RU208023U1 - Контроллер управления турникетами - Google Patents

Abstract

Полезная модель Контроллер управления турникетами относится к устройствам с программным управлением - программируемым контроллерам и может быть использована для управления турникетами. Техническим результатом является обеспечение надежности работы контроллера как универсального устройства с обеспечением возможности контроля его работы. Контроллер управления турникетами содержит размещенные на основной плате блок питания, микроконтроллер, блок диагностической индикации, блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей и блок интерфейсов и внешней памяти. Блок питания включает вход внешнего питания, соединенный с блоком защиты от перенапряжений, стабилизатор напряжения, блок защиты от коротких замыканий стабилизатора напряжения, соединенный с микроконтроллером, преобразователь напряжения, соединенный с блоком защиты коротких замыканий преобразователя напряжения, индикатор питания от преобразователя напряжения, индикатор питания от стабилизатора и супервизор питания контроллера. Блок диагностической индикации содержит индикаторы команд на прием, индикаторы команд на передачу и индикаторы команд управления. Блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей содержит блок оптической развязки по портам ввода, соединенный с портами дискретного ввода, блок оптической развязки по портам вывода, соединенный с портами дискретного вывода и драйверы выходных цепей; соединенные с блоком оптической развязки портов вывода. Блок интерфейсов и внешней памяти содержит порт USB, преобразователь интерфейса, соединенный с блоком защиты от электростатических зарядов и коротких замыканий и блоком защиты от коротких замыканий, блок оптической изоляции преобразователя интерфейса, порт LAN и блок внешней памяти, соединенный с микроконтроллером. Блок ввода/вывода интегрирован в микроконтроллер. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам с программным управлением -программируемым контроллерам и может быть использована для управления турникетами.

Известны программируемые реле для дискретных систем на микроконтроллерах (https://owen-ufa.ru/shop/proizvoditeli/owen/pr110-220-12df-8r-programmiruemoe-rele-dlya-dis/, с документацией по ссылке https://www.owen.ru/uploads/re_pr110_1955.pdf на дату 08.11.2020 г. ) отечественного производства и его близкий зарубежный аналог (https://datasheet.eaton.com/datasheet.php?model=274102&locale=en_ с документацией по ссылке https://datasheet.eaton.com/Eaton-274102-EASY512-AB-RCX-en_GB.pdf?model=274102&locale=en_&type=pdf, на дату 08.11.2020 г.). Данные реле приведены как устройства с наиболее близкими функциями и схожим механизмом взаимодействия с техническими системами.

Недостатком данных устройств является наличие специфических интерфейсов управления, нацеленных на применение в сфере промышленной автоматизации узкой направленности. В первом случае для устройств отечественного производства - это RS-232 с протоколом Modbus, во втором PROFIBUS-DP, CANopen, DeviceNet bus systems. И в первом и во втором аналоге отсутствуют современные интерфейсы USB и Ethernet для связи с устройствами верхнего уровня и предполагающие более простые взаимодействия с ними без специфических управляющих контроллеров. Не обеспечена надежность работы данных устройств, так как предусмотрена лишь гальваническая развязка входных и выходных цепей микроконтроллера. Не предусмотрена комплексная защита на основе оптоизоляции интерфейсов и портов ввода/вывода, а также защит по питанию на основе специализированных микросхем SP3003-04XTG для интерфейсов управления и сопряжения с верхним уровнем. Кроме того, недостатком данных контроллеров является также отсутствие диагностической индикации для контроля режимов работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является контроллер с преобразованием входных и выходных сигналов (патент РФ на полезную модель №195361 от 30.09.2019, G06F 9/00, G06F 11/30, G01R 31/50, опубл. 23.01.2020), содержащий: блок питания, блок защиты от неправильной полярности, блок управления питанием, преобразователь напряжения, блок защиты от короткого замыкания, микропроцессорный блок, соединенный с блоком защиты от короткого замыкания блока питания и защиты; блок ввода/вывода, соединенный с микропроцессорным блоком, при этом блок ввода/вывода содержит входы АЦП, соединенные с микропроцессорным блоком через резистивный делитель напряжения, и порты ввода/вывода, соединенные с микропроцессорным блоком через преобразователь уровней сигналов; блок программирования и внешней памяти, включающий блок защиты от неправильной полярности, блок защиты от короткого замыкания, соединенный преобразователем напряжения блока питания и защиты и блоком защиты от неправильной полярности блока программирования и внешней памяти, блок ESD защиты от электростатики, соединенный с блоком защиты от неправильной полярности блока программирования и внешней памяти, USB-πορτ, соединенный с блоком ESD защиты от электростатики.

Недостатками данного контроллера также является невозможность использовать его применительно к разным моделям турникетов и отсутствие возможности контролировать его работу. Кроме того, на надежность работы устройства негативно влияет отсутствие функции ведения архива внутренних событий работы устройства в памяти микроконтроллера и внешней памяти.

Все вышеуказанные технические решения применимы при их использовании для управления только конкретными моделями турникетов -например, только автоматическими турникетами.

Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является расширение арсенала технических средств определенного назначения, а именно универсальных и удобных в использовании контроллеров для управления турникетами различных видов и производителей.

Технический результат состоит в обеспечения надежности работы контроллера с возможностью контроля его работы.

Технический результат достигается тем, что контроллер для управления турникетами содержит размещенные на основной плате блок питания, микроконтроллер, блок диагностической индикации, блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей и блок интерфейсов и внешней памяти, блок питания включает вход внешнего питания, соединенный с блоком защиты от перенапряжений, стабилизатор напряжения, блок защиты от коротких замыканий стабилизатора напряжения, соединенный с микроконтроллером, преобразователь напряжения, соединенный с блоком защиты коротких замыканий преобразователя напряжения, индикатор питания от преобразователя напряжения, индикатор питания от стабилизатора и супервизор питания контроллера; блок диагностической индикации содержит индикаторы команд на прием, индикаторы команд на передачу и индикаторы команд управления; блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей содержит блок оптической развязки по портам ввода, соединенный с портами дискретного ввода, блок оптической развязки по портам вывода, соединенный с портами дискретного вывода и драйверы выходных цепей; соединенные с блоком оптической развязки портов вывода, а блок интерфейсов и внешней памяти содержит порт USB, преобразователь интерфейса, соединенный с блоком защиты от электростатических зарядов и коротких замыканий и блоком защиты от коротких замыканий, блок оптической изоляции преобразователя интерфейса, порт LAN и блок внешней памяти, соединенный с микроконтроллером.

Блок ввода/вывода может быть интегрирован в микроконтроллер.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема контроллера, иллюстрирующая связи основных модулей и входящих в них элементов, где:

1. Блок питания

2. Микроконтроллер

3. Блок диагностической индикации

4. Блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей

5. Блок интерфейсов и внешней памяти

6. Вход внешнего питания

7. Блок защиты от перенапряжений

8. Стабилизатор напряжения

9. Блок защиты от коротких замыканий стабилизатора напряжения

10. Преобразователь напряжения

11. Блок защиты от коротких замыканий преобразователя напряжения

12. Индикатор питания от преобразователя

13. Индикатор питания от стабилизатора

14. Супервизор питания контроллера

15. Индикаторы команд на прием

16. Индикаторы команд на передачу

17. Индикаторы команд управления

18. Блок оптической развязки по портам ввода

19. Порты дискретного ввода

20. Порты дискретного вывода

21. Блок оптической развязки по портам вывода

22. Драйверы выходных цепей

23. Порт USB

24. Блок защиты от электростатических зарядов и коротких замыканий

25. Блок защиты от коротких замыканий цепей

26. Преобразователь интерфейса

27. Блок оптоизоляции преобразователя интерфейса

28. Порт LAN

29. Блок внешней памяти

30. Основная плата модулей контроллера

Пример конкретной реализации.

Устройство состоит из следующих основных модулей: блок источников питания (1), управляющий микроконтроллер (2), блок диагностической индикации (3), блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей (4), блок интерфейсов и внешней памяти (5).

Питание устройства осуществляется от вторичного источника питания постоянного тока напряжением 9-15 В через вход внешнего питания (6). Источник имеет блок защиты от перенапряжения на основе электронного самовосстанавливающегося предохранителя с током защитного отключения 170 мА (7). Первичный стабилизатор напряжения (8), служащий для питания микроконтроллера (2) и цепей блока ввода/вывода (4), включает блок защиты от коротких замыканий стабилизатора напряжений (9), совмещенный с микросхемой стабилизатора напряжения (8). Дополнительно качество питания и правильная работа программного обеспечения микроконтроллера (2) контролируется цифровым супервизором питания контроллера (14) на напряжение 5 В, обеспечивая аппаратный сброс и восстановление настроек при возможных колебаниях питающего напряжения. Вторичный преобразователь напряжения (10), совмещенный в микросхемном исполнении с блоком защиты от коротких замыканий преобразователя напряжений (11), служит для питания выходных цепей драйверов блока ввода/вывода (4), а также обеспечивает питанием компоненты блока интерфейсов и внешней памяти (5). Индикация питания микроконтроллера (2) от стабилизатора (8) осуществляется индикатором питания от стабилизатора/светодиодом (13) от преобразователя (10) - индикатором питания от преобразователя/светодиодом (12). Микроконтроллер (2) ATMEGA328 фирмы ATMEL, с записанной в него программой для ЭВМ, взаимодействует с блоком ввода/вывода с драйверами выходных цепей (4), причем при обмене информацией с этим блоком (4) происходит основная работа микроконтроллера (2), результатом которого является воздействие на объект управления. Блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей (4) состоит из блоков оптической развязки по портам ввода (18) и портам вывода (21) на основе оптопар в микросхемном исполнении PC824 фирмы SHARP. Этим достигается необходимая защита и стабильность работы информационных портов дискретных ввода/вывода микроконтроллера (2). Порты дискретного ввода (19) и вывода (20) служат для дискретного ввода/вывода информационных сигналов микроконтроллера (2). Драйверы выходных цепей (22) обеспечивают формирование сигналов управления коммутационными элементами блока на основе транзисторных оптопар РС814 и герконовых реле EDR101A1200 фирмы SCHUKAT. Выбор той или иной схемы коммутации позволяет унифицировать применение данного контроллера к различным турникетам и запирающим исполнительным механизмам, исходя из технических характеристик данных изделий и конструктивных особенностей. Выбор схемы производится перемычками на основной плате устройства при вводе в эксплуатацию. Также особенностью данного решения является защита коммутационных цепей: в случае выбора оптопар - оптическая развязка, в случае выбора электрических связей- гальваническая. Блок интерфейсов и внешней памяти (5) включает в себя порт USB (23), функция которого - взаимодействие с аппаратно-программным комплексом верхнего уровня, а также перепрограммирование версии прошивки микроконтроллера. Защита интерфейса достигается применением блока защиты от электростатических разрядов информационных портов и коротких замыканий питающих цепей (24) на основе микросхемы SP3003-04XTG фирмы Littelfuse. Блок защиты цепей программирования и памяти от коротких замыканий (25) также использует функционал микросхемы SP3003-04XTG. Преобразователь интерфейса USB-UART (26) обеспечивает сопряжение информационных линий обмена информацией между микроконтроллером (2) и интерфейсом устройства верхнего уровня. Выполнен данный преобразователь на микросхеме конвертера интерфейсов СН341Н фирмы WCH. Блок оптической изоляции преобразователя интерфейса (27) данного конвертера со стороны линий микроконтроллера выполнен с использованием микросхем МСТ66 фирмы Vishay с двумя фототранзисторами. Все эти меры направлены на всестороннюю защиту информационных линий и цепей питания от всевозможных негативных факторов. В устройстве предусмотрен выбор работы контроллера от интерфейса Ethernet (28) с использованием порта LAN RJ45 (28). Данная опция активируется установкой соответствующих перемычек на основной плате и установкой субмодуля на микросхеме ENC28J60 фирмы MICROCHIP. Таким образом, с этой сервисной функцией снимается ограничение на длину связи между контроллером и комплексом верхнего уровня, обеспечивая размещение устройства на значительном от него расстоянии. Работа двух интерфейсов USB и Ethernet одновременно невозможна. Блок внешней памяти (29) на микросхеме 24С08 хранит первоначальные настройки конфигурации микроконтроллера (2) и служит для аварийного восстановления его программы. Блок диагностической индикации (3) выполнен на цветных светодиодах. Индикатор команд на прием (15) выполнен на трех светодиодах и отображает следующие состояния интерфейса UART: открытие порта, контроль приема команд, окончание приема и закрытие порта. Индикаторы команд на передачу (16) также по трем светодиодам предоставляют информацию о работе UART: открытие порта, контроль передачи команд, окончание передачи и закрытие порта. Данная сигнализация позволяет не только контролировать правильность работы передачи и приема информации между комплексом верхнего уровня и контроллером, но и корректную работу встроенного программного обеспечения микроконтроллера (2) в целом. Блок индикаторов команд управления (17) выполнен на двух светодиодах и отображает включенное состояние коммутационных цепей управления исполнительными механизмами. Структурное взаимодействие между основными блоками контроллера выглядит следующим образом: микроконтроллер (2) получает команды с помощью блока внешней памяти и входных интерфейсов (5) от программно-аппаратного комплекса верхнего уровня, исполняет действующий алгоритм программы. За счебт взаимодействия с блоком портов ввода/вывода и драйверов выходных цепей (4) происходит управление исполнительными механизмами с контролем обратной связи от них. Блок диагностической индикации (3) также связан с микроконтроллером (2) и выполняет визуализацию режимов его работы как с блоком внешней памяти и входных интерфейсов (5), так и с блоком ввода/вывода с драйверами выходных цепей (4). Все необходимые питающие напряжения для работы основных блоков формирует блок питания - источник вторичного напряжения (1), обеспечивая необходимый уровень защиты их цепей, а также стабильную и правильную работу микроконтроллера (2).

Конструктивно контроллер управления турникетами выполнен по модульному принципу, где каждый блок выполняет возложенную на него функцию. Совместно все блоки образуют единое устройство на основной плате (30) и могут быть заменены усовершенствованными копиями в дальнейшем, для придания устройству новых функций и возможностей. Режим работы контроллера - круглосуточный.

Такая конструкция представляет собой эффективный и удобный в использовании контроллер для управления большинством существующих исполнительных устройств управления доступом, такими как, турникеты, шлагбаумы, двери и т.п., в системах контроля и управления доступом (СКУД).

Модульная конструкция всех составляющих ее элементов, размещенная на одной плате, позволяет производить модернизацию и унификацию как аппаратной составляющей конструкции, так и программной.

Claims (2)

1. Контроллер управления турникетами, содержащий размещенные на основной плате блок питания, микроконтроллер, блок диагностической индикации, блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей и блок интерфейсов и внешней памяти, причем блок питания включает вход внешнего питания, соединенный с блоком защиты от перенапряжений, стабилизатор напряжения, блок защиты от коротких замыканий стабилизатора напряжения, соединенный с микроконтроллером, преобразователь напряжения, соединенный с блоком защиты коротких замыканий преобразователя напряжения, индикатор питания от преобразователя напряжения, индикатор питания от стабилизатора и супервизор питания контроллера; блок диагностической индикации содержит индикаторы команд на прием, индикаторы команд на передачу и индикаторы команд управления; блок ввода/вывода с драйверами выходных цепей содержит блок оптической развязки по портам ввода, соединенный с портами дискретного ввода, блок оптической развязки по портам вывода, соединенный с портами дискретного вывода и драйверы выходных цепей; соединенные с блоком оптической развязки портов вывода, а блок интерфейсов и внешней памяти содержит порт USB, преобразователь интерфейса, соединенный с блоком защиты от электростатических зарядов и коротких замыканий и блоком защиты от коротких замыканий, блок оптической изоляции преобразователя интерфейса, порт LAN и блок внешней памяти, соединенный с микроконтроллером.

2. Контроллер по п. 1, отличающийся тем, что блок ввода/вывода интегрирован в микроконтроллер.

Images