Цифровая обработка сигналов

Оглавление

Введение

1. Анализ исходных данных проекта и разработка технического задания на конструирование

1.1 Разработка технического задания на конструирование. Техническое задание

1.2 Анализ исходных данных дипломного проекта

2. Описание структурной схемы устройства и принцип его работы

2.1 Выбор и обоснование элементов функциональной схемы стенда

2.2 Описание структурной функциональной схемы стенда

3. Разработка аппаратной части

3.1 Выбор элементной базы

3.2 Выбор и описание интерфейса

3.3 Разработка и описание проекта ПЛИС с учетом временных диаграмм (моделирование)

3.4 Описание принципа работы электрической принципиальной схемы стенда

3.5 Расчет и оценка потребляемой мощности устройства

3.6 Расчет быстродействия устройства

3.7 Расчет тестовых сигналов

3.8 Экспериментальная часть

4. Конструкторская часть

4.1 Выбор и обоснование принципов конструирования

4.2 Конструктивное построение МПП

4.3 Конструктивное построение БНК

5. Технологическая часть

5.1 Технология изготовления печатной платы

5.2 Технология изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий

6. Экономическая часть

6.1 Введение

6.2 Предприятие и отрасль, в котором оно занято

6.3. Описание организации работ

6.4 Описание продукта

6.5 Оценка рынка и конкурентоспособности

6.6 Маркетинг

6.7 Организация производства

6.8 Этапы разработки

6.9 Финансовый план

6.10 Расчет сметной стоимости ОКР

6.12 Расчет экономической целесообразности проектируемого изделия

6.13 Выводы

7. Экологичность и безопасность проекта

7.1 Введение

7.2 Применение УЗО

7.3 Защитное отключение

7.4 УЗО – эффективное противопожарное и электрозащитное средство

7.5 Принцип действия УЗО

7.6 Виды УЗО

7.7 Обеспечение системы электробезопасности проектируемого изделия

7.8 Вывод

Заключение

Список литературы

Введение

Цифровая обработка сигналов обладает рядом существенных преимуществ перед аналоговой: высокая точность технической реализации устройства обработки, возможность запоминания и задержки больших массивов информации, быстрое и точное их воспроизведение, высокая надежность и постоянно растущая степень интеграции. С точки зрения разработки устройств, цифровая элементная база дает возможность реализации сложных и адаптивных методов приема, обработки и формирования сигналов при помощи современных систем автоматического проектирования (САПР), а также возможность проводить математическое моделирование работы устройств.

В течение последних лет, когда для многих разработчиков аппаратуры ЦОС стало ясно, что программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) - это удобная в освоении и применении элементная база, альтернативы которой зачастую не найти. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки элементов на кристалле.

Разработка общего алгоритма системы обработки требует дополнительной увязки отдельных его частей, что связано во многих случаях с достаточно сложными теоретическими трудностями. Поэтому большое значение приобретает исследование систем обработки путем моделирования. К моделированию системы обработки (или ее отдельных частей) прибегают в тех случаях, когда, с одной стороны, аналитические методы исследования не дают достаточно достоверных данных, а с другой стороны, когда испытания разработанной системы невозможны по техническим соображениям.

Однако при разработке сложных систем, к примеру, многопроцессорных или, скажем, систем состоящих из нескольких ПЛИС или процессоров возникают достаточные сложности в процессе отладки и верификации таких систем. Под верификацией понимается оценка правильности функционирования таких систем.

При разработке современной аппаратуры обработки сигналов зачастую необходимо не только наблюдать функционирование системы, но и записывать, обрабатывать, наблюдать результаты. Конечно же, можно использовать осциллограф, логический анализатор и т.п. Однако это не всегда удобно, к тому же данные приборы весьма не дешевы. Разрабатывая цифровую аппаратуру, часто возникала задача регистрации данных. Решение данной задачи пришло само. В настоящее время, пожалуй, каждый разработчик электронной аппаратуры имеет дело с ПЭВМ. Поскольку современные ПЭВМ имеют достаточное быстродействие и объемы памяти, то их можно использовать в качестве устройства регистрации, хранения, обработки и вывода данных. ПЭВМ обладает «большой гибкостью», поскольку информационная среда – программная. Можно разработать пожалуй «любую» программу с помощью современных высокоуровневых языков программирования. Останется только выбрать необходимый физический интерфейс передачи данных и связать его с программой.

цифровой сигнал печатная плата

1. Анализ исходных данных проекта и разработка технического задания на конструирование

1.1 Разработка технического задания на конструирование

В соответствии с заданием на диплом и общими требованиями, предъявляемыми к разрабатываемым приборам на предприятии ВНИИРТ, составляем техническое задание на конструирование устройства регистрации и обработки данных реального времени.

Техническое задание на конструирование стенда регистрации и обратботки данных реального времени

1. Функциональное назначение

Проект ПЛИС представляет собой устройство регистрации данных реального времени. Проект предназначен для обработки сигналов , приема данных от внешнего устройства, а также для формирования и выдачи данных на ПЭВМ.

1. Состав

2.1 Изделие состоит из БНК и МПП с установленной на ней ПЛИС Altera EPF10K100ARC240

2.2Модуль приема данных МЦ 4.01., установленный на ПЭВМ

2. Требования по назначению

ПЛИС должна обеспечивать прием данных по двум физическим каналам. Данные представляют собой упакованные во времени в виде X/Y отсчеты сигналов с максимальной разрядностью, равной 14. По выходу проект должен предусматривать формирование интерфейса «Link» порта процессора NM 6403 для передачи данных на PCI модуль приема данных МЦ 4.01., установленной на ПЭВМ. Проект должен обеспечивать преобразование входных данных в вид, понятный для приема процессору NM 6403. В проекте предусмотреть синхронизацию приема данных от внешнего устройства, а также синхронизацию внешнего устройства от сигнала, сформированного в ПЛИС. Кроме того, проект ПЛИС для обеспечения самоконтроля должен обеспечивать тестовый режим, при котором входные данные формируются внутри ПЛИС и передаются на выход.

3. Требования к живучести и стойкости к внешним воздействиям

Требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям должны соответствовать климатическим и механическим воздействиям, оговоренным в программе и методике испытаний изделия.

5.1. Аппаратура должна удовлетворять требованиям ГОСТ: РВ 20.39.301¸309–98.

5.2. В части механических и климатических воздействий аппаратура должна соответствовать требованиях ГОСТ РВ 20.39.304-98 применительно к группам 2.1.1 и 2.1.3 единой классификации исполнения «О».

5.3. Аппаратура должна быть стойкой к воздействию боевых поражающих факторов в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 20.39.305-98, предъявляемым к соответствующим группам аппаратуры.

4. Конструктивные требования

5.1 Изделие должно быть сконструировано в соответствии со схемой электрической принципиальной 441-Э-6430 Э3 и перечнем элементов 441-Э-6430 ПЭ3.

5.2 Изделие должно быть выполнено на многослойной печатной платой с размерами 105´190 мм2. Количество слоев – четыре (два в виде полигонов для цепей питания +5 В и 0 В).

5.3 На МПП вместо микросхемы D2 (ПЗУ конфигурации ПЛИС) должна быть установлена соответствующая панель-держатель типа PLCC-20SMT.

5.4 Изделие должен быть выполнен на БНК с габаритами 285´220´34 мм3, с многослойной печатной платой с размерами 200´190 мм2

5. Требования по технологичности

6.1 Конструкция изделие должна быть серийно-способной и соответствовать общим правилам технологичности по ГОСТ 14.201.83.

6.2 Электрический монтаж печатной платы должен быть контролепригодным при использовании стандартных приспособлений и установки прозвонки.

6. Требования по надежности

7.1. Средняя наработка на отказ, час, не менее 75000.

7.2. Полный ресурс работы, часов, не менее 25000.

7.3. Полный срок службы, лет, не менее 25.

7.4. Средний срок сохраняемости в составе изделия, лет, не менее 10.

7. Требования по эксплуатации, удобству технического обслуживания и ремонту

Ремонт изделия осуществляется только в заводских условиях.

8. Требования по стандартизации и унификации

Не предъявляются.

9. Требования по метрологическому обеспечению

Основные положения и требования по метрологическому обеспечению образцов техники определены в ГОСТ РВ1.1, ГОСТ ВД16263, ОТТ1.1.7 и ОТТТ 1.2.7

10. Требования по применению комплектующих изделий и материалов

11.1 Комплектующие изделия должны соответствовать перечню элементов 441-Э-6430 ПЭ3

11.2 Комплектующие изделия, применяемость которых определяет исполнитель, должны соответствовать ограничительным перечням МОП 440001, 1-МОП 44001.20 ред.1996 с учетом дополнений, согласованных для изделия с Заказчиком.

12. Перечень разрабатываемых конструкторских документов

12.1. Спецификация

12.2. Сборочный чертеж (СЧ)

12.3. Чертежи деталей

12.4. Схема электрическая принципиальная (Э3)

12.5. Перечень элементов (ПЭ3)

12.6. Электромонтажный чертеж (МЭ)

12.7. Проект технических условий (ТУ)

12.8. Ведомость покупных изделий.

1.2 Анализ исходных данных дипломного проекта

Исходя из технического задания на разрабатываемое устройство, необходимо учесть все параметры и подобрать соответствующую элементную базу.

При разработке устройства применяется современная элементная база, а именно, программируемые логические интегральные схемы, что приводит к миниатюризации и увеличению быстродействия аппаратуры.

Основными достоинствами ПЛИС при использовании их в средствах обработки сигналов являются:

• высокое быстродействие;

• возможность реализации сложных параллельных алгоритмов;

• наличие средств САПР, позволяющих провести полное моделирование системы;

• возможность программирования или изменения конфигурации непосредственно в системе;

• совместимость при переводе алгоритмов на уровне языков описания аппаратуры (VHDL, AHDL, Verilog и др.);

• совместимость по уровням и возможность реализации стандартного интерфейса;

• наличие библиотек мегафункций, описывающих сложные алгоритмы;

• архитектурные особенности ПЛИС как нельзя лучше приспособлены для реализации таких операций, как умножение, свертка и т. п.

В настоящее время быстродействие ПЛИС достигло величин порядка 250–300 МГц, что позволяет реализовать многие алгоритмы в радиодиапазоне.

2. Описание структурной схемы устройства и принцип его работы

2.1 Выбор и обоснование элементов функциональной схемы стенда

Поскольку на выполнение данной задачи было отведено достаточно немного времени и область решений в плане интерфейса была ограничена, выбор был сделан в пользу двухпроцессорной платы сбора данных фирмы NEURO MATRIX тип МЦ 4.01 на основе одноименных процессоров (NM 6403). Плата предназначена для регистрации и обработки данных, с последующей передачей их на шину PCI ПЭВМ. Модуль МЦ 4.01 представляет собой единый конструктив, состоящий из платы, устанавливаемый в стандартный слот PCI ПЭВМ. На плате установлены два процессора NM, статическая и динамическая память по 32 МБ на каждый процессор, PCI контроллер. На каждом процессоре имеется два порта (Link ports), по интерфейсу идентичные портам процессора TMS (Texas Instruments).

Процессор цифровой обработки сигналов NM6403

§ 32-х разрядное RISC-ядро

§ 1-64-х разрядный векторный сопроцессор

§ масштабируемая производительность от 40 до 11.500 ММАС

§ обработка данных переменной разрядности от 1-го до 64-х бит

§ два 64-х разрядных программируемых интерфейса с внешней памятью различного типа

§ два высокоскоростных коммуникационных порта, аппаратно совместимых с сигнальным процессором TMS320C4x

Производительность

• скалярные операции:

> 40 MIPS

> 120 MOPS для 32-х разрядных данных

• векторные операции:

> от 40 до 11.500 ММАС (миллионов умножений с накоплением в секунду)

• ввод/вывод и интерфейсы с памятью:

> Пропускная способность двух 64-х разрядных интерфейса с памятью до 800Мбайт/с

> два коммуникационных порта со скоростью обмена до 20 Мбайт/с каждый

Особенности:

ü частота - 40 МГц (время выполнения любой инструкции 25 нс)

ü технология КМОП 0,5 мкм

ü корпус BGA256

ü напряжение питания от 2,7 до 3,6 В

ü мощность потребления не более 1,3 Вт

ü условия эксплуатации от -60° С до +85° С

RISC-ядро

• 5-ти ступенчатый 32-х разрядный конвейер

• 32-х и 64-х разрядные команды (обычно выполняется две операции в одной команде)

• два адресных регистра, адресное пространство 16 Гбайт

• два 64-х разрядных программируемых интерфейса с SRAM/DRAM разделяемой памятью

• формат данных: 32-х разрядные целые

• регистры:

> восемь 32-х разрядных регистров общего назначения

> восемь 32-х разрядных адресных регистров

> регистры управления и состояния

· два высокоскоростных коммуникационных порта, аппаратно совместимых с TMS320C4xэ

Векторный сопроцессор

§ переменная 1 -64-х разрядная длина векторных операндов и результатов

§ формат данных: целые числа, упакованные в 64-х разрядные блоки, в форме слов переменной длины от 1-го до 64-х разрядов каждое

§ поддержка векторно-матричных и матрично-матричных операций

§ два типа функции насыщения на кристалле

§ три внутренних 32X64 разрядных RAM-блока

NeuroMatrix® NM6403 TIM

NMT6403 - первый TIM-модуль, разработанный на базе нейропроцессора NeuroMatrix® NM6403. Модуль соответствует известному стандарту по проектированию TIM-модулей фирмы Texas Instrument. Содержит один процессор NM6403, к шинам которого подключены микросхемы памяти: 32 Мбайта DRAM (или 4 Мслов), 1 Мбайт SRAM и 1 Мбайт FLASH. Два коммуникационных порта подсоединены к разъему J1 TIM-модуля. Предусмотрен режим загрузки процессора как с компорта, так и из FLASH ID/Boot ROM.

Основные характеристики:

1. Вычислительный TIM-модуль;

2. Один процессор NM6403;

3. DRAM - 32 Мбайта;

4. SRAM-1 Мбайт;

5. FLASH - 1 Мбайт;

6. 50 MIPS, 1.2 GMACS (на частоте 50 МГц);

7. Напряжения питания - +З.ЗВ и +5В;

8. Максимальная потребляемая мощность - 4 Вт.

Области применения:

1. Мультипроцессорные DSP системы;

2. Нейросетевые акселераторы;

3. Матричные акселераторы;

4. Системы обработки изображений;

5. Телекоммуникационные системы.

Технические характеристики:

1. TIM-модуль размером 1 слот;

2. Хост-система: Windows 3.1, Windows 95/98/NT;

3. Количество процессоров: 1;

4. Тактовая частота: 50 МГц;

5. Размер платы: 107x63,5 мм;

6. Программное обеспечение: NeuroMatrix® NM6403 SDK, библиотеки.

Техническое описание

NMT403 представляет собой стандартный TIM-модуль с процессором NM6403. Функциональная схема модуля приведена на рис 2.

Рис. 2. Функциональная схема TIM-модуля

FLASH

Модуль NMT403 содержит энергонезависимую программируемую FLASH-память объемом 1 Мбайт и организацией 128Кх64, FLASH-память подключена к глобальной шине процессора, доступна при обращении по адресам С000000 - C003FFFF. Запись информации в память возможна только при установленном замыкателе J4, запись в ВООТ-блок FLASH-памяти осуществляется только при установленном в положение "1" замыкателе J5. Начальная загрузка процессора может осуществляться из FLASH-памяти или с компорта. Загрузка процессора через компорт производится при установленном в положение "1" замыкателе J3.

DRAM

На локальной шине процессора NM6403 в качестве банка 1 используется динамическая память объемом 32 Мбайта и организацией 4Мх64. Обмен с памятью в пределах одной страницы осуществляется за 3 такта, в разных страницах - за 5 тактов.

SRAM

На глобальной и локальной шинах процессора NM6403 в качестве банка О используется статическая память объемом 512 Кбайт и организацией 64Кх64, реализованная на микросхемах фирмы Motorola MCM6323A с временем выборки 10 нсек. Такое быстродействие позволяет процессору осуществлять обмен с памятью за 1 такт. Конструкция платы обеспечивает возможность расширения объема статической памяти до 2 Мбайт при использовании микросхем со стандартной цоколевкой.

Распределение памяти

Замыкатели

Установки трех замыкателей в соответствующее положение определяет конфигурацию модуля:

Табл. 1. Разъемы и соединители модуля NMT403

Основные технические характеристики

NM6403 представляет собой высокопроизводительный микропроцессор с элементами VLIW и SIMD архитектур. В его состав входят устройства управления, вычисления адреса и обработки скаляров, а также узел для поддержки операций над векторами с элементами переменной разрядности. Кроме того, имеются два идентичных программируемых интерфейса для работы с внешней памятью различного типа, а также два коммуникационных порта, аппаратно совместимых с портами ЦПС TMS320C4x, для возможности построения многопроцессорных систем.

Внешние шины (глобальная и локальная), подключенные через программируемые интерфейсы: GMI – интерфейс глобальной шины; LMI - интерфейс локальной шины. Процессор NM6403 может обращаться через глобальную и локальную шину к двум внешним памятям, каждая из которых содержит до двух банков, различающихся типом и временными параметрами. Внутри NM6403 каждый из интерфейсов соединен соответственно с шиной глобального адреса (GLOBAL ADDRESS BUS) и шиной локального адреса (LOCAL ADDRESS BUS), а также с двумя шинами для ввода данных и команд (INPUT WEIGHT BUS и INPUT INSTRUCTION BUS), шиной вывода данных (OUTPUT DATA BUS). Специфика функционального использования шин команд INPUT WEIGHT BUS и INPUT INSTRUCTION BUS для передачи данных и команд рассматривается далее. Шины команд INPUT WEIGHT BUS, INPUT INSTRUCTION BUS, OUTPUT DATA BUS, LOCAL ADDRESS BUS и GLOBAL ADDRESS BUS образуют группу шин, называемую внутренними шинами процессора NM6403.

RISC-ядро (RISC-core) содержит 8 32-х разрядных адресных регистра , 8 32-х разрядных регистров общего назначения, счетчик адреса программы и слово состояния программы, два функциональных устройства адресных вычислений, функциональное устройство для выполнения операций над скалярами, два таймера, а также регистры управления и состояния. RISC-ядро производит вычисления со скалярами и адресные вычисления, которые могут задаваться явно соответствующими командами адресной арифметики, а также неявно, в командах обработки векторов.

Векторный узел (Vector unit) включает 3 блока внутренней памяти, каждый из которых содержит 32 64-разрядных слова, набор специальных регистров управления, а также функциональное устройство с настраиваемой на разрядность операндов структурой для выполнения матричных операций.

Сопроцессор прямого доступа к памяти ( DMA coprocessor) с двумя коммуникационными портами (Port0 и Port1) дляобмена по двунаправленным байтовым линкам (Link0 и Link1).Прием и выдачу информации по линкам можно выполнитьтолько через внешнюю память по схеме “внешняя память” ->Linkили Link->“внешняя память”.

Устройство управления (Control unit) задаёт и контролирует правильность конвейерного выполнения команд, осуществляет арбитраж использования внутренних и внешних шин, обслуживает внутренние и внешние прерывания. Всего имеется 9 прерываний - 1 внешнее и 8 внутренних.

Cпецифика использования шин INPUT WEIGHT BUS и INPUT INSTRUCTION BUS состоит в том, что они обе используются как для передачи данных, так и для передачи команд. В RISC- ядре и векторном узле, сопроцессоре прямого доступа к памяти эти шины используются следующим образом:

RISC-ядро - INPUT WEIGHT BUS - передача данных и команд, INPUT INSTRUCTION BUS- преимущественно передача команд;

Векторный узел- INPUT WEIGHT BUS - передача данных- весовых коэффициентов и команд, INPUT INSTRUCTION BUS - передача данных и команд;

Процессор прямого доступа к памяти - INPUT WEIGHT BUS передача данных и команд, INPUT INSTRUCTION BUS - передача данных и команд.

Организация памяти

Процессор NM6403 использует 32-разрядный вычисляемый адреспри обращении во внешнюю память, причём обмен происходит по32 или 64 разряда. Таким образом, доступное адресное пространстворавно 16 Гбайт. Оно делится на две равные части - локальное иглобальное (см. Рис. 2-2). Если старший разряд адреса равен нулю,идёт обращение к локальной памяти, если единица - к глобальной.Младший разряд вычисляемого адреса используется при доступе к32-разрядным данным: если он равен нулю, используется младшаячасть памяти (разряды 31 - 0), если единица - старшая (разряды 63 -32). При обращении за 64-разрядными данными или при выборкекоманд он игнорируется.Обмен 32-разрядными данными с внешней памятью производитсятолько скалярными командами, если в качестве источника илиприёмника в них указан 32-разрядный регистр. В случае, когда это64-разрядный регистр или когда обмен задаётся векторнойкомандой, используются соответственно 64-разрядные данные.Выборка команд из памяти всегда осуществляется по 64 разряда,хотя процессор NM6403 работает как с 32-, так и 64-разряднымикомандами. Это накладывает определённые ограничения нарасположение команд в памяти: все 64-разрядные команды, а такжеадреса, по которым осуществляется переход, должны бытьвыровнены по чётному адресу. В случае выборки одновременнодвух 32-разрядных команд первой будет выполняться команда,находящаяся в младшей половине 64-разрядного слова.Отличие глобальной и локальной памяти связано кроме адресации ссостоянием шин процессора NM6403, через которые эти памятиподключены, после системного сброса. Шина локальной памятипосле сигнала сброса принадлежит процессору NM6403, а шинаглобальной памяти - не принадлежит. Такая несимметричностьсделана для упрощения мультипроцессорной работы.

В проекте взаимодействие PCI контроллера с процессорами осуществляется следующим образом: входные данные поступают на Link порты процессоров, далее происходит некая обработка данных процессорами, результаты обработки записываются в память (статическую либо динамическую). Память является общей для процессоров и PCI контроллера. После того, как процессор закончит запись данных в область памяти, PCI контроллер может считать эти данные и передать их на шину PCI. В операционной системе память модуля является областью данных с фиксированным диапазоном адресов. Поскольку при разработке предполагалась передача данных в режиме реального времени, то запись данных процессорами осуществляется по принципу ping-pong. Для каждого процессора организовано две области памяти. Сначала процессор пересылает фиксированное число данных в одну область памяти, другая в этот момент считывается, затем наоборот. Естественно скорость приема данных в данном случае целиком зависит от быстродействия ПЭВМ (далее HOST машина). Данные записываются в память модуля только в том случае, если один из банков памяти, приходящихся на процессор NM считан HOST машиной.

Шины расширения ввода-вывода являются средствами подключения системного уровня: они позволяют адаптерам и контроллерам периферийных устройств непосредственно использовать системные ресурсы компьютера — пространство адресов памяти и ввода-вывода, прерывания, прямой доступ к памяти. Устройства, подключенные к шинам расширения, могут и сами управлять этими шинами, получая доступ к остальным ресурсам компьютера. Шины расширения механически реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) или штырьковых разъемов; для них характерна малая длина проводников, то есть они сугубо локальны, что позволяет достигать высоких скоростей работы. Эти шины могут и не выводиться на разъемы, а использоваться для подключения устройств в интегрированных системных платах. В истории шин расширения ПК насчитывается уже 3 поколения.

К первому поколению относится ISA — асинхронная параллельная шина с низкой пропускной способностью (единицы мегабайт в секунду), не имеющая средств обеспечения надежности обмена и автоконфигурирования.

Второе поколение началось с шины EISA (а также МСА), за которой последовали шина PCI и ее расширение PCI-X. Это поколение параллельных синхронных надежных шин со средствами автоконфигурирования. Имеются варианты, снабженные возможностью «горячего» подключения-отключения. Скорость передачи достигает единиц гигабайт в секунду. Для подключения большого числа устройств применяется иерархическое объединение шинс помощью мостов в древовидную структуру.

Для третьего поколения (шина PCIExpress, она же 3GIO. Hyper Transport, Advanced Switching и InfiniBand) характерен переход от шин к двухточечным соединениям с последовательным интерфейсом: средством объединения множества абонентов являются «коммутационные фабрики». По сути, третьепоколение расширения ввода-вывода приближается к сугубо локальным (впределах системной платы) сетям.

В современных компьютерах основной шиной расширения пока является шина PCI и ее расширение PCI-X; ее дополняет порт AGP. Намечается переход на PCI Express — это средство подключения графического адаптера постепенно вытесняет AGP. Шина ISA из настольных компьютеров уходит, но она сохраняет свои позиции в промышленных и встраиваемых компьютерах как в традиционном слотовом варианте, так и в «бутербродном» варианте PC/104

Таблица. Сравнительные характеристики шин расширения

PCI - синхронные параллельные шины расширения ввода-вывода, обеспечивающие надежный высокопроизводительный обмен и автоматическое конфигурирование устройств.

Шина PCI позволяет объединять одноранговые устройства. Любое устройство шины может выступать как в роли инициатора транзакций (задатчика), так и в роли целевого устройства. Целевое устройство отвечает на задачи, адресованные к его ресурсам (областям памяти и портам ввода-вывода). Ядро компьютера (центральный процессор и память) для шины PCI также представляется устройством — главным мостом. В задачах к устройству PCI, инициированных центральным процессором, главный мост является задатчиком. В задачах от устройств PCI, обращающихся к ядру (к системной памяти), главный мост является целевым устройством. Право на управление шиной в любой момент времени дается лишь одному устройству данной шины; арбитраж запросов на управление шиной осуществляется централизованным способом. Арбитр, как правило, является частью моста.

Важной частью шины PCI является система автоматического конфигурирования; конфигурирование выполняется каждый раз при включении питания и инициализации системы. Специальное конфигурационное ПО позволяет обнаружить и идентифицировать все установленные устройства, а также выяснить их потребности в ресурсах (областях памяти, адресах ввода-вывода, прерываниях). Спецификация PCI требует от устройств способности перемещать все занимаемые ресурсы (области в пространстве памяти и ввода-вывода) в пределах доступного адресного пространства. Это позволяет обеспечить бесконфликтное распределение ресурсов для множества устройств. Одно и то же функциональное устройство может быть сконфигурировано по-разному, отображая свои операционные регистры либо на пространство памяти, либо на пространство адресов ввода-вывода. Драйвер может определить текущую настройку, прочитав содержимое регистра базового адреса устройства. Драйвер также может определить номер запроса на прерывание, который используется устройством. Для конфигурирования устройств существует специальный набор функций PCI BIOS.

Для обращений к пространству памяти используется 32- или 64-битная адресация, причем разрядность адресации не зависит от разрядности шины. Таким образом, шина позволяет адресовать до 232 (4 Гбайт) или 264 (более 1,8 х 1019) байт памяти. На шине PCI фигурирует физический адрес памяти. Для адресации портов ввода-вывода используется 32-битная адресация. В системе

Обращения к регистрам и памяти устройств PCI выполняются командами шины PCI. Команды может подавать любой инициатор — как хост (главный мост) по командам центрального процессора, так и рядовое устройство PCI. Возможность распространения ряда команд зависит от взаимного расположения инициатора и целевого устройства на ветвях дерева шин PCI. Однако хост может безусловно подать любую команду любому устройству PCI. Только хост всегда имеет доступ к конфигурационным регистрам всех устройств (и мостов), поэтому он и должен заниматься конфигурированием. После конфигурирования любое устройство PCI может безусловно обратиться к системной памяти, то есть реализовать прямой доступ к памяти (DMA).

Обмен информацией по шинам PCI организован в виде транзакций — логически завершенных операций обмена. В каждой транзакции выполняется одна команда — как правило, чтение или запись данных по указанному адресу. Транзакция начинается с фазы адреса, в которой инициатор задает команду и целевой адрес. Далее могут следовать фазы данных, в которых одно устройство (источник данных) помещает данные на шину, а другое (приемник) их считывает. Транзакции, в которых присутствует множество фаз данных, называются пакетными. Есть и одиночные транзакции (с одной фазой данных). Транзакция может завершиться и без фаз данных, если целевое устройство (или инициатор) не готово к обмену.

Декларируемая высокая пропускная способность шины достигается тольков длинных пакетных циклах, однако пакетные циклы выполняются далеко не всегда. Процессор общается с устройствами PCI инструкциями обращения к памяти или вводу-выводу через главный мост, который шинные транзакции процессора транслирует в транзакции шины PCI. Поскольку у процессоров х86 основные регистры 32-битные, то одна инструкция порождает транзакцию с устройством PCI, в которой передается не более 4 байт данных, что соответствует одиночной передаче. Однако при записи массива данных в устройство PCI (передача с последовательно нарастающим адресом) мост может пытаться организовать пакетные циклы. Пакетные циклы записи можно наблюдать, например, передавая массив данных из ОЗУ в устройство PCI. Однако если пересылка данных организуется директивой языка высокого уровня, которая ради универсальности работает гораздо сложнее вышеприведенных ассемблерных примитивов, транзакции, скорее всего, будут уже одиночными. Что касается чтения из устройства PCI, то здесь пакетный режим организовать сложнее. Посмотреть, каким образом происходит обращение к устройству, несложно при наличии осциллографа: в одиночных транзакциях сигнал активен в течение всего одного такта, в пакетных он длиннее. Стремиться к пакетной передаче транзакций записи стоит только в том случае, если устройство PCI поддерживает пакетные передачи в ведомом режиме. Если это не так, попытка пакетной передачи приведет даже к потере производительности.

При одиночных транзакциях на стандартной шине PCI достижима максимальная скорость чтения 33 Мбайт/с, скорость записи может достигать 66 Мбайт/с. Скорость, соизмеримую с максимальной пиковой, можно получить только при пакетных передачах. При длине пакета 16 байт (4 фазы данных) достижима скорость чтения 76 Мбайт/с и скорость записи 106,6 Мбайт/с. При шестнадцати фазах данных скорость чтения может достигать 112 Мбайт/с, а записи — 125 Мбайт/с. В этих выкладках не учитываются потери времени, связанные со сменой инициатора.

Итак, для выхода на максимальную производительность обмена устройства PCI сами должны быть ведущими устройствами шины, причем способными генерировать пакетные циклы. Радикально повысить пропускную способность позволяет переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бита, что обходится недешево. Для того чтобы на шине могли нормально работать устройства, критичные ко времени доставки данных, не следует пытаться выжать» из шины ее декларированную полосу пропускания полностью. Перегрузка шины может привести, например, к потере пакетов из-за несвоевременности доставки данных.

Говоря о пропускной способности шины и эффективной скорости обмена с устройствами PCI, следует помнить об издержках, вносимых дополнительными мостами PCI/PCI. Устройство, находящееся на дальней шине, получит меньшую пропускную способность, чем находящееся сразу за главным мостом устройство. Это обусловлено механизмом работы моста - транзакции через мост выполняются поэтапно.

В проекте LINK порты процессоров являются 8-ми битными. Заявленная максимальная скорость передачи составляет 20 Мбайт/сек. (Однако путем многочисленных опытов была определена устойчивая скорость 13 Мбайт/сек). Порты являются асинхронными и двунаправленными с управлением по арбитражной шине, что предполагает использование контроллера портов. С целью совместимости и универсальности использования устройства было принято решение об использовании дополнительного устройства стыковки модуля МЦ 4.01 с внешними регистрируемыми устройствами. Поскольку разрядность регистрируемых данных по исходному заданию должна быть не менее 12, к тому же устройство стыковки должно содержать в себе 2 контроллера LINK портов, то разумным решением является использование ПЛИС.

Модуль цифровой обработки сигналов МЦ4.01

· два RISC/DSP процессора NM6403

· масштабируемая производительность

· от 80 до 23.000 ММАС

· обработка данных переменной разрядности от 1 до 64бит

· системная шина PCI (slave)

· четыре высокоскоростных коммуникационных порта

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

§ Количество процессоров NM6403: 2

§ Тактовая частота:40 МГц

§ Напряжение питания: 5,0 / 3,3 В

§ Мощность потребления не более 10 Вт

§ Память:

- Общее ОЗУ статического типа 2 Мбайта

- Общее ОЗУ динамического типа 64 Мбайта

§ Исполнение :

- Системная шина PCI, версия 2.1

- Габаритные размеры 175X106

§ Ввод-вывод:

- 4 коммуникационных порта с темпом обмена до 20Мбайт/с каждый

- Шина PCI до 132 Мбайт/с

§ Производительность:

- Скалярные операции над 32-х разрядными данными до 240MOPS

- Векторные операции над 8-ми разрядными данными до 1.900ММАС

Модуль предназначен для функционирования в составе ПЭВМ с системной шиной PCI для решения широкого класса задач, связанных с обработкой оцифрованных сигналов и изображений.

Модуль содержит два 64-разрядных процессора NM6403 с локальными блоками статической (0,5 Мбайта) и динамической (32 Мбайта) памяти каждый, и два блока разделяемой статической памяти (по 0,5 Мбайта), доступных для записи и чтения как со стороны обоих процессоров, так и со стороны шины PCI.

На внешние разъемы платы выведены четыре коммуникационных порта, аппаратно совместимых с портами сигнального процессора TMS320C4x. Соединение коммуникационных портов нескольких модулей позволяет создавать мультипроцессорные системы различной конфигурации.

Со стороны шины PCI модуль виден как 32-х разрядное ведомое устройство в пространстве адресов ввода-вывода.

Базовое программное обеспечение (БПО) процессора NM6403 обеспечивает полный цикл разработки и отладки прикладных программ.

В состав БПО входят:

• компилятор Си++,

• ассемблер,

• редактор связей,

• программный эмулятор,

• символьный отладчик,

• библиотекарь объектных файлов,

• библиотека загрузки и обмена,

• набор системных и прикладных библиотек. Программный драйвер модуля поддерживает его работу под управлением операционных систем Windows® 95, Windows® NT и LINUX.

PCI-модуль NeuroMatrix® МЦ4.01 (NM1)

2х-процессорный встраиваемый PCI-модуль МЦ4,01 (NM1) цифровой обработки сигналов производства НТЦ"Модуль " предназначен для решения различных задач нейронными и нейроподобными алгоритмами, а также задач цифровой обработки сигналов и ускорения векторно-матричных вычислений. Модуль выполнен на спроектированных и разработанных в НТЦ цифровых сигнальных процессорах NeuroMatrix® NM6403 и представляет собой одноплатный нейроускоритель.

МЦ4.01 предназначен для функционирования в составе ПЭВМ с системной шиной PCI. Конструктивно выполнен в виде платы, вставляемой в стандартный слот.

Нейроускоритель содержит:

• два нейропроцессора NM6403;

• от 2 до 8 Мбайт статической памяти (SRAM);

• 64 Мбайта динамической памяти (EDO DRAM);

• четыре внешних ком. порта с темпом обмена 20 Мбайт/сек каждый.

Производительность:

Ø Векторные операции 1.9 миллиарда операций с байтовыми операндами в секунду

Ø Скалярные операции до 320 миллионов операций в секунду

Конструктив: стандарт PCI (версия 2-1) с темпом обмена да 132 Мбайт/сек.

Поскольку 2-х процессорный модуль МЦ4.01 применяется в том числе и для обработки видеоизображений, то для оцифровки полного видеосигнала (низкочастотного) служит плата, также изготавливаемая НТЦ "Модуль ".

2.2 Описание структурной функциональной схемы стенда

В состав стенда входят:

· Исследуемое устройство;

· Импульсный источник постоянного тока от ПЭВМ;

· Блок питания исследуемого устройства;

· Опорный генератор ВЧ;

· ПЭВМ с модулем приема данных МЦ 4.01;

· Коммутационная плата;

· Соединительные кабели и жгуты.

Стенд состоит из пульта, ПЭВМ с соответственно входящим в него PCI-модулем приема данных МЦ 4.01, опорного генератора, который выдаёт тактовую серию и подключаемого устройства к пульту. Опорная серия с тактового генератора подаётся на пульт , где она поступает на ПЛИС. ПЛИС вырабатывает синхросигналы, которые управляют исследуемым устройством. Эти серии подаются на исследуемое устройство. При подаче тактовых серий устройство начинает работать, т.е. выдавать некие сигналы - данные. Поскольку мы можем управлять этим устройством, соответственно мы можем принимать эти сигналы пультом. В пульте мы переупаковываем их в нужный вид, понятный процессору, который стоит в модуле приема данных МЦ 4.01. Соответственно по двум LINK-портам данные передаются на PCI-плату и далее программой данные забираются, обрабатываются и выводятся на экран.

Таким образом, имея некий проект ПЛИС, касающийся конкретного устройства, мы можем принимать данные, меняя соответственно частоту опорного генератора и изменяя некий сигнал управления конфигурациями, мы можем подключать и исследовать множество устройств.

3. Разработка аппаратной части

3.1 Выбор элементной базы

В течение последних лет, когда для многих разработчиков аппаратуры ЦОС стало ясно, что программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) - это удобная в освоении и применении элементная база, альтернативы которой зачастую не найти. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки элементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийное производство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной емкостью более 1 миллиона логических вентилей. Цены на ПЛИС (к сожалению, только лишь в долларовом эквиваленте) неуклонно падают.

Приведем известную классификацию ПЛИС по структурному признаку, т.к. она дает наиболее полное представление о классе задач, пригодных для решения на той или иной ПЛИС. Следует заметить, что общепринятой оценкой логической емкости ПЛИС является число эквивалентных вентилей, определяемое как среднее число вентилей 2И-НЕ, необходимых для реализации эквивалентного проекта на ПЛИС и базовом матричном кристалле (БМК). Понятно, что эта оценка весьма условна, поскольку ПЛИС не содержат вентилей 2И-НЕ в чистом виде, однако для проведения сравнительного анализа различных архитектур она вполне пригодна. Основным критерием такой классификации является наличие вид и способы коммутации элементов логических матриц. По этому признаку можно выделить следующие классы ПЛИС.

Программируемые логические матрицы - наиболее традиционный тип ПЛИС, имеющий программируемые матрицы “И” и “ИЛИ” В зарубежной литературе соответствующими этому классу аббревиатурами являются FPLA (Field Programmable Logic Array} и FPLS (Field Programmable Logic Sequencers). Недостаток такой архитектуры – слабое использование ресурсов программируемой матрицы “ИЛИ”, поэтому дальнейшее развитие получили микросхемы, построенные по архитектуре программируемой матричной логики (Зарубежная аббревиатура – PAL от Programmable Array Logic) – это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу “И” и фиксированную матрицу “ИЛИ”. К этому классу относится большинство современных ПЛИС небольшой степени интеграции. В качестве примеров можно привести отечественные ИС КМ1556ХП4, ХП6, ХП8, ХЛ8, ранние разработки (середина — конец 80-х годов) ПЛИС фирм «Intel». «Altera», «AMD», «Lattice» и др. Разновидностью класса ПМЛ являются ПЛИС, имеющие только одну (программируемую) матрицу «И», например, схема 85С508 фирмы «Intel», Следующий традиционный тип ПЛИС — программируемая макрологика. Они содержат единственную программируемую матрицу «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», но за счет многочисленных инверсных обратных связей способны формировать сложные логические функции. К этому классу относятся, например, ПЛИС PLHS501 и PLHS502 фирмы «Signetics», имеющие матрицу «И-НЕ», а также схема XL78C800 фирмы «Exel», основанная на матрице «ИЛИ-НЕ».

Вышеперечисленные архитектуры ПЛИС, содержащие небольшое число ячеек, к настоящему времени морально устарели и применяются для реализации относительно простых устройств, для которых не существует готовых ИС средней степени интеграции. Естественно, для реализации алгоритмов ЦОС они не пригодны.

ИС ПМЛ (PLD) имеют архитектуру, весьма удобную для реализации цифровых автоматов. Развитие этой архитектуры — программируемые коммутируемые матричные блоки (ПКМБ) — это ПЛИС, содержащие несколько матричных логических блоков (МЛБ), объединенных коммутационной матрицей. Каждый МЛБ представляет собой структуру типа ПМЛ, т. е. программируемую матрицу «И», фиксированную матрицу «ИЛИ» и макроячейки. ПЛИС типа ПКМБ, как правило, имеют высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256 макроячеек). К этому классу относятся ПЛИС семейства МАХ5000 и МАХ7000 фирмы «Altera», схемы ХС7000 и ХС9500 фирмы «Xilinx», а также большое число микросхем других производителей («Atmel», «Vantis», «Lucent» и др.). В зарубежной литературе они получили название Complex Programmable Logic Devices (CPLD).

Другой тип архитектуры ПЛИС — программируемые вентильные матрицы (ПВМ), состоящие из логических блоков (ЛБ) и коммутирующих путей — программируемых матриц соединений. Логические блоки таких ПЛИС состоят из одного или нескольких относительно простых логических элементов, в основе которых лежит таблица перекодировки (ТП — Look-Up Table, LUT), программируемый мультиплексор, D-триггер, а также цепи управления. Таких простых элементов может быть достаточно большое количество, у современных ПЛИС емкостью до 1 миллиона вентилей число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За счет такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти (РМП -Embedded Array Block - EAB), что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, умножение на константу, суммирование и задержка сигнала. Вместе с тем, возможности комбинационной части таких ПЛИС ограничены, поэтому совместно с ПВМ применяют ПКМБ (CPLD). В зарубежной литературе такие ПЛИС получили название Field Programmable Gate Array.

Множество конфигурируемых логических блоков (Configurable Logic Blocks, CLBs) объединяются с помощью матрицы соединений. Характерными для FPGA архитектур являются элементы ввода-вывода (Input/Output Blocks, lOBs), позволяющие реализовать двунаправленный ввод/вывод, третье состояние и т. п.

Особенностью современных ПЛИС является возможность тестирования узлов с помощью порта JTAG (B-scan), а также наличие внутреннего генератора (Osc) и схем управления последовательной конфигурацией.

Фирма «Altera» пошла по пути развития FPGA архитектур и предложила в семействе FLEX1ОК так называемую двухуровневую архитектуру матрицы соединений. Логические элементы (ЛЭ) объединяются в группы — логические блоки (ЛБ). Внутри логических блоков ЛЭ соединяются посредством локальной программируемой матрицы соединений, позволяющей соединять любые ЛЭ. Логические блоки связаны между собой и с элементами ввода-вывода посредством глобальной программируемой матрицы соединений (ГПМС). Локальная и глобальная матрицы соединений имеют непрерывную структуру — для каждого соединения выделяется непрерывный канал.

Дальнейшее развитие архитектур идет по пути создания комбинированных архитектур, сочетающих удобство реализации алгоритмов ЦОС на базе таблиц перекодировок и реконфигурируемых модулей памяти, характерных для FPGA структур и многоуровневых ПЛИС с удобством реализации цифровых автоматов на CPLD архитектурах. Так, ПЛИС АРЕХ20К фирмы «Altera» содержат в себе логические элементы всех перечисленных типов, что позволяет применять ПЛИС как основную элементную базу для «систем на ' кристалле» (System-On-Chip, SOC). В основе идеи SOC лежит интеграция всей электронной системы в одном кристалле (например, в случае ПК такой чип объединяет процессор, память и т. д.). Компоненты этих систем разрабатываются отдельно и хранятся в виде файлов параметризируемых модулей. Окончательная структура SOC-микросхемы выполняется на базе этих «виртуальных компонентов» с помощью программ систем автоматизации проектирования (САПР) электронных устройств EDA (Electronic Design Automation). Благодаря стандартизации в одно целое можно объединять «виртуальные компоненты» от разных разработчиков.

Наша задача заключается в выборе такой элементной базы , которая позволила бы нам выполнить данное техническое задание с учётом всех технических требований. При выборе элементной базы нашего устройства будем руководствоваться следующими критериями:

· быстродействие;

· логическая емкость, достаточная для реализации алгоритма;

· стоимость оборудования для программирования ПЛИС или конфигурационных ПЗУ;

· наличие методической и технической поддержки;

· потребление энергии;

· отсутствие требований к радиационной стойкости;

· стоимость микросхем.

Таким образом, реализация устройства на микросхемах будет достаточно сложна и не дешева из-за своей громоздкости, потребляемой мощности, отсутствия возможности программирования и затрат на производство. Реализация устройства на микропроцессоре также нецелесообразна, поскольку при использовании микропроцессора будет тратиться достаточно много времени для обращения к внешней памяти для считывания выполняемой программы и данных.

Альтернативой микросхемам и микропроцессору в данном случае может послужить ПЛИС. Учитывая данные критерии отбора, для реализации блока памяти БПФ остановимся на элементной базы фирмы «Altera» и САПР ALTERA MAX+II 10.0 BASELINE, поскольку САПР фирмы Altera гораздо более доступны для пользователей, нежели, например, аналогичные САПР Xilinx. Наличие качественных САПР и общепринятых индустриальных стандартов (JTAG) даёт возможность конфигурирования микросхем ПЛИС напрямую из САПРа, что делает процесс проектирования удобным, быстрым, обеспечивает возможность переноса проекта на различные микросхемы ПЛИС, причем процесс разработки аппаратно независим. Сделаем свой выбор в пользу семейства микросхем серии FLEX10K, поскольку данное семейство микросхем по заявлению разработчиков специально предназначено для ЦОС и является достаточно высокопроизводительным.

ПЛИС семейств FLEX10K, FLEX10KA, FLEX10KE являются на данный момент, пожалуй, самой популярной элементной базой для реализации алгоритмов ЦОС, построения сложных устройств обработки данных и интерфейсов. Это объясняется тем, что благодаря большой логической емкости, удобной архитектуре, включающей встроенные блоки памяти (EAB, Embedded Array Block), достаточно высокой надежности и удачному соотношению цена - логическая емкость данные ПЛИС удовлетворяют разнообразным требованиям, возникающих у разработчика как систем ЦОС, так и устройств управления, обработки данных и т.п.

В настоящее время выпускаются ПЛИС семейств FLEX10K с напряжением питания 5 В, FLEX10KА (V) с напряжением питания 3.3 В и FLEX10KЕ с напряжением питания 2.5 В. Кроме того, ПЛИС семейства FLEX10KЕ имеют емкость встроенного блока памяти 4096 бит в отличие от ПЛИС остальных семейств, имеющих емкость ЕАВ 2048 бит. Обобщенная функциональная схема ПЛИС семейства FLEX10K приведена на рис. 3.1. В основе архитектуры лежат логические блоки (ЛБ), содержащие 8 ЛЭ и локальную матрицу соединений. Глобальная матрица соединений разделена на строки и столбцы, имеет непрерывную структуру (Fast Track Interconnect). Посередине строки располагаются встроенные блоки памяти (EAB). Кроме того, имеются глобальные цепи управления, синхронизации и управления вводом-выводом.

Встроенный блок памяти (ВБП) представляет собой ОЗУ емкостью 2048 (4096) бит и состоит из локальной матрицы соединений, собственно модуля памяти, синхронных буферных регистров, а также программируемых мультиплексоров. Сигналы на вход ЛМС ВБП поступают со строки ГМС. Тактовые и управляющие сигналы поступают с глобальной шины управляющих сигналов. Выход ВБП может быть скоммутирован как на строку, так и на столбец ГМС.

Наличие синхронных буферных регистров и программируемых мультиплексоров позволяет конфигурировать ВБП как ЗУ с организацией 256 х 8, 512х4, 1024х2, 2048х1.

Наличие ВБП дает возможность табличной реализации таких элементов устройств ЦОС, как перемножители, АЛУ, сумматоры и т.п., имеющих быстродействие до 100 МГц (конечно при самых благоприятных условиях, реально быстродействие арифметических устройств, реализованных на базе ВБП составляет 10 – 50 МГц).

3.2 Выбор и описание интерфейса

Программная часть состоит из комплекса программ, взаимодействующих друг с другом. Поскольку модуль МЦ 4.01 является процессорным, то для его работы необходима программа, осуществляющая загрузку модуля и взаимодействие с ним. Кроме того, необходима программа для процессоров, установленных на модуле.

По техническому заданию было необходимо разработать комплекс программ для HOST машины и модуля МЦ 4.01, обеспечивающих пересылку, формирование массивов, обработку и отображение данных.

Исходя из этих данных был разработан комплекс программ, состоящий из программы для модуля МЦ 4.01, программы для ПЭВМ с графическим интерфейсом и программы, осуществляющей установку программного обеспечения на ПЭВМ, конфигурирование операционной системы (установка драйверов модуля МЦ 4.01) для обеспечения совместимости.

Программа модуля МЦ 4.01 представляет собой код, написанный на специализированном ассемблере процессоров NM. Данная программа загружается из памяти HOST машины в память МЦ 4.01. Исходя из этой программы модуль считывает данные по LINK портам каждого процессора, осуществляет преобразование данных в формат, понятный HOST машине и отправляет их в свою память. Данная программа работает в режиме реального времени и загружается отдельно для каждого процессора. Таким образом информационные потоки для каждого процессора независимы.

Программа на ПЭВМ предназначена для работы под управлением операционной системы типа Windows XP/2003/2000. Она имеет графический интерфейс и обладает рядом функций. При запуске программа осуществляет поиск модуля МЦ 4.01 в системе и осуществляет его загрузку программой, управляющей процессорами NM. При нажатии соответствующих клавиш, программа на ПЭВМ начинает принимать данные с процессорного модуля в непрерывном режиме. Прием осуществляется либо с одного, либо с другого, либо с двух физических каналов одновременно. При этом происходит вывод данных на осциллограммы в графическом интерфейсе. Можно менять вид кода: дополнительный, прямой, беззнаковый. На осциллограмме отображаются развернутые во времени сигналы с каждого из физических каналов. Линиями разных цветов отображаются сигналы логических каналов. Кроме того, программа позволяет рассчитывать и графически выводить нормированную автокорреляционную функцию сигналов, а также спектр сигналов. Изначально программа рассчитана для работы с комплексными оцифрованными сигналами (поэтому на каждой осциллограмме два логических канала), но существует возможность просмотра действительных сигналов с удвоенной скоростью приема. Существуют гибкие возможности по нормировке сигналов в различных единицах, как по оси абсцисс [отсчет, сек, мс, мкс], так и по оси ординат [ЕМР, В, мВ, мкВ]. При построении спектра осуществляется автоматический перевод единиц в Гц, кГц, МГц. Все настройки вынесены на специальную панель. Существует возможность графического усреднения сигналов по заданному числу отсчетов. Кроме вышеперечисленного, программа осуществляет расчет параметров сигнала: размах амплитуды, максимум, минимум, математическое ожидание, дисперсия, эффективное значение, динамический диапазон и др. Также в программе предусмотрены установки верхних и нижних пределов отображения на графиках по оси ординат, а также количество принятых отсчетов по оси абсцисс.

Для удобства обработки и хранения данных программа имеет возможность записи принятых векторов данных по всем логическим каналам с заданным числом отсчетов. Формат выходного файла: .txt (Блокнот), .xls (Excel), .bin (двоичный формат данных). Также программе есть возможность печати и сохранения данных в формате .bmp (Рисунок) графических данных.

Для удобства использования есть “горячие” клавиши для наиболее часто используемых функций.

При дальнейшем развитии работ в этом направлении предполагается дополнить функционал программы некоторыми полезными функциями: логический анализатор, программный фильтр НЧ, ВЧ, управление входными контроллерами Link портов и др.

Интерфейс программы настраиваемый: позволяет менять размеры осциллограмм и панелей, что немаловажно при работе пользователя. Есть возможность масштабирования графических результатов. Построение спектра и НАКФ_для удобства вынесено на отдельные формы. Каждое графическое отображение может быть развернуто на весь экран монитора ПЭВМ.

Программа-установщик представляет собой один файл, при запуске которого появляется стандартный диалог установки программ. Пользователю предлагается выбрать директорию установки программы, а также возможность добавления ярлыков на рабочий стол и т.п. Установщик записывает данные о программе в реестр Windows, а также устанавливает драйвера для модуля МЦ 4.01 в автоматическом режиме, после чего комплекс программ готов к работе.

Комплекс программно-аппаратных средств, разработанных на данном этапе был протестирован с тестовыми данными, сформированными в пакете Mathcad. Были сформированы исходные комплексные сигналы для двух физических каналов. Затем рассчитаны параметры сигналов, спектр. Исходные вектора были загружены в ПЗУ ПЛИС. Результаты моделирования совпали с результатами, отображаемыми разработанной программой. Затем был проведён тест с реальным устройством, подключенным к программно-аппаратному комплексу, что дало также положительные результаты.

3.3 Разработка и описание проекта ПЛИС с учетом временных диаграмм (моделирование)

Два блока формируют тест. Здесь X и Y – данные. На одном канале на входе сделана земля, а на другом входе записаны некие данные. На другом канале на X и Y только данные, т.е. сделаны некие квадратуры. Стоит счётчик и на него подаётся сигнал MCLK (основной clock) и ST20_MCLK – это некая редкая серия, которая в нашем случае из 40МГц формирует редкий импульс.

На входе выставляются данные, т.е. некие числа, далее стоит мультиплексор. Когда на входе 20_MCLK «0», через инвертор включается «1»,т.е. data1, соответственно, когда «1» через инвертор включается data0. Таким образом, получается, что мы мультиплексируем шину, т.е. сначала с одной памяти стоят данные, потом с другой. Они переключаются, и так в цикле по ST20_MCLK. Данные формируются на входе 20_MCLK. В режиме теста, если сигнал проходит через data1, это означает, что подана «1» на вход sel, который принимает данные. Принимает, и здесь происходит их упаковка. Бит представляет собой X младший, X старший и Y младший, Y старший. В старшем разряде у нас стоит «1», остальные соответственно «0». Получается, что по нулю на входе 20_MCLK, поскольку стоит инвертор, имеем то, что на единичном входе, а по единице то, что на нулевом.

Рассмотрим ситуацию когда стоит «0», т.е режим X. Бит, от которого зависит признак срабатывания, соответственно зависит от 2-х сигналов (XY low [6…0]). Далее у нас стоит элемент «И» с инверсией на входе. Таким образом «1» на выходе только в том случае, когда на входе «11», но так как мы берём с инверсией то «00». Получается, когда «00» выдаётся «1». На входе 20_MCLK в рассматриваемом нами режиме будет «0». Другими словами, два сигнала 20_MCLK и 10_MCLK выдают «00», а это означает, что вырабатывается признак о том, что на входе X младший. X low [6…0] – это младшая часть (6 разрядов - это младшие разряды X). Берётся эта младшая часть и дописывается признак. И получаем 10_MCLK работает таким образом, что если «0», то он берёт младшую часть. В младшую часть в этот момент дописывается «1» – старший разряд, и берётся младшая часть через мультиплексор. Дальше мы берём сигнал STR_OUT и «защёлкиваем» её в выходной регистр. В итоге данные мы защёлкнули. Имеем такую картину как X младший, но потом идёт X старший, т.е. 20_MCLK так и осталось в нуле, следовательно, ещё не переключилось, и данные все стоят, которые были на X. Но при этом мультиплексор перешёл в «1» и взял старшую часть. В старшую часть записывается «0» в старший разряд, потому что нет признака, что это X младший. «0» мы записываем потому, что мы не можем оставить шину «висящей» в воздухе, поэтому мы используем только 7 разрядов, а 8-ой разряд – есть признак. Таким образом, мы мультиплексор перевели на старшую часть и опять же «защёлкнули».

Потом сигнал 20_MCLK переходит в «1» – это уже Y. Дальше мы берём Y. Соответственно через мультиплексор подаётся «1» , которая инвертируется и переходит в «0». Наша задача сделать также Y младший и Y старший, но поскольку у нас сигнал 20_MCLK равен «1»,а 10_MCLK равен «0», «1» уже признака не выдаёт. Этого не позволит схема, потому что комбинация у нас «1», т.е получится «0» в этом разряде. Но при этом мультиплексор по 10_MCLK перевели опять в младшее состояние, но здесь уже «0». Таким образом, мы взяли Y младший. Соответственно при комбинации «11» – мы имеем Y старший. Дальше, этот цикл повторяется!

Из-за портов ввода-вывода сигнал выходит с некоторой задержкой. Для того чтобы это нормально принял процессор, мы должны задать строб сопровождения CSTRB. Он будет «защёлкивать» процессор по отрицательному фронту. Для того чтобы всё сформировать, мы берём STR_OUT. Он такой же, как и CSTRB, но в 2 раза большей длительности. Таким образом, мы подаём сигнал, а также этот же сигнал, но задержанный на один такт. Далее с помощью элемента «ИЛИ» мы их суммируем. Получаем этот сигнал и подаём его на выход. Регистр же здесь ставится для того, чтобы убрать некие дребезги (помехи). Этот результирующий регистр двигает всё, ещё на один такт.

Также в проекте есть CDIR, CRDY и CREO. Они не используются, но необходимы, так как процессор выдаёт некие сигналы и, чтобы не было конфликта, нам их необходимо куда-то принять. В ПЛИС ножки, которые не используются, привязаны к земле. Поэтому мы назначаем именно их, для того чтобы забирать сигналы. Это необходимо потому, что порт мы ставим в режим приёма. Следовательно, при подаче питания у нас автоматически включается непрерывный приём данных. Этого мы достигаем с помощью сигнала CACK.

Во втором канале все аналогично! Отличие лишь в том, что там имеется немного другой тест. Взят крайний случай. Для того чтобы можно было посмотреть как сигнал ведёт себя в статике. Также здесь имеется смесь этих синусоид для тестирования программы, которая расположена непосредственно на ПЭВМ.

На самом деле, мы данные принимаем от некоего устройства. При отключении режима «тест», данные принимаются от исследуемого устройства. Для того чтобы данные нормально принять, нам необходимо их сначала «защёлкнуть» в регистр и только потом проводить с ними обработку или некий анализ.

Таким образом, если мы имеем на входе устройство с 4 каналами соответственно. Скорость данных при этом 10Мбайт/сек. Но пропускная способность одного порта всего 10Мбайт/сек. Мы не можем одновременно смотреть X и Y, поэтому принимаем данные, переключаясь либо на X, либо на Y. В проекте есть мультиплексоры. Они работают, переключаясь, на частоте 10Мгц. То есть идёт меандр, и когда «0» он берёт Y, а соответственно при «1», он берёт X. Здесь пропускная способность до 2 байтов. По 10 Мбайт каждый, получаем 20Мбайт, при этом LINK-порт не может работать. Поэтому мы выдаём ему сигналы 5 и 10МГц. Соответственно мы задаём так, чтобы он принимал сигналы в определенные моменты. Этим и объясняется необходимость брать сначала X, либо переключаться и брать Y.

Все серии в проекте формируются следующим образом. Вырабатываем некий сигнал «фазир», поскольку устройство ни к чему не привязано оно формирует сигналы только для внешнего устройства. Формируем в качестве счётчика. Счётчик на 16000 отчетов, который считает вниз, т.е. он начинает считать с 16000. У него есть выход переполнения cout, т.е. есть какое-то максимальное значение. Счётчик начинает считать не с нуля и 16000 является для него переполнением. В этом случае он выдает некий сигнал. Есть сдвиговый регистр. По этому сигналу «фазир» мы загружаем сдвиговый регистр неким числом 524288. Если это число перевести в двоичный код, то получим в старшем разряде «1», а остальные все «0». На дальнейшем такте эта «1» «едет вниз». Когда мы подаем команду на сдвиг «1» «переезжает» дальше, т.е. загружая «1» в старший разряд, она в итоге переходит в младший и т. д. Всё это находится в цикле и, в нашем варианте - 20 разрядов, это дает деление на 20. Если у нас 40Мгц мы делим на 20 и получаем 2 МГц. Имея простую элементарную логику, мы можем формировать любой сигнал.

Например, сигнал 20_MCLK формируется следующим образом. ms10 стоит на установке RS-триггера. По этому сигналу выставляется «1» и по ms20 он сбрасывается и т. д. Соответственно сигнал 10_MCLK формируется аналогично.

Таким образом, мы берем сигналы, какие нам необходимы и как нужно их формируем. Особенность в том что, если мы ставим какую-то логику, в ПЛИС так заведено, что сначала ставится некая логика, поскольку у неё плавающая задержка – она не стабильна, а затем ставиться регистр.

Контроль работы проекта и его дальнейшая настройка проводится с помощью временных диаграмм. На рисунке изображена временная диаграмма, объясняющая принцип вывода информации с ПЛИС.

3.4 Описание принципа работы электрической принципиальной схемы и ее анализ

Разработка принципиальной схемы стенда проводилась исходя из всех требований на функциональное назначение. Основным элементом на электрической принципиальной схеме является программируемая логическая интегральная схема. Управление же устройством, а также синхронизация осуществляется, так называемой, россыпной логикой.

Разъем предназначен для программирования ПЛИС, причем доступны два варианта:

- тестовый – ПЛИС «прошивается» напрямую, в обход ПЗУ, что позволяет сберечь ресурс последней, но требует повторения «прошивки» после каждой перезагрузки ПЛИС, а потому применим этот вариант только для отладки;

- рабочий – ПЛИС «прошивается» через ПЗУ (EPC 2), и, в дальнейшем также при каждой перезагрузке автоматически подгружает проект из памяти.

В ПЗУ ALTERA Flex10K (EPC 2) используется интерфейс JTAG. ПЗУ имеет конечное число перепрожиганий при отладке. Есть порт. Когда мы компилируем проект, для JTAG ПЛИС формируется файл sof, для ПЗУ формируется файл pof. При отладке мы используем JTAG. Прожигаем и при выключении питания конфигурация сбрасывается, т.к. используется технология SRAM – статическая память. По JTAG мы грузим ПЗУ. Она конфигурирует данные, и при выключении питания они остаются в ПЗУ. При последующем включении питания контроллер, который стоит в ПЗУ определяет, что есть ПЛИС, и загружает в неё все данные. Всё это работает по интерфейсу BYTEBLASTER. Этот интерфейс тоже выведен отдельно и по нему также можно загрузить файл. Это сделано для отладки и проверки правильности работы интерфейса.

Также в схеме стоит стабилизатор напряжения. На вход подаётся 5В, а с выхода имеем 3,3В – это для питания плис и для питания ПЗУ.

В схеме есть компаратор с дифференциальными входами. Стоит трансформатор для развязки по цепям и землям. На трансформатор подаётся некая опорная синусоида. Дальше имеются дифференциальные обмотки, которые включены парафазно. Таким образом, сигнал подаётся на дифференциальный вход, и с выхода компаратора мы получаем два противофазных сигнала (+IN,+ OUT и –IN, –OUT). В конечном итоге мы получаем частоту, деленную в 2 раза на тех же ножках «+» и «–». После компаратора мы можем взять любую ножку OUT «+» или «–», и вывести на ПЛИС.

Также в схеме имеются разъёмы. При этом все чётные – это земля, а которые нечётные – сигнальные.

В схеме имеются нагрузочные резисторы, которые служат для подавления высокочастотных пульсаций при переключениях. У входа любой микросхемы есть некая входная ёмкость, и есть проводник - некая индуктивность - колебательный контур. Может создаваться помеховый уровень и отрицательный выброс, который может микросхему вывести из строя. Для того чтобы этого избежать на какой-то линии ставится резистор , что снижает добротность контура, но расширяет полосу. Делают RC цепочку – это фильтр низкой частоты, благодаря которому высокочастотные пульсации не проходят. Для этого и служат нагрузочные резисторы в нашей схеме.

Принципиальная электрическая схема стенда приведена на двух листах.

3.5 Расчет потребляемой мощности устройства

Потребляемую мощность оценим с помощью раздела Evaluating Power цифровой библиотеки фирмы ALTERA (ALTERA Digital Library).

Чтобы оценить мощность, необходимо выполнить следующие операции:

1. Вычислить и оценить потребляемую мощность.

2. Вычислить максимальную мощность устройства.

3. Сравнить полученные значения.

В таблице 1. Указаны переменные необходимые для оценки потребляемой мощности:

Оценка потребляемой мощности.

Используем следующую формулу, чтобы вычислить потребляемую мощность PEST:

PEST = Pint + PIO ,

Где:

Pint = ICCINT Ч VCCINT

PIO = PACOUT + PDCOUT

Следовательно:

PEST = (ICCINT Ч VCCINT) + (PACOUT + PDCOUT)

Оценка мощности может быть получена по этим формулам , но при этом необходимо учесть рассеянную мощность портов ввода-вывода PDCOUT. Она зависит от числа установленных выводов, логических уровней, которыми они управляют, и загрузки, имеющей сопротивление на каждом выводе, как это учтено в следующей формуле:

,

в нашем случае это выражение приблизительно равно нулю;

где, PDCn - выходная мощность постоянного тока выходного сигнала n.

В таблице 2 показана мощность, рассеянная портами вывода с напряжением 5В и 3.3В под типичными типами загрузок.

PACOUT зависит от ёмкостной нагрузки на каждом выходном сигнале и частоты , как показано в следующей формуле:

,

где:

a – количество выходных ножек

Cn – ёмкостная нагрузка

Vn – напряжения выходного сигнала

fn – частота переключения

В нашем случае напряжение питания ввода-вывода VCCIO = 3,3В

Следующее уравнение показывает частоту каждого выходного сигнала:

fn = (0,5) Ч fMAX Ч togIO

В итоге мы имеем следующую формулу:

PACOUT = (0,5) Ч OUT Ч CAVE Ч VO Ч fMAX Ч togIO Ч VCCIO

В таблице 3 указаны значения VCCIO и VO для Altera® devices.

Следующая формула используется, чтобы вычислить максимум мощности устройства:

.

Максимальная мощность зависит от максимальной температуры перехода (TJ) кремния, окружающей температуры (ТA), и теплового сопротивления (иJA). Максимальная температура перехода и значения тепловых сопротивлений определены в одном из разделов библиотеки фирмы ALTERA (ALTERA Digital Library).

Расчёт и оценка потребляемой мощности для AlteraEPF10K.

Потребляемый ток: ICCSTANDBY = 0.500 mA

Коэффициент для вычисленияICC: K = 45 µA/(MHz Ч LE)

Максимальная частота: fMAX = 50 MHz

Количество логических элементов, используемых в устройстве:

N = 2,747 LE

Среднее отношение логических ячеек: togLC = 0.125

Ток потребления ядра: ICCINT = ICCSTANDBY Ч K Ч fMAX Ч N Ч togLC;

ICCINT = 773.09 mA

Напряжение питания: Pint = VCCINT Ч ICCINT;

Pint = 2551.2 mW

Мощность по постоянному току : PDCOUT = PDCn = 0(поскольку ПЛИС нагружена на КМОП);

Средняя емкостная нагрузка: CAVE = 35 pF

Количество выходных двунаправленных выходов: OUT = 150

Среднее отношение портов ввода-вывода: togIO = 0.125

Мощность по переменному току:

PACOUT = (0,5) Ч OUT Ч CAVE Ч 3.3V Ч fMAX Ч togIO Ч 3.3V Ч 0.001;

PACOUT = 178.66 mW

Полная мощность: PIO = PDCOUT + PACOUT, PIO = 178.66 mW

Оцененная полная мощность: PEST = Pint + PIO

PEST = 2729.86 mW

Вычисление максимальной мощности устройства.

Тепловое сопротивление: иJA = 8 ° C/W

Максимальная температура перехода: TJ = 85 ° C

Окружающей температуры: ТA = 40 ° C

Максимальная мощность устройства: PMAX = (TJ - ТA)/ иJA;

PMAX = 5.625 W

Сравнение максимальной и оцененной мощностей.

Должно быть верным выражение PEST < PMAX.

Имеем, PEST = 2.729 W и PMAX = 5.625 W

Следовательно, PEST < PMAX.

3.6 Расчет быстродействия устройства

Поскольку проектирование велось в САПРе, нет необходимости оценивать быстродействие ручными методами. В данной работе быстродействие определено с помощью временного анализатора (Timing Analyzer) САПРа Max+Plus 10.0 Baseline.

Задержка при пуске: 5,9 нс;

Задержка при переключении тактовым сигналом: 2,9 нс

Поскольку тактовый сигнал устройства привязан к глобальному тактовому сигналу в кристалле, то задержка появления сигнала на выходе относительно положительного перепада на входе clk: 3нс.

Максимальная рабочая частота составляет 135, 13 МГц.

3.7 Расчет тестовых сигналов

Для точного расчета и моделирования сигналов воспользуемся программой MathCad.

§ B : = rnorm - это функция, которая формирует шум.

§ Функция mean рассчитывает мат.ожидание.

§ Stdev рассчитывает эффективное значение.

Сформируем шум и синусоиду, рассчитаем их параметры и соответственно получим их графическое изображение:

- мат. ожидание

- эффективное значение

Рис.1

C(k) – случайный процесс (шум);

S(k) – синусоида; E(k) - аддитивная смесь сл.процесса и синусоиды.

- мат.ожидание случайного процесса B;

- эффективное значение случайного процесса B;

- мат.ожидание синусоиды;

- эффективное значение синусоиды;

- мат.ожидание аддитивной смеси сл.процесса и синусоиды;

- эффективное значение смеси сл.процесса и синусоиды.

Рис.2

Рис.3

Re(Gi) – действительная часть; Im(Gi) – мнимая часть; | Gi | - модуль.

Аналогично формируем смесь двух синусоид:

Рис.4

Получаем спектр:

Рис.5

3.8 Экспериментальная часть

Мы рассчитали сигналы для проверки стенда. Для проверки программного обеспечения и самого стенда мы сделали тест. Сделали некие реальные цифровые сигналы, которые смоделировали в MATHCAD, где и рассчитали параметры и спектры этих сигналов. Мы запрограммировали ПЛИС, привели её в режим теста. Соответственно сигналы проходят через весь тракт, поступают в программу, и программа рассчитывает и выдаёт их параметры на экран. В итоге мы оцениваем правильность работы всего устройства целиком и работу программного обеспечения, написанного для нашего устройства.

Ø Мы получили сигналы:

§ Аддитивная смесь сл.процесса и синусоиды:

§ Аддитивная смесь двух синусоид:

А также их спектры:

§ Аддитивная смесь сл.процесса и синусоиды:

§ Аддитивная смесь двух синусоид:

Рассчитанные нами сигналы и их параметры совпадают с экспериментом, что свидетельствует о исправной и правильной работе самого устройства и программного обеспечения.

4. Конструкторская часть

4.1 Выбор и обоснование принципов конструирования

Особенности конструктивного построения блоков и стендов цифровой обработки сигналов определяются:

- применением передовых схемно-технических решений и новых технологий, что приводит к комплексной миниатюризации;

- унификацией базовых модулей и составных узлов;

- созданием единой технологии их, изготовления сборки и последующего контроля;

- требованием к транспортировке всеми видами транспорта.

Опираясь на указания по конструированию, блоки и ячейки с микросхемами, электрорадиоэлементы (ЭРЭ) компонуются на базовых конструкциях, состоящих из следующих конструктивных модулей:

- ячеек на печатных платах;

- шасси блоков.

Стенд размещается в объеме одной типовой секции базовой несущей конструкции (БНК).

4.2 Конструктивное построение МПП

Стенд состоит из БНК и МПП с установленной на ней ПЛИС Altera EPF10K100ARC240. Под микросхемой на нижнем слое расположены конденсаторы ёмкостью 0.1 мкФ С10¼С13, по одному на каждую сторону ПЛИС. На МПП цепи питания разведены в отдельных слоях в виде полигонов с вырезами для переходных отверстий. Цепь питания +5 В для микросхемы выведена трассами шириной не менее 1.5 мм.

Требования по живучести и стойкости к внешним воздействиям соответствуют климатическим и механическим воздействиям, оговоренным в программе и методике испытаний изделия.

Стенд сконструирован в соответствии со схемой электрической принципиальной 441-Э-6430 Э3 и перечнем элементов 441-Э-6430 ПЭ3.

Стенд выполнен на многослойной печатной плате с размерами 105´190 мм2. Количество слоев – четыре (два в виде полигонов для цепей питания).

На МПП вместо микросхемы D2 (ПЗУ конфигурации ПЛИС) должна быть установлена соответствующая панель-держатель типа PLCC-20SMT.

Конструкция стенда серийно-способна и соответствует общим правилам технологичности по ГОСТ 14.201.83.

Электрический монтаж печатной платы контролепригоден.

4.3 Конструктивное построение БНК

Стенд выполнен на БНК с габаритами 285´220´34 мм3, с многослойной печатной платой с размерами 105´190 мм2.

На лицевой панели стенда предусмотрены девять посадочных мест для индикаторов типа 3Л341В аА0.339.189ТУ.

На аппаратуру воздействуют четыре вида механических нагрузок:

1. Вибрация

2. Удары

3. Линейные и центробежные ускорения

4. Шум и акустические удары

Разрабатываемая конструкция должна быть предельно жесткой, но и механически прочной, без излишних неоправданных затрат по массе.

Изготовление каркасной конструкции шасси осуществляется с применением сварочных и резьбовых соединений.

5. Технологическая часть

Для металлических деталей, применяемых в конструкции характерна коррозия, происходящая под действием влаги, содержащейся в атмосфере. Поэтому необходимо выбрать материалы для деталей данной конструкции, учитывая конструктивные требования по защите конструкции от климатических факторов внешней среды (КФВС).

Коррозийная стойкость может быть обеспечена выбором материалов, стойких к климатическим воздействиям, либо использовать полимерные или эмалевые покрытия (пленкой), созданием на поверхности деталей химических соединений. Также возможно комплексное применение антикоррозийных мер защиты конструкции и отдельных деталей.

Основу конструкции БНК составляет каркас, выполненный из стандартного профиля 191540008Д ГОСТ 8617-81/ГОСТ 13737-86. Этот сплав в отличие от дюралюминия Д16 хорошо поддается аргонодуговой сварке (за счет добавок кремния) и удовлетворительно обрабатывается резанием.

5.1 Технология изготовления печатной платы

Новое качественное развитие современной радиоэлектроники основано на широком применении микросхем различной сложности в качестве основных компонентов электронных систем. Сложность и большая функциональная плотность современной аппаратуры требует огромного числа коммутационных соединений.

Многослойный печатный монтаж позволяет практически реализовать сложную коммутацию большого числа компонентов схемы в новейших конструкциях аппаратуры, выполненной в микроминиатюрном исполнении. Многослойные печатные платы (МПП), имея ряд особенностей, сохраняют все основные свойства обычного печатного монтажа:

а) возможность массового механизированного производства;

б) точную повторяемость рисунка схемы от платы к плате;

в) относительную простоту выполнения монтажных соединений компонентов схемы и возможность их замены;

г) возможность механизации сборочно-монтажных и регулировочных операций при изготовлении аппаратуры;

д) дальнейшее сокращение веса и габаритов аппаратуры ит. д.

К отличительным особенностям МПП следует отнести:

а) более высокую удельную плотность рисунка печатных проводников и выводных точек (контактных площадок);

б) более высокую стабильность всех параметров печатной схемы при изменении внешних условий за счет размещения всех проводников внутри однородного материала.

Как уже отмечалось, многослойные печатные платы отличаются относительно сложной технологией и высокой трудоемкостью изготовления; основным недостатком их является невозможность внесения изменений и устранения дефектов в готовой плате.

Многослойная печатная плата — это сложное изделие, которое обусловливает ряд новых требований к материалам, технологическим процессам, технологическому оборудованию, производственным помещениям, организации производства и подготовке специальных кадров.

Многослойный печатный монтаж нашел применение для коммутации разнообразных компонентов: стандартных дискретных элементов, различных модульных блоков и функционально законченных плоских схем в запаянных корпусах или залитых компаундом, интегральных схем в цилиндрических или плоских корпусах.

Одна многослойная печатная плата может объединить большое число сложных компонентов радиоэлектронной системы, обеспечивая значительную экономию места и веса и в то же время эффективно уменьшая количество внешних выводов по сравнению с тем, что потребовалось бы в случае применения традиционных принципов монтажа.

Важная особенность многослойного печатного монтажа в разрешении многих проблем, связанных с взаимными помехами. Осуществляется она введением в конструкцию плат экранирующих слоев. Многослойные печатные платы позволяют совмещать цепи постоянного и переменного токов в одной конструкции платы, при этом экранированием исключается их взаимное влияние.

Как и любое новое направление в технике, в поисках простейшего решения многослойный печатный монтаж в начале своего развития получил много различных конструктивно-технологических направлений.

Разновидности методов изготовления МПП определяются способом получения межслойных соединений.

Рис. 5.1

МПП - 8 слоев, попарного прессования,изготавливаются из двухстороннего фольгированого диэлектрика.

В отечественной промышленности существует два конструктивно-технологических направления в технологии изготовления МПП:

1) изготовление МПП с применением химико-гальванических процессов для получения межслойных соединений в плате в процессе ее изготовления;

2) изготовление МПП без межслойных соединений и получение их

3) последующей пайкой или сваркой.

Изготовление МПП с применением химико-гальванических процессов имеет три разновидности:

1) металлизация сквозных отверстий;

2) попарное прессование;

3) послойное наращивание.

Изготовление МПП без межслойных соединений в плате имеет две разновидности:

1) открытые контактные площадки;

2) выступающие выводы.

Перечень основных технологических операций изготовления МПП по принятым пяти разновидностям приведен в рис. 5.2.

Рис. 5.2 Перечень основных технологических операций изготовления МПП

По литературным данным около 80% всех МПП за рубежом изготавливается методом сквозной металлизации отверстий.

Анализ развития техники и технологии производства МПП в отечественной промышленности и опыта зарубежных фирм показывает, что метод металлизации сквозных отверстий наиболее перспективный.

5.2 Технология изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий

При выполнении технологического' процесса изготовления многослойных печатных плат требуется более высокая точность исполнения каждого слоя с более жесткими допусками на размеры, соответственно необходимо оборудование повышенной точности, необходимо выполнить достаточно сложную новую операцию—прессование и тщательней провести операцию металлизации отверстий. Поэтому изготовить многослойную плату сложно. Метод изготовления МПП металлизацией сквозных отверстий заключается в склеивании (прессовании) одновременно всех печатных слоев платы с помощью стеклоткани, пропитанной лаком (смолой). Межслойные соединения выполняются в виде металлизированных отверстий, соединяющих наружные и внутренние слои платы.

Рисунок схемы внутренних слоев МПП выполняется на заготовках из одностороннего или двухстороннего фольгированного диэлектрика фотохимическим методом.

Рисунок наружных слоев выполняется комбинированным позитивным методом после прессования МПП.

В склеенной МПП после нанесения рисунка схемы на наружные слои (до операции травления) сверлят сквозные отверстия. Эти отверстия располагаются в узлах координатной сетки, по которой выполнен рисунок схемы. Точность выполнения отверстий по координатам должна быть обеспечена в пределах ±0,05 мм. Это необходимо для обеспечения совмещения отверстий с контактными площадками на каждом слое. Диаметр отверстий, как уже говорилось об этом раньше, должен быть не менее 1/з толщины платы, только в этом случае могут быть гарантированы условия для качественной металлизации.

Операция металлизации отверстий — одна из основных в процессе изготовления МПП данным методом. От качества металлизации существенно зависит качество самой платы. Через металлизацию в отверстиях электрически соединяются все слои МПП. Для того чтобы соединение слоев было надежней, перед металлизацией выполняют операцию подтравливания диэлектрика. Для этой цели используют 80%-ный раствор серной кислоты, а затем плавиковую кислоту.

В результате подтравливания диэлектрика площадь контакта на внутренних слоях увеличивается, что и гарантирует более надежное соединение слоев.

Процесс металлизации отверстий аналогичен тому, который применяется при изготовлении печатных плат комбинированным методом.

Однако на операции гальванической металлизации стремятся использовать электролиты с повышенной рассеивающей способностью.

Для металлизации МПП в последнее время разработан электролит следующего состава: CuS04-5H20 — 200 г/л; H2S04— 100 г/л; (NH4)2S04 —40 г/л; (NH^C^Oe — 20 г/л.

Электролит приведенного состава позволяет получать осадок хорошего качества при плотности тока до 3 а/дм2 и ^=18-=-22°С При температуре 40-^-50° С допустимая плотность тока до 5 а/дм2.

После осаждения меди схему защищают слоем гальванического серебра или ПОС-61. Затем удаляют защитный слой фоторезистора и производят операцию травления наружных слоев

МПП.

Изготовленные платы проходят операцию механической обработки по контуру и маркировку.

Готовые платы проходят 100%-ный контроль по электрическим- параметрам на специальных стендах-автоматах с программным управлением.

После контроля платы консервируются, упаковываются в специальную тару и направляются на сборку.

На платы, изготовленные методом сквозной металлизации отверстий, могут устанавливаться навесные элементы с осевыми и планарными выводами.

В многослойных печатных платах формируется практически полностью экранированная линия передачи. Обеспечивается максимальная локализация электромагнитного поля, а, следовательно, и максимальная точность расчетов электрических параметров через геометрию сечения, что в свою очередь сильно увеличивает помехозащищенность МПП.

Наличие большого числа слоев позволяет реализовать практически любую топологию.

6. Экономическая часть

6.1 Введение

В экономической ситуации нашего времени у предприятий появляются большие возможности для выбора типа деятельности, дальнейшего совершенствования, развития выхода на мировой рынок и т.п. Но для того, чтобы в условиях свободного рынка продукция предприятия пользовалась повышенным спросом, она должна содержать в себе множество различных свойств и удовлетворять большому числу требований как внутри страны (стандарт ГОСТ Р ИСО 9001-96), так и международным стандартом. На сегодняшний день только такие предприятия являются благополучными.

При создании нового устройства или прибора исследователи и конструкторы всегда должны учитывать не только современную и техническую, но и экономическую сторону проводимой разработки. Экономический анализ дает возможность выбрать наиболее эффективный вариант новой техники, способствующий внесению в создаваемую конструкцию таких улучшений, которые позволили бы получить необходимые результаты при наименьших материальных, трудовых и денежных затратах. Одним из оптимальных вариантов достижения таких решений является прогрессивная форма планирования - бизнес-план.[1]

Бизнес-план составляется в целях эффективного управления и планирования бизнеса и является одним из основных инструментов управления предприятием, определяющих эффективность его деятельности.[1]

Сам по себе бизнес-план - это краткое, точное и ясное описание целей нового или действующего бизнеса, а также средств и способов их достижения. В условиях современного рынка и жестокой конкурентной борьбы предприятие должно уметь быстро и адекватно реагировать на изменения, происходящие во внешней среде и внутри самого предприятия. Эти факторы являются не маловажными при разработке нового устройства.[1]

Бизнес-план позволяет сделать оценку текущего состояния экономики, сильных и слабых сторон производства, показать достоинства и выгоду предполагаемого проекта и привлечь инвестора, который вложит свои средства в тот или иной проект, который с достаточной вероятностью гарантирует ему получение максимальной прибыли.[4]

Данный бизнес-план посвящен разработке стенда регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени.

6.2 Предприятие и отрасль, в котором оно занято

Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники (ВНИИРТ)является основоположником отечественных РЛС обнаружения, наведения и целеуказания. ВНИИРТ занимается разработкой различных образцов военной техники и вооружения в интересах Сухопутных войск, Военно-Морского Флота и Военно-Воздушных Сил, специализируясь на военной радиотехнике, телемеханике, спецрадиосвязи и автоматике. Эта отрасль промышленности относится к военно-промышленному комплексу. То есть отраслью ВНИИРТа является военная и специализированная радиолокация и радиотехника.

Основными направлениями деятельности являются:

• комплексные исследования по проблемам радиолокационного обнаружения перспективных средств воздушного нападения, разработка РЛС межвидового назначения для СВ, ВВС и ВМФ, РЛС двойного применения для систем ПВО и УВД;

• функциональные и прикладные исследования в области системотехники РЛС и их составных частей;

• создание эффективных средств защиты РЛС от высокоточного оружия;

• исследования и разработка методов и средств полунатурного моделирования и испытаний РЛС;

• разработка автоматизированных тренажёров;

• разработка приборов функциональной акусто- и оптоэлектроники;

• конверсионные разработки: РЛС подповерхностного зондирования Земли; РЛС контроля движения автотранспорта; медицинское оборудование; приборы контроля окружающей среды, радиотермографические приборы.

6.3 Описание организации работ

Данная работа относится к классу ОКР, поскольку помимо основной части работ – разработки конструкторской документации, рассматривается так же и разработка технического проекта.

Технический проект разрабатывают, если это предусмотрено техническим заданием, протоколом рассмотрения технического предложения или эскизного проекта.

Технический проект разрабатывают с целью выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции изделия, когда это целесообразно сделать до разработки рабочей документации.

При необходимости технический проект может предусматривать разработку вариантов отдельных составных частей изделия.

В этих случаях выбор оптимального варианта осуществляется на основании результатов испытаний опытных образцов изделия.

При разработке технического проекта выполняют работы, необходимые для обеспечения предъявляемых к изделию требований и позволяющие получить полное представление о конструкции разрабатываемого изделия, оценить его соответствие требованиям технического задания, технологичность, степень сложности изготовления, способы упаковки, возможности транспортирования и монтажа на месте применения, удобство эксплуатации, целесообразность и возможность ремонта и т.п.

Перечень необходимых работ определяется разработчиком в зависимости от характера и назначения изделия и согласовывается с заказчиком, так как изделие разрабатывается по заказам Министерства обороны.

6.4 Описание продукта

Радиолокация сама по себе, есть область радиотехники, обеспечивающая радиолокационное наблюдение различных объектов, то есть их обнаружение, измерение координат и параметров движения, а также выявление некоторых структурных или физических свойств путем использования отраженных или переизлучённых объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения.[3]

Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал. Именно его распознавание и даёт возможность установить некоторые характерные признаки цели.[3] Именно стенд регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени, чья разработка и будет производится, поможет нам в получении необходимой информации.

Необходимость разработки данного проекта вызвана тем, что аналог имел устаревшую элементную базу. В качестве современной элементной базы в данном устройстве будет использоваться программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).

Программируемые логические интегральные схемы становятся в последнее время все более распространенной и привычной элементной базой для разработчиков цифровых устройств. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки элементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийное производство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной емкостью более 1 миллиона логических вентилей. Цены на ПЛИС неуклонно падают, что напрямую связанно с появлением новых производителей, которые продвигают на рынок более современные и доступные схемы, содержащие в себе новейшие архитектуры. Это даёт возможность их применения в цифровой технике в гораздо более крупных масштабах, нежели ранее. В настоящее время быстродействие ПЛИС достигло небывалых величин, что позволяет реализовать многие алгоритмы в радиодиапазоне. Использование современной элементной базы повышает надёжность, ремонтопригодность, уменьшая габариты устройства и затраты на его производство.

Одним из основных заказчиком ОАО «ВНИИРТ» является государство, а именно, Министерство Обороны РФ. В выпускаемой нами продукции заказчика привлекает высокое качество данной продукции, современность технологий и что самое главное специализация предприятия. Главным источником финансирования будет являться государство. В рамках договора исполнители обязуются разработать устройство в срок и в полном объёме. Приём продукта осуществляет представитель заказчика.

В экономической части дипломного проекта производится экономический анализ. Данную работу можно отнести к ОКР, так ее результатом является разработка технической документации на стенд регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени.

6.5 Оценка рынка и конкурентоспособности

Несмотря на мировой экономический кризис, который привёл к снижению финансирования и сворачиванию программ многих государственных предприятий, Россия по-прежнему остается одной из ведущих стран мира в области проектирования и изготовления подобных систем. При изготовлении может быть использована как импортная, так и отечественная элементная база. Изделие ориентированно на нужды военных.

Рынок подобного оборудования в России, в основном, является закрытой, секретной, оборонной областью и финансируется целиком Государственным бюджетом. Вследствие чего можно сказать, что разрабатываемое устройство не будет иметь серьезных конкурентов, как на российском, так и на зарубежном рынке, что делает его востребованным.

6.6 Прогнозирование спроса

Учитывая то, что данный проект выполняется по государственному заказу, то прогнозирование спроса не имеет смысла. Возможные заказы зарубежных стран пока рассматриваются как гипотетические.

6.7 Маркетинг

Разрабатываемое изделие – стенд регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени. Для повышения точности, надёжности, а так же уменьшения габаритных параметров используется современная электрорадиоэлектронная база. Цена изделия обусловлена применением дорогих материалов и новейших технологий, однако, за счёт этого обеспечиваются повышенные технологические и покупательские требования, предъявляемые к данному виду продукции. Продвижение изделия на рынке можно представить по двум направлениям: это напрямую внутреннему клиенту, Министерству обороны, либо в третьи страны через посредника, которыми с большой долей вероятности может стать «Рособоронэкспорт» ввиду специфики разрабатываемой продукции.

Надежность и не высокая стоимость является одним их главных достоинств разрабатываемой аппаратуры. Именно на этом стоит акцентировать внимание возможного клиента, также необходимого его убедить в том, что компания производитель сможет взять на себя все обязательства связанные с гарантийным и пост-гарантийным обслуживанием и ремонтом в течение всего срока службы изделия. Дальнейшее развитие отрасли предприятия станет немаловажным, что приведёт к модернизация производства, закупки новых технологий, оборудования и со временем разработки новейшей аппаратуры. Грамотное использование громадного научного потенциала коллектива, даст возможность для создания более современных и конкурентоспособных радиоэлектронных устройств. В условиях рыночной экономики это условие является гарантом обеспечения будущего для предприятия, что заставит обратить на него внимание большинство развитых стран, это в свою очередь может привести к вливанию новых инвестиций, а значит к заказам и возможному сотрудничеству с предприятиями заинтересованными в наших услугах.

6.8 Организация производства

Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники относится к опытному или мелкосерийному производству, оборот выпускаемой продукции не превышает нескольких единиц в год, этот показатель не является высоким, но данная ситуация вызвана еще и тем, что институт в первую очередь считается проектной организацией, в чьи задачи входит разработка продукции, а не её промышленный выпуск.

Поставщиками материалов являются различные предприятия радиоэлектронной промышленности, основными продуктами производства которых являются радиоэлектронные компоненты. Также в число поставщиков входят некоторые заводы по металлам и сплавам для несущих конструкций. Деловые контакты и связи со всеми этими предприятиями налажены, что не вызовет неудобств при создании данного проекта.

Во ВНИИРТе продукция изготавливается с помощью оборудования станкостроительных заводов и специальных приборов. Внедрение прогрессивных технологических средств является неотъемлемой частью для модернизации производства. В этом случае необходима закупка новых типов оборудования, как в России, так и за рубежом. Для работы на новом оборудовании и с новыми технологиями, будет необходимо повышение квалификации персонала, увеличение заработной платы и привлечение консультантов, которые помогут внедрить новые технологии на наше предприятие, а также менеджеров высокого звена из экономических структур, способных организовать производство. Высокий уровень профессионализма персонала окажет влияние не только на производство, но и на престиж предприятия, что в будущем может благоприятно сказаться на привлечении перспективных молодых сотрудников предприятия.

Кадровый вопрос является чуть ли не основным в наше время, в связи с низким уровнем зарплат, вызванным экономическим кризисом в стране и недостаточным финансированием госпредприятий, произошла утечка высококвалифицированных кадров. Привлечение опытных специалистов, при условии предоставления соответствующей зарплаты также поспособствует восстановлению кадрового состава предприятия.

Так же стоит сконцентрировать внимание на базовых кафедрах во ВНИИРТе, где ведущие специалисты предприятия преподают на высоком уровне основные дисциплины студентам, которые могли бы восполнить кадровый дефицит. В настоящее время эти кафедры довольно быстро и широко развиваются, а значит в будущем сможет дать большое количество рабочих мест для молодых специалистов. При условии обеспечения соответствующих окладов большинство из них могли бы остаться на нашем предприятии, так как ВНИИРТ может предоставить молодым специалистам интересную и перспективную, а с учетом переоборудования, и работу, идущую в ногу со временем. А в наше время это является основополагающим фактором для развития предприятия и привлечения новых кадров.

6.9 Этапы разработки

Организация опытно-конструкторских разработок (ОКР) представляет собой совокупность мероприятий, направленных на создание наилучших условий труда работников, уменьшение сроков разработок и улучшения качества проектируемых изделий. В этих разработках принимает участие коллектив исполнителей объединенных в научные и производственные подразделения. Глубокий анализ этих подразделений, участвующих в проведении данной работы и его состава может помочь в уменьшении сроков производства, или в её повышенном качестве при производстве. Между этими подразделениями образуются многочисленные и сложные взаимосвязи. Творческий коллектив самостоятельно определяет направление научно-технической работы, исполнителей отдельных этапов работ и распределяет обязанности между членами коллектива. ОКР осуществляется группой в составе 8 человек:

Формирование рабочей группы Рис.1

1)разработка ТЗ на ОКР;

Составление проекта ТЗ заказчиком. Проработка проекта ТЗ исполнителем.

Согласование и утверждение ТЗ.

2)техническое предложение;

Выявление дополнительных или уточненных требований к изделию, его техническим характеристикам и показателям качества, которые не могут быть указаны в ТЗ:

· проработка результатов НИР;

· проработка результатов прогнозирования;

· изучение научно-технической информации;

· предварительные расчеты и уточнение требований ТЗ.

3)эскизное проектирование;

Разработка принципиальных технических решений:

· выполнение работ по этапу технического предложения,

· выбор элементной базы разработки;

· выбор основных технических решений;

· разработка структурных и функциональных схем изделия;

· выбор основных конструктивных элементов;

· разработка и испытание макетов.

4)техническое проектирование;

Окончательный выбор технических решений по изделию в целом и его составным частям:

· разработка принципиальных электрических, и других схем;

· уточнение основных параметров изделия;

· проведение конструктивной компоновки изделия и выдача данных для его размещения на объекте;

· разработка проектов ТУ на поставку и изготовление изделия;

· испытание макетов основных приборов изделия в натурных условиях.

5)разработка рабочей документации для изготовления и испытаний опытного образца;

Формирование комплекта конструкторских документов:

· разработка полного комплекта рабочей документации;

· согласование ее с заказчиком и заводом-изготовителем серийной продукции;

· проверка конструкторской документации на унификацию и стандартизацию;

· изготовление в опытном производстве опытного образца;

· настройка и комплексная регулировка опытного образца.

6)изготовление и испытание опытного образца;

Проверка соответствия опытного образца требованиям ТЗ:

· стендовые испытания;

· предварительные испытания на объекте;

· испытания на надежность.

Календарное планирование работ по проектированию осуществляется по директивному графику. Разработка календарного плана производится на основе данных о трудоемкости работ из таблицы 1.

Общая продолжительность работ составляет 150 дней.

График сроков выполнения опытно-конструкторских работ.

Рис. 2

6.10 Финансовый план

Все работы полностью финансируются из государственного бюджета, прямым сметным финансированием.

6.11 Расчет сметной стоимости ОКР

При разработке устройства и регистрации, и обработки данных реального времени расходы осуществляются по следующим статьям:

· Покупные комплектующие изделия.

· Транспортно-заготовительные расходы.

· Основная заработная плата исполнителей ОКР.

· Дополнительная заработная плата исполнителей ОКР.

· Отчисления на социальные нужды.

· Накладные расходы.

1)Покупные комплектующие изделия (ПКИ).

К этой статье относится стоимость покупных изделий, комплектующих изделий, расходуемых непосредственно в процессе ОКР :

Таблица 2.

2)Транспортно-заготовительные расходы (ТЗР) составляют 15% от общей стоимости материалов, покупных и комплектующих изделий:

ТЗР = Х × 0,15 = 10249,92∙0,15 = 1537,48 руб.

3)Основная заработная плата исполнителей опытно-конструкторских работ.

На данную статью относится основная заработная плата научных сотрудников, участвующих в выполнении конкретной ОКР. Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоёмкости, затрачиваемой ими на выполнение отдельных видов работ, и их средней ставки за один рабочий месяц.

Основная заработная плата (ОЗП) разработчиков рассчитывается по следующей формуле:

где: МО – должностной оклад разработчика;

ТФ – количество фактически отработанных дней;

ТРД – число рабочих дней в месяце (ТРД≈22 дня).

Основная заработная плата исполнителей ОКР:

Таблица 3.

4)Дополнительная заработная плата (ДЗП) исполнителей ОКР.

К ней относятся выплаты, предусмотренные законодательством за не проработанное время: оплата очередных и дополнительных отпусков, выплаты вознаграждений за выслугу лет и др.

В научных учреждениях дополнительная заработная плата составляет 20 % от основной:

ДЗП = Y × 0.2 = 205750 × 0.2 = 41150 руб.

Фонд оплаты труда вычисляется как сумма ОЗП и дзп:

ФОТ = ОЗП + ДЗП = 205750 + 41150 = 246900 руб.

5)Единый соц. налог.

Отчисления на социальные нужды (СН) определяются в процентном отношении (35.6%) от суммы ОЗП и дзп, т.е от ФОТ.

ЕСН = 0.356 ×ФОТ = 0,356 × 246900 = 87896,4

ЕСН ≈ 87896,4 руб.

6)Накладные расходы.

В этом случае учитываются расходы на управление и хозяйственное обслуживание, заработная плата аппарата управления и общехозяйственных служб, затраты на проверку, содержание и текущий ремонт зданий, сооружений, оборудования и инвентаря, амортизационные отчисления на их полное восстановление и ремонт, расходы по охране труда

Накладные расходы (НР) составляют порядка 250% от основной заработной платы:

НР = 2.5 × ОЗП = 2.5 × 205750 = 514375 руб.

7)Расчет договорной цены и норматива прибыли.

Рассчитаем сначала норматив прибыли (НП). Он составляет 30% от стоимости разработки (СР):

НП = СР × 0.3 = 860958,80×0,3 = 258287,64 руб.

Договорная цена (ДЦ) может быть найдена как:

ДЦ = СР + НП = 860958,80 + 258287,64 = 1119246,45 руб.

Сметная стоимость (СС) ОКР:

Таблица 4.

6.12 Расчет экономической целесообразности проектируемого изделия

Годовой экономический эффект рассчитывается по формуле

ЭГ= [(Uа + Eн × Kа) – (Uпр + Eн × Кпр)]× N > 0

Uа и Uпр – годовые эксплуатационные расходы по аналогичному и проектируемому изделию;

Eн – коэффициент экономической эффективности капитальных вложений (» 0,2);

Kа и Кпр – цена аналогичного и проектируемого изделия;

N = 10 – число потенциальных потребителей.

Эксплуатационные расходы аналогичного и проектируемого изделий примерно равны, поэтому можно пользоваться формулой интегрального экономического эффекта:

ЭГ = (Kа - Кпр) × N;

ЭГ = (1180400 - 1119246,45) × 10 = 611535,5 руб.

Из всех выше перечисленных расчётов, при выполнении организационно-экономической части дипломного проекта было доказано, что внедрение данного прибора в производство новой модификации устройства несёт в себе сплошные выгоды.

Сравнительные показатели по базовому и новому вариантам представлены в Таблице 5.

Таблица 5

В результате обнаруживается ряд существенных преимуществ в пользу новой разработки. Повышается надежность, быстродействие, точность новой разработки за счет применения современной, более быстродействующей элементной базы, а именно использование ПЛИС, которая позволяет так же снизить энергопотребление и уменьшить габариты конечного устройства.

В связи с постоянным обновлением элементной базы, а также появлением новых быстродействующих микросхем с меньшей потребляемой мощностью электроэнергии возникает возможность модернизации. Одним из главных же преимуществ использования ПЛИС является возможность программирования или изменения конфигурации устройства непосредственно в системе, что позволяет корректировать работу ячейки.

В разработке данного устройства увеличится быстродействие, точность, надежность, что повысит ее конкурентоспособность на рынке.

6.13 Выводы

Экономической часть дипломного проекта направлена на описание стенда регистрации и обработки сигналов РЛС реального времени, доказывая, что новая элементная база несёт в себе не только обновления модификации, но и позволяет улучшить работу устройства, и упростить его настройку и использование, ну и конечно является более выгодной и целесообразной с экономической точки зрения. В этом разделе были рассмотрены этапы опытно-конструкторских работ (ОКР) продукта и наиболее вероятные сроки их выполнения. Проведён расчёт сметной стоимости (СС) ОКР и годового экономического эффекта, именно показатели этих двух величин и говорят о целесообразности изготовления проектируемого изделия.

Также в результате проделанной работы было произведено технико-экономическое обоснование данной разработки, приведен график сроков выполнения работ, по которому определено время изготовления изделия, составившего порядка 150 дней.

Обновление элементной базы даст повод задуматься о разработке новых схемных решений, позволяющих получить цифровые устройства, мало того, что не уступающие, а возможно и выигрывающие у более ранних аналогов, а значит приведёт к упрощению технологии производства и экономии мощности потребления.

Благодаря полученным представлениям о программируемыхлогическихинтегральныхсхемах можно сделать предположение о том, что модернизация данного семейства со временем будет набирать всё большее объёмы, что может привести к более простым вариантам устройств подобного функционирования, не уступающим в характеристиках.

Способность отраслей промышленности, предприятий и их подразделений изготавливать максимальное количество продукции находится в непосредственной зависимости от количества и совершенства средств труда, которыми они оснащены. Средства труда, прежде всего их активную часть, следует считать основным фактором формирования производственной мощности предприятий. Это означает, что в случае востребованности данного продукта определённым заказчиком – возрастёт интерес к его разработке, а значит перспективный рост предприятия, что станет гарантом обеспечения его будущего и интерес к нему со стороны потенциальных клиентов.

7. Экологичность и безопасность проекта

7.1 Введение

УЗО (устройство защитного отключения) - это быстродействующий автоматический выключатель, реагирующий на дифференциальный ток (ток утечки), в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Применение УЗО является единственным способом обеспечения защиты при непосредственном прикосновении человека к токоведущим частям. Обязательное применение УЗО в электрощитах вновь строящихся и реконструируемых домов, мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металическим каркасом (торговые павильоны, АЗС, складские сооружения и т.п.), котеджей, гаражей и др. предписывается требованиями ПУЭ 7-го издания (2002г.) и ряда стандартов и норм (ГОСТР51326.1-99, ГОСТ Р 51326.2.1-99, Гост Р 51329-99 комплекс стандартов ГОСТР50571, НПБ243-97, МГСН3.01-96 и др.)

В последние годы в нашей стране внедрение УЗО ведется весьма интенсивно — УЗО оснащаются в обязательном порядке все вновь строящиеся и реконструируемые жилые здания, действует требование обязательного применения УЗО при эксплуатации электроприборов и электроинструментов в особо опасных помещениях, не допускаются к эксплуатации мобильные здания из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения, не оснащенные УЗО, и т.д.

УЗО применяется для комплектации вводно-распределительных устройств (ВРУ), распределительных щитов (РЩ), групповых щитков (квартирных и этажных), а также для защиты отдельных потребителей электроэнергии.

7.2 Применение УЗО

Применение УЗО целесообразно и оправдано по социальным и экономическим причинам в электроустановках всех возможных видов и самого различного назначения.

Затраты на установку УЗО несоизмеримо меньше возможного ущерба — гибели и травм людей от поражения электрическим током, возгораний, пожаров и их последствий, произошедших из-за неисправностей электропроводки и электрооборудования. Если учесть, что стоимость одного УЗО не превышает стоимости простого бытового электроприбора, а возможный ущерб, которого можно было бы избежать, если бы УЗО было бы установлено, исчисляется огромными суммами, то становится совершенно очевидной и не требующей дополнительных доказательств необходимость скорейшего и самого широкого внедрения УЗО нового поколения во всех электроустановках.

Исключение составляют электроустановки, не допускающие по технологическим причинам перерыва в электроснабжении. В таких установках для защиты людей от поражения электрическим током должны применяться другие электрозащитные меры — контроль изоляции, разделительные трансформаторы и др.

Органы Госэнергонадзора, Государственного пожарного надзора и Энергосбыта согласовывают проектную документацию, осуществляют сертификацию электроустановок жилых домов, приемку объектов в эксплуатацию только при условии обязательного использования УЗО.

7.3 Защитное отключение

Согласно классификации по ГОСТ Р МЭК 61140-2000 защитное отключение относится к категории мер защиты: «Защита с помощью автоматического отключения источника питания» и осуществляет защиту человека от поражения в условиях неисправности электроустановки — повреждении или пробое изоляции электроустановки на корпус.

В настоящее время защитное отключение является одним из наиболее эффективных электрозащитных средств.

Современная система электробезопасности должна обеспечивать защиту человека от поражения в двух наиболее вероятных и опасных случаях:

§ при прямом прикосновении к токоведущим частям электрооборудования;

§ при косвенном прикосновении.

Под косвенным прикосновением понимается прикосновение человека коткрытым проводящим частям оборудования, на которых в нормальном режиме (исправном состоянии) электроустановки отсутствует электрический потенциал, но при каких-либо неисправностях, вызвавших нарушение изоляции или ее пробой на корпус, на этих частях возможно появление опасного для жизни человека потенциала (рис. 1).

Система электробезопасности включает в себя ряд организационных итехнических мероприятий.

Согласно ГОСТ Р 50571.3-93 п. 412 для защиты от прямого прикосновения служат мероприятия, предотвращающие прикосновение к токоведущим частям: изоляция токоведущих частей, применение ограждений и оболочек, установка барьеров, размещение вне зоны досягаемости.

Дополнительная защита от электропоражения при прямом прикосновении достигается путем применения устройств защитного отключения.

Устройство защитного отключения является превентивным электрозащитным мероприятием и в сочетании с современными системами заземления (TN-S, TN-C-S, ТТ) обеспечивает высокий уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок.

Защита от поражения при косвенном прикосновении (ГОСТ Р 50571.3-93 п. 413) обеспечивается следующими мероприятиями:

§ применением УЗО;

§ применением нулевых защитных проводников вэлектроустановках зданий с системой заземления TN или защитных проводников в электроустановках зданий с системой заземления TT в комплексе с устройствами защиты от сверхтока (предохранителями, автоматическими выключателями).

Рис. 1 Прямое (А) и косвенное (Б) прикосновение

7.4 УЗО — Эффективное противопожарное и электрозащитное средство

Устройства защитного отключения, реагирующие на дифференциальный ток, наряду с устройствами защиты от сверхтока, относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания.

Защита от сверхтока (при применении защитного зануления) обеспечивает защиту человека при косвенном прикосновении — путем отключения автоматическими выключателями или предохранителями поврежденного участка цепи при коротком замыкании на корпус.

При малых токах замыкания, снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, поэтому в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от электропоражения.

В основе действия защитного отключения, как электрозащитного средства, лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением (рис. 2).

Из всех известных электрозащитных средств УЗО является единственным, обеспечивающим защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей.

Другим не менее важным свойством УЗО является его способность осуществлять защиту от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования.

По данным ФГУ ВНИИПО МЧС России более трети всех пожаров происходят по причине возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания.

Короткие замыкания, как правило, развиваются из дефектов изоляции, замыканий на землю, утечек тока на землю. УЗО, реагируя на ток утечки на землю или защитный проводник, заблаговременно, до развития в короткое замыкание, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание.

В отдельных случаях энергии, выделяемой в месте повреждения изоляции при протекании токов утечки, достаточно для возникновения очага возгорания и, как следствие, пожара.

По данным различных отечественных и зарубежных источников, локальное возгорание изоляции может быть вызвано довольно незначительной мощностью, выделяемой в месте утечки.

Рис. 2. График областей физиологического действия на человека переменного тока (50-60 Гц) по МЭК 479-94, гл. 2,3 и времятоковые характеристики УЗО:

1 — неощутимые токи; 2 — ощутимые, но не вызывающие физиологических нарушений; 3 — ощутимые, но не вызывающие опасность фибрилляции сердца; 4 — ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность < 5%); 5 — ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность < 50%); 6 — ощутимые, вызывающие опасность фибрилляции сердца (вероятность > 50%); А (In = 10 мА) и В (In = 30 мА) — времятоковые характеристики УЗО.

Взависимости от материала и срока службы изоляции эта мощность составляет всего 40-60 Вт. Это означает, что своевременное срабатывание УЗО противопожарного назначения с уставкой 300мА предупредит выделение указанной мощности, и, следовательно, не допустит возгорания.

Принцип токовой дифференциальной защиты, ранее применявшийся для защиты оборудования — генераторов, линий, трансформаторов, был применен для защиты человека от поражения электрическим током.

Результатом масштабного внедрения УЗО явилось отмеченное официальной статистикой во всех странах резкое, на порядок и более снижение электротравматизма. УЗО давно стало привычным и обязательным элементом любой электроустановки промышленного или социально-бытового назначения. УЗО оборудованы в обязательном порядке все передвижные объекты (жилые домики-прицепы на кемпинговых площадках, торговые фургоны, фургоны общественного питания, малые временные электроустановки наружной установки, например, устраиваемые на площадях на время праздничных гуляний), ангары, гаражи. УЗО встраивают в розеточные блоки или вилки, через которые подключаются электроинструмент или бытовые электроприборы, эксплуатируемые в особо опасных — влажных, пыльных, с проводящими полами и т.п. помещениях.

Представляет интерес еще один аспект применения УЗО — во Франции устройства, реагирующие на дифференциальный ток, широко применялись в целях борьбы с хищениями электроэнергии путем использования локального заземлителя. Страховые компании при оценке риска, определяющего страховую сумму, обязательно учитывают наличие на объекте страхования УЗО и их техническое состояние.

В настоящее время на каждого жителя страны приходится всреднем по два-три устройства. Спрос на УЗО остается стабильно очень большим, поэтому многие зарубежные фирмы продолжают в значительных количествах выпускать эти устройства самых различных модификаций, постоянно их модернизируя и совершенствуя их технические параметры.

Следует отметить, что термин «устройство защитного отключения — УЗО», принятый в отечественной специальной литературе, наиболее точно определяет назначение данного устройства и его отличие от других коммутационных электрических аппаратов — автоматических выключателей, выключателей нагрузки, магнитных пускателей и т.д.

За рубежом приняты следующие обозначения:

В Германии, Австрии — Fehlerstrom-Schutzschalter.

Сокращенно: FI-Schutzschalter.

(F — Fehler — повреждение, неисправность, утечка, I — символ тока в электротехнике, Schutzschalter — защитный выключатель.

Во Франции — disjoncteur differentiel (дифференциальный вы- ключатель).

Сокращенно: DD.

В Великобритании — earth leakage circuit breaker (выключатель тока утечки на землю).

Сокращенно: e.l.c.b.

В США — Ground Fault Circuit Interrupter (размыкатель тока утечки на землю).

Сокращенно: GFCI.

В настоящее время действует международная классификация УЗО, разработанная международной электротехнической комиссией — МЭК (IEC) — (табл. 2). Принято общее название — residualcurrentprotectivedevice — RCD. Точный перевод — защитное устройство по разностному (дифференциальному) току.

Таблица 2.

Термин «УЗО» применяется в России уже многие годы, имея верную смысловую нагрузку, он получил широкое распространение и признание у всех специалистов, занимающихся как разработкой, проектированием, так и практической реализацией систем электробезопасности.

7.5 Принцип действия УЗО

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.

Принцип действия УЗО дифференциального типа основан на применении электромагнитного векторного сумматора токов — дифференциального трансформатора тока.

Сравнение текущих значений двух и более (в четырехполюсных УЗО — 4-х) токов по амплитуде и фазе наиболее эффективно, т.е. с минимальной погрешностью, осуществляется электромагнитным путем — с помощью дифференциального трансформатора тока (рис. 3).

Рис. 3. Дифференциальный трансформатор тока

Суммарный магнитный поток в сердечнике — Ф, пропорциональный разности токов в проводниках, являющихся первичными обмотками трансформатора, iL и iN, наводит во вторичной обмотке трансформатора тока соответствующую эдс, под действием которой в цепи вторичной обмотки протекает ток iвт, также пропорциональный разности первичных токов.

Следует отметить, что к магнитному сердечнику трансформатора тока электромеханического УЗО предъявляются чрезвычайно высокие требования по качеству — высокая чувствительность, линейность характеристики намагничивания, температурная и временная стабильность и т. д. По этой причине для изготовления сердечников трансформаторов тока, применяемых при производстве УЗО, используется специальное высококачественное аморфное (некристаллическое) железо.

Основные функциональные блоки УЗО представлены на рис.4.

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. В абсолютном большинстве УЗО, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока.

В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности — ТТНП, хотя понятие «нулевая последовательность» применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.

Рис. 4. Принцип действия УЗО

Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, начувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах.

Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода.

В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока — тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока.

Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как I1, а от нагрузки как I2, то можно записать равенство:

I1 = I2.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф1. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя.

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток — ток утечки (ID), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I1 + I в фазном проводнике и I2, равный I1, в нулевом рабочем проводнике) вызывает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение установки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

7.6 Виды УЗО

По техническому исполнению существуют различные виды УЗО. Ниже приведена примерная классификация УЗО.

1. По назначению:

§ УЗО без встроенной защиты от сверхтоков;

§ УЗО со встроенной защитой от сверхтоков.

2. По способу управления:

§ УЗО, функционально не зависящие от напряжения;

§ УЗО, функционально зависящие от напряжения.

УЗО, функционально зависящие от напряжения, в свою очередь, подразделяются:

§ на устройства, автоматически размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения с выдержкой времени или без нее. При восстановлении напряжения одни модели этих устройств автоматически повторно замыкают контакты своей главной цепи, другие остаются в отключенном состоянии;

§ на устройства, не размыкающие силовые контакты при исчезновении напряжения. Имеются также две варианта исполнения устройств этой группы. В одном варианте при исчезновении напряжения устройство не размыкает свои контакты, но сохраняет способность разомкнуть силовую цепь при возникновении дифференциального тока. Во втором варианте, при отсутствии напряжения, устройства неспособны произвести отключение при возникновении дифференциального тока.

3. По способу установки:

§ УЗО, применяемые для стационарной установки при неподвижной электропроводке;

§ УЗО, используемые для подвижной установки (переносного типа) и шнурового присоединения.

4. По числу полюсов и токовых путей:

§ двухполюсные с двумя защищенными полюсами;

§ четырехполюсные с четырьмя защищенными полюсами.

5. По условиям регулирования отключающего дифференциального тока:

§ УЗО с одним значением номинального отключающего дифференциального тока;

§ УЗО с несколькими фиксированными значениями отключающего дифференциального тока.

6. По условиям функционирования при наличии составляющей постоянного тока:

§ УЗО типа АС, реагирующие на синусоидальный переменный дифференциальный ток, медленно нарастающий, либо возникающий скачком;

§ УЗО типа А, реагирующие как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком.

7. По наличию задержки по времени:

§ УЗО без выдержки времени — тип общего применения;

§ УЗО с выдержкой времени — тип S (селективный).

8. По способу защиты от внешних воздействий:

§ УЗО защищенного исполнения, не требующие для своей эксплуатации защитной оболочки;

§ УЗО незащищенного исполнения, для эксплуатации которых необходима защитная оболочка.

9. По способу монтажа:

§ УЗО поверхностного монтажа;

§ УЗО утопленного монтажа;

§ УЗО панельно-щитового монтажа.

10. По характеристике мгновенного расцепления (для УЗО со встроенной защитой от сверхтоков):

§ типа В;

§ типа С;

§ типа D.

Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа:

УЗО, функционально не зависящие от напряжения питания (электромеханические). Источником энергии, необходимой для функционирования — выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является для устройства сам сигнал — дифференциальный ток, на который оно реагирует;

УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается вэнергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника.

Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, несмотря на их относительную дешевизну, более ограничено в силу их меньшей надежности (вероятность выхода из строя какого-либо из большого количества электронных компонентов довольно высока), большей подверженности электронных схем воздействию внешних факторов и др.

Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно — при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, нефункционирует, ана электроустановку по фазному проводнику выносится опасный для жизни человека потенциал.

Коммутационная аппаратура и аппаратура управления определяет следующие требования к УЗО, функционально зависящим от напряжения питания: п. 531.2.2. Выбор устройств (УЗО) с учетом их функциональной зависимости от напряжения питания. п. 531.2.2.1. Устройства защиты (УЗО), управляемые остаточным током, могут иметь или не иметь вспомогательный источник питания, принимая во внимание требования пункта 531.2.2.2. п. 531.2.2.2. Применение устройств защиты, управляемых остаточным током, со вспомогательным источником питания, не отключающего автоматически защищаемую цепь в случае отказа вспомогательного источника, разрешается только при выполнении одного из двух условий:

§ защита от непрямого контакта по п. 413.1 обеспечивается даже в случае отказа вспомогательного источника;

§ устройства монтируюся в установках, управляемых, испытываемых ипроверяемых обученным (ВА4) или высококвалифицированным (ВА5) персоналом.

В конструкции «электронных» УЗО, производимых в США, Японии, Южной Корее и в некоторых европейских странах (рис.5.), как правило, заложена функция отключения от сети защищаемой электроустановки при исчезновении напряжения питания.

Рис. 5. «Электронное» УЗО с функцией отключения сети

1 — дифференциальный трансформатор тока; 2 — электронный усилитель; 3 — тестовая цепь; 4 — удерживающее реле; 5 — блок управления; Н — нагрузка; Т — кнопка «Тест».

Эта функция конструктивно реализуется с помощью электромагнитного реле, работающего в режиме самоудерживания. Силовые контакты реле находятся во включенном положении только при протекании тока по его обмотке (аналогично магнитному пускателю). При исчезновении напряжения на вводных зажимах устройства якорь реле отпадает, при этом силовые контакты размыкаются, защищаемая электроустановка обесточивается. Подобная конструкция УЗО обеспечивает гарантированную защиту от поражения человека в электроустановке ивслучае обрыва нулевого проводника.

К сожалению, в нашей стране, в отличие от общепринятой в мировой практике концепции, целый ряд предприятий выпускает электронные УЗО на базе типового автоматического выключателя.

Конструктивно такие устройства представляют из себя электронный модуль, реагирующий на дифференциальный ток, скомпонованный с автоматическим выключателем и управляющий этим выключателем. Электронный модуль, содержит в себе трансформатор тока, источник питания — выпрямитель, питающийся через резисторы от контролируемой сети, электронный усилитель с пороговым устройством и исполнительное устройство — тиристор или реле. В большинстве устройств такого типа автоматический выключатель выполняет свои функции лишь частично (по одному полюсу), так как катушка токовой отсечки второго полюса выключателя исключается из цепи рабочего тока. Эта катушка модифицируется (увеличивается количество витков) и подключается к выходу усилителя электронного модуля, выполняя функции исполнительного устройства — при подаче на нее тока производит отключение автоматического выключателя. При применении таких устройств важно соблюдать фазировку входных цепей, чтобы оставшаяся в одном полюсе токовая отсечка автоматического выключателя была включена в цепь фазного, а не нулевого проводника.

Еще одним серьезным недостатком этих устройств является их не инвариантность по стороне подключения питающей сети и нагрузки, в отличие от электромеханических УЗО, к которым сеть и нагрузка могут быть подключены с любой стороны. Это вызывает большие неудобства при монтаже щитов.

Функционируют такие электронные устройства следующим образом.

При возникновении дифференциального тока с модуля защитного отключения на скомпонованный с модулем автоматический выключатель подается либо электрический сигнал (на модифицированную катушку токовой отсечки), либо с якоря промежуточного реле через поводок осуществляется механическое воздействие на механизм свободного расцепления выключателя. В результате автоматический выключатель срабатывает иотключает защищаемую цепь от сети.

При отсутствии напряжения навходных зажимах такого устройства (например, при обрыве нулевого проводника до УЗО по направлению к источнику питания), во-первых, из-за отсутствия питания не функционирует электронный усилитель, во-вторых, отсутствует энергия, необходимая для срабатывания автоматического выключателя.

Таким образом, в случае обрыва нулевого проводника в питающей сети устройство неработоспособно и не защищает контролируемую цепь.

При этом в данном аварийном режиме (при обрыве нулевого проводника) опасность поражения человека электрическим током усугубляется, так как пофазному проводнику через неразомкнутые контакты автоматического выключателя в электроустановку выносится потенциал.

Электромеханические УЗО производят ведущие европейские фирмы — ABB, AEG, ABL Sursum, Baco, Circutor, GE Power, Hager, Kopp, Legrand, Merlin-Gerin, Siemens и др.

В России большое распространение получили электромеханические устройства — АСТРО*УЗО. Более 50 модификаций АСТРО*УЗО серийно производятся государственным предприятием — ОПЗ МЭИ.

Существует класс приборов — УЗО со встроенной защитой от сверхтоков (RCBO), так называемые «комбинированные» УЗО (рис.6.).

Рис. 6. Устройство УЗО со встроенной защитой от сверхтоков

1 — катушка токовой отсечки; 2 — биметаллическая пластина; 3 — дифференциальный трансформатор тока; 4 — магнитоэлектрический расцепитель, реагирующий на дифференциальный ток; 5 — тестовый резистор; 6 — силовые контакты; Н — нагрузка; Т — кнопка «Тест».

Практически все фирмы-производители УЗО имеют в своей производственной программе УЗО со встроенной защитой от сверхтоков. Как правило, их доля в общем объеме выпускаемых устройств защитного отключения не превышает одного-двух процентов. Это объясняется довольно ограниченной областью их применения — сравнительно небольшая, неизменяемая нагрузка, автономные электроприемники и т.п.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Конструктивной особенностью УЗО со встроенной защитой от сверхтоков является то, что механизм размыкания силовых контактов запускается при воздействии на него любого из трех элементов — катушки с сердечником токовой отсечки, реагирующей на ток короткого замыкания, биметаллической пластины, реагирующей на токи перегрузки и магнитоэлектрического расцепителя, реагирующего на дифференциальный ток.

Применение УЗО со встроенной защитой от сверхтоков целесообразно лишь в обоснованных случаях, например, для одиночных потребителей электроэнергии.

7.7 Обеспечение электробезопасности дипломного проекта

Во избежание поражения человека электрическим током в проекте необходимо предусмотреть установку устройства защитного отключения. В самом стенде как такового блока питания нет, он не питается от 220В. На входе стенда 5В и -5В (потребление не более 1А), то есть блок питания – внешний. Блок питания подсоединяется к сети 220В 50Гц, соответственно устройство защитного отключения необходимо поставить до блока питания.

Номинальное напряжение, номинальный ток, номинальный отключающий дифференциальный ток – все эти параметры выбираются на основе технических параметров проектируемой электроустановки.

Качество и надежность работы УЗО определяется рядом параметров, прежде всего номинальным условным током короткого замыкания (Inc) и номинальной включающей и отключающей (коммутационной) способностью (Im). Номинальный условный ток короткого замыкания - характеристика, определяющая надежность и прочность устройства, качество исполнения его механизма и электрических соединений (минимально допустимое значение Inc=3 кА.). Коммутационная способность УЗО согласно требованиям норм, должна быть не менее десятикратного значения номинального тока или 500 А. [4]

Качественные устройства имеют, как правило, гораздо более высокую коммутационную способность — 1000, 1500 А. Это означает, что такие устройства надежнее, и в аварийных режимах, например, при коротком замыкании на землю, устройства защитного отключения, опережая автоматические выключатели, гарантированно произведут отключение. [4]

Выбор устройства защитного отключения зависит от параметров сети (1 или 3 фазы и номинальный ток). Однако основной показатель при выборе — это значение тока утечки. Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превышать 1/3 номинального тока УЗО. При отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4 мА на 1 А тока нагрузки, а ток утечки сети — из расчета 10 мкА на 1 м длины фазного проводника.

Приблизительные значения токов утечки, возникающих при использовании бытового и офисного электрооборудования, составляют: принтер <1мА; компьютер 1 — 2мА; ксерокс 0,5 — 1мА; электробытовой прибор <0,75мА. [4]

То есть, если в лаборатории имеются компьютеры, ксероксы, факсы, следует выбирать УЗО класса А. Достаточно подключить в контур розеток одно УЗО, рассчитанное на ток утечки в 30 мА.

Исходя из параметров и класса оборудования для нашего проекта необходимо УЗО со следующими параметрами:

§ без встроенной защиты от сверхтоков;

§ функционально не зависящее от напряжения;

§ применяемое для стационарной установки при неподвижной электропроводке;

§ двухполюсное с двумя защищенными полюсами;

§ типа А, реагирующее как на синусоидальный переменный дифференциальный ток, так и на пульсирующий постоянный дифференциальный ток, медленно нарастающие, либо возникающие скачком;

§ без выдержки времени.

Номинальное напряжение (UН) - действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО;

UН = 220В.

Номинальный ток нагрузки (IН) - значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы. Поскольку УЗО должно быть защищено последовательным защитным устройством (ПЗУ), номинальный ток нагрузки УЗО должен быть скоординирован с номинальным током ПЗУ. В нашем случае ПЗУ – 10А, следовательно:

IН = 16A.

Номинальный отключающий дифференциальный ток (I∆Н) - значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО в условиях эксплуатации; Согласно требованиям ПУЭ номинальный дифференциальный отключающий ток УЗО должен быть не менее чем в три раза больше суммарного тока утечки защищаемой цепи электроустановки - I∆.

I∆Н > = 3 I∆.

1. длина силового питающего кабеля ~ 132 м (ток утечки 1,32 мА)

2. длина греющих секций ~ 48 м (ток утечки 0,48 мА)

3. ток нагрузки греющих секций - примерно 4,4 А (1,8 мА)

Если суммировать только токи 1. и 3. то можно взять УЗО на 10 мА А если суммировать все три величины, то уже надо применять УЗО 30 мА.

Соответственно: I∆Н = 0,3A.

Номинальный неотключающий дифференциальный ток (I∆НО) - значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации;

I∆НО =0,5 I∆Н., следовательно I∆НО = 0,15А

Предельное значение неотключающего сверхтока (IНМ) -

минимальное значение сверхтока при симметричной нагруз-

ке двух и четырех полюсных УЗО;

IНМ = 6 IН., IНМ = 100А

Номинальный условный ток короткого замыкания (ток термической стойкости) (IНС) - действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий - плавкой вставкой с номинальным током, равным току нагрузки УЗО;

IНС = 10000А.

Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания (I∆С) - действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность;

I∆С = 10000А.

В электроустановке здания с типом системы заземления TN-C-S является отсутствие в зоне действия УЗО любых соединений нулевого рабочего проводника (N) с заземленными элементами электроустановки и нулевым защитным проводником (PE). В точке разделения PEN-проводника необходимо предусмотреть раздельные зажимы или шины нулевого рабочего (N) и нулевого защитного (PE) проводников. PEN-проводник, совмещающий функции рабочего и защитного, должен подключаться к зажиму, предназначенному для нулевого защитного проводника. [3]

Рис. 1. Схема электроснабжения (электрическая сеть системы заземления TN-C-S)

При этом монтаж УЗО должен осуществляться только квалифицированным персоналом, имеющим лицензию на выполнение электромонтажных работ. При монтаже УЗО необходимо будет провести внимательное исследование системы заземления в конкретной электроустановке и выполнить четкое разделение нулевого рабочего и нулевого защитного проводников в зоне защиты УЗО. Для правильного функционирования УЗО необходимо, чтобы в зоне защиты УЗО нулевой рабочий проводник не имел электрического контакта сзаземленными элементами установки. [1]

7.8 Вывод

Таким образом из возможных модификаций устройств защитного отключения (УЗО) наиболее подходящим для данного дипломного проекта является АСТРО*УЗО Ф-1211.

Заключение

В рассматриваемом дипломном проекте был спроектирован стенд регистрации и обработки данных реального времени. По сформированному техническому заданию была выбрана и обоснованна структурная и электрическая принципиальная схема устройства.

Была произведена оценка и расчет быстродействия и потребляемой мощности устройства, расчёт и моделирование тестовых сигналов. Был проведён эксперимент, где мы оценили правильность работы устройства и работу программного обеспечения.

В ходе дипломного проектирования было обоснованно использование современной элементной базы, а именно, ПЛИС. Учитывая что архитектурные особенности ПЛИС как нельзя лучше приспособлены для реализации, а также, автоматизированный и удобный процесс создания проектов в САПР (Altera MAX Plus II, Quartus II) и возможность программирования или изменения конфигурации непосредственно в системе становится понятно, что переход на ПЛИС открывает широкие перспективы и делает процесс создания цифровых устройств значительно более удобным.

В конструкторской части были описаны основные конструктивные особенности стенда. В технологической части была описана технология многослойных печатных плат примененная при изготовлении устройства. Также был обоснован выбор именно данной технологии.

В экономической части был составлен бизнес-план работ по производству стенда, а также доказана целесообразность перехода на современную элементную базу.

В части экологичности и безопасности дипломного проекта были рассмотрены устройства защитного отключения (УЗО). А также, было подобрано соответствующее УЗО для полного обеспечения системы электробезопасности нашего дипломного проекта.

Список литературы

1. Башкатов И.П., Васильев А.Г., Гладышев И.В., Савицкий В.А.; под общ. ред. Парамонова В.А. Методические указания по дипломному проектированию. – М.: МИРЭА, 2001. – 56 с.

2. Казаринов Ю. М. Радиотехнические системы. – М: 1990.

3. Л.Рабинер, Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1978

4. Д. С. Потехин, И.Е. Тарасов Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС. – М: Горячая Линия - Телеком, 2007. – 250 с.

5. Стешенко В.Б., Плис фирмы Altera. Проектирование устройств. – М: Мировая электроника, 2002

6. Медведев А.М. Технология производства печатных плат. - М.: Техносфера, 2005.

7. Грибов В.Д., Грузинов В.П. Экономика предприятия. – М.: Финансы и статистика, 2007. – 336 с.

8. Маниловский Р.Г. Бизнес-план. Методические материалы. 3-е издание. – Финансы и статистика, 2000.

9. Сергеев И.В. Экономика организации предприятия. – М.: Финансы и статистика, 2007. – 574 с.

10. Колбачев Е.Б. Организация, нормирование и оплата труда на предприятиях: Учебное пособие для вузов., изд. 4-е, изм., доп. «Феникс», 2004. – 224с.

11. HTML-версия учебно-справочного пособия "УЗО". Издательство "Энергосервис", 2003. http://www.uzo.ru © 2001-2007 ЗАО "АСТРО-УЗО"

Размещено на http://www.allbest.ru/