RU166042U1 - Адаптер сопряжения - Google Patents

Abstract

Адаптер сопряжения, включающий в себя корпус, в котором размещены блок питания, блок ПЛИС, состоящий из трех микросхем ПЛИС и связанный с блоком каскадирования, который включает в себя соединители и терминальные резисторы, с блоком синхронизации, включающим в себя генератор тактового сигнала, дистрибьюторы частоты и буферов, с блоком выбора программатора, выполненным с возможностью выбора источника при программировании, с блоком USB на базе двухканального преобразователя интерфейса USB, с блоком ОЗУ, состоящим из микросхем памяти и регистров хранения адреса, с блоком управления направлением, выполненным из последовательно-параллельных регистров, с блоком драйверов каналов типа "Single end", состоящим из преобразователей уровня, согласующих и подтягивающих резисторов, с блоком драйверов дифференциальных каналов.

Description

Полезная модель относится к вычислительной технике и предназначена для проведения проверок на функционирование цифровой аппаратуры (блоки, приборы) на этапах отладки, настройки, поиска неисправностей. При этом адаптер может быть использован для реализации/преобразования стандартных цифровых интерфейсов, таких как: USART, RS-425, RS-422, I2C, 1-Wire, JTAG, SPI и т.д., а также может быть использован как составная часть автоматизированной системы управления (АСУ), выполняющая следующие функции: сбор, обработка и передача цифровых данных; управление исполнительными механизмами по цифровому интерфейсу в соответствии с заложенной программой; управление устройствами индикации.

Адаптер сопряжения представляет собой свободно-конфигурируемый модуль дискретных сигналов на базе программируемых логических схем (ПЛИС) для решения множества различных задач с возможностью изменения программы ПЛИС. Полезная модель может быть использована как в составе с ЭВМ так и самостоятельно в качестве программируемого интерфейса, ввод-вывода разовых команд, формирователя последовательностей импульсов и т.д. Адаптер в составе с ЭВМ может быть использован в качестве логического анализатора/формирователя для отладки цифровых устройств. Перечисленные возможности использования полезной модели подтверждают универсальный характер функционирования устройства.

Известны различные устройства сопряжения электронно-вычислительных средств. Из уровня техники известна 32-канальная плата цифрового ввода-вывода PCI-1755 (http://www.advantech.ru/products/), которая состоит из PCI-моста, обеспечивающего связь с ЭВМ через шину PCI, памяти FIFO, 8-разрядных портов для подключения к внешней аппаратуре и схемы контроля.

Недостатками 32-канальной платы цифрового ввода-вывода PCI-1755 являются:

ограничение устройства по функциональным критериям в возможности использования дополнительных средств, например, для подключения к блокам логическим требуется не менее 116 логических каналов работающих синхронно, что исключает возможность использования высокоскоростной платы дискретного ввода-вывода;

- отсутствие дифференциальных каналов не позволяет подключать к импульсным трансформаторам;

- отсутствует возможность индивидуальной настройки направления каналов в устройстве, что приводит к необходимости разрабатывать разные кабели для подключения к разным устройствам.

Известен анализатор первичных цифровых потоков (варианты), охраняемый в качестве полезной модели по патенту РФ №45216 с датой приоритета от 16.11.2004 г. Анализатор содержит блок обработки цифровых сигналов с постоянным запоминающим устройством и программируемой логической интегральной схемой управления (ПЛИС), блок питания. Блок обработки цифровых сигналов содержит микроконтроллер, промежуточное запоминающее устройство которого гальванически связано с программируемой логической интегральной схемой и дополнительно включает внешний компьютер для конфигурации ПЛИС из банка последнего и обмена рабочей информацией с блоком обработки цифровых сигналов посредством микроконтроллера.

Основным недостатком устройства является отсутствие универсальности, что не позволяет использовать устройство так же широко как заявляемая полезная модель.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является универсальный модуль ввода-вывода и обработки дискретных сигналов DS348. Данное устройство представляет собой свободно-конфигурируемый модуль дискретных сигналов на базе ПЛИС и используется как программируемый интерфейс, ввод-вывод разовых команд, формирователь последовательностей импульсов. Состоит из буферных элементов для подключения к шине шасси, ПЛИС с подключенным к ней генератором (~48 МГц) и буферов для подключения к внешней аппаратуре. (http://www.asdntf.ru/Product/asd3/modules/dig.htm).

Недостатками устройства являются ограничение устройства по функциональным критериям в возможности использования дополнительных средств из-за наличия небольшого количества каналов (всего 40). Отсутствие дифференциальных каналов в устройстве, а также необходимость использования его в составе с шасси и ЭВМ. Питание устройства величиной 5 В не позволяет выполнять сопряжение с цифровой аппаратурой, имеющей уровни сигналов отличные от пяти вольтовых.

Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности осуществлять тестирование большего числа проверяемой цифровой аппаратуры и унификации тестовых решений для цифровой аппаратуры в связи с использованием однотипного оборудования.

Техническими результатами являются обеспечение многоканальное™ устройства и возможности сопряжения с аппаратурой, имеющей разные уровни сигналов, а также индивидуальная настройка направления каналов и чтение «сухих» контактов, что ведет к повышению унификации полезной модели. Дополнительными техническими результатами можно отметить упрощение процесса проверки большого количества объектов контроля, и снижение количества ошибок при разработке тестовых решений.

Для достижения указанных технических результатов адаптер сопряжения включает блок ПЛИС, который связан с блоком каскадирования, блоком синхронизации, блоком выбора программатора, блоком USB на базе двухканального преобразователя интерфейса USB, блоком ОЗУ, блоком управления направлением, блоком драйверов каналов типа «Single end», блоком драйверов дифференциальных каналов, размещенных в одном корпусе. В состав адаптера входит блок питания, который формирует три вида напряжения: 5 В - для использования питания драйверов дифференциальных каналов и выведено на внешние соединители адаптера; 3.3 В - используется для питания большинства внутренних схем адаптера и также выведено на внешние соединители; 1.25 В - используется для питания ядра ПЛИС.

Блок USB на базе двухканального преобразователя интерфейса USB (FT2232D). Канал A формирует интерфейс JTAG для программирования ПЛИС. Канал B обеспечивает связь с ЭВМ.

Блок ПЛИС состоит из трех микросхем ПЛИС типа FPGA семейства Spartan-6, количество логических ячеек 9152, 102 пользовательских вывода и трех конфигурационных микросхем памяти. Блок выбора программатора выполнен с возможностью выбора источника при программировании. Выбор осуществляется посредством переключения джампера при вариантах: программирование от внешнего программатора либо программирование через канал USB. Блок ПЛИС совместно с блоков USB и блоком выбора программатора обеспечивает изменяемую функциональность адаптера сопряжения. Применение в составе адаптера блока ПЛИС позволяет быстро и эффективно его настроить под конкретную производственную задачу. Блок ПЛИС осуществляет управление внутренних схем адаптера (Блок ОЗУ, Блок управления направлением, Блок драйверов дифференциальных каналов, Блок драйверов каналов типа «Single end»)- взаимодействие с внешней аппаратурой и ЭВМ в соответствии с заложенной программой. Микросхемы ПЛИС имеют общую восьмиразрядную шину данных для связи с ЭВМ через блок USB и общую девятиразрядную шину специальных сигналов для обеспечения синхронной работы микросхем, и возможности подключения адаптеров друг к другу.

Блок синхронизации состоит из генератора тактового сигнала (~48 МГц), дистрибьюторов частоты и буферов для обеспечения внешней синхронизации. Блок синхронизации выполнен так, что расстояние, пройденное тактовым сигналом от дистрибьютора до каждой ПЛИС одинаковое с целью обеспечения синхронной работы всех микросхем ПЛИС.

Блок каскадирования состоит из соединителей и терминальных резисторов для подключения к другим адаптерам с целью увеличения количества каналов ввода/вывода.

Блок ОЗУ состоит из микросхем памяти типа SDRAM, и регистров хранения адреса. Такое решение позволяет сократить количество выводов блока ПЛИС, требуемое для взаимодействия с блоков ОЗУ.

Блок управления направлением состоит из последовательно-параллельных регистров и предназначен для управления направлением недифференциальных каналов (типа «Single end») и дифференциальных каналов. Данные о направлении каналов передаются из блока ПЛИС посредством последовательного кода, что значительно сокращает количество выводов блока ПЛИС, требуемых для управления направлением каналов и обеспечения многоканальности за счет использования последовательно-параллельных регистров и последовательного кода.

Блок драйверов дифференциальных каналов состоит из микросхем типа приемопередатчик интерфейса RS-485/RS-422 типа ADM4853. Каждый драйвер может работать как на вход, так и на выход. Использование блока драйверов дифференциальных каналов расширяет возможности адаптера сопряжения в части подключения к дифференциальным линиям или к импульсным трансформаторам.

Блок драйверов каналов типа «Single end» состоит из преобразователей уровня (SN74LVC1T45DBVT), согласующих и подтягивающих резисторов. Подтягивающие резисторы в блоке драйверов каналов типа «Single end» обеспечивают чтение «сухих» контактов. Применение преобразователей уровня обеспечивает сопряжение с аппаратурой, имеющей разные уровни сигналов, а также индивидуальную настройку направления каналов.

Для сопряжения заявляемого устройства с внешней аппаратурой используются преобразователи уровня, что позволяет подключать аппаратуру с различными уровнями сигналов (от 1.65 В до 5.5 В). В адаптере сопряжения имеются дифференциальные каналы, что позволяет подключать его к аппаратуре, имеющей дифференциальные интерфейсы или импульсные трансформаторы. При этом в устройстве имеются недифференциальные каналы, что позволяет проверять аппаратуру с большим количеством цифровых линий и взаимодействовать с ней. Все недифференциальные каналы адаптера сопряжения соединены с блоком питания, что позволяет взаимодействовать с аппаратурой, имеющей «сухие» контакты, а также формировать интерфейсы, например, I2C.

На фигуре 1 представлена структурная схема адаптера сопряжения.

Адаптер 1 содержит блок USB 2, соединенный с помощью 8-разрядной двунаправленной шины данных с блоком ПЛИС 3 и через интерфейс JTAG с блоком выбора программатора 4. Блок выбора программатора 4 соединен через интерфейс JTAG с блоком ПЛИС 3. Блок синхронизации 5 соединен с блоком ПЛИС 3 и блоком каскадирования 6. Блок синхронизации 5 выдает тактовые сигналы в блок ПЛИС 3, а с блока каскадирования 6 выдает и принимает. Блок каскадирования 6 подключен к блоку ПЛИС 3 с помощью девяти программируемых линий ввода/вывода. К блоку ПЛИС 3 с помощью двунаправленной параллельной мультиплексированной шины адреса/данных подключен Блок ОЗУ 7, разрядность данных 16 разрядность адреса - 18. К блоку ПЛИС 3 по последовательному интерфейсу подключен блок управления направлением 8 и с помощью линий ввода вывода подключены блоки: драйверов каналов типа «Single end» 9 и драйверов дифференциальных каналов 10.

Адаптер сопряжения работает следующим образом.

Блок ПЛИС 3 включает себя программное обеспечение, позволяющее осуществлять сбор, обработку и передачу цифровых данных, управление исполнительными механизмами по цифровому интерфейсу. Работа адаптера сопряжения 1 и определяется этим программным обеспечением, которое загружается в блок ПЛИС 3 через блок выбора программатора 4 и может быть различным в зависимости от конкретной производственной задачи.

Рассмотрим одну из возможных задач, выполняемых адаптером в составе с ЭВМ, реализующей проверку блоков логических. Блоки логические отличаются друг от друга функциональным назначением, схемой электрической, количеством входов и выходов. Для проверки этих блоков существуют различные тесты. Несмотря на это, для проверки всех типов блоков логических используется один адаптер 1 в составе с ЭВМ. Блоки логические подключаются к линиям ввода/вывода блока драйверов каналов типа «Single end» 9 адаптера 1. После включения адаптера 1, блок ПЛИС 3 выбирает синхронизацию от внутреннего генератора в блоке синхронизации 5. Блок USB 2 выдает в ЭВМ по шине USB запрос на регистрацию адаптера 1 в операционной системе ЭВМ. После регистрации в операционной системе ЭВМ адаптер 1 ожидает прихода команды от ЭВМ. Команда от ЭВМ приходит в блок USB 2, предварительно там обрабатывается и передается в блок ПЛИС 3. Первая команда от ЭВМ это команда сброса. При выполнении этой команды Блок ПЛИС 3 устанавливается самостоятельно в исходное состояние и выдает команду на блок управления направлением 8 для установки всех линий ввода/вывода на вход. Блок управления направлением 8 устанавливает направление линий ввода/вывода в блоках драйверов каналов типа «Single end» 9 и драйверов дифференциальных каналов 10 на вход. После выполнения текущей команды адаптер 1 ожидает следующую. Следующая команда от ЭВМ это команда настройки линий ввода/вывода в соответствии с тестом для проверки конкретного блока логического. Команда приходит на блок USB 2 и передается в блок ПЛИС 3. Блок ПЛИС 3 выдает команду на блок управления направлением 8 для установки всех линий ввода/вывода в соответствии с тестом. Блок управления направлением 8 устанавливает направление линий ввода/вывода в блоках драйверов каналов типа «Single end» 9 в соответствии с тестом. Следующая команда от ЭВМ - установка состояния на всех линиях ввода/вывода в соответствии с тестом. Команда поступает на блок USB 2 и передается на блок ПЛИС 3. Блок ПЛИС 3 устанавливает состояние всех линий в блоке драйверов каналов типа «Single end» 9 в логический «0» или «1» в соответствии с тестом. Следующая команда от ЭВМ - команда чтения состояния линий ввода/вывода адаптера 1. Команда поступает на блок USB 2 и передается на блок ПЛИС 3. Блок ПЛИС 3 считывает состояние линий ввода/вывода с блока драйверов каналов типа «Single end» 9 и передает в блок USB 2. Блок USB 2 отправляет сообщение в ЭВМ с данными о состоянии линий ввода/вывода. Последние две команды повторяются до окончания теста.

Выполнение адаптера сопряжения, включающего корпус, в котором размещен блок ПЛИС, соединенный с блоком каскадирования, блоком синхронизации, блоком выбора программатора, блоком USB на базе двухканального преобразователя интерфейса USB, блоком ОЗУ, блоком управления направлением, блоком драйверов каналов типа «Single end», блоком драйверов дифференциальных каналов позволяет обеспечить многоканальность устройства и сопряжение с аппаратурой, имеющей разные уровни сигналов.

Claims (1)

1. Адаптер сопряжения, включающий в себя корпус, в котором размещены блок питания, блок ПЛИС, состоящий из трех микросхем ПЛИС и связанный с блоком каскадирования, который включает в себя соединители и терминальные резисторы, с блоком синхронизации, включающим в себя генератор тактового сигнала, дистрибьюторы частоты и буферов, с блоком выбора программатора, выполненным с возможностью выбора источника при программировании, с блоком USB на базе двухканального преобразователя интерфейса USB, с блоком ОЗУ, состоящим из микросхем памяти и регистров хранения адреса, с блоком управления направлением, выполненным из последовательно-параллельных регистров, с блоком драйверов каналов типа "Single end", состоящим из преобразователей уровня, согласующих и подтягивающих резисторов, с блоком драйверов дифференциальных каналов.

   

Images