[Title will be auto-generated]

содержание

№5/2011 6 «Цифровая электроника». Форум успешных 8 Texas Instruments, National Semiconductor и Power management 9 Такого еще не было. В Москве прошла выставка «Новая электроника» 10 «ЭкспоЭлектроника»: лидер уходит в отрыв

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 12 Вадим Иванов Снижение электромагнитных помех в цифровых системах

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ 18 Константин Щербаков, Сергей Щербаков Особенности работы операционной системы реального времени FreeRTOS 26 Павел Белевский Windows Embedded Compact 7 — отличная платформа для разработки устройств 30 Джейсон Криднер Открытое программное обеспечение в потребительской электронике: что, зачем и как

34 Норберт Хаузер Платы Kontron на Intel Core II-го поколения упрощают проектирование встраиваемых систем и портирование ПО 39 Кристин Ван Де Грааф COM Express 2.0: новые возможности процессоров для встраиваемых систем 42 Михаил Рудковский Новые стандарты CompactPCI 45 Кшиштоф Петрусевич, Лукаш Урбаньски ПЛУ, ПАК и ППК 48 Игорь Чехранов VIA Technologies — новые технологии и промышленные стандарты 50 Марк Эйнсворт Встраиваемому контроллеру не всегда нужен центральный процессор 56 Фрэнк Бартос Многоядерные процессоры в промышленной автоматике 60 Дмитрий Белов Встраиваемые конверторы интерфейсов для устройств автоматизации

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр.Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by.

IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 10.06.2011 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

Электронные компоненты

www. elcp.ru

62 Хантер Вегас Как эффективно реализовать преимущества полевой шины в реальных условиях 68 Светлана Сысоева Мобильные МЭМС-датчики с девятью и более степенями свободы 73 Кит Одлэнд Выбор батареи для встраиваемых систем

4

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 96 Андрей Цейтин Новые лабораторные источники питания отечественного производства

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP-ПРОЦЕССОРЫ 100 Стефано Дзамматтио Возможности DSP в FPGA растут

СОДЕРЖАНИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 76 Сергей Кривандин Батарейка ER14505 отлично работает в тысячах счетчиках газа и воды по всей стране

ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ 103 Вардан Антонян Выбор скорости передачи с помощью цифрового синтезатора

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 80 Морей Румни Введение в LTE-Advanced 85 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Особенности построения систем передачи речи. Часть 1 91 Олег Пушкарев Использование конечных спящих узлов в сети ZigBee

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПОСЛЕ РАБОТЫ 104 Клаус Хиршельман Настройка спутниковой антенны с помощью GPS 106 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 5 / 2 0 1 1

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #5 2011

6 “Digital Electronics” — Forum of Successful Companies 8 Texas Instruments, National Semiconductor and Power Management 9 Beyond Expectation: “New Electronics” Exhibition Was Held in Moscow 10 “ExpoElectronics” Took the Lead

DESIGN and DEVELOPMENT 12 Vadim Ivanov Reducing Electromagnetic Interference in Digital Systems

EMBEDDED

62 Hunter Vegas The Fieldbus Jungle 68 Svetlana Sysoeva Mobile MEMS Sensors with 9 and More Degrees of Freedom 73 Keith Odland Selecting the Best Battery for Embedded-System Applications

TEST and MEASUREMENT 76 Sergey Krivandin ER14505 Battery Works Well in Thousands Meters All over the Country

WIRELESS

18 Konstantin Shcherbakov and Sergey Shcherbakov FreeRTOS Features

80 Moray Rumney Introduction to LTE-Advanced

26 Pavel Belevsky Windows Embedded Compact 7 Is Perfect for Developing Devices

85 Galina Gaykovich Wireless Technologies in Industry. Features of Developing Voice Messaging Systems. Part 1

30 Jason Kridner Open Source in Consumer Electronics: What, Why and How

91 Oleg Pushkarev Using End Sleeping Nodes in ZigBee Network

34 Norbert Hauser Kontron Boards Based on Intel Core II Simplify Designing Embedded Systems 39 Christine Van De Graaf COM Express 2.0: New Opportunities for Processors of Embedded Systems 42 Michael Rudkovsky New Standards of CompactPCI 45 Krzysztof Pietrusewicz and Łukasz Urbański Balancing PLCs and PACs, and IPCs 48 Igor’ Chehranov VIA Technologies — New Technologies and Industrial Standards 50 Mark Ainsworth Why Your Embedded Controller May Not Need a CPU 56 Frank Bartos Multi-Core Processors in Industrial Automation

POWER SUPPLIES 96 Andrey Tseitin New Laboratory Power Supplies from Domestic Manufacturer

MCU AND DSP 100 Stefano Zammattio FPGA Based DSP Capabilities Are Shifting Up!

ENGINEER TO ENGINEER 103 Vardan Antonyan Direct Digital Synthesis Lets You Select a Baud Rate

AT LEISURE 104 Klaus Hirschelmann GPS Helps Aligning Satellite Antenna 106 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

60 Dmitry Belov Embedded Interface Converters for Automation

Электронные компоненты №5 2011

5 СОДЕРЖАНИЕ

MARKET

«ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА». ФОРУМ УСПЕШНЫХ 2 июня 2011 г. в Санкт-Петербурге прошел форум «Цифровая электроника». В нем, как в зеркале, отразились современные тенденции рынка электроники. Чтобы быть успешным сегодня, мало произвести хороший продукт, важно — активно его продвигать. При этом совсем не обязательно превосходить аналоги конкурентов — достаточно выбрать правильную рыночную нишу и сполна отвечать на потребительские запросы.

Форум, организованный медиагруппой «Электроника», собрал свыше ста участников. Его программа состояла из пленарной части и двух секций: «Цифровые платформы в датакоме (передача данных)» и «Микроконтроллеры и средства разработки». Основные тенденции развития рынка электроники уже давно обнаружили себя на сформировавшихся свободных рынках, но еще не вполне проявились на российском, черты которого искажены значительной долей госзаказа. Первая тенденция заключается в том, что для успеха мало произвести хороший продукт — не менее важно активно рекламировать его и выстроить правильную бизнес-модель. Яркий пример — компания ARM. Она ничего не производит, но разработала отличные процессорные ядра и продает лицензии на их использование. Благодаря распространению микроконтроллеров (МК) с ядрами ARM, их изучение уже включили в учебные программы университетов, что только добавило популярности этой продукции. Теперь рецепт создания МК довольно прост: достаточно приобрести

РЫНОК

6

WWW.ELCOMDESIGN.RU

лицензию на нужное ядро ARM, добавить по вкусу периферийные модули и — микроконтроллер готов. Можно в одном МК объединить несколько ядер ARM или добавить при необходимости DSP-ядро. (Мы, конечно, несколько утрировали, но не слишком). Таким путем идут многие компании, представители двух из них выступили на нашем форуме. Пленарное заседание открыл Атул Арора (Atul Arora) из ARM. Он рассказал о продукции компании, областях ее применения и ближайших планах производителя. Артур Иваницкий (Artur Iwanicki) из STMicroelectronics представил семейство STM32F2, построенное на высокопроизводительном ядре Cortex-M3. Следом выступил Алексей Бойков с рассказом о МК Texas Instruments. На наш взгляд, эти две компании, активно использующие ARMпроцессоры, наиболее популярны на российском рынке. Думаю, не открою большой секрет, если скажу, что ядра MIPS не хуже ARM. А в Microchip даже полагают, что лучше. Это одна из немногих компаний, не попавшая под «гипноз» ARM. К тому же, Microchip — мировой

лидер по производству 8-разрядных МК — не соглашается с мнением, что те, якобы, отжили свой век и должны уступить место под солнцем 32-разрядным МК с ARM-ядром. Однако действенная рекламная кампания и поток новостей об экосистеме ARM в специализированных СМИ создает впечатление о тотальном превосходстве последней, что лишний раз подтверждает значимость умелой рекламной кампании и удачно выстроенной бизнес-модели. И все же не ARMом единым! Доказательством тому было выступление Ильи Афанасьева из «Гамма Групп», представившего продукцию Microchip — от 8- до 32-разрядных МК с MIPS-ядром. Он представил статистику, демонстрирующую рост продаж на мировом рынке 8- и 16-разрядных МК. Та же тенденция сохраняется и в России. Причем рост продаж происходит не только за счет растущего спроса у «старых» клиентов, но и в результате появления новых. Не менее активно растут в компании и продажи 32-разрядных МК. Сопоставление продукции Microchip и Texas Instruments выявило вторую тенденцию рынка: для успеха не обязательно превосходить аналогичную продукцию конкурента в быстродействии, вычислительной мощности, энергопотреблении и прочих технических характеристиках. Достаточно выбрать правильную рыночную нишу и соответствовать требованиям этого сегмента. Например, и сложные быстродействующие двухъядерные 32-разрядные МК Texas Instruments, и относительно простые 8- и 16-разрядные МК Microchip предназначены для применения в электроприводе. И, тем не менее, они не конкурируют друг с другом. В ряде приложений управление электродвигателями ограничивается плавным пуском и формированием тахограммы циклов работы. В этом случае отлично подойдут МК Microchip. Если требуется управление с использованием сложных алгоритмов, например, в тяговом элек-

генерации и верификации С-кода для встраиваемых систем в среде MATLAB. Много вопросов вызвало выступление Николая Стрельцова («Мультиклет»), рассказавшего о новом типе архитектуры — мультиклеточном процессоре. Через полгода компания планирует закончить испытания и начать выпуск новых МК. Работа секции «Цифровые платформы в датакоме» началась с доклада Олега Пушкарева («Компэл»), рассказавшего о встраиваемых процессорных модулях Digi на базе ядра Cortex A8 (i.MX51/i.MX53). Владимир Бродин

7 РЫНОК

троприводе или электромеханических трансмиссиях, уместнее использовать продукцию Texas Instruments. Стратегия Microchip — еще один пример грамотного продвижения. На мировом рынке электронных компонентов эта компания занимает 50-е место, а в России она — четвертая в списке! Любая цифровая система нуждается в отладке. К тому же, при монтаже на печатных платах современных многовыводных корпусов возможны дефекты. Их поиск может занять у разработчиков уйму времени. О том, как избежать подобных проблем рассказал Алексей Иванов из JTAG Technologies, объяснив как использовать стандарт IEEE 1149.1 для отладки цифровых узлов с помощью аппаратуры компании. Современные цифровые компоненты и инструменты их разработки характеризуются повышенной сложностью. Это подчас сдерживает их применение, и даже активная рекламная кампания в данном случае — не подмога. Поэтому многие компании, выпускающие или реализующие такую продукцию, вкладывают средства в специальные университетские курсы, в рамках которых студенты изучают теоретические основы и обретают практические навыки использования подобных компонентов. Этим путем пошли и в «Макро Групп», открыв учебную лабораторию MGLab Xilinx в Санкт-Петербургском государственном университете. О работе этой лаборатории рассказал Вячеслав Кравчук. Мы отлично понимаем, сколь тернист путь изделия от начала разработки до вывода его на рынок, и поэтому охотно предоставляем слово российским компаниям, сумевшим его пройти. Шота Гоциридзе из «ПКК Миландр» рассказал о МК компании, разработанных, конечно же, на ARM-ядре. Более того, он сообщил, что еще две российские компании, названия которых пока не разглашаются, приобрели лицензию на использование ARM. Александр Руткевич из НПП «Цифровые решения» рассказал об опыте проектирования цифровых СБИС по 0,18- и 0,13-мкм технологиям. В ближайшей перспективе освоение 90-нм технологии. Компания сотрудничает с кремниевой фабрикой Silterra. Во второй половине дня работа форума продолжилась в секциях, где речь шла о практических аспектах использования компонентов и модулей на их основе. В секции «Микроконтроллеры и средства разработки» были прочитаны три доклада. Джафер Меджахед и Роман Попов из «Компэла» продолжили начатый в пленарной части рассказ о МК STM32. Денис Жегалин (Softline) рассказал о

(«Терраэлектроника») выступил с докладом о модульных решениях на основе микроконтроллеров ARM и Cortex-M3. Доклад Николая Ивантера («3D Телеметрия») был посвящен открытой программно-аппаратной платформе для разработки навигационных устройств ГЛОНАСС/GSM

(«ЭРА-ГЛОНАСС»). В заключительном докладе Борис Кривошеин из «ЛанитТерком» описал создание системы беспроводной широкополосной связи в микроволновом диапазоне для магистральных сетей. Материал подготовил Леонид Чанов

Электронные компоненты №5 2011

TEXAS INSTRUMENTS, NATIONAL SEMICONDUCTOR И POWER MANAGEMENT Обычно в разделе «Рынок» мы публикуем интервью с представителями российских компаний, но из-за события, произошедшего на мировом рынке электроники — сделки между Texas Instruments и National Semiconductor — нам пришлось изменить своим правилам. К тому же, в редакцию приезжал Миро Аджан (Miro Adzan), менеджер по развитию силовой электроники Texas Instruments в регионе EMEA, оказавшийся по делам компании в Москве. И эта встреча тоже достойна упоминания в прессе.

TEXAS INSTRUMENTS И NATIONAL SEMICONDUCTOR

РЫНОК

8

В начале апреля произошло событие, последствия которого еще долго будут расходиться кругами по воде в мире электроники: Texas Instruments (TI) приобрела National Semiconductor (NS) за 6,5 млрд долл. После юридического завершения сделки NS будет преобразована в подразделение TI. Сегодня считается в порядке вещей, когда крупная компания приобретает мелкую, специализирующуюся в относительно узком сегменте рынка, и оборот который заметно уступает обороту компании-приобретателя. Таких сделок каждый год совершается около десятка. Но в данном случае аналогия не работает. TI, конечно, очень крупная компания и занимает четвертое место в мире по производству полупроводниковых приборов, уступая лишь Intel, Samsung и Toshiba, но и NS не назовешь «мелкой рыбешкой» — по производству микросхем силовой электроники (power management) эта компания занимает второе место в мире после…

Texas Instruments! Реакция рынка не заставила себя ждать. Например, Стив Сангхи (Steve Sanghi), президент Microchip, считает, что соглашение между TI и NS навредило отрасли M&A (mergers and acquisitions — рынок слияний и поглощений). «Я думаю, что TI просто убила рынок M&A», — сказал Сангхи. Чтобы лучше оценить значение сделки, добавим, что TI занимает первое место в мире по производству микросхем для мобильных устройств, а, кроме того, лидирует по выпуску цифровых сигнальных процессоров и аналоговых микросхем. По данным Databeans, в 2010 г. объем продаж аналоговых микросхем TI составил 6,2 млрд долл., или 15% всего рынка объемом 42,29 млрд долл. С присоединением NS в номенклатуре компании окажется 42 тыс. наименований аналоговых компонентов, и TI будет доминировать во многих сегмен-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

тах рынка микросхем. Пожалуй, только рынок ПЛИС останется без изменений. В этом обзоре речь идет в основном о силовой электронике, и здесь тоже цифры не менее впечатляющие. По данным IMS Research, объединение компаний позволит TI получить 17-% долю рынка микросхем управления питанием и 26% — в сегменте драйверов светодиодов.

TEXAS INSTRUMENTS И POWER MANAGEMENT

По мнению специалистов TI, к POLпреобразователям, применяемым в телекоме, предъявляются следующие требования: увеличение энергоэффективности, возрастание выходных токов, увеличение плотности мощности, гибкость управления. Несколько иные требования предъявляются к этим же компонентам в промышленных применениях: широкий диапазон входных напряжений, быстрое затухание переходных процессов. Откликаясь на эти требования, TI выпустила 15- и 25-А POL-преобразователи. Судя по тому, как долго Миро Аджан рассказывал нам о них, в TI гордятся этими компонентами. И не зря — потери в 25-А преобразователях на 20% меньше, нежели у аналогов конкурентов, а КПД превышает 90% (пиковое значение — 97%) во всем диапазоне нагрузок. Плотность мощности составляет 200 Вт/дюйм3. Энергоэффективность 15-А POL на 3% выше, чем у аналогов, при этом рабочая частота составляет 1 МГц (у аналогов — 500 кГц). Далее речь зашла о компонентах для промышленных применений. И мы, конечно, заинтересовались, каким образом компания отличает эти компоненты от прочих? Ларчик открывался просто — их отбирают по результатам испытаний. Даже при использовании одинаковой технологии на всех производственных линиях невозможно получить кристаллы с одинаковыми характеристиками. Распределение значений параметров кристаллов подчиняется

нормальному закону. Кристаллы с наилучшими параметрами отбираются для использования в промышленности. Такие чипы получаются лишь на определенных технологических линиях. Но даже при этом продукция проходит 100-% тестовый контроль. Миро Аджан обратил наше внимание на DC/DC-преобразователь TPS40170 с широким диапазоном входных напряжений (4,5…60 В). По заверению инженеров компании, его использование позволит снизить пульсации выходного напряжения и уменьшить место, занимаемое на плате. Динамические свойства этого преобразователя позволят уменьшить время переходных процессов. Помимо импульсных преобразователей в TI немалое внимание уделяется и линейным регуляторам — LDO. Одна из последних разработок — TPS7A4001 с диапазоном входных напряжений 7…100 В! Это позволяет применять его в телекоме и в приложениях, где наблюдаются выбросы напряжения на шинах питания. Время переходных процессов не превышает 500 нс. Собственный ток потребления — не более 25 мкА. Сегодня центр тяжести в разработке конечных изделий смещается в сторону производителей компонентов. Вспомните ПЛИС и микроконтроллеры, замещающие собой десятки печатных плат с дискретными компонентами. Разработчикам конечных изделий все больше времени приходится тратить на освоение новых компонентов. С другой стороны, необходимость скорейшего вывода продукции на рынок оставляет все меньше времени на разработку. Эти тенденции породили т.н. reference designs (исходные проекты), в которых даются примеры использования компонентов. TI — не исключение из этого правила. Только по силовой электронике компания выпустила более 300 reference designs, которые помогут инженерам в использовании продукции TI. Леонид Чанов

ТАКОГО ЕЩЕ НЕ БЫЛО. В МОСКВЕ ПРОШЛА ВЫСТАВКА «НОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» В московском «Экспоцентре» 19–21 апреля с успехом прошла выставка «Новая электроника-2011», организованная компанией «ЧипЭКСПО» и «Центром современной электроники» при поддержке крупнейших российских дистрибьюторов электронных компонентов.

ших продавцов» — о методиках подбора сотрудников и доклад эксперта по лицензированию САПР для микроэлектроники Виталия Кравченко — «Инициатива образовательного центра для университетов по САПР микроэлектроники». В последний день работы выставки организаторы устроили для ее участников прием «Итоги и перспективы», на котором руководители компаний рассказали о своих впечатлениях от выставки и высказали пожелания о том, какой они хотели бы видеть выставку в следующем году. До последнего момента интригой оставалось то, как будут выглядеть дипломы участников, и в результате они произвели большое впечатление. Пожалуй, такого в истории отечественных выставок еще не было. В диплом участника встроен LCD-экран, на котором, едва стоит открыть обложку, стартует мультиме-

дийный сюжет. Он начинается с приветствия каждой конкретной компании, а затем, в течение нескольких минут, демонстрируется обзорный видеофильм, снятый в первый день работы выставки. Организаторы уже начали подготовку к выставке «Новая электроника-2012» — в разработке ее концепции будут учтены мнения и пожелания участников нынешней выставки. В ближайшее время документ появится на официальном сайте выставки www.new-electronics.info. В следующем, 2012 г., выставкафорум «Новая электроника» пройдет 17–19 апреля в одном из самых удобных павильонов «Экспоцентра» — павильоне №1, общей площадью более 12 тыс. кв. м. Оргкомитет выставки «Новая электроника» Тел.: +7 (495) 221-50-15 http://www.new-electronics.info

9 РЫНОК

Выставка, собравшая за три дня своей работы свыше 6 тыс. посетителей, прошла на большом эмоциональном подъеме. Участие в выставке и ее деловой программе приняли 115 компаний, обеспечивающих более 90% поставок электронных компонентов и модулей на российский рынок, а в числе многочисленных посетителей были специалисты предприятий ВПК, отраслей энергетики, приборостроения, связи и телекоммуникаций, авиационно-космической и судостроительной промышленности, транспорта, городского хозяйства. Деловая программа выставки включала большое количество конференций и семинаров. Наибольший интерес вызвала конференция компании Avnet Silica, на которой, впервые в России, компания Xilinx презентовала свои новейшие разработки. Весьма интересным и содержательным был и семинар еще одной ведущей мировой компании — Atmel, организованный ею в сотрудничестве с представительством Ineltek GmbH. Несколько семинаров были посвящены стремительно развивающимся направлениям: ГЛОНАСС/GPS и полупроводниковой светотехнике. Семинары и конференции проходили сразу на нескольких площадках: на территории выставки, в конгресс-центре «Экспоцентра» и в конференц-зале ГК «Измайлово». Информационную поддержку выставочным мероприятиям оказали около тридцати средств массовой информации. Около десяти компаний разместили свои вакансии на стенде «Биржа труда», в зоне презентаций прошли интересные выступления. Повышенный интерес вызвали презентация компании «Новый персонал»: «Как нанимать луч-

Электронные компоненты №5 2011

«ЭКСПОЭЛЕКТРОНИКА»: ЛИДЕР УХОДИТ В ОТРЫВ Крупнейший в России и Восточной Европе Международный форум «ЭкспоЭлектроника», проходивший с 19 по 21 апреля в московском МВЦ «Крокус Экспо», подтвердил свой статус лидера.

РЫНОК

10

«ЭкспоЭлектроника» по праву остается главной площадкой, наиболее достоверно и полно отражающей тенденции развития рынка, демонстрирующей последние достижения отрасли и обеспечивающей профессиональное общение на самом высоком уровне. Залогом тому являются профессионализм и многолетний опыт организаторов (ООО «Примэкспо» и ITE Group Plc), отлаженные контакты с различными структурами: от государственных ведомств и мировых производителей до НИИ и общественных организаций. Колоссальный международный опыт ITE сам по себе является гарантией качества проекта. 23 офиса компании в 11 странах позволяют формировать уникальную базу посетителей. Важно, что организаторы не останавливаются на достигнутом, каждый раз предлагая рынку новые возможности. В этом году помимо традиционных экспозиций стартовала первая Международная выставка светодиодных решений, чипов и оборудования для их производства — LEDTechExpo. Актуальность и своевременность нового проекта подтвердили итоги уже первого дня выставки. «Среди российских выставок у LEDTechExpo сейчас нет аналогов по масштабу и качеству проведения. Мы провели ряд встреч, приобрели множество полезных контактов и, что немаловажно, познакомились с продукцией других компаний, представленных на российском светодиодном рынке». З.Мадиярова, менеджер по информационным потокам ГК «Оптоган». В рамках Форума прошло более 30 различных бизнес-мероприятий: обучающие семинары, круглые столы

WWW.ELCOMDESIGN.RU

и презентации ключевых российских производителей, крупнейших отечественных дистрибьюторов, отраслевых ассоциаций и союзов. По отзывам участников и посетителей, из-за насыщенности, важности и актуальности деловой программы непросто было сделать выбор, что именно посетить. «Форум позволяет не только наглядно продемонстрировать потенциал российской электроники, но и обсудить перспективы ее развития, подготовки инженерных кадров, продвижения продукции на внутреннем и внешнем рынках». Ю.Борисов, первый заместитель председателя ВПК при правительстве РФ. В этом году в выставках приняли участие 394 компании из 18 государств. Большой интерес у специалистов вызвали коллективные экспозиции Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга РФ и ОАО «РосЭлектроника», национальные стенды Германии, Китая, Тайваня, Гонконга. Всего в рамках экспозиции были представлены более 1000 брендов. А ведь каждый участник — это не просто «галочка» в статистике, это — современные разработки, передовой опыт, новые выгодные предложения. Итоги исследования среди участников выставки: 89% установили на выставке новые деловые контакты; 77% достигли договоренностей о дальнейшем сотрудничестве; 18% осуществили продажи в дни работы выставки. «Для нас это была очень успешная выставка, прежде всего, по количеству клиентов, посетивших наш стенд. Первые заказы уже поступили, и среди них несколько на достаточно крупные суммы». В. Сталс, директор по развитию бизнеса в Европе EFD International Inc. «И мы, и наши партнеры рассматриваем «ЭкспоЭлектронику» как один из наиболее эффективных каналов продвижения наших продуктов на российском рынке. Выставка обеспечивает встречи с новыми заказчиками и региональными партнерами, предоставляет наиболее полную

информацию об инновационных технологических разработках. М. Джилкибаев, начальник отдела бренд-менеджеров ООО «Аргуссофт Компани». «В этом году «ЭкспоЭлектроника» прошла для нашей компании особенно удачно. На этапе подписания — ряд интересных контрактов с клиентами, которые впервые познакомились с нами на выставке». Е.Дорофеева, директор по развитию ООО «Сервис Девайсес». Многолетняя целенаправленная работа позволила организаторам собрать на «ЭкспоЭлектронике» не просто «интересующихся», а профессиональную аудиторию, прибывшую с конкретными целями, планами, предложениями. В этом году Форум электронной промышленности посетили более 15 тыс. специалистов из 62 субъектов РФ и 39 стран. 99% посетителей являются представителями профессиональной аудитории, а более 63% ежегодно посещают только «ЭкспоЭлектронику», считая ее главным выставочным событием года в российской электронной промышленности. И это тоже — не просто сухие цифры статистики, а заключенные контракты, налаженные связи, взаимовыгодное партнерство. «Как всегда, нашей компании удалось пообщаться и с уже знакомыми клиентами, и наладить новые связи. Наши менеджеры провели большое количество встреч и переговоров как с поставщиками (к нам на выставку приезжали представители фирм Sonceboz, VARTA, DiGi), так и с представителями компаний, которых заинтересовала представляемая нами продукция. Общение проходило в теплой дружественной обстановке, что поднимало настроение и посетителям, и экспонентам». Е.Киренкова, менеджер, «Гамма-Санкт-Петербург». Между тем, уже активно идет работа по организации юбилейного события — 15-й Международной выставки «ЭкспоЭлектроника». Лидерство — это большая честь и большая ответственность, его надо постоянно подтверждать, предлагая участникам и посетителям новые возможности для развития бизнеса и решения поставленных задач. Все это ждет нас в 2012 г., на очередном, 15-м Форуме «ЭкспоЭлектроника» в «Крокус Экспо». Лидер уходит в отрыв!

СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ВАДИМ ИВАНОВ, технический консультант, ИД «Электроника»

В статье обсуждаются основные методы снижения электромагнитных помех в цифровых системах, в частности, метод распределения спектра тактовых сигналов. Рассказывается об особенностях применения тактовых генераторов с распределенным спектром для уменьшения джиттера в системе, а также — о влиянии распределения спектра тактового сигнала на работу ФАПЧ. Эл е к т р о м а г н и т н ы е помехи могут наводиться в системе либо от внутренних схем, либо под воздействием излучения от внешнего источника электромагнитного поля. Нежелательные помехи могут вызвать сбои в работе устройства и/ или ухудшить характеристики любой электронной системы. Большинство проблем, с которыми сталкивается разработчик при проектировании цифровых систем, прямо или косвенно связано с системой синхронизации. Увеличение рабочей частоты современных устройств приводит к росту электромагнитных помех. Ряд международных организаций, разрабатывающих стандарты по электромагнитным

помехам, осуществляет контроль этого излучения и гарантирует, что сертифицированное электронное оборудование не создаст проблем в работе других устройств. Эти организации устанавливают нормы на максимальный разрешенный уровень излучения, который может быть различным в разных странах. Заметим, что максимальный разрешенный уровень излучения соответствует лишь пиковым, а не средним уровням электромагнитного излучения. Разработано множество методов, направленных на борьбу с электромагнитными помехами и снижение уровня излучения. Эти методы включают экранирование, фильтрацию, электрическую развязку, применение ферритовых шайб, контроль скорости нарастания

сигнала, а также правильную разводку печатных плат и использование отдельных слоев питания и земли. Эти методы могут быть использованы по отдельности или в сочетании с другими. Экранирование является сравнительно простым методом снижения электромагнитных помех, однако это довольно дорогой метод, который не всегда подходит для портативных переносных устройств. Использование фильтров и контроль скорости нарастания тактового сигнала могут быть эффективными лишь на низкой рабочей частоте. Использование тактовых сигналов с распределенным спектром является еще одним методом, который позволяет эффективно снизить уровень электромагнитных помех в системе. ТАКТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ СПЕКТРОМ

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

12

Рис. 1. Частотная модуляция тактового сигнала и подавление электромагнитных помех: вверху — модулированный тактовый сигнал, внизу — выходной спектр

WWW.ELCOMDESIGN.RU

При использовании тактового сигнала с распределенным спектром энергия узкополосного тактового сигнала распределяется по более широкой полосе, уменьшая пиковое электромагнитное излучение. Тактирование с распределенным спектром можно представить как частотную модуляцию входной опорной частоты с контролируемой девиацией (Δf) и скоростью модуляции, когда в выходном модулированном тактовом сигнале частота циклически изменяется между двумя фиксированными значениями, как показано на рисунке 1. Поскольку суммарная энергия, содержащаяся в сигнале, остается постоянной и распределенной по полосе частот, пиковое излучение на любой частоте снижается. При расширении полосы частот пиковая энергия снижается еще больше. С помощью этого метода можно достичь максимального подавления электромагнитных помех на уровне 2…18 дБ. Тактовые генераторы, которые формируют тактовые сигналы с распределенным спектром, так и называют тактовыми генераторами с распределенным спектром.

Рис. 2. Подавление электромагнитных помех при разной степени распределения спектра

Рис. 3. Зависимость уровня подавления электромагнитных помех от гармоник при Fc = 50

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

14

Самым важным преимуществом метода распределения спектра является то, что в этом случае модулируются также и другие синхросигналы, а также сигналы данных, адреса и управления, которые обычно синхронизированы с исходным тактовым сигналом. Это способствует существенному подавлению электромагнитных помех в системе. Другими положительными качествами тактирования с распределенным спектром являются низкая стоимость и возможность использования в других системах. Обычно цифровые тактовые сигналы имеют весьма высокий показатель добротности. Это означает, что вся энергия данной частоты концентрируется в очень узкой полосе, что приводит к более высокой пиковой энергии. Если рассмотреть спектральную плотность в области частот, можно увидеть более высокий и узкий пик на центральной частоте, а также другие узкие пики меньшей амплитуды с обеих сторон центральной частоты, расположенные на частотах гармоник. Тактовые генераторы с распределенным спектром снижают пиковую энергию тактового сигнала путем расширения полосы частот этого сигнала и снижения показателя добротности. Тактовые генераторы с распределенным спектром принимают на входе узкополосный цифровой тактовый сигнал и формируют выходной

WWW.ELCOMDESIGN.RU

тактовый сигнал, который изменяет свою частоту между контролируемыми начальным и конечным значением с определенной скоростью модуляции. В практических приложениях тактовая частота модулируется со скоростью модуляции 30–120 кГц. Частота выбирается таким образом, чтобы она была выше полосы звуковых частот и не вызывала в системе проблем с синхронизацией (т.е. контроль времени установки и удержания сигнала). Уровень подавления электромагнитных помех прямо пропорционален степени распределения спектра тактового сигнала. Степень распределения обычно выражается в процентах и определяется как отношение разницы между двумя граничными частотами (Δf) к заданной частоте тактового сигнала (fo). На рисунке 2 показаны уровни подавления электромагнитных помех с разной степенью распределения спектра. В большинстве систем имеются гармоники основной частоты, которые и создают проблемы. К счастью, тактовые генераторы с распределенным спектром снижают электромагнитные помехи не только на основной частоте тактового сигнала, но и ослабляют излучение на частотах гармоник. Ослабление пиковой энергии заметно больше на гармониках более высокого порядка, чем на основной частоте.

Это происходит потому, что для фиксированного распределения спектра полоса частот становится шире при более высоких значениях частоты (т.е. на гармониках, которые получаются целочисленным умножением центральной частоты), следовательно, уровень подавления излучаемой энергии на этих гармониках больше (см. рис. 3). Выбор профиля распределения также играет важную роль в определении степени подавления пиковой энергии. Профиль распределения представляет собой не что иное, как огибающую изменения частоты модулированного сигнала во времени. Сравнительно просто реализовать треугольный профиль распределения, но спектр, формируемый с использованием этого профиля, содержит боковые лепестки, которые на 1—2 дБ выше центральной части спектра, как показано на рисунке 4. Как было сказано выше, устройство не пройдет испытания на соответствие стандартам по электромагнитным помехам, даже если максимально допустимый уровень излучения будет превышен на одной частоте. Поэтому треугольный профиль распределения, который содержит пиковое излучение в боковых лепестках спектра, может быть неприемлемым при определенных рабочих условиях. Почти плоский спектр с лучшим подавлением помех можно получить с помощью профиля распределения типа Hershey Kiss (см. рис. 5). В таком профиле тактовая частота изменяется с более высокой скоростью около начального и конечного значений частоты и замедляется в центре. Из-за более высокой скорости изменения частоты вблизи двух граничных точек два боковых лепестка спектра ослабляются, и уменьшенная энергия распределяется по центральной плоской части спектра. Это приводит практически к полному выравниванию энергетического спектра. Профиль Hershey Kiss обеспечивает дополнительное снижение электромагнитных помех на 1,13 дБ. Эта величина может быть даже выше на определенных частотах. ВИДЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТ

В зависимости от положения начальной и конечной частот относительно опорной частоты тактовые генераторы с распределением спектра можно разделить на три категории.

1. Распределение с понижением частоты (down spread). Опорная тактовая частота модулируется с понижением частоты, причем максимальная частота модулированного сигнала является частотой опорного тактового

сигнала. Такие генераторы полезны для частотно-зависимых приложений, которые работают на максимально возможной частоте. Степень распределения в этом случае равна: Down spread (%) = (Δf/fo) · 100, где Δf = fref – fmin. Распределение с понижением частоты позволяет распределить спектр тактового сигнала и в то же время поддерживать максимально допустимую частоту в системе.

2. Центральное распределение частоты (center spread). Выходной тактовый сигнал модулируется симметрично опорной частоте (т.е. выходная частота увеличивается и уменьшается на одну и ту же величину выше и ниже центральной частоты). 1-% центральное распределение обеспечит суммарное изменение частоты на уровне 2%: 1-% изменение выше и 1-% изменение ниже опорной частоты. Степень распределения в этом случае равна: Center spread (%) = ½ (Δf/fo) · 100,

Рис. 4. Треугольный профиль распределения и выходной спектр

где Δf = fmax – fmin. Центральное распределение частоты используется в системах, где ограничение частоты не предусмотрено.

3. Распределение с повышением частоты (up spread) прямо противоположно распределению с понижением частоты. Опорная тактовая частота модулируется с повышением частоты, причем минимальное значение частоты модулированного сигнала является частотой опорного тактового сигнала. Степень распределения в этом случае равна: Up spread (%) = (Δf/fo) · 100,

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

16

Рис. 5. Профиль распределения типа Hershey Kiss и выходной спектр

WWW.ELCOMDESIGN.RU

где Δf = fmax – fref. Что нужно учитывать при использовании тактового сигнала с распределенным спектром? Джиттер. Одним из существенных недостатков тактового сигнала с распределенным спектром является то, что его нельзя использовать в системах, где главным требованием является высокая точность тактового сигнала, например, для Ethernet- или CAN-приложений. Инженеры должны с повышенным вниманием отнестись к выбору и степени распределения тактового сигнала в соответствии с требованиями приложения, т.к. можно существенно увеличить величину джиттера тактового сигнала. Джиттер может отрицательно воздействовать на характеристики системы, вызывая нарушение времени установления и удержания, увеличение частоты битовых ошибок и сбой схемы

Распределение спектра в системах с ФАПЧ. Дополнительные меры предосторожности необходимо также принимать в системах, где схемы ФАПЧ управляются тактовым сигналом с распределенным спектром. Схема ФАПЧ имеет характеристики фильтра нижних частот, т.е. низкочастотные изменения входной частоты пропускаются, а высокочастотные изменения, которые превышают ее полосу пропускания, ослабляются. Поскольку тактовый сигнал модулируется распределенным спектром, в ФАПЧ может произойти сбой в фиксации входного тактового сигнала. Система ФАПЧ с понижением частоты должна быть способной отслеживать изменение частоты. Это зависит от полосы пропускания ФАПЧ. Если полоса пропускания ФАПЧ слишком мала, то она не будет надежно отслеживать входной сигнал, что может привести к фазовому сдвигу, который вызовет дополнительный джиттер. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ТАКТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ СПЕКТРА

Возможность программирования обеспечивает необходимую гибкость при построении системы. Используя опцию программирования на кристалле тактового генератора, разработчики системы могут, например, легко изменять время нарастания/спада фронта сигнала в зависимости от требований приложения. Это может быть полезно также с точки зрения дополнительного снижения уровня электромагнитных помех. На рынке доступны тактовые генераторы с возможностью программирования степени распределения спектра, типа профиля распределения, включения/отключения распределения и типа спектра и величины выходной тактовой частоты. Еще одним серьезным преимуществом программируемых тактовых генераторов с распределением спектра является то, что многоканальные выходы с индивидуально программируемой частотой могут быть встроены в один кристалл, что уменьшает число чипов и снижает общую стоимость системы. В зависимости от приложения разработчики могут использовать один тактовый генератор с распределением спектра для того, чтобы сформировать тактовые сигналы с разными свойствами для каждой подсистемы, что приводит к сокращению времени вывода устройств на рынок и уменьшению затрат. ЛИТЕРАТУРА 1. Ashish Kumar, Pushek Madaan. Reducing EMI in digital systems using spread spectrum clock generators//www.eetimes.com.

2. Jack Browne. Spread-Spectrum Clocks Cut EMI//www.mwrf.com.

3. How Spread Spectrum Clock Generators Accelerate FCC Certification of System Designs//White Paper, Fujitsu Microelectronics America Inc. 4. Louis E. Frenzel. Programmable Spread-Spectrum Clock Generators Make EMI Reduction A Snap//www.electronicdesign.com.

Электронные компоненты №5 2011

17 РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

ФАПЧ. Джиттер может быть разных видов и по-разному воздействовать на работу системы. Периодический джиттер (Period Jitter). Периодический джиттер представляет собой максимальное отклонение переходного фронта тактового сигнала от его идеального положения. Периодический джиттер обычно определяется как максимальное отклонение периода сигнала за некоторое время (обычно 10 тыс. циклов) и представляет собой разность между самым ранним и самым поздним фронтом сигнала. Периодический джиттер может влиять на работу синхронных систем за счет уменьшения ресурса времени. Отклонение периода тактового сигнала от его идеального положения может также привести к нарушению времени установки и удержания сигнала.

100-МГц тактовый сигнал, модулированный 1-% распределением с повышением частоты, будет иметь 1-МГц суммарное отклонение частоты (Δf) с начальной частотой в 100 МГц, а конечной частотой 101 МГц. Это соответствует отклонению периода от 9,9 нс до 10 нс. В результате тактовый сигнал будет иметь максимальный периодический джиттер на уровне 0,1 нс. С увеличением степени распределения пропорционально ему увеличивается суммарное отклонение частоты, поэтому периодический джиттер может вызывать нарушение некоторых временных параметров. Необходимо отметить, что в результате распределения спектра тактового сигнала вносится только периодический джиттер. Сам прибор может добавить внутренний джиттер, что еще больше увеличивает его суммарную величину. Величину собственного джиттера устройства можно оценить путем отключения распределения спектра тактового сигнала. Постоянный джиттер (Long-Term Jitter). Постоянный джиттер подобен периодическому джиттеру, но представляет собой максимальное отклонение переходного фронта тактового сигнала от его идеального положения на протяжении множества циклов. Хотя он встречается только в некоторых приложениях, но становится ключевым для сигналов с распределенным спектром, где фронты сигнала могут существенно менять свое положение. Наилучшим примером постоянного джиттера может служить графическая карта для управления дисплеем: чрезмерный постоянный джиттер может вызывать сдвиг пикселов изображения от нужного положения в течение некоторого времени. Джиттер от периода к периоду (Cycle-to-Cycle Jitter). Джиттер от периода к периоду — еще один вид джиттера, который определяется как отклонение переходного фронта тактового сигнала от его соответствующего положения в предыдущем цикле. Джиттер от периода к периоду нежелателен, главным образом, в коммуникационных системах или АЦП, где входной сигнал выбирается и оцифровывается в определенный момент времени. Джиттер от периода к периоду в сигнале выборки может изменить момент выборки входного сигнала, что приводит к появлению битовой ошибки в выходном потоке данных. Тактовый сигнал с распределением спектра обычно приводит к появлению незначительного джиттера от периода к периоду. При весьма малой скорости модуляции — 30…120 кГц (что, по крайней мере, в тысячу раз меньше опорной тактовой частоты) для завершения цикла модуляции потребуется более тысячи циклов, что приводит к весьма незначительному отклонению периода между соседними циклами. Однако сам прибор может добавлять собственный джиттер от периода к периоду к тактовому сигналу. Распределение спектра вносит в систему менее 0,05% джиттера от периода к периоду. Таким образом, тактовый генератор с распределением спектра может быть полезным для систем, где требуется малый джиттер от периода к периоду, низкая частота битовых ошибок и малый уровень электромагнитных помех.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ FreeRTOS КОНСТАНТИН ЩЕРБАКОВ, СЕРГЕЙ ЩЕРБАКОВ, «ЭлеСи» В статье представлены особенности операционной системы реального времени FreeRTOS, которая применяется для разработки встроенного программного обеспечения (ПО). Алгоритмы FreeRTOS основаны на вытеснении низкоприоритетных задач высокоприоритетными, с возможностью целостного исполнения кода задач посредством механизмов синхронизации.

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

18

В настоящее время к оборудованию, для которого разрабатывается встроенное ПО, предъявляются новые требования по надежности, времени реакции на событие и объему выполняемых функций. Это приводит к усложнению логики работы программ. Другими словами, эра тривиальных задач подходит к концу или может быть уже завершена, а для решения нетривиальных задач разработчику необходим своего рода помощник. Операционная система реального времени (ОСРВ) или микроядро, о котором мы рассказывали в статье [1], прекрасно выполняет роль помощника разработчика. ОСРВ с легкостью берет на себя часть рутинной работы, а главное — реализует механизм псевдопараллельного исполнения кода задач. За использование ОСРВ в коммерческих приложениях принято платить, однако появляется все больше ОСРВ, которые могут использоваться в коммерческих приложениях совершенно бесплатно. Примером является ОСРВ FreeRTOS, которая портирована более чем на 20 платформ (микроконтроллеров) и потребует от аппаратного обеспечения от 32 Кбайт флэшпамяти и от 16 Кбайт ОЗУ. FreeRTOS предоставляется с открытым исходным кодом программ и лицензирована в соответствии с GNU General Public License (GPL). Основные особенности FreeRTOS:

– работа диспетчера задач в двух режимах: вытесняющей многозадачности и кооперативной многозадачности; – отсутствие ограничений на количество задач, которые может создать пользователь. Теоретически можно создать бесконечное количество задач, при условии бесконечного объема ОЗУ; – широкий выбор механизмов синхронизации: двоичные, счетные, рекурсивные семафоры, мьютексы;

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– очередь сообщений — для обеспечения межзадачной коммуникации; – функции управления временем, предусматривающие возможность периодического запуска задач; – функции управления памятью; – функции статистики времени выполнения задач. Для определения принципов работы FreeRTOS введем основные понятия, которые используются в статье: – задача — набор операций (машинных инструкций), предназначенный для выполнения логически законченной функции системы. При этом задача конкурирует с другими задачами за получение контроля над ресурсами вычислительной системы; – контекст задачи — набор данных, содержащий всю необходимую информацию для возобновления выполнения задачи с того места, где она была прервана; – стек — структура данных с методом доступа к элементам LIFO (Last In — First Out). Вместе с областью статических данных полностью задает текущее состояние задачи [2]; – диспетчер задач — программа, которая отвечает за управление совместным ресурсом и последовательность выполнения всех успешно проинициализированных задач; – очередь сообщений — структура данных, позволяющая передавать данные фиксированной длины от одной задачи к другой; – переключение контекста — алгоритм сохранения в стек контекста прерванной задачи и восстановления из стека контекста запускаемой задачи; – тик таймера — период возникновения циклического прерывания от таймера; – критическая секция — часть кода задачи, которая не должна прерываться только другими критическими сек-

циями, исключающими друг друга из заданного набора задач [2]. Если театр начинается с вешалки, расследование преступления — с опроса свидетелей, то работа FreeRTOS начинается с конфигурирования. Конфигурационный файл (FreeRTOSConfig.h) содержит основные настройки ОСРВ (указывается частота, на которой работает CPU и периферийные устройства, диапазон приоритетов задач, размер стека и т.д.) [3]. Некорректная работа механизмов и функций FreeRTOS очень часто связана с неправильным конфигурированием. Например, невозможно создать и правильно использовать механизм синхронизации мьютекс без описания соответствующего макроопределения #define config_USE_MUTEX 1. Важный этап разработки встроенного ПО — это декомпозиция или фрагментация всего объема выполняемых действий на отдельные, порой связанные между собой задачи или потоки (в терминологии FreeRTOS и далее по тексту — задачи), которые выполняются процессором (CPU) в соответствии с выбранным алгоритмом диспетчеризации. Для разработчика, который использует в своей работе FreeRTOS, задача — это обособленный программный код, оформленный в виде бесконечного цикла. Задача имеет структуруописатель, так называемый TCB (Task Control Block), который содержит имя, указатель стека, приоритет и другие данные. Для того чтобы зарегистрировать или создать задачу в ОСРВ FreeRTOS, необходимо вызвать системную функцию vTaskCreate (). Задача может находиться в одном из следующих типичных состояний, представленных на рисунке 1. Состояния задачи:

– Running (выполняется) — задача выполняется и использует CPU. В любой момент времени только одна задача может находиться в состоянии Running;

Рис. 1. Схема возможных состояний задачи

Рис. 2. Схема работы вытесняющей многозадачности для задач с разным приоритетом: 1) переключение контекста, запуск Task_B; 2) код Task_B; 3) переключение контекста, запуск Task_A; 4) код Task_A; 5) переключение контекста, продолжение выполнения Task_B; 6) переключение контекста, продолжение выполнения фоновой задачи

Рис. 3. Схема работы вытесняющей многозадачности для задач с одинаковыми приоритетами: 1) интервал времени (Time Slice) завершен; 2) код разных задач с одинаковыми приоритетом; 3) переключение контекста, запуск следующей задачи; 4) интервал времени (квант) В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

20

– Ready (готова) — задача не заблокирована, не остановлена, но не выполняется. Например, задача может не выполняться CPU, если в данный момент выполняется другая, более приоритетная задача; – Blocked (заблокирована) — задача ждет некоторого события, которые бывают двух видов: – события, возникающие по завершении тайм-аута (интервала времени). Например, задача заблокирована на время ожидания, равное 10 мс. По завершении тайм-аута, задача перейдет в состояние Ready;

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– события синхронизации — в этом случае источниками события становятся прерывания или другая задача. Например, задача заблокирована до тех пор, пока не получит сообщения посредством очереди сообщений.

– Suspended (остановлена) — задача не доступна для диспетчера задач. Задача попадает в состояние Suspended при вызове функции vTaskSuspended(), а выходит из этого состояния по вызову функции vTaskResume(). В случае, если в списке Ready нет ни одной задачи, диспетчер задач запустит фоновую задача (Idle Task)

со значением приоритета равным нулю, что соответствует наименьшему приоритету. Существует возможность добавления кода программ в тело фоновой задачи. В коде фоновой задачи не должно быть вызова функций блокирования и функции vTaskDelete(). Фоновая задача может находиться в двух возможных состояниях: Ready — когда выполняется более приоритетная задача и Running — когда CPU исполняет фоновую задачу. Задача имеет свой собственный стек, в котором сохраняются локальные переменные, результат выполнения функции и регистры CPU при возникновении прерывания. Разработчик может создать такое количество задач, какое может ему понадобиться, а к ограничениям можно отнести память, которая выделяется для стека, для ТСВ и… здравый смысл разработчика. Всеми успешно проинициализированными задачами управляет диспетчер задач, который всегда работает в одном из двух возможных режимов: – режиме вытеснения задач, согласно их приоритету (далее — вытесняющая многозадачность); – кооперативном режиме исполнения задач (далее — кооперативная многозадачность). Механизм вытесняющей многозадачности работает по двум правилам: 1. Высокоприоритетная задача вытесняет низкоприоритетную задачу. Например, Task_A (приоритет равен 2) вытесняет Task_B (приоритет равен 1). Если Task_A завершил свое выполнение или заблокировался, то диспетчер задач продолжит выполнять Task_B (см. рис. 2).

2. Если существуют две и более задач с одинаковым приоритетом — то они выполняются последовательно, а каждой задаче для выполнения выделен временной промежуток или квант (Time slice). По истечении времени выполнения одной задачи диспетчер задач запустит следующую задачу с тем же приоритетом (см. рис. 3). Как следует из рисунка 2, при каждом вытеснении задач сохраняется контекст прерванной задачи и восстанавливается контекст запускаемой задачи. Время выполнения этих действий является накладным расходом системы. Например, для микропроцессоров SH2A сохранить и восстановить контекст — это 80 простейших ассемблерных инструкций. Как видно из рисунка 2, чтобы приостановить выполнение Task_B и выполнить Task_A, а потом снова продолжить Task_B, CPU необходимо потратить время на выполнение порядка 160 ассемблерных инструкций. Это без учета времени выполнения функций диспетчера задач! На наш взгляд, при таком подходе ощущается нехватка механизма анализа продол-

Рис. 4. Схема работы кооперативной многозадачности: 1) код разных задач; 2) «добровольная» передача управления с помощью функции taskYIELD(), которая выполняет переключение контекста; 3) переключение контекста и запуск приоритетной задачи; 4) код приоритетной задачи; 5) переключение контекста и запуск прерванной задачи

и чтения из буфера должны выполняться целостно по отношению друг к другу. Прежде чем выполнить операцию записи, Task_A проверяет семафор путем вызова функции xSemaphoreTake(). Если ресурс свободен (семафор = 1), то Task_A получит доступ к ресурсу и начнет выполнять действия, связанные с записью данных в буфер. В этот момент возникает более приоритетный Task_B, которому нужно совершить операцию чтения. Ресурс занят (семафор = 0), поэтому Task_B заблокируется (состояние Blocked). Task_A продолжит выполнение, завершит целостно всю операцию записи и освободит ресурс путем вызова функции xSemaphoreGive(). Ресурс свободен, следовательно, будет запущен высокоприоритетный Task_B, который завершит целостно всю операцию чтения и освободит ресурс путем вызова функции xSemaphoreGive(). Аналогичным образом семафор может быть использован для разграничения доступа к критическому ресурсу, который используют несколько задач. В любой момент времени только одна задача может «захватить» семафор, остальные задачи при обращении к семафору будут вставать в очередь и ожидать его освобождения. В ОСРВ FreeRTOS семафоры и мьютексы работают по одному и тому же принципу, т.е., мьютекс — это тот же бинарный семафор, однако при использовании мьютекса подключается механизм, предотвращающий инверсию приоритетов с помощью метода наследования приоритетов. Счетные семафоры работают аналогично бинарным. Отличие заключается в том, что значение счетного семафора может быть равным 1, 2, 3, 4 и т.д. Например, семафор, который проинициализирован значением, равным 3, можно успешно «захватить» ровно 3 раза. Попытка «захватить» семафор в четвертый раз приведет к тому, что задача заблокируется, ведь семафор равен нулю, следовательно, ресурс занят. Выполнение продолжительных действий в функции обработчика прерыва-

ния приводит к задержке выполнения и потере других источников прерываний, поэтому целесообразно выполнять продолжительные действия в коде задачи, синхронизированной относительно прерывания. Рассмотрим пример использования счетного семафора, максимальное значение которого может быть равно трем, для синхронизации задачи относительно момента возникновения события или прерывания (см. рис. 6). Как следует из рисунка 6, при возникновении события текущее выполнение команд приостанавливается, запускается обработчик прерывания. В обработчике прерывания вызывается функция xSemaphoreGiveFromISR(), которая инкрементирует значение семафора, инициируя тем самым запуск Task_A. Если во время исполнения Task_A возникнет прерывание, то значение семафора инкрементируется, поэтому первая попытка Task_A перейти в состояние Blocked приводит к простому декременту семафора, а задача уходит на «второй круг» выполнения. Вторая попытка Task_A перейти в состояние Blocked приводит к тому, что Task_A переходит в состояние Blocked и запускается фоновая задача. Таким

21 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

жительности действий, которые необходимо выполнить Task_B до логического завершения, прежде чем более приоритетная задача вытеснит Task_B. Кооперативная многозадачность подразумевает «добровольную» передачу управления от одной задачи к другой посредством вызова системной функции taskYIELD() (см. рис. 4). Из рисунка 4 следует, что для кооперативной многозадачности предусмотрена гибридная схема работы, т.е. добровольная передача управления для задач с одинаковым приоритетом и приоритетное вытеснение при запуске задач с более высоким приоритетом. Режим кооперативной многозадачности исключает возможность выполнения задач в соответствии с выделенным квантом времени. Важной характеристикой ОСРВ является наличие механизмов по управлению общими ресурсами, которыми одновременно могут пользоваться сразу несколько задач. К таким ресурсам относятся в основном память и CPU. Именно объекты синхронизации позволяют задаче получить уникальный доступ к ресурсу и выполнить критическую секцию кода без вмешательства со стороны других задач. К объектам синхронизации, которые реализованы в ОСРВ FreeRTOS, относятся: – семафоры (двоичные, счетные, рекурсивные); – мьютексы; – очереди сообщений. Объекты синхронизации выполняют три основные задачи: – разделение ресурса. Например, две задачи пытаются получить доступ к общему ресурсу; – синхронизацию. Например, запуск задачи в связи с возникновением события; – обмен информацией между задачами посредством очередей сообщений (эта функция справедлива только для очередей сообщений). Аналогично задаче семафор должен быть зарегистрирован в системе с помощью функции vSemaphoreCreateBinary(). Механизм работы семафора достаточно прост. Логическое значение семафора (далее семафор) равно нулю, следовательно, ресурс занят. Семафор равен единице (в случае бинарного семафора), следовательно, ресурс свободен. Типичным примером использования бинарного семафора является алгоритм чтения и записи данных между двумя задачами, где Task_A является поставщиком данных, а Task_B является потребителем этих данных (см. рис. 5). Как представлено на рисунке 5, Task_A записывает данные в определенный буфер памяти, а Task_B считывает данные из этого буфера. Критическим ресурсом в данном примере является память, а операции записи в буфер

Рис. 5. Схема работы бинарного семафора

Электронные компоненты №5 2011

Рис. 6. Схема синхронизации выполнения задачи с помощью счетного семафора: 1) возникновение прерывания; 2) код обработчика прерывания, инкремент значения семафора (семафор = 1); 3) переключение контекста, декремент значения семафора (семафор = 0), запуск Task_A на выполнение; 4) не выполняется переключение контекста, не выполняется декремент значения семафора, (семафор = 1), продолжение выполнения Task_A; 5) код Task_A, (семафор = 0); 6) первая попытка Task_A перейти в состояние Blocked, (семафор = 1); 7) вторая попытка Task_A перейти в состояние Blocked, (семафор = 0); 8) восстановление контекста и запуск фоновой задачи

Рис. 7. Схема передачи сообщений посредством очереди сообщений

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

22

образом, выполнение задачи синхронизировано с возникновением события, а системная функция xSemaphoreGiveFromISR() является инициатором запуска выполнения соответствующей задачи. Очень важно помнить, что обработчик прерывания оформляется по определенным правилам. В теле обработчиков прерываний вызываются специальные системные функции с постфиксом FromISR. По завершении кода обработчика прерывания необходимо переключить контекст в том случае, если приоритет прерванной задачи ниже, чем приоритет инициируемой (запускаемой) задачи. Вот как выглядит пример кода обработчика прерывания, показанного на рисунке 6: static void vExampleInterruptHandler( void ) { static portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken; xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

WWW.ELCOMDESIGN.RU

/* Выполнить действия */ ... /* Отпустить семафор. */ xSemaphoreGiveFromISR( xCountSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken ); /*Анализируем, нужно ли переключить контекст*/ if( xHigherPriorityTaskWoken == 1 ) { /*Переключить контекст*/ portSWITCH_CONTEXT(); } } Обмен информацией между задачами осуществляется посредством очереди сообщений. Очередь сообщений можно рассматривать как буфер, который состоит из блоков фиксированной длины. Параметры очередей сообщений разработчик определяет в функции инициализации очереди xQueueCreate(). Очередь сообщений выступает в роли объекта синхронизации при запуске

одной задачи относительно выполнения другой (см. рис. 7).

Task_A занимается передачей сообщения, Task_B обрабатывает эти сообщения. Выполнение Task_B бессмысленно, если нечего обрабатывать, поэтому Task_B запускается на выполнение и блокируется при вызове функции xQueueReceive(). Как только Task_A передаст элемент в очередь сообщений, Task_B продолжит свое выполнение. Теоретически Task_A может передавать сообщения гораздо быстрее, чем Task_B их обрабатывать. В этом случае очередь сообщений выступает в роли демпфера при возникновении критической нагрузки. Однако если Task_A переполнит очередь сообщений, то Task_A заблокируется до тех пор, пока Task_B не обработает по крайней мере одно сообщение. Безусловно, все функции, выполняющие механизмы объектов синхронизации требуют времени CPU для своего выполнения — это накладные расходы системы. Время выполнения большинства системных функций должно быть определено опытным путем, хотя бы с точностью 50% для выбранного микроконтроллера. Это очень важно, особенно, если встроенное ПО разрабатывается по требованиям жесткого реального времени. Нецелесообразно защищать семафором с помощью функций xSemaphoreTake(), xSemaphoreGive(), суммарно выполняемых за 10 мс, участок кода, который выполняется 100 мкс! В этом случае необходимо использовать какую-то альтернативу. Альтернативными методами разграничения доступа к критическому участку являются: – механизм запрета выполнения диспетчера задач. Функция запрета выполнения диспетчера задач — vTaskSuspendAll(). Функция разрешения выполнения диспетчера задач — xTaskResumeAll(); – механизм запрета возникновения прерываний. Функция запрета выполнения прерывания — taskENTER_CRITICAL(). Функция разрешения выполнения прерывания — taskEXIT_CRITICAL(). Механизм запрета выполнения диспетчера задач заключается в том, что запрещена передиспетчеризация задач, т.е. задача с высоким приоритетом не вытесняет задачу с низким приоритетом. Метод достаточно эффективен, особенно при условии, что возникновение прерываний разрешено. Отрицательная сторона этого подхода состоит в том, что высокоприоритетные задачи, инициированные из обработчиков прерываний, не выполняются в течение интервала времени, пока запрещено выполнение диспетчера задач. Закрывать прерывания — это самый низкозатратный метод с точки зрения количества выполняемых команд. Отрицательная сторона этого

Рис. 8. Схема сброса блокировки задачи: 1) возникновение прерывания (событие произошло); 2) код обработчика прерывания; 3) переключение контекста, запуск Task_A на выполнение; 4) код Task_A; 5) вызов функции xSemaphoreTake(); 6) интервал времени, при котором Task_A находится в состоянии Blocked; 7) завершение интервала времени ожидания события (событие не произошло), переключение контекста, запуск Task_A на выполнение; 8) переключение контекста, запуск фоновой задачи

Рис. 9. Схема предотвращения инверсии приоритетов с помощью метода наследования приоритетов: 1) код Task_A, уровень приоритета равен 1; 2) переключение контекста, запуск Task_C; 3) код Task_C, уровень приоритета равен 3; 4) код Task_A, уровень приоритета равен 3; 5) уровень приоритета равен 1, переключение контекста, запуск Task_B; 5*) уровень приоритета равен 3, запуск Task_B отложен; 6) код Task_B, уровень приоритета равен 2; 7) Task_B завершен, переключение контекста, запуск Task_А; 8) ресурс занят , переключение контекста, Task_А унаследовал приоритет Task_C, запуск Task_А; 9) ресурс свободен, переключение контекста, запуск Task_C; 10) Task_C завершен, переключение контекста, запуск Task_А; 11) Task_B завершен, переключение контекста, запуск Task_А

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

24

подхода состоит в том, что при запрете возникновения прерываний на продолжительное время возрастает вероятность потери события. Кроме функций управления задачами в ОСРВ FreeRTOS реализованы функции управления временем (Time Management Function), которые преследуют несколько целей: – периодического запуска задач; – исключения возможности бесконечного блокирования задач по причине заблокированного ресурса; – формирования статистических отчетов времени исполнения задач. Необходимость периодического запуска задач обусловлена потребностью выполнения определенных действий через равные промежутки времени. Например, модуль аналогового ввода, который входит в состав ПЛК, должен периодически, с частотой 1 Гц, передавать в центральный

WWW.ELCOMDESIGN.RU

процессор результаты диагностики корректной работы измерительных каналов. Разработчику, который использует ОСРВ в своих разработках, необходимо проинициализировать задачу — Task_A, вызвать процедуры диагностики, формирования сообщения, инициации передачи и вызвать функцию vTaskDelay(), как показано в листинге кода Task_A: void Task_A( void * pvParameters ) { for( ;; ) { /*Запуск диагностики, формирование сообщения, передача сообщения*/ … /*Система, разбуди меня через секунду. Ну пожалуйста! */ vTaskDelay( 1000 ); } }

В вышеописанном примере Task_A выполняет полезные действия и блокируется на 1 с. По завершении интервала времени диспетчер задач запустит Task_A, который выполнится и будет отложен на 1 с. У всех без исключения функций, которые могут инициировать переход задачи из состояния Running в состояние Blocked (в случае, если ресурс занят другой задачей), определяется специальный параметр — xTicksToWait. Список функций представлен ниже: – xSemaphoreTake (xSemaphore, xTicksToWait); – xSemaphoreTakeRecursive (xMutex, xTicksToWait); – xQueueReceive (xQueue, *pvBuffer, xTicksToWait ); – xQueuePeek (xQueue, *pvBuffer, xTicksToWait ); – xQueueSend (xQueue, *pvItemToQueue, xTicksToWait); – xQueueSendToFront (xQueue, *pvItemToQueue, xTicksToWait); – xQueueSendToBack (xQueue, *pvItemToQueue, xTicksToWait). Параметр xTicksToWait определяет временной интервал, равный количеству тиков таймера, в течение которого задача остается в состоянии Blocked. Параметр xTicksToWait всегда кратен тику таймера и может принимать следующие значения: 1. xTicksToWait = 0. Задача не переходит в состояние Blocked, а продолжает выполнение.

2. xTicksToWait = value. Задача заблокируется, но продолжит выполнение по завершении тайм-аута, равного value, даже если ресурс остается занят другой задачей; 3. xTicksToWait = portMAX_DELAY. Задача заблокируется до тех пор, пока ресурс остается занят. На рисунке 8 показан механизм сброса блокировки задачи по завершении временного интервала. Одной из распространенных ошибок, связанных с некорректным выполнением задач согласно их приоритету, является инверсия приоритетов. Инверсия приоритетов возникает тогда, когда в системе есть как минимум три задачи с разными приоритетами, а две из них разделяют доступ к общему ресурсу. Для предотвращения инверсии приоритетов в ОСРВ FreeRTOS используется механизм наследования приоритетов (Priority Inheritance), представленный на рисунке 9. Механизм наследования приоритетов уменьшает интервал t1, во время которого задача с высоким приоритетом не может быть выполнена. Инверсию приоритетов достаточно сложно идентифицировать на этапе отладки программ. Механизм наследования приоритетов работает только при условии, что выбранным объектом синхронизации является мьютекс. Все другие объекты синхронизации, реализованные в ОСРВ FreeRTOS, не предотвращают инверсии приоритетов.

Еще одной распространенной ошибкой, которая очень трудно поддается процессу отладки, является ошибка взаимного блокирования задач (DeadLock) (см. рис. 10). Нужно иметь в виду, что как и инверсию приоритетов, взаимное блокирование сложно идентифицировать на этапе отладки программ. ВЫВОДЫ

Рис. 10. Схема взаимного блокирования задач: 1) переключение контекста, запуск Task_A; 2) код Task_A; 3) семафор_A = 0, ресурс заблокирован Task_A; 4) переключение контекста, запуск Task_B; 5) код Task_B; 6) семафор_B = 0, ресурс заблокирован Task_B; 7) семафор_A = 0, Task_B блокируется; 8) переключение контекста, продолжение выполнения Task_A; 9) семафор_B = 0, Task_A блокируется; 10) переключение контекста, продолжение выполнения фоновой задачи

даже самой низкоприоритетной задаче будет предоставлена возможность выполнения в самом наихудшем случае. Этот случай возникает тогда, когда все события системы пришли почти одновременно, в связи с этим большое количество задач готово к выполнению. Факт использования ОСРВ в разработке встроенного ПО не является гарантией успешной реализации конечного программного продукта. Использование ОСРВ позволяет разработчику создавать программный продукт на проверенном

фундаменте четко определенных алгоритмов работы ОСРВ. ЛИТЕРАТУРА 1. Щербаков К.С., Щербаков С.А. Технология разработки встроенного программного обеспечения для ПЛК//Журнал интеллектуальных технологий Itech, Т.1, №14, 2009.

2. Толковый словарь по вычислительным системам/Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А.К. Белицкого и др./Под ред. Е.К. Масловского. Т. 1. — М.: Машиностроение, 1990.

3. www.freertos.org.

Электронные компоненты №5 2011

25 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Надеемся, что представленная информация поможет разработчикам встроенного ПО в изучении принципов работы ОСРВ FreeRTOS. Любая ОСРВ предоставляет разработчику встроенного ПО определенный диапазон сервисов или функций. Разработчик может использовать все предоставляемые функции или только часть из них, но даже при использовании бесплатной ОСРВ мы заплатим временем, которое потратит CPU на выполнение системных функций. Есть еще одна сложность — назначение соответствующих приоритетов существующим задачам системы. Универсального алгоритма назначения приоритетов, который подходил бы для всех случаев, не существует. Разработчик должен решить самую главную задачу: сконструировать программный код таким образом, что

Windows Embedded Compact 7 — отличная платформа для разработки устройств ПАВЕЛ БЕЛЕВСКИЙ, вед. специалист, отд. исследований и разработок, «Кварта Технологии»

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос выбора операционной системы для разрабатываемого устройства многогранен. В первую очередь, очевидно, система должна предоставлять базовый функционал, максимально раскрывающий возможности разрабатываемого устройства, чтобы разработчик мог сосредоточиться над решением специфичных для конкретного устройства задач. Вторая сторона вопроса — простота освоения цикла проектирования, которая характеризуется удобством и возможностями инструментария по разработке, его распространенностью в среде разработчиков. Перечисленные факторы определяют время, затрачиваемое на разработку, что в итоге, безусловно, отражается на стоимости устройства. Кроме этого краткий цикл по выпуску продукта является важным конкурентным преимуществом в современном мире, насыщенным цифровыми технологиями. Немаловажными аспектами также являются цикл поддержки системы, возможности по защите интеллектуальной собственности и лицензированию в конечных устройствах. О том, как все эти определяющие моменты соотносятся с новой встраиваемой ОС Windows Embedded Compact 7, мы и поговорим. ВОЗМОЖНОСТИ

26

Что же конкретно даёт WEC 7 разработчику? Компактность, которая позволяет использовать не только мощные платформы для построения устройств, но и платформы с ограниченными вычислительными возможностями. Кросс-платформенность расширяет выбор аппаратной начинки устройства — возможность применения ARM, MIPS или широко распространённой x86-архитектуры. Для полноценной работы современных микропроцессоров в WEC 7 реализована поддержка многоядерности и оперативной памяти вплоть до 3 Гбайт. Многозадачность: до 32 тыс. одновременно запущенных процессов с виртуальным адресным пространством в 2 Гбайт для каждого процесса; ограничения на количество потоков, исполняющихся в контексте каждого процесса, не накладываются и определяются исключительно возможностями аппаратной платформы — в первую очередь, объёмом оперативной памяти. Уникальная для ОС компании Microsoft архитектура WEC 7 позволяет строить на её основе системы реального времени, причем появившаяся в новой версии поддержка многоядерных процессоров расширяет возможности таких систем. А именно, имеется возможность одновременно обеспечивать требования для работы в режиме реального времени и предоставлять интерфейс пользователя, разработанный с использованием таких современных технологий как, например, Silverlight for Windows Embedded. Безусловно, ввиду особенностей WEC 7 и, в первую очередь, её компактности, кросс-платформенности и работе в режиме реального времени архитектура данной системы отличается от архитектуры настольной системы Windows.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Этот факт означает, как минимум, бинарную несовместимость, т.е. невозможность использования исполняемых файлов драйверов и приложений, разработанных для настольной системы. При этом реализованная модель драйверов, с одной стороны, проще, чем в настольной системе. С другой стороны, инфрастуктура ряда драйверов (Wi-Fi, NDIS) максимально приближена к реализации таковых в Windows 7, что позволяет при необходимости быстро разрабатывать драйверы или использовать существующие наработки. Доступный в компонентной форме функционал системы, полный перечень которого приведён в таблице 1, содержит все необходимые элементы для построения современных устройств. В особенности это касается мультимедийных устройств с расширенными коммуникационными возможностями. Среди всего спектра поддерживаемых в Compact 7 технологий следует отметить новые возможности по разработке интерфейсов устройств — поддержку сенсорных экранов с распознаванием множественных касаний и Silverlight for Windows Embedded.

SfWE –это портированная версия Silverlight 3.0 для работы на устройствах под управлением WEC 7. Особенностью данной реализации Silverlight является то, что разработка приложений ведётся на C/C++. Использование машинного кода даёт выигрыш в производительности и позволяет напрямую взаимодействовать с драйверами. ИНСТРУМЕНТАРИЙ

Возвращаясь к одному из ключевых моментов при выборе системы — средствам разработки, следует отметить, что инструментарий разработчика состоит из Microsoft Visual Studio 2008 Professional c соответсвующим дополнением (Platform Builder), пакета для тестирования устройств (Compact Test Kit), средства для разработки интерфейсов Microsoft Expression Blend 3, а также вспомогательных утилит. Уже само по себе использование VS в качестве основного инструмента проектировщика является неоспоримым преимуществом WEC 7, поскольку, предоставляя мощные средства по разработке кода и его отладке, VS является самой распространенной средой на платформе Microsoft. VS 2008, как известно, является универсальным инструментом по разработке приложений, и изначально в неё не включены средства по разработке образов WEC 7. Специальное дополнение Platform Builder расширяет возможности VS по конфигурированию, сборке и отладке образов WEC 7. Функционал будущего устройства формируется при помощи каталога, который насчитывает несколько сотен компонентов. Компонент является минимальной единицей функциональности, которая может быть добавлена в образ и, очевидно, что между компонентами существуют зависимости, т.е., например, приложения Windows из поставки требуют наличия в образе оконного менеджера и других компонентов графической подсистемы. Важно, что раз-

Таблица 1. Перечень функционала системы WEC 7 Приложения Драйверы устройств ActiveSync Аксселерометр Справка Аудио Клиент RDP 7 Драйвер подсветки WordPad Драйверы шин (I2C, PCI) Office Viewers (Word, Excel, PowerPoint, PDF) Камера Internet Explorer 7.0 + Adobe Flash 10.1 Дисплей Поддержка приложений Устройства ввода/вывода (клавиатура/мышь) .NET Compact Framework 3.5 Сетевые адаптеры Active Template Library (ATL) SD C Libraries and Runtimes Последовательный порт CE Messaging API (MAPI) Smart Card Component Services (COM and DCOM) Устройства хранения (ATAPI, флэш) Lightweight Directory Access Protocol (LDAP) Client USB Message Queuing (MSMQ) USB Audio Object Exchange Protocol (OBEX) Администрирование Pocket Outlook Object Model (POOM) API Simple Network Management Protocol (SNMP) SMS transport for CEMAPI Подсистема хранения SQL Compact Сжатие Standard SDK for Windows Embedded Compact Поддержка баз данных String Safe Utility Functions Репликация файлов и баз данных XML Диспетчер кэширования файлов Коммуникации Реестр Поддержка сетей сотовой связи Файловые системы Connection Manager Binary Rom Image File System MTP Responder CD/UDFS File System Протоколы сетевого взаимодействия (TCP/IP, IPSec, UPnP, exFAT File System SMB, WinSock) Поддержка беспроводных сетей (Wi-Fi, Bluetooth 2.1)

FAT File System

Поддержка удаленных сетей (RAS/PPP, PPPoE, VPN) Сервера DHCP Файловый сервер FTP Принт-сервер (SMB/CIFS) Сервер входящих соединений RAS/PPTP SNTP Telnet Web-сервер

Transaction-Safe FAT File System (TFAT) Файловые системы Binary Rom Image File System CD/UDFS File System exFAT File System FAT File System Transaction-Safe FAT File System (TFAT)

решение подобных зависимостей происходит автоматически, а именно, при добавлении того или иного компонента все необходимые для его работы компоненты добавляются без участия разработчика. Сборка образа системы формально выполняется из исходных кодов, которые поставляются в составе средств разработки Compact 7, но в действительности выполнять сборку полностью из исходных кодов нецелесообразно, поскольку все компоненты системы поставляются в предсобранном виде, что значительно сокращает время сборки. Важной особенностью Platform Builder является возможность отладки образа системы как непосредственно на самом устройстве, так и в эмуляторе. В качестве эмулятора устройства в WEC 7 используется Microsoft Virtual PC — бесплатное средство виртуализации на платформе Microsoft Windows. Помимо аппаратной отладки в средствах разработки WEC7 реализованы специальные механизмы полностью программной отладки, которая не требует каких-либо вспомогательных средств кроме станции разработки, на которой установлены средства разработки, и самого устройства. Для разработчика WEC 7 доступны как стандартные средства отладки VS — стек вызовов,

Шрифты Scripts Symbol UI Web Fonts Wingdings Графическая подсистема Аудиокодеки Графическая подсистема (GDI, DirectDraw) Мультимедиа (аудио-, видеокодеки, DRM, DirectShow) Интернационализация Поддержка кодовых станиц Multilingual User Interface (MUI) Безопасность Kerberos NTLM Schannel (SSL/TLS) Службы сертификатов Оболочка и UI Оконный менеджер Touch Gestures Оболочки Оболочка командной строки Стандартная оболочка Оболочка мультимедийного устройства (Silverlight) Оболочка тонкого клиента Интерфейс Поддержка стандартных элементов управления (Common Controls) Поддержка стандартных диалоговых окон Панель управления (Silverlight for Windows Embedded) Настраиваемый интерфейс (Windows XP-like Sample Skin) Настройки дисплея Настройки по подключению Сетевые настройки Региональные настройки Экранная клавиатура Поддержка сенсорных экранов (Stylus) Настройка Wi-Fi

точки останова, просмотр содержимого переменных и пр., так и целый класс новых для VS средств, которые позволяют удалённо запускать приложения, регулировать в процессе исполнения на устройстве детализацию отладочной информации, выполнять типичные операции по просмотру содержимого файловой системы и реестра, исследовать производительность системы и анализировать её поведение для обеспечения требований по реальному времени. Все эти операции можно выполнять удалённо на самом разрабатываемом устройстве. Практически весь цикл разработки устройств на базе WEC 7 выполняется в среде VS за исключением непосредственно тестирования работы устройства в целом, которое вынесено в отдельный пакет — Compact Test Kit (CTK).

CTK предоставляет расширяемую инфраструктуру для массового тестирования устройств с удобными средствами анализа результатов. В состав пакета входит большое количество библиотек тестирования различных функциональных блоков устройства (графической подсистемы, портов ввода/вывода и т.д.), а также имеется возможность расширить этот набор собственными тестами. Архитектура CTK позволяет запускать тесты как вручную непосредственно на устройстве, так и в автоматическом режиме с сервера

Электронные компоненты №5 2011

27

тестирования, на который будут поступать результаты тестирования. Третьим основным инструментом, но, скорее, дизайнера, чем разработчика, является Microsoft Expression Blend 3, который дополняет возможности VS в плане разработки интерфейсов с использованием Silverlight for Windows Embedded. Основным преимуществом использования SfWE является разделение процесса создания интерфейсной части приложения, то, каким образом оно будет выглядеть, а также логика работы приложения. Как следствие применения такого подхода становится возможным быстро модернизировать интерфейс с минимальными изменениями в коде приложения. ЛИЦЕНЗИРОВАНИЕ

Совместно со средствами разработки поставляются исходные коды основных компонентов системы, в частности, ядра системы. Исходные коды позволяют понять принципы работы ОС в случае, если данных в документации недостаточно. Также имеется возможность использовать предоставленные исходные коды для реализации собственного функционала или выполнить их доработку без каких-либо отчислений в пользу Microsoft или декларирования, т.к. все вносимые модификации полностью остаются за разработчиком и не требуют публикации, как, например, в случае GPL-лицензии. Тем самым при использовании WEC 7 полностью защищены права компанииразработчика. Как и в большинстве продуктов компании Microsoft, для использования WEC 7 в конечных устройствах необходима лицензия на устройство. В WEC 7 доступ-

28

WWW.ELCOMDESIGN.RU

но несколько вариантов лицензий в зависимости от выбранного функционала ОС. В общем случае можно выделить два типа лицензий: базовую и полную. Также предлагается несколько вертикальных лицензий, применение которых ограничено конкретным типом устройств, например, портативными навигационными системами. Гибкая политика лицензирования позволяет выбрать именно тот тип лицензии, который наилучшим образом соответсвует разрабатываемому устройству, что в ряде случаев позволяет ощутимо сэкономить на лицензировании. ВЫВОДЫ

Windows Embedded Compact 7 обеспечивает все необходимые средства проектирования, позволяя полностью охватить цикл разработки образов системы от этапа прототипирования в эмуляторе до всестороннего тестирования.

WEC 7 не только поддерживает широкий набор передовых технологий для разработки современных устройств, но и обладает уникальным рядом особенностей, который может стать определяющим при выборе в пользу данной системы. В первую очередь, к таким особенностям относятся компактность, кросс-платформенность и работа в режиме реального времени. Благодаря развитой экосистеме экспертов и профессионалов вхождение в цикл разработки устройств на базе WEC 7 может быть максимально эффективными быстрым. Для начинающих разработчиков доступны авторизированные курсы и сертификационные экзамены, что также является весомым аргументом в пользу выбора WEC 7.

ОТКРЫТОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ: ЧТО, ЗАЧЕМ И КАК ДЖЕЙСОН КРИДНЕР (JASON KRIDNER), главный архитектор, Texas Instruments В статье рассматривается назначение открытого программного обеспечения и области его применения, анализируются цели и вопросы взаимодействия производителей с сообществом разработчиков ПО на основе открытого исходного кода Linux. В качестве примера рассматривается участие компании Texas Instruments в различных проектах и организациях по разработке открытого исходного кода, в т.ч. в альянсе Open Handset Alliance (OHA), основанном Google.

ВВЕДЕНИЕ

Спрос на электронные устройства, с помощью которых мы разговариваем друг с другом по сотовым сетям связи, работаем в интернете, слушаем музыку или смотрим фильмы, растет с каждым днем. Особенно высокий спрос наблюдается на большой аппаратный функционал, возможность выбрать подходящие приложения и инновационные пользовательские интерфейсы для портативных устройств. Для удовлетворения этих потребностей производители потребительской электроники создают решения с открытым исходным кодом, которые можно вполне законно совершенствовать, не делая лицензионных отчислений. ПЕРЕХОД НА ОТКРЫТОЕ ПО

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

30

Переход на использование открытого исходного кода в потребительской электронике обусловлен фундаментальными переменами на рынке встраиваемых компонентов, например, СнК, процессоров и встраиваемых устройств, к которым мы в данной статье относим любое программируемое электронное устройство, отличное от персонального компьютера (ПК). Одно из фундаментальных изменений, обусловленных, главным образом, успехами в области производства полупроводников и создания новых архитектур, базируется на том факте, что параметры встраиваемых устройств стали сопоставимы с характеристиками настольных компьютеров. В результате встраиваемые устройства уже работают под теми же, что и настольные ПК, или более совершенными операционными системами, а для разработки графических интерфейсов пользователя применяются схожие наборы инструментов. Как следствие, встраиваемые платформы стали доступны широкому

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ряду разработчиков, что привело к возникновению инновационного бума на рынке встраиваемого программного обеспечения. Приложения, доступ к которым прежде был только на ПК, становятся меньше по объему и дешевле. Их можно настраивать и интегрировать в небольшие встраиваемые устройства, на которые имеется рыночный спрос. Помимо того, что эти устройства начинают выглядеть и функционировать как миникомпьютеры, им не требуется привязки к операционной системе в той же мере, что и ПК, пользователи которых рассчитывают на многолетнюю поддержку унаследованного ПО. На быстро меняющемся рынке потребительской электроники пользователям не требуется, за редкими исключениями, поддержки унаследованного ПО, т.к. у них имеется возможность перейти на применение новых интерфейсов и персонализировать свои приложения, что повышает популярность встраиваемых устройств. Для удовлетворения растущего спроса на открытое аппаратное обеспечение вендоры обеспечивают поддержку производителей потребительской электроники, предлагая им разработку приложений с открытым кодом. Например, несколько полупроводниковых вендоров, в т.ч. TI, предлагает пакеты поддержки платформ (board support packages, BSP) для встраиваемых систем, предназначенных для потребительских устройств. Эти пакеты обеспечивают производителей электроники главными инструментами поддержки открытого программного обеспечения. При этом у них отпадают ограничения со стороны ресурсоемкого унаследованного ПО, и возникает возможность самостоятельно выбирать стандартные блоки для реализации своих решений.

Другая заметная перемена заключается в усложнении встраиваемых приложений. В прошлом построение встраиваемой системы с нуля было довольно-таки простым делом. Любой разработчик мог приобрести небольшую операционную систему реального времени (ОСРВ), прочесть, как создается ядро микропланирования, написать код интерфейса пользователя и, по сути, создать всю платформу. Однако каждый из этих уровней усложнился с учетом современных требований, а проектирование продукта с нуля стало весьма дорогостоящим. Коллектив разработчиков может приобрести готовое решение, но затруднения на уровне системы могут воспрепятствовать его дальнейшему использованию, если компания не входит в соответствующую экосистему. Все эти соображения вынуждают производителей потребительской электроники обратиться к решениям с открытым исходным кодом, которые позволяют упростить задачу и воспользоваться плодами труда партнеров-разработчиков. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ LINUX

Наиболее успешными открытыми проектами являются те, которые построены на основе понятных бизнес-моделей и позволяют своевременно выпустить продукт на рынок. Некоторые компании вкладывают в поддержку Linux значительные силы, т.к. рентабельность инвестиций в таком случае очевидна. В частности, разработчики получают эту ОС на безвозмездной основе, получая при этом и другие преимущества. Кроме того, Linux лучше настраивается, чем коммерческие ОС. При изменении таких компонентов этой операционной системы как пользовательский интерфейс, периферия или

файловая система Linux обеспечивает большую гибкость, позволяя создавать портативные мультимедийные плееры, приставки для телевизоров, навигационные и другие системы. В целом Linux имеет явные преимущества за счет больших возможностей настройки и разделению затрат между всеми участниками проекта. Недостатки Linux — в невысокой приспособленности изделий к требованиям заказчика и в ее применении в вертикально-интегрированных решениях. Встраивание СФ-блоков оригинальной разработки в Linux может оказаться затруднительным в силу их закрытости. Часто при этом возникают трудные правовые вопросы. Например, если разработчики встраивают в ядро код, нарушающий условия использования СФ-блоков, кто несет за это ответственность? Как решается в таком случае вопрос об управлении цифровыми правами? При этом, однако, у компаний-собственников имеется возможность разделять ответственность с помощью цепи дистрибуции, устанавливая контроль над появляющимися системами на основе Linux. В настоящее время проектирование на основе Linux ведется в направлении приложений для предприятий, где разработчики оборудования вносят свой вклад в создание ПО для поддержки новейших серверных платформ. Рынок встраиваемых систем тоже растет быстрыми темпами, и не только в сегментах сотовых телефонов. Для некоторых заказчиков открытый исходный код является тем решением, которое позволяет быстро

Краткая характеристика организаций, с которыми TI сотрудничает в направлении развития открытых платформ Linux LiMo Foundation — промышленный консорциум, занимающийся вопросами создания открытой аппаратно-независимой ОС на базе Linux для мобильных устройств. В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

32

Linux Foundation — некоммерческий консорциум, целью которого является дальнейшее развитие Linux, повышение ее уровня стандартизации и укрепление технического сотрудничества.

Consumer Electronics Linux Forum — международное сообщество разработчиков Linux в качестве открытой платформы для потребительской электроники.

Open Handset Alliance — бизнес-альянс 48 компаний по разработке открытых стандартов для мобильных устройств. Подробнее об этих организациях см. на сайте opensource.ti.com.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

интегрировать новый функционал в продукцию и внедрить инновационные технологии на все уровни программного обеспечения, не нарушив при этом банка данных. Если аппаратные средства системы имеют, по меньшей мере, ОЗУ объемом в 32 Мбайт, базовые платформы можно построить с помощью Linux, обеспечив также системную поддержку. Например, TI поддерживает Linux с помощью процессоров OMAP и цифровых мультимедийных процессоров на основе технологии DaVinci. Процессоры приложений OMAP 3 предназначены для широкого ряда мобильных телефонов, смартфонов, мобильных интернет-устройств и другой переносной электроники с современными пользовательскими интерфейсами и функциями, тогда как процессоры на базе DaVinci применяются для поддержки видео высокого разрешения. В процессорах OMAP3525 и OMAP3530 реализован оптимизированный по энергопотреблению видеои аудиоускоритель, используемый в технологии DaVinci для обработки потокового видео и работы с изображениями высокого разрешения. Макетная плата процессоров OMAP35х поддерживает открытый исходный код Linux и в дальнейшем будет поддерживать Windows Embedded CE 6.0. Поначалу TI поддерживала только коммерческие дистрибутивы Linux, например, MontaVista Linux. В ответ на растущий спрос на ОС с большей гибкостью TI усилила поддержку предложений сообщества разработчиков на уровне драйверов. Кроме того, TI сотрудничает с рядом организаций, способствующих расширению использования Linux, в т.ч. с такими как LiMo Foundation, Linux Foundation, Consumer Electronics Linux Forum и альянсом OHA (см. врезку).

GOOGLE ANDROID, ПК И ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

В ноябре 2007 г. компания Google анонсировала Android — мобильную платформу на основе Linux. Вместе с Android компания Google также объявила о создании альянса OHA, в который вошли производители сотовых телефонов, полупроводников, операторы мобильной связи и разработчики приложений на базе ОС Android. TI является учредителем этого альянса. Предлагая открытый вариант в качестве альтернативы закрытым платформам, с которыми работает большинство операторов беспроводной связи, Google и ее партнеры надеются ускорить инновационный рост и повысить качество пользования веб-сервисами. Мобильные телефоны на базе Android получают большой спрос на рынке, о

чем, например, свидетельствуют продажи компании HTC. Компания TI оказывает большую поддержку в продвижении Android. В 2007 г. она объявила о сотрудничестве с Google, поддержке альянса OHA и платформы Android своими процессорами OMAP. На конгрессе Mobile World Congress, состоявшемся в 2008 г., TI представила самый первый прототип телефона на основе ОС Android и другие достижения на базе этой системы. В прототипе использовался процессор OMAP850, в котором объединялись два ядра — для прикладных задач и управления радиомодулем. К прототипу прилагалась плата разработки на основе Android. Эта операционная система находит широкое применение у производителей мобильных телефонов, полупроводников и операторов беспроводной связи, совместно работающих над созданием многочисленных устройств на базе Android. Таким образом, разработчики приложений получили возможность писать ПО для широкого ряда телефонов, что делает их усилия более плодотворными. Кроме того, развитая экосистема программного обеспечения предоставляет потребителям больший выбор по таким параметрам как функциональность устройств, форм-фактор и пользовательский интерфейс. В свою очередь, потребители стали приобретать большее количество телефонов на базе Android, загружать больше приложений и подписываться на большее количество услуг. Выиграли все. МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ФУНКЦИОНАЛОМ ПК

Нужны ли пользователям устройства на основе открытого программного обеспечения, если у пользователей есть ПК? Традиционное представление о конвергенции встраиваемых устройств допускает их объединение в персональном компьютере (см. рис. 1). Последние тенденции развития рынка свидетельствуют о том, что при сохранении мобильности электронных устройств гораздо проще реализовать в них самые важные функции компьютера, чем функционально переориентировать сами ПК. Мобильные электронные устройства дешевеют, становятся более производительными и, что важнее, оснащаются мультимедийными функциями, в большей мере отвечая рыночному спросу. Такие устройства с основными функциями ПК уже появились на рынке. Например, мультимедийный планшет ARCHOS представляет собой интернет-устройство на базе прикладного процессора OMAP 3, которое объединяет функции MP3-плеера,

Рис. 1. Традиционное представление о конвергенции устройств

Рис. 2. Миниатюрная плата Beagle Board

видеоплеера и общей вычислительной платформы.

веб-камеры, адаптеров Wi-Fi и Ethernet. Разъем MMC/SD позволяет расширить память и добавить SDIO-модули Wi-Fi и Bluetooth. Плата оборудована разъемами звуковой подсистемы.

ПРИВЕРЖЕННОСТЬ TI ОТКРЫТОМУ ПО

Инженеры TI регулярно используют инструменты открытого программного обеспечения для проектирования кристаллов, разработки приложений и ИТ-инфраструктуры, а также поддерживают сообщества разработчиков открытого ПО, способствуя созданию инновационных решений. Взаимодействие с сообществами разработчиков позволяет устанавливать новые взаимоотношения и контакты, пополнять знания и получать новые возможности. Важно и то, что благодаря такому общению TI начинает лучше понимать требования заказчиков и в более полной мере удовлетворять их спрос. Например, небольшая группа инженеров-энтузиастов, увлекающихся созданием мощных встраиваемых устройств на основе открытого ПО, разработала концепцию и создала миниатюрную плату Beagle Board размером 3×3 дюйма с пассивным охлаждением (см. рис. 2). Новинка ориентирована на энтузиастов разработки открытого программного обеспечения и тех, кто любит мастерить встраиваемые системы. Эта плата позволяет реализовать

творческие идеи, не испытывая ограничений со стороны дорогостоящих аппаратных средств разработки, недостаточной производительности, большого энергопотребления и неудобных сред. Плата Beagle Board расширяет настольный ПК дополнительной аппаратной платформой, сопоставимой по производительности с мининоутбуком. Плата питается от порта USB. В ее конфигурацию входит процессор, графическое ядро и цифровой сигнальный процессор, являющиеся частями прикладного процессора TI OMAP3530.

600-МГц ядро ARM Cortex-A8 обеспечивает производительность на уровне 1200 Dhrystone MIPS. Оно может работать под управлением ОС Linux. Интегрированное графическое ядро поддерживает OpenGL ES 2.0. Ядро цифрового сигнального процессора C64x+, работающее на частоте 430 МГц, позволяет воспроизводить видео высокой четкости (декодирование MPEG-4 в формате 720p). Плата оснащена 128 Мбайт оперативной памяти DDR и 256 Мбайт флэш-памяти типа NAND. Набор периферийных узлов и интерфейсов включает USB 2.0, MMC/ SD/SDIO, DVI-D, S-Video, I2S, I2S и SPI. Наличие USB обеспечивает подключение концентратора, клавиатуры, мыши,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на то, что разработка открытого программного обеспечения сталкивается с определенными трудностями, все большее число компаний, поддерживающих совершенствование открытого ПО, понимает, насколько важно решать возникающие проблемы. Благодаря поддержке со стороны поставщиков оборудования появляется развитая экосистема, обеспечивающая больше возможностей производителям электроники. Достижения в области открытого программного обеспечения облегчают проектирование встраиваемых систем, а также исключают необходимость совершать лицензионные отчисления, что позволяет снизить стоимость проектов и воспользоваться возможностями экосистемы для реализации заказных функций. Конвергенция устройств и появление дополнительного функционала способствует повышению рыночного спроса. В этом и заключается привлекательность открытого исходного кода. В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

СОБЫТИЯ РЫНКА

33

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «ПРОЦЕССОРЫ» | К этой категории относятся компании, которые разрабатывают микропроцессоры, центральные процессоры, а также соответствующие средства разработки аппаратно-программного обеспечения. Среди финалистов данной номинации оказались ARM, Freescale Semiconductor, Intel Corp. и Texas Instruments. Победителем стала компания ARM, которая практически собственными силами создала бизнес по лицензированию интеллектуальной собственности, стала доминирующим разработчиком и поставщиком IP-ядер для широкого ряда вендоров.

ARM-ядра находят применение в таких ИС как СнК для мобильных телефонов, планшетных компьютеров, переносных мультимедийных устройств и большого числа других продуктов. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

Платы Kontron на Intel Core II-го поколения упрощают проектирование встраиваемых систем и портирование ПО НОРБЕРТ ХАУЗЕР (NORBERT HAUSER), вице-президент по маркетингу, Kontron AG Высокоинтегрированные процессоры Intel® Core™ i3/i5/i7 второго поколения скоро будут использоваться во всех встраиваемых форм-факторах, начиная от малогабаритных и заканчивая высокопроизводительными системами. Однако возникает вопрос: как сделать правильный выбор при покупке новой процессорной платы для разработки встраиваемой системы, если на рынке уже есть платы от разных поставщиков? Примером компании, обеспечивающей всем своим платам дополнительные преимущества, служит международный холдинг Kontron, поставляющий межплатформенный EAPI-интерфейс, который унифицирует доступ к аппаратным функциям и наплатному вводу-выводу. Разработчикам и OEM-производителям это позволяет значительно сократить затраты на проектирование систем и перенос наработанного ПО на новые аппаратные платформы. Нетрудно заметить, что именно такие программные инструменты как Kontron EAPI являются существенной отличительной особенностью, которая может оказать влияние на выбор оборудования от того или иного поставщика. В семействе процессоров Intel® Core™ второго поколения значительно повышена вычислительная мощность, увеличена скорость обработки графической информации и снижено энергопотребление. Благодаря устойчивой тенденции по улучшению соотношения между производительностью и энергопотреблением, а также уменьшению размера процессорного кристалла, это семейство становится ключевым кандидатом на замещение в 2011 г. почти всех существующих х86-платформ за исключением класса Intel® Atom™. Давайте рассмотрим, в чём именно состоит секрет привлекательности новых процессоров. НОВАЯ ПРОЦЕССОРНАЯ АРХИТЕКТУРА

34

Процессорная линейка Intel® Core™ второго поколения базируется на новой микроархитектуре, которую сами разработчики характеризуют как visibly smart, что можно шутливо перевести как «умище не спрячешь!». Она включает в себя новый процессорный разъём, известный как LGA-1155, и значительно более широкий спектр функций. Кроме встроенного контроллера памяти (с поддержкой коррекции ошибок — ECC) и PCIe 2.0 (5 GTps) на кристалле новейшего процессора размещён сверхмощный графический блок. Это означает, что графический блок также выполнен по 32-нм процессорной технологии и потому работает с большей энергоэффективностью. Более того, тактовая частота графического блока может изменяться, что способствует ещё большей оптимизации энергопотребления нового процессора. Новая кольцевая архитектура позволяет графическому и процессорному ядрам очень эффективно разделять такие ресурсы как кэш или память. Разработчики приложений смогут использовать новые возможности, которые открываются благодаря значительно улучшенным вычислительным и графическим характеристикам новых процессоров, не выходя при этом за пределы прежнего энергопотребления.

поколение процессоров Intel становится оптимальным выбором для создания малогабаритных устройств, которые получают все преимущества четырёхъядерной архитектуры. Однако применением во всё более миниатюрных мобильных приложениях процессорное семейство Intel® Core™ 2-го поколения не ограничивается: благодаря высокой степени масштабируемости вычислительных возможностей, функциональности и энергопотребления оно пригодно для полного спектра встраиваемых приложений вплоть до высокопроизводительных встраиваемых вычислений (high-performance embedded computing — HPECприложений), в которых может быть задействовано до четырёх ядер каждого процессора. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УЛУЧШЕНИЯ

Что касается особенно ресурсоёмких приложений, то в новых процессорах предусмотрена технология Turbo Boost. С её помощью ресурсы процессорных и графических ядер автоматически перенастраиваются в сторону увеличения производительности, а вычислительная нагрузка перераспределяется таким образом, что пользовательские приложения в любой необходимый момент получают в своё распоряжение немедленный рост производительности. Ещё одно новшество, связанное с новыми процессорами, — это расширение системы команд до 256 бит, известное как Advanced Vector Extensions (AVX). Оно увеличивает производительность, расширяет функциональность и улучшает возможности по управлению, изменению и сортировке данных. Новая система команд ускоряет выполнение операций с плавающей запятой в приложениях с интенсивными вычислениями, такими как сверхбыстродействующие вычислительные комплексы («цифромолотилки») или цифровая обработка изображений, видео- и аудиоинформации. УПРАВЛЕНИЕ ОГРОМНЫМИ МАССИВАМИ ДАННЫХ

ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬ ИНТЕГРАЦИИ

Благодаря уменьшению занимаемой новым процессором площади на 22% появляется возможность высокого уровня интеграции печатных плат. Вот почему новое

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Благодаря новым возможностям встраиваемые платформы на базе процессоров Intel® Core™ 2-го поколения становятся идеальным решением для реализации приложений, требующих обработки огромных массивов инфор-

35

WWW.ELCOMDESIGN.RU

интерфейсов. А это открывает перспективы для второй новой области применений — использования промышленных серверов с максимально «тонкими» клиентами, в составе которых только клавиатура, видеомонитор и мышь (KVM), что значительно сокращает расходы на установку и обслуживание оборудования, а также повышает его ремонтопригодность. Однако главный выигрыш, который достигается в этой сфере применения, — значительно возросшая скорость обработки графической информации. НОВЫЙ СТАНДАРТ ДЛЯ X86-ОБОРУДОВАНИЯ ВЫХОДИТ НА РЫНОК В РАЗНЫХ ОБЛИЧИЯХ

Рис. 1. Kontron ETXexpress-SC, первый «компьютер-на-модуле» в формате COM Express™ basic с четырёхъядерным процессором Intel® Core™ i7 2715QE 2-го поколения, концентратором ввода-вывода Intel® Mobile QM67 и портом USB 3.0

Рис. 2. Процессорный модуль Kontron CP6003-SA в формате 6U CompactPCI на базе Intel Core 2-го поколения

Благодаря столь привлекательному спектру новых характеристик процессоры Intel® Core™ i3/i5/i7 2-го поколения становятся идеальными кандидатами для замены многих существующих процессорных платформ в новых разработках. Учитывая тот факт, что технологии Intel® Core™ 2-го поколения — это важнейший этап в области развития встраиваемых компьютерных технологий, компания Kontron внедряет передовые высокопроизводительные энергоэкономичные процессоры в стандартные форматы изделий для встраиваемых систем — от «компьютеров-намодуле», одноплатных компьютеров и материнских плат до высокопроизводительных систем VPX и CompactPCI. Первой ласточкой в череде продуктов на основе новой генерации высокоинтегрированных процессоров Intel стал «компьютер-на-модуле» ETXexpress-SC стандарта COM Express (см. рис. 1). В первом полугодии 2011 г. за ним последовали встраиваемые материнские платы KTQM67/ mITX и KTQM67/Flex-ATX, а также процессорные модули 6U CompactPCI CP6003-SA (см. рис. 2) и 3U VPX VX3035 (см. рис. 3). В течение 2011 г. планируется выпустить модули в других форматах, включая 3U CompactPCI, PCIe/104™ и ATX, а также несколько промышленных ПК для рынков промышленной автоматики, транспорта и иных ответственных применений. ЕДИНЫЙ ВСТРАИВАЕМЫЙ API-ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ВСЕХ БУДУЩИХ ПЛАТФОРМ

36

Рис. 3. VPX-модуль Kontron VX3035 формата 3U с процессором Intel Core 2-го поколения

мации в условиях ограниченного энергопотребления. Первая область применений, где будут востребованы инновации типа AVX и улучшенные характеристики обработки графической информации, связана с системами, обеспечивающими ситуационную осведомлённость, и такими приложениями как радары, сонары, обработка изображений, видеонаблюдение с распознаванием и автоматизированная диагностика (computer-aided diagnostics, CAD). Встроенные платформы, оснащённые ЦП с новыми графическими ядрами, могут также управлять тремя независимыми дисплеями. Используя новые цифровые графические интерфейсы типа DisplayPort с допустимой длиной подключаемого без репитеров кабеля до 30 футов (порядка 10 м — прим. ред.), появляется возможность создания централизованной компьютерной архитектуры с децентрализованным подключением дисплеев для реализации удалённых человеко-машинных

WWW.ELCOMDESIGN.RU

С появлением на рынке всё большего количества плат, систем и платформ на основе новых процессоров Core 2-го поколения перед разработчиками и OEMпроизводителями встаёт задача внедрения этой передовой технологии в новые и существующие приложения, включая макетирование и тестирование всех функциональных возможностей приложения и доступ к функциям аппаратных средств и устройств ввода-вывода. Для сокращения затрат на НИОКР, снижения общих расходов и ускорения выхода готового продукта на рынок очень важно сократить количество работ на начальных этапах разработки и в процессе переноса старого ПО на новые платформы. Один из подходов — воспользоваться услугами по переходу на новые платформы, которые предоставляются поставщиками аппаратных компонентов. Особенно удобен и экономически выгоден этот подход в случаях, когда поставщик предлагает такие услуги для платформ со стандартизованными и унифицированными программными интерфейсами типа PICMG® Embedded Application Programming Interface (EAPI) или IPMI, поскольку для доступа к аппаратным функциям не требуется внесения значительных изменений. Тем не менее даже эти интерфейсы имеют ограничения, связанные со специализированными функциями и форм-факторами. Для того чтобы услуги по переходу на новые платформы стали ещё удобнее, дешевле и эффективнее, есть много чего другого, что может быть стандартизовано в дальнейшем. Исходя из подобных соображений, компания

интерфейса Kontron EAPI реализуется специалистами Kontron для всех новых стандартных модулей этой компании. В ближайших планах холдинга — добавление в спецификацию новых функций при сохранении обратной совместимости с существующей спецификацией. Всё это поможет разработчикам и OEM-производителям в управлении жизненным циклом своих изделий и значительно увеличит время присутствия на рынке уже разработанных приложений независимо от типа форм-фактора и использованного в этом приложении поколения процессоров. ЗАКАЗНЫЕ РАЗРАБОТКИ, ВКЛЮЧАЯ ОПЦИИ ВВОДА-ВЫВОДА НА БАЗЕ FPGA-МАТРИЦЫ Рис. 4. Для всех новых аппаратных платформ Kontron, предназначенных для создания встраиваемых систем, обеспечивается стандартный доступ и управление аппаратными ресурсами с помощью нового межплатформенного промежуточного ПО — Kontron EAPI

38

Kontron выпустила Kontron EAPI — кросс-платформенное промежуточное ПО, полностью независимое от используемых форм-факторов и операционных систем (см. рис. 4). Оно совместимо с EAPI PICMG, как утверждается в последней спецификации COM Express — COM.0 rev. 2, но не зависит от форм-факторов и операционных систем и обладает расширенным набором возможностей: включает дополнительные вызовы функций, такие как работа с основной системной информацией (например, о ЦП, памяти, жёстком диске и батарее питания), мониторинг температуры и напряжения, управление рабочими характеристиками и температурным режимом ЦП. Все эти программные интерфейсы с аппаратными средствами можно легко связать с языками программирования высокого уровня типа C++ или Java, значительно упростив процесс разработки системного и прикладного ПО. Кроме того, все подобные наработки, сделанные в предыдущем проекте, могут повторно использоваться при переходе на другие платформы Kontron. Это не только сокращает количество работы, необходимой для макетирования и тестирования создаваемого продукта, но и ускоряет его выход на рынок. В дополнение ко всему сказанному, в унифицированные API-интерфейсы добавлены функции дистанционного мониторинга и управления, что позволит улучшить обслуживание, облегчить ремонт и снизить общую стоимость владения конечной системы. Такой стандартизированный интерфейс OEM-производители могут использовать и для того, чтобы предложить своим заказчикам дополнительные услуги: дистанционное обновление ПО, дистанционный мониторинг работы оборудования и расширенные возможности планового обслуживания. Унифицированный интерфейс позволит сократить расходы на НИОКР и упростить переход на новые платформы. Теперь появилась возможность проводить начальное макетирование новой разработки, например с использованием «компьютера-на модуле» с платой-носителем, а далее перенести и вести разработку на материнской плате или модуле VPX. Благодаря предлагаемым услугам по переходу на новые платформы заказчики могут использовать описываемые новейшие технологии во всех подходящих форм-факторах одновременно с появлением новых процессоров на рынке. Кроме того, сам переход значительно упрощается, что ведёт к экономии времени. Особенно важно отметить то, что для разработчиков программного обеспечения наступает новая эпоха. Как только новый интерфейс реализован, каждый дополнительный переход на новые платформы становится гораздо проще. Кроме того, к новым аппаратным функциям можно будет обращаться на высоком уровне абстракции, что существенно сокращает трудоёмкость разработки. Спецификация 1.0

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Кроме поставок встраиваемых компьютерных технологий в стандартных форм-факторах, Kontron предлагает развитые услуги по проектированию для своих новых процессорных платформ. Спектр этих услуг простирается от модификации плат в соответствии с требованиями заказчика (когда у стандартного модуля убираются ненужные функции или в него добавляются необходимые) до проектирования, производства и требуемой сертификации полностью заказных модулей, систем и платформ, готовых для применения. 20-ти каналов PCIe, предоставляемых процессорами Intel Core 2-го поколения, более чем достаточно для реализации быстродействующих вычислителей — «цифродробилок» с ЦОС на базе FPGA-матрицы. Все возможные прошивки FPGA параллельно с выпуском на рынок нового процессора можно напрямую тестировать и моделировать с помощью стартового комплекта COM Express FPGA Starter Kit. Комплект имеет два высокоскоростных HSPMCинтерфейса, управляемых FPGA-матрицей Altera Cyclone IV GX, и поддерживает COM Express модуль ETXexpress-SC на базе Core 2-го поколения. УСЛУГИ ПО ПЕРЕНОСУ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НА НОВЫЕ ПЛАТФОРМЫ

Глобальный центр программных разработок компании Kontron предлагает услуги по переносу прикладного ПО на новые платформы с EAPI-интерфейсом. В отличие от обычного процесса портирования, данные услуги обеспечивают возможность для программистов сократить объёмы двоичного кодирования, которое приходится выполнять разработчикам и OEM-производителям для доступа к необходимым аппаратным функциям. В целом затраты на НИОКР уменьшаются уже во время первого проектирования новой платы, в которой реализуется EAPI-интерфейс. Инженеры-программисты могут создавать новые и совершенствовать имеющиеся функции параллельно, добиваясь максимально возможных рабочих характеристик разрабатываемого приложения. При будущих модернизациях аппаратной платформы им не понадобится большое количество услуг по переносу ПО, поскольку они смогут использовать платформы с EAPI-интерфейсом в режиме «установи и запусти», не дорабатывая какие-либо программные коды. С этим покончено благодаря тому, что для доступа к аппаратным средствам и устройствам ввода-вывода используются интерфейсы с полностью идентичными функциями. При этом устранена всякая зависимость от какого-либо форм-фактора. В результате рабочие взаимодействия между программистами OEMпроизводителя и поставщиками аппаратных компонентов становятся максимально понятными и прозрачными. Ожидается, что благодаря массовому использованию стандартизованных интерфейсов доступа к аппаратным средствам между поставщиками встраиваемых плат и программными подразделениями компаний-разработчиков и OEM-производителей установится новая эффективная форма сотрудничества.

COM EXPRESS 2.0: НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССОРОВ ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ КРИСТИН ВАН ДЕ ГРААФ (CHRISTINE VAN DE GRAAF), менеджер продукта, Kontron

В статье обсуждаются особенности новой версии стандарта COM Express, которые позволяют реализовать более высокую производительность и расширенные возможности графики новейших процессоров во встраиваемых приложениях. Подробно рассмотрены типы разводок и форм-факторы новой спецификации. Статья представляет собой перевод [1].

РАЗВОДКА КОНТАКТОВ РАЗЪЕМОВ: ОТ TYPE 1 ДО TYPE 5

Целью консорциума PICMG, разрабатывающего универсальные спецификации интерфейсов и форм-факторов, является предоставление разработчикам единой платформы, на которой можно проектировать перспективные продукты, рассчитанные на длительный период эксплуатации. Контакты в разводке Type 1 выводятся на один разъем, эта разводка поддерживает традиционные интерфейсы хоста и коммуникационные интерфейсы. В разводке Type 2 добавлен второй разъем и обеспечивается поддержка 32-разрядного интерфейса PCI, а также

портов IDE для устройств PATA и карт памяти CompactFlash. Имеются также дополнительные линии PCI Expres, которые поддерживают графику PCI Express Graphics (PEG). Сравнивая разводку Type 3 и Type 2, можно заметить, что в разводке Type 3 заменены только контакты IDE, что обеспечивает поддержку дополнительных каналов Gigabit Ethernet (GbE). Таким образом, в Type 3 нет устаревших интерфейсов, но теперь поддерживается до трех каналов GbE. В разводке Type 4 контакты, зарезервированные для PCI, перераспределены, в результате чего освобождаются выводы для 10 дополнительных каналов PCI Express. Они могут быть использованы как линии 0—15 PCIe или как линии 16—31 второго порта PEG. Наконец, разводка Type 5 объединяет все изменения в разводке Type 3 и 4.

TYPE 6: НОВЫЙ УРОВЕНЬ ПОДДЕРЖКИ ГРАФИКИ

Организация PICMG разработала разводку Type 6 стандарта COM Express специально для реализации расширенных графических возможностей новых семейств процессоров. В разводке Type 6 прежние контакты PCI используются теперь для поддержки интерфейса цифрового дисплея и для дополнительных линий PCI Express. Кроме того, контакты, которые раньше использовались для интерфейса IDE, теперь зарезервированы для перспективных технологий, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. Одной из таких перспективных технологий может стать SuperSpeed USB, т.к. 16 свободных контактов обеспечивают достаточное число линий для реализации портов USB 2.0, как интерфейса SuperSpeed USB (USB 3.0), который требует дополнительную пару линий по сравнению с USB 2.0. Корпорация Intel выбрала PEG в стандарте COM Express в качестве

высокоскоростной шины для подключения внешних графических карт. Такие карты удовлетворяют растущие требования по производительности, а также обеспечивают поддержку различных выходных устройств. Разводка Type 6 и была внедрена, главным образом, для соответствия этим требованиям. Разводка Type 6 поддерживает продвинутые опции графики с помощью трех новых портов, специально выделенных для новых цифровых дисплейных интерфейсов Digital Display Interfaces (DDI). При проектировании встраиваемых систем можно сконфигурировать эти порты индивидуально для интерфейса HDMI (или электрически совместимого с ним интерфейса DVI) или интерфейса DisplayPort (DP). Порт 1 DDI поддерживает дополнительный последовательный цифровой видеовыход Serial Digital Video Output (SDVO). В разводке Type 6 выход SDVO не мультиплексирован на порте PEG (такое мультиплексирование было возможным в разводке Type 2). Однако с введением Type 6 внешняя графическая карта PEG может быть использована параллельно со встроенной графикой, например, в приложениях, использующих более четырех экранов или для обработки данных с использованием графических процессоров (Graphics Processing Units — GPU). Поддержка SDVO теперь официально входит в состав спецификации COM Express версии 2.0. Благодаря интерфейсу SDVO, который поддерживается чипсетом Intel, стандарт COM Express получил гибкие возможности обслуживания широкого спектра графических сигналов. Например, разработчики теперь могут легко реализовать интерфейс DVI, который позволяет эффективно интегрировать цифровые мониторы и двухдисплейные решения Разводка Type 6 позволяет использовать графические интерфейсы

Электронные компоненты №5 2011

39 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Новые функциональные возможности, которые Intel, AMD и другие производители реализовали в своих последних семействах процессоров, вызвали необходимость создания новых версий спецификаций, которые соответствовали бы требованиям новых архитектур кристаллов. Значение поддержки усовершенствованных графических возможностей и новых дисплейных технологий для встраиваемых компьютерных платформ все более возрастает. Организация PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) недавно выпустила версию 2.0 стандарта COM Express для встраиваемых систем последнего поколения, т.к. в новейших процессорных архитектурах были реализованы новые графические возможности и усовершенствованная поддержка дисплеев. Однако чтобы использовать преимущества улучшенных функциональных свойств и применить их при разработке устройств в малом форм-факторе, требуется, чтобы разработчики точно знали разводку контактов разъемов всех типов для версии 2.0 и учитывали важные особенности спецификации при реализации в новых устройствах.

DisplayPort, HDMI и DVI через порты DDI. DisplayPort является универсальным интерфейсом и в отличие от HDMI стандартизирован организацией VESA на бесплатной основе, что обеспечивает его растущую популярность.

DisplayPort имеет не только намного более высокую скорость передачи данных в 17,28 Гбит/с (по сравнению с 2,835 Гбит/с в LVDS и 4,95 Гбит/с в DVI), но также использует микропакетный протокол, допускающий простое расширение стандарта. DisplayPort также поддерживает вспомогательный канал. Это позволяет организовать двунаправленное соединение для управления устройствами в соответствии со стандартами VESA, такими как E-DDC, E-EDID, DDC/CI и MCCS, что позволяет обеспечить работу устройств в режиме plug-and-play. Кроме того, вспомогательный канал интерфейса DisplayPort может быть использован для подключения периферии, например, сенсорных панелей, USB-устройств, фотокамер и микрофонов.

DisplayPort мог бы, в конечном итоге, заменить HDMI (наиболее популярный сегодня интерфейс на потребительском рынке). Интерфейс HDMI не был специально разработан для рынка встраиваемых систем, и опыт разработок в этой области показал, что необходимость изменения драйвера и механической конструкции HDMI возникает нередко. Интерфейс DisplayPort лучше приспособлен для встраиваемых приложений, в которых требуется обеспечить длительный срок эксплуатации (до 7 лет).

TYPE 10: ПЕРЕХОД К БОЛЕЕ КОМПАКТНОМУ ФОРМ-ФАКТОРУ

Разводка Type 10 отвечает требованиям новейших и наиболее компактных процессоров. При переходе со спецификации Type 1 на Type 10 следует обращать особое

внимание на их отличия, несмотря на то, что оба типа разводки совместимы между собой. В разводке Type 1 для портов SATA 2 и 3 выделены контакты в рядах A и B, но в разводке Type 10 они специально для этого не предназначены. Эти контакты могут быть все же использованы как порты SATA, но теперь они зарезервированы для других возможных применений, таких как USB 3.0. При переходе с Type 1 на Type 10 рекомендуется не соединять устройства SATA 2 и 3 через модульный разъем, чтобы модули оставались совместимыми и в то же время готовыми к введению USB 3.0. На рисунке 1 показаны отличия разводки Type 1 и Type 10. С разработкой COM Express версии 2.0 разводки Type 10 и Type 6 стали поддерживать последовательные порты. Контакты для этих портов раньше использовались для напряжения питания 12 В. Однако специализированные производители, подобные компании Kontron, гарантируют совместимость с существующими платами с помощью применения защитных цепей на модуле. Разработчики могут воспользоваться новыми возможностями последней спецификации, при этом избегая затрат времени и других ресурсов на полный пересмотр топологии существующих плат-носителей. Еще одним отличием является то, что в Type 10 используется второй канал LVDS, ТВ-выход и VGA для поддержки порта SDVO (в качестве альтернативы — DisplayPort или HDMI/DVI) через DDI. Несмотря на то, что порт VGA был исключен из разводки Type 10, его не потеряли, просто ожидается, что в будущем он будет играть лишь вспомогательную роль. Модули Type 10 (например, модули nanoETXexpress-TT от Kontron) обеспечивают встроенную поддержку не только дисплейных интерфейсов последнего поколения, но также сдвоенных независимых дисплеев, т.к. они

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

40

Рис. 1. Переход с разводки Type 1 на разводку Type 10 при введении спецификации COM Express Rev 2.0 отвечает требованиям сверхкомпактных процессоров последнего поколения

WWW.ELCOMDESIGN.RU

продолжат поддерживать LVDS-канал. Потребители, которые используют сверхкомпактные модули (например, nanoETXexpress-SP от Kontron), могут не обнаружить особой разницы в разводке. Модули Type 1 на базе процессора Atom были разработаны так, чтобы в них были зарезервированные контакты порта VGA и контакты второго канала LVDS для поддержки SDVO. Type 10 и Type 6 теперь поддерживают сигналы Secure Digital I/O (SDIO), которые мультиплексированы с существующими сигналами GPIO. Опционально добавляются два последовательных TTL-порта на 3,3 В, которые могут потребоваться во многих традиционных приложениях. Эти изменения демонстрируют гибкость стандарта PICMG, который старается своевременно отвечать требованиям рынка. Оба порта можно использовать для интерфейсов различного назначения, например, для RS-232, RS-485, CANbus и других 2-проводных интерфейсов. ОБЩИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Еще одним изменением, которое затрагивает все типы модулей COM Express, является то, что разъемы в сегодняшнем виде разрешены для передачи сигналов PCI Express Gen2. Хотя никаких физических изменений в разъем или его контакты введено не было, разработчики должны соблюдать новые правила по разводке модулей и плат для PCI Express Gen2. Кроме того, контакты порта AC’97 используются теперь для поддержки AC’97 и HD-аудио. Другим нововведением, которое касается всех разводок, является то, что кроме прежнего набора портов для встроенного программного обеспечения, имеется новый интерфейс BIOS для внутренней и внешней загрузки, который реализован в процессорах последнего поколения. Это последовательный интерфейс SPI, который предназначен для подключения встроенного программного обеспечения во флэшпамяти на модуле и плате-носителе. В спецификации зарезервированы контакты для SPI. В спецификации COM Express версии 2.0 определена поддержка внешнего микропрограммного обеспечения для всех типов модулей. Интерфейс Low Pin Count (LPC) обслуживал микропрограммное обеспечение в предыдущей версии спецификации, а новые модули должны поддерживать SPI, но они могут поддерживать и встроенное программное обеспечение во внешней флэш-памяти через LPC (если в используемом чипсете предусмотрена его поддержка). Причиной этого изменения является то, что новые компактные процессоры поддерживают только устройства с загрузкой по SPI.

ПРЕИМУЩЕСТВА БОЛЕЕ КОМПАКТНОГО ФОРМ-ФАКТОРА

Спецификация COM Express версии 2.0 определяет размеры нового модуля компактного форм-фактора (95×95 мм), и кроме уменьшенного посадочного места, физических требований, размещения разъема и разводки, они в точности те же, что и в базовом форм-факторе. Преимущество заключается в том, что широко распространенные устройства, использующие разводку Type 2, могут теперь применяться в приложениях, предназначенных для работы в ограниченном пространстве (см. рис. 2). ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 2. Новый компактный форм-фактор COM Express 95×95 мм позволяет создавать мобильные системы с размерами планшетного компьютера в рамках спецификации COM Express

на-модуле (Computers-On-Modules), COM Express является важным инструментом для перспективных разработок на рынке встраиваемых приложений. Сильные стороны концепции COM Express полностью подтвердились и были продемонстрированы в версии 2.0 разработкой нового компактного форм-фактора и двух новых типов разводок разъемов. Этот стандарт обеспечил полную совме-

стимость с существующими приложениями и адаптировал признанные рынком спецификации к новым требованиям и функциональным возможностям процессоров последнего поколения. ЛИТЕРАТУРА 1. Christine Van De Graaf. COM Express Rev. 2.0 welds new chip functionality to embedded needs//http://embedded-computing.com

41 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Обновленная спецификация для модулей COM Express разработана для того, чтобы соответствовать расширенным функциональным возможностям новейших процессорных архитектур и отвечать растущим требованиям рынка. Стандарт только тогда может стать длительно жизнеспособным, когда он гибко адаптируется к новым тенденциям развития устройств (в данном случае речь идет о миниатюризации и росте производительности графической подсистемы). Стандарт COM Express версии 2.0, созданный PICMG — это надежный ориентир на будущее для разработчиков встраиваемых систем. Как единственный универсальный стандарт для компьютеров-

Электронные компоненты №5 2011

НОВЫЕ СТАНДАРТЫ COMPACTPCI МИХАИЛ РУДКОВСКИЙ, технический консультант, ИД «Электроника» В статье описаны преимущества использования стандартов CompactPCI Serial и CompactPCI PlusIO, которые обеспечивают последовательный обмен между устройствами CompactPCI.

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

42

Даже системы, хорошо зарекомендовавшие себя и применяющиеся десятилетиями, нуждаются в обновлении. Не исключение — и устройства стандарта CompactPCI, работающие в режиме реального времени и применяемые во встраиваемых модульных вычислительных приложениях в таких областях как передача данных, промышленная автоматизация, военная техника, системы сбора данных. По интерфейсу CompactPCI данные передаются по параллельной шине, что не позволяет создавать высокоскоростные связи типа «точка-точка». Два новых стандарта — CompactPCI PlusIO и CompactPCI Serial — позволяют перевести существующие системы CompactPCI на работу с последовательными данными за счет использования выводов J2, которые изначально были предназначены для подключения 32-разрядных системных слотов. Стандарт CompactPCI PlusIO разработан для осуществления мягкого перехода устройств CompactPCI на последовательную передачу. Он дополняет исходный функционал CompactPCI (PICMG 2.0) при сохранении обратной совместимости. Стандарт CompactPCI Serial, также называемый CompactPCI-S.0, предназначен для последовательного обмена данными в новых системах и приложениях, в которых не нужна обратная совместимость с устаревшей параллельной шиной CompactPCI. Он предполагает полный отход от параллельных интерфейсов. В то же время оба стандарта позволяют создавать ячеистые структуры с топологией «точкаточка» или «звезда» в существующих системах с параллельной шиной. Слоты CompactPCI Serial подходят для обработки графики с высокой плотностью потока или передачи данных по каналам 10 Gigabit Ethernet. Оба стандарта, и CompactPCI PlusIO и CompactPCI Serial, позволяют использовать разработанные ранее платы CompactPCI в обновленных приложениях и, тем самым, не прибегать к замене оборудования не менее 15 лет.

ным размерам 19“ стойки, прочные разъемы, компактный размер Eurocard, возможность подключения во время работы, многопроцессорная архитектура и т.д. — формируют идеальную основу для создания устройств, предназначенных для работы в жестких средах и критичных к выполнению приложений. Платы CompactPCI Serial и CompactPCI PlusIO помимо перечисленных свойств имеют высокую пропускную способность и обеспечивают высокую скорость передачи данных. Платы выпускаются в размере 3U и 6U и рассчитаны на работу при температуре: –40…85°С. Выпускаются также гибридные платы, содержащие слот для системной платы CompactPCI PlusIO и три слота CompactPCI для периферийных устройств. К слоту CompactPCI PlusIO можно подключить 4 платы CompactPCI Serial.

РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ COMPACTPCI

CompactPCI Serial PICMG CPCI-S.0 — новый независимый базовый стандарт, имеющий совершенно новый разъем, позволяющий передавать данные с

Такие свойства плат CompactPCI как модульность, соответствие стандарт-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

КЛЮЧЕВЫЕ ОСОБЕННОСТИ COMPACTPCI PLUSIO

Стандарт CompactPCI PlusIO PICMG 2.30, сохраняя преемственность с наработками CompactPCI (PICMG 2.0), задействует ранее свободные контакты J2 разъема СompactPCI под конкретные последовательные интерфейсы: 2 канала Gigabit Ethernet, по четыре канала PCI Express, SATA, USB 2.0. Разъем нового типа Ultra Hard Metric компании 3M позволяет увеличить полосу пропускания соединителя до 5 Гбит/с и при этом обеспечивает полную механическую совместимость с разъемом базовой спецификации PICMG 2.0. Подключение к каналам последовательной передачи осуществляется либо через адаптер на задней стороне корпуса, либо через один из четырех новых слотов. Устройства CompactPCI PlusIO могут использоваться совместно с платами CompactPCI в гибридных системах, позволяющих сочетать платы с последовательным и параллельным интерфейсами. Это простой и недорогой способ перехода на новые технологии связи. КЛЮЧЕВЫЕ ОСОБЕННОСТИ COMPACTPCI SERIAL

большей скоростью и большей плотностью сигнала. CompactPCI Serial — единственный стандарт для модульных компьютеров, поддерживающих одновременно устройства PCI Express, Ethernet, SATA и USB 3.0. Топология «звезда» в CPCI-S.0 не требует дополнительного сетевого оборудования. Процессор управляет периферийными устройствами и компонентами по связям «точка-точка», за счет чего скорость передачи данных достигает 12 Гб/с. При этом полоса пропускания не занимается полностью. В отличие от CompactPCI и CompactPCI PlusIO на плате CPCI-S.0 установлен штырьковый разъем, а на подключаемом устройстве — соответствующий разъем с отверстиями. Архитектура CompactPCI Serial позволяет полностью перейти на последовательные высокоскоростные соединения. Платы подключаются напрямую без коммутаторов, мостов и прочего сетевого оборудования. Стандартом предусмотрен один системный слот и 8 слотов для устройств ввода-вывода. Напряжение питания системного слота составляет 12 В. Набор интерфейсов в системном слоте содержит 8 линий PCI Express, 8 шин SATA/SAS, 8 портов USB 2.0/3.0 и 8 портов Gigabit Ethernet. Периферийные слоты поддерживают по одной линии PCI Express, SATA/SAS, USB 2.0/3.0 и 8 каналов Ethernet для построения полноценной ячеистой сети. Назначение выводов в системном и периферийном слотах одинаково, поэтому можно в периферийный слот вставлять системную плату, чтобы сформировать симметричную многопотоковую систему. РАЗЪЕМ

Сохранение совместимости с исходной CompactPCI — важное свойство обеих спецификаций CompactPCI PlusIO и CompactPCI Serial. Тем не менее, для обеспечения более высокой скорости передачи данных потребовались изменения разъема. В стандарте CompactPCI используется 220-выводной разъем, через который на плату поступает напряжение питания, 32- и 64-разрядные сигналы PCI, а также земля. Выводы разделены на две равные части: нижнюю J1 и верхнюю J2. В CompactPCI PlusIO выво-

ды из верхней половины используются для таких интерфейсов как PCI Express, SATA, USB 2.0, Ethernet 1000Base-T. Для обмена последовательными данными на высокой скорости до 5 Гбит/с в PICMG 2.30 используется разъем Ultra Hard Metric (UHM). Физически он совместим с CompactPCI. Выводы имеют защитную изоляцию для устранения перекрестных помех. Импеданс выводов равен 100 Ом. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ПЛАТЫ COMPACTPCI SERIAL

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

44

Пропускная способность и объем обрабатываемых данных во встраиваемых приложениях постоянно увеличиваются. Соответственно, необходимо переходить на более современные протоколы передачи данных. Пока переход на последовательные интерфейсы не завершен, разрабатываются гибридные устройства, сочетающие платы CompactPCI и CompactPCI Serial. Периферийные платы CPCI-S.0 обеспечивают гладкий переход к чисто последовательным архитектурам. По стандарту набор периферийных разъемов включает 8 портов Ethernet, 1 PCI Express, SATA, USB2.0 и 3.0. На ежегодной выставке Embedded World компания MEN Mikro Elektronik представила следующие платы: G501 — переключатель режимов (shuttle) HDD/SSD; G212 и G213 — адаптеры для MiniCard и XMC соответственно; G214 — контроллер нескольких дисплеев (появится в IV кв. 2011 г.); G201 — интерфейсная плата для USB 3.0 (появится в IV кв. 2011 г.); G211 и G211F — интерфейсная плата Ethernet (витая пара и оптоволокно соответственно, 4 канала); G100 и F100 — платы сопряжения между Compact PCI и CompactPCI Serial; G215 — универсальная интерфейсная плата; G301 — коммутатор Ethernet. Платы устанавливаются на задние панели корпусов Schroff 19“. Выпускаются конструктивные блоки в разных вариантах: – CPCI Serial rack — одиночная стойка c радиатором для стандартных плат 3U. Позволяет использовать платы в системах, требующих проводящего охлаждения. Места для установки имеют пометку ССА; – CPCI к CPCI Serial — блок для одной платы стандарта Eurocard. В компактный корпус 4U устанавливаются платы стандартов CompactPCI или CompactPCI Serial. Это гибридная система, позволяющая с наименьшими затратами перейти на последовательный интерфейс через CompactPCI PlusIO; – CPCI Serial для одиночной Eurocard. Компактный корпус 4U предназначен для установки плат CompactPCI Serial. На задней панели

WWW.ELCOMDESIGN.RU

имеется 9 слотов — один системный и 8 для периферийных плат CompactPCI Serial. К первым двум слотам слева можно подключать до 8 шин PCI Express. Система поддерживает соединения «точка-точка» и предназначена для использования в сочетании с системными процессорными платами MEN, такими как G20. Предусмотрено место для установки тонкого DVDпривода. В блоке имеется источник питания с широким диапазоном 460 Вт ATX, который выведен на переднюю панель и готов к работе. ПРИМЕНЕНИЕ COMPACTPCI PLUSIO И COMPACTPCI SERIAL

Платы CompactPCI PlusIO могут использоваться параллельно с устройствами CompactPCI 2.0. Однако главное назначение CompactPCI PlusIO — обеспечивать высокую скорость передачи и пропускную способность периферийных плат CompactPCI Serial при сохранении совместимости с периферийными платами CompactPCI в гибридных системах. Компания MEN Mikro Elektronik представила процессорные платы F19P (процессор Intel Core 2 Duo) и F21P (процессор Intel Quad-core) формата 3U. Они предназначены для самых разных областей применения, в т.ч. для железнодорожного транспорта, отрасли энергетики и нефтяной промышленности. Самые заметные процессорные платы в стандарте CompactPCI Serial — это G20 с низким энергопотреблением и высокой производительностью, а также самая высокопроизводительная процессорная плата в формате 3U CPCI-S.0 — G21 (выпуск намечен на III кв. 2011 г.). На плате G20 установлен двуядерный 64-разрядный процессор i7-610E 2,53 ГГц, а на G21 — четырехъядерный i7-2715QE. В остальном платы имеют идентичные характеристики: – до 4 (8) Гб DDR3 DRAM; – слоты CompactFlash и microSD; – передняя панель имеет 2 порта для дисплея, 2 порта Ethernet, 2 USB; – задняя панель имеет 7 линий PCIe, 8 USB, 6 SATA, DisplayPort/HDMI; – технологии Intel Turbo Boost, Hyper-Threading. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Устройства CompactPCI Serial и CompactPCI PlusIO предназначены для использования на транспорте и в иных подвижных системах, например, в информационно-развлекательных устройствах для автомобиля или в ответственных промышленных системах, которые должны безотказно функционировать все время выполнения целевой задачи. Рассмотрим некоторые конкретные решения.

Системы хранения RAID

Стандарты CompactPCI Serial и CompactPCI PlusIO позволяют эффективно строить системы RAID для хранения видеоданных. В поезде обычно устанавливается несколько рекодеров (в т.ч. резервные), работающих непрерывно 24 ч. в сутки. Объем памяти одного рекодера может составлять терабайт и более. Этого хватает для сохранения данных от 20 камер в течение 30 дней. Автоматическое управление поездом

Большегрузный транспорт все чаще оснащается системами, которые не требуют использования драйверов, помогают увеличить скорость передачи данных, а также снизить потребление энергии и повысить точность остановки транспортного средства до 1 см. Вычислительные системы для автоматического управления поездом обычно строятся по модульному принципу, чтобы одновременно контролировать несколько процессов (передача данных статуса или захват данных с внешнего оборудования на железнодорожном транспорте) и осуществлять обмен с устройствами, встречающимися по пути следования. Функции автоматического управления всегда чувствительны к безопасности, поэтому эти компьютеры можно использовать для управления системами безопасности поезда. Контент-серверы и системы доступа к мультимедийным данным

Для контент-серверов вычислительные системы предпочтительнее строить на основе модульной архитектуры CompactPCI, CompactPCI Serial или CompactPCI PlusIO, поскольку она позволяет создавать гибкие структуры, выполняющие разнообразные функции, например, обеспечение безопасности или мультимедийного доступа. Такие устройства рассчитаны на работу в расширенном диапазоне –40…85°С, имеют конформное покрытие и соответствуют требованиям EN 50155. Системы управления камерой

Функционал стандартных систем можно расширить с помощью стандартных, модифицированных или собственных карт. В одном корпусе можно разместить несколько независимых подсистем. Подключение к IP-камерам осуществляется по интерфейсу Ethernet (Fast или Gigabit), а обмен с аналоговыми камерами производится через Firewire. ЛИТЕРАТУРА 1. CompactPCI Serial overview brochure// www.menmicro.com.

2. Schmitz B. Teaching old dogs new serial I/O tricks on CompactPCI// www.eetimes.com.

ПЛУ, ПАК И ППК КШИШТОФ ПЕТРУСЕВИЧ (KRZYSZTOF PIETRUSEWICZ), доктор философии, доцент ЛУКАШ УРБАНЬСКИ (ŁUKASZ URBAŃSKI), магистр наук, Западно-померанский технический университет

В статье анализируются критерии выбора ПЛК (программируемых логических контроллеров), ПАК (программируемых контроллеров автоматизации) или ППК (промышленных персональных компьютеров) при разработке систем управления, а также рассматривается эволюция ПЛК. и позиционированию на рынке продукции со схожей аппаратно-программной архитектурой. Из-за широкого набора функций ПКА классификация конкретных устройств по типу ПЛК или ПКА усложнилась. Даже небольшой ПЛК (см. рис. 1) можно запрограммировать с помощью инструмента автоматической генерации кода в среде Matlab или Simulink. Тот же самый контроллер с памятью данных объемом 8 или 32 Гбайт может использоваться как средство сбора данных и анализа для диагностического обслуживания системы. Кроме того, этот контроллер с помощью технологии виртуального интерфейса можно превратить в удаленный шлюз. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПКА

Программируемые контроллеры автоматизации имеют следующие осо-

а)

б)

Рис. 1. а) микромодульные ПЛК AutomationDirect Click со стандартными блоками ЦП оснащены восемью дискретными входами и шестью дискретными выходами, предлагаемыми в четырех комбинациях исполнения встроенных портов ввода-вывода; б) контроллер ПКА GE Intelligent Platforms PACSystems RX3i, оснащенный одним управляющим алгоритмом и универсальной средой программирования

ПКА в 2001 г.

«Поставщики автоматики продолжают совершенствовать ПЛК в соответствии с требованиями рынка и ожиданиями пользователей. Дополнительная функциональность устройств обусловила появление нового класса систем. Программируемые контроллеры автоматизации (ПКА) соответствуют открытым промышленным стандартам, имеют расширенный функционал, стандартную платформу разработки и улучшенные характеристики. Компания ARC Advisory Group вводит в обиход новый термин, позволяющий пользователям определять потребности приложения, а производителям — лучше представлять возможности изготавливаемой продукции», — Крейг Резник (Craig Resnick), ARC Advisory Group, 2001 г.

бенности, которые отличают их по функционалу от типовых ПЛК: – многоцелевая функциональность: системы непрерывного управления логикой или движением можно проектировать с помощью одной и той же аппаратной платформы; – единая комплексная платформа разработки — информационные блоки хранятся в общей базе данных; – один инструмент для всех задач программирования: управления логикой, движением, проектирования человеко-машинного интерфейса для нескольких систем; – открытая модульная архитектура, позволяющая пользоваться только тем оборудованием, которое требуется разработчику; – использование многих стандартов связи (от асинхронных до детерминированных) и многих языков программирования (в соответствии со стандартом IEC 61131-3, а также языками программирования высокого уровня), что позволяет разработчику эффективно проектировать систему для различных изготовителей. Однако при появлении технологии ПЛК некоторые компании стали использовать акроним ПКА для названия своей продукции, несмотря на то, что она не обладала указанной функциональностью. С 2002 г. в программируемых контроллерах произошли значительные перемены. К числу этих изменений относятся следующие: – открытость стандартов связи стала типичной характеристикой функциональных возможностей ПЛК; – большее число инструментов стало совместимым со стандартом IEC 61131-3, что расширило нормативный список языков программирования (IL, LAD, ST, SFC, FBD) за счет стандарта ANSI C и языков C++ и C#; – миниатюрные контроллеры оснастились большим объемом памяти (8 Гбайт и более); – Ethernet TCP/IP стал наиболее распространенным интерфейсом программирования для ПЛК;

Электронные компоненты №5 2011

45 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

При выборе контроллера для приложения возникает вопрос о том, что предпочтительнее — простота и надежность или открытость и функциональность? Чтобы ответить на этот вопрос, разработчик должен четко понимать, какой набор функций требуется от контроллера в приложении, как бы ни называлось это логическое устройство. В 2001 г. компания ARC Advisory Group на основе анализа рынка предложила термин PAC (programmable automation controller — программируемый контроллер автоматизации, ПКА) для нового класса контроллеров. Основные производители этих устройств расширили функциональность программируемых контроллеров. Производители используют акроним PAC для описания класса продукции, соответствующей по конструкции

П К А со ч е т а ю т п р о г р а м м н о аппаратную архитектуру ПК и ПЛК, обеспечивающую гибкую и прочную систему (см. табл. 1 и 2). РАБОТА ПОД УПРАВЛЕНИЕМ ДВУХ ОС

Рис. 2. Во встраиваемом 1,6-ГГц ПК Beckhoff Automation CX5000 в прочном магниевом корпусе реализована энергосберегающая технология Intel Atom, а также обеспечена ЭМС

Рис. 3. Интегрируемый контроллер реального времени cRIO-9025 с расширенным диапазоном рабочих температур, перестраиваемой ПЛИС и средой разработки LabView от компании National Instruments

Рис. 4. ПЛК Phoenix Contact Nanoline оснащен базовой станцией. Четыре математические функции устройства nLC-055, а также встроенные аналоговые входы увеличивают его гибкость

Рис. 5. ПКА Allen-Bradley ControlLogix L73 и L75 компании Rockwell Automation сочетают в себе функции управления технологическим процессом, движением и дискретное управление

Рис. 6. ПКА Opto 22 Snap-PAC-R1-W с функциями проводной Ethernet- и беспроводной связи Wi-Fi 802.11a/b/g

– архитектура системы программного обеспечения ПЛК основана на детерминированных операционных системах реального времени с функцией многозадачности. Исходя из этого набора возможностей, очень трудно определить, какие контроллеры относятся к ПКА, а какие — к ПЛК.

Таблица 1. Аппаратная архитектура ПЛК Программирование в соответствии Коммуникационная шина I/O (внутренний со стандартом IEC 61131-3 (языки IL, обмен данными) LAD, ST, SFC, FBD) Операционная система реального времени Память Интерфейс Блок центрального процессора (укороченный список ОЗУ программ/ Модуль I/O Модуль I/O Модуль I/O связи данных инструкций)

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

46

Таблица 2. Аппаратная архитектура ПК-оборудования Программное обеспечение Коммуникационная шина I/O (создается пользователями) (внутренний обмен данными) Операционная система общего назначения (наприПамять мер, Windows) Интерфейс ОЗУ программ/ Модуль I/O Модуль I/O Модуль I/O связи Блок центрального процессора (укороченный список данных инструкций) Таблица 3. Аппаратная архитектура PC-RT Программное обеспечение Коммуникационная шина I/O (создается пользователями) (внутренний обмен данными) Операционная система Операционная система общего назначения Память реального времени Интерфейс (например, Windows) ОЗУ программ/ Модуль I/O Модуль I/O Модуль I/O связи данных Блок центрального процессора (укороченный список инструкций)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Приложения создаются с двумя архитектурами операционных систем. В качестве примера можно привести решения компании Beckhoff Automation (TwinCAT PLC под управлением Microsoft Windows XP Professional) (см. рис. 2) и Bernecker & Rainer (AR010 под управлением Microsoft Windows XP Professional). Компания National Instruments поставляет контроллеры серии PXI с двумя вариантами загрузки ОС — реального времени и встроенную (Microsoft Windows XP Professional и Microsoft Windows 7). Эти устройства загружаются только в режиме одной системы, в отличие от варианта, указанного в таблице 3. На рисунке 3 представлены также встраиваемые контроллеры cRIO-9025 этой компании. ПЛК и ПКА некоторых других компаний представлены на рисунках 4—6. ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Поскольку с 2001 г. функциональность ПЛК выросла, а также были усовершенствованы технологии управления, ряд определений новых контроллеров потребовал переосмысления. Все большее количество технических средств совершенствуется, чтобы обеспечить совместимость с 32-битной версией ОС Microsoft Windows 7. Первые обновления средств программирования (для разработки приложений по управлению) для Microsoft Windows 7 появились в середине 2010 г. Средства разработки программируемых контроллеров будут обновляться и далее в 2011 г. Некоторые компании также работают над 64-битными версиями своих инструментов, большинство обновлений для которых появится к концу этого года. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ КОДА

Количество инструментов программирования, соответствующих языкам стандарта IEC 61131, непрерывно растет. Пользователи могут программировать приложения не только с помощью многоступенчатой схемы вычислительной модели, но и с помощью трех и более языков, в т.ч. структурированного текста. Новое ПО для программирования обеспечивает такие возможно-

сти как автоматическая генерация кода для ПЛК. Эта функция позволяет тем, кто знаком со средой MathWorks Matlab/ Simulink, быстро реализовать алгоритмы управления в соответствующих задачах. Научноисследовательская работа по развитию стратегий управления является одним из приоритетных направлений в создании новой продукции. Стремление сократить время выхода продукции на рынок является причиной использования мехатронного метода, известного также как проектирование на основе использования модели. Инструменты автоматической генерации кода перечисляются с указанием тех контроллеров, для которых они созданы.

ПКА в 2011 г.

Благодаря возможности работать в двух операционных системах у персональных компьютеров появилась та же функциональность управляющего ПО, что и у ПКА. Прочность и надежность оборудования остались на том же уровне, что и два года назад, тогда как программный функционал ПЛК вырос. Современные ПЛК представлены на рынке в разном модульном исполнении в зависимости от приложения. Возможности современных систем на ПЛИС (SoPC) позволяют разрабатывать даже архитектуры ПЛК. При том же программном функционале инструменты разработки FPGA поставляются без марки CE, поэтому пользователи должны самостоятельно обеспечить прочность модулей за счет выбора соответствующего корпуса в зависимости от конкретного приложения. Наиболее известными из этих модулей является серия FPGA Cyclone/Stratix компании Altera с программным процессором Nios II (а также с инструментальными средствами DSP Builder Toolbox от Altera для быстрого моделирования функций управления в среде Matlab/Simulink от Mathworks) и серия FPGA Virtex и Spartan компании Xilinx с программным процессором Micro-Blaze (а также с инструментом автоматической генерации кода Matlab/Simulink). На рынке уже появились новые микроконтроллеры с FPGA — например, SmartFusion2 от Actel.

БУДУЩЕЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Как будут развиваться системы управления? Производители средств автоматизации используют в них технологию обеспечения безопасной работы. Многие вендоры интегрируют функции управления движением в инструменты программирования. Быстрое моделирование становится самым инновационным методом развития, который также

находит применение в создаваемых приложениях. В 2020 г. системы управления и аппаратные модули от разных производителей станут взаимозаменяемыми, возможно, на уровне процессоров и средств программирования. Это обстоятельство

ускорит распространение объектноориентированных средств программирования. Их роль уменьшится за счет более эффективной работы программистов, что уже видно на примере современных систем управления.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «РАЦИОНАЛИЗАТОРЫ ГОДА» | Эта номинация определяет не продукцию, а конкретных людей или коллектив, которые внесли значительный вклад в совершенствование электронных схем. К числу таких достижений относятся и заметные успехи в новом направлении, например, в совершенствовании новой методологии, позволяющей решить трудные проблемы, либо в развитии технологии. В число финалистов этой категории вошли Пол Дарби (Paul Darbee), компания DarbeeVision; Роберт Добкин (Robert Dobkin) и Том Хэк (Tom Hack), компания Linear Technology; Брэд Доерр (Brad Doerr), Стив Дрэйвинг (Steve Draving), Дэйв Дэшер (Dave Dascher), Ник Фернандез (Nick Fernandez), Райан Карлино (Ryan Carlino), Стив Терсич (Steve Tursich) и Дэйв Гиссел (Dave Gissel), компания Agilent Technologies; Марио Паниччиа (Mario Paniccia), компания Intel Corp. Победителями стали Роберт Добкин и Том Хэк из компании Linear Technology. Им удалось решить трудную задачу, связанную с несовпадением напряжения на выводах стабилизатора с напряжением на выводах нагрузки. Некоторые инженеры решают эту проблему, отдельно измеряя напряжение на нагрузке. Победители данной номинации получают те же данные с помощью регулируемого напряжения и определения импеданса. Затем эти данные используются для генерации требуемого напряжения на нагрузке при заданном токе.

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

47

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «СИЛОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ» | К этой категории относятся технические достижения в широкой области силовых ИС. В число финалистов вошли компании EPC, Linear Technology, Powercast и Power Integrations, а победителем стала Linear Technology, предложившая революционное решение проблемы, с которой инженеры не могли справиться десятками лет. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

VIA Technologies — новые технологии и промышленные стандарты ИГОРЬ ЧЕХРАНОВ, «Компэл» VIA Technologies, Inc. является ведущим разработчиком энергосберегающих процессорных платформ с х86архитектурой для рынка промышленных компьютеров, автоматизированных систем управления и мониторинга, а также для мобильных приложений.

VIA Technologies начала выпуск нового семейства мощных процессоров на базе платформы x86 — это энергосберегающие процессоры VIA Nano X2 Е-Series. Nano X2 E-Series предлагает две модели процессоров, отличающиеся тактовой частотой — 1,2 и 1,6 ГГц. На все компоненты этого семейства компания даёт гарантию 7 лет.

Nano X2 E-Series — это высокая оптимизация процессов вычислений при наличии энергосберегающих технологий на базе 64-битной платформы x86. Процессоры серии VIA Nano 3000 полностью совместимы и поддерживают все существующие операционные системы Microsoft, включая новую Windows 7, а также не менее популярную ОС Linux. Nano 3000 также используют архитектуру NanoBGA2 и полностью совместимы pin-topin с линейкой процессоров VIA Nano серия 1000, VIA Nano серия 2000, VIA C7, VIA C7-M и VIA Eden. На рисунке 1 представлены некоторые сравнительные характеристики процессоров VIA Nano, VIA Nano 3000 и Intel Atom.

VIA Technologies предлагает широкий выбор решений, поддерживающих весь спектр x86-технологий: высокоскоростные интерфейсы передачи данных, дисплеи высокого разрешения и аудиоинтерфейсы. Самыми известными форм-факторами у VIA являются Mini-ITX, Nano-ITX и Pico-ITX — материнские платы серии EPIA. Одной из самых мощных в классе Pico-ITX является плата EPIA-P820, анонсированная в начале 2010 г. Она оснащена процессором серии Nano и шасси AMOS-3001.

Pico-ITX использует платформу 64-разрядных процессоров серии Nano для нового поколения мультимедийных приложений. Плата поддерживает новые мультимедийные технологии, новые программные средства по отображению информации, а также может быть выполнена в миниатюр-

48

Рис. 1. Сравнительные характеристики процессоров VIA Nano, VIA Nano 3000 и Intel Atom

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ном корпусе AMOS-3001. Таким образом, обеспечивается универсальная платформа для компактных приложений нового поколения и встраиваемых систем. Плата EPIA-P820 (см. рис. 2) имеет размеры 10×7,2 см. Это действительно ультракомпактная энергосберегающая платформа, поддерживающая оперативную память 2 Гбайт DDR2, а 1,2-ГГц процессор U2500 VIA Nano обеспечивает высокую производительность платформы Pico-ITX. Плата ЕPIA-P820 имеет отдельный встроенный медиапроцессор VX855, обеспечивающий аппаратную поддержку мультимедийных приложений, видеокодеков HD, включая H.264, WMV, VC1 и MPEG 2/4 с возможностью отображения видео с разрешением 1080p с незначительными потерями качества. 3D-контроллер Chrome9™ HCM — это встроенный графический ускоритель, поддерживающий DirectX 9.0 и 128-бит 2D-графику. Платформа EPIA-P820 поддерживает I/O-плату расширения с дополнительными интерфейсами: HDMI- и VGA-порт, Gigabit LAN-порт и два порта USB 2.0. Аудиокодек VIA Vinyl HD дополнительно обеспечивает шесть каналов и DTSсовместимое аудио с поддержкой S/PDIF. Память предлагается на плате с 44-выводным IDE-разъёмом и SATA-портом. Через встроенные пин-разъёмы имеется возможность дополнительно подключить: 4×USB 2.0 порта, LPC-разъём, SMBus-разъём, поддержку PS/2, аудиоинтерфейс, LVDS, четыре пары DIO и два UART-порта. На базе EPIA-P820 предлагается промышленный компьютер AMOS-3001 (см. рис. 3), особенностью которого является отсутствие вентиляторов, а естественный отвод тепла выполняется за счёт особой формы алюминиевого корпуса. AMOS-3001 — это миниатюрный компьютер, который имеет все необходимые интерфейсы, поддерживает современное программное обеспечение и имеет рабочую температуру окружающей среды –20…70ºС. Новая плата EPIA-M850 стандарта Mini-ITX также поддерживает 64-битную платформу процессоров Nano Е-Series, процессор со встроенным медиачипом VX900 и обеспечивает использование новых технологий в коммер-

Рис. 2. Плата VIA EPIA-P820

Рис. 3. Промышленный компьютер AMOS-3001

ческих мультимедийных приложениях.

EPIA-M850 имеет процессор Nano Е-Series с тактовой частотой 1,6 или 1,2 ГГц SKUs (без использования охлаждающих вентиляторов). Процессор Nano Е-Series работает совместно с чипом VX900 MSP, который поддерживает системную память DDR3 объемом до 8 Гбайт.

VX900 поддерживает: последнюю версию ChromotionHD 2.0, видеокодек, а также обеспечивает ускорение работы кодеков последнего поколения VC1, H.264, MPEG-2 и WMV9 HD-форматы с разрешением до 1080p без дополнительной загрузки основного процессора. Видеоинтерфейсы поддерживают цифровые стандарты HDMI и аналоговые VGA-порты, вклю-

чая совместимость по интерфейсу 24-бит LVDS. На тыльной стороне панели имеются: поддержка контактов ввода/вывода, порт Gigabit LAN, поддержка PS/2, порт HDMI, порт VGA, четыре порта USB 2.0, разъём последовательного порта и три разъёма аудио. На борту слот PCIex4 обеспечивает двухканальный 24-битный LVDS-интерфейс (в т.ч. управление подсветкой), три дополнительных COM-порта и четыре порта USB 2.0. Предоставляя широкую линейку продуктовых и технологических новинок, VIA старается предугадать появление будущих технологий, реализуя их как в отдельных кремниевых чипах, так и интегрируя их в широкий диапазон целого семейства процессоров. Реализация поддержки памяти PC133 SDRAM, а затем и DDR SDRAM на всех платформах, стала премьерой этих стандартов на рынке и сделала компанию локомотивом продвижения новых технологий на рынке. С сентября 2010 г. «Компэл» является официальным дистрибьютором компании VIA Technologies по поставкам встраиваемых материнских плат и промышленных компьютеров на территории РФ.

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА РЕСУРСОВ | УМНЫЕ СЧЕТЧИКИ ЖДУТ СЕТЕВОГО СТАНДАРТА ДЛЯ ДОМАШНИХ СЕТЕЙ | Некоторые проекты по установке интеллектуальных счетчиков отложены до тех пор, пока не будет доработана стратегия развития ключевого стандарта для домашних энергосетей. Этот стандарт для домашних сетей, созданием которого занимается рабочая группа Zigbee Alliance, получил название Smart Energy Profile 2.0 (SEP 2). В апреле она заявила о добавлении в стандарт второго программно-реализованного стека UDP (протокол дейтаграмм пользователя) для поддержки счетчиков, работающих до 15 лет от местных батарей. В черновом варианте стандарта эта поддержка отсутствовала для программного обеспечения, работающего на основе TCP (протокола управления передачей данных). Рабочей группе предстоит определить план действий относительно дополнительного ПО и стандарта, а также сроки ее окончания. Члены альянса Zigbee Alliance составляют график рекомендуемых этапов разработки, которые следует проверить на собрании всей группы через несколько недель. По мнению анонимного источника, неопределенность относительно данного стандарта приведет к задержке в реализации домашних сетей. Стандарт SEP 2 представляет собой существенную переработку имеющейся спецификации Smart Energy Profile 1.0, которая поддерживает лишь Zigbee. SEP 2 описывает требования к передаче данных о потреблении энергии между интеллектуальными счетчиками и домашними устройствами в сетях Zigbee, HomePlug или Wi-Fi. Из-за больших изменений во второй версии устройства стандарта SEP 1 не смогут устанавливать связь с устройствами SEP 2, и наоборот. Однако оборудование SEP 1 в состоянии работать под новым ПО. Боб Хейл (Bob Heile), председатель альянса Zigbee Alliance, заявил, что работа над новым стандартом будет завершена к концу этого года. По мнению анонимного источника, из-за работы над дополнительным ПО этот срок перенесется на 2012 г. В настоящее время около 20 млн интеллектуальных счетчиков работают в соответствии с SEP 1. Отдельный комитет под руководством группы Smart Grid Interoperability Panel (SGIP) в настоящее время занят составлением рекомендаций по переходу со стандарта SEP 1 на SEP 2 для счетчиков и домашних сетей. Первый черновой вариант SEP 2 появится уже в июне. В рекомендации группы SGIP войдут такие вопросы как использование шлюзов и другие стратегии миграции.

49

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

ВСТРАИВАЕМОМУ КОНТРОЛЛЕРУ НЕ ВСЕГДА НУЖЕН ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР МАРК ЭЙНСВОРТ (MARK AINSWORTH), ведущий инженер по применению, Cypress Semiconductor

В статье рассмотрен подход к построению интеллектуальной периферии микроконтроллера (МК) с помощью программируемого логического устройства (ПЛУ) и тракта обработки данных, что позволяет разгрузить центральный процессор от ряда задач и повысить эффективность и надежность системы.

В большинстве микроконтроллерных архитектур интеллектуальный центральный процессор окружен набором относительно «глупой» периферии. Периферия имеет ограниченные функции, обычно она просто преобразует данные из одной формы в другую. Например, I2C-периферия, по сути, преобразует данные из последовательного формата в параллельный, а АЦП преобразует сигналы из аналоговой формы в цифровую. Центральный процессор должен заниматься обработкой данных и выполнять какие-либо полезные функции. Такая большая нагрузка, а также необходимость управления периферией, приводит к тому, что для процессора требуется слишком сложное встроенное программное обеспечение (ПО), а также применение быстродействующего и мощного процессора для исполнения микропрограмм в жестком режиме реального времени.

Но что, если бы периферия была достаточно развитой, гибкой, чтобы эффективно выполнять ряд задач, которые прежде вынужден был делать центральный процессор? Сложную архитектуру можно было бы преобразовать в группу сравнительно простых блоков, распределенных между центральным процессором и периферией. Общая архитектура стала бы более надежной, а блоки системы проще было бы использовать повторно. Наконец, центральный процессор, который должен выполнять меньше заданий, может работать с меньшей скоростью, что экономит энергию, или его полоса пропускания могла бы быть использована для выполнения новых дополнительных заданий. В данной статье показано, как можно спроектировать интеллектуальную, гибкую, недорогую, заказную цифровую периферию МК, а также сконфигурировать

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

50

Рис. 1. Пример 12-входного ПЛУ с 8 термами произведения и 4 макроячейками

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ее при реализации надежной распределенной системы. ПРОГРАММИРУЕМАЯ ЛОГИКА ИЛИ ТРАКТ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ?

Имеется два пути создания интеллектуальной конфигурируемой периферии. Первый — это использование ПЛУ. Как показано на рисунке 1, ПЛУ содержит матрицу логических элементов, выполняющих логическую функцию суммы произведений, и управляющую набором макроячеек. Обозначения «T» и «C» на рисунке показывают, что каждый терм произведения может генерировать либо истинный (true), либо дополняющий (complement), т.е. инвертированный выход, так что может поддерживаться как положительная, так и отрицательная логика. Рисунок 1 показывает простой пример ПЛУ. Программируемые логические устройства могут иметь сотни макроячеек и до 16 термов произведения, управляющих каждой макроячейкой. Вентили И и ИЛИ в термах произведения могут быть соединены так, чтобы можно было сформировать конфигурируемые логические функции. Макроячейки, как правило, тактируются, и их выходы могут быть переданы по обратной связи в матрицу термов произведения. Это позволяет создавать конечные автоматы (машины состояний). Крупные ПЛУ могут быть использованы для формирования сложных логических функций, вплоть до создания центральных процессоров и, конечно, для создания интеллектуальной цифровой периферии. Однако для реализации даже простых логических элементов, таких как счетчики и сумматоры, может понадобиться множество вентилей, а создание более сложных функций на базе ПЛУ может стать слишком дорогостоящим. В определенный момент более эффективным решением становится использование центрального процессора.

Рис. 2. Простой пример тракта обработки данных на базе АЛУ с аккумуляторами, блоком выбора функций, тактовым сигналом, сигналом переноса и сигналом сдвига для последовательного соединения

Поскольку тракт обработки данных выполняет всего несколько определенных функций, можно оптимизировать его конфигурацию так, чтобы сделать его эффективным и недорогим. Однако тракт обработки данных не настолько гибок, как ПЛУ, для реализации сложной логики. Так какой же путь лучше для создания интеллектуальной, гибкой, недорогой цифровой периферии — на базе ПЛУ или на базе тракта обработки данных? Ответ заключается в том, что каждый из этих методов не работает достаточно хорошо без другого, но вместе они могут работать весьма эффективно. Рассмотрим практические примеры их реализации. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ БЛОКИ

Рис. 3. Блок-схема универсального цифрового блока (УЦБ)

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

52

Весьма простым видом такого процессора является тракт обработки данных на базе арифметико-логического устройства (АЛУ), также известного как нанопроцессор. Тракт обработки данных реализует всего несколько простых функций, но делает это более эффективно, чем при использовании ПЛУ. На рисунке 2 показан простой тракт обработки данных с АЛУ. Типовое АЛУ может выполнять разные операции (обычно с использованием 8-битовых операндов). Оно выполняет счет в прямом (инкремент) и обратном (декремент) порядке, складывает, вычитает, выполняет логические операции (И, ИЛИ, исключающее Таблица 1. Примеры функций тракта обработки данных, реализованных с помощью битов выбора функций Биты выбора функций Операция: инкремент Регистр источника: A0 Регистр назначения: A1 Операция: вычитание A0 – A1 Регистры источника: A0, A1 Регистр назначения: A0 Операция: сдвиг вправо Регистр источника: A0 Регистр назначения: A0

Функция A1 = A0 + 1

A0 = A0 – A1

A0 = A0 >> 1

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ИЛИ), выполняет сдвиг влево и вправо. В схеме имеются два 8-битовых аккумулятора, которые могут действовать либо как регистры входных данных, либо как память для хранения выхода АЛУ. Каждая операция выполняется по фронту входного тактового сигнала. Регистр выбора функций используется для контроля: – вида выполняемой операции; – исходных регистров для этой операции; – регистра назначения для выходных данных. В зависимости от конфигурации тракта обработки данных имеется возможность создавать последовательность сложных операций, как показано в таблице 1. Блок выбора функции может, в действительности, быть небольшой по объему памятью SRAM, в которую предварительно загружены необходимые биты выбора функции, а адресные строки могут быть использованы для выбора операции, которую необходимо выполнить. Наконец, несколько трактов обработки данных могут быть соединены цепочкой с помощью сигналов переноса и сдвига, так что операции могут выполняться на многобитовых операндах.

Примером систем, использующих как ПЛУ, так и тракт обработки данных, являются программируемые системы на кристалле PSoC 3 и PSoC 5 от Cypress Semiconductor. Каждая из этих систем содержит до 24-х цифровых логических подсистем, которые называют универсальными цифровыми блоками (УЦБ), блок-схема которых показана на рисунке 3. УЦБ содержит два ПЛУ, конфигурация которых показана на рисунке 1. УЦ, кроме того, содержит тракт обработки данных, а также регистры состояния и управления. Имеются два канала, которые можно соединять последовательно, один — для ПЛУ, а другой — для тракта обработки данных. Наконец, имеется трассировочный канал для передачи сигналов между подсистемами УЦБ, а также между УЦБ. Конфигурирование ПЛУ, тракта обработки данных и трассировочного канала выполняется с помощью записи в регистры конфигурации УЦБ (на рисунке не показаны). Конфигурация ПЛУ для УЦБ была описана на рисунке 1. Как показано на рисунке 4, тракт обработки данных УЦБ подобен базовой концепции тракта обработки данных, показанной на рисунке 2, но он более сложно организован — в нем содержится больше регистров и больше функций: – 8-битовый АЛУ может выполнять все семь базовых функций — счет в прямом направлении (инкремент), счет в обратном порядке (декремент), сложение, вычитание, логические операции (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ) — и имеет отдельные блоки сдвига и битового маскирования для последующей обработки результата АЛУ. (Восьмая функция АЛУ передает значение из АЛУ в блоки сдвига и битового маскирования.) Блок сдвига может выполнять сдвиг влево, сдвиг вправо, обмен полубайтов и пересылку. Блок маскирования выполняет побитовую операцию И с содержимым отдельного регистра маски (на рисунке не показан); – операции могут быть выполнены с использованием двух аккумуляторов

Рис. 4. Блок-схема тракта обработки данных УЦБ

Рис. 5. Тракт обработки данных УЦБ сконфигурирован как счетчик с перегрузкой

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

54

(A0, A1) и двух регистров данных (D0, D1). Доступны два FIFO-регистра (F0, F1) для передачи данных между трактом их обработки и центральным процессором. FIFO имеют глубину до 4 бит. Такая структура обеспечивает простой режим многозадачности, в разные моменты времени над рядом регистров могут выполняться отдельные операции. Поэтому, например, A0, D0 и F0 могут быть использованы для одной задачи, а A1, D1 и F1 — для другой; – к аккумуляторам и регистрам данных может быть применен обширный набор условий состояния — сравнение, детектирование нуля, детектирование всех единиц и детектирование переполнения. Эти условия могут быть переданы в другие узлы устройства.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ГИБКАЯ ТРАССИРОВКА

Хотя УЦБ характеризуются большим набором функций в ПЛУ и тракте обработки данных, особую ценность они имеют за счет расширенных возможностей по цифровой трассировке. Сигналы могут быть разведены в ПЛУ и тракте обработки данных по всему набору универсальных цифровых блоков и по всему устройству, формируя сложную коммутирующую матрицу, называемую цифровой системной шиной межсоединений (Digital System Interconnect — DSI). ПРИМЕРЫ

В базовом примере будем использовать тракт обработки данных УЦБ для создания 8-битного счетчика с возможностью перегрузки. Для этого соединим один выход условия состояния с

адресной строкой управляющей SRAM, как показано на рисунке 5. В данном примере A0 — это регистр счетчика, а D0 — регистр перегрузки. Нам нужны две функции, одна — для декремента счетчика, а другая — для перегрузки счетчика из регистра паузы. Эти функции предварительно загружены в управляющую RAM. Логика работы: когда A0 не равен нулю, на выходе условия будет низкий уровень, и будет исполняться операция декремента по адресу 0. Когда A0 равен нулю, на выходе условия будет высокий уровень, и будет исполняться операция перегрузки по адресу 1. Все операции выполняются по нарастающему фронту тактового сигнала на входе, позволяя подсчитывать количество импульсов тактового сигнала. Тактовый сигнал можно взять из разных узлов системы. Выход условия можно развести по всей шине DSI, в том числе до входов DMA и входов запроса прерывания. Используя последовательное соединение тракта обработки данных и блок маски, разрядность этого счетчика можно сделать любой и не обязательно кратной восьми битам. Счетчик, показанный на рисунке 5, является вычитающим счетчиком. Его легко можно преобразовать в суммирующий счетчик, используя другой выход условия (A0 = D0) и другие функции в управляющей SRAM: A0 = A0 + 1 и A0 = A0 XOR A0. Выполнение логической операции исключающего ИЛИ любого значения с самим собой в результате дает ноль.

Эта простая схема может быть расширена с использованием ПЛУ для создания более сложного приложения. Для иллюстрации этой возможности рассмотрим контроллер светофора. Контроллер светофора осуществляет циклическое переключение между тремя состояниями — «зеленым», «желтым» и «красным» — следовательно, требуется использовать машину состояний (конечный автомат). Каждое состояние продолжается определенный интервал времени перед изменением следующего состояния, поэтому нужен также счетчик. Для простоты предположим, что длительность «зеленого» состояния равна длительности «красного» состояния, но длительность «желтого» состояния отличается от них. Для реализации такой временной структуры нужен только один тракт обработки данных (в допущении, что используются 8-битовые значения счетчика) и три регистра тракта обработки данных. A0 — это регистр счета, D0 содержит значение счетчика при перегрузке для «зеленого» и «красного» состояний, а D1 — значение счетчика при перегрузке для «желтого» состояния. Блок-схема показана на рисунке 6. Операции, которые нужно сохранить в управляющей RAM: A0 = A0 — 1 // счет A0 = D0 // загрузка значения «зеленый» или «красный» // величина счета A0 = D1 // загрузка значения «желтый». Машина состояний реализуется в ПЛУ. Выход условия тракта обработки данных поступает по обратной связи в ПЛУ и показывает, что наступил момент изменить состояние. ПЛУ также имеет логику, которая на основе текущего состояния и сигнала обратной связи от тракта обработки данных, управляет тем, какую операцию тракта обработки данных выполнять, и какой сигнал светофора активировать.

Рис. 6. Блок-схема контроллера светофора, использующего ПЛУ и тракты обработки данных УЦБ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Контроллер светофора — это простое приложение, которое обычно реализуется с помощью центрального процессора. Однако мы убедились, что за исключением кода инициализации, эта функция может быть совершенно независима от центрального процессора и фактически инкапсулирована в интеллектуальную конфигурируемую периферию. Возможности такой конфигурации можно легко расширить для поддержки дополнительных функций, таких как управление сигналами указателя поворота, разрешающими сигналами для пешехода, датчиками детектирования транспорта и аварийными транспондерами. ЧТО ОСТАЕТСЯ ДЛЯ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА?

Используя эффективную комбинацию ПЛУ и тракта обработки данных, можно создать интеллектуальную, гибкую, недорогую периферию, которая берет на себя часть нагрузки центрального процессора. Однако если так много функций передается периферии, что остается центральному процессору? Во многих случаях после инициализации системы центральный процессор может быть отключен. Однако более реальным решением является использование про-

цессора для тех задач, которые он делает лучше всего, а именно: – сложные вычисления; – обработка текстов и строк; – управление базой данных; – управление коммуникациями; – управление системой. Например, в рассмотренном приложении светофора, центральный процессор можно использовать для: – детектирования момента, когда транспортное средство проезжает на красный свет; – управления фотокамерой для фотографирования номерного знака; – извлечения текста, изображенного на номерном знаке, с фотографии; – поиска владельца транспортного средства в государственной базе данных; – пересылки квитанции на уплату штрафа за нарушение правил уличного движения владельцу транспортного средства. Благодаря передаче части заданий интеллектуальной периферии МК центральный процессор освобождается для других, возможно, более полезных задач. ЛИТЕРАТУРА 1. Mark Ainsworth. Why your embedded controller may not need a CPU//www.eetimes.com.

55 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

СОБЫТИЯ РЫНКА | ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ» | Это достаточно широкая категория, к которой относятся кристаллы от контроллеров памяти до FPGA. Финалисты номинации — компании Anobit, Microsemi Corp, Octasic и Rambus — продемонстрировали успешное внедрение новых концепций, цифровых методов и устройств с отличительными рабочими характеристиками. Победителем номинации стала компания Microsemi, которой удалось реализовать три самые разные технологии в одной микросхеме — процессоры, FPGA и аналоговые схемы. Таким образом, один кристалл в состоянии полностью заменить цифровые и аналоговые подсистемы во многих встраиваемых решениях, обеспечив при этом возможность в любое время изменять цифровую или аналоговую части, а также программное обеспечение. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

МНОГОЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ В ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКЕ ФРЭНК БАРТОС (FRANK J. BARTOS), технический консультант В статье обсуждаются проблемы внедрения многоядерных процессоров в системы промышленной автоматики. Описаны преимущества многоядерных систем при реализации сложных функций управления на производстве, в том числе сокращение потребляемой мощности и возможность выполнения разных задач на одном процессоре. Рассмотрены проблемы создания эффективного программного обеспечения (ПО) для многоядерных процессоров. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. Непрерывное повышение производительности полупроводников и масштабирование размеров кристаллов до нанометровых технологических норм обеспечили существенный прогресс в сфере микропроцессоров. Улучшение их производительности в значительной степени связано связано с повышением рабочей частоты тактового сигнала, что приводит, в свою очередь, к росту энергопотребления (в том числе, токов утечки) и выделению тепла. Чтобы не превышать максимально допустимые параметры работы схем, возникла необходимость в новом подходе к проектированию кристаллов. В результате развития схемных архитектур появились многоядерные процессоры, которые содержат два и более ядер на одном кремниевом кристалле. Чтобы полностью реализовать преимущества многоядерной организации кристаллов, потребовалось внести ряд изменений в ПО процессоров, что привело к созданию методов параллельного программирования. Корпорация Intel, основной производитель многоядерных процессоров, видит перспективы внедрения этих приборов в промышленных приложениях в стремлении компаний, работающих в сфере автоматизации, использовать PC-технологию и другие стандартные компоненты для быстрой

ОБЪЕДИНЕНИЕ ФУНКЦИЙ

Многоядерные процессоры в сочетании с технологией виртуализации позволяют создать одноплатформенную архитектуру, которая способна объединить функции различных управляющих устройств, например, программируемого логического контроллера (PLC), контроллера перемещения и человекомашинных интерфейсов (HMI). Среди разнообразных приложений многоядерные процессоры идеально подходят, например, для реализации систем управления перемещением в станках с цифровым управлением. Такой подход отличается от прежних представлений, когда считалось, что лучше всего раздельно управлять такими функциями как использование отдельного контроллера для каждой координаты перемещения станка, который также частично управляет логикой работы станка; центрального PLC с контроллером перемещения по каждой координате; центрального PLC для управления логикой работы и центрального контроллера перемещения для всех координат станка. Однако такой подход имеет ряд недостатков. Например, возникает необходимость в сложной системе синхронизации, которая должна отсле-

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

56

реализации специфических требований заказчиков.

Рис. 1. Пример назначения для процессорных ядер разных операционных систем Источник National Instruments и Control Engineering

WWW.ELCOMDESIGN.RU

живать работу нескольких программ, разработку/отладку программ или, как в последнем случае, возникает необходимость использования двух программ с высокими требованиями по пропускной способности каналов связи. Именно такие проблемы позволяют решить многоядерные процессоры, которые исключают необходимость в PLC и интегрируют управление перемещением, логическое управление и другие функции в одном устройстве. Среди предлагаемых Intel многоядерных процессоров имеются две модели семейства Atom и Core 2 Duo (каждый из которых, содержит по два ядра), Core 2 Quad с четырьмя ядрами и ряд процессоров семейства Core i7, содержащих шесть ядер. Каждое ядро многоядерного процессора можно назначить для обслуживания разных операционных систем при использовании технологии виртуализации, например, используя контроллеры компании National Instruments (см. рис. 1). ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ НА ЕДИНИЦУ МОЩНОСТИ

Более эффективное использование мощности на кристалле является одним из преимуществ многоядерных процессоров, которые находят применение в промышленных приложениях. Увеличение частоты тактового сигнала с целью роста производительности отрицательно сказывается на потребляемой мощности, а многоядерные процессоры обеспечивают совершенно иной подход. Потребляемая мощность стала серьезной проблемой для традиционных (одноядерных) кристаллов. Несколько процессоров на кристалле предоставляют возможность реализации параллельного принципа вычислений, при том, что потребляемая мощность растет линейно, а не экспоненциально, с увеличением числа ядер. Дополнительные вычислительные ядра транслируются в более компактные автоматизированные системы,

Рис. 2. Программные средства позволяют разработчикам назначать индивидуальные ядра для выполнения специальных заданий на прикладном процессоре, например, программы управления перемещением на ядре 1, как показано на примере программной платформы TwinCAT 3 от Beckhoff Automation

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

58

которые могут интегрировать больше функций. Эта дополнительная вычислительная мощность позволяет пользователям многоядерных процессоров реализовывать более сложные алгоритмы управления, которые способны обеспечивать больше функций и более эффективно выполнять вычисления. Более совершенные программные алгоритмы помогают быстрее завершить процесс, сокращая тем самым потребляемую мощность или другие издержки, связанные с работой системы. Многоядерные процессоры позволяют использовать более одной операционной системы (ОС) на одном контроллере. Возможность запуска функций реального времени для детерминистского управления и задач общего назначения (человеко-машинный интерфейс, доступ к сети и т.д.) предусмотрены во многих промышленных системах автоматизации. Кроме того, пользователи могут запланировать, как использовать ядра, т.е. определить, какое ядро будет управлять данной ОС или специальным контуром управления. Компания Beckhoff Automation, которая занимается внедрением многоядерных процессоров в своих промышленных компьютерах (Iindustrial PC — IPC), признала преимущества использования дополнительных ядер в многозадачных приложениях. Компания изобрела термин «научная автоматика» (scientific automation), который позволил обобщить опыт использования дополнительных ядер на многоядерных IPC для выполнения различных параллельных задач. Как показал опыт компании Beckhoff, многоядерные IPC могут сократить общее энергопотребление и в результа-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

те снизить количество тепла, выделяемого оборудованием. Дополнительным преимуществом является то, что для аппаратуры требуется теперь меньше пространства. При меньшем количестве тепла, выделяемого прибором, разработчики аппаратуры могут уменьшить размеры корпуса или убрать охлаждающие устройства из шкафа управления. Возможность назначать отдельным ядрам процессора индивидуальные задания по автоматическому управлению можно проиллюстрировать на примере новой программной платформы TwinCAT 3 компании Beckhoff, которую планируется выпустить во II кв. 2011 г. (см. рис. 2). IPC становится мощным устройством, выполняющим функции четырех обычных устройств. При этом оно использует одну программную платформу и одну сеть (EtherCAT) со значительно меньшим числом межсоединений и предполагает более простое программирование. Компания Freescale Semiconductor видит в многоядерных процессорах средство увеличения производительности и сокращения числа кристаллов, размеров платы и энергопотребления в промышленных приложениях (включая программируемые логические контроллеры, электроприводы и робототехнику). Важно отметить, что многоядерные процессоры обычно работают на более низкой тактовой частоте, а два или четыре ядра, как правило, не удваивают и не учетверяют производительности. Однако многоядерная архитектура способна поддерживать намного более высокую производительность при более низкой стоимости

и меньшем энергопотреблении, чем обычная одноядерная архитектура. Например, коммуникационный процессор QorIQ P4080 компании Freescale, в котором реализовано восемь 1,5-ГГц ядер на одном кристалле, обеспечивает производительность более 20 млрд. команд в секунду (MIPS), потребляя при этом менее 30 Вт. Предыдущее поколение одноядерного процессора демонстрировало производительность всего 3000 MIPS при таком же уровне потребляемой мощности. Операционные системы также представляют важный аспект разработки приложений на базе многоядерных процессоров. В некоторых случаях вполне подходит одно ядро, выделенное для управления сложным процессом в режиме реального времени. Операционные системы, подобные ОС реального времени Enea OSE Multicore Real-Time Operating System и разработанные для оптимального распределения программных команд между несколькими ядрами процессора, например, контроллера QorIQ от Freescale, делают алгоритм таким, как будто он запущен на одноядерном процессоре. Подобно этому некоторые задачи, например, функции защиты, часто запускают на отдельных специализированных процессорах. ДРУГОЙ ПОДХОД К ПРОГРАММИРОВАНИЮ

Переход к многоядерным процессорам — это не эволюционный шаг. Он требует от разработчиков ПО иного подхода. Разработчики должны сконцентрироваться на параллельном методе и сознательно разделить приложение на несколько потоков для реализации всех преимуществ многоядерных процессоров. Это представляет собой основную задачу при внедрении технологии многоядерных процессоров. При работе с параллельным кодом у разработчиков возникают и другие проблемы. Во-первых, механизм связи между кэш-памятью данных разных ядер или архитектур памяти влияет на скорость, с которой код, исполняемый на этих ядрах, может обмениваться данными, следовательно, он жизненно важен для увеличения общей производительности приложения. Взаимодействие потоков при отладке и визуализации является еще одной проблемой. Существуют программные инструменты, которые позволяют уменьшить проблемы кэш-памяти и процесса отладки. По сути, эти инструменты собирают информацию о взаимозависимостях, определяемых в коде, а затем используют ее для того, чтобы авто-

матически отобразить приложения на многоядерные процессоры. Базовая технология, которая называется «поток данных», исключает необходимость ручной идентификации параллельных частей кода. Поток данных является частью программного инструмента LabVIEW от National Instruments, который обычно используют для систем, содержащих до 8 ядер. Разработчикам прикладного ПО необходимо внести изменения в программную архитектуру, чтобы реализовать преимущества дополнительных ядер. Для большинства пользователей это означает применение параллельного подхода в разработке ПО. Обычно используют два метода: первый и более простой — многозадачность (multitasking), второй — поточность (threading). Второй подход обеспечивает наилучшую производительность, но требует выполнения большого объема работ. Для преобразования последовательного программного приложения в многопоточное необходимы четыре этапа, а именно — анализ, отражение, применение и оптимизация параллельного подхода. Многоядерные процессоры движутся в сторону промышленных систем автоматики, в первую очередь, для приложений более высокого класса, а затем, как ожидается, последует их внедрение в системы более низкого класса, т.к. стоимость реализации этих решений снижается, а опыт специалистов растет. ЛИТЕРАТУРА 1. Frank J. Bartos. MultiCore Processors in Industrial Automation// Control Engineering, April, 2011

НОВОСТИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ | HP ИССЛЕДОВАЛА МЕХАНИЗМ РАБОТЫ МЕМРИСТОРОВ | Компания Hewlett Packard с помощью синхротрона исследовала механизмы переключения внутри мемристоров на основе оксида титана. По мнению HP, изучение химических процессов внутри мемристоров является важным шагом на пути коммерциализации технологии, а также возможностью повысить производительность мемристоров. Эти устройства могут переключаться с той же скоростью, что и DRAM-память, а также в миллионы раз дольше, чем флэш-память, сохранять данные. Мемристоры способны очень быстро переключаться и сохранять свое состояние неопределенно долгое время. Возможно, в недалеком будущем эти устройства станут универсальной памятью. Эти пассивные компоненты сохраняют высокое или низкое состояние за счет вакансий атомов кислорода в тонких оксидных пленках. В процессе исследования было обнаружено, что рядом с нижней частью электрода в процессе переключения мемристора появляется зона высокой температуры, что указывает на кристаллизацию оксида титана. После вытеснения вакансий (логическая 1) или их введения (логический 0) в зоне толщиной 1—2 нм пленка охлаждается и кристаллизуется, оставаясь в таком состоянии неопределенно долгое время. В настоящее время HP совместно с Hynix Semiconductor разрабатывает коммерческий вариант запоминающих устройств на основе мемристоров. По оценкам HP, первые коммерческие продукты на базе этих устройств могут появиться в 2013 г.

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

59

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

Встраиваемые конверторы интерфейсов для устройств автоматизации ДМИТРИЙ БЕЛОВ, бренд-менеджер, департамент «Компэл-Промавтоматика» В настоящее время цифровая техника приобретает все больший вес в области автоматизации производства. Увеличивается количество интерфейсов, протоколов, в т.ч. Ethernet, типов полевых шин и узлов промышленных сетей. Вместе с тем все сложнее обеспечить коммуникацию между устройствами, поддерживающими широкое разнообразие протоколов. Рано или поздно все разработчики или производители систем автоматизации встают перед выбором протокола, который будет поддерживать разрабатываемое/производимое ими устройство. Вместе с этим встает задача коммутации управляющего устройства с полевой шиной либо другими узлами сетей. При решении этой задачи большинство производителей понимает, что значительно выгоднее и проще использовать уже готовые для монтажа узлы полевых шин, которые обладают полным набором необходимых функций. Одним из ведущих игроков на рынке подобных устройств является немецкая компания Deutschmann Automation, головной офис и производство которой расположены в городе Bad Camberg. На протяжении более 10 лет компания специализируется на исследованиях, разработке и производстве оборудования для коммуникации стандартных промышленных сетей (Fieldbus, Ethernet) и стандартных последовательных интерфейсов RS232, RS422 и RS485. В числе прочих решений для построения промышленных сетей компания предлагает встраиваемые коммуникационные модули серии Unigate IC, ориентированные в основном на разработчиков и производителей для использования в собственных разработках. Полностью законченное решение позволяет снизить затраты на проектирование и производство. Модули типа All-in-one, выполненные по гибридной технологии при размере 45×25 мм, имеют в своем составе все аналоговые и цифровые компоненты (микроконтроллеры,

60

Рис. 1. Функциональная схема модуля UNIGATE IC

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Flash, RAM, UART-контроллеры и др., см. рис. 1) необходимые для выполнения функций преобразования соответствующего шинного или Ethernet-протокола. В настоящее время компания производит конверторы для наиболее популярных интерфейсов полевых шин — Profibus DP, MPI, Interbus 8 Byte и 32 Byte, DeviceNet, CANopen, LONWorks и Ethernet 10/100 MBaud. Поддерживаются протоколы EtherNet/IP сети Industrial-Ethernet, Powerlink и Profinet. Одновременно продукция постоянно обновляется в соответствии с текущими требованиями рынка, а также дорабатывается под требования изменяющихся стандартов. Конверторы Unigate IC могут подключаться к микропроцессору управляющего устройства, существенно разгружая его ресурсы, или работать в автономном режиме. Они также работают со всеми имеющимися на рынке мастер-системами, а протоколы для них создаются разработчиками с помощью программного скрипта, который, в свою очередь, пишется с использованием фирменного программного обеспечения Protocol Developer, прилагающегося к каждому изделию. При этом никакие изменения в ПО управляющего устройства не вносятся. Используя скрипт, пользователь имеет возможность подготавливать данные, управлять их передачей, а также создавать сложные структурированные протоколы. Физические и шинные интерфейсы стандартизованы для всех модулей серии Unigate IC, что обеспечивает хорошую взаимозаменяемость при переходе на другие типы промышленных сетей путем замены модулей. Встраиваемые шлюзы Unigate IC применимы в системах автоматизации вне зависимости от сложности объекта — это может быть блок управления, обычный датчик или исполнительный механизм. Примером такого использования служит промышленная клавиатура, для которой создается плата адаптера с помощью Unigate IC Profibus DP (см. рис. 2). Серия Unigate IC использует полноразмерный пакет данных и поддерживает все допустимые скорости обмена данных. Шинный идентификатор (ID) устанавливается программно или переключателем через сдвиговый регистр. Подключение к процессору в системах с собственным микропроцессором выполняется по внутреннему интерфейсу UART. Конвертор перенимает на себя всю нагрузку, связанную с коммуникациями, которые управляются с помощью программного скрипта. Подключение к конечному прибору, не имеющему собственного процессора, выполняется через интерфейс с тактируемым сдвиговым регистром. При этом управление устройством берет на себя конвертор Unigate IC. Второй последовательный интерфейс может использоваться для

Рис. 2. Плата адаптера для промышленной клавиатуры

конфигурации или в качестве Debugинтерфейса для тестирования программных скриптов. В случае разработки нового устройства или при доработке конечного продукта инженеру следует лишь учитывать распайку модулей, взаимно совместимых по выводам и функциям. Поскольку интерфейсы взаимозаменяемы, а модули имеют одинаковые размеры, доработка устройств или систем происходит под различные условия коммуникации. Немаловажен также тот факт, что разработчику оказывается полная техническая поддержка в режиме консультаций при написании программ или же в случае возникающих проблем. В оригинальных технических данных разработчик найдет подробное описание параметров, входных и выходных сигналов по всем четырем интерфейсам на каждой плате по питанию и подключению, а также примеры программных скрип-

тов и готовых схемотехнических решений. Кроме того, фирма предлагает бесплатное ПО и готовые образцы скриптов. Такое применение открывает заказчику много новых быстрореализуемых возможностей адаптировать свои разработки к различным шинам и интерфейсам. Безусловно, заказчик может рассчитывать на последующую техническую поддержку и консультации в работе устройств. Кроме того, в рамках отдельной услуги компания предлагает разработку скрипта для устройства заказчика. Применение встраиваемых модульных конверторов интерфейса Unigate IC фирмы Deutschmann Automation позволяет сократить затраты на проектирование на 70—80%. Компания «Компэл», являясь официальным дистрибьютором Deutschmann Automation, рада предложить Вам эту продукцию со склада и под заказ.

СОБЫТИЯ РЫНКА

61

| РЫНОК ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ ВЫРОС НА 10% В I кв. | По мнению аналитиков Dell’Oro Group, объемы мирового рынка оборудования для оптических транспортных сетей в этом году вырастут на 9% и превысят 13 млрд долл. Доходы этого рынка в I кв. 2011 г. выросли на 10% относительно того же периода прошлого года и достигли 3 млрд долл. Этот квартал — третий подряд период, когда рынок растет после падения, начавшегося в IV кв. 2008 г. и продолжавшегося вплоть до середины 2010 г. Спрос на оптическое оборудование был высоким в Северной и Латинской Америках, где доходы достигли 17 и 34%, соответственно, за аналогичный период 2010 г. Единственным регионом, который показал слабые результаты в начале этого года, стал Китай, где продажи этого оборудования снизились на 16% за год. В отчете Dell’Oro Group также указано, что рыночная доля компании Huawei в I кв. текущего года снизилась на 7% по сравнению с прошлогодним кварталом и достигла 18%, а доля Alcatel-Lucent увеличилась на 2%, составив 17%. Третьим и четвертым производителями с наибольшими рыночными долями стали, соответственно, компании Ciena и ZTE. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

КАК ЭФФЕКТИВНО РЕАЛИЗОВАТЬ ПРЕИМУЩЕСТВА ПОЛЕВОЙ ШИНЫ ХАНТЕР ВЕГАС (HUNTER VEGAS), руководитель проекта, Avid Solutions

В статье обсуждаются особенности реализации сетей на базе полевой шины при построении системы управления производственным процессом. Рассматриваются преимущества и недостатки таких технологий полевой шины как Profibus-PA, Foundation Fieldbus, AS-i и DeviceNet, а также проанализированы затраты на их развертывание в сравнении с обычными системами ввода/вывода. Статья представляет собой перевод [1]. Во многих публикациях утверждается, что промышленные сети на базе полевых шин (fieldbus) имеют множество преимуществ. Отмечается, что они значительно уменьшают число межсоединений, сокращают площадь, требуемую для распределительных панелей и портов ввода/вывода, сокращают период пуско-наладочных работ, а также обеспечивают существенную экономию за счет передачи функций управления полевым устройствам. Все это соответствует истине. Однако если рассматривать картину в целом, то эти преимущества могут быть отчасти скомпенсированы другими факторами, о которых вспоминают довольно редко. Важно, чтобы при выборе соответствующей технологии полевой шины специалист по автоматизации учитывал все особенности конкретной сети. В данной статье понятие «полевая шина» применяется в отношении цифровых сетей в целом. Спектр технологий, которые рассматриваются в статье, ограничен полевыми шинами приборного уровня: Profibus-PA, Foundation Fieldbus, AS-i и DeviceNet. РЕАЛЬНАЯ ЭКОНОМИКА

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

62

Действительно ли полевые шины позволяют сэкономить на межсоединениях и уменьшают стоимость монтажа? Смотря по обстоятельствам. Полевые шины заменяют множество карт ввода/вывода и проводов каждого прибора одной картой и одним кабелем, который проведен в зону и распределяется среди приборов. Степень экономии проводов зависит от типа используемой полевой шины, способа ее размещения и электроклассификации зоны. В среднем, можно сказать, что полевые шины уменьшают число проводов и/или оконечных устройств в 4 раза, а некоторые полевые шины способны сэкономить и больше. Затраты можно сократить и за счет того, что размеры распределительных панелей уменьшаются или панели исключаются вовсе, а распределительные коробки

WWW.ELCOMDESIGN.RU

больше не используются. Однако полученная экономия часто компенсируется другими факторами. Устройства ввода/вывода полевой шины значительно дороже стандартной карты ввода/вывода, а окончательная стоимость оборудования, в лучшем случае, обеспечит безубыточность. В среднем блок управления одного нерезервируемого порта AS-i стоит примерно столько же, сколько карты DI и DO для 20—25 двухпозиционных вентилей, каждый из который содержит по два конечных выключателя. Одни вендоры производят двухпозиционные вентили, другие — однопозиционные. Число вентилей рассчитывается на каждый порт. Если вы установите менее 20—25 вентилей на порт, оборудование шины AS-I, вероятно, будет стоить больше в расчете на каждый прибор. Кроме того, для карты AS-i нужен источник питания, а также могут потребоваться стабилизаторы питания и повторители. Одна нерезервированная сетевая карта Foundation Fieldbus (FF) с источником питания стоит примерно столько же, сколько блок ввода/вывода с аналоговым входом, обслуживающий 15 передатчиков или вентилей. Большинство сегментов не способны поддерживать так много устройств, поэтому оборудование полевой шины FF на самом деле стоит больше, чем стандартное устройство ввода/вывода с аналоговым входом для такого же числа точек. Оценить стоимость шины ProfibusPA труднее, т.к. затраты на сегмент зависят от того, каким образом реализованы модули связи DP/PA и коммуникационные карты DP. Обычно стоимость одного нерезервированного канала шины Profibus-PA примерно равна стоимости карт ввода/вывода, связанных с 5—10 клапанами или передатчиками, что делает сопоставимой стоимость оборудования Profibus-PA со стоимостью стандартного аналогового ввода/вывода. Кабель полевой шины намного дороже обычного провода для подключения

по стандарту 4—20 мА. Хотя теоретически можно использовать любой экранированный провод, но чтобы достичь максимальной длины сети с минимальными проблемами, нужно использовать специальный провод. Цены могут быть разными, но провод полевой шины обычно в 3—5 раз дороже. Разница в цене может быть значительной, если в нее входит стоимость специальных разъемов, кабелей и других элементов. Полевые устройства шины почти всегда дороже традиционных устройств ввода/вывода, хотя разница постепенно сокращается. Проектирование сети также может занять больше времени. В шинах Foundation и Profibus-PA можно исключить полевые распределительные блоки, но часто их заменяют сегментными соединительными модулями или блоками, которые позволяют соединять локальные устройства с сетью. Эти блоки весьма важны, т.к. они обычно защищают сеть от закороток в передатчиках. Общая стоимость этих сегментных блоков, а также фитингов, оконечных элементов и т.д. может приближаться или даже превышать стоимость обычных распределительных блоков. Полевые шины позволяют исключить инженерно-технические работы, связанные с распределительными блоками и соединительными панелями, а вместо этого требуют технического обслуживания самой сети. Стоимость этих работ может быть весьма значительной, потому что, как правило, требуется с точностью до нескольких футов знать, где будет расположено устройство. В случае внесения изменений в проект и перемещения оборудования, проект сети должен быть заново проверен. Подключение по схеме токовой петли 4—20 мА весьма нетребовательно. Не имеет значения, будет ли длина кабеля 10 или 1000 футов, сеть все равно будет работать. Очень немногие сети на базе полевой шины допускают изменения этой величины без пересмотра проекта.

Оборудование полевой шины часто требует дополнительного программного обеспечения (ПО) и/или лицензий на программы, которые не требуются для стандартных устройств вывода/ вывода. Дополнительное ПО часто не учитывают во время начальной оценки стоимости проекта. Не слишком доверяйтесь расчетам стоимости, которые предлагают вендоры. В эти расчеты могут быть заложены не вполне реальные исходные данные, а также трудозатраты и стоимость совсем не тех материалов, которые используются на вашем заводе. Найдите время, чтобы сделать свои собственные расчеты. СОКРАЩАЕТСЯ ЛИ ПЕРИОД ВВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ?

Способна ли полевая шина кардинально уменьшить время пусконаладочных работ, как утверждают многие поставщики оборудования? Да. К тому же, она может сделать запуск сущим кошмаром. Поиск неисправностей в сети на базе токовой петли 4—20 мА довольно прост. Если не работает передатчик, можно прозвонить провода простым мультиметром, найти неправильно подключенный или оборванный провод и продолжить работу. Диагностика оборудования полевой шины редко бывает столь же простой.

До последнего времени было немного устройств для диагностики сети, и персонал, обслуживающий оборудование, разделяли на группы, которые с помощью осциллографов и измерительных приборов занимались поиском и устранением неполадок. Появившиеся недавно устройства анализа сети упростили этот процесс, но их стоимость довольно высока. Определяющим фактором успеха диагностики остаются технические возможности разработчиков системы. Не следует поручать разработку проекта на базе полевой шины специалистам, не имеющим опыта работы с данной технологией. Группа должна тщательно проверить полевые устройства, чтобы убедиться, что они работают так, как заявлено производителем. Устройства plug-and-play часто выходят из строя. Специалисты также должны убедиться в завершенности и корректности проекта сети. Эта задача может осложниться, если расположение устройств менялось в процессе проектирования и/или монтажа. Другим ключевым фактором успеха являются возможности подрядчика, который устанавливает оборудование. Соединение блоков и установка оконечных устройств должны выполняться опытными техниками. В противном случае запуск сети может превратиться в длительный процесс.

УМЕНЬШАЕТСЯ ЛИ СТОИМОСТЬ РАСХОДОВ НА ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ?

Говорят, что полевые шины сокращают затраты на эксплуатацию сети за счет более быстрой и совершенной диагностики. Эти утверждения редко подкрепляются реальными данными. Полевые шины предоставляют огромное количество диагностических данных опытному пользователю. Но даже у наиболее квалифицированных техников зачастую отсутствует доступ к программному уровню распределенной системы управления. Когда устройство, подключенное по схеме 4—20 мА, отказывает, техник, вооруженный мультиметром, может, как правило, быстро определить и решить проблему. Если дело в передатчике, его заменят на другой такого же диапазона. Рассмотрим аналогичный сценарий для передатчика полевой шины. Если система управления не обеспечивает интегрированного непосредственного доступа к устройству, технику нужен для этого ноутбук или специальный коммуникатор полевой шины. Если требуется замена устройства, то нужно подключить новый передатчик к сети и загрузить в него конфигурационный файл. Если версия ПО передатчика отличается от нужной, то система может вовсе не распознать передатчик

Надежные модули питания для монтажа на печатную плату, шасси или DIN-рейку Серии TMP, TMT, TMS, TML мощностью 4…60 Вт • Компактный, полностью закрытый пластиковый корпус • Модели с одним, двумя и тремя выходами • Универсальный диапазон входных напряжений 85-264 VAC, 47-440 Гц

63

• Класс защиты II, двойная изоляция В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

• Промышленные сертификаты по безопасности и ЭМС • Медицинские сертификаты по безопасности (серия ТМТ) • Комплекс защит от короткого замыкания, перегрузки и перенапряжения • Высокая надежность • Гарантия 3 года Аргуссофт (495) 660-28-55 www.argussoft.ru ПетроИнТрейд (812) 324-63-50 www.petrointrade.ru СЭА Электроникс (495) 228-32-82 www.searu.com

www.tracopower.com

Электронные компоненты №5 2011

и потребовать загрузки обновленного файла устройства в распределенную систему управления. Если проблема связана с сетью, потребуется весьма опытный техник, вооруженный анализатором сети для поиска неисправности. В итоге отказавшее полевое устройство потребует для поиска неисправности более квалифицированных знаний, чем предполагалось вначале, что означает дополнительные затраты времени и средств. Более совершенная диагностика полевого устройства снижает потребность в техническом обслуживании. Частота отказов полевого оборудования весьма низка. Если устройство плохо считывает данные, проблема в редких случаях имеет отношение к аппаратуре, а обычно связана с межсоединениями, сбоями технологического процесса или датчиками. Усовершенствованная диагностика обычно не позволяет детектировать этот вид отказа и не снижает частоту его появления. Другой проблемой, связанной с затратами при эксплуатации сети, является то, что полевые устройства постепенно заменяются на новые. Передатчик стандарта 4—20 мА 20-летней давности будет прекрасно функционировать в современной системе управления по той же схеме. Что касается устройств полевой шины, то их постоянно модернизируют, поэтому существующее оборудование и запасные части могут не работать в сетях управления последнего поколения. БОЛЬШЕ ИНФОРМАЦИИ О ПРОЦЕССЕ, ЛУЧШЕ АВАРИЙНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

64

Известно, что полевые шины предоставляют намного больше информации о технологическом процессе и обеспечивают функции аварийной сигнализации. Это абсолютная истина. Но это имеет и оборотную сторону. Объем данных полевой шины может быть огромным, и они имеют минимальную ценность, пока не попали к тому, кому это нужно, причем своевременно и эффективно. Операторы производственного процесса получают слишком много сигналов тревоги. Регистрация всех сигналов тревоги в файле, который никогда не просматривается, бесполезна. Чтобы создать человеко-машинный интерфейс, который эффективно обрабатывал бы дополнительную информацию, нужны затраты времени и денег. Если добавить стоимость лицензии на ПО, то общие затраты могут быть значительными. Стоит ли платить за эту дополнительную информацию? Большая часть существующих полевых устройств осуществляют связь по протоколу HART и могут предоставлять множество дополнительной техноло-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

гической и диагностической информации. Однако компаний, получающих реальную пользу от этой информации, сегодня не так много. УВЕЛИЧЕННОЕ ВРЕМЯ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ И УЛУЧШЕННАЯ НАДЕЖНОСТЬ

Если сравнивать новое тщательно спроектированное оборудование полевой шины с устаревшей управляющей системой, снабженной плохой документацией, которая обслуживалась нерегулярно, то, без сомнения, полевая шина будет более надежной. Если сравнивать полевую шину с новой и хорошо спроектированной традиционной системой управления, то разница будет минимальной. Имеется ряд вопросов, которые следует учитывать — одним из них является единая точка отказа. Передатчик для токовой петли 4—20 мА имеет одну двухпроводную линию, которая соединяется с одной картой ввода/вывода. Обрыв в проводе, вероятно, повлияет только на один передатчик. Отказ карты мог бы вывести из строя один канал или, в худшем случае, все каналы на этой карте. Обрыв провода на полевой шине может вывести из строя устройство или вызвать отказ всех сетевых устройств. Отказ карты, вероятно, приведет к выходу из строя всего сегмента (или двух, если это двухпортовая карта). Отказ источника питания также выведет из строя сегмент. Доступны карты полевой шины и/или источники питания с резервированием, но они дороги. Сегменты можно сделать меньшими, чтобы сократить область воздействия отказа, но тогда стоимость развертывания сети значительно возрастает. Если должен быть введен новый передатчик для токовой петли 4—20 мА, это почти всегда можно сделать без воздействия на производственный процесс. Когда вводят новый передатчик полевой шины, сеть часто требует полной перезагрузки. Это переводит сегмент в автономный режим работы при передаче информации. Для некоторых технологических процессов это допускается. Другие производственные участки не прекращают работу неделями, месяцами или даже годами. Перерывы в работе в этом случае обеспечить трудно или же совсем невозможно. ЛУЧШАЯ УПРАВЛЯЕМОСТЬ СИСТЕМЫ

Утверждают, что система с управлением в полевых устройствах лучше, чем распределенная система управления, потому что она обеспечивает большее время безотказной работы, более быстрое управление и лучшую реакцию системы. Тем не менее, необходи-

мо учитывать, что скорость реакции на управляющее воздействие определяется исходя из результатов моделирования системы в условиях лаборатории. Моделирование игнорирует реальную скорость исполнительного устройства и пределы насыщения. При моделировании сравнивается реакция на управляющее воздействие полевого устройства с реакцией обычного устройства распределенной системы управления. Реакция полностью аналогового устройства будет намного быстрее, чем любого полевого устройства — вне зависимости от положения управляющего устройства. Возможно, наиболее серьезным недостатком полевой шины является то, что управление полевыми устройствами имеет неизвестный вид отказа. Для большинства аналоговых приборов существует не так много видов отказов: ошибка показаний при изменении измеряемой величины от максимального значения до минимального (downscale), ошибка показаний при изменении измеряемой величины от минимального значения до максимального (upscale) или в очень редких случаях — ошибка показаний середины шкалы (mid-scale). Приборы полевой шины имеют больше видов отказов, но более совершенная диагностика, как правило, позволяет обнаружить их. Однако если управление выполняется в полевом устройстве, а коммуникационная карта полевой шины вышла из строя, то мы не узнаем, работают ли полевые устройства. Они могут продолжать подавать материалы в неуправляемый технологический реактор и нет способов узнать об этом. Теперь рассмотрим основные типы полевых шин и особенности их применения в тех или иных приложениях. Высокоскоростные сетевые коммуникационные шины (Profibus-DP, EtherNet/IP, ControlNet и т.д.) здесь не рассматриваются, т.к. в этой статье внимание сосредоточено на наиболее распространенных шинах низкого уровня, которые обеспечивают связь непосредственно с полевыми устройствами.

AS-ИНТЕРФЕЙС

Интерфейс подключения датчиков и исполнительных механизмов (Actuator-Sensor Interface — AS-i) — одна из наиболее простых в реализации сетей. Она обычно используется для связи с цифровыми устройствами (электромагнитными клапанами, кнопочными выключателями, двухпозиционными вентилями и т.д.). Эта сеть имеет ограниченные возможности по передаче аналоговой информации, но редко для этого используется. Это простая сеть, которая имеет

достаточно высокую скорость (167 Кбит/с, время цикла менее 5 мс) и она нечувствительна к электрическим помехам. Основным ограничением сети является ее длина. Общая длина сетевого кабеля не должна превышать 100 м. Однако в последнее время появились недорогие сетевые повторители и преобразователи питания, которые позволяют использовать один источник питания для нескольких 100-м сегментов этой сети. ПРЕИМУЩЕСТВА AS-I

Шина AS-I поддерживает любой технологический процесс, в котором используются многочисленные цифровые устройства, расположенные на сравнительно небольшой площади. Реактор периодического действия — это типичное приложение для AS-I, т.к. в такой системе обычно имеется большое число двухпозиционных вентилей, управляющих загрузкой сырья в непосредственной близости от реактора. Поскольку каждый вентиль имеет, по крайней мере, один электромагнитный клапан и два конечных выключателя, экономия на проводах может быть значительной. Сеть AS-i лучше всего использовать, когда управляющая система имеет интегрированную карту AS-i. Можно установить карту AS-i удаленно в стойке шлюза (через шины Profibus-DP, DeviceNet и др.), но такая конфигурация усложняет инженерно-технические работы и увеличивает время реакции вентиля. Это хорошо для неклассифицированных зон Class I Div 2 и Class I Div 1. Недавно появившееся на рынке монтажное оборудование упрощает и удешевляет разводку каналов, особенно в электрически классифицированных зонах. Кроме того, недавно были представлены устройства настройки сети, которые позволяют расширить ее за пределы 100 м путем автоматической оптимизации емкости сети и оконечного сопротивления. Их сетевые кабели не предъявляют особых требований к топологии, поэтому при необходимости можно делать ответвления для подключения полевых устройств. Файлы профиля AS-i не меняют слишком часто, поэтому новое и старое оборудование, как правило, взаимозаменяемо. Модули ввода/вывода могут быть подсоединены к кнопкам и/или контрольным лампам источника питания, чтобы управлять станциями локальных операторов, а сети рассчитаны на 8 А. Это обеспечивает намного больше доступной мощности, чем большинство сетей на базе полевых шин. Конфигурирование устройства не сложно — нужно просто назначить для него номер узла.

устройству и назначить для него номер узла. Проверка осуществляется чрезвычайно быстро.

DEVICENET

Сеть DeviceNet основана на протоколе CIP и обычно используется для цифровых устройств и электроприводов. Это детерминистская высокоскоростная (500, 250 или 125 Кбит/с) сеть, которая также обеспечивает питание на своем многожильном кабеле для полевых устройств. Это более сложная сеть, она более трудоемкая в установке, чем AS-i, но способна передавать гораздо более разнообразные типы данных. Допустимая длина сети DeviceNet зависит от скорости передачи, но ограничения на длину не так жестки, как в AS-i. Наилучшим приложением для DeviceNet являются системы управления электроприводами или обособленные производственные линии, где одна магистральная шина может проходить вдоль всей системы с короткими отводами для каждого устройства. Длина кабеля обычно не ограничивается, поэтому не обязательно заранее знать точное местоположение оборудования, оснастку можно перемещать без существенного влияния на работу сети.

120-ВAC модули электроприводов DeviceNet могут стать оптимальным средством выполнения требований NEC по дуговому разряду. Подведение контактов системы управления 110-ВAC электроприводом к панели устройств DeviceNet позволяет электрикам проверять напряжение на работающих системах электроприводов без воздействия напряжения 480 ВAC. Модули ввода/вывода могут быть соединены с кнопочными выключателями и/или сигнальными лампами источников питания, чтобы обслуживать локальные стан-

НЕДОСТАТКИ AS-I

Шина AS-i спроектирована для двухпозиционных переключателей и непригодна для аналоговых приборов. Если технологическое оборудование рассеяно по территории, то 100-м ограничение на длину кабеля будет слишком жестким, даже если использовать повторители. Из-за такого ограничения необходимо знать заранее, часто еще до строительства завода, где собираются устанавливать вентили. Если оборудование впоследствии перемещается, проект сети должен быть пересмотрен. Головки вентиля AS-i стоят больше стандартных двухпозиционных головок с конечными выключателями. В вентилях стараются использовать маломощные электромагнитные клапаны, поэтому если приток воздуха к прибору недостаточный, то в электромагнитных клапанах могут возникнуть проблемы и потребуется их обслуживание. Как и в любой другой сети, подключение первого вентиля или устройства может вызвать проблемы. Однако как только этот вентиль установлен, чтобы сконфигурировать сеть, нужно только подключить коммуникатор AS- i к

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

65

Электронные компоненты №5 2011

ции. Эта сеть рассчитана, как правило, на ток 8 А и обеспечивает намного больше мощности, чем большинство типов полевых шин. Функция автовосстановления позволяет заменять устройства DeviceNet и автоматически загружать в них корректную конфигурацию при подключении к сети. Эта функция позволяет сократить простой системы. Многие вендоры представили много новых DeviceNet-совместимых устройств, что в большинстве случаев позволило значительно снизить цены на полевые устройства. НЕДОСТАТКИ DEVICENET

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

66

Есть вероятность появления сбойных пакетов от одиночного устройства DeviceNet, которые способны прерывать коммуникации во всей сети. Это редкое событие, но разработчикам следует разделять сеть на зоны управления, которые не будут оказывать серьезного влияния на производственный процесс, в случае появления отказов. Кроме того, весьма мало устройств DeviceNet рассчитаны на работу в опасных зонах. В большинство систем DeviceNet нельзя добавить устройство без загрузки сети и прерывания ее работы. На автономной производственной линии это обычно не вызывает проблем, но совершенно недопустимо отключать всю систему управления электроприводами (если требуется установить дополнительный электропривод) на непрерывном химическом производстве. Следует разделить сеть на сегменты соответствующим образом, чтобы избежать проблем простоя. Следует предусмотреть возможность установки нескольких запасных модулей, чтобы они были включены в систему без перебоев в ее работе.

DeviceNet — более сложная сеть, для которой требуется специальное сетевое ПО для соединения. Оно включает также специальные файлы данных (EDS), которые могут усложнить запуск. Несмотря на рекламные заявления об их plugand-play-возможности, большинство пользователей испытывают трудности при запуске, особенно в случае использования непроверенных устройств. Важно установить связь с новым оборудованием перед запуском, чтобы исключить задержку во время наладочных работ.

EDS-файлы устройств постоянно обновляются, поэтому устройство для замены может быть не распознано до тех пор, пока нужные файлы не будут установлены в системе. В этом случае может потребоваться помощь инженеров технической поддержки.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Топология DeviceNet представляет собой однопроводную линию с ответвлениями до 6 м, поэтому широкомасштабное разветвление не допускается. Однако при соблюдении требований к допустимой длине основной линии можно расширить основную сеть на всю зону. Правда, поиск неисправностей в этой сети может оказаться весьма трудоемким, известно не слишком много способов ее диагностирования. Обычно требуется участие инженеров, что увеличивает затраты на эксплуатацию сети. СЕТИ FOUNDATION FIELDBUS (H1) И PROFIBUS-PA

Foundation fieldbus (FF) и ProfibusPA — это низкоскоростные сети (31 Кбит/с), которые предназначены, главным образом, для аналогового управления технологическими процессам. FF и Profibus-PA конкурировали несколько лет, но в последнее время две полевые шины движутся к объединению в одной шине управления технологическими процессам и использованию общего файла устройства. Обе шины используют одинаковый физический уровень и обеспечивают ограниченную мощность для питания линий сети, а также поддерживают низкоскоростную отказоустойчивую связь между управляющей системой и полевыми устройствами. FF также поддерживает связь между устройствами и управление в полевых устройствах, хотя эта функция используется редко. В отличие от FF Profibus-PA использует протокол, построенный по принципу ведущий/ведомый (master/ slave) и не поддерживает связи между устройствами. Profibus-PA — это низкоскоростная версия сети ProfibusDP, которая обычно работает как подсеть в коммуникационной системе Profibus-DP. Соединители (link) и/или модули связи (coupler) DP/PA соединяют две сети. Модули связи DP/PA отображают коммуникации PA в сеть DP, поэтому полевые устройства являются узлами сети ProfibusDP. Соединители DP/PA разделяют сети, поэтому канал DP/PA становится узлом в сети Profibus-DP и является ведущим устройством (master) сети Profibus-PA. Соединители более предпочтительны по сравнению с модулями связи, т.к. модули связи увеличивают скорость Profibus-DP, чтобы согласовать скорость с гораздо более медленной сетью PA. Модули связи DP/PA обеспечивают необходимую мощность для каждой сети ProfibusPA, поэтому дополнительных источников питания не нужно. При том что

обе сети поддерживают цифровые устройства, в большинстве систем они не содержатся. ПРЕИМУЩЕСТВА И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ FF И PA

Сети Foundation Fieldbus и Profibus-PA допускают использование нескольких передатчиков/управляющих вентилей на одном проводе, и можно сэкономить на кабелях, если устройства сгруппированы в небольших областях и расположены вдалеке от системы управления. Обе сети будут работать в зонах Class I Div 2 и Class I Div 1. Однако зоны по классу Class I Div 1 требуют искробезопасного соединения, что ограничивает число устройств до 4-х или 5-ти на сегмент и исключает какую-либо экономию кабелей. Последние версии стандарта по искробезопасности для полевых шин (FISCO) допускают больше устройств в искробезопасном сегменте вместе с подходящими блоками соединения с полевыми устройствами и сетевым оборудованием. Длина кабелей может варьироваться для обеих сетей, и требования к топологии сети минимальны. Поддержка FF сильна в США, а в Европе поддерживают в основном Profibus-PA. Сеть FF лучше всего использовать там, где система управления имеет интегрированную карту FF и системную диагностику. Возможности системы возрастают, если эти функции встроены в систему управления. Если они отсутствуют, то многие преимущества не будут реализованы. Profibus-PA тоже лучше всего использовать, когда система управления имеет Profibus (DP или PA), полностью интегрированную в систему. Profibus-PA может работать, используя коммуникационную карту Profibus-DP, соединители и модули связи DP/PA, но их конфигурация в этом случае будет намного сложнее. НЕДОСТАТКИ FF И PA

Последние изменения в ценах существенно повысили стоимость программного и аппаратного обеспечения FF. Если включить в общую сумму стоимость источников питания, полевых блоков, карт полевой шины, лицензий и конфигурационного ПО, а также самих полевых устройств, то затраты могут сравняться или превысить стоимость обычных систем ввода/вывода. Стоимость установленной сети Profibus-PA также может превысить стоимость оборудования с токовой петлей 4—20 мА, если учесть стоимость коммуникаций Profibus-DP, каналов и/или блоков коммутации DP/PA, полевых устройств вместе с полевыми блоками, лицензиями и конфигурационным ПО. Однако все-

ствия отказа, но стоимость монтажа будет значительно выше. Оцените виды возможных отказов, когда будете рассматривать возможность установки сетей FF или ProfibusPA. Потеря одной коммуникационной карты, источника питания, сетевого кабеля или канала/блока коммутации (в Profibus-PA) может вывести из строя целый сегмент. Если в этом сегменте находятся несколько контуров управления, остановка завода может стать неминуемой. Имеются опции для резервируемых коммуникационных карт FF и PA и резервируемые источники питания, но они могут быть более дорогостоящими. Большинство сегментов FF и Profibus-PA должны быть выведены из обслуживания при установке нового устройства в сеть. Это может вызвать серьезные проблемы на заводах с непрерывным производством. Обе сети требуют намного больше инженерно-технических работ, чем сети на основе токовой петли 4—20 мА, и в каждом сегменте необходимо проверять скорость передачи данных, нагрузку на питание, отражение и др. Формально наибольшее число устройств в обеих сетях равно 32. В реальности это число намного меньше. Проблемы,

связанные с отказоустойчивостью и скоростью передачи данных, и ограничения по мощности существенно уменьшают число устройств. Настройка обеих сетей технически сложнее, чем систем с токовой петлей 4—20 мА. С особым вниманием надлежит выполнять оконечную нагрузку. Изменения часто вносят в файле устройства сети FF, и новые приборы могут не работать, если не найти новый файл устройства, не загрузить его в систему и не обновить сеть. Файлы определения устройства сети ProfibusPA (GSD) часто пересматривают, поэтому при замене устройства требуется обновление этого файла, чтобы система смогла его распознать. Это, в свою очередь, может потребовать восстановления сети, а значит — участия высококвалифицированных техников или инженеров. Поиск неисправностей в этих сетях довольно сложен, и способов диагностирования проблем существует не так много. Для таких работ обычно приглашают инженеров, что увеличивает затраты на эксплуатацию сети. ЛИТЕРАТУРА 1. Hunter Vegas. The Fieldbus Jungle// www.controldesign.com

67 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

таки Profibus-PA имеет небольшое ценовое преимущество перед FF. Для технологических зон с размещенными в них полевыми устройствами или устройствами, расположенными поблизости от пункта управления, не следует ожидать преимуществ от применения сетей FF или Profibus-PA. В данной ситуации стоимость установки почти всегда будет превышать стоимость использования обычных систем ввода/вывода. Полевые устройства как для Profibus-PA, так и для FF обычно дороже устройств для токовой петли 4—20 мА. Кроме того, большинство полевых устройств являются устройствами более высокого класса, которые содержат полный набор опций. Вендоры предлагают совсем немного бюджетных устройств, способных работать в сетях Profibus-PA или FF. Проектирование этих сетей может вызвать трудности из-за конкурирования приоритетов. Максимальное увеличение числа устройств в сети снижает стоимость установки, но значительно увеличивает вероятность дезинтеграции завода в случае потери сегмента. Если сегмент ограничивается одним контуром управления и несколькими индикаторными приборами, то существенно уменьшается площадь воздей-

Электронные компоненты №5 2011

МОБИЛЬНЫЕ МЭМС-ДАТЧИКИ С ДЕВЯТЬЮ И БОЛЕЕ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ СВЕТЛАНА СЫСОЕВА, консультант

В статье рассмотрены последние достижения мобильных технологий МЭМС — детектирование движения и других параметров со многими степенями свободы, слияние сенсорных данных. Начавшийся переход от автономных трёхосевых сенсорных компонентов к комплексной аппаратно-программной реализации высокоинтегрированных мобильных датчиков с девятью (и более) степенями свободы со слиянием данных подразумевает, что аналогичные возможности имеются при проектировании встраиваемых систем любого масштаба. ВВЕДЕНИЕ

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

68

Среди различных типов МЭМСдатчиков во всех сегментах рынка имеются датчики движения (motion sensors). Они же являются наиболее популярными из всех МЭМС, встраиваемых в смартфоны и им подобные устройства. По данным IHS iSuppli, потребительский сегмент МЭМС вырос в 2010 г. на 27% и достиг 1,6 млрд долл. По оценке iSuppli, в 2014 г. этот показатель вырастет до 3,7 млрд долл. Исходя из данных Yole о том, что CAGR (совокупный годовой темп роста) рынка датчиков движения для потребительской электроники составляет 20,3%, этот сегмент вырастет с 847 млн долл. в 2009 г. до 2,56 млрд долл. в 2015 г. Одной из главных задач МЭМСдетектирования движения является определение положения и ориентации объекта в пространстве и в реальном времени. Одно из ключевых применений сотовых телефонов — использование их для навигации. Другие ключевые применения — обнаружение, захват жестов при взаимодействии с пользователем. Новые функции обработки движения в мобильной электронике могут включать точное определение поворотов, качаний, щелчков/постукиваний по корпусу, дрожания руки для повышения качества изображения, стабильности воспроизведения видео, новые пользовательские и игровые интерфейсы. На мобильном рынке для этих задач широко применяются акселерометры, гироскопы, магнитометры, которые предоставляют сведения о движении, изменении пространственного положения устройства или его интерфейса. Эти датчики также обеспечивают контроль движения в медицинских исследованиях, мониторинг физической активности в спортивном

WWW.ELCOMDESIGN.RU

оборудовании, анализ компьютерной анимации и т.д. Однако отдельного МЭМС-датчика недостаточно для определения ориентации в пространстве или описания сложного движения или траектории. Комбинация таких трёхосевых датчиков как акселерометр, гироскоп и магнитометр вместе с соответствующим аппаратно-программным обеспечением позволяет решать навигационные задачи. Данные о положении/ориентации и другие данные от мобильных датчиков могут далее использоваться для контроля показаний других (фиксированных) датчиков. Но в других применениях только мобильные датчики обеспечивают решение задачи. Пример — спортивное снаряжение, в котором все датчики, размещённые в разных точках относительно корпуса человека, являются мобильными. В этом случае целесообразно объединять все измерительные МЭМС-устройства в одном корпусе, рассчитанном на крепление в точке подвижного объекта (корпуса). Такой датчик, фиксированный в подвижной части корпуса, будет на самом деле мобильным и характеризоваться несколькими степенями свободы. Развитие коммерческих технологий МЭМС допускает плавный переход от применения комбинации акселерометра, гироскопа и магнитометра для навигации целого объекта (самолёта, автомобиля, пешехода) к отслеживанию положения/ ориентации его отдельных частей. ВОЗМОЖНОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МНОГООСЕВЫХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Шесть степеней свободы в опорном фрейме объединяют три линейных и три угловых степени свободы двух трёхосевых датчиков — акселероме-

тров и гироскопов. Им соответствуют по три декартовых оси, относительно которых выполняется детектирование линейного перемещения либо линейного ускорения с помощью акселерометров и угловой скорости или углового поворота посредством гироскопов. Датчики с шестью степенями свободы называют также шестиосевыми, и эти понятия тождественны. Мобильный датчик детектирует такие углы поворота как крен (Roll), продольный наклон (Pitch) и курс (Yaw). Акселерометры и гироскопы детектируют линейное ускорение и угловую скорость объекта/точки. Гироскопы позволяют вычислять угловую скорость. Интегрирование угловой скорости даёт угол поворота. Важнейшим параметром является смещение гироскопа. Если известна начальная ориентация в момент времени t0 и смещение (сигнал на нулевом повороте), то возможно определение ориентации в момент времени t. Гироскопы и акселерометры находятся в гравитационном и магнитном полях Земли. Для указанной схемы вычислений подходит использование системы координат, фиксированной относительно магнитного поля Земли. Но в том случае, если земной и мобильный фрейм в реальном времени различаются, необходимо учитывать магнитное поле и в любом случае — гравитационное. Акселерометры позволяют измерять истинное ускорение объекта или его части (точки), которое суммируется из истинного ускорения объекта и ускорения свободного падения в поле гравитации. Крен и продольный наклон возникают в результате действия ускорения в гравитационном поле. Для вычленения гравитационного ускорения сигналы мобильных акселерометров проецируются на оси земного фрейма. Перед корректировкой гравитации и

Рис. 1. Аппаратно-программная реализация девятиосевого сенсорного решения

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

70

интегрированием сигналов акселерометров для вычисления положения в системе инерциальной навигации для проецирования используются данные интегрирования сигналов гироскопов (данные об ориентации). В мобильной системе сигнал гравитации отделяется с помощью магнитометра для ориентирования по осям. Магнитометры предоставляют информацию о курсе (Yaw). Добавление трёхосевого магнитометра к мультисенсорному блоку с шестью степенями свободы даёт ещё три дополнительных степени свободы и комплексное решение с девятью степенями свободы (или девятиосевой датчик). Очевидно, что для непрерывных вычислений данных о положении/ ориентации применяются сложные алгоритмы обработки сигналов со слиянием данных от датчиков. Традиционные навигационные системы IMU, AHRS — сложные и дорогостоящие решения, цена которых тем выше, чем более высокую точность они обеспечивают. Развитие коммерческих МЭМС-технологий привело к появлению на рынке блоков инерциальных измерений с шестью или девятью раздельными типами выходов от трёхосевых датчиков, обработка сигналов которых для вычисления положения или ориентации производится центральным процессором. В последние годы МЭМС-технологии позволили добиться выдающихся результатов в плане повышения характеристик гироскопов (стабильности смещения, углового случайного шума) и достичь т.н. тактического уровня исполнения (tactical-grade), при котором стабильность смещения лучше 10°/ч, а угловой случайный шум — менее 0,5°/√ч. Но в последнее время появилось сразу несколько недорогих девятиосевых решений plug&play со слиянием данных, легко встраиваемых в мобильные электронные устройства. Поскольку рынок потребительской электроники в настоящее время является ведущим для всех остальных сегментов, эти решения символизируют собой и самые ближайшие перспективы для разработки встраиваемых систем для промышленных, медицинских приложений, робототехники и т.д. В своё время системы IMU в МЭМС-исполнении возвратились с потребительского рынка в традиционные сферы применения (военную и

WWW.ELCOMDESIGN.RU

авиакосмическую). МЭМС-технология позволила снизить цену, размер компонентов, допустить ещё более массовое распространение комбинированных датчиков. Миниатюрные мультисенсорные смарт-системы с девятью и более степенями свободы и со слиянием данных от датчиков способствуют ещё более полному осуществлению контроля над положением/ориентацией различных функциональных блоков объектов. МОБИЛЬНЫЕ МНОГООСЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ТИПА PLUG&PLAY

Пионером в области многоосевого инерциального детектирования можно назвать компанию InvenSense (www.invensense.com), т.к. именно она впервые представила аппаратно-программную реализацию слияния данных датчиков — поначалу в шестиосевом формате. Хотя InvenSense только в 2009 г. создала трёхосевой гироскоп ITG-3200 (первый в мире гироскоп по цене до 3 долл.), уже в начале 2010 г. появился компонент IMU-3000 — первый трехосевой гироскоп, интегрирующий входы акселерометра и являющийся шестиосевым сенсорным решением для блоков инерциальных измерений. Как следует из его названия, данное решение представляет собой шестиосевой блок инерциальных измерений, требующий внешнего акселерометра.

IMU-3000 интегрирует также аппаратную машину обработки движения Digital Motion Processor (DMP) без центрального процессора с вторичным портом I2C-master для интерфейса с акселерометром. Системная коммуникация с хост-процессором осуществляется через буфер FIFO (first-in, first-out) для экономии энергии. Для коммуникации производитель рекомендует использовать беспроводной канал. Для ускорения цикла разработок InvenSense сопроводила IMU-3000 библиотекой Motion Processing Library (MPL) с алгоритмами ядра для обработки движения посредством встроенных модулей и API-интерфейсом. IMU-3000 стал первым решением, реализованным в шестиосевом формате. Затем компании InvenSense, STMicroelectronics, Movea расширили концепцию шестиосевого детектирования до девятиосевого формата слияния сенсорных данных. На момент публика-

ции этой статьи девятиосевой формат уже стал для потребительской электроники стандартом де-факто. Следующим решением от InvenSense, о котором стало известно в конце 2010 г., стал микропроцессор Motion Processor MPU-6000. Это первая (в мире) аппаратно-программная реализация девятиосевого сенсорного решения без центрального процессора в корпусе QFN размерами 4×4×0,9 мм (см. рис. 1).

MPU-6000 объединяет на одном кремниевом кристалле интегрированный трёхосевой акселерометр, трёхосевой гироскоп и интеллектуальные функции Digital Motion Processor (DMP) для девятиосевого слияния сенсорных данных без центрального процессора. Для этого устройства только магнитометр должен быть внешним. В альтернативном варианте с учётом обработки сигнала потребовалось бы достаточно много компонентов от различных поставщиков, что отразилось бы на цене и сроках разработки. Семейство MPU-6000 от InvenSense было разработано для решения проблемы выбора и интегрирования различных датчиков движения, обработки сигнала, слияния данных, производственной калибровки. В устройстве полностью реализованы алгоритмы девятиосевого слияния данных и реализации функционала инерциальной навигации. Цифровой выход шести- или девятиосевого слияния — матрицы вращения, кватернионы, углы Эйлера, строковый формат данных.

MPU-6000 совместим по выводам с предшествующим семейством интегрированных трёхосевых гироскопов MPU3000. Интеграция в систему и интерфейсы с модулями реализованы с помощью шин I2C (порт для подключения цифрового выхода внешнего трёхосевого магнитометра или компаса) или SPI с использованием стандартных библиотек Motion Processing Library (MPL) и API (см. рис. 1). MPU-6050 практически идентичен MPU-6000, но поддерживает только I2C-коммуникацию на скорости до 400 кГц и имеет вывод VLOGIC, определяющий интерфейсные уровни напряжения, а MPU-6000, кроме I2C, поддерживает SPI на скорости до 20 МГц и имеет один вывод VDD, служащий опорным для логического уровня и аналогового питания. Производство девятиосевого сенсорного семейства MPU-6000 InvenSense основано на оригинальном процессе Nasiri-Fabrication однокристальной интеграции датчиков (CMOS MEMSинтеграция на уровне пластины) и на гибкой 8-дюймовой инфраструктуре. Заявленные параметры продукта следующие:

Рис. 2. Миниатюрный беспроводной девятиосевой блок инерциальных измерений MotionPod от компании Movea — новое аппаратно-программное решение в полностью интегрированном корпусе

ния данных платформы Smart Motion. Каждый MotionPod оснащён встроенным 2,4-ГГц беспроводным трансмиттером, работающим в диапазоне до 30 м с очень низким потреблением мощности (до 8 ч полезной работы). Обновление ПО производится также беспроводным способом. Для большей гибкости в применениях режим Gyro On/ Off программируется. Для увеличения срока службы батареи используется режим низкого энергопотребления, частота дискретизации с целью экономии энергии конфигурируется. Размеры MotionPod — 33×22×15 мм, вес — 14 г. APIинтерфейсы Smart Motion предназначены для удобной интеграции в аппаратные платформы клиентов и разработки специального ПО. Пользователи могут снимать и использовать в своих вычислениях следующие данные: углы Yaw, Pitch, Roll, кватернионы, матрицы вращения, углы Эйлера. Миниатюрное устройство MotionPod предназначено для занятий фитнесом, игр, спорта, медицинских применений в одно- или многоузловом вариантах. Одно устройство MotionPod предоставляет информацию о движении, вращении, скорости, ускорении. Данные MotionPod передаются по беспроводному каналу к USB-приемнику компьютера. Несколько устройств MotionPod можно объединять в сеть для передачи информации из различных частей корпуса (тела). К одному устройству Motion Controller подключается до 32 MotionPod. Разработчикам, системным интеграторам, OEMпроизводителям устройство MotionPod поставляется в комплекте Smart Motion Development Kit (SMDK), а также с набором базовых функций Windows API. Предложения от InvenSense и Movea классифицируются как девятиосевые решения, реализованные на аппаратном и программном уровне.

ST также разрабатывает и продвигает на рынок концепции многоосевых датчиков. В обширном ассортименте разработок STM были представлены программный модуль iNEMO для слияния данных с девятью степенями свободы датчиков, цифро-

71 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

– полный диапазон гироскопа MPU-6000: ±250…±2000 dps (°/с); – полный диапазон акселерометра: ±2…±16g; – разрешение АЦП: 16 бит; – шумовые характеристики: 0,005°/с/√Гц. Эти характеристики позволяют детектировать и медленное, и быстрое движение, дают высокое качество при стабилизации изображений, наведения, воспроизведении игр. Чувствительность калибруется с точностью до ±1%. Резонансная частота — 27 кГц, что делает MPU-6000 устойчивым к помехам на звуковых частотах 20–20000 Гц. Кроме того, эти устройства обеспечивают программируемую цифровую фильтрацию, тактирование с 2-% точностью в диапазоне температур –40…85°C, , программируемые прерывания, имеют встроенный датчик температуры и потребляют 5,5 мА. Компания InvenSense не только производит законченные аппаратно-программные решения, но и совершенствует свою многоосевую сенсорную концепцию на программном уровне. В декабре 2010 г. InvenSense анонсировала первую библиотеку с девятиосевым слиянием сенсорных данных, предназначенную для телефонов Android 2.3 Gingerbread и другой электроники. ПО MPL 3.2 представляет собой программную надстройку для процессоров обработки движения Motion Processor со встроенными алгоритмами, которая позволяет подключить датчики (трёхосевые гироскопы, акселерометры, магнитометры) непосредственно к аппаратной сенсорной части телефонов Android Gingerbread. Девятиосевое детектирование означает программное слияние данных от новых API-интерфейсов. Интеграция алгоритмов предназначена для ускорения цикла разработки OEM-производителями смартфонов с девятиосевыми измерениями. MPL позволяет решить следующие задачи: управление датчиком, калибровку смещения, слияние данных, обнаружение жестов. DMP снижает нагрузку процессора в применении до 10 раз, удаляет временные ограничения для доступа и обработки данных в смартфонах с рабочей частотой до 1 ГГц. Следующее решение от InvenSense — представленная в апреле 2011 г. программная платформа Smart Motion 4.0, которая интегрирует алгоритм девятиосевого слияния датчиков Motion Fusion Engine и библиотеки компасов от AKM и Aichi Steel.

Smart Motion 4.0 разработана для применения с новым семейством процессоров движения MPU-6000 Motion Processor. Процессор Motion Fusion Engine в этом применении выполняет девятиосевое слияние данных акселерометров, гироскопов и компасов. Поскольку компасы чувствительны к разрушающим магнитным полям, искажающим курсовую точность, InvenSense разработала для гироскопа адаптивные алгоритмы сброса магнитных полей. Smart Motion 4.0 также включает алгоритмы для быстрой калибровки компаса, калибровки смещения гироскопа, API и др. Компания Movea (www.movea.com) представила для потребительской электроники своё запатентованное аппаратно-программное решение на основе МЭМС-датчиков для определения движения с девятью степенями свободы — беспроводное миниатюрное устройство IMU MotionPod (см. рис. 2). В отличие от MPU-6000, MotionPod характеризуется ещё более высокой степенью интеграции, реализованной на аппаратном уровне — в этом устройстве используется встроенный магнитометр и беспроводной трансмиттер. Назначение устройства — точный мониторинг ориентации человеческого тела. Устройство представляет собой малый PCB-модуль, объединяющий трёхосевой акселерометр, трёхосевой гироскоп, трёхосевой магнитометр в полностью интегрированном корпусе с программным и беспроводным интерфейсом. Совместно с мощным ПО модуль MotionPod поставляет динамически обновляемую информацию датчиков на центральный процессор. Устройство использует запатентованные алгоритмы слияния данных. Данные от датчиков комбинируются посредством алгоритмов слия-

Электронные компоненты №5 2011

Рис. 3. Программный модуль iNEMO Engine для девятиосевого слияния данных датчиков движения — трёхосевых акселерометра, гироскопа и магнитометра

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

72

вые компасы и датчик давления, позволяющий определять высоту нахождения мобильного телефона. iNEMO Engine от ST (см. рис. 3) — это программный модуль для девятиосевого слияния данных датчиков движения — трёхосевого акселерометра, трёхосевого гироскопа, трёхосевого магнитометра. На аппаратном уровне повышение степеней свободы было реализовано в компасах ST, разработанных совместно с Honeywell. Эти устройства интегрируют трёхосевой цифровой акселерометр и трёхосевой цифровой магнитный датчик. Пример — новейший геомагнитный модуль STLSM303DLHC в корпусе 3×5×1 мм с током потребления до 110 мкА. Модуль характеризуется меньшим потреблением тока на 70% по сравнению с недавно анонсированным LSM303DLM, а его диапазон питающих напряжений — 2,16…3,6 В. Модуль LSM303DLHC работает в диапазоне линейного ускорения до ±16g и в магнитных полях до ±0,8 мТл. Модуль обеспечивает магнитное разрешение до 60% выше, чем у предшественника, имеет на 40% меньший размер. Целевые применения — LBS (location based services — услуги на базе информации о местоположении), навигация, ориентирование по дисплейным картам. Компасы объединяются с акселерометрами и гироскопами для осуществления навигации, обнаружения жестов, создания новых игровых интерфейсов. В потребительской электронике они уже обособились в отдельную сферу применения. Модуль LSM303DLHC от ST обеспечивает 4D/6D-определение ориентации, имеет два программируемых сигнала прерывания, допускающих обнаружение движения, щелчков/двойных щелчков и других событий. Следующим ключевым шагом ST в аппаратной реализации детектирования движения со многими степенями свободы стал новый кремниевый МЭМС-датчик STM LPS001WP, который был специаль-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

но разработан для точного измерения давления с помощью потребительских устройств, способных измерять атмосферное давление, учитывать высоту над уровнем моря при 3D-измерениях. На этом основании датчики давления теперь можно функционально причислить к датчикам движения/навигации. Рабочий диапазон значений LPS001WP в 300–1100 мбар соответствует атмосферному давлению –750…9000 м относительно уровня моря. Датчик детектирует изменения в 0,065 мбар, соответствующие 80 см высоты. Устройство производится с использованием собственной технологии ST VENSENS, обеспечивающей создание монолитного кремниевого кристалла без соединения пластин. Первые портативные устройства, оснащенные традиционными функциями GPS, идентифицировали положение прибора и осуществляли навигацию только в двух измерениях. Добавление датчика LPS001WP расширило функциональность этих устройств за счет 3D-идентификации, причём стало возможным автоматически посылать звонок в пожарную, медицинскую службы или полицию с указанием этажа.

ST — весьма динамично развивающаяся компания, быстро реагирующая на рыночные веяния в потребительском сегменте. Успех компании в продвижении на данном сегменте рынка объясняется массовым производством, низким уровнем цен и технологическим превосходством новых решений над предложениями конкурентов. Поэтому следующее аппаратно-программное воплощение многоосевого детектирования, анонсированное ST в мае 2011 г., является уже 10-осевым. В нём десятая степень свободы достигается включением датчика давления для измерения высоты над уровнем моря.

10-осевой формат адресован новому классу мобильных систем и применений (LBS, инерциальная навигация пешеходов в многоэтажных зданиях и т.д.). Для этих

целей ST предлагает использовать три МЭМС-датчика — геомагнитный модуль, гироскоп и датчик давления, предоставляющие данные о линейном ускорении, угловой скорости, гравитации, курсе, высоте. Для облегчения слияния данных ST ранее ввела программный механизм iNEMO Engine (см. рис. 3). Располагая всем этим арсеналом для вычислений, ST обещает реализовать десятиосевой формат слияния данных в комплексном аппаратно-программном решении следующего уровня. Массовое производство трёхкристальных систем, объединяющих геомагнитный модуль LSM303DLHC, трёхосевой гироскоп L3G4200D и кремниевый датчик давления, начнётся в III кв. 2011 г. Трёхосевой цифровой гироскоп L3G4200D в корпусе 4×4×1 мм предоставляет 16-битные данные в программируемых пользователем диапазонах ±250…±2000 dps (°/с). Устройство включает признак FIFO (first-in, first-out) для коммуникации между датчиком и центральным процессором. Кремниевый датчик давления от ST заключён в корпус 3×3×1 мм и работает в диапазоне 260–1260 мбар, что соответствует атмосферному давлению в диапазоне –700…10000 м относительно уровня моря. Датчик рассчитан на детектирование высоты с разрешающей способностью до 0,3 м.

ST уже перешагнула отметку в 1 млрд проданных МЭМС-датчиков ещё в 2010 г. и в настоящее время производит более 2 млн этих устройств ежедневно. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным iSuppli, объем зарождающегося ныне рынка интегрированных множественных датчиков движения для бытовой электроники достигнет 1 млрд шт. в 2014 г. Однако датчики движения — далеко не единственная развивающаяся технология МЭМС для мобильных и других встраиваемых систем, для которых особенно актуальными являются высокая степень функциональной интеграции и миниатюризации компонентов. Полный список этих технологий см. на сайте www.sysoeva.com. Десятиосевой формат обработки данных — самый новый, но не окончательный формат определения параметров движения, который предлагается со встраиванием или креплением к точкам объекта со сложным позиционированием. Вместо датчика давления или вместе с ним могут использоваться другие мобильные детекторы, размещённые в различных точках, частях объекта со сложным позиционированием (человека, робота, аппарата). В этом случае можно говорить о девяти или более десяти степенях свободы конкретного мобильного датчика и всего объекта.

ВЫБОР БАТАРЕИ ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ КИТ ОДЛЭНД (KEITH ODLAND), Silicon Laboratories По мере усложнения систем и методов управления электропитанием усложняется задача выбора батареи, которая удовлетворяла бы статическим и динамическим требованиям. При выборе батареи учитывается ее химический состав, диапазон рабочих температур, максимальная нагрузка, КПД и экологические требования. жение этих элементов составляет 3 В, а напряжение пробоя — 2,2 В. Как и в литиевых батареях BR, в качестве материала для анода в типе CR используется тот же литиевый сплав, а катод изготовлен из диоксида марганца. Этот материал снижает внутренний импеданс батареи. Как таковая батарея типа CR лучше подходит для генерации более высоких токов, чем элементы BR, за счет меньшего тока саморазряда и меньшей производительности при высоких температурах. К числу применений батарей CR относятся удаленный бесключевой доступ, радиочастотная идентификация (RFID) и часы. Номинальное напряжение этих элементов составляет 3 В, а напряжение пробоя — 2,2 В. Литиево-тионилхлоридные баратеи — относительно новые элементы, которые характеризуются чрезвычайно малой скоростью саморазряда, благодаря чему их срок службы составляет около 20 лет. Благодаря тому, что у этих батарей скорость разряда постоянна, их выходное напряжение остается относительно постоянным в течение всего срока службы. Производители этих устройств изготавливают их с использованием раствора тетрахлоралюмината лития в хлористом тиониле в качестве жидкого катода и цинко-

вого сплава — в качестве анода. Это более дорогостоящая технология, чем те, на основе которых изготовлены другие литиевые элементы. Литиевотионилхлоридные баратеи находят применение в системах с весьма продолжительным сроком службы, например, в водяных и газовых счетчиках, в промышленном оборудовании и военной технике. Этот тип источников питания практически не применяется в потребительской электронике. Номинальное напряжение элементов составляет 3,6 В, а напряжение пробоя — 2,2 В. Воздушно-цинковые батареи характеризуются намного большей плотностью энергии, чем все рассмотренные типы. Батарея этого типа состоит из воздушного и цинкового электродов и электролита. Во время разрядки поступающий извне воздух с помощью катализатора образует в водном растворе электролита гидроксил-ионы, которые окисляют цинковый электрод. В ходе этой реакции высвобождаются электроны, образующие ток. Потребители знакомы, по большей части, с этим типом батарей, которые используются в слуховых аппаратах и фотокамерах. При этом батареи намного большего размера находят применение в навигационных системах. Срок хранения

Таблица 1. Наиболее распространенные типы батарей Батарея

Анод (−)

Катод (+)

Номиналь- Плотность ное напря- энергии, жение, В МДж/кг

73 Другие параметры Продолжительный срок хранения, используется в приложениях с высоким или средним потреблением Экономичность при низком потреблении тока Широкий диапазон рабочих температур, высокий внутренний импеданс, низкий импульсный ток Хороший импульсный режим, стабильное напряжение при разряде

Щелочная

Цинковый Диоксид марганца

1,5

0,5

Углеродноцинковая

Цинковый Диоксид марганца

1,5

0,13

Литиевая (BR)

Литиевый

3

1,3

Литиевый Диоксид марганца

3

1

Оксид- дихлорид серы

3,6

1,04

Низкая скорость саморазряда, срок службы — до 20 лет

1,4

1,69

Высокая плотность энергии, срок службы — несколько недель или месяцев

Литиевая (CR) Литиевотионилохлоридная Воздушноцинковая

Литиевый

Монофторид углерода

Цинковый Кислород

Электронные компоненты №5 2011

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

Неперезаряжаемые батареи, или первичные источники питания, находят широкое применение в большинстве встраиваемых систем (см. табл. 1). К этой категории батарей относятся щелочные элементы, которые производители, как правило, изготавливают на основе диоксида марганца и цинковой пыли с едким кали в качестве электролита. Эта батарейная технология используется во многих стандартных приложениях, например, для питания детекторов дыма, персонального медицинского оборудования, портативных аудиоустройств и мощных импульсных ламп. Номинальное напряжение щелочного элемента составляет 1,5 В, а напряжение пробоя — 0,9 В. К другому типу первичных источников питания относятся цинковые углеродные батареи — предшественники щелочных элементов, имеющие схожий химический состав. Эти батареи с низкими эксплуатационными характеристиками применяются в чувствительных к цене приложениях с небольшим КПД, например, в игрушках, будильниках и радиоприемниках. Номинальное напряжение этих элементов составляет 1,5 В, а напряжение пробоя — 0,9 В. К третьему типу батарей относятся литиевые элементы, в маркировке которых используются обозначения BR или CR. Литиевые батареи BR выполнены в разных форм-факторах, но чаще всего они предлагаются в виде плоских круглых аккумуляторов. Производители, как правило, изготавливают их с помощью геля из монофторида углерода и литиевого сплава. Такой состав обладает хорошими параметрами при высоких температурах, а батареи характеризуются малым саморазрядом. Эти элементы применяются в системах с большими интервалами обслуживания и имеют относительно невысокое энергопотребление. К числу таких систем относятся водяные и газовые счетчики, теплораспределительные устройства, системы электронной оплаты и системы контроля давления воздуха в шинах. Номинальное напря-

таких устройств составляет несколько лет. Номинальное напряжение этих элементов составляет 1,4 В, а напряжение пробоя — 0,9 В. ПРИГОДНОСТЬ БАТАРЕЙ

В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

74

При оценке пригодности батареи того или иного типа для конкретного приложения инженеры оценивают ряд параметров, к наиболее важным из которых относятся номинальное напряжение, емкость, плотность энергии, показатели саморазряда и динамические характеристики. Номинальное напряжение измеряется между положительным и отрицательным выводами батареи. Разработчики располагают батареи последовательными или параллельными группами, чтобы установить требуемый уровень напряжения или тока. Системной единицей измерения емкости энергии батареи в СИ является джоуль (Дж), однако большинство производителей указывает этот параметр в мА∙ч. Например, если емкость батареи равна 100 мА∙ч, это означает, что она может питать нагрузку током 5 мА в течение 20 ч. Поскольку совокупная энергия батареи является функцией тока устройства и напряжения на его выводе, джоуль — наиболее подходящая единица измерения для сравнения батарей с разными химическими составами. Преобразовать миллиампер-часы в джоули можно с помощью следующего уравнения: E = 3,6CVвых., где Е — энергия батареи, Дж; С — ее емкость, мА∙ч; Vвых. — выходное напряжение, В. Химический состав батареи определяет электрохимические реакции, обеспечивающие генерацию электрической энергии. Некоторые из этих реакций происходят с большей эффективностью, чем другие, что позволяет создавать батареи меньшего размера при тех же показателях емкости. Отношение размеров батареи к ее емкости определяет энергетическую плотность. Как правило, чем выше плотность энергии, тем дороже обходится технология изготовления батареи. Разработчики этих элементов стремятся найти оптимальное соотношение между стоимостью устройств и их энергетической плотностью. Срок службы батарей не вечен. Даже если они не используются, в них идут электрохимические реакции, что со временем приводит к снижению емкости элементов. Этот естественный процесс характеризуется скоростью саморазряда. У щелочных батарей, как правило, срок службы составляет 7–10 лет. У литиевых батарей типов BR и CR срок службы равен 10–15 лет, а у литиевых тионилохлоридных элементов он достигает 20 лет. Скорость саморазряда и другие процессы старения,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

приводящие к уменьшению срока службы батарей, в большой степени зависят от температуры и рабочих циклов. Изменения рабочего цикла батареи часто неблагоприятно сказывается на ее разрядной характеристике. Динамические физические параметры также воздействуют на рабочие параметры батареи. Вариации температуры, выходного импеданса, рабочего цикла и энергопроизводительности влияют на условия нагрузки и, в конечном итоге, определяют выбор подходящего источника питания. Некоторые из этих вариаций являются эффектами первого порядка, и их нельзя не учитывать в расчетах. Многие системы имеют широкую динамическую полосу пропускания по отношению к расходу мощности. Например, беспроводная сенсорная система, используемая для передачи показаний газовых или водяных счетчиков, потребляет несколько микроватт в спящем режиме, а в активном пиковом режиме — ватты. Это обстоятельство накладывает дополнительные требования к питанию от батареи или другого энергонакопительного устройства. Для решения такой задачи инженеры устанавливают конденсатор параллельно источнику питания, чтобы удовлетворить потребность в пиковой мощности. В этих случаях следует учитывать дополнительные проблемы, связанные со стоимостью конденсатора, его размером, схемой зарядки и утечками. Кроме того, разработчики должны учитывать разрядные характеристики батарей, которые в значительно степени варьируют в зависимости от химического состава источников питания и профиля энергопотребления. Окружающие условия, в особенности температура, также сказываются на рабочих характеристиках батарей. При выборе этих источников питания следует также учесть соображения системного уровня, например, интервал, в течение которого происходит замена батарей, а также требования к напряжению питания системы. Кроме того, следует также обратить внимание на такие экологические требования как утилизация, токсичность материалов, входящих в состав источников питания, безопасность и условия поставки. ТРЕБОВАНИЯ

Как и в большинстве других случаев, разработчики должны взвесить ряд иногда противоречащих друг другу требований, чтобы наилучшим образом удовлетворить всем техническим условиям проекта. Рассмотрим в качестве иллюстрации следующий пример. Полицейские зачастую пользуются электрошокерами — оружием с электронным управлением. Эти устройства

обеспечивают разряд в тысячи вольт, который поражает нервную систему человека, лишая его сознания. В этой системе используется трансформатор, который повышает напряжение батареи в тысячи раз по сравнению с ее выходной величиной. Разработчик может заменить трансформатор 30 тыс. последовательно соединенных щелочных батарей типа ААА. Эти устройства в совокупности создадут напряжение в 45 тыс. В, однако длина такого электрошокера составит 1,33 км, а вес — 360 кг. Кроме того, потребуется клавишный переключатель на 50 кВ. Этот вымышленный пример наглядно показывает, как современная электроника позволяет преодолевать естественные ограничения, обусловленные недостаточно эффективным химическим составом батарей. Рассмотрим в качестве другого примера воздушно-цинковые батареи, которые продолжительное время применялись в слуховых аппаратах благодаря высокой емкости в 1,69 МДж/кг и способности обеспечивать высокие пиковые токи. Как правило, эти батареи служат меньше трех месяцев из-за ограниченных возможностей циклов электролитической реакции. Однако для этого приложения такой срок службы вполне достаточен, и у пользователя имеется возможность менять элементы ежемесячно. Еще один параметр определяется химическим составом батареи — ее выходное напряжение, которое, как правило, составляет 1,4 В. Если, например, это значение вполне годится для низковольтных цепей слуховых аппаратов, то для многих стандартных встраиваемых систем потребуется дополнительно предусмотреть возможность питания от 1,4-В элемента. К счастью, все большее число электронных устройств оснащается современными модулями управления питания, чтобы решить эти вопросы. Например, устройство со встроенным DC/DC-преобразователем повышает входное напряжение 1,4 В воздушноцинковой или 1,5-В щелочной батареи до приемлемого для системы уровня. Более того, программируемый повышающий преобразователь может изменить выходное напряжение в зависимости от потребностей системы таким образом, чтобы энергия, поступающая от батареи к питаемому устройству, расходовалась эффективно в течение рабочего цикла. Такое функционирование позволяет разработчикам оптимизировать функционирование источника питания. Например, рассмотрим двунаправленный беспроводной датчиковый узел в системе обеспечения безопасности дома. Датчик удара такой системы

Рис. 1. Система обнаружения попытки проникновения в дом состоит из микроконтроллера со встроенным DC/DC-преобразователем, субгигагерцового радиопередатчика, пьезоэлектрического датчика удара и щелочной батареи

увеличив КПД во время приема данных сенсорным узлом. Сравним систему, питающуюся от шины фиксированного напряжения литиевой батареи, с устройством, питающимся от щелочной батареи в динамическом режиме переключения. Очевидно, что потери на переключение в первом случае отсутствуют, а выходное напряжение равно 3 В. Кроме того, разработчику едва ли понадобится увеличить размер батареи, чтобы удовлетворить требования по обеспечению пикового тока, поскольку цена такого решения увеличится. В случае с щелочной батареей потери на переключение составят 10%. В таблицах 3 и 4 показано, сколько требуется энергии от каждого элемента для беспроводного датчикового приложения. Продолжительность сна определяется вычитанием из 1 с суммарного времени, необходимого для совершения всех остальных операций. Обработка данных, их прием и передача происходят один раз в минуту. В таблице 3 представлены требования к 3-В 620-мА∙ч литиевой батарее CR2450 ценой 62 цента, а в таблице 4 — требования к 1,5-В 1125-мА∙ч щелочной бата-

рее типоразмера ААА ценой в 25 центов. При таком профиле работы приложения батарея CR2450 прослужит около 4,33 лет. При том же профиле срок службы щелочной батареи ААА составит приблизительно 4,65 лет. Поскольку КПД щелочной батареи на 16% выше, срок ее службы на 7% больше, а стоимость — на 60% меньше. Это сравнение демонстрирует те преимущества, которые достигаются путем применения современных методов динамического преобразования энергии. Данные преимущества в значительной степени зависят от рабочего цикла функций. При увеличении продолжительности режима приема или рабочего цикла увеличиваются преимущества использования динамического метода эксплуатации щелочной батареи. Выходное напряжение DC/ DC-преобразователя может достигать 3,3 В — на 0,3 В выше, чем у литиевой батареи. Таким образом, у современных разработчиков появилось намного больше возможностей при выборе соответствующего источника питания для встраиваемой системы.

Таблица 2. Рабочие состояния датчика удара стекла Состояние

Частота

Описание Пьезоэлектрический датчик удара, подключенный к интерфейсу системы Измерение Запуск по событию ввода-вывода; система пробуждается при попытке разбить стекло Передача данных Один раз в минуту Передача данных о состоянии датчика и батареи на панель управления Прием данных Один раз в минуту Прием уведомлений с панели управления Режим сна с малым потреблением энергии, функция часов в реальном вреСон Всё остальное время мени и ввода-вывода данных Таблица 3. Энергетические требования к литиевой батарее при регулировании фиксированного напряжения Режим Частота Сон Обработка Передача Прием

60 1

Продолжительность, с 954,9 ∙10−3 100 ∙10−6 15∙10−3 30 ∙10−3

Ток, А 600∙10−9 4 ∙10−3 27∙10−3 18 ∙10−3

Напря- Потери на переЭнергия, Дж жение, В ключение, % 103,1∙10−6 1,2∙10−6 3 0 1,2∙10−6 1,6 ∙10−3

Таблица 4. Энергетические требования к щелочной батарее при регулировании динамического напряжения Режим Сон Обработка Передача Прием

Частота 60 1

Продолжительность, с 954,9∙10−3 100 ∙10−6 15∙10−3 30 ∙10−3

Ток, А 600 ∙10−9 4 ∙10−3 27∙10−3 18 ∙10−3

Напряжение, Потери на переЭнергия, Дж В ключение, % 1,5 0 51,6 ∙10−6 1,8 800 ∙10−9 10 3 1,4 ∙10−3 1,8 1,1∙10−3

Электронные компоненты №5 2011

75 В С Т РА И В А Е М Ы Е С И С Т Е М Ы

отслеживает состояние целостности оконного стекла и периодически сообщает эти данные и данные о состоянии батареи на главный пульт управления. Для связи между датчиком и пультом используется протокол передачи/приема/уведомлений, что позволяет уменьшить число избыточных сообщений от сенсора. Большую часть времени он находится в режиме низкого потребления, обеспечивая максимальный срок службы батареи. В таблице 2 определены состояния этого датчика. Система, устанавливающая факт проникновения в дом через разбитое оконное стекло, состоит из микроконтроллера со встроенным DC/ DC-преобразователем, субгигагерцового радиопередатчика, пьезоэлектрического датчика удара и щелочной батареи (см. рис. 1). В отношении этой системы верны следующие допущения. Во-первых, пьезоэлектрический датчик имеет собственный источник питания, который генерирует 3-В импульс при попытке разбить стекло. Этот сигнал запускает внешнее прерывание, которое пробуждает микроконтроллер. Во-вторых, ядро микроконтроллера управляется 1,8-В напряжением внутреннего регулятора. ОЗУ, блок управления питанием и часы реального времени работают при напряжении 0,9 В. Это значит, что источником питания микроконтроллера может быть щелочная батарея типа ААА. В-третьих, усилитель мощности в передающем блоке трансивера обеспечивает более высокую выходную мощность и эффективность, когда напряжение на шине усилителя приближается к максимальному значению на шине питания. Наконец, встроенный регулятор управляет малошумящим усилителем, цепью приемника, контуром фазовой синхронизации и синтезатором. Минимальная величина напряжения равна 1,8 В. Очевидно, что динамическая настройка напряжения батареи позволяет оптимизировать КПД и рабочие характеристики системы. Например, максимальный КПД передатчика достигается при рабочем напряжении 3 В. У щелочной батареи номинальное выходное напряжение составляет 1,5 В, поэтому при использовании встроенного повышающего DC/ DC-преобразователя КПД системы достигает 90%. Однако встроенная функция регулирования ограничивает цепь приемника величиной 1,8 В. Подача 3-В питания при передаче данных приемником может снизить КПД встроенного низковольтного регулятора до 60%. В таком случае разумнее обеспечить динамическую коррекцию выходного напряжения DC/DC-преобразователя с 3 до 1,8 В,

Батарейка ER14505 отлично работает в тысячах счетчиках газа и воды по всей стране СЕРГЕЙ КРИВАНДИН, техн. руководитель направления «Источники питания», ЗАО «Компэл»

Рис. 1. Разрядные кривые литий-тионилхлоридной батареи при различных значениях разрядного тока (на примере ER14505 от EEMB)

Время неограниченных ресурсов заканчивается. Мы приучаемся беречь воду, газ, тепло. В этом нам помогают разнообразные счетчики ресурсов. В счетчиках газа и воды широко применяются литий-тионилхлоридные (Li-SOCL2) батареи, поскольку они обладают всеми необходимыми свойствами: – длительным сроком службы; – стабильным значением отдаваемого в нагрузку тока даже через сотни часов после начала работы; – широким температурным диапазоном работы. В частности, батарея ER14505 производства компании EEMB прекрасно себя зарекомендовала в счетчиках газа. Разработчики выбирают ее за оптимальность. Основные параметры ER14505: – номинальная емкость 2400 мА∙ч; – номинальное напряжение 3,6 В; – максимальный ток в непрерывном режиме работы: 100 мА; – максимальный импульсный ток: 200 мА; – диапазон рабочих температур: –55…85°C.

76

Рис. 2. Варианты выводов батареи ER14505

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ER14505 имеет бобинную конструкцию и относится к «энергетическому» типу, т.е. она может отдавать небольшой ток, но в течение очень длительного времени. Оценить время работы батареи можно по разрядным кривым (см. рис. 1), приведенным для разных значений разрядного тока. Батарея выдает стабильное выходное напряжение в течение всего срока службы. С конструктивной точки зрения очень удобно, что батареи этой конструкции работают независимо от положения корпуса — вертикального и горизонтального. Кроме того, имеется возможность заказать на заводе это изделие с различными типами выводов (см. рис. 2): аксиальными (суффикс –AX), «ножевыми» (суффикс –VB), гибкими проводами (суффикс –LD), что позволяет конструктору выбрать оптимальное решение. Литий-тионилхлоридные батареи ER14505 обладают очень продолжительным сроком хранения благодаря весьма малому току саморазряда, который составляет менее 1% в год от номинальной емкости батареи. Если батарея хранилась некоторое время, может потребоваться ее депассивация, т.е. приведение в рабочее состояние путем разрушения изолирующей пленки хлорида лития на поверхности литиевого электрода. Если батарея хранилась 3 мес., через нее надо пропустить ток активации 200 мА в течение 15 с, если же срок хранения составил 12 мес. — в течение 60 с. Кроме ER14505 компания EEMB выпускает и другие батареи этого типа емкостью 400—36000 мА∙ч. Компания «Компэл» является официальным дистрибьютором продукции компании EEMB. На нашем сайте www.compel.ru приведены подробная информация о технических параметрах и сведения о цене и наличии на складе. Мы поддерживаем широкую линейку продукции EEMB на складе в Москве, а также привозим клиентам изделия под заказ.

НОВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

78

| НОВИНКИ КОМПАНИИ AGILENT TECHNOLOGIES | Новый широкополосный модульный генератор М8190А с частотой дискретизации 8 или 12 Гвыб/с обеспечивает высокое разрешение и характеризуется самым широким в отрасли динамическим диапазоном, свободным от паразитных составляющих и крайне малыми динамическими искажениями. Такая уникальная функциональность позволяет разработчикам средств радиоэлектронного противодействия, радиолокационных и спутниковых систем выполнять надежные, воспроизводимые измерения и создавать реалистичные сигнальные сценарии для тестирования продуктов. Прецизионная генерация сигналов произвольной формы необходима для реалистичного тестирования электронных систем малозаметных воздушных целей и коммуникационных систем высокой плотности, используемых в спутниковой связи. Имея разрешение до 14 бит, M8190A позволяет с высокой точностью отделять полезный сигнал от помехи и сильнее нагружать тестируемые устройства. Память прибора объемом 2 Гвыб позволяет создавать более длинные тестовые сценарии, с большей реалистичностью. Генератор сигналов произвольной формы M8190A позволяет создавать прочную основу для высоконадежной спутниковой связи, генерировать многоуровневые сигналы с программируемыми межсимвольными помехами и джиттером со скоростями до 3 Гбит/с, удовлетворять нынешние и завтрашние рыночные требования благодаря новым технологиям генерации сигнала. Основные характеристики M8190A: разрешение 14 бит и полоса пропускания более 5 ГГц на канал одновременно; возможность создания реалистичных сценариев за счет памяти на 2 Гвыб; меньший размер и масса системы, благодаря модульной конструкции формата AXIe. Высокие характеристики M8190A достигаются за счет специальных ЦАП, разработанных в Научно-исследовательской измерительной лаборатории Agilent. ЦАП изготавливаются по технологии BiCMOS. Его производительность достигает 8 Гвыб/с при 14-битном разрешении и 12 Гвыб/с — при 12-битном разрешении. На частоте дискретизации 8 Гвыб/с ЦАП компании Agilent обеспечивает лучший в отрасли свободный от паразитных составляющих динамический диапазон 75 дБ в диапазоне частот 0…3 ГГц. M8190A работает в модульной системе формата AXIe, предназначенной для высокопроизводительных измерительных приборов. Его можно использовать в 2-слотовых или 5-слотовых шасси. Анализатор сигналов PXA признан многими экспертами лучшим в отрасли анализатором миллиметрового диапазона, охватывающим частоты до 50 ГГц. С внешним смесителем его диапазон частот расширяется до 325 ГГц и выше. Характеристики PXA в миллиметровом диапазоне (точность, чувствительность и стабильность по частоте) лучше, чем у аналогов. Расширение диапазона до 325 ГГц и выше позволяет создавать технологии для формирования изображений, используемые в медицине и авиационной промышленности. Аппаратная платформа PXA обеспечивает отличную чувствительность и широкий динамический диапазон. Для дальнейшего улучшения аппаратных характеристик PXA используются эксклюзивные технологии — малошумящий сигнальный тракт и специальная технология уменьшения собственных шумов (Noise Floor Extention — NFE), позволяющие устранить шум, связанный с искажениями, и дополнительно расширить динамический диапазон. В свою очередь это позволяет использовать PXA для измерения самых малых сигналов в присутствии очень больших сигналов — это сложная и чрезвычайно важная задача для разработчиков и испытателей передовых систем миллиметрового диапазона. Малый уровень шума во всех режимах измерения позволяет PXA достигать той же чувствительности, что и у других анализаторов, но обеспечивать в 10 раз большую разрешающую способность по частоте, что в 100 и более раз ускоряет свипирование. Во многих случаях это устраняет необходимость жертвовать временем измерения ради динамического диапазона, а также обеспечивает инженерам гибкость выбора оптимальной комбинации скорости, точности и достоверности измерений. За счет применения малошумящего сигнального тракта PXA характеризуется средним уровнем собственных шумов –138 дБм на частоте 50 ГГц. Кроме того, применение технологии NFE может дополнительно улучшить этот показатель примерно на 6 дБ. Отметим и другие параметры: величина фазового шума –110 дБн/Гц при отстройке 10 кГц; точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка +13 дБм (ном). Упомянем еще предусилитель с полным диапазоном 50 ГГц. Все перечисленное делают PXA идеальным прибором для инженеров аэрокосмической и оборонной промышленности, для которых очень актуальна проблема расширения рабочей частоты в миллиметровый диапазон. Кроме того, прибор могут использовать исследователи, работающие с частотами миллиметрового диапазона при реализации коммерческих проектов.

PXA поддерживает новые интеллектуальные волноводные гармонические смесители Agilent M1970V/W, которые обеспечивают отличные характеристики на частотах до 110 ГГц и существенно упрощают измерения в миллиметровом диапазоне. Для подключения этих смесителей используется интерфейс USB с поддержкой plug-and-play, что позволяет PXA автоматически настраиваться на подключенный смеситель и загружать из него данные о потерях преобразования. Кроме того, эти смесители автоматически компенсируют потери в тракте гетеродина в зависимости от длины кабеля. Работая в одной упряжке, Agilent PXA и новые интеллектуальные смесители улучшают качество и повышают надежность измерений, не говоря уже об упрощении работы. Кроме того, PXA поддерживает традиционные волноводные гармонические смесители Agilent 11970 (до 110 ГГц) и смесители других производителей (до 325 ГГц и выше). Новая платформа САПР Advanced Design System предназначена для разработки ВЧ- и СВЧ-устройств. САПР поддерживает различные технологии изготовления ИС и дискретных устройств для ВЧ- и СВЧ-приложений, например, GaAs, SiGe, GaN или кремниевые КМОП-технологии. В САПР ADS 2011 заложены функции электромагнитного моделирования (Momentum и FEM), что позволяет получить более точные результаты при разработке блоков и узлов радиоэлектронных устройств. Используя ADS 2011, можно объединять в одном проекте модели, созданные по различным технологиям, т.е. больше не нужно ограничиваться лишь одной технологией изготовления интегральной схемы или модуля при верификации проектов.

www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

НОВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ | НОВИНКИ КОМПАНИИ AGILENT TECHNOLOGIES | Самый быстрый в отрасли логический анализатор U4154A способен анализировать логические сигналы при скоростях 4 Гбит/с для 68 каналов и 2,5 Гбит/с для 136 каналов, с возможностью надежного захвата данных при минимальном раскрытии глазковой диаграммы — 100 пс на 100 мВ. Это один из лучших показателей в отрасли.

U4154A — модульный прибор формата AXIe (AXIe — стандарт, основанный на технологии AdvancedTCA, с расширениями для контрольно-измерительного оборудования). Совместно с пробниками и программным обеспечением он удобен для анализа систем с памятью DDR, интегральных схем с высокоскоростными интерфейсами, аналого-цифровых преобразователей и ПЛИС, работающих со скоростями до 4 Гбит/с. Функция Timing zoom позволяет проводить анализ логических состояний и временных диаграмм с разрешением по времени 80 пс и глубиной памяти 256 Квыб. Модульный логический анализатор U4154A можно установить в двухслотовое шасси Agilent M9502A формата AXIe. Несколько модулей могут синхронизироваться от общего тактового генератора и запускаться от одного секвенсора. Несколько модульных систем, включая шасси Agilent серии 16900, могут быть объединены для коррелированных по времени измерений нескольких системных шин. | ANRITSU ВЫВЕЛА НА РЫНОК ПРИБОР ДЛЯ АНАЛИЗА ПОМЕХ, АМ/ЧМ/ФМ-ИЗМЕРЕНИЙ И АНАЛИЗА СПЕКТРА | Портативный прибор семейства Spectrum Master весит менее 3,5 кг и оборудован 8,4-дюймовым сенсорным дисплеем. MS2711E семейства Spectrum Master содержит встроенные средства для измерения параметров системного уровня, таких как занимаемая ширина полосы частот, уровень мощности смежного канала, маска излучения и напряженность поля. Прибор можно доукомплектовать дополнительными фу нкциями и создать интегрированное решение. Это может быть анализатор помех, сканер каналов, измеритель мощности, GPS-приемник и т.д.

MS2711E предназначен для работы в полевых условиях. Этот портативный анализатор спектра весом менее 3,5 кг оборудован ярким 8,4-дюймовым сенсорным дисплеем. Диапазон его рабочих температур составляет: –10…55°C. Подготовка к работе занимает менее 5 мин. Время непрерывной работы прибора от батареи превышает три часа. Рабочий диапазон частот: от 100 кГц до 3 ГГц. Средний отображаемый уровень шума (Displayed Average Noise Level — DANL) от 142 дБм при ширине полосы пропускания приемника (RBW ) 100 Гц; динамический диапазон свыше 85 дБ. Как и ко всем приборам семейства Spectrum Master, к MS2711E прилагается программное обеспечение Master Software Tools (MST ). MST обеспечивает простое управление, архивирование, анализ и распечатку отчетов по измерениям, а также своевременно обновляет прошивку анализатора. Кроме того, MST позволяет передавать данные, собранные прибором, в ПК для последующего анализа. | AVAGO ПРЕДСТАВЛЯЕТ МИНИАТЮРНЫЕ ТРЕХКАНАЛЬНЫЕ РЕФЛЕКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ AEDR-850X | Эти датчики оснащены встроенной функцией интерполяции для измерений с высоким разрешением, что позволяет с большим успехом использовать их в таких приложениях как шаговые двигатели с обратной связью, миниатюрные приводы, копиры, считыватели карт, дозаторы инсулина и в другом промышленном, бытовом и медицинском оборудовании. Стандартный модуль рефлективного датчика имеет два цифровых выходных канала для определения направления, при этом еще один модуль требуется для индикации перемещения. Прежде в системах определения перемещений для интерполяции требовалось внешнее устройство. В состав рефлективных датчиков AEDR-850x размером 3,95×3,40 мм входят светодиодный источник света, цепь фотоприемника и интерполятора, а также три канала. Благодаря высокому разрешению кодирования (12 линий на 1 мм) компактные модули с высокой степенью интеграции компонентов обеспечивают недостижимую прежде миниатюризацию и могут использоваться в критичных к размеру системах. Датчики AEDR-850x обеспечивают интерполяцию разной кратности (вплоть до 4 крат) и разные уровни разрешения за счет изменения размера кодового диска. Оптические модули в намного меньшей степени подвержены влиянию электромагнитных помех по сравнению с датчиками Холла. Диапазон рабочих температур устройств AEDR-850x, пригодных для жестких условий эксплуатации, составляет –20…85°C. Дополнительные характеристики: небольшой корпус в бессвинцовом исполнении для поверхностного монтажа размерами 3,95×3,40×0,95 мм; TTL-совместимость, позволяющая подключать выводы напрямую к большинству цепей обработки сигналов; 1-, 2- и 4-кратная интерполяция, реализуемая с помощью внешних выводов; единственный источник питания на 5 В.

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ПЛАТЫ». | К этой категории относится инновационное контрольно-измерительное оборудование, в т.ч. стендовые и модульные измерительные приборы, а также законченные системы. Среди финалистов — компании Agilent Technologies, LeCroy Corp., National Instruments и Tektronix. Победителем стала компания Agilent, на протяжении последних лет специализирующаяся на модульных измерительных приборах, в которых реализованы технологии PXI и AXIe.

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

79

ВВЕДЕНИЕ В LTE-ADVANCED МОРЕЙ РУМНИ (MORAY RUMNEY), Agilent Technologies

Стандарт LTE-Advanced (LTE-A) является дальнейшим развитием стандарта LTE, разработанного на основе технологии 3GPP. LTE-A будет соответствовать или превышать требования Международного союза электросвязи (МСЭ) к стандарту радиосвязи четвертого поколения (4G), известного как IMT-Advanced. LTE-Advanced был изначально определен как часть версии 10 спецификаций 3GPP с приостановленной до марта 2011 г. конкретизацией функций. Спецификации LTE будут развиваться в последующих выпусках 3GPP.

В октябре 2009 г. партнеры 3GPP официально представили LTE-Advanced для сектора радиосвязи МСЭ (МСЭ-Р) в качестве кандидата на 4G IMTAdvanced. Публикация МСЭ спецификации IMT-Advanced ожидается к марту 2011 г. Поскольку все больше операторов беспроводной связи объявляет о планах по развертыванию LTE в сетях следующего поколения, интерес к LTEAdvanced растет. Ниже приводится наиболее важная информация из рекомендаций по применению компании Agilent по этой теме. ЧТО НОВОГО В LTE-ADVANCED

В технико-экономическом обосновании для LTE-Advanced партнеры 3GPP определили, что LTE-Advanced будет соответствовать требованиям МСЭ-Р к 4G. Результаты исследования опубликованы в техническом отчете (ТО) 3GPP 36.912. Кроме того, было установлено, что спецификация LTE 3GPP, версия 8, может соответствовать большинству требований 4G за исключением спектральной эффективности восходящего канала и пиковой скорости передачи данных. Такие повышенные требования связаны со следующими особенностями LTE-Advanced: – расширенные полосы пропускания, полученные за счет объединения нескольких несущих; БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

80

– более высокая эффективность, полученная за счет расширенного множественного доступа к восходящему каналу и использования нескольких антенн (передовые технологии MIMO). В настоящее время рассматриваются другие расширения для версии 10 и последующих релизов, хотя они не являются критическими для соответствия требованиям 4G: – координация многоточечных передачи и приема (CoMP); – ретрансляция; – поддержка гетерогенных сетей; – усовершенствование самооптимизирующейся сети (SON); – усовершенствование мобильности базовых станций HeNB (Home enhanced-node-B); – ВЧ-требования к абонентскому базовому оборудованию (СРЕ) фиксированной беспроводной связи. ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ СИСТЕМЫ

Требования к характеристикам системы LTE-Advanced в большинстве случаев будут превышать требования к системам IMT-Advanced. Выполнение требования МСЭ к пиковой скорости передачи данных 1 Гбит/с будет реализовано в LTE-Advanced за счет устройств 4×4 MIMO в полосе частот передачи шире 70 МГц [8]. Относительно спектральной эффективности сегодняшний

стандарт LTE (выпуск 8) удовлетворяет требованиям 4G к нисходящему, но не к восходящему каналу. В таблице 1 приведены данные сравнения ожидаемых характеристик спектральной эффективности для стандартов LTE, LTE-Advanced и IMT-Advanced. Отметим, что пиковая скорость в LTE-Advanced существенно выше, чем требуется для 4G, что подчеркивает желание реализовать пиковые характеристики в 4G LTE, хотя ожидаемые усредненные характеристики ближе к требованиям МСЭ. Стоит отметить, что пиковые ожидаемые характеристики за счет их выполнения в идеальных условиях часто легче продемонстрировать, чем усредненные. Однако в ТR 36.913 заявлено, что целевые показатели для средней спектральной эффективности и для пропускной способности на границе соты должны иметь больший приоритет, чем целевые показатели пиковой спектральной эффективности и других функций, таких как VoIP capacity5. Таким образом, при разработке LTEAdvanced необходимо сосредоточиться на решении реальных проблем повышения характеристик связи в середине и на границе соты. СПЕКТРАЛЬНАЯ ГИБКОСТЬ

В дополнение к диапазонам, определенным в настоящее время для LTE

Таблица 1. Ожидаемые характеристики стандартов LTE, Advanced LTE и IMT Advanced Характеристика Пиковая спектральная эффективность, бит/с/Гц Спектральная эффективность нисходящего канала соты, бит/с/Гц, 3 км/ч, расстояние между станциями — 500 м Спектральная эффективность нисходящего канала на границе соты, бит/с/Гц, 5%, 10 пользователей, расстояние между станциями — 500 м

Подкатегория Нисходящий канал Восходящий канал 2×2 MIMO 4×2 MIMO 4×4 MIMO 2×2 MIMO 4×2 MIMO 4×4 MIMO

Целевые показатели Целевые показатели LTE1 LTE-Advanced2 16,3 (4×4 MIMO) 30 (до 8×8 MIMO) 4,32 (64 QAM SISO) 15 (до 4×4 MIMO) 1,69 2,4 1,87 2,6 2,67 3,7 0,05 0,07 0,06 0,09 0,08 0,12

Целевые показатели IMT-Advanced (4G)3 15 (4×4 MIMO) 6,75 (2×4 MIMO) 2,6

0,075

1 Nakamura, Takahiro. «Proposal for Candidate Radio Interface Technologies for IMT-Advanced Based on LTE Release 10 and Beyond (LTE-Advanced),» December 2009. www.3gpp.org/ftp/ workshop/2009-12-17_ITU-R_IMT-Adv_eval/docs/pdf/REV-090002%203GPP%20LTE-Advanced_introduction.pdf.

2 3GPP TR 39.913, «Requirments for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced).» ftp://ftp.3gpp.org/Specs/html-info/36913.htm.

3 ITU-R M.[IMT-TECH] “Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s),” August 2008.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ LTEADVANCED. ОБЪЕДИНЕНИЕ НЕСУЩИХ

Для достижения целевой пиковой скорости передачи данных 1 Гбит/с в нисходящем канале системы 4G потребуется более широкая полоса пропускания, чем в настоящее время указана в версии 8 LTE. На данный момент LTE поддерживает ширину полосы канала 20 МГц и маловероятно, что спектральную эффективность можно значительно улучшить относительно текущих целевых показателей LTE. Следовательно, имеется только один путь существенно повысить скорость передачи данных — расширить полосу пропускания канала. В IMT-Advanced установлен верхний предел 100 МГц относительно предполагаемого значения 40 МГц для получения минимальных показателей. Поскольку большинство диапазонов занято и смежные каналы с полосой 100 МГц недоступны для большинства операторов, МСЭ позволил создать более широкополосные каналы через объединение смежных и несмежных компонентных несущих. Таким образом, спектр одного диапазона может быть добавлен к спектру другого диапазона в абонентском оборудовании, которое поддерживает несколько трансиверов. На рисунке 1 приведен пример объединения соседних каналов, в котором два канала с полосой 20 МГц расположены на смежных частотах. В этом случае объ-

единенная полоса пропускания перекрывает минимально требуемые 40 МГц и может поддерживаться одним трансивером. Однако если бы в этом примере были использованы не смежные каналы или они располагались бы в соседних частотных диапазонах, то потребовалось бы несколько трансиверов. Термин «компонентная несущая», используемый в данном контексте, относится к любой из полос, определенной в версиях 8/9 LTE. Для удовлетворения требований МСЭ 4G в технологии LTE-Advanced будут поддерживаться три сценария агрегации компонентных несущих: агрегация смежных несущих внутри диапазона, несмежных несущих внутри диапазона и несмежных несущих в разных диапазонах. Разнос между центральными частотами смежноагрегированных компонентных несущих будет кратен 300 кГц для совместимости с частотой растра 100 кГц в версиях 8/9 и в то же время для того, чтобы сохранить ортогональность поднесущих, разнос между которыми составляет 15 кГц. В зависимости от сценария агрегации разнос n × 300 кГц можно уменьшить путем вставки небольшого количества неиспользованных поднесущих между смежными компонентными несущими. В случае смежной агрегации можно задать более широкий промежуток между компонентными несущими, но это потребует определения новых, немного более широких компонентных несущих. Абонентское оборудование (АО) LTE-Advanced, обладающее возможностями приема или передачи с агрегацией несущих, будет способно одновременно принимать или передавать несколько компонентных несущих. Тем не менее абонентское оборудование в соответствии с версиями 8 или 9 сможет одновременно принимать и/или передавать только одну компонентную несущую. Компонентные несущие должны соответствовать версиям 8 и 9 LTE. В версии 10 максимальный размер одной компонентной несущей ограничен 110 ресурсными блоками (РБ), хотя по соображениям простоты и обратной совместимости маловероятно, что будет указано что-то другое, кроме предложенного значения 100 РБ. Возможна агрегация до пяти компонентных несущих. В абонентском оборудовании LTE-Advanced не может быть

использовано больше компонентных несущих для восходящего канала, чем для нисходящего. В стандартной реализации TDD (временной метод дуплексного разделения каналов) количество компонентных несущих для восходящего и нисходящего канала, как и полоса пропускания каждого из них, должны быть одинаковыми. Чтобы установить соответствие между физическим уровнем (PHY) и интерфейсом уровня управления доступом к среде (MAC), потребуется один транспортный блок (в отсутствие пространственного мультиплексирования) и один объект HARQ для каждой запланированной компонентной несущей. (HARQ представляет собой протокол управления повторной передачей). Каждый транспортный блок будет соответствовать только одной компонентной несущей. В абонентском оборудовании может быть предусмотрена одновременная работа на нескольких компонентных несущих. Подробная информация о том, как будет осуществляться передача сигналов управления при нескольких несущих, находится в стадии разработки. Методы агрегации не являются новыми для 4G — агрегация уже использовалась в технологиях HSPA и 1xEV-DO, версия B. Однако предложенное в 4G расширение агрегации до 100 МГц в нескольких диапазонах является технически проблематичным из-за высокой стоимости и сложности абонентского оборудования, поддерживающего данную технологию. Кроме того, операторы должны будут решить, какие диапазоны выбрать для агрегации, и пройдет некоторое время, прежде чем различные производители оборудования достигнут взаимопонимания по этому вопросу. Организация 3GPP первоначально определила 12 вероятных сценариев реализации для определения требований к побочным излучениям, максимальной мощности и другим факторам, связанным с совмещением различных радиочастот в одном устройстве. Однако из-за большого количества сценариев и ограниченного времени исследование для выпуска 10 LTE-Advanced изначально ограничено двумя сценариями — одним примером для режима TDD внутри диапазона и одним примером для режима FDD в разных диапазонах. В июне 2010 г. для групп 3 и 7 был добав-

Рис. 1. Смежная агрегация двух компонентных несущих восходящего канала

Электронные компоненты №5 2011

81 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

версии 8, в ТR 36.913 приведены следующие новые диапазоны: – 450—470 МГц; – 698—862 МГц; – 790—862 МГц; – 2,3—2,4 ГГц; – 3,4—4,2 ГГц; – 4,4—4,99 ГГц; Некоторые из этих диапазонов в настоящее время формально включены в спецификации 3GPP версий 9 и 10. Заметим, что полосы частот рассматриваются независимо от версии спецификации. Это означает, что можно выпускать изделия, соответствующие более ранней версии, с диапазоном, не определенном для более поздней версии.

LTE-Advanced может работать с различной шириной спектра, в т.ч. с полосой частот более 20 МГц в версии 8, за счет чего достигается более высокая производительность и целевая скорость передачи данных. Хотя желательно иметь каналы шириной более 20 МГц, расположенные на смежных частотах, ограниченная доступность частотного ресурса означает, что необходимо объединение каналов из разных диапазонов для удовлетворения повышенных требований к пропускной способности. Этот вариант был разрешен в спецификации IMT-Advanced.

лен третий сценарий, как показано в таблице 2. Этот сценарий важен для европейских компаний, где использование недогруженного диапазона 1800 МГц, в настоящее время выделенного для GSM, является существенным преимуществом. Определение физического уровня для агрегации несущих (АН) завершено только на 80%, и хотя концепция АН довольно проста, детализация изменений физического уровня для поддержки сигнализации представляет собой сложную задачу, влекущую за собой изменения в каналах PCFICH, PHICH, PDCCH, PUCCH, в управлении мощностью UL, распределением ресурсов PUSCH и UCI по каналу PUSCH. Возможные характеристики радиосвязи рассмотрены только на 30%. Существенно, что в таблице 2 представлена только начальная часть описания возможных вариантов АН. По просьбе операторов в Приложении А в ТR 36.807 приведена информация, позволяющая получить некоторое представление о количестве комбинаций. Каждая

комбинация, введенная в спецификации, должна быть оценена с точки зрения требований к защитным полосам, паразитным излучениям, сбросу мощности и т.д. Одной из новых проблем, возникающей в радиосвязи с появлением АН, является принцип переменного разделения частот приема-передачи. В частности, это сказывается на характеристиках опорной чувствительности и блокировки приемника. В версиях 8 и 9 разнос частот приема и передачи для каждой из 19 полос, определенных для режима FDD, является фиксированным. При введении АН асимметричность расположения восходящего и нисходящего каналов станет обычным явлением. Асимметрия обусловлена тремя факторами: различным числом каналов управления (КУ) в восходящем и нисходящем каналах, разными полосами пропускания КУ в восходящем и нисходящем каналах и, наконец, сочетанием разных полос пропускания и разного количества КУ. Вопрос ограничения количества разрешенных распределений в целях сведения к минимуму

Рис. 2. Функциональная схема усовершенствованного множественного доступа в восходящем канале

числа тестовых сценариев еще находится на стадии изучения. РАСШИРЕННЫЙ МНОЖЕСТВЕННЫЙ ДОСТУП В ВОСХОДЯЩЕМ СОЕДИНЕНИИ

Современный восходящий канал LTE построен на основе мощной технологии SC-FDMA, использующей многие преимущества OFDM с низким значением отношения пиковой мощности к средней (peak to average power ratio, PAPR) для системы с одной несущей. Однако технология SC-FDMA требует распределения несущей по смежным блокам спектра, и это мешает достичь запланированной гибкости, присущей OFDM в чистом виде. В LTE-Advanced улучшена технология множественного доступа в восходящем канале за счет принятия кластерного SC-FDMA, также известного как распространение дискретного преобразования Фурье на OFDM (DFT-SOFDM). Эта схема похожа на SC-FDMA, но имеет то преимущество, что позволяет выделить несмежные (кластерные) группы поднесущих для осуществления передачи с помощью одного АО. В результате становится возможным частотно-избирательное планирование в восходящем соединении, и обеспечиваются лучшие параметры канала. Выбор кластерного SC-FDMA вместо чистой технологии OFDM позволил избежать значительного увеличения PARP. Это поможет удовлетворить требования к повышенной спектральной эффективности в восходящем канале при сохранении обратной совместимости с LTE. На рисунке 2 представлена функциональная схема, описывающая процесс усовершенствованного множествен-

Таблица 2. Сценарии агрегации несущих (АН) для 3GPP, версия 10 Категория абонентского оборудования

Категория 6

82

Характеристики АН для нисходящего канала кол-во КУ/полоса, MГц [предварительно] 1/20 2/10+10 2/20+20

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2/10+20 1/20 2/10+10 2/20+20

Категория 7

2/10+20 Категория 8 Категория абонентского оборудования Категория 6

Категория 7 Категория 8

[2/20+20] Характеристики АН для восходящего канала кол-во КУ/полоса, MГц [предварительно] 1/20 2/10+10 1/10 2/20+20 1/20 2/10+20 [2/20+2]

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Уровни нисходящего канала макс. кол-во уровней [предварительно] 4 4 2 4 (10 МГц) 2 (20 МГц) 4 4 2 4 (10 МГц) 2 (20 МГц) [8] Уровни восходящего канала макс. кол-во уровней [предварительно] 1 1 2 1 2 2 (10 МГц) 1 (20 МГц) [4]

Рис. 3. Сравнение конфигураций восходящего соединения в версии 8 и предварительной версии 10

Рис. 4. Максимальное количество антенных портов и пространственных уровней в соответствии с версией 8

Рис. 5. Максимальное количество антенных портов и пространственных уровней в LTE-Advanced

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

84

ного доступа в восходящем канале (кластерного SC-FDMA). Существует только один транспортный блок и один гибридный объект ARQ для каждой запланированной компонентной несущей. Каждый транспортный блок отображается одной компонентной несущей, а АО может планироваться одновременно на многих компонентных несущих с использованием агрегации несущих, как было показано в предыдущем разделе. На рисунке 3 представлены примеры различных конфигураций восходящих соединений в соответствии с

WWW.ELCOMDESIGN.RU

версиями 8 и 10. Ключевым моментом является то, что все конфигурации версии 8 имеют одну несущую. Это означает, что величина PAPR не больше, чем в основных форматах QPSK или 16QAM, в то время как в версии 10 можно передавать более одной несущей, что увеличивает значение PAPR по сравнению с версией 8. Отметим, что несколько несущих рассматривается в этом случае как часть кластерного SC-FDMA, а каналы PUCCH/PUSCH одновременно находятся в одной компонентной несущей. Их не следует путать с несколькими компонентными несущими агрегации несущих (АН). Подготовленные спецификации, вероятно, ограничат число SC-FDMA кластеров до двух, что обеспечит некоторое улучшение спектральной эффективности на один кластер при передаче через частотно-избирательный канал с более чем одним явным пиком. УЛУЧШЕННАЯ ПЕРЕДАЧА НЕСКОЛЬКИХ АНТЕНН

На рисунке 4 приведены ограничения в соответствии с версией 8 LTE для антенных портов и пространственных уровней мультиплексирования. В нисходящем канале поддерживается максимум четыре пространственных уровня передачи (4×4 при наличии в абонентском оборудовании четырех приемников), а в восходящем канале — максимум один на единицу АО (1×2 при наличии разнесенного приема базовой станции (еNB)). В версии 8 не поддерживается передача с помощью нескольких

антенн для упрощения дешевых моделей АО, хотя поддерживается пространственное мультиплексирование для нескольких пользователей (MU-MIMO). В случае MU-MIMO два АО передают на одной частоте одновременно, а базовая станция (еNB) должна различать их между собой, основываясь на пространственных свойствах. При таком многопользовательском подходе к пространственному мультиплексированию улучшается пропускная способность восходящего канала, но пиковая скорость передачи данных для одного пользователя не увеличивается. Для того чтобы увеличить пиковую скорость передачи данных для одного пользователя и соответствовать требованиям МСЭ-Р по спектральной эффективности, LTE-Advanced предусматривает наличие до восьми уровней в нисходящем канале с установкой восьми приемников в АО, допуская возможность пространственного мультиплексирования 8×8 в нисходящем канале. В АО будет предусмотрена поддержка до четырех передатчиков, позволяющих осуществить передачу 4×4 в восходящем канале в сочетании с четырьмя приемниками базовой станции (см. рис. 5). Работа по определению требований к улучшенному нисходящему каналу завершена на 80%. Ожидаются изменения распределения отдельных опорных демодулированных сигналов (DMRS) для поддержки восьми антенн. Будут введены опорные сигналы, содержащие информацию о состоянии канала (CSI-RS), и связанные с ними изменения обратной связи в АО при разработке справочника кодов CSI. Аналогичные изменения будут определены там же и для передачи сигналов управления в нисходящем канале. В полном тексте рекомендаций по применению компании Agilent рассмотрены следующие темы: – спецификация DMRS; – версия 10 и последующие выпуски; – проблемы разработки и тестирования; – перспективы развертывания LTEAdvanced; – инструменты проектирования и тестирования для разработчиков LTEAdvanced.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ. ЧАСТЬ 1 ГАЛИНА ГАЙКОВИЧ, член ISA, эксперт IEC, вед. специалист, ИППИ РАН Данная статья состоит из двух частей и является продолжением публикаций (см. ЭК10, 12), посвященных вопросам передачи речевой информации через беспроводные персональные сети (WPAN). В этой статье рассмотрены пути снижения энергопотребления беспроводной системы передачи речи с использованием низкоскоростной ZiGBee- и скоростной ZigBee-подобной технологий. Эти технологии предназначены для решения специальных прикладных задач при создании единой беспроводной транспортной среды для промышленных предприятий (стандарт backhaul ISA100.15, см. рис. 1). В части 1 даны общие рекомендации по применению речевых кодеков, проведена их классификация, а также обоснован оптимальный выбор алгоритмов кодирования речи в зависимости от предъявляемых требований к MOS (mean opinion score — качество речи) на заданной скорости кодирования и к энергопотреблению. В части 2 рассмотрены алгоритмы кодирования, рекомендуемые для использования в беспроводных сетях.

в области беспроводных высокоскоростных технологий сделало возможным передачу голоса через беспроводную сеть Ethernet (Wi-Fi Ethernet или VoWIP), не говоря уже о широко распространенных беспроводных мобильных решениях (например, сотовой связи 3G, 4G). Современная цифровая телефония, которая постепенно приходит на смену устаревшей аналоговой, включает в себя программно-аппаратные средства преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму, и наоборот. Это т.н. кодеки, с коди-

рованием/ декодированием речевой информации, которое осуществляется в соответствии с форматом сжатия по определенным алгоритмам кодирования. С появлением видеоконференцсвязи, представляющей собой не только передачу речи (в виде аудиопотока), но и видеоизображений, были разработаны общие рекомендации в виде протоколов Н.32х по использованию конкретных алгоритмов цифрового кодирования речи в зависимости от типа коммуникационной сети (см. табл. 1).

ВВЕДЕНИЕ

85 Рис. 1. Общий беспроводной транспортный интерфейс для промышленных сетей

Таблица 1. Рекомендации H32X ITU-T или (Международный союз электросвязи, сектор телекоммуникаций) Стандарт/ характеристика Год рассмотрения/ принятия Последняя редакция

Н320

Н321

Пакетная сеть H.322

Пакетная сеть H.323

1990–1999

1995–1998

1995–1996

1996–1998

1.3

1.3

H.324 Телефон- Сеть мобильные сети общего ной связи пользования H.324/C 1996–1998

1998

1.3 1.3 1.3 – С гарантированной пропуск- С не гарантированной Аналоговая телефонная Сеть Узкополосная ISDN-B H320&ATM& ISDN-N ной способностью (Frame- пропускной способноМобильная связь система Relay, RadioEthernet) стью (Ethernet) G.711, G.722, G.723, Аудио G.711, G.722, G.728 G.711, G.722, G.728 G.711, G.722, G.728 G.723 G.723 G.728, G.729 Данные T.120 T.120 T.120 T.120 T.120 T.120 Коммуникационный AAL I.363 ATM I/361 I.400 I.400 и TCP/IP TCP/IP Модем V.34 Мобильное радио интерфейс PHY I.400

H.310 1996 – Ш-ЦСИО, ATM, LAN MPEG-2, G.711, G.722, G.728 T.120 AAI I.363, ATM I.361, PHY I.432

Электронные компоненты №5 2011

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время передача речевой информации осуществляется посредством телефонных сетей классического типа (общего пользования или PSTN), цифровых сетей (x25, ISDN, ATM, Frame Relay и др.), а также путем подключения обычных телефонов через шлюз к интернету или с помощью информационно-вычислительных сетей с выходом в интернет через Ethernet (VoIP). Последние достижения

Если в области телекоммуникационных сетей и сетей сотовой связи задача аналого-цифрового преобразования решена полностью, а вопросы по выбору алгоритмов кодирования определяются рекомендациями ITU-T и 3GPP, то в области персональных сетей WPAN, в частности, беспроводных сенсорных сетей (БСС), это направление остается малоизученным. Особый интерес представляет передача речевой информации по беспроводным самоорганизующимся сетям (или ad-hoc-сетям) ограниченного радиуса действия (5–10 м) стандартов iEEE802.15.4 и IEEE802.15.4а, отличающихся оптимальным энергосбережением по сравнению с сотовой связью, с сетями Wi-Fi или Bluetooth (см. табл. 2). Это т.н. ZigBee- и ZigBee-подобные технологии (включая ZigBee промышленного назначения, см. рис. 1). Наряду с низкоскоростными ZigBeeтехнологиями разных модификаций (например, SNAP), разработанных на базе стандарта IEEE 802.15.4, в России были исследованы и нашли свое применение в разработках БСС скоростные сверхширокополосные (СШП) ZigBee-подобные технологии на базе IEEE802.15.4а, где технология Ultra Wide Band (UWB) представлена на физическом уровне СШП прямо-хаотическими импульсами или импульсами с линейной частотной модуляцией (chirps) [1, 2]. Необходимость применения БСС (с использованием ZigBee- и ZigBeeподобных технологий) в качестве беспроводной транспортной среды для передачи речи взамен широко рас-

пространенной беспроводной сотовой связи или постепенно набирающей обороты связи VoWi-Fi Ethernet на рынке беспроводной телефонии возникает лишь в особых случаях, т.е. в отсутствие какой-либо альтернативы, когда имеется необходимость выполнить определенные или специальные требования, например: 1) организовать дешевую беспроводную голосовую связь на ограниченной территории с небольшим покрытием, скажем, на территории промышленного предприятия или внутри здания; 2) установить в офисе систему тайной передачи речевой информации; 3) организовать голосовую связь с помощью маломощных радиопередатчиков — трансляторов с низким энергопотреблением. Одним из важнейших преимуществ БСС является их мобильность, т.е. способность узлов беспроводной системы работать от батарей, срок службы которых намного выше по сравнению с Wi-Fi или беспроводной сотовой связью за счет использования приемопередатчиков и микроконтроллеров с ультранизким энергопотреблением, а также за счет специальных программных приложений по энергосбережению, позволяющих оптимально управлять мощностью радиопередатчиков EIRP (equivalent isotropically radiated power) в зависимости от расстояния и использовать режим сна (sleeping mode) для узлов беспроводной сети в моменты их неактивности. Следовательно, при проектировании БСС с использованием ZigBee- и

ZigBee-подобных технологий в качестве транспортной среды для передачи речевой информации первостепенной задачей является, прежде всего, экономичный выбор программноаппаратных средств кодирования речевой информации, а именно, аппаратного кодера/декодера (АЦП/ЦАП в сочетании с блоком программирования по выбору режимов кодирования/декодирования речи) и микроконтроллера (в ряде случаев — отдельного микропроцессора в виде дополнения к существующему микроконтроллеру), энергопотребление (Рпотр./MГц = Vпит∙I) и производительность (МIPS/MГц — скорость исполнения набора инструкций за 1 с на 1 МГц) которых зависит от тактовой частоты fc. С одной стороны, для обеспечения предельно низких показателей по электропитанию целесообразно использовать микроконтроллеры с меньшей тактовой частотой, а, с другой стороны, такой подход приводит к выбору контроллера с меньшей производительностью. При этом не стоит забывать, что порядок MIPS микроконтроллера должен определяться степенью сложности вычислительных функций, заложенных в алгоритме по обработке речевого сигнала кодека, от параметров которого в конечном итоге зависит качество восстановленной речи при передаче по беспроводной сети. В настоящее время существует множество программно-аппаратных средств преобразования речевого сигнала в цифровую форму с использованием разнообразных алгоритмов кодирования,

Таблица 2. Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11 для организации низкоскоростной передачи речевой информации

Стандарт

Приложения

86 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Преимущества Частота Макс. скорость (Vпередачи) Выходная мощность, ном. (Pвых.) Дальность Чувствительность (спецификация) Размер стека Срок службы батареи (энергосбережение) Размер сети

ECMA 368[802.15.3a 802.15.4 802.15.4a* ВысокоВысокоскоростная Низкоскоростная WPAN скоростная WPAN WPAN, WiMedia (MB ZigBee DS-UWB UWB OFDM) Мониторинг, управление, сети датчиков, домашняя/промышленная автоматика Цена, энергосбережение, размеры сети, выбор частотных диапазонов, DSSS и PSSS 868 МГц 915 МГц 2,4 ГГц 20 Кбит/с 40 Кбит/с 250 Кбит/с

0 дБм

1–10 м (укороченный радиус действия) 10–100 м (ограниченный радиус действия)

5–50 м

–92 дБм

–85 дБм

4–32 Кбайт 100–1000+ дней 65536 (16-битные адреса), 264 (64-битные адреса)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Потоковое мультимедиа, замена кабелей аудио/видеосистем

Данные, голос, видео, LAN

Высокая скорость, энергосбережение

Большой диапазон по скорости, DSSS

3,1–10,6 ГГц 53,3; 80; 106,7 Мбит/с Доп.: 160, 200, 320, 400, 489 Мбит/с

От 0 дБм (1 мВт)

–75 дБм

80.2.15.а Среднескоростная 802.11b WLAN WPAN UWB- Chirp Spread Wi-Fi Spectrum (CSS)

3,1–10,6 ГГц 110 Мбит/с (10 м), 200 Мбит/с (4 м) (доп. 480 Мбит/с) <100 мВт (110 Мбит/с) <250 мВт (200 Мбит/с) 10 м (110 Мбит/с) 4 м (200 Мбит/с) 2 м (480 Мбит/с) –

2,4 ГГц; 3,1–10,6 ГГц; 3,1–5,1 ГГц Россия 250 Кбит/с, 1 Мбит/с (chirped с линейной частотной модуляцией); 2,5 Мбит/с (СШП прямо-хаотическая) <100 мкВт (–10 дБм) (СШП прямохаотическая) 1-10м (chirped с линейной частотной модуляцией); 5–7м 40–60м (СШП прямо-хаотическая)

2,4 ГГц 1 Мбит/с 2 Мбит/с 11 Мбит/с 20 дБм (100 мВт) 10 м –100м –76 дБм

– Нет статистики, теоретически – более 1000 дней До 127/хост

Больше 1 Мбайт 0,5–5 дней 32

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЧЕВЫХ КОДЕКОВ И ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Основными параметрами речевого кодека являются: скорость кодирования (Vкодир.), качество восстановления речи (MOS) и удерживаемая вероятность ошибки на символ (Рош.). Если Vкодир. и Рош. не нуждаются в дополнительных комментариях, то для MOS эти разъяснения необходимы.

MOS — это главный показатель кодека, который характеризует качество восстановленной на приемном конце речевой информации, которая измеряется по 5-балльной шкале в результате субъективной оценки человеком. Для сравнительного анализа кодеков в последнее время применяют соотношение MOS/Vкодир., которое, в свою очередь, является показателем степени качества разных алгоритмов кодирования на заданной скорости.

Vкодир. речевой информации — это, как правило, диапазон 2–64 Кбит/с. Согласно теореме Грея-Бергера, при минимальной среднеквадратичной ошибке (Pош.) можно получить Vкодир. << 2 Кбит/с (теоретически такой предел может составлять ~100 бит/с) [3]. Но для современных высокоскоростных сетей передачи информации (включая даже низкоскоростные БСС) нет необходимости добиваться таких показателей. Для беспроводных сетей при выборе речевого кодека помимо соотношения MOS/Vкодир. на заданной скорости необходимо установить степень сложности алгоритма кодирования, которая в конечном итоге определяет производительность микроконтроллера в MIPS, а, следовательно, и энергопотребление (см. табл. 3). Речевые кодеки можно классифицировать по полосе частот (узкополосные, широкополосные); по алгоритму кодирования речевого сигнала (низкоэффективные, эффективные, высокоэффективные, вокодерные); по методу кодирования (сэмплирование и кадр) (см. табл. 3). В основном все речевые кодеки, рекомендуемые для использования в

Таблица 3. Классификация речевых кодеков и их основные параметры MOS (оцен- MIPS кодирование + декока качест- дирование (на примере DSP ва речи) (TI), ARM9–11 и Cortex3) Узкополосные речевые кодеки G.711 (PCM; 64 Кбит/c), частота дискретизации – 8 кГц низкоэффективный алгоритм 4,1–4,75 0,2 DSP; 7,1 (ARM) + 3 MIPS (VAD) метод сэмпла, 13 бит/сэмпл, 8 бит/отсчет, VAD-приложение 1, CNG-приложение 2 G.726 (ADPCM; 16/24/32/40 Кбит/c), G721 (32 Кбит/с), частота дискретизации – 8 кГц 8,7 (32 Кбит/с) 3,8–4,3 эффективный алгоритм 8,8 (40 Кбит/с) метод сэмпла, 13 бит/сэмпл, 5, 4, 3, 2/отсчет G.728 (LD-CELP; 16 Кбит/c) частота дискретизации – 8 кГц эффективный алгоритм 3,6 40 (24 + 16) DSP 13 бит/сэмпл, метод кадра Формат сжатия и алгоритм кодирования

G.729 (CS-ACELP; 8 Кбит/c) частота дискретизации – 8 кГц DTX-приложение B

3,6–4,04

10,3 (8,3 + 2,0) DSP 40,3 (30,8 + 9,5) ARM9 45,2 (35,6 + 9,5) CortexM3

G729D 6,4 Кбит/с; 8 Кбит/c высокоэффективный алгоритм 3,6–4,2 17,1 (6,4 Кбит/с) DSP 13 бит/сэмпл, метод кадра, DTX-приложение F G.723.1 (MP-MLQ; 6,3 Кбит/c) частота дискретизации – 8 кГц высокоэффективный алгоритм 3,9–4,08 11 + 2 (DSP) 26 + 2 13 бит/сэмпл, метод кадра G.723.1 (ACELP; 5,3 Кбит/c) частота дискретизации – 8 кГц высокоэффективный алгоритм 3,7 18 + 2 13 бит/сэмпл, метод кадра Широкополосные речевые кодеки G.722 (sub-band ADPCM; 64 Кбит/c) 48/56/64 с возможностью передачи данных на 48/56 Кбит/с; частота дискретизации – 16 кГц 4,5 3,75/3,75/4, 5,2 (2,84 + 2,36) DSP 25,5 (ARM9) эффективный алгоритм 5 41,4 (ARM11) метод сэмпла или кадра, число бит в отсчете 6, 5, 4 (нижняя полоса), 2 (верхняя полоса), 14 бит/сэмпл G.722.1 (Modulated Lapped Transform; 24/32 Кбит/c) на базе Siren частота дискретизации – 16 кГц 12,83 (5,76 + 7,07) DSP 57 (28,9 + 28,1) 4/3,9 эффективный алгоритм CortexM3 32 Кбит/с метод кадра, 16 бит/сэмпл, (VoIP) G.722.1 C (Modulated Lapped Transform; 24/32/48 Кбит/c) на базе Siren частота дискретизации – 16 кГц < 3,9 эффективный алгоритм 13,55 (5,91 + 7,64) DSP 48 Кбит/с (48 Кбит/с) метод кадра, 16 бит/сэмпл (VoIP). Нет рекомендаций ITU-T по применению VAD/DTX/CNG G.722.2 AMR-WB (multirate ACELP; 6,60–23,85 Кбит/c) для 4,5 (23, 3GPP или GSM-AMR-WB частота дискретизации – 16 кГц 85 Кбит/с) 4,25 30 (24 + 6) DSP высокоэффективный алгоритм (12, 65 Кбит/с) метод кадра, 14 бит/сэмпл, VAD/DTX/CNG, 3GWireless + VoIP Универсальные речевые кодеки G.711.1 (MCDT, aLaw mLaw; 64/80/96 Кбит/c) частота дискретизации – 8/16 кГц 4,5 0,2; 7,1 (ARM) низкоэффективный алгоритм метод сэмпла 16 бит/сэмпл G.729.1 (CELP, TDBWE,TDAC; 8–32 Кбит/c) 12уровней c шагом 2 Кбит/с по скорости за исключением 10 Кбит/с) частота дискретизации – 8/16 кГц 3,6–4,04 13,2 высокоэффективный алгоритм 16 бит/сэмпл метод кадра Speex (CELP, 2–44 Кбит/c) частота дискретизации – 8/16/32/48 кГц 3,84 40 DSP высокоэффективный алгоритм метод кадра IMA DVI4(ADPCM) частота дискретизации 8; 16 кГц. Упрощение 3,5 4 G726

телекоммуникационных сетях, можно подразделить на четыре основные группы: – узкополосные с форматами сжатия G711, G723, G726 (G721), G728, G729 по рекомендации ITU; – GSM-кодеки по рекомендации рабочей группы 3GPP c форматами сжатия AMR, AMR-WB, AMR-WB+, а

также GSM-FR (ETSI). Для БСС, c нашей точки зрения, представляют интерес форматы сжатия AMR (Adaptive MultiRate) и AMR-WB (Adaptive Multi-Rate Wideband); – широкополосные кодеки c форматами сжатия G711, G722, G722.1 по рекомендации ITU. К ним можно также соотнести GSM AMR-WB G722.2 (алго-

Электронные компоненты №5 2011

87 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

которые призваны, в первую очередь, обеспечить хорошее качество MOS при заданной скорости кодирования. Чтобы найти рациональное зерно и не запутаться во всем многообразии существующих средств преобразования речевого сигнала в цифровую форму, а также обосновать выбор наиболее подходящих алгоритмов кодирования речи для БСС с использованием низкоскоростных ZigBee- и скоростных ZigBee-подобных технологий, все речевые кодеки следует классифицировать по определенным критериям.

Рис. 2. Помехоустойчивость кодеков с разными алгоритмами кодирования

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

88

ритм кодирования ACELP), Speex (алгоритм кодирования CELP), SILK; – кодеки определенного назначения: iLBC (с низкой скоростью кодирования для интернета), LPC-10, SILK (с переменной скоростью кодирования) и др. В последнее время наибольшее предпочтение отдается широкополосным кодекам. Принцип их действия основан на различной чувствительности слуха к звукам, принадлежащим разным частотным полосам. Это позволяет кодировать сигналы в полосах с разной точностью. Количество полос может колебаться в пределах 2–16. Такие кодеки обладают рядом преимуществ. Одним из них является качество слоговой разборчивости, или количество правильно принятых слогов речи, которое является одним из основных показателей MOS [4]. Если полоса частот 1,25–4 кГц отвечает за разборчивость речи (слоговую и фразовую), то 5–8 кГц — это диапазон акцентирования. В целом получается, что полоса порядка 1,25–8 кГц позволяет получить высокую четкость и хорошую разборчивость речи. Все кодеки по алгоритму кодирования (который в конечном итоге определяет степень сжатия речевой информации) можно классифицировать следующим образом: – низкоэффективные, т.е. с низким коэффициентом сжатия и скоростью кодирования Vкодир. ≥ 32 Кбит/c. Это кодеки с алгоритмами ИКМ (РСМ) и дельта-модуляции (ДМ); – эффективные, т.е. со средним коэффициентом сжатия и Vкодир. = = 8–32 Кбит/с. Это кодеки c ДИКМ (дифференциальной ИКМ) или ADPCM. Их основными признаками является наличие блоков линейного предсказания (состоящих из двух узлов: долговременного и кратковременного предсказателей), а также использование многоуровневого квантования (2–64); – высокоэффективные, т.е. с высоким коэффициентом сжатия и Vкодир. = = 2–8 Кбит/с. Это кодеки с алгоритмом кодирования CELP (Code Exited Linear Prediction), у которого имеются разновидности SELP, LD-CELP, V-CELP A-CELP,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

MP-CELP, CS-CELP. Их появление связано с совершенствованием кодера формы для обеспечения высоких показателей качества MOS на меньших скоростях; – высокоэффективные вокодеры с высокой степенью сжатия и с Vкодир. < 2 Кбит/с представляют собой отдельную группу кодеков, в основе которых лежат алгоритмы анализа параметров речевого сигнала с последующим синтезом на приемном конце. В таких случаях воспроизводимая речь отличается от обыкновенной, поскольку в процессе ее синтеза она искажается из-за погрешностей в математических расчетах. Следовательно, применение вокодеров в БСС c MOS < 3,5 не представляет какого-либо практического интереса. В отличие от вокодеров (синтеза через анализ), речевые кодеки формы с показателями качества речи MOS (3,5–4,5), использующие такие алгоритмы кодирования как ИКМ (PCM), ДМ (DM), АДИКМ (ADPCM), CELP, уже нашли применение в скоростных беспроводных Wi-Fi-сетях для организации передачи голоса (VoWIP по протоколам RTP/UDP/IP) [4]. Следовательно, для обоснования применения тех или иных алгоритмов кодирования с целью передачи речи по БССС им следовало бы также уделить особое внимание. Немаловажной характеристикой кодеков, входящих в состав узлов беспроводной сети для передачи речевой информации, является их помехоустойчивость, которую можно представить в виде соотношения: SNR = f(Pош.), где SNR — отношение сигнал/шум; Рош. — вероятность ошибки на символ, или BER (Bit Error Rate). Выражение SNR через BER является косвенной характеристикой радиоканала. Хорошо известно, что чем меньше SNR, тем больше побитовых ошибок к количеству переданных битов информации (пакету) Pош. (BER) [6]. С другой стороны, чем больше Рош., тем меньше Vпередачи за счет увеличения количества повторно переданных пакетов.

Как видно из рисунка 2, ИКМ (PCM) (низкоэффективные кодеки) имеют наихудшие показатели помехоустойчивости. Эти кодеки могут потерять работоспособность при Pош. = 10 -5, тогда как эффективные кодеки CELP помехоустойчивы при Pош. = 10 -5 и становятся чувствительными к помехам лишь при Pош. = 10 -3. Для повышения SNR вводятся специальные меры, например, гарантия пропускной способности по радиоканалу (для PCM Vкодир. должна быть не менее 64 Кбит/с) или за счет высокой избыточности (что приводит к ужесточению требований к алгоритму кодирования). Проблема создания помехоустойчивых кодеков — это, по сути, задача согласования преобразованного в цифровую форму речевого сигнала с каналом радиосвязи. Считается, что система передачи аналогового сигнала по цифровому радиоканалу является оптимальной, когда кодек источника обеспечивает максимальную степень сжатия без потерь в качестве (MOS), а цифровой радиоканал — максимальную Vпередачи при заданной вероятности ошибки Рош. В таком случае уменьшение избыточности речевой информации осуществляется эффективным кодеком, а уменьшение Рош.

(BER) — кодером радиоканала. СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ УЗЛОВ БСС

Как уже было сказано, основным вопросом по оптимизации параметров беспроводной системы передачи речевой информации с использованием ZigBee- и ZigBee-подобных технологий является снижение энергопотребления за счет узлов беспроводной сети, в т.ч. за счет оптимального выбора речевого кодека. ВЫБОР МИКРОКОНТРОЛЛЕРА И MOS РЕЧИ КОДЕКА

Практически для всех речевых кодеков (за исключением низкоэффективных кодеков с Vкодир. > 32 Кбит/с) для получения наилучшего соотношения MOS/Vкодир. на заданной скорости (см. рис. 3) разработчикам поневоле приходится усложнять алгоритмы кодирования речи. Такие алгоритмы (наряду с произвольной совокупностью простых логических и арифметических функций) представляют собой набор сложных вычислений (операций с фиксированной и плавающей точками; операций над таблицами и с логарифмическими функциями). Для выполнения указанных задач, как правило, необходимы высокопроизводительные микроконтроллеры со встроенным ARM-ядром процессора типа ARM Cortex M3, ARM7 (fc = 36–55 МГц), ARM9 (60–200 МГц), ARM11 (200– 400 МГц), причем два последних имеют

Рис. 3. Зависимость MOS от Vкодир.

сети, в частности БСС, должна быть гарантирована полоса пропускания по каждому радиоканалу, либо беспроводная транспортная среда должна быть скоростной (Vпередачи ≥ ≥ 1 Мбит/с). Исходя из таблицы 4, наилучшим соотношением Vпередачи/Pвых. радиопередатчиков среди БСС (WPAN) с укороченным радиусом действия (Рвых. передатчиков ≤ 1 мВт) являются скоростные СШП ZigBee-подобные технические решения. В части программно-аппаратной реализации ZigBее- и ZigBeeподобных протоколов, а также МАСпротоколов стандартов IEEE 802.15.4 (802.15.4.a), как правило, используются совместные схемотехнические решения «микроконтроллер + радиопередатчики». Алгоритмы этих про-

токолов представляют собой программные продукты, входящие в состав библиотек специальных программ для микроконтроллеров, по которым и осуществляется управление беспроводной сенсорной сетью. Имеются также отдельные аппаратные решения к контроллеру, например: реализация МАС-протоколов в виде PLM (программируемой логической матрицы), а также радиопередатчиков (например, Chipcon CC2420, Ember 2420, Motorola 13193 и др.). Показательным примером в части использования PLM для аппаратной реализации MAC-протокола в беспроводном узле является российская разработка СШП сенсорной сети ППС40-ППС50 [3]. Несмотря на то что все схемотехнические решения БСС с использованием низко-

89 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

встроенные инструкции DSP. В настоящее время для решения такого рода задач по обработке речевого сигнала также используются специализированные DSP-процессоры, которые могут выполнять аналогичные инструкции c меньшей производительностью в MIPS по сравнению с ARM и Cortex3. Это DSP фирм Texas Instruments, Freescale Semiconductor, Analog Devices, Phillips Semiconductor, Toshiba, DSp-Group, Intersil и др. (см. табл. 3). Использование речевых кодеков с Vкодир. < 32 Кбит/с и с высоким качеством речи MOS для узлов БСС автоматически означает выбор сложного алгоритма кодирования и, соответственно, высокопроизводительного микроконтроллера с повышенным энергопотреблением. А применение низкоэффективного кодирования (Vкодир. > 32 Кбит/с), обеспечивающего наивысшее качество речи MOS при относительно простом вычислительном механизме сжатия (1:2 на примере PCM), позволяет выбрать контроллер с низкой производительностью и малым энергопотреблением. Однако при этом необходимо, чтобы скорость передачи по сети (Vпередачи) была не менее 64 Кбит/с, иначе качество восстановления MOS оставит желать лучшего (см. рис. 3). Следовательно, для низкоэффективных кодеков по беспроводной

Электронные компоненты №5 2011

Таблица 4. Основные параметры радиоканалов

ВЫВОДЫ

ZigBee (WPAN)

Bluetooth (WPAN)

ZigBee-подобные с ультранизким энергопотреблением (WPAN)

IEEE802.15.4 250 Кбит/с Рвых. = 1 мВт

IEEE 802.15.1 версия 1.2 1 Мбит/с Рвых =1 мВт

IEEE 802.15.4a Chirps 0,1–2,5 Мбит/с Рвых. = 0,01–0,1 мВт

Удаленное управление и мониторинг

Telecom Audio, Small file Xfer

Аудио, удаленное управление и мониторинг (разрабатывается в России)

Ad-Hoc: точка-точка, точкамноготочка, mesh-сеть

Ad Hoc точка-точка, точка-многоточка, Ad Hoc точка-точка, точка-многоточка, meshpiconet, scatternet сеть Управление ERP Тх-передатчика реалиВозможно управление мощВозможно управление мощностью ERP Тх зовано для классов 1, 2 (4…20 дБм). Не ностью ERP Tx-передатчика (–27…–16 дБм ) реализовано (–30…1 дБм)

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

90

скоростных ZigBee- и скоростных ZigBee-подобных технологий могут быть самими разнообразными, все они имеют единую структуру (см. рис. 4), позволяющую решить главную цель — достичь минимального энергопотребления не только за счет оптимальной мощности потребления радиопередатчиков (Рвых. передатчиков, см. табл. 4), но и благодаря применению среднепроизводительных (20–32 MIPS) микроконтроллеров (в основном, 8-разрядных), например, ATMega (128L, 168L) фирмы Аtmel; MSP430 Texas Instruments; PICмикроконтроллеров Microchip, Ember 2420 (XAP2b) фирмы Ember и др. Таким образом, при передаче речи по БСС наряду с оптимальным выбором параметров узлов беспроводной транспортной среды необходимо одновременно решать вопрос об энергопотреблении речевого кодека (аппаратного кодера/декодера (12-16разрядного) и производительного микроконтроллера (16–32-разрядного) под программное обеспечение алгоритма), т.е. искать компромисс между MOS/Vкодир. на заданной скорости и степенью сложности алгоритма кодирования. Все эти требования в своей совокупности определяют окончательный выбор микроконтроллера по производительности (в MIPS или WMOS), а, следовательно, общее энергопотребление узла беспроводной сети. Таким образом, при выборе кодека речи для узла БСС необходимо учитывать следующее.

– Если поставлена цель добиться минимального энергопотребления системы, но требования к MOS высоки, целесообразно использовать низкоэффективные кодеки или схожие с ними эффективные кодеки. В данном случае производительность микроконтроллера, а, следовательно, и его энергопотребление сводится к минимуму (см. табл. 3). С целью миниатюризации системы («контроллер + радиопередатчик + кодек») и минимального энергопотребления предпочтительно использовать СнК. Наглядным приме-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ром может быть ZIC2410/ZigBee фирмы CaliforniaLab (алгоритм кодирования РСМ/АDPCM, элементная база — СнК, микроконтроллер, совместимый с 8051, кодек и радиопередатчики c низким энергопотреблением). Однако не следует забывать, что при использовании низкоэффективных кодеков беспроводная сеть должна обеспечивать гарантированную пропускную способность либо быть скоростной. Поэтому в случае с Сalifornia Lab Vпередачи была увеличена до 1 Мбит/с.

– Если накладываются жесткие ограничения по энергопотреблению системы, но требования к MOS занижены по сравнению с нормой (MOS << 4,3, что является эталоном для телефонии), то используются эффективные кодеки с упрощенным алгоритмом кодирования. По этому пути пошла организации IMA (Interactive Multimedia Association), упростив стандарт G726 (ADPCM) за счет меньшего числа предсказателей для алгоритма кодирования (формат сжатия DVI4). Это позволило использовать менее производительные контроллеры (например, PIC-микроконтроллеры, начиная с PIC12 компании Microchip) [7]. В случае эффективных кодеков, менее чувствительных к скорости, возникает возможность их использования в сети с негарантированной пропускной способностью (см. рис. 3).

– Если требования к MOS высокие, а БСС представляет собой сеть с негарантированной пропускной способностью, то предпочтительнее использовать эффективные кодеки (см. рис. 3). Это значит, что следует искать компромисс между MOS/Vкодир. на заданной скорости и степенью сложности алгоритма кодирования (см. табл. 3). По оптимальному пути применения эффективных речевых кодеков пошла компания Jennic (алгоритм кодирования ADPCM, частота дискретизации 8/16 кГц, 32-разрядный (32 MIPS) RISCмикроконтроллер JN5139 + радиопередатчики, низкое энергопотребление (34 мА × 3,6 В), Рвых. радиопередатчика: +3 дБм; Vкодир./Fдискр.: 24 Кбит/с/6 кГц; 32 Кбит/с/8 кГц; 64 Кбит/с/16 кГц).

Беспроводные системы связи с использованием низкоскоростных ZigBee- и скоростных UWB (ZigBeeподобных) технологий, которым в соответствии с промышленным стандартом ISA 100.15 отведена вполне определенная роль для решения специальных задач, можно рассматривать как беспроводную транспортную среду для передачи речевой информации на малых расстояниях. Их неоспоримое преимущество по сравнению с мобильными беспроводными системами сотовой связи, Wi-Fi или Bluetooth — небольшая мощность излучения Рвых., а также малое энергопотребление. Таким образом, при использовании средств преобразования речевого сигнала для передачи речи посредством БСС необходимо, прежде всего, оптимизировать их энергопотребление, исходя из требований к качеству речи MOS/Vкодир. на заданной скорости с учетом степени сложности алгоритма. ЛИТЕРАТУРА 1. А.С. Дмитриев, Е.В. Ефремова и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53 №10. С. 1278–1289.

2. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача речевой информации через WPAN. Электронные компоненты. №12. С. 57. 2010.

3. М.Ф. Бондаренко, А.В. Работягов, С.В. Щепковский. Современные методы кодирования речевого сигнала. Бионика интеллекта. 2 (69). С. 106–114. 2008.

4. ГОСТ Р 51061-97. Системы низкоскоростной передачи речи по цифровым каналам//www.polyset.ru/GOST/all-doc/GOST/ GOST-R-51061-97.

5. D-Link. Introduction to Voice over Wireless WLAN (VoWLAN).

6. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение промышленности. Сосуществование разных радиосистем. Электронные компоненты. №10. С. 21. 2010.

7. А. Сафонов. Использование микроконтроллеров Microchip в задачах вопросах воспроизведения звука. Компоненты и технологии. №2. С. 28–30. 2004.

8. 6LoWPAN IPv6 over Low power WPAN (6lowpan) http://www.ietf.org/download/ id-abstract.txt 9. В.Е. Дементьев, Д.А. Капустин. Разработка и исследование протоколов повышенной надежности передачи данных в сетях ZigBee. Передача голоса в сетях ZigBee//www.confpubs.ru/nfs_2010. php?id=32.

10. Analysis of Audio Streaming Capability of ZigBee Networks 2 Publications|HiPEAC. 11. RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control//http://tools. ietf.org/html/rfc1890.

Использование конечных спящих узлов в сети ZigBee ОЛЕГ ПУШКАРЕВ, руководитель направления встраиваемых систем, «Компэл»

Использование стандарта ZigBee позволяет создавать беспроводные ячеистые (mesh) сети, включающие узлы с автономным питанием. Статья посвящена вопросам выбора оптимальных сетевых параметров и правильной конфигурации радиомодулей XBee для работы в качестве конечных спящих узлов с батарейным питанием.

Радиомодули XBee компании Digi представляют собой законченные модули ZigBee (см. рис. 1), не требующие для своей работы никаких внешних компонентов. Модули выпускаются с уже загруженным стеком ZigBee Pro, управление которым осуществляется с помощью AT-команд или API-фреймов, отсылаемых по UART, SPI или USB-интерфейсу [1—5]. Встраиваемые модули могут работать как батарейные автономные узлы — в ряде случаев даже без применения внешнего микроконтроллера (МК). Алгоритм работы в этом случае задается установкой определенной конфигурации модуля, которая сохраняется в энергонезависимой памяти. Такая конфигурация может включать, например, автоматическое измерение аналоговых сигналов (10 бит) и/или уровней на цифровых входах и периодическую отсылку этих значений на один или все узлы ZigBee-сети. Интервал отсылки данных может быть задан пользователем в диапазоне от сотен миллисекунд до нескольких недель. Еще один вариант автономной работы модуля — инициативная отсылка сообщений по изменению уровней на цифровых входах. Разумеется, к находящемуся в сети модулю всегда можно обратиться с любого узла сети для установки требуемых значений на цифровых выходах или для организации обмена по последовательному интерфейсу. Во всех ситуациях модуль XBee может действовать абсолютно самостоятельно, без подключения дополнительного МК. Чтобы модули работали в спящем режиме, необходимо задать ряд параметров — SM, SP, SN, ST, SO, WH, SI, PO. Их описание можно найти в таблице 1. Правильный выбор параметров позволяет создавать батарейные устройства, способные работать в автономном режиме до 10 лет. Однако прежде чем переходить к выбору оптимальных настроек, необходимо продумать общую конфигурацию ZigBee-сети — расположение конечных устройств и число поддерживающих их роутеров. Здесь нам не обойтись без экскурса в идеологию построения ZigBee-сети с конечными спящими узлами (Sleeping End Nodes).

ты или разрешать присоединение другим устройствам. Конечное устройство в своей работе в значительной мере полагается на родительское устройство, через которое передаются и принимаются все сообщения. Только конечные устройства могут переходить в спящий режим и, следовательно, работать от батарей продолжительное время. Спящий режим является основным режимом их работы. Во время сна конечное устройство отключает все свои внутренние узлы (кроме таймера), что позволяет снизить ток потребления до уровня 1 мкА. В это время конечное устройство сохраняет установленные уровни на своих цифровых выходах, однако не может принимать радиопакеты и вести обмен данными через последовательный порт. Тем не менее, сообщение, отправляемое ему по эфиру, не потеряется — оно будет храниться на родительском устройстве до окончания периода сна. Из-за ограниченного объема оперативной памяти для хранения пересылаемых сообщений каждый роутер может выступать «родителем» для ограниченного числа конечных устройств. В модулях XBee серии S2С (SMDисполнение, прошивка 4.0.1.6) один роутер может подключить до 20 конечных устройств и хранить не более 1 сообщения для каждого устройства. Роутер XBee серии ZB (Firmware 2x6x) может подключить 12 конечных устройств. При создании сети с большим количеством конечных устройств необходимо позаботиться о достаточном числе роутеров. Команда NC позволяет получить информацию о количестве конечных устройств, которое еще способен подключить роутер.

91

СПЯЩИЕ УЗЛЫ В ZIGBEE-СЕТИ

Конечные устройства в сети ZigBee имеют свои особенности и ограничения. Для подключения к сети каждое конечное устройство должно иметь в зоне своей радиовидимости хотя бы один роутер или координатор — будущее родительское устройство. Процесс подключения предполагает стандартную для любого ZigBee-устройства последовательность действий — сканирование сетки частотных каналов (ограниченных маской SC), сопоставление параметров доступных сетей с заданными значениями ID, ZS и получение сетевого адреса от родительского устройства. После успешного подключения конечное устройство может обмениваться данными с другими устройствами в сети, однако оно не может ретранслировать чужие паке-

Рис. 1. Радиомодули ZigBee

Электронные компоненты №5 2011

Рис. 2. Обмен с конечным устройством

Рис. 3. Обмен данными с родительским устройством

Конечное устройство обменивается данными только со своим родительским устройством, при этом родительское устройство берет на себя все функции по маршрутизации данных удаленному узлу в ZigBee-сети (обнаружение адреса и прокладку маршрута). Инициатором радиообмена между конечным и родительским устройством всегда является конечное устройство. Находясь в активном режиме (не в режиме сна) конечное устройство постоянно запрашивает родительское устройство на наличие данных, отсылая запросы Poll Request (см. рис. 2). Период повтора запросов задается параметром PO (100 мс по умолчанию). В ответ на каждый запрос от «родителя» приходит ответ-подтверждение Ack, который, во-первых, информирует о наличии двусторонней связи,

во-вторых, содержит информацию — есть ли у «родителя» какое-либо ожидающее сообщение. Если сообщение есть — конечное устройство не переходит немедленно в режим сна, а посылает следующий Poll Request, в ответ на который получает хранящееся у «родителя» сообщение. Далее конечное устройство продолжает отсылать запросы Poll Request до тех пор, пока не пройдет время ST после последней порции отправленных или полученных данных. Если при пробуждении конечного устройства в ответ на первый Poll Request «родитель» отвечает, что у него нет данных для передачи, то конечное устройство переходит в режим сна немедленно, не дожидаясь истечения времени ST. Этот минимальный цикл активности имеет продолжительность примерно 10 мс, потребление тока при этом максимально, т.к. в течение этого времени включается передатчик или приемник. Для маломощного модуля XB24CZ7xxx это потребление не превышает 40 мА. Когда идет отсчет времени ST, то на промежуток времени между отсылками Poll Reaqest модуль отключает радиочасть, поэтому средний ток потребления меньше 40 мА — модуль большую часть времени находится в режиме Idle, потребляя ток ~15 мА. Таким образом, даже без обмена полезными данными, неспящее конечное устройство занимает эфир запросами Poll Request и ответами «родителя» (см. рис. 3), затрудняя обмен информацией между другими устройствами в ZigBee-сети. Данное обстоятельство следует принимать в расчет лишь при большом количестве конечных устройств, сконцентрированных в одном месте (более нескольких десятков). Для снижения нагрузки на сеть (и потребляемого конечным устройством тока) следует минимизировать время нахождения конечных устройств в активном режиме. Можно также соответственно увеличивать время PO между соседними запросами (Poll Request), однако это увеличит задержку в получении данных. На максимальную скорость обмена данными это влиять не должно, т.к. в последнюю версию прошивок введен алгоритм адаптивного опроса Adaptive Polling, который заключается в следующем — вне зависимости от установки PO, при получении данных последующие запросы Poll Request отправляются с увеличенной частотой, исходя из предположения, что передача данных будет продолжаться. Если данных больше нет, частота опроса снижается до установленного значения PO. Механизм Adaptive Polling увеличивает пропускную способность канала связи с конечным устройством.

Таблица 1. Настройки режима сна XBee-модуля

92

AT -команда

Название и описание

Тип узла*

SM

Режим сна XBee-модуля. При SM = 0 модуль не переходит в режим сна, т.е. выступает в роли роутера. При установке SM > 0, модуль отключается от сети как роутер и подключается в качестве конечного устройства.

RE

SN

SP ST SO WH SI PO

Множитель периода сна. Позволяет не будить host-контроллер продолжительное время (через выв. 12 и 13), если только не получен радиопакет. При установке SO = 4 позволяет модулю XBee засыпать на длительное время = SN×SP (до трех недель). Период сна. Определяет, как долго конечное устройство будет находиться в состоянии сна за один период, максимально до 28 с. На родительском устройстве, значение SP определяет время хранения данных для дочерних конечных устройств. Рекомендуется устанавливать единое значение SP для всех устройств в сети. Время перед сном. Устанавливает период времени до перехода в режима сна. Отсчет ST начинается вновь при обмене по UART или получению RF-данных. Применимо только для циклически спящих конечных устройств. Варианты сна (битовое поле). SO = 0×02 – конечное устройство всегда просыпается на время ST, даже при отсутствии UART или RF-обмена. SO = 0×04 – конечное устройство спит полное время SN×SP (до трех недель). Задержка сигнала на пробуждение host-устройства. Конечное устройство после просыпания выдерживает паузу WH перед отправкой данных по UART или отсылкой в эфир значений портов Команда принудительного перевода конечного устройства в режим сна, не дожидаясь истечения времени ST Устанавливает период опроса конечным устройством своего «родителя» при ожидании данных. Значение по умолчанию 100 мс

*С – координатор, R – роутер, E – конечное устройство

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Диапазон 0—сон запрещен (роутер) 1—сон по сигналу на выв. 8 4—периодический сон 5—комбинация режимов 1 и 4

CRE

1—0×FFFF

CRE

0×20—0×AF0 (× 10 мс) (с разрешением 1/4 с)

E

1—0×FFFE (× 1мс)

E

0—0×FF

E

1—0×FFFF (× 1мс)

E

—

E

0 – 0×3E8

Основной способ сохранения энергии батарей — максимально долгое нахождение конечного устройства в режиме сна (определяется параметрами SP и SN), это время может достигать трех недель. Однако роутер может хранить сообщения максимум 28 с, поэтому спящее дольше этого времени конечное устройство не может гарантированно получать данные, отправленные ему в произвольный момент времени. Это ограничение можно преодолеть, если использовать специальный алгоритм работы. Спящее более 28 с конечное устройство после пробуждения отсылает пакет данных, информирующий о его готовности получать информацию. После этого оно может принять входные данные в течение времени, определяемого параметром ST. Если в процессе работы родительское устройство выходит из строя, или на нем пропадает питание, то конечное устройство выполняет цикл поиска нового родительского устройства. Поиск нового «родителя» начинается в том случае, если конечное устройство не получило ответа на три последовательных запроса Poll Request. Во время этого процесса активность конечного устройства выше, что ведет к большему потреблению тока. Это необходимо учитывать при расчете продолжительности автономной работы спящего устройства в ситуации возможного пропадания связи с «родителем». При наличии другого роутера в зоне действия переподключение конечного устройства к новому «родителю» занимает несколько секунд. С помощью параметра SO можно менять поведение модуля XBee в режиме сна — включать так называемый «продолжительный» или «короткий» сон. По умолчанию параметр SO=0, и модуль просыпается через время SP для отправки запроса «родителю». Когда модуль просыпается, он устанавливает 1 на выводе On/Sleep и сбрасывает в 0 линию CTS, указывая внешнему МК на готовность вести обмен данными по UART-интерфейсу. Параметр SN контролирует поведение линии On/Sleep (CTS). По умолчанию SN = 1, и при каждом просыпании модуля On/Sleep будет устанавливаться в «1», а CTS в «0». Если SN>1, то линия On/Sleep (CTS) будет задействована, только если модуль получит эфирные данные, или если пройдет заданное параметром SN количество периодов сна. Это позволяет не будить внешний МК при каждом просыпании конечного устройства и, в то же время, не пропустить входящую информацию. С помощью параметра SO можно перевести конечное устройство в режим продолжительного сна — на полное время, равное SN×SP (до трех недель). Однако в этом случае затруднена (но возможна) доставка сообщений такому узлу, т.к. максимальное время хранения данных на родительском узле не может превышать 28 с. Учитывая возможность миграции конечных устройств в сети, в роутерах предусмотрен механизм удаления данных о дочернем устройстве, если оно в течение заданного времени не посылает запросы «родителю». Данный механизм предотвращает переполнение памяти роутера информацией о тех конечных устройствах, которые в силу какихто причин были удалены из сети или нашли себе нового «родителя». Если от дочернего устройства не поступает запросов в течение времени 3×SP×SN, то роутер удаляет запись о нем из таблицы дочерних устройств, освобождая память для новых подключений. Несмотря на обилие параметров, задающих режимы работы спящего модуля XBee, на практике в большинстве случаев достаточно будет задействовать параметры SM и SP, остальные могут оставаться в значениях по умолчанию. Например, если нужно чтобы модуль просыпался каждые 5 с, установите SM = 4 и SP = 1F4. Если задать продолжительный период сна (SP более 5 с) и короткий интервал пробуждения (ST менее 1 с), то в процессе отладки спящего устройства (при работе с про-

граммой XCTU) могут возникнуть сложности с доступом по UART. Проблема заключается в том, что во время сна UART модуля недоступен, а успеть отправить команду с клавиатуры очень трудно, если время бодрствования не превышает нескольких секунд. Здесь на помощь может прийти кнопка Commissioning Button (выв. 20 модуля XBee или кнопка SW1 на плате XBIB (см. рис. 4)). Кратковременное нажатие на эту кнопку выводит спящее устройство из режима сна на 30 с. Эта кнопка может выполнять и ряд других полезных функций, например, ее быстрое четырехкратное нажатие заставляет XBee-модуль стереть некоторые текущие сетевые параметры и переподключиться к сети. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ ОТ БАТАРЕИ

Продолжительность работы спящего устройства от батареи зависит от ряда параметров — емкости батареи, периода сна, времени нахождения в активном режиме. На сайте компании Digi есть простой калькулятор (http:// www.digi.com/technology/battery-life-calculator), позволяющий быстро оценить время работы модуля XBee от батареи заданной емкости. При использовании батареи типоразмера D (EEMB ER34615M, емкость 19 А/ч) можно обеспечить 10 лет бесперебойной работы XBee-модуля, отправляющего сообщения каждую минуту. Данный калькулятор является довольно грубым инструментом, т.к. не учитывает характера потребления тока модулем XBee при выходе из режима сна. Находясь в активном режиме, конечное устройство включает радиочасть (передатчик/приемник) только на относительно небольшое время. На рисунке 5 приведена кривая потребления тока при выходе спящего модуля из режима сна. Измерение проводилось на резисторе 10 Ом, включенном в разрыв земляного провода. В данном минимальном цикле модуль XBee не получает/отправляет полезные данные, а лишь отсыла-

Рис. 4. Кнопка Commissioning Button на плате XBIB

Рис. 5. Ток потребления XBee

Электронные компоненты №5 2011

93

Рис. 6. Схема датчика температуры

ет один запрос Poll Request и, получив ответ «родителя»: «данных для передачи нет», уходит на следующий период сна. Время нахождения в активном режиме не превышает ~ 10 мс при этом потребление тока максимально (40 мА) только при включении трансивера на время ~ 5мс. Таким образом, средний реальный ток потребления конечного устройства всегда будет меньше, чем указанные в документации 40 мА (для маломощного модуля XBee ZB). ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР: СПЯЩИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Рис. 7. Состав ZigBee-сети

94

Рис. 8. Отправляемые пакеты

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В качестве примера конечного спящего устройства рассмотрим беспроводной датчик температуры, состоящий из модуля XBee, простого 8-разрядного МК PIC16F630 и популярного цифрового датчика температуры DS18B20, схема которого изображена на рисунке 6. Данный датчик работает в ZigBee-сети, состоящей из 20 узлов (см. рис. 7) и является дочерним устройством координатора. Датчик отправляет измеренное значение температуры один раз в минуту. Разрешающая способность устройства — 1/10º. Ключ на полевом транзисторе IRLML6402 подает питание на DS18B20 на период измерения. Светодиод HL1 мигает один раз в минуту, индицирует отправку пакета. Светодиод HL2 зажигается каждые пять секунд на время выхода модуля XBee из режима сна. Схема реализует следующий алгоритм работы: 1. Модуль XBee работает как конечное спящее устройство с настройками SP = 1F4, SN = 1, ST = 7D0.

2. При каждом просыпании (каждые 5 с), модуль XBee устанавливает в 0 линию CTS, что является источником прерывания для МК, находящегося в режиме Sleep.

3. При каждом прерывании МК увеличивает на 1 свой внутренний счетчик.

4. На каждом 11 прерывании подается питание на DS18B20, и запускается цикл измерения температуры длительностью ~ 750 мс. Измеренное значение сохраняется, и МК снова уходит в режим сна.

5. На каждом 12 прерывании измеренная температура отправляется на координатор в виде API-пакета (см. рис. 8).

Рис. 9. Основной цикл программы

Внутри пакета температура представлена в текстовом виде (ASCII). После отправки температуры с помощью команды SI модуль XBee принудительно переводится в режим сна. Это сделано для того, чтобы сэкономить энергию батареи и не дожидаться окончания времени ST. Можно было бы просто уменьшить значение ST, но это приводит к трудностям при удаленной конфигурации модуля по эфиру — модуль норовит заснуть даже в процессе радиообмена между порциями данных. Листинг основного цикла программы приведен на рисунке 9. При указанных настройках расчетное время автономной работы узла составляет более года при использовании батареи 1200 мА/ч (EEMB ER1420).

По всем вопросам применения модулей XBee можно обращаться к автору статьи по электронной почте: o.pushkarev@compel.ru. ЛИТЕРАТУРА 1. Пушкарев О. Программируемые модули XBee серии S2B// Беспроводные технологии, 2010, №3.

2. Пушкарев О. Прибор для оценки дальности связи в сетях ZigBee//Новости Электроники, 2010, №4.

3. Пушкарев О. ZigBee-модули XBee: новые возможности// Беспроводные технологии, 2008, №4.

4. Сайт компании «Компэл»: www.compel.ru.

5. Product Manual: XBee/XBee-PRO ZB OEM RFModules 90000976_G.pdf//www.digi.ru.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС». | К этой категории относятся новые методы электронного взаимодействия с системами без использования клавиатуры и мыши в качестве устройств ввода. Примерами таких интерфейсов являются сенсорные панели и дисплеи, а также периферийные устройства, обеспечивающие бесконтактное взаимодействие с системой, например, приставки Nintendo Wii, Sony PlayStation Move, Microsoft Kinect и дисплейные системы, создающие эффект присутствия. Финалистами этой категории стали компании Atmel Corp, Fujitsu Semiconductor, Microchip Technology и Ocular LCD. Победителем стала компания Microchip Technology, которая пополнила долгое время остававшуюся популярной серию встраиваемых микроконтроллеров с функцией поддержки сенсорной панели и сенсорного интерфейса. Расширенные возможности этих устройств позволяют активировать сенсорную цепь, даже если на руку пользователя надета перчатка, а также в условиях повышенной влажности и других неблагоприятных для сенсорного интерфейса условиях. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

95

Новые лабораторные источники питания отечественного производства АНДРЕЙ ЦЕЙТИН, заместитель директора по производству, ООО «УниверсалПрибор» После появления на рынке лабораторных источников питания (ИП) типа Б5-71У/1 и Б5-71У/2 практически все проблемы выбора ИП отпали. Эти приборы действительно являются самыми современными, созданными с учетом всех последних достижений в области схемотехники, конструирования и производства электронных компонентов.

96

Современные источники питания — целая группа приборов, обеспечивающих вторичным электропитанием различные радиоэлектронные устройства как на промышленных предприятиях, так и в быту. Область применения современных вторичных источников электропитания постоянного тока и напряжения очень широка: – использование их в качестве самостоятельных устройств, или т.н. лабораторных источников; – ремонт и регулировка радиоаппаратуры; – использование в различных технологических процессах; – отладка оборудования; – применение в качестве зарядных устройств. Все многообразие источников питания можно условно разделить на несколько основных групп: постоянного тока; переменного тока; стабилизированные; нестабилизированные; фиксированного напряжения или тока; регулируемые и т. д. Каждый, кто хоть раз пытался приобрести современный лабораторный источник питания, останавливался перед непростым выбором. При всем многообразии источников, отличающихся производителями, параметрами, ценами, до недавнего времени возникал один основной вопрос — чем и во имя чего надо поступаться при выборе источника. Должен ли быть источник недорогим в ущерб таким параметрам как стабильность выходных тока и напряжения; уровень пульсаций выходного напряжения и тока; возможность непрерывной работы под максимальной нагрузкой; габариты и вес? Или следует переплатить? И что в результате переплаты можно получить? На что закрыть глаза — на большие габариты и вес, не очень хорошую стабильность, необходимость периодически отключать источник для остывания? Все эти непростые вопросы до недавнего времени каждый решал разными способами и с той или иной эффективностью. Однако после появления на рынке лабораторных ИП типа Б5-71У/1 и Б5-71У/2 практически все перечисленные вопросы отпали. Это современные лабораторные источники питания, созданные с учетом всех последних достижений в области схемотехники, конструирования и производства электронных компонентов. Современные ИП — целая группа приборов, обеспечивающих вторичным электропитанием различные радиоэлектронные устройства как на промышленных предприятиях, так и в быту. Функционально область применения современных вторичных источников электропитания постоянного тока и напряжения очень разнообразна — они используются: в качестве самостоятельных, или т.н. лабораторных

WWW.ELCOMDESIGN.RU

устройств для ремонта и регулировки радиоаппаратуры; в различных технологических процессах; для отладки оборудования, а также в качестве зарядных устройств и т.д. Все многообразие источников питания можно условно разделить на несколько основных групп: постоянного тока; переменного тока; стабилизированные; нестабилизированные; фиксированного напряжения или тока; регулируемые и т.д. Лабораторные источники питания — это стабилизированные, регулируемые источники постоянного тока и напряжения. Их назначение — поддержка заданного напряжения или тока с большой точностью при изменении питающих напряжений и нагрузки в широких пределах. На рынке присутствует большое количество разнообразных лабораторных источников разных производителей. Это, в основном, приборы таких фирм как Good Will Instrument Co. (Тайвань), Welleman (Бельгия), Matrix (Китай), Mastech (Гонконг) и приборы от производителей постсоветского пространства — Белоруссии, Украины, Армении и т.д. Все эти источники по схемному построению делятся на линейные и импульсные. Линейные источники — это приборы, которые имеют в своем составе мощный крупногабаритный сетевой трансформатор, с вторичной обмотки которого снимается напряжение. Оно выпрямляется и далее стабилизируется с помощью линейного стабилизатора. Считается, что такие источники создают минимальные помехи в сетях электропитания и обладают минимальным уровнем шумов. Однако они имеют ряд недостатков, к которым относятся большие габариты и вес, низкий КПД и, как следствие, необходимость отвода большого количества тепла, сложность конструкции и т.д. Вообще линейные источники питания можно было бы отнести к умирающему классу, если бы не большой спрос на них и предложение, а также почти гарантированное соответствие требованиям по электромагнитной совместимости. В отличие от линейных ИП, импульсные источники не имеют крупногабаритного разделительного трансформатора. В них сетевое напряжение выпрямляется и уже постоянным подается на вход высокочастотного преобразователя (инвертора), преобразуется в переменное напряжение высокой частоты (десятки и сотни килогерц), выпрямляется и далее подается на вход линейного стабилизатора. За счет высокой частоты значительно уменьшаются габариты и вес силового трансформатора и фильтрующих конденсаторов, а также повышается КПД.

Рис. 1. Источники питания Б5-71У/1

Рис. 2. Сертификат №36757-08 о внесении источников питания Б5-71У в Госреестр в 2008 г.

Компания «УниверсалПрибор» поставила перед собой задачу разработать новые, не имеющие аналогов, источники питания, в которых использовались бы все самые современные тенденции в построении ИП и современная элементная база С точки зрения функциональности, предстояло разработать импульсный лабораторный источник питания, который работал бы непрерывно длительное время в условиях отечественных электросетей, обладал хорошей стабильностью и точностью хорошего измерительного прибора. Для того чтобы предложить качественную замену линейным источникам, необходимо было соблюсти требования ГОСТ Р 51317.3.2-99, касающегося электромагнитной совместимости, наконец, необходимо было создать

Выходное напряжение, В Выходной ток, А Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети 198–242 В (мВ) Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки, мВ Нестабильность выходного тока при изменении питающей сети 198–242 В (мА) Нестабильность выходного тока при изменении нагрузки, мА Пульсации выходного напряжения Uэфф, мВ Пульсации выходного напряжения Up-p, мВ Масса, кг

MPS3010L-1

0–36 0–30 0–30 0–30

0–10

0–10 0–5 0–10 0–3

2

33

5

8

8

–

2

50

5

7

11

–

2

250

3

–

22

–

2

250

3

–

25

–

–

1

5

1

2

1

15

25

100

–

–

–

2,4

3,2

3,2

3–6

10

4,9

WWW.ELCOMDESIGN.RU

PS3003U

0–30

0–30 (0–50) 0–10 (0–6)

HY3005

SPS3610

98

Б5-71/1М

Б5-71/1У(2У) (УниверсалПрибор)

Таблица 1. Сравнительные параметры источников питания компании «УниверсалПрибор» и других производителей

замену существующему ряду лабораторных источников типа Б5-43А, выпускающихся предприятиями Армении, Белоруссии, Нижнего Новгорода и др. После проведения ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ была выпущена опытная, а затем и серийная партия источников питания Б5-71У/1 (см. рис. 1) и Б5-71У/2. Для сравнения в таблице 1 указаны их основные параметры и параметры наиболее распространенных лабораторных источников разных стран-производителей. Как видно из таблицы, источники питания Б5-71У/1 и Б5-71У/2 практически по всем параметрам превышают как приборы постсоветского пространства, так и зарубежные аналоги. Такие убедительные результаты были достигнуты благодаря следующему ряду решений: – применению современных микросхем супервайзеров и контроллеров питания и современной схемотехнике: источник представляет собой импульсный преобразователь со схемой управления, поддерживающей заданное напряжение на входе линейного стабилизатора напряжения; – защите от бросков сетевого напряжения и импульсных помех за счет применения современных многоступенчатых фильтров и специальных дросселей. Очень высокая стабильность выходных параметров достигается благодаря правильно рассчитанным режимам работы преобразователя и стабилизатора напряжения и применению специальных мер по стабилизации режима работы преобразователя на режимах, близких к холостым. Благодаря применению современных IGBT-транзисторов, вентиляторов на магнитной подвеске, ротора и ряду других мер разработанные ИП имеют низкий уровень акустических шумов, малые габариты (262×70×210 мм) и вес (не более 2,4 кг), а также возможность круглосуточной работы источника с максимальной нагрузкой. Четырехразрядный индикатор в сочетании с новейшей элементной базой позволил увеличить точность измерения выходных напряжения и тока до уровня современных цифровых измерительных приборов. Основные достоинства источников: – современная элементная база и схемотехника; – высокая надежность; – низкая цена; – возможность круглосуточной работы; – малые габариты и вес; – четырехразрядные индикаторы; – соблюдение требований ЭМС согласно ГОСТ Р 51317.3.2-99; – многоступенчатая защита от опасных электромагнитных влияний. Как уже говорилось в начале статьи, теперь при выборе лабораторного источника питания можно смело утверждать, что наилучшим вариантом с оптимальным соотношением цена/качество являются источники питания Б5-71У/1 и Б5-71У/2, на которые выдан соответствующий сертификат (см. рис. 2). В таблице 2 приведены основные технические характеристики источников питания Б5-71У. Лабораторные источники питания Б5-71У/1(/2) выдают плавно регулируемые стабилизированные постоянные напряжения и ток. Таблица 2. Технические характеристики источников питания Модель источника питания Пределы выходного напряжения, В Пределы выходного тока, А

Б5-71У/1 0,1–30 0,1–10

Б5-71У/2 0,1–50 0,1–6

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ:

– погрешность измерения выходного напряжения в пределах ±(0,005 Uуст. + 0,03, В); – погрешность измерения выходного тока в пределах ±(0,015 Iуст. + 0,03, А); – нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети 198–242 В в пределах ±2 мВ; – нестабильность выходного тока при изменении питающей сети 198-242 В в пределах ±2 мА; – нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки в пределах ±2 мВ; – нестабильность выходного тока при изменении нагрузки в пределах ±2 мА; – пульсации выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения в пределах 15 мВ по амплитуде; – пульсации выходного тока в режиме стабилизации тока в пределах 20 мА (эффективное значение); – средняя наработка на отказ — 25 тыс. ч; – средний срок службы — 10 лет; – питание осуществляется от сети переменного тока напряжением 198–242 В с частотой 50 Гц; – потребляемая мощность — не более 420 ВА; – масса — не более 2,4 кг.

ООО «УниверсалПрибор» занимается комплексным оснащением и технической поддержкой промышленных и электронных производств. Компания осуществляет свою деятельность на рынке в течение 15 лет и занимает в этой области на сегодняшний день лидирующие позиции. ООО «УниверсалПрибор» производит электронную продукцию, сотрудничает с ведущими мировыми производителями, поставляет оборудование во все регионы России и страны СНГ. Компания предлагает широкий спектр следующего оборудования: – контрольно-измерительные приборы; – промышленная мебель и средства ESD-защиты; – паяльное оборудование и материалы; – испытательное оборудование; – технологическое оборудование. Производство в Санкт-Петербурге: – промышленная мебель Universal; – испытательные и термо-вакуумные камеры; – источники питания; – полный цикл монтажа печатных плат; – контрактное производство, сервисное и гарантийное сопровождение.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ» | В эту категорию вошли следующие финалисты — производители инновационных аналоговых схем: Avago Technologies, Intersil, Linear Technology и NXP Semiconductors. Победителем среди них стала NXP Semiconductors — компания, техническое мастерство которой позволило сочетать в одном кристалле сложные аналоговые и цифровые функции.

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «РАЦИОНАЛИЗАТОРЫ ГОДА» | Эта номинация определяет не продукцию, а конкретных людей или коллектив, которые внесли значительный вклад в совершенствование электронных схем. К числу таких достижений относятся и заметные успехи в новом направлении, например, в совершенствовании новой методологии, позволяющей решить трудные проблемы, либо в развитии технологии. В число финалистов этой категории вошли Пол Дарби (Paul Darbee), компания DarbeeVision; Роберт Добкин (Robert Dobkin) и Том Хэк (Tom Hack), компания Linear Technology; Брэд Доерр (Brad Doerr), Стив Дрэйвинг (Steve Draving), Дэйв Дэшер (Dave Dascher), Ник Фернандез (Nick Fernandez), Райан Карлино (Ryan Carlino), Стив Терсич (Steve Tursich) и Дэйв Гиссел (Dave Gissel), компания Agilent Technologies; Марио Паниччиа (Mario Paniccia), компания Intel Corp. Победителями стали Роберт Добкин и Том Хэк из компании Linear Technology. Им удалось решить трудную задачу, связанную с несовпадением напряжения на выводах стабилизатора с напряжением на выводах нагрузки. Некоторые инженеры решают эту проблему, отдельно измеряя напряжение на нагрузке. Победители данной номинации получают те же данные с помощью регулируемого напряжения и определения импеданса. Затем эти данные используются для генерации требуемого напряжения на нагрузке при заданном токе.

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «СТАНДАРТНАЯ ПРИКЛАДНАЯ ПРОДУКЦИЯ» | Финалисты этой категории — компании Broadcom, Integrated Device Technology, Lantiq North America, Lattice Semiconductor и Mindspeed Technologies — разработали стандартные системы на кристалле, которые характеризуются сочетанием высокой вычислительной мощности, периферийных функций, аналоговых цепей и микропрограммного обеспечения, что позволяет решать специфические прикладные задачи. Победителем в этой номинации стала компания Integrated Device Technology, которая реализовала различные технологии на одном кристалле: LVDS-контроллер синхронизации, цепь управления питанием и 4-канальный светодиодный драйвер для системы подсветки.

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА САПР И ТЕХНОЛОГИИ ASIC». | Финалисты этой категории — компании Apache Design Solutions, GateRocket Inc., GlobalFoundries и Mentor Graphic — известны своими инновационными автоматизированными средствами, которые позволяют уменьшить время цикла, повысить технологичность и улучшить надежность функционирования интегральных схем. Сегодняшнему победителю — компании Apache Design Solutions — удалось добиться многого. Во-первых, эта компания славится разработкой дифференцированной инновационной продукцией. К числу ее последних достижений относится решение задачи симуляции электростатического разряда, которая многие годы представляла большую проблему для разработчиков. Второе достижение — выход этой компании на рынок IPO www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

99

Возможности DSP в FPGA растут СТЕФАНО ДЗАММАТТИО (STEFANO ZAMMATTIO), ст. инженер по маркетингу продукции, Altera

В статье описаны преимущества новых блоков цифровой обработки сигналов, применяемых в FPGA Stratix V. Эти блоки отличаются от стандартных тем, что их разрядность можно изменять. Не секрет, что качество конечного продукта и набор параметров, которые требуется выбрать в процессе проектирования, в значительной мере зависят от качества исходных материалов. В FPGA уже содержатся блоки DSP для повышения вычислительной мощности. За это время архитектура DSP-блоков практически не изменилась. Они содержат массив умножителей 18×18 или 18×25 с фиксированной точностью, которые с помощью дополнительных логических схем можно объединять для выполнения более сложных операций.

Таблица 1. Разрядность DSP-блока в Stratix V Разрядность 3× независимый режим 9×9

Приложение Низкая точность, операции с фиксированной запятой

2× режим суммирования 18×18 Средняя точность, операции с фиксированной запятой 2× независимый режим 18×18 с Средняя точность, операции с фиксированной разрешением 32 бита запятой 1× независимый режим 18×25 или 18×36

Высокая точность, операции с фиксированной запятой

1× независимый режим 27×27

Высокая точность и операции с фиксированной запятой или 32-разрядные операции с плавающей запятой

100

Рис. 1. Структура DSP-блока при различных режимах работы

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В прошлом году компания Altera сделала большой шаг на пути создания быстродействующих блоков сигнальной обработки с высокой точностью. Вместо стандартной архитектуры с жестко заданной разрядностью она выпустила DSP-блоки с регулируемой точностью вычислений. Эта особенность позволяет подстраивать характеристики DSP-блока под требования текущего приложения. Так, для систем наружного наблюдения достаточно 9–12 разрядов, а для высокопроизводительных вычислений требуется двойная точность и возможность выполнения операций с плавающей запятой. Блок сигнальной обработки с переменной точностью имеет несколько режимов работы и ряд дополнительных возможностей, благодаря которым он может выполнять практически все виды функций DSP. На рисунке 1 приведена структура DSP-блока в режиме 18×18 бит с двойной точностью и в режиме 27×27 бит. Блоки выполняют вычисления с разрядностью 9×9–27×27. Точность каждого блока в матрице устанавливается независимо друг от друга, чтобы обеспечить наращивание разрядности в таких устройствах как КИХ- или БПФ-фильтр. DSP-блоки обладают еще одним преимуществом – они позволяют реализовать на одном блоке несколько умножителей. В таблице 1 приведены

Рис. 2. Суммирование с накоплением на блоке DSP

примеры режимов работы DSP-блоков с указанием точности. Если требуется разрядность больше, чем 27×27, то DSP-блоки объединяют. В таблице 2 приведены режимы перемножения с высокой точностью и соответствующее количество блоков. По сравнению с предыдущими архитектурами DSP-блоки с регулируемой разрядностью обеспечивают более высокую точность и эффективность использования ресурсов (см. рис. 1). Они позволяют выполнять многоразрядные функции без применения дополнительных логических схем. При этом сохраняются ресурсы FPGA, снижается потребление и повышается быстродействие. Блок DSP c переменной точностью имеет дополнительные возможности, повышающие эффективность таких алгоритмов как КИХ или БПФ. Например, в них имеется предварительный сумматор для сложения двух выборок перед перемножением. Это позволяет сократить количество множителей при умножении на общий коэффициент. В зависимости от выбранного режима предварительный сумматор имеет разрядность 18 или 26. При выполнении некоторых функций, например суммирования квадратов разностей, он может выступать в роли вычитателя. Одна из наиболее распространенных операций – суммирование произведений. Она выполняется выходными сумматорами DSP-блока, которые обычно используются при сложных перемножениях или многоразрядных сложениях. Так, сумматор в систолическом КИХ-фильтре можно полностью построить на встроенных в DSP-блок сумматорах без применения программируемых логических сумматоров. Подобная архитектура позволяет не только Таблица 2. Часто используемые режимы при каскадировании DSP-блоков переменной точности

102

Умножитель

Количество DSP-блоков

Приложение

Независимый 36×36

2

Операции с фиксированной запятой с очень высокой точностью

Независимый 54×54

2

Операции с плавающей запятой с двойной точностью

Сложный умножитель 18×18

2

БПФ, оптимизированное по использованию ресурсов

Сложный, 18×25

3

Наращивание разрядности в БПФ

Сложный, 18×36

4

БПФ с полной точностью

Сложный, 27×27

4

БПФ с плавающей запятой с одинарной точностью

WWW.ELCOMDESIGN.RU

сохранить ресурсы FPGA, но и повысить тактовую частоту КИХ-фильтра. В блоке сигнальной обработки имеется 64-разрядный сумматор с накоплением. На сегодняшний день это наибольшая разрядность. Он выполняет инкрементирование, декрементирование, а также предварительную загрузку многоразрядных чисел. Блок DSP может выполнять округление со смещением конечного результата накопления, что позволяет производить отбрасывание разрядов внутри блока. При обработке сигналов часто производится умножение на коэффициенты, которые хранятся в памяти FPGA. Если на каждый умножитель приходится мало коэффициентов, то их можно перенести в 18- или 27-разрядый банк блока DSP. Блоки сигнальной обработки Altera с регулируемой разрядностью также позволяют производить операции типа А×В+С и накапливать результаты, как показано на рисунке 2. Все эти особенности позволяют настроить DSP-блок так, чтобы он наиболее эффективно выполнял алгоритм. Это принципиально новый подход, поскольку обычно приходится делать наоборот, подстраивая алгоритм под жесткие структуры умножителей или имеющиеся логические схемы. Если по динамическим характеристикам блок DSP с фиксированной запятой не подходит, следует использовать блок с плавающей запятой. Его можно применять в сочетании с расширенным набором IP-блоков с плавающей запятой корпорации Altera, чтобы упростить реализацию функций. Для получения умножителя с одинарной точностью с плавающей запятой требуется один DSP-блок, а для выполнения двойного умножения понадобятся два блока. Сокращение времени разработки – ключевой фактор для снижения затрат на исследовательские работы и проектирование. Алгоритм может быть составлен на языке С с использованием операций с плавающей запятой, однако разработчики все чаще отдают предпочтение таким средам как MATLAB Simulink, поскольку они позволяют значительно ускорить процесс разработки. Переносить готовый алгоритм в формат VHDL или Verilog вручную – достаточно кропотливое занятие, поэтому компания Altera выпустила специальный инструмент DSP Builder Advanced Blockset для автоматического преобразования кода с учетом требований по тактовой частоте и задержкам на системном уровне. Данный инструмент позволяет быстро разрабатывать алгоритмы для FPGA, причем характеристики и размер кода близки к написанному вручную HDL. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Матрицы Stratix V можно использовать в качестве мощного процессора во многих областях и разнообразных приложениях, предъявляющих неодинаковые требования по производительности, точности, набору IP-блоков и средств разработки. Компания Altera предоставила системным разработчикам высококачественную основу для построения эффективных и мощных систем обработки сигналов, выпустив инновационные DSP-блоки с конфигурируемой разрядностью, которые настраиваются под требуемую точность вычислений. Для оснащенных этими блоками матриц разработаны мощные инструменты проектирования, а также набор стандартных IP.

ЛИТЕРАТУРА 1. S. Zammattio. “FPGA based DSP capabilities are shifting up!”.

ВЫБОР СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ВАРДАН АНТОНЯН, инженер

Предлагаемая схема позволяет задавать скорость передачи для устройств UART без использования дополнительного резонатора.

Digital Synthesis), при котором выходной сигнал генерируется цифровым способом. Данный метод позволяет уменьшить количество ошибок на высоких скоростях передачи, не используя дополнительный резонатор (см. табл. 2). Цифровой синтезатор частот состоит из аккумулятора фазы, преобразователя «фаза-амплитуда» и ЦАП. Параметры синтезируемого сигнала, такие как частота, приращение фазы и амплитуда, хранятся в модуле ПЗУ. В каждом такте опорной частоты аккумулятор фазы увеличивает свое значение на величину, называемую приращением фазы. Полученное зна-

Рис. 1. Упрощенная схема цифрового синтезатора частот

Таблица 1. Погрешность скорости передачи при использовании делителя

Таблица 2. Скорость передачи при использовании 20-разрядного синтезатора

Скорость Коэффициент Погрешпередачи, бод деления ность, %

Выходная Код частоты Погрешность, % частота

50

10000

0

50

13

–0,825

300 600

1666

0,04

300

78

–0,825

833

0,04

600

157

–0,182

2400

208

0,16

2400

629

–0,023

4800

104

0,16

4800

1258

–0,023

9600

52

0,16

9600

2516

–0,023

19200

26

0,16

19200

5033

–0,003

38400

13

0,16

38400

10066

–0,003

57600

8

7,84

57600

15099

–0,003

115200

4

7,84

115200

30198

–0,003

230400

2

7,84

230400

60397

–0,002

чение фазы преобразуется в амплитуду. Чем быстрее изменяется фаза во времени, тем больше частота генерируемого сигнала. Поэтому значение приращения фазы фактически является кодом выходной частоты. Скорость передачи вычисляется по формуле: Fвых = M·Fтакт/2N, где Fтакт — тактовая частота, M — код частоты; N — разрядность аккумулятора фазы. Если приращение фазы равно единице, то поведение аккумулятора фазы (накапливающего сумматора) ничем не отличается от поведения двоичного счетчика. Если приращение фазы равно, например, двум, то код фазы будет изменяться вдвое быстрее тактового сигнала. При этом на ЦАП коды поступают с той же частотой, но представляют собой не соседние, а взятые через один отсчеты функции синуса. Частота дискретизации не изменится, а частота выходного сигнала увеличится вдвое. Шаг перестройки частоты не зависит от ее значения и равен F такт/2 N . Таким образом, если увеличить N, то уменьшится шаг перестройки частоты. При этом увеличение разрядности аккумулятора фазы не требует обязательного увеличения разрядности адреса ПЗУ. В предлагаемой схеме используется упрощенный вариант цифрового синтезатора, формирующий выходной сигнал прямоугольной формы (см. рис. 1). Делитель на выходе фазового аккумулятора используется для уменьшения рабочего цикла в два раза. ЛИТЕРАТУРА 1. Antonyan V. Modified DDS functions as baud-rate generator//EDN, 15 июля 2010.

2. www.analog.com/static/importedfiles/tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev122-99.pdf.

Электронные компоненты №5 2011

103 ИНЖЕНЕР – ИНЖЕНЕРУ

Для получения необходимой скорости передачи чаще всего применяют двоичный делитель частоты с нужным коэффициентом. Однако при делении возникает погрешность, причем чем выше скорость передачи, тем она больше. В таблице 1 приведены относительные величины погрешности для резонатора с частотой 8 МГц. Погрешность скорости передачи увеличивается, если частота резонатора не согласована. В этом случае для уменьшения коэффициента ошибок следует, например, добавить резонатор с частотой 18,432 МГц. Второй способ — использовать прямой цифровой синтез (DDS — Direct

Настройка спутниковой антенны с помощью GPS КЛАУС ХИРШЕЛЬМАН (Klaus Hirschelmann), инженер, Elektor

Предлагаемое устройство позволяет упростить процесс настройки спутниковой антенны на телевизионный канал. SatFinder необходим вне города, на природе или приусадебном участке — везде, где нет возможности подключения к интернету.

Для настройки антенны на сигнал определенного спутника требуется знать значение двух углов: азимут (горизонтальное направление) и угол возвышения. Предлагаемое устройство автоматически рассчитывает эти углы

с помощью записанной в него таблицы телевизионных спутников. В интернете есть несколько ресурсов, предоставляющих аналогичный сервис. Все, что требуется — это ввести свои GPS-координаты, выбрать

ближайший город и выбрать из предложенного списка спутников подходящий. Это очень удобно, однако требуется подключение к сети, которое доступно не всегда. Главное достоинство SatFinder — автономность. Это небольшое портативное устройство, определяющее угол возвышения и азимут по данным, полученным от GPSспутников. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

П О С Л Е РА Б О Т Ы

104 Рис. 1. Схема SatFinder

Рис. 2. Расположение элементов на печатной плате

WWW.ELCP.RU

Принципиальная схема SatFinder приведена на рисунке 1. Перечень элементов приведен в таблице 1, а их расположение на плате — на рисунке 2. Устройство представляет собой вычислительный модуль на основе AVR микроконтроллера семейства Atmega8 со стандартным двустрочным ЖКИ. Внешний приемный навигационный модуль GPS подключается к разъему К2. Передача данных от спутника осуществляется по протоколу NMEA RMC. Устройство управляется четырьмя кнопками S1–S4: S1 отвечает за его включение, S2 регулирует переключение информации на дисплее, S3 и S4 отвечают за выбор телевизионного спутника. На ЖКИ выводятся данные двух типов: навигационные координаты, полученные с GPS-спутника, и значения углов для установки телевизионной антенны. Когда переключатель S2 разомкнут, выводятся данные со спутника, а когда замкнут — название канала и направление антенны. В SatFinder предусмотрена возможность выбора скорости обмена данными. При разомкнутой перемычке JP1 передача данных идет со скоростью 4800 бод, при закороченной — 9600 бод. Выбор телевизионного канала осуществляется с помощью кнопок S3 и S4, подключенных к выводам PD2 и PD3 микроконтроллера. Программирование МК производится через разъем К3. В процессе отладки навигационные данные и значение угла передаются с вывода PD1. При дальнейшей работе устройства этот выход МК не используется.

Настройка параметров ЖКИ осуществляется с помощью потенциометра P1, отвечающего за контраст, и резистора R8, ограничивающего ток диодов задней подсветки экрана. Устройство работает от машинного аккумулятора 12 В, который подключается через разъем К1. Можно использовать другие источники питания с напряжением 8...15 В. Частота работы МК равна 8 МГц и задается резонатором X1. Напряжение питания микроконтроллера и ЖКИ зависит от модели и может меняться в пределах 2,7…5,5 В. Необходимый уровень обеспечивается соответствующим выбором резисторов R1 и R2. В схеме, изображенной на рисунке 1, приведены номиналы для напряжения 5 В. Как правило, для работы приемного модуля требуется напряжение питания 3,3 В. Оно формируется микросхемой IC3. Если для приемника требуется уровень 5 В, то эту микросхему можно закоротить. Светодиод D3 используется для индикации включенного питания, а мигание D4 говорит об успешном приеме сообщения от навигационного спутника. ВКЛЮЧЕНИЕ

Прежде чем подать на схему питание, необходимо выбрать скорость обмена. Для передачи данных на скорости 9600 бод следует замкнуть перемычку JP1, в противном случае скорость

Таблица 1. Перечень элементов SatFinder Резисторы Конденсаторы Полупроводники

Другие

R1 = 220 Ом, R2 = 680 Ом, R3 = 4,7 кОм, R4 = 22 кОм, R5 = 10 кОм, R6, R7 = 470 Ом, R8 = 68 Ом, Р1 = 10 кОм (потенциометр) С1, С4 = 100 мкФ (25 В, радиальные выводы), С2, С3, С7 = 100 нФ, С5, С6 = 22 пФ, С8 = 10 мкФ (25 В, радиальные выводы) D1, D2 = 1N4148, D3, D4 = светодиод с малым рабочим током, 3 мм; Т1 = ВС547В, IC1 = LM317Т, IC2 = ATMEGA8A-PU, IC3 = LM2950 (3,3 В) Шаг выводов всех разъемов = 2,54 мм JP1 = штырьевой двухрядный разъем с перемычкой; К1 = двухвыводной разъем; К2 = 3-выводной разъем; К3 = 6-выводной разъем; S1, S2 = однополюсный ключ; S3, S4 = кнопка; X1 = кварцевый резонатор 8 МГц, ЖКИ 2×16

обмена составит 4800 бод. Приемный модуль подключается к разъему К2. Выход данных подключается к выводу 1 разъема, если используется сигнал RS232, или к выводу 3 (для уровня ТТЛ). При работе с сигналом ТТЛ элементы T1, D2, R3 и R4 не нужны. Питание 12 В подается на разъем К1.

SatFinder готов к работе, GPS-приемник начинает принимать данные, как только в зоне видимости будет достаточное количество спутников. В зависимости от модели приемного модуля на загрузку данных и синхронизацию может понадобиться разное время. Как только местонахождение устройства будет определено, на экране высветится сообщение «GPS-FIX» и название последнего выбранного телевизионного канала. Список каналов со значением углов возвышения и азимута хранится в памяти МК, при необходимости он может быть изменен пользователем. Для избавления от эффекта дребезга контактов выбор нового канала осу-

ществляется на следующий импульс чтения. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Данные со спутника принимаются примерно раз в секунду. Они проверяются на наличие ошибок, после чего по ним определяется телевизионный канал, на который настроен приемник. На ЖКИ выводятся азимут и угол возвышения телевизионной антенны, которые нужно установить для качественного приема. Программный код для микроконтроллера находится в свободном доступе на сайте Elektor. Там же можно найти таблицу основных европейских каналов. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: (495) 741-77-01. Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте www.elektor.com.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ» | Эта категория определяет софт для обеспечения сетевой безопасности, управления надежностью работы системы и жизненным циклом изделий, а также оптимизации питания компонентов и приложений во встраиваемых системах. В число финалистов вошли компании Backbone Security, IAR Systems, National Semiconductor и Ridgetop Group Inc. Победителем среди них стала National Semiconductor — компания, которая известна не только своими достижениями в производстве компонентов, но и с давних пор является новатором в разработке программного обеспечения на основе интернет-технологий, применяемого для проектирования приложений www.elcomdesign.ru

www.elcomdesign.ru | ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ, ДАТЧИКИ, ИНДИКАТОРЫ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА» | К этой категории относятся инновации в области пассивных компонентов высокого качества, а также интерфейсные устройства. В число финалистов вошли компании Aptina, Austriamicrosystems, CUI Inc. и InvenSense Inc. Победителем стала компания Aptina, чьи творческие способности и технологичность оказались на самом высоком уровне. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №5 2011

105 П О С Л Е РА Б О Т Ы

| ЛАУРЕАТЫ И ФИНАЛИСТЫ ПРЕМИИ EDN 2010 В НОМИНАЦИИ «СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ, ИСХОДНЫЕ ПРОЕКТЫ И ОДНОПЛАТНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ» | Для производителей средства разработки всегда были основным способом предложить свою новую продукцию инженерам по принципу «попробуйте и оцените». Исходные проекты от вендоров позволяют разработчикам повторно использовать интеллектуальную собственность в аппаратно-программном обеспечении. В число финалистов вошли компании Arrow Electronics, Freescale Semiconductor, MontaVista Software и Xilinx. Победителем среди них стала Freescale Semiconductor, чьи средства разработки характеризуются высокой вычислительной мощью, гибкой конфигурацией системы ввода-вывода, большой наглядностью и полезностью в качестве опытного образца.

Новые компоненты на российском рынке ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Новые источники/ измерители и анализаторы цепей для тестирования полупроводниковых приборов от Agilent

В мае 2011 года компания Agilent Technologies представила новую серию экономичных источников/измерителей Agilent B2900A для тестирования полупроводниковых приборов в диапазоне напряжений до 210 В и токов до 3 А (10 А в импульсном режиме). Для измерений в СВЧ/миллиметровом диапазоне, в частности, измерения S-параметров в непрерывном или импульсном режиме, коэффициента шума, компрессии коэффициента усиления, интермодуляционных и гармонических искажений, анализа цепей в нелинейном режиме и измерения X-параметров, а также многих других параметров компания Agilent предлагает уникальные по своим возможностям векторные анализаторы цепей серии Agilent PNA-X. Недавно в серию анализаторов Agilent PNA-X была добавлена модель с 67-ГГц частотным диапазоном. Для тестирования полупроводниковых приборов с импедансом, отличным от 50 Ом, измерения параметров шума, анализа цепей в нелинейном режиме, импульсных IV-измерений и задач типа load pull компания Maury Microwaves предлагает тюнеры импеданса с ручным или автоматическим управлением, программное обеспечение active load pull для Agilent PNA-X (без использования механических тюнеров импеданса), а также специальное решение от Maury Microwaves, которое позволяет проводить синхронизированные импульсные IV/RF-измерения.

Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Компактные DC/DC-преобразователи мощностью 25 Вт от Murata PS

106

Компания Murata PS дополнила серию DC/DC-преобразователей UEI мощностью 25 Вт новыми моделями с выходными напряжениями 3,3; 5 и 12 В. Серия UEI позволяет регулировать выходное напряжения в пределах ±10%, с помощью внешнего резистора. DC/ DC-преобразователи UEI имеют высокий КПД (до 91%), что позволяет использовать их с естественным охлаждением.

DC/DC-преобразователи выпускаются в двух вариантах: для монтажа в отверстия печатной платы и для поверхностного монтажа. Стандартное расположение выводов позволяет использовать их для замены DC/DC-преобразователей размерами 2”×1”. Малые шумы и высокие динамические характеристики позволяют применять их для питания цифровых устройств.

DC/DC-преобразователи серии UEI могут найти применение в телекоммуникационном оборудовании, малогабаритной аппаратуре, оборудовании передачи данных, телеметрии, телефонии, в транспортных средствах.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Особенности DC/DC-преобразователей: – широкий диапазон входных напряжений: 36…75 В; – выходное напряжение: 3.3, 5.5 или 12 В; – вход дистанционного управления включением/выключением; – высокий КПД: до 91%; – низкопрофильная компактная конструкция: 24,4 × 27,9 × 8,1 мм; – широкий диапазон рабочих температур: -40…85 °C; – электрическая прочность изоляции вход-выход: до 2250 В DC; – регулировка выходного напряжения: ±10%; – наработка на отказ MTBF: 2 млн час. (Telcordia SR332). Стандартные функции: – защита от: превышения и переполюсовки выходного напряжения, короткого замыкания и перегрузки на выходе, перегрева, понижения входного напряжения; – стандартное расположение выводов. Основные технические характеристики серии UEI25 приведены в таблице. Модель Uвх, В Uвых, В Iвых max, А КПД, %

UEI25-033-D48 36…75 3,3 7,5 89,5

UEI25-050-D48 36…75 5 5 91

UEI25-120-D48 36…75 12 2,1 87,5

Murata-PS www.murata-ps.com

Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ Новые 3-портовые Ethernetкоммутаторы от Micrel

Компания Micrel расширила семейство многопортовых коммутаторов для Ethernet 10/100, пополнив его новыми сериями 3-портовых коммутаторов KSZ8863 и KSZ8873. Коммутаторы работают как по витой паре, так и по оптоволокну. При этом они имеют цену в 2,5 раза ниже, чем у предыдущей серии. Особенностями новых коммутаторов являются: – низкое энергопотребление; – режимы управление питанием; – возможность работы с мобильными процессорами; – улучшенная система обработки QoS (включая IPv6), – малогабаритные корпуса. В микросхемы KSZ8873/KSZ8863 также дополнительно встроен LDO-стабилизатор для питания ядра и внутренний генератор, формирующий частоту для интерфейса RMII. Разработчик может выбрать требуемый для его проекта тип коммутатора по следующим параметрам: интерфейс (MII/RMII), подключение (витая пара и/или оптоволокно), тип корпуса и температурный диапазон. Характеристики новых 3-портовых коммутаторов при ведены в таблице. Наименование KSZ8863MLL KSZ8863FLL KSZ8863RLL KSZ8873MLL KSZ8873FLL KSZ8873RLL KSZ8873MML

Порт 1 10/100Base-T/TX 10/100Base-T/TX 10/100Base-T/TX 10/100Base-T/TX 100Base-FX 10/100Base-T/TX MII

Темп. Порт 2 Порт 3 диапазон 10/100Base-T/TX MII C, I 100Base-FX MII C, I 10/100Base-T/TX RMII C, I 10/100Base-T/TX MII A,C, I 100Base-FX MII C, I 10/100Base-T/TX RMII C, I 10/100Base-T/TX MII C, I

Корпус 48-LQFP 48-LQFP 48-LQFP 64-LQFP 64-LQFP 64-LQFP 64-LQFP

C — коммерческий температурный диапазон от 0 до 40°С; I — промышленный температурный диапазон от –40 до 85°С; A — для автомобильного применения. Темп. диапазон –40 до 85°С.

Для изучения работы коммутаторов компания Micrel предлагает отладочные наборы. Они помогут Вам в кратчайшие сроки выполнить проект. Коммутаторы KSZ8873/KSZ8863 в настоящее время поставляются со склада компании «ЭЛТЕХ». Заказать бесплатные образцы и отладочные комплекты для тестирования можно в любом офисе компании «ЭЛТЕХ» или по электронной почте micrel@eltech.spb.ru Micrel www.micrel.com

Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО Чипсет G3-PLC от Maxim соответствует проекту стандарта IEEE З1901.2 для передачи данных в интеллектуальных электросетях

Чипсет G3-PLC компании Maxim обеспечивает соответствие проекту стандарта IEEE З1901.2 и, благодаря помехозащищенной технологии передачи, существенно снижает затраты на масштабное внедрение по сравнению с узкополосными решениями. Компания Maxim Integrated Products представляет микросхему MAX2992 — созданный на основе OFDM-технологии модем для передачи данных по линиям существующей электросети. Совместно с MAX2991 — микросхемой входной аналоговой обработки, этот модем образует законченное PLC-решение для создания интеллектуальных электросетей. Чипсет соответствует разрабатываемому стандарту OFDMпередачи данных по линиям электросети IEEE® P1901.2 и обеспечивает гарантированную совместимость. Такое соответствие стандарту является крайне важным условием для построения интеллектуальных электросетей, поскольку способствует защите инвестиций в создание инфраструктуры энергосбытовых и коммунальных компаний. Технология G3-PLC компании Maxim обеспечивает скорость, надежность и дальность передачи, требуемые для создания крупномасштабных сетей. G3-PLC использует прогрессивную технологию широкополосной связи; тем самым достигается скорость передачи данных до 300 Кбит/с в электросетях с высоким уровнем шума. OFDM-технология, обеспечивающая передачу данных на нескольких несущих, устраняет взаимные помехи на определенных частотах. Кроме того, G3-PLC имеет режим повышенной защищенности, кодирование каналов с эффективным использованием полосы пропускания и встроенный механизм коррекции ошибок, гарантирующий надежную передачу — даже в условиях, когда шум превышает уровень сигнала. Высокая надежность передачи существенно снижает затраты энергосбытовых компаний на построение сетей. В отличие от других протоколов, G3-PLC может обеспечивать связь через трансформаторы, тем самым позволяя подключать большее число потребителей к одному концентратору. Это уменьшает число концентраторов, снижает затраты на оборудование, установку и обслуживание. Помимо этого, G3-PLC может передавать информацию на длинные расстояния по линиям среднего напряжения на высоких скоростях. Протестированное на 10-км расстоянии решение не требует использования многочисленных повторителей, что дает G3-PLC значительное преимущество в себестоимости по сравнению с другими технологиями (в т.ч. беспроводными). Поддержка Интернет-протокола IPv6 — уникальная особенность спецификации G3-PLC, обеспечивает создание систем контроля и управления энергопотреблением посредством сети интернет. Значительно увеличенное число адресов устройств, которые могут подключаться к сети по протоколу IPv6, делает возможным создание новых приложений, таких как интеллектуальная бытовая техника и заряд электромобилей. Возможность работы в широком частотном диапазоне от 10 кГц до 490 кГц обеспечивает соответствие G3-PLC международным нормативам CENELEC, FCC и ARIB. Система на кристалле MAX2992 интегрирует физический (PHY) и медиа- (MAC) уровни и использует 32-битное микроконтроллерное ядро. MAX2991 — входная аналоговая ИС,

обладающая двухступенчатым автоматическим контролем усиления, динамическим диапазоном 62 дБ и программируемыми фильтрами. Инновационные особенности: – Соответствие регулирующим нормативам по всему миру — CENELEC, ARIB и АСС (от 10 кГц до 490 кГц).

– Архитектура Plug-and-Play снижает стоимость инсталляции.

– Поддержка протокола IPv6 обеспечивает создание систем контроля и управления энергопотреблением на базе сети Интернет.

– Множественный доступ с контролем несущей, уклонением от коллизий (CSMA/CA), автоматический повтор запросов, реализация mesh-протокола — поддержка всех существующих MAC сервисов для различных топологий сети.

– Быстрый CCM-сопроцессор с AES-128 шифрованием / дешифрованием для повышенной защиты данных.

– Адаптивный выбор несущих для оптимального использования полосы частот.

– Режим повышенной защищенности — улучшенная связь в условиях очень высоких помех в сети.

– Два уровня коррекции ошибок с избыточным кодированием (FEC) для надежной передачи данных. Для получения дополнительной информации посетите наш сайт www.maxim-ic.com/powerline или направьте запрос по электронной почте russia-feedback@maxim-ic.com.

Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com/ru

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ Интегрированная среда разработки MPLAB X от Microchip

Интегрированная среда разработки MPLAB X IDE представляет собой единый универсальный графический интерфейс пользователя от компании Microchip и аппаратно-программные инструменты разработки от сторонних фирм. Это единственная в отрасли среда разработки, которая поддерживает весь ассортимент из более чем 800 устройств, в т.ч. 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры PIC, цифровые сигнальные контроллеры семейства dsPIC и запоминающие устройства. Среда MPLAB X поддерживает компиляторы, эмуляторы, отладчики и начальные комплекты Microchip, а также многие инструменты сторонних разработчиков. Интерфейс MPLAB X позволяет просто и «бесшовно» пользоваться всеми инструментами Microchip, а также выполнять обновления, начиная с программных моделей и заканчивая аппаратными отладчиками и инструментами программирования.

MPLAB X обеспечивает гибкий и дружественный интерфейс, предоставляющий полное управление проектом, визуальные графы вызовов, конфигурируемое окно наблюдения и многофункциональный редактор, позволяющий выполнять автоматическое заполнение кода, а также имеющий контекстные меню и навигатор задач. Интерфейс MPLAB X также полностью оснащен функциями для работы опытных пользователей, включая поддержку большого количества проектов с разными конфигурациями с помощью многочисленных инструментов с одновременной отладкой. Основанный на платформе NetBeans, интерфейс MPLAB X поддерживает большое количество программных компонентов и встраиваемых модулей сообщества NetBeans, позволяя проектировать высокоэффективные заказные приложения. Среда MPLAB X не только предоставляет возможность просмотра истории локальных файлов, но и обеспечивает совместимость с переработанными и исправлен-

Электронные компоненты №5 2011

107

ными модулями управления, а также с Bugzilla — свободной системой отслеживания ошибок. С помощью среды MPLAB X пользователи могут запускать свои наборы инструментов и разрабатывать встраиваемые приложения под Windows, Linux или Mac OS X. Дополнительные возможности среды MPLAB X: – импорт проектов MPLAB предыдущих версий; – автозаполнение и контекстные подсказки в редакторе кода; – настраиваемое окно Watch; – поддержка нескольких версий компиляторов; – совместное ведение проектов, контроль версий.

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ Прецизионный малошумящий кварцевый генератор от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (СанктПетербург) — ведущее предприятие России и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производства пьезоэлектронных приборов стабилизации и селекции частоты — представляет прецизионный малошумящий экономичный по потреблению кварцевый генератор ГК54М-ТС. ГК54М-ТС — современный прибор, существенная модернизация генератора ГК54-ТС, широко известного и хорошо себя зарекомендовавшего в широком спектре специальных применений, в том числе, космических. ГК54М-ТС по всем характеристикам полностью заменяет ГК54-ТС, обладая при этом целым рядом существенных преимуществ. Так, ГК54МТС доступен к поставке в малошумящем исполнении (опция «МШ»): гарантированный уровень фазовых шумов для 5 МГц составляет не более –110 дБ/Гц для отстройки 1 Гц и не более –147 дБ/Гц для отстройки 100 Гц. Прибор обладает сокращенным временем установления частоты (с точностью ±1×10 –7) — до 2 мин при 25°С (для сравнения: ГК54-ТС — 5 мин) и до 4 мин при –60°С (ГК54-ТС — 7 мин). Благодаря применению в генераторе ГК54М-ТС кварцевого резонатора SC среза возможен вариант исполнения с ужесточенными требованиями к кратковременной нестабильности частоты

до 1×10 –12/с. Расширены интервалы рабочих температур при заданной температурной стабильности ±5×10 –9 и ±1×10 –8. Кроме того, планируется расширение верхнего предела интервала рабочих температур с 70°С до 80…85°С. Указанные параметры, в сочетании с высокой стойкостью к жестким ВВФ и низким потреблением (менее 0,6 Вт), делают данный прибор эффективным решением для применения в мобильной и бортовой специальной аппаратуре. ГК54М-ТС выпускается по действующей документации в категории качества «ВП». Прибор будет включен в «Перечень электрорадиоизделий, разрешенных к применению…» (МОП44). Дополнительная информация о ГК54М-ТС, а также других приборах, доступна на сайте ОАО «Морион». ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

Agilent Technologies Inc. 115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1 Тел.: +7 (495) 797-3928 tmo_russia@agilent.com www.agilent.ru Maxim Integrated Products Тел.: + 7 911 791 5305 russia-feedback@maxim-ic.com www.maxim-ic.com/ru Microchip Technology Тел.: (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: +7 (812) 350-75-72, +7 (812) 350-9243 Факс: +7 (812) 350-72-90, +7 (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru ЭЛТЕХ, ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

108

| ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ В ЮУрГУ | В учебный процесс этого учебного заведения внедрили инновационную образовательную платформу. В Южно-Уральском государственном университете (ЮУрГУ) состоялась презентация инновационной образовательной платформы «Персональный виртуальный компьютер» на базе облачных вычислений (cloud computing). Ее практическое использование в процессе обучения было продемонстрировано на примере лабораторного занятия в одной из студенческих групп. Теперь в любой аудитории можно организовать современный и максимально эффективный учебный процесс, используя ноутбуки и беспроводную сеть. Преподаватели, каждый из которых имеет собственный виртуальный компьютер, создают на базе облачных технологий образовательные сервисы, включающие в себя электронные учебные комплексы, конспекты и видеозаписи лекций, методические указания к лабораторным работам и т.д. Это первый в России и СНГ пример полномасштабного внедрения платформы на базе облачных вычислений в процесс обучения студентов. Проект реализуется компанией «РСК СКИФ» при участии специалистов ЮУрГУ и корпорации Intel, выступившей в качестве его инициатора. В настоящее время Южно-Уральский государственный университет обладает одним из самых мощных в России и СНГ суперкомпьютерных центров, который активно используется преподавателями и студентами для решения научных, промышленных и экономических задач.

www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU