Лекция 2. Авионика электромеханических систем
Лекция 2. Авионика электромеханических систем
Основные направления модернизации авионики Система стыковки (СС) характеризуется программным алгоритмом управления с возможностью выполнения отдельных операций в нештатной ситуации (НШС). Наличие «жестких» алгоритмов управления не позволяет использовать блок БЛ без доработки материальной части и дополнительной отработки для новых СС.
Авионика обеспечивает как пилотируемую, так и беспилотную стыковку космических аппаратов, за счёт автоматизации операций стыковочного устройства. При этом контроль выполнения операций осуществляется программно-временным устройством (ПВУ)
Основные направления модернизации авионики заключаются в следующем.
Использование приборного интерфейса как для внешних (для сопряжения с БЦВМ и другими системами), так и внутренних связей системы, что ведёт к существенному сокращению массы БКС;
Применение ПЛИС обеспечивает универсальность системы за счёт возможности замены её программного обеспечения (ПО); размещение авионики системы на одном кристалле;
Развитие космонавтики выдвигает задачу создания авионики, способной эксплуатироваться в условиях открытого космоса;
Возможность увеличения каналов резервирования и диагностики аппаратуры за счёт ресурсов ПЛИС;
Уменьшение габаритно-массовых характеристик блоков управления, повышения ресурса и срока эксплуатации авионики.
Рекомендуемые материалы
В электромеханических системах для РКТ при малых сериях изготовления возможны доработки алгоритмов управления, что при использовании ПЛИС обеспечивается изменением логики за счёт её перепрограммирования.
Если весь мир называет 1-й ИСЗ русским словом «sputnik», то документация по микроэлектронике и вычислительной технике написана в основном на английском языке. В этой связи сегодняшним студентам необходимо повышать свою профессиональность за счёт скрупулезного изучения английского языка не только для чтения технической литературы, но и для разговора. Даже не англоязычная Европа сегодня говорит по-английски!
В современной технике известен большой класс электромеханических систем, например, для автомобиля, морского корабля, космического корабля, и других изделий. Авионика существующих систем строилась на соответствующей тому времени элементной базе и методами надёжности того дня. В военно-промышленном комплексе системы и изделия, не имеющие замечаний к своей работе, долгое время оставались без изменений. И только при разработке новых систем внедрялась новая элементная база, и совершенствовались алгоритмы управления.
Элементная база авионики. Зачастую авионика реализовывалась на релейно-контактных элементах, обеспечивая высокую надёжность выполнения своих задач. В качестве элементной базы авионики использовались релейно-контактные элементы, имевшие достаточно широкое распространение в РКТ в 60-х годах ХХ века. Сверхминиатюрные реле выполнялись в герметичном корпусе. Известен случай, когда в период ликвидации последствий аварии на Чернобыльской атомной станции, закупленные канадские и японские роботы, выполненные на базе микроэлектронике, вышли из строя из-за высокой радиации. Отечественный робот, реализованный на релейно-контактных элементах, выполнил свои функции.
Устройства, реализованные на таких элементах, позволяли обеспечить:
· резервирование сложных схем, включая мостовые схемы,
· гальваническую развязку электрических цепей,
· радиационную стойкость.
К недостаткам таких устройств можно отнести:
· достаточно большие габаритно-массовые характеристики,
· большие токи потребления,
· незначительный ресурс.
В тоже время каждый тип авионика проходит большой объём отработки, включая натурные испытания. Постоянная востребованность системы ССВП не позволяла провести модификацию авионики, связанную с улучшением её характеристик за счёт замены элементной базы. Как известно, «лучшее – враг хорошего».
В настоящее время микроэлектроника бурно развивается по своим традиционным направлениям, при этом авионика получает новые потребительские качества. Кроме того, появились новые микросхемы, среди которых особое место занимают программируемые логические интегральные схемы, широко используемые в цифровых управляющих устройствах. ПЛИС более устойчива к радиационным воздействиям, чем микроконтроллеры, но позволяет иметь только «жесткую» логику работы системы в штатных и нештатных режимах работы системы. В случае необходимости изменения логики работы на этапе наземной отработки, возможна замена программного обеспечения ПЛИС, при этом не требуется дополнительной отработки конструкции блока (ЛОИ, КДИ).
Возможно, через некоторое время разработчики микросхем предложат новые ЧИП, принципиально отличающиеся от существующих. В этом случае разработчикам управляющих устройств для обеспечения конкурентноспособности своей продукции необходимо будет изучать и внедрять новые микросхемы. Университетское образование, получаемое в стенах МГУЛ, учит студентов систематически обновлять свои знания.
Внедрение ПЛИС в авионику ЭМС позволяет получить новые качества аппаратуры, а именно:
· унифицировать аппаратуру (если она прошла все отработочные испытания, то может быть использована в другой системе только за счет перепрограммирования логики);
· доработку аппаратуры осуществлять путём перепрограммирования МС;
· улучшать помехозащищенность за счёт сокращения длины проводников между элементами, которые ранее располагались на печатной плате;
· ресурсы ПЛИС таковы, что всё управляющее устройство может быть размещено на одном кристалле;
· программное обеспечение ПЛИС создаётся автоматически при выполнении проекта с помощью САПР.
Авионика ЭМС, если использовать приборный интерфейс, будет иметь
вид, приведённый на рисунке 2.1. Особенностью структуры является межблоч-
|
Рисунок 2.1 – Структурная схема ЭМС с приборным интерфейсом | ная связь системы, реализуемая также приборным интерфейсом, что значительно уменьшает массу БКС системы. Обычно управление осуществлялось отдельными командами. Однако такое построение интерфейса, обеспечивая надёжность управления, является неэкономичным из-за большого количества требуемых цепей. С целью уплотнения данного интерфейса можно использовать принцип кодирования цифровой информации. Это может быть параллельная передача команд по опреде- |
лённому количеству каналов или один канал с временным уплотнением. В практике наибольшее распространение получил приборный интерфейс с временным кодированием цифровой информации.
|
Рисунок 2.2 – Структурная схема блока БЛ | В общем случае структурная схема блока БЛ (см. рисунок 2.2) включает в себя следующие модули: модуль приборного интерфейса (МПИ), модуль логики (МЛ), модуль контроля входных сигналов |
(МКВС), модуль питания (МП). Назначением модуля МПИ является преобразование приборного интерфейса в сигналы, доступные модулю МЛ. Последний обеспечивает алгоритм управления ЭМС. Модуль МКВС осуществляет сопряжение датчиковой аппаратуры системы и модуля МЛ. Модуль МП обеспечивает необходимые вторичные напряжения остальных модулей.
|
Рисунок 2.3 – Структурная схема блока БУП | Структурная схема блока БУП представлена на рисунке 2.3 и состоит из модулей МПИ, МЛ, МКП, МП. Модули МПИ, МЛ, МП по своему назначению идентичны аналогичным модулям блока БЛ. Модуль |
МКП предназначен для коммутации электродвигателя привода.
В зарубежных проектах часто присутствуют ноу-хау как в отдельных микросхемах (или ЧИП), так и в программном обеспечении (виртуальных ядрах), используемых при создании новых проектов на базе ПЛИС. При этом широко рекламируются новые качества, но схемные решения ноу-хау остаются скрытыми для пользователя, которому приходится дополнительно платить за рекламируемые решения производителя.
Широко известен напиток Coca-Cola, закваска которого привозится из-за границы, хотя в России существуют заводы по производству этого напитка. Чтобы производить конкурентноспособную продукцию пользователю приходится дополнительно платить за используемые ноу-хау или добираться самому до их сути. Российским студентам необходимо этому учиться, чтобы в будущем выходить на мировой рынок со своей продукцией. Стоимость проекта при этом значительно возрастает.
Системы автоматизированного проектирования систем и средств управления. Одной из задач курса является изучение новейших технологий проектирования авионики (управляющих логических устройств) с помощью специальных САПР. Выпускники вашей кафедры работают конструкторами в современных НИИ и КБ. Чертить конструкцию блока управления, агрегата или стенда на кульмане и выполнять расчеты на прочность с помощью логарифмической линейки это уже прошлый век. Существуют мощные системы САПР, например, Pro/Engineering, обеспечивающий:
· автоматизацию черчения,
· выполнение расчетов на прочность конструкции.
Этот САПР является в настоящее время самой передовой технологией в конструкторской профессии. Кто лучше оснащен и делает больше и качественней, тот выигрывает на рынке труда. Необходимо стремиться к освоению новейших технологий в каждом конкретном случае.
В таблице 2.1 приведены краткие сведения о САПР. Остановимся на некоторых из них. Известна система автоматизированного проектирования электрических принципиальных схем и многослойных плат печатного монтажа аналоговых и цифровых устройств на персональных компьютерах типа IBM с помощью системы ACCEL EDA 12.1 [3] для Windows, представляющей собой развитие известной системы P-CAD для DOS. ACCEL EDA выполнят полный цикл проектирования печатных плат, включающий в себя графический ввод схем, упаковку схемы на печатную плату, ручное размещение компонентов, ручную, интерактивную или автоматическую трассировку проводников, контроль ошибок в схеме и печатной плате и выпуск документации.
По сравнению с САПР P-CAD для DOS система ACCEL EDA для Windows имеет преимущества:
· выполнение стандартных команд и организация меню в стиле Windows упрощает работу с системой и ознакомления с ней;
· вывод результатов проектирования на периферийные устройства (принтер, плоттер), имеющий драйверы для Windows;
· применение векторных масштабируемых шрифтов True Type позволяет наносить на схемы и печатные платы надписи по-русски, используя кириллические шрифты Windows;
· возможно задания разных типов переходных отверстий при переходе проводников с одного слоя на другой;
Таблица 2.1 – Системы автоматизированного проектирования
| Название | Версия | Производитель | Выполняемые функции |
| ULTRA-LOGIС™ | 1.02.010 | © Automatic Control Equipment (1995-1998) Дилер в России -фирма ProSoft | Система Ultralogiс предназначена для разработки программного обеспечения сбора данных и управления, исполняемого на IBM PC совместимых контроллерах и промышленных компьютерах с открытой архитектурой. Система предоставляет пользователю механизм объектного визуального программирования, когда программа собирается из готовых функциональных блоков. Кроме этого, Ultralogiс дает возможность выполнять программные модули, написанные на других языках программирования, таких как Си и Ассемблер. |
| GENE-SIS32™ | 5.0 | © Iconics (2000) | GENESIS32 является набором 32-разрядных приложений для Windows 95, Windows 98 и Windows NT, построенных в соответствии со спецификацией ОРС, который предназначен для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления верхнего уровня систем промышленной автоматизации. |
| GENIE™ | 2.0 | © Advantech (1993-1995) | Является набором приложений, предназначенных для создания программного обеспечения рабочих мест диспетчеров мелких рабочих станций. |
| Schematic Micro Sim | 6.1 | Micro Sim Corporation | Моделирование логических схем цифровых и аналоговых сигналов. Реализация разнообразных функциональных схем с использованием широкого набора библиотек номиналов элементов. При задании входных сигналов, возможно просматривать переходные процессы и выходные сигналы в любой точке исследуемой схемы. Возможно дополнение библиотек более ранними версиями приложений. |
| ACCEL EDA | 12.1 | ACCEL Technologies (1999) | Предназначена для автоматизированного проектирования электрических принципиальных схем и многослойных плат печатного монтажа на персональных компьютерах типа IBM. Предусмотрена возможность составления библиотек условных графических обозначений и корпусов ЭРИ с учётом требований отечественных стандартов. Имеется возможность передачи данных на периферийное оборудование, а также преобразования библиотек и баз данных системы P-CAD в формат ACCEL EDA. |
| Trase Mode | |||
| PSPISE | |||
| AutoCAD |
| ||
| Pro/En-gineerâ | Ver. 2001 | Parametric Technology Corporationâ | Pro/E – пакет программных продуктов, который обеспечивает полный автоматизированный процесс разработки изделия в составе крупной рабочей группы. Pro/E обеспечивает следующие возможности проектирования: · создание 3D динамических твердотельных и скелетных базовых элементов модели изделия; · создание сборки базовых элементов модели изделия, анализ модели изделия (приложение Pro/Mechanica) в том числе статический и динамический анализ механизма, термальный анализ, а также проведение оптимизации элементов модели изделия; · выпуск чертежей изделия (приложение Pro/Drawings); создание программ изготовления изделия для станков с ЧПУ; · презентация работы механизма (приложение Pro/Animate) и многие другие. Взаимодействие создателей одного Pro/E проекта осуществляет броузер Pro/Intralink, который обеспечивает создание библиотек разрабатываемых и готовых (стандартных) моделей изделий (Commonspace). Pro/E полностью интегрирована для совместной работы с другими аналогичными САПР. |
| OrCAD | |||
| Founda- tion | 2.1i | Xilinx | САПР управляющих устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx |
| MAX+ PLUS II | 9.4 | Altera (1999) | САПР управляющих устройств на базе ПЛИС фирмы Altera. Система MAX+PLUS II предлагает полный спектр возможностей логического дизайна, разнообразные средства описания проектов с иерархической структурой, мощный логический синтез, компиляцию с заданными временными параметрами, разделение на части, функциональное и временное тестирование (симуляцию), тестирование нескольких связанных устройств, анализ временных параметров системы, автоматическую локализацию ошибок, а также программирование и верификацию устройств |
| Обзор иерархии (Hierarchy Display) - отображает текущую иерархическую структуру файлов в виде дерева с ветвями, представляющими собой поддизайны. Можно визуально определить, является ли файл схемным, текстовым или сигнальным; какие файлы открыты в данный момент; какие вспомогательные файлы в проекте доступны пользователю для редактирования. Можно непосредственно открыть или закрыть один или несколько файлов дерева и ввести назначения ресурсов для них. | |||
| Графический редактор (Graphic Editor) – позволяет разрабатывать схемный логический дизайн в формате реального отображения на экране WYS/WYG. Применяя разработанный фирмой Altera примитивы, магафункции в качестве основных блоков разработки, пользователь может также использовать собственные символы | |||
| Символьный редактор (Symbol Editor) – позволяет редактировать существующие символы и создавать новые. | |||
| Текстовый редактор (Text Editor) – позволяет создавать и редактировать текстовые файлы проекта, написанные на языках AHDL, VHDL и Verilog HDL. В этом редакторе можно создавать, просматривать и редактировать другие файлы формата ASCII, используемые другими приложениями MAX+PLUS II. Можно создавать файлы на языках HDL и в других текстовых редакторах, однако данный текстовой редактор системы MAX+PLUS II даёт преимущества в виде контекстной справки, выделения цветом синтаксических конструкций и готовых шаблонов языков AHDL, VHDL и Verilog HDL. | |||
| Сигнальный редактор (Waveform Editor) – выполняет двойную функцию; это инструмент для разработки дизайна и инструмент для ввода текстовых сигналов и наблюдения результатов тестирования. | |||
| Поуровневый планировщик (Floorplan Editor) – позволяет графическими средствами давать назначения выводам устройства и ресурсов логическим элементов и блоков. Можно редактировать расположение выводов на чертеже корпуса устройства и назначать сигналы отдельным логическим элементам на более подробной схеме логической структуры (LAB view). Можно просматривать результаты последней компиляции. | |||
| Компилятор (Compiler) – обрабатывает логические проекты, разработанные для семейств устройств Altera Classic, MAX5000, MAX7000, MAX9000, FLEX6000, FLEX8000 и FLEX10K. Большинство заданий выполняется автоматически. Однако пользователь может управлять процессом компиляции полностью или частично. | |||
| Симулятор (Simulator) – позволяет тестировать логические операции и внутреннюю синхронизацию логической схемы. Возможны три режима тестирования: функциональное, временное и одновременно нескольких соединённых устройств. | |||
| Анализатор временных параметров (Timing Analyzer) – анализирует работу проектируемой логической цепи после того, как она была синтезирована и оптимизирована компилятором, позволяет оценить возникающие задержки. | |||
| Программатор (Programmer) позволяет программировать, конфигурировать, проводить верификацию и испытывать устройство. | |||
| Генератор сообщений (Message Processor) – выдаёт на экран сообщения об ошибках, предупреждающие и информационные сообщения о состоянии проекта и позволяет пользователю автоматически найти источник сообщения в исходном или вспомогательном файле и в поуровневом плане назначений. |
· возможна автоматическая трассировка одной и той же цепи сегментами разной ширины;
· усовершенствованы алгоритмы автотрассировки проводников, включая автоматическую трассировку многослойных печатных плат;
· обеспечена координация библиотек символов и корпусов компонентов.
ACCEL EDA позволяет обмениваться информацией с такими распространенными пакетами как AutoCAD, OrCAD, P-CAD. Если система P-CAD в основном предназначена для разработки печатных плат цифровых устройств, то новые возможности ACCEL EDA ориентированы и на особенности аналоговых и смешанных аналогово-цифровых устройств.
Система ACCEL EDA 15.0 устанавливается на ПК с процессорами 486 и Pentium, она работает под управлением Windows 95/98/2000 или Windows NT; имеются сетевые лицензии. На жестком диске ACCEL EDA 15.0 вместе с библиотеками и утилитами занимает примерно 130 Mb. Минимально необходимый объем ОЗУ составляет 16 Mb, рекомендуется 32 Mb, минимальное разрешение монитора 800*600.
САПР Foundation позволяет проектировать управляющие устройства на базе ПЛИС фирмы Xilinx.
MAX+PLUS II является единственной системой проектирования устройств на ПЛИС Altera. Программное обеспечение системы MAX+PLUS II, представляющее собой единое целое, обеспечивает управление пользователя средой логического проектирования и помогает достичь максимальной эффективности и производительности. Все пакеты работают на платформе IBM PC. Для нормальной инсталляции и работы САПР MAX+PLUS II необходима IBM PC - совместимая ЭВМ с процессором не хуже Pentium, объёмом ОЗУ не хуже 16 Мб и свободным местом на жёстком диске порядка 400 Мб.
Вопросы для закрепления материала
1. Эволюция авионики системы стыковки.
2. Основные направления модернизации авионики системы стыковки.
3. Структурная схема БЛ, основные модули.
4. Структурная схема БУП, основные модули.
5. Назначение приборного интерфейса в электромеханической системе.
6. Структурная схема ЭМС с приборным интерфейсом.
Обратите внимание на лекцию "Элементы управления".
7. Что такое ноу-хау?
8. Какие Вам известны системы автоматизированного проектирования систем и средств управления, и какое их назначения?
Литература
3. Мальцев П.П., Гарбузов Н.И., Шарапов А.П., Кнышев Д.А. Программируемые логические ИМС на КМОП-структурах и их применение.–М.: Энергоатомиздат, 1998.-159 с.
4. Стешенко Б.В. ПЛИС фирмы АLTERA: проектирование устройств обработки сигналов. –М.: ДОДЭКА, 2000. –128 с.
5. Разевиг В.Д. Система проектирования печатных плат ACCEL EDA 12.1 (P-CAD для Windows). – М.: «СК Пресс», 1997,–368 с., ил.
