4. Блок ввода-вывода дискретных сигналов бвв-041

Блок ввода-вывода дискретных сигналов БВВ-041 предназначен для гальванической развязки входных цепей блока управления БУ-193 от цепей управления электровозом, ввода в процессор микроконтроллера информации о состоянии оборудования электровоза, а также для усиления сигналов, управляющих оборудованием электровоза по командам от процессора микроконтроллера.

Технические характеристики

Уровень входных дискретных сигналов воспринимаемых блоком БВВ-041 как отсутствие сигнала из бортовых цепей управления	от 0 до 5 В или разомкнутый контакт;
уровень входных дискретных сигналов, воспринимаемых блоком БВВ-041 из бортовых цепей управления как наличие сигнала	от 35 до 70 В
уровень гальванической развязки между входными цепями, связанными с микроконтроллером, не менее	500 В
уоличество входных дискретных сигналов	16
уровень сигналов, связанных с микроконтроллером блока БМК-036	ТТЛ
уровень выходных дискретных сигналов управления электровозным оборудованием
ток нагрузки, не более	1,5А
количество выходных дискретных сигналов	8
тип канала связи с микроконтроллером блока БМК-036	SPI
питание	+5 В±10% ток потребления 0,2 А; ; ток потребления зависит от подключенных нагрузок, но не превышает 9 А;
Тип процессора	АТ89S53-12РI

2

Структурная схема блока БВВ-041 приведена на рисунке 20.

Он содержит следующие основные узлы:

• микропроцессорный микроконтроллер МК, осуществляющий все логические операции;

• узлы гальванической развязки ГР1 … ГР8 контроля выходов;

• узлы гальванической развязки ГР9 … ГР24 связи с цепями управления электровоза;

• электронного ключа КЛ, управляющего элементами гальванической развязки ГР9 … ГР24

• гальванической развязки ГР25, обеспечивающей управление ключом КЛ от микроконтроллера МК;

• усилители с гальванической развязкой УГР1 … УГР8;

• устройства согласования СОГЛ канала SPI с микроконтроллером МК.

Рисунок 20 - Структурная схема блока БВВ-041

Микроконтроллер АТ89S53-12РI содержит встроенные оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства, порты ввода-вывода и задающий генератор. В ПЗУ записывается и хранится технологическая программа.

Алгоритм функционирования микроконтроллера блока БВВ-041 приведен на рисунке 21.

По включению питания происходит начальная установка устройств блока БВВ-041 и инициируется работа микроконтроллера (блок 1). В процессе начальной инициализации (блок 2) микроконтроллер переводит все электронные ключи УГР1 … УГР8 в закрытое (выключенное) состояние, а затем переходит в режим ожидания прерывания от ведущего контроллера по каналу SPI или прерывания от внешнего сигнала синхронизации (блоки 3, 4). 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).

Рисунок 21 - Алгоритм функционирования микроконтроллера блока БВВ-041

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, в случае их совпадения, осуществляет управление выходными ключами в соответствии с полученным заданием (блок 12). После этого, контроллер переходит в режим ожидания дальнейших прерываний. При получении запроса прерывания от внешнего сигнала синхронизации, микроконтроллер производит циклический опрос состояния дискретных входов и выходов (20 циклов опроса в течение 3мс), при этом, получаемая в каждом цикле опроса информация о состоянии того или иного входа (выхода) накапливается в специальных счетчиках (блок 12). После окончания последнего цикла измерения производится анализ накопленной информации с целью определения нового состояния для каждого входа (выхода). При этом новое состояние считается достоверным, если было зафиксировано не менее 15 раз, в противном случае сохраняется прежнее состояние (полученное во время циклического опроса в предыдущем полупериоде). По окончании анализа счетчики обнуляются.

Таким образом, формируется новый пакет для передачи по SPI, содержащий обновленную информацию о состоянии дискретных входов (выходов), по которому затем вычисляется контрольная сумма. Этот пакет формируется в специально отведенной для него области ОЗУ и будет передан ведущему контроллеру во время очередного обмена данными по каналу SPI. После этого контроллер переходит в режим ожидания очередного прерывания.

Инициатором обмена по каналу SPI является контроллер БМК-036. Он определяет и формирует тактовую последовательность импульсов SCLK, которая является синхронизирующей для всех блоков, подключаемых к каналу SPI.

Контроллер БМК-036 в соответствии с программой формирует логический ноль на шине CS2 для подключения блока БВВ-041 к каналу SPI .

После окончания цикла обмена, контроллер БМК-036 переводит сигнал CS2 в состояние логической единицы и продолжает выполнение основной программы.

Работа контроллера БВВ-041 происходит циклически до тех пор, пока имеется питание.

На рисунке 22 представлен формат обмена информацией по каналу SPI между процессорами блоков БВВ-041 и БМК-036.

Рисунок 22 - Формат сообщений, передаваемых по каналу SPI

Схема электрическая принципиальная блока БВВ-041 представлена на чертеже 6ТС.369.041Э3.

Микроконтроллер МК - это однокристальный микроконтроллер АТ89S53 12PI фирмы ATMEL (микросхема D1).

Узлы гальванической развязки ГР1…ГР8 контроля выходов состоят из транзисторных оптопар V29…V36, токоограничивающих резисторов R12… R19 и нагрузочных коллекторных резисторов оптопар V29…V36, находящихся в наборе резисторов R55. Параллельно с нагрузочными резисторами включены светодиодные индикаторы V69…V76 с токоограничивающими резисторами, находящимися в наборе резисторов R57. Светодиодные индикаторы V69…V76 расположены на лицевой планке блока и служат для визуальной диагностики состояния выходных сигналов.

Узлы гальванической развязки ГР9…ГР24, служащие для ввода дискретной информации, состоят из транзисторных оптопар V45…V52, V61…V68, токоограничивающих резисторов R28…R35, R44…R51, развязывающих диодов V37…V44, V53…V60, входных нагрузочных резисторов R20…R27, R36…R43 и ограничителей напряжения V93…V108, служащих для защиты от кратковременных бросков напряжения. Нагрузочные коллекторные резисторы оптопар V45…V52, V61…V68 находятся в наборах резисторов R53, R54. Параллельно с нагрузочными резисторами включены светодиодные индикаторы V77…V92 с токоограничивающими резисторами, находящимися в наборах резисторов R1, R2. Светодиодные индикаторы V77…V92 расположены на лицевой планке блока и служат для визуальной диагностики наличия входных напряжений. Дискретные сигналы с выходов транзисторных оптопар V45…V52, V61…V68 поступают в микроконтроллер D1 через шинные драйверы D6, D7.

Электронный ключ КЛ собран на полевом транзисторе V3 и резисторах R10, R11.

Управление ключом КЛ осуществляется микроконтроллером D1 через гальваническую развязку ГР25. Гальваническая развязка ГР25 состоит из оптрона V4, резисторов R8, R9, а также буферных элементов D4.5, D4.6.

Усилители дискретных сигналов с гальванической развязкой УГР1…УГР8 состоят из твердотельных реле V5…V12, шинного драйвера D5, используемого в качестве буфера и усилителя дискретных сигналов микроконтроллера D1, токоограничивающих резисторов, собранных в набор резисторов R56 и служащих для ограничения тока во входных цепях твердотельных реле V5…V12, а также развязывающих и защитных диодов V13…V28.

Устройство согласования канала SPI с микроконтроллером собрано на буферных элементах микросхем D2, D4.

На микросхеме D3.1, резисторах R6, R7, конденсаторах C2,C3 и диоде V1 собран сторожевой таймер, который при отсутствии “подпитывающего” сигнала от микроконтроллера D1 переводит выходы микросхемы D5 в третье состояние.

Входящий в состав блока БВВ-041 разъем Х3, предназначен для отладочных целей, для внутрисистемного программирования микроконтроллера D1 и для диагностики работы SPI интерфейса.