали опорного сигналу для програмованого синтезатора частоти. Блок зовнішнього запуску призначений для встановлення умов запуску по зовнішньому сигналу і генерації сигналу запуску при виконанні цих умов над сигналами на вході блока. АЦП з'єднаний з ПЛІС і через роз'єднання з'єднаний з DD1 (мезонін). Джерело опорної напруги з'єднано з ПЛІС. До недоліків модуля належать: 1 UA 102008 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наявність одного блока виміру напруги і одного АЦП, який перетворює вхідний сигнал в цифрову форму, при цьому для розширення кількості вхідних каналів до 14 використовується додаткова плата розширення (мезонін); внутрішня організація роботи на комп'ютерну шину РСІ; формат виконання - у вигляді модуля для встановлення в комп'ютер на шину РСІ; послідовна обробка вхідних сигналів логічними пристроями ПЛІС; використання переривань для внутрішньої синхронізації логічних пристроїв. Отже, структура побудови модуля збору даних складна. Навіть при реалізації основних елементів в ПЛІС для обробки вхідних аналогових сигналів необхідна велика кількість додаткових пристроїв (вузлів, блоків, ПЛІС та інше), при цьому обробка вхідних сигналів логічними пристроями - послідовна, крім того відсутня повна діагностика усього пристрою. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою вводу аналогових сигналів для паралельного прийому вхідних аналогових сигналів у вигляді напруги або струму перетворення їх в цифрову форму та первісної обробки вхідних сигналів, шляхом введення нового складу елементів пристрою та нової організації взаємозв'язку між ними, використання програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС), швидкодіючих гальванічно розділених один від одного аналогових перетворювачів, вузлів гальванічного приймання-передавання та швидкодіючої шини LVDS, використання діагностики всіх вузлів і елементів пристрою, забезпечити підвищення швидкодії, точності перетворень і надійності з одночасним спрощенням структурної схеми пристрою, виконання функцій діагностики і самодіагностики, розширення функціональних можливостей. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій вводу аналогових сигналів, який містить аналого-цифровий перетворювач, джерело опорної напруги, програмовану логічну інтегральну схему (ПЛІС), елемент безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми, вузол приймання-передавання інформації, інтерфейс зв'язку, вузол електричного живлення, додатково містить множину аналогових перетворювачів, вузол логіки, вузол комунікації, вузол діагностики, вузол індикації, другий вузол гальванічного приймання-передавання інформації, при цьому аналогові перетворювачі з'єднані з вузлом логіки, вузол комунікації з'єднаний з першим вузлом приймання-передавання інформації, вузол діагностики з'єднаний з другим вузлом приймання-передавання інформації, до того ж вузол логіки з'єднаний з вузлом комунікації і вузлом діагностики, вузол комунікації з'єднаний з вузлом діагностики, вузол діагностики з'єднаний з вузлом індикації, крім того ПЛІС з'єднана з елементом безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми і з'єднана з вузлом електричного живлення. Вузол логіки, вузол комунікації, вузол діагностики, вузол індикації реалізовані в програмованій логічній інтегральній схемі. Пристрій містить паралельні індивідуальні регістри для зберігання даних від усіх аналогових перетворювачів, які реалізовані у вузлі логіки. Як інтерфейс зв'язку використано швидкодіючі шини LVDS. Кожний аналоговий перетворювач містить індивідуальне джерело опорної напруги, швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач, пристрій гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів у вузол логіки ПЛІС. як аналогові перетворювачі використано незалежні швидкодіючі аналогові перетворювачі. Порівняльний аналіз з відомими технічними рішеннями показав, що винахід, який пропонується, відрізняється наявністю нового складу елементів пристрою та зв'язків між ними, тобто має нову сукупність ознак, які забезпечують нові технічні властивості пристрою. Технічний результат - забезпечення підвищення швидкодії, точності перетворень та надійності пристрою, виконання функцій діагностики та самодіагностики всіх елементів пристрою, розширення функціональних можливостей. Використання множини назалежних гальванічно розділених один від одного та інших елементів пристрою швидкодіючих аналогових перетворювачів дозволяє виконувати паралельний прийом вхідних аналогових сигналів по декількох вхідних незалежних гальванічно розділених лініях, паралельне перетворення аналогових вхідних сигналів в цифровий код з частотою до 1000 раз в секунду (повне квантування сигналу). Наявність індивідуальних джерел опорної напруги дозволяє здійснювати безперервний незалежний контроль (діагностику) стану кожного АЦП. Використання сучасних ПЛІС дозволяє забезпечити підвищення точності перетворень та швидкодії і одночасно спростити структуру пристрою, тобто підвищити надійність пристрою в цілому. Реалізація алгоритмів в ПЛІС, яка дозволяє в своїй структурі "жорстко" зафіксувати необхідні елементи схемотехніки для одночасної і паралельної обробки всіх необхідних алгоритмів за один цикл роботи, дозволяє на декілька порядків швидше виконувати будь-які алгоритми. Таким чином, в ПЛІС для кожного із закладених алгоритмів існують свої окремі 2 UA 102008 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 технічні засоби. В той час як в мікроконтролері (мікропроцесорі) всі алгоритми повинні послідовно пройти через один і той же апаратний засіб. Реалізація вузла логіки, вузла комунікації, вузла діагностики та вузла індикації в одному ПЛІС дозволяє значно спростити структуру пристрою і одночасно підвищити точність і швидкодію. Реалізація в ПЛІС логічного пристрою з використанням паралельних індивідуальних регістрів дозволяє виконувати первинну обробку отриманих цифрових даних, упаковку даних отриманих від декількох джерел в єдиний цифровий пакет та передачу його по запиту в логічний пристрій за допомогою гальванічно розв'язаної швидкодіючої шини LVDS. Наявність двох вузлів гальванічного приймання-передавання дозволяє виділити діагностичну інформацію в окремий пакет і виконувати передачу усієї інформації двома пакетами: пакети оцифрованих вхідних сигналів в логічний пристрій і пакети діагностичних повідомлень в пристрій діагностики. Відсутність збоїв та "зависань" роботи ПЛІС забезпечується елементом безперервної роботи ПЛІС, який при перевищенні тайм-ауту виконує перезавантаження ПЛІС. На кресленні зображена структурна схема пристрою вводу аналогових сигналів. Пристрій вводу аналогових сигналів містить множину незалежних швидкодіючих аналогових перетворювачів 1, програмовану логічну інтегральну схему 2, в якій реалізовані вузол 3 логіки, вузол 4 комунікації, вузол 5 діагностики та вузол 6 індикації, елемент 7 безперервної роботи ПЛІС, два вузли 8, 9 гальванічного приймання-передавання, вузол 10 електричного живлення, інтерфейс зв'язку 11. Кожен із множини незалежних швидкодіючих аналогових перетворювачів 1 містить індивідуальне джерело 12 опорної напруги, швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач 13 (АЦП), пристрій 14 гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів в вузол 3 логіки ПЛІС 2. Вузол 6 індикації містить вузол 15 внутрішнього стану пристрою і кодів помилок, вузол 16 керування параметрами відображення від кнопок на лицьовій панелі. Пристрій вводу аналогових сигналів виконує наступні функції: паралельний прийом вхідних аналогових сигналів у вигляді напруги 0-5 В (0-10 В) струму 0-5 (0-20) мА по декількох вхідних незалежних гальванічно розв'язаних лініях; паралельне перетворення аналогових вхідних сигналів в 16-розрядний цифровий код з частотою до 100000 разів в секунду (повне квантування сигналів); первинна обробка отриманих дискретних даних фільтрами низької частоти для заглушення промислових завад; упаковка даних, отриманих від декількох джерел сигналів, в єдиний цифровий пакет і передача його по гальванічно розв'язаній лінії LVDS в пристрій логіки по запиту; первинна настройка каналів прийому (вхідний діапазон, шкала) для забезпечення потрібних метрологічних характеристик пристрою; первинне формування облікового запису для ідентифікації в системі контролю конфігурації; безперервна діагностика технічних засобів пристрою внутрішніми алгоритмами контролю збоїв; безперервний розрахунок контрольної суми внутрішньої програми пристрою для верифікації цілісності; розрахунок контрольної суми електронного проекту ПЛІС в момент включення для верифікації цілісності; формування загального цифрового пакета з описом стану модуля; передача діагностичних цифрових пакетів по гальванічно розв'язаній лінії LVDS в пристрій діагностики з частотою 100 разів в секунду; Відображення результатів діагностики на світлодіодних індикаторах "робота", "Помилка"; відображення стану модуля на 4-розрядному світлодіодному табло (в тому числі по запиту оператора); забезпечення елементів пристрою стабілізованим живленням від двох незалежних джерел первинного живлення. Пристрій вводу аналогових сигналів працює наступним чином. Вхідний струм від кожного джерела вхідного сигналу надходить у швидкодіючий аналогоцифровий перетворювач 13, де перетворюється у цифровий код, який в свою чергу надходить у пристрій 14 гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів для подальшої передачі в вузол 3 логіки ПЛІС 2. Перед кожним циклом вводу аналоговий перетворювач 1 виконує перевірку працездатності АЦП 13 від індивідуального джерела 12 опорної напруги. Вхідна інформація від АЦП 13 в цифровому вигляді по внутрішній шині пристрою надходить у вузол 3 логіки ПЛІС 2. Вузол 3 логіки упаковує дані, які отримані від усіх аналогових перетворювачів 1, в стандартні пакети. Упаковані дані надходять у вузол 4 комунікації для 3 UA 102008 C2 5 10 подальшої передачі в пристрій логічної обробки за допомогою вузла 8 гальванічного приймання-передавання і шини LVDS. Діагностична інформація про стан всіх внутрішніх елементів пристрою надходить у вузол 5 діагностики. Вузол 5 діагностики упаковує діагностичні дані, які отримані від усіх вбудованих в пристрій елементів діагностики, в стандартні пакети. Пакети діагностичних даних передаються в пристрій діагностики за допомогою вузла 9 гальванічного приймання-передавання і шини LVDS. В процесі роботи пристрою на цифрових індикаторах, вбудованих в лицьову панель, безперервно відображається внутрішній стан пристрою (справність) або код помилки, яка виникла у випадку несправності. Кнопками керування відображенням на індикатори можливо викликати більш точнішу інформацію, яка дозволить встановити несправність, не користуючись послугами розширеної діагностики. Додатково два світлодіодних індикатори відображають стан "Робота" або "Несправність". Цикл роботи пристрою встановлюється на стадії робочого проектування в межах від 1 до 10 мс, що гарантує швидкодію роботи пристрою від 100 до 1000 дискретних відліків в секунду. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 1. Пристрій вводу аналогових сигналів, який містить аналого-цифровий перетворювач, джерело опорної напруги, програмовану логічну інтегральну схему (ПЛІС), елемент безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми, вузол гальванічного приймання-передавання інформації, інтерфейс зв'язку, вузол електричного живлення, який відрізняється тим, що пристрій містить множину аналогових перетворювачів, вузол логіки, вузол комунікації, вузол діагностики, вузол індикації, другий вузол гальванічного приймання-передавання інформації, при цьому аналогові перетворювачі з'єднані з вузлом логіки, вузол комунікації з'єднаний з першим вузлом гальванічного приймання-передавання інформації, вузол діагностики з'єднаний з другим вузлом гальванічного приймання-передавання інформації, крім того, вузол логіки з'єднаний з вузлом комунікації і вузлом діагностики, вузол комунікації з'єднаний з вузлом діагностики, вузол діагностики з'єднаний з вузлом індикації, крім того, ПЛІС з'єднана з елементом безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми і з'єднана з вузлом електричного живлення. 2. Пристрій вводу аналогових сигналів за п. 1, який відрізняється тим, що вузол логіки, вузол комунікації, вузол діагностики, вузол індикації реалізовані в програмованій логічній інтегральній схемі. 3. Пристрій вводу аналогових сигналів за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій містить паралельні індивідуальні регістри для зберігання даних від усіх аналогових перетворювачів, які реалізовані у вузлі логіки. 4. Пристрій вводу аналогових сигналів за п. 1, який відрізняється тим, що як інтерфейс зв'язку використано швидкодіючі шини LVDS. 5. Пристрій вводу аналогових сигналів за п. 1, який відрізняється тим, що кожний аналоговий перетворювач містить індивідуальне джерело опорної напруги, швидкодіючий аналогоцифровий перетворювач, пристрій гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів у вузол логіки ПЛІС. 6. Пристрій вводу аналогових сигналів за п. 1, який відрізняється тим, що як аналогові перетворювачі використано незалежні швидкодіючі аналогові перетворювачі. 4 UA 102008 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5