6. Блок ввода-вывода дискретных сигналов бвв-057

Блок ввода-вывода дискретных сигналов БВВ-057 предназначен для гальванической развязки внутренних цепей блока управления БУ-193-02 от цепей управления электровоза, ввода в процессор микроконтроллера информации о состоянии оборудования электровоза, а также для усиления сигналов, управляющих оборудованием электровоза по командам от процессора микроконтроллера.

Технические характеристики съемного блока БВВ-057 приведены в таблице 1.15.

Таблица 1.15 – Основные технические характеристики БВВ-057

Наименование параметров	Значение
1 Питание 1.1 Напряжение питания 1, В, не более 1.2 Напряжение питания 2, В, не более 1.3 Ток, потребляемый по цепи 5 В, А, не более 1.4 Ток, потребляемый по цепи 12 В, А, не более	5 плюс/минус 0,5 12 плюс/минус 1,2 0,5 0,1
2 Ввод дискретных сигналов 2.1 Количество входных дискретных сигналов 2.2 Уровень входных дискретных сигналов воспринимаемых из бортовых цепей управления как отсутствие сигнала В, не более 2.3 Уровень входных дискретных сигналов, воспринимаемых из бортовых цепей управления как наличие сигнала, В, не более	16 от 0 до 5 или разомкнутый контакт от 35 до 70
3 Вывод сигналов управления 3.1 Количество выходных сигналов управления 3.2 Уровень выходных дискретных сигналов управления электровозным оборудованием, В, не более 3.3 Ток нагрузки, А, не более 3.4 Ток срабатывания защиты, А, не более	8 от 35 до 70 1,5 5
4 Уровень гальванической развязки между входными (выходными) цепями и цепями микроконтроллера, В, не менее	500
5 Связь с микроконтроллером блока БМК-055 5.1 ТМП канала связи с микроконтроллером блока БМК-055 5.2 Уровень сигналов	SPI ТТЛ

Внешний вид съемного блока БВВ-057 показан на рисунке 1.41.

Блок БВВ-057 содержит следующие основные узлы:

• микропроцессорный микроконтроллер МК;

• узел контроля состояния сигналов и анализа защит;

• шестнадцати каналов ввода дискретных сигналов;

• восьми каналов сигналов управления;

• схемы диагностики входов;

• схемы диагностики выходов.

Структурная схема блока БВВ-057 приведена на рисунке 1.42.

Микроконтроллер МК реализует:

• обмен информацией между блоками БВВ-057 и БМК-055 по последовательному каналу связи типа SPI;

Рисунок 1.41 – Внешний вид съемного блока БВВ-057

- управление узлом контроля состояний сигналов и анализа защит, выполненного на программируемой логической микросхеме ПЛМ;

- управление схемой диагностики входов;

- управляет схемой диагностики выходов.

Каналы дискретного ввода идентичны между собой. Каждый из каналов дискретного ввода состоит из схемы входных и диагностических цепей СВД, порогового элемента КОМП1, и гальванической развязки Гр2. Схема входных и диагностических цепей предназначена для согласования уровней входных сигналов с уровнем рабочего диапазона порогового элемента и развязки подключенных информационных и диагностических сигналов. Пороговый элемент КОМП1 предназначен для фиксации наличия сигнала на входе канала. Гр2 выполняет функцию развязки внешних (электровозных) цепей от внутренних цифровых цепей БУ-193-02.

Сигналы с Гр2 поступают на ПЛМ.

Схема диагностики входов относится к самодиагностики аппаратных средств блока БУ-193-02 и состоит из гальванической развязки Гр1 и диагностических ключей Кл1. Ключи Кл1 предназначены для подачи тестовых дискретных сигналов на каналы дискретного ввода в режиме диагностики. Управления диагностическими ключами осуществляется через гальванические развязки Гр1.

Схемой диагностики входов предусматривается следующие режимы самодиагностики:

- режим подачи поочередно на четные и нечетные входы в шахматном порядке сигнала с высоким логическим уровнем и контроль прохождения сигнала в каждом канале;

- режим подачи поочередно на четные и нечетные входы в шахматном порядке сигнала с низким логическим уровнем и контроль прохождения сигнала в каждом канале;

- режим принудительной «чистки ударным током» контактов источников сигналов.

Каналы вывода сигналов управления также идентичны между собой. Каждый канал вывода сигналов управления состоит из гальванической развязки Гр3, обеспечивающей развязку внешних (электровозных) цепей от цифровых цепей блока БУ-193-02, силового ключа Кл2, коммутирующего ток в нагрузке, схемы контроля перегрузки по току КПТ, формирующей сигнал «АВАРИЯ» при превышении тока в цепи силового ключа Кл2.

Вых1…Вых8		SPI
Ву1…Вх7		Вх1…Вх16
Питание UПИТ		Питание 12 В
		Питание 5 В

Рисунок 1.42 - Структурная схема блока БВВ-057

Сигналы на Гр3 от МК и от КТП на МК поступают через ПЛМ.

Схема диагностики выходов управляющих сигналов относится к самодиагностике аппаратных средств блока БУ-193-02. Она содержит входные делители Д, согласующие уровни выходных сигналов Вых.1…Вых.8 с уровнем рабочего диапазона порогового элемента и развязки подключенных информационных и диагностических сигналов. Пороговый элемент КОМП2 предназначен для фиксации наличия сигнала на входе канала. Гр4 выполняет функцию развязки внешних цепей Вых.1 - Вых.8 от внутренних цифровых цепей БУ-193-02.

Схемой диагностики выходных управляющих сигналов предусматривается следующие режимы самодиагностики:

- режим контроля наличия напряжения на силовых ключах Кл2;

- режим контроля перегрузки по току выходных ключах Кл2 с отключением при превышении допустимого значения.

ПЛМ реализует функции узла контроля состояния сигналов и анализа защит и в блоке БВВ-057 осуществляет:

- прием и передачу в микроконтроллер МК информации, поступающей от каналов дискретного ввода;

- прием и передачу в МК информации, поступающей от схемы диагностики состояния дискретных выходов;

- прием от МК информации на управление соответствующими каналами сигналов управления;

- формирование выходных сигналов управления каналами вывода;

- прием от схемы контроля перегрузки по току сигналов и передача их в МК.

Структурная схема узла контроля состояния сигналов и анализа защит, запрограммированная в ПЛМ показана на рисунке 1.43.

Рисунок 1.43 – Структурная схема узла контроля состояния сигналов и анализа защит.

Алгоритм функционирования микроконтроллера блока БВВ-057 приведен на рисунке 1.44.

По включению питания происходит начальная установка устройств блока БВВ-057 и инициируется работа микроконтроллера (блок 1). В процессе начальной инициализации (блок 2) микроконтроллер переводит все электронные ключи Кл1 - Кл8 в закрытое (выключенное) состояние, осуществляет самодиагностику всех входов и выходов, а затем переходит в режим ожидания прерывания от ведущего контроллера по каналу SPI или прерывания от внешнего сигнала синхронизации (блоки 3, 4).

Рисунок 1.44 - Алгоритм функционирования микроконтроллера блока БВВ-057

При получении запроса прерывания по SPI, подпрограмма обслуживания прерывания записывает принятый байт в соответствующую ячейку той области ОЗУ, где формируется принимаемый пакет (блок 6). Затем производится проверка условия окончания обмена информационными пакетами с ведущим контроллером (блок 7).

В случае, если условие не выполнено, микроконтроллер записывает в сдвиговый регистр SPI очередной байт предназначенного для передачи ведущему контроллеру информационного пакета (блок 8), вычисляет адрес размещения следующего байта (блок 9) и переходит в режим ожидания дальнейших прерываний.

В случае выполнения условия окончания обмена, выполняется подпрограмма анализа принятого в последнем сеансе обмена пакета (блок 10). Подпрограмма производит сравнение принятой от ведущего контроллера (последний байт пакета) и вычисленной по принятому пакету контрольных сумм (блок 11) и, при совпадении, осуществляет управление выходными ключами в соответствии с полученным заданием (блок 11). После этого, формируются адреса мультиплексору МП для опроса состояния входных и выходных сигналов (блок 12). После чего микроконтроллер МК производит циклический опрос состояния дискретных входов (блок 13).Алгоритм показан на рисунке 1.45.

Рисунок 1.45 – Циклический опрос дискретных входов и анализ результатов

В каждом цикле последовательно выполняются следующие операции. Производится 20 циклов опроса в течение 3 мс дискретных входов (блок 13), в результате которых в ячейки ОЗУ вводятся значения всех 16 дискретных входов (блоки 16, 17).

В ячейках ОЗУ, задействованных для обработки данных, организован счетчик для определения количества состояний k, отличных от настоящего (блок 18). Полученная в каждом цикле опроса информация о состоянии того или иного входа анализируется (блок 19) с целью определения нового состояния для каждого входа. При этом новое состояние считается достоверным (блок 21), если было зафиксировано не менее 15 раз (k>15), в противном случае сохраняется прежнее состояние (блок 20), полученное во время циклического опроса в предыдущем полупериоде. По окончании анализа счетчики обнуляются.

Далее ведется опрос состояния выходных сигналов и наличия перегрузки по токам в каналах вывода управляющих сигналов (блок 14). Полученные данные обрабатываются, и формируется в зарезервированной области ОЗУ пакет данных для передачи по каналу SPI, содержащий обновленную информацию о состоянии дискретных входов и выходов.

Для полученного пакета вычисляется контрольная сумма и во время очередного обмена данными по каналу SPI передается ведущему контроллеру БМК-055 (блок 15). После этого контроллер переходит в режим ожидания очередного прерывания.

Инициатором обмена по каналу SPI является контроллер БМК-055. Он определяет и формирует тактовую последовательность импульсов CSPI, которая является синхронизирующей для всех блоков, подключаемых к каналу SPI.

Контроллер БМК-055 в соответствии с программой формирует логический ноль на шине CS2 для подключения блока БВВ-057 к каналу SPI . После окончания обмена сигнал CS2 переводится в состояние логической единицы.

Работа контроллера БВВ-057 происходит циклически до тех пор, пока имеется питание.

На рисунке 1.46 представлен формат обмена информацией по каналу SPI между процессорами блоков БВВ-057 и БМК-055.

Рисунок 1.46 – Передача пакета данных по каналу SPI

Подробная функциональная схема БВВ-057 с внешними разъемными соединителями представлена на рисунке И.1 приложения И.

Микроконтроллер МК выполнен на микросхеме D2. Для занесения программы в память микроконтроллера предусмотрен разъемный соединитель Х4, размещенный на плате. Доступ к Х4 предусмотрен только при проверке и наладке БВВ-057 на стенде.

Связь по последовательному SPI каналу осуществляется через логические элементы D31, D32.

Схема узла контроля состояния сигналов и анализа защит реализована на программируемой логической матрице D1.

Каналы дискретного ввода реализованы на следующих элементах.

Схема входных и диагностических цепей СВД:

- диоды V1 - V32, объединяющие входные цепи и цепи диагностических ключей, подающих высокое напряжение на дискретные входы;

- резисторы R9 - R24, R29 - R44 - верхнее плечо входного делителя (определяющие ток через входные цепи);

- диоды V33 - V48, разделяющие входные цепи и диагностические ключи, замыкающие входные цепи на «0»;

- конденсаторы C3 - C17 фильтра входных сигналов;

- ограничители напряжения V49 - V64, защищающие входные цепи от перенапряжений во входных цепях;

- резисторы R49 - R64 – нижнее плечо входного делителя.

Компараторы КОМП1 выполнены на микросхемах D3 - D17.

Гальваническая развязка Гр2 выполнена на оптотранзисторных парах V69 - V76.

Схема диагностики входов, в зависимости от режима диагностирования, выполнена на следующих элементах.

Режим подачи на четные и нечетные каналы ввода напряжения высокого логического уровня осуществляется при помощи ключей, входящих в состав Кл1, выполненных на IGBT транзисторах V110, V111, управление которыми осуществляет микроконтроллер МК (D2) через оптопары V104, V105 (Гр1).

Режим подачи нулевого потенциала на четные и нечетные каналы ввода дискретных сигналов осуществляется при помощи ключей, входящих в состав Кл1, выполненных на сборке из двух полевых транзисторов V109, управление которыми осуществляет микроконтроллер МК (D2) через оптопары V102, V103 (Гр1).

Режим «чистки контактов» осуществляется подключением параллельно входам каналов ввода дискретных сигналов дополнительных нагрузок в виде резисторов R158 - R191, R201 - R232, увеличивающих ток в каждом канале на (30 – 40) мА. Коммутация осуществляется при помощи ключа, входящих в состав Кл1, выполненного на IGBT транзисторе V80, управление которым осуществляет микроконтроллер МК (D2) через оптотранзистор V81 (Гр1). Ограничитель напряжения V79 защищает транзистор V80 от перенапряжений во входном напряжении. Диоды V86 - V101 разделяю каналы ввода дискретных сигналов, исключая взаимное проникновение токов.

Каналы вывода сигналов управления реализованы следующим образом.

Гальваническая развязка Гр3 выполнена на оптотранзисторах V121 - V128.

Силовой ключ Кл2 выполнен на IGBT транзисторах V129 - V136, диодах V145 - V151, объединяющих выходы двух МПК (МПК1 и МПК2) и диодах V137 - V144, защищающих транзисторные ключи от отрицательных выбросов напряжения при работе ключей на индуктивную нагрузку.

Схема контроля перегрузки по току КПТ выполнена на датчиках тока D34 - D41. Диодные сборки V113 - V120 – защищают логические входы ПЛМ (D1) от превышения и от отрицательного напряжения.

Входные делители Д схемы диагностики выходов управляющих сигналов выполнены на резисторах R25 - R28, R45 - R48, R65 - R68, R192 - R199, R242 - R245, конденсаторах С18 - С22, С45 - С48, ограничителях напряжения V65 - V68, V82 - V85.

Пороговый элемент КОМП2 выполнен на микросхемах D77, D78, D106, D107.

Гальваническая развязка Гр4 выполнена на оптотранзисторных парах V77, V7, V106, V107.

На светодиодах V153 - V178 выполнена индикация состояния входов и выходов съемного блока БВВ-057. Резисторы R354 - R379 задают ток через светодиоды.

Назначение светодиодов и цвет свечения приведены в таблице 1.16.

Таблица 1.16 – Назначение светодиодов, расположенных на передней панели БВВ-057

Назначение светодиодов	Поз. обозначение	Цвет свечения
1 Наличие сигнала на входе «Вх1»	V153 "Вх1"	Желтый
2 Наличие сигнала на входе «Вх2»	V154 "Вх2"	Желтый
3 Наличие сигнала на входе «Вх3»	V155 "Вх3"	Желтый
4 Наличие сигнала на входе «Вх4»	V156 "Вх4"	Желтый
5 Наличие сигнала на входе «Вх5»	V157 "Вх5"	Желтый
6 Наличие сигнала на входе «Вх6»	V158 "Вх6"	Желтый
7 Наличие сигнала на входе «Вх7»	V159 "Вх7"	Желтый
8 Наличие сигнала на входе «Вх8»	V160 "Вх8"	Желтый
9 Наличие сигнала на входе «Вх9»	V161 "Вх9"	Желтый
10 Наличие сигнала на входе «Вх10»	V162 "Вх10"	Желтый
11 Наличие сигнала на входе «Вх11»	V163 "Вх11"	Желтый
12 Наличие сигнала на входе «Вх12»	V164 "Вх12"	Желтый
13 Наличие сигнала на входе «Вх13»	V165 "Вх13"	Желтый
14 Наличие сигнала на входе «Вх14»	V166 "Вх14"	Желтый
15 Наличие сигнала на входе «Вх15»	V167 "Вх15"	Желтый
16 Наличие сигнала на входе «Вх16»	V168 "Вх16"	Желтый
17 Наличие сигнала на выходе «Вых1»	V169 «Вых1»	Зеленый
18 Наличие сигнала на выходе «Вых2»	V170 "Вых2"	Зеленый
19 Наличие сигнала на выходе «Вых3»	V171 "Вых3"	Зеленый
20 Наличие сигнала на выходе «Вых4»	V172 "Вых4"	Зеленый
21 Наличие сигнала на выходе «Вых5»	V173 "Вых5"	Зеленый
22 Наличие сигнала на выходе «Вых6»	V174 "Вых6"	Зеленый
23 Наличие сигнала на выходе «Вых7»	V175 «Вых7»	Зеленый
24 Наличие сигнала на выходе «Вых8»	V176 "Вых8"	Зеленый
25 Сигнал «Авария»	V177 "А"	Красный
26 Перегрузка выходов по току	V178 "КЗ"	Красный