ГОУВПО ”Воронежский государственный
технический университет”
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА
ПРИБОРОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ
Межвузовский сборник научных трудов
Воронеж 2007
УДК 621. 396. 6: 621. 315. 616. 97: 658:562
Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2007. 265 с.
В межвузовском сборнике научных трудов представлены статьи, посвященные вопросам анализа и прогнозирования надёжности и качества приборов, устройств и технических систем, применению математического моделирования в оптимальном проектировании приборов и устройств различного назначения, физико-технологическим аспектам повышения надёжности промышленных изделий. Материалы сборника соответствуют научному направлению “Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приёма, обработки и защиты информации”, отражающему отдельные разделы перечня Критических технологий Российской Федерации, утвержденного Президентом Российской Федерации.
Сборник предназначен для аспирантов и научных сотрудников.
Сборник подготовлен в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD, содержится в файле Сборник КИПРА 2007.doc, объем файла 11 Mb.
Редакционная коллегия:
А.В. Муратов - д-р техн. наук, проф. - ответственный редактор,
Воронежский государственный технический университет;
О.Ю. Макаров - д-р техн. наук, проф. - зам. ответственного редактора, Воронежский государственный технический университет;
П.П. Чураков - д-р техн. наук, проф., Пензенский государственный
университет;
В.Г. Керков - канд. техн. наук, доц., Федеральный государственный научно-исследовательский и испытательный центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности;
А.А. Чаплыгин – канд. техн. наук, ОАО «Концерн «Созвездие»»;
С.Д. Кретов - канд. техн. наук, доц. - технический редактор,
Воронежский государственный технический университет;
О.В. Урминская - ответственный секретарь, Воронежский государственный технический университет
Рецензенты: кафедра информационно-технического обеспечения органов внутренних дел Воронежского института МВД России;
д-р техн. наук, проф. Н.И. Баранников
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© Коллектив авторов, 2007
© Оформление. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007
Введение
Одной из важнейших задач на современном этапе в области радиоэлектроники и приборостроения является обеспечение надежности и качества радиоэлектронных устройств и комплексов, приборов, сложных технических и технико-информационных систем, повышение эффективности и устойчивости их функционирования. Поэтому решение комплекса соответствующих вопросов является одной из важнейших составляющих процесса разработки и эксплуатации таких устройств и систем, во многом определяющих области их применения и уровень конкурентоспособности.
В статьях, представленных в настоящем сборнике, рассматриваются различные задачи и вопросы, связанные с анализом, моделированием показателей надежности, подходы и методы ее обеспечения и повышения качества и технического уровня радиоэлектронных устройств, технических комплексов, информационных систем на этапах их проектирования, производства и эксплуатации, постановка и методы решения связанных с этим задач.
Данные работы выполнены на базе проведенных авторами исследований в области структурной и параметрической надежности, создания методов построения и проектирования надежных устройств, приборов и систем, анализа показателей качества технических устройств и программно-технических комплексов и систем, разработки новых качественных материалов и технологических процессов. Материалы, представленные в сборнике, могут быть полезны специалистам, занимающимся проектированием и эксплуатацией качества радиоэлектронных устройств и комплексов, приборов и систем, а также аспирантам и студентам соответствующих специальностей.
УДК 681.3
А.В. Муратов, В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов
АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ СБИС
И СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ
С повышением степени интеграции общая тенденция проектирования цифровых СБИС заключается в стирании существующих различий между этапами чисто логического и схемотехнического проектирования. Используются новые методы разработки на основе более высокой степени абстракции, с использованием современных САПР, и новые методы структурной организации БИС, таких как система на кристалле
Системы на кристалле (СнК) – это методология разработки заказных микросхем на основе уже готовых сложнофункциональных блоков (IP-модулей). Не все заказные схемы разрабатываются в соответствии с этой методологией. Изделия с относительно небольшим числом элементов (до одного миллиона) или с предельными требованиями к электрическим и эксплутационным параметрам целесообразно разрабатывать по традиционному маршруту одним коллективом разработчиков. Сложнофункциональные блоки, разработанные для традиционных заказных интегральных микросхем, могут быть использованы повторно при проектировании систем на кристалле. Производственной основой современных СнК является субмикронная КМОП – технология. Предельное быстродействие в СнК обычно требуется для синхрогенераторов и блоков ввода – вывода информации. Предварительную оценку возможностей техпроцесса можно сделать на основе результатов завершенных разработок.
Требуемые технические показатели системы на кристалле могут ограничиваться разными факторами: возможностями полупроводниковой технологии, конструкцией корпуса, условиями теплоотвода в аппаратуре и другими.
В большинстве случаев каждый из этих ограничивающих факторов можно изменить путем перехода на более дорогие технические решения. Например, уменьшить конструктивно - технологические размеры физической структуры кристалла, использовать многокристальные модули и принудительное охлаждение корпусов. Однако себестоимость продукции при этом может возрасти в несколько раз и сделать изделие неконкурентоспособным. Поэтому предельные параметры СнК рассматриваются в рамках конкретных конструктивно – технологических и экономических ограничений. В такой ситуации существует опасность, что требования, установленные в техническом задании, не могут быть выполнены используемыми средствами [1].
Рассмотрим далее наиболее распространенные средства САПР, применяемые при проектировании и верификации топологии СнК.
Приборно-технологическая САПР «ISE Tcad» ориентирована на проектирование элементной базы СнК и позволяет осуществить сквозное моделирование, как интегральных полупроводниковых структур, так и дискретных элементов, рассчитать полный набор статических, динамических и частотных характеристик активных и пассивных элементов СнК.
Система «Tanner EDA» является универсальным пакетом программ комплексного проектирования топологии СнК и предназначена для полного цикла проектирования и верификации полученного проекта.
Средство визуализации и редактирования топологии СнК на завершающем этапе подготовки кристалла к выдаче на изготовление включает все основные функции редактирования полигонов и ячеек, масштабирования отдельных областей и коррекции ошибок с последующим сохранением файла и перезапуском DRC (design rule check)/LVS (layout versus schematic) -верификации [2]. Обеспечивается высокая точность DRC-верификации и исчерпывающий LVS-анализ ячеек, блоков, и кристаллов в целом. Для всех существующих технологических процессов, норм и типов проектов данный программный продукт может быть наиболее оптимальным решением.
На рисунке представлена схема маршрута проектирования топологии систем на кристалле.
Основные этапы проектирования топологии систем на кристалле:
1. Техническое задание.
Формулирование основных требований к проектируемой топологии СнК. Требований к выходным характеристикам, условиям эксплуатации, технологии производства и т.д.
Маршрут проектирования топологии СнК
с использованием современных САПР
2. Проектирование элементной базы топологии СнК.
Осуществляется при помощи пакета программ «ISE Tcad» и включает в себя моделирование технологических процессов полупроводниковых структур, моделирование топографии слоев полупроводниковых приборов.
3. Проектирование топологического чертежа СнК.
Осуществляется при помощи пакета программ «Tanner EDA» (L-Edit). Исходными данными для разработки являются:
Схема электрическая принципиальная;
Линейные габаритные размеры элементов, используемых в схеме, топологические нормы и ограничения;
Модели полупроводниковых элементов полученных на предыдущем этапе.
DRC - верификация.
Создание DRC – библиотек топологических норм, на основе полученных данных технического задания. Проверка всего проекта на соответствие данным нормам.
LVS – верификация.
Получение Spice - описания схемы и элементов при помощи пакета «Tanner T-Spice» и «Tanner LVS», полученных из топологического чертежа и принципиальной схемы. Осуществляется проверка целостности схемы, правильности подключения элементов, проверка выходных параметров и характеристик в контрольных узлах схемы, путем сравнения Spice - кода.
4. Получение топологии в формате GDSII (Tanner L-Edit), предназначенного для использования непосредственно в процессе производства [2].
Литература
1. Ломов А.Б. Проектирование гибридных интегральных микросхем. М.: “МКИП”, 1997. 324 с.: ил.
2. Немудров В.Д., Мартин Г.В. Системы на кристалле. Проектирование и развитие. М.: Техносфера, 2004. 246 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
О.Ю. Макаров, И.Б. Шапошников
Выбор методов тестирования клиентской части
АСУ рынка FOREX
В статье описывается процедура выбора методов тестирования клиентской части АСУ рынка FOREX, обеспечивающих максимальную скорость разработки, функциональность и надежность работы системы
Принципы кодирования и тестирования клиентской части АСУ рынка FOREX значительно отличаются от принципов кодирования базы данных или серверной части. Это связано с требованиями, предъявляемыми к клиентской части ПО на указанном сегменте рынка. В связи с бурным развитием биржевой торговли с помощью Интернет, требования, которым должен удовлетворять терминал трейдера, на современном этапе не полностью определены. Следовательно, при его проектировании на первый план выступает не надежность, а быстрота реагирования на изменяющиеся запросы рынка.
Быстроту проектирования и перепроектирования клиентского ПО можно обеспечить следующими путями:
Использованием технологии экстремального программирования вместо унифицированного процесса разработки программ.
Простотой языка кодирования, позволяющей распространять программу методом «открытого кода».
Максимальной гибкостью функционирования программы, достигаемой путем предоставления возможности настройки как можно большего числа параметров программы непосредственно на месте.
В связи с перечисленными требованиями особенно эффективно использование технологии экстремального программирования (XP). В XP отсутствует понятие технологической процедуры. Единственной моделью системы является ее полноразмерный упрощенный вариант. То есть, если в традиционных моделях жизненного цикла реально функционирующая модель системы создается только на этапе тестирования, в XP она является результатом любого этапа работ.
Для реализации приведенной парадигмы при проектировании клиентской части АСУ рынка FOREX использовались следующие методики [1]:
Игра в планирование (planning game) – определяет перечень задач, которые необходимо реализовать в следующей версии продукта.
Небольшие версии (small releases) – самая первая упрощенная версия системы быстро вводится в эксплуатацию, после чего через относительно короткие промежутки времени происходит выпуск версии за версией.
Метафора (metaphor) – это простая общедоступная и общеизвестная история, которая коротко описывает, как работает вся система. Эта история управляет всем процессом разработки.
Простой дизайн (simple design) – в каждый момент времени система должна быть спроектирована так просто, как это возможно. Чрезмерная сложность устраняется, как только ее обнаруживают.
Тестирование (testing) – разработчики постоянно пишут тесты для модулей. Для того, чтобы разработка продолжалась, все тесты должны срабатывать. Заказчики пишут тесты, которые демонстрируют работоспособность и завершенность той или иной возможности системы.
Переработка (refactoring) – разработчики реконструируют систему, не изменяя при этом ее поведения. При этом они устраняют дублирование кода, улучшают коммуникацию, упрощают код и повышают его гибкость.
Программирование парами (pair programming) – весь разрабатываемый код пишется двумя разработчиками на одном компьютере.
Коллективное владение (collective ownership) – в любой момент времени любой член команды может изменить любой код в любом месте системы.
Непрерывная интеграция (continuous integration) – система интегрируется и собирается множество раз в день. Это происходит каждый раз, когда завершается решение очередной задачи.
40-часовая неделя (40-hour week) - разработчики работают не более 40 часов в неделю. Никогда нельзя работать сверхурочно две недели подряд.
Заказчик на месте разработки (on-site customer) – в состав команды входит реальный живой пользователь системы. Он доступен в течение всего рабочего дня и способен отвечать на вопросы о системе.
Стандарты кодирования (coding standards) – разработчики пишут весь код в соответствии с правилами, которые обеспечивают коммуникацию при помощи кода.
Любая из приведенных методик сама по себе плохо приспособлена для использования в рамках проекта. Чтобы обеспечить их эффективное применение на практике, XP рекомендует использовать их все одновременно, выбрав одну в качестве основной методики, вокруг которой строятся все остальные.
В применении к клиентской части АСУ рынка FOREX ключевой методикой было выбрано тестирование [2], поскольку удаленность конечного заказчика (трейдера) не дает возможности частой смены версий программы по причине низкой пропускной способности каналов связи и дороговизны трафика. Следовательно, именно полнота и качество тестирования определяет удобство пользования конечным продуктом на стороне клиента.
Противоречие между требованиями максимально быстрого внедрения и смены версий клиентской части АСУ рынка FOREX и обеспечения ее бессбойной работы было разрешено путем создания специальной группы привилегированных пользователей, осуществляющих предварительное тестирование и оценку очередной версии программы, а также самостоятельно дорабатывающих ее посредством поставляемого с клиентской частью языка настройки [3].
По результатам применения технологии экстремального программирования для разработки клиентской части АСУ рынка FOREX были сделаны следующие выводы. С самого начала работы над проектом было принято решение придерживаться нескольких методик ХР: программировать в парах, использовать настолько простой дизайн, насколько возможно, постоянно перерабатывать систему и писать модульные тесты. В процессе разработки эти принципы доказали свою эффективность. Технология экстремального программирования - писать тесты для кода, прежде чем написан сам код, позволила выявить архитектурные проблемы системы и ускорить процесс ее разработки [4].
При использовании еще одной технологии – сбора пользовательских требований в виде историй, результаты оказались не вполне однозначными. Была выявлена проблема поиска общего языка с пользователями. Причиной являлся тот факт, что от пользователей требовалось получить истории, одновременно релевантные и недвусмысленные [5], а для этого им надо было активно помогать. В конце концов, был сделан вывод, что в ХР недостает одной специальной роли. При работе над системой необходим человек, чьей основной задачей будет взаимодействие с пользователями.
В процессе создания и переработки тестовых примеров выяснилось, что для написания основных доменных объектов очень полезными будут специально придуманные для них небольшие языки, благодаря которым тестовый код становится гораздо более кратким и удобочитаемым. Кроме того, было решено не тратить время на разработку способов задания экземпляров объектов в процессе написания тестов, вместо чего были определены грамматики для десяти доменных классов. По грамматике автоматически создавался синтаксический анализатор, который использовался конструктором для создания доменного объекта.
Несмотря на выявленные недостатки, выбор технологии экстремального программирования для разработки клиентской части АСУ рынка FOREX был правильным. Главные преимущества такого подхода - прогнозируемость и сведение к минимуму затрат на разработку и предоставление заказчику того продукта, который он желал получить на момент выпуска.
Литература
Бек К. «Экстремальное программирование»: Пер. с англ. СПб.: Питер, 2002. 224 с.
Бек К. «Экстремальное программирование: разработка через тестирование»: Пер. с англ. СПб.: Питер, 2003. 216 с.
Фаулер М., Бек К., Брант Д., Робертс Д., Апдайк У. «Рефакторинг: улучшение существующего кода»: Пер. с англ. СПб.: Символ-Плюс, 2002. 432 с.
Амблер С. «Гибкие технологии: экстремальное программирование и унифицированный процесс разработки»: Пер. с англ. СПб.: Питер, 2004. 416 с.
Гамма Э., Хельм Р., Джонсон Р., Влисседес Дж. «Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования»: Пер. с англ. СПб: Питер; М.: ДМК Пресс, 2001.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
А.Б. Антиликаторов, М.Ю. Чепелев, В.В. Цветков
Обеспечение динамических параметров
и минимизации помех устройств
аналого-цифрового преобразования
Рассматриваются особенности осуществления заземления и трассировки плат с АЦП для обеспечения оптимального соотношения динамических характеристик и минимального уровня радиочастотных и электромагнитных шумов
Многим разработчикам долгое время не удавалось достичь желаемых характеристик схем с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и они приходили к выводу, что получение приводимых в технической документации характеристик вообще невозможно на практике. Виной этому неудачная техника заземления в схемах с быстродействующими АЦП и схемах со смешанными сигналами, которая приводит к чрезмерным помехам, в случае если токи сигналов цифровых цепей находят себе пути в аналоговой области схемы (через общий полигон или заземляющий слой).
Существует много способов организации заземления в схемах с АЦП и в схемах со смешанными сигналами, и каждый разработчик на этот счет имеет свое мнение. Выбор того или иного метода заземления обычно опирается на опыт, приведший к положительным результатам. У популярной техники заземления схем с АЦП, основанной на разделении полигонов заземления, которая дает превосходные первичные шумовые характеристики, есть свои недостатки. Она подходит для получения хороших шумовых характеристик от быстродействующих АЦП, однако не годится с точки зрения повышенного уровня электромагнитных и радиочастотных помех.
Электрический ток выбирает путь наименьшего импеданса. На относительно низких частотах это путь наименьшего сопротивления. В этом случае постоянный и низкочастотный токи заполняют весь объем проводника. В случае с полигоном металлизации ток распространяется таким образом, чтобы заполнить весь его объем, и сопротивление этого полигона зависит от площади его поперечного сечения.
Однако, как только частота сигнала достигает нескольких МГц, путем наименьшего импеданса становится путь наименьшей индуктивности. При протекании переменного тока через проводник переменное магнитное поле вокруг него сильнее у центра проводника и ослабевает пропорционально расстоянию от центра. Результатом этого является более высокая индуктивность в центре проводника, уменьшающаяся с увеличением расстояния от центра, которая вынуждает переменный ток течь преимущественно у поверхности проводника или по его поверхности. Это явление известно как скин-эффект. Его суть заключается в том, что для высоких частот эффективная площадь поперечного сечения проводника ниже, чем можно предположить, и реактивная составляющая импеданса проводника на самом деле больше, чем сопротивление, которое показал бы омметр. Реактивная составляющая сопротивления плоского проводника (такого как дорожка печатной платы) определяется формулой:
,
где RАС – реактивное сопротивление;
f – частота;
ρ – удельное сопротивление проводника;
w – ширина печатного проводника в миллиметрах;
h – высота печатного проводника в миллиметрах.
Из этой формулы следует, что при частоте сигнала 40 МГц типовая дорожка печатной платы шириной 0.15 мм и высотой 0.04 мм имела бы реактивное сопротивление 0.043 Ом на сантиметр. Удвоение толщины (высоты) дорожки до 0.08 мм увеличит площадь поперечного сечения проводника в 2 раза, уменьшив его реактивное сопротивление всего на 17 %. Если же удвоить ширину дорожки (до 0.3 мм), то удвоится и общая площадь проводника и площадь его поперечного сечения. Реактивное сопротивление в этом случае уменьшится на 44 %. Таким образом, очевидно, что на высоких частотах общая площадь поверхности проводника важнее, чем площадь его поперечного сечения.
Индуктивность дорожки или проводника вынуждает ток течь только по его поверхности, вследствие чего эффективная площадь сечения проводника радикально уменьшается, что в свою очередь приводит к росту сопротивления проводника с ростом частоты. Но это не единственный эффект, определяющий реактивное сопротивление проводника.
Магнитное поле, создаваемое вытекающими и втекающими токами, вынуждает их течь как можно ближе друг к другу, минимизируя область прохождения сигнала и количество энергии, необходимой для создания и поддержания магнитного поля. Это заставляет втекающий ток в смежном слое (смежный слой или полигон земли) течь в этом слое по пути, пролегающему как можно ближе к соответствующему вытекающему току. Результатом является протекание втекающего тока в узкой области проводника, находящейся под или над проводником несущим соответствующий вытекающий ток.
Зависимость плотности тока в смежном слое от расстояния до проводника, несущего вытекающий ток, определяется как:
,
где IRP – плотность тока в смежном слое на горизонтальном удалении D от дорожки с вытекающим током;
i – ток сигнала;
H – высота сигнальной дорожки над смежным проводником;
D – горизонтальное удаление от края дорожки.
График, построенный по этой формуле, показывает, что плотность тока в смежном слое быстро уменьшается с ростом расстояния от края сигнальной дорожки (рис. 1).
Тот факт, что втекающий ток в смежном слое имеет тенденцию течь очень близко к вытекающему току, известен как эффект наводки или «близости».
Рис. 1. Распределение плотности тока
Кроме того, эффект наводки заставляет вытекающий ток течь главным образом на той стороне проводника, которая находится ближе всего к втекающему току, а обратный ток - течь главным образом на той стороне несущего его проводника, которая находится ближе всего к вытекающему току.
Объединяясь, скин-эффект и два типа эффекта наводки сужают токонесущую область проводника до очень малой, по сравнению с полной площадью сечения, части проводника (рис. 2).
Рис. 2. Результат воздействия скин-эффекта и эффекта наводки
Так как ток течет лишь в этом малом участке проводника, реактивное сопротивление будет намного выше ожидаемого.
Проводники, по которым протекает ток, становятся источниками излучения, уровень которого является функцией их длины и расстояния между ними. Иначе говоря, излучение проводников является функцией площади петли прохождения тока. Не имеет значения, является ли один из проводников (или оба) частью провода, дорожки или полигона печатной платы. Излучение растет с увеличением площади петли. Область петли прохождения сигнала образует петлевую излучающую антенну.
Незаземленный или заземленный только в одной точке полигон на печатной плате может представлять собой антенну, которая будет излучать энергию. Рис. 3 иллюстрирует такого рода антенну.
Рис. 3. Формирование антенны из незаземленного полигона
В данном случае, чтобы избавиться от излучения необходимо при помощи переходного отверстия соединить этот полигон с заземляющим слоем в противоположной его части или избавиться от полигона вообще.
Приведенные выше рекомендации в сочетании с уже известными концепциями и требованиями к заземлению и трассировке плат лежат в основе эффективной разработки устройств и позволяют достичь требуемых параметров при минимальном уровне электромагнитных и радиочастотных помех.
Литература
1. National Edge Technical Journal, November 2004 edition, «The problem of ADC and mixed-signal grounding and layout for dynamic performance while minimizing RFI/EMI», Nicholas Gray, Staff Applications Engineer.
2. www.rtcs.ru
3. www.national.com
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
С.Н. Пашкевич
К ВОПРОСУ О ТОЧНОСТИ ГРАФОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ
В статье приведены расчеты возможной точности графологического способа в биометрии
Неточное определение того, что в действительности измеряется при подсчете частоты появления ошибок для конкретного биометрического параметра, и непонятные тестовые методы способствуют возникновению мифов, окружающих биометрию [1].
В справочной таблице [2] рекомендуемых длин ключей (паролей) минимальная длина рукописного пароля установлена в 7 бит, этой длине соответствует стойкость к атакам перебора 102, аналогичные требования определены для анализа особенностей голоса и для анализа клавиатурного почерка: стойкость к перебору от 102 до….., и длина от 7 бит и более (без ограничений). Любопытно, что для анализа особенностей папиллярного рисунка одного пальца (отпечатка) длина биометрического ключа установлена от 12 до 39 бит, чему соответствует стойкость к перебору от 104 до 1013. Очевидно, что если вдвое увеличить длину рукописного ключа, то стойкость повысится до 104, что соответствует минимальной стойкости при анализе отпечатка пальца, если же вчетверо увеличить рукописный пароль, то его стойкость вполне сопоставима со стойкостью к атакам подбора папиллярного рисунка. Но интересно не это, все вышесказанное справедливо и для клавиатурного почерка, но ведь почерк содержит несравненно больше параметров для анализа и идентификации. Следует отметить, что такие существенные свойства почерка, как индивидуальность и устойчивость, являются предметом изучения только криминалистики. Условно-рефлекторные связи письма образуются под влиянием множества факторов, определяемых физическими и психическими особенностями данного лица и условиями обучения. В результате в почерке закрепляются индивидуальные отклонения, причем их совокупность в разнообразном сочетании неповторима для каждого лица [3]. Именно совокупность, а не какой-то один признак делает почерк таким же уникальным как лицо человека или его отпечаток пальца. При анализе клавиатурного почерка измеряются всего лишь два параметра: время между нажатиями клавиш и время удержания клавиши (оно разное для разных букв), причем уже достаточно доказана эта индивидуальность и пригодность для идентификации. Времени между нажатием и времени удержания клавиши соответствует ширина букв и межбуквенные промежутки. Исследуя только этот параметр, мы получим ту же самую точность, что и при анализе клавиатурного почерка, а она нам известна. При написании пароля мышью мы не можем учитывать силу нажима, зато возможно фиксировать попиксельно (хотя лучше через определенные промежутки времени) время написания, что позволит знать моменты останова, замедления, позволит выявлять индивидуальные особенности, связанные со скоростью написания отдельных букв и их элементов. Этого, между прочим, напрочь лишены почерковеды, имеющие дело уже с готовым текстом. Время в написании является прекрасной защитой от любого способа подделки почерка. Если каждую букву "распрямить", то есть измерить общую длину линии, ее составляющую, и положить на ось ординат, а на ось абсцисс время ее создания, то для каждой буквы получатся весьма характерные графики. Само время написания может, хотя и незначительно, изменяться, но временной график буквы - вряд ли. Накладывая эти графики, можно не только защититься от фальсификации, но и проводить идентификацию пользователя. Рассмотрим на примере некоторые параметры почерка: линия письма - она может быть параллельной строке, может опускаться вниз или подниматься вверх, возможна "волна" - подъем или опускание в середине слова или только в конце (если же в начале, то это весьма характерная особенность). Таким образом, здесь почерковеды выделяют семь вариантов исполнения. Размер букв в слове, точнее ширина строки - может быть равномерной, уменьшаться к концу слова или буквы могут "скакать", то есть здесь мы выделили три варианта (если же обнаружится расширение строки к концу - то это редкое явление, и является отличительным признаком). В тесте "почерк и характер" [4] выделяется пять наиболее частых наклонов букв (письма), сюда можно смело добавить "чередующийся" наклон почерка [5], то есть всего шесть чаще всего встречающихся наклонов, которые легко заметны на глаз. Почерк бывает вытянутый, сжатый и нормальный, то есть если ширина буквы меньше ее высоты - почерк сжатый, если высота равна ширине - нормальный, следовательно, в этом параметре выделяется три варианта. По размеру (высоте) буквы делятся на четыре основных группы. Хочется спросить, если СЗИ сама измеряет и обрабатывает эти данные, то почему бы не увеличить точность измерения, и допустим, измеряя высоту букв, делить их не на три, а на большее количество групп. Дело в том, что все вышеперечисленные признаки и их основные проявления являются данными многолетних психологических наблюдений и соответствуют конкретному психотипу и характеру человека. Другими словами, получив эти измерения мы получаем психологическую характеристику, а, увеличивая количество градаций того или иного признака мы увеличиваем только количество ложных отказов, ведь размер букв или их наклон зависит от личностных характеристик человека, и все зависимости, выявленные психологами и графологами будут такими же независимо от способа письма. Теперь вспомним теорию вероятности и выясним частоту появления совпадения: 1/7 ×1/3×1/6×1/3×1/4=1/1512. Всего лишь четыре вышеперечисленных параметров (а их может быть на порядок больше) дают вероятность случайного совпадения 1/1512, и это притом, что мы не учитывали т.н. отличительные признаки, уникальные для каждого человека. Если же мы добавим сюда отношение ширины букв к их промежуткам (аналогия клавиатурного почерка), то вероятность случайного совпадения уменьшается до 1/151200, (если взять минимально допустимую стойкость к перебору в 102, соответствующую длине ключа в 7 бит). Если все так, (дело ведь в том, что все признаки не носят безусловный характер, а многие зависят даже от настроения человека (в частности - наклон строки), поэтому в реальности дело обстоит гораздо хуже, и необходимую точность можно обеспечить лишь увеличением анализируемых признаков либо выявлением уникальных признаков (например, временных графиков)) то графологическая СЗИ всего из четырех параметров в 1,5 раза надежнее биометрической идентификации по отпечаткам пальцев, у которой примерный коэффициент ошибок ложного доступа от 1 до 10 на 100000 (0,001 - 0,01 %), а ошибок ложного отказа в доступе от 3 до 7 из 100 (3-7 %) [1]. Удобство в том, что возможно обеспечить дополнительную защиту. Например, при каждом копировании на съемный носитель, или отправкой сообщения, СЗИ просит написать пароль, и здесь уже не получится подложить муляж отпечатка пальца, а как показывает опыт судебно - почерковедческой экспертизы, во всех известных способах подделки почерка наблюдается замедление темпа, т.е. отсутствует скоропись, и иногда появляются изломы овальных и вертикальных штрихов [3]. У злоумышленника просто не будет времени на подделку слова, которое ему предложит написать СЗИ, так как, конечно же, среднее время написания одной буквы - это тоже признак, и при подделке почерка оно сильно увеличивается. Известно, что графологи при верификации подписи ошибаются в среднем 1 на 1000, и исследования показывают, что ошибки связаны в основном с утомляемостью эксперта (ошибки появляются к концу рабочего дня), а различные современные автоматизированные системы верификации подписи дают ложный отказ доступа от 2 до 20 из 100, а ложный доступ от 0,43 до 5 из 100. К сожалению, сами исследователи сетуют на недостаточность и недостоверность этих исследований: "В целом сравнение подходов к верификации подписи затруднительно из-за разницы в оборудовании, алгоритмах, моделях и базах данных. В этой области нет стандартных эталонов или баз данных. Кроме того, тип и качество подделок, используемых для оценки точности верификации, различаются в каждом подходе. Все это ведет к тому, что полученные коэффициенты ложных доступов, ложных отказов доступов и равных ошибок не имеют смысла без дополнительной информации о других параметрах системы" [6].
Антропометрия, созданная основателем биометрической науки как таковой А. Бертильоном, широко применялась на практике, но после того, как были найдены два человека с практически одинаковыми параметрами, была заменена анализом отпечатков пальцев. Можно усмотреть некоторую аналогию между системой Бертильона и почерковедением: Бертильон измерял рост человека, длину руки, длину и ширину черепа и прочие размеры, а так же учитывались уникальные признаки - шрамы, родинки, прочие особенности, но не учитывал связь между этими параметрами. На что указывал один из его критиков Гальтон: "Ошибка состояла в том, что измерения размеров одного человека проводились так, как будто они были независимыми друг от друга величинами, хотя это совсем не так. Например, высокий человек скорее всего будет иметь более длинные руки, ноги или пальцы, чем низкий. Вероятность ошибок была слишком большой; хотя система была очень оригинальной и интересной". В свое время Бертильон математически доказал достаточность 7 - 10 антропометрических измерений для достоверной идентификации, просто его система в криминалистике оказалась неудобной: тогда преступники всегда оставляли отпечатки пальцев, а вот измерить их рост и длину руки удавалось не всегда.
Литература
1. Болл Р.М., Коннел Д.Х., Панканти Ш., Ратха Н.К., Сеньор Э.У. Руководство по биометрии. М.: Техносфера, 2007. 368 с.
2. Национальный стандарт РФ. Защита информации.
3. Техника защиты информации. Требования к высоконадежным биометрическим средствам аутентификации.
4. Аверьянова Т.В., Белкин Р.С., Корухов Ю.Г., Россинская Е.Р. Криминалистика: Учебник для вузов. М.: Норма, 2007. 944 с.
5. Улезько И.А. Характер и почерк. Донецк: Сталкер, 2006. 141 с.
6. Щеголев И. 16 типов личности - 16 типов почерка. СПб.: Питер, 2006. 144 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.9
В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛУБИНЫ ДЕФЕКТНОГО СЛОЯ
ПРИ ШЛИФОВАНИИ КРЕМНИЯ
Приводятся результаты исследования влияния зернистости алмазного круга на глубину залегания дефектного слоя при шлифовании кремния
При обработке хрупких материалов под действием силы резания в поверхностном слое возникают трещины. Распространение трещин в глубину зависит от условий обработки, а при завышенных режимах достигает значительных величин.
Превышение оптимальных режимов приводит к сколам хрупкого материала, на котором наблюдается сеть микротрещин (рис. 1). При обработке кремния трещины в основном распространяются в глубину материала.
Рис. 1. Микротрещины на сколе кремниевого образца (800х)
В основном трещины проходят параллельно одна другой, но, встречаясь с напряженными участками материала они образуют ступенчатый излом, представленный на рис. 2. Это характерно для хрупкого разрушения материалов.
Рис. 2. Ступени излома в кремнии (1200х)
Для изучения глубины трещиноватого слоя был проведен плановый эксперимент. Исследовалась глубина Н, мкм, залегания трещин в зависимости от зернистости З, мкм, алмазных кругов, как наиболее влияющего параметра. Зернистость алмазных кругов варьировалась в пределах от 63/50 до 160/125.
Методом наименьших квадратов рассчитано уравнение, в ко-дированном виде, зависимости глубины залегания трещин от зернистости круга при шлифовании кремния
Y = 46 + 11 · Х + 3 · Х2. (1)
С увеличением зернистости глубина трещин возрастает, что можно объяснить увеличением силы резания.
Следовательно, для уменьшения величины дефектного слоя необходимо работать, применяя круги невысокой зернистости. Дефектный слой на поверхности может достигать значительных величин и при приложении внешней нагрузки приводить к отделению выколок, образованных за счет пересечения трещин в материале. Эхо часто приводит к разрушению изготовленных из кремния полупроводниковых пластин. На рис. 3 представлен микрошлиф поверхности кремния, обработанной кругами АСВ 100/80; Ml 100 % при режиме: скорость круга 18 м/сек, скорость детали 30 м/мин, продольная подача 2 мм/об, глубина шлифования 0,01 мм/ход. На рис. 4 представлена фотография микрошлифа поверхности, обработанной кругом той же характеристики на режиме: скорость круга 18 м/сек, скорость детали 70 м/мин, продольная подача 5 мм/об, глубина шлифования 0,03 мм/ход.
Рис. 3. Фотография микрошлифа с дефектным слоем на поверхности
кремниевого образца (200х)
Рис. 4. Фотография микрошлифа с дефектным слоем на поверхности
кремниевого образца (200х)
Из анализа фотографий микрошлифов (рис. 3 и 4) следует, что величины подач также влияют на глубину дефектного слоя. Это зависит от объема материала снимаемого в единицу времени и, следовательно, от величины составляющих силы резания. Глубина выколок также зависит от возникающей нагрузки.
После преобразования уравнения (1), получаем уравнение зависимости глубины залегания трещин от зернистости шлифовального круга в нормальном виде:
Н = 39,9 - 0,234 · З + 0,0037 · З2. (2)
Метод частных производных позволил определить, что в используемом диапазоне режимов обработки кремния, наименьшая глубина дефектного слоя составит 36 мкм, при зернистости близкой к 40/28, находящийся в области экстраполяции по сравнению с используемой в эксперименте.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
С.Н. Пашкевич
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ РАСПОЗНАВАНИЯ РУКОПИСНОГО
ТЕКСТА В ГРАФОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЗАЩИТЫ
ИНФОРМАЦИИ
В статье предложен способ распознавания букв рукописного пароля для последующего графологического анализа в биометрических системах защиты информации
Создание системы защиты информации, использующей для идентификации пользователей почерковедческий анализ, крайне сложно без распознавания рукописных букв, так как без этого невозможно установить даже границы букв, а это сильно ограничивает возможности экспертизы. Собственно распознавание, на настоящий момент не вызывает особенных затруднений если пользователь известен, а если он неизвестен, то в нашем случае он является злоумышленником. При условии ввода рукописного пароля стилусом распознавание текста - уже давно решенная проблема при условии раздельного ввода букв, а вот при написании текста мышью возникает несколько новых моментов. Во первых, при обычном письме человек пишет периодически отрываясь от бумаги, и при написании мышью он будет скорее всего писать без отрыва, то есть не отпуская клавишу мыши, и это чревато появлением лишних линий и петель. Второе, при написании мышью, буквы выглядят несколько необычно, более угловато, это связано с тем, что человек непривычен к "мышиному" письму. Но главное, независимо от того, как пользователь будет писать, почерк его, конечно же, не изменяется, не изменяются и способы анализа, напротив, эти лишние петли представляют дополнительный интерес для почерковедческой экспертизы. Написание пароля должно происходить на чистом мониторе, в этом случае некоторые признаки проявляются сильнее, поэтому ее придется проводить до начала анализа, это нам позволит выявить петли в элементах письма и сразу разделить буквы на две группы: петли имеют буквы Ц, У, Щ, З, Д. Буквы Ф и Р при безотрывном письме тоже будут иметь узкие петли, нам останется только отличить Ф от Р. По маленьким петлям можно опознать Ц и Щ. Имеющих длинные петли У, З, Д тоже несложно распознать. Проведя аналогичную линию сверху мы опознаем В по петле, а Б по завитку. Таким образом уже на начальном этапе возможно распознавание девяти букв. Но собственно "опознание" мы проводим наложением и сравнением готовых шаблонов букв опознаваемого пользователя. Но для этого желательна еще одна процедура. Учитывая особенности "мышиного" письма, предлагается в подготовительном к распознаванию периоде установить все нижние и все верхние точки на элементах письма, что бы было понятнее, если рассматривать письмо как совокупность графиков, то находятся все минимумы и все максимумы, отмечаются при этом углы (острый или тупой) и "загибы", то есть отмечается, чем является отмеченная точка, вершиной кривой или вершиной угла. Было бы неплохо сразу отметить все замкнутые контуры. Далее все точки соединяем воображаемой прямой, и вот что у нас получается: буква "м" запишется как "точка-загиб + линия + точка-угол + линия + точка-загиб + линия + точка-угол + линия + точка-загиб". Именно этот способ видится перспективным в распознавании, СЗИ таким образом запоминает движения пользователя при написании. Пользуясь таким описанием как азбукой Морзе, СЗИ опознает многие буквы, а для остальных получит список "подозреваемых". На "подозрение" Е,Ъ,Ф,В,А,О,Д,Я,Ь,Б,Ю укажут замкнутые контуры, лежащие выше линии письма и поэтому не являющиеся петлями. Один из самых главных параметров - это время написания. Нам не составляет труда его измерить, мы фиксируем время создания определенного пикселя, допустим, каждого пятого. В результате, отложив на ось абсцисс эти пиксели, а на ось ординат время их создания, мы получаем графики, которые будут соответствовать буквам. Более того, эти временные графики будут не менее индивидуальны, чем сам почерк пользователя и помогут в идентификации. Совмещая нашу "морзянку" с графиками, мы упрощаем распознавание. Зная время, возможно на "морзянке" отмечать линию-верх и линию-низ, так же можно выяснить влево или вправо двигалась линия письма, в общем, возможно, разложить письмо на два графика: один показывает верх - низ, другой лево-право, при совмещении они дадут обычное написание. Все это позволит проводить распознавание еще на стадии письма. Кстати, хранить рукописные пароли, скорее всего, будет удобнее именно в виде этих двух временных графиков (потребует гораздо меньше памяти, ведь это будут прямые отрезки, которых характеризует отрезок времени и длина отрезка со знаком + или -), возможно, некоторые признаки для идентификации будет проще извлекать из этих графиков, не "складывая" их в буквы. И в этом случае легко исключить "дрожание" руки, так как оно будет проявляться на каком либо одном графике, и вряд ли проявится на временном графике. Именно временные графики могут быть самым важным при распознавании текста, написанного мышью, поскольку этот фактор не будет зависеть от "неровной" руки. Конечно, можно использовать полное математическое описание из одной точки, вычисляя скорость изменения линии и замеряя угловую скорость, здесь нет особой сложности, но этот способ несильно поможет в распознавании, да и в анализе не нужно. Это прекрасно описывает кривые, но нам не нужна излишняя точность, в распознавании она даже вредна, нам нужно всего лишь уловить характерные движения для той или иной буквы, к тому же, такой формат будет занимать не намного меньше места чем, скажем, пиксельный образ, а для анализа потребуются дополнительные преобразования. Лучше всего, в момент написания, графологическая система защиты информации (ГСЗИ) следит за изменением линии относительно верх-низ, то есть, если линия пошла вниз или вверх, то ГСЗИ отмечает загиб, причем, если он пошел влево, то отмечает как обратный загиб, если имела место пауза, то это - угол (это можно проверять дополнительно математически). В результате, фактически, мы получаем "словесный портрет" буквы (вспоминается двоечник у доски, которому учительница командует лево-право и вверх-вниз), этого кода (который, конечно же, записывается в виде цифр) вполне достаточно для опознания "известных" и подавляющего большинства букв неизвестного пользователя. Таким образом, мы имеем аналоговое распознавание букв, нам не помешает, характерная для мыши, неровность почерка, и, мы получаем возможность сразу определять злоумышленника, если у него иное написание букв.
Исходя из вышесказанного, предлагается следующая схема распознавания:
1. Запись времени и построение временного графика.
2. Сравнение движений пользователя с записанными в базе.
3. Проверка "подозрительных" букв по описанию.
4. Сравнение определенных букв с временным графиком.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3.037
В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов
ЛУЖЕНИЕ НАРУЖНЫХ ВЫВОДОВ ТРАНЗИСТОРОВ
ПОГРУЖЕНИЕМ В ВАННУ С ПРИПОЕМ
Приводятся результаты исследования влияния длительности лужения на толщину нанесенного слоя припоя
В условиях современного производства постоянно растут требования к качеству выпускаемой продукции, производительности машин и трудоёмкости. Главным направлением в совершенствовании электронного машиностроения является его дальнейшая механизация и автоматизация на основе создания высокопроизводительного оборудования и аппаратуры, автоматических линий, управляемых от ЭВМ и прогрессивных технологических процессов, базирующихся на передовых достижениях науки и техники.
Лужение – один из методов нанесения металлических покрытий. Это одна из заключительных технологических операций процесса изготовления полупроводниковых приборов. Металлические покрытия не только защищают изделия от коррозии, но также и обеспечивают особые свойства поверхности: электропроводность, способность к пайке, химическую стойкость и т. д. Поэтому необходимо применение наиболее совершенной технологии и оборудования, что позволяет сократить сроки изготовления качественных приборов и понизить трудоёмкость облуживания.
На исследуемой установке производится лужение выводов транзисторов в корпусе КТ-28.
Лужение наружных выводов преследует цель обеспечения важного требования монтажноспособности приборов: возможности крепления их в аппаратуре посредством пайки. Оно заключается в нанесении на выводы тонкого (3-9 мкм) слоя припоя ПОС-61 (олово 60-62 %, свинец – остальное) и выполняется горячим способом. В качестве флюса используют спиртовой или скипидарный раствор канифоли или хлористого цинка.
Перед лужением выводы протравливают в водяном растворе смеси плавиковой и соляной кислот, а затем промывают в потоке деионизованной воды и сушат.
В полупроводниковом производстве применяют два способа обслуживания выводов: погружением и волной припоя.
Обслуживание выводов волной припоя относится к числу автоматических способов. Насос непрерывно накачивает жидкий припой в установленное под углом к горизонту сопло, и струя образует своего рода волну, через гребень которой проходят приборы. Движение припоя по поверхности выводов, подлежащей смачиванию, значительно уменьшает время облуживания. В гребень непрерывно подаётся свежий припой, таким образом предотвращается контакт выводов со шлаком, плавающим на поверхности, и устраняется необходимость в непрерывном очищении припоя.
В установке, рассматриваемой в данной работе, применяется наиболее распространённый способ облуживания – погружение в ванну с припоем. Предварительно отфлюсованные выводы транзисторов медленно погружают в припой и через небольшой промежуток времени вынимают из него. Преимуществом данного способа облуживания является то, что сила тяжести и температура припоя определяют его количество, оставшееся на детали.
Поверхность ванны лужения необходимо непрерывно очищать. Слой загрязнений обычно удаляют несмачивающимся материалом, который выдерживает рабочие температуры пайки, не растворяясь в припое и не загрязняя его.
Ванна лужения сконструирована таким образом, что её дно нагрето сильнее стенок. Под действием конвекции происходит непрерывное перемешивание припоя. При этом достигается высокая степень однородности припоя. Качество и однородность облуживания в значительной степени зависят от чистоты припоя в ванне.
В процессе лужения выводов выполняются следующие технологические операции: загрузка и ориентация транзисторов в вибробункере; перемещение транзисторов по линейному вибратору;
флюсование выводов приборов; лужение выводов приборов; промывка выводов и выгрузка приборов.
Лужение выводов транзисторов выполняется следующим образом. Загрузка приборов осуществляется ручным способом. Приборы насыпаются навалом в вибробункер, где происходит их ориентация и выдача в определённом положении. До механизма лужения приборы перемещаются по линейному вибратору партиями по пять штук. Флюсование осуществляется в спиртово-канифольном растворе. Подъём черпаков из ванн флюсования и лужения осуществляется с помощью двух кулачков через систему рычагов. Лужение выводов приборов осуществляется припоем ПОС-61. Температура припоя должна быть 260 ± 10 °С. После лужения производится промывка, в горячей деионизованной воде, при температуре Т=70°С. Готовая продукция накапливается в таре, расположенной в ванне окончательной промывки.
Для определения времени качественного облуживания выводов были проведены исследования. Изучалось влияние времени облуживания τ, с., на толщину слоя припоя h, мкм, оставшегося на выводах транзисторов.
В результате расчетов, выполненных на основании проведен-ных экспериментов, получена математическая модель процесса
h = 1.65 · τ – 0,05 · τ2. (1)
Дифференцируя уравнение (1) имеем
dh / dτ = 1,65 – 0,1· τ. (2)
Решая уравнение (2), находим экстремальное значение времени облуживания, равное 16,5 с. При этом значении толщина слоя припоя оставшегося на выводах транзисторов должна составить h = 13,6 мкм.
Для создания на выводах тонкого слоя припоя, толщиной равного 3 мкм, необходимо выдерживать выводы транзисторов в припое не менее 2 с. Более толстые слои припоя требуют большего времени выдержки выводов в припое. Это время может быть рассчитано по формуле (1).
Воронежский государственный технический университет
УДК 658.512
С.В. Иванов
СРЕДСТВА АНАЛИЗА В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
В статье изложены основные возможности современных средств анализа систем автоматизированного проектирования печатных плат, а также кратко указанны тенденции их развития
В настоящее время отрасль систем автоматизированного проектирования (САПР) изготовления печатных плат (ПП) и радиоэлектронных модулей (РМ) динамично развивается. Основные тенденции в конструировании ПП и РМ – расширение использования новых типов корпусов с большим числом и высокой плотностью расположения выводов, резкий рост рабочей частоты, применение новых технологий формирования межслойных переходов, реализация межсоединений с помощью дифференциальных пар и др. [1]. Разрабатываемые, так называемые, платформы ориентированы как на изготовление ПП среднего уровня, так и для изготовления быстродействующих ПП, работающих на высоких частотах. На сегодняшний день следует выделить четыре крупнейшие компании, которые остаются признанными лидерами в этой области, ими являются: Mentor Graphics, Cadence, Zuken, Altium. Каждая из этих компаний имеет широкий выбор средств проектирования для изготовления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) любой сложности. Мощность всех программных продуктов перечисленных выше компаний в значительной мере определяется встроенными средствами анализа.
Система HyperLynx (Mentor Graphics) – является универсальным пакетом, который может быть использован в любом маршруте проектирования для устранения проблем, связанных с целостностью сигналов, перекрестными наводками и электромагнитной совместимостью (ЭМС), что позволяет получить качественный проект при первом же выпуске платы, устраняя необходимость повторного запуска в производство [2]. Система HyperLynx осуществляет предварительный анализ целостности сигналов на уровне принципиальной схемы (модуль LineSim) и полный посттрассировочный анализ (модуль BoardSim) с учетом параметров, экстрагированных из топологии. Обеспечивает решение большинства проблем, не прибегая к дорогостоящему макетированию и физическому тестированию, существенно сокращая цикл проектирования. Проводит анализ электромагнитного излучения и наведенного электромагнитного поля трасс проводников на раннем этапе, поддерживает табличные модели, модели IBIS, SPICE и S-параметров. Поддерживает анализ и моделирование дифференциальных пар, включая планирование импеданса и оптимизацию параметров согласующих резисторов. Проводит анализ перекрестных наводок между корпусами микросхем, соединенными мультигигабитными высокоскоростными шинами, используя многобитные тестовые воздействия, анализ шума, метод глазковых диаграмм и масок, и формируя рекомендации по допустимому взаимному расположению компонентов. Обеспечивает точное моделирование передающих линий с потерями, включая анализ скин-эффекта и потерь в диэлектрике (пакет HyperLynx GHz).
Далее по мощности предлагаемых решений идёт компания Cadence. Здесь анализ ЭМС топологии платы выполняется с помощью специального модуля SPECCTRA Quest SI Expert, а для предварительного анализа проекта и подготовки наборов правил проектирования используется модуль SigXplorer.
Третьим производителем САПР печатных плат можно назвать австралийскую компанию Altium. Система Altium Designer поддерживает большое количество типов анализа, включающих частотный анализ в режиме малого сигнала, анализ переходных процессов, анализ шумов, а также анализ передаточных функций по постоянному току. Кроме вышеперечисленных базовых методов анализа, также имеется возможность проведения статистического анализа методом Monte-Carlo, анализа с изменением значений параметров и температуры и, наконец, анализа Фурье [3]. Также система Altium Designer имеет модули пред- и посттопологического анализа целостности сигналов. Модуль предтопологического анализа позволяет рассчитать основные параметры системы, смоделировать возможное ее поведение при воздействии критических сигналов, оценить устойчивость проекта и выработать набор рекомендаций, в дальнейшем оформленных разработчиком в виде топологических директив, которые при передаче на плату будут автоматически преобразованы в соответствующие наборы правил проектирования. Что касается посттопологического анализа, то аналогичные модули имеются почти во всех системах проектирования печатных плат, но в системе Altium Designer он интегрирован непосредственно в редактор плат и позволяет выполнять первичный анализ на уровне DRC. Данная функция отсутствует в стандартном наборе инструментов всех остальных систем проектирования печатных плат "среднего" уровня. Критерии оценки качества сигналов задаются специальными правилами проектирования из категории Signal Integrity. При пакетной проверке запускается система моделирования сигналов в проводниках платы и, если паразитный сигнал превышает определенный уровень, генерируется и заносится в отчет информация о нарушении. Это служит подсказкой при последующем более подробном анализе ЭМС.
Японская компания Zuken предлагает разработчикам продукт Hot-Stage, в котором интегрированы средства анализа целостности сигналов, ЭМС, температурного анализа и другие инструменты, позволяющие учесть особенности проектирования высокоскоростных плат уже на ранних стадиях разработки [4]. Программа Hot-Stage является уникальной системой прототипирования, объединяющей мощные инструменты разработки общей топологии и трассировки с возможностями моделирования, обеспечивая тем самым быстрое и эффективное проектирование высокоскоростных печатных плат. На протяжении всего процесса проектирования возможно проведение глубокого анализа на базе сценариев «что-если», что позволяет инженерам исследовать характеристики проекта и находить компромисс в противоречивых требованиях на параметры целостности сигнала, уровни перекрестных помех, качество синхронизации с учетом механических и температурных ограничений.
Таким образом, обзор САПР ПП и анализ тенденций развития данной отрасли говорит о том, что целесообразно создание системы анализа проектирования ПП с более высокой интеграцией входящих в нее модулей, взаимодействующих между собой посредством различных многокритериальных оптимизационных моделей. Также целесообразна разработка новых алгоритмов и математических моделей, реализующих более углубленное описание физико-механических процессов, протекающих в сложной структуре современной ПП и РМ. Следует отметить, что критерий стоимости материалов и комплектующих РМ не находит отражения в рассмотренных выше системах.
Литература
1. Jonh Isaac and David Wiens. The Future of PCB Desing. – Mentor Graphics Technical Publication, 2003.
2. Кочиков И. Система HyperLinx компании Mentor Graphics пропуск в мир проектирования высокоскоростных печатных плат // Электроника: НТБ. 2005. № 8. С. 62-66.
3. www.rodnik.ru.
4. Потапов Ю. Система Hot-Stage компании Zuken проектирование высокоскоростных печатных плат // Электроника: НТБ. 2005. № 1. С. 74-77.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
Е.А. Рогозин, С.Н. Пашкевич
СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРАФОЛОГИИ
В БИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
В статье рассматривается возможность и актуальность использования графологических методов в системах защиты информации
Почерк представляет собой проекцию нашего сознания в форме определенных и общепринятых фиксированных движений. Почерк каждого человека характеризуется комплексом признаков, позволяющих отличить его от почерка других людей. Манера писать у каждого человека абсолютно индивидуальна и никогда не повторяется. Почерк очень тонко реагирует на зарождающиеся в нашей голове мысли и на переживаемые чувства. Графология очень плодотворно используется при диагностике спортсменов, в криминалистике, при отборе кандидатов на работу и т.д. В США при подборе новых работников используется графологический анализ анкет претендента (он используется и в Великобритании, и особенно во Франции), так как анализ почерка оказался для компаний и правительственных учреждений более простым, дешевым, а главное, более верным способом отбора, чем традиционные психологические тесты. Анализ записей, сделанных космонавтами в условиях орбитальных космических полетов, используется специалистами для оценки функционального состояния центральной нервной системы космонавтов, их адаптационных способностей. В криминалистике распознавание почерка применяется не только для идентификации личности, но и для оценки состояния пишущего, как-то: нервное напряжение, алкогольное опьянение, психическое расстройство. Другие интересные эксперименты связаны с обнаружением специфических болезней, которые проявляются в характере почерка. Эти тесты проводятся профессиональными графологами в сотрудничестве с больницами. Хотя пока эти исследования находятся на стадии эксперимента, страховые компании отнеслись к ним достаточно серьезно и оказывают графологам существенную финансовую поддержку. Беглое графологическое изучение подписей в ведомостях на зарплату, журналах на пропускных пунктах поможет выявить как некоторые виды психических заболеваний (еще до того, когда болезнь осознается самим больным и окружающими), так и резкие перемены в душевном равновесии. Это может быть полезным для осуществления мер безопасности для VIP – персонала [1]. Таким образом, опытный специалист способен очень многое рассказать о человеке, увидев его почерк, кстати, на подробный анализ почерка требуется около двух суток. Для использования в системах ЗИ графологический анализ должен иметь математическую модель. Сомнения в возможности реализации графологических методов в системах ЗИ может развеять тот факт, что почерковедение не изучает иероглифы, они не пригодны для анализа, потому что иероглифы – это скорее рисунки, чем буквы. Известно, что художники могут узнать в рисунке ‘знакомую руку’, но к счастью графологи используют другие методы. В руководстве по графологии читаем: для полноценного анализа почерка важно придавать проявлениям признаков количественное исчисление. Например, на каждой строке рукописи или другого примера письма нужно сосчитать количество минимальных и максимальных размеров букв по высоте. То же можно сделать и с другими признаками, например, сосчитать количество букв с сильным наклоном вправо или влево. Подобные простые вычисления позволяют увидеть разнообразие различных выдающихся признаков и интенсивность их проявления, что ведет к выявлению индивидуальных особенностей почерка [2]. Учитывают кривизну полей: она определяется расстоянием бокового пространства в начале и конце каждой строки. Вычисляется кривизна строк, для чего проводится линия от основания первой буквы к основанию последней в каждой строке, затем определяют угол между этой линией, горизонтальной линией и основной чертой. Для количественной оценки букв используют такую процедуру. Продлевают оси букв, находят точки их пересечения. Дальше подсчитывается среднее расстояние от основной черты до точки пересечения. Для изучения частоты перерывов между буквами применяют графологическую кривую, у которой абсцисса – длина слова, а ордината – число перерывов. Продлевают оси элементов и оси букв, если у букв или элементов одинаковый наклон, то оси будут параллельны, если же оси пересекаются, то это свидетельствует о чередующемся наклоне [2]. Подобным образом определяются и все остальные признаки, из которых хочется отметить отношение ширины букв и элементов к ширине промежутков между ними – это достаточно индивидуальный признак. Таким образом, практически все признаки могут быть математически описаны, и если анализ почерка или даже подписи применяется в криминалистике, то почему он не может применяться в защите информации, тем более, плюсом графологических методов является дешевизна и простота внедрения – кроме программного продукта они не требуют ничего, ни специальных сканеров, ни камер, ведь текст можно написать мышью или стилусом. К минусу этой биометрической системы ЗИ можно отнести отсутствие ‘художественного зрения’, присущего опытному почерковеду, но это может скомпенсироваться машинной точностью и скрупулезностью анализа. Хочется сравнить графологический метод с анализом динамики ударов по клавиатуре компьютера при печатании текста. Ритм работы на клавиатуре, как показала исследования ряда фирм и организаций, является достаточно индивидуальной характеристикой пользователя и вполне пригоден для его идентификации и аутентификации. Для его измерения оцениваются промежутки времени либо между ударами при печатании символов, расположенных в определенной последовательности, либо между моментом удара по клавише и моментом ее отпускания при печатании каждого символа в этой последовательности. Но ведь в почерке несравненно больше характеристик для сравнения, следовательно, идентификация по почерку более точна.
Биометрические сканеры не могут, например, распознавать, по своей воле человек снимает, например, деньги со счета или ему угрожают [3]. А графологическая система скорее всего сможет. Допустим, хорошо известен такой факт, что под влиянием подавленного настроения строки пишущего устремлены вниз, а если человеку угрожают, то это проявится целым комплексом характерных особенностей. Конечно же, почерк несет уж слишком избыточную информацию, но совсем не обязательно хранить в системе образец письма, так же как большинство систем распознавания по отпечаткам пальцев хранят в памяти не реальную картинку отпечатка, а лишь цифровой шаблон, по которому невозможно восстановить реальный образ, поэтому права пользователя никоим образом не нарушаются. Почерк может рассказать о человеке гораздо больше, чем фотография или отпечаток пальца, и что самое интересное, возможно получать информацию о текущем эмоциональном состоянии человека. Научить машину не только опознавать человека, но и предполагать “что у него на уме” возможно уже сейчас, для этого понадобится создание программного продукта, способного анализировать введенный образец почерка по соответствующим критериям.
Литература
1. Улезько И.А. Характер и почерк. М. 2006. 141 с.
2. Щеголев И. 16 типов личности – 16 типов почерка. СПб. 2006. 144 с.
3. Морзеев Ю. Зачем компьютеру зрение // Компьютер пресс, 2002. № 8.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3.037
В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов
ПАЙКА ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ И МИКРОСХЕМ
ВОЛНОЙ ПРИПОЯ
Приводятся результаты исследования влияния температуры пайки на оптимальное время пайки
Процессы лужения и пайки в условиях серийного и массового производства выполняют групповыми методами. В случае плат с электрорадиоэлементами и микросхемами, имеющими штырьковые выводы, используют пайку в потоке — волной припоя. Навесные элементы отделены от расплавленного припоя плоскостью печатной платы. Процесс пайки в потоке припоя основан на погружении в жидкий припой одновременно всех соединений, расположенных в плоскости вдоль линии, совпадающей с вершиной гребня волны. Длина гребня равна ширине платы. Плату перемещают в направлении, перпендикулярном длине гребня. Благодаря приподнятости гребня над поверхностью окислы и шлаки, плавающие па поверхности, скатываются с гребня и его вершина оказывается в значительной степени свободной от загрязнений. Смываются и вновь образуемые шлаки — продукты реакций флюса с окислами и атмосферой. Вторым важным эффектом при пайке в таких условиях является механическое усилие, с каким жидкий припой поступает в зазор формируемого паяного шва.
Температуру в ванне поддерживают на 50° С выше температуры ликвидуса припоя. Для того чтобы ванна обладала достаточным запасом тепла, масса припоя должна примерно в 20 раз превышать массу паяемой платы. Это позволяет пренебречь отводом тепла по плате.
Полное или частичное незаполнение паяльного зазора припоем (непропай) может наблюдаться в тех случаях, когда на плате размещены электрорадиоэлементы различной теплоемкости. В этом случае выводы массивных электрорадиоэлементов не достигают температуры пайки. Непропай является исправимым дефектом. Для снижения числа непропаев следует применять припои, близкие к эвтектике. Это позволяет исключить пастообразное состояние паяного шва, приводящее к замедленному схватыванию. Для определения времени и температуры качественного облуживания штырьковых выводов были проведены исследования. Изучалось влияние температуры Т° С на время необходимое для облуживания τ, с. В результате расчетов, выполненных на основании проведенных экспериментов, получена математическая модель процесса
τ = 141,1875 - 0,955 · Т + 0,001625 ·Т2. (1)
Дифференцируя уравнение (1) имеем
dτ / dТ= - 0,955 + 0,00325 · Т. (2)
Решая уравнение
(2), находим экстремальное значение
температуры, равное 293,8°
С.
При этом значении время необходимое
для облуживания составит 0,9 с.
Однако
верхнее значение т
Виды потока
припоя для
групповой пайки:
а – волна; б - струя
Продолжительность пайки регулируется скоростью движения транспортера в пределах от 1 до 5 см/с. Такая скорость подачи плат обеспечивает производительность установки для пайки от 200 до 800 плат/ч в зависимости от размера плат, взятого в направлении движения транспортера.
При подходе к волне припоя плата должна иметь наклон в несколько градусов (8 - 10°), чтобы припой стекал с поверхности, оставаясь на смоченном металле только в виде тонкого слоя. Сечение потока (форма и размеры) определяется соплом (рис.).
Воронежский государственный технический университет
УДК 623.4
Д.В. Сенькевич
Сравнительный анализ методов оценки
эффективности современных нелинейных
радиотехнических средств
Приведен сравнительный анализ имеющегося математического аппарата для оценки эффективности методов и техники нелинейной радиодальнометрии объектов, рассчитаны максимально достижимые расстояния обнаружения объекта с нелинейными электрическими свойствами для различных методов при одинаковых типовых исходных данных
В последнее время исследования в области нелинейной радиотехники стремительно развиваются. Одними из перспективных направлений в данной области являются нелинейные радиолокация и радиодальнометрия объектов с нелинейными электрическими свойствами (ОНЭС). Совершенствование методов определения дальности до объектов с нелинейными электрическими свойствами является актуальной на данный момент задачей. В настоящее время известно несколько способов построения нелинейных радиодальномеров [1]. Если разделить их на группы, то можно выделить способы радиодальнометрии, основанные на измерении фазы принимаемого сигнала, кривизны фазового фронта. Известны также частотные и импульсные методы нелинейной радиодальнометрии. В зависимости от того, излучает ли собственные сигналы в направлении на нелинейную радиолокационную станцию (НРЛС) объект с нелинейными электрическими свойствами или нет, они подразделяются на пассивные и активные методы.
Однако все это многообразие принципов построения нелинейных радиодальномеров привело также к большому разнообразию методик (математического аппарата) для оценки эффективности методов нелинейной радиодальнометрии. В настоящее время начальный этап проектирования техники нелинейной радиодальнометрии по указанной причине неизбежно связан с трудностями выбора формул для расчета характеристик проектируемого устройства. В свою очередь, каждая из формул расчета дальности и других характеристик устройства имеет свои характерные особенности и требует наличия того или иного количества исходных данных. Целью настоящей статьи является сравнительный анализ имеющегося математического аппарата для оценки эффективности методов и техники нелинейной радиодальнометрии объектов, а также расчет максимально достижимого расстояния обнаружения объекта с нелинейными электрическими свойствами для различных методов при одинаковых типовых исходных данных.
В основу методического аппарата оценки эффективности средств нелинейной радиодальнометрии положено применение различных вариантов основного уравнения нелинейной радиолокации. Другими словами, трудность оценки эффективности нелинейного радиодальномера в значительной мере обусловлена многообразием форм записи основного уравнения нелинейной радиолокации. Рассмотрим некоторые известные нам методы.
Впервые развернутую и физически ясную формулу записи основного уравнения нелинейной радиолокации предложил в 1997 году профессор Н.С. Вернигоров [2]. Он предложил форму записи этого уравнения по аналогии с основным уравнением линейной радиолокации:
(1)
,
где
– дальность до объекта,
,
- коэффициенты усиления приемной и
передающей антенн объекта соответственно,
- частотные зависимости среды
распространения для зондирующего
сигнала и для n-й
гармоники ЗС переизлученной объектом,
- частотные зависимости линейных цепей
объекта в прямой и обратной ветвях
канала наблюдения,
- коэффициент преобразования нелинейным
объектом мощности зондирующего сигнала
в мощность высших гармонических
составляющих.
Как можно видеть, выражение (1) достаточно подробно и полно описывает процесс взаимодействия системы нелинейный радиодальномер – ОНЭС, однако это обстоятельство препятствует его широкому применению в практике инженерных расчетов. Обилие различных частотно зависимых коэффициентов затрудняет расчет дальности действия нелинейного радиолокатора по данному выражению. С целью упрощения расчетов профессором Вернигоровым [2] по аналогии с линейной радиолокацией было введено понятие нелинейной эффективной поверхности рассеяния (НЭПР), формульная запись которого имеет вид
.
(2)
НЭПР вида (2) является функцией частоты и мощности зондирующего сигнала. С учетом (2) выражение (1) трансформируется к более наглядному виду
.
(3)
Единственным недостатком данного уравнения является то, что величина НЭПР достаточно сложна в экспериментальном и расчетном определении, имеет сложную размерность м2N/ВтN-1 (где N - номер гармоники), зависит от мощности ЗС, и не может быть применена в случае активной нелинейной локации (ОНЭС излучает радиоволны), поскольку на частотах комбинационных излучений вместо параметра N нужно вводить иной и более сложный показатель.
Другая известная
форма записи основного уравнения
нелинейной радиолокации была предложена
в [3]. Для свободного пространства и
однопозиционного нелинейного дальномера
дальность действия нелинейного дальномера
при мощности принимаемого сигнала
,
(4)
где
- средняя мощность излучения передатчика;
,
- коэффициенты усиления передающей и
приемной антенн объекта соответственно;
- длина волны принимаемых колебаний;
- показатель потерь, учитывающий
несогласованную фильтрацию сигнала в
приемнике;
- показатель нелинейности цели (номер
гармоники принимаемых колебаний);
-
псевдопоперечник рассеяния (физический
аналог НЭПР).
Анализируя предложенный вариант записи основного уравнения нелинейной радиолокации, можно сказать, что он также имеет ряд недостатков. Во-первых, апостериорным путем сложно получить параметры и . Заметим что, как сказано в [3], величина НЭПР напрямую зависит от параметра . То есть параметр обладает всеми уже отмеченными выше недостатками НЭПР. Во-вторых, сложные дробные показатели степени в выражении (4) затрудняют расчеты.
В 1999 году профессором Щербаковым Г.Н. в работе [4] была предложена еще одна формула дальности действия в свободном пространстве импульсной одночастотной НРЛС, работающей на m-ой гармонике:
,
(5)
где
- пиковая мощность излучения передатчика
в импульсе;
-
коэффициент усиления передающей антенны;
- нормированная НЭПР объекта поиска
(при плотности потока мощности зондирующего
сигнала
);
- чувствительность приемника;
- эффективная площадь приемной антенны
на гармонике.
Из (5) видно, что данное выражение очень близко по сути к выражению (4) однако здесь вводится новый параметр . В данном варианте уравнения нелинейной радиолокации не учитываются коэффициенты усиления приемной и передающей антенн активного ОНЭС (источника собственного радиоизлучения), что ставит под сомнение возможность его использования в случаях, когда нелинейный элемент является активным и сам излучает сигнал в направлении НРЛС.
Говоря о недостатках того или иного варианта записи основного уравнения нелинейной радиолокации, автор ни в коем случае не ставит под сомнение их физическую состоятельность, а лишь обозначает трудности, которые могут возникнуть при использовании того или иного выражения в инженерной практике проектирования нелинейных РЛС.
С учетом всех изложенных здесь обстоятельств в работе [5] был предложен еще один вариант записи основного уравнения нелинейной радиолокации. Он имеет вид
,
(6)
где
-
коэффициент дополнительных (не основных)
потерь при приеме полезного сигнала
(обусловлен несовпадением поляризации
антенны и излучения, рассеянием на
гидрометеорах и проч.);
- коэффициент нелинейного преобразования
сигнала в тракте ОНЭС.
,
(7)
где
- мощность продукта нелинейного
преобразования на выходе антенны ОНЭС;
- мощность зондирующего сигнала на входе
антенны ОНЭС. В [5] также введен показатель
КНП по полю
который характеризует уменьшение уровня
плотности потока мощности сигнала на
частоте нелинейного отклика ПSr
относительно плотности потока мощности
зондирующего сигнала в месте размещения
ОНЭС
.
Он, в отличие от НЭПР, достаточно просто
определяется экспериментально и является
более универсальным по сравнению с
показателем (7). С учетом данного показателя
формула (6) приобретает вид:
.
(8)
Так же, как и расчет
НЭПР, теоретический расчет КНП по полю
крайне сложен из-за зависимости этого
показателя от множества параметров.
Значение
зависит от амплитудных, поляризационных,
спектральных, пространственных, частотных
характеристик излучений и приема
радиосигналов, вида вольтамперной
характеристики и режимов работы
нелинейных элементов ОНЭС и от целого
ряда других факторов. Экспериментальное
же определение КНП по полю организуется
достаточно просто. Процедура измерений
сводится к экспериментальному определению
параметров
и
вблизи ОНЭС. В процессе измерений
необходимо лишь обеспечить условие
размещения измерительной установки в
дальней зоне излучения антенн нелинейной
РЛС и ОНЭС для изменения погрешностей
измерения. В состав измерительной
установки входят широкополосная
калиброванная измерительная антенна
и измерительный приемник.
Применение показателей КНП по полю или по тракту вместо нелинейной ЭПР существенно облегчает всю процедуру анализа процесса нелинейного зондирования объектов. При этом метрологическое обеспечение измерений КНП по полю значительно проще измерений нелинейной ЭПР, поскольку измерения пространственных диаграмм нелинейной ЭПР можно заменить измерением диаграмм направленности неосновных излучений или нелинейных откликов ОНЭС.
Для доказательства состоятельности всех описанных выше подходов к записи основного уравнения нелинейной радиолокации произведем расчет максимальной дальности действия нелинейного радиодальномера при типовых значениях его параметров тремя разными указанными выше способами.
Расчеты производились в предположении, что и НРЛС и ОНЭС имеют в своем составе антенну П6-23М с приведенной на рисунке зависимостью коэффициента усиления и эффективной площади от частоты.
Приведем результаты расчета дальности действия нелинейного радиодальномера по формуле (4). В качестве исходных данных использовались следующие:
Мощность
передатчика
;
Чувствительность
приемника
;
Частота
ЗС
;
Частота
отклика от ОНЭС на второй гармонике
;
Коэффициенты
усиления передающей и приемной антенны
-
и
соответственно (см. рис. для частот
и
);
Псевдопоперечник
рассеивания
;
Потери
на несогласованную фильтрацию сигнала
в приемнике не учитывались
;
Номер
гармоники
.
В
результате вычислений по (4) дальность
действия нелинейного радиодальномера
составила
.
Аэф, см2
G, дБ
G, дБ
f,
ГГц
График эффективной
площади (Аэф)
и коэффициента усиления (G)
Далее производились
аналогичные расчеты по формуле (5). В [3]
указано, что НЭПР определяется выражением
,
где
.
Так как в (5) приводится пример для
импульсной НРЛС, то необходимо вычислить
среднее значение мощности передатчика.
Пусть
;
;
частота следования импульсов
,
тогда по известному выражению
.
Тогда выражение (5) для расчета расстояния до ОНЭС приобретает вид:
,
(9)
Для расчета использовали следующие типовые исходные данные:
Импульсная мощность передатчика ;
Длительность импульса ;
Частота следования импульсов ;
Чувствительность
приемника
;
Коэффициент
усиления передающей антенны
;
Номер
гармоники
;
Частота ЗС ;
Частота отклика от ОНЭС на второй гармонике ;
Псевдопоперечник рассеивания ;
Эффективная
площадь антенны
(см.
рис. для 2-й гармоники.)
Подстановка
исходных данных в (9) показывает, что
максимальная дальность действия
нелинейного радиодальномера составляет
.
И, наконец, приведем
результаты расчета дальности действия
нелинейного дальномера по выражению
(6) для тех же исходных данных (
;
).
После произведения расчетов был получен
результат
.
Таким образом, расчеты максимальной дальности действия нелинейного радиодальномера для типовых исходных данных тремя различными способами показывают практически равные значения дальности. Отклонение результатов не превышает 8 %. Этот результат доказывает, что все предложенные варианты записи основного уравнения нелинейной радиолокации имеют право на существование. Отметим в заключение, что метод, предложенный в [5], на наш взгляд, является наиболее удобным для практического применения при проектировании нелинейных радиодальномеров. Предложенная в простой и ясной физической трактовке формулировка основного уравнения нелинейной радиолокации ни в чем не противоречит физически точному уравнению нелинейной радиолокации, предложенному профессором Н.С. Вернигоровым в работе [2], согласуется с формулами, полученными в [3,4], однако упрощает его применение в инженерной практике оценки эффективности нелинейных РЛС.
Литература
Авдеев В.Б., Панычев С.Н., Сенькевич Д.В. Методы и техника нелинейной радиодальнометрии и радиопеленгации (обзор) // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2005. Т. 3. № 6. С. 27-35.
Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами. - Радиотехника и электроника, 1997. Т. 42. № 10. С. 1181-1185.
Есипенко В.И., Родионов Я.Г. Радиодальномер с частотной модуляцией для измерения расстояния до объектов с нелинейными рассеивателями. - Радиотехника, 2000. Т. 45. № 12. С. 74-77.
Щербаков Г.Н. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов // Специальная техника - 1999. № 6.
Авдеев В.Б., Сенькевич Д.В., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиолокации и противорадиолокации // Вестник ВГТУ. Т. 3. № 4. С. 115-119.
Воронежское военно-техническое училище ФСО России
УДК 621.9
В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов
ИЗНОС ДЕТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Приводятся признаки износа оборудования и формулы для расчета допустимых значения износа
Об износе деталей машины или станка можно судить по характеру их работы. В машинах, имеющих коленчатые валы с шатунами (эксцентриковые прессы, насосы и др.), появление износа определяют по глухому стуку в местах сопряжений деталей. Он тем сильнее, чем больше износ.
Шум в зубчатых передачах — признак износа профиля зубьев. Глухие и резкие толчки ощущаются каждый раз, когда меняется направление вращения или прямолинейного движения, в случаях износа деталей шпоночных и шлицевых соединений.
Износ в сборочных единицах станка можно установить не только на слух, но и по виду поверхностей, обработанных на этом станке. Если, например, при точении детали на ней появляются через равные промежутки кольцевые выступы или впадины, то это означает, что в фартуке станка износились зубья реечного колеса и также рейки; движение суппорта вместо плавного стало прерывистым. Этот дефект часто вызывается также износом направляющих станины и каретки суппорта, нарушающим соосность отверстий фартука и коробки подач, через которые проходит ходовой вал.
Следы дробления на обтачиваемом валике, установленном в коническом отверстии шпинделя, свидетельствуют об увеличении зазора между шейками шпинделя и его подшипниками вследствие их износа.
Когда обрабатываемая на токарном станке деталь получается конусной, значит изношены подшипники шпинделя (главным образом передний) и направляющие станины, а когда овальной — изношена шейка шпинделя, принявшая форму овала.
Увеличение мертвого хода рукояток, укрепленных на винтах сверх допустимого — свидетельство износа резьбы винтов и гаек.
Под мертвым ходом понимают некоторый свободный угол поворота рукоятки, прежде чем она заставит двигаться соединенную с ней деталь. Для суппорта токарного станка допустимый мертвый ход рукоятки 1/40 оборота винта.
Об износе деталей машин часто судят по появившимся на них царапинам, бороздкам и забоинам, а также по изменению их формы. Детали машин, работающие со значительными знакопеременными нагрузками, осматривают через увеличительное стекло (лупу), проверяя, нет ли у них мелких трещин, которые могут послужить причиной поломки. В некоторых случаях проверку осуществляют с помощью молотка. Дребезжащий звук при постукивании по детали молотком свидетельствует о наличии в ней значительных трещин.
О работе сборочных единиц с подшипниками качения можно судить по характеру издаваемого ими шума. Лучше всего выполнять такую проверку специальным прибором — стетоскопом. Если этого прибора нет, пользуются металлическим прутком, который прикладывают закругленным концом к уху, а заостренным к месту, где находится подшипник. При нормальной работе слышен слабый шум — равномерное тонкое жужжание; если работа подшипников нарушена, возникают сильные шумы.
Свист или резкий (звенящий) шум указывает на то, что в подшипнике нет смазки, шарики или ролики защемлены между беговыми дорожками внутреннего и наружного колец. Гремящий шум (частые звонкие стуки) означает, что на шариках, роликах или кольцах появились язвины или в подшипник попала абразивная пыль или грязь.
Глухие удары сигнализируют об ослаблении посадки подшипника на валу и в корпусе.
Работу подшипника можно проверять и на ощупь, а именно наружной стороной кисти руки, которая безболезненно выдерживает температуру до 60°С. Так, например, определяют повышенный нагрев подшипника, который может быть следствием защемления шариков или роликов между беговыми дорожками в результате несоосности опор или возникать из-за отсутствия смазки особенно в тех случаях, когда вал вращается с большой скоростью. Перегрев подшипника может появиться при больших скоростях вращения вала также в случае избытка смазки. Сгущение масла создает дополнительное сопротивление вращению вала. Значительный нагрев вызывает ускоренный износ подшипников.
Тугое проворачивание вала свидетельствует об отсутствии соосности между ним и подшипником или о чрезмерно тугой посадке подшипника на валу или в корпусе.
Дребезжащий стук в цилиндре компрессора сигнализирует о поломке или повышенном износе поршневых колец. Глухой стук в цилиндре характеризует износ поршня и цилиндра. Стук маховика может быть следствием нарушения посадки его на валу.
Недостаточная подача воздуха компрессором в пневмосистему является результатом утечки сжатого воздуха из соединений трубопроводов, пробуксовки приводных ремней, износа цилиндра, поршня и др.
Для повышения долговечности оборудования очень важно знать и уметь назначать величины предельных износов для различных деталей машин. Точно установить величины предельных износов для всех многочисленных видов деталей в станках и машинах самых разнообразных типов и назначений, исходя из предъявляемых к ним специфических требований — задача трудная.
Нормы износа некоторых деталей, взятые из практики ремонтных служб заводов, следующие.
Износ направляющих считают предельным: для станков повышенной точности (прецизионное оборудование) 0,02—0,03 мм на длине 1000 мм, а для оборудования нормальной точности 0,1 — 0,2 мм на длине 1000 мм.
Износ шеек валов, установленных в подшипниках скольжения (втулках) без компенсирующих устройств, в коробках подач, в фартуках и других подобных механизмах, допускается в пределах 0,001—0,01 диаметра вала в зависимости от его точности
В сборочных единицах вал — подшипник, в зависимости от диаметра вала d, мм, допускаемые без ремонта зазоры S, мм, можно определить по формулам.
Для неответственных механизмов, диаметром сопряжения от 50 до 360 мм
S = 0,0092 · d - 0,000009 · d2 - 0,18. (1)
Для механизмов ответственных, работающих при частоте вращения вала менее 1000 об/мин и удельной нагрузке до 30 кгс/см2
S = 0,0011 · d + 0,114. (2)
Для механизмов ответственных, работающих при частоте вращения вала менее 1000 об/мин и удельной нагрузке свыше 30 кгс/см2
S = 0,0018 · d - 0,0000025 · d2 - 0,03. (3)
Для механизмов ответственных, работающих при частоте вращения вала более 1000 об/мин и удельной нагрузке до 30 кгс/см2
S = 0,0014 · d2 + 0,19. (4)
Для механизмов ответственных, работающих при частоте вращения вала более 1000 об/мин и удельной нагрузке свыше 30 кгс/см2
S = 0,0011 · d2 + 0,064. (5)
Допустимый износ шеек шпинделей - от 0,01 до 0,05 мм - зависит от точностных требований, предъявляемых к станку.
Износ шеек валов под подшипники качения не должен превышать 0,03—0,04 мм, а износ шлицев по ширине - 0,1 ÷ 0,15 мм.
В зубчатых передачах допускается максимальный предельный износ, % к номинальной толщине стального зуба на начальной окружности, для скорости V, м/с, и передаче мощности в одном направлении без ударной нагрузки, при ремонте малом
% = 23,3 – 1,67 · V. (6)
При среднем ремонте
% = 19,2 – 2,4 · V + 0,11 · V2. (7)
При капитальном ремонте
% = 14,2 – 2,5 · V + 0,17 · V2. (8)
При реверсивной передаче с ударной нагрузкой при малом ремонте
% = 18,5 – 1,7 · V. (9)
При среднем ремонте
% = 13,5 – 1,7 · V. (10)
При капитальном ремонте 5 %.
Для чугунных зубчатых колес результаты, полученные по формулам (6) – (10), уменьшать на 30 %.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
Р.Р. Абулханов
СПОСОБЫ и средства защиты АСК
от программных атак внедрения
деструктивного кода
Производится анализ существующих способов и средств защиты АСУ критического применения от внедрения деструктивного кода
Для защиты от угроз типа деструктивный код существует целый ряд антивирусных программных продуктов, наиболее распространенными из которых являются Dr. Web, Norton Antivirus, AVP Касперского.
Антивирусная программа состоит из двух модулей: детектора и эвристического анализатора.
Детектор построен по принципу сравнения сигнатуры неизвестного кода с сигнатурами известных вирусов, хранящихся в базе данных антивирусной программы.
В открытой печати не публикуются форматы представления известных сигнатур и правила их сравнения. Тем не менее, на основании анализа опубликованной информации [1] предлагается на примере, представленном на рис. 1, рассмотреть общий алгоритм выявления антивирусом Dr.Web сигнатуры известного деструктивного кода [2].
1. Значения байт со смещениями 0h,1Eh,1Fh,62h,90h,91h представляют собой маску для поиска сигнатуры известного деструктивного кода (то есть реально встречаются в «NoHope.275») по которой Dr.Web и определяет его наличие.
2. Значения байт со смещениями 1Ch,1Dh,8Eh,8Fh являются контрольными суммами тела деструктивного кода, причем байты F4h,7Dh - контрольная сумма для участка 00h-1Fh, а байты C8h,7Fh - для оставшейся части.
3. Однозначное определение известного деструктивного кода осуществляется путем поиска по маске значений байт и расчета контрольной суммы, а затем происходит сравнение полученных результатов с соответствующими данными, хранящимися в базе.
Тем не менее, существует класс так называемых полиморфных вирусов, способных модифицировать свой код. На рис. 2 в каждом из трех столбцов приведены первые 10 команд одного и того же вируса, но абсолютно непохожие друг на друга [2].
00000000: |
9C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000010: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 F4 7D 5E B4 |
00000020: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000030: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000040: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000050: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000060: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000070: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |
00000080: |
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C8 7F |
00000090: |
42 33 00 |
Рис. 1. Контрольная сигнатура вируса «NoHope.275»
Нетрудно заметить, что применение методов поиска деструктивного кода с использованием детектора для вирусов такого класса будет безрезультатным.
sub bx,bx add bx,0116 mov cx,00EA nop mov al,2E xor [bx],al add bx,01 loop 0000000A cld cld
|
mov bx,0116 mov cx,00E nop xor [bx],37 add bx,01 loop 00000007 std std std std
|
xor bx,bx add bx,0116 sub cx,cx add cx,00EA xor b,[bx],03 add bx,01 loop 0000000C cli nop stc
|
Рис. 2. Пример реализации полиморфного вируса
Одним из первых полиморфных вирусов был вирус «Phoenix», который шифровал свое тело по переменному ключу и генерировал различные варианты расшифровщиков. В 1994-1995 годах распространился вирус «Onehalf», который не только шифровал свое тело по переменному ключу, но еще и распределял фрагменты многовариантного расшифровщика по всей зараженной программе. Существуют полиморфные вирусы способные случайным образом постоянно «перемешивать» свой код. Появились и были опубликованы программные технологии, которые автоматизировали процесс создания полиморфных вирусов, что позволяло даже неквалифицированным злоумышленникам делать труднообнаруживаемые штаммы. Одной из наиболее известной и сложной для обнаружения и излечения сигнатур является технология «SMEG», которая широко используется при тестировании качества антивирусных программ. Следует отметить, что отечественные вирусы серий «RDA.Fighter», «Zhenghi» и «NutCracker» содержат гораздо более сложные по отношению даже к «SMEG» алгоритмы [2].
Структура большинство таких вирусов включает в себя две части:
сначала располагается случайная реализация неслучайного алгоритма расшифрования;
затем следует зашифрованное тело вируса.
Тело вируса зашифровано по определенному закону, например, прибавлением к каждому байту определенного значения. Разумеется, алгоритм расшифровки однозначен и неслучаен: надо просто вычесть это значение в цикле изо всех байтов. Но реализация этого алгоритма может быть и случайной.
Это возможно, поскольку большинство элементарных операций в системе команд ПЭВМ может быть выполнено по-разному. Например, поместить число 0 в регистр AX можно разными способами:
- MOV AX,0 ;
- XOR AX, AX;
- SUB AX, AX;
- AND AX, 0 .
Кроме того, «полезные» операции можно чередовать командами, не выполняющими никаких полезных действий, например:
- MOV AX,AX;
- ADD AX,0.
Основным способом выявления подобных вирусов современными антивирусными программами является эвристический анализ.
Принцип работы эвристического анализатора заключается в том, что подозрительный файл загружается во внутренний буфер, где происходит пошаговое выполнение его команд, с разрешением расшифровки, но с запрещением выполнения вирусных алгоритмов, направленные на размножение. Эта операция называется эмуляцией кода или символическим исполнением кода. Иными словами, антивирусная программа средствами ЭВМ создает и запускает программную модель этой ЭВМ и заставляет ее исполнять программную модель вируса.
Существует достаточно простой способ создания таких моделей. Он основан на возможности микропроцессоров серии 80x86 работать в режиме трассировки. После выполнения каждой команды программы микропроцессор передает управление некоторой процедуре, которая может проверить тип выполненной команды, ее местоположение, назначение и т.д. Таким образом, можно заставить вирус начать выполняться и остановиться после расшифровки до выполнения вирусных команд, после чего расшифрованное тело можно изучать, сравнивать с известными сигнатурами и т.д.
Тем не менее, обойти эвристический анализатор достаточно легко. Для успешной атаки, с использованием деструктивного кода типа полиморфного вируса достаточно ключ, по которому дешифруется тело вируса, извлекать из тех ячеек памяти ЭВМ, которые по различным причинам недоступны антивирусной программе.
На рис. 3 представлена часть исходного кода, которая до недавнего времени ошибочно отрабатывалась эвристическим анализатором AVP Касперского [2].
В данном примере использована недоработка антивирусной программы, суть которой заключается в том, что по адресу 0:46Ch BIOS хранится счетчик тиков таймера, обновляемый с частотой 18,4 Гц. Обман эвристического анализатора основан на том, что эмулятор не моделирует работу этой ячейки памяти, в результате чего в регистре AX хранится 1, а эвристический анализатор определяет что ноль.
xor ax, ax mov ds, ax mov bx, ds:[46Ch] Label_1: mov ax, ds:[46Ch] sub ax, bx jz Label_1
|
xor ax, ax mov ds, ax mov bx, ds:[46Ch] Label_1: mov ax, ds:[46Ch] sub ax, bx jz Label_1
|
xor ax, ax mov ds, ax mov bx, ds:[46Ch] Label_1: mov ax, ds:[46Ch] sub ax, bx jz Label_1
|
xor ax, ax mov ds, ax mov bx, ds:[46Ch] Label_1: mov ax, ds:[46Ch] sub ax, bx jz Label_1
|
Рис. 3. Вариант обхода эвристического анализатора
Литература
Оптимальный синтез и анализ эффективности комплексов средств защиты информации: Монография / В.Г. Кулаков и др. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. 137 с.
Методы и средства автоматизированной оценки и анализа качества функционирования программных систем защиты информации: Монография / М.А. Багаев и др. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004. 181 с.
ГНИИ ПТЗИ ФСТЭК РОССИИ
УДК 621.9
В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов
ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОГЕОМЕТРИИ ОБРАБОТАННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ КВАРЦА ПРИ АЛМАЗНОМ ШЛИФОВАНИИ
Приводятся результаты исследования влияния зернистости алмазного инструмента на шероховатость обработанной поверхности деталей из кварца
Кварцевое стекло используется в различных областях науки и техники. Прикладная значимость кварцевого стекла особенно важна в тех областях его применения, которые возникли сравнительно недавно и за последние годы и приобрели большое значение.
При освоении космического пространства с помощью кораблей-спутников и межпланетных станций возникла задача защиты блоков полупроводниковых элементов от микрометеоритов, а также от воздействия термоударов и высоких температур. Для этого необходим легкий механически прочный материал, отличающийся высокой светопрозрачностью в широком диапазоне спектра, жаростойкостью и нечувствительностью к резким температурным перепадам. Кроме того, этот материал должен отличаться высокой антирадиационной устойчивостью, так как в противном случае под действием электронной и ультрафиолетовой радиации Солнца защитный материал очень быстро изменит спектр светопропускания и режим работы полупроводниковых батарей резко изменится, что приведет к преждевременному выходу из строя радио- и электротехнических систем искусственного космического объекта.
Кварцевое стекло отвечает всем этим требованиям и поэтому является незаменимым конструктивным материалом при создании управляемых и беспилотных космических кораблей. Кварцевое стекло применяют в качестве защитного материала для покрытия солнечных батарей спутников и предохранения этих батарей от воздействия высоких температур, термоударов и микрометеоритов. Стекло, близкое по своему составу к кварцевому, применяют для панорамного остекления космических пилотируемых кораблей-спутников. В одной из конструкций ракетной системы, предназначенной для вывода на орбиту пилотируемого спутника, иллюминатор имеет трапецеидальную форму и остеклен тремя панелями, две из которых (наружная и средняя) изготовлены из кварцоидного стекла (96 %), а третья (внутренняя) из закаленного алюмосиликатного.
Кварцевое стекло — незаменимый конструктивный материал для остекления современных реактивных самолетов, развивающих сверхзвуковую скорость. Применявшиеся ранее закаленные многослойные стекла триплекс при достижении так называемого теплового барьера разрушаются.
В ракетных системах класса «воздух—воздух», на современных реактивных снарядах, применяют обтекатели из жаропрочного оптического материала, имеющего высокую прозрачность в инфракрасной области спектра. Расположенный за обтекателем приемник инфракрасных лучей преобразует тепловое излучение, идущее от цели (сопло двигателя), в электрические сигналы, управляющие рулями ракеты. Вследствие этого следящая оптическая система все время удерживает цель «в поле зрения» снаряда и обеспечивает надежное ее поражение. Инфракрасные головки самонаведения обеспечивают дальность действия снаряда по воздушным целям до 15—18 км. В качестве материалов, применяемых для носовых обтекателей в снарядах с инфракрасной системой наведения, применяют оптическое кварцевое стекло, которое способно выдерживать высокую температуру, развивающуюся на обшивке за счет аэродинамического ее нагрева в полете.
В связи с совершенствованием технологии производства кварцевого стекла в последние годы появилась возможность изготовления уникальных по своим размерам изделий. Так, например, изготовлено кварцевое зеркало для телескопа диаметром 1550 мм, толщиной 275 мм.
Оптически однородное кварцевое стекло широко применяют в конструкциях радарных установок в линиях задержки сигнала, в быстродействующих счетно-решающих машинах, в качестве электроизолирующего материала в электронной и высокочастотной технике, используемой при оснащении спутников и космических межпланетных станций.
В последние годы созданы кварцевые осветительные лампы мощностью 1 млрд свечей. При свете такой лампы можно на расстоянии 22 км от светильника читать газету с нормальным газетным шрифтом. Эта лампа имеет эллипсоидный баллон, изготовленный из кварцевого стекла. Такие лампы могут быть использованы для освещения архитектурных ансамблей, при исследовании космоса, а также в кино-фототехнике.
К микрогеометрии обработанной поверхности изделий, изготовленных из кварцевого стекла, предъявляются определенные требования. Поэтому было проведено исследование влияния зернистости алмазных кругов и числа проходов, для выхаживания обрабатываемой поверхности, на высоту неровностей, при алмазном шлифовании кварцевых деталей. Исследование выполнялось по методу центрального ортогонального планирования второго порядка.
Перед проведением испытаний круги подвергались правке в растворе азотной кислоты. На основании расчетов получена адекватная результатам опытов модель в кодированном виде:
ℓnRz = I,36I6 + 0,5I20 ·X1 – 0,3086 ·X2 - 0,2073 ·X12 + 0,II59 ·X22 +
+ 0,0I35·X1·X2.
Анализ доверительных интервалов коэффициентов регрессии показал, что коэффициент при эффекте взаимодействия незначим, а коэффициенты при квадратичных эффектах имеют разные знаки. Фигура, описываемая этим уравнением, представляет собой семейство гипербол с общим центром (гиперболический параболоид).
На основании уравнения, построена контурная диаграмма зависимости высоты неровности от зернистости алмазоносного слоя круга и числа проходов, при выхаживании обработанной поверхности детали.
Из диаграммы следует, что для каждого сочетания числа проходов и зернистости имеется свое значение микрогеометрии и при зернистости круга 63/50 можно достичь восьмого класса шероховатости обработанной поверхности детали при одном проходе, а девятого класса шероховатости при семи проходах. Для зернистости круга 100/80 можно достичь восьмого класса шероховатости при семи проходах, а седьмого класса при одном проходе. Для зернистости круга 160/125 можно достичь шестого класса шероховатости при одном проходе, а седьмого класса при двух проходах.
Контурная диаграмма зависимости высоты
неровности от зернистости алмазоносного слоя круга и числа проходов n, при выхаживании обработанной поверхности детали
Следовательно, при шлифовании без выхаживающих прохо-дов, алмазные круги зернистостью 63/50 рационально использовать для достижения восьмого класса шероховатости обработанной поверхности детали, алмазные круги зернистостью 100/80 рационально использовать для достижения седьмого класса шероховатости обработанной поверхности детали, алмазные круги зернистостью160/125 рационально использовать для достижения шестого класса шероховатости обработанной поверхности детали.
Воронежский государственный технический университет
УДК 624.156
Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко