Е.А. Азарова анализ лазерных устройств хранения информации

В начале 80-х годов голландская фирма " Philips " объявила о том, что ее инженеры придумали то, что сейчас пользуется огромной популярностью - это лазерные диски и проигрыватели. В чем же основное преимущество лазерного или компакт-диска? Все отмечают что, это необычайно высокое качество звучания при воспроизведении лазерных фонограмм. Поскольку при проигрывании компакт-дисков считывающим устройством является лазерный луч, и поэтому, между ним и диском нет механического контакта, то полностью отсутствуют посторонние шумы, шуршанье и треск, свойственные обычным грампластинкам. Компакт-диски (CD) используются не только для звукозаписи, но и для записи компьютерной информации. Они способны вмещать около 650 Мб информации. В настоящее время практически все программное обеспечение для компьютеров распространяется на лазерных дисках. Необходимо отметить, что CD может хранить и видеоинформацию.

После нескольких лет конкуренции различных вариантов улучшенных оптических дисков, имевших звучные названия, 15 сентября 1995 г. между различными группами разработчиков было, наконец, достигнуто принципиальное согласие о технических основах создания нового диска. И крупнейшие производители приводов CD-ROM и связанных с ними устройств (Toshiba, Matsushita, Sony, Philips, Time Warner, Pioneer, JVC, Hitachi and Mitsubishi Electric) подписали окончательное соглашение, утвердив не только "тонкости" формата, но и название новинки DVD (Digital Video Disk). DVD - оптические диски, подобны CD. Под таким девизом уже был начат выпуск новых устройств, знаменующих переход к 17-гигабайтным носителям данных и цифровому видео.

Однако, споры вокруг нового стандарта не завершились с принятием соглашения — даже название не находит единогласной поддержки в рядах основателей: весьма распространенной является версия расшифровки аббревиатуры как Digital Versatile Disk — цифровой многофункциональный диск. Более того, некоторые специалисты полагают, что DVD следует рассматривать просто как "новое слово" в английском языке. И, возможно, они правы, если судьба новинки будет так успешна, как предвещают, и вызовет революцию не только в вычислительной технике, но и в бытовой электронике. Перевод не позволяет отразить сущность слова ‘Versatile’. Его второе значение — "многосторонний" — обыгрывает не только функциональные возможности, но и технологические особенности новинки. Которая может использовать до четырех однотипных "слоев", емкость каждого из которых более 4 ГБ.

Известно, что две фирмы (Sony и Philips) сыграли ведущую роль при разработке первой спецификации цифровых компакт-дисков - так называемой “Желтой Книги” (Yellow Book), или просто CD-ROM. Она послужила основой для создания компакт-дисков с комплексным представлением информации, то есть способных хранить не только звуковые, но и текстовые и графические данные (CD-Digital Audio, CD - DA). При этом привод, читая заголовок диска, сам определял его тип - аудио- или цифровые данные. В этом формате, однако, не регламентировались логические и файловые форматы компакт-дисков, поскольку решение данных вопросов было полностью отдано на откуп фирмам-производителям. Это, в частности, означало, что компакт-диск, соответствующий требованиям “Желтой Книги”, мог работать только на конкретной модели накопителя. Такое положение дел, особенно в связи с большим коммерческим успехом компакт-дисков, разумеется, не могло удовлетворить производителей подобных устройств. В общих интересах необходимо было срочно найти компромисс. Именно поэтому вторым стандартом де-факто для цифровых компакт-дисков стала спецификация HSG (High Sierra Group), или просто High Sierra. Этот документ носил, вообще говоря, рекомендательный характер и был предложен основными производителями цифровых компакт-дисков с целью обеспечить хотя бы некоторую совместимость. Данная спецификация определяла уже как логический, так и файловый форматы компакт-дисков.

Созданная спецификация оказалась настолько привлекательной, что стандарт ISO-9660 (1988 г.) для цифровых компакт-дисков, в принципе совпадал с основными положениями HSG. Необходимо отметить, что все компакт-диски, соответствующие требованиям стандарта ISO-9660, который определяет их логический и файловый форматы, являются совместимыми друг с другом. В частности этот документ определяет, каким образом найти на компакт-диске его содержимое (Volume Table Of Contents, VTOC). Базовый формат, предложенный в HSG-спецификации, во многом напоминал формат флоппи-диска. Как известно, системная дорожка (трек 0) любой дискеты не только идентифицирует сам флоппи-диск (его плотность, тип используемой ОС), но и хранит информацию о том, как он организован по директориям, файлам и поддиректориям. Инициирующая дорожка данных на компакт-диске начинается со служебной области, необходимой для синхронизации между приводом и диском. Далее расположена системная область, которая содержит сведения о структурировании диска. В системной области находятся также директории данного тома с указателями или адресами других областей диска. Существенное различие между структурой компакт-диска и, например, дискетой заключается в том, что на CD системная область содержит прямой адрес файлов в поддиректориях, что должно облегчить их поиск.

Каким образом возникло множество форматов DVD? Это результат "войны" между двумя группами производителей, каждая из которых стремится установить свой стандарт DVD. Члены первой группы, возглавляемой Sony и Philips, отдают предпочтение односторонним двухслойным дискам. Другая же группа под эгидой Toshiba и Time Wamer продвигает двухсторонние диски. Памятуя о последствиях развернувшегося в 80-х годах соперничества между стандартами Betamax и VHS, в компьютерной и киноиндустрии решили пойти на компромисс. В результате, в основу стандарта DVD были положены оба упомянутых подхода.

Следует отметить, что по строению односторонний DVD, как и двухсторонний диск, содержит две углеродные пленки, разделенные слоем отражающего материала, при этом одна из них совершенно не используется. Это является результатом того, что альянс Toshiba-Time Wamer отстаивал двухсторонние диски, требующие скрепления пленок. Толщина одной пленки равна 0,6 мм, а толщина двух скрепленных пленок — соответственно 1,2 мм. Использовать же единую пленку толщиной 1,2 мм невозможно из-за того, что лазер рассчитан на чтение данных "на глубине" именно 0,6 мм. Таким образом, односторонний диск должен иметь две пленки толщиной 0,6 мм каждая, хотя только одна из них является полезной.

Что же касается Sony и Philips, то свою позицию они подкрепляли следующими аргументами: во-первых, производство дисков со скрепленными пленками обходится дороже, во-вторых, при использовании двухсторонних дисков их приходится переворачивать вручную. Конечно, можно для каждой стороны приспособить отдельный лазер, но это почти в два раза увеличило бы стоимость и сложность дисковода DVD. Более того, в этом случае размеры его будут настолько велики, что он вряд ли поместится в стандартном гнезде дисковода. В то же время представители Toshiba и Time Warner утверждают, что технология скрепления пленок вполне законченная (она уже применяется несколько лет при производстве 12-дюймовых лазерных видеодисков) и что двухсторонние диски DVD имеют большую емкость. В конечном счете, последний аргумент является решающим.

Основными техническими характеристиками лазерных выводных устройств являются формат записи, разрешение и размер пятна, линиатура растра, повторяемость, скорость записи.

Формат. Различают максимальный формат и формат экспонирования лазерного выводного устройства. Формат лазерных устройств, изготавливающих формы, должен соответствовать формату печатной машины или перекрывать его. Формат фотовыводных устройств может быть меньше формата печатной машины. В этом случае выполняют ручной монтаж фотоформ.

Разрешение и размер точки. Под разрешением (разрешающей способностью) понимается количество точек, воспроизводимых лазерным лучом, на единицу длины (обычно на дюйм) экспонируемого материала:

R = 1/r dpi (точки на дюйм).

Поскольку запись лазерным лучом связана с синхронизацией движения либо экспонируемого материала, либо развертки луча, разрешающая способность обычно не может плавно изменяться. Все лазерные выводные устройства имеют несколько фиксированных значений разрешающей способности. Эти фиксированные значения производители устройств делают приблизительно одинаковыми, поскольку они должны удовлетворять требованиям теории растрирования. Вот наиболее часто встречающиеся значения: 1270, 1693, 2032, 2540, 3387, 4064, 5080 dpi. Используются и другие значения разрешения, например 1200, 1372, 2400, 2438 и т.д. Разрешение во многом определяется конструкцией сканирующей и оптической систем, применяемым лазером и программным обеспечением. Применение специальных алгоритмов растрирования и различных программно-аппаратных усовершенствований во многих случаях позволяет обеспечить достаточно хорошее качество при разрешении 2400 dpi.

В идеальном случае диаметр точки (пятна) и разрешение должны быть связаны соотношением d = 25400/R (диаметр пятна d выражен в микрометрах, а разрешение R — в точках на дюйм). Если это условие выполняется, то выводное устройство называют линейным.

Большинство выводных устройств могут выполнять запись точками нескольких размеров. Однако, несмотря на то, что размер точки изменяется при изменении разрешения, он не всегда соответствует идеально требуемому. Более дешевые и простые выводные устройства, например ФНА ролевого типа, имеют всего один или два размера точки.

Линиатура растра. Этот параметр в большинстве случаев характеризует не само выводное устройство, а растровый процессор. Значение линиатуры, как правило, связано с разрешением следующим соотношением:

Lin=R/16lpi.

Исключения возможны в случае чрезмерного увеличения линиатуры за счет использования «запланированной нелинейности» или при ограничении допустимой линиатуры.

Повторяемость. Повторяемость характеризуют максимальной величиной несовмещения точек по формату на определенном количестве подряд выведенных фотоформ или печатных форм. Повторяемость большинства барабанных устройств равна ±5 мкм, а для устройств плоскостного типа этот параметр находится в пределах 25-40 мкм.

Воронежский институт высоких технологий

УДК 681.3

М.В. Дмитриев, Л.Н. Никитин

СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРОВ

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

Когда мы произносим слово "метеостанция", первое, что приходит на ум, это большая обсерватория, где много - много всякого оборудования для измерения климата окружающей среды. Однако на сегодняшний день это понятие значительно видоизменилось. Все дело в том, что домашняя метеостанция - это в своем роде одна из новейших технологий, которые заменяют нам и термометр и барометр, и кучу еще всяких громоздких приборов.

Современные метеостанции позволяют с максимальной точностью измерить температуру воздуха, как в помещении, так и на улице. По сравнению с уже устаревшими термометрами метеостанции позволяют измерять температуру с точностью до десятых долей процентов и в больших диапазонах.

На сегодняшний день многофункциональность метеостанций делает их популярными и универсальными. Действительно, многие метеостанции выполняют множество различных функций: измеряют температуру, влажность, давление, они же и будильник. Пересчитать все функции метеостанций на пальцах просто невозможно, настолько они универсальны.

Выпускаемые промышленностью погодные станции предназначены для работы зачастую в заводских лабораториях. Однако бытовые приборы для индивидуального пользования в большинстве случаев не выпускаются.

Описания радиолюбительских конструкций устройств для измерения метеоданных, можно найти, например, в различных радиолюбительских журналах [1]. Но после их изучения было решено модернизировать уже имеющуюся конструкцию [2], соблюдая принцип сохранения работоспособности данного прибора при отсутствии или неисправности любых предусмотренных в ней датчиков: датчики давления и влажности, в отличие от датчиков температуры и добавить датчик измерения ионизирующего излучения. Это дало возможность постепенно расширять функциональность уже действующего прибора.

Кроме измерения метеоданных, указанных в таблице, устройство имеет дополнительные функции: часы, календарь, лунный календарь, восемь таймеров для пользовательских нужд.

Таблица

Параметр	Интервал	Погрешность
Температура в помещении	-50…+90	0,1
Температура внешняя	-50…+90	0,1
Атмосферное давление	15…115 кПа	1,5 %
Влажность воздуха	0…100 %	0,5 %
Ионизирующее излучение	1...999 Мрад	0,5 %

Основные измеряемые параметры

Метеостанция каждый час автоматически запоминает текущие значения метеоданных, памяти устройства хватает на 300 суток. Имеется возможность предварительно установки 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 и компьютера. Установить точное время можно не только автоматически, но и вручную.

Характеристики устройства: Напряжение внешнего источника питания - 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.

Принцип работы метеостанции основан на регистрацию параметров внешних воздействий с помощью датчиков, преобразование с помощью АЦП в цифровую форму сигнала, обработку микроконтроллером и вывод значений параметров измерения на ЖКИ индикатор.

Конструктивно метеостанция состоит из двух блоков: блок датчиков, которые устанавливаются в месте контроля параметров окружающей среды и блока управления, который расположен в помещении. Структурная схема метеостанции приведена на рисунке.

Структурная схема метеостанции

Основной элемент метеостанции это микроконтроллер ATmega32-16PU. 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.

Связь устройства с компьютером осуществляется по интерфейсу USB 2.0, организована с помощью микросхемы FT232RL (DD1), тактируемой кварцевым резонатором. Компьютер подает устройству команды, в ответ на которые получает от нее сообщения. Обмен информацией происходит только по инициативе компьютера, сама метеостанция работает автономно и полностью сохраняет свою функциональность независимо от подключения к компьютеру.

Измерение температуры производится датчиком DS18B20 с точностью 0,1°С с продолжительностью около 0,6 с. Атмосферное давление измеряет датчик MPXAZ4115A. Такие датчики имеют очень хорошую повторяемость угла наклона измерительной характеристики, однако нуждаются в компенсации ее смещения. Для измерения влажности служит датчик HIH-4000. Если приобретен датчик HIH-4000 группы 002 или 004, в приложенной этикетке должны быть указаны индивидуальные значения его параметров. Метеостанция допускает их ввод в режиме настройки. Любой из датчиков допускается не устанавливать, на работоспособности устройства это не скажется, показания всех оставшихся датчиков будут правильными. Для измерения ионизирующего излучения используется счетчик Гейгера типа СБМ20.

Обмен данными с датчиками происходит по трехпроводной схеме и обмениваются информацией с процессором по протоколу 1-Wire. Протокол реализован программно.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие заключение: во-первых, метеостанция позволяет контролировать параметры внешних воздействий на биообъекты и приборные средства в следующих интервалах: температура -50...+90° С, атмосферное давление 15...115 кПа, относительная влажность воздуха 0...100 %, уровень ионизирующего излучение 1...999 Мрад; во-вторых, простота схемы и хорошая повторяемость позволяет лицам со средней радиотехнической подготовкой в домашних условиях собрать и отрегулировать предлагаемое устройство; в-третьих, разрабатываемое устройство конкурентоспособно 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 681.3

В.В. Бухтояров, С.Д. Кретов, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина

РАЗРАБОТКА светодинамическоГО устройствА

с программируемыми алгоритмами

Работа посвящена усовершенствованию светодинамического устройства с программируемыми алгоритмами, позволяющего реализовывать большое многообразие светодинамических эффектов: эстетического оформления баров, дискотек, казино, праздничной иллюминации, организации световой рекламы

Светодинамическое устройство с программируемыми алгоритмами позволяют реализовывать большое многообразие светодинамических эффектов: эстетического оформления баров, дискотек, казино, праздничной иллюминации, а также для организации световой рекламы и управлять независимо каждым из 32 световых элементов гирлянды соединительным линиям последовательного интерфейса.

Устройство содержит два параллельно включенных регистра (рис. 1). Один из них — контрольный, установленный на основной плате устройства. К выходам его микросхем (DD18 — DD21) подключены светодиоды, по которым производится визуальное наблюдение процесса программирования [1]. Второй — выходной регистр (DD23, DD25, DD27, DD29) — является управляющим для гирлянды выносных элементов. Оба регистра работают синхронно, но в процессе программирования участвует только первый из них.

Управление выходным регистром, следовательно, и загрузка в него данных, осуществляется по сигнальным линиям последовательного интерфейса: "Данные", "Синхронизация" и "Разрешение индикации". Третья линия — вспомогательная, этот сигнал кратковременно отключает выходы ИМС всех регистров на время загрузки текущей комбинации, что исключает эффект мерцания малоинерционных светодиодов. Гирлянда выносных элементов подключается к основной плате устройства (не считая экранирующих (необходимых только при длине линии более 10 м), составляющих пару каждому сигнальному проводнику) всего четырьмя проводами: "Данные", "Синхронизация", "Разрешение индикации" и "Общий".

Основной контроллер собран на печатной плате размерами 127 x 190 мм, а выходные регистры — 127х135 мм из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с двухсторонней металлизацией. В устройстве использованы постоянные резисторы типа С1-4, переменные — СП3-38б, конденсаторы К10-17 (C1-C6, С8), К50-35 (С7, C9-C16); светодиоды — сверхъяркие, четырех цветов, на основной плате контроллера — диаметром 3 мм, а в выносной гирлянде — 10 мм типа КИПМ-15, размещённые в чередующейся последовательности. Возможны, конечно, и другие варианты сочетания светоизлучающих элементов. Для управления более мощной нагрузкой, например, лампами накаливания или гирляндами параллельно включенных светодиодов выходные регистры необходимо дополнить транзисторными или симисторными ключами. Защитный диод VD1 и развязывающие (VD2, VD3) могут быть любыми кремниевыми средней мощности. Кнопки SB1-SB3, типа КМ1-1, и переключатель, типа МТ-1, распаиваются непосредственно на плате контроллера. Для них предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации.

Рис. 1. Схема автономного программируемого СДУ

Микросхемы выходного регистра (DD22-DD29), управляющие выносной гирляндой световых элементов, как отмечалось выше, подключаются к основной плате контроллера витыми парами проводов. Их включение (с учетом дополнительных инвертирующих триггеров Шмитта) аналогично ИМС DD18-DD21 контрольного регистра (рис. 1), но данные с выхода переноса "PR" последней ИМС DD29 выходного регистра не используются, поскольку выходной регистр работает только в режиме приема (загрузки, но не считывания) информации. Питание выносной гирлянды световых элементов, как и основного контроллера, осуществляется от отдельного стабилизированного источника напряжением 12 В. Ток, потребляемый устройством, не превышает 600 мА (это пиковое значение при одновременном свечении всех светодиодов), а при использовании ИМС КР1533ИР24 — не превышает 750 мА. Поэтому источник питания должен обладать соответствующей нагрузочной способностью. Рекомендуется использовать источник питания с минимальным током нагрузки не менее 1 А, особенно для питания выходных (удаленных) регистров. Это позволит уменьшить амплитуду сигнала помехи, наводимой по цепи питания на сигнальные цепи микросхем регистров [2].

Регистры DD16, DD18-DD21 типа КР1564ИР24 (прямой аналог 74HС299), используемые на основной плате контроллера, можно заменить КР1554ИР24 (74AC299), а, в крайнем случае, и КР1533ИР24. Поскольку микросхемы КР1533ИР24 (SN74ALS299) ТТЛШ-структуры и потребляют достаточно большой ток даже в статическом режиме (около 35 мА), в удаленных (выходных) регистрах рекомендуется использовать микросхемы КМОП-структуры типа КР1564ИР24 (74HC299). На основной же плате контроллера возможно использование регистров любой из серий КР1554, КР1564 или КР1533. При отсутствии ЭСППЗУ AT28C16-15PI можно использовать ОЗУ статического типа КР537РУ10 (РУ25) [1].

Интегральный стабилизатор DA1 (КР142ЕН5Б), при указанных на схеме номиналах токоограничительных резисторов R17-R59, в радиаторе не нуждается, но если суперярких светодиодов в распоряжении не окажется, можно использовать и обычные, стандартной яркости. При этом номиналы резисторов R17-R59 нужно уменьшить в три-четыре раза, а стабилизатор установить на радиатор площадью не менее 100 см². Напряжение питания, как основной платы контроллера, так и выходных регистров может быть выбрано в диапазоне 9-15 В, но при его увеличении следует помнить, что мощность, рассеиваемая на ИМС стабилизаторов, возрастает пропорционально падающему на них напряжению. Частоту переключения светодинамических комбинаций можно изменять подстройкой резистора R9, а скорость загрузки, при работе на очень длинные линии — R13.

Плата изготовлена комбинированным методом из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм СФ-2-35-1,5 ТУ-16-503.161-83, так как он сохраняет свои свойства при температурах от – 60ºС до 150ºС, что удовлетворяет требованиям и условиям эксплуатации электронного блока и имеет меньшее влагопоглащение по сравнению с гетинаксом. Метод нанесения рисунка – сеткографический, что позволяет изготовить ПП по II классу точности с металлизацией отверстий [3]. Материал для изготовления был выбран согласно его хорошим электроизоляционным свойствам, большой технологичностью по сравнению с гетинаксом, при достаточной влагостойкости.

В электронном блоке устройства горизонтально расположена печатная плата с ЭРЭ. Плата крепится четырьмя винтами, которые, проходят через корпус, стойки и печатную плату, крепятся в крышке. Сборочный чертеж блока представлен на чертеже РБВВ.468266.001 СБ (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид светодинамического устройства

Большинство ЭРЭ установлены на плату по варианту Iа и IIв, позволяющую осуществлять их подготовку и установку с помощью автоматизированного оборудования. Часть элементов устанавливаются вручную. Так как некоторые элементы не могут быть установлены и сформованы автоматически, то это снижает общую технологичность конструкции.

В устройстве заложена потенциальная возможность наращивания числа световых элементов. Благодаря этому, устройство может использоваться, например, в качестве контроллера светоинформационного табло. Количество каналов гирлянды может достигать нескольких десятков (их удобно увеличивать кратно восьми) без существенного изменения протокола последовательного интерфейса. Необходимо лишь установить требуемое количество контрольных и выходных регистров и соответственно изменить число тактовых импульсов синхронизации. При этом, нужно учитывать изменение диапазона адресов ЭСППЗУ, соответствующего одной светодинамической комбинации.

Литература

1. Воробьёв Н.И. Проектирование электронных устройств. М.: Высш. шк., 1989.

2. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчётам схем в электронике. Справочник. В 2-х томах. М.: Энергоатомиздат, 1993.

3. Парфёнова Е.М., Камышная Э.Н., Усачёв В.П. Проектирование конструкций РЭА. Пособие для вузов. М.: Радио и связь,1989. 271 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3.037

В.И. Буряк, В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов

ПРОВЕДЕНИЕ ОПЕРАЦИИ ОЧИСТКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

Представлен процесс очистки полупроводниковых пластин

Современная технология изготовления полупроводниковых приборов предусматривает использование пластин диаметром 200 мм. Поэтому необходимо было выполнить модернизацию существующего оборудования таким образом, чтобы предлагаемое оборудование занимало площадь не более ранее используемого, т.к. оно встраивается в существующую технологическую линию. В связи с этим при проектировании установки необходимо было выполнить размещение узлов установки таким образом, чтобы они занимали площадь, позволяющую разместить их на площади ранее спроектированной установки для пластин диаметром до 200 мм, а также произвести расчеты основных узлов установки, предназначенной для обработки пластин диаметром 200 мм.

В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем важное место занимает технологическое оборудование для проведения операций очистки. В условиях производства пластины с приборами соприкасаются с различными средами, и полностью защитить их от адсорбции примесей и получить идеально чистую поверхность практически невозможно. Поэтому применяемое понятие «чистая поверхность» имеет относительный характер.

Технологически чистой считается поверхность, концентрация примесей на которой не препятствует воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем. В связи с этим определением на различных этапах технологического процесса требуется различная степень очистки пластин. Так, например, на промежуточных стадиях изготовления пластин очистку их поверхности производят частично, стремясь удалить механические частицы более крупные, чем частицы абразива, применяемого на последующей операции; подготовить поверхность пластин к проведению таких чувствительных к, загрязнениям операций, как химическое травление и химико-механическое полирование; удалить загрязнения, которые могут повлиять на точность контроля пластины.

Очистка в полном объеме производится только после конечной операции механической обработки. Для очистки поверхностей полупроводниковых пластин и кристаллов технологический процесс должен состоять из последовательных операций, каждая из которых предназначена для удаления одного или нескольких видов загрязнений. Источниками загрязнений могут быть смазки, смазочно-охлаждающие жидкости, абразивные частицы, пыль, остатки щелочей, кислот и солей, а также различные газы. Механизм очистки подложек достаточно прост, однако многообразие электрофизических состояний поверхности и недостаточная достоверность оценки степени чистоты определяют существование большого числа вариаций технологических процессов очистки.

Таблица

Виды загрязнений и способы их удаления

Виды загрязнений	Способы очистки
Физические включения (пылинки, пух, небольшие частицы полупроводника, металла, абразива)	Растворение и одновременное ультразвуковое перемешивание
Загрязнения ионами (остатки кислот, осадки, получаемые при электроли-тическом покрытии, ионы металлов)	Промывка в деиониэованной или дистиллированной воде до установ-ления постоянного сопротивления. Промывка в кислотах для удаления адсорбированных ионов. Ионная очистка
Минеральные жиры и органические материалы	Ультразвуковая промывка в нагретом органическом растворителе. Кипячение в органическом раствори-теле. Ионная очистка
Сложные химические включе-ния (полярный органический материал, окислы, сернистые соединения)	Травление кислотами. Промывка кремниевых пластин в метиловом спирте
Загрязнения парами	Ионная очистка. Вакуумный отжиг. Термическое травление. Обработка в кислотах

Процесс полной очистки поверхности включает следующие три группы технологических операций: обезжиривание, травление и отмывку.

Обезжиривание проводят в горячих или кипящих органических растворителях, таких, как бензин, сольвент, скипидар, бензол, толуол, ксилол метиловый, этиловый и пропиловый спирты, четыреххлористый углерод, дихлорэтан, трихлорэтан и др. Большинство из них легко воспламеняются, образуют с воздухом взрывоопасные смеси, или оказывают вредное действие на организм человека. Поэтому относиться к органическим растворителям следует с большой осторожностью, а процессы проводить в герметичных реакционных камерах с вытяжной вентиляцией. При выполнении этой операции происходит удаление загрязнений без нарушения структуры поверхности.

Травление — растворение загрязнений, образующихся в результате химического взаимодействия материала поверхности с окружающей средой, при этом происходит удаление загрязнений и поверхностного слоя очищаемого материала. Травители содержат вещество, являющееся окислителем, и вещество, которое является растворителем образующихся окислов. В качестве травителей для кремния используют кислотные и щелочные составы. Кислотные травители представляют собой смеси из азотной, плавиковой и уксусной кислот. Так, например, для полирующего травления, дающего зеркальную поверхность кремния, используют смесь азотной и плавиковой кислот в соотношении 3:1 с температурой 30—40°С. Время травления порядка 15 с. При добавлении в этот состав для замедления реакции 9 частей уксусной кислоты получают травитель, применяемый для химической обработки пластин кремния с любой кристаллографической ориентацией. Температура травления не должна превышать 25°С, а время обработки возрастает до нескольких минут. Щелочные травители представляют собой растворы NaOH или КОН с концентрацией от 1 до 30 % в зависимости от необходимой скорости травления при температуре раствора 50—100°С. Обработанная поверхность при этом получается шероховатой.

Отмывка — растворение в деионизованной .воде остатков реагентов, используемых при обезжиривании и травлении.

В полупроводниковом производстве для целей отмывки применяют воду двух марок: воду А для промывки пластин и кристаллов с р — n-переходами и воду Б для обработки всех других элементов полупроводниковых приборов. Вода А имеет удельное сопротивление от 7 до 20 МОм-см, а вода Б — не менее 1 МОм-см при температуре 20°С.

Отмывку производят до тех пор, пока удельное сопротивление воды на выходе из промывочной ванны не сравняется с удельным сопротивлением ее на входе. Это служит критерием хорошей отмывки. Существуют и другие способы контроля качества отмывки, например, по краевому углу смачивания поверхности подложки.

Силы, действующие на каплю жидкости:

1 — газовая фаза; 2 — жидкость; 3 — подложка

На подложку с помощью дозатора наносится капля жидкости. Она в зависимости от наличия загрязнений по-разному растекается по ее поверхности (см. рис.). Измеряя угол Ө, проектируя подложку с каплей на экран, количественно оценивают степень очистки. Исходя из условия равновесия сил поверхностного натяжения на границах раздела, можно написать

.

При очень чистой поверхности жидкость хорошо ее смачивает и растекается по большой площади. При этом угол O невелик. Отмывку считают хорошей, если Ө= 75°.

В технологию очистки подложек часто входит ряд однотипных физических и физико-химических процессов или способов обработки, поэтому иногда различные операции очистки проводят в одних и тех же аналогичных по принципу действия установках с изменением режимов обработки и рабочих реагентов.

Одинаковые кассеты с равным числом пластин загружается в карусель полуавтомата, где производится струйная обработка реагентами при вращении карусели в пределах 10-20 об/мин, отмывка в деионизированной воде при вращении карусели 240 - 600 об/мин, сушка азотом подогретым до 50 - 60° С при вращении карусели в пределах 700 - 800 об/мин. Время обработки, промывки, сушки задается и регулируются в пределах 10 - 999 об/мин от заданного значения.

Полуавтомат снабжен шестью емкостями для различных реагентов, по три в каждом блоке подачи. Одна из емкостей предназначена для многократно используемого реагента. Подача реагента на обрабатываемые пластины кремния производится через распылитель специальной конструкции.

Реагент поступает в камеру обработки через отверстия 00,5 мм в распылитель под большим углом, к которому расположены аналогичные отверстия для подачи распыляющего газа, можно получить струю реагента с различной дискретностью. Для обработки в смесях реагента, например, перикисно - аммиачной или серно - перикисной предусмотрен смеситель реагентов, расположенный на распылителе. Смеситель соединен с тремя емкостями одного из блока подачи.

Реагенты подаются в коллектор через регуляторы расхода, с помощью которых можно регулировать подачу реагентов для получения смесей в любом соотношении. С целью предотвращения химических реакций между последовательно подаваемыми реагентами в каждый коллектор, имеется ввод деионизированной воды и азота для промывки и продувки коллектора, смесителя и распылителя от остатков подаваемых реагентов. Реагенты из емкостей в коллектор передаются с помощью избыточного давления азота через пневмоуправляемый клапан. Таким образом давления азота через пневмоуправляемый клапан. Таким образом предотвращается нежелательное смешивание в коллекторе реагентов друг с другом и с деионизированной водой.

Для очистки пластин применяется вращающийся стол или центрифуга с размещенными на нем пластинами, обрабатываемыми при помощи форсунок, распыляющих реагент под большим давлением. Для интенсификации удаления с поверхности пластин загрязнений используют щетки различных типов: вращающиеся цилиндрические (капроновые или колонковые).

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

Н.В. Король, А.В. Турецкий, Н.В. Ципина, С.Д. Кретов

РАЗРАБОТКА БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ

АНТЕННЫМ СОГЛАСУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Рассматриваются вопросы разработки конструкции блока управления автоматическим антенным согласующим устройством, используемым совместно с оборудованием радиосвязи специального назначения

Автоматическое согласующее устройство (АСУ) предназначено для трансформации (преобразования) комплексного сопротивления антенны в сопротивление, равное 50 Ом для обеспечения режима передачи максимальной мощности от усилителя мощности к антенне.

Структурная схема АСУ (рис. 1) состоит из следующих основных узлов: согласующего устройства (СУ), датчика, блока управления ААСУ.

Рис. 1. Структурная схема АСУ

Рассмотрим более подробно работу каждого из функциональных узлов; а именно структурную схему СУ (рис. 2, а).

Согласующее устройство представляет собой четырехполюсник из дискретно-перестраиваемых реактивных элементов (L и C), включаемых или выключаемых с помощью высокочастотных реле.

Дискретные элементы объединены в два переменных органа: L и С, существует еще один элемент: емкость компенсации Cк.

Параметры дискретных элементов каждого из переменных органов выбираются по двоичному закону (параметр старшего по величине разряда в 2 раза больше последующего). Это позволяет реализовать величину переменного органа с точностью, не превышающей половины величины самого младшего разряда. Дискретные элементы переменных органов L, С и Cк переключаются с помощью высокочастотных реле. Индуктивный L-орган состоит из 13 разрядов, емкостной С-орган из 11 разрядов.

Величины и перекрытия переменных органов выбраны с расчетом обеспечения режима согласования при работе на любую из заданных антенн в любой точке рабочего диапазона. Реле СхГ и СхА подключают орган С в зависимости от входного импеданса антенны в точку 1 или в точку 2.

Для повышения КПД согласующего устройства в верхнем участке диапазона с помощью двух реле из схемы исключаются 5 старших индуктивных разрядов, которые используются в нижнем участке диапазона и имеют значительную паразитную емкость на корпус.

а) б)

Рис. 2. Узлы АСУ

а - упрощенная схема согласующего устройства; б - блок схема блока управления ААСУ

Датчик подключается в высокочастотный тракт между усилителем и входом СУ на период автоматической настройки, и предназначен для формирования информации, необходимой для вычисления входного импеданса АСУ с помощью микро-ЭВМ. Включение и отключение в высокочастотный тракт датчика осуществляется с помощью реле. Схема датчика представляет собой неуравновешенный мост. Два его плеча резисторы, третье, набор коммутируемых емкостей, четвертым плечом является вход СУ.

Емкости третьего плеча подключаются в схему моста с помощью высокочастотных реле. Выбор конкретного элемента осуществляется по программе микро-ЭВМ в зависимости от входного импеданса АСУ.

Информация для вычисления входного импеданса АСУ представляет собой три детектированных напряжения: первое - со второго плеча моста, второе - с диагонали моста и третье - с четвертого плеча моста. Для этого в схеме датчика есть три детектора.

Указанные напряжения (U₁, U₂, U₃) поступают в микро-ЭВМ, где поочередно преобразуются с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в двоичные коды, которые используются в программе автонастройки блока управления ААСУ для вычисления входных импедансов АСУ.

Для получения приемлемых метрологических характеристик датчика необходимо на мостовой схеме поддерживать такую величину высокочастотного напряжения, которая обеспечивает нормальный режим детектирования. Для этой цели предусмотрена цепь деления высокочастотного сигнала, выполненная на резисторах. Кроме того, в детекторах датчика использована цепь термостабилизации. Для стабилизации высокочастотного напряжения в датчике в процессе настройки блока ААСУ на его выходе подключен резистивный ослабитель.

Схема блока управления ААСУ предназначена для управления переменными органами настройки СУ по командам, поступающим из микро-ЭВМ, а также передачи в микро-ЭВМ напряжений датчика (U₁, U₂, U₃), используемых в качестве исходных данных в алгоритме автонастройки.

Блок схема блока управления ААСУ приведена на рис. 2, б. Информация для переключения реле СУ из микро-ЭВМ, реализованного на D4 поступает в регистры (D14-D21), которые в свою очередь передают ее низкочастотным ключам (D24-D56) их выходы через демпферы (D58-D90) на реле. Управление регистрами производится из микро-ЭВМ.

В автоматике организована цепь защиты обмоток реле (встроенные в D4 независимые таймеры), по истечении 50 млсек после подачи импульса управления на обмотки реле принудительно с помощью транзисторного ключа снимается напряжение питания с обмоток реле. В схеме также имеется стабилизатор питания (D11, D6, D7, D8, D9).

Обмен данными осуществляется при помощи трансивера, D57 на частоте 433 МГц.

Рис. 3. Сборочный чертеж ААСУ

Микро-ЭВМ состоит из 16-ти разрядного микропроцессора ADSP-BF537BBC-5A фирмы Analog Devices, и ПЗУ АТ25640AN-10SI-2.7C, AT25F1024N-10SI-2.7 фирмы Atmel. В микро-ЭВМ записывается программа автонастройки блока управления ААСУ. Исходными данными для программы являются сигналы с датчика, которые поступают на АЦП (D12) AD7928BRU Analog Devices.

В АЦП сигналы датчика поочередно преобразовываются в двоичный код, в соответствии с которым по определенному алгоритму, заложенному в программе автонастройки, формируются сигналы управления органами СУ.

Конструкция блока РКНВ.468362.001СБ (рис. 3) состоит из основания поз. 11, крышки поз. 9, и панели передней поз. 2 все перечисленные детали конструкции выполнены из ударопрочного полистирола марки УПМ-03Л ОСТ-б-05-406-80, методом литья под давлением. В составные части БУ входят платы поз. 4 и поз. 5.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

В.А. Муратов, И.А. Новикова, Е.Н. Бабешко

ОХРАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Предложено конструктивное решение охранного устройства для легкового автомобиля, описаны его основные характеристики, условия эксплуатации и режимы работы

В настоящее время наиболее перспективными в конструктивном и технологическом плане являются радиоэлектронные средства (РЭС), выполняемые на базе интегральных микросхем (ИМС), микросборок или микроконтроллерных устройств, соответствующим способом скоммутированных на печатной плате и представляющие печатный узел в модульном исполнении. Подобные технические решения употребляются практически во всех видах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) любого назначения. Примером могут служить самые сложные РЭС, устройств обработки, хранения, считывания или передачи информации. Аналоговая элементная база со временем вытесняется цифровыми устройствами с дискретными сигналами, имеющими ряд преимуществ по: технологичности, надёжности, экономичности, функциональности и т.п.

С ростом числа автомобильной преступности актуальным становится вопрос об охране транспортных средств как в местах ночных автостоянок, так и в повседневной уличной суете.

Разработка надёжных и функциональных охранных систем стала задачей номер один для удовлетворения спроса автовладельца.

На данный момент рынок наполнен обилием охранных систем различных фирм конкурентов, которые обладают необходимым минимумом защитных свойств – тем, без чего охрана автомобиля не может считаться полноценной, а также базовым уровнем сервиса, способным сделать повседневную эксплуатацию автосредства более комфортной.

Сверхминиатюризация корпуса и полное управление системами позволяет обеспечить высокую скрытность места её установки в автомобиле.

Устройство предназначено для работы в помещениях, где изменение влажности и температуры воздуха существенно отличается от изменений на открытом воздухе и где имеется свободный доступ воздуха окружающей среды, например под навесом, тентом кузовного прицепа, кузова универсального герметичного или в защитном кожухе.

Отсюда можно сделать вывод о том, что конструкция изделия должна выполняться следуя правилам по защите от факторов влияния окружающей среды, т.е. для нормальных климатических условий:

- рабочая температура окружающей среды - 40…40 градусов;

-относительная влажность воздуха до 80 % при 35 градусов;

-вибрация с частотой 200 Гц при ускорении 0,5 g, с ударами многократными до 5 g, одиночными до 75 g.

Здесь следует учесть воздействие на изделие влаги тумана, инея, росы и влажности конденсата в салоне автомобиля и его обледенения.

Выбор конструкторского решения должен предусматривать возможность ремонта, т.е. ремонта пригодности и удобство регулировки и эксплуатации.

Как показывает практика для эффективности конструирования необходимо применить модульное исполнение блока автосигнализации в виде печатного узла, т.е. печатной платы с размещением на ней определённо скомпонованных элекрорадиоэлементов. Коммутационные связи на плате между радиоэлементами следует осуществить печатным монтажом проводников, которые должны по возможности максимально размещаться на плате под углом в 45, 60 или 90 градусов и быть как можно короче исходя из требований к массогабаритным показателям, т.к. это изделие будет устанавливаться на борту автомобиля. Коммутации между тумблерами, переключателями, датчиками, разъёмами и прочими электросоединителями и контактами должны выполняться обычными проводами.

Параметры элементов и характеристики материалов платы и корпуса должны соответствовать заданному климатическому исполнению и сохранять свои функции в заданных условиях работы. Корпус блока должен удовлетворять всем вышеперечисленным требованиям и в нём должны быть серийные и доступные при покупке радиоэлементы и конструкционные материалы. Требования к эргономике и эстетике обычные, связанные с удобством эксплуатации сигнализации. Требования к надёжности должны соответствовать требованиям применительно к подобному виду изделиям. Блок сигнализации должен быть небольших размеров, позволяющих компактно уместить его в потайном месте салона транспортного средства, избегая возможности обнаружения.

Цифровая охранная сигнализация-(блок) должен выполняться из стандартных отечественных материалов и элементов, снижающих её себестоимость и дающих возможность изготовления в соответствии с требованиями технического задания.

При анализе работ по проектированию, разработке, изучению характеристик и функциональных возможностей уже существующих подобного рода изделий, необходимо на первых этапах получить как можно больше информации на эту тему.

Сейчас, с ростом преступности, отдалением автостоянок от жилых домов, плохой освещённостью дворов, актуальным становится вопрос о надёжной охране транспортных средств.

Рынок может предложить немалое количество охранных систем с различными функциями, такими как: наличие устройств, затрудняющих или имитирующих работу двигателя, подачей звуковых и световых сигналов и сирен посредством срабатывания различного рода чувствительных датчиков качения, удара, изменения угла наклона, разрыва электрических цепей при взломе дверей, багажника, капота и т.п.

Автосигнализация начального уровня должно обладать необходимым минимумом защитных свойств, т.е. тем, без чего охрана автомобиля не может считаться полноценной, а так же базовым уровнем сервиса, способным сделать повседневную эксплуатацию автомобиля более комфортной.

Т.к. сигнализация разрабатываемого типа предположительно будет устанавливаться на сравнительно недорогих транспортных средствах отечественного производства, которых на российских дорогах подавляющее большинство, она будет преимущественно недорогой, но надёжной, исходя из применяемых схемных решений. Основными показателями работы будут звуковая сигнализация и блокировка работы двигателя посредством предотвращения подачи топлива. Система будет очень чувствительной и будет реагировать на удар, качение и попытку несанкционированного проникновения в салон.

Использование цифровых микросхем при формировании временных интервалов избавляет охранное устройство от недостатков, присущих конструкциям содержащим времязадерживающие цепи на оксидных конденсаторах с недостаточной термостабильностью.

Особенностью построения охранной системы является цифровой способ формирования временных интервалов, что позволяет выставлять моменты срабатывания звуковой индикации. Кроме того, наличие встроенного электронного датчика с регулируемой чувствительностью позволяет существенно повысить надёжность охранной системы.

В режиме охраны система обеспечивает:

-включение сигнала тревоги с задержкой при открывании капота, крышки багажника, любой двери (кроме двери водителя);

-включение сигнала тревоги с задержкой при открывании двери водителя или срабатывания электронного датчика. Задержка необходима водителю для открывания двери и отключения системы потайным тумблером её перехода в режим охраны;

-независимое включение системы блокировки подачи топлива в двигатель.

Устройство смонтировано на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Со стороны печатных проводников предусмотрена возможность установки перемычек для изменения временных характеристик устройства (продолжительность звучания сигнала тревоги и задержки на включение тревоги при открывании двери водителя).

В качестве преобразователя механических колебаний кузова в электрические в виде датчика можно использовать пьезоэлемент типа 3П-2, 3П-3,5 или аналогичные пьезодатчики вибрации AXGC-4 или CAP6455, (6600), или любой другой, который на выходе при срабатывании имеет небольшой электрический потенциал. В настоящее время рынок предоставляет большой выбор различных электронных датчиков подобного направления работы.

Для описания принципа действия возьмём датчик изменения угла наклона регулируемый автоматически со следующими характеристиками:

-напряжение питания 7-18 В.:

-ток потребления в дежурном режиме не более 6 mA;

-ток коммутации не более 150 mA;

-порог срабатывания не более 0,5 градусов;

-время подготовки к работе после подачи сигнала не более 40 с;

-диапазон срабатывания при температуре -40 – +85 градусов;

-самонастраиваемый.

Усилитель датчика собран на микросхеме KP140YД1208, выбор которой обусловлен низким напряжением питания, низким напряжением смещения и отсутствием триггерного эффекта. Устройство практически не требует настройки, но резисторы R9,11 выбираются так, чтобы напряжение на выходе вышеуказанной микросхемы принимало уровень логической единицы и было не менее 0,5 от напряжения питания микросхемы, тогда усиленный сигнал от датчика будет переключать микросхему, которая будет управлять работой триггера. Транзистор типа KT318Г – это эммитерный повторитель, служащий для включения светодиода АЛ307, устанавливаемый на видном месте. Тумблер SA1 типа МТ-2, включающий блок сигнализации устанавливается в потайном месте. Аналогичный тумблер SA2 служит для отключения датчика качания, устанавливается в любом удобном месте. Подстроечный резистор R-7 служит для установки необходимой чувствительности датчика. В схеме применимы постоянные резисторы типа МЛТ мощностью 0,25 Вт. Переменный R7 типа СП3 – 33 кОМ. Группы включателей SB-1 – для замыкания цепи двери водителя при её открывании, а SB2,3...SBn включатели на капоте, багажнике и остальных дверях. В качестве SB включателей могут служить включатели салонного освещения, а так же капота и багажника. В качестве сирены может применяться как заводской сигнал автомобиля, предусмотренный конструкцией, так и любой другой по выбору того же назначения. Для объяснения принципа работы возьмём сирену с напряжением питания 12 В и мощностью звука номиналом 20 Вт.

Литература

1. Родионов В.Ф., Фиттерман Б.М. Проектирование легковых автомобилей. М.: Машиностроение, 1980. 479 с.

2. Синько В. Конкуренция и конкурентоспособность: основные понятия // Качество. 2000. № 4. С. 54-59.

3. Литвинов А.С., Фаробин Я.С. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1992. 352 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

В.В. Сумин, А.А. Пирогов, О.Н. Чирков, Д.А. Корчагин,

О.Ю. Макаров

Проектирование цифровых сетевых видеокамер

В статье описан принцип построения и разработки видеокамеры для систем безопасности со встроенным Web-браузером, а также приведена архитектура сетевого процессора

На сегодняшний день, на Российском рынке наблюдается активное развитие видеосистем безопасности. Современные видеосистемы могут содержать до сотни видеокамер и выполнять множество задач по обеспечению безопасности и мониторингу. При этом зачастую возникает потребность одновременного использования системы видеонаблюдения и просмотра одних и тех же видеоизображений сразу несколькими операторами. Возникает необходимость обеспечить хранение и передачу видеоинформации внутри видеосистемы [1].

Обычные видеосистемы (рис. 1), основанные на аналоговых видеокамерах с матричными видеокоммутаторами, не обеспечивают выполнение вышеперечисленных требований. Поэтому реализация цифровой сетевой видеокамеры является актуальной задачей.

В процессе работы видеосистемы на основе цифровой сетевой видеокамеры изображение захватывается, затем сжимается в соответствии с определенным форматом и пересылается по локальной или глобальной сети (например, с использованием стека протоколов TCP/IP или с использованием специально разработанных протоколов).

Интеллектуальные сетевые цифровые видеокамеры на сегодняшний момент являются наиболее оптимальным решением для систем видеонаблюдения. Решение получается достаточно компактным и недорогим.

Рассмотрим более подробно внутреннюю структуру интеллектуальной сетевой видеокамеры, которая приведена на рис. 1.

В видеокамерах для систем видеонаблюдения в качестве датчика изображения обычно используют CMOS-сенсор. Качества итоговой картинки, которого позволяет добиться CMOS-сенсор, вполне достаточно для обычных систем видеонаблюдения, поэтому далее мы более подробно рассмотрим этот вариант, хотя стоит иметь в виду, что если нужно обеспечить более высокое качество итоговой картинки, то в качестве датчика видеоизображения следует применить ПЗС-матрицу. Данные сенсоры имеют максимальную производительность до 30 кадров в секунду в прогрессивном способе.

Рис. 1. Внутренняя структура цифровой сетевой видеокамеры

Каждый пиксель покрывается цветовым фильтром, который формирует так называемую Bayer-структуру. Коррелированная двойная выборка выполняется внутренними АЦП и таймерной схемой. В зависимости от освещенности места съемки, исходные данные усиливаются с соответствующим либо одинаковым коэффициентом для всех пикселей или каждые 4 пикселя Вауег-структуры получают свой коэффициент передачи. Эта процедура выполняется или встроенной схемой автоматического контроля экспозиции, или с помощью внешнего процессора через последовательную шину управления. После этого поток данных обрабатывается в модуле цветной интерполяции, в результате чего каждому пикселю соответствует набор RGB-значений.

Для коррекции и улучшения цвета сенсор имеет встроенную схему автоматического баланса белого. Пользователь может выполнять баланс белого с помощью внешнего процессора через последовательную шину управления. Насыщенность цвета может управляться путем программирования через последовательную шину, если пользователя не удовлетворяют настройки по умолчанию.

В завершающей стадии также можно выполнить гамма-коррекцию как дополнение к значениям по умолчанию. Выходной формат может быть 8/16-бит YCbCr, 24-бит, 16-бит RGB и 8-бит поток необработанных данных. Выходные данные поступают к цифровому сигнальному процессору или специализированной схеме сжатия или схеме обработки изображения.

При выборе процессорного ядра, на которое будет возложена задача формирования цифрового видео в формате M-JPEG и обеспечение последующей передачи видеоинформации по сети (кроме технических параметров, необходимых для реализации данных задач), необходимо учитывать итоговую стоимость полного решения (Bill Of Material). Вопрос стоимости разрабатываемой камеры является одним из основных, так как конкуренция среди производителей цифровых камер для систем видеонаблюдения достаточно серьезная.

Микропроцессорное ядро должно работать с RISC и DSP – технологией. Причем для этих технологий должны выполняться следующие параметры. Для RISC-микропроцессоров характерны: архитектура загрузка/хранение; регистровая ориентация; кэш инструкций и кэш данных; простые инструкции; блоки общего применения; высокая тактовая частота; выполнение задач общего применения. Для цифровых сигнальных процессоров характерны:специализированная архитектура; ориентация на работу с памятью; ОЗУ и буфер инструкций; сложные инструкции; специальные блоки; высокая частота выборки; специальные области применения.

Взяв за основу архитектуру RISC-процессор и "наложить" на эту архитектуру DSP-свойства, в результате получится структура, приведенная на рис. 2.

Причем микропроцессоры должны обладать следующими техническими особенностями:

1. тактовая частота от 128 МГц;

2. производительность: от 128 MIPS, 512 MOPS;

3. 1 k CFFT выполняется менее чем за 0,36 мс;

4. ток в режиме Power-Down <0,5 мА @ 2,5 В;

5. ток в режиме Sleep Mode <50 мкА;

6. SDRAM-интерфейс не требует согласующих элементов;

7. 16 Кб встроенной памяти SRAM;

8. размер кристалла 1,95x1,95 мм (0,25 мкм 4 ML CMOS).

Для работы цифровой видеокамеры в сети (TCP/IP как наиболее популярную) необходим внешний сетевой Ethernet-контроллер (MAC+PHY), который, взаимодействуя с центральным процессором, будет обеспечивать обмен информации с сетью.

Также необходимо предусмотреть оснащение камеры RS485-интерфейсом, так как этот интерфейс широко распространены в системах безопасности.

Построение сетевой видеокамеры на основе программного обеспечения HyNet32XS позволит исключить из схемы внешние компоненты Ethernet-контроллера и UART-микросхемы, так как эти функции выполняют соответствующие периферийные модули, а заявленная производительность позволяет говорить о возможности программной реализации MPEG4.

Рис. 2. Архитектура процессора для сетевой камеры

В этом общем случае структурная схема видеокамеры приобретает вид, показанный на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная внутренняя структура сетевой видеокамеры

Литература

1. Насонов Н.И. ПЛИС в высоконагруженных системах. М., 2007. 412 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3.037

В.В. Иванов, В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов

ПРОЦЕСС ПАЙКИ МИКРОСХЕМ

Приводятся результаты исследования влияния температуры пайки на оптимальное время пайки

Процессы лужения и пайки выполняют групповыми методами. В случае плат с электрорадиоэлементами и микросхемами, имеющими штырьковые выводы, используют пайку в потоке — волной припоя. Навесные элементы отделены от расплавленного припоя плоскостью печатной платы. Процесс пайки в потоке припоя основан на погружении в жидкий припой одновременно всех соединений, расположенных в плоскости вдоль линии, совпадающей с вершиной гребня волны. Длина гребня равна ширине платы. Плату перемещают в направлении, перпендикулярном длине гребня. Благодаря приподнятости гребня над поверхностью окислы и шлаки, плавающие па поверхности, скатываются с гребня и его вершина оказывается в значительной степени свободной от загрязнений. Смываются и вновь образуемые шлаки — продукты реакций флюса с окислами и атмосферой. Вторым важным эффектом при пайке в таких условиях является механическое усилие, с каким жидкий припой поступает в зазор формируемого паяного шва.

Температуру в ванне поддерживают на 50° С выше температуры ликвидуса припоя. Для того чтобы ванна обладала достаточным запасом тепла, масса припоя должна примерно в 20 раз превышать массу паяемой платы. Это позволяет пренебречь отводом тепла по плате.

Полное или частичное незаполнение паяльного зазора припоем (непропай), может наблюдаться в тех случаях, когда на плате размещены электрорадиоэлементы различной теплоемкости. В этом случае выводы массивных электрорадиоэлементов не достигают температуры пайки. Для снижения числа непропаев следует применять припои, близкие к эвтектике. Это позволяет исключить пастообразное состояние паяного шва, приводящее к замедленному схватыванию. Для определения времени и температуры качественного облуживания штырьковых выводов были проведены исследования. Исследовалось влияние температуры Т° С на время необходимое для облуживания τ, с. В результате расчетов, выполненных на основании проведенных экспериментов, получена математическая модель процесса

τ = 141,1875 - 0,955 · Т + 0,001625 ·Т ². (1)

Дифференцируя уравнение (1) имеем

dτ / dТ= - 0,955 + 0,00325 · Т. (2)

Решая уравнение (2), находим экстремальное значение температуры, равное 293,8° С. При этом значении время необходимое для облуживания составит 0,9 с. Однако верхнее значение температуры припоя в ванне должно быть ограничено, чтобы снизить загрязнения припоя в результате растворения меди: Для припоя ПОС-61 это значение составляет 265° С. С той же целью и для защиты электрорадиоэлементов и микросхем от перегрева ограничивается продолжительность контакта жидкого припоя с платой в пределах 2,2 ± 0,5 с в зависимости от температуры припоя.

Продолжительность пайки регулируется скоростью движения транспортера в пределах от 1 до 5 см/с. Такая скорость подачи плат обеспечивает производительность установки для пайки от 200 до 800 плат/ч в зависимости от размера плат, взятого в направлении движения транспортера.

При подходе к волне припоя плата должна иметь наклон 8 - 10°, чтобы припой стекал с поверхности, оставаясь на смоченном металле только в виде тонкого слоя. Сечение потока (форма и размеры) определяется соплом.

Формирование волны основано на принципе непрерывной циркуляции припоя в виде стоячей волны при помощи вращающихся поверхностей, погруженных в припой. Вращение осуществляется электродвигателем, вынесенным из зоны высоких температур. Ванна имеет нагреватели, наружную теплоизоляцию и терморегулятор.

Пайка двумя встречными струями позволяет снимать с паяных швов излишки припоя, что важно при малых промежутках между контактными площадками. При движении печатной платы с выводами, первая, основная струя, которая осуществляет пайку, направлена навстречу движению платы. Вторая, вспомогательная струя направлена по движению платы. Ее температура в зоне касания платы должна быть на 10^е С выше, чем первой, и она несколько ниже по высоте. Вторая струя предназначена для снятия сосулек и наплывов припоя и формирования правильной формы паяного шва. Расстояние между линиями касания платы обеими струями выбрано так, чтобы обеспечить касание второй струей сразу после кристаллизации паяного шва, полученного в зоне действия первой струи. Важно иметь возможность регулировать помимо расстояния между струями и температуры каждой струи наклон и высоту обеих струй.

Пайке в потоке расплавленного припоя присущи три основных недостатка: прилипание припоя к поверхности диэлектрика, отслаивание фольги под действием нагрева, окисление и изменение рецептуры припоя за время работы.

Припой может прилипать к поверхности диэлектрической основы печатной платы непосредственно или к предварительно прилипшему шлаку, увлеченному волной припоя. Припой прилипает в тех случаях, когда диэлектрик размягчается за время пайки. Это происходит при недополимеризованиой смоле, входящей в состав стеклотекстолита.

Главным средством борьбы с прилипанием припоя к диэлектрической основе являются маски. Маска представляет собой постоянный лаковый слой, наносимый на всю поверхность платы, кроме контактных площадок, подлежащих лужению и пайке. Она защищает от действия припоя не только диэлектрик, но и фольгу, не подвергаемую пайке.

Отслаивание фольги под действием высокой температуры в момент касания потока припоя происходит в тех случаях, когда используют недоброкачественный фольгированный материал, в котором не произошла полная полимеризация эпоксидной смолы, приклеивающей фольгу к диэлектрической основе. При 170° С и выше незаполимеризовавшаяся эпоксидная смола разлагается с выделением водорода {реакция дегидрогенизации). Водород воздействует на окись меди, которая нанесена на фольгу со стороны приклейки (для повышения адгезии). Образующаяся вода переходит в перегретый пар, вызывающий отслоение фольги. Поэтому заготовки из фольгировашюго стеклопластика целесообразно на одном из технологических этапов подвергать термообработке для полной полимеризации эпоксидной смолы. Рационально применять стеклопластик на полиимидпой основе.

Третий недостаток пайки в потоке состоит в окислении припоя и растворении меди в припое при лужении. Оба процесса приводят к нарушению состава припоя, к изменению температуры ликвидуса, отходу от эвтектики.

В результате длительного нагрева при перемешивании расплав интенсивно окисляется. Скорость окисления перемешиваемого припоя выше, чем в состоянии покоя. Олово обладает более высоким сродством к кислороду, чем свинец. Это приводит к восстановлению окисленного свинца:

В результате в оксидном слое преимущественно накапливается двуокись олова, а в ванне количество олова сокращается. Обеднение припоя оловом вызывает перемещение рабочей ординаты на диаграмме состояний влево от эвтектики. Здесь линия ликвидуса идет круче, чем справа от эвтектики, отклонения в составе припоя сильнее влияют на свойства сплава.

Чтобы устранить перемещение рабочей ординаты левее эвтектики, припой заранее обогащают оловом, вначале имея в ванне 70 % Sn - остальное РЬ и поддерживая содержание олова в пределах 60 — 70 %.

Эффективным средством снижения растворимости меди в припое при лужении является применение масок. Однако за месяц работы накопившаяся растворенная медь и другие примеси постепенно ухудшают паяемость припоя. Поэтому периодически необходимо проверять паяемость припоя по стандартной методике.

Попытки ослабить вредное действие кислорода воздуха с помощью защиты зеркала припоя слоем флюсующей органической жидкости влекут за собой больше отрицательных, чем положительных факторов. Толщина слоя защитной жидкости составляет 5- 10 мм. Ее наносят на зеркало после снятия окислов и шлака и меняют каждую смену. В качестве защитной жидкости применяют масло растительного происхождения с минимальным содержанием воды, глицерин дистиллированный или масло авиационное, стеариновую и олеиновую кислоты. Защитная жидкость ограничивает окисление со стороны поверхности раздела атмосфера — зеркало припоя. Она уменьшает поверхностное натяжение припоя, облегчая стенание с паяемых узлов. Это уменьшает вероятность образования сосулек и наплывов. Введение в состав защитной жидкости активной флюсующей добавки, например НСL, способствует раскислению поверхности припоя. В результате температуру пайки можно снизить на 10° С, снижается расход припоя, поверхность паяных швов приобретает блеск. Однако применение защитной жидкости связано с отрицательными особенностями. Возможен механический захват защитной жидкости и внедрение ее частиц в паяный шов. Сопротивление изоляции поверхности изоляционного основания платы может снижаться по следующим причинам. При защите зеркала припоя глицерином па поверхности диэлектрика образуется: трудно удаляемый белый налет из продуктов взаимодействия с недополимеризованными составляющими диэлектрика. Налет снижает сопротивление изоляции. При использовании растительного масла его плохо удаляемые остатки затрудняют нанесение защитного лака и служат питательной средой для плесени в тропических условиях эксплуатации, что, в конечном счете, приводит к снижению сопротивления изоляции. Кроме того, масло имеет ограниченный срок службы в ванне из-за термической деструкции.

По этим причинам следует отдать предпочтение пайке в потоке припоя без защитной жидкости, ограничиваясь механическим удалением слоя окислов с поверхности зеркала припоя и забором припоя с нижних слоев.

Для пайки в потоке припоя применяют агрегатированную конвейерную линию из агрегатов флюсования, подогрева, пайки, мойки и сушки, связанную одним транспортером. Агрегат флюсования работает со вспениванием путем продувания воздуха. Касаясь флюсуемой поверхности, пузырьки лопаются и смачивают поверхность пленкой требуемой минимальной (3—5 мкм) толщины. При других способах нанесения толщина пленки значительно больше. Малая толщина пленки позволяет сократить потери тепла на удаление флюса и излишнее парообразование токсичных веществ, входящих во флюс.

Для подогрева (как и для сушки) в современных агрегатах используют ИК облучение. Подогрев перед пайкой необходим для подсушки флюса, удаления захваченных газов и подготовки платы к тепловому удару при касании потока припоя. При этом значительно снижается вероятность образования сосулек и наплывов припоя. Эти дефекты могут возникать также из-за низкой температуры пайки и ее кратковременности, плохой растекаемости припоя, быстрого выхода из волны, малой активности флюса, нарушения рецептуры припоя в ванне.

Чтобы избежать коробления плат при термических нагрузках во время обработки в агрегате платы в транспортере должны быть закреплены в рамках-держателях по всему периметру, но так, чтобы не мешать движению потока припоя.

Критерием рентабельности машинной пайки является число паяных швов вывод — отверстие, требующих дополнительной ручной пайки из-за непропая. Машинная пайка считается вполне рентабельной, если необходимо дорабатывать 1 % всех паяных швов.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

С.К. Кузовлева

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

В последнее время системы безопасности все больше входят в нашу жизнь и постепенно становятся ее неотъемлемой составляющей. Современные системы охранной и пожарной сигнализации, контроля доступа, мониторинга и диспетчеризации достаточно сложны и в экстремальных ситуациях управляют всем инженерным оборудованием здания, обеспечивая сохранение жизни людей.

Поддерживать их в постоянной готовности - чрезвычайно важная задача. Трудности, связанные с достижением безотказности работы аппаратуры, являются поводом для недоверия к автоматическим системам сигнализации, которое заставляет нас вместо одного пожарного извещателя устанавливать два, вместо двух - три или даже четыре. На самом же деле главная причина - в нас самих: нас убедили в том, что идеальная надежность, понимаемая как безотказность аппаратуры, недостижима, поэтому слова "надежность" и "безотказность" подсознательно вызывают у нас чувство недоверия и обреченности.

Требования обеспечения быстрого восстановления, если их закрепить законодательно - в технических регламентах - будут стимулировать не только разработчиков аппаратуры, но и заставят проектировщиков располагать извещатели и основные узлы систем безопасности в доступных для ремонта местах, а эксплуатирующие организации - обеспечивать объект обученным персоналом и необходимым комплектом запасных частей. Это активный взгляд на надежность, учитывающий не только взаимодействие устройств между собой, но и взаимодействие человека и машины. Надежность не поддерживается щучьим велением или строчкой в паспорте о величине времени наработки на отказ. Надежность надо обеспечивать постоянно.

Таким образом, время восстановления системы безопасности является удобным критерием оценки надежности оборудования в процессе эксплуатации. Конечно, наиболее оптимальные решения мы получим, если будем использовать одновременно два критерия: вероятность отказа и время восстановления. Но при этом критерий "вероятность отказа" больше лежит в экономической плоскости и определяет то, как часто мы готовы оплачивать ремонты, а критерий "время восстановления системы" позволяет решить задачу кардинально, то есть создать систему с непрерывной работоспособностью, надежность которой при эксплуатации близка к идеальной.

На основе этих представлений были сформулированы два условия, выполнение которых позволяет создавать системы безопасности быстрого восстановления. Устройства в системе, и в первую очередь извещатели как первичные источники информации (они оказывают определяющее влияние на надежность системы) должны:

a) быть снабжены системой самодиагностики;

б) передавать сигнал, подтверждающий их исправность, на пульт дежурного оператора.

Современные системы безопасности - это высокотехнологичные программно-аппаратные комплексы, объединяющие в себе систему видеонаблюдения, охранно-пожарную сигнализацию, систему управления и контроля доступа, другое специализированное оборудование.

Оставаясь человеко-машинными системами, охранные системы позволяют снизить влияние пресловутого "человеческого фактора" и существенно повысить эффективность работы службы безопасности компании.

Комплексные (интегрированные) системы безопасности - это ступень, предшествующая созданию "интеллектуального" здания. Под ними понимается совокупность средств, обладающих технической, информационной и эксплуатационной совместимостью, которые связаны единой управляющей программой (системой сбора и обработки информации).

Обеспечение безопасности – это сложнейшая задача, требующая объединения усилий множества людей и привлечения колоссальных сил и средств. В современном мире, где всё взаимосвязано нет возможности обеспечить безопасность человека, предприятия, банка или правительственного учреждения без построения системы, включающей в себя человеческие ресурсы, технические средства и системы, а главное умение анализировать информацию о реальных угрозах и их последствиях. Профессионал в области безопасности обязан знать закономерности построения системы безопасности любого объекта, системы или человека.

Проблема интегрированных систем безопасности, принципы их построения последнее время широко обсуждается как на страницах различных изданий, так и в рамках многих мероприятий. Если вопрос о целесообразности построения интегрированных систем безопасности ясен, то в части признаков ИСБ, функций и задач, выполняемых ИСБ, ее структуры возникает много разногласий.

Интегрированная система безопасности - это совокупность функционально и информационно связанных друг с другом подсистем безопасности, работающих по единому алгоритму и имеющих общие каналы связи, программное обеспечение, базы данных.

Системы охранно-пожарной сигнализации – это комплекс технического оборудования для охраны территории от злоумышленников и защиты от пожара. Как правило, охранно-пожарные сигнализации включают в себя централизованную систему управления, сенсорные датчики и приемники, для сбора и обработки полученной с датчиков информации. Компания «Орион АйТи» поможет вам в решении проблем безопасности и установит системы охранно-пожарной сигнализации в квартире, коттедже, офисе, магазине или на предприятии. Полный перечень наших услуг по установке пожарно-охранной сигнализации включает в себя: 

-Разработка и проектирование охранно-пожарной сигнализации;

-Монтаж охранно-пожарной сигнализации;

-Гарантийное и постгарантийное обслуживание систем охранно-пожарной сигнализации.

Выделим основные, на наш взгляд, признаки ИСБ:

1. Единая система сбора, обработки и представления данных, мониторинга и управления всеми подсистемами.

2. Возможность задать требуемые сценарии действий любой сложности в ответ на различные события в системе.

3. Возможность интеграции любого оборудование и подсистемы независимо от типа оборудования, его производителя, места размещения, технических характеристик и общей топологии системы. Интеграция осуществляется за счет протоколов обмена, программ-драйверов, контроллеров.

4. Модульность и открытые интерфейсы. Система может быть легко расширена как за счет включения новых модулей, так и за счет интеграции системы с уже существующими компьютеризированными системами предприятия

5. Масштабируемость - отсутствие ограничений на масштаб охраняемого объекта и возможность подключения любого количества рабочих мест.

6. Многоуровневая (иерархическая) структура системы позволяет рационально распределить потоки информации между подразделениями предприятия и тем самым минимизировать объем передаваемых данных. Каждое подразделение получает только те сообщения, которые соответствуют служебным обязанностям и уровню ответственности. На высший уровень - ЦДП или руководитель предприятия, передаются только наиболее важные сообщения. Сообщения средней важности остаются на соответствующем уровне иерархии и не передаются на более высокий уровень. Тревожное сообщение может быть передано на следующий уровень системы только в том случае, если по истечении допустимого времени отсутствует реакция ответственного персонала.

Системы охраны помещений являются Техническими Средствами Охраны и включают в себя:

-датчики;

-приемно-контрольное оборудование;

-исполняющие устройства.

Датчики - чувствительные приборы, преобразующие контролируемый параметр в электрический сигнал. Особенность датчиков для систем охранной сигнализации состоит в том, что они реагируют, в основном, на неэлектрические составляющие. Измерение неэлектрических величин - очень сложная задача и при этом приборы должны обеспечивать высокую надежность и достоверность контроля, которые достигаются за счет применения новейших разработок в области обработки сигнала, а также сочетания двух и более различных физических принципов обнаружения в одном приборе. 

Контрольная панель - центральное устройство системы охранной сигнализации. Как правило, выполняются на базе микропроцессора, который и определяет все функции системы. Параметры программы задает пользователь, в зависимости от поставленной задачи и логики построения всей системы в целом.

По способу подключения датчиков к приемно-контрольным панелям охранные устройства подразделяются на:

-проводные (во время производства ремонтных работ; возможно дополнить системы датчиками утечки воды и газа);

-беспроводные.

В проводных системах связь между всеми устройствами системы осуществляется по кабелю.  

В беспроводных системах каждый датчик оснащается собственным передатчиком, а контрольная панель - многоканальным приемником. Беспроводные системы охранной сигнализации более удобны при монтаже и последующей эксплуатации. Они могут дополняться сервисными устройствами дистанционного управления и контроля. Исполняющие устройства - подключаются к центральному пульту управления с помощью проводной или беспроводной связи и представляют собой практически любые электротехнические приборы: акустические сирены, управление освещением, системы видео наблюдения, системы оповещения, системы управления доступом и пр. 

Исторически так сложилось, что сначала появились не системы пожарной сигнализации, а установки автоматического пожаротушения (УАПТ). Одной из первых была внедрена спринклерная система автоматического пожаротушения. Первый спринклерный ороситель был разработан в 1864 году Стюартом Гарисоном. Водосигнальный клапан, который запускал насос и систему оповещения о пожаре и так необходимый для этих систем был запатентован только в 1902 г.

Спринклерные установки автоматического пожаротушения хорошо защищают объекты, в которых предполагается развитие пожара с интенсивным тепловыделением. Но если рассмотреть требования к условному времени срабатывания спринклерных оросителей в ГОСТ Р 51043-97, то мы обнаружим, что оно должно быть не более 300 сек. Добавьте сюда инерционность установки (ГОСТ Р 50680-94) и мы получим до 480 сек. За это время происходит значительное расширение зоны пожара. Последующие спринклерные оросители, включаясь в процесс тушения, подают огнетушащее вещество на уже хорошо горящие предметы, конструкции и т.п. Оповещение людей о пожаре происходит одновременно с запуском насосов. Для принятия своевременных мер по оповещению и эвакуации людей сегодня на многих таких объектах параллельно используется система пожарной сигнализации, которая выполняет функцию раннего обнаружения.

Прежде всего, отметим те характеристики, которые постоянно упоминаются в различных компьютерных изданиях. Это:

-полностью 32-разрядная реализация;

-архитектура баз данных “клиент-сервер”

- поддержка многих аппаратных платформ и многопроцессорности.

Архитектура баз данных “клиент-сервер” увеличивает производительность за счет оптимизации работы с базами данных на SQL-сервере и снижения нагрузки на сеть.

Поддержка многих аппаратных платформ и многопроцессорности – обеспечивает хорошую масштабируемость, предоставляя возможность наращивать мощность аппаратного обеспечения.

Воронежский институт высоких технологий

УДК 621.3.037

М.А. Лисичкин, В.С. Скоробогатов, Ю.М. Данилов

ПАРАМЕТРЫ КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТОВ

ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ

Приводятся формулы для расчета параметров конструкции инструментов используемых для ультразвуковой микросварки

Крепление инструмента к волноводной системе, с точки зрения высоких акустических свойств колебательной системы, наилучшим способом следует считать паяное или сварное соединение (рис. 1, а). Однако при этом смена инструмента затруднена.

Рис. 1. Варианты крепления сварочных инструментов

Хорошо зарекомендовало себя крепление инструмента с помощью конуса (рис. 1, 6). Наибольшее распространение получило резьбовое крепление с боковым или торцевым прижатием (рис. 1, в и г) [1]. Для получения качественных соединений большое значение имеют форма и размер рабочей части инструмента. Распространенной конструкцией ультразвукового сварочного инструмента (сварочной иглы) является стержень с конической частью. Коническая часть иглы, с помощью которой осуществляется контакт с проволокой и передача давления на свариваемые элементы, имеет радиусы закругления (рис. 2, а). Размеры рабочего торца выбираются в зависимости от диаметра d_пр, мм, привариваемого проводника и рассчитываются по формулам. Диаметр торца d (или размер а) обычно составляет 3 ÷ 4 диаметра привариваемого проводника d_np. Это необходимо для уменьшения влияния погрешности размещения проводника под инструментом.

а = (7 +4 · d_пр – 0,01· d_пр²) ± 10. (1)

Рис. 2. Форма рабочей части инструмента для ультразвуковой сварки

Длина деформируемого при сварке участка проводника, определяемая размером b , мм, выбирается равной (2 ÷ 3) · d_пр.

b = (- 124 + 8,6 d_пр – 0,05· d_пр²) ± 10. (2)

Размеры с и r и радиус закругления R определяются по формулам (3, 4, 5):

c = (0.25 ÷0.3) · d_пр, (3)

r = (0,5 ÷ 0,6) · d_пр. (4)

R = 2 + 0,33 · d_np 0,0005 d_пр². (5)

Увеличение длины b до 4 · d_np способствует повышению прочности сварного соединения, однако это не всегда удается сделать из-за малых размеров контактных площадок микросхем. Повышению прочности соединения также способствует небольшой паз в центре рабочей части вдоль привариваемой проволоки (рис. 2, б). Этот паз ограничивает деформацию проводника, повышает эффективность передачи энергии в зону сварки. Однако необходимость тщательной центровки проволоки относительно паза (канавки) и нестабильность обрыва проволоки после второй сварки несколько сдерживает применение инструмента с продольным пазом.

На рис. 2, в показана конструкция рабочей части инструмента со слегка вогнутой поверхностью торца, которая позволяет получить качественные соединения при неплоских контактных площадках или расположенных под углом к торцу инструмента. Эта конструкция может также успешно применяться, если корпус прибора или подложка недостаточно устойчивы к ультразвуковым колебаниям, При сварке плоским инструментом происходит смещение проволочного вывода или чрезмерная деформация его.

Рабочая поверхность инструмента должна обеспечивать эффективную передачу ультразвуковых колебаний, что достигается хорошим сцеплением с привариваемым проводником. С этой целью на рабочей поверхности инструмента делают поперечную канавку (рис. 2, г). Во время деформирования проводника материал затекает в эту канавку, обеспечивая хорошее сцепление с инструментом. Недостаток инструмента с поперечной канавкой - уменьшение фактической площади сварного соединения, так как под канавкой соединение обычно не образуется.

В ряде случаев (сравнительно толстые проволочные выводы и большие размеры контактных площадок) целесообразно применять инструменты с поперечной и продольной канавками (рис. 2, д).

Наиболее эффективно и качественно происходит процесс ультразвуковой сварки при применении инструмента с крестообразным расположением канавок (рис. 2, е), особенно при сварке плоских выводов.

Хорошее сцепление инструмента с проводником обеспечивается при соответствующей обработке рабочей поверхности инструмента. Поверхность инструмента должна быть грубее поверхности, к которой присоединяется проводник, т.е. быть рельефной. Необходимый микрорельеф (микронасечки) можно получить электроэрозионным способом. Удовлетворительные результаты дает шлифованная поверхность, причем, если шлифовка производится в направлении, перпендикулярном направлению колебаний инструмента. Закругленная часть инструмента обязательно должна быть полированной.

Рассмотренные конструкции рабочей части инструмента предполагают ручную или механизированную подачу проводника под рабочую поверхность с помощью отдельного устройства с направляющей дюзой (капилляром). Наибольшее распространение при ультразвуковой микросварке круглых тонких проводников получил инструмент с боковым капиллярным отверстием (рис. 3).

О

Рис. 3. Инструмент для ультразвуковой микросварки

с боковым отверстием для подачи проволоки.

Вид А — второй вариант

тверстие служит для подачи привариваемой проволоки под рабочую часть инструмента. Обычно диаметр отверстия составляет (1,5 ÷ 2) · d_np. Расположение отверстия должно быть таким, чтобы проволока, с одной стороны, свободно проскальзывала под рабочей частью, когда ее подают вперед, а с другой — не изгибалась на острой кромке выходного отверстия при перемещении инструмента назад при создании проволочной перемычки.

Такая форма инструмента позволяет легко автоматизировать подач; и отрыв проволоки и исключить влияние оператора на точность совмещения проволоки с торцом инструмента. Параметры инструмента изображенного на рис. 3 определяются по формулам (6 ÷ 12):

а = 43,23 + 1,67 · d_np, (6)

б = 4 · d_np, (7)

с = 0,2 · d_np, (8)

д₀ = 16,67 +1,33 · d_np, (9)

е = 7 + 0,2 · d_np, (10)

R = d_np, (11)

r = - 6,75 + 0,47 · d_np. (12)

Длина инструмента рекомендуется: L = 15 ± 0,2 или L = 21 ± 0,2.

Правильный выбор профиля рабочей части во многом определяет надежность обрыва проволоки после создания перемычки. Большой радиус закругления режущей кромки (r >15 мкм) затрудняет отрыв проволоки, увеличивает длину деформированного участка проводника. Острая кромка (г ≤ 5 мкм) создает концентрацию напряжения в месте перехода от деформированного участка к недеформированному. Этого противоречия обычно избегают, применяя соответствующий наклон инструмента на 2—4° вперед при сварке первой точки, уменьшающий внедрение инструмента в районе режущей кромки. При сварке второго конца перемычки инструмент располагают перпендикулярно или наклоняют на 1—2° в обратную сторону, что обеспечивает прочное соединение и возможность легкого и четкого обрыва проволоки. Наиболее важно это при сварке алюминиевой проволоки, чувствительной к концентраторам напряжений.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

С.Д. Кретов, М.С. Терихова, Н.В. Ципина, А.В. Турецкий

РАЗРАБОТКА БлокА управления

холодильной камерой

Рассматриваются вопросы разработки конструкции блока управления холодильной камерой. Разрабатываемая конструкция блока управления позволяет значительно повысить технические и экономические характеристики таких камер. В том числе увеличить срок службы, повысить эффективность работы за счет поддержания температуры внутри холодильной камеры с высокой точностью

В нашей стране в настоящее время широко применяются холодильные камеры, управление которых осуществляется за счет использования датчиков температуры выполненных из биметаллических материалов. Такие камеры обладают низкой эффективностью, неудобны в обращении, имеют малый срок службы и т.д. Разрабатываемая конструкция блока управления позволяет значительно повысить технические и экономические характеристики таких камер. В том числе увеличить срок службы, повысить эффективность работы за счет поддержания температуры внутри холодильной камеры с высокой точностью [1].

Прибор имеет следующие функциональные возможности: контроль и измерение температуры испарителя, измерение температуры внутри холодильной камеры, измерение напряжения в сети, автоматическая блокировка силовых цепей при увеличении этого напряжения выше предельно допустимого значения. Оттаиватель включается периодически с регулируемым интервалом 0,5 до 10 часов, причем его включение производится только после того, как отключился компрессор, и началось увеличение температуры испарителя. Это облегчает режим работы холодильной камеры и ведет к значительной экономии электроэнергии, особенно при большой мощности нагревательного элемента. Оттаиватель выключается при достижении определенной температуры испарителя. Включение электродвигателя компрессора после этого произойдет не ранее чем через несколько минут. В случае чрезмерного повышения температуры испарителя, например, при открытой в течение длительного времени двери или по другим причинам, осуществится аварийное отключение всех силовых цепей прибора с включением соответствующего индикатора. К дополнительным сервисным функциям прибора, как уже отмечалось, относится возможность непрерывного измерения температуры в холодильной камере с отображением ее на цифровом индикаторе, а также при нажатии и удержании соответствующих кнопок. При этом происходит поочередное отображение температуры испарителя, напряжения в сети, установленного значения верхнего порога напряжения до срабатывания защиты. Верхний температурный порог до отключения нагревателя, а также порог срабатывания аварийной защиты задаются при настройке прибора и на индикацию не выводятся.

Напряжения, линейно-зависящие от температуры в холодильной камере и на испарителе, снимаются с термодатчиков DA1 и DA2 (рис. 1). Базовое для этих датчиков напряжение равно 2,73 В формируется микросхемой регулируемого стабилизатора напряжения DA3. Это напряжение необходимо для сдвига сигнала датчика на указанную величину и правильной работы измерителя температуры. Далее напряжение с DA2 поступает на входы ОУ DA6.1 – DA6.4, включенных в режиме компараторов. Опорные напряжения для задания порога их переключения формируются резисторами R6 – R8, R11, R12, R21, R24, R25. На основе сигналов с этих компараторов вырабатываются сигналы для управления компрессором охладителя и нагревательным элементом оттаивателя. Компараторы DA6.1 и DA6.2 определяют, соответственно, температуру выключения и включения электродвигателя компрессора. При указанных на схеме номиналах резисторов разница между этими температурами составляет около 3 ºС. С помощью сигнала с компаратора DA6.3 реализуется режим задержки включения нагревательного элемента (после выключения компрессора) до того момента, пока температура на испарителе не начнет повышаться. Порог срабатывания компаратора DA6.4 определяет верхний предел температуры испарителя, когда нагревательный элемент должен выключиться. Генератор на элементах DD1.1, DD1.2, R1, R2, С1 является задающим для циклического включения выключения оттаивателя. Сигнал с этого генератора поступает на вход цепочки счетчиков DD2.1 и DD3. Цепь сброса на элементах С2, R3 служит для установки счетчика DD3 в начальное состояние. Далее сигнал через логические элементы DD1.3 и DD1.4 поступает на вход сброса счетчика DD5, определяющего время задержки до включения компрессора после выключения оттаивателя. Импульсы для этого счетчика формируются генератором на логических элементах DD4.1, DD4.2

Узел защиты от перенапряжения в сети и аварийного превышения температуры испарителя собран на ОУ DA7.1 – DA7.3, включенных также в режиме компараторов. Напряжение, используемое для контроля и измерения напряжения в сети, снимается с отдельной обмотки трансформатора питания Т1. Через выпрямительный мост VD10 напряжение, сглаженное конденсатором С12 через резистивный двигатель R31, R32 поступает на входы компараторов DA7.1 и DA7.2. Напряжения переключения последних, а значит и пороги срабатывания защиты, задаются резисторами R33, R35, R36. На компараторе DA7.3 реализована защита от критического превышения температуры испарителя при внештатных ситуациях. Электронные ключи DD9, DD11 служат для коммутации напряжений, поступающих с термодатчиков DA1 и DA2, либо с цепей измерения сетевого напряжения на вход микросхемы цифрового измерителя DD12. Управление этими ключами осуществляется с помощью триггера DD8.1 и логических элементов DD10.1 и DD10.3.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная БУ

При начальном включении, когда температура испарителя выше значения, заданного резистором R7 на прямом выходе триггера DD6.1 присутствует сигнал лог.1, триггер DD7.2 при этом также находится в единичном состоянии, благодаря этому сигнал включения компрессора беспрепятственно проходит на базу транзистора VT4. В результате срабатывает реле К2 и включается светодиод HL4, индуцирующий работу электродвигателя компрессора. В это же время начинается отчет времени таймера на счетчике DD3 до срабатывания оттаивателя. Когда температура на испарителе достигает порога срабатывания компаратора DA6.1 происходит переключение триггера DD6.2, компрессор отключается.

Конструкция БУ (РТМС.468362.001 СБ) состоит из основания, крышки, и панели передней все перечисленные детали конструкции выполнены из ударопрочного полистирола марки УПМ-03Л ОСТ-б-05-406-80, методом литья под давлением. В составные части БУ входят платы.

Рис. 2. Сборочный чертеж блока управления холодильной камерой

Крепление основания к крышке, платы к основанию осуществляется за счет отлитых при изготовлении крепежных элементов, выполненных по всему периметру. Это делает конструкцию более практичной и технологичной, так как не требует дополнительных элементов крепления.

В основании имеются отверстия, которые обеспечивают доступ к разъемам, с помощью которых БУ подключается к промышленной питающей сети и блоку датчиков. Все типы разъемов выбраны так, чтобы подключение БУ к внешним устройствам осуществлялось стандартными кабелями. Для установки БУ на горизонтальную поверхность на основании закреплены четыре втулки, выполненных из эластичного мягкого материала.

К конструктивным особенностям (печатной платы) ПП БУ можно отнести электрорадиоэлементы (ЭРЭ), которые размещаются на двух двухсторонних ПП. Это позволяет повысить надежность устройства и облегчает сборку и регулировку, одновременно уменьшив габариты устройства.

Литература

1. Сухомлин В.А. Проектирование автоматов для холодильных устройств. М.: Радио и связь, 1993. 115 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 519

Е.А. Гребенников, А.В. Башкиров, В.В. Цветков, М.Ю. Чепелев

Согласование емкостных датчиков с эвм

в интегрированных системах безопасности

Рассматривается вариант применения преобразователей емкость-код на основе сигма-дельта модулятора в интегрированных системах безопасности, использующих в своем составе емкостные датчики

Большинство современных охраны систем, применяемых как в государственных учреждениях, так и в коммерческих организациях, в качестве базовых модулей используют ЭВМ. Они используются и в качестве концентраторов, объединяющих всю поступающую информацию, и в качестве средства визуализации информации. Кроме того, подавляющее число применяемых в настоящее время охранных систем используют в своём составе различного рода датчики, немалую долю среди которых занимают датчики емкостного типа. Емкостные датчики изменяют свою ёмкость в ответ на изменение какой-либо физической величины. Таким образом, при разработке подобного рода систем всегда остается актуальной задача организации оптимального взаимодействия подобного рода датчиков и компьютеров.

Одной из задач, решаемых при организации передачи сигналов от датчиков емкостного типа, является необходимость предусмотреть сначала преобразование емкости в напряжение, а затем преобразование этого напряжения в цифровой сигнал с помощью прецизионного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Не смотря на то, что емкостные датчики часто применяются в различных устройствах, существует много вариантов их подключения, сопряженных с определенными проблемами с точки зрения схем формирования сигнала. Однако в [1, 2] предлагается следующий подход: преобразование емкости в код с помощью сигма-дельта модулятора, который обычно является частью прецизионного АЦП. Сигма-дельта модулятор может работать в качестве средства прямого преобразования емкости в цифровой код.

Наиболее распространенный метод измерения емкости прецизионного датчика с малой величиной емкости заключается в применении зарядового усилителя, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения (рис. 1) [3].

В подавляющем большинстве методов емкость сначала преобразуется в напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код при помощи прецизионного АЦП. В большинстве систем необходимо преобразование сигнала в цифровую форму. Имеется одно существенное преимущество представления сигнала в цифровой форме, даже если, в конце концов, нам требуется аналоговый сигнал в виде напряжения или тока в петле 4–20 мА.

Рис. 1. Метод измерения емкости, основанный на применении

зарядового усилителя

Очень важный аспект при проектировании схем с прецизионными емкостными датчиками – это способ подключения датчика к схеме. Часто бывает, что разрабатываемое устройство должно иметь весьма ограниченные размеры, и схема обработки сигнала должна быть достаточно компактной для удовлетворения этим требованиям.

Иногда необходимо, чтобы датчик был подключен к устройству достаточно длинным кабелем. Помехи, действующие на этот кабель, могут существенно исказить сигнал с датчика, емкость которого зачастую составляет единицы пикофарад. Более того, если расстояние от датчика до устройства обработки сигнала слишком велико, то методы измерений, чувствительные к емкости соединительного кабеля или к токам утечки, могут оказаться совершенно неприемлемыми.

Хорошо разработанная технология сигма-дельта преобразования уже многие годы применяется в АЦП с высокой разрешающей способностью [1, 2]. На рис. 2 упрощенно показана архитектура стандартного промышленного сигма-дельта АЦП.

Конденсаторы C_IN и C_REF периодически переключаются между входом сигнала и источником опорного напряжения V_IN и V_REF, и они «накачивают» заряд интегратора C_INT. Компаратор контролирует уровень сигнала на выходе интегратора и управляет фазой переключения входного ключа, замыкая петлю обратной связи и таким образом компенсируя заряды, протекающие через сигнальную (V_IN) и опорную (V_REF) цепи. Однобитный поток нулей и единиц, показанный на рис. 2 на выходе компаратора, меняется в соответствии с величиной заряда, необходимого для балансировки цепи.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема сигма-дельта АЦП

Этот заряд пропорционален напряжению и емкости. Так как емкость конденсатора в АЦП имеет фиксированную величину, плотность единиц в однобитовом потоке соответствует соотношению напряжений на сигнальном входе (V_IN) и на входе опорного напряжения (V_REF). Затем цифровой фильтр обрабатывает этот однобитный поток данных и формирует результат преобразования в цифровом виде.

Такая архитектура по своей сути является достаточно эффективной с точки зрения линейности и точности, однако особенностью данной архитектуры является балансирование между разрешающей способностью и быстродействием (частотой обновления данных на выходе). Если цифровой фильтр накапливает больше однобитных данных, это требует больше времени для обработки, но обеспечивает в результате больше разрядов «без дрожания». Разрешающая способность ограничена только шумом системы. Частота обновления данных на выходе ограничена максимальной тактовой частотой, которая соответствует скорости срабатывания электронных ключей, полосе частот интегратора и быстродействию компаратора.

В обычном сигма-дельта АЦП происходит переключение конденсаторов фиксированной величины и за счет этого достигается уравнивание заряда между меняющимся сигналом на аналоговом входе и постоянным сигналом источника опорного напряжения. Но если заряд пропорционален напряжению и емкости, то возникает возможность зафиксировать входное напряжение и вместо этого менять емкость. Модифицированная схема сигма-дельта модулятора показана на рис. 3.

Рис. 3. Сигма-дельта АЦП в качестве прямого измерителя емкости

Фиксированное входное напряжение можно рассматривать как напряжение возбуждения. Конденсатор, емкость которого меняется, можно рассматривать как емкостный датчик. В результате выходной код будет соответствовать соотношению емкости датчика и опорной емкости C_REF.

Этот подход позволяет осуществить прямое подключение емкостного датчика к сигма-дельта преобразователю, что само по себе обеспечивает такие преимущества, как высокая разрешающая способность, точность и линейность. Кроме того, имеются и другие особенности использования описанной схемы в реальной системе.

Такой интерфейс не чувствителен к величине емкости между выводами датчика и «землей» или к току утечки на «землю», если эти величины находятся в пределах, характерных для реальных конструкций. Преобразователь емкости в цифровой код может быть воплощен полностью в виде однокристального устройства, что в результате обеспечивает высокую степень интеграции, простоту реализации схемы, высокую повторяемость, высокую надежность, и – последнее по порядку, но не по значимости – значительное снижение себестоимости проекта.

Литература

1. Брихта М., Власенко А. Компоненты и технологии. Москва, 2006. № 1. С. 32.

2. http://www.compitech.ru/

3. http://www.rtcs.ru

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

О.Н. Чирков, В.В. Сумин, Д.А. Корчагин, А.В. Муратов

Технология расширения спектра методом

прямой последовательности

Статья об увеличении шумовой стабильности информации происходящей посредством расширения спектра методом прямой последовательности

На сегодняшний день актуальной задачей остается повышение помехоустойчивости передаваемые данных. Расширение спектра (Spread Spectrum, SS) позволяет значительно повысить помехоутойчивость передачи информации.

При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений. Любой сигнал можно представить в виде дискретного или непрерывного набора гармоник - преобразования Фурье, а сами частоты гармонических сигналов образуют спектральное разложение функции.

К примеру, при передаче прямоугольного импульса длительностью Т спектр сигнала описывается функцией , где f —частота спектральной составляющей. Несмотря на бесконечный спектр сигнала, наиболее весомые гармоники, то есть вносящие значительный вклад в результирующий сигнал, сосредоточены в небольшой частотной области, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса. Таким образом, с хорошей степенью точности исходный сигнал можно представить как суперпозицию гармоник в спектральной полосе, ширина которой равна длительности импульса Т. Соответственно, чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Для того чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях шума, можно воспользоваться методом, переходя к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит "встраивают" определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов.

Фактически информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов - чипов. В результате спектр сигнала значительно уширяется, так как ширину спектра можно с хорошей степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума. Кодовые последовательности чипов обладают свойством автокорреляции. Можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определенный временной интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени.

То есть функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на себя для всех остальных моментов времени.

Рис. 1. Изменение спектра сигнала при добавлении шумоподобного кода

Одна из таких последовательностей - код Баркера длиной в 11 чипов: 11100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются соответственно прямая и инверсная последовательности. Для упрощенного вычисления автокорреляционной функции последовательности Баркера можно рассчитать разницу между числом совпадений и несовпадений между отдельными чипами последовательности при их циклическом почиповом сдвиге относительно друг друга.

В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой Полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приемника.

Важным параметром системы, использующей шумоподобные сигналы [3], является выигрыш при обработке (processing gain). Выигрыш при обработке (ВО) показывает степень улучшения отношения сигнал/шум при преобразовании полученного приемником шумоподобного сигнала в требуемый информационный сигнал. Эта процедура получила название сжатия или дераспределения (despreading). Согласно определению, ВО равен:

где С_к – частота следования чипов псевдослучайной последовательности, чип/секунду;

С_и – скорость передачи информации, бит/секунду.

По этому определению система, которая имеет скорость передачи информации 1 Мбит/секунду и частоту следования чипов 11 Мчип/секунду (это означает, что каждый бит информации кодируется псевдослучайной последовательностью из 11 битов), будет иметь ВО, равный 10,41 дБ. Этот результат означает, что работоспособность системы передачи информации сохранится с тем же коэффициентом BER, если полезный сигнал на входе уменьшится на 10,41 дБ.

В обычных коммерческих шумоподобных радиомодемах наибольшее значение зачастую уделяется скорости передачи информации, а не скрытности или помехоустойчивости. Поскольку инструкциями федеральной комиссии по связи в США (FCC) для таких устройств предусмотрено минимальное значение ВО 10 дБ, а также выделена минимально допустимая ширина полосы частот одного канала (что накладывает ограничения на максимальную частоту следования чипов С_к), то длина псевдослучайной кодовой последовательности должна быть не менее 11 чипов на бит. Если, увеличить длину кодовой последовательности до 64 чипов на бит, то при той же частоте следования чипов 11 Мчип/секунду, выигрыш при обработке будет 10Lg (64) = 18,06 дБ, скорость передачи информации при этом уменьшится в 64/11 = 5,8 раза.

Чтобы быть использованными в шумоподобной системе, кодовые последовательности должны обладать определенными математическими и другими свойствами, основными из которых являются очень хорошие автокорреляционные и взаимокорреляционные свойства. Кроме того, кодовая последовательность должна быть хорошо сбалансирована, то есть число единиц и нулей в ней должно отличаться не более чем на один символ. Последнее требование важно для исключения постоянной составляющей информационного сигнала.

DSSS приемник сравнивает полученную кодовую последовательность с точной ее копией, хранящейся в памяти. Когда он обнаруживает корреляцию между ними, то переходит в режим приема информации, устанавливает синхронизацию и начинает операцию декодирования полезной информации. Любые частичные корреляции могут привести к ложному срабатыванию и нарушению работы приемника, вот почему кодовая последовательность должна обладать хорошими корреляционными свойствами. Рассмотрим понятие корреляции более подробно.

Литература

1. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. радио, 1978. 296 с.

2. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. М.: Ридио и связь, 1986. 264 с.

3. John Fakatselis, Madjid A.Belkerdid, Processing Gain for Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems and PRISM Application Note 9633, Harris Semiconductor, August 1996.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.396

А.С. Самодуров

Конвертер спутникового телевидения

Представлена конструкция полнодиапазонного - 10.7...12.6 ГГц конвертора спутникового телевидения с электронным переключением поляризации и оригинальным расположением зондов V и Н поляризации. Отражены основные тенденнции развития современных конверторов

Конверторы СТВ - это устройства, предназначенные для преобразования принятого сигнала спутникового телевидения, в виде переноса спектра этого сигнала из высокочастотного диапазона в радиочастотный.

Если обратиться к истории развития конверторов, можно выделить следующие основные этапы развития: параметрические усилители, использующие для усиления высокочастотную накачку; системы на туннельных диодах; транзисторные усилители.

Сегодня наиболее широко используется третий тип систем. Транзисторные конверторы сочетают в себе дешевизну и хорошие технические характеристики. Еще 10 лет назад можно было наблюдать появление конвертеров с коэффициентом шума 2...2.5 дБ. Сегодня же производство конверторов с Кш = 0.5 дБ является обычным для ведущих фирм.

В начале развития спутникового ТВ все конверторы строились по классической схеме (рис. 1).

1. МШУ - малошумящий усилитель на GaAs-транзисторах. Как правило, имел 3 - 4 каскада.

2. ППФ или ФВЧ - полосно-пропускающий фильтр или фильтр верхних частот - служит для ослабления шумов зеркального канала и для уменьшения паразитного излучения F-гетеродина.

3. См. - смеситель, служит для преобразования сигнала из основной принимаемой частоты в промежуточную частоту, принятую в спутниковом ТВ: 0.9...2.0 ГГц.

4. Гет. - гетеродин, входит в состав преобразователя частоты, выполнен на GaAs-транзисторе со стабилизацией частоты диэлектрическим резонатором.

5. УПЧ - усилитель промежуточной частоты, служит для усиления сигнала ПЧ и обеспечивает необходимый уровень сигнала для передачи его по кабелю до тюнера.

Рис. 1. Классическая схема построения конвертеров

В конце 80-х годов большинство конверторов были однодиапазонными и использовались совместно с ферритовыми (или электромагнитными) и электромеханическими поляризаторами. Между разработчиками шла гонка в основном за снижение Кш. Двух и трехдиапазонные конверторы являлись очень большой редкостью. Их Кш в разных диапазонах сильно различался. А фирм-производителей было меньше, чем пальцев на руке.

В то время, когда заокеанские фирмы работали над созданием фундаментальных конверторов с высокостабильными параметрами, в Европе в связи с запуском первого и последующих спутников ASTRA назрела необходимость массового производства недорогих конверторов. Спутник ASTRA вещал по 16, а затем и большему количеству программ в каждой поляризации, что привело в итоге к появлению конверторов с переключаемой поляризацией.

Переход рубежа в 1.0 дБ для Кш был очень длительным и болезненным, и потребовалось более 3 лет ожидания, прежде чем на рынке появились конверторы, которыми мы пользуемся сегодня. Одной из фирм, преодолевшей этот рубеж, является CAMBRIDGE, которая разработала конвертор с объемными зондами (V и Н поляризацией) с электронным переключением 13/18 B, а затем на его основе и полнодиапазонный (Full Band) конвертор. В отличие от предшествующих полнодиапазонных конверторов, этот имеет общий ППФ на оба диапазона 10.7...12.6 ГГц, в нем переключаются только гетеродины (Low и High), что существенно упрощает схемные решения и уменьшает габариты конвертора (рис. 2).

У фирмы CAMBRIDGE оригинальным техническим решением можно считать соосное расположение зондов V и H поляризации в волноводе конвертора - большинство фирм располагает их под углом 90° друг к другу. Но, к сожалению, в данной конструкции при техническом упрощении сборки конвертора один зонд затеняется другим, в связи с чем Кш V и Н поляризаций неодинаков.

Рис. 2. Конвертер с внутренним переключением поляризации

Конвертер такого типа и предлагается к использованию в настоящей статье, но зонды расположенны не соосно, а под углом 90° друг к другу, рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема конвертера СТВ

Конвертер СТВ состоит из входного волновода с погруженными в него зондами (на электрической схеме не показаны), СВЧ усилителя, выполненного на транзисторах VT1-VT3, полосового фильтра с использованием полосковых линий L9-L18, гетеродина на частоту 10,0 ГГц на транзисторе VT4 со стабилизацией частоты, балансного смесителя на диодной сборке VD2, усилителя промежуточной частоты на микросхемах DA2 и DA3, стабилизатора напряжения на микросхеме DA4. В него входит также устройство на микросхеме DA1, выполняющее функции преобразователя напряжения +5 В в -2, переключателя поляризации токов полевых транзисторов VT1-VT3. Входной сигнал, сфокусированный параболическим зеркалом, поступает в облучатель и от него в круглый волновод диаметром 19 мм. Связь полосковых линий затворов транзисторов VT1 и VT2 с волноводом осуществляется с помощью погруженных зондов. Переключение поляризации в конвертере осуществляется напряжением питания 13/18 В, поступающим по кабелю на выходной разъем XW1. Напряжение питания через делитель на резисторах R9-R11 подается на вход компаратора микросхемы DA1. При напряжении питания 13 В микросхема DA1 включает транзистор VT1 и на его стоке появляется напряжение +1,5 В. Транзистор VT2 в это же время закрыт отрицательным напряжением -2 В, поступающим на его затвор, и, кроме того, напряжение со стока этого транзистора снято.

При переключении напряжения питания на +18 В транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 включается в нормальный режим работы. Это позволяет электронным способом менять вид поляризации принимаемого сигнала.

Суммирование сигналов с транзисторов VT1 и VT2 осуществляется с помощью моста на полосковых линиях L5, L6. Суммарный сигнал поступает на затвор транзистора VT3-второго усилительного каскада. Суммарный коэффициент усиления СВЧ усилителя составляет 24 дБ при коэффициенте шума порядка 0,5 дБ.

Для достижения лучших значений коэффициента шума необходима точная настройка режима работы транзисторов и согласования их входов и выходов. Реально же удается получить коэффициент шума, отличный от паспортного на 0,1 дБ поэтому в характеристиках приводят максимальное значение Кш на частоте 12 ГГц -0,6 дБ.

Усиленный СВЧ сигнал со стока транзистора VT3 поступает на вход полосового фильтра L9-L18, выполненного на полосовых встречно-штыревых резонаторах и имеющего полосу пропускания 10,8…12,0 ГГц при неравномерности АЧХ 3дБ.

С выхода фильтра сигнал СВЧ поступает на вход балансного смесителя, выполненного на диодной сборке VD2 СВЧ диодов с барьером Шоттки и полосовом мосте. На другой вход балансного смесителя поступает сигнал с частотой 10 ГГц с выхода гетеродина на транзисторе VT4.

Гетеродин выполнен на полевом транзисторе по схеме с общим стоком, с открытым полуволновым резонатором, включенным в цепь затвор-исток транзистора, и стабилизирующим высокодобротным цилиндрическим резонатором ZQ1 из титанатно-бариевой керамики.

Потери преобразования сигнала составляют около 7 дБ. Сигнал промежуточной частоты F с выхода балансного смесителя через фильтр на элементах L19, C23, C24, R14 поступает на вход микросхемы DA2 предварительного усилителя ПЧ. Усилитель на микросхеме INA51063 имеет диапазон рабочих частот 100…2400 Мгц, при коэффициенте усиления 22 дБ. С выхода предварительного усилителя ПЧ сигнал поступает на вход оконечного усилителя ПЧ, выполненного на микросхеме DA3 и имеющего диапазон рабочих частот 100…3000 Мгц при коэффициенте усиления 23 дБ. Резистор R14, R15, R17 сопротивлением 10 Ом предотвращают самовозбуждение каскадно включенных усилителей, особенно при рассогласовании нагрузки, подключенной к разъему XW1.

Питание конвертера осуществляется от микросхемного стабилизатора DA4, обеспечивающего стабилизацию напряжения +5 В при токе до 150 мА.

Постепенно многие известные мировые лидеры в производстве спутникового оборудования, борясь за снижение себестоимости продукции, переместили свое производство в Азиатский район. Появилось большое количество предприятий по изготовлению конверторов на Тайване. Сначала это было очень болезненно, но сейчас можно сказать, что перемещение себя оправдало со всех сторон - опыт перенят очень успешно. Широко известны конверторы МТI и LASAT, которые зарекомендовали себя с лучшей стороны и имеют свои оригинальные технические решения.

От года к году тайваньские производители вносят новые решения в схемотехнику. Например - конвертор LASAT, в котором оригинальное решение таково: транзистор, работающий как смеситель и гетеродин одновременно. Физика работы этого элемента достаточно сложна, а ФВЧ конвертора претендует на авторское свидетельство (фильтр с повышенной крутизной характеристики). Таким образом, в конверторе стало еще на один узел меньше. Обратим внимание, что, количество дорогостоящих СВЧ транзисторов доведено до четырех.

В 1996 г. был разработан конвертор, известный под торговой маркой OXFORD, в котором впервые применена СВЧ микросхема, объединяющая в себе оба гетеродина, смеситель и усилитель ПУ. Можно сказать, что это является первым шагом к миниатюризации бытовых конверторов, когда весь конвертор будет выполнен в виде одного кристалла. Технически это возможно уже сегодня, останавливает финансовая сторона вопроса. Вторым интересным моментом является введение в конвертор OXFORD в промышленном масштабе тороидальных диэлектрических резонаторов.

Диэлектрические резонаторы на основе титаната кальция и алюмината лантана, имеющие отверстия вдоль оси резонатора, позволяют получить более чистый спектр сигнала гетеродина. А это важно при создании конверторов с низким фазовым шумом, что приводит к высокой стабильности частоты гетеродина - до 700 кГц, а в некоторых моделях конверторов, например CALIFORNIA AMPLIFIER, это значение доведено до 20...30 кГц. Все эти тонкости становятся важными, когда речь заходит о стандарте MPEG-2 и обычные конверторы "остаются не у дел".

Хотя мир конверторов очень многообразен, сегодня ситуация на рынке такова: происходит потеря части номенклатуры конверторов, хотя потребности остаются. Это приводит к резкой дифференциации цен простейших индивидуальных систем и систем, которые хотя и не являются профессиональными, но обладают очень высокими сервисными возможностями.

Направление дальнейшего развития конверторов, видимо, будет связано с различными вопросами, в том числе - стандартизации вещания. Вопрос остается сегодня открытым и является как политическим, так и чисто техническим, связанным с развитием технологии.

В настоящее время для приема спутникового телевидения в основном используют зарубежную электронную аппаратуру. К их числу относят и конвертеры. Наиболее популярным в последние годы стали конвертеры, у которых облучатель, поляризатор и высокочастотная головка объединены в виде единой конструкции. Такие объединенные конвертеры (часто их называют интегральными) получили название LNB – Low noise block (малошумящий блок). Часто используется в СНГ конвертер «Gardiner» производства США, а также несколько объединенных конвертеров, выпускаемых другими зарубежными фирмами.

Используемый для непосредственного приема диапазон КВ условно разбит на три поддиапазона: FSS(10,7…11,8 ГГц), DBS(11,8…12,5 ГГц) и Telecom по имени французских спутников(12,5…12,75 ГГц). Частотные свойства конвертера определяются типом установленного в нем гетеродина LOF – Local oscillator frequency (местный генератор частоты), При наличии гетеродина LOF-1 диапазон частот принимаемого сигнала ограничивается полосой 10,7…11,8 ГГц с первой промежуточной частотой, лежащей в полосе 0,95…2,05 ГГц. При наличии гетеродина LOF-2 имеется возможность приема сигнала в диапазоне частот 11,7…12,75 ГГц с разными полосами промежуточной частоты в зависимости от конкретного значения частоты гетеродина: 10,6 или 10,75 ГГц.

Литература

1. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др.. Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982. 328 с.

2. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell`s equations for six-component fields / Electronics and Communication, 1977. V. 31. PP. 116-120.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

О.Н. Чирков, В.В. Сумин, И.С. Астанин, А.В. Муратов

Точки доступа и маршрутизаторы

для беспроводных сетей Wi-Max

Статья об организации связей между пунктами доступа в беспроводных сетях Wi-Max

Технология Wi-Max позволяет предоставлять одновременно услуги телефонии, доступа в Интернет и передачи данных без использования кабельных линий. В отличие от традиционных технологий радиодоступа, Wi-Max работает и на отраженном сигнале, вне прямой видимости базовой станции, несмотря на городские застройки, деревья или погодные условия. Технологической основой WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) является новый протокол IEEE 802.16, который позволяет обеспечить одновременно широкополосный высокоскоростной доступ в Интернет и передачу данных, а также и услуги телефонии без использования кабельных линий. В отличие от других технологий радиодоступа, WiMax позволяет работать в условиях плотной городской застройки вне прямой видимости базовой станции [1,2].

У сети WiMax стандартный 48-ми битный MAC-адрес. Он используется при наведении каналов связи и построении таблиц роутинга и запланированных передач. Но для повседневной работы адрес неоправданно длинный. После установки связи с точкой доступа каждый клиент получает 16-ти битный идентификатор точки (Node ID). Он будет добавляться в каждый передаваемый пакет. Помимо этого в процессе установки связи вырабатывается еще 8-ми битный идентификатор связи (Link ID). Собственно процесс установки связи состоит из двух частей. На первом этапе клиент связывается с доступной точкой доступа и получает свой Node ID. Далее он осматривает окрестности и выясняет Node ID всех своих соседей. При необходимости передачи данных устанавливается временный канал связи – ему присваивается Link ID. После передачи одного или нескольких пакетов канал связи может быть разорван (для обычных TCPIP запросов) или сохранен на длительный срок, если транслируются потоковые данные.

Каждый пакет данных снабжается большим количеством служебных параметров – тип пакета, длина, наличие контрольной суммы, максимальная фрагментация, ключ шифрования, приоритет.

Для улучшения надежности связи в протоколе WiMax применяется технология заказа ширины канала и ожидаемого времени получения пакета. Эти параметры согласовываются между точкой доступа и клиентом применительно к каждому каналу данных. Для более эффективного использования радиоэфира MAC-уровень поддерживает согласование с физическим уровнем на уровне FDD/TDD (frame division duplex – двусторонняя передача по разным частотам, time division duplex – двусторонняя передача с разделением по времени). Если клиент не поддерживает FDD full duplex (одновременный прием и передача), то реальная скорость канала может упасть в 2 раза. Чтобы это компенсировать, в момент, когда полнодуплексная точка доступа получает пакет от одного клиента, она может передавать пакет для другого.

Для режима TDD каждый передаваемый пакет (фрейм) разбивается на 2 – входящие и исходящие данные. Длительность каждого куска устанавливается на MAC-уровне для максимально эффективного использования канала. В режиме Mesh поддерживается только TDD.

Для корректной работы TDD очень важно согласование момента окончания получения входящего пакета и начала передачи исходящего пакета. Обеспечивают синхронность работы станций встроенные часы. Для выставления точного времени используются сигналы GPS. Те клиенты, которые не смогли принять сигнал со спутника (или лишены блока GPS) могут получить данные от ближайшего соседа.

Выясним технологию TDD на примерах. Есть точка доступа и два клиентских терминала. Все согласования выполнены и начинается работа с TCPIP-пакетами. Первый фрейм: точка доступа передает пакет для терминала 1. Обратных данных нет. Второй фрейм: точка доступа передает пакет для терминала 2 и в этом же фрейме получает подтверждение приема данных из прошлого фрейма от терминала 1. Третий фрейм: теперь точка лоступа опять передает пакет для Т1 и получает уже от Т2 подтверждение. Таким образом, для передачи используем 3 фрейма.

В технологии Mesh не обязательно наличие прямой связи между каждой точкой доступа и ее подчиненными клиентскими терминалами. Существует логическая связь и для нее применяется технология распределенного планирования. Все клиентские терминалы, находящиеся в пределах прямой видимости от точки доступа становятся тоже своеобразными точкам доступа. Через них могут быть переданы пакеты для тех клиентских терминалов, с которыми точка доступа не имеет прямой связи. Данные могут передаваться в два уровня. Управление всеми возможными связями и путями передачи может быть централизованным и распределенным. В первом случае за всем следит ведущая точка доступа. Она выбирает путь передачи, устанавливает параметры каналов – пропускную способность и время ожидания.

Технология Mesh требует принятия нелегкого решения, чем пожертвовать при создании сети. Если строить сеть для доступа нескольких клиентов к Интернету, предоставляя внутрирайонный трафик в виде бонуса то можно использовать направленные антенны. Это увеличит дальность покрытия сети, скорость и надежность связи. Но Mesh работать не будет. Для сети нужны ненаправленные антенны. Такой вариант больше подходит для офиса, где преимущественно важен внутренний трафик. В этом случае точка доступа обеспечит сети выход в Интернет и порядок в эфире. Всего одна точка доступа на тысячу клиентов.

Для всего района покрытия точками доступа строит дерево роутинга. По нему дальше будут маршрутизироваться пакеты. Причем теперь точка доступа определяет, кто и когда будет передавать данные. То есть, исключена процедура RTS/CTS. При распределенном хранении дерево роутинга строится и уточняется всеми станциями в районе. В любом случае, внутри сети клиенты могут пересылать пакеты между собой, минуя точку доступа. Это очень удобно в корпоративной сети – при обмене данными между двумя компьютерами остальная сеть и точка доступа не нагружаются [3].

В сетях стандартов 802.11 и 802.16 используется шифрование DES (US Data Encryption Standard) или 3DES – тройное шифрование. Ключи шифрования периодически меняются. Причем каждый клиентский терминал всегда хранит два комплекта. Получают ключи терминалы тоже в зашифрованном виде. Для их шифрования используется публичный ключ, генерируемый клиентским терминалом в момент ее включения в сеть.

Теперь рассмотрим маршрутизаторы для беспроводной сети Wi-Fi. Wireless Fidelity - Высокочастотная беспроводная локальная сеть (WLAN). Технология Wi-Fi стремительно набирает популярность во многих компаниях как альтернатива сети, построенной при помощи кабелей и проводов. Технология Wi-Fi одна из самых перспективных на сегодняшний день в области беспроводной компьютерной связи. Для передачи данных Wi-Fi использует частоты 2,4 ГГц и 5 ГГц. Прямая и обратная совместимость стандартов позволяет устройствам разных стандартов успешно работать друг с другом. Связь обеспечивается в радиусе 80 - 300 м от стандартной точки доступа на открытой местности. При наличии более мощных антен или усилителей сигнала передача данных может осуществляться на расстояние до 20 км. Wi-Fi использует две технологии формирования широкополосного сигнала в частотной (FHSS) и временной (DSSS) областях. Различные стандарты при этом не обеспечивают полной совместимости. Выходом в данной ситуации могут стать комбинированные устройства. Стандарт Wi-Fi использует схему мультиплексирования OFDM, что позволило достичь пропускной способности 54 Mbps.

Точки доступа для беспроводных сетей стандарта 802.1x малых и средних офисов позволяют создавать высокопроизводительные, безопасные и надежные беспроводные сети для неограниченного доступа к ресурсам корпоративной сети и интернет в любое время и в любом месте.

Режим Access Point предназначен для беспроводного подключения к точке доступа портативных компьютеров, настольных ПК и PDA.

Режим AP Client или Wireless Client позволяет точке доступа стать беспроводным клиентом другой точки доступа. По существу, в данном режиме точка доступа выполняет функции беспроводного сетевого адаптера. Вы можете использовать данный режим для обмена данными между двумя точками доступа [4].

Обмен данными между беспроводной платой и точкой доступа в режиме Access Point Client / Wireless Client Mode невозможен.

Режим Point-to-Point / Wireless Bridge позволяет беспроводной точке обмениваться данными с другой точкой доступа, поддерживающей режим беспроводного моста point-to-point.

Repeater Mode - Функционируя в режиме беспроводного репитера, точка доступа расширяет диапазон действия беспроводной сети посредством повтора сигнала удаленной точки доступа. Для того чтобы точка доступа могла выполнять функции беспроводного расширителя радиуса действия другой точки доступа, в её конфигурации необходимо указать Ethernet MAC-адрес удаленной точки доступа.

WDS (Wireless Distribution System) - позволяет одновременно подключать беспроводных клиентов к точкам, работающим в режимах Bridge или Multipoint Bridge, но при этом уменьшается скорость работы.

Все точки доступа и беспроводные маршрутизаторы, продаваемые в настоящее время, легко конфигурируются через web-интерфейс.

Будет ли WiMax конкурировать с WiFi? Цели и задачи сходные. Пока не будет известна цена, сказать что-то очень тяжело. WiMax быстрее, удобнее (для провайдера), работает на более приличных дистанциях. Но WiFi-устройства уже пошли в народ. Их много, они проще и дешевле (и будут дешевле).

Сейчас начинают появляться как WiFi так и WiMax сети. Первые развертывают у себя рестораны, аэропорты и некоторые гостиницы. Для таких сетей не предъявляется особо серьезных требований к скорости и дальности, зато важна цена и доступность абонентского устройства.

Литература

1. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. 992 с.

2. Гадзиковский В.И. Теоретические основы цифровой обработки сигналов. М.: Радио и связь, 2004. 344 с.

3. Уэйкерли Ф. Проектирование цифровых устройств. Т. 1. М.: Постмаркет, 2002. 544 с.

4. Суворова Е.А. Проектирование цифровых систем на VHDL– СПб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2003. 576 с.: ил.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

О.Ю. Макаров, Д.И. Коробкин

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ

ИНФОРМАЦИИ КАК ОБЪЕКТОВ И СПОСОБОВ ОЦЕНКИ

ИХ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ

В статье проведен анализ существующих нормативных документов, связанных с показателями эффективности программных средств защиты информации. Также показано, что существующие нормативные документы в этой области устарели и требуют доработки в соответствии с существующими реалиями

Приведем иерархию задач защиты информации (ЗИ), решаемых программными системами защиты информации (ПСЗИ) как объектом управления в автоматизированной системе контроля (АСК), применительно к целевому назначению ПСЗИ – ЗИ от НСД (первый уровень); к отдельным источникам угроз и их действиям (второй уровень).

Введем следующие понятия для программных средств (ПС) [1]:

свойство ПС – отличительная особенность ПС, которая может проявляться при его создании, использовании, анализе или изменении;

качество ПС – совокупность свойств ПС, которые обусловливают его пригодность удовлетворять заданные или подразумеваемые потребности в соответствии с его назначением;

критерий оценки (качества ПС) – совокупность принятых в установленном порядке правил и условий, с помощью которых устанавливается приемлемость в целом качества ПС;

характеристика качества (ПС) – набор свойств ПС, посредством которых описывается и оценивается его качество;

подхарактеристика (качества ПС) – характеристика качества ПС, входящая в состав другой характеристики качества;

показатель качества (ПС) – характеристика качества ПС, обладающая количественным значением;

эффективность (ПС) – совокупность свойств ПС, характеризующая те аспекты его уровня пригодности, которые связаны с характером и временем использования ресурсов (других ПС, технических средств, материалов, услуг различных категорий персонала), необходимых при заданных условиях функционирования.

Способ оценки качества и эффективности ПС стандартизован [1] и состоит в задании иерархии характеристик и подхарактеристик качества, причем эффективность является одной из характеристик качества. Характеристики качества ПС и примеры подхарактеристик стандартизованы [1]. Качество и эффективность КПСЗ должны оцениваться указанным способом. Характеристики качества КПСЗ следующие:

функциональность КПСЗ – совокупность свойств КПСЗ, определяемая наличием и конкретными особенностями набора функций, способных удовлетворять заданные или подразумеваемые потребности (функций ЗИ от НСД);

надежность КПСЗ – совокупность свойств, характеризующая способность КПСЗ сохранять заданный уровень пригодности в заданных условиях в течение заданного интервала времени;

удобство использования КПСЗ – совокупность свойств КПСЗ, характеризующая усилия, необходимые для его использования, и индивидуальную оценку результатов его использования заданным или подразумеваемым кругом пользователей КПСЗ;

эффективность КПСЗ – совокупность свойств КПСЗ, характеризующая те аспекты его уровня пригодности, которые связаны с характером и временем использования ресурсов (других ПС, технических средств, материалов, услуг различных категорий персонала), необходимых при заданных условиях функционирования;

сопровождаемость КПСЗ – совокупность свойств КПСЗ, характеризующая усилия, которые необходимы для его модификации;

мобильность КПСЗ – совокупность свойств КПСЗ, характеризующая приспособленность для переноса из одной среды функционирования в другие.

Проведенный анализ существующего способа оценки качества и эффективности КПСЗ применительно к специфике организации управления процессами ЗИ в АСК показал, что существующие характеристики качества КПСЗ недостаточно адекватно отражают реальные свойства ПСЗИ как объектов управления в соответствии с задачами ЗИ, решаемыми ими в АСК. Необходимо ввести новый показатель эффективности «динамическая устойчивость ПСЗИ» – это свойство ПСЗИ выполнять свои основные функции по назначению(защитные функции) в определенный промежуток времени указанный в техническом описании на ПСЗИ при НСД злоумышленника. Введение этого показателя в структуру нового ГОСТа позволит реально оценить динамическую эффективность существующих и разрабатываемых ПСЗИ.

Литература

1. ГОСТ 28.806-90. Качество программных средств. Термины и определения.

2. Методы и средства автоматизированной оценки и анализа качества функционирования программных систем защиты информации: Монография / М.А. Багаев, А.С. Дубровин, И.И. Застрожнов, О.Ю. Макаров, Е.А. Рогозин, В.И. Сумин. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004. 181 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

О.Н. Чирков, А.А. Пирогов, А.В. Анохин, А.В. Муратов

Последовательности комплементарных кодов ССК

при кодировании сигнала в стандарте передачи

данных IEEE 802.11b Wi-Fi

Статья о вычислении комплементарных кодов при кодировании сигнала с быстродействующим беспроводным IEEE передачи данных в стандарте 802.11b Wi-Fi

В настоящей версии стандарта IEEE 802.11b используется несколько способов кодирования с использованием комплементарных кодов (Complementary Cade Keying, ССК). Их использование позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бита на символ при скорости 5,5 Мбит/с. При этом сами кодовые последовательности являются 8-чиповыми и при скорости передачи 11 Мбит/с кодирование 8 бит на символ соответствует символьной скорости 1,385 мегасимволов в секунду (11/8 = 1,385) [1,2].

Для двух ССК - последовательностей равной длины сумма их автокорреляционных функций для любого циклического сдвига, отличного от нуля, всегда равна нулю. Исходя из того, что автокорреляционная функция определяется как сумма попарных произведений последовательности при ее циклическом сдвиге, обозначим через a_i элементы первой последовательности, а через b_i - элементы второй. Тогда автокорреляционная функция для первой последовательности длиной n для циклического сдвига на j элементов запишется как:

Для второй последовательности автокорреляционная функция примет вид:

При этом две последовательности будут называться комплементарными, если

По аналогии можно определить комплементарные последовательности на множестве комплексных чисел или многофазовые последовательности Polyphase Codes, которые используются в стандарте IEEE 802.11b. Они содержат элементы с четырьмя различными фазами {1, -1, j, -j}. Такие последовательности используются для расширения спектра сигнала, являются 8-чиповыми и образуются по следующей формуле:

Значения фаз φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ определяются последовательностью входных битов, причем значение φ₁ выбирается по первому дибиту, φ₂ - по второму, φ₃ - по третьему и φ₄ - по четвертому. Таким образом, для однозначного определения СКК - последовательности требуется 8 бит входных данных. Фаза φ₁, а соответственно и член присутствуют во всех последовательностях. Фактически это означает сдвиг по фазе всех членов последовательности на один и тот же угол, то есть поворот вектора, задающего последовательность, или символа, определяемого последовательностью. По этой причине первый дибит данных - как для скорости передачи 5,5 Мбит/с, так и для скорости 11 Мбит/с - задает сдвиг целого символа по фазе по отношению к фазе предыдущего переданного символа [3].

С помощью описанных выше алгоритмов кодирования можно представить схему CCK-модулятора , представленную на рис. 1.

Как уже отмечалось, для задания CCK-последовательности используются только 6 бит данных (второй, третий и четвертый дибиты). Первый дибит определяет сдвиг по фазе всего символа и используется в относительной фазовой модуляции. Шесть бит данных могут иметь 64 различные комбинации (26 = 64). Поэтому говорят, что в протоколе IEEE 802.11b при кодировании каждого символа используется одна из 64 возможных восьмиразрядных CCK-последовательностей. Последовательности, формируемые в CCK-модуляторе, в дальнейшем поступают на I- и Q-каналы QPSK-модулятора.

Рис. 1. Функциональная схема CCK-модулятора

Рис. 2. Функциональная схема трактов приема/передачи стандарта IEEE 802.11а

Естественно, формирование/декодирование OFDM-символов происходит посредством быстрого преобразования Фурье (обратного/прямого, ОБПФ/БПФ). Функциональная схема трактов приема/передачи достаточно стандартна для данного метода и включает сверточный кодер, механизм перемежения/перераспределения (защита от пакетных ошибок) и процессор ОБПФ. Фурье-процессор, собственно, и формирует суммарный сигнал, после чего к символу добавляется защитный интервал, окончательно формируется OFDM-символ и посредством квадратурного модулятора/конвертера переносится в заданную частотную область. При приеме все происходит в обратном порядке. На рис. 2 приведена функциональная схема трактов приема/передачи стандарта IEEE 802.11а, а на рис. 3 зависимость скоростей передачи при разных стандартах.

Рис. 3. Зависимость скорости передачи от расстояния

для различных технологий передачи

Литература

1. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. радио, 1978. 296 с.

2. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. М.: Ридио и связь, 1986. 264 с.

3. Пролетарский А.В., Баскаков И.В. Беспроводные сети Wi-Fi. М.: БИНОМ, 2007. 315 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

Д.И. Коробкин

СОСТАВ ТИПОВОГО ОБЪЕКТА ИНФОРМАТИЗАЦИИ

И ВОЗМОЖНЫЕ КАНАЛЫ УТЕЧКИ ИНФОРМАЦИИ

В статье проанализирована структура и состав типового объекта информатизации и возможные каналы утечки информации

В качестве типового объекта информатизации выбираем вычислительную систему, которая может быть элементом вычислительной сети или большой АСУК. В этом случае, характерны следующие штатные (законные) каналы доступа к информации:

• 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.

На рис. 1 представлен типовой объект информатизации и потенциальные каналы НСД. На схеме показаны каналы утечки информации, обрабатываемой техническими средствами приема, обработки, хранения и передачи информации, непосредственно обрабатывающие конфиденциальную информацию, в число входят электронно-вычислительная техника, АТС, системы оперативно-командной и громкоговорящей связи, системы звукоусиления, звукового сопровождения и звукозаписи и т.д. Заметим, что необходимо рассматривать объект информатизации как систему, включающую основное оборудование, оконечные устройства, соединительные линии, распределительные и коммутационные устройства, системы электропитания и заземления. Кроме соединительных линий за пределы контролируемой зоны могут выходить провода и кабели непосредственно не входящие в состав объекта информатизации, но проходящие через помещения, где установлены технические средств, а также системы отопления и другие токопроводящие металлоконструкции.

Рис. 1. Состав типовой аппаратуры объекта информатизации

Согласно представленной схемы на рис. 1 приведем классификационный перечень возможных каналов утечки информации.

1. Электромагнитные каналы:

- электромагнитные излучения технических средств;

- электромагнитные излучения на чатотах работы ВЧ- генераторов.

2. Электрические каналы:

- наводки электромагнитных излучений;

- просачивание информационных сигналов в линии электропитания.

- просачивание информационных сигналов в цепи заземления;

- съем информации с использованием закладных устройств.

3. Каналы утечки речевой информации:

- акустические каналы;

- вибро-акустические;

- акустоэлектрические;

- оптико-элетронный (лазерный);

4. Технические каналы утечки видовой информации:

5. Несанкционированный доступ к информации, обрабатываемой средствами вычислительной техники:

- атаки на уровне систем управления базами данных;

- атаки на уровне операционной системы;

- атаки на уровне сетевого ПО;

- программные закладки.

Литература

1. Методы и средства автоматизированной оценки и анализа качества функционирования программных систем защиты информации: Монография / М.А. Багаев, А.С. Дубровин, И.И. Застрожнов, О.Ю. Макаров, Е.А. Рогозин, В.И. Сумин.  Воронеж: ВГТУ, 2004. - 181 с.

2. Защита от утечки информации по техническим каналам. Учебное пособие / Г.А. Бузов, С.В. Калинин, А.В. Кондратьев. М., 2005. 414 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

А.В. Анохин

СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ

И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Термин «система на кристалле» приобрел большую популярность. Изделия этого класса часто анонсируются и воспринимаются как новое направление в развитии электронной техники, призванное вытеснить «классические» СБИС [1].

Анализируя данные в технической литературе и описания различных изделий, называемых авторами «системами на кристалле», можно сформулировать следующее определение: система на кристалле — это СБИС, интегрирующая на кристалле различные функциональные блоки, которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре. Структура типовой СнК представлена на рисунке.

 

Структура типовой системы на кристалле

Система на кристалле может включать как цифровые, так и аналоговые блоки. Основным цифровым блоком обычно является процессор, выполняющий программную обработку цифровых данных. Специализированные блоки обработки обеспечивают аппаратное выполнение функций, специфических для данной системы. Это могут быть, например, блоки цифровой обработки сигналов (DSP), аналоговые схемы, преобразователи потоков данных и др. устройства. Различные типы модулей памяти (SRAM, DRAM, ROM, EEPROM, Flash) могут входить в состав СнК или подключаться к ней как внешние блоки. Таймеры, АЦП и ЦАП, широтно-импульсные модуляторы и другие цифровые устройства могут интегрироваться в состав СнК в качестве периферийных устройств. Интерфейс с внешними устройствами обеспечивается с помощью параллельных и последовательных портов, различных шинных и коммуникационных контроллеров и других интерфейсных блоков, в т.ч. аналоговых (усилителей, преобразователей). Состав блоков, интегрируемых в конкретной СнК, варьируется в зависимости от ее функционального назначения. Организация связей между блоками системы также может быть различной: возможно использование различных стандартизованных шин (типа AMBA [2]) или специализированных локальных интерфейсов.

Как видно из рисунка, структуру СнК составляют в основном те же функциональные блоки, которые входят в состав сложно-функциональных СБИС класса микроконтроллеров и микропроцессоров. Фактически современные СнК отличаются от микроконтроллеров только наличием специализированных блоков обработки данных. Выпуск микроконтроллеров (называвшихся прежде однокристальными микроЭВМ) начался в 1981 г. Таким образом, можно считать, что СнК без специализированных блоков обработки производятся и применяются уже более 27 лет.

В большинстве случаев СнК представляет собой цифровую СБИС, которая может также содержать ряд аналоговых блоков. Поэтому для проектирования СнК используются те же методы и средства, что и для СБИС. Эти средства реализованы в виде систем автоматизированного проектирования (САПР), поставляемых компаниями Cadance, Synopsis, Mentor Graphics и др. В качестве элементной базы эти САПР используют библиотеки функциональных элементов, в состав которых входят как простые логические вентили и триггеры, так и макроэлементы, выполняющие более сложные функции: регистры, счетчики, сумматоры, умножители, арифметико-логические устройства и т.д.

Повышение сложности проектируемых СБИС, жесткие требования к срокам их проектирования (сокращение времени выхода изделия на рынок) поставили перед разработчиками новые проблемы. В сложившихся условиях самостоятельное проектирование разработчиком СнК всех СФ-блоков, входящих в ее состав, не всегда целесообразно. Поэтому в последние годы широкое распространение получила практика разработки отдельных СФ-блоков для их последующего представления на рынок средств проектирования СнК. СФ-блоки, предназначенные для использования в разнообразных проектах, стали называть IP (Intellectual Property) модулями, тем самым подчеркивается, что эта продукция является предметом интеллектуальной собственности. СФ-блоки, используемые при проектировании СнК, имеют две основные формы представления:– в виде топологических фрагментов, которые могут быть непосредственно реализованы в физической структуре кристалла — аппаратно реализованные (hard) СФ-блоки;– в виде моделей на языке описания аппаратуры (Verilog, VHDL), которые средствами САПР могут быть преобразованы в топологические фрагменты для реализации на кристалле — синтезируемые (soft) СФ-блоки.

Таким образом, разработчик может либо непосредственно «вмонтировать» в структуру проектируемой СБИС топологически готовый СФ-блок, либо использовать имеющуюся модель СФ-блока и выполнить его схемотехническое и топологическое проектирование в составе реализуемой СБИС СнК. В процессе проектирования СнК разработчик имеет возможность выбора следующих решений: самостоятельная разработка необходимых СФ-блоков; покупка СФ-блоков у ведущих разработчиков и производителей микросхем; поиск и применение СФ-блоков, предоставляемых в открытом доступе (www.opensource и др. источники). Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Как уже отмечалось, самостоятельная разработка всех СФ-блоков может привести к увеличению сроков проектирования и задержке выпуска конечного изделия. Покупка СФ-блоков сопряжена с определенными финансовыми затратами, повышающими стоимость разработки. Применение СФ-блоков, имеющихся в свободном доступе, возможно только после их тщательной верификации, что требует обычно значительных временных затрат. При выполнении каждого проекта разработчик должен провести оценку поставленных требований и имеющихся ресурсов, чтобы выбрать оптимальный вариант реализации СнК.

Таким образом, основная особенность проектирования СнК — возможность использования достаточно широкой номенклатуры синтезируемых СФ-блоков, имеющихся на рынке и в свободном доступе, которые могут быть реализованы на базе различных функциональных библиотек и технологий и интегрированы в кристалл средствами современных САПР.

Современная микроэлектронная технология обеспечивает следующие варианты реализации СнК: в виде заказной СБИС (ASIC); на базе ПЛИС высокой интеграции (FPGA).

Оба варианта реализации имеют свои достоинства и недостатки, которые целесообразно оценить в сравнении с традиционным способом монтажа систем на печатной плате из отдельных микросхем — системами на плате. При реализации СнК в виде ASIC используется традиционный маршрут проектирования ASIC с использованием аппаратно реализованных СФ-блоков, интегрированных в структуру СБИС, и синтезируемых СФ-блоков, которые изготовитель транслирует в физическую структуру с помощью собственных библиотек функциональных элементов. Используя средства САПР, набор необходимых СФ-блоков и современные технологии, можно реализовать в виде ASIC большинство электронных устройств, монтируемых в настоящее время на печатных платах. Таким образом, имеется возможность замены систем на плате системами на кристалле. Возникает альтернатива — разработка системы на плате или реализация функционально аналогичной СнК в виде ASIC.

Преимущества систем на плате: использование хорошо проверенных серийных компонентов; более простой процесс тестирования и отладки;– возможность замены неисправных компонентов; низкая стоимость создания опытных образцов и малых серий.

Преимущества систем на кристалле: возможность получения более высоких технических показателей (производительность, энергопотребление, массогабаритные характеристики); более низкая стоимость при крупносерийном выпуске.

Следует отметить, что реализация СнК в виде специализированной ASIC требует значительных финансовых затрат. Изготовление опытной партии специализированных СБИС (несколько тысяч образцов) по технологии 0,13 — 0,18 мкм стоит несколько сотен тысяч долларов, а по технологии 0,09 мкм — свыше миллиона долларов. При этом имеющийся опыт разработки СнК показывает, что только в 25 % проектов первоначально полученные опытные образцы соответствуют заданным требованиям. В большинстве случаев для получения необходимого результата требуется несколько итераций, что значительно увеличивает стоимость проекта. Можно надеяться, что развитие средств САПР позволит снизить риски при выполнении таких проектов. Однако в настоящее время реализация СнК в виде ASIC является приемлемой только для ограниченного числа высокобюджетных проектов. Во всех случаях, когда можно достичь заданных характеристик, реализуя системы на плате, этот вариант является более предпочтительным ввиду названных преимуществ. Альтернативой может быть реализация СнК на базе высокоинтегрированных FPGA, содержащих миллионы эквивалентных логических вентилей [3]. Преимущества реализации СнК на базе FPGA: малые затраты на разработку и создание опытных образцов; возможность многократной коррекции проекта; использование хорошо проверенных серийных изделий; более простой процесс тестирования и отладки (возможность реализации и отладки «по частям»).

Таким образом, СнК на базе FPGA имеют практически те же достоинства, что и системы на плате, но отличаются лучшими техническими характеристиками — более низким энергопотреблением, меньшими габаритами и массой. При этом по таким параметрам как производительность и энергопотребление СнК на базе FPGA уступают СнК, реализованным в виде ASIC.

Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что СнК на базе FPGA будут конкурировать и постепенно вытеснять системы на плате. При этом вместо микропроцессоров и микроконтроллеров в этих СнК будут использоваться различные варианты процессорных СФ-блоков.

Следует отметить, что методика интеграции в составе одной FPGA всех системных функций, включая процессорные, пока не получила достаточно широкого распространения. В большинстве проектов FPGA используются совместно с микропроцессорами и микроконтроллерами, выполняя различные функции специальной обработки данных. Однако ведущие производители FPGA активно предлагают разработчикам синтезируемые процессорные СФ-блоки, обеспечивающие достаточно высокие характеристики при использовании ограниченных ресурсов кристалла. Так как современные FPGA содержат несколько десятков тысяч LUT, открываются возможности реализации систем на кристалле, содержащих несколько процессорных ядер и значительное число периферийных и специализированных блоков. По зарубежным данным уже сейчас около трети разработчиков используют в своих проектах FPGA с реализованными процессорными ядрами [4].

Таблица