Универсальная платформа модулей расширения контроллеров

Сегодня наконец-то пишу первую развернутую статью о своем любимом хобби - микроэлектронике! К сожалению, в последнее время на это хобби совершенно нет времени. Например, данную идею о создании универсальной платформы модулей расширения контроллеров я продумывал еще 4-5 лет  назад. А полностью готовые к заказу разводки печатных плат и купленные комплектующие лежали без дела примерно 2 года. Заказ на печатные платы я разместил в конце сентября этого года. И вот, наконец, в декабре появилась возможность написать полноценную статью. Читаем!

Ни для кого не секрет, что существующие на рынке контроллеры автоматизации иногда требуют расширенного количества портов. Для этих целей производители контроллеров предусматривают как слоты расширения в рамках самих контроллеров, так и внешние модули расширения, которые подключаются ко всевозможным шинам. Однако, также не секрет, что данные карты / модули расширения всегда достаточно дороги. Кроме того, они обычно не отличаются ни особой гибкостью подключения, ни разнообразием портов.

Моя идея достаточно проста: можно создать универсальную платформу, которую будет легко расширять как по способам подключения, так и по выходным портам. И эта платформа должна быть дешевой. Паззл складывался долго и трудно. Требовалось пойти на множество компромиссов, как то:

  • выбрать доступную микроэлектронную базу, легкую для осваивания;
  • учесть наличие средств разработки и отладки для выбранной базы;
  • определиться с возможными портами управления;
  • определиться с возможностями расширения функций устройства;
  • выбрать способ соединения нескольких устройств;
  • выбрать удобные габариты и способ монтажа;
  • остаться в разумном бюджете.

В итоге, после множества раздумий / рисования на бумаге / проектирования в среде P-CAD получилась следующая конструкция:

  • устройство будет состоять из 2 печатных плат: основной и дочерней;
  • на основной плате будет вход питания, опциональный порт Ethernet или USB, микропроцессор и микросхема ПЛИС;
  • на дочерней плате будет опциональный вход и выход RS232 с разъемом RJ45;
  • на каждой плате будут располагаться светодиодные индикаторы, разъемы для подключения модулей расширения и разъемы выходных портов;
  • модули расширения - небольшие заменяемые печатные платы, реализующие нужную функцию на физическом уровне.

То же самое в реальности (кликните для увеличения):

IMG_5035+

Рис. 1. Основная плата

Плюсы выбраннх решений заключаются в следующем:

  • решение с 2 платами оставляет достаточно большое место для разъемов выходных портов;
  • при необходимости небольшого числа выходных портов существует возможность полностью отказаться от дочерней платы;
  • выбранные порты управления покрывают все основные потребности инсталляторов;
  • решение с 2 портами RS232 с разъемом RJ45 позволяет быстро и просто объединять устройства в цепочку, используя для этого стандартные патч-корды;
  • наличие микросхемы ПЛИС сильно упрощает разводку печатной платы и позволяет не заботиться о несоответствии количества портов микропроцессора и периферии;
  • при необходимости реализации достаточно простой функции (например, "слаботочное реле"), существует возможность отказаться от микросхемы ПЛИС и сделать разводку прямо от микропроцессора;
  • при необходимости реализации достаточно сложной функции (например, ИК-выход или множество портов RS232), существует возможность сгенерировать нужное количество недостающей периферии прямо на ПЛИС;
  • решение с модулями расширения позволяет создавать и тестировать множество различных функций на одной и той же платформе;
  • при необходимости создания большой партии устройств одного типа, существует возможность сделать всю разводку модулей расширения прямо на основной / дочерней плате.
IMG_5036+

Рис. 2. Модуль расширения на 4 слаботочных реле

В качестве микропроцессора выбран 8-битный микропроцессор Silicon Labs C8051F133. Он обладает тактовой частотой 100МГц, встроенным тактовым генератором, 64кБ флеш-памяти, 8кБ ОЗУ и кроме всего прочего сразу 2 портами UART. Данный микропроцессор можно легко и многократно перепрограммировать и отлаживать прямо на печатной плате. Адаптер для внутрисхемного програмирования достаточно дешев. Для него доступна бесплатная среда программирования как от самой Silabs, так и от Keil. Цена процессора при оптовой партии стартует от $9,5.

Микросхема ПЛИС Altera EPM1270T144C5N. Имеет 1270 логических элементов, 116 контактов, назначаемых пользователем, встроенную память для хранения конфигурации, встроенный тактовый генератор, возможность внутрисхемного программирования. Адаптер для программирования традиционно не так уж и дешев. Но все же доступна бесплатная среда проектирования и множество литературы / примеров в русскоязычном интернете. Цена при оптовой партии от $8.

IMG_5045+

Рис. 3. Основная плата с установленным модулем расширения, стойками и шлейфом

Для подключения большей части внешних устройств достаточно использовать винтовые клеммные блоки типа Phoenix. В данном случае они хороши и тем, что на одно и то же место можно распаять как клеммный блок на 2 контакта, так и клеммный блок на 3-4 контакта (есть возможность изменить разводку печатной платы и для клемм с 5 контактами).

IMG_5047+

Рис. 4. На дочерней плате установлен еще один модуль расширения

Размеры печатных плат и стоек подобраны с таким рассчетом, чтобы устройство, смонтированное в корпус занимало не более 1RU (rack unit) по высоте и не более 1/4RU по ширине. Таким образом на 1 полку стандартного телекоммуникационного шкафа 19" можно будет установить 4 таких устройства. Расчет выполнялся для корпуса из металла, толщиной 1мм. Как вы понимаете, создание самого корпуса уже выходит за рамки моего хобби. А размещение заказа на корпус даже на мелком производстве имеет смысл только при партии от 100 изделий.

Не скрою, что мне была бы интересна коммерческая реализация данной платформы в реальной партии. К тому же, иметь хобби как источник заработка - мечта любого идиота специалиста, похожего на меня : ) А посему, предлагаю каждому, кто прочтет эту статью, сделать как минимум 2 вещи:

  • переслать статью другу, коллеге, начальнику;
  • подумать, где могла бы пригодиться начальная партия, размером от 100 устройств!

А в помощь вышеобозначенной деятельности я подготовил еще один рисунок (кликнуть для увеличения):

IMG_5052+

Галерея прилагается:

  1. Максим

    Скажите, а можно ли это устройство использовать как расширение другого контроллера, например AMX или Crestron? У меня бывают случаи когда надо в уже существующую систему добавить пару-тройку RS232 и 2-4 реле.

    • Эльдар Аблаев

      Максим, так вся идея как раз и заключается в том, чтобы недорого расширить возможности существующих контроллеров! Причем под словом "контроллеры" я прежде всего имел ввиду именно Crestron и AMX - достаточно бросить 1 взгляд на облако меток данного блога в правой части в начале страницы : )

    • Эльдар Аблаев

      Более того, если бы предлагаемые мною модули расширения стали реальной партией изделий, то можно было бы создать систему управления на базе самого дешевего контроллера минимальной конфигурации, например, Crestron QM-RMC / QMI-RMC или AMX NI-700 / NI-900.

Написать ответ


[ Ctrl + Enter ]