Электронные компоненты №4/2010

содержание

№4/2010 МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМ

6 «Контракт Электроника» — продолжение знакомства

23 Александр Пронин Основы построения аудиосетей AoIP

10 Выставки «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо» празднуют успех!

27 Валерий Никифоров 3D-технологии

11 Электроника-Транспорт 2010» — подведем итоги!

31 Роберт Боутрайт Новые стандарты IEEE 802.1: единая сеть для всех типов данных

ОБСУДИМ?

35 Антон Жуковский Мультимедийные возможности процессора Samsung S3C6410

13 Сергей Осипов Особенности применения отечественных микросхем

40 Валерий Жижин Перспективы использования электромагнитного оружия в информационной борьбе и методы защиты от него

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 16 Алексей Иванов Ключевые моменты тестопригодной разработки

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

19 Николай Клюквин Современный подход к организации контроля полупроводниковых устройств

46 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности

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: elecom@ecomp.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» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.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 14.05.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

Электронные компоненты

www. elcp.ru

54 Сергей Игнатов CC430 — лучшее из двух миров

СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ 77 Леонид Авгуль, Борис Иванов, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко Микросхема быстродействующего параллельного ЭСППЗУ со встроенным секвенсором адреса 5861РР1Т

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 58 Дзянь У, Роберт Пелокуин Временная синхронизация нескольких устройств по стандарту IEEE1588 при помощи процессоров Blackfin 65 Виктор Охрименко Узкополосная PLC-технология. Часть 2 СОДЕРЖАНИЕ

4

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ 80 Дэвид Балло Новый подход к тестированию конверторов со встроенным гетеродином

ЭЛЕКТРОПРИВОД 69 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Лев Макаров, Андрей Зайцев, Дмитрий Гаронин Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 4. Разработка КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ»

ПОСЛЕ РАБОТЫ 85 Юрий Колоколов, Андрей Щедрин Универсальный импульсный микропроцессорный металлоискатель ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ 87 Дэниэл Госс Эффективный преобразователь напряжения 5 В

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 73 Тива Буссараконс DC/DC-преобразователи для работы в условиях высоких температур и жестких вибраций

WWW. ELCP.RU

89

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 4 / 2 0 1 0

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #4 2010 NETWORKS AND INTERFACES

69 Continuing Acquaintance with Contract Electronica

58 Jiang Wu, Robert Peloquin Synchronizing Device Clocks Using IEEE 1588 and Blackfin Embedded Processors

10 ExpoElectronics and ElectronTechExpo Celebrate Success

65 Victor Okhrimenko Narrowband PLC Technology. Part 2

11 Resume of Electronica-Transport 2010

LET’S DISCUSS? 13 Sergey Osipov Some Features of Applying Domestic ICs

DRIVES 69 Stanislav Florentsev, Dmitry Izosimov, Lev Makarov, Andrey Zaitsev and Dmitry Garonin Traction Motor in Hybrid Vehicles.

Part 4. Designing Drive Engineering Package for Hybrid Vehicles in Ruselprom

DESIGN AND DEVELOPMENT 16 Alexey Ivanov Basic Aspects of Design for Testability 19 Nikolay Klukvin Modern Approach to Verifying Semiconductor Devices

POWER ICs 73 Tiva Bussarakons Military Satellites Pose Engineering Challenges in DC/DC Converter Development

MULTIMEDIA AND TELECOM 23 Alexander Pronin Design Principles of AoIP Networks

STANDARD DIGITAL ICS AND MEMORY 77 Leonid Avgul, Boris Ivanov, Victor Kryazhev, Sergey Kurnosenko and Sergey Tereshko High-Performance Parallel EEPROM with Integrated Sequencer

27 Valery Nikiforov 3D Technologies 31 Robert Boatright Understanding IEEE's New Audio Video Bridging Standards 35 Anton Zhukovsky Multimedia Features of Samsung S3C6410 Processor 40 Valery Zhizhin Using Electromagnetic Weapon in Information Struggle and Protection Methods

TEST AND MEASUREMENT 80 David Ballo A New Approach to Testing Embedded-LO Converters

AT LEISURE 85 Yury Kolokolov and Andrey Schedrin KOSCHEY, General-Purpose Pulse Microprocessor Metal Finder VM8044

WIRELESS 46 Galina Gaykovich Applying Wireless Technologies in Industry

87 Daniel Goss 5V Power Controller

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET 89

54 Sergey Ignatov SS430 — the Best of Two Worlds

Электронные компоненты №4 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

MARKET

«КОНТРАКТ ЭЛЕКТРОНИКА» — ПРОДОЛЖЕНИЕ ЗНАКОМСТВА В прошлом номере мы напечатали статью «Знакомьтесь — производственный альянс «Контракт Электроника». В этом номере мы решили продолжить разговор о компаниях-производителях и побеседовали с директором «Контракт Электроники» Андреем Смагиным. Подобный, кажущийся чрезмерным интерес к одной компании, объясняется тем, что за последние 4—5 лет в России стремительно вырос рынок контрактного производства. Сегодня, практически не пересекаясь, существуют две бизнес-модели производства электроники: прежняя, когда весь производственный цикл от разработки до упаковки происходил в рамках одногодвух предприятий, и новая — контрактное производство. О последнем мы и решили рассказать очень подробно на примере фаблесс-компании — лидере в своем сегменте рынка.

РЫНОК

6

– Расскажите, пожалуйста, о «Контракт Электронике»: история компании, структура, численность.

– Компания образовалась в 2004 г., на сегодняшний день штат компании состоит из 28 человек, включая филиал в Санкт-Петербурге. В этом году мы планируем открыть такой же филиал в Киеве. История нашей компании началась с продажи электронных компонентов контрактным производителям, тогда же мы увидели интересный для нас пласт заказчиков — OEM-компании. У них не было производственных мощностей и они пользовались услугами контрактников. Для работы с OEMзаказчиками мы организовали два отдела: закупок и производственного сопровождения, который подбирал для OEM-компании требуемое контрактное производство — к тому времени мы хорошо изучили этот рынок. Собственный отдел закупок понадобился для того, чтобы полностью укомплектовать спецификацию заказчика. Наверное, мы первые на рынке стали оказывать такую услугу. Примерно в 2005 г. мы открыли для себя ODM-компании. У них не было ни производства, ни собственных разработок, но им требовался продукт под собственным брендом, для своих сбытовых структур. Для работы с ними был создан дизайн-центр, в котором сегодня ведутся разработки в области беспроводных технологий и полупроводниковой светотехники. Такая структура: отдел продаж, отдел производственного сопровождения, отдел снабжения и дизайн-центр существует по сей день.

– «Контракт Электроника» — фаблесс-компания. Почему выбрана именно такая бизнес-модель, насколько велика конкуренция в этом сегменте рынка?

– Мы начинали с продаж электронных компонентов, затем нашли новый пласт заказчиков и стали рабо-

WWW.ELCP.RU

тать с ними, добавили новые функции. Развитие идет поэтапно, сегодняшнее наше положение — логическое следствие предыдущих шагов. На рынке все время появляются компании, к которым заказчики периодически уходят, потом возвращаются к нам. Это нормальное явление. Пожалуй, мы сегодня являемся лидерами в своем сегменте рынка. Успех той или иной компании зависит от стратегического ресурса. Наш ресурс — электронные компоненты плюс знания в области производства и разработки, которыми мы обладаем.

– Какие услуги «Контракт Электроника» предлагает заказчику?

– Проектирование и изготовление печатных плат, разработка корпусных изделий из металла и пластика, дизайн электронных устройств, все виды испытаний, которым изделия могут подвергаться; если потребуется — и на радиационную стойкость. И, конечно, поставка электронных компонентов. Фактически наши услуги могут быть востребованы на любой стадии разработки и производства изделия: от начальной идеи до упаковки и доставки потребителю готовой продукции.

– Компания выпускает продукцию под своим брендом?

– Нет. Если мы начнем выпускать продукцию под своим брендом, то неизбежно возникнет конкуренция с нашими клиентами, и они уйдут от нас. Это будет уже совсем другая бизнесмодель. В этом случае «Контракт Электроника» станет производителем собственной продукции, но потеряет целый пласт заказчиков: ОЕМ- и ODMкомпании. Мы потеряем больше, чем приобретем. Даже в случаях, когда у нас появляется собственная удачная разработка, мы не станем производить ее под своим брендом. Например, мы разрабатываем

светильники, затем показываем их на выставке и, если находим заказчика, начинаем производить светильники под его брендом.

– Расскажите вкратце о дизайнцентре компании.

– Он сфокусирован на разработках в области полупроводниковой светотехники и беспроводных технологий. В последнем случае мы ограничились GSM/GPRS-технологиями. Есть у нас свои интересные светильники для сельского хозяйства — это наша разработка от начала и до конца, но, как я уже говорил, выпускать ее под своим брендом мы не станем, а найдем партнера и будем продвигать на рынке светильники под его брендом. Наши разработчики изрядно загружены, иногда приходится прибегать к аутсорсингу, однако если увидим в предложении заказчика перспективу в родственных приложениях, например WiMAX, то, скорее всего, возьмемся за разработку. Но работать в приложениях, где нет опыта, например, в силовой электронике, не станем — нет специалистов, нет связей.

– Чем заканчивается работа «Контракт Электроники» с заказчиком?

– Мы сдаем заказчику опытные и серийные образцы. Совместно с ним проводим все виды испытаний, которые предусмотрены в документации, в том числе и на радиационную стойкость, если это необходимо. Далее контрактный производитель начинает для заказчика серийное производство. Установкой изделий, коммуникациями, гарантийным и постгарантийным обслуживанием и другими схожими вопросами занимается системный интегратор. Подобное разделение труда много выгоднее, нежели когда одна компания занимается всем: от разработки до эксплуатации и гарантийного обслуживания.

Однако не всегда испытания выявляют все ошибки — особенно это характерно для программного обеспечения, поэтому если в процессе производства обнаружатся наши ошибки, мы, конечно, исправим их без дополнительной оплаты.

– Как компания пережила кризис, каковы были антикризисные меры: сокращение штатов, уменьшение зарплаты?

– У нас снизились обороты на 23%, но начиная с IV кв. прошлого года рост составил примерно 40%, т.е. сейчас наш оборот выше, чем в 2008 г. Зарплату мы не уменьшали, а вот с наименее эффективными сотрудниками пришлось расстаться. Даже в кризис, когда в целом рынок падает или не растет, есть сегменты, в которых наблюдается рост. Например, в прошлом году на фоне общего падения продолжался рост полупроводниковой светотехники. Если понимать тенденции развития рынка, то потери можно компенсировать.

– Часто можно услышать рассуждения о российской электронике. Что такое, на Ваш взгляд, «российская электроника»?

– Думаю, российская электроника — это разработки российских инженеров, созданные в России. Производить эти изделия можно и в другой стране, продавать — тоже не в России, но все равно это будет российская электроника. А вот предприятия, занимающиеся отверточной сборкой, например, телевизоров Samsung, я не причисляю к российской электронике.

ную отрасль, но для этого достаточно нескольких заводов с определенной номенклатурой, которую мы можем выпускать. Остальное производство будет определяться рынком. Когда наш рынок сможет потреблять электронные компоненты на 3—5 млрд долл., тогда, с точки зрения логистики, будет выгодно производить компоненты в России.

– Сегодня много говорят о государственной поддержке российской электроники. Как Вы думаете, насколько эффективна такая поддержка — или более действенны частные инициативы?

– Мне кажется, сегодня госчиновники не понимают, что такое российская электроника. О промышленном аутсорсинге вообще тяжело с кем-либо разговаривать. Это отчетливо показала конференция «Контрактное производство» в 2009 г. Присутствующие там представители Минпромторга просто не понимали, о чем речь! Иной раз господдержка выливается в закупку оборудования для производства и считается, что так можно решить все проблемы. Это неверно! Конечно, надо поддерживать оборон-

– На российский рынок постепенно приходят, планируют придти крупные контрактные производители. Ваше мнение по этому поводу.

– Мировые контрактные производители в основном производят массовую электронику для потребительского рынка. Насколько мне известно, российских компаний-производителей аналогичной продукции нет. Сегодня российский контрактный производитель занят производством изделий для ОЕМ-заказчиков — это, собственно говоря, и есть российская электроника. Поэтому мировые контрактные производители не конкурируют с российскими коллегами. И ничего плохого в их приходе на наш рынок я не вижу. Материал подготовил Леонид Чанов

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | ЮНЕСКО СОЗДАЛА КОМИССИЮ ПО ШИРОКОПОЛОСНОЙ СВЯЗИ | Международный союз электросвязи и ЮНЕСКО (ООН по вопросам образования, науки и культуры) объявили об учреждении комиссии, задача которой — ускорение распространения высокоскоростного широкополосного веб-доступа по всему миру ради улучшения таких социальных услуг как здравоохранение и образование. Комиссией по развитию цифровых технологий (Broadband Commission for Digital Development) будут управлять два председателя — мексиканский телекоммуникационный магнат Карлос Слим Элу (считается самым богатым человеком планеты) и президент Руанды Поль Кагаме. В состав комиссии вошли представители 30 предприятий и организаций. Учреждение будет искать пути для ускорения глобального развертывания широкополосных сетей, а также новые эффективные способы использования таких сетей для улучшения социальных услуг. «Очень важно, чтобы широкополосный интернет был высококачественной универсальной услугой по низким ценам», — отметил Карлос Слим Элу. По его мнению, правительства во всем мире обязаны сделать широкополосный доступ высшим приоритетом: «Широкополосная Сеть должна быть не пропастью, а мостом между развитыми и развивающимися странами, обеспечивая доступ ко всем услугам современного общества в целях всеобщего благоденствия». www.russianelectronics.ru

РЫНОК

8 НОВОСТИ ДАТАКОМА | ОБНАРОДОВАНА СПЕЦИФИКАЦИЯ СТАНДАРТА БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ WIGIG | На днях альянс WiGig (Wireless Gigabit) опубликовал окончательную версию спецификации одноименного стандарта беспроводной связи ближнего радиуса действия. Спецификация WiGig предполагает использование нелицензируемого частотного диапазона 60 ГГц. Скорость передачи данных может достигать 7 Гбит/с, что примерно в 10 раз выше пропускной способности сетей, использующих технологию Wi-Fi (IEEE 802.11n). При этом WiGig-оборудование будет обратно совместимо с Wi-Fi-устройствами. Предполагается, что технология WiGig найдет применение в персональных компьютерах, мобильных устройствах, потребительской электронике, домашнем сетевом оборудовании и т.д. Устройства с поддержкой WiGig смогут функционировать как в диапазоне 60 ГГц, так и на частотах 2,4 и 5 ГГц. Альянс WiGig уже инициировал программу адаптации нового стандарта. Ожидается, что коммерчески доступные изделия с поддержкой WiGig появятся в конце этого или начале следующего года. Группа WiGig была образована около года назад. В ее состав входят Broadcom, Dell, Intel, LG Electronics, Microsoft, NEC, Nokia, Panasonic, Samsung и др. компании. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Выставки «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо» празднуют успех! С 20 по 22 апреля в московском МВЦ «Крокус-Экспо» прошли крупнейшие выставки электронной промышленности в России и Восточной Европе –«ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо», которые собрали в своих стенах компании из 22 стран мира. Выставки превзошли ожидания большинства участников рынка, отметивших возросший интерес посетителей к предлагаемой продукции. Открыл выставки этого года круглый стол на тему «Государственная поддержка российских производителей электроники: новые задачи — новые возможности», организованный ООО «Примэкспо» и российской Ассоциацией производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП). Мероприятие вызвало большой интерес среди посетителей форума. Главной темой обсуждений стало отсутствие приемлемых условий для развития отечественного рынка радиоэлектроники и необходимость государственной поддержки российских производителей. В рамках дискуссии участники круглого стола предлагали конкретные шаги, реализация которых, по их мнению, позволит вывести предприятия российской электронной промышленности на конкурентоспособный уровень. Круглый стол показал актуальность государственной поддержки отечественной электронной промышленности: назрело много вопросов, требующих решения. Также в рамках круглого стола было подписано соглашение о создании производственного альянса между ведущими российскими компаниями в области контрактного производства электроники. Предприятия «Альтоника» и Вязниковский завод радиоэлектронной техники (ВЗРТ) объединяют свои производственные ресурсы в рамках консорциума «Производственный альянс «Альтоника ВЗРТ».

10

Завершил деловую программу выставок семинар «Российский рынок электронных компонентов», который состоялся 22 апреля в конференц-центре «Крокус-Экспо». На семинаре были представлены результаты исследования российского рынка электронных компонентов и анализ изменений в таможенной логистике отрасли, ожидаемых в связи с созданием Таможенного союза. Обзор рынка электронных компонентов представил Иван Покровский, генеральный директор Информационно-аналитического Центра Современной Электроники. Согласно его оценкам, российский рынок электронных компонентов в 2009 г. сократился на 35% в долларовом исчислении и составил 1,1 млрд. долларов. Кроме отраслевого среза, в докладе было представлено региональное распределение рынка потребителей компонентов и обзор подведомственных сегментов рынка. Анализ таможенной логистики представили эксперты компании DLA Piper: Марина Лякишева, советник по

вопросам таможенного права, и Алексей Аронов, руководитель московской таможенной практики. В докладах были подробно разобраны новые таможенные и налоговые риски для зарубежных экспортеров, импортеров, дистрибьюторов и конечных потребителей электронных компонентов, а также даны рекомендации по минимизации рисков и переходу на упрощенные процедуры импорта для уполномоченных импортеров. Несмотря на непростую экономическую ситуацию, выставки прошли на самом высоком уровне и стали главным событием электронной отрасли, отражающим тенденции развития производства электроники как в мире в целом, так и в нашей стране. Компании из 22 стран мира представили посетителям свои предложения по поставке оборудования и комплектующих для производства электронной продукции, а также новейшие разработки, услуги и технологические решения. Страны-лидеры электронной отрасли, такие как Корея, Тайвань, Германия, Китай и Гонконг были представлены на выставках коллективными стендами. Кроме того, с коллективной экспозицией «Радиоэлектронный Комплекс России» участие принял Департамент радиоэлектронной промышленности Министерства промышленности и торговли РФ. На стендах компаний можно было увидеть много интересных новшеств. Например, на стенде «РТСофт» посетители могли познакомиться с новыми аппаратными средствами международного холдинга Kontron — стратегического партнера компании в России и СНГ. Встраиваемое программное обеспечение было представлено расширением реального времени RTX для Windows и операционными системами реального времени компании LynuxWorks, предназначенными для использования в составе ответственных систем. Также были представлены защищенные платы и системы компании Kontron Compact Computers — KCC (ранее Digital-Logic), одного из мировых поставщиков компактных защищенных встраиваемых плат и систем для жестких условий эксплуатации. Инновационные решения KCC на основе популярной архитектуры x86 в форматах PC/104, PC/104-Plus, PCI/104-Express обладают высокой вибро- и ударопрочностью и способны безотказно работать в расширенном температурном диапазоне. Организаторы проектов — компании «Примэкспо» и ITE Group plc, — делают все возможное, чтобы выставки развивались, а сопутствующие мероприятия были максимально насыщенными и интересными как для посетителей, так и для участников. Всего в рамках деловой программы прошло более 20 бизнес-мероприятий, организованных как крупнейшими отраслевыми структурами, так и ведущими компаниями — ключевыми игроками рынка. Впервые в этом году на выставке «ЭкспоЭлектроника» был представлен раздел «Полупроводниковая светотехника», посвященный перспективному и быстроразвивающемуся направлению светотехники — светодиодам. Оценивая результаты прошедшей выставки, оргкомитет уже сейчас начал подготовку к следующему форуму электроники, который пройдет 19—21 апреля 2011 г. в «Крокус-Экспо».

WWW.ELCP.RU

«Электроника-Транспорт 2010» — подведем итоги!

5—7 апреля в Москве на ВВЦ состоялась четвертая российская специализированная выставка электроники, автоматики и информационных технологий для транспорта и транспортных коммуникаций «ЭлектроникаТранспорт 2010». Выставка прошла при поддержке и участии Минтранса РФ, Департамента транспорта и связи Москвы, Общероссийского общественного объединения работодателей «Городской электротранспорт» и Союза предприятий электротранспорта. В ней приняли участие 68 отечественных и зарубежных компаний. Рекламноинформационную поддержку выставке оказали более 50 изданий. В рамках выставки прошли конференции «Информационные технологии на пассажирском транспорте», «Модернизация тяговых подстанций электротранспорта», круглые столы «Использование современных средств связи и информационно-навигационных систем для повышения эффективности работы таксомоторных парков» и «Решение проблемы единого времени для электронных систем на транспорте». Завершили программу семинар «Компонентная база для применения в транспортном приборостроении» и совещание сисадминов служб метрополитенов. На выставке были представлены компоненты и модули электронной аппаратуры, системы оплаты проезда, решения в области электроснабжения, навигации, диспетчеризации и управления, информационные системы для пассажиров. Компания «Платан-Компонентс», помимо экспозиции электронных компонентов, представила уникальное устройство Luxlift для подъема осветительных приборов на высоту до 25 м. Группа компаний «Симметрон» показала силовые приборы Infineon, Mitsubishi Electric, IR, пассивные силовые компоненты Epcos, Vishay, Hitano, драйверы IGBT и MOSFET компании CT-Concept. НПП «Элим» предложило устройства электропитания, зарядные устройства, ИБП, а также эксклюзивную разработку — управляемые железнодорожные источники питания EL-A и EL-T. Специализированные электрические соединители предложила компания «Хартинг». Ее визиткой карточкой является высокое качество продукции и скорость поставки. Новое направление — комплексная разработка и оптимизация систем и блоков под требования заказчика. Испанская компания FQ Ingenieria Electronica впервые в СНГ выставляла компоненты для валидаторов, электронных билетов, АСКП, бортовых систем управления городским транспортом. В этом сегменте рынка выступает и давно адаптировавшаяся на российском рынке компания NXP Semiconductors. Она демонстрировала защищенные микросхемы MIFARE Plus, MIFARE DESFire, MIFARE Ultralight C, а также возможности технологии Near Field Communication (NFC). Широко были представлены модули и блоки электронной аппаратуры для транспортных систем. Компании Advantech (Тайвань) и «Элепром.ру» (Москва) демонстрировали панельные компьютеры, встраиваемые вычислительные модули. ГНПО «АГАТ» предложило дорожный контроллер, контроллер зонального центра, тренажерный комплекс для машиниста метрополитена. Технологии автоматизированной оплаты проезда и контроля пассажиропотока — одна из основных тем экспозиции этого года. Компания PayPractic продемонстрировала вандалостойкие уличные терминалы для продажи билетов, пополнения транспортных карт и других операций,

например, оплаты коммунальных платежей. Свой подход к решению оплаты проезда представила компания «Золотая корона». За три года ее система была внедрена и успешно работает в восьми городах России. Компания «Удобный маршрут» представила запущенную еще в 2004 г. технологию учета оплаты проезда на общественном транспорте. Этот проект — один из старейших в России. Компания «Штрих-М» не ограничилась стендом. В павильоне был показан рейсовый автобус из Липецка, оборудованный АСКП с инфракрасными счетчиками пассажиров и аппаратом продажи проездных билетов. Широко был представлен и электротранспорт. В экспозиции НПО «Энергия» были выставлены все компоненты подстанций для троллейбусов и трамваев. Специалисты компании «Гранит-Микро» представили на конференции телемеханические комплексы управления тяговыми подстанциями. А Московский энергомеханический завод предложил аппаратуру управления городским освещением. Оснастку тяговых подстанций показало и ЗАО «Плутон» (Запорожье), располагающее современными линиями для производства, сборки и тестирования электротехнического оборудования. Ни одна выставка, затрагивающая транспорт, не может обойти вниманием железные дороги. Так, постоянный участник выставки «Электроника-Транспорт» — харьковская компания «Желдоравтоматика» продемонстрировала в этом году микропроцессорные системы управления движением поездов, а компания «АВП Технология» — системы управления и безопасности для железных дорог. ВНИИЖТ (Москва) представил не имеющую мировых аналогов микропроцессорную систему оптимизации работы путевых машин, способную выправить ЖД-путь с точностью, позволяющей поездам разгоняться до 350…400 км/ч. Российская компания «Рост-Электро» представила как серийные, так и заказные табло для остановок общественного транспорта, внутрисалонные табло, информационные табло для вокзалов. Разработчик и производитель светодиодных табло «Треком» выставил табло для вокзалов, автомобильных дорог и городского транспорта. Компания «Инком» показала свои контроллеры МОБИС-Т и ВИП-МК, обеспечивающие сбор навигационной информации GPS/Глонасс и обмен данными с диспетчерскими центрами по радио-, сотовым и спутниковым каналам. Компания «М2М телематика» предложила законченные решения и услуги на рынке транспортной телематики и спутниковой навигации. Московская компания «Болид» представила системы регистрации и оптимизации маршрутов следования транспортных средств «ОРМА-2» и «ОРМА-3», которые позволяют пресекать нецелевое использование автотранспорта, контролировать расход топлива и загрузку машины. Прошедшая выставка оказалась весьма актуальной для профессионалов всех видов наземного транспорта и метро. Очередная выставка состоится в апреле 2012 г. А в начале осеннего делового сезона, 6—8 сентября, Международный союз общественного транспорта при поддержке крупнейших транспортных предприятий России — ГУП «Московский метрополитен» и ГУП «Мосгортранс», проведет в МВЦ «Крокус-Экспо» первый Евразийский конгресс и выставку «ЭкспоСитиТранс-2010» под девизом «Общественный транспорт — движущая сила экономического развития городов». Российскую экспозицию формирует Фонд развития социальных программ (премия «Золотая Колесница») и компания «Русгортранс».

Электронные компоненты №4 2010

11

НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ | ЖИДКИЙ ЛЮМИНОФОР: НОВЫЙ ПОДХОД К ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ СИСТЕМАМ ОСВЕЩЕНИЯ | На международной выставке архитектурного и коммерческого освещения Lightfair 2010 компания Renaissance Lighting продемонстрирует ряд светодиодных светильников, однако демонстрация нового подхода к технологии твердотельных систем освещения с использованием жидкого люминофора, которая еще не внедрена в производство, может вызвать гораздо больший интерес. В компании Renaissance Lighting утверждают, что эта технология может обеспечить преимущества в эффективности, цветовой температуре и коэффициенте цветопередачи. На самом деле, люминофор обеспечивает желаемую цветовую температуру в зависимости от своего химического состава. При этом коэффициент цветопередачи может быть таким же высоким, как у лампы накаливания, и достигать 100. Следует иметь в виду, что заявленные компанией параметры относятся лишь к опытным образцам, которые будут продемонстрированы на выставке Lightfair 2010. Однако величина эффективности светильников, которую планируется достичь на базе данной технологии, впечатляет. По сравнению с обычными светильниками, у которых эффективность составляет 50…60%, этот метод позволит достичь значений 80…90% и выше. В технологии компании Renaissance используется жидкий люминофор, который поставляется американской корпорацией NNCrystal. В таком приборе в оптике из пустотелого стекла, которая расположена между светодиодным источником и линзами, содержится люминофор. До настоящего времени компания Renaissance не сообщает о точном химическом составе люминофора. Ожидается, что светоотдача конечных изделий с помощью этого подхода достигнет 100 лм/Вт. www.russianelectronics.ru

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | ПРЕЕМНИК ПРОЦЕССОРА INTEL NEHALEM-EX ВЫЙДЕТ В 2011 г. | На прошлой неделе вице-президент Intel Стивен Смит (Stephen Smith) раскрыл некоторые делали относительно планов компании по выпуску процессора, который станет преемником восьмиядерного процессора Xeon (Nehalem-EX). По сравнению со своим предшественником, новый серверный процессор будет иметь больше ядер и работать на более высоких частотах. Сейчас эта разработка известна под условным названием Westmere-EX. Процессоры Westmere-EX будут предназначены для серверов с четырьмя и более процессорными гнездами. Важными различием между Nehalem-EX и Westmere-EX станет переход в производстве от норм 45 к нормам 32 нм. Это позволит сохранить энергопотребление процессоров с большим числом ядер и более высокой тактовой частотой на прежнем уровне. Первые 32-нм процессоры Intel для серверов и рабочих станций (Westmere-EP) были выпущены в марте и вошли в серию Xeon 5600. Они имеют до шести ядер и могут работать в одно- и двухпроцессорных системах. Максимальная частота самой быстрой шестиядерной модели Xeon X5680 равна 3,33 ГГц. Данных о тактовых частотах Westmere-EX пока нет. Срок появления новых процессоров пока тоже очерчен очень расплывчато — «в будущем году», не назван даже квартал. Известно лишь, что новые процессоры сохранят совместимость на уровне процессорного разъема с Nehalem-EX. По мнению Натана Бруквуда (Nathan Brookwood), старшего аналитика Insight 64, Westmere-EX получит до 12 ядер. Напомним, в арсенале AMD уже есть серверные процессоры с 12 ядрами — это представленные в марте модели серии AMD Opteron 6000, ранее известные под условным обозначением Magny-Cours. В будущем году AMD планирует выпустить 32-нм процессоры Interlagos с 16 ядрами, построенные на микроархитектуре Bulldozer. www.russianelectronics.ru

12 СОБЫТИЯ РЫНКА

НОВОСТИ ДАТАКОМА | В ПИКУ GOOGLE DOCS: В РОССИИ ПОЯВИТСЯ ЕДИНАЯ ГОССИСТЕМА РАБОТЫ С ЭЛЕКТРОННЫМИ ДОКУМЕНТАМИ | Минкомсвязи России собирается создать единую государственную систему для дистанционной работы с электронной документацией. Об этом рассказал советник министра связи Илья Массух. В первую очередь, такая система позволит государственному аппарату работать эффективнее и сократить издержки, считают в Министерстве. При работе над таким проектом планируется использовать свободное программное обеспечение, сообщил Массух. К тому же, ПО будет российской разработки. Обсудить данный вопрос Комиссия по внедрению информационных технологий в органах государственной власти планирует в течение ближайших нескольких недель. Но для того, чтобы начать работу, нужно профинансировать проект из бюджетных средств и объявить конкурс для поиска исполнителя работ. Подобная система совместной удаленной работы с документацией уже имеется — это Google Docs, но, по словам советника министра, российская разработка будет обладать более широкими возможностями. Она будет совмещать не только текстовый редактор и электронные таблицы, но и ряд других приложений вроде бухгалтерских и систем документооборота. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ МИКРОСХЕМ СЕРГЕЙ ОСИПОВ, инженер-программист

Вечная проблема большинства околовоенных КБ и НИИ — требование использовать отечественную элементную базу. Вечная головная боль инженеров этих КБ и НИИ — заставить эту самую элементную базу работать правильно и делать то, что надо, а не то, что заблагорассудится этому непослушному куску кремния. Все ли так печально, или есть надежда на светлое будущее?

СКОРО СКАЗКА СКАЗЫВАЕТСЯ, ДА НЕ СКОРО ДЕЛО ДЕЛАЕТСЯ

Разработчики микроэлектроники у нас талантливые, но уж очень их давят со всех сторон. Как бывает оно обычно? Приходят к отечественному разработчику военные и говорят: нужен нам процессор пятиядерный, о семи гигафлопсах, да чтоб потреблял не более 3 ватт, да чтоб в BGA-корпусе, и периферии поболее, каналы sRIO не забудь и спецстойкость нам крайне нужна, но попозже чуть. Начинает разработчик думать, сможет ли, да сколько времени займет это. Но руководство фирмы сразу военным говорит: легко, мол,

за год макетные образцы сделаем, за два — рабочие, за три — спецстойкие, а ежели финансирование увеличите — еще и откат дадим. И то сказать: назови сроки реальные — плюнут на тебя военные, бросят твой НПЦ «Альфа» и уйдут с тем заказом в НТЦ «Омега». А с ними и деньги уйдут. Да и разработчиков своих кормить надо. Вот и соглашается руководство. На следующий день маркетологи пресс-релиз пишут, что, дескать, через полгода будет у нас свой TigerSHARC, да такой, что заграничный TigerSHARC вдвое-втрое превзойдет. Разработчики те пресс-релизы читают, воодушевляются, в очередь на новый процессор становятся. И вот проходит год. Только получили первые образцы, убедились, что они кое-как дышат, багов толком не выловили, а уже кому-то обещанные первые образцы отдавать надо. И отдают, а куда деться? А следом претензии от счастливых обладателей: «Вы ж обещали, 3 ватта, 7 гигафлопс, периферия разнообразная. А тут потребление — хоть плитку с подогревом делай, чтоб 7 гигафлопс получить — месяц в ассемблере копайся, а из периферии только UART работает, и тот кое-как». Конечно, кое-как. А вы думали, у Analog Devices контроллер TS201 сразу такой замечательный получился? Вся и разница в том, что у них раньше про найденные ошибки сообщают. А вот почему у нас так плохо с этим? ВРЕМЯ — ДЕНЬГИ

Вот тут-то мы и подошли к главной проблеме нашей элементной базы. Дело-то все в том, что продавать у нас кидаются, толком не отладив и не оттестировав. Но это не потому, что разработчики слабые, а менеджеры некомпетентные. Это оттого, что к моменту получения первых образцов руководство еще десяток заказов наберет — и всем по ватту потребление, по гигагерцу частоты и –50°С. А куда деваться, чтобы остаться на месте, надо очень

быстро бежать, такое вот кремниевое зазеркалье. А на месте остается фирма, хоть и бежит — значит, штат работников прежний. Разработчикам тотально времени не хватает — надо уже новые микросхемы рисовать, а тут старые не оттестированы. А тестировщики без разработчиков тоже не многое смогут. А значит — извещений об изменениях нет, своевременного оповещения нет, документацию писать некому. Дай бог, к следующему запуску этих самых «наших TigerSHARC» найденные баги устранить. И начинаются звонки в техподдержку: – Здравствуйте, у меня не работает ваша микросхема!

– А как именно не работает?

– Вы знаете, я данные из внешнего устройства получаю с помощью DMA, у меня почему-то инструкция портится где-то во внутреннем ОЗУ.

– А вы можете прислать проект и описание проблемы? Надо, чтобы разработчики изучили вопрос и сказали, где проблема.

– Ах, вы не хотите мне отвечать! Я ж ясно сказал, данные из DMA принимаю, инструкция портится, что тут непонятного? Дайте вашего самого главного разработчика, я его сейчас бледным сделаю! И не понимает пользователь, что бледным-то он разработчика сделает, но смысла в этом никакого нет — не появится от этого решения проблемы из воздуха. А написать на почту его просят не для того чтобы отделаться, а чтоб разработчики могли описание проблемы получить, не искаженное инженером техподдержки, который, хоть и классный парень, но все знать не может, и памятью идеальной не обладает — может и исказить информацию. Нет, у нас ассоциации четкие: не отвечает — темнит; контакты разработчика не дает — сволочь; просит на электронную почту написать — посылает попросту. А разработчика требовать к телефону — и вовсе дрему-

Электронные компоненты №4 2010

13 О Б С УД И М ?

КОРНИ ЗЛА

Для начала скажем, откуда взялось требование использовать отечественную элементную базу. Тому есть две причины: во-первых, военные опасаются неких «закладок» от коварных заграничных разработчиков. В общемто, опасение не лишено смысла — если рванет что-нибудь мегатонное не в точке назначения, а в точке запуска — очень будет обидно. Вторая причина — не продают нам коварные заграничные разработчики свои микросхемы в исполнении Military, а продают только в исполнении Industrial. И все бы хорошо, но не дотягивает это их Industrial до требований, предъявляемых военными. В частности, по температурному диапазону. Конечно, потом все равно испытывают изделие целиком во всех мыслимых условиях, но как-то спокойнее ответственным лицам, когда и каждый элемент изделия в этих условиях испытан отдельно. Вот и мучаются инженеры. Иностранную элементную базу «пробить» — семь пар железных сапог истопчешь по инстанциям, российскую элементную базу использовать — в разработке намучаешься. А почему, собственно, намучаешься? Или перевелись в России талантливые микроэлектронщики?

чее советское наследие. Это ж вопрос не политический, а технический, тут голосом не решить. Но все равно. А зачастую ведь и пользователь неправильно делает, ну и документация местами, конечно, тоже подводит. Тут, кстати, всплывает еще один важный аспект. Из-за сложившейся в стране ситуации сейчас государственные КБ и НИИ — основные потребители российской элементной базы — зачастую попросту не могут обеспечить достойный уровень зарплат, сравнимый с уровнем коммерческих фирм. А опытный и все умеющий разработчик, как правило, уже не мальчик, да и семья у него обычно есть. Разумеется, пойдет он скорее в коммерческую организацию, где про отечественные микросхемы и знать не знают, и ведать не ведают. А в государственных структурах в основном либо люди старой закалки — с огромным опытом и знанием, но зачастую далекие от современных технологий, например, слабо разбирающиеся в программировании, либо совсем молодые студенты, для которых работа в этой организации — первые шаги на ниве программирования/схемотехники 1. И те, и другие относятся к отечественным микросхемам с очень боль-

шим скепсисом. Первые — потому что помнят, как намучались с микросхемами, к которым не прилагалось документации кроме листочка с назначением выводов (кстати, далеко не у всех российских разработчиков микросхем документация лежит в открытом доступе, что минус). Вторые — потому что по юношескому своему нигилизму просто скептичны ко всему российскому. А в процессе разработки рано или поздно настает такой момент, когда чтото пошло не так. Можно даже сказать, что вся разработка электроники на 80% состоит из таких моментов. И вот тут-то проявляется скепсис по отношению к российским компонентам. Вместо вдумчивого изучения документации сразу в ход идет звонок/письмо в техподдержку (если она есть). Или, как вариант, документация пролистывается в три секунды, чтобы очистить совесть (ну вот, я так и знал, конечно, здесь ничего про это нет). Нередки случаи, когда в документации действительно ничего нет по этому поводу, но бывает и так, что из описания было прочтено лишь несколько первых строчек, а остальные почему-то прошли мимо сознания скептичного пользователя. В итоге разработчики свое драгоценное время тратят не только на

проектирование и поиск своих багов в кремнии, а еще и на поиск того, что именно неправильно сделал пользователь, чтоб ему об этом сообщить. И все бы ничего, но вот времени не всегда на это хватает, да и отношение пользователя зачастую не очень на подвиги толкает (ну что, сделали хреновую микросхему, теперь давайте, ищите мне решение). Радует то, что такие случаи все же реже, чем нормальные спокойные поиски проблемы с последующим решением. Так что же в результате? ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

В результате становится понятно, что основные проблемы в нашей микроэлектронике те же самые, что и в остальных областях — нехватка денег, а также тотальная спешка и цейтнот. К сожалению, вряд ли можно прогнозировать существенный прогресс в этой отрасли в ближайшее время. С другой стороны, все больше фирм уделяет внимание разработке качественной документации и заботе о своих пользователях. Действительно, давайте будем надеяться на лучшее. Рано или поздно, но вопрос с соответствием наших микросхем общемировым стандартам решится.

ОТ РЕДАКЦИИ К идее создания новой рубрики «Обсудим?» нас подтолкнула опубликованная выше статья. Речь в ней идет не об использовании тех или иных компонентов, но о российских компаниях-производителях этих самых компонентов. На наш взгляд, едва ли правильно говорить вообще о российской элементной базе, равно как и не совсем верно рассуждать о российских компаниях-производителях конечных изделий, не учитывая их формы собственности. Между продукцией частных компаний и ФГУП подчас лежит дистанция огромного размера. Нам известны компоненты, производимые частными предприятиями, которые по соотношению цена/качество не уступают импортным аналогам, правда, таких немного. И мировая, и российская практика показывает, что частный бизнес, как правило, эффективнее. Однако российская специфика такова, что большую часть рынка (по нашим приблизительным оценкам, 50—70%) занимает госзаказ. И ни для кого не секрет, что значительная его часть поступает во ФГУПы, являясь, по сути, завуалированной формой их финансирования. Таким образом, популярный лозунг о поддержке российской электроники, по существу, сводится к финансированию ФГУП. Мы не во всем согласны с автором статьи. Отдаем себе отчет в том, что и в наших кратких комментариях, а они сознательно написаны несколько провокационно, специалисты найдут изъян. Но идея новой рубрики в том и состоит, чтобы как можно полнее обсудить проблему и высказать разные мнения. Мы надеемся получить отклики на опубликованную статью, а также ждем от вас спорных и интересных материалов для обсуждения в этой новой рубрике. О Б С УД И М ?

14

НОВОСТИ ДАТАКОМА | МИНКОМСВЯЗИ ГОТОВИТ КОНВЕРСИЮ | Минкомсвязи планирует к концу года разработать план конверсии частот в диапазоне 790…862 МГц, относящихся к «цифровому дивиденду». На расчистку спектра, по предварительным оценкам министерства, потребуется около 2 млрд долл. в течение 3—4 лет. Регулятор предлагает провести расчистку за счет операторов при условии, что затем они получат освободившиеся частоты. В конце 2009 г. президент Дмитрий Медведев поручил Минкомсвязи и Минобороны решить проблему с нехваткой частот для развития сетей 3G и 4G. Министерства в ответ предложили в качестве приоритетных мер определить для развития 4G полосы 790…862 МГц и 2500…2690 МГц. К концу мая ведомства должны провести технический аудит радиочастотного спектра, разработать план работ по его расчистке и схему финансирования этих работ. Министр связи и массовых коммуникаций Игорь Щеголев уже в апреле пообещал, что на ближайшем заседании ГКРЧ (запланировано на 28 мая) решение будет принято.

www.russianelectronics.ru 1

Ни в коем случае не стоит рассматривать эти слова как оскорбление. Разумеется, разные люди есть. Но к сожалению, ситуация чаще всего именно такова.

WWW.ELCP.RU

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ ТЕСТОПРИГОДНОЙ РАЗРАБОТКИ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВ, техн. консультант, JTAG Technologies В этой статье идет речь о принципах тестопригодной разработки (DFT — Design-For-Testability) с учетом технологии периферийного (граничного) сканирования для последующего производственного и опытного тестирования плат. До сих пор многие разработчики воспринимают JTAG как метод локальной верификации соединений или способ программирования ПЗУ и ПЛИС, а не как полноценный тестовый метод для выявления разнообразных дефектов. Между тем, JTAG давно уже «вырос» из примитивного подручного средства «прозвонки» и позволяет проверять цепи устройств памяти, связующей логики, разъемов, интерфейсных устройств. Статья знакомит читателя с «классическим» набором правил тестопригодной разработки, проиллюстрированных практическими примерами и пояснениями. ВЫБОР КОМПОНЕНТОВ

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

На первый взгляд, все просто: выбирать следует компоненты с поддержкой JTAG. Однако на практике бывает, что производители микросхем указывают в спецификации (datasheet) наличие JTAG-порта, но если изучить документацию более детально, оказывается, что он реализован только для целей отладки, просто как интерфейс (чаще всего это указывается примерно как “JTAG-port (only) for debugging purposes”). Такой компонент, имея в своем составе JTAG-интерфейс, не поддерживает стандарт IEEE 1149.1. Этот стандарт обязывает микросхему содержать несколько регистров, необходимых для тестирования плат, в том числе регистр периферийного сканирования, подключенный к внешним выводам микросхемы. При этом информация о соответствии стандарту в спецификациях (datasheet) может иметь различный вид — от одной строчки до целого раздела. Ключевыми словами, указывающими на то, что у микросхемы имеется полноценная тестовая логика, могут быть: “IEEE 1149.1”, “boundary-scan”, “JTAG for board testing” и т.п. Однако бывает и так, что микросхема полностью поддерживает тестирование по IEEE 1149.1, хотя в datasheet указывается лишь “JTAG-interface”, и ничего более. Но это скорее исключение из правил, и встречается у отдельных производителей в сокращенных datasheet. В подробных руководствах указание на соответствие стандарту все-таки присутствует. Одним из верных признаков того, что микросхема полностью поддерживает стандарт IEEE 1149.1, является наличие BSDL-файла, который описывает структуру необходимых регистров и, в частности, функции ячеек периферий-

WWW.ELCP.RU

ного сканирования для тестирования платы (вход, выход, управление). Файлы BSDL вместе со списками соединений из САПР составляют основу при автоматической генерации всех тестов и приложений. В большинстве случаев эти файлы можно загрузить с сайтов производителей микросхем. Правда, отдельные производители закрывают доступ к данной информации и поставляют BSDL только напрямую пользователям своих продуктов.

BSDL-файл бывает полезен при тестопригодном проектировании, так как многие производители компонентов с поддержкой стандарта IEEE 1149.1 добавляют в него полезные комментарии. Такие комментарии могут, например, содержать информацию о требуемых состояниях на определенных выводах для поддержания устройства в тестовом режиме во время тестирования. Изучение BSDL-файла при выборе компонентов также может указать на качество тестового покрытия будущей разработки. Ниже приведен отрывок из BSDL-файла, в котором описывается функциональность выводов устройства в режиме сканирования: TINOUT0 CLKR0 FSR0 DR0 CLKX0 FSX0 DX0 RTCINX1

: inout bit; : inout bit; : inout bit; : in bit; : inout bit; : inout bit; : out bit; : linkage bit;

Здесь linkage bit означает вывод без поддержки сканирования, in (или out) bit говорит о том, что вывод во время тестирования будет однонаправленным, inout bit — двунаправленным. Чем больше у микросхемы выводов с

атрибутом inout bit, тем большим будет покрытие возможных неисправностей на плате; in и out лучше, чем ничего, однако возможностей уже не так много, поскольку вывод во время тестирования будет выполнять только роль выхода или входа. Следует заметить, что разработчики устройств на ПЛИС должны беспокоиться здесь меньше всего, так как у подавляющего большинства ПЛИС все цифровые выводы всегда имеют атрибут inout bit. РАЗБИВКА КАНАЛОВ СКАНИРОВАНИЯ

Не существует однозначного ответа, выводить ли несколько каналов сканирования или объединять все компоненты с поддержкой периферийного сканирования в одну цепочку. Тем не менее, приведем несколько соображений, которые могут помочь разработчику разобраться в данном вопросе. При этом у нас найдутся доводы как в пользу объединения, так и против него. Некоторые разработчики считают объединение TAP-сигналов в единую последовательную цепочку (см. рис. 1) лучшим и единственным решением, за исключением устройств с разными уровнями TAP-сигналов или случаев, когда средства отладки не воспринимают «чужие» им устройства и требуют отдельного JTAG-канала. Такое объединение бывает не всегда необходимым и полезным, даже если на плате используются микросхемы одного производителя. Разделение JTAG-компонентов в разные цепочки сканирования наиболее полезно с точки зрения сокращения длины тестовых векторов. Дело в том, что при создании тестов JTAG средствами проектирования на основе

вать стандарту IEEE 1149.1, так как для проверки связей с ОЗУ используются окружающие микросхемы, поддерживающие периферийное сканирование. Впрочем, некоторые производители чипов памяти военного и космического назначения встраивают тестовую логику JTAG для повышения надежности теста ответственных изделий). Чтобы не снижать качество тестирования, можно объединить такие устройства в одну JTAG-цепочку, или даже включить их в каналы сканирования других устройств. Тогда на плату не нужно выводить много разъемов. При использовании средств отладки, не приемлющих «посторонних» устройств в цепочке, можно исключить их при помощи, например, джамперов или нулевых резисторов. Итак, необходимо найти некий «баланс» при разбиении каналов сканирования, причем каждый конкретный проект нуждается в индивидуальном подходе в зависимости от требований к процессу тестирования, габаритов платы и других факторов. В идеале на сложных платах, содержащих большое количество JTAG-микросхем, должна быть проведена их логическая разгруппировка по нескольким каналам сканирования.

Рис. 1. Объединение компонентов с JTAG в одну цепочку сканирования

Рис. 2. Управление отключением активных компонентов во время теста

плате. При этом следует заметить: средства JTAG-тестирования чаще всего допускают включение в одну цепочку микросхем разных производителей. Противоположный подход — когда разработчик выводит порт каждой JTAG-микросхемы в отдельный канал со своим разъемом. При этом, прежде всего, увеличиваются габариты платы. Между тем многие современные JTAG-тестеры позволяют работать одновременно с несколькими TAPпортами, а в случае необходимости можно использовать платы расширения, которые мультиплексируют JTAGканалы. Это помогло бы уменьшить число разъемов, однако разработчики зачастую вообще отказываются от применения JTAG для тестирования, используя интерфейс только на тех устройствах, где требуется конфигурирование, «прошивка» или отладка, замыкая JTAG-порты остальных микросхем на «землю», и тем самым значительно сокращая возможности тестового покрытия изделия в целом. При этом вне тестового покрытия оказываются такие компоненты, у которых JTAG предназначен только для тестирования цепей платы, на которую они устанавливаются: например, интерфейсные микросхемы Ethernet, PCI, некоторые микросхемы оперативной памяти (в принципе, память при JTAGтестировании не должна соответство-

КОНТРОЛЬ КОМПОНЕНТОВ БЕЗ ПОДДЕРЖКИ IEEE 1149.1

Одним из немаловажных аспектов тестопригодной разработки является контроль активных компонентов в процессе JTAG-тестирования. Речь идет о компонентах без поддержки периферийного сканирования или, как их еще называют, «кластерах». В роли таких «кластеров» могут выступать любые компоненты: память, логика, интерфейсные устройства, ЦАП и АЦП. Предположим, что у нас есть схема, приведенная на рисунке 2. Для того чтобы в процессе тестирования получить наибольшее тестовое покрытие, нам требуется проверить цепи между процессором и ПЛИС, а также соединения каждого из них с третьим компонентом, который является «кластером». Поэтому тестирование данной схемы будет разбито на два этапа (из таких этапов затем создаются производственные тестовые последовательности). Первый этап — это тестирование соединений между JTAGкомпонентами: ПЛИС и процессором. Несмотря на то, что на данном этапе кроме проверки связей этих двух микросхем могут выявляться также некоторые дефекты и третьей (например, КЗ), требуется более тщательное тестирование цепей, идущих от JTAGкомпонентов к «кластеру». Поэтому на втором этапе будет использоваться модель функционирования «класте-

Электронные компоненты №4 2010

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

анализа схематики генерируются так называемые векторы. Эти векторы (или паттерны) последовательно вдвигаются в ячейки регистров периферийного сканирования JTAG-микросхем и выставляются во внешние цепи. Затем результирующие последовательности, считанные с платы, выдвигаются обратно в тестовый контроллер. Таких векторов может быть от нескольких десятков при тестировании межкомпонентных соединений до нескольких тысяч при тестировании памяти типа DDR. С учетом того, что длина регистра периферийного сканирования современной ПЛИС может достигать 2—3 тысяч ячеек, можно представить длину общей последовательности для платы, содержащей несколько таких ПЛИС. И хотя без разделения каналов даже при тестировании DDR-памяти время не будет астрономически велико, однако когда дело доходит до программирования флэш-ПЗУ, длина вектора становится важным фактором в ускорении процесса «прожига». Ведь такие устройства, как флэш-память, требуют значительно большего количества векторов; при этом все они так же подчиняются операции сдвига. Таким образом, разделение каналов важно не только для обеспечения работы «родных» отладочных средств устройств, но и, например, для обеспечения скоростного «прожига» ЭСПЗУ на тестируемой

Рис. 3. Контроль над синхронизацией со стороны тестовых векторов

ра», на основе которой будут генерироваться тестовые последовательности, выставляемые как c одной, так и с другой JTAG-микросхемы, а также словари для диагностирования дефектов. Но для выполнения первого этапа нам требуется, чтобы третий компонент был в пассивном состоянии и желательно, чтобы его выводы, которые волею случая оказались на общей шине, в это время находились в состоянии высокого импеданса. Практика показывает, что распространенным является случай, когда подобный «кластер» имеет такую возможность перевода в третье состояние, однако разработчик жестко заводит сигнал управления (в нашем примере — OE) на определенный уровень без возможности манипуляций с ним. При этом, скажем, у той же ПЛИС присутствует большое количество неиспользованных выводов. Неподключенные выводы JTAG-компонентов рекомендуется использовать для контроля остальной «периферии» на плате. Следует отметить, что при использовании сканирования тестовые векторы будут автоматически удерживать сигналы управления, а соответствующие

биты для контрольных цепей будут содержаться в каждом из них. Вторая проблема с отсутствием контроля — это «неуправляемость» кварцевых резонаторов, используемых в тестируемой схеме. Сигнал от одного такого резонатора может распределяться по многим блокам схемы, и, если не обеспечить его отключение, можно потерять часть тестового покрытия платы. Во-первых, цепи сигналов синхронизации будут исключены из теста, и мы не сможем локализовать некоторые потенциальные неисправности на них (короткие замыкания, обрывы и т.д.). Во-вторых, некоторые «кластеры» управляются тактовыми сигналами: это могут быть устройства динамической памяти или определенные виды логики. Важно помнить, что для тестирования таких устройств при помощи периферийного сканирования необходимо обеспечить их контроль со стороны JTAG-компонентов; это касается и тактовых сигналов, которые будут «подменяться» при помощи тестовых векторов. Таким образом, управление отключением резонатора на практике может увеличить тестовое покрытие

платы на 10—20% благодаря включению в тест «кластеров», требующих для симуляции своей работы тактовых сигналов. Вариантов реализации такой «подмены» может быть много, и, наверное, это тема отдельного разговора. На рисунке 3 показан один возможных способов. Данная схема позволяет во время тестирования одновременно отключать генератор и управлять синхронизацией, к примеру, блока динамической памяти, хотя ситуация могла быть неподконтрольной при соединении сигнала OE генератора только с цепью питания. Заметим, что существуют распределители с ФАПЧ, где нижняя частота пропускаемых синхросигналов ограничена. Для периферийного сканирования, во время которого тактовые импульсы симулируются с помощью операций сдвига, такая граница может быть зачастую недостижима. Поэтому также рекомендуется выбирать распределители с возможностью отключения порога пропускания. Автор надеется, что на нескольких приведенных примерах ему удалось не только осветить некоторые наиболее важные аспекты тестопригодного проектирования, но и ответить на вопрос о том, что дает в итоге выполнение таких рекомендаций. ЛИТЕРАТУРА 1. Руководство по разработке тестопригодных печатных плат//www.jtagtechnologies.ru.

2. Иванов А.В. Тестопригодность электронных изделий как залог успеха предприятия//Поверхностный монтаж, 2009, №4, с. 22–23.

3. Городецкий А., Курилан Л. Тестопригодное проектирование схем для граничного сканирования//Производство электроники, 2008, №1.

НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ

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

18

| КОНФЕРЕНЦИЯ STRATEGIES IN LIGHT 2010 ОЗНАМЕНОВАЛА НАЧАЛО НОВОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ РЫНКА СВЕТОДИОДОВ | Последняя, 11-я, конференция и выставка Strategies in Light 2010 была полна оптимизма в отношении прогнозируемого устойчивого роста рынка в ближайшие годы. После года резкого спада и последующего восстановления, в результате которого рост чистой выручки на рынке светодиодов высокой яркости в 2009 г. составил 5%, в настоящее время этот рынок переходит в новую фазу своего развития. Ожидается, что под влиянием возрастающего спроса со стороны таких приложений как подсветка ЖК-дисплеев и светодиодное освещение, рынок светодиодов вырастет в 2010 г. на более чем 50%. Эти позитивные данные были представлены участниками конференции.

11-я ежегодная конференция Strategies in Light 2010 проводилась в Санта-Клара (Калифорния) и включала две параллельные секции, на одной из которых обсуждался рынок светодиодов высокой яркости, а на другой — светодиодные системы освещения. В этом году новым на конференции стало проведение форума инвесторов по твердотельным системам освещения, во время которого свои технологии представили 12 компаний. Регламент конференции включал проведение четырех семинаров и двух занятий. В работе конференции присутствовали 90 экспонентов и около 3000 зарегистрированных участников. Другим важным событием этого мероприятия стало объявление результатов конкурса по выбору лучшего светильника следующего поколения (Next Generation Luminaires). www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Современный подход к организации контроля полупроводниковых устройств НИКОЛАЙ КЛЮКВИН, гл. специалист отд. электрического контроля, направление производства РЭА, ЗАО Предприятие Остек, info@ostec-group.ru Изделия микроэлектроники все глубже проникают в нашу жизнь, предоставляя новые возможности в различных областях: телекоммуникациях, компьютерах, системах управления и обеспечивая более комфортные условия жизни. Микроэлектронные изделия, применяемые в системах управления, сопряженных с источниками повышенной опасности (транспорт, экология, энергетика), а также в системах оборонного назначения, должны удовлетворять повышенным требованиям к качеству и надёжности. Ведь проблемы с копеечным чипом могут обернуться многомиллионными убытками или поставить под угрозу человеческую жизнь. К сожалению, за примерами далеко ходить не надо… Вопросам организации эффективного электрического контроля изделий микроэлектроники у их изготовителей и на этапе входного контроля у потребителей посвящена данная статья.

Не секрет, что микроэлектронная промышленность в нашей стране существенно отстает по темпам развития от других областей как в вопросах обеспечения потребности отечественных изготовителей приборов современной элементной базой, так и по качественным показателям компонентов: функциональным возможностям, техническим характеристикам, качеству и надёжности. Применение импортных комплектующих является вынужденной, но необходимой мерой, попыткой не допустить отставания хотя бы в оборонной области, обеспечивая вывод на рынок конкурентоспособных видов вооружения. Но обратной стороной становится зависимость нашей электронной промышленности от зарубежных производителей и поставщиков. Кроме того, не всегда и зарубежные комплектующие удовлетворяют заявленным требованиям по качеству и надёжности. В последнее время наблюдается также увеличение контрафактной продукции. Выявление несоответствующих компонентов является непростой задачей на стадии входного контроля, а при его отсутствии попытки диагностики и локализации дефектов указанного типа на собранных печатных узлах и приборах связаны с высокими затратами и не всегда прогнозируемым результатом. К сожалению, сходные проблемы существуют и в отношении небольшого ассортимента изделий микроэлектроники, который предлагают отечественные производители. Доверие к качеству и надёжности отечественной микроэлектронной промышленности сильно подорвано, т.к. всем известно реальное положение дел в данной отрасли. При этом даже продукция с военной приемкой не всегда соответствует своему предназначению, вызывая массу претензий и нареканий к поставщикам и производителям. Бывает, что компоненты 20-летней давности оказываются лучшего качества, чем выпущенные в последние годы. Поэтому перед отечественными производителями микроэлектронных компонентов и их потребителями, изготовителями готовых электронных изделий, стоит проблема объективного контроля: от элементарной проверки компонентов на работоспособность до отбора изделий по критериям качества и надёжности для особых применений. В настоящий момент для обеспечения качества и надёжности выпускаемой электронной техники, как

правило, проводится контроль для выявления «отказов нулевого часа» и испытания на уровне готовых приборов с применением электротермотренировки. При этом изделие помещается в климатическую камеру, к нему подключается питание, имитируются входные сигналы и нагрузки. При возникновении отказов приходится решать сложную задачу, связанную с поиском и локализацией дефектного компонента. При сложном дефекте и недостаточной опытности наладчика (а часто и при наличии большого опыта) нередки случаи, когда изделие и вовсе отбраковывается из-за невозможности локализовать сбойный компонент. Бывает и так, что ремонт такого изделия, связанный с перепайкой микросхемы с большим количеством выводов и малым шагом, не обеспечивает необходимого уровня качества и надёжности, вызывая вторичный брак. Стоимость затраченных при этом ресурсов и времени могут превосходить стоимость самого изделия. Все перечисленные проблемы вызывают естественное желание организовать технологический процесс серьёзного входного контроля элементной базы. Однако существуют только единицы предприятий, на которых этот процесс реализован. В большинстве случаев входной контроль компонентов обычно проводится в очень упрощённом виде с использованием методов исключительно визуального контроля и, значительно реже, путём проведения выборочных испытаний. Ну, а сплошной контроль — уже из области фантастики. Сложность организации такого процесса понятна каждому. Проверка на работоспособность, а тем более на надёжность упакованного, например, в ленту, сложного миниатюрного компонента в условиях сборочного производства представляется сложнейшей задачей, связанной с решением множества проблем: – необходимостью обеспечения сохранности компонентов при распаковке/упаковке и тестировании; – необходимостью в прецизионных контактирующих устройствах, обеспечивающих для компонента как механическую (легко повредить выводы), так и электростатическую безопасность; – необходимостью в специальном тестовом оборудовании; – необходимостью в проходной камере, генераторе тепла/холода, азотном оборудовании для проведения климатических испытаний;

Электронные компоненты №4 2010

19

Рис. 1. Функциональная схема испытательного комплекса

20

– минимизацией (если не с исключением) влияния человеческого фактора при отсутствии специалистов соответствующей квалификации. Можно все же попытаться решить все эти вопросы и найти соответствующее оборудование на современном рынке, но при этом возникнут новые проблемы, которые связаны с тем, что: – все компоненты и оборудование для оснащения технологического процесса поставляются разными производителями, каждый из которых ограничивает зону своей ответственности и не отвечает за эффективность технологического процесса контроля в целом, с учётом специфических требований конкретного заказчика; – никто не сможет гарантировать достижения конечного результата, если заказчик решит делать всё самостоятельно; – не каждый поставщик возьмётся за комплексное решение такой задачи «под ключ». Проще говоря, все готовы продать «железо» и, в лучшем и исключительном случае, часть технологии, но не полностью законченный технологический процесс контроля и испытаний. Решение подобных задач под силу не просто производителю тестового оборудования, каких немало, а именно профессионалу в своей области. Он должен быть готов поставить весь технологический процесс контроля качества компонентов, обеспечив их испытание в разных климатических условиях и при физических воздействиях на базе собственной линейки оборудования и реализовав при этом полную автоматизацию процесса. Работая много лет с компанией SPEA, мы убедились, что именно таким профессионалом она является. SPEA уже более 30 лет успешно работает на рынке тестового оборудования, занимая в Европе передовые позиции в своей области. Она производит тестовое оборудование для двух смежных областей: микроэлектроники и сборочных электронных производств. В России компания SPEA известна уникальными системами электрического контроля с летающими пробниками. Хорошо понимая проблемы как производителей элементной базы, так и производителей готовой электроники, SPEA последовательно развивает и совершенствует свои линейки оборудования, что позволило ей выйти на качественно новый технологический уровень, предоставив потребителям технологически законченные решения в области контроля качества современной элементной базы, включая популярные на сегодняшний день микроэлектромеханические системы (МЭМС). Одно из возможных решений испытательного комплекса функционально представлено на рисунке 1. Основные компоненты комплекса: – манипулятор SPEA H3560 предназначен для автоматической загрузки/выгрузки компонентов, обеспечения их контакта через электрический интерфейс с тестовой

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Тестовый комплекс для проведения испытаний и контроля параметров микроэлектронных изделий

системой, выполнения климатических и физических условий испытаний компонентов, проведения последующей разбраковки по результатам испытаний; – тестовая система SPEA Comptest 460 выполняет тестовые программы электрического контроля компонентов, в т.ч. при климатических воздействиях; – генератор тепла/холода обеспечивает заданные климатические условия испытаний; – упаковщик RSL200 выполняет упаковку разбракованных компонентов в ленту. Всё оборудование работает под единым программным управлением, обеспечивая автоматический режим работы и исключая влияние человеческого фактора на всех стадиях работы с компонентами. Внешний вид комплекса показан на рисунке 2. Тестовая система располагается на заднем плане. Рассмотрим подробно работу комплекса. МАНИПУЛЯТОР

Работа манипулятора включает следующие этапы: – тестируемые компоненты в паллетах загружаются в магазин, после чего оператор запускает процесс контроля. Первая паллета с компонентами автоматически подаётся в зону загрузки. Оптическая система, расположенная на головке манипулятора, проводит контроль соответствия маркировки компонента и определяет положение «ключа». Производится захват компонента головкой манипулятора с вакуумным захватом. При необходимости выполняется разворот компонента в необходимое положение.

– компонент проносится над камерой высокого разрешения, которая проверяет его выводы на отсутствие повреждений и деформации, вычисляет координаты геометрического центра положения компонента для точного совмещения его с контактирующим устройством (розеткой) на загрузочной плате; – далее устройство перемещения устанавливает компонент в контактирующее устройство, где производится его фиксация. Тестовая система запускает соответствующую программу контроля. По окончании теста производится извлечение компонента из розетки. В соответствии с результатами контроля манипулятор переносит компонент для укладки в соответствующую паллету — проводится разбраковка. Механизм перемещения компонентов построен на базе линейных приводов, имеющих неоспоримые преимущества перед шаровинтовыми парами. Это позволило сделать его компактным, обеспечить плавные кривые разгона и ускорения при перемещении компонентов, исключив возможность смещения компонента с вакуумной насадки. Предотвращается возможность неправильного позиционирования компонента при его загрузке в контактирующее устройство и последующее его повреждение,

возможность потери компонента в процессе перемещения. Вакуумная головка захвата компонентов позволяет, в зависимости от модификации, одновременно захватывать до 6 или 12 компонентов, что обеспечивает необходимый уровень производительности. В используемых линейных приводах нет трущихся частей, а роль подшипников выполняет воздух — соответственно, полностью отсутствует смазка. По опыту эксплуатации других систем компании SPEA, в которых также используются линейные приводы, их техническое обслуживание минимально, а уровень надёжности очень высок. Участие человека в процессе сводится только к загрузке паллет с компонентами в магазины и выгрузку паллет с разбракованными компонентами из них. Устройство контактирования представляет собой загрузочную плату (см. рис. 3), на которой смонтировано необходимое количество розеток. Она изготавливается в соответствии с требованиями заказчика под необходимые типы корпусов микросхем и может быть рассчитана на одновременную работу с 32 компонентами. Количество одновременно контролируемых компонентов определяется количеством каналов тестовой системы и числом выводов компонента. Конструкция съемная и обеспечивает быстрый переход с одной загрузочной платы на другую. В зависимости от требуемой производительности и пожеланий возможно изготовление загрузочной платы одновременно под разные типы корпусов, что очень актуально в условиях многономенклатурных и мелкосерийных производств. Важно, что заказчику не придётся самому решать вопросы изготовления загрузочных плат под стандартные и нестандартные корпуса. Компания SPEA все вопросы возьмет на себя, предоставив готовую систему контактирования высочайшего качества. При этом SPEA располагает целым пакетом ноу-хау в данной области. Загрузочная плата устанавливается непосредственно на тестовой голове системы электрического контроля, которая располагается в рабочей зоне манипулятора. Тем самым отпадает необходимость в кабельных соединениях, длина измерительных цепей сводится к минимуму, обеспечивая необходимое качество передачи сигналов, в т.ч. высокочастотного диапазона. Дополнительно рабочая зона манипулятора оснащается ионизационными модулями, предназначенными для снятия статического электричества с внутренних поверхностей установки, а также самих тестируемых компонентов. Возможности манипулятора существенно повышаются при оснащении его климатической системой испытаний тестируемых компонентов. Климатическая система включает в себя непосредственно климатическую установку (генератор холода) и термоинтерфейс, обеспечивающий передачу тепла/холода тестируемым компонентам. На практике задача по нагреву/охлаждению тестируемого компонента не так проста, как может показаться с первого взгляда. Имеется множество ограничений. Обычно такие задачи решаются с помощью камеры, имеющей термоизоляцию, шланги подвода и т.д. Одной из проблем, которые возникают при быстром нагреве/охлаждении, является образование росы и инея. Не стоит забывать, что при этом на компонент подаётся питание и различные электрические сигналы. Кроме того, необходимо учитывать, что корпуса современных компонентов имеют способность к впитыванию влаги, что в дальнейшем, в условиях пайки в печи, повышает вероятность их повреждения. Поэтому после испытаний требуется хорошо «просушить» компоненты. И это только часть проблем, которые необходимо решить при испытаниях такого рода. Другой круг проблем связан с тем, что необходимо обеспечить быстрое охлаждение до низких температур. У

Рис. 3. Загрузочная плата (зеленого цвета) с четырьмя розетками под тестируемые компоненты

большинства подобных установок процесс реализуется с использованием сжиженного азота, что накладывает ограничения и на саму организацию процесса. Требуются специально оборудованные помещения для работы с азотом, их аттестация и допуск персонала к работам с азотными установками. Компания SPEA принципиально отказалась от идеи использования азота и пошла своим, принципиально иным путем. В данной установке понятие термокамеры в привычном понимании этого слова отсутствует. Отсутствует и замкнутый объем с толстым слоем термоизоляции, куда помещаются тестируемые компоненты и в котором создаются необходимые климатические условия. Разработанная конструкция называется термоинтерфейсом. Собственно, в этом термоинтерфейсе и состоит ноу-хау компании SPEA. Этот метод обеспечивает условия испытаний в диапазоне –60…150°С. Компактность термоинтерфейса позволила снизить инерционность и увеличить градиент изменения температуры. Устранены такие последствия резкого изменения температуры как образование инея и выпадение росы. При этом удалось добиться минимальной инерционности термосистемы, хорошей равномерности распределения температуры между тестируемыми компонентами. Контроль температуры может проводиться для каждого компонента в отдельности. ТЕСТОВАЯ СИСТЕМА

Тестовая система является важнейшим элементом комплекса. Её конфигурация выбирается в зависимости от типов корпусов, числа выводов, необходимой производительности (количества одновременного тестируемых компонентов). У компании SPEA существует целая линейка таких систем, позволяющая решить любые задачи по обеспечению качественного контроля полупроводниковых компонентов различных типов: низковольтных, высоковольтных и сильноточных. Основные возможности функциональных модулей представлены ниже: – количество каналов: до 2048 (аналоговых, цифровых или смешанного типа); – до 16 источников питания средней мощности V/I (±120 В; ±2 A); – до 4 источников большого тока V/I (±100 В; 400 A); до 8 источников высокого напряжения V/I (±2500 В); – прецизионный AC генератор (16 bit, 20 bit Audio BW); – 4-проводный высокопрецизионный измеритель; – RF генератор до 3 ГГц; – другие функциональные модули и возможность использовать модули сторонних производителей с интерфейсом PXI. УПАКОВЩИК КОМПОНЕНТОВ В ЛЕНТУ

Испытательный комплекс может оснащаться упаковщиком компонентов в ленту RSU. При этом одновре-

Электронные компоненты №4 2010

21

Рис. 4. Поворотно-вращающий стол RTA. Одновременный тест 16 МЭМСкомпонентов

менно возможна упаковка компонентов в две ленты: в соответствии с результатами тестирования (сортировка/ разбраковка) или для обеспечения повышенной производительности. Встроенные средства оптической инспекции позволяют контролировать процесс упаковки по наличию компонента в ячейке ленты и его ориентации. Типовая ширина лент под упаковку составляет 8…24 мм.

RTA — ПОВОРОТНО-ВРАЩАЮЩИЙСЯ СТОЛ СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

22

В условиях действия государственной программы развития нанотехнологий и планов создания МЭМСкомпонентов различного назначения становятся актуальными вопросы обеспечения контроля их качества. Например, при контроле датчика срабатывания автомобильной подушки безопасности необходимо создать соответствующие физические воздействия в виде заданного вектора ускорения и необходимой величины его изменения для срабатывания датчика, определить реальные диаграммы углов срабатывания. Как это выполнить в условиях массового или мелкосерийного производства? Компания SPEA представила свое уникальное решение. Поворотно-вращающийся стол (RTA) напоминает гироскопический подвес (см. рис. 4), в котором установленный на загрузочную плату компонент может подвергаться радиальным воздействиям с различными значениями в трех плоскостях. Этот стол может работать как в составе рассмотренного автоматизированного комплекса (см. рис. 5), так и в виде отдельного компонента совместно с тестовой системой в условиях мелкосерийного производства или лаборатории. В последнем случае смена МЭМС-компонентов проводится вручную. Дополнительной функцией стола является возможность проведения вибрационных воздействий на компоненты.

Рис. 5. Поворотно-вращающийся стол в составе манипулятора. Видна загрузочная плата (зеленого цвета) на 8 тестируемых компонентов

Говоря о возможностях рассмотренного испытательного комплекса, можно выделить следующие основные его конфигурации в зависимости от назначения. Испытание полупроводниковых устройств: – манипулятор + тестовая система; – манипулятор + тестовая система + климатическая система. При необходимости в состав системы включается упаковщик компонентов в ленту. Испытание МЭМС-компонентов: – манипулятор + тестовая система + RTA; – манипулятор + тестовая система + RTA + климатическая система; – тестовая система + RTA. Модульность конструкции комплекса позволяет собирать требуемую конфигурацию комплекса при переходе от испытаний одного типа изделий к другому за минимальное время. В ближайшее время компания SPEA планирует дополнительно добавить в состав комплекса камеру давления до 20 бар с возможностью создания и измерения относительного и дифференциального давлений. При этом возможность параллельного воздействия на компонент теплом/ холодом сохранится. Обосновывая целесообразность и экономическую сторону внедрения такого оборудования, необходимо провести анализ состояния качества выпускаемой продукции, текущих трудовых и финансовых затрат, привлеченных для обеспечения требуемого качества, степени ответственности предприятия за отказ конечного оборудования у потребителя и связанных с этим последствий. Предприятие Остек совместно с партнерами сделает всё необходимое для реализации планов заказчика в вопросах достижения высокого качества выпускаемой продукции и обеспечения высокого уровня её конкурентоспособности.

НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМ | ЗАВЕРШЕНА РАЗРАБОТКА СТАНДАРТОВ DECT ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ IP-СЕТЕЙ | Ассоциация DECT Forum, Европейский институт стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunications Standards Institute — ETSI) и некоммерческая организация Home Gateway Initiative (HGI) завершили разработку и утвердили техническую спецификацию ETSI, которая обеспечивает полную совместимость устройств различных вендоров, что является ключевым требованием сетевых операторов, которых представляет HGI. Разработка технической спецификации TS 102 527-3 ETSI завершает процесс создания стандартов CAT-iq 2.0 — следующего поколения технологии беспроводной связи DECT — и интеграции DECT в широкополосные IP-сети. Это означает, что продукты, сертифицированные по CAT-iq, могут использовать IP-связь для широкополосной телефонии и реализовывать приложения с управлением данными на рынке цифровых беспроводных телефонов. Данная спецификация ETSI (а также опубликованные ранее документы) позволяет вендорам и системным интеграторам разрабатывать продукты, сертифицированные по CAT-iq, на основе стандартов ETSI. Ассоциация DECT Forum утвердила программу сертификации по CAT-iq 2.0 в целях обеспечения обязательного уровня качества и совместимости конечных продуктов. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ АУДИОСЕТЕЙ AoIP АЛЕКСАНДР ПРОНИН, техн. консультант В статье изложены основные принципы передачи звукового потока по локальной сети. Подробно рассмотрены протоколы и методы повышения качества передачи.

МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ В ETHERNET

Пересылка пакетов в сети Ethernet происходит через коммутаторы. Анализируя адреса устройств, отправляющих пакет, коммутатор строит таблицу соответствия между портами и адресами (MAC или IP) и направляет данные в порт, соответствующий адресату. Если необходимого адреса в таблице нет, то происходит широковещательная передача. Таким образом, за счет использования коммутаторов исключаются коллизии, а абоненты получают доступ к полной полосе пропускания. Сети Ethernet поддерживают три вида рассылки пакетов: – «точка-точка» (индивидуальная) — наиболее часто используемый

способ передачи данных от одного абонента другому; – широковещательная — принятый пакет рассылается всем абонентам сети без исключения; – многоадресная (групповая) — пакет могут получить сразу несколько абонентов, подписавшихся на рассылку. Разница между широковещательной и групповой передачей заключается в том, что при групповой передаче данные направляются не всем абонентам, а только тем, которые хотят их получить. Широковещательная рассылка имеет тот недостаток, что каждому абоненту приходится обрабатывать пакет независимо от того, нужен он или нет. В больших сетях это может привести к резкому снижению быстродействия и увеличению трафика. Для предотвращения подобных ситуаций большие сети разбиваются на изолированные широковещательные домены, либо ЛВС разделяется на виртуальные сети VLAN, объединенные IP-роутером. Такое разделение не заметно для пользователя. Наиболее подходящим способом пересылки данных для аудиосетей является многоадресная передача. Данные один раз запускаются в эфир и затем могут приниматься любым числом устройств. При этом перегрузки

ГЛОССАРИЙ VoIP (Voice over IP) — передача голоса по IP-сети (в частности, интернету). Сигнал передается в цифровом сжатом виде.

AoIP (Аudio over IP) — передача аудиопотока по IP. Может использоваться как вещательными компаниями для передачи программ, так и внутри офиса для совместного прослушивания музыки, инструкций, семинаров и т.п. Главное преимущество данного протокола заключается в том, что аудиопоток не сжимается, поэтому качество звука остается высоким. Данные AoIP обычно передаются внутри локальной сети (LAN, ЛС), а VoIP — через интернет. Поскольку большинство ЛС основаны на Ethernet, то часто отдельно выделяют AoE (Аudio over Ethernet).

TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) — это транспортный механизм передачи потока данных с предварительным установлением соединения с приемником. Гарантирует получение пакетов без потерь в той же последовательности, в которой они отправлялись источником.

UDP (User Datagram Protocol — протокол пользовательских датаграмм) — это транспортный протокол для передачи данных в сетях IP без установления соединения. Передача данных производится быстрее, чем в TCP, однако возможны дублирование или потеря пакетов.

RTP (Real-time Transport Protocol) — транспортный протокол передачи данных в режиме реального времени. Протокол RTP переносит в своем заголовке данные, необходимые для восстановления голоса или видеоизображения в приемном узле, а также данные о типе кодирования информации. В заголовке данного протокола, в частности, передаются временная метка и номер пакета. Эти параметры позволяют при минимальных задержках определить порядок и момент декодирования каждого пакета, а также интерполировать потерянные пакеты. В качестве нижележащего протокола транспортного уровня, как правило, используется протокол UDP.

сети не возникает, поскольку коммутатор направляет поток только в те порты, которые подписались на рассылку. Ниже мы рассмотрим этот процесс более подробно. ЗНАЧЕНИЕ TCP ДЛЯ ЗВУКОВЫХ СЕТЕЙ

Протокол TCP изначально был разработан для интернета и широко применяется в сетях, где полоса пропускания, доступная пользователю, имеет переменную ширину. Однако некоторые механизмы TCP применяются и в ЛВС, поскольку часто происходит так, что несколько быстродействующих компьютеров, одновременно отсылающих пакеты, могут занять всю полосу и не давать доступ более медленным устройствам. Для разрешения таких конфликтов удобно использовать тот же принцип управления скоростью передачи, что и в TCP. Вторая функция из набора TCP, необходимая в аудиосетях — это обнаружение и исправление ошибок (обеспечение качественной передачи данных). Хотя вероятность потери пакета мала, она не равна нулю. Еще одним важным свойством протокола является гарантия соблюдения очередности пакетов. Все пакеты нумеруются по мере поступления и направляются по адресам назначения в строгом порядке. При этом гарантируется корректная передача данных, но могут возникать задержки, если какой-либо пакет был передан с ошибкой. В этом случае передача других пакетов приостанавливается до тех пор, пока пакет не будет принят абонентом корректно. Поскольку задержки в аудиосетях недопустимы, необходимо предусмотреть защиту звукового потока. Во-первых, данным AoIP следует назначить более высокий приоритет, чем информационным или служебным. Однако при этом незвуковые данные, пересылаемые по ТСР, могут теряться. Чтобы избежать этого эффекта, протокол ТСР автоматически должен снизить скорость передачи незвуковых данных настолько, чтобы оставшейся полосы

Электронные компоненты №4 2010

23 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

ВВЕДЕНИЕ

Системы передачи звукового потока по сети (AoIP — Audio over IP) строятся на стандартных компонентах, поэтому принципы организации аудиосетей и обычных локальных сетей (ЛС) различаются мало. Для определенности будем рассматривать сети Ethernet, поскольку они наиболее распространены. Если звуковые данные покидают сеть, то они уже не относятся к разряду AoIP, а становятся мультимедийным потоком.

пропускания хватало на качественную передачу. Второй способ обеспечить качественную передачу аудиопотока — это установка на компьютере двух сетевых карт: одной для аудио, другой — для всех остальных типов данных. В этом случае оба потока имеют доступ к полной полосе пропускания сети. Кроме того, появляется возможность организовать две независимые сети, что повысит быстродействие и безопасность. ВИРТУАЛЬНЫЕ СЕТИ VLAN

Виртуальные сети появились в Ethernet вместе с технологией коммутирования. Сеть VLAN — это виртуальное разделение одной физической сети на несколько ЛС. Широковещательные пакеты рассылаются всем абонентам, что может привести к резкому увеличению трафика, если их слишком много. Виртуальные сети помогают ограничить широковещательные рассылки внутри сегмента. Также они повышают безопасность сети. Если аудиопоток передается по одной сети, а доступ к интернету осуществляться через другую, то злоумышленник не сможет получить доступ к аудиоданным через глобальную сеть. В сетях, где происходит обмен как информационными (общими), так и звуковыми данными, разделение на виртуальные сети помогает избавиться от проблем с программным обеспечением или интерфейсной платой. Коммутатор можно настроить так, чтобы порты, к которым подключены компьютеры, отправляющие общие данные, не имели права направлять пакеты за пределы своей виртуальной сети. Таким образом, их пакеты никогда не попадут в аудиосеть. Наконец, виртуальные сети обеспечивают защиту от широковещательных рассылок в случае, если коммутатор не может определить адресата и начинает опрашивать все устройства сети. Для обмена данными между виртуальными сетями используется маршрутизатор. М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

24

МНОГОАДРЕСНАЯ РАССЫЛКА

Протокол AoIP является групповым (multicast), поскольку один источник данных должен быть доступен нескольким абонентам. Такой же принцип применяется в классических звуковых усилителях-распределителях и системах маршрутизации аудиоданных. Устройство, вещающее в сеть, направляет поток в ближайший коммутатор, адресуя его на зарезервированные для многоадресной передачи адреса. Это «виртуальные» адреса, они не соответствуют

WWW.ELCP.RU

какому-либо физическому устройству. Абоненты могут прослушивать эти данные, отправляя запрос в коммутатор по протоколу IGMP (об этом ниже). Получив запрос, коммутатор направляет аудиопоток по адресу отправителя. Если запросов на прослушивание нет, то аудиопоток задерживается в коммутаторе и ресурсы сети не тратятся. Для обозначения многоадресной передачи в старшем бите 48-разрядного адреса ставится единица. Таким образом, половина адресов Ethernet отведена для групповой передачи.

встроенный модуль ARP (Address Resolution Protocol), который по внутренней таблице соответствий генерирует кадр Ethernet, вставляя в поле MAC-адреса адрес IP. Если встречается адрес, которого нет в таблице ARP, то модуль производит широковещательный опрос устройств в ЛС, посылая им пакет-запрос ARP. В ответ обладатель данного IP высылает свой MAC-адрес. Если ответа нет, то пакет, скорее всего, был получен ошибочно и перенаправляется обратно межсетевому маршрутизатору.

RPT/UDP

IGMP

Для того чтобы объявить о желании принимать аудиопоток, абонент должен отправить запрос в коммутатор по протоколу IGMP (Internet Group Management Protocol). Существует три типа служебных сообщений: – запрос (Query) — сообщение, которое коммутатор рассылает всем абонентам группы, чтобы проверить, хочет ли кто-нибудь из них принимать поток; – отчет (Report/Join) — сообщение, которое отсылает устройство, чтобы вступить в группу подписчиков или обозначить, что оно уже находится в составе группы; – выход из группы (Leave group) — сообщение, которое посылается абонентом в коммутатор для выхода из группы. Опрос устройств в группе (рассылка запросов) производится для того, чтобы обнаружить отключенные устройства и остановить трансляцию на их адреса. Интересно, что ответ от устройства (отчет) должен прийти в течение определенного промежутка времени. Для каждого устройства этот промежуток выбирается индивидуально, чтобы не было всплеска трафика сразу после опроса. Как правило, коммутаторы имеют не очень быстродействующий процессор, поэтому не способны обработать все сообщения одновременно. По умолчанию время отклика не должно превышать 10 мин. Этого вполне достаточно, чтобы все устройства успели заявить о своем членстве в группе подписки.

ARP

Если устройства, входящие в сеть Ethernet, подключены к интернету, то у них имеется два адреса: IP и MAC. Соответственно, может возникнуть ситуация, когда требуется передавать данные между сетями IP и Ethernet или серверу известен только IP-адрес устройства. На этот случай у каждого IP-устройства есть

На транспортном уровне передача по AoIP реализуется с помощью протоколов UDP, поскольку в критических ко времени приложениях лучше потерять данные, нежели ждать задержавшийся пакет (как это происходит в TCP). Протоколы UDP позволяют быстро передавать данные, минуя процедуру установления связи с приемником. Обнаружение и исправление ошибок также не предусмотрены в протоколе. Таким образом, протоколы UDP максимально упрощены для обеспечения максимальной скорости передачи. Они отлично подходят для групповых рассылок в IP-сетях. Протоколы TCP для групповых рассылок не применяются, поскольку ситуация, когда один абонент из группы потерял пакет, может привести к приостановке передачи всем устройствам на некоторое время. Кроме того, TCP имеет много полезных, но ненужных или избыточных для локальных аудиосетей возможностей: функции управления скоростью, механизмы восстановления данных (если сеть спроектирована правильно, пакеты не теряются), службы восстановления (аудиопоток достаточно устойчив к ошибкам). Кроме того, ТСР устанавливает связь типа «точка-точка». Таким образом, использование его для передачи звуковых потоков возможно, но не оправдано. В качестве надстройки над UDP обычно используются протоколы реального времени RTP. Они лишены изъянов ТСР и обеспечивают только необходимый минимум требуемых для AoIP функций: установка временных отметок, нумерация пакетов, идентификация методов кодирования.

QOS

Мы уже вскользь затрагивали вопрос о качестве передачи звукового потока. Если ЛС используется не только для передачи аудиопотока, то необходимо принять меры, чтобы звуковые данные передавались без прерывания.

Эти меры охватывают все уровни системы и состоят из следующих компонентов: – коммутаторы Ethernet, позволяющие каждому абоненту сети иметь доступ ко всей полосе пропускания. Они разделяют трафик между портами и управляют передачей; – полнодуплексные соединения, обеспечивающие всю ширину полосы в обоих направлениях. Они позволяют предотвратить возникновение коллизий без применения соответствующих механизмов Ethernet; – система приоритетов. Аудиопоток всегда должен иметь самый высокий приоритет, чтобы он не прерывался; – протоколы IGMP, гарантирующие, что поток AoIP транслируется только на те порты, на которых есть абоненты, входящие в группу подписчиков. Это позволяет избежать передачи лишнего трафика; – ограничение количества потоков в соединении. Устройства управляют как передаваемыми, так и принимаемыми аудиопотоками. Таким образом, им всегда известно общее количество потоков и они могут ограничивать его, чтобы избежать перегрузки линии. Все эти факторы позволяют достигнуть высочайшего качества обслуживания аудиопотока и в то же время предоставляют возможность использовать ресурсы ЛС для совместной передачи всех типов данных.

VoIP

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

26

Интернет, в отличие от ЛС, — это открытая расширяемая сеть. Преимущество глобальной сети заключается в ее повсеместном распространении, а недостаток — в ненадежности. Передача потоковых данных, в том числе звуковых и голосовых, через интернет или другие IP-сети происходит по тому же принципу, что и по локальным сетям, но с использованием других протоколов. Любое устройство, подключенное к интернету, использует систему имен DNS (Domain name system — система доменных имен). Она преобразует текстовые названия доменов в IP-адреса. В системе DNS функции распределения и присвоения домен-

WWW.ELCP.RU

ных имен и привязки этих имен к IP-адресам выполняются не одним устройством, а разделены между большим числом серверов. Каждому ответственному (authoritative) серверу приписывается ограниченный набор доменов. В свою очередь, ответственные серверы могут назначать другие серверы имен для субдоменов. Такое построение делает систему отказоустойчивой. Чтобы запросы не проходили весь путь от пользователя до ответственного или корневого сервера, все удаленные DNS-серверы, встречающиеся на пути, кэшируют проходящие через них запросы. Это позволяет разгрузить сервер и снизить сетевой трафик. Кроме своей основной задачи — нахождения доменов в интернете — DNS-серверы способны идентифицировать машины внутри локальной сети. Это может потребоваться в том случае, когда внешнему пользователю, не прописанному в сети, требуется найти определенного абонента ЛС. ПРОТОКОЛЫ ДЛЯ IP-СЕТЕЙ

Протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) позволяет IP-устройствам получить конфигурацию от сервера автоматически без введения пользователем IP-адреса, шлюза, маски подсети и адреса DNS. При подключении клиентское устройство рассылает по своей подсети запрос, в ответ на который сервер присваивает ему адрес и высылает сообщение, содержащее MAC-адрес (физический) устройства, присвоенный сервером IP-адрес, маску подсети, срок обслуживания и IP-адрес DHCP-сервера. Как и в сети Ethernet, в IP-сетях поддерживается три варианта пересылок: индивидуальные, групповые и широковещательные. Для инициирования широковещательной IP-рассылки устройство должно направить пакет на адрес 255.255.255.255 (адрес, зарезервированный в подсети для широковещательной рассылки). Для групповых передач существует свой зарезервированный адрес. Подписка на многоабонентскую рассылку в IP-сетях производится таким же образом, как и в локальных, через протокол IGMP.

Запрос от абонента направляется в ближайший IP-маршрутизатор, который производит все необходимые процедуры формирования соединения с другими IP-маршрутизаторами. При этом протокол IGMP используется только между устройством и ближайшим маршрутизатором, а между роутерами дерево передачи строится по протоколам PIM (Protocol Independent Multicast) или DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol). Как ни странно, групповые IP-рассылки до сих пор не получили широкого распространения в интернете из-за сложностей взаимодействия между провайдерами. В частности, это объясняется финансовыми причинами: когда потоковые данные передаются индивидуально, объем трафика (соответственно, плата за услуги) увеличивается. Для защиты сети от нежелательного или вредоносного трафика используются межсетевые экраны (брандмауэр, Firewall), которые могут представлять собой как отдельное устройство, так и встраиваемый в маршрутизатор модуль. Самые современные межсетевые экраны обеспечивают фильтрацию на уровне приложений, то есть они способны распознать определенные нежелательные программы и протоколы, которые проникли в сеть. Для объединения различных типов сетей (ЛС, беспроводная, интернет) применяется транслятор сетевых адресов (NAT — network address translator). Он содержит в себе IP-маршрутизатор, коммутатор Ethernet и приемопередатчик Wi-Fi. С помощью такого устройства можно подключить к интернету под одним IP-адресом несколько машин, невидимых для злоумышленника. Кроме того, трансляторы NAT являются очень хорошими межсетевыми экранами, что значительно повышает защищенность данных.

ЛИТЕРАТУРА 1. Введение в Livewire//www.axiaaudio. com.

2. Church, Pizzi. Network Engineering for Audio Engineers//www.audiodesignline.com/ howto/222600129.

3D-ТЕХНОЛОГИИ ВАЛЕРИЙ НИКИФОРОВ, техн. консультант, «ИД Электроника» В статье кратко описаны основные походы к созданию и воспроизведению трехмерного видео. Выделены достоинства и недостатки каждой технологии. Рассмотрены стандарты передачи цифрового 3D-сигнала.

3D-ОЧКИ

На заре трехмерного видео просмотр 3D-фильма был невозможен без специальных очков или шлема. Из-за громоздкости шлемы в настоящее время не используются, а технологии изготовления очков продолжают развиваться, несмотря на то, что активно ведутся разработки 3D-дисплеев, в которых трехмерное изображение создается без использования дополнительных устройств. Существует несколько видов очков для просмотра трехмерного видео (см. рис. 1). Анаглиф, или красно-голубые очки. Трехмерный эффект создается за счет использования красных и синих фильтров, которые позволяют мозгу проводить различие между изображениями для правого и левого глаза в пределах одного кадра. Достоинства: низкая стоимость. Недостатки: цветовые фильтры существенно уменьшают количество света, достигающего глаз зрителей, и ухудшают цветовую гамму изображения. Кроме того, эта технология не позволяет абсолютно изолировать изображения, в результате чего каждый глаз видит часть изображения, предназначенного для другого глаза. Это вызывает головную боль и утомление. Очки с пассивной поляризацией. Изображения для каждого глаза имеют разную поляризацию. Соответственно, линзы очков пропускают только «свое» изображение. Качество получаемой картинки зависит от того, насколько

прямо и неподвижно зрители держат голову. Эти очки также уменьшают количество света, который попадает в глаза, однако они не искажают цветность изображения. Очки с ЖК-затвором. Изображения для левого и правого глаз воспроизводятся на экране поочередно. При этом затворы на стеклах очков закрывают то правый, то левый глаз, чтобы в каждый момент мозг воспринимал только одно изображение, а потом складывал их в трехмерную картину. Среди технологий, основанных на применении очков, наиболее перспективной считается именно эта. Синхронизация работы затворов и дисплея осуществляется посредством ИК-сигнала, который передается одновременно с видео. Вместо ИК может использоваться радиочастотный сигнал, интерфейс Bluetooth или проводное соединение. Недостатком очков с затвором является то, что они работают от аккумулятора, который придется постоянно подзаряжать. С другой стороны, аккумулятор мал (как батарейка для часов) и почти не утяжеляет конструкцию. Преимущества же технологии огромны, поскольку активные очки позволяют смотреть видео высокой четкости с полноценной прогрессивной разверткой 1080p, в то время как пассивные очки с поляризацией при прочих равных условиях позволили бы смотреть видео с вдвое меньшим разрешением (1080i). У всех очков есть общие недостатки: они индивидуальны и, кроме того, имеют стандартные размеры и могут не подойти конкретному человеку по какому-либо параметру (межзрачковое

расстояние, расстояние до экрана, угол обзора и пр.). Преобразование информации из 2D в 3D может проводиться программно методами математической графики или в режиме реального времени на процессоре, который прилагается в виде небольшого устройства в комплекте с очками. Более традиционные схемы захвата видеоизображения требуют установки двойных объективов и двойных устройств хранения данных.

3D-ДИСПЛЕИ

Дисплеи для просмотра трехмерного видео делятся на две большие группы: требующие и не требующие дополнительных устройств (очков, шлемов). Некоторые ЖК-дисплеи имеют встроенные поляризованные фильтры, расположенные в начале каждой строки дисплея. Этот фильтр вырезает строки, предназначенные для одного из глаз. Главный недостаток такого подхода заключается в том, что вертикальное разрешение экрана уменьшается вдвое. Однако этот эффект можно отключить, и мы получим 2D или 3D, переведенное в 2D. 3D-дисплеи, не требующие очков, условно можно подразделить на 3 группы: 1. Стереоэкраны.

2. Голографические.

3. Волюметрические. Стереоэкраны. Работа стереодисплеев основана на создании так называемого параллаксного барьера. Как известно, воспринимаемая человеком объемная картина формируется моз-

27 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

Хотя идея появилась давно, до сих пор не существует полноценной технологии создания и воспроизведения 3D-видео. Разработки, существующие на сегодняшний день, остаются слишком дорогими для массового рынка. В связи с этим основным средством просмотра 3D-контента в ближайшее десятилетие будут привычные 2D ЖК-дисплеи либо 3D-дисплеи с воспроизведением в режиме 2D. В основе всех технологий создания объемного эффекта лежит одна и та же исходная предпосылка: для каждого глаза создается свое, скорректированное в перспективе изображение. Эти изображения воспроизводятся либо одновременно, либо поочередно так, чтобы это было незаметно для глаза, а мозг сам соединил их в один кадр.

Рис. 1. Очки для просмотра трехмерного видео

Электронные компоненты №4 2010

Рис. 2. 3D-дисплеи

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

28

гом путем наложения изображений, видимых каждым глазом. Этот эффект называется параллаксом. В стереоэкране все пикселы поделены на «левые» (четные) и «правые» (нечетные). С помощью специальной маски на каждый глаз выводятся только предназначенные для него пикселы. Параллаксный барьер — это не линия на экране, а воображаемая плоскость, проходящая перпендикулярно его центру. Таким образом, если глаз начинает видеть соседнюю область, эффект исчезает. Стоит наклонить голову, чуть подвинуться в сторону, как объемное изображение становится плоским. В некоторых случаях возникает головная боль, если правый глаз начинает видеть картинку для левого. Можно принять меры по улавливанию движения зрителя, но пока они малоэффективны, зато вдвое увеличивают и без того слишком высокую стоимость дисплея. Второй недостаток стереодисплеев — уменьшение разрешения. Достоинством же технологии является то, что она позволяет воспроизводить двухмерный контент. Несмотря на очевидные недоработки, стереодисплеи становятся все популярнее. Так, компании NEC, Samsung и Sharp разрабатывают мобильные телефоны и ноутбуки со стереодисплеями, которые пользуются стабильным спросом. Автостереоскопические дисплеи (см. рис. 2). Принцип их работы основан на применении лентикулярных растровых линз, представляющих собой лист бесцветного экструдированного пластика, на одной стороне которого вытиснено микрорифление (лентикулы). Другая сторона, на которую проецируется изображение, остается гладкой. Наложение этих линз на плоскую картинку позволяет глазу одновременно видеть перемежающиеся части составного изображения. Практически все серийно выпускаемые сегодня 3D-мониторы относятся к категории стереодисплеев. Некоторые компании, например 4D-Vision, пытаются создать даже мультидисплеи, которые имеют не один, а несколько параллаксных барьеров. В этом случае фильм могут одновременно просматривать несколько человек. Перемещаясь по горизонтали, зритель должен видеть все более удаленные от центральной точки ракурсы. Эффект трехмерности гораздо более ста-

WWW.ELCP.RU

билен, к тому же появляется возможность «оглядывания» объекта. Однако при данном подходе разрешение уменьшается еще сильнее. Если разделить экран с горизонтальным разрешением 1024 пиксела на 5 частей (меньше не имеет смысла), то каждое изображение будет иметь ширину только 209 пикселов. Эту проблему успешно решили с помощью голографических оптических элементов (Holographic Optical Elements — HOE), каждый из которых закрывает 1 пиксел и направляет проходящий свет в одном из заданных направлений. Элементы, формирующие столько различных направлений, сколько нужно ракурсов, объединяются в паттерн, повторяющийся по всей поверхности экрана. Для получения четырех ракурсов достаточно группы 2×2 пиксела, для 9 ракурсов — 3×3. Однако преодолев один барьер, разработчики тут же уперлись в два других. Во-первых, монитор с HOE пригоден только для вывода трехмерного видео и графики; отключить элементы нельзя. Второе и более серьезное препятствие — создание контента. Действительно, снять 9-ракурсный видеофильм — задача нетривиальная. Кроме того, необходимое для этого оборудование будет стоить баснословно дорого, не говоря уже о производительности, которую должны будут иметь процессоры для обработки видеопотока. Голографические дисплеи. Идеальным методом получения реалистичного 3D-изображения считается полная амплитудно-фазовая голограмма. Однако на нынешнем уровне развития электроники этот путь безумно сложен и дорог. Тем не менее, разработки в области создания голографических дисплеев продолжаются. Одно из наиболее интересных направлений — киноформная оптика, или фазовые голограммы. Киноформ — тонкая фазовая синтезированная голограмма, которая несет однозначную информацию о фазовой составляющей объектной волны и позволяет восстанавливать ее при освещении опорной волной. В отличие от обычных оптических линз, оптическая толщина киноформа соизмерима с длиной волны света, что позволяет создавать практически плоские элементы. На практике фазовые диаграммы можно получить с помощью жидких кристаллов с вертикально выращенными углеродными нанотрубками. Многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT — multi-wall carbon nanotube) играют роль трехмерной электродной структуры. Другой подход — получение голографического изображения с помощью проекционных ЖК-матриц, которые используются в современных видеопроекторах.

Предпринимаются также попытки создать дисплей, на котором голограмма формируется с помощью луча лазера, проходящего через кристалл. На кристалл подаются интерференционная картинка и акустические колебания, заставляющие проецируемое изображение «поворачиваться» последовательно всеми гранями к плоскости фокусирующей линзы. Пройдя через систему вращающихся зеркал, луч попадает на выходной каскад, состоящий из линз и рассеивающих экранов, и достигает глаз зрителя. Несмотря на успехи в развитии голографических дисплеев, их выход на рынок произойдет не скоро. Во-первых, этому мешают их огромная стоимость и сложность изготовления. Во-вторых, даже при воспроизведении статичного изображения процессор должен обрабатывать несколько гигабайт в секунду. Полноценное движущееся изображение потребует на порядок большего объема вычислений, что пока недостижимо. Волюметрические дисплеи. Свое название этот тип дисплея получил от воксела — светящейся в пространстве точки, в отличие от пиксела — светящейся точки на плоскости. Все рассмотренные до этого варианты рассчитаны на «обман» глаз и мозга. На плоской поверхности прорисовывается изображение, воспринимаемое зрителем как объемное. Волюметрические дисплеи в общем случае представляют собой стеклянную сферу на подставке, внутри которой создается реальная 3D-картина. Она может формироваться двумя методами — проекции и засветки. В первом способе внутри стеклянной сферы располагается светодиодный экран сложной формы. Вращаясь с большой скоростью вокруг своей оси и зажигая в нужных местах вокселы, он создает изображение, как в «волшебном шаре». В случае использования второго метода экраном служит непрозрачный вращающийся элемент или зеркало, вокселы на котором засвечиваются трехцветным (RGB) лазером. Сложность заключается в создании такого экрана, на который можно спроецировать точку в любом месте сферы. В большинстве случаев используется что-то наподобие сегмента конусообразного сверла или витка спирали. Подобный монитор разработан, например, в рамках проекта FELIX 3D. В каждый момент формируется изображение только 1 воксела, а всего за один оборот — около 10 000 вокселов (при скорости вращения экрана 20 с–1). Компания Actuality Systems использует в модели Perspecta плоский 10-дюймовый экран, вращающийся вместе с системой зеркал для проецирования изображения размером 768×768 пикселов. При максимальном разрешении изобра-

ЭФФЕКТ ПУЛЬФРИХА

Все рассмотренные нами подходы основывались на создании разных изображений для правого и левого глаз. Однако трехмерное изображение можно получить и с помощью одного изображения, использовав эффект Пульфриха. Это оптическая иллюзия,

основанная на том, что мозг распознает темные оптические раздражители дольше, чем светлые. Одно стекло в очках затемнено. Хотя оба глаза видят одну и ту же картинку, затемненное изображение поступает в мозг немного позже. В результате мозг «придумывает» информацию о глубине, которой на самом деле нет. К сожалению, данный эффект работает только для движущихся объектов. С другой стороны, достоинство подхода заключается в том, что видеоконтент можно просматривать как с очками, так и без них — в обоих случаях зритель видит нормальную картинку, только она будет либо плоской, либо трехмерной. РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

При передаче двух изображений по каналу, рассчитанному на 2D-сигнал, всегда приходится поступаться разрешением изображения, скоростью смены кадров или глубиной цвета пиксела. Один из подходов предполагает поочередное воспроизведение кадров для левого и правого глаз. Для просмотра потребуются очки с затвором, который синхронно закрывает то правый, то левый глаз. Второй, более распространенный подход — одновременная передача двух изображений в одном кадре. Изображения располагаются рядом друг

с другом по горизонтали или вертикали, чересстрочной разверткой или блоками в шахматном порядке. Воспринимаемая зрителем картина при этом имеет вдвое меньшее разрешение по горизонтали или вертикали. Кроме того, ПО, установленное на принимающем устройстве, должно поддерживать выбранный формат представления кадра. СТАНДАРТ HDMI

High-Definition Multimedia Interface (HDMI) — стандарт передачи многоканальных цифровых аудиосигналов и цифровых видеосигналов с высоким разрешением. Поддержка 3D-видео появилась в HDMI начиная с версии 1.4. В марте текущего года была одобрена версия HDMI 1.4а с расширенной поддержкой 3D-изображения. Стандартом HDMI 1.4а определены следующие 3D-форматы: Одно изображение в кадре: – 720p с частотой 50 или 60 Гц; – 1080p с частотой 24 Гц. Два изображения в кадре: – 1080i с частотой 50 или 60 Гц (горизонтальная развертка); – 720p с частотой 50 или 60 Гц (вертикальная развертка); – 1080p с частотой 24 Гц. Заметим, что несмотря на отсутствие полноценной поддержки 3D в некоторых случаях интерфейс HDMI 1.3 может использоваться для передачи трех-

Электронные компоненты №4 2010

29 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

жение рисуется в 8 цветах (3 бита). Для формирования картинки используется сигнальный процессор Texas Instruments производительностью 1600 MIPS. Объем встроенного буфера, предназначенного для хранения двух кадров — 6 Гбит. На сегодняшний день только волюметрические дисплеи получили реальное воплощение. Они применяются в аэропортах и диспетчерских службах, позволяя без искажений видеть реальную картину с углом обзора 360° по горизонтали и 250...270° по вертикали. Наконец, нельзя не упомянуть перспективную 3D-технологию на активноматричных органических светодиодах AMOLED (Active-matrix Organic Light Emitting Diode). В них каждый пиксел является активным источником света, так что ему не требуется дополнительная подсветка. Кроме того, AMOLED-дисплеи обладают широким охватом цветовой гаммы и экономичны. К сожалению, пока такие дисплеи слишком дороги и имеют короткий срок службы, и до коммерциализации этой технологии пока далеко.

Таблица 1. Рынок 3D-дисплеев и телевизоров в США (прогноз DisplaySearch) Год Дисплеи, млн. шт. Телевизоры, млн. шт. Дисплеи, млн. долл. Телевизоры, млн. долл.

2009 0,75 0,2 346 292

2010 2,4 1,2 920 778

мерного видеоконтента. Стандартом предусмотрены два типа кабелей: категории 1 и категории 2. Первый способен передавать данные со скоростью от 2,25 Гбит/с, то есть нельзя заранее утверждать, что его пропускной способности не хватит. Кабель категории 2 поддерживает скорость передачи до 10,2 Гбит/с. Этого вполне достаточно для воспроизведения без сбоев. Стандартом HDMI 1.4 предусмотрены опциональные возможности, такие как канал возврата аудиосигнала или подключение к Ethernet. Основными разработчиками и производителями решений с поддержкой HDMI являются компании Intel, AMD, nVidia, Panasonic, Analog Devices, Texas Instruments, Broadcom, Silicon Image, STMicroelectronics, NXP Semiconductors, Analogix Semiconductor, Gennum, MStar Semiconductor, Parade Technologies, RedMere Technology, TranSwitch и Zoran. СТАНДАРТ FULL HD 3D

Для передачи несжатого сигнала Full High Definition 3D (FHD3D) необходим плеер 3D Blu-ray, подключенный через интерфейс HDMI к телевизору. Сигнал FHD3D передается со скоростью 6,75Гбит/с. Напомним, что максимальная скорость передачи, разрешенная стандартом HDMI 1.4, составляет 10,2 Гбит/с, как и в HDMI 1.3. Как показано на рисунке 3, сдвоенный кадр FHD3D имеет разрешение 1920×2205 пикселов. Это два расположенных друг под другом стандартных кадра 1920×1080 для левого и правого

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

30

Рис. 3. Сдвоенный кадр FHD3D

WWW.ELCP.RU

2011 7,5 4,1 2565 2129

2012 19,1 9,1 4844 3977

2013 35,6 16,0 7564 6223

2014 58,2 25,4 11020 9136

глаз, разделенные полосой гашения, содержащей 1920×45 пикселов. Преимущество стандарта FHD3D в том, что он первый и пока единственный совместим с дисплеями, не поддерживающими FHD3D. Это важно, поскольку многие убеждены, что существующие ЖК-дисплеи с частотой развертки 120 или 240 Гц необходимо дорабатывать, чтобы они смогли отображать видео формата Blu-ray FHD3D. На самом деле для этого достаточно просто поставить преобразователь, хотя разрешение кадра ухудшится до 960×1080 пикселов для каждого изображения. По планам Mitsubishi, такие адаптеры появятся в продаже уже этой весной. Все плееры 3D Blu-ray воспроизводят FHD3D-контент со скоростью 24 кадра/с. В ЖК CCFL-дисплеях с задней подстветкой сигнал FH3D HDTV преобразуется в два кадра (левый и правый), который попеременно отображаются с частотой 240 Гц (синхронно с затвором очков, который дает 120 изображений в секунду для каждого глаза). Во всех существующих плазменных дисплеях сигнал 3D Blu-ray преобразуется из двойного вертикального кадра в последовательные с частотой 120 Гц, по 60 изображений для каждого глаза. Вместе с развитием аппаратных средств воспроизведения разрабатываются стандарты 3D-кодирования. Уже используется расширение Multiview Video Coding (MVC) к стандарту MPEG-4 H.264 AVC, который принят Ассоциацией Blu-ray disc в качестве рабочего 3D-формата благодаря

2015 84,8 36,2 14584 12108

2016 112,6 45,8 17296 14179

2017 144,9 53,7 19349 15423

2018 195,9 64,0 22034 16925

полноценной обратной совместимости с традиционными 2D плеерами Blu-ray.

MVC кодирует два синхронных потока видео высокого разрешения, которые предназначены для просмотра правым или левым глазом соответственно. Синхронизация этих двух потоков осуществляется с помощью стереоскопических очков. Для обеспечения работы стандарта 3D HDTV в настоящее время ведется разработка расширения кодека MVC, называемого MVD (Multiview Video Depth) или 3DV. В MVD предусмотрено кодирование 12 дополнительных слоев, обеспечивающих создание многоуровневого трехмерного изображения. РЫНОК

Что касается перспектив развития мирового рынка 3D-телевизоров, маркетинговая компания DisplaySearch дает на этот счет такой прогноз: в 2010 г. количество моделей с маркировкой «3D ready TV» вырастет до 1,2 млн с 200 тыс. штук в 2009 г. В таблице 1 приведен прогноз DisplaySearch отдельно для рынка США. Ведущие производители телевизоров, такие как Samsung Electronics, LG Electronics, Sony и Panasonic, уже вступили в борьбу за долю рынка трехмерного видео. Так, одной из первых компаний, уже объявивших о начале серийного производства панелей для 3D-телевизоров, стала Samsung Electronics. Во второй половине января компания обнародовала пресс-релиз, в котором было объявлено о подготовке к массовым поставкам трехмерных ЖК-телевизоров как с традиционной, так и со светодиодной подсветкой. Первоначально компания планирует выйти на рынок с 3D Full-HD панелями диагональю 40, 46 и 55 дюймов. Для просмотра 3D-контента потребуются активные 3D-очки с затвором. ЛИТЕРАТУРА 1. Dipert, Brian. «Balancing in three dimensions»//EDN, 27 апреля 2000 г., стр. 54.

2. Fremer, Michael. «3D HDTV and HDMI explained»//HD Guru, 22 февраля 2010 г.

3. www.hdmi.org 4. Dipert, Brian. «Coming soon: 3-D TV»// EDN, 8 апреля 2010 г.

5. Кириллов К. «Дисплеи XXI века. 3D — экраны».

6. Романченко В. «IT-Байки: будущее 3D видео — за жидкими кристаллами»// www.3dnews.ru/editorial/it_3d_liquid.

НОВЫЕ СТАНДАРТЫ IEEE 802.1: ЕДИНАЯ СЕТЬ ДЛЯ ВСЕХ ТИПОВ ДАННЫХ РОБЕРТ БОУТРАЙТ, инженер В статье описаны протоколы передачи аудио- и видеопотоков по линиям Ethernet.

СТАНДАРТЫ IEEE 802.1

Рассмотрим более подробно основные стандарты IEEE 802.1 AVB. IEEE 802.1AS Precision Time Protocol (PTP) — протокол установки точного времени. Разработан на основе стандарта синхронизации IEEE 1588:2002.2. Устройства PTP обмениваются стандартными сообщениями Ethernet, чтобы синхронизировать работу всех узлов сети и привязать их к общей шкале времени. В протоколе определены алгоритмы выбора главных (master) часов, порядок обмена сообщениями, механизмы измерения и компенсации задержки на линии, методы коррекции скорости. Изначально протокол PTP создавался как упрощенная версия IEEE 1588. Принципиальная разница между ними заключается в том, что протокол PTP относится к уровню 2 модели OSI, это не IP-протокол. Как и IEEE 1588, PTP определяет автоматический метод ведения переговоров главных часов сети и алгоритм выбора лучших ведущих часов (BMCA — best master clock algorithm).

По качеству тактирования узлам PTP можно назначить один из восьми уровней приоритетности. Алгоритм BMCA определяет основные механизмы переговоров, в процессе которых выявляется эталонное синхронизующее устройство сети — AVB LAN Grandmaster. Как только оно будет выбрано, процесс синхронизации начнется автоматически. Вкратце процедура выглядит следующим образом. Пока сообщение РТР обрабатывается узлом 802.1AS, протокол PTP Ethertype запускает процесс выборки значения локального счетчика, работающего в режиме реального времени (RTC). Подчиненные узлы (slave) сравнивают показания своего времени и эталонного. Учитывая задержку на линии, они корректируют показания. После того как все устройства настроят счетчики, производится регулировка скорости передачи. Для этого периодически высылаются сообщения SYNC и FOLLOW_UP. Таким образом, все PTP-узлы синхронизованы с эталонными часами (Wall Clock, «настенные часы») с точностью 1 мкс на отрезке, содержащем не более семи сегментов сети.

IEEE 802.1Qat Stream Reservation Protocol (SRP) — протокол резервирования ресурсов. Стандарты Ethernet не предусматривают детерминированную и приоритетную передачу критичных ко времени потоков. Для обеспечения гарантированного качества обслуживания протокол SRP предоставляет сквозную доступность полосы пропускания для передачи аудио- или видеоданных. Для других данных канал остается заблокированным до тех пор, пока не будет явно или неявно освобожден от потоковых данных. В стандарте SRP для передачи запросов описания потока, запросов резервирования канала и ответных сообщений используется протокол обмена IEEE 802.1ak Multiple Registration Protocol. Протоколы SRP могут резервировать и защищать до 75% имеющихся ресурсов выбранного канала сети в т.н. защитном облаке (Defended Cloud).

IEEE 802.1Qav Queuing and Forwarding Protocol (Qav) — протокол установки очередности. Он следит за тем, чтобы наследственный асинхронный трафик не попадал в потоковые данные AVB. Большая часть протокола реализуется внутри коммутаторов Ethernet, но некоторые требования предъявляются и к источникам медиаданных. Для наглядности рассмотрим устройство, посылающее аудиопоток в сеть. В процессе обработки (захват, оцифровка и отправка в сеть) аналоговый звуковой сигнал делится на изохронные блоки. Такие сигналы удовлетворяют всем требованиям стандарта 802.1Qav и подходят для передачи по сети AVB. Проблемы возникают при работе с неизохронными потоками. Например, по каналу Gigabit Ethernet невозможно осуществлять передачу со скоростью, превышающей 1 Гбит/с. В связи с этим в сетях AVB гарантируется пересылка потоков со скоростью до 750 Мбит/с, а оставшиеся 250 Мбит/с предназначены для асинхронных данных. Протокол 802.1Qav определяет соотношение, в котором должен быть поделен канал между потоковыми и асинхронными данными, а также приоритетность каждого типа данных в коммутаторах Ethernet AVB. Ранее это выполнялось с помощью буферов для сглаживания скачков трафика, однако это очень затратный путь. Стандарты AVB снижают стоимость сети как раз за счет отказа от буферной памяти, гарантируя задержку не более 2 мс на участке в семь сегментов сети. Более строгое определение стандарта 802.1Qav дано на сайте организации IEEE: «Этот стандарт позволяет мостам гарантировать передачу чувствительного ко времени и потерям аудио- или видеопотока в режиме реального времени. Он устанавливает приоритетность входных потоков и очередность обработки критических ко времени данных, а также отвечает за восстановление приоритетов. Этот стандарт использует ту же шкалу времени, что и IEEE 802.1AS. Для разделения управ-

Электронные компоненты №4 2010

31 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

Разработка стандарта IEEE 802.1 по реализации мостов для аудио- и видеопотоков (ABV — audio/video bridging) близится к завершению. Протоколы IEEE 802.1 базируются на технологии Ethernet, но отличаются рядом усовершенствований, позволяющих передавать синхронизованные по времени потоковые данные с малыми задержками. Сети Ethernet используются повсеместно, поэтому их удобно использовать для передачи аудио- и видеосигналов в режиме реального времени. Транспортный протокол IEEE 1722 (AVBTP — AVB Transport Protocol), предназначенный для сетей Ethernet AVB, основан на стандарте IEEE 1394 и поддерживает полный набор медиаформатов и механизмов шифрования и синхронизации, определенных в IEEE 1394. Устройства, поддерживающие интерфейсы AVB и AVBTP, в настоящее время активно выходят на рынок.

других, в т.ч. пока не существующих стандартов. ПОДДЕРЖИВАЕМЫЕ ТИПЫ МЕДИАНОСИТЕЛЕЙ

Рис. 1. Стек протоколов AVBTP

ляемых и неуправляемых очередей используются метки VLAN, содержащие значение приоритета. Это позволяет одновременно работать как с аудио- и видеотрафиком, так и создавать мосты для других типов данных по проводным или беспроводным каналам». ПРОТОКОЛЫ AVBTP

Назначение протоколов AVBTP — обеспечить логическое соединение, пусть и с задержкой, физически удаленных друг от друга кодеков. В более широком смысле стандарт AVBTP разделяет каналы передачи, чтобы создать виртуальное соединение распределенных аудио- и видеокодеков по каналам Ethernet. Рассмотрим стек AVBTP. Как показано на рисунке 1, протоколы AVBTP находятся между стандартом IEEE 802.1 AVB и уровнем приложений. Они выступают в качестве посредника между MACустройствами Ethernet и потоковыми приложениями. Набор поддерживаемых медиаформатов включает в себя как необ-

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

32

Рис. 2. Структура пакета IEEE 1722

WWW.ELCP.RU

работанные, так и сжатые аудио- и видеоданные, в т.ч. I2S, IEC 60958 SPDIF, MPEG2/4, H.264, Bt.601/656 (несжатый) и т.д. По сути, с помощью протоколов AVBTP медиапотоки преобразуются в пакеты IEEE 1722 Ethernet и обратно. При использовании устройств различных производителей необходимо удостовериться в их совместимости. Обычно сравнивается список поддерживаемых медиаформатов, а также структура размещения медиаданных в кадре AVBTP Ethernet. СТРУКТУРА ПАКЕТА

На рисунке 2 показан принцип записи несжатых аудиоданных IEC 61883-6 AM824 в кадр Ethernet. Поле Ethertype служит для уникальной идентификации кадра Ethernet AVBTP. По значению поля Payload Info определяется тип содержимого пакета. Первоначальный вариант протокола поддерживает только стандарт IEC 61883, однако в AVBTP предусмотрена возможность расширения и поддержки

Протоколы AVBTP используют форматы и механизмы синхронизации, указанные в стандарте IEC 61883 и предназначенные для устройств IEEE 1394 FireWire. Перечислим форматы IEC 618837 (части 1—8): – 61883-2 SD-DVCR; – сжатое видео 61883-4 MPEG2-TS; – несжатое аудио 61883-6; – спутниковое ТВ MPEG 61883-7; – видео 61883-8 Bt.601/656; – несжатый формат для технической съемки IIDC. Благодаря тому, что стандарт AVBTP основан IEC 61883, у него появляется значительное преимущество — легкость, с которой шлюзы FireWire встраиваются в сети АVВ. СИНХРОНИЗАЦИЯ

Процесс синхронизации в сети АVВ осуществляется с помощью протокола PTP, который отвечает за настройку хода всех локальных часов в соответствии с эталоном, но не за синхронизацию локальных часов между собой. Важным преимуществом такого подхода является то, что в сети может одновременно существовать нескольких независимых временных доменов, а значит, и несвязанных аудио- и видеопотоков. ВРЕМЕННЫЕ МЕТКИ

AVBTP предполагает, что локальные часы узлов тактируются самовозбуждающимися осцилляторами. Кроме того, предполагается, что внутренние часы идут в такт с эталонными. Внутренние часы узлов сети вставляют свои временные метки AVBTP Presentation

Timestamps в пакет P1722 (см. рис. 2). На рисунке 3 показана взаимосвязь между эталонным временем PTP и временными метками. Метки вставляются не во все пакеты. Частота генерации меток определяется значением поля DBC (счетчик блоков данных) в заголовке AVBTP. Обычно каждая восьмая выборка медиаданных преобразуется в 32-разрядное значение (в течение нескольких нс) и суммируется с нормированным значением задержки. Мы рассмотрим этот процесс позже. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ

При восстановлении синхронизации используется та же процедура, но она выполняется в обратном порядке. Значение поля DBC в заголовке пакета P1722 задает частоту, с какой подчиненные устройства AVB должны восстанавливать фронт синхроимпульса. Механизм восстановления схематично показан на рисунке 4. Один из возможных способов реализации распределенной схемы синхронизации приведен на рисунке 5.

Рис. 4. Восстановление синхронизации НОРМИРОВАНИЕ ЗАДЕРЖКИ

У временных меток помимо основного — восстановления синхронизации, есть и еще одно назначение. По ним приемники медиапотока определяют, когда (по системе времени PTP) они должны выслать полученные аудио- или видеоданные. Этот простой, но эффективный механизм позволяет производить синхронизацию медиапотоков между несколькими узлами. Стандарт AVBTP устанавливает, что конечные точки AVB могут буферизовать до 2 мс медиаданных с целью нормирования задержки (см. рис. 6). При необходимости эта величина уменьшается на прикладном уровне. ЗАЩИЩЕННОЕ ОБЛАКО

33 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

Рис. 3. Выставление временных меток

Рис. 5. Схема синхронизации AVBTP

Электронные компоненты №4 2010

Рис. 6. Нормирование задержки

Рис. 7. Обмен через защищенное облако

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

34

Как мы уже говорили, качество передачи потоковых данных (QoS) гарантируется внутри т.н. «защищенного облака» — объединенной локальной медиасети с поддержкой основных протоколов AVB: IEEE 802.1AS Precision Time Protocol (PTP), IEEE 802.1Qat SRP и IEEE 802.1Qav. Для установки защищенного облака сначала выбираются эталонные часы PTP. Далее с помощью протокола РТР производится синхронизация локальных часов AVB-устройств внутри облака. Вещающие устройства объявляют, какие аудио- и видеопотоки они могут передавать. В ответ принимающие устройства резервируют полосу. На этом этапе передача потоковых данных уже гарантирована. Для потокового трафика внутри облака может быть зарезервировано до 75% любого канала связи. По меньшей мере, пропускная способность сети остается свободной для наследственного трафика на 25%. После установки и синхронизации (погрешность менее 1 мкс) защищенного облака гарантируется, что поток

будет доставлен с задержкой менее 2 мс (на длине в семь сегментов сети). Наследственные устройства могут обмениваться данными через защищенное облако по любому стандартному протоколу Ethernet, однако они всегда имеют самый низкий приоритет (см. рис.7). Доставка данных по таким протоколам как TCP/IP останется гарантированной, но, возможно, займет гораздо больше времени. Тем не менее сеть AVB будет на 100% обратно совместима с существующими сетями Ethernet. ЕДИНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА

По экономическим соображениям, в медиасетях будущего широкое распространение получит только одна технология, скорее всего Ethernet. Во всем мире тысячи разработчиков активно работают над усовершенствованием инфраструктуры Ethernet, в т.ч. над проводными и беспроводными устройствами физического слоя, контроллерами МАС, коммутаторами, схемами резервирования, системами диагностики и

т.д. Рабочие группы IEEE уже активно трудятся над расширением стандартов AVB на беспроводные сети Ethernet. Ведется работа по внедрению медиатехнологий Ethernet в потребительские, профессиональные и автомобильные аудио- и видеосети. Для потребителей сети AVB позволят объединять медиаданные между всеми бытовыми устройствами в квартире или доме. Цифровые видеомагнитофоны (DVR), медиасерверы, сетевые устройства хранения (NAS), радиоприемники AM/FM-диапазонов, а также приемники спутниковых сигналов и т.д. будут располагаться централизованно в одном аппаратном блоке, обслуживающем все медиапотоки. Похожие системы уже довольно хорошо развиты (например, UPnP/DLNA). Использование в них транспортных протоколов AVB позволит расширить сферу применения и сделать их более доступными. Все устройства будут иметь один и тот же разъем RJ45. Профессиональные аудио- и видеосистемы также выиграют от перехода на единую сеть, обслуживающую все три типа информации. Во-первых, существенно снизятся затраты на организацию и эксплуатацию сети. Кроме того, появится централизованное управление, схемы резервирования и диагностики. В автомобильных системах применение Ethernet AVB позволило бы расширить пропускную способность и повысить гибкость. В настоящее время идет разработка автомобильных систем, совмещающих в себе развлекательные и информационные (помощники водителя и пр.) приложения с использованием стандарта. ЛИТЕРАТУРА 1. R. Boatright. Understanding IEEE's new audio video bridging standards//wcww. embedded.com/217201257?pgno=1.

НОВОСТИ ДАТАКОМА | РЫНОК ОБОРУДОВАНИЯ ETHERNET К 2013 ГОДУ ДОСТИГНЕТ 34 МЛРД ДОЛЛ. | По мнению экспертов, мировой рынок Ethernet операторского класса — скромной технологии офисных сетей, используемой сегодня в основных телекоммуникационных сетях, — переживает настоящий бум. По оценкам консалтинговой компании в сфере телекоммуникаций Infonetics Research, мировой рынок оборудования Ethernet операторского класса вырос с 19 млрд долл. в 2008 г. до почти 23 млрд долл. в 2009 г., а к 2013 г. может достичь 34 млрд долл. По данным компании ACG Research, в 2009 г. Cisco принадлежали почти 57% мирового рынка маршрутизаторов и коммутаторов для Ethernet операторского класса. Как бы широко ни распространился Ethernet, по мнению аналитиков, все еще впереди. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССОРА SAMSUNG S3C6410 Статья публикуется в рамках совместного проекта компании Promwad и медиагруппы «Электроника» АНТОН ЖУКОВСКИЙ, инженер-программист, специалист по применению мобильных платформ, компания Promwad Насыщенный рынок электроники диктует жесткие условия производителям комплектующих и компонентов, потому в лидеры удается выбиться лишь избранным, тем, кто наряду с современными технологиями может предложить приемлемое по стоимости решение. Одним из таких решений является процессор S3C6410 от компании Samsung. Его высокая производительность, богатая периферия, набор интерфейсов и контроллеров памяти позволяют разработчикам создавать целый спектр электронных устройств с расширенными мультимедийными возможностями. В размах данной статьи мы рассмотрим характеристики процессора S3C6410 и попробуем разобраться, в каких электронных устройствах он может занять свое достойное место. Особенности постпроцессора S3C6410: – форматы входных и выходных данных — YCbCr420, YCbCr422, RGB565 или RGB888; – работа в режимах DMA (обработанный кадр помещается в память) или FIFO (обработанный кадр помещается сразу в контроллер LCD); – возможность задавать размеры входного изображения до 4096×4096 пикселей, а выходного — до 2048×2048 пикселей; – программируемый коэффициент масштабирования;

– возможность преобразования цветовых пространств YUV в RGB и обратно. В режиме FIFO изображение передается в буфер контроллера LCD напрямую, минуя операции с системной памятью. Выходные данные могут быть представлены как формате YCbCr444, так и в формате 30-битного RGB. В этом режиме возможен вывод видеоданных как в прогрессивной, так и в чересстрочной развертке. В режиме DMA изображение передается из постпроцессора в контрол-

35 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

Семейство процессоров Samsung S3C64xx относится к среднему ценовому сегменту и ориентировано на мобильные устройства и «продвинутые» мультимедийные приложения, которые активно используют аппаратные 2D- и 3D-ускорители. Процессор S3C6410 — базовая модель этого семейства. Итак, S3C6410 аппаратно поддерживает: – MFC (Multi Format Codec); – JPEG; – ускорение 2D- и 3D-графики; – вывод телевизионного сигнала в форматах PAL и NTSC; – интерфейс цифровой камеры; – постобработку изображений и видео, полученных из файлов и камеры; – покадровое вращение и масштабирование; – контроллер LCD — встроенный модуль. Как показано на рисунке 1, для работы с мультимедиа используются встроенные аппаратные блоки. Для ядра процессора эти блоки являются внешними устройствами, и при работе в ОС требуют поддержки на уровне драйверов. ПОСТПРОЦЕССОР S3C6410

Постпроцессор представляет собой специализированный блок для обработки «сырых» графических данных. Как правило, он является промежуточным звеном между источником данных и кадровым буфером. Постпроцессор предназначен для выполнения таких операций над кадрами изображения, как масштабирование, преобразование цветовых моделей и видеоформатов.

Рис. 1. Структура процессора Samsung S3C6410

Электронные компоненты №4 2010

Рис. 2. Отрисовка конечного 2D-изображения

лер LCD через промежуточный буфер в системной памяти, причем входные и выходные данные могут быть представлены в форматах YCbCr420, YCbCr422, RGB565 или RGB888. МОДУЛЬ TV SCALER

Модуль TV Scaler во многом идентичен постпроцессору, по сути, он и является постпроцессором, только предназначенным для обработки кадров, характерных для телевидения. В режиме FIFO выходной поток из модуля TV Scaler может поступать либо в оверлейные окна Window1 и Window2, либо в модуль TV Encoder. КОНТРОЛЛЕР LCD

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

36

Встроенный в процессор S3C6410 LCD-контроллер предназначен для передачи данных из постпроцессора или кадрового буфера, расположенного в системной памяти, в интерфейс внешнего LCD. Контроллер LCD поддерживает: – до 5 оверлейных окон (Window0 … Window4), которые, в свою очередь, поддерживают различные форматы цвета; – генерирование сигналов синхронизации; – 16-уровневое альфа-смешивание; – прозрачность по цветовому ключу; – собственные координаты; – плавную прокрутку по горизонтали и вертикали с шагом 1 пиксель; – изменение размеров. Перечисленные возможности позволяют организовать гибкий графический интерфейс в соответствии с нуждами потребителя. Например, система может использовать Window0 для полноэкранного просмотра ТВ, Window1 — как небольшое окно с предварительным просмотром другого ТВ-канала, Window2 — как системное меню, Window3 — для вывода названия канала и Window4 — для вывода информации о канале.

Особенности оверлейных окон иллюстрирует таблица 1. При одновременном использовании окна отображаются в порядке убывания, т.е. при отсутствии прозрачности Window4 будет иметь наибольший приоритет и перекроет остальные окна. Такой же приоритет окон сохраняется и при использовании цветового ключа, который должен быть задан в формате RGB888. ПОДДЕРЖКА 2D-ГРАФИКИ

Модуль поддержки 2D-графики обладает следующими возможностями: – рисование линий и точек; – ускорение операций BitBlt (преобразование блока пикселей, наподобие переключения страниц в DirectDraw); – ограничение окна; – поворот на угол, кратный 90 градусам, и зеркальное отображение; – попиксельное альфа-смешивание с 256 градациями; – рисование пользовательского узора размером 8×8 пикселей и глубиной цвета 16 бит; – поддержка глубины цвета 16, 24 и 32 бита. Внутренним форматом модуля является ARGB8888, и все данные, поступающие в модуль, преобразуются в этот формат, а после обработки и перед помещением в кадровый буфер снова преобразуются в пользовательский формат. На рисунке 2 показана последовательность отрисовки конечного изображения. На этапе Рисование примитива определяются пиксели, над которыми производится одна из операций: рисование линии/точки, Bit Block Transfer — преобразование прямоугольного блока пикселей, Color Expansion — разбиение монохромного изображения на цвета переднего плана (foreground) и фона (background). Этап Вращение предполагает вращение на угол, кратный 90 градусам, и зеркальное отображение. Этап Обрезка позво-

ляет отсечь часть изображения, получившегося после вращения. Исходное изображение заключается в прямоугольную область, и все не поместившиеся области игнорируются при последующей обработке. На этапе Проверка стенсила производится анализ каждого пикселя на предмет соответствия цветовому диапазону. Если цвет пикселя укладывается в заданный диапазон, он продолжает обрабатываться, в противном случае — отсекается. Этот этап можно пропускать. На этапе Растровые операции производятся логические операции над тремя операндами: источником, конечным результатом и 8-битным пользовательским значением. Третьим операндом может быть фон либо узор размером 8×8 пикселей в формате RGB565. И наконец, этап Альфа-смешивание смешивает цвета источника и результата в кадровом буфере для получения нового результирующего цвета с 256 градациями прозрачности. ПОДДЕРЖКА 3D-ГРАФИКИ

Поддержка ускорения трехмерной графики является одной из наиболее востребованных возможностей любого современного процессора на рынке потребительских устройств. Процессор Samsung S3C6410 обладает следующими возможностями: – аппаратная поддержка OpenGL ES 1.1 и ES 2.0 (и Direct3D на уровне API); – пиксельный и вертексный шейдеры; – форматы текстур — RGB c 1, 2, 4, 8, 16 и 32 битами на пиксель, YUV422, S3TC; – кадровый буфер, 4096×4096, 16 или 32 бита на пиксель; – 32-битный Z-буфер; – билинейная и трилинейная фильтрация. Подробное описание поддержки 3D-графики выходит за рамки ознакомительной статьи. ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ РАБОТЫ С JPEG

Архитектура процессора предъявляет следующие требования к JPEGизображению в случае декодирования: размер не более 4096×4096 пикселей и последовательное представление данных (sequential JPEG), предполагающее последовательный обход кодированного изображения поблочно: слева направо, сверху вниз. В случае, когда входной файл имеет данные, записан-

Таблица 1. Оверлейные окна Window0 … Window4 Окно Window0 Window1 Window2 Window3 Window4

WWW.ELCP.RU

Форматы цвета 1, 2, 4 или 8 бит на пиксель (с палитрой) 16, 18 или 24 бита на пиксель (без палитры) 1, 2, 4 или 8 бит на пиксель (с палитрой) 16, 18 или 24 бита на пиксель (без палитры) 1, 2 или 4 бита на пиксель (с палитрой) 16, 18 или 24 бита на пиксель (без палитры) 1, 2 или 4 бита на пиксель (с палитрой) 16, 18 или 24 бита на пиксель (без палитры) 1 или 2 бита на пиксель (с палитрой) 16, 18 или 24 бита на пиксель (без палитры)

Источники данных YCbCr (4:4:4) или RGB888 из постпроцессора YCbCr (4:4:4) или RGB888 из TV Scaler YCbCr (4:4:4) или RGB888 из TV Scaler

Рис. 3. Декодирование JPEG-файла и его вывод на LCD

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

38

Рис. 4. Декодирование видеопотока и его вывод на LCD

ные в виде набора сканов, каждый из которых описывает изображение полностью со все большей степенью

WWW.ELCP.RU

детализации (progressive JPEG), декодер может отказаться воспринять такой файл.

Рассмотрим более подробно типичную задачу по декодированию графических файлов в формате JPEG

c выводом на LCD в контексте работы операционной системы: 1. Инициализируется модуль поддержки JPEG при помощи драйвера.

2. Драйвер модуля JPEG выделяет системную память для размещения входного и выходного буферов.

3. Файл JPEG считывается из хранилища и целиком помещается во входной буфер.

4. Посредством обращения к драйверу инициируется процедура декодирования.

5. Декодированные «сырые» данные в формате YUV помещаются в выходной буфер.

6. Постпроцессор обращается к выходному буферу и производит преобразование цветовой модели YUV в RGB. 7. Преобразованное изображение помещается в кадровый буфер. Более наглядно процесс декодирования показан на рисунке 3. ВОЗМОЖНОСТИ MFC

Возможности MFC включают в себя декодирование потоков видеоформатов H.264/AVC baseline profile, H.263P3, VC-1 (Windows Media 9) main profile, MPEG-4 simple profile. Для обеспечения возможностей задействования MFC поток MPEG-4 не должен содержать двунаправленных кадров (B-frames), общей компенсации движения (GMC, global motion compensation) и четвертьпиксельной компенсации движения (Qpel). Также поддерживается кодирование несжатого видео в форматы MPEG-4 simple profile, H.263 P3, H.264/AVC baseline profile и одновременное кодирование одного и декодирование трех потоков. При размерах кадров потоков 640×480 пикселей (VGA) MFC сможет одновременно кодировать и декодировать видео со скоростью до 30 кадров/с. В аналогичном случае, когда размеры кадров составляют 720×480 пикселей (NTSC), скорость обработки будет несколько ниже, и еще ниже она будет при размере кадров 720×576 (PAL). При кодировании видео появляется возможность задействовать модуль поворота/отзеркаливания изображения (PrP rotator/mirror), способный одновременно как поворачивать кадр на угол, кратный 90 градусам, так и менять стороны кадра местами. Такая обработка может быть полезна при кодировании видео, поступающего с модуля камеры. Декодирование может быть осуществлено двумя способами: 1. Используя локальный путь. В этом случае данные из постпроцессора поступают напрямую в контроллер LCD, минуя кадровый буфер. Теоретически это позволяет достичь более высокой производительности, но на практике ускорение практически незаметно. Более того, данный способ привносит 2 ограничения. Во-первых, может быть задействовано только оверлейное окно Window0, во-вторых, поддерживается только 24-битный цвет (RGB888) для выходных данных (см. рис. 4).

2. Используя двойную буферизацию. В этом случае процесс декодирования в целом соответствует рисунку 4, за исключением того, что данные из постпроцессора поступают в контроллер LCD не напрямую, а через кадровый буфер. Как видим, и целой статьи оказалось мало для обзора богатых мультимедийных возможностей процессора Samsung S3C6410. Конечно, эти возможности не осталась незамеченными в среде разработчиков. S3C6410 успешно применяется не только в таких распространенных мобильных устройствах, как смартфоны, но и в автомобильных и навигационных системах; видеопроигрывателях; информационных панелях; мультимедийных пультах управления; портативных игровых приставках; фоторамках и MID-устройствах (Multimedia Internet Device). Тем более что встроенные ускорители графики S3C6410 не ограничивают выбор графических интерфейсов и платформ, позволяя использовать Qt, Google Android, WinCE и многое другое.

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

39

Электронные компоненты №4 2010

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ В ИНФОРМАЦИОННОЙ БОРЬБЕ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ НЕГО ВАЛЕРИЙ ЖИЖИН, вед. инженер-разработчик, ЗАО «Криогенная технология» В связи с появлением и развитием электромагнитного оружия РЧ-диапазона появилось большое количество российских и зарубежных публикаций по этой тематике, посвященных техническим и боевым характеристикам этих систем. Целью данной статьи является систематизация сведений о факторах физического воздействия электромагнитного оружия (ЭМО) средней мощности на электронные системы и о технических средствах защиты от них. Приведены некоторые методики численных оценок воздействия ЭМО, принципиальные электрические схемы защиты электронных устройств и результаты исследования, проведенного автором.

1. ВИДЫ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ЭМО

Радиочастотное электромагнитное излучение (РЧЭМИ) — новое перспективное средство радиоэлектронной борьбы, получившее свое развитие в 90-е гг. прошлого века и продемонстрировавшее способность в высокой степени нарушать функционирование информационных систем. Эффективность использования РЧЭМИ обусловлена высокой плотностью информационных потоков в основных сферах деятельности современных государств по управлению экономикой, производством, обороной страны. Нарушение, даже кратковременное, функционирования информационно-управляющих систем может вызвать тяжелые последствия.

40

Средства радиоэлектронного нападения также могут использоваться злоумышленниками для взлома электронных замков (в т.ч. замков-невидимок!), электронных пломбирующих устройств, для кратковременной блокировки работы электронных объектовых систем безопасности (СКУД и др.) при проникновении на объект. Активные ЭМ-помехи могут использоваться злоумышленниками и при взломе автомобильных охранных систем. Для организации такого рода атак может применяться РЧЭМИ средней мощности (до 1 ГВт в импульсе) трех типов на основе вакуумных электронных трубок с сетчатым катодом — виркаторов [1]; спиральных генераторов частоты с взрывным сжатием магнитного поля (взрывомагнитные генераторы частоты — ВМГЧ) [1] и полупроводниковых генераторов наносекундных помех [2]. Рассмотрим кратко принципы действия этих видов РЧЭМИ.

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

1.1. Виркатор

а)

б) Рис. 1. Блок-схемы виркатора (а) и SOS-генератора (б)

WWW.ELCP.RU

Идея, лежащая в основе виркатора (см. рис. 1а), заключается в ускорении мощного потока электронов сетчатым анодом. Электроны, испускаемые графитовым катодом 1 и проходящие анод 2, формируют за ним облако пространственного заряда 3, которое осциллирует с частотами микроволнового диапазона. Их значение определяется размерами резонансной полости пространственного заряда. Мощность ЭМИ выводится с помощью конической рупорной структуры 4. Уровни мощности виркаторов лежат в диапазоне 500 кВт…3 ГВт в импульсе в диапазоне волн от сантиметрового до дециметрового. Длительность импульса виркато-

ра составляет несколько микросекунд. Излучение виркатора в силу резонансного принципа действия носит узкополосный (1—2% от центрального значения длины волны) и направленный характер (единицы градусов). Габариты виркаторов достигают порядка 2 куб.м. Атаку с применением виркаторов невозможно обнаружить без специальных приборов, поэтому в случае неудачи преступники могут повторить попытку. К недостаткам виркаторов следует отнести, во-первых, узкополосность радиоизлучения и настройку на рабочую частоту атакуемых устройств, что потребует проведения предварительной технической разведки последних, и, во-вторых, относительную сложность и высокую стоимость технологии изготовления.

1.2. Спиральный взрывомагнитный генератор частоты

Принцип действия ВМГЧ основан на прямом преобразовании химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитное излучение. На сегодняшний день (из неядерных) именно химические ВВ имеют максимальную плотность хранения энергии ~10000 Дж/куб.см. Эта величина на 4 порядка больше плотности энергии в щелочном заряженном аккумуляторе и на 5 порядков выше, чем в высоковольтном конденсаторе. Кроме того, два последних типа источников не позволяют за единицы микросекунд преобразовать накопленную энергию в излучение. ВМГЧ состоит из медной трубки, снаряженной ВВ, соосной трубке спиральной обмотки индуктивностью 5…10 мкГн, к которой подключен высоковольтный, предварительно заряженный конденса-

цуг длительностью ~10 мкс с непрерывно меняющейся частотой. Мощность излучения за первые 3 мкс составляет ~240 МВт, за оставшиеся 7 мкс — 6 ГВт.

1.3. Полупроводниковые генераторы наносекундных импульсных помех

Принцип действия генераторов основан на эффекте SOS (Semiconductor Opening Switch — полупроводниковый размыкатель) — наносекундной коммутации сверхплотных токов в специальных полупроводниковых диодах. Блок-схема SOS-генератора показана на рисунке 1б. Управляемое микроконтроллером 1 тиристорное зарядное устройство 2 осуществляет импульсный отбор энергии от источника питания 6, которая за время 10…100 мкс при напряжении 1…2 кВ поступает в магнитный компрессор 3. Он сжимает энергию во времени до 300…600 нс и повышает напряжение до сотен кВ.

SOS-диод 4 выступает в роли усилителя мощности, отдавая в нагрузку 5 высоковольтные импульсы 5…100 нс с пиковой мощностью до 5 ГВт и током 5 кА. Нагрузка через коаксиальный кабель согласована с выходной антенной. Частота повторения импульсов может достигать 2 кГц. Длительность импульсного пакета равна 30…60 с. Достоинствами таких генераторов являются сверхширокополосность, малогабаритность, круговая диаграм-

ма направленности и большая длительность излучения.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ РЧЭМИ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Целью электромагнитной атаки на электронные устройства является временное «ослепление» его электронных схем, вызванное перегрузкой сигнальных и силовых цепей под действием наведенных облучением токовых помех и частичной деградации цифровых и аналоговых полупроводниковых элементов. Необходимое минимальное время воздействия ЭМ-облучения должно значительно (в 100—1000 раз) превышать длительность цикла обработки информации электронным устройством, например, цикл обмена сигналами идентификации между RFID-меткой (пультом ДУ) и считывателем в системах контроля доступа или автомобильной сигнализации. Стойкое поражение цели нецелесообразно, т.к. требует очень большой мощности. Эффекты воздействия РЧЭМИ многообразны и трудно предсказуемы. Однако можно выделить ряд основных процессов, происходящих при облучении цели.

2.1. Проникновение переменной магнитной компоненты ЭМ-излучения в проводящее вещество индуцирует в нем токи, которые приводят к локальным падениям напряжения и генери-

Электронные компоненты №4 2010

41 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

тор, имеющий емкость порядка 0,01…0,1 мкФ. Обмотка имеет переменную плотность для максимального усиления тока в LC-контуре. К конденсатору подключается антенна, которой может стать кусок толстого медного кабеля. Взрыв расширяет трубу, образуя сходящийся конус, который подключает заряженный конденсатор и далее, двигаясь по виткам спирали, последовательно закорачивает их. Осциллирующий в переменном LC-контуре ток усиливается по закону [1] I = (Lo/L)∙Io, где I и Io — текущее и начальное значения тока; L и Lо — текущее и начальное значения индуктивности соответственно (единицы нГн…единицы мкГн). Таким образом, усиление может достигать порядка 1000, и при начальном токе в 3…5 А величина тока в антенне в конце процесса составляет 3…5 кА. Кроме того, компрессия магнитного поля в трубке вызывает (в соответствии с законом электромагнитной индукции) появление в нарастающих по частоте и амплитуде колебаний тока дополнительных гармоник, что существенно расширяет спектр излучаемой ЭМ-помехи. Она становится сверхширокополосной (СШП) — отношение центральной частоты к полосе излучаемых частот близко к 1. Как известно, СШП-сигналы имеют однородное пространственное распределение (круговая диаграмма направленности). Взрывомагнитный генератор излучает не один импульс, а пачку — волновой

Рис. 2. Два типа шин заземления

руют мощные наводки даже в хорошо экранируемых электронных блоках.

2.2. Поскольку экранирование неидеально (наличие кабельных вводов, индикаторов и т.д.), то из-за дифракционных явлений РЧЭМИ может проникать внутрь.

2.3. Любое электронное устройство излучает. Поэтому на основании теоремы взаимности, утверждающей, что электрическая цепь принимает ЭМ-волну данной частоты с данного направления тем эффективнее, чем эффективнее она излучает на данной частоте в данном направлении, любое электронное устройство превращается в приемник РЧЭМИ-сигнала. По спектральному составу помехи РЧЭМИ условно делятся на кондуктивные (0,1–30 МГц) и радиопомехи (выше 30 МГц). Воздействие ЭМИ по физическому принципу и степени опасности для РЭА подразделяют на 3 категории: – воздействие напряжений помех на схемы функциональных частей в результате прохождения тока наводки через резистивные, емкостные и индуктивные элементы, соединенные с внешними разъемами РЭА; – воздействие напряжений помех в цепях аппаратуры, индуцированных электромагнитными полями, которые возникают в момент воздействия РЧЭМИ; – воздействие напряжений помех на клеммы аппаратуры, вызванных протеканием тока по экранам кабелей, корпусным цепям и элементам конструкции. Величину наведенной разности потенциалов U на электронный компонент размером L можно оценить из следующих соотношений: М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

42

U = E∙L, где E — напряженность электрического поля в точке приема; , где P — мощность электрического поля в точке приема; μ и é — магнитная и электрическая проницаемости среды; μ0 и é0 — магнитная и электрическая постоянные. Значение величины мощности в точке приема для конкретного типа излучателя можно оценить по изложенной, например, в [3] методике.

WWW.ELCP.RU

Как показали проведенные исследования, вероятность вывода из строя включенной аппаратуры существенно выше, в 2—4 раза, чем выключенной. Особую опасность представляют микро- и наносекундные импульсные помехи для аппаратуры, содержащей программируемые компоненты (микроконтроллеры, DSP и т.д.), поскольку они могут воздействовать на цепи сброса процессоров и задающих генераторов, что приводит к сбоям работы управляющих программ. Хотя многие электронные компоненты оборудованы цепями защиты для стока электростатических зарядов, периодическое высокое импульсное напряжение вызывает их повреждение.

3. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ РЭС ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАДИОЧАСТОТНОГО ОРУЖИЯ

Методы защиты условно можно разделить на пассивные (применение различного рода экранов) и интеллектуальные (специальная защитная схемотехника с использованием внешних электромагнитных сенсоров). Пассивные методы

3.1. Наиболее эффективный метод защиты РЭА состоит в том, чтобы поместить ее целиком в электропроводящую ячейку, называемую клеткой Фарадея. Однако большая часть РЭА должна иметь внешние коммуникации, что приводит к появлению «точек входа», через которые организованные ЭМ-помехи могут проникать в аппаратуру и вызывать ее повреждение. Поэтому на входе в блок электропроводящих каналов должны применяться специальные защитные схемы и металлические экранированные кабельные вводы.

3.2. Заземление и корпусирование электронных блоков. Если электронное устройство состоит из конструктивно законченных блоков, то существуют два типа земляных шин — корпусная и схемная. Корпусная шина, согласно требованиям электробезопасности, подключается к земляной шине, проложенной в помещении. Схемные шины должны быть изолированы от корпусов и объединяться индивидуальными проводами в точке В, а корпусные — в точке А, приближенной к точке В (см. рис. 2). При несоблюдении этого требования импульсные напряжения, создаваемые уравнивающими и наведенными токами на земляной шине, фактически прилагаются к входным компонентам схем, что может вызвать ложные срабатывания и, возможно, их отказы. Для уменьшения глубины проникновения магнитной составляющей в корпус защищаемого устройства его экран должен выполняться из проводящих немагнитных материалов, например, нержавеющих сталей. Как показали про-

веденные исследования, экран толщиной 1мм, выполненный из нержавеющей стали марки 08Х22Н6Т, ослабляет низкочастотное переменное магнитное поле примерно в 250—300 раз. В эксперименте магнитное поле создавалось псевдослучайной импульсной последовательностью токов амплитуды 2 А/200 В постоянного напряжения, проходящей через соленоид с индуктивностью ~2 Гн, который коммутировался электронным ключом. Спектр сигнала имел частоту среза 1 кГц и неравномерность в полосе частот ±2 дБ. Относительные изменения величины поля внутри корпуса (с экраном и без) регистрировались с помощью одноосевого магниторезистивного сенсора HMC 1001 фирмы Honeywell в полосе частот спектра. В процессе эксперимента был зафиксирован также разогрев экранированного корпуса до температуры 60…65°С, вероятно, из-за воздействия вихревых токов Фуко. Но эта проблема решается с помощью конвекционного теплообмена материала корпуса с внешней средой. Для повышения скорости теплообмена возможно ребристое выполнение боковых граней корпуса. Интеллектуальные методы

Интеллектуальные (активные) методы состоят в специальной защитной схемотехнике на основе микроконтроллера или DSP. К ним подключаются датчики электромагнитного облучения (детекторы напряженности поля) на разные частотные диапазоны, чтобы перекрыть весь наиболее энергетически значимый участок спектра излучения РЧЭМИ (10 МГц…3 ГГц), и датчики превышения номинального тока в информационных магистралях. Детектор поля должен обладать интегральной чувствительностью не хуже –40 дБм. При разработке схемотехники защиты от электромагнитных помех современной РЭА необходимо учесть следующие факторы.

– Импульсные помехи даже сравнительно небольшой энергии могут иметь значительную амплитуду по напряжению. Действительно, энергия импульса, выделяющаяся на активном сопротивлении, определяется как , где u = u(t) — напряжение; r — сопротивление; Т — длительность импульса. Таким образом, при меньшей длительности импульс той же энергии может иметь большую амплитуду. Большие значения пикового напряжения импульса могут привести к пробою элементов на входе электронного модуля, не рассчитанных на слишком высокое напряжение. Возникающая при пробое дуга может сохраняться

Рис. 3. Схемотехническая защита цепей электропитания

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

44

и после окончания импульса за счет обычного напряжения питания.

– Динамические характеристики самого блока питания также повышают опасность возникновения помех в цепях питания с ростом их частоты. Современные блоки питания имеют структуру системы автоматического регулирования. Обычно такая система проектируется в расчете на относительно низкочастотные возмущения на входе. Попадание на вход высокочастотных помех может вызвать нежелательную реакцию системы (резонансные эффекты, автоколебания и т.д.). В результате стабильность напряжения на выходе блока питания нарушается, вызывая отказ аппаратуры. С дальнейшим ростом частоты помехи (от десятков МГц до ГГц) большое значение начинают играть паразитные емкостные и индуктивные связи. В результате (как и в случае информационных цепей) составляющие помехи могут в обход установленных защитных элементов проникать вглубь аппаратуры и нарушать работу ее цифровых узлов.

3.3. Схемотехническая защита цепей электропитания показана на рисунке 3. Эта схема включается в цепь первичной обмотки силового трансформатора и состоит из сверхбыстрых (~30 мс) предохранителей F1 и F2; ограничителя напряжения D1, D2 (супрессоры, или TVS-диоды); сетевого фильтра и оптосимисторных ключей D3 и D4. TVS-диод представляет собой быстродействующий стабилитрон, оптимизированный по времени срабатывания и максимуму поглощаемой мощности [4]. Супрессоры популярной серии 1.5КЕ фирмы Transil поглощают мощность 1500 Вт импульса треугольной формы и могут пропускать ток до 200 А в течение 1 мс. TVS-диод обладает высоким быстродействием, в отличие от газоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за

WWW.ELCP.RU

значительного времени срабатывания (более 0,5 мкс) не обеспечивают защиту многих полупроводниковых приборов и микросхем, т.к. для них недопустимы пропускаемые разрядниками начальные выбросы напряжения. Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является то, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при их применении, в отличие от разрядников, защищаемые цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса. Время срабатывания TVS-диодов — менее 10 нс. Это позволяет использовать их для защиты различных радиочастотных цепей, в состав которых входят чувствительные к переходным процессам полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. Другой важной характеристикой TVSдиодов является барьерная емкость р-n-перехода. Малоемкостные TVSдиоды (С = 90…100 пФ) применяются для защиты линий связи переменного тока с частотой до 100 МГц от выбросов напряжения. Силовой кабель должен быть заключен в электростатический экран — отрезок водопроводной трубы, соединенной с клеммой заземления щита электропитания. При превышении сигналом с датчика электромагнитного мониторинга некоторого порогового значения микропроцессор основного устройства размыкает ключи D3 и D4, снимая электропитание с защищаемого устройства. Трансформатор целесообразно помещать в заземленный экран из нержавеющей стали.

3.4. Один из вариантов схемотехнической защиты слаботочных информационных цепей показан на рисунке 4 (предложен автором статьи для защиты от внешних ЭМ-помех блока управления

электромагнитным клапаном трубопроводной арматуры). Защитная электронная схема включается между выходом с информационной линии и буферными интерфейсными приемопередатчиками. Схема состоит из ограничителя входного напряжения D1, D2 на уровне 12 В (быстродействующие супрессоры 1.5КЕ12); Г-образного двухзвенного LC-фильтра; интегрального быстродействующего (15 мкс) датчика тока D3 на эффекте Холла ACS 704ELC-015 (Allegro Microsys Inc.); быстродействующего нормально замкнутого ключа D4 и диодного ограничителя D5, D6 до уровня входного напряжения электронного блока. Дифференциальный каскад на операционном усилителе TLC 1078 требуется для согласования диапазона выходных сигналов сенсора D3 с входным диапазоном АЦП. ФНЧ-фильтр предназначен для подавления кондуктивных помех. Его амплитудно-частотная характеристика определяется полосой частот информационного сигнала. Интегральный сенсор тока имеет диапазон измерения ±15 А и линейную передаточную характеристику «ток-напряжение». Он подключен к порту АЦП микроконтроллера (МК) электронного блока. При превышении тока из-за наводки в этой цепи некоторого порогового значения управляющий сигнал МК размыкает ключ, предотвращая проникновение ЭМ-помехи в основное устройство. При необходимости алгоритм отключения цепи можно продублировать с датчика ЭМ-мониторинга. Протяженная (свыше 0,5 м) слаботочная информационная магистраль должна быть выполнена из экранированной витой пары, заземленной только в одной точке — со стороны приемника или передатчика полезных сигналов. В отдельных случаях, когда требуется высокая степень защиты аппаратуры,

Рис. 4. Вариант схемотехнической защиты слаботочных информационных цепей

торинга электромагнитной атаки и управления схемами защиты. При этом к портам АЦП микроконтроллера должны быть подключены датчики электромагнитного облучения и датчики тока в информационных магистралях.

3.8. Оценка устойчивости к поражающему действию РЧЭМИ производится в соответствии с методиками испытаний на электромагнитную совместимость, изложенных в ГОСТ Р 51717 (кондуктивные помехи), ГОСТ Р 51317, ГОСТ Р 51648–51652 (радиопомехи).

3.9. Защита телефонных линий и компьютерных сетей представляет отдельную сложную научно-техническую проблему, и ее анализ выходит за рамки данной статьи.

4. ВЫВОДЫ

Статья далеко не исчерпывает всех методов и средств защиты от РЧЭМИ и не претендует на полноту анализа функционального воздействия современного электромагнитного радиочастотного оружия на РЭА, особенно с учетом быстрого совершенствования средств радиоэлектронной борьбы. В настоящее время пока не существует полной физической и математической модели воздействия СШП-помех на электронные устройства. НИОКРы в этом направлении активно ведутся в ряде промышленно развитых стран. Вместе с тем, появление на российском рынке доступных импортных компонентов силовой и мощной СВЧэлектроники наряду с программными пакетами проектирования и моделирования РЭА, например Orcad, Protel, в принципе позволяет высококвалифицированным специалистам создавать отдельные виды РЧЭМИ в условиях даже кустарного производства. Это

приводит к возрастанию потенциальной угрозы электромагнитной атаки со стороны хакерских и террористических преступных группировок. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании РЭА для ответственных применений, таких как системы государственного и военного назначения, инфраструктура управления объектами электро- и газоэнергетики, информационные банковские системы, электронные системы безопасности объектов. Наряду с основными методами защиты аппаратуры, принципы которых изложены в данной статье, необходимо применять и организационные меры безопасности — введение охранных зон, размеры которых превышают радиус поражения РЧЭМИ; периодический визуальный осмотр информационных шлейфов и помещений на предмет обнаружения посторонних предметов и несанкционированных подключений; проведение непрерывного радиомониторинга на охраняемом объекте. ЛИТЕРАТУРА 1. А.Б. Прищепенко. Взрывы и волны. Взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. М. Бином. — 2008 г. С. 8—10, 61—63, 79—84.

2. В. Слюсар. Генераторы супермощных электромагнитных импульсов в информационных войнах. Электроника: НТБ. №5.

2002 г.

3. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М. Наука. 1995 г. С.

350—354.

4. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. М. Солон Пресс.

2008 г. С. 194—196.

5. Болл Р. Стюарт. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. М. Додека.

2007 г. Гл. 8, 9.

Электронные компоненты №4 2010

45 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

информационная магистраль может прокладываться внутри заземленных трубок из нержавеющей стали. В рассмотренных вариантах защиты в качестве детектора поля можно рекомендовать прибор ST 107 российской компании «СмерШ Техникс».

3.5. С точки зрения устойчивости к внешним ЭМ-помехам, в информационных цепях наиболее эффективно применение волоконно-оптического кабеля. Если не требуются высокие скорости передачи более 10 Мбит/с, можно применять дешевый (по цене коаксиального кабеля) пластиковый оптический кабель POF. Пластиковое оптоволокно (Plastic Optical Fiber) появилось как дешевая альтернатива медной проводке в локальных сетях и в автомобилях. POF-кабель имеет малый вес, невысокую стоимость, технологичность в монтаже (для разрезания можно использовать простые ножницы или скальпель). Но одно из самых главных преимуществ POF заключается в отсутствии чувствительности к электромагнитным помехам. Без существенного ослабления сигнала (2…3 дБ) POF-кабель можно применять на дистанции до 100 м.

3.6. Внутренняя помехоустойчивость цифровых электронных схем во многом определяется топологией печатной платы и расположением на ней компонентов. Поэтому при проектировании помехоустойчивой печатной платы следует руководствоваться принципами, изложенными в [5].

3.7. Программная защита электронного блока. Поскольку большинство современных видов РЭА содержит микроконтроллеры/микропроцессоры, можно использовать дополнительное программное обеспечение для мони-

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ: АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОС РАДИОЧАСТОТ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО СЕКТОРА В РАЗНЫХ РЕГИОНАХ МИРА, ВКЛЮЧАЯ РОССИЮ ГАЛИНА ГАЙКОВИЧ, член ISA, эксперт МЭК (IEC), ведущий специалист ИППИ РАН ПЕТЕР ФУР (PETER FUHR), член ISA, ст. член IEEE , гл. специалист Wi-Fi-Sensors Inc.

Статья открывает новую рубрику «Беспроводные технологии и их применение в промышленности». Цикл статей, посвященный этой непростой тематике, будет представлен авторами — членами Международного общества по промышленной автоматике (ISA — International Society of Automation), а также членами Международной Электротехнической комиссии (секция «Беспроводные промышленные сети»). В первой статье цикла дан обзор беспроводных технологий, которые могут найти применение в промышленности, проведен анализ распределения частот, выделяемых национальными органами регулирования, даны рекомендации по использованию радиооборудования промышленного назначения в разных странах мира, включая Россию.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

46

Хотя основной показатель при оценке беспроводных технологий — их пропускная способность (скорость передачи информации), для конечного потребителя по-прежнему актуален вопрос, каким беспроводным стандартам отдать предпочтение в промышленности. На первый взгляд, на рынке беспроводных технологий для промышленности существует полная неразбериха, и трудно дать однозначные рекомендации, учитывая весь спектр прикладных задач — от мобильной голосовой связи до беспроводных сенсорных сетей полевого уровня АСУТП (SCADA) и интегрированной беспроводной транспортной среды. Результатом опыта, накопленного авторами в дискуссиях с разработчиками оборудования и пользователями в промышленном секторе, а также в процессе разработки беспроводных промышленных стандартов [1], стал неутешительный вывод: внедрение беспроводных технологий в промышленный сектор представляет собой довольно сложную и комплексную задачу. Если что-то сравнительно легко реализуется на бытовом уровне, вовсе не значит, что оно может быть приемлемо и для условий производства. С другой стороны, нельзя преуменьшать значение беспроводных решений для промышленности — ведь зачастую такие решения во много раз дешевле, а в некоторых случаях им нет альтернативы.

WWW.ELCP.RU

В первую очередь, это АСУ ТП, где радиодоступ позволяет оператору или технологу непрерывно контролировать производственный процесс из любого места на предприятии. С помощью дополнительных мобильных приложений оператор может не только постоянно контролировать производственные процессы, но и обмениваться сообщениями с обслуживающим персоналом. Сам персонал сможет получать информацию о неисправностях оборудования, предупреждения об опасности, и вообще осуществлять мониторинг производственного процесса с полным доступом к сетевой инфраструктуре предприятия. Снижение затрат на подключение позволяет увеличить количество точек измерения в пределах производственного процесса. В результате при тех же затратах на оборудование персонал, который управляет производством, сможет получать более достоверную информацию о производственном процессе. Это, в свою очередь, позволяет повысить эффективность производственного процесса, а также сэкономить на энергоресурсах. Мониторинг измерений в дополнительных точках процесса может существенно увеличить эффективность оборудования за счет уменьшения стоимости эксплуатации, которая, в свою очередь, определяется сроками устранения неисправностей. Существуют два варианта использования беспроводной связи: фикси-

рованный — точки обмена информацией установлены стационарно, а связь между ними — беспроводная, и мобильный — носимые персоналом устройства, имеющие отношение к транспортной инфраструктуре предприятия, или даже мини-датчики на подвижных частях оборудования. При этом мобильная беспроводная версия проведения измерений в пределах производственного процесса отличается от фиксированной беспроводной разными требованиями к электропитанию [2]. Если беспроводная фиксированная точка измерения должна быть обеспечена стационарным источником электропитания, то мобильные устройства питаются, как правило, от батарей. Кроме того, мобильное радиооборудование должно поддерживать надежную связь в разных точках предприятия, а фиксированное оборудование менее требовательно к уровню радиосигнала. Эти факторы могут стать определяющими при выборе: применять мобильную или фиксированную беспроводную связь в той или иной промышленной обстановке. Рассуждения, приведенные ниже, помогут разобраться с «подводными камнями» различных подходов к выбору беспроводных технологий для их применения в промышленности. При этом обязательно нужно обратить внимание на такие параметры, как уровень радиосигнала (RF footprint) и действую-

Рис. 1. Градиент мощности сигнала радиопередатчика в зависимости от расстояния

щая частота. Здесь также есть свои проблемы, например, связанные с неточностью определения пограничного уровня радиосигнала. От уровня радиосигнала зависит расстояние между передающей и принимающей станцией, на котором они могут взаимодействовать. Рассмотрим, к примеру, стандарт 802.11 — так называе-

мый Wi-Fi. Передатчик излучает радиосигнал с выходной мощностью, которая определена стандартом 802.11 и национальными нормативами; основным показателем радиоприемника является чувствительность. Комбинация этих двух основных параметров определяет максимальное допустимое расстояние между двумя приемо-передатчиками, в т.ч. тот минимальный пограничный уровень радиосигнала передатчика (RF footprint), при котором приемопередатчики могут нормально взаимодействовать. В идеальном случае уровень радиосигнала уменьшается обратно пропорционально расстоянию согласно формуле 1/r2 (где r — радиус действия от источника излучения радиоволн). На рисунке 1 представлен градиент мощности сигнала радиопередатчика в зависимости от радиуса действия. Для оценки работоспособности радиоканала, помимо расстояния, нужно учитывать скорость передачи данных, побитовый показатель ошибки (BER), а также соотношение сигнал/шум (SNR).

Рис. 2. Зависимость скорость передачи данных от расстояния между клиентом и точкой радиодоступа (при фиксированном показателе ошибки BER, стандарт 802.11g)

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

48

Рис. 3. Прикладное использование беспроводных систем в зависимости от скорости передачи данных и расстояния

WWW.ELCP.RU

На практике обычно берется во внимание более общий показатель — скорость передачи данных как функция от расстояния между приемником и передатчиком при фиксированном параметре BER (Bit Error Rate — показатель числа ошибочных битов). Как показано на рисунке 2, с увеличением расстояния между приемником и передатчиком при фиксированном BER скорость передачи данных уменьшается по нелинейному закону. Следовательно, при большой скорости передачи, например, для беспроводной видеосвязи, расстояние между приемником и передатчиком должно быть как можно меньше. Для приложений, менее требовательных к скорости передачи данных, расстояние между приемником и передатчиком может быть увеличено, как это показано на рисунке 3 на примере стандарта 802.11n. Следует обратить внимание, что рисунок 3 имеет, прежде всего, отношение к линку двух приемо-передатчиков, работающих в режиме «точка–точка». Сотрудничая с конечными пользователями, авторы изучили практически все возможные ситуации, когда разные беспроводные сети тестировалось на производственных площадях, и пришли к следующему выводу: независимо от топологии сети («точка–многоточка» или «точка–точка»), как только базовая станция (точка доступа АР) предоставила канал связи одному из клиентов, он с ней и работает в режиме «точка–точка». А если учесть, что с увеличением расстояния r от точки доступа АР пропускная способность радиоканала уменьшается, то для обеспечения необходимой прикладным задачам скорости передачи информации следует предусмотреть необходимое перекрытие зон действия двух приемо-передатчиков (как это и делается при проектировании сетей мобильной связи). В результате расстояние между ними может быть больше, чем то, которое берется из расчета рассеиваемой мощности радиосигнала от одного передатчика. Такую идею связности с разной степенью перекрытия, в зависимости от прикладных задач (видео, голос, данные) можно было бы взять на вооружение и для мобильной сотовой связи и заставить ее работать по всему миру. Так что при выборе той или иной беспроводной технологии для промышленности (см. рис. 4) остается лишь сопоставить пограничные радиусы действия r радиоканалов с размерами производственных площадей предприятия или промышленного комплекса (предварительно определившись с величиной пропускной способности). Помимо скорости передачи данных, в некоторых случаях необходимо учитывать специальные требования пред-

приятия, предъявляемые к надежности передачи информации и времени отклика на запрос [3]. Когда речь заходит о конкретных применениях беспроводных технологий, например: для сенсорных сетей или интегрированной транспортной инфраструктуры (backhaul) для предприятия или производственного комплекса в целом, то логично будет выбрать ту, которая больше всего подходит для тех или иных целей. Если взять в качестве примера завод с территорией протяженностью до 2,5 км (см. рис. 5), то для сенсорных сетей структура получится в виде локальных островков — беспроводных сетей стандарта 802.15.4, отдаленных от центра управления на разные расстояния. Чтобы объединить эти локальные островки в единое целое и обеспечить пересылку информации от сенсорных сетей полевого уровня в центр управления, целесообразно развернуть беспроводную транспортную сеть стандарта 802.11, действующую на дальнее расстояние. Беспроводные технологии, на которые авторы рекомендуют обратить первоочередное внимание, перечислены в таблице 1. Какому же частотному

Рис. 4. Пропускная способность радиоканалов беспроводных технологий (Мбит/с) и их распределение по расстоянию в масштабе офиса, города, региона

диапазону отдать предпочтение? Не возникнут ли взаимные помехи и коллизии при работе беспроводных сетей в одном частотном диапазоне? Если говорить о выборе частотного диапазона для беспроводных сенсорных сетей, используемых в промышленности, то большинство поставщиков из разных стран предпочитают ориентироваться на нелицензируемый ISM-диапазон для

промышленных, научных и медицинских целей. Это вполне обосновано, т.к. во-первых, не требуется лицензия (разрешение), а во-вторых, Международный союз электросвязи по радиорегулированию (МСЭ-Р или ITU-R) в п. 5.138, 5.150 и 5.280 определил этот диапазон как общедоступный по всему миру. В России, согласно постановлению Правительства РФ от 26 мая 2000 г. №413

Таблица 1. Перечень беспроводных технологий, которые рекомендованы для применения в промышленности Стандарт

Общее название

Действующая частота

Нелицензируемый ISM-диапазон (да/нет)

802.11a-z

Wi-Fi

2,4 ГГц; 5,7 ГГц

Да

802.15.1

Bluetooth

2,4 ГГц

Да

802.15.3

WiMedia

~5 ГГц

Да

802.15.4

ZigBee/ISA100.11a/WiHART

2,4 ГГц

Да

802.15.4a

Chirped DS-UWB

2,4 ГГц <1; 3…5 ГГц 6…10 ГГц

Да*

Sat Comm

Satellite Communications (спутниковая связь)

Ku, K, Ka (12…40 ГГц)

Да

802.16

WiMAX (WiBro)

2…11 ГГц, 10…60 ГГц

Нет

802.20 1451 1901 Wi-Di RF SCADA

MBWA Сенсоры RuBee Wireless display (беспроводной монитор) Wireless SCADA

Нет Да Да Да Нет/Да

FRS/GMRS PMR446(Europe)

Walkie-Talkies (портативные рации)

Да/нет

Персонификация

IS95/IS136/others (cellular) 3GPP TS 45.005 ISO 18000-7

CDMA/TDMA/и т.д.

GSM→LTE DASH7 Near Field Communications (связь на коротком расстоянии)

<3,5 ГГц 0,9 ГГц; 2,4 ГГц 135 кГц 5,7 ГГц <1 ГГц 27 МГц; 49 МГц, 446 МГц; 462…467 MГц См. табл. 5 См. табл. 5 433 МГц

Широкополосная беспроводная сеть (транспортная среда) Передача данных на базе IP Транспортная среда для сенсоров Местоположение (между RFID и IEEE802.11) Отображение на базе 802.11n Транспортная среда для SCADA

Нет Нет Да

13,56 МГц

Да

Телефония Телефония/передача данных/видео Беспроводные сенсоры, RFID Пересылка данных на короткую дистанцию (10см) Высокая пропускная способность, расстояние <1 м Высокая скорость передачи Пропускная способность до 3 Гбит/с, на короткой дистанции

UWB

Wireless USB

3,1…10,6 ГГц

Да

Wireless HD

— Wireless Home Display Interface (беспроводной домашний интерфейс)

60 ГГц

Да

5,7 ГГц

Да

WHDI

Wireless LAN (беспроводные локальные сети) Wireless PAN (беспроводные персональные сети) Высокая пропускная способность/ на короткие дистанции Низкоскоростные промышленные датчики Небольшая пропускная способность для сенсоров. Большая пропускная способность для сенсоров Для передачи данных (транспортная среда)

* На этапе утверждения

Электронные компоненты №4 2010

49 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ISO/IEC 14443

Примечание

Рис. 5. Пример применения беспроводных технологий на предприятии

Рис. 6. Распределение ISM- и U-NII-диапазонов под развертывание беспроводных сетей в промышленности разных регионов мира, включая Россию

был взят курс на сближение распределения использования полос частот с международным распределением полос частот Региона 1 (в частности, на сближение с Европейской таблицей частот). Постановлением Правительства Российской Федерации от 15 июня 2006 г. № 9-23 была утверждена российская таблица распределения частот (в том числе, было учтено максимальное приближение к ISM-диапазону). Как показала мировая практика, из всех ISM-диапазонов (см. табл. 2), наиболее часто используется полоса 2,4…2,5 ГГц. В 1997 г. федеральной комиссией по связи США (FCC USA) был признан факт большой нагрузки на частотный диа-

пазон 2,45 ГГц. В результате была выделена дополнительная полоса 300 МГц под названием «нелицензированная информационная полоса для национальной инфраструктуры», сокращенно U-NII. Эта полоса была разделена на три подполосы шириной по 100 МГц для «публичного и общественного использования» в частотных диапазонах 5,15…5,25; 5,25…5,35 и 5,725…5,825 ГГц. В связи с этим полоса высшего частотного диапазона (5,725…5,825 ГГц) стала доступной как лицензионным устройствам, так устройствам нелицензируемого ISM-диапазона. Две остальные подполосы используются в основном оборудованием публичного/

Таблица 2. Нелицензируемый ISM-диапазон (в т.ч. для России)

50 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Частотный диапазон

Центральная частота

6,765…6,795 МГц

6,780 МГц

13,553…13,567 МГц 26,957…27,283 МГц 40,66…40,70 МГц 433,05…434,79 МГц 902…928 МГц 2,400…2,500 ГГц 5,725…5,875 ГГц 24…24,25 ГГц

13,560 МГц 27,120 МГц 40,68 МГц 433,92 МГц 915 МГц 2,450 ГГц 5,800 ГГц 24,125 ГГц

61…61,5 ГГц

61,25 ГГц

122…123 ГГц

122,5 ГГц

244…246 ГГц

245 ГГц

WWW.ELCP.RU

Примечание В распоряжении национальных радиослужб — — — — Регион 2, Австралия, Израиль — — — В распоряжении национальных радиослужб В распоряжении национальных радиослужб В распоряжении национальных радиослужб

общественного назначения (без выдачи лицензий). При этом они не должны создавать помехи или провоцировать перегрузку радиочастотного национального ресурса. Таким образом, в полосе высшего диапазона частот для радиоустройств все же остается вероятность возникновения помех (за счет интерференции). Но практика показала, что в этом диапазоне лицензированным радиооборудованием наружного применения (outdoor) чаще всего используются направленные антенны, поэтому вероятность возникновения интерференции с другими беспроводными устройствами мала. В Европе (Регион 1) частотный диапазон в области 5 ГГц задействован так же, как и в США (Регион 2) , но его основное назначение — HiperLAN. Хотя HiperLAN и служит альтернативой стандарту 802.11, он представляет собой особый европейский стандарт ETSI, нацеленный на высокую скорость передачи данных, голоса и видеоизображений. В России, в свою очередь, было принято решение ГКРЧ (протокол №23/5) о разрешении использования частотных диапазонов U-NII. Если говорить о предпочтениях при выборе частотных диапазонов для промышленности (сенсорные сети и транспортная среда типа backhaul) в мировом масштабе, то их следует отдать безлицензионному ISM-диапазону (2,4…2,5 ГГц), а также диапазону U-NII (5 ГГц), как это и показано на рисунке 6. Однако, несмотря на общедоступность этих диапазона, в разных странах и регионах наблюдаются существенные различия по их использованию. Каждая страна в рамках одного региона имеет также собственное юридическое регулирование распределения частот этих диапазонов национальными радиослужбами. Эти различия отмечены в таблицах 3—5. Там же указан принятый

Таблица 3. Частотное распределение по радиоканалам в разных странах безлицензионного ISM-диапазона, включая U-NII, стандарты 802.11b,g,n № Частота, Северная Большинство стран Япония канала МГц Америка мира, включая Россию 1 2412 Да Да Да 2 2417 Да Да Да 3 2422 Да Да Да 4 2427 Да Да Да 5 2432 Да Да Да 6 2437 Да Да Да 7 2442 Да Да Да 8 2447 Да Да Да 9 2452 Да Да Да 10 2457 Да Да Да 11 2462 Да Да Да 12 2467 Нет Да Да 13 2472 Нет Да Да 14 2484 Нет Только 11b Нет

Таблица 4. Частотное распределение по радиоканалам в разных странах безлицензионного ISM-диапазона, включая U-NII, стандарт 802.11y — только в США № канала

Частота, МГц

131 132 132 133 133 134 134 135 136 136 137 137 138 138

3657,5 3662,5 3660,0 3667,5 3665,0 3672,5 3670,0 3677,5 3682,5 3680,0 3687,5 3685,0 3689,5 3690,0

США (802.11у) 10 MГц Нет Нет Да Нет Нет Нет Да Нет Нет Да Нет Нет Нет Да

5 МГц Да Да Нет Да Нет Да Нет Да Да Нет Да Нет Да Нет

20 МГц Нет Нет Нет Нет Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Нет Нет

Таблица 5. Частотное распределение по радиоканалам в разных странах безлицензионного ISM-диапазона, включая U-NII, стандарт 802.11a/h/j/n Япония 40/20 МГц 10 МГц Нет Да Да Да Нет Да Нет Да Да Да Нет Да Да Нет Да Нет Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Нет Нет Нет Да Нет Нет Нет Да Нет Нет Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет

Сингапур 20 МГц Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Нет Да Нет Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да Да Да

Китай 20 МГц Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да Да Да

Израиль 20 МГц Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет

Корея 20 МГц Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Нет Нет Нет Да Да Да Да Да

Турция 20 МГц Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да Да Да

Электронные компоненты №4 2010

51 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

CША Европа № Частота, канала МГц 40/20 МГц 40/20 МГц 183 4915 Нет Нет 184 4920 Нет Нет 185 4925 Нет Нет 187 4935 Нет Нет 188 4940 Нет Нет 189 4945 Нет Нет 192 4960 Нет Нет 196 4980 Нет Нет 7 5035 Нет Нет 8 5040 Нет Нет 9 5045 Нет Нет 11 5055 Нет Нет 12 5060 Нет Нет 16 5080 Нет Нет 34 5170 Нет Нет 36 5180 Да Да 38 5190 Нет Нет 40 5200 Да Да 42 5210 Нет Нет 44 5220 Да Да 46 5230 Нет Нет 48 5240 Да Да 52 5260 Да Да 56 5280 Да Да 60 5300 Да Да 64 5320 Да Да 100 5500 Да Да 104 5520 Да Да 108 5540 Да Да 112 5560 Да Да 116 5580 Да Да 120 5600 Нет Да 124 5620 Нет Да 128 5640 Нет Да 132 5660 Нет Да 136 5680 Да Да 140 5700 Да Да 149 5745 Да Нет 153 5765 Да Нет 157 5785 Да Нет 161 5805 Да Нет 165 5825 Да Нет

Рис. 7. Распределение беспроводных технологий, рекомендуемых для использования в промышленности разных регионов, включая Россию, по частоте Таблица 6. Мобильная связь и совместное использование частот в США Существующие технологии и перспектива SMR iDEN AMPS, GSM, IS-95 (CDMA), IS-136 (D-AMPS), 3G GSM, IS-95 (CDMA), IS-136 (D-AMPS), 3G 3G, 4G, MediaFlo, DVB-H Перспектива использования неизвестна 3G, 4G 4G

между радиоканалами шаг (5, 10, 20 и 40 МГц) и соответствие частотных диапазонов стандартам, рекомендуемым для применения в промышленности. В промышленности также широко используются и беспроводные мобильные технологии сотовой связи. Их применение связано большей частью с предоставлением голосовых услуг связи, но есть и частные решения по пересылке данных между удаленными в географическом плане зонами производственного процесса [5]. В последнее время во многих странах (в т.ч. в США и России) следует отметить общую тенденцию совместного использования одних и тех же частотных диапазонов разными мобильными технологиями. В таблице 6 перечислены практически все виды сотовой связи, организованной на территории США, и отражено совместное использование частотных диапазонов.

52

Частотный диапазон, МГц 806…824 и 851…869 824…849, 869…894, 896…901, 935…940 1850…1910 и 1930…1990 698…806 1392…1395 и 1432…1435 1710…1755 и 2110…2170 2500…2690

Среди всего многообразия систем мобильной связи особо следует выделить GSM — как наиболее распространенную и повсеместно развернутую. На ее долю приходится 80% всех действующих в мире систем сотовой связи [6,7,8]. В таблице 7 приведен подробный перечень всех диапазонов частот, которые рекомендованы МСЭ-Р для использования системой GSM. Развитие мобильной связи идет по пути совершенствования двух базовых платформ: GSM и CDMA. Их эволюция представлена в виде четырех поколений, 1G — 4G (см. табл. 8) На стыке XX—XXI веков в рамках глобализации наметилась тенденция распределения некоторых частотных диапазонов не по региональному, а по мировому принципу. В результате под руководством МСЭ-Р (ITU-R) было предложено два основных проекта третье-

го поколения (Generation Partnership Project) c целью систематизации перспективной связи GSM (3GPP) и CDMA (3GPP2) и их международной стандартизации. В проектах вызвались участвовать такие организации, как ARIB (Япония), ATIS (США), ETSI (Европа), TIA (США), TTA (Корея), ТТС (Япония) (см. табл. 9). К семейству стандартов проекта 3GPP на платформе GSM также относится новейшая технология LTE (E-UTRA), а разработку «продвинутого LTE» (Long Term Evolution Advanced со скоростью передачи данных до 326,4 Мбит/с) можно отнести уже к 4G (см. табл.5.2). Таким образом, согласно рекомендации МСЭ-Р (ITU-RR18-1.1.1) по распределению частотных диапазонов, в каждой стране радиослужбы выдают лицензии для организации беспроводной связи по региональному принципу, но в соответствии с национальной политикой распределения радиочастот. Это привело не только к существенным различиям по использованию частотных диапазонов между разными регионами мира, но и способствовало созданию неоднородности в распределении частотных диапазонов между странами одного и того же региона. Впоследствии наметилась тенденция распределения частот по мировому принципу. Это касается не только беспроводных мобильных технологий сотовой связи, но и некоторых беспроводных технологий, работающих в ISM-диапазоне. Ясность в мировое распределение частот, предназначенных для беспроводных технологий, в том числе промышленных, вносит рисунок 7, на котором обобщены данные таблиц 1—5. Шкала беспроводных технологий в зависимости от пропускной способности и их возможного использования для прикладных задач в промышленной автоматике представлена на рисунке 8. Она построена с учетом ограничений, накладываемых на верхнюю границу пропускной способности для использования в промышленно-

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 7. Перечень диапазонов частот, рекомендованный МСЭ-Р для использования в GSM Название GSM T-GSM-380 T-GSM-410 GSM-450 GSM-480 GSM-710 GSM-750 T-GSM-810 GSM-850 P-GSM-900 E-GSM-900 R-GSM-900 T-GSM-900 DCS-1800 PCS-1900

Начало диапазона частот, МГц Нижний диапазон частот, МГц Верхний диапазон частот, МГц Номера каналов 380 380,2…389,8 390,2…399,8 Динамический 410 410,2…419,8 420,2…429,8 Динамический 450 450,4…457,6 460,4…467,6 259–293 480 478,8…486,0 488,8…496,0 306–340 710 698,0…716,0 728,0…746,0 Динамический 750 747,0…762,0 777,0…792,0 438–511 810 806,0…821,0 851,0…866,0 Динамический 850 824,0…849,0 869,0…894,0 128–251 900 890,2…914,8 935,2…959,8 1–124 900 880,0…914,8 925,0…959,8 975–1023, 0124 900 876,0…914,8 921,0…959,8 955–1023, 0–124 900 870,4…876,0 915,4…921,0 Динамический 1800 1710,2…1784,8 1805,2…1879,8 512–885 1900 1850,0…1910,0 1930,0…1990,0 512–810

WWW.ELCP.RU

Таблица 8. Развитие мобильной связи и основные характеристики 1–4G Технические характеристики Технология радиоканала

Поколение мобильной связи 2,5G 3G USDC, IS-126B, GPRS, EDGE, UWC-136 (Edge phase 2), UMTS DAMPS (IS-54), GSM, TDMA, AMPS, NAMTS, NMT, TACS (на платформе GSM), CDMA (WCDMA) на платформе GSM, CDMAOne (IS-95) 2000 -1X CDMA2000-3x (1X-EV-DO/IS-856) 1G

2G

Начало частотного диапазона, МГц

450, 800, 900

800, 900, 1800

800, 900, 1800

2000

Голосовые услуги

Телефония

Телефония, голосовая почта

Телефония, конференции голосовая почта

Телефония, конференции, голосовая почта

Услуги передачи данных

Нет

SMS, WAP

MMS, WAP

9,6…12 Кбит/с

144…157 Кбит/с

RS-232, IrDA

RS-232, IrDA, Bluetooth

1995—2001

2002—2005

Скорости передачи 2,4 Кбит/с данных Беспроводной интерфейс Акустическое устройство с другими устройствами связи Период эксплуатации, гг.

1980—1994

4G LTE (на платформе GSM), WiMaх 2000

Конференции, голосовая почта, телеприсутствие Телеконференции, видео по запроMMS, графика, интернет, видео су, интернет 172,8…326,4 Мбит/с (LTE), 100 Мбит/с 0,384…2 Мбит/с (моб. WiMAX), 1 Гбит/с (фикс. WIMAX) Множество беспроводных техСтандарты 802.11 или Bluetooth нологий 2004—2010 2010—2020

Таблица 9. Основные показатели радиоинтерфейсов IMT-2000 Показатели Партнерское объединение База Метод доступа Дуплексный разнос Вил модуляции

IMT-DS (direct spread) 3GPP* WCDMA (на платформе GSM) DS-CDMA FDD QPSK/BPSK/ HPSK

Технология IMT-MC (multi-carrier) 3GPP2** CDMA 2000 (на платформе CDMA) MC-CDMA FDD QPSK/BPSK

IMT-TC 3GPP* ULTRA TDD TDMA/CDMA TDD QPSK/BPSK/HPSK

IMT-SC (single carrier) 3GPP2** UWC-136 TDMA FDD BOQAM/QOQAM

* В 3GPP входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), T1 (США), Азиатско-тихоокеанский регион – СWTS (Китай), TTA (Корея) и TTC (Япония). ** В 3GPP2 входят ассоциация промышленности связи TIA и часть азиатских региональных организаций ARIB,CWTS, TTA и TTC.

ЛИТЕРАТУРА 1. Гайкович Г.Ф. Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП// Электронные компоненты, 2009, №1.

2. Гайкович Г.Ф. Беспроводная связь в системах промышленной автоматики// Электронные компоненты, 2007, №1.

3. Гайкович Г.Ф. О возможностях использования беспроводных СШП аппаратнопрограммных систем для промышленной автоматики//Электронные компоненты, 2009, №10.

4. en.wikipedia.org/wiki/802.11_channels.

Рис. 8. Шкала пропускной способности беспроводных сетей в зависимости от прикладных задач, решаемых в промышленной автоматике

53

Рис. 9. Дизайн современного промышленного предприятия, окутанного «беспроводной паутиной» 5. Гайкович Г.Ф. Беспроводная связь в системах промышленной автоматики// Электронные компоненты, 2007, №10.

6. Ahonen, Tomi, m-Profits: Making Money with 3G Services, 2002, ISBN 0-470-84775-1.

7. Ahonen, Kasper and Melkko, 3G Marketing, 2004, ISBN 0-470-85100-7.

8. Fessenden, R.A. (1908). Wireless Telephony//Annual Report of The Board Of Regents Of The Smithsonian Institution: 161–196. Retrieved 2009-08-07.

Электронные компоненты №4 2010

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

сти. По шкале можно сделать заключение, что для беспроводных сенсорных сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4 пропускная способность составит 256 Кбит/с. Этого недостаточно для передачи видео, но вполне хватает для пересылки низкоскоростных нерегулярных пакетов данных промышленной автоматики. Если эту шкалу попытаться наложить на стандартную структуру построения АСУ ТП, то получим нечто в виде дизайна современного промышленного предприятия, окутанного «беспроводной паутиной», состоящей из беспроводных датчиков, шлюзов и беспроводных точек доступа, как показано на рисунке 9. Такое решение можно взять за эталон для беспроводной гармонизации промышленных предприятий и производственных процессов, чтобы оградить их от каких либо случайных проектов.

CC430 — лучшее из двух миров СЕРГЕЙ ИГНАТОВ, инженер по применению MCU, DSP Texas Instruments, ЗАО «Компэл»

Использование беспроводной связи повышает привлекательность и функциональность бытовой техники. К сожалению, до недавнего времени проектирование радиоканала, особенно с применением микроконтроллеров, было делом непростым; тем более — если устройство должно быть портативным и длительное время работать от батарей. Чтобы облегчить разработчикам задачу, компания Texas Instruments объединила на одном кристалле популярные решения: трансивер CC1101 и экономичный микроконтроллер класса MSP430.

ОПИСАНИЕ МИКРОСХЕМ СЕРИИ CC430

Семейство CC430 — новейшая разработка Texas Instruments. Микросхема представляет собой систему на кристалле (SoC) и позиционируется как технологическая платформа для создания передовых устройств с возможностями РЧ-связи. В одном 48- или 64-выводном корпусе QFN (размером 7×7 и 9×9 мм соответственно) объединены современный 16-разрядный микроконтроллер MSP430F5xx и РЧ-модуль RF1A (см. рис. 1), созданный на основе популярного трансивера CC1101 и обладающий идентичными СС1101 характеристиками. В настоящее время в семейство входят восемь различных SoC, характеристики которых представлены в таблице 1. Микросхемы обладают высокой экономичностью: напряжение питания 1,8...3,6 В; потребляемый ток (без трансивера) в активном режиме 180 мкА/МГц, 1,7 мкА в дежурном и 1 мкА в спящем режиме. Подобные параметры, в сочетании с возможностью возобновления активной работы из дежурного режима за время менее 5 мкс, делают возможным применение CC430 в устройствах, которые должны работать без замены батареи питания 10 и более лет. К числу таких устройств относятся беспроводные датчики (дыма, разбития стекла, присутствия и др.), измерительные приборы с дистанционным считыванием, беспроводные пульты, активные метки систем РЧ-идентификации

и мониторинга. Помимо представленных в таблице 1 модулей, все микросхемы имеют: – конфигурируемую систему управления электропитанием; – унифицированную систему синхронизации, такую же, как и у CC1110/11, но с более гибкой организацией и рядом дополнительных возможностей; – два 16-разрядных таймера с режимами захвата/сравнения; Таблица 1. Основные параметры микросхем серии CC430 Контроллер МаксиФлэшНаименоОЗУ, ЖКИ АЦП (12 бит, мальное память*, вание Кбайт (96 сегмен- 8 каналов) число Кбайт тов) линий в/в CC430F5133 8 2 — Есть 30 CC430F5135 16 2 — Есть 30 CC430F5137 32 4 — Есть 30 CC430F6125 16 2 Есть — 44 CC430F6126 32 2 Есть — 44 CC430F6127 32 4 Есть — 44 CC430F6135 16 2 Есть Есть 44 CC430F6137 32 4 Есть Есть 44

Корпус QFN-48 QFN-48 QFN-48 QFN-64 QFN-64 QFN-64 QFN-64 QFN-64

* Каждая микросхема дополнительно содержит 512 байт флэш-памяти для хранения кода программы перепрошивки (Bootloader) через интерфейс UART. Рабочий температурный диапазон микросхем –40...85°С.

54

Рис. 1. Структурная схема СС430

WWW.ELCP.RU

– промышленное управление и мониторинг (удаленный контроль оборудования, промышленная автоматика); – ЖКХ, управление освещением (мониторинг систем, учет электроэнергии, воды, тепла); – системы безопасности (охранные и пожарные датчики, контроль доступа, контроль помещений). АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ

Рис. 2. Часы eZ430-Chronos как средство разработки

Рис. 3. Окно сниффера пакетов

56

– модуль последовательных интерфейсов с двумя каналами (первый канал — UART, IrDA или SPI, второй — SPI или I2C); – часы реального времени; – аппаратные модули расчета CRC-16, умножения и шифрации/дешифрации по алгоритму AES128; – трехканальный контроллер прямого доступа к памяти; – аналоговый компаратор; – сторожевой таймер и современную отладочную систему с доступом через интерфейс JTAG или Spy-Bi-Wire. Широкие возможности и миниатюрный корпус делают семейство CC430 настоящей технологической платформой для создания современной РЧ-продукции в кратчайшие сроки и с рядом конкурентных преимуществ, в числе которых — компактность, малое потребление, низкая стоимость и улучшенные функциональные возможности. ПРИМЕНЕНИЕ CC430

Системы на кристалле СС430 находят применение в следующих областях: – автоматизация зданий (отопление, вентиляция, кондиционирование); – домашняя автоматизация (пульты дистанционного управления, портативные устройства, бытовая техника); – медицина (биодатчики, диагностика пациентов, тревожные кнопки); – периферия ПК (клавиатуры, мыши, джойстики);

WWW.ELCP.RU

Компания TI предоставляет всестороннюю техническую поддержку своей продукции. Помимо большого числа рекомендаций по применению и бесплатного программного обеспечения (ПО), пользователю доступны недорогие аппаратные средства, с помощью которых можно в кратчайшие сроки выполнить полный цикл разработки устройств, в том числе беспроводных, на базе СС430. eZ430-Chronos — средство разработки для беспроводных приложений, выполненное в виде наручных часов (см. рис. 2). Они созданы на базе CC430F6137 — системы на кристалле с РЧ- модулем, работающим в диапазоне частот до 1 ГГц. Часы оснащены 96-сегментным ЖКИ, датчиком давления, трехосевым акселерометром, высотомером, датчиком температуры и датчиком напряжения батареи питания. В типовой комплект поставки входят: – часы с CC430F6137; – USB-программатор/отладчик EZ430; – USB-точка доступа на базе СС1111, подключаемая к компьютеру; – отвертка для демонтажа; – два дополнительных винта; – запасная батарейка CR2032; – диск с описанием и ПО. Часы выпускаются в трех исполнениях для разных частотных диапазонов — 433; 868 и 915 МГц.

EM430F6137RF900 — законченное средство для разработки беспроводных приложений на базе СС430, которое содержит все необходимые аппаратные средства. Основные компоненты комплекта поставки: – две беспроводные целевые платы с диапазоном до 1 ГГц; – две внешних антенны; – диск с необходимым ПО.

SmartRF Studio — полезный инструмент, который помогает проектировщикам беспроводных систем оценить различные РЧ-модули на ранней стадии разработки. Инструмент представляет собой приложение для персонального компьютера (ПК), работающее с беспроводными оценочными наборами Texas Instruments на базе РЧ-микросхем серий CCxxxx, в том числе СС430. Программа запускается под ОС Windows и через USB или параллельный порт взаимодействует с отладочной платой, которая, в свою очередь, подключается по РЧ-каналу к оценочным платам с установленными РЧ-модулями. Удобный пользовательский интерфейс дает доступ к регистрам настройки РЧ-модуля для быстрого тестирования и настройки параметров РЧ-канала. SmartRF Studio может использоваться и без аппаратных средств — для ознакомления или изменения параметров регистров без возможности проверки результата.

SmartRF Protocol Packet Sniffer — это так называемый сниффер (перехватчик пакетов). После установки на ПК и прошивки соответствующей микропрограммы в плату, которая будет осуществлять перехват пакетов, сниффер позволяет в удобной графической форме видеть пакеты, отсылаемые устройствами, находящимися в радиусе действия радиоканала (см. рис. 3). Перехватчик пакетов поддерживает следующие функции: – сниффер для сетей ZigBee; – сниффер для сетей RF4CE;

Таблица 2. Протоколы, поддерживаемые сниффером пакетов

Протокол Версия 2003

ZigBee

CC2420 CC2420 CC2430 CC2431 CC2520 CC2530 CC2531

CC2430DB CC2430EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2431EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2530EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2520EM+SmartRF05EB CC2531 USB Dongle CC2430DB CC2430EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2431EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2530EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2520EM+SmartRF05EB CC2531 USB Dongle

CC2510EM + SmartRF04EB/ SmartRF05EB CC2511 USB Dongle CC Debugger + SmartRFCC2510TB

CC2420 CC2430 CC2431 CC2520 CC2530 CC2531 CC2420 CC2430 CC2431 CC2520 CC2530 CC2531 CC1100 CC1101 CC1100E CC1110 CC1111 CC1150 CC430 CC2500 CC2510 CC2511 CC2550

CC2430DB CC2430EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2431EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2530EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB CC2520EM+SmartRF05EB CC2531 USB Dongle

CC2420 CC2430 CC2431 CC2520 CC2530 CC2531

RF4CE

1.0

SimpliciTI

1.1.0 1.0.6 1.0.4 1.0.0

Универсальный

CC2420EM+CC2400EB

CC2430DB CC2430EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB 2007/PRO CC2431EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB 2006 CC2530EM+SmartRF04EB/SmartRF05EB 2003 CC2520EM+SmartRF05EB CC2531 USB Dongle

Рис. 4. Окно программы-индикатора спектра

– сниффер для сетей SimpliciTI; – сниффер для универсальных протоколов (необработанные пакетные данные); – сохранение/загрузка файла с зафиксированными пакетами; – выбор полей, которые будут отображены или скрыты; – фильтрация пакетов, которые будут отображены; – детализированное отображение данных, полученных по радиоканалу; – адресная книга со списком всех известных узлов в сети; – удобная временная шкала, отображающая пакеты в той последовательности, в которой они были получены. Поддерживаемые протоколы и аппаратные средства отображены в таблице 2. Обычно для создания беспроводных устройств необходим дорогостоящий спектроанализатор. Texas Instruments предлагает разработчикам специальный набор средств аппаратного и программного обеспечения, призванный решить сложности при создании РЧ-части устройства и обойтись без дорогих приборов.

Low power RF spectrum indicator — это упрощенный анализатор спектра радиочастот (слово «индикатор» в названии указывает на то, что инструмент предназначен только для оценочных измерений). Для реализации индикатора спектра понадобятся отладочные платы CC2511EMK (2,4 ГГц) или CC1111EMK (до 1 ГГц), а также плата SmartRF04EB или программатор/отладчик CC-DEBUGGER для записи микропрограммы индикатора спектра на USB-донгл. На персональный компьютер необходимо установить специальное программное обеспечение. Окно программы индикатора спектра показано на рисунке 4. Подробности можно узнать на сайте www.ti.com, набрав в строке поиска “Spectrum Indicator”. Помимо упомянутых в статье, для бесплатного скачивания с сайта TI доступно множество рекомендаций по применению, готовых проектов-примеров, программ-

Устройства, пакеты которых можно переАппаратная платформа захвата хватывать и анализировать

CC1110EM + SmartRF04EB/ SmartRF05EB* CC1111 USB Dongle* CC Debugger + SmartRFCC1110TB*

Любые CC1110EM + SmartRF04EB/ версии SmartRF05EB* CC1111 USB Dongle* CC Debugger + SmartRFCC1110TB* CC2510EM + SmartRF04EB/ SmartRF05EB CC2511 USB Dongle CC Debugger + SmartRFCC2510TB

CC1100 CC1101 CC1100E CC1110 CC1111 CC1150 CC430 CC2500 CC2510 CC2511 CC2550

* Оценочный модуль CC1110EM не перекрывает весь частотный диапазон; он работает на частотах 868/915 МГц. Существуют также референс-дизайны (готовые проекты-примеры) для частот 433 и 315 МГц.

ных средств и библиотек. Это облегчает и повышает эффективность процесса разработки интеллектуальных устройств со связью по радиоканалу. Может ли путь создания новых беспроводных измерительных устройств и устройств обеспечения безопасности быть проще?

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | GOOGLE И VERIZON WIRELESS РАБОТАЮТ НАД ПЛАНШЕТНЫМ КОМПЬЮТЕРОМ | Компании Google и Verizon Wireless совместными усилиями разрабатывают планшетный компьютер, который в перспективе, как ожидается, сможет конкурировать с Apple iPad. О том, что Google занимается созданием планшетного ПК, в прошлом месяце заявил ген. директор компании Эрик Шмидт. По имеющимся данным, в качестве программной платформы используется операционная система Android; устройство будет совмещать возможности ридера и мини-компьютера. Информацию о разработке планшета подтвердил президент Verizon Wireless Лоуэлл Макадам. По его словам, проект призван укрепить и расширить сотрудничество между Verizon, одним из крупнейших в США операторов мобильной связи, и Google. Вдаваться в подробности о готовящемся устройстве глава Verizon Wireless не стал, намекнув лишь, что наработки Google будут использованы наиболее полно, чтобы предоставить владельцам устройства максимум возможностей. www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №4 2010

57

ВРЕМЕННАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ НЕСКОЛЬКИХ УСТРОЙСТВ ПО СТАНДАРТУ IEEE1588 ПРИ ПОМОЩИ ПРОЦЕССОРОВ BLACKFIN ДЗЯНЬ У (JIANG WU), РОБЕРТ ПЕЛОКУИН (ROBERT PELOQUIN)

Во многих задачах требуется синхронная работа двух и более независимых устройств. Если каждое устройство будет работать от собственного генератора, то различия в характеристиках и условиях работы отдельных генераторов ограничат возможности синхронизации. Решить проблему призван стандарт IEEE 1588, который позволяет синхронизировать устройства с точностью до наносекунд. Хотя стандарт допускает и программную реализацию, столь высокая точность достижима лишь аппаратными средствами. Поэтому в статье не только описаны ключевые положения стандарта, но и рассмотрен пример реализации устройства на базе процессоров Blackfin, оснащенных аппаратной поддержкой IEEE 1588. ВВЕДЕНИЕ

Стандарт IEEE 1588, введенный в действие в 2002 г., определяет протокол синхронизации множественных тактовых сигналов в сетевом окружении. Этот стандарт постепенно становится предпочтительным методом синхронизации тактовых сигналов в самых разных системах, например, в тестовом и измерительном оборудовании, системах связи и потоковой передачи мультимедийных данных. Используемый в нем метод синхронизации тактовых сигналов эффективен с экономической точки зрения, поддерживает гетерогенные системы и обеспечивает точность синхронизации на уровне наносекунд. Данная статья содержит вводную информацию об оригинальном стандарте IEEE 1588-2002, а также об усо-

вершенствованиях, включенных в его обновленную версию IEEE 1588-2008. Ввиду возросшей важности IEEE 1588 для некоторых задач, на которые ориентировано семейство процессоров для встраиваемых систем Blackfin, в процессоре ADSP BF518 [1] была интегрирована аппаратная поддержка этого стандарта. В статье приводится обзор функциональных возможностей аппаратного модуля синхронизации ADSP BF518, а также рассматривается пример, иллюстрирующий показатели синхронизации тактовых сигналов в системе на базе процессоров ADSP BF518. КОТОРЫЙ ЧАС?

Во многих системах требуется поддерживать отсчет времени при помощи локального генератора тактовых сиг-

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

58

налов. На рисунке 1 показано, какие аппаратные и программные компоненты используются для формирования информации о времени в системе. Эта информация может быть использована как программными, так и аппаратными ресурсами системы. На аппаратном уровне один или несколько физических тактовых сигналов, сформированных из сигнала генератора, могут быть использованы для управления другими частями системы. Время, которое поддерживается в программном обеспечении системы, обычно называется системным временем. Системное время может быть представлено в виде количества импульсов тактового сигнала или в виде реальных секунд/наносекунд. Информация о времени формируется программным обеспечением системы на основе подсчета числа импульсов и информации о частоте генератора и доступна другим программным компонентам через функции интерфейса API (applicationprogramming interface). Если в системе необходимо поддерживать абсолютное время, то системное время может быть привязано к предварительно заданному значению точного времени, которое используется как точка отсчета. СИНХРОНИЗАЦИЯ ЧАСОВ

Рис. 1. Формирование информации о локальном времени

WWW.ELCP.RU

Во многих задачах требуется синхронная работа двух независимых устройств. Если каждое устройство будет формировать информацию о времени только от своего собственного генератора, то различия в характери-

ЧТО ДЕЛАЕТ IEEE 1588?

Стандарт IEEE 1588 определяет протокол синхронизации во времени устройств, которые разнесены географически, однако связаны между собой той или иной технологией передачи данных, например, по сети Интернет. Обмениваясь друг с другом информацией о времени, эти устройства могут поддерживать одинаковое абсолютное время, которое выражается в секундах и наносекундах. Интуитивно понятный способ достижения этой цели заключается в широковещательной передаче одним из устройств, которое имеет «наилучший» (наиболее точный) тактовый сигнал и называется ведущим синхронизацию (master clock), информации о своем времени остальным устройствам. Остальные устройства при таком подходе корректируют свои часы соответствии с информацией, полученной от задающего синхронизацию устройства. Такое решение имеет ряд ограничений: 1. Период, через который ведущее устройство производит широковещательные посылки информации о времени, не может быть бесконечно мал, поэтому для интерполяции временных точек между двумя посылками «ведомые» устройства должны использовать собственные независимые генераторы, характеристики которых заведомо хуже. В результате качество синхронизации в интервалах между обновлениями информации от ведущего устройства ухудшается.

2. В процессе прохождения широковещательных посылок неизбежно возникают задержки, величина которых зависит от используемой технологии передачи данных. Даже минимальная задержка равна времени, необходимому для прохождения физического сигнала по проводу от одного устройства к другому. Эта задержка приводит к появлению дополнительного сдвига между временем ведущего и временем каждого из ведомых устройств.

3. Различия в путях прохождения широковещательных сообщений от ведущего устройства до каждого из ведомых устройств приведут к дальнейшему ухудшению синхронизации между отдельными ведомыми устройствами.

Протокол, описанный в стандарте IEEE1588, решает вторую и третью проблемы путем измерения задержки в пути прохождения сообщения. Он также позволяет корректировать тактовый сигнал ведомого устройства для согласования с параметрами тактового сигнала ведущего устройства, чтобы уменьшить влияние первой проблемы. В ряде случаев эффект от первой проблемы можно дополнительно уменьшить, сократив интервалы между широковещательными посылками и используя более качественные генераторы. КАК В IEEE 1588 ИЗМЕРЯЕТСЯ ЗАДЕРЖКА В ЛИНИИ СВЯЗИ?

В стандарте IEEE 1588-2002 [2] введены четыре формата сообщений, предназначенных для измерения задержки в прямом (от ведущего к ведомому) и обратном (от ведомого к ведущему) каналах: Sync, Followup, DelayReq и DelayResp. В более новой версии, IEEE 1588-2008 [3], добавлены новые механизмы для измерения задержки от узла к узлу (peer to peer) при помощи трех дополнительных сообщений: PdelayReq, PdelayResp и PdelayRespFollowup. Четыре из этих сообщений (Sync, DelayReq, PdelayReq и PdelayResp) — это так называемые событийные сообщения (event message), которые должны сопровождаться временной меткой (записью локального времени) при получении или отправлении устройством. Существует два метода для добавления временных меток к пакетам: 1. Программные временные метки добавляются, когда сообщения обрабатываются программным обеспечением. Обычно это происходит в процедуре обслуживания прерывания приема/передачи сообщения, и такая временная метка содержит текущее значение системного времени.

2. Аппаратные временные метки добавляются в момент времени, соответствующий физическому приему/передаче сообщения. Операция добавления временной метки выполняется аппаратными средствами, которые ведут собственный непрерывный отсчет времени. Стандарт IEEE 1588 допускает любой из двух методов добавления временных меток, однако аппаратный метод, как будет показано в дальнейшем, способен обеспечить гораздо большую точность. ЗАДЕРЖКА В ПУТИ ОТ ВЕДУЩЕГО УСТРОЙСТВА К ВЕДОМОМУ

Сообщения Sync и Followup посылаются ведущим устройством, а ответственность за их прием и вычисление задержки в прямом канале лежит на ведомом устройстве. На рисунке 2 в момент времени Tm1 программное обеспечение ведущего устройства считывает значение текущего локального системного времени (Tm1, программная временная метка), вставляет его в сообщение Sync и посылает это сообщение. Реально оно поступает на выход ведущего устройства с некоторой задержкой в момент времени Tm1' (аппаратная временная метка). В момент времени Ts1'

59 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

стиках и условиях работы отдельных генераторов ограничат возможность синхронизации двух тактовых сигналов. Для преодоления этих ограничений можно предложить несколько простых решений: – все устройства могли бы работать от одного физического генератора. Этот вариант подходит только для систем, которые разнесены друг от друга на небольшое расстояние. Передать высокочастотный тактовый сигнал на большие расстояния без потери качества невозможно; – все устройства могли бы использовать генераторы с практически идентичными характеристиками. Этот подход не реализуем на практике из-за того, что найти подобные генераторы и предотвратить дрейф их характеристик во времени очень сложно. И, что особо важно, рабочие условия генераторов неизбежно будут различаться; – если все устройства соединены сетью передачи данных (например, через Интернет), то они могут динамически подстраивать внутренние часы относительно единого «ведущего» тактового сигнала, обмениваясь сообщениями с информацией о времени. При работе с сетевым протоколом NTP (network time protocol) — традиционным протоколом синхронизации времени — каждое устройство в системе подстраивает свои внутренние часы в соответствии с информацией, получаемой от сервера времени NTP. Однако достижимая при помощи данного протокола точность синхронизации ограничена миллисекундами. Стандарт IEEE 1588 определяет новый протокол, способный обеспечить точность синхронизации на уровне наносекунд. О том, каким образом достигается подобная точность, мы расскажем в следующих разделах.

Электронные компоненты №4 2010

рое ведущее устройство посылает сообщение DelayResp. При помощи этих сообщений ведомые устройства могут вычислить задержку в обратном канале связи (от ведомого устройства к ведущему). В момент времени Ts3 (см. рис. 3) программное обеспечение ведомого устройства считывает значение текущего локального системного времени (Ts3), помещает его в сообщение DelayReq и отправляет это сообщение. После того, как сообщение послано, программное обеспечение ведомого устройства считывает временную метку для получения реального времени отправления, Ts3', и ожидает отклика от ведущего устройства. Сообщение DelayReq поступает в ведущее устройство с некоторой задержкой в момент времени Tm3', и обрабатывается его программным обеспечением в момент времени Tm3. Затем программное обеспечение ведущего устройства считывает временную метку для получения времени прибытия Tm3', помещает его в сообщение DelayResp и посылает это сообщение в ведомое устройство в момент времени Tm4. В момент времени Ts4 программное обеспечение ведомого устройства получает сообщение DelayResp и может извлечь значение времени Tm3' для вычисления задержки в канале ведомый–ведущий, Tsmd, при помощи выражения (2):

Рис. 2. Измерение задержки в канале связи от ведущего к ведомому устройству

Tsmd = Tm3' – (Ts3' + Tms).

Рис. 3. Измерение задержки в канале связи от ведомого к ведущему устройству

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

60

(локальное время ведомого устройства) сообщение прибывает в аппаратный модуль ведомого устройства, и программное обеспечение ведомого устройства получает его также с некоторой задержкой в момент времени Ts1. Программное обеспечение ведомого устройства считывает аппаратную временную метку и получает, таким образом, значение Ts1'. Если задержка в канале связи отсутствует, то Ts1' должно быть равно (Tm1' + Tms), где Tms — это разница во времени между тактовыми сигналами ведомого и ведомого устройств. Цель протокола заключается в компенсации этой разницы. После того, как сообщение Sync послано, программное обеспечение ведущего устройства считывает время его отправления, Tm1', с помощью

WWW.ELCP.RU

блока временных меток, вставляет его в сообщение Followup и посылает это сообщение в момент времени Tm2. Программное обеспечение ведомого устройства получает сообщение Followup в момент времени Ts2. На данном этапе программное обеспечение ведомого устройства знает два времени: Ts1' (время прихода сообщения Sync) и Tm1' (время отправления сообщения Sync). Задержка в канале ведущий–ведомый, Tmsd, определяется при помощи выражения (1): Tmsd = (Ts1' + Tms) — Tm1'.

(1)

ЗАДЕРЖКА В ПУТИ ОТ ВЕДОМОГО УСТРОЙСТВА К ВЕДУЩЕМУ

Ведомые устройства посылают сообщение DelayReq, в ответ на кото-

(2)

Выражения (1) и (2) имеют общую неизвестную переменную — разницу во времени между ведущим и ведомым устройствами, поэтому получить значения Tmsd или Tsmd по отдельности невозможно. Однако, сделав предположение о том, что канал связи симметричен (это предположение обычно приемлемо на практике и является ключевым для корректной работы стандарта IEEE 1588), то есть: Tmsd = Tsmd = Td,

(3)

можно сложить выражения (1) и (2), что дает: Td = 1/2 [(Ts1' – Tm1') + (Tm3' – Ts3')]. (4) Все эти вычисления выполняются ведомыми устройствами, поскольку именно им необходимо синхронизироваться с ведущим устройством. Они получают значение Tm1' из сообщения Followup ведущего устройства, Ts1' — из внутренних временных меток приема (Rx), Ts3' — из внутренних временных меток передачи и Tm3' — из сообщения DelayResp ведущего устройства.

КАК ВЫЧИСЛИТЬ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ВРЕМЕНАМИ ВЕДУЩЕГО И ВЕДОМОГО УСТРОЙСТВ?

После нахождения задержки в канале связи Td, разницу во времени между ведущим и ведомым устройствами можно легко вычислить на основании выражения (1) или (2), как показано ниже: Tms = Td – (Ts1' – Tm1'),

(5)

Tms = (Tm3' – Ts3') – Td.

(6)

КАК ПОДСТРОИТЬ ВРЕМЯ ВЕДОМОГО УСТРОЙСТВА?

После того как становится известна разница во времени относительно ведущего, каждому из ведомых устройств необходимо подстроить собственное локальное время таким образом, чтобы оно совпадало с временем ведущего устройства. Эта задача имеет два аспекта. Во-первых, ведомым устройствам необходимо подстроить свое абсолютное время, добавив разницу во времени так, чтобы их собственное время точно совпадало с временем ведущего устройства в данный момент. Во-вторых, каждому ведомому устройству необходимо подстроить собственную тактовую частоту таким образом, чтобы она совпадала с частотой тактового сигнала ведущего устройства. Полагаться исключительно на абсолютное время нельзя, поскольку значение разницы во времени распространяется только на определенный интервал и может иметь любой знак; в результате после подстройки возможны скачки времени ведомого устройства или даже его обратная отстройка. Таким образом, на практике подстройка состоит из двух этапов: – если разница во времени слишком велика (например, более одной секунды), то применяется регулировка абсолютного времени; – если разница во времени мала, то к тактовым сигналам ведомых устройств применяется процентное изменение частоты. Вообще говоря, система превращается в замкнутый контур управления, где время ведущего устройства является опорным сигналом, время ведомого устройства — это выходной сигнал, следящий за временем ведущего устройства, а их разность управляет регулируемым тактовым сигналом. Для такого слежения может быть применено пропорциональное интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование, которое широко используется во многих аппаратных реализациях IEEE 1588. Подобный контур управления изображен на рисунке 4.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ

Грамотно спроектированные устройства с поддержкой IEEE 1588 могут обеспечивать очень высокую точность синхронизации времени. В то же время, важно иметь представление о ключевых факторах, напрямую влияющих на качество синхронизации. К ним относятся: 1. Задержка в канале. Как отмечалось ранее, при измерении задержек в стандарте IEEE 1588 подразумевается, что задержки в канале связи симметричны; то есть, задержка передачи в прямом канале равна задержке передачи в обратном канале. Кроме того, задержка не должна меняться в процессе ее измерения. Изменение задержки в процессе ее измерения приведет к асимметрии и джиттеру, которые неизбежно повлияют на точность синхронизации. Контролировать симметрию задержек и джиттер вне совместимого с IEEE 1588 устройства невозможно, однако внутри него эти показатели можно улучшить, используя при измерениях аппаратные временные метки. При использовании программных временных меток джиттер значительно выше из-за задержек обслуживания прерываний, переключения контекста и переключения между задачами.

2. Дрейф и джиттер тактовых сигналов. Частота и фаза задающего тактового сигнала являются входами для следящей системы управления, которая управляет тактовым сигналом ведомого устройства. Любое изменение характеристик тактового сигнала ведущего устройства во времени будет восприниматься системой управления как возмущающее воздействие и приводить к переходным процессам и ошибкам в установившемся состоянии. Таким образом, для повышения точности синхронизации следует использовать тактовые сигналы с как можно меньшим уровнем джиттера и дрейфа.

3. Закон управления. Метод управления определяет то, каким образом производится коррекция разницы во времени между ведущим и ведомым устройствами. Параметры закона управления, включая время установления, уровень выбросов и ошибку в установившемся состоянии, напрямую влияют на качество синхронизации.

61 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Рис. 4. Контур управления IEEE 1588

свою очередь, P2P-задержка — это задержка между двумя устройствами, непосредственно соединенными друг с другом. Таким образом, суммарная задержка в канале — это сумма P2P-задержек всех сегментов. С точки зрения сохранения симметрии канала механизм P2P обеспечивает более высокую точность. Как уже отмечалось выше, для измерения P2P-задержки в стандарте IEEE 1588-2008 добавлены три дополнительных сообщения: PdelayReq, PdelayResp и PdelayRespFollowup. Принцип измерения P2P-задержки аналогичен обсуждавшемуся выше принципу измерения E2E-задержки. Подробности можно найти в [3].

ЗАДЕРЖКА ОТ УЗЛА К УЗЛУ

В обновленной версии стандарта, IEEE 1588-2008, введен новый механизм для измерения задержки в каналах связи, который называется задержкой от узла к узлу (peer to peer delay, или P2P delay). В свою очередь, обсуждавшийся в предыдущих разделах механизм ведущий–ведомый — это механизм вычисления сквозной задержки (end to end delay, или E2E delay). В сети, поддерживающей стандарт IEEE 1588-2008, ведущее устройство может соединяться с ведомыми устройствами либо напрямую, либо через несколько промежуточных сегментов (hops). Задержка E2E — это полная задержка на пути от ведущего устройства к ведомому, включая все промежуточные сегменты. В

Электронные компоненты №4 2010

4. Разрешающая способность часов. Как показано на рисунке 1, разрешающая способность локального времени определяется частотой тактового сигнала; минимальное приращение времени равно одному периоду тактового сигнала. Предельная разрешающая способность протокола IEEE 1588 равна 1 нс (IEEE 1588-2002) или 2–16 нс (IEEE 1588-2008). На практике использование тактового сигнала с частотой 216 (!) ГГц (и даже 1 ГГц) не представляется возможным. Таким образом, период локальных тактовых сигналов будет влиять на точность измерения и управления локальным временем.

5. Как часто происходит посылка сообщений Sync. Частота, с которой происходит обновление часов ведомых устройств, в конечном счете влияет на точность синхронизации. Как правило, чем больше период обновления, тем больше величина ошибки, наблюдаемая в момент прихода следующего сообщения Sync. Это вызвано тем, что ошибка времени равна интегральной сумме ошибки рассогласования частот тактовых сигналов ведомого и ведущего устройств.

6. Как часто производится измерение задержки. Измерение задержки производится периодически с интервалами, выбранными на основании предположения о том, что изменение задержки между двумя соседними измерениями незначительно. Если в сети IEEE 1588 присутствуют большие отклонения задержки, то для улучшения качества синхронизации можно увеличить частоту измерений. КАК ВЫБРАТЬ ВЕДУЩЕЕ УСТРОЙСТВО?

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

62

Выше мы рассмотрели, как точно определить разницу во времени между ведущим и ведомыми устройствами. Еще один важный вопрос заключается в определении того, какое из объединенных в сеть устройств (число которых может составлять сотни) будет играть роль ведущего устройства. Для выбора ведущего устройства в стандарте IEEE 1588 используется метод, называемый алгоритмом определения наилучшего задающего тактового сигнала (BMC, best master clock). Данный метод основан на том, что каждое устройство сети IEEE 1588 хранит набор данных, описывающих тип, качество, стабильность, уникальный идентификатор и приоритетность своего локального генератора тактового сигнала. Когда новое устройство подключается к сети IEEE 1588, оно передает в широковещательном режиме набор данных о своем генераторе тактового сигнала и принимает наборы данных от других устройств. Используя наборы всех устройств сети IEEE 1588, каждое устройство выполняет

WWW.ELCP.RU

Рис. 5. Блок-схема модуля TSYNC процессора ADSP BF518

один и тот же алгоритм BMC для определения своего будущего статуса (ведущее или ведомое). Поскольку один и тот же алгоритм выполняется всеми устройствами над одними и теми же данными, все придут к одинаковому решению без необходимости обмена информацией друг с другом в режиме запрос/ответ. Дополнительную информацию о деталях работы алгоритма BMC можно найти в [2] и [3]. ПОДДЕРЖКА IEEE 1588 В ПРОЦЕССОРЕ ADSP BF518

Семейство цифровых сигнальных процессоров Blackfin компании Analog Devices недавно пополнилось новым процессором ADSP BF518. Как и его предшественник, ADSP BF537 [4], он имеет встроенный модуль контроллера доступа к среде (MAC, media access controller) Ethernet. Функциональные возможности EMAC в этом процессоре были расширены для поддержки стандарта IEEE 1588 за счет добавления дополнительного модуля TSYNC, а также ряда других функций, позволяющих обеспечивать работу по стандарту IEEE 1588 в сети Ethernet. Блок схема модуля TSYNC показана на рисунке 5. Дополнительную информацию можно найти в руководстве [5]. ОБНАРУЖЕНИЕ ПАКЕТОВ

Процессор ADSP BF518 может распознавать и формировать аппаратные временные метки для всех событийных сообщений IEEE 1588 во входящих и исходящих пакетах. Точность системы IEEE 1588 сильно зависит как от точности временных меток в событийных сообщениях, так и от того, где они берутся (поскольку это влияет на требования к симметрии и постоянству задержки в пути распространения). Модуль TSYNC процессора ADSP BF518 осуществляет постоянный мониторинг аппаратного интерфейса между контроллером

MAC и трансивером физического уровня (PHY, physical interface transceiver) Ethernet (другими словами, не зависящего от среды интерфейса (MII, media independent interface)) и вырабатывает временную метку при каждом обнаружении событийного сообщения. Такой механизм позволяет процессору ADSP BF518 обеспечивать повышенную точность синхронизации. Обнаружение событийных сообщений настраивается программно и может быть сконфигурировано для поддержки IEEE 1588-2002 (вариант, устанавливаемый по умолчанию) или IEEE 1588-2008. Более того, возможность программирования облегчает поддержку будущих версий IEEE 1588, а также других протоколов, требующих временных меток. Возможен даже вариант, при котором временная метка будет проставляться для каждого входящего и исходящего пакета Ethernet. ИСТОЧНИКИ ТАКТОВОГО СИГНАЛА

Свойства генераторов локальных тактовых сигналов очень важны для достижения хороших показателей в системе IEEE 1588. Чтобы удовлетворить потребностям самых разных приложений, в процессоре ADSP BF518 имеется возможность выбора трех вариантов источника локального тактового сигнала: тактовый сигнал системы, внешний тактовый сигнал или тактовый сигнал контроллера Ethernet. В случае, когда в приложении предъявляются особые требования к тактовому сигналу, может быть выбран внешний источник тактового сигнала с необходимыми характеристиками. Вариант работы от тактового сигнала контроллера Ethernet может дать хорошую точность, если ведущее и ведомые устройства соединены друг с другом напрямую, поскольку тактовый сигнал формируется из сигналов данных, передаваемых по сети Ethernet, и два устройства, таким обра-

зом, будут работать от одного тактового сигнала. В самом общем случае в качестве источника тактового сигнала может использоваться тактовый сигнал системы процессора. Выбранный тактовый сигнал синхронизации также выдается модулем TSYNC на выход через вывод Clockout процессора для предоставления другим частям системы возможности извлечения информации о локальном времени. ВЫХОД PPS

Сигнал «импульс в секунду» (PPS, pulse per second) — это физическая интерпретация информации о времени. Он представляет собой сигнал частотой 1 Гц в виде импульса, который совпадает с началом новой секунды. Этот сигнал может использоваться для управления локальными устройствами или для обеспечения вспомогательного канала информации о времени в случае сбоя сети. Он также может использоваться для тестирования. Разность фаз между сигналами PPS двух устройств является физической мерой разницы их времен. Выходной сигнал PPS в процессоре ADSP BF518 обеспечивает гибкие возможности. Для его формирования используются программируемые значения времени запуска (PPS_ST) и периода (PPS_P). В результате выходной сигнал имеет вид импульсов в моменты времени (PPS_ST + n . PPS_P), где n = 1, 2, 3… В базовом варианте применения сигнала PPS величина PPS_P задается равной 1 с, а PPS_ST — любому еще не наступившему моменту времени, кратному секунде. Выходной сигнал PPS может быть использован в качестве опорного для формирования периодического сигнала с полностью программируемыми частотой и временем запуска. ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ SNAPSHOT

В некоторых приложениях может потребоваться установка временной метки по определенному событию, о котором сигнализирует переключение сигнала флага. Для этих целей в модуле TSYNC процессора ADSP BF518 имеется вспомогательная функция Snapshot («моментальный снимок») с использованием отдельного вывода в качестве входа внешнего сигнала флага. По переключению флага модуль сохраняет текущее значение локального времени в регистре временной метки, который впоследствии может быть считан программным обеспечением.

Рис. 6. Тактовый сигнал, регулируемый при помощи добавочного слагаемого

.

(7)

РЕАЛИЗАЦИЯ IEEE 1588 НА ПРОЦЕССОРЕ ADSP BF518

На базе процессора ADSP BF518 была построена полнофункциональная совместимая с IEEE 1588-2088 система, структура которой показана на рисунке 7. Модуль TSYNC процессора обнаруживает входящие и исходящие сообщения IEEE 1588 и использует программные средства для проставления временных меток в событийных сообщениях. Протокол обмена сообщениями, заданный стандартом IEEE 1588, реализован с помощью программного стека IEEE 1588, поставляемого компанией IXXAT (IXXAT Automation GmbH). В нем используется драйвер TSYNC для чтения, записи и регулировки тактового сигнала TSYNC, а также драйвер контроллера MAC для посылки и приема сообщений через уровень MAC Ethernet (уровень 2 модели взаимодействия открытых систем, OSI). Он также реализует закон управления и фильтрацию измерений задерж-

БУДИЛЬНИК

Если в приложении требуется выполнять задачи в определенное время, для этого может быть использована функция будильника модуля TSYNC. Эта функция позволяет задавать абсолютное локальное время, по наступлению которого будет вызвано прерывание процессора. Программное обеспечение процессора обслужит это прерывание и выполнит требуемую задачу.

63

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ТАКТОВЫЙ СИГНАЛ СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Регулируемый тактовый сигнал модуля TSYNC формируется с использованием добавочного слагаемого. Как показано на рисунке 6, модуль TSYNC принимает на вход тактовый сигнал фиксированной частоты и выдает версию этого сигнала с меньшей частотой. Добавочное слагаемое прибавляется к значению аккумулятора при каждом такте входного тактового сигнала, и всякий раз, когда аккумулятор переполняется, бит переноса поступает на счетчик локального времени, выдающий информацию о локальном времени в виде количества сосчитанных импульсов. Частоту локального тактового сигнала можно установить, изменяя величину добавочного слагаемого, поскольку это определяет частоту переполнения аккумулятора и, следовательно, частоту инкрементирования счетчика локального времени. Если частота входного тактового сигнала равна Fin, а величина добавочного слагаемого равна А, то частота локального тактового сигнала равна:

Электронные компоненты №4 2010

что стандарт не требует в явном виде аппаратной поддержки, достигнуть максимальной точности синхронизации без использования аппаратных средств при обнаружении сообщений и установке временных меток невозможно. В процессоре ADSP BF518 реализована аппаратная поддержка обеих версий стандарта, IEEE 1588-2002 и IEEE 1588-2008, а также функции, позволяющие работать с иными вариантами синхронизации. Высокая точность синхронизации была продемонстрирована на примере системы IEEE 1588, построенной на базе процессора ADSP BF518 и программного обеспечения протокола IEEE 1588-2008 компании IXXAT.

Рис. 7. Реализация IEEE 1588 на процессоре ADSP BF518

ки P2P. В качестве контроллера PHY Ethernet выбрана микросхема DP83848 компании National Semiconductor [6], поскольку она обладает очень малым джиттером задержки. Для упрощения системы в качестве источника тактово-

го сигнала модуля TSYNC был выбран тактовый сигнал системы процессора (80 МГц). Рисунок 8 иллюстрирует качество синхронизации тактового сигнала устройства в виде гистограммы распределения измеренной ошибки между двумя идентичными системами IEEE 1588 на базе ADSP BF518. Для построения гистограммы было произведено 6938 измерений с периодом приблизительно 1700 с. По результатам измерения было получено среднее значение ошибки 0,015 нс и стандартное отклонение 12,96 нс. Для проведения теста интервал сообщений Sync был выбран равным 0,25 с. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 8. Гистограмма распределения рассогласования времен ведомого и ведущего устройств в системе IEEE 1588 на базе процессора ADSP BF518

Стандарт IEEE 1588 представляет собой недорогой метод синхронизации распределенных тактовых сигналов с высокой точностью. Несмотря на то,

ЛИТЕРАТУРА 1. Техническое описание процессора ADSP BF518//www.analog.com/en/embedded-processing-dsp/blackfin/adsp-bf518/ processors/product.html.

2. IEEE Std. 1588-2002. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. http://ieee1588.nist.gov/PTTI_draft_final.pdf.

3. IEEE Std. 1588 2008. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems// ieee1588.nist.gov.

4. Техническое описание процессора ADSP BF537//www.analog.com/en/embeddedp r o c e s s i n g - d s p / b l a c k f i n /a d s p - b f 5 37/ processors/product.html.

5. ADSP-BF51x Blackfin Processor Hardware Reference Preliminary, Revision 0.1 (Preliminary). January 2009. Analog Devices, Inc.//www.analog.com/static/imported-files/ processor_manuals/bf51x_hwr_rev_0-1.pdf.

6. AN-1507: DP83848 and DP83849 100Mb Data Latency. 2006. National Semiconductor Corporation//w w w.national.com/an/AN/ AN-1507.pdf.

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

64

| AMD ПРЕДСТАВИЛА ШЕСТЬ НОВЫХ ПРОЦЕССОРОВ СЕМЕЙСТВА ATHLON II | Компания AMD обновила семейство процессоров Athlon II для настольных ПК шестью новыми моделями, выполненными по 45-нм технологическому процессу. Самыми простыми среди новинок являются AMD Athlon II X2 245e и X2 260, основанные на ядре Regor и работающие на частоте 2,9 и 3,2 ГГц, соответственно. Оба ЦП обладают 2-Мбайт кэш-памятью второго уровня (по 1 Мбайт на ядро), но значения TDP разные: для младшей модели — 45 Вт, для старшей — 65 Вт.

AMD Athlon II X3 445 основан на ядре Rana и имеет по 512 Кбайт кэш-памяти второго уровня на ядро. Частота процессора составляет 3,1 ГГц, величина TDP — 95 Вт. Athlon II X3 415e — более энергоэффективный, максимальное значение его TDP составляет 45 Вт. Правда, и частота ниже — 2,5 ГГц.

AMD Athlon II X4 640, основанный на ядре Propus, характеризуется частотой 3,0 ГГц, 512-Кбайт кэш-памятью второго уровня на каждое ядро (суммарно — 2 Мбайт). Уровень TDP в данном случае составляет 95 Вт. Второй четырехъядерный процессор — Athlon II X4 610e — работает на частоте 2,4 ГГц и имеет вдвое меньший уровень TDP — 45 Вт. Все трехъ- и четырехъядерные процессоры упакованы в 938-контактный корпус (Socket AM3), совместимы с модулями памяти как DDR2-1066 МГц, так и DDR3-1333 МГц, поддерживают шину HyperTransport 3.0 (до 4 ГГц). Двухъядерные ЦП совместимы с памятью DDR2-800 МГц и DDR3-1066 МГц. Все новинки будут производиться на предприятии GLOBALFOUNDRIES Fab 1 (Дрезден, Германия). www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

УЗКОПОЛОСНАЯ PLC-ТЕХНОЛОГИЯ. Часть 2 ВИКТОР ОХРИМЕНКО, техн. консультант, НПФ VDMAIS В настоящее время во многих приложениях, в т.ч. в автоматизированных системах контроля и учета энергоресурсов, передача данных осуществляется по проводам силовой электросети. В статье дан обзор PLC-спецификаций, продвигаемых европейскими и региональными промышленными группами, альянсами и ассоциациями (OPEN Meter, PRIME, HomePlug, ECHONET и др.), а также рассмотрены особенности некоторых технологий. одновременно с их развитием усовершенствовалась узкополосная технология передачи данных по электросети (Power Line Communication — PLC), а также активные и пассивные PLCкомпоненты. Кроме того, узкополосная PLC-технология ориентирована на использование в устройствах управления уличным освещением, системах сигнализации, вентиляции и кондиционирования. Ее применение позволяет достаточно просто решать задачи объединения приборов и устройств в рамках концепции «умного дома» с возможностью централизованного управления ими. Широкое распространение PLC-технологии, особенно в последние годы, обусловлено еще и тем, что автоматизированные сети управления/контроля должны дотянуться до каждого счетчика на предприятии, в доме или квартире. Во многих случаях единственная и наиболее естественная среда связи, удовлетворяющая этому требованию, — электрический сетевой провод. Сравнительные характеристики технологий передачи данных по электросетям даны в таблице 1 [2, 3].

АЛЬЯНСЫ И СТАНДАРТЫ

Большой вклад в разработку технических спецификаций передачи данных по электросети и их продвижению на рынок вносят компании-производители электротехнического оборудования, которые зачастую объединяются в ассоциации, альянсы и промышленные группы. Во многих случаях вначале происходит захват рынка, а затем на базе спецификаций, которым уже соответствует большой объем выпущенного оборудования, создаются полноценные международные стандарты. Таким образом формируются стандарты де-факто. В настоящее время наиболее активную роль в разработке и продвижении спецификаций для узкополосной PLCтехнологии на европейском континенте играют консорциум OPEN Meter (Open Public Extended Network Metering), альянс PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution), испанские компании IBERDROLA, ENDESA и итальянская энергораспределяющая корпорация ENEL. Следует также отметить альянс HomePlug. Основным производителем

65 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ВВЕДЕНИЕ

Европейская Комиссия (исполнительный орган Европейского Союза), приняла декрет о том, что к 2020 г. 80% потребителей электричества в Европе должны быть снабжены интеллектуальными электронными электросчетчиками. Изобретенные более ста лет назад традиционные электромеханические счетчики исчерпали потенциал своих возможностей. По сравнению с ними, электронные счетчики имеют много неоспоримых преимуществ, выгодных как для энергетических компаний, так и для потребителей. К этим преимуществам относятся повышение точности измерений, снижение затрат на производство, калибровку и техническое обслуживание счетчиков и, что не менее важно, возможность предоставлять потребителю и производителю подробную информацию об уровне расходуемой мощности в здании, доме или квартире. В итоге выигрывают все. Потребители могут более точно отслеживать и контролировать расход электроэнергии (например, включать стиральную машину в период действия ночного тарифа), а поставщики могут генерировать и распределять электроэнергию более эффективно [1—7]. Для удаленного сбора показаний разного рода счетчиков учета расхода (воды, газа, тепла, электричества и т.д.), управления потреблением энергоресурсов, а также оказания услуг потребителям служат автоматизированные системы управления/контроля. На рисунке 1 приведены некоторые стандарты и протоколы, используемые в автоматизированных системах считывания показаний датчиков, в т.ч. в сетях с использованием линий электропередач в качестве физической среды. Наиболее естественная среда передачи данных в таких системах — линии электропередач среднего и низкого напряжения. Во многом благодаря необходимости повсеместного внедрения и широкому распространению автоматизированных систем

Рис. 1. Стандарты и протоколы, используемые в автоматизированных системах считывания показаний датчиков

Электронные компоненты №4 2010

компонентов на базе спецификаций HomePlug С&C является израильская компания Yitran и компания Renesas. Существенный вклад в решение проблем передачи данных по электросети и выработку принципов организации распределенных сетей управления/ контроля внесли участники европейского проекта REMPLI (Real-time Energy Management via Powerlines and Internet) [6]. Этот проект, основанный и профинансированный Европейским Союзом, проходил под девизом: «Энергия, окружающая среда и экология». Под эгидой образованного в 1997 г. консорциума ECHONET Consortium (Energy Conservation and Homecare NET), объединившего ведущие японские компании-производители, разработан ряд PLC-спецификаций для узкополосной передачи данных в полосе частот 10…450 кГц. Эти спецификации широко используются региональными производителями PLC-оборудования.

OPEN Meter

Большой вклад в стандартизацию автоматизированных систем контроля и учета вносит консорциум OPEN Meter, созданный под эгидой Европейского Союза. В консорциум входит 19 крупных европейских компаний-производителей электротехнического оборудования и университетов (www.openmeter. com). Среди них IBERDROLA (Испания), CURRENT Technologies International GmbH (Швейцария), University of Karlsruhe (Германия), DLMS User Association (Швейцария), ENDESA (Испания), ELSTER (Германия), ENEL (Италия), EdF (Франция), STMicroelectronics (Швейцария) и др. Координация работ в рамках этого проекта осуществляется корпорацией IBERDROLA. Цель одноименного открытого проекта, стартовавшего в январе 2009 г., — произвести выбор открытых и общедоступных стандартов для создания комплексных AMI/AMM-систем, поддерживающих автоматизированное измерение расхода газа, воды, тепла,

электроэнергии и т.д. Чтобы обеспечить выполнение стандартов и рекомендаций при их разработке принимаются во внимание реальные условия работы существующих сервисных автоматизированных сетей. Предполагается, что данный проект позволит устранить существующие барьеры для широкого распространения автоматизированных систем в Европе на базе открытых стандартов, и это будет гарантировать совместимость оборудования разных производителей. Проект согласуется с требованиями европейских организаций стандартизации CENELEC, ETSI (European Telecommunications Standards Institute — Европейский институт стандартизации электросвязи) и др. Планируется, что финансируемый Европейской комиссией проект OPEN Meter продлится до июня 2011 г. [1, 4]. После завершения работ предполагается представить ряд проектов как базирующихся на уже принятых стандартах, так и новых, основанных на инновационных решениях, выработанных в процессе осуществления проекта. Это стандарты семейства IEC 61334 (системы автоматики с распределенными каналами связи), IEC 62056 (электрические измерения), а также ряд стандартов семейства EN 13757 (измерения с использованием шины М-bus и др.).

PRIME

Альянс PRIME (www.prime-alliance. org), в который входят, главным образом, ведущие европейские производители электротехнического и PLCоборудования — Advanced Digital Design Semiconductor (ADD), CURRENT Group, IBERDROLA, ITRON, LANDIS+GYR, STM, ZIV GROUP, а также компания Texas Instruments, — фокусирует свою деятельность на разработке открытых спецификаций для узкополосной PLC-технологии с пропускной способностью до 128 Кбит/с. Инициатором разработки спецификаций выступила крупнейшая испанская энергетиче-

ская компания IBERDROLA со штабквартирой в Бильбао. Предполагается, что такая скорость передачи обеспечит создание разветвленных интеллектуальных AMM-сетей. Поскольку для полноценного обмена данными в автоматизированных системах требуется повышенная скорость, а использование модуляции видов FSK, S-FSK, BPSK, DCSK не позволяло это осуществить, в предложенных в настоящее время PRIME-спецификациях регламентируется модуляция OFDM, что и позволило увеличить скорость передачи до 128 Кбит/с. Кроме того, в спецификациях описан способ кодирования данных и изменения скорости передачи в зависимости от вида модуляции поднесущих. Для передачи данных используется полоса частот 41,9…88,8 кГц (CENELEC A). Кроме спецификаций уровня PHY, имеются также спецификации MAC-уровня. От одного из участников альянса — компании STMicroelectronics (ведущего европейского производителя интегральных схем) — ожидается поддержка производства электронных компонентов, удовлетворяющих требованиям PRIME-спецификаций.

HOMEPLUG

Образованный в 2000 г. альянс HomePlug (www.homeplug.org) для низкоскоростной передачи данных по электрическим сетям в 2007 г. предложил использовать спецификации HomePlug Command and Control (HomePlug C&C), обеспечивающие скорость передачи данных до 7,5 Кбит/с. В основу спецификаций HomePlug C&C положена предложенная израильской компанией Yitran узкополосная технология передачи данных по электросети. Использование этих спецификаций позволит обеспечить низкую стоимость PLC-оборудования. Спецификации HomePlug C&C включают три уровня сетевой модели OSI: PHY, MAC и NL (Network Layer). На физическом уровне используется предложенная компани-

Таблица 1. Основные характеристики технологий передачи данных по электросети

66 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

PLC-технология Наименование

Узкополосная

Широкополосная Высокая скорость Высокая скорость 9…500 (FCC), 9…95 (CENELEC A), 9…148,5 1500-50000 95…125 (CENELEC B), 95…148,5 (CENELEC B, C, D) <10 50–1000 >2000 FSK, S-FSK, BPSK, FFH, DCSK OFDM, MCM OFDM, MCM Нет или поддерживается Поддерживается на высоком уровне для обеспече- Поддерживается на среднем уровне для обена низком уровне ния высокой достоверности данных спечения высокой пропускной способности Системы автоматизированного дистанционного Автоматизированные распределенные сети VoIP, HDTV, считывания показаний счетчиков (датчиков) управления/контроля интернет («последняя миля») Низкая скорость

Диапазон частот, кГц Скорость передачи, Кбит/с Модуляция Помехоустойчивое кодирование (FEC) Применение Производители компонентов и оборудования, ассоциации и альянсы (www.ipcf.org/company)

WWW.ELCP.RU

Yitran, Renesas, STMicroelectronics, ONSemiconductor, Busch Jaeger, Echelon, Görlitz, AMI Solution, Landis&Gyr и др.

STMicroelectronics, ECHONET Freescale, iAd, Maxim, ADD Grup, PRIME (ADD, Current Group, Landis&Gyr, uSySCom, ZIV и др.)

DS2, Intellon, Spidcom, Panasonic, Amperion, Current Communications, Mitsubishi, Homeplug, OPERA

REMPLI

Главная цель проекта REMPLI (www.rempli.org) — проектирование и внедрение сетевой распределенной инфраструктуры для сбора показаний разного рода счетчиков и дистанционного управления в реальном времени с использованием в качестве физической среды передачи данных электросети среднего и низкого напряжения. Среди участников проекта венский институт ICT (Institute of Computer Technology), а также компании iAd (Германия), ISEP/IPP, ADENE (Португалия), TOP (Болгария) и др. В результате выполнения проекта были созданы и протестированы две сетевые инфраструктуры в Португалии и Болгарии. В части оборудования был использован набор микросхем PLC-модемов DLC-2C, DLC-2CA производства компании iAd. Это одни из первых микросхем PLC-модемов с использованием модуляции вида OFDM. C топологией сети, результатами выполнения проекта и другими материалами можно ознакомиться в [6].

ENDESA, ENEL И ДРУГИЕ

В середине 2009 г. испанская компания ENDESA объявила о намерении заменить в период 2010—2015 гг. около 13 млн электрических счетчиков на новые счетчики Enel Smart, которые являются ключевым звеном в концепции удаленного управления энергопотреблением. Счетчики будут поставляться итальянской корпорацией ENEL — основным акционером компании ENDESA, являющейся также автором SITRED — открытого протокола обмена данными по силовым электросетям. На физическом уровне в протоколе SITRED используется модуляция вида FSK (спецификации IEC 61334-5-2) [1, 4]. Поставщиком компонентов для проекта выбрана компания STMicroelectronics, разработавшая новую серию микросхем PLC-модемов ST75xx. Кроме того, в оборудовании предполагается использовать 32-разрядный микроконтроллер STM32, высококачественные MOSFET-транзисторы и другие компоненты, производимые этой компанией. Компания ENEL объявила о том, что протокол обмена по линиям электропередач SITRED будет открытым. Это по-настоящему серьезный шаг в процессе стандартизации, начатом Европейским Сообществом и нацеленном на развитие интеллектуальных систем и сетей (smart grid) управления/контроля энергоснабжения. Ранее в 2001—2006 г.г. в рамках проекта Telegestore компания ENEL уже установила в Италии почти 32 млн интеллектуальных электронных электросчетчиков. Связь с центральным диспетчерским пунктом в системе Telegestore осуществляется с использованием открытых телекоммуникационных сетей (GSM/GPRS, PSTN, а также спутниковой связи). Концентраторы, установленные на подстанциях среднего напряжения (один концентратор на один трансформатор), используются для связи между центральным диспетчерским пунктом и электронными электросчетчиками. Концентраторы являются ключевым звеном развернутой AMM-сети. При связи с диспетчерским пунктом используется протокол TCP/IP. В PLC-сети для связи используется полоса частот CENELEC A, скорость передачи данных 2400 бит/с. Концентратор в низковольтной PLC-сети работает в режиме главного устройства. Если ему не удается установить непосредственную связь со счетчиком (из-за наличия помех или большого затухания сигнала), специально встроенные процедуры позволяют использовать для этого другие счетчики сети, которые выступают в этом случае как ретрансляторы

сигнала. Иными словами, концентратор выполняет также логические функции сервера. Можно ожидать, что развертывание в Европе широкомасштабной автоматизированной сети, включающей почти 50 млн интеллектуальных устройств, ускорит завершение затянувшихся дебатов по выбору общих открытых европейских стандартов для автоматизированных измерительных систем. Тем временем, французская энергетическая компания EdF (Electricite de France) готовит к реализации во Франции собственный широкомасштабный проект развертывания автоматизированной сети контроля и учета электроэнергии, который предусматривает установку 35 млн интеллектуальных электросчетчиков на территории Франции. В настоящее время осуществляется тестирование одной из систем, развернутой в Лионе. Установку счетчиков предполагается завершить в 2016 г. Битва стандартов продолжается…

ECHONET

В консорциум ECHONET входят ведущие японские компании, среди которых Hitachi, Ltd., Panasonic Corporation, Mitsubishi Electric Corp., Sharp Corp., Tokyo Electric Power Company, Inc., Toshiba Corp., NEC Corp., NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE CORPORATION, Sanyo Electric Co., Ltd. и другие (www.echonet. gr.jp/english/index.htm). Консорциум был образован в 1997 г. Цель его создания — повысить безопасность, надежность и эффективность устройств домашней автоматики (и тем самым улучшить условия проживания людей в домашних условиях), что позволит, в конечном счете, обеспечить более высокий уровень жизни в XXI в. Основной акцент сделан на воплощении идеи жить в гармонии с окружающей средой. Консорциум ECHONET занимается разработкой аппаратного и программного обеспечения для технологий, объединяющих домашние приборы в единую сеть с целью снизить потребление энергоресурсов, оградить человека от вредных воздействий на его здоровье, обеспечить удаленный контроль/управление домашним оборудованием и т.д. Спецификации ECHONET регламентируют универсальные протоколы передачи различных информационных услуг в домашней сети, включающей приборы разных производителей, с использованием в качестве физической среды передачи уже существующие. Для передачи данных в полосе частот 10…450 кГц по двухи трехпроводным однофазным сетям напряжением 100/200 В разработаны PLC-спецификации двух типов: power line A и power line В [7]. В спецификациях power line A применяется метод формирования широкополосного сигнала, при котором исходная двоичная последовательность преобразуется с помощью SS-кода (Spread Spectrum) в псевдослучайную последовательность, используемую для модуляции несущей. Этот метод преобразования получил название DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum — расширение спектра методом прямой последовательности). Суть метода в том, что каждому символу пере-

67 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ей Yitran модуляция сигнала типа DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) с расширением спектра. Этот вид модуляции был запатентован компанией Yitran в 2000 г. В зависимости от используемого рабочего диапазона частот в соответствии с действующими региональными стандартами, предусмотрены следующие скорости передачи данных: 7,5/5,0/1,25 (FCC) и 2,5/0,625 Кбит/с (CENELEC) [5].

Электронные компоненты №4 2010

теристик PLC-канала. Скорость передачи данных 4,06/8,12/12,2/24,4/36,5 Кбит/с (скорость 8,12 Кбит/с должна поддерживаться во всех системах). Мощность выходного сигнала передатчика не более 75 мВт (примерно 25 мВт/несущую), чувствительность приемника не хуже 0,1 мВт. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 2. Варианты возможных структур модулятора (а) и демодулятора (б)

Рис. 3. Принцип модуляции с несколькими несущими

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

68

даваемого сообщения ставится в соответствие некоторая псевдослучайная последовательность. Введение избыточности приводит к повышению тактовой частоты и, соответственно, расширению спектра сигнала. Аналогичный метод преобразования данных используется, например, в системах связи стандарта IEEE 802.11. Поскольку параметры линий электропередачи как среды передачи данных в большой степени зависят от многих факторов, структуры систем модуляции/демодуляции не специфицированы, и допускается выбор схемы их построения. С точки зрения возможности обеспечения надежного соединения, приемлемы различные структуры систем модуляции/демодуляции [7]. Основные характеристики физического уровня (power line A) приведены ниже: – метод преобразования данных DSSS (вид SS-кода не специфицирован);

– скорость передачи данных 9600 Кбит/с; – мощность выходного сигнала передатчика не более 10 мВт/10 кГц; – чувствительность приемника не хуже 0,1 мВт; – помехи в линии на расстоянии 30 м от передатчика в полосе частот 10…450 кГц не более 100 мкВ/м; в полосе 526,5…1606,5 кГц — 30 мкВ/м; – интенсивность паразитных излучений в полосе частот 0,45…5 МГц — не более 56 дБмкВ; в полосе 5…30 МГц — 60 дБмкВ. В качестве примера в [7] приведены возможные варианты структур модулятора и демодулятора (см. рис. 2). В спецификациях power line В передача данных осуществляется с использованием метода модуляции с несколькими несущими (multiple carriers). В спецификациях физического уровня (power line В) для модуляции несущих оговаривается использование модуляции типа DQPSK (Differential Quaternary Phase-Shift Keying — дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция) и ее разновидностей — DBPSK и D8PSK. Частоты несущих выбираются из соотношения N ∙ 4,3125 кГц, где N = 32, 48, 64, 80, 96. Как правило, используются три (см. рис. 3) базовых несущих частотой 207, 276 и 345 кГц (N = 48, 64, 80). Выбор конкретных значений частот несущих производится в зависимости от харак-

В настоящее время в производимом множеством фирм электротехническом оборудовании для автоматизированных систем управления/контроля в большинстве случаев используются PLC-модемы, в которых для передачи данных применяется модуляция сигнала типа S-FSK (стандарт IEC 61334-5-1), FSK, DSSS, BPSK или DCSK. Возрастающие требования к автоматизированным системам, большая разветвленность сетей, а также насущная потребность в обмене данными в реальном времени послужили мощным стимулом разработки новых спецификаций узкополосной технологии передачи данных по электросетям. В предложенных альянсом PRIME спецификациях скорость передачи увеличена до 128 кбит/с. Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и PLC-оборудовании см. в [1—7]. ЛИТЕРАТУРА 1. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/part 4. — OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com).

2. H. Hrasnica, A. Haidine, R. Lehnert.

Broadband Power-line Communications Networks. — John Willey & Sons. 2004.

3. PRIME. Technology Whitepaper. PHY, MAC and Convergence layers. 2008//www. prime-alliance.org.

4. Description of the state-of-the-art PLCbased access technology. D2.1/part 2. — OPEN Meter. 2009//www. openmeter.com.

5. HomePlug Command & Control (C&C).

Overview. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance. 2008//www.homeplug.org.

6. REMPLI. Publishable Final Project Report. — REMPLI. 2006//www.rempli.org.

7. ECHONET Specification. Part III. Transmission Media and Lower-Layer Communication Software Specification. V.1.0. — ECHONET Consortium//www.echonet.gr.jp.

СОБЫТИЯ РЫНКА | РЫНОК МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ВОССТАНАВЛИВАЕТСЯ | Согласно исследованиям Databeans Inc. ожидается, что рынок микроконтроллеров достигнет 12,3 млрд долл. в 2010 г., что на 14% превышает итоги 2009 г. Объем продаж на рынке микроконтроллеров в 2009 г. упал на 21% из-за экономического спада. Как отмечается в исследовании, в текущем году намечается восстановление, а к 2015 г. стабильный рост продаж микроконтроллеров (до 18,5 млрд долл.) в таких областях как автоэлектроника, компьютеры, потребительская электроника, коммуникации и промышленные приложения. Поставщиками микроконтроллеров являются Renesas Electronics, Freescale Semiconductor, Infineon Technologies, Microchip Technology и Fujitsu. Renesas Electronics, включая новоприобретенную компанию NEC, в 2009 г. стал ведущим поставщиком, занимающим на рынке долю продаж около 29%. Компания Freescale заняла второе место на рынке с долей 10%. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД В ГИБРИДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ. Часть 4. Разработка КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ» СТАНИСЛАВ ФЛОРЕНЦЕВ, ген. директор, ООО «Русэлпром-электропривод» ДМИТРИЙ ИЗОСИМОВ, зам. ген. директора по науке, ООО «Русэлпром-электропривод» ЛЕВ МАКАРОВ, ген. конструктор, ООО «Русэлпром» АНДРЕЙ ЗАЙЦЕВ, гл. конструктор, ОАО «Русэлпром-НИПТИЭМ» ДМИТРИЙ ГАРОНИН, техн. директор, дивизион «Русские автобусы группа ГАЗ»

В четвертой части этой статьи (начало см. в ЭК11, 2009) рассматриваются вопросы типажа, разработки, производства и эксплуатации гибридных автобусов. Указываются ведущие фирмы-производители оборудования для гибридных автобусов. Приводятся характеристики городского автобуса ЛИАЗ 5292ХХ с гибридной энергоустановкой – совместной работы концерна «Русэлпром» и Ликинского автобусного завода. По итогам Международного автотранспортного форума, Москва, 2008 г., этот автобус был признан лучшим автобусом года в России. применения КЭУ с буферным накопителем, в принципе, тем выше, чем чаще повторяются разгоны и торможения в типовом движении транспортного средства. Типичным примером транспортного средства, движение которого характеризуется повторяющимися разгонами и торможениями, является городской маршрутный автобус, который при движении не только останавливается по сигналу светофоров, но и на остановках для высадки и посадки пассажиров. Эффективность применения КЭУ обусловлена: – большим различием средней и пиковой мощности, требуемой для движения (отношение до 1:5 и выше); – большим различием удельных показателей энергии и мощности бортовых источников, составляющих КЭУ. Важным фактором снижения расхода топлива является рекуперация энергии торможения вместо ее теплового рассеивания и работа ДВС в стационарном экономичном режиме, что так же значительно снижает величину токсичных выбросов в выхлопе ДВС. Работа городских автобусов с большим числом остановок представляет идеальные условия для использования энергии торможения. Автобусы в основном используются на низких скоростях, и очень часто за разгоном почти сразу следует торможение и остановка. В обычных автобусах кинетическая энергия в основном преобразуется в неиспользуемое тепло, в то

время как гибридные автобусы, трогаясь после остановки, используют только преобразованную энергию, которая выделяется при торможении. До 45% всего времени работы городских автобусов приходится на остановки, где автоматическая система стоп-и-старт помогает сохранять дорогостоящее топливо. ГИБРИДНЫЕ АВТОБУСЫ В МИРЕ

Указанные преимущества давно известны мировым производителям автобусов. Не случайно, что продажи серийных гибридных городских автобусов начались еще в 1991 г. Пионером, как и в продвижении легковых гибридных автомобилей, стала корпорация Toyota. Ее дочерняя компания Hino выпустила гибридный городской автобус Hino Blue Ribbon City Hybrid. Автобус был оборудован собственной разработкой Hino — параллельной гибридной трансмиссией HIMR, в которой пятиступенчатая коробка передач сочеталась с асинхронным мотор-генератором, а в качестве накопителя энергии использовались NiMH - батареи. Позже подобной трансмиссией был оборудован и туристический автобус люкс-класса S’elega R. С 1997 г. и по настоящее время лидером в количестве коммерчески используемых гибридных автобусов являются США и Канада. Только в США продано более 6000 гибридных автобусов

Электронные компоненты №3 2010

69 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

Анализ мировых тенденций развития транспортных систем показывает, что совершенствование мобильной техники осуществляется в направлении энергосбережения, ресурсосбережения и создания машин с экологически безопасными параметрами. Важность применения экологически чистых энергосберегающих транспортных средств в мегаполисах России очевидна. Основным критерием создания новой отечественной транспортной техники становится ее конкурентоспособность по отношению к традиционным и гибридным транспортным средствам зарубежных производителей. Из анализа множества альтернативных вариантов следует: реальной возможностью в настоящее время создать экологически чистое (или, по крайней мере, мало загрязняющее окружающую среду) конкурентоспособное транспортное средство является использование комбинированной энергоустановки (КЭУ) на базе двигателя внутреннего сгорания, генератора, тягового электропривода с буферным накопителем. В КЭУ удается совместить положительные свойства отдельных источников: высокую удельную энергию источника энергии и высокую удельную мощность буферного источника. Приоритетными являются комбинированные энергоустановки с тепловыми двигателями, а в перспективе — энергоустановки на основе топливных элементов. Эффективность

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

70

различных производителей, причем удалось несколько уменьшить разницу в цене гибридного и обычного автобуса. Например, в 2007 г. самый массовый американский гибридный автобус Orion VII Hybrid стоил 385 тыс. долларов, а газовый аналог — 313 тыс. долларов. Это продукт концерна Daimler, владеющего североамериканским производителем автобусов Orion Bus. В его основе — последовательная гибридная трансмиссия, созданная американо-британским аэрокосмическим и оружейным концерном BAE Systems. Система включает в себя синхронный генератор с постоянными магнитами и асинхронный тяговый двигатель в комплекте с силовыми преобразователями на IGBT, контроллером и свинцовокислотными батареями Hawker. Электрические машины и силовой преобразователь имели масляное, а контроллер — водяное охлаждение. Надо отметить, что с 2008 г. продается уже второе поколение систем гибридного тягового привода BAE Systems. Их отличает применение более экологически чистого дизеля (Евро-4 с EGR), единой масляной системы охлаждения всех элементов привода, нового ПО контроллера, замена свинцово-кислотных батарей на литиево-ионные A123Systems. Последовательной гибридной трансмиссией BAE пользуются и другие производители автобусов — канадская фирма New Flyer, британская Alexander Dennis, японская Isuzu тоже испытывает новый 9-м автобус Erga с гибридной схемой BAE Systems. В США и Канаде активную материальную и организационную поддержку внедрению инновационных и экологичных городских автобусов оказывают власти всех уровней и общественнокоммерческие объединения и организации. Крупные города США и Канады сотнями закупают такие гибридные автобусы, так что в настоящее время в эксплуатации уже находится свыше 2200 таких автобусов, и планируются поставки покупателям не менее 850 шт. в ближайшем будущем (2010—2011 г.). Стоимость владения такими автобусами сравнялась и даже стала ниже стоимости владения газовыми автобусами, которые ранее считались экономичной и более экологически чистой альтернативой дизелю. Характерен следующий пример. Власти Нью-Йорка отказались от закупки около 200 газовых автобусов, направив выделенные средства на закупку гибридных автобусов. Позднее власти приняли решение перейти полностью на закупку гибридов, аргументируя это тем, что при сходных экологических показателях дизель-электрические автобусы

WWW.ELCP.RU

более экономичны и дают существенные преимущества в эксплуатации и комфорте, не требуют дополнительной инфраструктуры, а разница в цене довольно быстро окупается. Основными компаниями, производящими комплектное тяговое электрооборудование различных типов для гибридных автобусов, являются: – EP40 и EP50 фирм General Motors/ Allison Transmission (разработка совместно с Daimler Chrysler и BMW) — смешанная параллельная схема (Split). Это самая массовая на сегодняшний день трансмиссия — комбинированная последовательно-параллельная схема, которая объединяет в составе трансмиссии 2 асинхронных электрических машины , 3 планетарных передачи и 2 синхронных муфты. Каждая из электрических машин может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме. В состав трансмиссии входит также сдвоенный силовой преобразователь на IGBT, контроллер и NiMH-батарея Panasonic. Электромашины, силовые преобразователи и контроллер имеют общую систему водо-масляного охлаждения. В 2009 г. появилось второе поколение таких трансмиссий, рассчитанное на работу с более экологически чистыми двигателями (Евро-4), с обновленными силовым преобразователем и контроллером, новым ПО, вторым поколением батарей. У некоторых производителей гибридных автобусов вместо аккумуляторных батарей в качестве накопителей использованы суперконденсаторы. Они имеют больший ресурс и большую удельную мощность, меньшую стоимость; – Eaton Fuller® UltraShift® Hybrid фирмы Eaton Corp. — параллельная схема; – HIMR I и II фирм Toyota-Hino — смешанная параллельная схема (Split); – I-SAM® фирмы Volvo — параллельная схема; – ELVO® фирмы Voith — последовательная схема; – Mitsubishi — последовательная схема (только для рынка Японии); – Vossloh Kiepe — последовательная схема. В качестве накопителя энергии используются суперконденсаторы Maxwell.

– TheWheel™ фирмы E-Traction — последовательная схема; – ELFA® фирмы Siemens Automation&Drives — последовательная схема. Это универсальная система, используемая для построения последовательных гибридных электротрансмиссий для автобусов. Она включает в себя: – электрические машины водяного охлаждения (асинхронные и синхронные с постоянными магнитами) в широком диапазоне мощностей, исполь-

зуемые в качестве генераторов или тяговых (вспомогательных) двигателей; – сдвоенные силовые IGBTпреобразователи (инвертор+инвертор или инвертор+чоппер) водяного охлаждения; – контроллеры для управления комплектом тягового оборудования; – дополнительное электрическое (специальные дроссели) и механическое (редукторы, сумматоры, оси) оборудование. При очевидном достоинстве универсальности системы Elfa®, ее недостатком является отсутствие системной интеграции для конкретного транспортного средства, например гибридного автобуса.

– HybriDrive® Gen. I и II фирмы BAE Systems — последовательная схема; – CEU 90, 120, 240 фирмы Enova Systems — последовательная схема. Американская компания Enova Systems производит асинхронные электрические машины, силовые IGBT-пеобразователи, контроллеры, комплектует свои системы редукторами, накопителями энергии на основе аккумуляторов или суперконденсаторов. Компании удалось добиться значительного продвижения на рынке Юго-Восточной Азии. В частности, она активно сотрудничает и имеет совместное предприятие с Hyundai, в гибридных автобусах которой используются комплекты Enova. Несколько особняком от основного течения в разработке трансмиссий для городских гибридных автобусов стоят американская компания Eaton и американо-шведский концерн Volvo. Эта трансмиссия представляет собой сочетание 6-скоростной автоматизированной коробки передач и моторгенератора с постоянными магнитами Hitachi и Li-ion герметичной батареи того же производителя. Таким образом, в мире существует около десятка разработчиков полных комплектов тягового электрооборудования для гибридных автобусов, из которых в нашем обзоре приведены лишь наиболее крупные. Количество производителей отдельных компонентов или групп компонентов, компаний-интеграторов больше на порядок. Что же касается производителей автобусов, можно сказать, что для них вопрос наличия в их производственной линейке гибридного автобуса является вопросом престижа. Производитель, не имеющий гибридных моделей, в развитых странах рассматривается как своего рода компания «второго сорта». Это подтверждают и крупные выставки производителей транспорта, имевшие место в 2009 г. — UITP в Вене и BusWorld в Кортрейке.

Рис. 1. Гибридный автобус Scania

Рис. 2. Блок-схема КТЭО автобуса Scania

лепной маневренности, снижает суммарные выбросы CO2 почти на 90%, если заправлен этанолом, и достигает экономии топлива почти в 25%. Концепция автобуса с гибридным приводом фирмы Scania создана для формирования устойчивой автобусной системы. Она спроектирована для того, чтобы быть рентабельной на основании собственных достоинств, не рассчитывая на стимулы при покупке или при эксплуатации. Дополнительная стоимость продукции компенсируется добавленной покупательской стоимостью и пониженными эксплуатационными расходами. Гибридная силовая установка Scania (см. рис. 2), выполненная по последовательной схеме, является результатом трехлетнего проекта по разработке, которую проводил Технический центр фирмы Scania в Седерталье, Швеция. Не требуется использования дополнительных понижающих передач в связи с большим рабочим диапазоном тягового двигателя (0–2400 об./мин, полный крутящий момент 2750 Нм при пуске). Охлаждение электрических машин — жидкостное; буферного накопителя — воздушное. Блок ДВС — генератор установлен в шумозащищенном кожухе. Специально сконструированная шумоизолирующая стенка отделяет пассажирское отделение от заднего модуля. Воздух для систем охлаждения передается по отдельным шумозащищенным воздуховодам. Уровень внешнего шума снижен до 75 дБ.

ГИБРИДНЫЙ АВТОБУС ЛИАЗ 5292ХХ

Бурное развитие в мире гибридных транспортных средств и перспективы их развития не остались без внимания российских специалистов в этой области. Сразу несколько предприятий Концерна «Русэлпром» ведут разработки и подготовку производства электрических машин, силовой и управляющей электроники, испытательных стендов для приемо-сдаточных и квалификационных испытаний как составных частей, так и всего КТЭО электрических трансмиссий для различных транспортных средств: большегрузных самосвалов, многосцепных автопоездов, многоосных колесных тягачей, сельскохозяйственных и промышленных колесных и гусеничных тракторов. К этому перечню добавилось еще одно направление — гибридный автобус. На Международном автотранспортном форуме, Москва, 9—12 сентября 2008 г. «Группа ГАЗ» представила городской автобус ЛИАЗ 5292ХХ с гибридной энергоустановкой (см. рис. 3). По итогам форума этот автобус был признан лучшим автобусом года в России. Автобус ЛИАЗ 5292ХХ — результат совместной работы концерна «Русэлпром» и Ликинского автобусного завода. Разработка КТЭО к автобусу велась ООО «Русэлпром-электропривод». Это первый российский автобус с гибридным приводом, аналогов которого нет ни у одного отечественного производителя. Основные ожидаемые преимущества гибридного привода городского автобуса:

Электронные компоненты №3 2010

71 ЭЛЕК ТРОПРИВОД

Для Европы переломным должен стать 2010 г., в котором в серийное производство поступят сразу несколько моделей гибридных автобусов у ведущих производителей, а также начнутся массовые продажи целого ряда одно- и двухэтажных моделей британских производителей. Рассмотрим более подробно современный городской гибридный автобус на двух примерах. Гибридный низкопольный городской автобус MAN Lion’s впервые был представлен на международном конгрессе транспортных компаний UITP в 2008 г. в Хельсинки NEOMAN Bus Group, а также отделом автобусов MAN Nutzfahrzeuge AG. Запуск серийного производства автобусов, которое начнется с небольшого парка для заказчиков, запланирован на 2010 г. В гибриде Lion’s City компания MAN использовала множество средств, которые позволяют значительно снизить расход топлива. Стефан Кершл (Stefan Kerschl), разработчик автобусов и менеджер проекта, заявляет о снижении расхода топлива минимум на 20—25% и о значительном сокращении выхлопных газов. Эти факты также подтверждаются великолепными результатами работы в транспортной компании VAG предыдущей модели автобуса, который прошел более чем 30 тыс. км, обслуживая пассажиров Нюрнберга. Выбор суперконденсатора в качестве буферного накопителя этой модели разработчики объясняют тем, что он отличается особенно высокой величиной плотности рассеиваемой мощности, объемом сохраняемой энергии, надежностью и повышенной эффективностью. Отсутствие массопереноса и необходимости в сервисном обслуживании — еще два фактора, которые позволяют говорить об экономической эффективности суперконденсаторов. С точки зрения весового баланса, решение с использованием суперконденсаторов превосходит вариант с аккумуляторными батареями, поскольку низкопольный автобус с суперконденсаторами, которому не требуются более тяжелые батарейные блоки, практически сравнивается по массе с городскими автобусами на природном газе. Не менее важен и тот факт, что улучшенная система воздушного охлаждения обеспечивает в среднем такой же эксплуатационный ресурс суперконденсаторов, как и срок службы серийных автобусов (в отличие от аккумуляторных батарей любого существующего типа). Полноразмерный низкопольный городской гибридный автобус Scania (см. рис. 1) — удобный и комфортабельный, подходит для стесненных городских условий благодаря велико-

Рис. 3. Автобус ЛИАЗ 5292ХХ (концепт) с гибридным приводом на Международном автотранспортном форуме (выставочный комплекс КРОКУС-ЭКСПО, Москва, 9—12 сентября 2008 г.)

– снижение в 10 раз уровня выбросов при езде в городском цикле (Евро-5); – работа в оптимальных по топливной эффективности режимах работы ДВС; – экономия топлива на 25—50%; – возможности пуска ДВС от накопителей без стартера; – возможность генерации и рекуперации электроэнергии; – снижение мощности ДВС на 25—30% при сохранении тягового момента на колесах; – повышение комфортабельности (шум, вибрация, управляемость); – повышение надежности и ресурса работы.

– наиболее комфортный проезд (более плавные старт и торможение), т.к. отсутствует прерывание потока мощности от энергоустановки до ведущих колес. Основные технические данные гибридного автобуса ЛИАЗ 5292ХХ: – масса — 18,2 т; – вместимость 100 чел.; – радиус качения ведущих колес — 466 мм;

72

– максимальная скорость — 90 км/ч; – максимальный преодолеваемый подъем — 20%. Основными задачами разработки являлись: – формирование рационального состава семейства гибридных автобусов ЛИАЗ; – создание технического задела, необходимого для организации производства гибридных автобусов на предприятиях ОАО «ЛИАЗ» (при возможном участии европейских партнеров); – формирование необходимой производственной кооперации и проверка ее способности к освоению и систематическим поставкам КЭУ и их модификаций; – оценка основных экономических показателей КЭУ и затрат, необходимых для организации их производства; – создание и отработка в ходе опытной эксплуатации макетного объекта, обеспечивающего полный цикл эксплуатации в городских условиях; – практическая проверка и отработка базовых технических решений

путем разработки, изготовления, исследовательских, приемочных и эксплуатационных испытаний опытных образцов автобусов с КЭУ. Для достижения требуемых характеристик при движении в городе (цикл НАМИ II) тяговое оборудование автобуса должно обеспечивать следующие показатели (оценки тяговодинамических расчетов): средняя мощность, требуемая для городского движения, составляет 33 кВт; максимальная (пиковая) мощность — около 250 кВт; при скоростном движении (90 км/ч) требуется тяговое усилие 5000 Н; мощность 115 кВт; при движении на подъеме 20% (12°) со скоростью 10 км/ч (масса 13 т, 30 с) тяга составляет 29000 Н, мощность 80 кВт. Комплект тягового электрооборудования выполнен по последовательной схеме. Выбор последовательной схемы обусловлен мировым опытом, минимальной стоимостью и сроками разработки, внедрения и окупаемости проекта. Обоснование выбора всех компонентов тягового электрооборудования дано в [1]. Основные характеристики силового оборудования КТЭО автобуса ЛИАЗ 5292ХХ приведены в таблице 1. Любопытно, что характеристики силового оборудования КТЭО автобусов ЛИАЗ 5292ХХ, Scania и MAN Lion’s City, имеющих подобные технические данные по пассажировместимости, массе и габаритам, практически совпали. Отметим в этой связи, что тягово-динамические расчеты, выбор кинематической схемы, определение основных характеристик силовых устройств КТЭО, проектирование и изготовление агрегатов автобуса ЛИАЗ 5292ХХ завершились в Концерне «Русэлпром» до того, как были опубликованы данные зарубежных аналогов, что, разумеется, свидетельствует об объективности полученных оценок.

ЭЛЕК ТРОПРИВОД

СОБЫТИЯ РЫНКА | ГРУППА КОМПАНИЙ ФОРМИРУЕТ АЛЬЯНС ПО МНОГОЯДЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ | В сфере многоядерной параллельной обработки и разработки программного обеспечения организован новый альянс. Группа компаний, получившая название eNsemble Multi-Core Alliance, выполняет функцию базовой организации, которая помогает OEM-производителям разрабатывать высокопроизводительное сетевое оборудование с применением передовых многоядерных процессоров. Одним из членов-учредителей группы является компания NetLogic Microsystems Inc. Другими членами альянса являются 6WIND, Abatron, Advantech, AirHop Communications, Aricent, Axentra, BitDefender, BroadWeb, Continuous Computing, CriticalBlue, D2 Technologies, Effnet, ENEA, JumpGen Systems, Kaspersky Lab, Lanner Group, Macraigor, Mentor Graphics, NEXCOM, Procera Networks, Qosmos, Sensory Networks, Silicom и TeamF1. Альянс eNsemble Multi-Core Alliance объединил поставщиков лучших аппаратных платформ и программного обеспечения, которые предлагают широкий набор решений и которые являются лидерами в своей области деятельности. Альянс обеспечивает базу, на которой разработчики могут создавать новые решения, которые будут в полной мере использовать высокую производительность и функциональные возможности многоядерных процессоров. Альянс получил решительную поддержку от компаний-лидеров отрасли и приглашает к участию в нем других поставщиков многоядерных процессоров. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

DC/DC-преобразователи для работы в условиях высоких температур и жестких вибраций ТИВА БУССАРАКОНС (TIVA BUSSARAKONS), инженер, International Rectifier До недавнего времени компании, занимающиеся разведкой нефтяных месторождений, были вынуждены разрабатывать собственные DC/DC-преобразователи для скважинных зондов в связи с тем, что преобразователи, предназначенные для работы при очень высоких температурах, не были доступны на рынке. Но на сегодняшний день компания International Rectifier (IR) представила новое семейство DC/DC-преобразователей серии HTA, которые созданы специально для работы при высоких температурах в условиях сильных вибраций (бурение нефтяных скважин, контроль авиационных двигателей и другие экстремальные условия). Устройства серии HTA выполнены на основе классической топологии и обладают высокой производительностью и функциональностью, что способствует их быстрому внедрению на рынок DC/DC преобразователей. ВВЕДЕНИЕ

Электронные устройства, предназначенные для подземных работ, в особенности для добычи нефти, часто подвергаются воздействию высоких температур. Значение этих температур зависит от трения, возникающего во время работы, глубины бурения и геологических особенностей исследуемого месторождения. Как правило, оно превышает 150°C, зачастую достигая 200°C и выше. На сегодняшний день лишь немногие электронные компоненты, имеющиеся в продаже, предназначены для работы при таких высоких температурах. Некоторые технологии производства электронных компонентов способны обеспечить надежную работу за пределами рекомендуемых значений, которые указаны в справочных данных. Однако использовать компоненты в таких режимах не рекомендуется. В результате в настоящее время очень малое число производителей способны предложить DC/DC-преобразователи, предназначенные для работы при температурах выше 125ºC, не говоря уж о температурах более 175ºC. DC/DC-преобразователи серии HTA компании International Rectifier с выходной мощностью до 20 Вт надежно функционируют в диапазоне температур –35…185°C. Они могут работать как в одноканальном, так и в двухканальном режиме. Преобразователи серии HTA являются первыми в своем роде устройствами, обладающими простотой интеграции и взаимодействия с другими узлами системы. Они предназначены для работы при высоких температурах в диапазоне входного напряжения от 150 до 250 В пост. тока. Гальваническая развязка между входом и выходом обеспечивает надежную защиту нагрузки при аварийных режимах на питающей стороне и дает возможность последовательного включения преобразователей для повышения выходного напряжения. Благодаря функциональности и встроенной защите от помех преобразователи семейства HTA легко применимы для построения сложных систем. Они могут являться как основными источниками питания, так и звеном в многозвенной цепи преобразователей. Область использования таких преобразователей весьма широка. В нее входят бурение нефтяных скважин, исследования сейсмической активности, контроль авиационных двигателей и другие места, где возникает необходимость работы при температурах до 185°C. Через несколько лет интенсивного развития техники и технологического процесса преобразователи серии HTA

не только будут обладать высокой надежностью и простотой, но и послужат основой при разработке и создании преобразователей, предназначенных для работы при еще более высоких температурах. На рисунке 1 представлена фотография DC/DC-преобразователя серии HTA без верхней крышки. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НТА

Основными преимуществами серии HTA являются малые размеры и вес устройств, высокая устойчивость к внешним воздействиям, таким как большие рабочие температуры, сильные удары и вибрация. Все компоненты преобразователя тщательно подобраны для работы в тяжелых условиях. Результаты всех проводимых испытаний, в том числе электрических и тепловых, предоставляются компанией International Rectifier и являются общедоступными. Приведем основные параметры и особенности устройств серии HTA: – диапазон входного напряжения — 150…250 В пост. тока; – выходная мощность — до 20 Вт; – возможность работы в одноканальном и двухканальном режимах с номинальными выходными напряжениями 3,3; 5; 12 и 15 В; ±5; ±12 и ±15 В; – встроенный сетевой фильтр для защиты от излучения помех; – возможность последовательного включения нескольких блоков для получения более высоких выходных напряжений и мощности; – наличие точных обратных связей для обеспечения надежной работы в экстремальных условиях; – КПД — до 76%; – диапазон рабочих температур –35…185°C;

Рис. 1. Преобразователь серии HTA со снятой верхней крышкой

Электронные компоненты №4 2010

73

Рис. 2. Структурная схема двухканального преобразователя серии HTA

– наличие гальванической развязки (500 В) для защиты нагрузки при аварии в питающей сети; – встроенная защита от перенапряжений; – наличие входов внешней синхронизации; – защита от короткого замыкания и сверхтоков; – возможность регулирования выходного напряжения; – дистанционное слежение за ошибками при работе; – возможность дистанционного включения/выключения преобразователя; – вес — менее 70 г; – компактность — размеры 100×38×11 мм (Д×Ш×В). ТОПОЛОГИЯ СХЕМЫ

74

Структурная схема преобразователя, работающего в двухканальном режиме, показана на рисунке 2. Схема построена на основе топологии преобразователей серии AFL компании International Rectifier, которые неоднократно доказывали свою надежность. Преобразователи серии AFL уже более десяти лет являются одними из наиболее часто используемых в военной, космической и других областях, где предъявляются самые жесткие требования к надежности. Улучшение схемы и применение новых электронных компонентов позволили расширить диапазон рабочих температур преобразователя. Сравнение основных характеристик устройств серии HTA и AFL представлено в таблице 1. Устройства серии HTA выполнены на основе прямоходового преобразователя с резонансным сбросом, в котором два полевых транзистора включаются последовательно для обеспечения работоспособности при

высоких значениях входного напряжения. Номинальная частота переключения транзисторов составляет 500 кГц. Для уменьшения размеров устройства и числа компонентов в схеме используется ШИМ-контроллер, разработанный специалистами компании International Rectifier, в который входят специализированные интегральные микросхемы. Потенциальная развязка входа и выходов преобразователя и стабилизация выходного напряжения достигаются за счет использования магнитно-сцепленной обратной связи. Слежение за выходным напряжением и ограничение коэффициента заполнения обеспечивает защиту от перенапряжений на выходе устройства при сбоях в контуре регулирования. Схемное решение преобразователей предусматривает наличие входного LC-фильтра для подавления помех, излучаемых в питающую сеть. Размах пульсаций входного тока не превышает 15 мА. На вторичной стороне трансформатора, участвующего в процессе передачи энергии, находятся 2 изолированные друг от друга обмотки, к которым подключены традиционные схемы выпрямления. Каждый канал схемы имеет индивидуальные фильтры низких частот для снижения высокочастотных пульсаций и шумов. Контур обратной связи по выходному напряжению включен только в канал положительного напряжения. Корректная стабилизация напряжения в «отрицательном» канале напряжения осуществляется тогда, когда нагрузка обоих каналов сбалансирована. При одноканальном режиме работы задействованными оказываются только одна вторичная обмотка трансформатора, выпрямитель и выходной фильтр.

Таблица 1. Сравнение основных характеристик серий HTA и AFL Входное напряжение, В Выходная мощность, Вт Количество каналов Выходные напряжения, В КПД, % Рабочие температуры, °C Частота переключения, кГц Гальваническая развязка Помехоподавляющий фильтр Магнитно-сцепленная обратная связь Защита при коротких замыканиях и перегрузках

WWW.ELCP.RU

Серия HTA 150…250 До 20 2 3,3; 5; 12; 15; ±5; ±12; ±15 До 76 –35…185 550 500 В, 100 МОм Есть Есть Есть

Серия AFL 28…270 До 120 1 3,3; 5; 7; 8; 9; 12; 15; 28 До 87 –55…125 550 500 В, 100 МОм Нет Нет Есть

Рис. 3. Поперечное сечение корпуса семейства HTA

Преобразователь поддерживает также дополнительные функции, такие как частотная синхронизация для работы с несколькими преобразователями, дистанционное слежение за выходным напряжением в одноканальном режиме, высокоточная стабилизация выходного напряжения и включение источника по внешнему сигналу. КОНСТРУКТИВ

Одна из причин высокой надежности преобразователей серии HTA заключается в особенностях конструкции. Толстая гибридная пленка, герметично накрывающая сборку, обеспечивает минимально возможное тепловое сопротивление перехода. Особая структура гибридной сборки обеспечивает наикратчайший путь для оттока тепла от электронных компонентов к теплоотводу (см. рис. 3). Таким образом, благодаря использованию материалов с высокими значениями теплопроводности, достигаются наилучшие тепловые характеристики. Алюминиево-кремниевый корпус, состоящий из основания и боковых стенок, представляет собой несущий каркас. Материал корпуса выбран исходя из его высоких показателей теплопроводности и механической прочности. Сборка начинается с крепления электронных компонентов на печатной плате пайкой припоем. Трансформатор и другие магнитные элементы крепятся на основание при помощи теплопроводящего клея. Внешние выводы устройства соединяются с платой проводами. Затем сборка проверяется. Особенно важные компоненты помещаются в силиконовый наполнитель с целью увеличения устойчивости к механическим воздействиям. После выполнения перечисленных операций сборку закрывают крышкой и снова проводят тестирование. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ HTA

Проверенное схемотехническое решение, грамотный подбор электронных компонентов, гибридная сборка и выбор наиболее подходящих связующих материалов являются основными причинами долгого срока службы преобразователей семейства HTA, а также их надежности. Они

обладают следующими преимуществами: – стабильность характеристик устройств в условиях высоких температур при работе на номинальной мощности; – возможность продолжительной работы при напряжениях питания до 250 В и кратковременной — при напряжениях до 300 В; – оптимальная форма корпуса обеспечивает эффективный отвод тепла; – низкий уровень шумов и помех позволяет успешно использовать устройство в собственных разработках; – долгий срок службы в условиях сильных вибраций и высоких температур. ПРОВЕРКА ИЗДЕЛИЯ НА СООТВЕТСТВИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ

DC/DC-преобразователи серии HTA уже доступны на рынке. Они прошли все необходимые квалификационные испытания, порядок которых описан ниже. Более подробная информация публикуется на сайте компании IR. ПРИМЕРЫ ТЕСТОВ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На этапе тестирования устройств компании IR были выбраны пять преобразователей семейства HTA для проведения различных электрических тестов с целью определения разброса их параметров и отклонения реальных значений от представленных в спецификации. Все устройства тестировались в критических электрических и тепловых условиях. В таблице 2 проведено сравнение наихудших параметров, полученных при испытаниях, со справочными данными. Несмотря на то, что параметры «плавают» с изменением температуры (см. рис. 5, 6), все они остаются в допустимом спецификацией диапазоне. ПЛАНЫ РАЗВИТИЯ

Помимо описанных устройств, ведутся разработки преобразователей для работы в условиях высоких температур мощностью 45 и 90 Вт, а также преобразователей с диапазоном входных напряжений до 400 В. Кроме того, разрабатываются устройства с допустимым температурным режимом до 210°C. Для полу-

Электронные компоненты №4 2010

75

Рис. 4. Испытания

Рис. 5. Зависимость КПД от тока нагрузки и входного напряжения HTA20005S (выходное напряжение 5 В)

Рис. 6. Зависимость КПД от рабочей температуры и входного напряжения HTA20005S (выходное напряжение 5 В)

Таблица 2. Результаты испытаний Параметр

Выходное напряжение, В

Ток потребления без нагрузки, мА Пульсации напряжения в нагрузке/шум, мВ рр

76

КПД, % Частота переключения, кГц

Температура, °C

Значения по спецификации

–35 25 185 –35 25 185 –35 25 185 –35 25 185 –35…185

4,850…5,150 4,950…5,050 4,850…5,150 20 20 30 50 50 24 73 75 70 500…650

чения более подробной информации о новых разработках свяжитесь со специалистами компании IR. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После многих лет проектирования и конструирования специалисты компании IR успешно решили поставленные задачи в области проектирования и развития DC/DC-преобразователей для чрезвычайно сложных условий. Устройства серии HTA позволяют сократить стоимость разработки и упростить интеграцию источника питания в конечное устройство. Условием успешной разработки являются точное понимание характеристик используемых компонентов, продуманный выбор материалов, использование проверенной

WWW.ELCP.RU

–35°C 5,017

Наихудшие показатели при испытаниях 25°C

185°C

5,018 5,067 7,325 6,965 22,995 11,73 9,67 7,57 76,0 77,4 543,34

542,09

71,5 528,04

топологии схемы и качественное производство. Стоит ожидать, что эти правила будут взяты за основу во время разработок более сложных устройств, работающих при еще более высоких температурах. ЛИТЕРАТУРА 1. Military Satellites Pose Engineering Challenges in DC/DC Converter Development, Tiva Bussarakons // Defense Electronics, A Primedia Publication, May 2004.

2. Thick Film Hybrid DC/DC Converters are Standard ‘Brick’ for Satellite Power Systems’, Tiva Bussarakons // Defense Electronics, RF Design, June 2006.

3. International Rectifier HTA Series of DC/DC Converters Data Sheet.

МИКРОСХЕМА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ЭСППЗУ СО ВСТРОЕННЫМ СЕКВЕНСОРОМ АДРЕСА 5861РР1Т ЛЕОНИД АВГУЛЬ, к.т.н., заместитель ген. директора по научной работе, НТЦ «ДЭЛС» БОРИС ИВАНОВ, нач. отд., ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей» ВИКТОР КРЯЖЕВ, нач. отд., НТЦ «ДЭЛС» СЕРГЕЙ КУРНОСЕНКО, к.т.н., нач. отд., НТЦ «ДЭЛС» СЕРГЕЙ ТЕРЕШКО, к.т.н., ген. директор, НТЦ «ДЭЛС» В статье представлено техническое описание микросхемы быстродействующего параллельного ЭСППЗУ 5861РР1Т емкостью 16 Кбит (организация 2К×8 бит). Отличительными особенностями микросхемы являются высокое быстродействие при чтении информации (25 нс), встроенный секвенсор адреса с функциями инкремента/декремента, рабочий диапазон температур (–60…125°С), напряжение питания 4,5…5,5 В.

Микросхема 5861РР1Т — электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭCППЗУ) информационной емкостью 16 Кбит и организацией 2К×8 бит. Микросхема предназначена для построения постоянных запоминающих устройств с возможностью многократной перезаписи информации. Микросхема изготавливается по КМОП-технологии и имеет ТТЛ-совместимые входы и выходы. Конструктивно она выполнена в планарном металлокерамическом корпусе типа 4119.28-6 с двухсторонним расположением выводов. Назначение выводов микросхемы приведено в таблице 1, а ее основные параметры — в таблице 2. Микросхема 5861РР1Т может быть использована как при разработке новой, так и при модернизации серийно выпускаемой радиоэлектронной аппаратуры (например, для замены микросхем серий 573, 558, 1601). СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Структурная схема микросхемы приведена на рисунке 1. Блок формирования адреса предназначен для формирования исполнительного адреса ADR, непосредственно используемого в блоке памяти для записи/чтения информации. Функциональная схема блока формиро-

вания адреса представлена на рисунке 2. Блок содержит: – регистр режимов со схемой декодирования сигналов управления (Register Decoder); – 11-разрядный регистр адреса (Address Register); – комбинационную схему.

Комбинационная схема реализует вычисление инкремента, декремента, передачу адреса с входной шины в регистр адреса, а также обеспечивает режим хранения кода адреса. Функционирование блока формирования адреса осуществляется в соответствии с таблицей 3. Запись

77 Рис. 1. Структурная схема микросхемы Таблица 1. Назначение выводов микросхемы 5861РР1Т Обозначение A[10:0] Q[7:0] WE CE C D1, D2 ECT UPR Vсс GND

Назначение Входная шина адреса Двунаправленная шина данных Вход сигнала разрешения записи Вход сигнала выбора микросхемы и разрешения выдачи информации Вход сигнала синхронизации счета, записи адреса Входы сигналов управления Вход сигнал разрешения счета Выход встроенного умножителя напряжения программирования Вывод питания от источника напряжения Общий вывод

Электронные компоненты №4 2010

С ТА Н Д А Р Т Н Ы Е Ц И Ф Р О В Ы Е МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рис. 2. Функциональная схема блока формирования адреса

Рис. 3. Схема формирования внутреннего сигнала разрешения записи

Рис. 4. Временная диаграмма установки и удержания сигналов управления ECT, D1, D2 и адреса A относительно сигнала синхронизации C

кода режима в регистр режимов и запись информации в регистр адреса осуществляется по положительному фронту синхросигнала C. При этом фиксация кода адреса A с входной шины, а также выполнение операций инкремента и декремента исполнительного адреса происходит со сдвигом на один такт синхросигнала C. Блок управления формирует из входных сигналов CE и WE внутренние сигналы управления, обеспечивающие функционирование микросхемы в различных режимах. Сигнал CE — сигнал выбора микросхемы и разрешения выдачи информации. Низкий уровень сигнала разрешает обращение к микросхеме, высокий — переводит шину Q микросхемы в состояние с высоким импедансом. Сигнал WE — сигнал разрешения записи. При низком уровне сигнала WE производится запись информации, при высоком — чтение. Вывод U PR — выход встроенного умножителя напряжения программирования. При подключении на данный выход напряжения VСС осуществляется блокирование работы внутреннего умножителя напряжения, что защищает ячейки памяти от перезаписи. При отключенном состоянии вывода защита памяти игнорируется. Подключение низкого уровня к данному выводу не допускается ни в каких режимах. ПРОГРАММИРОВАНИЕ МИКРОСХЕМЫ

Программирование микросхемы производится побайтно в произвольном порядке по любому выбранному адресу. Предварительного стирания не требуется. Цикл перезаписи одного байта составляет ~10 мс. Внутренний сигнал разрешения записи, непосредственно подаваемый на вход накопителя информации, формируется из внешнего сигнала WE только при условии наличия следующей комбинации управляющих сигналов: ECT = «1», D1 = «0» и D2 = «1»

С ТА Н Д А Р Т Н Ы Е Ц И Ф Р О В Ы Е МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ

78 Рис. 5. Временная диаграмма записи данных Таблица 2. Основные параметры микросхемы Наименование параметра, единица измерения Напряжение питания, В Ток потребления в режиме хранения, мА Динамический ток потребления, мА Выходной ток низкого уровня, мА Выходной ток высокого уровня, мА Время цикла записи, мс Время выбора, нс Время выборки адреса, нс Количество циклов перезаписи Время сохранности информации, лет Температурный диапазон,°С

WWW.ELCP.RU

Обозначение параметра UCC ICCS IОCC IOL IOH tCY(WE) tCS tA(A) NRW tSG Ta

Норма параметра не менее 4,5 — — — — — — — — — –60

не более 5,5 10,0 150 4,0 |–4,0| 10 25 25 105 10 125

Рис. 6. Временная диаграмма чтения данных при смене адреса (CE = 0, WE = 1)

Рис. 7. Временная диаграмма чтения данных по сигналу CE Таблица 3. Режимы работы блока формирования адреса

Наименование параметра, еди- Обозначе- Норма параметра ница измерения ние не менее не более

ECT

D1

0

0

0

00000000000

Установка в 0 кода исполнительного адреса

Частота следования импульсов тактового сигнала на входе С, МГц

fС

—

40

1

0

0

10000000000

Установка в 10000000000 кода исполнительного адреса

Длительность сигнала высокого уровня на входе С, нс

tWH(С)

10

—

A

Фиксация кода адреса A с входной шины

Длительность сигнала низкого уровня на входе С, нс

tWL(С)

10

—

Время установления адреса относительно сигнала C, нс

tSU(A)

5

—

Время удержания адреса относительно сигнала C, нс

tH(A)

5

—

Время установления сигналов управления ECT, D1, D2 относительно сигнала C, нс

tSU(ECT), tSU (D1), tSU (D2)

5

—

5

—

0

0

1

Режим работы

1

0

1

ADR

Хранение кода исполнительного адреса

0

1

0

ADR + 1

Увеличение на 1 кода исполнительного адреса (инкремент)

ADR

Хранение кода исполнительного адреса

ADR – 1

Уменьшение на 1 кода исполнительного адреса (декремент)

ADR

Хранение кода исполнительного адреса

1 0 1

1 1 1

0 1 1

Таблица 5. Временные параметры записи данных

tH(ECT), tH (D1),

tH (D2)

Таблица 6. Временные параметры чтения данных

Норма параметра Наименование параметра, Обозначение единица измерения не менее не более Время цикла записи, мс

tCY(WE)

10

–

Время установления входных данных относительно сигнала CE, нс

tSU(D)

300

–

Обозначе- Норма параметра ние не менее не более tv

—

8

Время выборки адреса, нс

tA(A)

—

25

–

Время выбора, нс

tCS

—

25

Время задержки распространения при переходе из состояния «Выключено» в состояние высокого или низкого уровня, нс

tPZH(CE), tPZL(CE)

—

5

Время задержки распространения при переходе из состояния высокого или низкого уровня в состояние «Выключено», нс

tPHZ (CE), tPLZ (CE)

—

5

tH(D)

Время установления сигнала WE относительно сигнала CE, нс

tSU(WE)

150

–

Время удержания сигнала WE относительно сигнала CE, нс

tH(WE)

150

–

Длительность сигнала CE, нс

tW(CE)

300

–

200

Наименование параметра, единица измерения Время сохранения выходных данных при смене адреса, нс

Время удержания входных данных относительно сигнала CE, нс

(см. рис. 3). Такая комбинация сигналов соответствует режиму хранения кода исполнительного адреса блока формирования адреса, при котором значение адресного регистра остается неизменным. Все это позволяет организовать дополнительную защиту от несанкционированного стирания информации.

Время удержания сигналов управления ECT, D1, D2 относительно сигнала C, нс

При записи данных в микросхему во избежание конфликта на двунаправленной шине Q рекомендуется предварительно перевести ее в «третье», выскоимпедансное состояние подачей на вход CE сигнала высокого уровня. После окончания переходных процессов (≤ 5 нс) на шину Q можно подавать данные, предназначенные для записи в микросхему, и инициировать процесс записи (см. рис. 5).

ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Временные диаграммы функционирования микросхемы показаны на рисунках 4—7. Соответствующие временные параметры приведены в таблицах 4—6. Заштрихованные области на рисунках означают произвольное значение сигналов на соответствующих входах.

Электронные компоненты №4 2010

79 С ТА Н Д А Р Т Н Ы Е Ц И Ф Р О В Ы Е МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ

Значение D2 исполнительного адреса ADR

Таблица 4. Временные параметры установки и удержания сигналов управления ECT, D1, D2 и адреса A относительно сигнала синхронизации C

НОВЫЙ ПОДХОД К ТЕСТИРОВАНИЮ КОНВЕРТОРОВ СО ВСТРОЕННЫМ ГЕТЕРОДИНОМ ДЭВИД БАЛЛО (DAVID BALLO), Agilent Technologies Обычно векторные анализаторы цепей не используются для измерения групповой задержки аналоговых спутниковых транспондеров, работающих по схеме прямой ретрансляции («прямая дыра»), хотя они и дают существенные преимущества по сравнению с методами, основанными на применении анализаторов спектра. Основная причина этого кроется в отсутствии доступа к ВЧ-тракту или опорным генераторам встроенных в транспондер гетеродинов. Статья описывает новый способ измерения групповой задержки конверторов со встроенным гетеродином с помощью анализаторов цепей Agilent PNA и PNA-X. Этот способ обладает повышенной скоростью измерения и существенно лучшей точностью по сравнению с традиционными методами. Векторные анализаторы цепей (ВА) позволяют быстро и точно измерять S-параметры различных ВЧ- и СВЧустройств. S-параметры составляют основу многих общих измерений, таких как измерение коэффициента усиления, согласования и групповой задержки. И хотя традиционно измерение S-параметров используется для устройств, работающих без преобразования частоты, таких как фильтры, усилители и антенны, в последние годы появились методы измерения S-параметров для устройств, преобразующих частоту, таких как смесители и конверторы. Измерения на смесителях и конверторах выполняются сравнительно просто, если на тестируемое устройство (ТУ) удается подать сигнал внешнего гетеродина или если встроенный гетеродин ТУ и ВА можно синхронизировать от общего опорного генератора. Однако при отсутствии доступа к ВЧ-тракту или опорному генератору встроенного гетеродина измерение групповой задержки ТУ со встроенным гетеродином весьма затруднено. ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕДС ТВА И СИС ТЕМЫ

80

ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПУТНИКОВЫХ ТРАНСПОНДЕРОВ

Наиболее характерным типом конверторов со встроенными гетеродинами являются спутниковые транспондеры. Аналоговые спутниковые транспондеры с одним преобразованием применяются уже много лет. Такой транспондер получает сигнал с наземной станции и передает его обратно на землю на другой частоте. Подобная архитектура с одним преобразованием частоты обладает целым рядом преимуществ, и широко применяется по сей день.

WWW.ELCP.RU

Для измерения характеристик транспондеров необходимо выполнить несколько ключевых измерений. Во-первых, нужно убедиться в том, что транспондер обладает достаточным коэффициентом усиления для обратной передачи сигнала на землю. Затем нужно проверить равномерность АЧХ, чтобы убедиться в сохранении формы сигнала во всем диапазоне частот. Линейность фазы и групповой задержки во всем тракте передачи спутника также очень важна для максимального снижения взаимовлияния сигналов с цифровой модуляцией. Для обеспечения минимальных искажений при подключении транспондера к антеннофидерной системе нужно измерить согласование портов. И, наконец, важным показателем качества является коэффициент шума, ибо потери сигнала на пути распространения очень велики, поэтому шум, вносимый приемником, надо свести к минимуму. Дополнительно усложняет ситуацию то, что эти измерения надо выполнять в широком диапазоне условий и режимов. В первую очередь, современные спутниковые транспондеры должны тестироваться в нескольких частотных диапазонах. И поскольку спутник работает в очень жестких условиях космоса, для уверенности в безотказной работе нужно накопить большой объем результатов измерений при разных температурах. И, наконец, для достижения максимальной надежности транспондеры обычно тестируются на разных этапах разработки, начиная с уровня отдельных цепей, затем на уровне модулей и, наконец, на уровне системы. В связи с необходимостью измерения большого

числа параметров в разных условиях тестирование транспондеров отнимает очень много времени и создает большой объем данных. Дополнительно усложняет работу дороговизна многих измерений. Они выполняются на открытых полигонах, в специальных испытательных отсеках или, что еще сложнее, в климатических вакуумных камерах, которые дороги в эксплуатации и медленно набирают необходимый режим. Когда эти тесты выполняются незадолго до завершения строительства спутника, работа ведется в чрезвычайно напряженном ритме, что вызывает желание как можно скорее закончить проект, чтобы спутник можно было отправить на стартовую площадку и, тем самым, ускорить выплату изготовителю. Это давление естественным образом трансформируется в желание максимально ускорить измерения, чтобы быстрее собрать огромный объем данных, необходимый для подтверждения бесперебойной работы спутника. ТРАДИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

Традиционный подход к тестированию аналоговых спутниковых транспондеров довольно прост. С генератора сигналов на спутниковый транспондер подают возбуждающий сигнал на соответствующих частотах, а анализатором спектра измеряют выходной сигнал транспондера. С помощью источника сигнала, анализатора спектра и направленных ответвителей (см. рис. 1) можно выполнить скалярные измерения коэффициента передачи преобразователя и согласования входа. Для измерения

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОНВЕРТОРОВ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ВА

Измерение коэффициента передачи преобразователя и векторного согласования входа и выхода конверторов со встроенными гетеродинами сильно упрощается при использовании современных ВА, таких как анализаторы цепей серии Agilent PNA или PNA-X. Эти приборы позволяют независимо настраивать источник воздействующего сигнала и измерительные приемники, для чего используется режим с отстройкой частоты (FOM). Такой подход оказывается значительно быстрее традиционного метода воздействия/ отклика, основанного на источнике сигнала и анализаторе спектра. Более высокая скорость по сравнению с приборами, управляемыми компьютером по шине GPIB или по сети, достигается за счет быстрой синхронизации источника сигнала и приемников во время свипирования по частоте. Кроме того, ВА имеет измерительные ответвители,

Рис. 1. Традиционный скалярный метод измерения параметров транспондера с помощью генератора сигнала и анализатора спектра с внешними ответвителями и коммутаторами

Рис. 2. Для измерения фазы и групповой задержки конверторов с помощью ВА необходим эталонный смеситель, который выдает опорный сигнал той же частоты, что и выходная частота ТУ

которые можно использовать для измерения прямого и обратного сигнала, получая значения параметров S11 и S22 с высокой точностью за счет векторной коррекции ошибок. В скалярных измерениях коэффициента передачи преобразователя доступ к гетеродину тестируемого устройства не нужен. Полоса ПЧ анализатора должна быть достаточно широкой, чтобы отстройка от номинальной частоты гетеродина вносила лишь незначительную погрешность. При необходимости значение отстройки можно измерить за одно лишнее свипирование, что позволяет точнее настроить приемники на выходную частоту ТУ и использовать более узкую полосу ПЧ для снижения шумов. Для измерения фазы передачи (и групповой задержки) в схему измерения надо включить эталонный смеситель, который подает сигнал, имеющий ту же частоту, что и выходной сигнал ТУ, на эталонный приемник ВА. Это позволяет измерить сдвиг фазы между

эталонным и измеряемым сигналом, что дает информацию о зависимости фазы от частоты. Такая информация позволяет легко рассчитать групповую задержку путем дифференцирования по конечной частоте. На рисунке 2 показан пример применения эталонного смесителя с приборами, подобными PNA-X, для измерения конверторов без встроенных гетеродинов. Эталонный смеситель включается в тракт эталонного приемника с помощью соответствующих разъемов на передней панели, которые имеются у большинства современных ВА. PNA-X позволяет упростить схему тестирования за счет опционального встроенного второго источника сигнала, выдающего сигналы гетеродина. Такая схема работает очень быстро, поскольку два источника и приемники синхронизируются аппаратными и программными средствами ВА. Давайте представим, как расширить эту схему измерения на устройства со встроенными гетеродинами. Возможны

Электронные компоненты №4 2010

81 ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕДС ТВА И СИС ТЕМЫ

групповой задержки обычно используется метод задержки огибающей, в котором несущая с АМ или ЧМ пошагово перестраивается по всему диапазону транспондера. Преимущество этого подхода заключается в том, что он не требует когерентности фазы между измерительной системой и тестируемым устройством, в результате чего не нужен доступ к внутренним гетеродинам транспондера. Однако традиционный метод воздействия/отклика обладает и существенными недостатками. По сравнению с использованием ВА, время измерения значительно увеличивается. Кроме того, страдает точность, поскольку векторная коррекция ошибок, применяемая обычно в ВА, недоступна в комбинации генератор/ анализатор спектра. Измерение групповой задержки по методу задержки огибающей склонно давать зашумленные результаты и требует усреднения для повышения отношения сигнал/ шум в ущерб скорости измерений. И, наконец, в традиционной скалярной системе отсутствует информация о векторных величинах. Современные тесты транспондера зачастую требуют измерения параметров S11 и S22, что легко выполняется с помощью ВА. Без этих S-параметров нельзя применять современные методы исключения компонентов для устранения влияния кабелей и измерительных адаптеров. Это может стать большой проблемой при отсутствии возможности выполнить калибровку на измерительных портах тестируемого устройства, что зачастую и случается в климатических вакуумных камерах.

Рис. 3. Шум групповой задержки зависит от конструкции гетеродина. Для обычного гетеродина шум минимален. Два гетеродина с общим опорным генератором дают промежуточный уровень шума. Труднее всего выполнять измерения с полностью встроенным гетеродином

шума использует функцию сглаживания. В этом случае к кривой применяется фильтр скользящего среднего. Сглаживание не замедляет измерений. Обычно для достижения баланса между скоростью и точностью измерений применяют все три метода в некоторой комбинации, которую определяет пользователь. Наиболее сложным является случай со встроенным гетеродином при отсутствии доступа к гетеродину ТУ или его опорному генератору. Такая ситуация наиболее типична для спутниковых транспондеров, поскольку ограничения, накладываемые на размер и массу таких транспондеров, а также необходимость защиты от помех исключают простой доступ к гетеродинам на борту спутника. В такой ситуации не удается подключиться к гетеродину для обеспечения когерентной синхронизации между ВА и транспондером. Именно поэтому ВА раньше не использовались для таких измерений, что сильно препятствовало повышению скорости измерений характеристик транспондера. Тем не менее, компания Agilent предложила метод, позволяющий обойти эту проблему. Этот новый подход обеспечивает стабильность частоты и фазы, позволяя выполнять калиброванные измерения фазы и групповой задержки. ДОСТИЖЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПО ЧАСТОТЕ

Рис. 4. Сравнение шума конфигураций с общим гетеродином и с общим опорным генератором

ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕДС ТВА И СИС ТЕМЫ

82

три варианта, каждый из которых характеризуется своим уровнем шумов (а, следовательно, точностью), источником которых является фазовый шум гетеродинов (см. рис. 3). Лучшим вариантом является метод с «синхронной фазой» или с общим гетеродином. В этой схеме имеется прямой доступ к внутреннему гетеродину, поэтому его сигнал можно подать на эталонный смеситель. Следующим вариантом является схема, в которой сам гетеродин недоступен, но имеется доступ к его опорному генератору, который можно синхронизировать с опорным генератором гетеродина эталонного смесителя. Самым сложным является случай полностью встроенного гетеродина, который и встречается в большинстве транспондеров. Вариант с общим гетеродином дает минимальный шум задержки, поскольку фазовый шум гетеродина присутствует и на эталонном (R1), и на измерительном приемнике (B). Поскольку измеряется разность фаз между этими двумя приемниками, фазовый шум гетеродина компенсируется. При измерении ТУ со встроенным гетеродином и доступом к опорному генератору эта-

WWW.ELCP.RU

лонный смеситель и ТУ используют разные гетеродины, синхронизированные с общим опорным генератором (например, 10 МГц). Это значит, что их средняя частота совпадает, но флуктуации фазы, вызванные собственным фазовым шумом, будут различаться. Оба гетеродина будут когерентны по частоте, но не синхронны по фазе. Поскольку сигналы эталонного и измерительного приемников поступают от разных гетеродинов, их фазовый шум не компенсируется при измерении разности фаз между приемниками R1 и B, в отличие от случая с синхронной фазой. Это приводит к повышению шума задержки, как показано на рисунке 4. К счастью, существуют три способа снижения шума в несинхронных по фазе измерениях задержки. Если гетеродин ТУ, гетеродин смесителя и гетеродин ВА синхронизированы от общего опорного генератора, то сужение полосы ПЧ приводит к снижению шума в связи с уменьшением общего отношения сигнал/шум. Другим широко распространенным средством является усреднение. Но и сужение полосы ПЧ, и усреднение увеличивают время измерения. Третий способ снижения

Для измерения фазы и групповой задержки источник сигнала гетеродина для эталонного смесителя должен генерировать сигнал с частотой, соответствующей выходной частоте транспондера. Частота гетеродина эталонного смесителя должна быть достаточно близка к частоте гетеродина ТУ, чтобы относительный дрейф фазы за время измерения был невелик. Если эти частоты будут близки, два сигнала ПЧ будут выглядеть когерентными достаточно долго, чтобы можно было выполнить достоверные фазовые измерения. Эти условия называют псевдокогерентной синхронизацией частоты. С учетом того, что в спутниковых транспондерах обычно используются стабильные источники сигнала, они позволяют выполнять измерения групповой задержки, на которых не сильно сказывается отсутствие общего физического подключения к гетеродину. Для обеспечения соответствующей псевдокогерентной синхронизации между ТУ и измерительными приборами PNA-X (или PNA) разделяет измерение гетеродина транспондера на два измерения — грубое и точное. Такой двухэтапный подход обеспечивает необходимую точность частоты за короткое время. В процессе грубой

ДОСТИЖЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПО ФАЗЕ

Даже после достижения псевдокогерентности по частоте будут наблюдаться флуктуации абсолютной фазы от свипирования к свипированию из-за особенностей синтеза сигнала в анализаторах серии PNA. Однако фазу каждого свипирования можно нормализовать в некоторой точке кривой, а значит, можно будет использовать столь же эффективное усреднение, как и в слу-

Рис. 5. Результаты измерения задержки в конфигурации со встроенным гетеродином, наложенные на результаты измерения в конфигурации с общим гетеродином. Заметно небольшое увеличение шума

Рис. 6. Для калибровки использовался метод векторной калибровки смесителя (ВКС) компании Agilent. Во время измерения сигнал гетеродина, подававшийся на калибруемый смеситель, не использовался

чае общего гетеродина или общего опорного генератора. ВЫБОР ПОЛОСЫ ПЧ

Выбор полосы ПЧ в случае со встроенным гетеродином — далеко не очевидная вещь. Обычно для улучшения отношения сигнал/шум полосу ПЧ сужают. Однако в связи с тем, что между измерительным прибором и ТУ установлена не истинная синхронизация по частоте, а псевдокогерентная синхронизация, нестабильность частоты измеряемого сигнала может оказаться достаточно большой, чтобы узкая полоса ПЧ привела к значительной ошибке измерения групповой задержки. В такой ситуации более стабильных результатов можно добиться, расширяя полосу ПЧ. Оптимальная полоса ПЧ обычно определяется эмпирически. Как уже упоминалось, применение независимых гетеродинов повышает шум групповой задержки из-за невозможности скомпенсировать фазовый шум гетеродина. Однако для получения приемлемых результатов для устройств со встроенным гетеродином можно использовать сглаживание

и усреднение, так как это делается в случае с общим опорным генератором. На рисунке 5 видно, что результаты измерения встроенного гетеродина со сглаживанием и усреднением, хотя и имеют немного больший шум, практически совпадают с результатами, полученными в конфигурации с общим гетеродином. СКОРОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ

Как уже упоминалось, измерение групповой задержки с помощью ВА выполняется значительно быстрее, чем традиционное пошаговое измерение с помощью источника сигнала и анализатора спектра. Измерение характеристик устройства со встроенным гетеродином по 201 измерительной точке занимает при этом менее одной секунды. Если предположить, что используется 10 усреднений, это даст примерно 9 с на измерение. Для выполнения такого же измерения по методу модулированной несущей (задержки огибающей) обычно требуется несколько минут. Если добавить к этому время на измерение коэффициента передачи преобразователя и качества согласования, то измерительные системы на основе ВА

Электронные компоненты №4 2010

83 ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕДС ТВА И СИС ТЕМЫ

настройки на ТУ подается фиксированный ВЧ-сигнал, а приемник PNA-X выполняет свипирование в области предполагаемой выходной частоты. Разность частот между реальным и ожидаемым сигналом (полученная на основе номинального значения частоты гетеродина ТУ) дает смещение частоты, которое можно использовать для максимально точной настройки гетеродина смесителя на частоту гетеродина ТУ. Но одно лишь грубое свипирование не обеспечивает необходимой точности оценки частоты гетеродина ТУ для предотвращения расхождения фазы между ТУ и PNA-X. Требуемую точность частоты можно получить с помощью другого метода, который используется для тонкого свипирования. После грубой подстройки сигнала гетеродина, подаваемого на эталонный смеситель, PNA-X измеряет зависимость разности фаз эталонного и измерительного приемника от времени при фиксированной входной частоте и при фиксированной настройке приемников на грубую выходную частоту ТУ. Любое малое остаточное смещение частоты будет проявляться в виде линейного изменения фазы по времени. Наклон этой зависимости можно точно оценить, что дает значение смещения для тонкой оценки. После настройки гетеродина эталонного смесителя в соответствии с тонким значением смещения процесс тонкой настройки можно повторить несколько раз для получения хорошей, субгерцовой оценки частоты гетеродина ТУ. Снижение зависимости сдвига фазы от времени до получения горизонтальной характеристики за период измерения позволяет создать условия псевдосинхронизации и зафиксировать сдвиг фаз между двумя генераторами. Этот метод значительно быстрее метода узкополосного свипирования приемников PNA с большим числом измерительных точек. Грубая и точная настройка могут выполняться в каждой точке измерения групповой задержки. Это обеспечивает когерентную зависимость между измерительным прибором и тестируемым устройством.

могут дать выигрыш по времени более чем в 100 раз. КАЛИБРОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Компания Agilent предлагает два метода калибровки, предназначенные специально для измерения параметров смесителей и конверторов. Скалярная калибровка смесителя (СКС) представляет собой метод, основанный на применении измерителя мощности, который обеспечивает максимальную точность измерения потерь преобразования и коэффициента передачи преобразователя. СКС компенсирует рассогласование ТУ во время измерения прямого сигнала, существенно снижая помехи, вызванные рассогласованием. Кроме того, СКС можно использовать для измерения входного и выходного согласования ТУ как по амплитуде, так и по фазе.

Векторная калибровка смесителя (ВКС) обеспечивает максимальную точность измерения фазы и абсолютной групповой задержки. В качестве калибровочного эталона ВКС использует смеситель с известными характеристиками и обычные эталоны отражения. ВКС устраняет ошибку по амплитуде и фазе в измерениях как прямого, так и отраженного сигнала. При выполнении ВКС PNA-X подает сигналы гетеродина и на эталонный, и на калибруемый смеситель (см. рис. 6). Это значит, что схема измерения синхронна по частоте, что обеспечивает чистую калибровку. Альтернативно, при использовании модели PNA, в качестве общего сигнала гетеродина можно использовать внешний генератор. При измерении ТУ со встроенным гетеродином PNA-X (или внешний генератор сигнала) также

подает сигнал гетеродина на эталонный смеситель, а ТУ использует свой встроенный гетеродин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение анализаторов цепей Agilent PNA или PNA-X для тестирования конверторов с встроенными гетеродинами дает выигрыш как по скорости, так и по точности, по сравнению с традиционным скалярным методом «воздействия/отклика», использующим генератор сигналов и анализатор спектра. Решение на основе ВА поможет разгрузить дорогостоящие испытательные камеры, сократить время изготовления и минимизировать стоимость проекта. Демонстрацию измерения характеристик устройства с встроенным гетеродином с помощью PNA-X можно посмотреть в интернете по адресу wireless.agilent.com/vcentral/viewvideo. aspx?vid=453.

СОБЫТИЯ РЫНКА

ИЗМЕРИТЕ ЛЬНЫЕ СРЕДС ТВА И СИС ТЕМЫ

84

| HP И FOXCONN ЗАПУСТИЛИ СОВМЕСТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО В РОССИИ | Чуть меньше двух лет назад под Петербургом началось строительство завода, где Foxconn и Hewlett Packard планировали развернуть производство компьютеров под брендом HP. По графику, завод должен был заработать во II кв. 2009 г., выпуская до 40 тыс. настольных ПК в месяц. Только первая очередь застройки должна была занять площадь 32 тыс. кв.м, затем планировалось добавить к ней еще 20 тыс. На это производство Foxconn и HP обещали потратить 50 млн долл. Однако поздней осенью 2009 г. прошла информация, что проект заморожен на неопределенный срок. Казалось бы, на идее можно было поставить крест, но внезапно дело сдвинулось с мертвой точки, и 28-го апреля этого года в поселке Шушары, относящемуся к Пушкинскому району С.-Петербурга, запустили совместное производство персональных компьютеров HP. На пресс-конференции перед торжественной церемонией запуска присутствовал Джим Чанг (Jim Chang), исполнительный вице-президент Foxconn Technology Group. Мероприятие посетил и другой участник большой закладки — вицегубернатор С.-Петербурга Михаил Осеевский. Главным спикером от Hewlett Packard стал Эрик Кадор (Eric Cador), ст. вице-президент Группы персональных систем HP в EMEA. Также за столом присутствовали генеральный директор «Фоксконн РУС» Андрей Коржаков и Бенуа Фагар (Benoit Fagart), вице-президент Группы персональных систем HP в EMEA по управлению цепочками поставок. Сложилось ощущение, что уважаемые гости соревнуются между собой в том, кто даст самый благожелательный, но в то же время уклончивый ответ. В чуть менее официальной обстановке Андрей Коржаков сказал, что пошлины на готовые компьютеры очень высоки, тогда как на комплектующие они ниже, а на ряд категорий и вовсе отсутствуют. Поэтому размещение сборочного цеха в России — способ существенно снизить себестоимость готовых компьютеров. Еще один представитель организаторов заметил, что все чаще без наклейки «Сделано в России» к тендерам попросту не допускают. Соответственно, для успешной продажи компьютеров государственным учреждениям HP была вынуждена организовать производство в России. На церемонии официального запуска производства прибыла губернатор С.-Петербурга Валентина Матвиенко. По ее словам, завод Foxconn и HP представляет собой «первый объект кластера высоких технологий», создаваемый в С.-Петербурге. После торжественной части журналистов провели вдоль производственной линии. Пока на совместном производстве планируют выпускать только настольные компьютеры, причем самые простые — семейства HP Compaq. Выяснилось, что в комплектацию этих ПК входит процессор Intel Pentium E5400, жесткий диск на 320 Гбайт и 2 Гбайт ОЗУ. Разумеется, использование дискретных видеоадаптеров не предусмотрено, т.к. применяется встроенное решение. При всей симпатии к HP и Foxconn такую конфигурацию нельзя назвать высокотехнологичной. Но в школах и госучреждениях ей, конечно же, будут рады. От события осталось двойственное ощущение. С одной стороны, действительно хорошо, что такие гиганты как Foxconn и Hewlett Packard начали собирать компьютеры в России. Возможно, их опыт позволит другим IT-компаниям заниматься в нашей стране не только торговлей, но и производством. В то же время обидно, что на исходе первого десятилетия XXI в. открытие линии по сборке пусть и породистых, но очень простых компьютеров считается у нас событием, достойным участия в нем руководителя второго по величине города страны. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Универсальный импульсный микропроцессорный металлоискатель ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ ЮРИЙ КОЛОКОЛОВ АНДРЕЙ ЩЕДРИН

.

Последняя статья в цикле, посвященном металлоискателям. Описаны основные особенности универсального металлоискателя, способного работать с различными типами поисковых катушек и искать металлические предметы на глубине до трех метров.

ОПИСАНИЕ

Рассмотрим некоторые новые особенности электронных блоков BM8044КОЩЕЙ 5ИМ. Во-первых, появилась возможность работать с датчиком любого типа — обычным, корзиночным, глубинным, печатным и др. Это расширяет функциональность металлоискателя и делает его универсальным. Во-вторых, настройки под конкретный датчик запоминаются в энергонезависимых профилях. При оперативной смене датчика соответствующие профили переключатся автоматически за счет правильно установленной перемычки на разъеме датчика. Всего предусмотрено 9 профилей. По умолчанию профили 1.1, 1.2, 1.3 закреплены за печатным датчиком, профили 2.1, 2.2, 2.3 — за глубинным, профили 3.1, 3.2, 3.3 — за корзиночным. Пользователь может переопределить назначение профилей под свои нужды. Вторая цифра в нумерации профиля обозначает режим работы. Следующая важная функция — это автоматический баланс тракта. Баланс выполняется не с помощью подстроечных резисторов, как раньше, а простым нажатием кнопки. При этом динамический диапазон регулировки значительно расширен. Незаменимая функция для батарейного прибора — контроль питания. У

ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ эта функция значительно расширена. Имеется возможность оперативного контроля напряжения питания, возможность установки порога разряда батареи под любой тип аккумулятора. Кроме того, прибор может контролировать и индицировать ток выходного каскада. Это позволяет пользователю объективно прогнозировать время работы прибора в каждом режиме, соизмеряя ток и емкость аккумулятора. В приборе предусмотрена автоматическая защита от перегрузки по выходу, в т.ч. от короткого замыкания в цепи датчика. Наконец, в металлоискателе появилась функция измерения индуктивности датчика в диапазоне 100–1500 мкГн с погрешностью не более 5%. Рис. 1. Внешний вид электронного блока ВМ8044 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЯ

Рассмотрим более подробно дополнительные возможности универсального металлоискателя ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ.

1. Редактирование профилей в автономном режиме. Как указано в инструкции по эксплуатации, металлоискатель ВМ8044КОЩЕЙ 5ИМ имеет 9 профилей с заранее установленными настройками под

Рис. 2. Внешний вид печатной платы ВМ8044

85 П О С Л Е РА Б О Т Ы

За несколько последних лет наборы МАСТЕР КИТ NM8042 [1] и ВМ8042 [2] получили широкое распространение среди радиолюбителей, однако они не являются универсальными. Предлагаемый в данной статье металлоискатель ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ (см. рис. 1) лишен всех выявленных в предыдущих моделях недостатков и обладает новыми сервисными возможностями. Основные технические характеристики металлоискателя приведены в таблице 1. Внешний вид печатной платы прибора показан на рисунке 2, а расположение элементов — на рисунке 3.

Рис. 3. Расположение элементов

Электронные компоненты №4 2010

Табл. 1. Основные технические характеристики металлоискателя Параметр Значение Максимальная глубина обнаружения объектов по воздуху с печатным датчиком 30 Монета (∅25 мм), см Каска, см 60 Максимальная глубина, м 1,5 Максимальная глубина обнаружения объектов по воздуху с глубинным петлевым датчиком (1,2×1,2 м) Каска, м 1,4 Стальная бочка, м 2,0 Максимальная глубина, м 3,0 Индикация Визуальная ЖКИ 122х32 Звуковая многотональная Время непрерывной работы с кислотным аккумулятором 1,3 А.ч Экономичный режим, ч до 15 Обычный режим, ч до 8 Турбо-режим, ч до 5

рекомендуемые датчики и режимы. Эти заводские настройки позволяют решать типовые поисковые задачи. При желании их можно изменять.

2. Измерение индуктивности датчика. Электронный блок ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ имеет режим измерения индуктивности датчика. Точность измерения составляет около 5% в диапазоне

100…1500 мкГн. Можно не только контролировать индуктивность штатных датчиков, но и производить измерения индуктивности других катушек, что может быть полезно в радиолюбительской практике.

3. Подключение самодельных датчиков. У многих радиолюбителей часто возникает желание попробовать свои силы в разработке датчиков собственной конструкции (различных форм, размеров, способа намотки и т.д.). Однако большинство известных любительских и коммерческих конструкций импульсных металлоискателей накладывают достаточно жесткие требования на такие параметры датчиков, как индуктивность, сопротивление обмотки, межвитковая емкость. В этом случае радиолюбителю приходится кропотливо соблюдать рекомендации авторов разработки, иначе они рискуют получить неработоспособную конструкцию. В противоположность такому подходу в электронном блоке ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ предусмотрена возможность оптимальной подстройки параметров самого металлоискателя под имеющийся, либо изготовленный датчик. В этом случае, конечно, датчик также должен удовлетворять некоторым требованиям: его индуктивность, сопротивление и межвитковая емкость должны быть

типичными для данных устройств. Тем не менее, степеней свободы для творчества становится больше. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Описанный универсальный импульс ный металлоискатель Кощей серии 8044 обладает обширными и полезными техническими возможностями. Важной особенностью является отсутствие регулировок в электронной части прибора. Мы также рады предложить Вашему вниманию наборы для сборки поисковых катушек «BM8044 датчик» и «BM8041/42/44 датчик». Компания «Мастер Кит» также выпустила набор для «отверточной» сборки металлоискателя MK8044, в состав которого входит электронный блок BM8044, поисковая катушка, штангадержатель, аккумулятор, зарядное устройство, сумка для переноски и инструкция по эксплуатации. Более подробную информацию о наборах можно найти на сайте www.masterkit.ru. ЛИТЕРАТУРА 1. Техническое описание набора NM8042//www.master kit.ru/main/set. php?num=638 2. Техническое описание электронного блока BM8042//www.masterkit.ru/main/set. php?num=839

АНОНС НОВИНОК МАСТЕР КИТ

П О С Л Е РА Б О Т Ы

86

| МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЕ BASIC PIC МОДУЛИ СЕРИИ BM93XX | BM9300 — микроконтроллерный модуль серии BASIC Pic (I2C, USB, RS485). Модули BM93xx — самое гибкое в мире электроники средство разработки микроконтроллерных систем. Набор электронных модулей BM93xx составлен более чем из 100 элементов, что позволяет быстро разработать, собрать и внедрить собственные конструкции любой конфигурации — от простейшего таймера до разветвленных систем сбора информации и управления производством, от любительского вольтметра до многоканального осциллографа и логического анализатора, от управления елочными гирляндами до совершенной системы управления «умным домом». Модули BM93xx — увлекательное хобби для пользователей любого возраста. Это незаменимое учебное пособие при изучении микроконтроллеров в школах и ВУЗах, а передовая элементная база и схемотехническое решение позволяет использовать их в серьезных производственных процессах. Модули предназначены для пользователей, которые: • знают, что такое микроконтроллер и что он может делать; • знают, зачем необходим тактовый генератор микроконтроллера; • знают, что такое алгоритм и что такое блок-схема; • знают, что такое язык BASIC или знают о его существовании; • имеют навыки работы с Windows (операции копировать, вставить и т.д.); • могут читать простые электрические схемы на основе транзисторов, кнопок, светодиодов и т.д. Если пользователь не обладает достаточными знаниями в той или иной области, ему не стоит паниковать — в начале любого пути едва ли можно знать и понимать то, что понадобится в дальнейшем. Основные достоинства модуля: • быстрое проектирование; • свободный доступ к любой информации для развития проекта; • низкая стоимость. Электронные блоки BM93xx — миниатюрные монтажные платы, каждая из которых содержит законченную электронную конструкцию, типичную для модулей, используемых в современных микроконтроллерных системах.

BM9300 включает в себя все необходимые узлы для автономной работы или работы в составе комплекта модулей серии BM93xx. Модуль поддерживает работу с последовательными интерфейсами I2C, RS485, что позволяет создавать устройства с многомодульной структурой, легко сопрягать их с необходимыми датчиками или исполнительными механизмами. Наличие гальванически развязанного интерфейса RS485 позволяет подключать модуль к сетям с протяженностью до 1200 м. Полный перечень новинок «Мастер Кит» см. на www.masterkit.ru/main/bycat.php?num=40.

WWW.ELCP.RU

Эффективный преобразователь напряжения 5 В ДЭНИЭЛ ГОСС (DANIEL GOSS), инженер, Elektor

Многие современные микроконтроллеры рассчитаны на низкое напряжение питания и могут работать от батареек. Тем не менее часто возникает необходимость использовать источник питания 5 В. В статье предложена простая схема преобразователя напряжения питания с высоким КПД.

Когда напряжение питания схемы может меняться в некотором диапазоне, то проще всего в качестве источника питания (ИП) использовать аккумуляторы. Однако для работы некоторых компонентов, например ЖК-панелей и датчиков, требуется стабильное напряжение, как правило, 5 В. Именно для таких устройств подходит предлагаемый преобразователь напряжения питания. Схема может питаться от двух аккумуляторов АА (общее напряжение 2…2,4 В), двух литиевых батарей (около 7,2 В) или их комбинации. Максимальный выходной ток 150 мА достаточен для большинства схем с батарейным питанием. Запуск устройства и переключение между режимами работы осуществляется по команде микроконтроллера (МК). Технические характеристики преобразователя: – входное напряжение 2…8 В; – выходное напряжение 5 В; – выходной ток до 150 мА; – КПД ≥ 75%.

ключается аккумулятор, выходной сигнал берется с К3, а К2 предназначен для тестирования. Минимальное входное напряжение равно 2 В, это значит, схема перестанет работать, когда аккумуляторы разрядятся до 1 В каждый. На вывод 1 разъема К3 подается стабилизированное напряжение 5 В. Вывод BattSense используется АЦП МК для считывания текущего напряжения аккумулятора. Выводы PowerOn и PowerHold работают совместно. Если PowerOn посажен на землю, преобразователь запускается и вырабатывает выходное напряжение 5 В. Для продолжения

работы МК должен подать высокий уровень на вывод PowerHold. Если теперь сигнал PowerOn отключить, то схема все равно продолжит работать, поскольку транзистор Т1 открыт. МК может сам себя выключить, если подаст на PowerHold низкое напряжение. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Для понимания принципа работы устройства обратимся к структуре стабилизатора LT1302, изображенной на рисунке 3. В повышающем режиме рабочий цикл начинается с переключения транзистора Q4. Он подключа-

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Рис. 1. Принципиальная схема

87 П О С Л Е РА Б О Т Ы

Главный элемент преобразователя напряжения — повышающий импульсный стабилизатор LT1302 (Linear Technology). В схеме он используется в качестве несимметричного первичного преобразователя, чтобы расширить входной диапазон напряжений — преобразователь работает как повышающий, когда входное напряжение ниже 5 В, и как понижающий, если напряжение питания выше 5 В. Кроме того, мы автоматически развязываем вход и выход по постоянному току, когда схема выключена. Принципиальная схема устройства показана на рисунке 1. Расположение компонентов на печатной плате показано на рисунке 2. Поскольку у всех компонентов шаг выводов одинаков и равен 2,54 мм, то схему можно собрать на макетной плате. К разъему К1 под-

Рис. 2. Внешний вид печатной платы

Электронные компоненты №3 2010

после чего начинается следующий цикл. На выходе схемы напряжение нестабильно. Для сглаживания колебаний после конденсатора С6 установлен фильтр L3, C7, C8. Для повышения точности регулирования и установки напряжения на выводе FB используется сложный делитель напряжения R5, R6, R7. Микросхема LT1302 включается, если напряжение на входе выключения SHDN (вывод 3) имеет низкий уровень. Если через резистор R2 на этот вывод подается высокий уровень, то LT1302 переходит в режим ожидания. Если МК или другое устройство подает на вход транзистора Т1 высокое напряжение, то на выводе SHDN устанавливается низкий уровень.

Рис. 3. Структура с LT1302

ПОДКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 6. Подключение преобразователя к микроконтроллеру

П О С Л Е РА Б О Т Ы

88

ет к земле катушку L1 (см. рис. 1). Конденсатор С5 разряжается через катушку L2, и ток через нее увеличивается. При открытом Q4 токи через индуктивности L1 и L2 направлены встречно и имеют примерно одинаковые величины. Когда транзисторный ключ Q4 в IC1 закрывается, конденсатор C5 заряжается от входного напряжения через индуктивность L1. Индуктивность L2 поддерживает ток, и на D3 создается положительное напряжение, величина которого превышает напряжение питания IC1 (т.е. входное напряжение схемы). В течение примерно 4,5 мкс через конденсатор С5 и катушку L2 заряжается накопительный конденсатор С6. Затем транзистор Q4 снова открывается, и конденсатор С5 начинает раз-

ряжаться через L2. Через катушку L1 снова течет ток. Эти переключения продолжаются до тех пор, пока напряжение на FB (вывод 4 микросхемы IC1) не достигнет 1,245 В. Как только это происходит, внутренний осциллятор 220 кГц в LT1302 выключается. Когда напряжение на FB падает ниже 1,24 В, осциллятор включается. Это повторяется примерно каждые 4 цикла. В понижающем режиме напряжение на FB достигает порогового значения за один цикл, поэтому осциллятор останавливается сразу. Поскольку выход микросхемы IC1 изолирован от выхода схемы конденсатором С5, то ток перестает течь, и выходное напряжение падает до тех пор, пока на FB не установится 1,24 В,

Таблица 1. Перечень элементов Резисторы

R1,R2,R4 = 10 кОм, R3 = 10 Ом, R5 = 100 кОм, R6 = 560 кОм, R7 = 680 кОм

Конденсаторы

C1,C6,C7 = 100 мкФ (25 В), C2,C8 = 100 нФ (100 В), C3 = 1 мкФ (танталовый, 25 В), C4 = 10 нФ (100 В), C5 = 220 мкФ (35 В)

Индуктивности

L1, L2 = 33мкГн (2 A, 0,12 Ом), L3 = 27 мкГн (0,8 A, 0,26 Ом)

Полупроводниковые элементы

D1,D2 = BAT54S (SOT-23, STMicroelectronics), D3 = MBRS340 (SMC, ON Semiconductor) T1 = BSS138N (SOT-23, Infineon) IC1 = LT1302 (SO-8, Linear Technology)

Другое

K1, K2 = 2-выводной разъем, K3 = 5-выводной разъем

WWW.ELCP.RU

На рисунке 4 показан пример подключения описываемого устройства к МК ATtiny24. Выводы PowerOn и PowerHold разъема К3 подключаются к МК. Важно, чтобы PowerHold не остался неподключенным, поскольку тогда Т1 не выключится полностью, и потребление схемы увеличится. Резистор R1 используется в качестве подтягивающего резистора. Когда кнопка S1 нажата, включается питание и на МК поступает сигнал +5 В. МК подает высокое напряжение на вывод PоwerHold. Транзистор Т1 в цепи питания открывается и поддерживает схему в активном состоянии. По соответствующей команде МК напряжение питания может быть отключено. При этом общий ток потребления уменьшается до 20 мкА. Поскольку в процессе прошивки или отладки МК не сможет поддерживать высокий уровень на PоwerHold, в схему добавлен разъем К2. Он позволяет тестировать и налаживать схему без внесения временных изменений в ПО, которые могли бы повлиять на работу МК. При подключении вывода BattSense к АЦП микроконтроллера следует иметь в виду, что используемый вход должен иметь как можно более высокий импеданс. Этот вывод подключен напрямую к аккумулятору. Следует иметь в виду, что напряжение на BattSense не регулируется и не фильтруется.

Более подробную информацию о комплекте можно найти на сайте Elektor www.elektor.com. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: 741-77-01.

Новые компоненты на российском рынке АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Мощные стабилизаторы с широким диапазоном входных напряжений от Analog Devices Новая линейка надежных MOSFET автомобильного стандарта от IR

Компания International Rectifier впервые представила линейку новых MOSFET, сертифицированных согласно автомобильным стандартам для приложений, в которых требуется обеспечить высокую надежность и малое сопротивление открытого канала транзистора. Такими приложениями являются электроусилители руля, элементы для управления двигателем, DC/ DC-преобразователи, переключатели, другие устройства как автомобильной, так и неавтомобильной электроники, в которых требуется повышенная надежность. Новые транзисторы, разработанные по технологии IR Gen 10.2, достигают значения сопротивления канала в открытом состоянии 1 мОм, имеют диапазон напряжений от 24 до 100 В и выполнены в самых разнообразных корпусах. Буквенное обозначение новой серии данных транзисторов начинается с AUIRF*. Автомобильные MOSFET проходят динамическое и статическое тестирование, а также 100-% автоматический визуальный контроль на всех этапах производства для того, чтобы обеспечить соответствие автомобильным стандартам качества с целью свести к минимуму возможность появления любых возможных дефектов. Стандарт AEQ-Q101 требует, чтобы сопротивление открытого канала изменялось не более чем на 20% после тысячи температурных циклов тестирования. Однако, при расширенном тестировании приборы серии AU* от IR демонстрируют максимальное изменение сопротивления менее 10% после 5000 температурных циклов, тем самым подтверждая свое высокое качество и надежность.

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. «Компэл»», ЗАО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Модуль для вычисления параметров синусоидального сигнала

В модуле применен алгоритм, обладающий следующими особенностями: – без сглаживающего окна; – без Фурье-анализа и преобразования Гильберта; – работает в режиме реального времени. Области применения модуля: – UPS с HotSync; – быстродействующие блоки для защиты от бросков напряжения; – быстродействующие анализаторы качества электроэнергии; – измерители амплитуды и частоты переменного напряжения/тока/мощности с высокой частотой обновления показаний. algorithmist@mail.ru

Компания Analog Devices предлагает две новых микросхемы — ADP2300 и ADP2301. Это мощные стабилизаторы напряжения с входным диапазоном 3,0…20 В, постоянной рабочей частотой и встроенным силовым MOSFET-ключом, обеспечивающим ток в нагрузке до 1,2 А. Рабочие частоты 700 кГц (ADP2300) или 1,4 МГц (ADP2301) предоставляют возможность оптимального выбора между КПД и габаритами всего решения. Встроенные схемы контроля тока и «мягкого» старта позволяют эффективно работать на динамическую нагрузку и исключить броски тока и напряжения. Микросхемы содержат также традиционную защиту от короткого замыкания и перегрева. Основные области применения: – замена линейных стабилизаторов для питания цифровых схем; – преобразование напряжения; – телекоммуникационная аппаратура; – промышленная и измерительная техника; – медицинские приборы; – бытовая электроника. Основные характеристики: – диапазон входных напряжений: 3,0…20,0 В; – диапазон выходных напряжений: от 0,8 В до 0,85×UВХ; – максимальный выходной ток: 1,2 А; – КПД: до 91%; – точность поддержания выходного напряжения: 2% (во всем диапазоне рабочих температур); – номинальный ток потребления: 800 мкА; – диапазон рабочих температур: –40…85°С; – тип корпуса: 6-TSOT. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО Новый многофункциональный драйвер для балластов HID-ламп от IR

Компания International Rectifier представила многофункциональную микросхему управления балластом газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID) IRS2573DS для промышленных приложений малой, средней и большой мощности, включая системы освещение предприятий розничной торговли, общее внешнее освещение и уличное освещение. 600-В микросхема IRS2573DS включает 2-режимный понижающий преобразователь и полномостовой драйвер. Усовершенствованная понижающая топология устройства обеспечивает режим с непрерывным током (continuous-conduction mode) во время прогрева лампы и режим критической проводимости (critical-conduction mode) в установившемся состоянии. Полномостовой драй-

Электронные компоненты №4 2010

89

вер включает выходы для управления верхним и нижним ключем, а также встроенные вольтодобавочные MOSFET. Драйвер IRS2573DS обеспечивает высокую степень гибкости и программируемости. Устройство включает блок контроля работы лампы в различных режимах, включая зажигание, прогрев, работа в стабильном состоянии и отказ, а также схему умножителя для точного измерения и контроля мощности лампы. Кроме того, IRS2573DS обеспечивает комплексное обнаружение отказов и диагностику разомкнутой цепи, короткого замыкания, сбоев при зажигании и нагреве, условий окончания срока службы лампы, а также содержит устройство управления зажиганием лампы и таймер. Краткие характеристики устройства указаны в таблице. Наименование IRS2573DS

Uвых. Iвых. Iвых. «Мертвое» Корпус Uoff, В (макс.), вытек., втек., время, мкс В мА мА SO28-WB 600 15,6 180 260 1,2

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

МК И DSP Расширение семейства процессоров 4-го поколения SHARC от Analog Devices

90

Семейство высокопроизводительных процессоров с плавающей точкой SHARC от Analog Devices пополнилась новыми чипами. Теперь производительность в 1,6 Гфлопс и 800 МMAC доступна также для разработчиков, предпочитающих LQFP-корпуса. Процессор имеет классическую для SHARC супергарвардскую архитектуру, содержит встроенное статическое ОЗУ 5 Мбит, аппаратные средства быстрого преобразования Фурье и фильтрации, а также весьма развитую периферию, в том числе интерфейсы PWM, SPORT, SPI, TWI и Digital Applications Interface (DAI). Семейство SHARC расширено специализированными низкопотребляющими процессорами, выполненными по 65-нм технологии, с рабочей частотой до 266 МГц. В кристалл также встроен датчик температуры, позволяющий контролировать рассеиваемую мощность. Процессоры 4-ого поколения SHARC ADSP-214XX представляют собой относительно недорогие высокопроизводительные решения для таких областей применения, как высокоточные системы позиционирования и управления, медицинское оборудование, обработка звуковых и широкополосных сигналов и другие приложения, где требуется широкий динамический диапазон, доступный только с применением плавающей точки. Характеристика Частота ядра, МГц Питание ядра, В Статическое ОЗУ, Мбит Интерфейс памяти Разрядность, бит Блоки передискретизации PWM SPORT S/PDIF Rx/Tx Аппаратные ускорители Технология плотного кода TWI (I2C)

ADSP-2146x 450 1,1 5 SRAM, DDR2 16 8 4 8 1 БПФ/ КИХ/ БИХ Да 1

Тип корпуса

324 ball BGA

Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

WWW.ELCP.RU

ADSP-2148x 400 1,0 3…5 SRAM, SDRAM 16 8 4 8 1 БПФ/ КИХ/ БИХ Да 1 176-lead LQFP 100-lead LQFP

ADSP-2147x 266 1,2 3…5 SRAM, SDRAM 16 8 4 8 1 БПФ/ КИХ/ БИХ Да 1 100-lead LQFP 196 ball BGA

Оценочная плата для новых процессоров SHARC от Analog Devices

Компания Analog Devices представила оценочную плату для новых процессоров SHARC 21489 EZ-KIT по цене 495 долл. США (цена без стоимости доставки и налогов). Оценочная плата предназначена для быстрого создания прототипов и выполнения разработок на базе новых процессоров SHARC: ADSP-21483, ADSP-21486, ADSP-21487, ADSP-21489. Плата содержит набор всей необходимой периферии, а также встроенный JTAG-эмулятор, позволяющий подключать оценочную плату непосредственно к USB-порту компьютера. Характеристики оценочной платы SHARC 21489 EZ-KIT Lite Процессор ADSP-21489: 176-LQFP Внешняя флэш-память 4M x 8-бит, ST Micro M29W320EB SDRAM Memory: 16Mбайт x 16 бит, Micron Внешнее динамическое ОЗУ MT48LC16M16A2P-6A Внешнее статическое ОЗУ Asynch SRAM: 1M x 16 бит, ISSI IS61WV102416BLL-10TLI Внешняя память через интерSPI Memory: 16 Mбит фейс SPI Аудио-кодек AD1939 Аудио-разъемы SPDIF: RCA phone jacks Датчик температуры ADM1032 Интерфейс RS232 UART: ADM3202 RS-232 Питание 5 В @ 3,6 А Питание, сброс, температура и 8 индикаторов общего Индикаторы назначения Сброс, 2 кнопки, связанные с DAI, 2 кнопки, связанные Кнопки с IRQ/Flag SHARC Expansion Interface II: AMI, Flags/IRQs, DAI, DPI, Интерфейсы расширения PWR_IN, 3,3 В, GND Отладочный интерфейс Debug Agent, WDT, MP JTAG Дополнительные функции IN/OUT Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Мощные SMD-светодиоды переменного тока серии AC LED от компании Everlight

Мощные светодиоды в подавляющем большинстве требуют стабилизированного постоянного тока. Поэтому для их работы необходимы блоки питания, которые выполняют функции преобразования, фильтрации и коррекции токов в соответствии с требованиями соответствующих стандартов. Альтернативным подходом является использование светодиодов переменного тока, разработанных компанией Everlight. Новинкой данного класса устройств являются SMD-светодиоды серии AC LED. Светодиоды данной серии сочетают удобство непосредственного питания от бытовой сети с практичным и компактным корпусом для поверхностного монтажа размерами 10 × 10 × 5,4 мм. Мощность этих светодиодов составляет до 4 Вт. На базе SMD-светодиодов серии AC LED возможно создание простых и надежных сверхтонких источников основного освещения и фоновой подсветки, в которых отсутствуют

потери на преобразование тока и не требуются дополнительные блоки питания.

Everlight Electonics www.everlight-electronics.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО Оранжерейные светодиодные лампы Everlight GL-Flora

Способность светодиодов вырабатывать мощный монохромный поток в определенном спектральном диапазоне взята на вооружение агрономами. Даже естественное солнечное освещение является далеко не идеальным для роста растений, т.к. не все элементы видимого спектра благоприятны для фотосинтеза. Поэтому выбор искусственных световых источников заданных волновых характеристик является перспективной задачей развития оранжерейных и сельскохозяйственных культур. Специализированная серия светодиодных ламп GL-Flora от компании Everlight разработана с целью повышения эффективности труда современных растениеводов. Высокоточный подбор сверхярких светодиодов позволяет обеспечить идеальные условия для рекордно быстрого роста зеленого покрова. Отсутствие паразитных спектров, экономичное энергопотребление и экологически чистое безсвинцовое исполнение способствуют созданию комфортного микроклимата и быстрой окупаемости этих долговечных источников. Стандартное для ламп дневного света конструктивное исполнение типоразмера G5 делает переход на новый тип оранжерейного освещения простым и удобным.

Everlight Electonics www.everlight-electronics.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО Мощный драйвер светодиодов Macroblock MBI6651

Рабочие токи современных мощных светодиодов составляют более 1 А. Поэтому такая нагрузка накладывает соответствующие требования на их систему питания. Использование специализированных светодиодных драйверов стало необходимым и достаточным условием стабилизации номинального рабочего тока и контроля мощных светодиодных цепей.

В данном ряду внимание разработчиков привлекает микросхема MBI6651, созданная специалистами компании Macroblock. При минимуме внешней обвязки драйвер позволяет оперировать токами до 1,2 А, используя входное напряжение до 40 В. Расширенный диапазон рабочих температур –40…85°С обеспечивает возможность использования световых источников с подобными блоками питания в широком спектре приложений, в том числе в системах автомобильного и уличного освещения. В микросхемах предусмотрена возможность внешнего управления рабочими токами посредством диммирования, что позволяет создавать системы управления яркостью и мощные полноцветные элементы динамической подсветки. Микросхема выпускается в трех корпусных исполнениях — TO-252-5L, SOT-23-6L и MSOP-8L, что расширяет возможность выбора разработчиком конструктивного решения. Защита от короткого замыкания, обрыва и превышения рабочей температуры обеспечивает надежность драйвера Macroblock MBI6651 при его использовании в системах светодиодного освещения.

Macroblock Inc. www.macroblock.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

«Компэл»», ЗАО 115114, Москва, ул. Дербеневская, д.1, под. 28, офис 202 Тел.: +7 (495) 995-09-01 Факс: +7 (495) 995-09-02 msk@compel.ru www.compel.ru

«Политекс», ООО 123308, Москва, Хорошевское ш., 43-В Тел./факс: (495) 755-91-15 box@radiodetali.ru www.radiodetali. ru

Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии 107023, Москва, Семеновский пер., 15, комната 103 Тел./факс: (495) 964-95-60 irmoscow@online.ru www.irf.com

«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 | КОНСОРЦИУМ SFF-SIG ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ПОИСК ПРОДУКТОВ В РЕЖИМЕ ОН-ЛАЙН | Консорциум поставщиков встраиваемых компонентов, плат и систем Small Form Factor Special Interest Group (SFF-SIG) разместил базу данных продуктов, доступных для поиска, на своем сайте. Компании-члены консорциума могут размещать в базе данных информацию о своих продуктах и OEM-производителях для поиска в режиме он-лайн. База данных обеспечивает классификацию продуктов по семи спецификациям, выпущенным SFFSIG, и устанавливает восемь категорий продуктов, в том числе центральные процессоры, платы расширения ввода/вывода, накопители данных и разъемы. Информационная справка о продукте содержит фото, перечень особенностей, описание и ссылку на техническую документацию в pdf-формате. Кроме того, имеется ссылка на сайт компании-члена консорциума. За последние три года, с того момента, когда консорциум SFF-SIG представил свою первую спецификацию для SUMITинтерфейса, число доступных продуктов, в которых реализована спецификация SFF-SIG, существенно увеличилось. www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №4 2010

91