1.2 Обзор аналогов и прототипов

В ходе работы был рассмотрен блок управления и контроля закрылок БУКЗ-400.

БУКЗ-400 предназначен для дистанционного следящего управления и контроля двух типовых каналов управления: закрылками и предкрылками. Структурная схема БУКЗ-400 представлена на рисунке 1.5.

В корпусе блока размещены следующие функциональные устройства:

• коммутатор входных сигналов (КВС);

• устройство управления и контроля (УУК);

• устройство логики (УЛ);

• устройство усилителей (УУ);

• блок питания (БП);

• устройство согласования (УС).

Рисунок 1.5 – Структурная схема БУКЗ-400

Основные элементы структурной схемы:

• Коммутатор входных сигналов

Служит для запитки и подключения потенциометрических датчиков к УУК по сигналам программного устройства УУК. КВС функционально состоит из двух одинаковых коммутаторов канала (КК).

• Устройство управления и контроля

Служит для управления работой блока БУКЗ и для автоматического контроля работы каналов. УУК состоит функционально из программного устройства (ПУ), устройства сравнения напряжений (УСН) и устройства автоконтроля (УАК).

• Устройство усилителей

Осуществляет коммутацию напряжения питания в цепях клапанов управления гидроприводами и цепях сигнализации.

• Устройство согласования

Является двухканальным формирователем и участвует в работе блока БУКЗ при отсутствии задающих датчиков.

УС служит для формирования в каждом канале напряжений с фиксированным уровнем 5В, которые поступают в КВС и на соответствующие клеммы блока вместо задающих сигналов.

• Блок питания

Используется для питания датчиков и устройств, преобразовывает напряжение питания +27В в ряд стабилизированных напряжений: ±14В, +10В, +5В.

БУКЗ-400 обеспечивает управление закрылками и предкрылками самолета только в следящем (без автоматической коррекции) и резервном режимах. Невозможность анализа текущих параметров полета затрудняет определение допустимых положений закрылков и предкрылков.

2 Основное направление проектирования

2.1 Обоснование выбора способов и средств автоматизации или модернизации объекта

Современный этап развития автоматизации характеризуется значительным усложнением решаемых задач в связи с переходом от автоматизации отдельных объектов управления к комплексной автоматизации многих взаимосвязанных объектов и постоянным возрастанием требований к качественным показателям процесса управления.

Эффективность работы различных систем управления во многом зависит от локальных устройств, осуществляющих функции измерения, преобразования, передачи информации и использования ее для управления.

Одной из важных задач при создании и эксплуатации систем управления является обеспечение качественной работы автоматических систем контроля.

2.2 Разработка структур аппаратных средств автоматизации объекта

2.2.1 Описание устройства контроля СУПМ

Система управления приводами механизации состоит из двух цифровых блоков БУПМ, формирующих управляющие сигналы на гидромоторы приводов закрылков и предкрылков и тормоза ТЭМ.

Рисунок 2.1 – Структурная схема УК

БУПМ состоит из УУ и УК, в состав которого входит устройство тестирования и индикации. Структурная схема УК представлена на рисунке 2.1.

УК имеет свой БП и функционирует на протяжении всего полета. Обмен информацией между УУ и УК осуществляется по SPI-интерфейсу.

Сигналы с датчиков положения трансмиссий закрылков и предкрылков БР в виде напряжения поступают в АЦП микроконтроллера, где после контроля на достоверность реализуются функции контроля трансмиссий закрылков и предкрылков:

• контроль наличия рассогласования между правыми и левыми секциями;

• контроль неверного направления перемещения;

• контроль превышения максимальной скорости перемещения;

• контроль самопроизвольного перемещения.

При формировании сигналов на разрешение затормаживания тормозов закрылков (предкрылков) в обоих каналах производится выдача сигналов на затормаживание тормозов ТЭМ и выключение гидромоторов приводов закрылков (предкрылков).

Встроенная система контроля УК обеспечивает непрерывный контроль аппаратных и программных средств канала управления тормозами и, в случае отказа управления тормозами закрылков (предкрылков), формирует сигналы ОУТз(п), которые после усиления передаются в бортовые системы.

В случае наличия сигнала ОУТ в первом канале или физического отсутствия УК одного канала система будет работать от одного оставшегося работоспособным канала.

В случае наличия сигнала ОУТ в обоих каналах формируется сигнал на включение тормозов трансмиссий ТЭМ и выключение гидропривода закрылков (предкрылков).

УК формирует и передает в последовательном коде во взаимодействующие системы слово состояния БУПМ.

УК осуществляет обмен информацией в последовательном коде в соответствии с интерфейсом ARINC-429 с БУПМ второго канала системы.

Устройство тестирования и отображения информации (УТИ) содержит кнопки, тумблеры, индикаторы с дешифратором и обеспечивает отображение информации о состоянии конструктивно-съемных единиц системы в обычном режиме работы и тестовой информации при проверках.

2.2.2 Описание интерфейса SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широко-используемым интерфейсам для соединения микросхем. Шина SPI организована по принципу «ведущий-подчиненный».

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.

Электрическое подключение

Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала:

• MOSI или SI — выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому;

• MISO или SO — вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему;

• SCLK или SCK — последовательный тактовый сигнал (англ. Serial Clock). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств;

• CS или SS — выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select).

Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Простейшее подключение к шине SPI

Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных.

При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 2.3), либо каскадное (последовательное) (рис. 2.4).

Рисунок 2.3 - Независимое подключение к шине SPI

Независимое подключение более распространенное, т.к. достигается при использовании любых SPI-совместимых микросхем. Здесь, все сигналы, кроме выбора микросхем, соединены параллельно, а ведущий шины, переводом того или иного сигнала SS в низкое состояние, задает, с какой подчиненной ИС он будет обмениваться данными. Главным недостатком такого подключения является необходимость в дополнительных линиях для адресации подчиненных микросхем (общее число линий связи равно 3+n, где n-количество подчиненных микросхем).

Рисунок 2.4 - Каскадное подключение к шине SPI

Каскадное включение избавлено от этого недостатка, т.к. здесь из нескольких микросхем образуется один большой сдвиговый регистр. Для этого выход передачи данных одной ИС соединяется со входом приема данных другой, как показано на рисунке 2.4. Входы выбора микросхем здесь соединены параллельно и, таким образом, общее число линий связи сохранено равным 4. Однако использование каскадного подключения возможно только в том случае, если его поддержка указана в документации на используемые микросхемы.

Протокол передачи

Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:

CPOL – исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));

CPHA – фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему). Информация по режимам SPI обобщена в таблице 1.

Таблица 1 - Режимы обмена SPI

Режим SPI	0	1	2	3
CPOL	0	1	0	1
CPHA	0	0	1	1
Временная диаграмма первого цикла синхронизации

Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.

Преимущества шины SPI:

• предельная простота протокола передачи на физическом уровне обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное быстродействие шины SPI измеряется десятками мегагерц и, поэтому, она идеальна для потоковой передачи больших объемов данных;

• все линии шины SPI являются однонаправленными, что существенно упрощает решение задачи преобразования уровней и гальванической изоляции микросхем;

• простота программной реализации протокола SPI.

2.2.3 Описание интерфейса ARINC-429

ARINC-429 является международным общепринятым стандартом для гражданской авиации и утверждает единые принципы создания сети передачи данных между авиационными системами. Отечественный стандарт на этот интерфейс: ГОСТ 18977-79. Стандарт разработан с учетом высоких требований к надежности авиационных систем.

Высокая стоимость комплектующих не позволила ему выйти за пределы отрасли и распространиться в промышленных системах. К тому же порты интерфейса ARINC-429 требуют использования нескольких источников питания. Гальваническая развязка портов стандартом не предусмотрена.

ARINC-429 является двухпроводной шиной данных. Среда передачи данных представляет собой симметричную двухпроводную линию «витая пара» в экране. По обеим линиям пары передается сходная информация, представленная в инверсном виде. Таким образом, информация избыточна, что способствует надежности передачи данных. Инверсный вид сигналов на линиях обеспечивает подавление синфазной помехи. Состояния шины передачи данных интерфейса ARINC-429 представлены в таблице 2, разрешенные состояния представлены на рисунке 2.5.

Таблица 2 –Состояния шины данных

Статус	Линия А	Линия В	А-В	Описание состояния
Разрешенные состояния	0 В	0 В	0 В	Нет сигнала. Промежутки между битами или словами.
	+5 В	-5 В	+10 В	Логическая «1»
	-5 В	+5 В	-10 В	Логический «0»
Запрещенные состояния	0 В	-5 В	+5 В	Обрыв, замыкание линии А или помеха на линии В.
	0 В	+5 В	-5 В
	-5 В	0 В	-5 В	Обрыв, замыкание линии В или помеха на линии А.
	+5 В	0 В	+5 В

Рисунок 2.5 – Формы напряжений на линиях передачи данных

интерфейса ARINC-429

Каждое слово ARINC — 32-битовая величина, которая содержит пять битовых полей:

1. Бит 32 является паритетным битом, и используется для проверки того, что слово не было повреждено или искажено во время передачи. Бит четности.

2. Биты 30 — 31 являются «Матрицей Признака» или статуса, или SSM (Sign/Status Matrix), и часто указывают, действительны ли данные в слове.

• Рабочее состояние — данные в этом слове, как полагают, являются правильными данными.

• Тестовое состояние — данные предоставляются для тестовых целей.

• Отказ — Отказ аппаратных средств, связанных с выдачей этого слова.

• Отсутствуют — Данные отсутствуют, неточные или устаревшие по некоторым причинам кроме отказа аппаратных средств. Например, команды автопилота покажут это состояние, когда автопилот не будет включён.

• Иногда данное поле может указывать знак (+/-) данных или быть частью информации. Для передачи отрицательного значения используется обратный код.

3. Биты 11 — 29 содержат основные данные. Формат битового поля бывает различным.

4. Биты 9 и 10 — Идентификаторы «Источника/Назначения». Указывают, для какого приёмника предназначены эти данные или, более часто, какая подсистема передала данные.

5. Биты 1 — 8 содержат идентификатор типа данных. Это адрес в двоично-восьмеричной системе.хх-сотни, ххх-десятки, ххх-единицы адреса.

Спецификация определяет электрические характеристики, характеристики обмена данными и протоколы. ARINC-429 использует однонаправленный стандарт шины данных (линии передачи и приёма физически разделены). Сообщения передаются на одной из трёх скоростей: 12,5, 50 или 100 Кбит/сек. Передатчик всегда активен, он либо передаёт 32-битовые слова данных или выдаёт «пустой» уровень. На шине допускается не более 20 приёмников, и не более одного передатчика.