Методы конструктивно-теплового синтеза при проектировании рэс
В статье рассматриваются методы конструктивно-теплового синтеза при проектировании РЭС, направленные на повышение надежности разрабатываемых устройств
Широко используемый подход к организации теплового проектирования (ТП) РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечения теплового режима (ТР) в основном на этапе конструкторско-топологического проектирования, начиная с решения задачи размещения при разработке топологии, затем при конструировании плат, подложек, блоков, устройств и комплексов РЭС в целом [1-5]. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляется после решения какой-либо задачи конструктивного синтеза, если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции. Проведенный анализ показывает, что такая структура процесса ТП не охватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а также не позволяет осуществить комплексное исследование и оптимизацию тепловых характеристик создаваемых РЭС. Следовательно, для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения ТР уже на этапах, относящихся к функциональному аспекту, а при конструировании
На основе анализа существующих методов и средств моделирования и обеспечения тепловых режимов (ТР), а также требований, предъявляемых к ним в рамках современных САПР, с учетом выявленных особенностей РЭС выявлены основные направления повышения эффективности автоматизированного ТП, среди которых ведущее место в процессе конструкторского проектирования РЭС занимают следующие:
создание комплексной тепловой модели МЭУ и соответствующего множества математических моделей, позволяющих проводить автоматизированную адаптацию к конкретным конструкциям, а также обеспечивающих построение и использование универсальных алгоритмов моделирования температурных полей на всех этапах теплового проектирования РЭС;
разработка методов
конструктивно-теплового синтеза,
направленных на получение конструкций
РЭС с оптимальными (или заданными)
тепловыми характеристиками путем учета
температурных воздействий на этапах
схемотехнического и конструкторского
проектирования (выбор способа охлаждения;
параметрический синтез системы
охлаждения; отработка топологии по
тепловым
Выполнение рассмотренных рекомендаций требует наличия в составе комплекса ТП трех типов проектных процедур: анализа, синтеза и вспомогательных, обеспечивающих выполнение первых.
Процедуры анализа температурных полей являются основой построения подсистемы ТП, они позволяют проводить верификацию проектных решений, прогнозировать надежность, а также используются для решения задачи обеспечения и оптимизации ТР.
Процедуры конструктивно-теплового синтеза предназначены для решения оптимизационных задач, т.е. получения вариантов конструкций, наилучших по тепловым критериям, путем получения конструктивных и теплофизических параметров конструкций (габаритов, применяемых материалов, типа корпуса, способа монтажа навесных компонентов, вида охлаждения и параметров теплоотводящих устройств, топологии), обеспечивающих заданные или экстремальные тепловые характеристики устройств в процессе многоэтапной оптимизации по множеству тепловых критериев.
Для температурных полей справедлив принцип суперпозиции, поэтому перегревы обладают свойством аддитивности, следовательно, в общем виде весь процесс глобальной оптимизации ТР может быть реализован в виде решения последовательности N частных задач, которые в общем случае направлены на достижение максимального снижения перегревов для данного МЭУ, т.е. разницы между исходным о и конечным N их значениями
,
что
требует формирования на каждом этапе
соответствующих
Следовательно, для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения ТР на всех этапах проектирования, а при создании и отработке конструкции использовать интегрированные процедуры конструктивно-теплового синтеза. Для организации такого процесса необходимо осуществить интеграцию средств моделирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик и средств разработки конструкций РЭС на основе современной концепций параллельного проектирования.
Литература
1. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с.
2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.
3. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высш. шк., 1990. 335 с.
4. Конструирование РЭС / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтинь-Аболинь, Б.Г. Гаврилов, В.В. Шерстнев; Под ред. В.Б. Пестрякова. М.: Радио и связь, 1992. 432 с.
5. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1980. 480 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 618.3
С.В. Хохленкова, Л.Н. Никитин
Форматы сжатия ВИДЕО семейства MPEG
Эффективность применения форматов сжатия семейства MPEG обусловлена тем, что данные алгоритмы основаны на использовании высокой избыточности информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени
В связи с переходом к цифровому телевидению появилась необходимость решать более сложные задачи передачи телевизионного сигнала, в том числе передавать меньший объём информации, сохраняя высокое качество изображения и ограничивая влияние посторонних сигналов. Поэтому на первый план выходит проблема сжатия видеоинформации с последующим восстановлением исходного сигнала. Исходя из этого, целесообразным было бы рассмотреть основные алгоритмы сжатия видео.
Ниже будут рассмотрены наиболее перспективные форматы сжатия – форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7). Эти алгоритмы используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно – только для опорных изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).
Форматы сжатия
семейства MPEG [1] сокращают объем информации
следующим образом: устраняется временная
избыточность видео (учитывается только
разностная информация);
Форматы сжатия MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predicted frame – прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectional frame – двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров. При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов.
В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT)[2]. По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с.
Формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке, в формате MPEG 2 точность векторов движения увеличена до ½ пикселя, кроме того, пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.
Формат сжатия MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания.
Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации.
Однако наиболее совершенным и удобным для использования является формат MPEG 4. В соответствии с приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации № 39 от 22 марта 2007 г. «Об утверждении Правил применения цифровых систем передачи телевизионного и звукового вещания» преобразование электрического сигнала изображения и электрических сигналов звукового сопровождения в цифровую форму должно производиться по стандарту MPEG-4.
Формат сжатия MPEG 4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов [3]. Контуры представляются в виде т.н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).
Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.
Формат MPEG 4 является наиболее полным и усовершенствованным вариантом алгоритмов семейства MPEG. Он представляет собой улучшенный вариант предшествующих форматов сжатия изображения, одновременно с этим используется в качестве основы для разработок следующего поколения алгоритмов сжатия информации.
Литература
1. Ватолин Д.С. Сжатие статических изображений. Открытые системы сегодня. № 8 (29). Апрель 1995.
2. Яблонский С.В. Введение в дискретную математику. М.: Наука, 1986. Раздел “Теория кодирования”. 192 с.
3. Fisher Y. Fractal image compression. SigGraph-92.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
Д.А. Кабанов
АНАЛИЗ УГРОЗ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
КРИТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Производится анализ угроз специфичных для автоматизированных систем управления критического применения, на основании приведенного анализа делается вывод о совершенствовании построения системы информационной безопасности в АСК
Все угрозы безопасности информации можно классифицировать по следующим признакам рис. 1: по цели воздействия; по характеру воздействия и по способу возникновения.
Рис. 1. Классификация угроз безопасности информации
По цели воздействия на защищаемые ресурсы различают три основных типа угроз безопасности информации:
угрозы нарушения конфиденциальности информации;
угрозы нарушения целостности информации;
угрозы нарушения работоспособности системы (отказа в обслуживании).
Под конфиденциальностью
информации понимается статус,
предоставляемый информации и определяющий
требуемую степень ее защиты. По существу
конфиденциальность является свойством
информации быть известной только
допущенным и прошедшим проверку субъектам
системы (пользователям, процессам,
Целостность информации обеспечивается в случае, если данные в системе не отличаются в семантическом отношении от данных в исходных документах, т.е. если не произошло их случайного или преднамеренного искажения или разрушения [2].
Угрозы нарушения работоспособности (отказ в обслуживании) направлены на создание таких ситуаций, когда определенные действия либо снижают работоспособность АСК, либо блокируют доступ к некоторым ее ресурсам. Блокирование доступа к ресурсу может быть постоянным или временным.
В зависимости от характера воздействия нарушителя могут быть выделены активные и пассивные угрозы безопасности информации [1].
При пассивном вторжении (перехвате информации) нарушитель только наблюдает за прохождением информации в АСК, не вторгаясь ни в информационный поток, ни в содержание передаваемой информации.
При активном вторжении нарушитель стремиться изменить информацию, передаваемую в сообщении.
Реализация перечисленных классов угроз может осуществляться посредством воздействия на аппаратные средства, ПО, данные или обслуживающий персонал. В табл.1 представлены способы воздействия на перечисленные объекты, реализующие основные угрозы безопасности информации в АСК.
Таблица 1
Способы реализации основных угроз безопасности информации
Объект воздействия |
Способ воздействия |
Аппаратные средства |
несанкционированное подключение; несанкционированное использование ресурсов; несанкционированное изменение режимов работы; несанкционированная модификация; хищение носителей информации; вывод из строя, разрушение. |
Программное обеспечение и данные |
несанкционированное копирование; хищение; несанкционированный перехват управления программой; несанкционированное внедрение троянских программ, вирусов, червей. |
Обслуживающий персонал |
халатность; разглашение, передача сведений о защите информации; подкуп персонала; уход с рабочего места; физическое устранение. |
Как видно из табл. 1, рассмотренные способы воздействия на аппаратные средства и программное обеспечение могут быть осуществлены только непосредственно авторизованными пользователями (должностными лицами органов управления, обслуживающим персоналом). Кроме того, воздействия на ПО и данные, могут осуществляться удаленно, используя сетевые ресурсы АСК. Исполнение угроз осуществляется посредством программных атак.
По технологии исполнения атаки могут быть классифицированы следующим образом:
подбора паролей – реализующие угрозы, направленные на нарушение или обход парольной защиты;
выполнения деструктивного кода – приводящие к несанкционированному выполнению программного кода, оказывающего деструктивные воздействия на элементы АСК;
анализа протокола – проводящие анализ информационных потоков в АСК с целью перехвата конфиденциальной информации;
сканирования – данная атака направлена на поиск уязвимости в АСК;
подмены имен пользователей или хоста – атака направлена на получение несанкционированного доступа от имени авторизованного пользователя;
отказа в обслуживании (атаки на службы сетевого оборудования, сетевые службы ОС, программы ОС) – реализуют угрозу нарушения работоспособности (вывод из строя аппаратного оборудования или программного обеспечения).
Анализ существующей статистики угроз для различных ОС показывает, что большинство из них уязвимы с точки зрения безопасности. В табл. 2 приведены статистические данные о количестве известных успешных атак в зависимости от типа используемой ОС [3].
Так как большинство атак для ОС, построенных на базе UNIX, достаточно похожи, их можно объединить в одну группу. Тоже самое можно сделать и для семейства ОС MS Windows. Таим образом, для MS Windows количество успешных атак – 230, а для UNIX – 660.
Таблица 2
Статистические данные о количестве успешных атак
Тип ОС |
Количество атак |
Тип ОС |
Количество атак |
MS Windows NT/2000 |
128 |
Linux |
180 |
MS Windows 9x/ME |
116 |
IRIX |
88 |
BSD |
62 |
HPUX |
68 |
BSDI |
8 |
AIX |
50 |
Solaris |
130 |
SCO |
60 |
Sun OS |
50 |
Novell NetWare |
12 |
Эта статистика актуальна и для АСК, рассмотренных выше, так как ОС в них являются функционально усеченная версия MS Windows NT4 и специализированная защищенная ОС МСВС 3.0, являющаяся функциональным аналогом ОС Linux.
Все подвергавшиеся анализу атаки использовали методы, позволяющие несанкционированно вмешаться в работу АСК. Данные методы в зависимости от цели атаки и характера используемых уязвимостей можно разделить на следующие группы:
1. Позволяющие несанкционированно запустить исполняемый код;
2. Позволяющие осуществить несанкционированные операции чтения/записи файловых или других объектов;
3. Позволяющие обойти установленные разграничения прав доступа;
4. Приводящие к отказу в обслуживании;
5. Использующие встроенные недокументированные возможности (ошибки и закладки);
6. Использующие недостатки системы хранения или выбора (недостаточная длина) данных об аутентификации (пароли) и позволяющие путем реверсирования, подбора или полного перебора всех вариантов получить эти данные;
7. Троянские программы;
8. Прочие.
Наибольшую угрозу представляют для Windows вторая, четвертая, шестая и седьмая группы. А для ОС Unix, первая, четвертая, седьмая и восьмая группы.
К первой группе относятся методы, основанные на переполнении буфера для входных данных (переполнение стека) и последующей передачи управления на исполняемый код, занесенный при этом в стек. Наиболее часто переполнение буфера используется для удаленного запуска исполняемого кода, но может быть использовано и в локальном контексте для увеличения своих привилегий или для получения доступа на уровне администратора сети.
Для Windows, такая атака приводит в основном к сбою прикладного или системного уровня. Для операционных систем из семейства Windows так же реальна угроза осуществления динамической подмены исполняемого кода, используя механизм пересылки сообщений между окнами исполняющихся программ и ядром ОС.
Таким образом, в обоих случаях существует возможность изменения хода выполнения прикладных программ во время работы с ними пользователей.
Литература
1. Оптимальный синтез и анализ эффективности комплексов средств защиты информации: Монография / В.Г. Кулаков и др. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. 137 с.
2. Методы и средства автоматизированной оценки и анализа качества функционирования программных систем защиты информации: Монография / М.А. Багаев др. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004. 181с.
3. Гриняев С.Н. Интеллектуальное противодействие информационному оружию. – М.: Яхтсмен, 1996. 192 с.
ВВТУ ФСО РОССИИ
УДК 681.3
С.В. Хохленкова, Н.В. Герасимова, Л.Н. Никитин
современные оптические носители
Постоянно возрастающие требования к качеству записи, предоставляемому объёму, скорости передачи информации, защите от копирования предопределили появление новых форматов: Blue ray и HD-DVD
В настоящее время, когда наметился переход к телевидению высокой четкости (HDTV), проблема записи на оптические носители такого объема информации стала значительной. Ныне используемые DVD диски не соответствуют предъявляемым требованиям как в плане предоставляемого объема, скорости передачи информации, так, что немаловажно, защите дисков от копирования. Это и предопределило появление новых оптических носителей.
В настоящее время в борьбу по созданию новых носителей включились практически все гранды мирового IT-рынка, а в области технологий наметились два подхода: Blue ray и HD-DVD. Проблема заключается в том, что оба контента не совместимы с существующими CD и DVD, предполагают переход на новый технологический процесс (а следовательно – перенастройку линий), что в свою очередь приведет к значительной стоимости младших моделей носителей и средств считывания – записи. Так же немаловажным остается то, что нет однозначного ответа на вопрос, кто станет преемником DVD, так как оба формата поддерживаются большим спектром компаний производителей и киноиндустрии.
Основополагающий принцип работы оптических дисков остается неизменным еще со времен появления CD, и с выходом HD DVD и Blu-ray революции ожидать не стоит. Вообще, диски нового поколения (особенно HD DVD) унаследовали от CD и DVD очень многое, в том числе и геометрические размеры носителя для обратной совместимости. Как и в случае DVD, разработчики решили пойти по пути уменьшения длины волны лазера. Только на этот раз, в отличие от CD и DVD, стал использоваться голубой лазер вместо красного. Длина волны нового лазера составляет 405 нм (нанометров), для сравнения, у DVD – 650 нм. Именно на уменьшении этой величины зиждется большая часть прироста емкости [1].
Blue Ray.
Данный стандарт был анонсирован еще в 2002 г. компаниями Sony и Philips. По сути этот формат разрабатывался практически с нуля. Его создатели не стремились сохранить максимальную преемственность с DVD, что в итоге позволило не только повысить емкость по сравнению с HD DVD, но и достичь большей масштабируемости в будущем. Как мы уже упоминали, для работы используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Кроме того, регистрирующий слой переместился гораздо ближе к рабочей поверхности диска: для BR-носителей этот зазор составляет 0,1 мм, тогда как у HD DVD – 0,6 мм, как и у обычного DVD. Кроме того, в BR-приводах применяется линза с увеличенной числовой апертурой, что вместе с приближением регистрирующего слоя, обеспечившим расширение угла обзора OPU накопителя, существенно повысило стабильность считывания данных с носителя, позволив повысить плотность размещения дорожек при сохранении соотношения сигнал/шум. Расстояние между треками для BD составляет 0,32 мкм, тогда как у HD DVD оно равняется 0,4 мкм. Разумеется, увеличение числовой апертуры привело к необходимости переработки механической части накопителя и, как следствие, его удорожанию. Но в то же время снизило требования к качеству самих заготовок, существенно повысив процент выхода годных дисков, что впоследствии приведет к удешевлению BR-носителей.
Однако приближение регистрирующего слоя к рабочей поверхности диска имеет и отрицательные стороны, увеличивая риск повреждения данных при механических воздействиях. Производители встали перед необходимостью использовать специальные защитные покрытия, повышающие устойчивость BR-дисков к царапинам и загрязнению. Так, механическая прочность рабочей поверхности BD в 100 раз больше, чем DVD. И, наконец, третьим следствием уменьшения защитного слоя стало увеличение масштабируемости BR-заготовок. Так, разработчики планируют в скором времени поднять число регистрирующих слоев до 8, тем самым нарастив общую емкость до 200 GB.
Также был существенно переработан и механизм защиты контента от копирования. Теперь в Blu-ray реализована поддержка AACS (Advanced Access Content System), использующая 128-битовый ключ, меняющийся через каждые 6 Kb записанных на диск данных. Кроме того, AACS включает в себя механизм MMC (Mandatory Managed Copy), позволяющий создать копию лицензионного диска для воспроизведения его с HDD домашнего медиацентра или на портативном плеере, но предотвращающий ее распространение. Для дополнительной защиты служит функция ROM-Mark, с помощью которой каждому BR-диску присваивается свой уникальный идентификатор, что препятствует созданию его нелегальных копий, так как делается это на этапе изготовления и только на сертифицированном оборудовании. В случае маловероятного, но все же взлома алгоритма шифрования в дело вступает функция BD Plus, динамически меняющая ключи шифрования, что делает невозможным создание программ, подобных DeCSS, с помощью которых, однажды раскрыв алгоритм шифрования информации, можно наладить массовое производство пиратских копий всего контента, выпущенного на данном типе носителей [2].
HD-DVD.
Главное преимущество формата в том, что для перехода с выпуска DVD на HD-DVD заводам не потребуется переоборудовать производственные линии. Оба диска состоят из двух склеенных оснований толщиной 0.6 мм. Именно поэтому современные производственные возможности на этой стадии могут быть модифицированы для эффективного производства HD DVD дисков. Модификация производственных возможностей DVD дисков означает, что нет необходимости инвестировать в дополнительное оборудование для перевода существующих линий с производства DVD на производство HD DVD. Технологический процесс включает в себя такие операции как: литье под давлением, охлаждение, нанесение записывающего слоя, центрифугирование, сушка, металлизация, УФ-закрепление, склейка [3].
По большому счету, отличия между DVD и HD-DVD можно сосчитать по пальцам. С уменьшением длины волны лазера у HD-DVD относительно DVD зазор между дорожками уменьшился до 400 нм (у Blu-ray – 320 нм) и минимальная длина пита до 204 нм. Однако если сравнить это с характеристиками Blu-ray, то сразу становится понятно, почему последний выигрывает по вместительности. Емкость однослойного HD-DVD диска равняется строго 15 Гб, также предусмотрены многослойные диски объемом 30 Гб и 45 Гб. При этом скорость записи и чтения одинакова с Blu-ray – 36 Мбит/с для 1х, и 72 Мбит/с для 2х. Для защиты в HD-DVD на смену CSS придет AACS (Advanced Access Content System), который будет основываться на присвоении каждому приводу уникального ключа и дальнейшем занесении их в черный список после нелегальных операций [1].
Не смотря на столь значимые достоинства обоих контентов, для обычных пользователей помимо дороговизны младших моделей BD и HD-DVD, стоит проблема выбора их средств чтения-записи (не каждый может себе позволить покупку двух приводов).
Компанией Ricoh разработано устройство, способное считывать и записывать информацию на диски Blue ray, HD-DVD, DVD, CD. Аппарат представляет собой круглую пластину диаметром 3,5 мм и толщиной 1 мм с особой поверхностью, выполняющей функцию дифракционной решетки. Пластина помещается между лазерами и линзами и позволяет получить оптимальный угол падения светового луча на линзы. При этом свет фокусируется так, как это необходимо для каждого формата диска [4].
Очевидно, что будущее в области оптических дисков лежит за одним из показанных контентов. Кто им станет, покажет ближайшее будущее. Причем значительную роль сыграют как всегда компании киноиндустрии. Но, как известно, тех. прогресс не стоит на месте, поэтому времени, необходимого на разработки и стандартизацию, может быть достаточным для появления какой-то новой технологии, способной затмить все достоинства BD и HD-DVD.
Так, например, компания Iomega в мае этого года запатентовала технологию оптических дисков Articulated Optical Digital Versatile Disc (AO-DVD), которые теоретически способны хранить вплоть до 800 Гб информации. Подобная фантастическая плотность записи достигается благодаря использованию нано-технологий, а также путем того, что различные участки диска будут иметь разную степень наклона. При этом обещается повышение скорости считывания примерно в 30 раз по сравнению с DVD. К сожалению, производство такого устройства пока не возможно из-за отсутствия лазера с требуемой длиной волны, однако в скором времени ситуация может измениться [1].
Литература
Материалы сайта http://www.xakep.ru
Материалы сайта http://itc.ua
Материалы сайта http://hdfilms.ru
Материалы сайта http://www.cnews.ru/
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
К.Н. Бирюков
СИНТЕЗ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ
ИНФОРМАЦИИ
Рассмотрены основные принципы и этапы синтеза программных систем защиты информации в автоматизированных системах
При разработке систем защиты информации в автоматизированных системах (АС) синтез программных систем защиты информации (ПСЗИ) является одной из основных задач проектирования данной системы. Синтез проектных решений по созданию ПСЗИ - основа их проектирования, от того, насколько успешно выполнены процедуры синтеза, в определяющей мере зависят потребительские свойства будущей ПСЗИ. При синтезе ПСЗИ необходимо соблюдать следующие основные принципы проектирования систем, в которых отражаются особенности их построения:
Принцип параллельного проектирования ПСЗИ совместно с разработкой самой защищаемой АС, начиная с формулировки общего замысла её построения, и на всех основных этапах. Невыполнение этого принципа может привести к низкой эффективности защиты, отвлечению дополнительных ресурсов и увеличению затрат на обеспечение информационной безопасности (ИБ).
Разработка ПСЗИ должно осуществляться специалистами такого же уровня, что и самой АС. Кроме того, необходимо привлекать к созданию ПСЗИ специалистов широкого профиля, обеспечивающих комплексное решение вопросов защиты информации (ЗИ).
Обеспечение простоты ПСЗИ, т.е. она должна с минимальной избыточностью удовлетворять требованиям по необходимой эффективности, что повышает ее надежность, экономичность, уменьшает влияние на временные характеристики АС.
Удобство обращения с ПСЗИ, "прозрачность" для пользователя АС.
Отдельным требованием является обеспечение конфиденциальности документов и информации, регламентирующих построение ПСЗИ.
Постановки и методы решения задач синтеза в связи с трудностями формализации не достигли степени обобщения и детализации, свойственной математическому обеспечению процедур анализа. Достигнутая степень обобщения выражается в установлении типичной последовательности действий и используемых видов описаний.
В общем случае, синтез ПСЗИ включает следующие основные этапы:
формирование и анализ исходных данных (назначение, структура, характеристики, состав программного обеспечения (ПО), виды и ценность информации в АС и т.д.), выработка требований к ПСЗИ, формирование набора показателей ее эффективности и установление их граничных значений, обеспечивающих минимально допустимый уровень ИБ;
выявление и анализ всех возможных каналов утечки и несанкционированного доступа (НСД) к информации в АС, определение соответствующего перечня угроз информации, формирование моделей информационных угроз;
выбор содержательной модели поведения потенциальных нарушителей, определение конкретного подмножества из всех выявленных каналов НСД и утечки информации, потенциально возможных каналов для использования нарушителями определенного класса;
формирование структуры ПСЗИ в АС, выбор программных средств защиты информации (определение требований на вновь создаваемые средства в случае отсутствия готовых) и их комплексирование в рамках ПСЗИ таким образом, чтобы перекрыть все заданные каналы утечки и НСД;
структурно-параметрическая доработка ПСЗИ по результатам оценки её эффективности, с целью достижения заданных требований (замена отдельных средств защиты, введение дублирования для наиболее опасных угроз (каналов) и т.д.);
интеграция подсистем и элементов ПСЗИ для обеспечения информационной совместимости, централизованного контроля и управления со стороны АРМ администраторов ЗИ.
Кроме того, в процессе синтеза ПСЗИ проводятся процедуры анализа (оценки эффективности) как каждого предлагаемого средства ЗИ, так и ПСЗИ в целом относительно всех перекрываемых им каналов утечки (нейтрализуемых угроз) и НСД, для верификации проектных решений по синтезу системы.
Часть из вышеназванных этапов являются неформализуемыми или слабоформализуемыми [1] и требуют для выполнения квалифицированных специалистов, привлечения экспертов, применения эвристических методов и подходов. Остальные этапы могут быть формализованы в рамках задач и методов синтеза с привлечением положений теории математического программирования [2].
Одной из важнейших
задач синтеза ПСЗИ является выбор
программных средств ЗИ, из множества
имеющихся (сертифицированных), для
формирования состава конкретной ПСЗИ
в АС, обеспечивающий перекрытие всех
выявленных каналов утечки и НСД. Для
формализации этой задачи используем
постановку задачи полного оптимального
покрытия [2]: найти вектор целочисленных
варьируемых переменных X={xj},
,
минимизирующих линейную целевую функцию:
(1)
при ограничениях
(2)
где xj - параметр, характеризующий выбор соответствующего (j-го) программного средства ЗИ для включения в состав проектируемого ПСЗИ (xj= 1 - в случае включения j-го средства в ПСЗИ, xj = 0 - в случае невключения);
kj- показатель, отражающий наиболее важные параметры и характеристики программных средств ЗИ (стоимость; интенсивность отказов; время, затрачиваемое на реализацию процесса защиты; объем требуемых ресурсов ЭВМ и т.д.);
n - число рассматриваемых средств ЗИ;
m - количество учитываемых каналов НСД и утечки информации;
aij - коэффициент, характеризующий функциональные возможности j-го средства защиты (aij = 1, если j- е средство обеспечивает перекрытие i-го канала, aij = 0 в противном случае).
Выражение (1) позволяет оптимизировать как состав, так и ресурсные и надежностные характеристики создаваемой ПСЗИ в АС.
Условия (2) выражают требования обеспечения ЗИ от доступа или утечки по любому из возможных каналов с помощью хотя бы одного из используемых средств [1].
Для анализа эффективности ПСЗИ в процессе её синтеза целесообразно использовать комплексную оценку эффективности её функционирования осуществляемую с помощью интегрального критерия, выражаемого через элементарные критерии эффективности ПСЗИ [3].
Таким образом, определены этапы синтеза ПСЗИ и формализована задача формирования состава системы, в виде задачи полного оптимального покрытия, обеспечивающая создание ПСЗИ в АС.
Литература
Методы и средства анализа эффективности при проектировании программных средств защиты информации / О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, М.В. Питолин, Е.А. Рогозин, В.И. Сумин, В.М. Шишкин. Воронеж: ВГТУ, 2002. 126 с.
Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 360 с.
Методы и средства автоматизированной оценки и анализа качества функционирования программных систем защиты информации / А.С. Дубровин, И.И. Застрожнов, Е.А. Рогозин и др. - Воронеж: ВГТУ, 2004. 181 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
О.И. Перетокин
Анализ особенностей функционирования
программных систем защиты информации в АСУ
критического применения как объекта
сертификации
Производится анализ особенностей функционирования программных систем защиты информации в АСУ критического применения, как объекта сертификационных испытаний. Сертификация СЗИ требует разработки соответствующего методического, программного и информационного обеспечения, предназначенного для построения и повышения эффективности сертификационных испытаний ПСЗИ
В настоящее время благополучие и даже жизнь многих людей зависят от обеспечения ИБ множества компьютерных систем обработки информации, а также контроля и управления различными объектами. К таким объектам можно отнести системы телекоммуникации, банковские системы, атомные станции, системы управления воздушным и наземным транспортом, а также системы обработки и хранения секретной и конфиденциальной информации. Для нормального и безопасного функционирования этих систем необходимо поддерживать их безопасность и целостность.
Под АСК понимаются системы управления двойного назначения, военные, экологически опасных производств, транспорта, связи, финансово-кредитной сферы и т.д., в которых размеры ущерба или других последствий, возникших в результате нарушения их работоспособности, сбоев и отказов в работе, оказываются неприемлемыми для общества.
Широкое применение локальных, корпоративных и глобальных сетей с использованием стандартных (открытых) протоколов передачи данных еще более усугубляет проблему обеспечения информационной безопасности, так как создаются возможности удаленного НСД к данным и вычислительному процессу.
В связи с этим возникает весьма актуальная и практически значимая задача защиты информационных процессов в АСК от НСД, получения, модификации и искажений программ и данных.
Для обеспечения информационной безопасности используются специальные СЗИ, входящие в АСК в качестве проблемно-ориентированной подсистемы и содержащие технические и программные средства защиты.
Можно выделить следующие основные направления обеспечения информационной безопасности АСК создаваемых из ненадежных (уязвимых) элементов [1]:
обеспечение безопасности данных, т.е. наделение данных защитой как их внутренним свойством методами криптографии. Фактически сегодня шифрование единственная гарантия защиты данных, особенно при их хранении и передачи по каналам связи. Однако оно не всегда приемлемо из-за снижения скорости обработки данных, неудобств их интерпретации и отображения, высокой стоимости оборудования, сложности и уязвимости (опять же люди) систем обеспечения;
обеспечение безопасности аппаратных средств (спецпроверки на закладные устройства, специсследования на побочные электромагнитные излучения и наводки (ПЭМИН)) и программного обеспечения (дополнительное тестирование на отсутствие скрытых и недокументированных функций);
создание программно-аппаратных средств защиты от НСД (для отдельных рабочих мест, сетевых и межсетевых);
комплексирование перечисленных выше направлений с организационно-техническими мерами в рамках системы обеспечения информационной безопасности АСК.
При реализации этих направлений функция обеспечения информационной безопасности рассматривается как дополнительная по отношению к информационно-технологическому процессу АСК и проектируется («навешивается») после ее создания. Как следствие, в соответствующие системы информационной безопасности закладывается так называемый принцип «изощренного замка» [2]: для заданного информационно-технического процесса, аппаратных и программных средств его реализации определяются места уязвимости и угрозы безопасности, которым противопоставляется адекватный механизм ЗИ. Если этот механизм «взламывают», то его усложняют, и т.д.
Основной целью средств и систем ЗИ АСК является обеспечение нейтрализации потенциальных угроз информации в АСК.
Исследование и анализ многочисленных случаев воздействия на информацию в АСК и НСД к ней показывают, что их можно разделить на случайные и преднамеренные [2]. Преднамеренные угрозы часто путем их систематического применения могут быть приведены в исполнение через случайные, вследствие долговременной массированной атаки несанкционированными запросами или вирусами.
Последствия, к которым приводит реализация угроз: разрушение (утрата) информации, модификация, (изменение информации на ложную, которая корректна по форме и содержанию, но имеет другой смысл) и ознакомление с ней посторонних лиц. Цена указанных событий может быть самой различной: от невинных недоразумений до нарушения управления АСК.
При сертификации средств ЗИ необходимо определить природу угроз, формы и пути их возможного проявления и осуществления в автоматизированной системе. Решение поставленной задачи заключается в том, что все многообразие угроз и путей их воздействия приводится к простейшим видам и формам, которые были бы адекватны их множеству в автоматизированных системах [1].
Случайные угрозы. Исследование опыта испытания и эксплуатации автоматизированных систем говорят о том, что информация в процессе ввода, хранения, обработки, вывода и передачи подвергается различным случайным воздействиям. В результате таких воздействий на аппаратном уровне происходят физические изменения уровней сигналов в цифровых кодах, несущих информацию.
Причинами случайных воздействий при эксплуатации автоматизированной системы могут быть [3]:
отказы и сбои аппаратуры;
помехи на линиях связи от воздействий внешней среды;
ошибки человека как звена системы;
схемные и системно-технические ошибки разработчиков;
структурные, алгоритмические и программные ошибки;
аварийные ситуации и другие воздействия.
Вероятность этих событий связана, прежде всего, с правильным выбором места размещения автоматизированной системы, включая географическое положение, и организацией противопожарных мероприятий.
Преднамеренные угрозы. Преднамеренные угрозы связаны с действиями человека, или простое развлечение с самоутверждением своих способностей, как у хакеров, и т.д.
В качестве типового объекта защиты согласно классификации [1] выбираем вычислительную систему, которая может быть элементом вычислительной сети или большой АСК. Для вычислительных систем, в этом случае, характерны следующие штатные (законные) каналы доступа к информации [1]:
терминалы пользователей;
терминал администратора сети;
терминал оператора функционального контроля;
средства документирования информации;
средства загрузки программного обеспечения в вычислительный комплекс;
носители информации (оперативно - запоминающее устройство (ОЗУ), магнитные и оптические, бумажные);
внешние каналы связи.
Так как при отсутствии защиты нарушитель может воспользоваться как штатными, так и другими физическими каналами доступа, перечислим возможные каналы НСД (ВК НСД) в вычислительной системе, через которые можно получить доступ к аппаратуре, программному обеспечению (ПО) и осуществить хищение, разрушение, модификацию информации и ознакомление с нею.
Согласно исследованиям [2] в вычислительных сетях нарушитель может применять следующую стратегию:
получить НСД к секретной информации;
выдать себя за другого пользователя, чтобы снять с себя ответственность или же использовать его полномочия с целью формирования ложной информации, изменения законной информации, применения ложного удостоверения личности, санкционирования ложных обменов информацией или же их подтверждения;
отказаться от факта формирования переданной информации;
утверждать о том, что информация получена от некоторого пользователя, хотя на самом деле она сформирована самим же нарушителем;
утверждать то, что получателю в определенный момент времени была послана информация, которая на самом деле не посылалась (или посылалась в другой момент времени);
отказаться от факта получения информации, которая на самом деле была получена, или утверждать о другом времени ее получения;
незаконно расширить свои полномочия по доступу к информации и ее обработке;
незаконно изменить полномочия других пользователей (расширить или ограничить, вывести или ввести других лиц);
скрыть факт наличия некоторой информации в другой информации (скрытая передача одной в содержании другой информации);
подключиться к линии связи между другими пользователями в качестве активного ретранслятора;
изучить, кто, когда и к какой информации получает доступ (даже если сама информация остается недоступной);
заявить о сомнительности протокола обеспечения информацией из-за раскрытия некоторой информации, которая согласно условиям протокола должна оставаться секретной;
модифицировать ПО путем исключения или добавления новых функций;
преднамеренно изменить протокол обмена информацией с целью его нарушения или подрыва доверения к нему;
помешать обмену сообщениями между другими пользователями путем введения помех с целью нарушения аутентификации сообщений.
На основании вышесказанного можно сделать следующий вывод, что наибольшую опасность (с точки зрения угроз) представляет собой НСД злоумышленника.
Литература
Информационное обеспечение процесса сертификации программных систем защиты информации АСУ специального назначения: Монография / М.А. Багаев, О.И. Перетокин и др. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2007. 131 с.
Дубровин А.С., Застрожнов И.И., Рогозин Е.А. и др. Показатели качества функционирования программной системы защиты информации в АСУ критических применений // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 220‑235.
Львович Я.Е., Сумин В.И., Застрожнов И.И., Рогозин Е.А., Дубровин А.С. Формализация функционирования перспективной программной системы защиты информации автоматизированных систем // Телекоммуникации. 2004. № 1. С. 38-43.
Кречетов Н., Иванов П. Продукты для интеллектуального анализа данных //Computer Week-Москва. 1997. № 14. С. 32.
ВВТУ ФСО РОСИИ
УДК 681.3
С.В. Хохленкова, Н.В. Герасимова, Л.Н. Никитин
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Устройство для регистрации ионизирующего излучения позволяет оценить мощность экспозиционной дозы бета-излучения и гамма - излучения
Устройство и принцип работы.
В соответствии с литературными данными известно, что измерение мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения дозиметра основано на измерении интенсивности сцинтилляций воздухоэквивалентного сцинтиллятора, которая пропорциональна измеряемой мощности экспозиционной дозы. В качестве воздухоэквивалентного сцинтиллятора часто используется органический сцинтиллятор на основе полистирола. Эффективный атомный номер сцинтиллятора близок эффективному атомному номеру воздуха. Фотоумножитель (ФЭУ), регистрирующий вспышки сцинтиллятора, может работать в токовом режиме. С помощью аналого-цифрового преобразователя ток ФЭУ преобразуется в импульсы напряжения, частота следования которых пропорциональна измеряемому току.
Таким образом, число импульсов, в единицу времени, сосчитанных пересчетным устройством (и зафиксированное на цифровом индикаторном табло), должно быть пропорционально измеряемой мощности экспозиционной дозы, а полное число импульсов за определенное время будет пропорционально экспозиционной дозе за это время.
Дозиметр может оценить наличие бета-излучения, как при наличии, так и при отсутствии гамма-излучения. О наличии бета-излучения судят по разности показаний дозиметра при надетом на блок детектирования съемном стакане и без него.
Структурная схема дозиметра представлена на рисунке.
Дозиметр работает следующим образом: ток ФЭУ поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), импульсы АЦП поступают на схему управления режимом «мощность дозы» и «доза», после которой на пересчетную схему, а с нее на табло индикации, содержащее четыре цифровых индикатора типа АЛС324Б на базе светодиодов.
В целях экономии емкости аккумуляторов узел индикации работает в режиме динамического опроса, когда в каждый момент времени светится только один элемент цифрового индикатора АЛС324Б. С этой же целью, когда регистрируются малые уровни излучения (информация поступает только с цифровых индикаторов низших разрядов), специальная схема (схема гашения «левых нулей») обеспечивает гашение цифровых индикаторов высших разрядов, на которых в это время нет информации. Если же на цифровых индикаторах высших разрядов появляются отличные от нуля значения, то эти цифры загораются.
Дозиметр имеет режим работы, при котором прибор измеряет экспозиционную дозу от 1 до 9999 МR.
При превышении показаний индикаторного табло 9999 специальная схема (схема гашения и сигнализации о перевыполнении), обеспечивает мигание цифр с частотой около 16 Hz. Эта же схема обеспечивает гашение цифровых индикаторов с периодом 1 с что уменьшает потребляемую дозиметром мощность.
Питание дозиметра осуществляется от аккумуляторов. Поскольку напряжение аккумуляторов в процессе работы непрерывно падает, дозиметр имеет узел стабилизации низковольтного напряжения, обеспечивающего стабилизированным напряжением все низковольтные электрические цепи дозиметра. Для питания ФЭУ дозиметр имеет узел стабилизированного высоковольтного питания.
Кроме того, дозиметр имеет специальную схему индикации уменьшения напряжения питания аккумуляторных батарей ниже нормы, которая обеспечивает зажигание сигнального светодиода, расположенного на передней панели дозиметра, в любом режиме его работы.
Назначение изделия.
Дозиметр предназначен для измерения экспозиционной дозы и мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, а также качественной оценки наличия бета-излучения.
Дозиметр применяется в промышленности и лабораториях для оперативного дозиметрического контроля радиационной обстановки.
Технические характеристики.
Дозиметр измеряет экспозиционную дозу и мощность экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне энергий от 1 до 9999 Мрад.
Время установленного рабочего режима не превышает 1 мин, при этом чувствительность дозиметров через 1 мин после включения не отличается от чувствительности через 15 мин после включения более чем на ±10 %. Нестабильность показаний дозиметров за 6 Н непрерывной работы не должна превышать ±10 % от среднего значения показаний за этот промежуток времени.
Питание дозиметров осуществляется от 28 аккумуляторов типа Д-0,1. Ток, потребляемый дозиметром при максимальном значении напряжения питания аккумуляторной батареи (8,7 V), не должен превышать 40 мА. Средняя наработка на отказ дозиметров не менее 5000 Н.
Таким образом, разработанная конструкция дозиметра отвечает нормам технического задания и может использоваться не только в стационарных условиях, но и в полевых. Для этого следует использовать средства герметизации корпуса и обеспечить демпфирующими приспособлениями для перевозки прибора на подвижном составе различного назначения (железнодорожный транспорт, морские суда, автотранспорт).
Литература
1. Влияние облучения на материалы и элементы электронных схем: пер. с англ./ Под ред. В.Н. Быкова, А.С. Савельева. М.: Атомиздат, 1967. 427 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 658.512
С.А. Донец, С.В. Иванов
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СБОРОЧНО-МОНТАЖНЫХ
ПРОИЗВОДСТВ РЭС
В данной статье изложены основные тенденции развития современной элементной базы и автоматизированных сборочно-монтажных производств радиоэлектронных средств
На сегодняшний день развитие современной радиоэлектронной промышленности идет высокими темпами. Данную тенденцию невозможно представить себе без постоянного совершенствования элементной базы и технологий монтажа электрорадиоэлементов (ЭРЭ). При производстве радиоэлектронных модулей (РМ) существенную роль играет технологический процесс (ТП) установки (монтажа) компонентов на печатную плату (ПП), который в свою очередь непосредственно связан с типом используемых корпусов данных ЭРЭ. Учитывая вышесказанное, представляется целесообразным рассмотрение современных типов компонентов, их тенденций развития, а также перспективы автоматизированных сборочно-монтажных производств. Выделим три основные группы ЭРЭ.
Компоненты поверхностного монтажа (SMC или SMD). К этой группе относятся хорошо известные пассивные чип-компоненты в корпусах, различающихся по размеру (например, 0805, MELF) и прочие интегральные схемы (ИС) в базовых технологических корпусах SO, PLCC, OFP, BGA и т.д. Сюда же относят специализированные технологии, которые еще не стали стандартом электронной сборки или стали им относительно недавно (TAB, flip-chip, COB, DCA), а также компоненты, которые не входят в вышеперечисленные, однако также монтируемые на поверхность ПП.
Выводные компоненты (IMC или THT). Эта группа компонентов включает традиционные пассивные компоненты с осевыми (аксиальными) выводами, пассивные и активные компоненты с радиальными выводами, а также интегральные схемы в DIP, СИП и других менее распространенных корпусах.
Нестандартные компоненты (OFC). К этой группе компонентов, выделившейся относительно недавно, относится выводные компоненты, не вошедшие в IMC. Эта группа компонентов включает в себя соединители, разъемы, трансформаторы, колодки, держатели, экраны и т.д. Эта группа является самой динамичной, поскольку при ее постоянном пополнении ряд нестандартных компонентов усилиями производителей либо становятся поверхностно-монтируемыми, либо переходят в категорию стандартных аксиально-радиальных.
Общими тенденциями, которые в целом будут определяющими в процессе сборки РМ в ближайшие несколько лет, являются:
1. Переход к более миниатюрным, более быстрым и более легким электронным модулям со все более возрастающей степенью функциональности.
2. Уменьшение срока жизни среднего изделия, за который полная оптимизация спектра компонентов и конструктива ПП является близкой к невозможной.
3. Возрастание степени интеграции компонентов (количества каналов ввода/вывода) и повышение рабочих частот.
4. Постепенный сдвиг непосредственного сборочно-монтажного производства от фирм-разработчиков и носителей брэнднэйм-изделия (OEM) к специализированным фирмам, которые занимаются исключительно технологическими процессами сборочно-монтажного цикла [1].
Следуя общим тенденциям мировой электроники требования, предъявляемые ТП сборки поверхностно-монтируемых компонентов, становятся более жесткими.
Относительное количество чипов в процентном отношении к общему числу компонентов на ПП в последние годы возросло вследствие увеличения количества каналов ввода/вывода в среднем РМ. Однако эта тенденция может и измениться, в первую очередь, из-за более широкого применения пассивных слоев на подложках и увеличения интеграции кремния. Размеры чип-компонентов продолжают уменьшаться, но эта тенденция спадает из-за увеличения стоимости компонента с уменьшением его размера, а также из-за потери коэффициента воспроизводимости многих сборочных систем при переходе, к примеру, от типа корпуса ЭРЭ 0402 к 0201.
Широкое распространение пассивных компонентов в общем спектре элементов РМ привело к возникновению новых технологий обращения с ними при сборке печатных узлов. В качестве примера можно привести возрождение технологий подачи чип-компонентов в сборочные линии из россыпи (специальных кассет), что снижает стоимость элементов из-за стоимости упаковки, увеличивает плотность упаковки и снижает объем производственных отходов за счет отсутствия остатков упаковочных лент.
Общемировое потребление микросхем в пластиковых корпусах QFP достигло почти 6 млрд. еще в 1995 г. и с тех пор ежегодно возрастает примерно на 25 %. В ближайшие годы наиболее важными вопросами при производстве корпусов QFP будут следующие:
- ограничение периметра интегральной схемы будет и далее работать против повышения функциональности;
- процесс нанесения паяльных паст методами трафаретной печати на контактные площадки QFP будет оставаться основным процессом, вызывающим снижение коэффициентов воспроизводимости сборочной системы. Это уже сейчас приводит к тому, что автоматические системы оптической инспекции количества и качества нанесения припойной пасты становятся неотъемлемой частью даже относительно простых автоматических станков для трафаретной печати;
- особое внимание будет уделяться аккуратному обращению с компонентом при формовке его выводов, тестировании и транспортировке на сборочное производство.
В технологии TAB (Tape Automated Bonding) кремниевые кристаллы крепятся к полимерной ленте, формирующей внутренние соединения выводов чипа. Присоединение выводов чипа к сборке второго уровня (ПП или другой подложке) достигается при помощи внешних выводов полимерной ленты. Для соединения внешних выводов компонента TAB с подложкой обычно используются методы контактной пайки, пайки горячим газом или лазерной микросварки. Полностью технология TAB освоена только весьма ограниченным кругом ведущих технологических фирм мира. В ближайшем будущем наиболее вероятно, что технология TAB скорее всего будет вытеснена из микропроцессорной индустрии такими компонентами, как BGA (Ball Grid Array) или флип-чип (flip chip).
В последние годы вся инфраструктура BGA развивалась стремительно, и сейчас известно много видов этого типоразмера, включая пластиковые, керамические, металлические, стеклокомпозитные, ленточные и другие, а также микро-mBGA, более всего напоминающие собой открытые кристаллы, а не традиционные BGA.
BGA по сравнению с другими ИС являются верным решением там, где количество каналов ввода/вывода ИС превышает 256. Использование корпуса BGA при количестве выводов менее 256 может быть оправдано только преимуществами в функциональности, размере либо в общей стоимости РМ. Пайка BGA является отработанным и очень устойчивым процессом при наличии технологического оборудования и материалов надлежащего класса. С другой стороны, по сравнению с другими корпусами ИС, ремонт РМ и оптический контроль выводов BGA затруднены и имеют достаточно высокую стоимость.
Над относительно новыми компоненты CSP (Chip-Scale Packages) ведется работа по изучению всего изобилия возможных конструктивов и форм, например, возможностей расположения выводов по заказу потребителя или подача компонентов в сборочные линии непосредственно от производителя. В общем, CSP обычно определяется как компонент, размером не более чем на 20 % превышающий размер самого кристалла. Первоочередными областями применения этих компонентов являются микросхемы памяти (особенно, флэш), микросхемы управления, схемы цифровой обработки (DSP), а также микросхемы специального применения (ASIC) и микропроцессоры. В компонентах CSP просматривается хорошая альтернатива флип-чипам, поскольку очевидны преимущества стандартного расположения контактных площадок, возможностей теста и прожига, а также отсутствия необходимости в специальном ТП подготовки чипа.
Флип-чип (flip chip) компоненты обладают рядом очевидных преимуществ, к которым относятся:
- экономия места на печатной плате;
- небольшая высота и незначительный вес;
- снижение стоимости материалов;
- сокращение длины соединений, что обеспечивает лучшие электрические параметры;
- меньшее количество соединений, что сокращает количество потенциальных узлов отказа и обеспечивает более эффективное распределение тепловой энергии.
Однако эта популярная технология имеет и свои недостатки:
- дороговизна технологии прикрепления (полусферических) выводов к кристаллу;
- плотная разводка платы под посадочное место для флип-чипа, что приводит к повышению расходов на ПП;
- больший объем работы технологов по оптимальному выбору флюсующих веществ и адгезивов в зависимости от вида флип-чипа, подложки и ТП;
- трудности в контроле качества техпроцесса флип-чипов, а также ремонта плат с их применением.
Кроме того, до сих пор не решен вопрос со стабильно высоким уровнем выхода годных кристаллов. Время цикла сборочной системы с применением технологии флип-чип может быть довольно долгим из-за этапов нанесения специальных материалов и процессов их отверждения. Особое внимание должно быть обращено на распределение тепловой энергии для обеспечения высокой надежности сборки. Инфраструктура поддержки технологии флип-чип для электронной индустрии до сих пор развита не столь сильно, как других стандартных технологий.
Одной из самых существенных тенденций в промышленности электронной сборки на протяжении ближайших нескольких лет будет сближение электронного блока на уровне ПП с электронной сборкой на уровне компонента. Некоторые из сегодняшних так называемых «компонентов», недавно считались целыми электронными блоками, но также верна и обратная тенденция.
Значительное влияние на автоматизированное оборудование для производства электронных компонентов и автоматизированные производственные системы сборки РМ исходит от потребителей сборочного оборудования, которые в качестве одного из главных требований выдвигают возможность адаптации всей этой инфраструктуры к своему сборочно-монтажному комплексу [2].
На протяжении следующих нескольких лет сборочные линии будут вынуждены иметь дело с большим количеством различных видов компонентов, процессов и технологических применений. Монтажные автоматы будут базироваться на единой концепции, где всего лишь одна единица оборудования решает как можно более широкий круг задач. Также следует отметить некоторые иные весомые тенденции в сборочно-монтажной индустрии, имеющие место в настоящее время:
- повышение роли программного обеспечения (ПО) в сборочно-монтажных системах;
- повышение коэффициента использования оборудования;
- повышение качественных показателей сборки ПП (в первую очередь коэффициенты дефектов сборки);
- сокращение удельной стоимости монтажа компонента различного уровня сложности;
- увеличение производительности в пересчете на 1 м2 площади помещения;
- разработка альтернативных концепций и оборудования в целях поиска преимуществ в конкуренции.
Главным направлением при производстве РМ остается снижение себестоимости сборки при поддержании стабильно высокого уровня качества.
Ужесточаются требования к контролю и предсказуемости сборочно-монтажных ТП. Например, показатели точности монтажа SMD-компонентов предоставляются ведущими производителями с привязкой к уровню распределения погрешности не хуже 5s (сигма). Обязательным стало и предоставление данных по окончательному коэффициенту дефектов сборки, вызванных самим оборудованием. Этот коэффициент также зависит от сложности обрабатываемых компонентов, но для критически сложных ИС не должен быть хуже 50 DPM (Defects per Million) или в процентном выражении 99,995 % годных. Становится весьма распространенной функция автоматического восстановления ТП после той или иной ошибки, связанной с ПП, ЭРЭ или оператором, что снижает время простоя линии между двумя ближайшими моментами вмешательства оператора. Процедуры замены тары ЭРЭ, переход от изделия к изделию, оптимизация сборочной линии и обучение операторов исследуются с точки зрения применения различных форм автоматизации на основе ПО, а также в сторону их упрощения. Это приводит к повышению относительного времени использования оборудования.
Таким образом, автоматические системы для сборки РМ будут в гораздо большей степени полагаться на ПО.
Автоматизация такой технологической группы компонентов, как odd-form считается дорогостоящей задачей, достижимым исключительно при помощи возможностей робототехники. Однако в настоящее время на рынке оборудования появились стандартные многофункциональные линии, успешно решающие данную проблему. Автоматизация процессов, связанных с нестандартными компонентами, приносит производителям РМ существенные преимущества, такие как:
- исключение пайки волной припоя путем внедрения общей пайки в печах оплавления паяльных паст и технологии пайки выводных компонентов этим же методом (комплекс технологий AART);
- повышение показателей сборочного комплекса при поддержании должного коэффициента воспроизводимости производственной системы;
- снижение стоимости ТП и материалов, связанных с упаковкой компонентов для автоматической сборки и др.
На сегодняшний день ряд бурно развивающихся тенденций в области монтажа на поверхность нашли свое второе применение в технологии монтажа в отверстия. Например, в передовых автоматах для установки выводных компонентов широко используется технология сервоприводов, отлично зарекомендовавшая себя в линиях сборки компонентов поверхностного монтажа. Кроме того, ведущие производители линий установки выводных компонентов подняли планку уровня точности, повторяемости и воспроизводимости своего оборудования до уровня требований, предъявляемых к SMT-монтажу. Как результат, технология THT стала вновь популярной в ряде тех областей, где делала попытки закрепиться SMT.
Ведущие производители оборудования для сборочно-монтажных процессов в технологии выводных компонентов видят своей главной задачей значительно улучшить ТП сборки, посредством разработки систем нового поколения. Реализация данной задачи гарантирована, поскольку даже сейчас THT-технология обеспечивает наиболее низкую стоимость и наиболее высокую производительность, следовательно, имеет прочные позиции в значительном количестве сборочных производств с большой программой выпуска.
Резюмируя вышесказанное можно сделать вывод о том, что современные автоматизированные сборочно-монтажные производства будут и далее концентрироваться на базовых достижениях отрасли при разработке и производстве изделий, вместе с тем, отслеживая перспективные технологии.
Литература
1. www.pcb.spb.ru.
2. www.compitech.ru.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
О.Ю. Макаров, В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов
АЛГОРИТМЫ И МОДЕЛИ ВЕРИФИКАЦИИ ТОПОЛОГИИ СБИС
В настоящее время предъявляются особенно высокие требования к качеству выпускаемых промышленностью РЭС. Особое внимание уделяется к производимым СБИС и системам на кристалле, которые должны удовлетворять технологическим нормам и требованиям достаточно высокого уровня. Поэтому верификация и отладка моделей на каждом этапе проектирования является актуальной задачей, особенно это касается физического проектирования
Процесс изготовления фотошаблонов БИС является сложным и требует высокой точности. В связи с этим особую роль приобретает создание комплексных систем проектирования и изготовления фотошаблонов БИС (САПРФ БИС). На рисунке приведена структура САПРФ БИС, которая включает в себя следующие этапы: кодирование топологического эскиза БИС; контроль информации; разработка чертежа послойной геометрии БИС; контроль и анализ полученного варианта топологии; получение управляющей информации для оборудования, изготовляющего фотошаблоны БИС [1].
Выходным документом для приведенной САПРФ БИС является топологический эскиз принципиальной схемы БИС. Так как описание топологического эскиза БИС представляет собой трудоемкий процесс, в результате которого получаются большие числовые массивы, то исключить ошибки при первоначальном кодировании не представляется возможным. Ошибки, возникающие при описании топологического эскиза, бывают двух видов: проектирования и инструментальные, возникающие из-за сбоев в работе оборудования. При описании топологического эскиза с использованием полуавтоматических устройств возможны ошибки обоих видов.
Для обнаружения этих ошибок в САПРФ БИС предусматривается блок синтаксического контроля (верификации). Программа синтаксического контроля является первым блоком транслятора описания топологического эскиза для микрофотонаборного оборудования. Второй блок транслятора — это программа получения информации о послойной геометрии, являющаяся входной для программы получения перфолент для фотонаборной установки. Входной информацией для программы получения послойной геометрии служит описание топологического эскиза на специальном языке, прошедшее синтаксический контроль. Транслятором производится расчет послойной геометрии, т.е. конфигурации всех элементов каждого слоя с учетом координат центров элементов и их конструктивных размеров. Результаты расчета чертежа послойной геометрии дополняются кодами соответствующего устройства, которое вычерчивает чертеж послойной геометрии БИС.
Структурная схема процесса автоматизированного премирования фотошаблонов БИС
Полученный чертеж анализируется конструктором. Если результаты анализа не удовлетворительны, то выполняется корректировка чертежа послойной геометрии. В противном случае производится автоматический контроль топологии БИС.
Полный контроль и анализ топологии включают контроль технологических ограничений, восстановление принципиальной схемы БИС по полученной топологии и сравнение ее с исходной, анализ электрических характеристик БИС, соответствующих данному топологическому варианту.
Исходными данными для контроля и анализа БИС являются описание топологии БИС, перечень технологических ограничений, которые необходимо контролировать, исходная принципиальная схема БИС и перечень необходимых электрических характеристик. Эта информация вводится в ЭВМ, после чего осуществляется ее синтаксический контроль [2].
Контроль технологических ограничений заключается в проверке расстояний между областями топологии, размеров и перекрытий областей топологии. Этот контроль осуществляет ЭВМ. Она выдает информацию о нарушениях ограничений в текстовом виде и (или) в виде чертежей тех областей, которые не удовлетворяют заданным ограничениям. Следующим этапом является восстановление принципиальной схемы по имеющемуся варианту топологии. В случае обнаружения ошибок вносят изменения в топологию БИС. Далее по полученной принципиальной схеме осуществляется автоматическое формирование уравнений, описывающих логику работы БИС. Контроль логики работы схемы позволяет убедиться в том, что все соединения в БИС выполнены правильно и схема отвечает своему назначению.
Осуществление полного автоматического контроля важно не только для исходных и окончательных данных проектирования, но и для промежуточных. Это позволяет определять ошибки проектирования на ранних этапах, сокращает время и стоимость разработки БИС. Наличие полного автоматического контроля получаемых топологических вариантов повышает степень автоматизации системы проектирования фотошаблонов БИС и дает возможность изготовить оригиналы фотошаблонов без ошибок с первого раза. Обычно при проектировании схем БИС стремятся сохранить информацию о нумерации элементов, что упрощает процесс контроля. Сохранение нумерации элементов на всех этапах оказывается затруднительным при взаимодействии разработчика и ЭВМ через дисплей и при использовании языков описания топологии для проектирования БИС по частям. В этих случаях ставится задача сравнения схем без учета нумерации элементов. Применение ЭВМ позволяет ускорить процесс контроля схем, снизить его стоимость и повысить достоверность результатов. Сравнение схем без учета нумерации элементов можно выполнить с помощью алгоритма отыскания подстановки изоморфизма графов. Для этого схему моделируют графом.
Литература
1. Ломов А.Б. Проектирование гибридных интегральных микросхем. - М.: “МКИП”, 1997. 324 с.: ил.
2. Уэйкерли Дж.Ф. Проектирование цифровых устройств. М.: Постмаркет, 2002. Т. 1. 544 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
А.В. Анохин, О.Ю. Макаров
Основные тенденции развития средств
проектирования микросхем FPGA
В настоящее время все более важное место в нашей деятельности занимают цифровые устройства. Требования к техническим и экономическим параметрам таких устройств становятся все более жесткими. Поэтому микросхемы должны быть подходящими не только по своим характеристикам, но и достаточно дешевыми
При переходе на новые технологии даже при достаточно больших объемах выпуска использование FPGA становится более выгодным по сравнению со специализированными полузаказными микросхемами (ASIC). Эту тенденцию иллюстрирует рис. 1, где для технологий 0,18 мкм и 0,13 мкм приведены графики изменения стоимости производства FPGA и ASIC в зависимости от объемов выпуска (данные на 2003 г.). По оценкам компании SONY, в 2005 году партии до 300000 штук будет выгоднее производить на базе FPGA.
Рис. 1. Сравнение затрат на производство FPGA и ASIC
Новое поколение FPGA ведущих производителей (Xilinx, Altera и др.) позволяет реализовать полноценную систему на программируемом кристалле. В состав FPGA включаются встроенные процессорные ядра (Power PC в Virtex II Pro Xilinx и NIOS в Stratix Altera), специализированные арифметические блоки для DSP-приложений, высокоскоростные последовательные интерфейсы, блоки памяти различной конфигурации и назначения. Соответственно возрастают и требования к средствам проектирования таких кристаллов.
Компания Mentor Graphics одной из первых серьезно занялась разработкой систем проектирования для FPGA. В настоящее время это одно из стратегических направлений ее развития. Отличительная особенность продуктов Mentor Graphics - независимость от конкретного производителя, что позволяет проектировать системы, основанные на комбинации FPGA различных производителей, оптимально используя преимущества каждого из них. В случае необходимости перехода на другую технологию или другой тип кристаллов систему достаточно легко перепроектировать. Все это невозможно при использовании средств проектирования, предлагаемых изготовителями FPGA, которые работают только со своими кристаллами.
Рассмотрим более подробно маршрут проектирования FPGA, реализованный компанией Mentor Graphics (рис. 2).
Проектирование начинается с разработки спецификации архитектуры системы на языках высокого уровня С, C++, System С, SystemVerilog, MATLAB и верификации полученной модели с помощью программы ModelSim. На этом этапе принимается решение об аппаратном либо программно-аппаратном способе реализации. В случае выбора аппаратного способа реализации можно непосредственно переходить к созданию RTL-описаний (VHDL или Verilog) проекта. Это можно делать вручную либо воспользоваться программой поведенческого синтеза Precision С Synthesis, которая ориентирована в основном на синтез систем цифровой обработки сигналов. Она позволяет, имея описание алгоритмов на С или C++, автоматически получить синтезируемый VHDL или Verilog код.
Если принято решение о программно-аппаратном способе реализации и выбрано процессорное ядро, процесс проектирования разделяется на разработку встроенной программы и создание аппаратной части проекта. Аппаратная часть с помощью пакета Platform Express верифицируется на уровне шинных интерфейсов. Программная часть отлаживается в комплексной интегрированной среде, состоящей из системы программирования code|lab, отладчика XRAY и операционных систем реального времени VRTX и Nucleus.
Рис. 2. Маршрут проектирования FPGA, реализованный компанией Mentor Graphics
Процесс комплексной верификации системы можно существенно ускорить с помощью пакета программно-аппаратной верфика-ции (или виртуального прототипирования) Seamless-CVE. Ядро Seamless-CVE управляет взаимодействием интерпретатора системы команд встроенного процессора и RTL-моделирования аппаратной части, обеспечивая совместное моделирование и отладку всей программно-аппаратной системы на виртуальном прототипе, не прибегая к созданию макета.
Ядро маршрута проектирования - пакет FPGA Advantage - включает три основных модуля: HDL Designer, ModelSim и Precision RTL/Physical Synthesis, которые при необходимости могут использоваться автономно или в других маршрутах проектирования. Этому способствует то, что основным форматом передачи данных между этапами на этой стадии проектирования являются RTL-описания на VHDL, Verilog или их комбинации.
HDL DESIGNER
Пакет HDL Designer предназначен для создания проекта на уровне RTL. Он также выполняет функцию "центра управления" проектными данными и всем процессом проектирования. Кроме стандартного текстового редактора для работы с языками VHDL, Verilog, SystemC и т.п. HDL Designer поддерживает такие способы представления проекта, как блок-диаграмма алгоритма, блок-схема, конечный автомат, таблица истинности, таблица связности блоков. При работе с иерархическими проектами верхний уровень, например, может быть представлен в виде блок-схемы, а самый нижний - в виде текстового HDL-описания. Возможность выбора представления проекта - большое преимущество.
После завершения разработки исходного представления проекта происходит проверка синтаксиса и генерация HDL-описания. Процессом генерации можно управлять. Например, для части проекта, представленной в виде конечных автоматов, можно выбирать способ кодировки конечного автомата, делать его синхронным или асинхронным, определять реакцию на сигнал сброса и многое другое.
Важное преимущество HDL Designer - поддержка режима коллективной работы с использованием внешних или собственных IP-блоков. Система управления версиями контролирует все обновления в центральной библиотеке. При использовании внешнего IP-блока специальная программа визуализации сформирует графическое представление исходного кода, которое поможет инженеру, не обладающему детальными знаниями о блоке, быстрее разобраться в принципах его работы. Выпуск проектной документации во всех стандартных форматах также входит в состав функций HDL Designer.
Следующий этап проектирования FPGA - функциональное моделирование и отладка проекта. Эти функции реализуются пакетом ModelSim, который выполняет моделирование и отладку проектов, описанных на VHDL, Verilog или их комбинации. Помимо режима пакетной обработки ModelSim предоставляет такие отладочные возможности, как построчное моделирование, анализ потоков данных, анализ полноты покрытия и эффективности кода. В рамках FPGA Advantage из ModelSim можно мгновенно перейти к исходному описанию в HDL Designer любой моделируемой строки, выполнить повторную загрузку и компиляцию измененного проекта без потери текущих настроек моделирования, включить функцию анимации, позволяющую наглядно отображать процесс моделирования. Работа с включенным режимом анализа полноты покрытия дает возможность оценить эффективность описания проекта, определить узкие места, избыточную логику и т.п. В наглядном виде доступна информация о частоте выполнения строк HDL-текста. Накладные расходы при этом составляют всего несколько процентов. Другие характеристики, о которых можно упомянуть, - использование механизма прямой оптимизированной компиляции, единого моделирующего ядра и языка Тс1ДК. Язык Тс1ДК интересен тем, что позволяет создавать собственные сценарии моделирования.
ModelSim поставляется в трех основных конфигурациях. OEM-конфигурация, включенная в состав программного обеспечения производителей FPGA (ISEXilinx, Quartus Altera и др.), имеет серьезные ограничения на производительность, размер проекта и не содержит отладочных опций. Полная конфигурация SE практически не имеет ограничений на размер проекта, включает весь инструментарий моделирования и отладки и имеет максимальную производительность. "Персональная" конфигурация РЕ занимает промежуточное положение. Последняя версия ModelSim 5.8 обладает существенно более высокой производительностью по сравнению с версией 5.7, поддерживает моделирование объектов на языках System С, System Verilog, Verilog 2001, имеет специальный интерфейс для моделирования MATLAB и SimuLJnk.
В последнее время FPGA часто используются для прототипирования ASIC. Поскольку технологические особенности FPGA (библиотеки, задержки, схемы ввода-вывода) влияют на реализацию проекта, возникает задача контроля функциональной эквивалентности ASIC и ее FPGA-прототипа, которая успешно решается с помощью пакета формальной верификации FormalPro. Процесс формальной верификации, в отличие от моделирования, требует существенно меньше времени (часы и даже минуты вместо дней и недель). Описание сравниваемых объектов для FormalPro может быть представлено как на RTL-уровне, так и на уровне логических вентилей, а также в виде любой комбинации этих описаний.
За логический синтез в маршруте проектирования FPGA фирмы Mentor Graphics отвечает пакет Precision RTL Synthesis, который поддерживает все семейства FPGA ведущих производителей. Оптимальный алгоритм синтеза выбирается автоматически на основе анализа входного RTL-описания. Для большинства случаев этого достаточно. В особо сложных ситуациях можно использовать ручные настройки. Механизм синтеза хорошо адаптирован к использованию крупных блоков. (В качестве примера можно привести исключительно эффективный синтез устройств цифровой обработки сигналов на основе библиотечных DSP-блоков FPGA семейства Stratix компании Altera и семейств Spartan 3 и Virtex II Pro компании Xilinx.) Использование механизма временного анализа позволяет контролировать временные ограничения логических и синхросигналов непосредственно в процессе синтеза, что существенно уменьшает количество итераций размещения и трассировки.
Функция инкрементного синтеза позволяет проводить иерархическое разбиение на отдельные блоки с последующим раздельным синтезом каждого из блоков и финальной сборкой проекта на завершающем этапе. Такой подход в случае необходимости внесения изменений позволяет пересинтезировать только измененный блок, что, во-первых, существенно экономит время синтеза, во-вторых, сохраняет оптимальные конфигурации других блоков, достигнутые на этапе первоначального синтеза.
Список соединений синтезированного устройства сохраняется в одном из стандартных форматов (EDIF, VHDL или Verilog) и передается в программу размещения и трассировки производителя FPGA, например ISE компании Xilinx. После размещения и трассировки, как впрочем и после этапа логического синтеза, можно провести повторное моделирование с учетом реальных значений задержек библиотечных элементов, величины нагрузки и длины трасс.
Для FPGA, разработанных по технологиям от 0,13 мкм, 50-70 % общей величины задержки приходится на межсоединения. В этих условиях на этапе синтеза недостаточно оптимизировать логическую схему, необходимо учитывать реальные физические параметры размещения. Эта задача успешно решается с помощью пакета физического синтеза Precision Physical Synthesis. База данных Precision Physical Synthesis содержит детальные знания о физической структуре каждой конкретной серии FPGA, правилах размещения и трассировки. Смысл физического синтеза - оптимизация схемы с учетом реальных задержек, полученных по результатам работы размещения и трассировки. При автоматической оптимизации используются три основных методики: ретайминг (retiming), реплицирование (replication) и ресинтез (resynthesis). Если автоматической оптимизации оказывается недостаточно, разработчик может воспользоваться интерактивной средой редактирования PreciseView, позволяющей выполнять размещение в инкрементном режиме и оперативно отслеживать влияние вносимых изменений. Такой подход позволяет быстро (часто за одну итерацию) получить требуемый результат, не прибегая к модификации исходного HDL-кода.
Маршрут проектирования FPGA интегрирован с маршрутами проектирования печатных плат компании Mentor Graphics. Один из таких маршрутов - Expedition PCB - был подробно описан в одной из предыдущих статей. Связь осуществляется с помощью модуля FPGA BoardLink, который позволяет автоматически отслеживать все изменения принципиальной схемы, вызванные переназначением выводов микросхемы. При совместном проектировании печатных плат и FPGA - это типичная ситуация, а отслеживать изменение принципиальной схемы вручную крайне неэффективно и к тому же может привести к ошибкам.
Литература
1. Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Проектирование цифровых систем на VHDL. СПб.: БХВ - Петербург, 2003. 576 с.
2. Угрюмов Е.П. Цифровая электроника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000. 528 с.: ил.
Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL // М.: Додэка - XXI, 2004.
Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы XILINX в САПР WebPack ISE // М.: Горячая линия — Телеком, 2003.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621
С.В. Жихарев, С.Д. Кретов,
А.В. Турецкий, Н.В. Ципина
ЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЕТЕКТОРА КОНТУРА
ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Рассматривается конструкция электронного генератора, входящего в комплект детектора контура защитного заземления, предназначенного для поиска скрытых под землей кабелей и коммуникаций
При проведении строительных работ часто стоит задача определения местоположения различных коммуникаций: металлических труб, высоковольтных кабелей, трассы защитного заземления и т.п. [1,2]. Обычный поиск требует больших материальных и финансовых затрат.
Конструктивно детектор контура защитного заземления состоит из трех конструктивно законченных частей: генератора, приемника и катушки – щупа [3].
Разрабатываемое устройство позволяет найти местоположение и место обрыва коммуникаций под землей на глубине до 3 метров.
Схема генератора изображена на рис. 1. Напряжение сети 220 В трансформатор Т1 понижает до 6,3 В. Чтобы довести допустимый ток нагрузки до 15 А, вторичные обмотки соединены параллельно. Для унифицированных трансформаторов серии ТН это допустимо. Светодиод HL1 сигнализирует о включении генератора. Выпрямленное диодным мостом VD1 - VD4 и сглаженное конденсатором С2 напряжение поступает на выход генератора (зажимы Х2, Х3) через прерыватель на транзисторе VТ3. Пачки импульсов, сформированные с помощью мультивибраторов на элементах DD1.1, DD1.2 (частота 1 Гц) и DD1.3, DD1.4 (частота 1000 Гц, ее регулируют подстроечным резистором R9), поступают на базу транзистора VT1, который, в свою очередь, управляет транзистором VТ3. Транзистор VТ2, открываясь, если ток эмиттера транзистора VТЗ превышает 12 А, не позволяет выходному току генератора превысить указанное значение даже при замыкании выходных зажимов.
Рис. 1. Схема генератора
Датчиком тока служат соединенные параллельно резисторы R11 и R12. Напряжение питания микросхемы DD1 стабилизировано параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD6. Цепь VD5С1 сглаживает пульсации, вызванные изменением нагрузки основного выпрямителя.
Корпус генератора (рис. 2) изготавливается из ударопрочного полистирола УПМ-0612Л-06, рец. 901, 1с, ГОСТ 28250-89 методом горячего литья под давлением. Этот материал, является недорогим, прочным и имеет отличные эстетические характеристики.
В корпусе выполнены все необходимые элементы для крепления платы печатной и мощного трансформатора генератора. В верхней части корпуса в боковых стенках выполнены отверстия для прикрепления крышки. В задней части корпуса имеются отверстия для размещения в нем предохранителедержателя и кабельного фиксатора сетевого шнура питания. Такое же отверстие сделано в передней стенке корпуса.
Крышка изготавливается из того же материала, что и корпус, тем же методом. В крышке также имеются отверстия для кнопки выключателя питания и размещения светодиода HL1, индицирующего работу устройства. Платы, крышка крепятся к корпусу посредством самонарезающих винтов. Светодиод крепится к крышке с помощью клея ВК-9 ОСТ 4 ГО.029.204 [5,6], а кнопка включения питания с помощью штатной пластмассовой шайбы и гайки. Силовой трансформатор прикручен к корпусу с помощью четырех винтов с потайной головкой и гаек.
Рис. 2. Внешний вид генератора детектора
контура защитного заземления
корпус; 2 - крышка; 3 - трансформатор; 4 - сетевой выключатель;
5 - плата; 6 - зажимы
Для подсоединения генератора к металлической коммуникации, местоположение которой необходимо определить, предусмотрены 2 зажима типа «крокодил», рассчитанные на ток не менее 10 А. Эти зажимы подсоединяются к генератору с помощью провода НВ-0,75 4600 ГОСТ 17515-72.
Для определения трассы и места повреждения контура рабочего заземления необходимо соединить с ним зажим Х2 генератора, а зажим Х3 подключить к металлическому штырю, забитому в землю поблизости. Подав на генератор напряжение 220 В, включить его.
Далее присоединив щуп к входу приемника, входящего в комплект необходимо включить приемник и по сигналам, наводимым от контура заземления, регулируя чувствительность приемника, проследить трассу внутри сооружения, а затем и снаружи.
Катушку щупа следует держать по возможности перпендикулярно направлению трассы. Резкое уменьшение уровня сигнала будет свидетельствовать об обрыве или просто об окончании контура. Трассу прокладки кабеля ищут аналогичным образом, соединив зажим Х2 генератора с “входом” предварительно обесточенного кабеля (началами всех его проводов, соединенными вместе), зажим Х3 - со штырем, забитым в землю, а “выход” кабеля (соединенные вместе концы его проводов) - с другим забитым в землю штырем.
Литература
Электронный каталог Энергоаудит. – Электрон. дан. – Режим доступа: http:// www.energoaudit.ru
Электронный каталог Лидер. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.lider.ru
Компаненко Л. Искатель трассы и места повреждения контура защитного заземления / Л. Компаненко // Радио, 2005. № 2. С. 36-37.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
А.В. Анохин, О.Ю. Макаров
Средства физического проектирования
при разработке сбис
В данной статье рассмотрены основные этапы и средства физического проектирования интегральных схем. Процесс реализации ИС можно представить состоящим из двух типов деятельности: логического проектирования и физического проектирования
Процесс реализации ИС можно представить состоящим из двух типов деятельности: логического проектирования и физического проектирования. Под логическим проектированием мы будем подразумевать создание и подтверждение правильности логики (схемы), необходимой для выполнения функций описанных в спецификации на проектирование. Под физическим проектированием - размещение и соединение компонентов на кремниевой подложке. Логическое и физическое проектирование содержит этапы синтеза и верификации. Обе эти операции выполняются итерационным способом так же, как и сами процедуры логического и физического проектирования, что иллюстрирует рисунок.
Процесс реализации ИС
Логическое проектирование. Исходная задача в логическом проектировании состоит в том, чтобы отобразить информацию о проектировании на некотором уровне абстракции. Типичные входные представления включают аппаратные языки описания, булевы уравнения и диаграммы. С помощью языка описания аппаратных разработок можно описывать на архитектурном уровне, обеспечивая тем самым подступы к проблемам разбиения на физических и функциональных уровнях, которые являются первыми этапами на стадии реализации спроектированного образца.
Многие поставщики компонентов систем АП предлагают средства составления схем, которые используются преимущественно для генерации логических диаграмм на вентильном или транзисторном уровне, в большинстве случаев эти средства оказываются достаточно универсальными и годятся для таких применений, как генерация диаграмм на блочном уровне, употребляемых при визуализации логического разбиения разработки. Наряду с графическим представлением информации о проекте средства составления схем обеспечивают также выполнение некоторых процедур статической верификации, в число которых входит проверка соединений, анализ нагрузочных способностей и нагрузки, а также выявление несоединенных контактов.
Синтез в общем случае представляет собой процесс преобразования проектного описания на одном уровне абстракции в эквивалентное на более низком уровне. Процесс синтеза состоит из двухэтапной процедуры логической оптимизации/минимизации, за которой следует этап преобразования технологических данных для получения реализации на вентильном уровне. Синтез может выполняться с учетом таких ограничений, как площадь или рабочие характеристики и будет создавать реализации на основе многоуровневых логических представлений в виде принципиальных схем и/или таблиц связей.
Синтез и верификация при логическом проектировании осуществляется итерационным способом. Такие итерации являются не только результатом внесенных при проектировании изменений и последующей отладки, но отражает также постепенность, с которой обычно завершаются разработки. Таким образом, при верификации проектировщик пытается проверить результат последнего шага синтеза на эквивалентность предыдущему (и исходному) представлению более высокого уровня.
За окончанием функциональной верификации обычно следует моделирование неисправностей, при котором определяются неисправности, соответствующие набору тестовых векторов.
Средства физического проектирования или синтеза топологии можно разделить на три категории:
1) средства, основанные на применении многоугольников;
2) генераторы модулей;
3) средства автоматического размещения и трассировки.
Средства на основе многоугольников включают редакторы геометрической и символической топологии. К генераторам модулей принадлежат генераторы параметризованных стандартных блоков, а типичными представителями средств автоматического размещения и трассировки являются многочисленные промышленные образцы систем формирования топологии на базе вентильных матриц и стандартных ячеек. Задача синтеза топологии состоит из нескольких этапов, которые включают разбиение и поуровневое планирование, формирование топологии и процедуру минимизации/оптимизации.
Верификация физического проектирования была одной из первых проблем проектирования, связанной с технологией автоматизированного проектирования. Средства и методология для верификации физического проектирования к настоящему времени оказываются хорошо проработанными и вполне доступными.
Вычисление и устранение влияния паразитных элементов (емкостей, сопротивлений и индуктивностей) остаются важными этапами в процессе полной верификации проектирования. Паразитные элементы "вносятся обратно" в логическую разработку и используются для второго моделирования или перепроверки синхронизации разработки с более точными временами задержки, выведенными из топологии. Имеющиеся средства обеспечивают вычисление паразитных влияний и их извлечение, однако, постоянно уменьшающиеся характерные размеры приборов и соединений будут требовать дальнейшего совершенствования этих средств, с тем, чтобы лучше учитывать влияние междуузельных, создаваемых боковыми стенками и краями емкостей и сопротивлений.
Физическое проектирование завершается с созданием на носителе изображения с помощью генератора изображений (ГИ).
Управление проектированием можно считать состоящим из двух основных направлений деятельности: управление процессом и управление данными.
Управляющий проектированием (УП) обеспечивает условия для средств и методологий описания, объединения и управления в системе автоматизированного проектирования.
В данном процессе проектирования УП может:
оказать помощь при выборе соответствующей методологии;
провести выбор средств, если даны требования в разработке, комплект имеющихся средств и ограничивающие факторы;
поддержать строгое соблюдение выбранной методологии и выполнять действия, необходимые для обеспечения правильного по структуре проектирования;
координировать действия нескольких разработчиков;
разработать показатели для определения завершенности процесса проектирования.
Управляющий проектированием располагает также средствами управления данными, которые генерируются или используются в процессе проектирования. Кроме того, УП может прямым или косвенным образом создавать условия для управления разрабатываемым проектом. Поскольку сложность проектирования и область применения технологии АП увеличиваются, представление данных, их хранение и управление ими становится все более важными составляющими процесса проектирования ИС.
Проектирование ИС является процессом с обилием данных. В современных системах автоматизированного проектирования ИС используются базы данных, основанные на обычных принципах записи в виде файлов или на магнитном носителе. Однако в таких системах эти принципы имеют ограниченный успех, что обусловлено различием и разнообразием характеристик проектных данных и процесса проектирования. Поскольку сложность продолжает увеличиваться, существующие базы данных оказываются все в большей степени неадекватными для применений в проектировании ИС. Усилия, предпринимаемые в сфере технологии проектных баз данных, направлены на разработку объектно-ориентированных систем, которые обеспечивают возможности для инкапсуляции данных, абстрактного представления данных и наследования. Такие системы могут оказаться очень полезными при построении интегрированных систем.
Все чаще разработчики ИС или продукция фирм могут существовать только в формате, рассчитанном на применение вычислительной техники. Таким образом, эти данные составляют источники жизненной силы фирмы и им необходимо управлять соответствующим образом. Управление данными проектирования традиционно осуществлялось проектировщиком и очень часто состояло исключительно в обеспечении контроля за интерпретацией файлов. Однако, наряду с интерпретацией, современные интерпретационные средства коллектива из нескольких разработчиков и распределенных сетей автоматизированных рабочих мест требует наличия возможностей для: управления конфигурацией; создания архива; управления согласованностью, восстановлением, целостностью и распараллеливанием; управление хранением; распределения данных; управления доступом к базе данных. Кроме того, эти возможности должны обеспечиваться для уровней компоновки данных как выше, так и ниже файлового.
Модели представляют собой основной способ технологии систематизации и представления информации о технологических процессах для применения в проектировании. Модели как таковые являются важными компонентами любой системы АГТ. Фактически для всех средств автоматизированного проектирования необходимы модели, точность которых в сочетании с точностью средств определяет успех процесса проектирования.
Создание, верификация и эксплуатация моделей и библиотек стоят в ряду основных проблем, с которыми сталкивается современная индустрия АП. Вообще говоря, модели отличаются по технологии, методами и средствами. Под библиотекой будем подразумевать собрание таких моделей. Например, мы можем иметь библиотеку двухмикронных вентильных матриц на базе КМОП-схем для программы моделирования логических схем XN. В рамках заданной технологии и метода такой компонент разработки, как комбинационный логический элемент, может быть представлен с помощью многочисленных моделей, в которых могут сочетаться различные уровни абстракции. В число таких моделей могут входить, например, модели на основе поведенческом, вентильном и транзисторном уровнях; а также логическое моделирование, моделирование неисправностей, временные и топологические модели. Введение новых средств требует введения новых моделей. Необходимо предпринимать тщательные меры предосторожности, направленные на то, чтобы каждое изменение в компоненте разработки или в любой из ее моделей точно и быстро переносились на все представления.
Тенденции развития сферы моделирования и библиотек будут направлены на повышение точности моделей, на разработку статистически обоснованных моделей, на развитие моделей, которые обладают высокой степенью технологической независимости или отображаемости, и, в конечном счете, на разработку и применение стандартных моделей и библиотек.
В сфере моделирования технологических процессов и приборов, моделирование на схемотехническом, приборном и технологическом уровнях активно развивается для одно и двумерных геометрий. В сфере трехмерного моделирования работы будут способствовать разрешению проблемы создания схемотехнической модели для описания трехмерного ИС.
Литература
Угрюмов Е.П. Цифровая электроника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000. 528 с.: ил.
Шагурин И., Шалтырев В., Волов А. «Большие» FPGA как элементная база для реализации систем на кристалле// Электронные компоненты, 2006. № 5, С. 83—88.
Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL// М.: Додэка-XXI, 2004.
Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы XILINX в САПР WebPack ISE// М.: Горячая линия — Телеком, 2003.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
О.Ю. Макаров, В.В. Сумин
Создание специализированных
микропрограммных автоматов на базе
специализированных ИС
Рассматривается возможность построения электронных цифровых схем в виде микропрограммных автоматов (МА), оптимизация структуры таких автоматов и адаптация системы команд для заданных условий
При разработке и создании все более сложных и объемных цифровых схем появляется проблема повышения эффективности работы разработчиков и гибкости проекта, а основным требуемым критерием эффективности разработки является время, затраченное на разработку, или, иначе говоря, «time to market» - время от начала реализации проекта до выхода готового продукта на рынок. Другая (и не менее важная) проблема разработчиков это выбор наиболее подходящей архитектуры проекта, которая обеспечивала бы наивысшую надежность работы микросхемы, приемлемую стоимость и легкость модификации проекта в будущем. В настоящей статье рассматривается возможность построения электронных цифровых схем в виде микропрограммных автоматов (МА), оптимизация структуры таких автоматов и адаптация системы команд для заданных условий. Использование МА позволяет решить большинство вышеописанных проблем, создавая высокопроизводительные процессоры с ограниченной функциональностью внутри микросхемы.
Так как МА имеют стандартную архитектуру, применяя которую с небольшими изменениями для разрабатываемого проекта, можно существенно облегчить проектирование специализированных ИС и в несколько раз уменьшить время от начала разработки до выхода конечного продукта. Весь процесс разработки в таком случае заключает в себя следующие этапы:
1. Описание (на уровне блоков) алгоритма.
2. Создание необходимой системы команд.
3. Подключение к микропрограммному автомату необходимых библиотек.
4. Написание микропрограммы.
5. Отладка микропрограммы.
Объединение в одном устройстве сразу нескольких МА позволяет построить конвейерную обработку большого объема данных, распределенные вычисления, нейронную сеть и, что самое важное, реализовать все это внутри одной микросхемы, создавая так называемые System-On-Chip устройства.
Стремясь к достижению высоких технических характеристик и потребительских качеств своей продукции, разработчики электронных устройств используют специализированные ИС (СПИС). Их применение обеспечивает следующие преимущества:
- Сокращение габаритов устройства.
- Повышение технических характеристик (повышение быстродействия и сокращение потребляемой мощности)
- Повышение надежности (так как вероятность поломки прямо пропорциональна количеству ИС, использование СПИС значительно его сокращает).
- Обеспечение защиты разработки (скопировать устройство, содержащее СПИС практически невозможно, что позволяет обеспечить авторские права разработчика).
- Повышение гибкости модификации (модификация СПИС не требует переработки остальных узлов, переразводки печатных плат и т.д.).
Для построения устройств ввода и обработки данных обычно используется следующая архитектура. Центральный процессор через общую шину оперирует устройством ввода-вывода, обрабатывает полученные данные и отправляет их дальше. Но для управления реальными устройствами ввода-вывода необходимо производить большое число операций, не требующих сложных вычислений, но жестко ограниченных по времени. Получается, что центральный процессор вместо того, чтобы заниматься реальной обработкой полученных данных должен обеспечивать своевременное обслуживание устройства ввода-вывода.
Нагрузка на общую шину тоже оказывается значительной из-за большого количества мелких операций между центральным процессором и устройством ввода-вывода. Упростить эту структуру можно разбив процесс обработки на несколько частей, как это показано на рис. 1.
Рис. 1. Архитектура устройств выбора и обработки данных
В этом случае «Контроллер УВВ» обеспечивает нормальное функционирование устройства ввода-вывода, обрабатывая критичные ко времени обработки запросы, «Контроллер связи» готовит данные к передаче и проверяет их целостность на приеме, «Контроллер обработки» занимается предварительной обработкой данных, чтобы разгрузить центральный процессор и общую шину от потока ненужной информации. Реализовать такую структуру можно разными способами: добавив в устройство один или несколько микропроцессоров, но это может быть неудобно по конструктивным, ценовым параметрам или из соображений быстродействия, или создать все эти контроллеры в виде нескольких МА внутри специализированной ИС. Последний вариант является предпочтительным, так как в центре большинства современных устройств лежит большая специализированная ИС, в функции которой входит коммутация сигналов на плате и распределение управляющих сигналов. Внутри этой ИС обычно можно расположить все необходимые МА.
Но это не единственный пример использования МА. Их можно объединять последовательно, параллельно, организовывать из них целые сети, как это показано на рис. 2, все зависит только от требований проекта.
Рис. 2. Организация сетей микропрограммных автоматов
Описание этапов построения МА.
Выбор системы команд
Минимальный набор, позволяющий писать микропрограммы с ветвлениями, состоит из следующих команд:
Его можно дополнять и расширять. Арифметические операции сознательно убраны из списка, так как в большинстве МА они не нужны.
Построение ядра МА
Хотя для каждой конкретной реализации МА конструкция будет отличаться, структура останется неизменной, такой, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Структура микропрограммного автомата
Блоки «Host» и «Status» обеспечивают интерфейс с верхним уровнем обработки. Блок «IRQ[xx]» предоставляет возможность организации работы по прерываниям, что совершенно необходимо для работы в реальном времени. Блок «RAM+ROM» служит идеализированной моделью памяти. При практической реализации память команд, память данных и стек удобно разнести. Это оказывается возможно при небольшом размере памяти программ и стека, так как память программ хранится в виде констант, а размер стека определяется алгоритмом работы и может быть расположен на регистрах. «Addr_cnt» - это указатель на следующую команду, которую нужно исполнить, или адрес данных, которые нужно считать или записать. «Stack_cnt» - механизм работы со стеком. «ALU» - ключевой механизм МА, состоящий из дешифратора команд, набора регистров и производящего определенные операции над этими регистрами. В простейшем случае ALU не требует контроллера прерываний и умеет только пересылать данные с места на место и сравнивать их с заданным условием. Но можно построить и такой ALU, который умеет производить сложные операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, нахождение синуса и так далее, причем в качестве математического сопроцессора может выступать другой МА. Поэтому для каждой конкретной задачи необходимо определить, какие функции ALU являются необходимыми, и подключить к проекту только библиотеки с необходимыми функциями.
Написание микропрограммы
Для удобства написания программ для МА можно создать собственный ассемблер, ставящий в соответствие удобную для восприятия мнемонику с реальными командами МА.
Отладка микропрограммы
Для отладки микропрограммы есть много различных путей, используя комбинацию из них, можно достичь быстрого положительного результата. Во-первых, используемые для отладки специализированные ИС (FPGA) обычно перепрограммируемые, то есть в случае обнаружения ошибки всегда есть возможность исправить эту ошибку без переделки всего устройства. Во-вторых, отладка микропрограммы происходит по частям, что позволяет легко локализовать ошибку и исправить ее. В третьих, использование САПР, такого как Max+Plus, позволяет создавать тестовые входы и выходы МА, имитировать реальную работу всего устройства в симуляторе. В процессе отладки можно использовать FPGA с большим количеством ячеек, чем нужно для функционирования проекта. Это позволит выделять отладочные ресурсы. К таким ресурсам можно отнести дополнительные счетчики, тестовые сообщения и эмуляторы. Эти ресурсы можно перераспределять для отладки отдельных частей микропрограммы. Также можно воспользоваться сигнатурным анализом, то есть индикацией на светодиоде или в доступном регистре результата работы сложного алгоритма. Это позволяет сделать качественную оценку работоспособности всего алгоритма или его части. Как результат, отладка микропрограмм в МА оказывается значительно проще переписывания всего конечного автомата в случае обнаружения в нем ошибки или смены алгоритма работы.
Процесс создания и эксплуатации микропрограммных автоматов на FPGA идет в мире уже более 10 лет. Обычно это коммерческие проекты, поэтому о них мы можем судить только по рекламе. Например, фирма .Hammer Cores. выпустила мегафункцию для FPGA фирмы Altera, которая включает CISC-процессор, работающий на 20 МГц, имеющий до 26 регистров с разрядностью 8, 16 и 24 бита и занимающий 367 ячеек при 7 регистрах, 3 прерываниях и разрядности 8 бит. Более сложный процессор на FPGA фирмы Altera представила фирма .CAST. Это полный аналог 8-битного микроконтроллера C8051, работающего на 8 МГц и занимающего 2398 ячеек. На FPGA фирмы Xilinx тоже ведутся работы по созданию МА, но они в основном направлены на построение универсального инструмента для аэрокосмических нужд и объединяются в глобальный проект Adaptive Instrument Module. Есть и другие фирмы-производители функций микропрограммных автоматов, максимальная частота работы некоторых из них достигает 48 МГц. Это и копии популярных микроконтроллеров и микропроцессоров, главное удобство которых в доступности средств разработки программного обеспечения, и совершенно новые МА, позволяющие в виде параметров для компиляции менять свою структуру под требования заказчика. Фирмы-производители снабжают своих клиентов большим набором отладочных средств и средств разработки ПО, поэтому проблем с использованием таких МА обычно не бывает.
Литература
1. Баранов В.П. Синтез микропрограммных автоматов. М.: Нолидж, 1997. 376 с.
2. Долинский М.С., Харрасов А.А. Средства разработки цифровых устройств методом синтеза микропрограммных автоматов. Электроника. 1998. № 11-12. С. 19-23.
3. Гультяев А.К. Имитационное моделирование в среде Windows. СПб.: КОРОНА ПРИНТ, 1999. 288 с.
4. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1979. 239 с.
5. Altera, Processor & Peripheral Megafunction, AMPP, http://www.altera.com/
6. Xilinx, AIM, http://www.xilinx.com/
Воронежский государственный технический университет
УДК 621
С.Д. Кретов, Л.В. Кокотовская,
А.В. Турецкий, Н.В. Ципина
ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАТОР
Рассматривается конструкция комплекта, состоящего из модуля речевого информатора, модуля памяти и программатора. Информатор может быть использован в различных диагностических и автоматических системах контроля и охраны
Как часто человек забывает выключить указатель поворота, снять машину с ручного тормоза или закрыть дверь. Сколько хлопот и расстройств из-за испорченного ручного тормоза или помятой двери в результате. Не говоря уже о случаях потери давления масла в двигателе, разряде аккумулятора или перегреве двигателя.
Было бы замечательно, если рядом с вами всегда сидел невидимый помощник, который вовремя предупредит вас о любой из подобных ситуаций. Как было бы здорово не смотреть на контрольные лампочки и приборы каждые 5 минут, не думать о том, что ты забыл проверить перед началом движения, не гадать, что значит то или иное «странное» поведение указателей на приборной доске, а просто ехать. О любой ситуации вас предупредит этот невидимый помощник, даже если вы задумались или отвлеклись [1,2].
Все это возможно, если на вашем авто установлен речевой информатор. Он постоянно следит за показаниями приборов, вовремя и ненавязчиво предупредит вас о разряде аккумулятора, критическом превышении бортового напряжения, включенном ручном тормозе, работающем указателе поворота, перегреве двигателя, аварийном давлении масла, незакрытой двери, аварийном уровне тормозной жидкости, включенном подсосе, температуре двигателя достаточной для начала движения и состоянии многих других систем автомобиля [3].
Разработан такой речевой информатор, который является универсальным и синхронизирующимся с любыми контролирующими устройствами. Для удобства управления программатор, работает с любой ПЭВМ по стандартным протоколам RS-232. А микросхема памяти, в которой хранится речевая информация, располагается на отдельной печатной плате, что позволяет оперативно менять речевую информацию, комбинировать и усовершенствовать устройство.
Программируемый речевой информатор состоит из трех устройств: информатор речевой программируемый, модуль памяти, программатор.
Информатор речевой программируемый представляет собой двухстороннюю печатную плату с установленными на ней поверхностно монтируемыми ЭРЭ, рис. 1. Печатный монтаж выполнен в виде открытой конструктивной архитектуры, так называемой «PCBoard Evalution». Данная конструкция печатного монтажа наглядно показывает, как проходит управление, сопряжение ЭРЭ. Для этого микроконтроллерное устройство D2 установлено по середине печатной платы остальные ЭРЭ устанавливаются от середины к торцам. На торцах печатной платы установлены разъемы Х1, Х3, Х5 так, чтобы было удобно подключать внешние устройства без повреждения печатного монтажа. По середине печатной платы установлен разъем Х4.1 (розетка PBS-8) для подключения модуля памяти. Устойчивое крепление модуля памяти к речевому информатору обеспечивают две стойки типа PCSN-8. Для предотвращения изгиба печатной платы модуля памяти высота стоек выбрана равной высоте разъема Х4.1. Жесткость установки модуля обеспечивают два винта, прикрученных через крепежные отверстия печатной платы модуля памяти к резьбовым отверстиям стоек PCSN-8. Во избежание электрического замыкания печатного монтажа обратной стороны печатной платы во время регулировки или сопряжения синтезатора с другими устройствами на углах печатной платы через монтажные отверстия вкручиваются стойки типа PCSN-8 и PCSS-8. Высота стоек выбрана так, чтобы ЭРЭ, установленные с обеих сторон платы, не соприкасались с монтажным столом.
Особенность конструкции информатора заключается в возможности замены полупроводниковых элементов. Диод BAS70 можно заменить любыми другими в корпусе SOT-23. Транзисторы ВС817 заменяются КТ3130Б-9, ВС807 на КТ3129Б-9. Интегральный стабилизатор LM7805 на КР142ЕН5А. Преобразователь напряжения ICL7660SCBA - MAX1044CSA, операционный усилитель LM741CN - КР140УД708. Светодиод L-57EGW - другим двуцветным с соединенными встречно-параллельно кристаллами. Микросхема памяти D7 и микроконтроллер D2 могут быть выбраны как на индустриальный (индекс I), так и на коммерческий (индекс С) интервал рабочей температуры.
Рис. 1. Информатор
Конструкция программатора представляет собой соединенные между собой крышку и основание внутри которых расположена печатная плата рис. 2. Для удобного подключения программатора к ПЭВМ и электрическому питанию на торцах печатной платы установлены стандартные унифицированные разъемы Х1 типа DB-25F и Х3 – DTD-0020. У соответствующих отверстий крышки выполнены надписи поясняющие функциональное назначение элемента, так над разъемом Х1 надпись – «LPT», Х2 – «Flash», Х3 – «Power», HL1 – «Data».
Рис. 2. Программатор
Особенность конструкции модуля памяти заключается в установке разъема Х4.2 с обратной стороны печатной платы, что обеспечит крепкое и надежное соединение его с разъемом на синтезаторе, рис. 3.
Для загрузки информации в модуль памяти и ее чтения используется программа DFprog [4]. Она работает во всех операционных системах семейства Windows, включая Windows NT / 2000 / XP / 2003 Server. Для работы с параллельным портом используется стандартный драйвер Iptwdmio.sys. Так как информационная емкость модуля очень велика, а скорость обмена через порт LPT ограничена, передача блока данных полного объема занимает около трех минут.
Рис. 3. Модуль памяти
В связи с этим в программе не предусмотрена верификация записываемых данных. При необходимости можно сначала записать их в модуль, а затем считать в другой файл и сравнить его содержимое с исходным файлом, например, с помощью утилиты FC, поставляемой с Windows.
Литература
1. Пушкарев Ю. Речевой сигнализатор // Радио, 2002. № 2. С. 35 - 37.
2. Баширов С. Речевой программируемый сигнализатор // Радио, 2002. № 4. С. 28, 29.
3. Гордеев А. Автомобильный речевой информатор // Радио, 2002. № 5. С. 37 - 40.
4. Долгий А. Как записать в ПЗУ аудиоданные из WAР – файла и «проиграть» их // Радио, 2001. № 5. С. 23, 24.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
О.Ю. Макаров, В.В. Сумин
Автоматизированное проектирование микросхем PSoC с помощью программы PSoC Designer
Благодаря тому, что PSoC позволяют сократить количество используемых внешних компонентов, это существенно упрощает процесс разработки, удешевляет устройство и одновременно повышает его гибкость за счет возможности перепрограммирования в системе или реконфигурирования внутренней структуры прямо в процессе работы
Микросхемы PSoC фирмы Cypress представляют собой 8-битный микроконтроллер, содержащий микропроцессорное ядро и массив цифровых и аналоговых блоков, позволяющий реализовывать необходимые пользователю периферийные функции, как вполне стандартные, например ШИМ, АЦП или UART, так и такие необычные для микроконтроллеров, как, например, аналоговые фильтры и инструментальные усилители. Благодаря тому, что PSoC позволяют сократить количество используемых внешних компонентов, это существенно упрощает процесс разработки, удешевляет устройство и одновременно повышает его гибкость за счет возможности перепрограммирования в системе или реконфигурирования внутренней структуры прямо в процессе работы [1].
В основе проектирование программы PSoC Designer лежат языки С или Assembler Интерфейс программы показан на рисунке.
Ниже приведены глобальные параметры для микросхем 29-й серии, самой мощной по внутреннему ресурсу.
Параметр Power Setting [Vcc/SysClk freq] устанавливает используемое микросхемой напряжение питания и тактовую частоту системы.
Параметр CPU_Clock задает тактовую частоту микропроцессорного ядра М8С.
Параметр 32K_Select указывает источник частоты 32 К — внутренний (Internal) RC-re-нератор на 32 000 Гц (точность этого генератора невелика).
Параметр PLL_Mode отвечает за синхронизацию внутреннего генератора 24 МГц с внешним кварцем 32 768 Гц.
Параметр SleepTimer устанавливает период специального внутреннего таймера, который может использоваться для генерации прерывания для выхода из режима «сна», для реализации часов реального времени или прочих нужд.
Интерфейс программы PSoC Designer
Параметр VC3 Source позволяет выбрать источник для формирования частоты VC3, которая может использоваться как для тактирования цифровых блоков, так и для генерации прерывания.
Параметр VC3 Divider — делитель для формирования частоты VC3, он лежит в диапазоне от 1 до 256.
Параметр SysClk Source указывает источник системной частоты — внутренний генератор или внешняя частота, подаваемая на контакт Р1 [4].
Параметр SysClk*2 Disable включает или отключает встроенный умножитель системной частоты.
Параметр Analog Power устанавливает мощность источников опорных напряжений и определяет, включены или выключены аналоговые блоки на переключаемых конденсаторах.
Параметр Ref Mux устанавливает напряжение «аналоговой земли» для аналоговых блоков и диапазон входных напряжений.
Параметр AGndBypass позволяет использовать 4-й контакт порта Р2 для подключения конденсатора для дополнительной фильтрации «аналоговой земли».
Параметр Op-Amp Bias определяет уровень наклона переходной характеристики операционных усилителей.
Параметр A_Buff_Power определяет мощность аналоговых выходных буферов.
Параметр SwitchModePump включает или отключает встроенный регулятор напряжения.
Параметр Trip Voltage [LVD (SMP)] устанавливает уровень напряжения для определения факта падения напряжения (прерывание Low Voltage Detect), а также уровень напряжения, при падении ниже которого начинает работать блок SMP.
Параметр LVD Throttle Back включает или выключает автоматическое уменьшение скорости CPU при обнаружении падения напряжения.
Параметр Watchdog Enable включает или отключает сторожевой таймер.
Список глобальных параметров или их названия могут изменяться в зависимости от выбранной серии микросхем, однако эти изменения незначительны.
Рассмотрим подробнее настройки глобальных ресурсов микросхемы.
Настройки портов позволяют выбрать режим работы контакта: порт микроконтроллера, глобальный цифровой вход или выход, аналоговый вход или выход, а также один из режимов работы выходного буфера — strong (стандартный режим), strong slow (выход с медленным нарастанием фронтов), pull-up или pull-down (подтяжка к питанию или земле через резистор 5,6 кОм), open-drain low или open-drain high (открытый сток). Кроме того, возможно разрешение прерывания от порта и выбор условия генерации этого прерывания: по фронту сигнала (Rising Edge), по спаду (Falling Edge) или по смене состояния (ChangeFromRead).
Файл bootasm создается при генерации проекта из файла boot.tpl, находящегося в рабочем каталоге проекта. Файл boot.asm создается каждый раз заново при внесении изменений в конфигурацию микросхемы, поэтому если необходимо внести какие-либо изменения в этот файл, например для установки векторов прерываний на необходимые процедуры, то редактировать следует файл boot.tpl.
Файл main.asm — основной файл проекта. Этот файл создается на указанном при создании проекта языке и содержит функцию main, которая начинает исполняться сразу же после окончания предварительной инициализации, выполняемой кодом в boot.asm.
Ветвь Headers содержит пользовательские заголовочные файлы с необходимыми определениями символьных имен и макроопределений. По умолчанию для микросхем 29-й серии, имеющей страничную организацию ОЗУ, в этой ветви создается файл memory.inc с необходимыми макроопределениями для работы со страничной памятью.
Ветвь Library Source содержит автоматически создаваемые файлы с программным кодом для программного интерфейса (API) модулей пользователя, а также файлы с процедурами, осуществляющими загрузку конфигурации (файлы psocconf ig.asm и psocconf igtbLasm, создаваемые по умолчанию).
Ветвь Library Headers содержит заголовочные файлы для модулей пользователя. По умолчанию генерируются файл globalparams.inc с определениями глобальных параметров и файл psocapi.inc, который содержит включения заголовочных файлов модулей пользователя, если они присутствуют.
Ветвь External Headers содержит файл mSc.inc с определениями текстовых имен регистров, а также макроопределения для установки/снятия битов в некоторых управляющих регистрах.
Файл flashsecurity.txt содержит информацию о том, какие блоки Flash-памяти должны быть защищены от записи и считывания. По умолчанию все блоки Flash-памяти имеют защиту как от внешнего считывания (программатором), так и от внешней и внутренней (из программы) перезаписи. Если в проекте предполагается использовать Flash-память для эмуляции EEPROM, то необходимо внести соответствующие исправления в этот файл для того блока или блоков, в которых будет размещаться область, эмулирующая EEPROM [2].
При работе с портами следует учитывать две особенности. Первая заключается в том, что для общения с портом используется 8-битный регистр PRTxDR, каждый бит которого отвечает за состояние соответствующего контакта. Поэтому для изменения состояния контактов такими битовыми операциями, как AND, OR или XOR, следует пользоваться с осторожностью. Дело в том, что эти операции при изменении регистра данных сначала производят чтение из него, а затем изменение и запись. В том случае, например, если контакт порта сконфигурирован на работу в режиме с резистивной подтяжкой к «земле» и выходной триггер установлен в 0, но на контакте физически присутствует потенциал логической единицы, то выходной триггер будет установлен в 1 при выполнении битовой операции для изменения какого-либо другого контакта порта.
Вторая особенность заключается в том, что для всех контактов ввода-вывода, которые настроены как источники запроса на прерывание, используется один вход контроллера прерываний (все сигналы с портов объединяются через монтажное «ИЛИ») и, соответственно, один вектор, поэтому в процедуре обработки необходимо определять, какой из контактов вызвал прерывание. Кроме того, из-за использования схемы монтажного «ИЛИ» возможна ситуация, когда один запрос снимается в то время, когда устанавливается другой, поэтому на входе контроллера прерываний не происходит изменения и запрос может оказаться не обслуженным. Во избежание появления такой ситуации следует перед выходом из процедуры обработки прерывания проверять изменение состояния контактов.
Литература
1. Application Note AN2221 — Global Resources in PSoC™ Designer.
2. Кузминский А. Программируемые системы на кристалле компании Cypress Semiconductor // Компоненты и технологии. 2003. № 2.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621
С.Д. Кретов, А.В. Меремьянин,
А.В. Турецкий, Н.В. Ципина
ЭЛЕКТРОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Рассматривается конструкция электронного стабилизатора переменного напряжения, позволяющего значительно улучшить качество электроэнергии, питающей бытовую радиоаппаратуру
Напряжение
сети, особенно в сельской местности,
нередко выходит за пределы, допустимые
для питаемой аппаратуры, что приводит
к ее выходу из строя. Избежать столь
неприятных последствий возможно с
помощью стабилизатора, который
поддерживает выходное напряжение в
необходимых для нагрузки пределах, а
если это невозможно - отключает ее.
С начала девяностых годов во многих регионах нашей страны рост энергопотребления существенно опережает темпы развития энергосистем. Особенно это характерно для пригородов больших городов, где ведется массовое коттеджное строительство и куда перемещаются из городов промышленные предприятия и создаются новые производства. Это является причиной перегрузки имеющейся инфраструктуры, что приводит к нестабильному напряжению сети далеко выходящему за пределы, допускаемые стандартом.
Был случай, когда из-за нестабильности напряжения в сети одного из районов г. Воронежа одновременно вышли из строя холодильник, телевизор и персональный компьютер. Проверка напряжения в течение дня выявила его изменение от 150 В до 250 В.
Для питания компьютерной техники используют источники бесперебойного питания. Однако большинство моделей только переключают устройства на работу от аккумуляторов при повышенном или пониженном напряжении, устройства же, которые оперативно регулируют напряжение, имеют очень высокую цену [1].
Схемы в литературе и сети Интернет подходящих по электрическим параметрам стабилизаторов имеют недостаточно высокую выходную мощность, переключение нагрузки зависит не только от амплитуды входного напряжения, но и от частоты напряжения сети.
ГОСТ 13109-97, определяющий параметры качества электрической энергии в сети, допускает отклонение от номинального значения напряжения 220 В ± 5 %, то есть диапазон (209 ÷ 231) В является нормально допустимым. ГОСТ 13109-97 также определяет предельно допустимое отклонение напряжения от номинального ± 10 %, то есть (198 ÷ 242) В. Именно под этот предельно допустимый диапазон проектируется практически все бытовое, офисное и производственное оборудование.
Но, как правило, производитель не гарантирует работоспособность и исправность своего оборудования при выходе напряжения сети за предельно допустимые значения по государственному стандарту.
Поэтому было решено создать собственную конструкцию стабилизатора. В предлагаемом устройстве не использован микроконтроллер, что делает его доступным для повторения более широкому кругу радиолюбителей и запуску в массовом производстве. Нечувствительность к частоте напряжения сети позволяет использовать стабилизатор напряжения в полевых условиях, когда источником электроэнергии может быть автономный дизель-генератор. А самое главное, соответствует требованиям степени защиты IP30 и ГОСТ 13109-97.
Конструкция стабилизатора переменного напряжения (рисунок) (РМАВ.436234.001) представляет собой металлический корпус (1) выполненный из листового железа марки «лист АТ-АШ-БД-ПН-0-1,0ГОСТ19904-90/ К270ВБ-II-Г-10КП ГОСТ16523-84» методом холодной штамповки.
Внутри корпуса на стандартных стойках устанавливается печатная плата (3). В корпусе выполнены технологические отверстия под светодиоды установленные на печатной плате, так что при установке платы корпуса светодиодов располагаются каждый напротив своего соответствующего отверстия. Для визуализации режима работы стабилизатора напряжения сети у каждого отверстия под светодиод выполнена гравировка соответствующего рода работы устройства. Схемотехническая конструкция стабилизатора содержит силовой трансформатор Т3 [2,3]. Установка трансформатора Т3 в корпусе производится через резьбовое соединение, для чего выполнено отверстие в корпусе. Для предотвращения короткого замыкания в цепи питания стабилизатора в электрической схеме предусмотрен электромеханический автомат QF1 [2]. Под его установку на корпусе предусмотрено отверстие. Автомат крепится к специализированной пластине типа DIN – рейка, которая в свою очередь устанавливается на стойки и крепится винтами.
Стабилизатор переменного напряжения
1 - корпус; 2 – основание; 3 – печатная плата; 4 – розетка;
5 – контакт; 6 – планка; 7 – радиатор; 8 – подставка
Для подключения потребителя к стабилизатору напряжения сети предусмотрена розетка (4) выполненная из полистирола марки УПМ-1005 ГОСТ 28250-89. Особенность конструкции розетки заключается в том, что в ней выполнено четыре посадочных места под стандартные евророзетки, широко использующиеся в производстве отечественной аппаратуры.
Внутри розетки предусмотрены отливы под два металлических контакта (5) выполненные из бронзовых сплавов марки «лента ДПРНТ 0.35 Бр КМц3-1 ГОСТ 4748-92» методом холодной штамповки. Особенность конструкции контакта заключается в наличии четырех полукруглых профилей, благодаря которым создается контакт со штырем вилки равный половине длине окружности штыря. Благодаря чему создается устойчивый контакт, предотвращающий искрение. Для крепления внутри розетки двух контактов предусмотрена планка (6), выполненная из гетинакса марки «I 1 ГОСТ 2718-74» и повторяющая профиль розетки.
Так как электротехническая конструкция стабилизатора напряжения сети содержит мощные силовые элементы, то падение напряжения на них приводит к выделению тепла в нутрии устройства. Для этого в корпусе и основании предусмотрены перфорационные отверстия в количестве 120 штук и общей площадью 2520 мм2.
Для отвода тепла непосредственно с поверхности симисторов VS1 - VS7 предусмотрен радиатор (7). Конструкция радиатора выбрана из стандартного перечня радиаторов фирмы «PLATAN», выпускаемых отечественной радиоэлектронной промышленностью и зарубежной марки HS183-180 Crydom.
Все выше перечисленные детали соединяются на корпусе с помощью стандартных винтовых соединений. Корпус с установленными деталями крепится к основанию. Основание (2) выполнено из того же материала, что и корпус. Для устойчивой установки конструкции предусмотрены две подставки (8), ширина которых позволяет удерживать устойчиво конструкцию стабилизатора при наклоне его до 50° относительно пола.
Разработанное устройство позволяет значительно улучшить качество электрической энергии для питания бытовой аппаратуры.
Литература
1. Коряков С.А. Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерным управлением // Радио, 2002. № 8. С. 26 - 29.
2. Копанев В.В. Защита трансформатора от повышенного напряжения сети // Радио, 1997. № 2. С. 46.
Андреев В. Изготовление трансформаторов //Радио, 2002. № 7. С. 58.
Городин А.С. Стабилизатор переменного напряжения // Радио, 2005. № 8. С. 33 - 36.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов
О ПЕРСПЕКТИВАХ СЕРТИФИКАЦИИ ПРОДУКЦИИ,
ПОСТАВЛЯЕМОЙ ДЛЯ ГОСУДАРСТВЕННЫХ НУЖД,
С УЧЕТОМ БАЛАНСА ИНТЕРЕСОВ
Сертификация продукции становится естественным и необходимым инструментом обеспечения качества в условиях рыночных отношений. В то же время серьезного обоснования удостоились в основном те положения законодательства в области сертификации, которые распространяются на товары для личных нужд граждан
Рыночные механизмы внедрялись в деятельность государственных предприятий значительно медленнее. Поэтому длительное время заказчики и большинство изготовителей продукции отрицательно относились к введению процедур сертификации в деятельность по выполнению государственных заказов. Однако иллюзия возможности обеспечения высокого качества изделий исключительно путем полного контроля параметров при их создании силами изготовителей и представителей заказчиков исчезла за последние несколько лет вместе с ростом количества отказов и возникновением аварийных ситуаций. В настоящее время многие специалисты рассматривают сертификацию как эффективный инструмент повышения качества в новых условиях формирования и выполнения государственного заказа. Вместе с тем, нельзя относиться к сертификации продукции как к единственному и кардинальному пути обеспечения качества. Тем более что сертификация отдельных изделий может значительно увеличить их стоимость и сроки поставки.
Готовность оплачивать дорогостоящие работы по сертификации уравновешивается заинтересованностью участников процесса создания продукции в результатах сертификации. Мотивы, по которым заказчики, разработчики и изготовители, органы государственного управления, общественные организации заинтересованы в сертификации продукции, могут существенно различаться:
для разработчиков (изготовителей) продукции:
конкурентоспособность изделий на отечественном и зарубежных рынках;
повышение цены изделия;
повышение шансов на конкурсах и тендерах, проводимых государственными заказчиками;
повышение доверия к продукции и возможные инвестиции;
для заказчиков:
защита от недобросовестности разработчиков и изготовителей продукции;
повышение объективности и достоверности анализа результатов испытаний изделий;
решение проблемы полноты контроля параметров продукции (для изделий зарубежного изготовления и изделий, закупаемых без контроля представителями государственного заказчика);
для государственных и общественных организаций:
повышение ответственности за угрозу жизни и здоровью личного состава, эксплуатирующего изделия, и окружающего населения;
предотвращение или уменьшение до критического уровня отрицательного воздействия на окружающую среду.
Независимо от мотивов перспективы сертификации зависят главным образом от вероятности возникновения отказа изделия, который является критическим для конкретного заинтересованного участника государственного заказа. Поэтому следует согласиться с методологией FMEA – анализа потенциальных несоответствий и их последствий, – и выбрать в качестве критерия коэффициент риска нежелательного последствия:
,
(1)
где Кп - коэффициент, который учитывает роль конкретного отказа на вероятность возникновения критического последствия, определяющего, в конечном счете, необходимость сертификации; Кн - коэффициент, учитывающий вероятность того, что отказ не обнаруживается до возникновения критической ситуации непосредственно в условиях применения в войсках (на флотах); Ко - коэффициент, учитывающий вероятность отказа /1/.
Если критическое последствие, вызывающее значительную заинтересованность в сертификации, определено, то с помощью критерия (1) можно оценить его вероятность и целесообразность сертификации продукции /2/.
Кроме того, коэффициент риска может быть использован для определения составных частей и конкретных параметров изделия, которые должны контролироваться при сертификации. Для этого путем структурной и функциональной декомпозиции изделия следует синтезировать цепочки причинно-следственных связей между критическими последствиями и отказами конкретных элементов и блоков. При этом выбор конкретных показателей безотказности не играет существенной роли. Значительно важнее полнота и объективность анализа, требующие участия в нем подготовленных специалистов. Решением сформулированной таким образом задачи будет номенклатура сертифицируемых изделий, включая требования, на соответствие которым должна проводиться сертификация /3/.
Учет мотивации работ по сертификации, а также организационных и экономических проблем, позволяет дополнить выбор сертифицируемых изделий рекомендациями по формам подтверждения соответствия продукции установленным требованиям. Очевидно, государственные интересы (безопасность продукции) должны учитываться путем установления обязательной сертификации. Для других случаев могут быть рекомендованы другие формы сертификации (добровольная сертификация, декларация изготовителя).
Литература
Сагунов В.И., Ломакина Л.С. Контролепригодность структурносвязанных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990.
Штейер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, расчет и приложения: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992. 156 с.
Львович Я.Е., Фролов В.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности РЭА: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986. 192 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
С.Д. Кретов, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина
обеспечение процедур теплового расчета
в процессе топологического проектирования
РЭС
Расчеты теплового режима разрабатываемых радиоэлектронных средств, столь же необходимы и важны, как и расчеты, связанные с их функциональным назначением. При разработке радиоэлектронных средств (РЭС), все большее внимание конструкторами уделяется обеспечению заданного теплового режима, как отдельных его узлов и модулей, так и всего РЭС в целом
Сложность современных РЭС, степень интеграции, миниатюризации и плотности размещения большого числа различных компонентов внутри ограниченного пространства корпуса, делают практически невозможным ручной расчет теплового режима, без применения систем автоматизированного проектирования (САПР), как для отдельных модулей и компонентов, так и для всего изделия в целом. Невозможность качественного расчета без применения САПР обусловлена тем, что современные РЭС представляют собой систему многих тел сложным образом распределенных в пространстве и во времени. В редких случаях, используя простейшие математические модели, можно описать температурные перегревы такой системы тел.
Программа предназначена для обеспечения процедур теплового расчета в процессе топологического проектирования РЭС, для анализа теплового режима одноблочной конструкции при естественном охлаждении.
Кроме того, возможно, использовать данный программный продукт для автоматизации проведения расчета на лабораторных работах и курсовом проектировании. Минимальные требования к системе для нормального запуска и работы программы:
компьютер типа IBM PC или совместимый;
манипулятор типа «мышь»;
разрешение экрана не менее 800x600 пикселей;
32 битовая цветовая палитра;
принтер;
операционная система Windows 98/NT/2000/XP.
Открытие программы осуществляется открытием файла Analiz.exe из места установки программы на диске.
Входными данными для расчета служат следующие исходные параметры: материал корпуса и состояние поверхности, давление внутри корпуса, тепловая энергия, выделяемая пакетом плат, температура окружающей среды, геометрические размеры корпуса, геометрические размеры нагретой зоны субблока, толщина платы субблока, ширина зазора между платами субблока, число субблоков и точность приближения перегревов.
Результатами работы программы являются расчетные значения перегревов корпуса относительно окружающей среды и зоны относительно корпуса, среднеповерхностных температур корпуса и нагретой зоны, диаграмма рассчитанных перегревов, а также графики зависимости температурных перегревов от температуры окружающей среды и тепловой энергии, выделяемой нагретой зоной. После нажатия кнопки «Далее» появляется основное окно программы, которое изображено на рисунке.
Основное окно программы
Для проведения расчетов теплового режима необходимо сначала ввести все исходные параметры, либо загрузить эти данные из файла, нажав соответствующую кнопку. Активизируется окно «Результаты расчета», в котором выведены результаты расчета, а именно расчетные значения перегревов корпуса относительно окружающей среды, зоны относительно корпуса, среднеповерхностных температур корпуса.
В верхней части окна расположены кнопки управления, позволяющие напечатать или сохранить полученный отчет о результатах, а также открыть сохраненные ранее результаты.
После просмотра, сохранения или вывода результатов расчета на принтер следует закрыть окно результатов, нажав кнопку управления «Close». В этом случае происходит закрытие окна результатов и показ основного окна программы.
Для построения диаграммы перегревов необходимо нажать кнопку «График» и в появившемся меню выбрать пункт «Построить диаграмму перегревов». Активизируется окно, в котором изображена полученная диаграмма. Предусмотрена возможность вывода диаграммы на печать. Для этого необходимо нажать кнопку управления «Печать». Для возврата в основное окно программы необходимо нажать кнопку «Назад».
Для построения графика зависимости перегревов корпуса и нагретой зоны от температуры окружающей среды необходимо нажать кнопку «График» и в появившемся меню выбрать пункт «Проследить зависимость перегревов от температуры окружающей среды». Активизируется окно, в котором необходимо задать интервал температур для построения графика зависимости.
Для построения графика зависимости перегревов корпуса и нагретой зоны от тепловой энергии, выделяемой нагретой зоной необходимо нажать кнопку «График» и в появившемся меню выбрать пункт «Проследить зависимость перегревов от тепловой энергии, выделяемой нагретой зоны». Активизируется окно, в котором необходимо задать интервал мощностей для построения графика зависимости.
Если вы хотите отказаться от построения графика необходимо нажать кнопку «Назад». В этом случае происходит закрытие окна ввода интервалов мощностей и показ основного окна программы. Для построения графика зависимости на заданном интервале необходимо нажать кнопку «Далее». Активизируется окно, в котором изображен полученный график зависимости перегревов корпуса и нагретой зоны от тепловой энергии, выделяемой нагретой зоной. Предусмотрена возможность вывода графика на печать. Для этого необходимо нажать кнопку управления «Печать». Для возврата в основное окно программы необходимо нажать кнопку «Назад».
В программе предусмотрен контроль правильности ввода исходных параметров и в случае ошибки активизируется окно с сообщением об ошибке.
С действующими в программе правилами ввода исходных данных можно ознакомиться в разделе программы «Помощь», вызвав его путем нажатия соответствующей кнопки.
Также в программе действует контроль необходимости выхода из программы. Если вы действительно хотите выйти из программы необходимо нажать кнопку «ОК». Если же кнопка «Выход» была нажата случайно, необходимо нажать кнопку «Отмена». Окно предупреждения будет закрыто и произойдет возврат в основное окно программы.
Возможен неоднократный ввод исходных данных, не выходя из программы, а также сохранение результатов для дальнейшего анализа
Литература
1. Муратов А.В., Макаров О.Ю. Автоматизированное теплофизическое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. пособие. Воронеж, 1997. 92 с.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1997. 312 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Приводится система критериев для оценки эффективности неразрушающего контроля, используемого в процессе изготовления продукции для повышения ее надежности
Растущие требования к надёжности, эффективности и безопасности применения различных типов современного вооружения и военной техники (ВВТ), усложнение их конструкции предопределило повышение требований к комплектующим их электрорадиоизделиям (ЭРИ). Это, в свою очередь, потребовало для снижения риска от применения потенциально ненадежных ЭРИ расширения области применения физических методов неразрушающего контроля (НК) ЭРИ при изготовлении, ремонте и техническом обслуживании сложных объектов ВВТ.
Решение проблемы надежности в определенной степени зависит от того, насколько контролируемые параметры ЭРИ отражают их состояние. Особо остро эта проблема возникает в случае принятия решения о продлении сроков эксплуатации и хранения радиоэлектронных средств (РЕС) вооружения или прогнозировании технического состояния сложной системы с длительным сроком активного функционирования. В этих условиях на начальном этапе доминирующая роль отводится методам НК оценки и прогнозирования технического состояния, показателей надежности и остаточного ресурса ЭРИ. Особенности методов НК определили их использование при выработке решений о техническом состоянии ЭРИ, по характерным признакам и параметрам состояния, а также показателями развития деградационных процессов в ЭРИ.
В работе излагаются методы оценки эффективности неразрушающего контроля с различных позиций. Общим для них является априорное утверждение о невозможности оценить ущерб от проникновения в сферу эксплуатации дефектных изделий.
При выборочном контроле использование неразрушающего контроля позволяет:
- сократить объем выборки при сохранении прежней достоверности и надежности выборочного контроля, поэтому мерой эффективности контроля является уменьшение объема выборки или соответствующее уменьшение стоимости контроля;
- повысить достоверность (надежность) контроля без увеличения объема выборки.
Неразрушающий выборочный контроль является экономически оправданным только в той степени, в которой приходится мириться с отсутствием необходимого оборудования высокой производительности для сплошного контроля. При сплошном контроле основным критерием, по которому производится выбор метода контроля, является повышение надежности контроля за счет соответствующего увеличения информации о контролируемом изделии. Однако в случае применения сплошного контроля экономическая эффективность может являться определяющим критерием выбора метода контроля. Это имеет место, когда по результатам неразрушающего контроля производится корректировка технологических процессов производства изделий.
При таком использовании неразрушающего контроля сигналом для остановки и корректировки технологических процессов производства изделий является выявление серии из т дефектных изделий, следующих друг за другом /2/.
Чем эффективнее метод неразрушающего контроля, тем большую информацию о технологическом процессе он дает, и критериями оценки эффективности могут служить:
- относительное уменьшение потерь от брака:
(1)
- относительное уменьшение числа дефектных изделий:
.
(2)
При определении уровня надежности по результатам испытаний применение методов неразрушающего контроля позволяет уменьшить объем выборки, сократить время испытаний и уменьшить их стоимость. Рассмотрим критерии оценки эффективности для каждого из этих случаев.
а) Уменьшение объема выборки.
В последнее время все большее применение находят методы статистического контроля с переменным планом. Такой контроль производится по гибкой программе, которая изменяется в зависимости от результатов контроля предыдущей партии. Применение в этом случае неразрушающего контроля также позволяет уменьшить объем выборки, как это имело место при выборочном контроле, а, кроме того, позволяет приблизить план контроля к оптимальному и степень приближения может служить дополнительным критерием эффективности при выборе метода контроля /1,3/.
Число необходимых
испытаний для достижения заданной
вероятности
можно определить по уравнению
.
(3)
При проведении испытаний с разрушением будут получены другие значения р1' и р2' в силу чего будет иметь место иное число испытаний.
В этом случае количественной характеристикой эффективности контроля может служить относительное изменение числа испытываемых изделий:
.
(4)
б) Сокращение времени испытаний.
Методы неразрушающего контроля по самой своей cyти близки к методам ускоренных испытаний на надёжность. Сущность этого сходства состоит в том, что методы неразрушающего контроля позволяют задолго до отказовой ситуации прогнозировать ее возможность.
Поэтому имеется возможность сокращения времени испытания вследствие того, что будут признаны негодными элементы, имеющие скрытые дефекты, которые в реальных условиях работы проявлялись бы позднее. Критерием эффективности в этом случае может служить отношение
,
(5)
где tнк - время испытаний при использовании методов неразрушающего контроля до заданного числа отказавших изделий; tрк - время испытаний в реальных условиях работы изделий до того из числа отказавших изделий.
в) Уменьшение стоимости испытаний.
Стоимость проведения испытаний на надежность определяется выражением
Cn = C1 n Tn + Cпр mпр + C2. , (6)
где С1 - стоимость испытания одного образца в единицу времени;
п - количество испытываемых образцов;
Tn - продолжительность испытаний;
mпр - количество проверок;
Сп - стоимость каждой проверки при испытаниях;
C2 - первоначальная стоимость opганизации испытаний.
При испытаниях п образцов и число отказов пj, во время испытаний имеем
,
(7)
где Тср - средняя наработка на отказ.
Среднее количество проверок (при экспоненциальном законе распределения времени между проверками) до появления nj отказов
,
(8)
где tпр - интервал времени между изменениями параметров в изделии в процессе испытаний. Подставляя (10) и (9) в (8), получим
.
(9)
В качестве стоимостного критерия эффективности рекомендуется принять уменьшение стоимости при неразрушающем контроле
.
(10)
Таким образом, применение данных методов оценки эффективности применения неразрушающего контроля позволяет повысить достоверность получаемой информации о контролируемых параметрах, оптимизировать процесс проведения испытаний за счет снижения времени и стоимости проведения исследований.
Литература
Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высш. шк., 1975. 215 с.
Сагунов В.И., Ломакина Л.С. Контролепригодность структурносвязанных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990.
Поиск дефектов в линейных динамических объектах с использованием машинных методов / В.А. Гуляев, Г.Г. Костанди, А.В. Мозгалевский, С.В. Шалобанов. Киев, 1983. 179 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
С.Д. Кретов, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина
Анализ теплового режима одноблочной
конструкции РЭС при естественном охлаждении
Данный анализ проводится с целью определения существующих направлений и методов математического обеспечения процедур и функций теплового расчета и состоит в оценке современных моделей описывающих тепловой режим одноблочной конструкции при естественном охлаждении
Целью данной работы является создание программного комплекса, позволяющего производить расчет температурных перегревов одноблочной конструкции при естественном охлаждении. Для достижения поставленной задачи программа должна обеспечивать вычисление тепловых характеристик на основе исходных данных о габаритах и теплофизических параметрах блока.
При выборе математических моделей и алгоритмов, реализуемых в программе, необходимо предъявлять к ним следующие требования:
Математическое обеспечение должно быть построено с использованием иерархической структуры моделей;
Модели должны обладать достаточной адекватностью и универсальностью;
Алгоритмы и модели должны быть экономически оправданы с точки зрения затрат времени и средств на их реализацию.
Разработанные в программе методы и алгоритмы строятся на основе принципов многоуровневой и декомпозиционной структуры, и учитывают необходимость многократного воспроизведения результатов моделирования. Программное обеспечение разработано с учетом принципов объектно-ориентированного программирования в среде визуального программирования Delphi. При этом предусмотрено большая степень универсальности и удобства использования, для чего рекомендуется применить диалоговый режим ввода и обработки информации.
Применяемое математическое обеспечение обладает достаточной степенью точности, адекватно решаемой задачи, и экономически выгодно, с точки зрения затрат времени и средств на его реализацию.
Разработанное в рамках данной работы, программное обеспечение строится на основе современных принципов объектно-ориентированного программирования (ООП) в среде Delphi. При этом программное средство обладает большой степенью универсальности и удобства использования.
Алгоритм расчета, реализованный при помощи среды программирования Delphi, учитывает необходимость многократного воспроизведения результатов моделирования, а также строиться на основе принципов многоуровневой и декомпозиционной структуры.
Программное обеспечение ориентировано на использование стандартных баз данных, с которыми позволяет работать Delphi, и работать в среде Windows на ПЭВМ типа IBM PC.
Одноблочную конструкцию с вертикально ориентированными субблоками часто используют для нестационарных ЭВМ. В связи с этим интересен анализ ее теплового режима. При переходе к тепловой модели в качестве нагретой зоны будем рассматривать субблок. Примем следующие ограничения и допущения: нагретые зоны и корпус конструкции являются изотермическими поверхностями с температурами 6; и 6К; давление внутри корпуса больше 133 кПа, есть гравитация, эффективная ширина каналов между субблоками больше 2..3 мм, т.е. возможен теплообмен за счет естественной конвекции; платы субблоков имеют одинаковый размер, причем толщина платы субблока и эффективная ширина каналов между субблоками много меньше геометрических размеров нагретой зоны субблока, ширина зазора между крайними платами и корпусом больше эффективной ширины каналов между субблоками; скорость движения воздуха постоянна по длине канала, образованного субблоками.
Тепловая модель с необходимыми параметрами показана на рис. 1.
Рис. 1. Тепловая модель одноблочной конструкции
с вертикально ориентированными субблоками
При естественном охлаждении такой конструкции температурное поле неравномерно распределено по осям х, у, z. На рис. 2 показаны зависимости температуры пакета плат от координат х, у, z.
Рис. 2. Распределение температурного поля по осям х, у, z
Рассмотрим механизмы передачи тепловой энергии от нагретых зон в окружающую среду. В бескаркасной конструкции с субблоками без теплоотводящих шин можно пренебречь передачей теплоты кондукцией по элементам крепления и монтажа. Тепловая энергия, выделяемая i-ой нагретой зоной (субблоком), передается излучением с боковых поверхностей на соседние (i+l)-ю и (i-l)-ю нагретые зоны (тепловые сопротивления Ri,i+1 и Ri,i-1) и с торцевых поверхностей к корпусу (тепловые сопротивления RiK). От боковых поверхностей i -й и N-й плат тепловая энергия передается излучением к корпусу (тепловые сопротивления Ri кб и RN кб). Тепловая энергия от плат передается корпусу за счет естественной конвекции в каналах между нагретыми зонами, а также между i-й и N-й платами и боковыми стенками корпуса (тепловое сопротивление RBK), который рассеивает ее в окружающую средув общем случае за счет кондукции, конвекции и излучения (тепловое сопротивление RKC).
Тепловая схема, составленная на основании выполненного анализа механизмов передачи тепловой энергии, показана на рис. 3.
Рис. 3. Тепловая схема одноблочной конструкции
при естественном охлаждении
Тепловые проводимости, входящие в (3), зависят от температур плат, воздуха внутри конструкции, корпуса и окружающей корпус среды. Поэтому уравнения теплового баланса — нелинейные. Решение этих уравнений находится методом итераций, исходя из предполагаемых значений неизвестных перегревов. Основные этапы метода:
задают начальные значения неизвестных перегревов корпуса, воздуха и нагретых зон;
для данных перегревов определяются тепловые проводимости;
решают уравнения теплового баланса относительно неизвестных перегревов;
текущие значения перегревов сравнивают с предыдущими.
Тепловые проводимости для теплообмена конвекцией в каналах определяют по формуле (1):
σ = αiв si , (1)
где αiв — коэффициент теплообмена конвекцией между поверхностью тела и воздухом; si — площадь поверхности теплообмена тела, м2.
Коэффициент αiв подсчитывается по формуле (2):
αiв = 4,12 λв/bэф, (2)
где λв – коэффициент теплопроводности.
Тепловая проводимость σвк равна сумме трех составляющих: от двух вертикальных стенок площадью соответственно 2 L1L3 и 2 L2L3 и двух горизонтальных стенок площадью L1L2 каждая.
В общем виде коэффициенты теплообмена конвекцией определяется по формуле
, (3)
где Kop – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности,
Кн – коэффициент, учитывающий давление внутри конструкций и нормальное давление окружающей среды.
Результирующая тепловая проводимость
.
(4)
Коэффициент теплообмена излучением от корпуса к среде определяем по формуле (5)
,
(5)
При φкс=1.
Тогда лучевая составляющая тепловой проводимости корпус – среда
,
где θк – предполагаемая температура корпуса,
Sк = 2(L1L2+ L1L3 + L2L3) – площадь поверхности корпуса.
Литература
1. Муратов А.В., Макаров О.Ю. Автоматизированное теплофизическое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. пособие. Воронеж, 1997. 92 с.
2. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1997. 312 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
МЕТОДОМ ХАРАКТЕРНЫХ НЕИСПРАВНОСТЕЙ
В разрабатываемом программном обеспечении заложен метод, который заключается в сравнении выходных характеристик диагностируемых радиоэлектронных средств (РЭС) со значениями выходных характеристик, занесёнными в память (так называемым справочником)
Первым шагом на пути составления справочника (справочной таблицы) является формирование таких определений неисправностей, которые охватывают наиболее вероятные их типы. Это очень важно для всего подхода, поскольку впоследствии могут быть идентифицированы только эти типы. Следует учесть большое число потенциально возможных типов неисправностей. Естественно, что от этого числа будут зависеть размеры справочника, что накладывает ограничения на применимость метода /2/. Справочные перечни входных воздействий и выходных реакций формируются при помощи моделирования проверяемой схемы для каждой гипотетической неисправности. Выходные характеристики заносятся в справочник с целью последующего использования для оперативной идентификации неисправностей. Расчёт модели схемы с заложенными в неё неисправностями производится при помощи программы схемотехнического моделирования PSpice. Так как диагностирование РЭС проводится в разных режимах (по постоянному току, во временной и частотной областях), то для каждого случая при формировании справочника необходимо использовать соответствующий метод /4,5/.
Чтобы обеспечить накопление минимального объёма данных, позволяющего достичь желаемой степени обнаружения и локализации, необходимо произвести оптимальный выбор входных воздействий и выходных реакций. Цель этого выбора состоит в сокращении объёма измерений без потери диагностической способности. Для этого могут быть использованы следующие методы: метод операций бинарной логики, эвристические методы, вероятностные методы.
В процессе диагностирования РЭС проводится измерение выходных характеристик исследуемого образца с помощью контрольно-измерительной аппаратуры для тех же входных сигналов, что были использованы при составлении справочника. После чего эти значения вводятся в программу диагностирования, которая путём сравнения их со значениями, хранящимися в справочнике, выдаёт перечень наиболее вероятных дефектов для данных выходных характеристик. Степень совпадения измеренных значений выходных характеристик с характеристиками, хранящимися в справочнике, оценивается по следующим методам: с использованием критерия максимального правдоподобия, нечёткого критерия, методу голосования и методам согласования /1,3/.
Для функционирования данного программного обеспечения необходима операционная система Windows 95 или более новая и установленная программа PSpice версии 6.х. Программа разрабатывалась на языке Visual C++.
Литература
Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высш. шк., 1975. 215 с.
Леденева Т.М. Моделирование процесса агрегирования информации в целенаправленных системах: Кн. 8. Моделирование, оптимизация и компьютеризация в сложных системах. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 155 с.
Интеллектуальные САПР технологических процессов в радиоэлектронике / А.С. Алиев, Л.С. Восков, В.Н. Ильин и др.; Под ред. В.Н. Ильина. М.: Радио и связь, 1991.
Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики, аппаратные средства/ Под. ред. П.П. Пархоменко. М: Энергия, 1981. 203 с.
Саати Т.Л. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1993. 320 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 624.156
Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко, Л.С. Звегинцева
ВЫНОСНОЙ ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАТЧИКА
Изложены вопросы проектирования выносного пульта управления, предназначенного для управления по проводной линии связи передатчиком широкополосного сигнала, используемого для блокирования радиоуправляемых каналов
Выносной пульт управления (ВПУ) предназначен для дистанционного управления и диагностического контроля работы передатчика широкополосных сигналов, который используется для блокирования каналов управления радиоуправляемых устройств, при проведении взрывных работ. При проведении данных работ передатчик располагается в непосредственной близости от радиоуправляемого взрывного устройства, рядом с ним работает взрывотехник, а ВПУ находится на безопасном расстоянии от передатчика и взрывотехника.
Оператор осуществляет включение/выключение и диагностирование работы передатчиков. При возникновении аварийных ситуаций, о которых ему сообщает индикация пульта управления, он сообщает взрывотехнику, чтобы тот покинул опасную зону.
В различных системах управления одним из важных устройств является выносной пульт управления. Он предназначен для управления изделиями, диагностирования состояния работы устройств. В ряде случаев, когда исполнительное устройство располагается на расстоянии от оператора, то заменить выносной пульт управления практически нечем. Это свойство пультов позволяет их использовать всевозможными ведомственными службами.
Практически во всех радиостанциях применяют манипуляторы различной сложности, от наиболее простых до наиболее сложных, в виде малогабаритных компьютерных систем. Также практически во всех радиостанциях существует выносная гарнитура, которая позволяет переключать режимы работы, управлять включением/выключением радиостанции. На таких выносных пультах обычно располагаются микрофон, громкоговоритель, тангента управления режима приема/передачи, тональный вызов и др.
Выносные пульты управления можно классифицировать по способу передачи информации - проводные линии, радиоуправление, инфракрасное (ИК) управление.
Выносные пульты управления с радиоканалом позволяют управлять всевозможными радиомоделями (например, моделями машин, самолетов и другой техники), где используется пропорциональное управление. Примером пультов, в которых в качестве линии управления используют ИК управление, могут служить пульты практически всех бытовых приборов (телевизоров, видеомагнитофонов, музыкальных центров, кондиционеров и прочих). Но ИК устройства управления принадлежат к пультам, которые используются в стационарных условиях, в отсутствии ИК помех, климатических осадков и в условиях прямой видимости.
В рассматриваемом ВПУ не представляется возможным использование ИК или радиоуправления. Радиоуправление неприменимо по причине того, что передатчик помех блокирует все каналы радиосвязи. Если применять специальные меры компенсации помех или специальные устройства, работающие под помехами, то цена блока ВПУ станет достаточной дорогой, а надежность понизится. ИК управление также неприменимо из-за условий эксплуатации, атмосферные осадки в виде дождя и снега могут сделать невозможным передачу информации, не всегда возможно обеспечение прямой видимости. Проанализировав основные способы дистанционного управления можно сделать вывод, что для ВПУ, выполняющего вышеуказанные функции, наиболее предпочтительным является управление с помощью проводной линии в виде кабеля.
В существующем аналоге данного устройства использовалась упрощенная схема, в которую входили коммутационные элементы в виде тумблеров включения/выключения и переключения, индикаторов о работе каналов. Передача информации обеспечивается по девяти каналам. Такое схемное решение требует применения дорогостоящего четырнадцатипроводного кабеля с экранированными проводниками. Пятьдесят метров такого кабеля имеет достаточно большой объем и массу (15,1 кг), что представляет неудобство в работе и снижает надежность устройства.
Альтернативное схемное решение позволило уменьшить в 2 раза массогабаритные параметры устройства и применить четырехпроводный кабель.
Блок ВПУ реализован на матричной большой интегральной микросхеме (МБИС) 1806ВШ. Она представляет собой кодер-декодер, в котором в качестве помехоустойчивых кодов выбраны блоковые коды. А именно код Хэмминга, который позволяет исправить единичные ошибки. Микросхема 1806ВП1 предназначена для приема-передачи цифровой информации, выполнена по КМОП технологии, которая обеспечивает малое потребление энергии (ток потребления не более 1 мА при напряжении питания 5 В).
В блоке ВПУ в качестве физического канала связи используется проводная линия. Она представляет собой четырехпроводный кабель длинной 50 м, соединенный с ВПУ и внешним устройством при помощи четырехконтактных разъемов. По первому кабелю провода осуществляется подача положительного напряжения питания. По второму кабелю - подача отрицательного напряжения питания. По третьему кабелю - передача информации. По четвертому кабелю передается сигнал состояния футера. Структурная схема блока ВПУ приведена на рисунке.
С
труктурная
схема выносного пульта управления
При подаче питания на блок ВПУ он выходит в дежурный режим и осуществляет циклический прием информации о состоянии передатчиков. Существует пять состояний:
Передатчик выключен, индикаторы «Раб» (зеленого цвета) и «Авар» (красного цвета) погашены.
Передатчик включен и находится в режиме - при этом горит индикатор «Раб», а индикатор «Авар» погашен.
Авария по питанию (напряжение питания ниже минимального значения) - индикатор «Раб» погашен, индикатор «Авар» горит.
Авария по мощности - горит индикатор «Раб» и индикатор «Авар».
Превышение напряжения питания - все шесть индикаторов «Авар» моргают.
Блок индикации предназначен для вывода информации о состоянии передатчика оператору. Вывод информации осуществляется при помощи индикаторов зеленого и красного цвета («Раб» и «Авар» соответственно).
Блок управления предназначен для ввода команд оператором. Он осуществляется с помощью шести тумблеров и одной кнопки «Ввод».
Плата предназначена для приема-передачи команд от внешнего устройства, формирования этих команд по результатам данных пришедших от блока управления и дешифрации команд, принятых от внешнего устройства и выводе соответствующих сигналов в блок индикации.
Для подачи команды на включение-выключение передатчика во внешнее устройство производятся следующие действия: тумблер соответствующего передатчика переводится в положение «Вкл» («Выкл»). При этом МБИС формирует кодовое слово и по нажатию кнопки «Ввод», передает его во внешнее устройство. Для правильного приема информации в микросхеме 1806ВП1 используется цикловая синхронизация. Она предназначена для выделения начала передачи кодового слова. Синхронизация по циклам осуществляется при помощи передачи специальной синхронизирующей последовательности, структура которой в точке приема заранее известна, момент дешифрации которой принимается за начало отсчета передачи кодового слова. Таким образом, в начальный момент времени декодер находится в состоянии ожидании синхронизации и осуществляет переход в состояние обработки кодового слова только после ее приема. В случае неприема синхронизации, например, при искажении ее помехами, будет потеряно все сообщение. Для уменьшения потерь такого рода, блок ВПУ после нажатия кнопки «Ввод» повторяет кодограмму несколько раз. Для исключения ложной синхронизации выбор синхропосылки произведен из условия несовместимости ее с кодовыми словами и их сдвигами.
После передачи информации во внешнее устройство МБИС снова возвращается в режим циклического приема, до следующих манипуляций с кнопкой «Ввод», и получает информацию о состоянии включенного (выключенного) передатчика и передает ее в блок индикации, который выдает информацию оператору по средствам индикаторов «Авар» и «Раб».
Данный принцип действия блока ВПУ с одной стороны усложняет принципиальную схему блока, но при этом позволяет повысить надежность и понизить массогабаритные параметры изделия.
Выносной пульт управления представляет собой конструктивно законченное устройство.
От компоновки в значительной степени зависит эффективность и качество изделия. При компоновке учитывался состав элементной базы, удобство изготовления, эксплуатации, ремонтопригодность, необходимость защиты от дестабилизирующих факторов. Так требования герметизации накладывают определенные ограничения на конструкцию блока ВПУ, например, при использовании негерметичных тумблеров необходимо предусмотреть наличие для этих целей защитных герметичных колпачков, а также выборку в корпусе для уплотняющего резинового кольца и уплотняющий выступ в крышке.
Так же при компоновке ВПУ особое внимание необходимо уделить как факторам, накладывающим ограничения с точки зрения внутренних и тепловых связей между электрорадиоэлементами, так и факторам эргономического и эстетического характера, определяющим устройство работы с ВПУ оператора. Для данного устройства характерно использование его в экстремальных условиях, поэтому возможно использование ВПУ в перчатках (в зимнее время года).
При проектировании ВПУ определяющей задачей является поиск компромиссного решения, удовлетворяющего в наибольшей степени всем основным требованиям на данном этапе:
- обеспечение минимальных паразитных электромагнитных взаимосвязей, способных существенно изменить нормальное функционирование ВПУ;
- минимизация воздействия тепловых полей, возникающих вследствие перегрева отдельных ЭРЭ, на теплочувствительные элементы;
- обеспечение легкого доступа к ЭРЭ, узлам, блокам для контроля, ремонта и обслуживания;
- обеспечение расположения ЭРЭ и элементов конструкции позволяющих использование автоматизации процессов сборки и монтажа;
- минимизация массогабаритных показателей.
Учитывая, что изделие относится к классу возимой аппаратуры, используется на авто- и бронетехнике блок ВПУ должен иметь небольшие габариты и массу, а его внешний вид должен удовлетворять современным требованиям эргономики и маскировки.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
А.В. Макуров, Н.А. Карпцов, Л.Н. Никитин
СОВРЕМЕННОЕ ОХРАННОЕ УСТРОЙСТВО
Эффективность применения автомобильной сигнализации, обусловлена тем, что такое устройство выполняет роль центрального замка на автомобиле, что обеспечивает экономию времени при открытии-закрытии автомобиля, а также следить за его безопасностью на расстоянии
Ежегодно необратимо растет количество угнанных автомобилей, в связи с чем является целесообразным разработать современное охранное устройство для автомобилей. Нами предлагается модифицированная структурная схема такого устройства, которая представлена на рисунке.
Структурная схема охранного устройства
Автомобильная сигнализация функционально состоит из двух блоков: автомобильного и домашнего комплекта. Автомобильный комплект представляет собой функционально законченный блок, способный работать и без домашнего комплекта. Автомобильный комплект обеспечивает диагностику датчика капота, дверей, багажника и датчика удара, осуществляет управление механическими затворами дверей, сиреной, фарами, светодиодом охраны. Автомобильный комплект обеспечивает прием и выполнение команд от домашнего комплекта (постановка на охрану, постановка на охрану с выключенным датчиком удара, запрос эха, мигнуть фарами, подать короткий звуковой сигнал 80 мс). Передача от домашнего комплекта осуществляется в некодированном виде. Автомобильный комплект обеспечивает прием и выполнение команд от брелока (постановка на охрану, постановка на охрану с выключенным датчиком удара, снятие с охраны). Передача от брелока осуществляется в кодированном виде.
В качестве модулей приема и передачи используется сверхрегенеративный радиомодуль. Применение сверхрегенеративного модуля в качестве приема продиктовано плохой стабильностью частоты брелоков. В этих условиях супергетеродинные приемники не обеспечивают надежный прием сигналов от брелока, поскольку имеют более узкую полосу приема. Передача сигналов на домашний комплект не кодирована и осуществляется через последовательный порт процессора. Автомобильный комплект имеет разъем программирования, обеспечивающий программирование процессора от компьютера по шине SPI. Для уменьшения потребления при снятой с охраны сигнализации применена схема подачи питания на оптрон и датчик удара. Управление светодиодом осуществляется с помощью полевого транзистора. Подача питания на передатчик осуществляется с помощью ключа на транзисторе. Светодиод обеспечивает индикацию напряжения питания на передатчике. В схеме применен стабилизатор, имеющий низкий ток утечки на землю. В сигнализации применены стандартные автомобильные разъемы. S1 – 11 контактный силовой разъем подачи питания и вывода силовых сигналов. S2 – разъем подключения механических датчиков. Подключение указанных разъемов стандартно и соответствует сигнализации Mongoose модель IQ. Исключение составляют выводы S2.1 и S2.8. Эти выводы незадействованы в штатном варианте и используются для подключения кнопки Valet. Управления внешними силовыми цепями автомобиля (электрозамок, фары, сирена) осуществляется с помощью реле. Реле управляются силовым драйвером. Измерение напряжений (питания сигнализации и бортсети автомобиля) осуществляется с помощью АЦП. Остальные каналы зарезервированы для работы с датчиком удара.
Модуль процессора состоит из процессора AT89s8252, микросхемы сброса DS1812 и кварца 11.059.000 Гц. Внутренняя флэш-память данных используется для памяти констант брелоков. В проекте используется два брелока, однако их количество может быть увеличено. Частота кварца выбрана для обеспечения стандартных скоростей последовательного порта и может быть изменена на обоих комплектах одновременно. Однако, в этом случае придется изменить константы приема сигналов от брелока в автомобильном комплекте. Резистор, включенный последовательно с DS1812 предназначен для исключения взаимного влияния цепей сброса в режиме программирования AT89s8252.
Модуль АЦП предназначен для измерения напряжения питания сигнализации и для измерения напряжения бортсети автомобиля. В дальнейшем планируется использовать три канала для измерения аналоговых сигналов с датчика удара. Чтение АЦП осуществляется с помощью сигналов шины SPI (SS, MOSI, MISO, SCK). АЦП включен по стандартной схеме, взятой из DATASHIT на микросхему. Потенциометром устанавливается точное значение напряжения бортсети.
Модуль драйверов предназначен для управления силовыми промежуточными реле (фары, электрозамок), включения передатчика, включения силового ключа сирены. Используемая микросхема ULN2003 уже содержит в своем составе обратные диоды для гашения всплесков напряжения на обмотках реле. Однако настоятельно рекомендуется подключать дополнительные диоды непосредственно (и вблизи) к обмотке реле для улучшения помехозащиты.
Домашний комплект питается от сети переменного тока 220 В. В домашнем комплекте применены радиомодули, собранные по супергетеродинной схеме.
Микросхема DS1812 предназначена для сброса процессора. Резистор, включенный последовательно с DS1812 предназначен для исключения взаимного влияния цепей сброса.
В схеме применены силовые драйверы ULN2003 для управления подачей питания на передатчик, подачи звуковых сигналов, управления внешним светодиодом (мигалка), управления подсветкой ЖКИ индикатора PC2004. Подача питания на передатчик осуществляется с помощью ключа на транзисторе. Светодиод обеспечивает индикацию напряжения питания на передатчике.
Часы реального времени DS1307 включены по типовой схеме. Чтение и запись микросхемы осуществляется по интерфейсу I2C. Диоды обеспечивают напряжение на выводе 3 не выше 3.9 В, поскольку при большем напряжении батареи (по отношению к питающим +5 В) микросхема переходит в спящий режим при котором блокируется интерфейс I2C.
В качестве звукового излучателя применена динамическая головка 0.25 Вт, сопротивлением 8 Ом.
В индикаторе PC2004 применена двухуровневая подсветка, уменьшающая яркость индикатора при неактивности.
Схема домашнего комплекта обеспечивает также управление внешним светодиодом с периодом мигания 350 мс.
При включении питания процессор инициализирует рабочие ячейки ОЗУ. Флэш - память не инициализируется. Включаются фары на время 2.5 с. Далее процессор переходит в режим снятия с охраны. Светодиод выключен. В этом режиме доступно программирование брелков.
При постановке на охрану нажимается соответствующая кнопка на брелке или на домашнем комплекте. Процессор анализирует состояния датчиков. Если сработал датчик капота, будет подан короткий (100 мс) звуковой сигнал и произойдет отказ в постановке на охрану. Если сработал датчик двери или багажника, процессор включит фары на время 500 мс и светодиод (постоянно) и перейдет в режим ожидания закрытия дверей. При закрытии всех дверей произойдет постановка на охрану. При этом процессор включит реле электрозамков на закрытие на время 250 мс. Отказ от данного режима может быть осуществлен нажатием кнопки снятия с охраны на брелке. При этом процессор включит реле электрозамков на открытие на время 250 мс, выключит светодиод. В режиме охраны светодиод мигает с периодом 300 / 1000 мс, если за время охраны не подавался тревожный звуковой сигнал (при срабатывании датчиков дверей, капота или багажника). Иначе период составляет 100/ 400 мс. Снятие с охраны возможно только с помощью брелка, т.к. только брелок передает посылки с защищенным плавающим кодом. Для снятия с охраны нажимается соответствующая кнопка на брелке. При этом процессор включит реле электрозамков на открытие на время 250 мс, выключит светодиод. При включенной сирены возможно также снятие сигнализации с охраны нажатием кнопки VALET. При срабатывании датчика удара во время охраны процессор включает фары на время 500 мс. Если в течении 20 с количество срабатываний датчика удара превысит 4 раза, вместе с фарами будет включаться сирена на время 500 мс. При срабатывании датчика двери во время охраны процессор включает попеременно сирену и фары с периодом 350 мс. Если в течении 90 с срабатывание датчика не будет устранено, процессор исключит датчик из алгоритма анализа датчиков и выключит сирену и фары. Дальнейшая охрана будет осуществляться без этого датчика. Если во время охраны датчик удара вернулся в нормальное состояние, он снова будет включен в алгоритм анализа датчиков.
Подводя итоги, из вышеперечисленной информации, можно сказать, что данное устройство собрано на современной элементной базе и отвечает современным требованиям, предъявляемым к охранным устройствам. Отличительной особенностью этой сигнализации является наличие домашнего комплекта, который обеспечивает прием и отображение на дисплее ЖКИ информации от автомобильного комплекта: напряжения бортсети автомобиля, индикацию состояния датчиков (в случае срабатывания), индикацию реального времени, индикацию количества срабатываний датчика удара и время последнего срабатывания.
Литература
1. Шабров Д. Автомобильная сигнализация / Радиолюбитель, 2006. № 6-8.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
И.К. Андреков, И.А. Новикова
РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ РЭС
Рассматриваются виды источников питания с точки зрения их технических характеристик. Предлагается источник питания для комплекса радиоэлектронной аппаратуры
Источники питания можно разделить на первичные и вторичные. Под первичными источниками электроэнергии принято понимать такие, в которых она получается непосредственно из какого-либо другого вида энергии. Это может быть химическая, тепловая, механическая и другая энергия. В нашем случае смысл термина несколько нарушен. Например, сеть переменного тока напряжением 220 В не является первичной по определению, так как это напряжение обычно получается в результате нескольких преобразований электрической энергии в электрическую (повышение и понижение напряжения трансформаторами). С другой стороны, электросети напряжением 220 В для конечного пользователя являются первичным источником электроэнергии, как и обычный солевой элемент, ввиду определенности по параметрам и распространенности. Исходя из вышесказанного первичными источниками являются следующие:
- переменное напряжение бытовой сети 110 В (60 Гц) и 220 В (50 Гц);
- бортовая сеть автомобилей напряжением 12 В или 24 В;
- бортовая сеть летательных аппаратов напряжением постоянного тока 27 В и переменного тока напряжением 115 В (400 Гц);
- химические источники тока.
Под источниками вторичного электропитания в данной статье подразумеваются все типы преобразователей, стабилизаторов и регуляторов напряжения, обеспечивающих составные части радиоэлектронных средств электроэнергией с нормированными характеристиками.
Для питания комплекса радиоэлектронной аппаратуры различного назначения был разработан источник питания представляющий собой многоканальное устройство, позволяющее обеспечить стабилизированным напряжением до 6 нагрузок, и имеющий 8 выходов не стабилизированного сквозного питания, коммутируемого электронными ключами.
Входным постоянным напряжением для блока питания является бортовая сеть автомобиля или летательного аппарата напряжением 12 В или 24 В. В качестве резервного источника питания используются два последовательно соединенных аккумулятора напряжением 12 В.
Конструктивно блок питания состоит из отдельных ячеек размещенных в корпусе фирмы Schrof. На задней панели корпуса расположены разъемы для подключения входного питания и аккумуляторов, вентиляторы охлаждения.
Блок питания автоматически переходит на резервное питание от аккумуляторов при сбоях или пропадании основной питающей сети. В состав блока питания входит зарядное устройство для обеспечения работоспособности аккумуляторной батареи.
Управление блоком питания может производиться с пульта дистанционного управления, с помощью которого возможно дистанционное управление и визуальная индикация входных и выходных параметров.
Основные технические параметры универсального блока питания:
1. Входное напряжение 12÷32 В;
2. Выходные параметры каналов:
120,25 В 2 А – 1 канал;
270,5 В 5 А – 4 канала;
13,80,25 В 10 А – 1 канал;
1232 В 3А – 8 сквозных каналов;
3. Масса блока питания не более 10 килограмм;
4. Габариты не более: ширина 485 мм, высота 200 мм, глубина 380 мм;
5. Диапазон рабочих температур от -20С до +40С;
6. Потребляемая мощность при полной загрузке не более 2000 Вт.
Воронежский государственный технический университет
УДК 623.4
П.Л. Куршев
Моделирование уСИЛИТЕЛЯ нАПРЯЖЕНИЯ
методом компьютерной интерполяции
характеристик транзистора
Приведен метод компьютерного моделирования транзистора на основе компьютерной интерполяции, отличающийся от традиционного повышенной точностью. Рассмотрен пример моделирования типового усилителя напряжения
Введение
Разработка транзисторных усилителей напряжения и мощности является важным этапом в процессе конструирования радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время происходит смена технологии разработки усилителей: традиционный графоаналитический метод расчета [1] заменяется современными компьютерными методами проектирования усилительных каскадов схем.
Возможности современных программных продуктов (Mathematica, Mathcad и др.) позволяют существенно снизить временные затраты на моделирования и расчет усилителей, а также повысить точность получаемых результатов.
В процедуре алгоритмических методов расчета усилителей одним из важнейших технологических этапов является аппроксимация вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора. При этом качество аппроксимация ВАХ существенным образом влияет на точность расчета.
В данной статье описан метод математического моделирования, позволяющий описать реальное поведение транзистора в НЧ‑диапазоне функциями, полученными методом компьютерной интерполяции его входных и выходных характеристик. Применение данного метода показано на примере классического транзисторного усилителя напряжения, включенного по схеме с ОЭ.
Цель работы — показать возможность математического нелинейного моделирования транзисторного НЧ‑усилителя напряжения, работающего в классе А.
В данной работе использовался математический макет Mathematica 5.1.
Пример применения метода компьютерного моделирования
Кратко изложим суть этого метода. Входные и выходные характеристики транзистора нужно представить в виде непрерывно дифференцируемых функций. Эти функции можно получить, интерполируя некоторый набор точек, снятых с ВАХ исследуемого транзистора.
Для примера создадим математическую модель усилителя напряжения на транзисторе, включенного по схеме с ОЭ (рис. 1). В этой схеме использован триод П14. Сопротивление нагрузки Rн = 500 Ом. Электродвижущая сила смещения (ЭДС) в выходной цепи Eк0 = 10 В. ЭДС в цепи управления Eу0 = 0,25 В. На вход схемы подается синусоидальное напряжение с амплитудой Uэбm = 0,02 В.
Рис. 1. Усилитель напряжения на транзисторе
Поставим задачу следующим образом. Определим коэффициент усиления по напряжению ku и вид выходного сигнала данного усилителя, в соответствии с заданными условиями.
Вольтамперные характеристики транзистора П14 и графическое решение данной задачи приведены на рис. 2.
а) б)
Рис. 2. Семейство ВАХ транзистора П14
а — входные характеристики транзистора iб (uэб , uэк); б — выходные характеристики транзистора iк (iб , uэк)
В данной работе автором использовалось сплайновое кубическое и полиномиальное интерполирование в математическом пакете Mathematica 5.1.
Сплайновый метод удобен при описывании несложных зависимостей и позволяет получить плавную огибающую точек. Обычно этот метод хорошо работает, когда интерполируемые точки выбираются вручную. В некоторых ситуациях лучше применять полиномиальную интерполяцию [2,3].
Анализируя семейство входных характеристик транзистора П14 (рис. 2а), можно сделать вывод, что в интервале значений uэк = 0,2÷10 В зависимость тока базы iб от напряжения между эмиттером и базой изображается одной и той же кривой (практически не зависит от величины uэк) [1]. Снимая некоторый набор опорных точек с координатами (uэб ,В; iб ,мкА) принадлежащих этой кривой, путем интерполяции получаем функцию iб = iб(uэб). Автор статьи рекомендует в этом случае воспользоваться сплайновой кубической интерполяцией.
Для получения функции выходных характеристик транзистора П14 (рис. 2б), был использован несколько иной более удобный подход. Как видно из рис. 2б, характеристики, выражающие зависимость iкi (uэк) при постоянном токе базы iбi , можно описывать функциями вида y=k x+b, учитывая то, что в расчетах uэк не будет принимать значений меньших uэк нас. = 0,3÷0,7 В .
Зависимость коллекторного тока iк от тока базы iб будем считать нелинейной. Следовательно, введя зависимость k(iб) и b(iб) можно получить функцию, полностью описывающую выходные характеристики транзистора
.
(1)
Любым из наиболее подходящих методов интерполяции находим зависимости k(iб) и b(iб).
Таким образом, функция (1), описывающая выходные характеристики транзистора, получена. На рис. 3 графически изображены зависимости iб = iб (uэб) и iк = iк (iб ,uэк), полученные методом компьютерной интерполяции.
Рис. 3. Интерполированное семейство характеристик транзистора
Найдем зависимость uэк (uэб). По закону Ома
,
(2)
тогда учитывая выражение (1), получаем
. (3)
Из формулы (3) находим
, (4)
где величина сопротивления нагрузки Rн имеет размерность [кОм]. С учетом того, что iб = iб (uэб), получаем искомую зависимость uэк (uэб).
Зависимость uэк (uэб) при заданном сопротивлении нагрузки Rн = 0,5 кОм и ЭДС выходной цепи Eк0 = 10 В представлена на рис. 4а. На рис. 4б, показан вид выходного напряжения данного усилителя при подаче на его вход синусоидального сигнала с амплитудами 0,01 и 0,02 В.
а) б)
Рис. 7
а — зависимость uэк (uэб); б — выходное напряжение усилителя при подаче на его вход соответствующего синусоидального сигнала
Вычислим средний коэффициент усиления по напряжению <ku> графическим методом. Для этого из графика (рис. 2б) определяется среднее значение амплитудной величины коллекторного тока <Ikm>. Тогда
(5)
Исследуем зависимость ku данного усилителя от напряжения между эмиттером и базой uэб. В данном случае мгновенное значение ku в окрестности определенного значения uэб0 равно
. (6)
На рис. 5 изображен график зависимости ku (uэб) в рабочей зоне усиливаемого входного сигнала. Даже по нему можно приближенно определить более или менее линейную область усиления, выбрать оптимальную точку покоя и т.д.
Рис. 5
Математически вычислим среднее значение коэффициента <ku> в рабочей области усиления
.
(7)
Из (6) и (8) следует, что средние значения коэффициентов усиления по напряжению <ku>, рассчитанные разными методами, совпадают. Однако рис. 5 наглядно демонстрирует, что в рабочем диапазоне входных напряжений мгновенные значения ku заметно отличаются от среднего <ku> ≈ 125. Поэтому имеет место сильная нелинейность усилителя.
Заключение
Основной задачей описанного метода является создание удобной математической модели транзистора, описываемой интерполяционными функциями. Оперируя этими функциями, можно, например, точно моделировать любую ситуацию в НЧ‑диапазоне. Это очень удобно как при выполнении качественных оценок, так и в исследовательских целях. Применение математического анализа обеспечивает возможность нахождения наилучших экстремальных режимов работы транзистора. Еще одним важным моментом является возможность быстрого и точного получения параметров активных элементов линейных схем замещения транзистора.
Выражаю благодарность Панычеву С.Н. за постановку задачи исследования.
Литература
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники (в трех частях): 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1973. 751 с.
2. Воробьев Е.М. Введение в систему «Математика». М.: Финансы и статистика, 1998. 262 с.
3. Дьяконов В. Mathematica 4: учебный курс. СПб: Питер, 2001. 656 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
И.К. Андреков, И.А. Новикова
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РЭС
В статье приводятся данные по применению современных интегральных микросхем для построения источников питания с широким диапазоном входного постоянного напряжения
В настоящее время все более высокие требования предъявляются к электропитанию аппаратуры промышленного, коммерческого и специального назначения.
Требования к качеству входного напряжения модулей вторичного электропитания изложены в ГОСТ В 24425-90. Границы диапазонов входного напряжения выбираются исходя из области применения модулей питания. Для DC/DC модулей питания диапазоны могут быть следующими: 10…16, 21…30, 17…36, 36…72 и др. [1]. Ширина диапазонов обусловлена требованиями к аппаратуре в различных областях применения модулей электропитания, например, в промышленных сетях электроснабжения, в бортовых сетях автомобилей, подвижных объектах военного назначения, кораблей и подводных лодок, в системах питания железнодорожной техники, в системах связи гражданского и военного применения, в системах электроснабжения самолетов и вертолетов.
Источникам вторичного электропитания с расширенным диапазоном входного напряжения присущи очевидные достоинства, связанные с универсальностью такого вида продукции. Помимо основного преимущества – возможности установки модулей питания в системы, в которых имеются значительные отклонения питающих напряжений, их использование позволяет отказаться от фильтрации незначительных выбросов напряжения, сократить номенклатуру продукции, появляется возможность установки одного и того же типа модулей вторичного электропитания в аппаратуру, питающуюся от различных входных напряжений.
Расширение диапазона входного напряжения предъявляет дополнительные требования к схемотехнике модулей питания. Они должны обеспечивать требуемое выходное напряжение при минимальном входном напряжении, и в тоже время ключевые транзисторы и выпрямительные диоды должны имеет запас по напряжению для предотвращения выхода из строя при максимальном входном напряжении. Такие требования ведут к выбору электронных компонентов для построения источников вторичного электропитания с существенным запасом по параметрам, в ущерб другим характеристикам. Это может привести к ухудшению КПД модуля.
При построении модулей по стандартной схеме прямоходового преобразователя коэффициент заполнения γ обратно пропорционален входному напряжению. При увеличении входного напряжения уменьшается рабочий импульс. Необходимо заметить, что чем короче импульс, тем сложнее обеспечить передачу энергии входного напряжения в нагрузку, и появляется более широкий спектр помех.
В обратноходовом преобразователе происходят такие же процессы переключения. Однако импульс прямого хода укорачивается медленнее, поэтому данная схема преобразователя более предпочтительна для расширенного диапазона входного напряжения.
Исходя из выше сказанного, можно отметить следующие недостатки модулей с расширенным диапазоном входного напряжения:
повышенные потери в диодах выпрямителя, в трансформаторе;
повышенные статические и динамические потери в ключевом транзисторе;
широкий спектр помех.
Фирмой Linear Technology [2] разработана специализированная интегральная микросхема LTC3780 для построения вторичных источников питания с входным напряжением от 4 до 36 В и выходным напряжением от 0,8 до 30 В. Использование данной микросхемы позволяет реализовывать преобразователи напряжения работающие и как повышающие, и как понижающие. Структурная схема преобразователя напряжения с использованием LTC3780 представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема
Рабочая частота выбирается в диапазоне от 250 до 500 кГц, что позволяет использовать в качестве дросселя L малогабаритную катушку индуктивности на разомкнутом ферритовом сердечнике. Особенностью данной схемы является использование четырех полевых транзисторов. В зависимости от величины входного напряжения будут использоваться те или иные силовые ключи. На рис. 2-5 представлены диаграммы работы силовых ключей в зависимости от соотношения входного (Uвх) и выходного (Uвых) напряжений.
Рис. 2. Uвх.>Uвых
Рис. 3. Uвх≥Uвых
Рис. 4. Uвх≤Uвых
Рис. 5. Uвх<Uвых
Эффективность преобразователя в типовом подключении может достигать 97 %, в отличие, от так называемого SEPIC преобразователя, у которого КПД приближается к 85 %.
Микросхема выпускается в низкопрофильных корпусах TSSOP-24 или QFN-32.
С использованием данной микросхемы был разработан двухканальный преобразователь напряжения, работающий на частоте 250 кГц. Применение данной микросхемы позволило создать малогабаритный источник вторичного электропитания радиоэлектронных средств, за счет использования во входном и выходном фильтрах конденсаторов небольшой емкости. Параметры источника питания следующие:
входное напряжение 9 ÷ 32 В;
выходное напряжение первого канала 27 В;
выходной ток первого канала 5 А;
выходное напряжение второго канала 13,8 В;
выходной ток второго канала 10 А.
В качестве силовых ключей были использованы NEXFET Power MOSFET транзисторы фирмы International Rectifier IRLL3705. Применение данных силовых ключей с малым сопротивлением в открытом состоянии сток-исток, позволило разработать топологию печатной платы без использования больших элементов теплоотвода.
Управление преобразователем напряжения в автономном режиме осуществляется при помощи микропроцессора, а также в составе комплекса по шине RS485.
Таким образом, применение данной микросхемы позволило разработать источник вторичного электропитания с диапазоном входных напряжений от 9 до 35 В, обладающий высокой эффективностью и малыми габаритами. Увеличилась надежность, как самого модуля питания, так и аппаратуры, за счет облегчения тепловых и электрических режимов работы.
Литература
1. Гончаров А., Негреба О. Особенности применения модулей вторичного электропитания с расширенным диапазоном входного напряжения / Современная электроника, 2006. № 7. С. 40-42.
2. www.linear.com
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
Р.Р. Абулханов
Анализ угроз безопасности информации в АСК.
Угрозы внедрения деструктивного кода
Производится анализ угроз внедрения деструктивного кода в АСУ критического применения
Основной угрозой информационной безопасности в АСК, являются программные атаки. К программным атакам относятся программы, содержащие «деструктивный код», являющийся потенциально опасным по результатам своей работы для ресурсов АСК.
Под «деструктивным кодом» понимается некоторая самостоятельная программа или набор исполняемых инструкций, которая способна выполнить деструктивные действия [1].
Программы, содержащие «деструктивный код», обычно условно разделяют на следующие классы: программные закладки, средства несанкционированного доступа и компьютерные вирусы. К СНСД относится всевозможное штатное программное обеспечение, которое злоумышленник может использовать для нарушения целостности операционной системы или вычислительной среды. Часто этот тип программного обеспечения используется для анализа систем защиты, с целью их преодоления и реализации НСД к ресурсам информационной системы. Отличительный признак между средствами несанкционированного доступа и программными закладками - это наличие для первых и отсутствие для вторых функции преодоления защиты. Программные закладки имеют достаточно специфическую форму реализации процедуры нападения, выполнения функций разведки и исследования систем защиты (например, паролей доступа) элементов вычислительной среды.
Все подвергавшиеся анализу атаки использовали методы, позволяющие несанкционированно вмешаться в работу системы, в соответствии с атаки на АСК можно разделить на следующие группы [1].
1. Позволяющие несанкционированно запустить исполняемый код.
2. Позволяющие осуществить несанкционированные операции чтения/записи файловых или других объектов.
3. Позволяющие обойти установленные разграничения прав доступа.
4. Приводящие к отказу в обслуживании.
5. Использующие встроенные недокументированные возможности (ошибки и закладки).
6. Использующие недостатки системы хранения или выбора (недостаточная длина) данных об аутентификации (пароли) и позволяющие путем реверсирования, подбора или полного перебора всех вариантов получить эти данные.
7. Троянские программы.
8. Прочие.
Таким образом, следует отметить, что обе операционные системы, используемые в настоящее время в АСК, не являются абсолютно устойчивыми по отношению к программным атакам внедрения деструктивного кода.
Литература
ГОСТ 28.806-90. Качество программных средств. Термины и определения.
ГОСТ 50.922-96. Стандартизованные термины и определения в области защиты информации.
ГНИИ ПТЗИ ФСТЭК РОССИИ
УДК 681.3
М.А. Исаенко, Л.Н. Никитин
Частотомер на микроконтроллере
Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство реализации разнообразных устройств. Использование микроконтроллеров не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными
Существует два основных способа измерения частоты. В первом способе выбирают фиксированный интервал времени и подсчитывают число колебаний входного сигнала в течение этого интервала. Именно этот способ используется в предлагаемом устройстве. Подсчитав число периодов входного сигнала за известное время (100 мс), он приводит его к секундному интервалу и показывает на индикаторе значение частоты в герцах или кратных им единицам. Второй способ заключается в измерении интервала времени между нарастающими фронтами входного сигнала. Этот способ можно применять только в случае сигналов низкой частоты. Структурная схема частотомера приведена на рисунке.
Структурная схема частотомера
Для надежной работы на входе счетчика должен быть установлен формирователь, превращающий исходный сигнал любой формы и амплитуды в последовательность нормированных по амплитуде импульсов с крутыми перепадами. Практически все остальные узлы, необходимые для измерения частоты и вывода результата на индикатор, имеется в микроконтроллере, что делает этот прибор весьма удобным для реализации на нем частотомера.
Трудность состоит лишь в сравнительной низкочастотности счетчика, встроенного в микроконтроллер. Это вынуждает добавлять между выходом формирователя и входом микроконтроллера предварительный делитель частоты импульсов, понижающий ее до приемлемого значения. Нужно сказать, что в микроконтроллерах семейства PIC имеется встроенный достаточно высокочастотный предварительный делитель частоты, который с успехом используют в частотомерах. Микроконтроллер ATmega8515 семейства AVR, на котором построен предлагаемый частотомер, при многих других достоинствах не имеет такого делителя. Поэтому пришлось использовать внешний на микросхеме-счетчике.
Принцип измерения состоит в следующем. Сформированные импульсы поступают на ключ, который пропускает их на вход предварительного делителя частоты (четырехразрядного двоичного счетчика) только при высоком уровне на выходе микроконтроллера. Частота импульсов на выходе подключенного к счетчику дешифратора и на входе микроконтроллере в 16 раз меньше исходной.
Таблица
Основные технические характеристики
Диапазон измеряемой частоты, Гц |
10 - 32∙106 |
Форма входного сигнала |
произвольная |
Чувствительность, мВ |
250 |
Максимальная амплитуда входного сигнала, В |
20 |
Дискретность отсчета частоты, Гц |
10 |
Время измерения, мс |
100 |
Период повторения измерений, мс |
200 |
Напряжение питания, В |
5 |
В начале цикла измерения уровень на выходе микроконтроллера низкий и ключ открыт. Кратковременным сигналом высокого уровня, сформированным на выходе микроконтроллера, программа устанавливает счетчик в нулевое состояние. Затем она на 100 мс открывает ключ. Импульсы, поступают на вход двоичного счетчика. Дешифратор следит за переполнением счетчика и при переполнении подает сигнал на микроконтроллер, эти сигналы подсчитывает встроенный счетчик микроконтроллера Т1.
По истечении счетного интервала программа запрещает дальнейшее прохождение импульсов на вход счетчика и считывает состояние его выходов. Далее она обрабатывает результаты работы предварительного двоичного и встроенного счетчиков, вычисляет значение частоты и выводит его на двустрочный символьный ЖКИ. Описанный измерительный цикл периодически повторяется. Имеется возможность программной модернизации и модификации устройства.
Исходя из вышеизложенного можно сделать заключение: во-первых, предлагаемое устройство просто схемотехнически, что позволяет собрать его в радиолюбительских условиях; во-вторых, частотомер собран на современной, но доступной и дешевой элементной базе, что позволяет использовать его в учебно-конструкторском процессе; в-третьих, исходя из основных технических характеристик можно сказать, что прибор конкурентоспособен по сравнению с частотомерами, изготовленными на предприятиях.
Литература
1. Мортон Джон. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс. /Пер. с англ. М.: Издательский дом «Додека ХХI», 2006. 272 с.
2. Хлюпин Н. Частотомер – цифровая шкала с цифровым индикатором. – Радио, 2004. № 7. С. 64, 65.
3. Хливенко И. Частотомер с ЖК индикатором. - Радио, 2006. № 9. С. 32 - 34.
Воронежский государственный технический университет
УДК 658.52
В.С. Гундарев
Методика оценки профессиональной
подготовленности в процессе тренажерной
подготовки операторов АСУ
специального назначения
Рассматривается методика оценки профессиональной подготовленности операторов АСУ специального назначения в процессе их тренажерной подготовки, основанная на трехуровневой системе показателей тренированности. Приводятся результаты оценки эффективности тренажерной подготовки операторов
Уровень обученности операторов, выполняющих наиболее ответственные функции контроля, принятия решений и восстановления работоспособности АСУ специального назначения (СН), в значительной степени определяет качество ее функционирования как сложной человеко-машинной системы в условиях возмущающих воздействий. В связи с этим проблема формирования управлений в АСУ должна решаться на основе комплексной оптимизации процессов управления с приоритетом всех уровней профессиональной деятельности операторов и высокосовершенной адаптации системы к их личностным факторам [1]. Использование для этих целей алгоритмического обеспечения на основе прогнозирующих моделей требует решения, по крайней мере, двух принципиальных вопросов [2]:
формализованные в виде функционалов требования к качеству управления, включая требования, обусловленные присутствием в системе человека;
формализованное в виде динамических моделей или экстраполяционных зависимостей описание процессов, протекающих в АСУ, включая психофизиологические процессы человека-оператора, характеризующие его функциональное состояние – состояние профессиональной подготовленности.
При этом интегральным показателем, характеризующим функциональное состояние оператора, является эффективность его деятельности (производительность, темп, количество ошибок, правильность решения автоматизированных задач (АЗ) и пр.) [2]. С учетом этого, а также известных методов оценки профессиональной подготовленности операторов различного рода эргатических систем и используемых при этом показателей [3, 4] разработана система показателей тренированности лиц оперативно-технического персонала АСУ СН, основанная на их представлении в виде трехуровневой иерархии.
В качестве обоснованных частных показателей для оценки успешности локальных эргатических процессов (ЛЭП) на первом уровне иерархии этой системы используются “скользящие” [5] среднее, дисперсия времени реализации ЛЭП и правильность получаемых результатов решения соответствующих АЗ с участием тренирующегося оператора АСУ. Правомочность использования названных показателей для оценки успешности ЛЭП и, следовательно, тренированности оператора АСУ СН обосновывается тем, что при достаточно высокой производительности ПЭВМ, применяемых в составе автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов, время автоматического выполнения не операторских (т.е. машинных) функций при решении АЗ в соответствии с программно реализованными алгоритмами обработки информации можно считать малой постоянной величиной. В этих условиях успешность реализации ЛЭП будет определяться в основном степенью тренированности оператора быстро и правильно выполнять возложенные на него функции, оцениваемой с использованием указанных показателей.
Таким образом, при определении формальных выражений для названных частных показателей успешности ЛЭП будем оперировать случайным временем tkzj решения z-ой, z = 1...Z, АЗ при j-ой реализации соответствующей программы с участием k-го, k = 1...K, тренирующегося оператора и признаком правильности pkzj полученного им результата решения АЗ.
С учетом изложенного и известного определения “скользящего” среднего значения случайной величины [5] в качестве выражений для определения значений указанных частных показателей, оцениваемых по выборке из W последних измеренных значений tkzw, w = j – W, j – W +1,..., j, где j – номер j-ой реализации соответствующей программы (удовлетворяет условию j >W), в методике используются следующие соотношения:
для “скользящего” среднего времени реализации ЛЭП решения z-ой, z = 1...Z, АЗ с участием k-го, k =1...K, тренирующегося оператора:
,
(1)
для “скользящей” дисперсии времени реализации ЛЭП решения z-ой, z =1...Z, АЗ с участием k-го, k =1...K, тренирующегося оператора:
,
(2)
для “скользящей” правильности полученного результата решения z-ой, z =1...Z, АЗ с участием k-го, k =1...K, тренирующегося оператора:
.
(3)
В последнем из этих выражений величина pkzw принимает значение 1, если z-ая АЗ при w-ой реализации соответствующей программы с участием k-го тренирующегося оператора АРМ решена правильно, и значение 0 – в противном случае.
Эффективность (в статистическом смысле) вычисляемых в соответствии с выражениями (1) – (3) “скользящих” оценок значений используемых частных показателей тренированности оператора (успешности ЛЭП) обеспечивается с использованием понятия асимптотического обучения [3, 6] путем надлежащего выбора значения W.
Определяемые в соответствии с приведенными выражениями значения частных показателей тренированности операторов при необходимости могут быть усреднены по совокупности АРМ, решаемым на них АЗ и участвующим в соответствующих ЛЭП операторам АСУ.
В соответствии с используемым методом локальной оценки качества эргатических процессов формальное выражение для характеристической функции успешности решения z-ой, z = 1...Z, АЗ при j-ой реализации соответствующей программы с участием k-го, k =1...K, тренирующегося оператора представляется в виде:
(5)
где значения tz0, dz0, pz0 – суть пороговые значения используемых частных показателей тренированности оператора.
С использованием определяемого таким образом значения vkzj характеристической функции уточненное с учетом успешности решения z-ой, z =1...Z, АЗ при j-ой реализации соответствующей программы с участием k-го, k =1...K, тренирующегося оператора значение kzi оценочной переменной успешности в произвольный момент времени ti, ti > ti-1, находится в соответствии с рекуррентным выражением:
qkzi = (1 – ) qkzi-1 + vqkzj. (6)
В этом выражении , 0 < <1, – весовой коэффициент, характеризующий “вклад” последнего полученного значения vkzj в новое значение kzi оценочной переменной успешности, характеризующей подготовленность оператора на втором уровне иерархии рассматриваемой системы показателей.
Эффективность процесса тренажерной подготовки (ТП) характеризует подготовленность оператора на третьем уровне иерархии рассматриваемой системы показателей и оценивается согласно выражению:
,
(7)
в котором функция J(k, z) принимает значения последних номеров реализаций ЛЭП, т.е. тех, при которых выполнилось условие kzi > пор завершения формирования навыков тренируемых операторов АСУ СН. В связи с приведенным выражением уместно заметить, что оно дает несколько заниженную, по сравнению с реально имеющей место, оценку снижения суммарных затрат времени. Это обусловлено тем, что уже в ходе первых W реализаций каждого из рассматриваемых ЛЭП реально произойдет некоторое повышение тренированности операторов и, следовательно, снижение затрат времени решения АЗ с их участием по сравнения с фактическим начальным, априорно не известным значением этих затрат до начала тренировок.
В интересах оценки эффективности процесса ТП операторов АСУ СН в соответствии с изложенной методикой проведены вычислительные эксперименты по оценке успешности решения типовых АЗ. В результате получены представленные на рисунке графические зависимости оценочной переменной успешности при различных значениях используемого в рекуррентном выражении (6) весового коэффициента и пороговых значениях используемых частных показателей (1) – (3) тренированности оператора.
Графические зависимости успешности решения
операторами АСУ СН типовых АЗ
А
=0.1
=0.05
С использованием полученных ранее результатов имитационного моделирования деятельности операторов АСУ СН и оценок успешности решения типовых АЗ на основе выражения (7) проведены расчеты локальной эффективности E для различных вариантов реализации процесса ТП на уровне каждой АЗ. Анализ результатов этих расчетов показал, что реализация в компьютерном тренажере разработанных методик и алгоритмов управления подготовкой операторов АСУ обеспечивает повышение эффективности процесса ТП на 30-35 %.
Литература
1. Гундарев В.С., Махинов Д.В. Конфликтологический подход к проблеме подготовки специалистов в сфере информационной безопасности автоматизированных систем // Системные проблемы надёжности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2007): Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Ч. 2. Т. III. М.: Энергоатомздат, 2007. С. 110-114.
2. Буков В.Н. Оптимизация человеко-машинных систем на основе прогнозирования функционального состояния оператора // Автоматика и телемеханика, 1995. № 12. С. 124-137.
3. Анодина Т.Г., Мокшанов В.И. Моделирование процессов в системе управления воздушным движением. М.: Радио и связь, 1993. 264 с.
4. Бургонский А.С. Статистическая обработка результатов тренировки // В сб.: Автоматизация обучения и тренировки операторов сложных систем управления. Л.: ЛИТМО, 1989. С. 17-26.
5. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Наука, 1968. – 400 с.
6. Таран В.А. Эргатические системы управления: Оценка качества эргатических процессов. - М.: Машиностроение, 1976. 188 с.
Воронежское военно-техническое училище ФСО РФ
УДК 681.3
М.С. Петров, Л.Н. Никитин
КОНСТРУКЦИЯ МЕТЕОСТАНЦИИ
Предлагаемый прибор отличается от аналогов использованием современной базы, исчерпывающим в домашних условиях набором измеряемых параметров, высокой точностью, простотой тарировки, наличием интерфейса USB, что существенно для связи с современными компьютерами, не имеющими зачастую других интерфейсов, большой внутренней памятью, сохранением работоспособности при отсутствии части датчиков, наличием часов, обычного и лунного календарей
Идея создания домашней метеостанции появилась, когда надоели ежеутренние попытки разглядеть с фонарем в руках сквозь оконное стекло показания наружного термометра. Описания радиолюбительских конструкций приборов, измеряющих различные параметры окружающей среды, можно найти, например, в различных радиолюбительских журналах. Но после их изучения было решено модернизировать уже имеющуюся конструкцию, соблюдая принцип сохранения работоспособности метеостанции при отсутствии или неисправности любых предусмотренных в ней датчиков: датчики давления и влажности, в отличие от датчиков температуры, дороги, а датчик скорости ветра еще не готов. Это дало возможность постепенно расширять функциональность уже действующего прибора.
Кроме измерения метеоданных, указанных в таблице, станция имеет дополнительные функции: часы, календарь, лунный календарь, восемь будильников. Жидкокристаллический индикатор снабжен подсветкой.
Таблица
Основные измеряемые параметры
Параметр |
Интервал |
Погрешность |
Датчик |
Температура в помещении |
-50…+90
|
0,1 |
DS18B20 |
Температура внешняя |
-50…+90 |
0,1 |
DS18B20 |
Атмосферное давление |
15…115 кПа |
1,5 |
MPXAZ4115A |
Влажность воздуха |
0…100 % |
0,5 % |
HIH-4000 |
Гамма излучение |
1...999 Мрад |
0,5 % |
ФЭУ-1 |
Станция каждый час автоматически запоминает текущие значения метеоданных, памяти хватает на 300 суток. Имеется возможность предварительно установить до ста контрольных точек (меток времени, заданных с точностью до минуты). Измеренные в эти моменты времени значения также будут записаны.
Память данных и контрольных точек энергонезависима. Накопленную и текущую информацию о погоде можно по интерфейсу USB 2.0 передать для анализа в компьютер. При соединении происходит автоматическая синхронизация часов метеостанции и компьютера. Установить точное время можно не только автоматически, но и вручную.
Характеристики устройства:
Напряжение внешнего источника питания метеостанции — 9...15 В; Потребляемый от него ток в обычном режиме — 17 мА, во время связи с компьютером он возрастает на 23 мА. Включение подсветки увеличивает потребляемый ток на 20 мА. Резервная батарея из четырех гальванических элементов типоразмера ААА обеспечивает полноценную работу метеостанции продолжительностью до двух суток без внешнего питания. Ток, потребляемый от батареи, не превышает 9 мА. Структурная схема метеостанции приведена на рисунке.
Структурная схема метеостанции
Основной элемент метеостанции это микроконтроллер ATmega 32-16. Он имеет четыре восьми разрядных универсальных двунаправленных порта ввода - вывода, кроме них использованы следующие узлы МК: АЦП преобразует в цифровую форму аналоговые сигналы датчиков давления и влажности; таймер Т1 генерирует звуковые сигналы; таймер Т2 поддерживает ход часов реального времени, выводит МК из спящего режима; модуль USART поддерживает связь с компьютером (9600 Бод. восемь информационных и один стоповый разряд без контроля четности); сторожевой таймер в случае "зависании" МК обеспечивает его перезапуск; внешнее прерывание INTO зарезервировано для датчика скорости ветра.
Исходя из вышеизложенного можно сделать следующее заключение:
1. устройство позволяет контролировать параметры внешних воздействий на биообъекты и приборные средства в следующих интервалах: температура -50...+90 , атмосферное давление 15...115 кПа, влажность воздуха 0...100 %, гамма излучение 1...999 Мрад;
2. простота схемы и хорошая повторяемость позволяет в радиолюбительских условиях собрать и отрегулировать предлагаемое устройство;
3. разрабатываемая метеостанция конкурентоспособна по сравнению с аналогичными конструкциями, которые выпускают на предприятии.
Литература
1. Фролов Д. Многопрограммный таймер-часы-термометр. Радио, 2003. № 3. С. 18, 21.
2. Ревич Ю. Часы с термометром и барометром. - Радио, 2003. № 4. С. 38 – 39; № 5. С. 36-37; Радио, № 7. С. 43-45.
3. Мельников А. Термометр с ЖКИ и датчиком DS18B20. Радио, 2007. № 1. С. 46.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.3
А.А. Окрачков
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНТРОЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
Рассматривается аналитическая модель и алгоритм контроля эффективности программных систем защиты информации на основе комплексной оценки эффективности данной системы
В обеспечении информационной безопасности автоматизированных систем (АС) важную роль играет контроль эффективности защиты информации (ЗИ) АС. Актуальность данной задачи подтверждаются требованиями п.3.7 Руководящего документа Гостехкомиссии РФ [1], в соответствии с которыми защита АС должна предусматривать контроль эффективности средств защиты от несанкционированного доступа (НСД). Кроме того, в ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-2002 [2], в классе функциональных требований по аудиту безопасности (FAU), существует семейство требований анализа аудита безопасности (FAU_SAA) определяющих необходимость создания автоматизированных средств анализа показателей функционирования системы. Для выполнения этих требований должен осуществляться автоматизированный контроль эффективности программной системы защиты информации (ПСЗИ). Основной функцией контроля эффективности ПСЗИ является комплексная оценка её эффективности. Эффективность ПСЗИ оценивается с помощью системы показателей эффективности содержащей интегральный показатель (Еи) и три элементарных показателя эффективности ПСЗИ: функциональность (Еф), корректность функционирования (Екф), и удобство использования (Еуи). Оценка показателей Еф, и Еуи осуществляется на основе анализа программной документации на ПСЗИ. Показатель корректность функционирования ПСЗИ (Екф) определяется на основе моделирования динамики функционирования ПСЗИ в АС. Комплексная оценка эффективности ПСЗИ, как объекта проектирования, осуществляется с помощью интегрального показателя эффективности ПСЗИ (Еи) объединяющего элементарные показатели приведенные выше [3].
Для формализации задачи автоматизированного контроля эффективности ПСЗИ необходимо сравнить текущее значение интегрального показателя эффективности ПСЗИ (Еи ) с его граничными значениями А, В
А< Еи ≤В. (1)
Граничные значения интегрального показателя эффективности ПСЗИ Еи определяются требованиями, предъявляемыми к эффективности функционирования ПСЗИ в АС. Интервал значений интегрального показателя Еи, ограниченного этими граничными значениями, должен обеспечивать допустимую эффективность функционирования ПСЗИ. Нижнее граничное значение интегрального показателя эффективности ПСЗИ Еи, равно 0, что соответствует невыполнению ограничений по полноте набора защитных функций ПСЗИ, эффективности их реализации; неконфликтность функционирования ПСЗИ в АС и удобству их использования. Верхнее граничное значение интегрального показателя определяется максимальным значением показателя корректности функционирования ПСЗИ (Еmax кф), заданным разделом «Требования к подсистеме ЗИ от НСД» программной документации на АС. Данная величина задает ограничение на эффективность использования (полноту использования) времени отводимого на реализацию защитных функций. При больших значениях Еи (Екф), когда верно неравенство
Еи > Еmax кф, (2)
ПСЗИ не полностью использует время, отводимое ей при проектировании АС на реализацию функций ЗИ, таким образом, упускается возможность повышения ИБ АС без снижения эффективности функционирования АС по прямому назначению.
Исходя из вышесказанного, в соответствии с (1)-(2), задачу автоматизированного контроля эффективности ПСЗИ можно формализовано представить следующим образом:
Екф ≤ Еmax кф, (3)
Екф ≥ Еmin кф, (4)
. (5)
В
ыражения
(3) дают ограничения по показателям,
отражающим требования к эффективности
ПСЗИ в АС. Выполнение приведенных
ограничений предусматривает достаточную
полноту реализуемого набора защитных
функций ПСЗИ, эффективность их реализации;
временную, ресурсную и функциональную
неконфликтность функционирования ПСЗИ
в АС и допустимые усилиями персонала
для реализации эффективного функционирования
ПСЗИ.
Для организации процедуры автоматизированного контроля эффективности ПСЗИ необходимо разработать алгоритм контроля эффективности ПСЗИ на основе комплексной оценки её эффективности. Алгоритм автоматизированного контроля эффективности ПСЗИ представлен на рисунке. Содержание его блоков следующее.
Блок 1. Ввод исходных данных алгоритма:
Еф – значение показателя функциональности ПСЗИ, заданного администратором ЗИ на основе анализа программной документации на ПСЗИ;
Еуи – значение показателя удобства использования ПСЗИ, заданного администратором ЗИ на основе анализа программной документации на ПСЗИ;
Еmin кф, Еmax кф – минимальное и максимальное значения показателя корректности функционирования ПСЗИ соответственно, заданное разделом «Требования к подсистеме ЗИ от НСД» программной документации на АС;
Блок 2. Конъюнкция значений булевозначных показателей функциональности и удобства использования ПСЗИ.
Блок 3. Проверка выполнения условия (5).
Блок 4. Определение значения Екф [3].
Блок 5. Проверка выполнения условия (4).
Блок 6. Проверка выполнения условий (3).
Блок 7. Вывод на дисплей администратора ЗИ информации «Недостаточная эффективность ПСЗИ» при выполнении условий (4)-(5), но недостаточной эффективности использования времени отводимого на функционирование ПСЗИ, определенной выражением (3).
Блок 8. Вывод на дисплей администратора ЗИ информации «Эффективность ПСЗИ в норме» при выполнении всех условий (3)-(5).
Блок 9. Вывод на дисплей администратора ЗИ информации «Недопустимая эффективность ПСЗИ» при невыполнении хотя бы одного из условий (4), (5).
Таким образом, для осуществления автоматизированного контроля эффективности ПСЗИ необходимо реализовать контроль соблюдения ограничений, отражающих требования к эффективности ПСЗИ в АС, по показателям эффективности ПСЗИ.
Литература
Гостехкомиссия РФ. Руководящий документ. Концепция защиты средств вычислительной техники и автоматизированных систем от несанкционированного доступа к информации. М., 1992.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-2002. Информационная технология. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки безопасности информационных технологий.
Оценка эффективности программных систем защиты информации при их контроле / О.Ю. Макаров, И.И. Застрожнов, А.А. Окрачков и др. // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий: Материалы X Междунар. конф. и Рос. науч. школы. Ч. 3. М.: Радио и связь, 2005. С. 42-44.