RU109885U1 - CONTROLLER - Google Patents

Abstract

1. Контроллер, содержащий расположенные в корпусе микроконтроллер, интерфейс для соединения с компьютером, устройства ввода-вывода сигналов, клеммы для подсоединения управляемых объектов, жестко установленные на корпусе контроллера, и съемные клеммы, и блок питания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит микросхему USB-контроллера, SPI-драйверы для управления выходами, при этом устройство ввода выполнено многоканальным и предназначено для цифровых, аналоговых сигналов и содержит входы-счетчики импульсов, устройство вывода содержит релейные и транзисторные выходы, а блок питания - импульсный внешний. ! 2. Контроллер по п.1, отличающийся тем, что устройство ввода выполнено в виде буферного каскада цифровых датчиков для цифровых сигналов и входов импульсов и буферного каскада аналоговых входов аналоговых сигналов для обеспечения подавления помех и формирования опорных уровней напряжения на входах. 1. A controller comprising a microcontroller located in the housing, an interface for connecting to a computer, signal input / output devices, terminals for connecting controlled objects, rigidly mounted on the controller body, and removable terminals, and a power supply unit, characterized in that it further comprises a microcircuit USB controller, SPI drivers for controlling the outputs, while the input device is multi-channel and designed for digital, analog signals and contains pulse counter inputs, the output device contains it has relay and transistor outputs, and the power supply is external pulse. ! 2. The controller according to claim 1, characterized in that the input device is made in the form of a buffer cascade of digital sensors for digital signals and pulse inputs and a buffer cascade of analog inputs of analog signals to provide noise suppression and the formation of reference voltage levels at the inputs.

Description

Полезная модель относится к системам программного управления, а именно к программируемым логическим контроллерам, и может быть использована для управления исполнительными устройствами, как в бытовых условиях, так и в различных областях промышленности.The utility model relates to software control systems, namely to programmable logic controllers, and can be used to control actuators, both in domestic conditions and in various industries.

В существующих на практике приборах применяются микроконтроллеры с уже имеющимся USB-аппаратным обеспечением, что несколько замедляет их работу, так как приборы расходуют трафик на обработку USB-пакетов.In existing devices, microcontrollers with existing USB hardware are used, which slows them down somewhat, since the devices use up traffic for processing USB packets.

Известен промышленный контроллер, содержащий расположенные в корпусе микроконтроллер, интерфейс для соединения с персональным компьютером (ПК), устройства ввода-вывода сигналов, клеммы для подсоединения управляемых объектов, жестко установленные на корпусе контроллера, и съемные клеммы, и блок питания, (см. описание к патенту на полезную модель №52643 МПК G06F 9/00 от 05.04.2005 г.).A well-known industrial controller containing a microcontroller located in the housing, an interface for connecting to a personal computer (PC), signal input-output devices, terminals for connecting controlled objects, rigidly mounted on the controller case, and removable terminals, and a power supply, (see description to the patent for utility model No. 52643 IPC G06F 9/00 of 05/05/2005).

К недостаткам известного устройства относятся невозможность подключения ко всем типам ПК, например, к ноутбуку или нетбуку, и более низкая скорость приема и передачи данных, а также наличие дорогостоящего дисплея и дополнительной клавиатуры. Кроме того, не смотря на подключение устройства к ПК, известное устройство обрабатывает только дискретные сигналы, так как отсутствуют аналоговые входы и входы-счетчики импульсов.The disadvantages of the known device include the inability to connect to all types of PCs, for example, a laptop or netbook, and a lower speed of data reception and transmission, as well as the presence of an expensive display and additional keyboard. In addition, despite the connection of the device to the PC, the known device processes only discrete signals, since there are no analog inputs and pulse counter inputs.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет увеличения скорости обработки данных и объема исходной информации, а также упрощение схемы управления объектами посредством промышленного контроллера и повышение эффективности его работы.The technical task of the proposed utility model is to expand the functionality by increasing the speed of data processing and the amount of source information, as well as simplifying the scheme of managing objects through an industrial controller and increasing its efficiency.

Техническая задача решается тем, что контроллер содержит расположенные в корпусе микроконтроллер, интерфейс для соединения с компьютером, устройства ввода-вывода сигналов, клеммы для подсоединения управляемых объектов, жестко установленные на корпусе контроллера, и съемные клеммы, и блок питания, при этом он дополнительно содержит микросхему USB-контроллера, SPI- драйверы для управления выходами, при этом устройство ввода выполнено многоканальным и предназначено для цифровых, аналоговых сигналов и содержит входы-счетчики импульсов, устройство вывода содержит релейные и транзисторные выходы, а блок питания - импульсный внешний. Устройство ввода выполнено в виде буферного каскада цифровых датчиков для цифровых сигналов и входов импульсов и буферного каскада аналоговых входов аналоговых сигналов для обеспечения подавления помех и формирования опорных уровней напряжения на входах.The technical problem is solved in that the controller contains a microcontroller located in the housing, an interface for connecting to a computer, signal input / output devices, terminals for connecting controlled objects, rigidly mounted on the controller body, and removable terminals, and a power supply, while it additionally contains a USB controller chip, SPI drivers for controlling the outputs, while the input device is multi-channel and designed for digital, analog signals and contains pulse counter inputs, devices ystvo comprises a relay output and transistor outputs, and power supply - an external pulse. The input device is made in the form of a buffer cascade of digital sensors for digital signals and pulse inputs and a buffer cascade of analog inputs of analog signals to provide noise suppression and the formation of reference voltage levels at the inputs.

В предлагаемом устройстве USB-транзакции реализуются в отдельном контроллере, поддерживающим режим «full speed» и протокол SPI. Таким образом, микроконтроллер только отвечает на запросы хост-контроллера (ПК), но не расходует трафик на передачу пакетов, а решает задачи, связанные с управлением реле и чтением состояний входов. В блок-схеме использована микросхема МАХ3420, изначально разработанная компанией Maxim для mp3-плееров, НID-устройств (мыши, клавиатура), для программирования сотовых телефонов с помощью ПК и записи мелодий в mp3-плееры сотовых телефонов.In the proposed device, USB transactions are implemented in a separate controller that supports the "full speed" mode and the SPI protocol. Thus, the microcontroller only responds to requests from the host controller (PC), but does not consume traffic to transmit packets, but solves the problems associated with relay control and reading input states. The MAX3420 chip, originally developed by Maxim for mp3 players, NID devices (mice, keyboards), is used to program cell phones using a PC and record melodies in cell phone mp3 players.

Использование SPI-драйверов MAX4820EUP для управления реле позволило значительно сократить число выходов микроконтроллера, затрачиваемых при применении стандартных транзисторных сборок.Using the MAX4820EUP SPI drivers to control the relay significantly reduced the number of microcontroller outputs spent using standard transistor assemblies.

Для изменения алгоритма работы устройства не нужно изменять ни сам прибор, ни его программное обеспечение. Все расчеты производятся в приложениях на электронно-вычислительной машине (ЭВМ), которые очень легко подаются модификации.To change the algorithm of the device, you do not need to change either the device itself or its software. All calculations are performed in applications on an electronic computer (computer), which are very easy to file modifications.

Прием и передачу данных осуществляют посредством быстродействующей шины USB 2.0, что позволяет использовать предлагаемое устройство как с ПК, так и с ноутбуками и нетбуками.Reception and transmission of data is carried out through a high-speed USB 2.0 bus, which allows you to use the proposed device with both a PC and laptops and netbooks.

Наличие цифровых входов, независимых аналоговых входов с разрешением 10 бит, а также 16-битный и 8-битный входы-счетчики импульсов позволяет использовать многочисленные типы датчиков и обеспечить высокую точность обработки входных данных.The presence of digital inputs, independent analog inputs with a resolution of 10 bits, as well as 16-bit and 8-bit pulse counter inputs allows you to use numerous types of sensors and ensure high accuracy of input data processing.

Управление реле и транзисторными выходами осуществляют посредством интерфейса SPI, что сокращает число выходов микроконтроллера, затрачиваемых на управление реле и силовыми транзисторами.Relay and transistor outputs are controlled via the SPI interface, which reduces the number of microcontroller outputs required to control the relay and power transistors.

Управление контроллером осуществляют с помощью приложения Windows - интерфейс, привычный для пользователя ПК, используя ресурсы ПК, или через сеть Интернет.The controller is controlled using the Windows application, an interface familiar to a PC user using PC resources or via the Internet.

Предлагаемое устройство обладает низким энергопотреблением за счет применения современного энергосберегающего микроконтроллера и имеет защиту от возможного нарушения связи с ПК за счет повреждения USB-кабеля.The proposed device has low power consumption due to the use of a modern energy-saving microcontroller and has protection against possible disruption of communication with a PC due to damage to the USB cable.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «новизна».No technical solutions matching the totality of essential features of the utility model have been identified, which allows us to conclude that the utility model meets the patentability condition of “novelty”.

Предлагаемый контроллер иллюстрируется блок-схемой.The proposed controller is illustrated in a block diagram.

Основу предлагаемого устройства составляет микроконтроллер 1, например, фирмы Atmel Atmega32A с записанной в него программой, выполняющей прием, обработку и передачу всей поступающей от со входов информации к ЭВМ или ПК 2, по командам которых производятся включение или отключение исполнительных устройств (исполнительные устройства на блок-схеме условно не показаны).The basis of the proposed device is a microcontroller 1, for example, the Atmel Atmega32A company with a program recorded in it that performs the reception, processing and transmission of all information coming from the inputs to a computer or PC 2, the commands of which enable or disable executive devices (executive devices per unit diagram schematically not shown).

Для связи микроконтроллера 1 с ПК 2 используют проводное соединение универсальную последовательную шину (Universal Serial Bus - USB 2.0) (универсальная последовательная шина на блок-схеме условно не показана).To connect the microcontroller 1 to PC 2, a universal serial bus (Universal Serial Bus - USB 2.0) is wired (the universal serial bus is not shown conventionally in the block diagram).

Промежуточным звеном между ПК 2 и микроконтроллером 1 служит периферийный USB-контроллер 3, например, МАХ3420Е, разработанный компанией Maxim с возможностью управления по SPI-интерфейсу (SPI на блок-схеме условно не показано).An intermediate link between PC 2 and microcontroller 1 is a USB peripheral controller 3, for example, MAX3420E, developed by Maxim with the ability to control via the SPI interface (SPI is not shown conventionally in the block diagram).

Прием поступающей от на входы информации (сигналов) осуществляется посредством устройства ввода, выполненного в виде буферного каскада 4 цифровых датчиков для цифровых сигналов и входов импульсов и буферного каскада 5 аналоговых входов для аналоговых сигналов.Reception of information (signals) coming from the inputs is carried out by means of an input device made in the form of a buffer stage 4 digital sensors for digital signals and pulse inputs and a buffer stage 5 analog inputs for analog signals.

Устройство вывода содержит выходы 6 релейные и выходы 7 транзисторные, управляемые микроконтроллером 1 по SPI-интерфейсу с использованием двух микросхем-драйверов 8 и 9, например, MAX4820EUP, соответственно.The output device contains relay outputs 6 and transistor outputs 7 controlled by the microcontroller 1 via the SPI interface using two driver microcircuits 8 and 9, for example, MAX4820EUP, respectively.

На корпусе контроллера жестко установлены клеммы для подсоединения управляемых объектов и съемные клеммы (клеммы на блок схеме условно не показаны).On the controller case, terminals for connecting controlled objects and removable terminals are rigidly installed (terminals on the block diagram are not conventionally shown).

Блок питания предлагаемого устройства импульсный внешний (блок питания на чертеже условно не показан).The power supply of the proposed device is external pulsed (the power supply is not conventionally shown in the drawing).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При включении устройства микроконтроллер 1 настраивает входы, а также программирует USB-контроллер 3 по протоколу SPI (serial peripheral interface - протокол серийной передачи данных). При этом микроконтроллер 1 выступает в качестве ведущего устройства, а USB-контроллер 3 - в качестве ведомого. Микроконтроллер 1 активирует в микросхеме USB-контроллера 3 пять типов запросов прерываний (событий, на которые должен отреагировать микроконтроллер):When the device is turned on, microcontroller 1 configures the inputs and also programs the USB controller 3 using the SPI protocol (serial peripheral interface - serial data transfer protocol). In this case, the microcontroller 1 acts as a master, and the USB controller 3 as a slave. Microcontroller 1 activates five types of interrupt requests (events to which the microcontroller should respond) in the microcircuit of USB controller 3:

- получение настроечного пакета от компьютера 2 (настроечный пакет служит для регистрации устройства в операционной системе ПК 2);- receiving the configuration package from computer 2 (the configuration package is used to register the device in the operating system of PC 2);

- сброс шины USB (данный сброс инициируется ПК 2 и обслуживается устройством автономно);- USB bus reset (this reset is initiated by PC 2 and is serviced autonomously by the device);

- поступление команды от компьютера 2 (запрос пользователя на получение информации с входов или на управление выходами);- receipt of a command from computer 2 (user request for information from inputs or to control outputs);

- флаг бездействия шины USB (разрешение на переход устройства в дежурный режим для снижения его энергопотребления);- USB bus inactivity flag (permission to switch the device to standby mode to reduce its power consumption);

- отсутствие напряжения на шине USB (разрыв кабеля, потеря сигнала).- lack of voltage on the USB bus (cable break, signal loss).

Первоначально микроконтроллер 1 переводит USB-контроллер 3 в полнодуплексный режим обмена данными по протоколу SPI и задает число прерываний по уровню на выводе INT USB-контроллера 3, с помощью которого USB-контроллер 3 будет сигнализировать микроконтроллер 1 о необходимости обслуживания поступивших запросов от компьютера 2 (например, пользователь запрашивает информацию со входов или посылает команду на включение выходов) или обработке событий (нарушение связи с компьютером, общий сброс шины USB).Initially, microcontroller 1 puts the USB controller 3 into full duplex mode of data exchange using the SPI protocol and sets the number of level interruptions on the INT pin of the USB controller 3, with which the USB controller 3 will signal microcontroller 1 about the need to service incoming requests from computer 2 ( for example, the user requests information from the inputs or sends a command to turn on the outputs) or event processing (communication failure with the computer, general reset of the USB bus).

Если микроконтроллер 1 не обнаруживает никаких запросов на сигнальном выводе INT USB-контроллера 3 (например, когда пользователь не запрашивает никакой информации с входов и не посылает управляющие команды) со стороны USB-контроллера 3, то микроконтроллер 1 и USB-контроллер 3 переходят в дежурный режим, что снижает энергопотребление устройства.If microcontroller 1 does not detect any requests on the INT signal output of USB controller 3 (for example, when a user does not request any information from inputs and does not send control commands) from USB controller 3, then microcontroller 1 and USB controller 3 go into standby mode, which reduces the power consumption of the device.

В случае обнаружения запроса на выводе INT, микроконтроллер 1 считывает состояние регистров прерывания USB-контроллера 3 с целью определения типа запроса, а затем переходит к его обслуживанию (отвечает на запрос).If a request is detected at the INT pin, the microcontroller 1 reads the status of the interrupt registers of the USB controller 3 in order to determine the type of request, and then proceeds to its service (responds to the request).

При первоначальном подключении устройства к ПК 2, последний регистрирует его в своей операционной системе путем пересылки настроечного пакета посредством шины USB 2.0. После этого управление устройством заключается в том, что ПК 2 посылает устройству команды, каждая из которых имеет свою кодировку. Устройство поддерживает 23 команды. Эти команды представляют собой запросы на включение соответствующих релейных 6 и транзисторных 7 выходов, а также на получение состояний входов 4 цифровых, импульсных и аналоговых датчиков 5, состояний реле 6 и транзисторных выходов 7.When you first connect the device to PC 2, the latter registers it in its operating system by sending the configuration package via the USB 2.0 bus. After that, control of the device is that PC 2 sends commands to the device, each of which has its own encoding. The device supports 23 teams. These commands are requests for the inclusion of the corresponding relay 6 and transistor 7 outputs, as well as for obtaining the states of the inputs 4 of digital, pulse and analog sensors 5, the states of the relay 6 and transistor outputs 7.

USB-контроллер 3 информирует микроконтроллер 1 о получении команды от компьютера 2 с помощью системы прерываний (низкий уровень напряжения на сигнальном выводе INT). В случае опознавания команды микроконтроллер 1 выполняет операцию, соответствующую полученной команде: загружает запрашиваемые данные в USB-контроллер 3 или выполняет требуемое пользователем действие.The USB controller 3 informs the microcontroller 1 of the receipt of a command from computer 2 using an interrupt system (low voltage at the INT signal output). If the command is recognized, the microcontroller 1 performs the operation corresponding to the received command: it loads the requested data into the USB controller 3 or performs the action required by the user.

Управление релейными и транзисторными выходами 6 и 7, соответственно, производится с использованием силовых драйверов 8 и 9, поддерживающих протокол SPI. Микроконтроллер 1 загружает регистр состояний реле и транзисторных выходов 6 и 7 в сдвиговые регистры драйверов 8 и 9, после чего происходит изменение состояний выходов 6 и 7.Relay and transistor outputs 6 and 7, respectively, are controlled using power drivers 8 and 9 that support the SPI protocol. The microcontroller 1 loads the state register of the relay and transistor outputs 6 and 7 into the shift registers of the drivers 8 and 9, after which the state of the outputs 6 and 7 changes.

В случае длительного отсутствия трансфер на шине USB, USB-контроллер 3 информирует об этом микроконтроллер 1. Последний проверяет, имеются ли какие-либо запросы со стороны USB-контроллера 3, при их наличии производит обработку, а затем переводит USB-контроллер 3 в дежурный режим. Выход из дежурного режима происходит при возобновлении USB-трафика. В USB-контроллере 3 также активирован флаг прерывания при отсутствии напряжения на шине USB (вывод Vbus), с помощью которого микроконтроллер 1 определяет факт отключения USB-кабеля от устройства или от компьютера 2. При срабатывании данного флага в целях безопасности микроконтроллер 1 «принимает решение» об отключении всех релейных и транзисторных выходов 6 и 7 соответственно, так как разъединение USB-кабеля может произойти в отсутствие пользователя, например, во время работы с приложением через сеть Интернет.In case of a prolonged absence of a transfer on the USB bus, the USB controller 3 informs microcontroller 1 about this. The latter checks if there are any requests from the USB controller 3, if any, processes it, and then transfers the USB controller 3 to standby mode. Exiting standby mode occurs when resuming USB traffic. In the USB controller 3, the interrupt flag is also activated when there is no voltage on the USB bus (Vbus pin), with which microcontroller 1 determines whether the USB cable is disconnected from the device or from computer 2. When this flag is triggered, for safety reasons, microcontroller 1 "makes a decision »On disconnecting all relay and transistor outputs 6 and 7, respectively, since the disconnection of the USB cable can occur in the absence of the user, for example, while working with the application via the Internet.

Claims (2)

1. Контроллер, содержащий расположенные в корпусе микроконтроллер, интерфейс для соединения с компьютером, устройства ввода-вывода сигналов, клеммы для подсоединения управляемых объектов, жестко установленные на корпусе контроллера, и съемные клеммы, и блок питания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит микросхему USB-контроллера, SPI-драйверы для управления выходами, при этом устройство ввода выполнено многоканальным и предназначено для цифровых, аналоговых сигналов и содержит входы-счетчики импульсов, устройство вывода содержит релейные и транзисторные выходы, а блок питания - импульсный внешний.1. A controller comprising a microcontroller located in the housing, an interface for connecting to a computer, signal input / output devices, terminals for connecting controlled objects, rigidly mounted on the controller body, and removable terminals, and a power supply unit, characterized in that it further comprises a microcircuit USB controller, SPI drivers for controlling the outputs, while the input device is multi-channel and designed for digital, analog signals and contains pulse counter inputs, the output device contains it has relay and transistor outputs, and the power supply is external pulse. 2. Контроллер по п.1, отличающийся тем, что устройство ввода выполнено в виде буферного каскада цифровых датчиков для цифровых сигналов и входов импульсов и буферного каскада аналоговых входов аналоговых сигналов для обеспечения подавления помех и формирования опорных уровней напряжения на входах.

2. The controller according to claim 1, characterized in that the input device is made in the form of a buffer cascade of digital sensors for digital signals and pulse inputs and a buffer cascade of analog inputs of analog signals to provide noise suppression and the formation of reference voltage levels at the inputs.