2010-6 Cовременная электроника by СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА журнал

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Полная линейка приборных корпусов

6 2010

6/2010

асPRO —

Технология Euroр ГАЛАКТИКА

ВОЗМОЖНОСТЕЙ

CompacPRO

PropacPRO

RatiopacPRO

Простой и удобный переносной корпус

Прочный переносной корпус с системой электромагнитного экранирования

Универсальный корпус для любых применений

■ ■ ■ ■ ■

Разнообразные конфигурации Идентичные передняя и задняя рамки Простота сборки – компоненты фиксируются с внешней стороны Высокая прочность и надежность Привлекательная цена

■ ■ ■ ■ ■ ■

Разнообразные конфигурации Привлекательный дизайн Прочная литая передняя рамка Возможность электромагнитного экранирования Может использоваться для медицинского оборудования

■ ■ ■

Настольное, переносное или стоечное исполнение Произвольные размеры и разнообразные конфигурации Возможность электромагнитного экранирования Эффективные системы охлаждения

МОСКВА С.2ПЕТЕРБУРГ ЕКАТЕРИНБУРГ САМАРА НОВОСИБИРСК КИЕВ УФА КАЗАНЬ ОМСК ЧЕЛЯБИНСК КРАСНОДАР Н. НОВГОРОД

Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.:

(495) 234+0636 • Факс: (495) 234+0640 • E+mail: info@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (812) 448+0444 • Факс: (812) 448+0339 • E+mail: info@spb.prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (343) 376+2820 • Факс: (343) 376+2830 • E+mail: info@prosoftsystems.ru • Web: www.prosoftsystems.ru (846) 277+9166 • Факс: (846) 277+9165 • E+mail: info@samara.prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (383) 202+0960; 335+7001/7002 • E+mail: info@nsk.prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (+380+44) 206+2343/2478/2496 • Факс: (+380+44) 206+2343 • E+mail info@prosoft+ua.com • Web: www.prosoft.ru (347) 292+5216/5217 • Факс: (347) 292+5218 • E+mail: info@ufa.prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (843) 291+7555 • Факс: (843) 570+4315 • E+mail: info@kzn.prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (3812) 286+521 • E+mail: omsk@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (351) 239+9360 • E+mail: chelyabinsk@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (861) 224+9513 • Факс: (861) 224+9513 • E+mail: krasnodar@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru (831) 215+4084 • Факс: (831) 215+4084 • E+mail: n.novgorod@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru

www.soel.ru

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ SCHROFF

Магнитодиэлектрики MICROMETALS на складе ПРОСОФТ

Высокоэффективные магнитодиэлектрические сердечники Micrometals для силовой электроники и ВЧ техники

Применение сердечников Micrometals гарантирует: ● снижение

стоимости индуктивных компонентов

● снижение

потерь на 30...50% по сравнению с ферритами

● повышение

надёжности аппаратуры

● оптимизацию

АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА Тел.: (495) 232 2522 • info@prochip.ru • www.prochip.ru

конструкции и уменьшение габаритов индуктивных компонентов

№ 6, 2010 Издаётся с 2004 года

Главный редактор Александр Майстренко Зам. главного редактора Татьяна Крюк Редакционная коллегия Андрей Данилов, Олег Фёдоров Вёрстка Александр Либков, Олеся Фрейберг Обложка Дмитрий Юсим Служба распространения (info@soel.ru) Ирина Лобанова Служба рекламы (advert@soel.ru) Ирина Савина Издательство «СТА#ПРЕСС» Директор Константин Седов Почтовый адрес: 119313, Москва, а/я 26 Телефон: (495) 232#0087 Факс: (495) 232#1653 Сайт: www.soel.ru E#mail: info@soel.ru

Журнал выходит 9 раз в год Тираж 10 000 экземпляров Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77#18792 от 28 октября 2004 года) Свидетельство № 00271#000 о внесении в Реестр надёжных партнеров Торгово# промышленной палаты Российской Федерации Цена договорная Отпечатано: ООО ПО «Периодика» Адрес: 105005, Москва, Гарднеровский пер.,

Уважаемые читатели!

Последнее время ловлю себя на том, что ничего не хочется делать. Не то что работать, а даже думать о работе не хочется. Категоричес ки не хочется в общественный транспорт и в офис, хоть там и кон диционер. Даже работа дома над статьями и журналом требует не человеческого насилия над собой. Зато хочется летнего тепла, прохладного ветерка, голубого неба с белоснежными облаками, ко ротких тёплых грибных дождей, прохладной речной воды, зелёной травы со скромными полевыми цветами, таинственного сумрака леса, его хвойно грибного аромата, да и самих грибов найти, конеч но. Ещё хочется солёной морской воды, сливающейся вдали с не бом, раскалённого солнцем пляжа, выжженной степи с чудом жи выми редкими цветами, невысоких старых гор с развалинами горо дов и крепостей, ароматного домашнего вина, горячих от солнца южных фруктов. Что это? Это лето. Это пора отпусков. Дрёма на солнышке или тяжёлый рюкзак за плечами в туристическом походе, дорога самолётом в дальние экзотические страны или электричкой на дачу, пышная тропическая зелень или поплавок на зеркале соседнего озера, ще кочущий нервы экстрим или благословенное безделье – кому что по нраву и по карману. Но не работа, только не работа! Давайте забросим её хоть на неде лю, если на месяц не получается, и за это время не вспомним о ней. Вспомним лучше о том, что вообще то мы рождены для счастья, и живем один раз, и жизнь коротка. Давайте эту неделю, а лучше ме сяц, будем счастливы, и не будем жалеть на себя денег. Чёрт с ними, все равно их всех не заработаешь. Давайте проведём это время так, чтобы под конец… опять захотелось на работу.

д. 3, стр. 4 http://www.printshop13.ru

Перепечатка материалов допускается только с письменного разрешения редакции. Ответственность за содержание рекламы

Тогда и свежий взгляд на нерешённые проблемы появится, и пути их решения вроде как сами собой найдутся. И АЧХ ляжет в допуск, и ошибка в программе отыщется, контроллер перестанет дурковать, и координаты цели определятся с требуемой точностью. Но это – потом, осенью, а сейчас – лето! Хорошего вам лета, дорогие чита тели!

несут рекламодатели. несут авторы.

С уважением, Александр Майстренко

Материалы, переданные редакции, не рецензируются и не возвращаются. © СТА#ПРЕСС, 2010

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Ответственность за содержание статей

Market News from the Russian Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Modern Technologies Advanced Soldering Technologies: Vapor Phase Soldering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aleksandr Seregin, Maxim Antonov

Elements and Components SoC Processors As a Flexible Alternative to ASIC and General Purpose Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Nikolai Kol'skii Reduction of Energy Losses in Power Line Filters under Standby Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Igor Bezverkhnii Little Known Evaluation Kits from Actel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Evgenii Kotel'nikov Radiation Resistant Electronic Components from BAE Systems in Russia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Aleksandr Popovich Programmers for Application Specific Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Valerii Bautkin, Igor Buslov, Evgenii Lin'kov

Devices and Systems Control Laser Systems for Transport Vehicles and Robotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Evgenii Starovoitov Digital Camera for the ChIBIS M Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Andrei Bondarenko, Igor Dokuchaev, Vladimir Kottsov

Practical Electronics Using a Push Pull Converter with an AC Choke As a Welding Invertor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Sergei Lazarev Heating System Based on a TPM202 Metering Regulator and ATMEL Microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Sergei Shishkin

Tooling and Equipment ATO: Reconfigurable Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Val'demar Ruf

Programming Rise in Efficiency of Security Improving Decentralized Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Aleksandr Martynov, Dmitrii Nikolaev, Viktor Fomchenko MicroC Advanced Environment for High Level C Programming of Microcontrollers (Part 1) . . . . . . . . . . . . 64 Oleg Val'pa

Theory New Approach to Antijamming Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Sergei Goncharov, Anatolii Sipaev, Gennadii Shishkin

80th Anniversary of One Leading Russian Technical University . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Sergei Smol'skii, Evgenii Bogaryrev Mentor Graphics Workshop on Designing PSB Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Events

Рынок 4

Новости российского рынка

Современные технологии 8

Инновационные технологии пайки: парофазная пайка Александр Серёгин, Максим Антонов

Элементы и компоненты 10

SoC процессоры как гибкая альтернатива ASIC и процессорам общего назначения Николай Кольский

Уменьшение потерь электроэнергии в сетевых помехоподавляющих фильтрах в дежурном режиме Игорь Безверхний

Малоизвестные демонстрационные наборы фирмы Actel Евгений Котельников

Радиационно стойкие электронные компоненты BAE Systems в России Александр Попович

Программаторы для микросхем, используемых в аппаратуре специального назначения Валерий Бауткин, Игорь Буслов, Евгений Линьков

Приборы и системы 30

Лазерные системы для управления транспортными средствами и робототехникой Евгений Старовойтов

Цифровая камера миссии «ЧИБИС М» Андрей Бондаренко, Игорь Докучаев, Владимир Котцов

Практическая электроника 40

Об использовании двухтактного преобразователя с дросселем переменного тока в качестве сварочного инвертора Сергей Петров

Система обогрева на базе измерителя регулятора ТРМ202 и микроконтроллера ATMEL Сергей Шишкин

Инструменты и оборудование 58

ATO: конфигурируемый шкаф Вальдемар Руф

Программирование 60

Повышение эффективности децентрализованных алгоритмов обеспечения безопасности Александр Мартынов, Дмитрий Николаев, Виктор Фомченко

Современная среда разработки mikroC для программирования микроконтроллеров на языке высокого уровня Си (часть 1) Олег Вальпа

Вопросы теории 74

Новый способ помехоустойчивого кодирования Сергей Гончаров, Анатолий Силаев, Геннадий Шишкин

80 летний юбилей одного из ведущих технических университетов страны Сергей Смольский, Евгений Богатырёв

Семинар компании Mentor Graphics по проектированию систем на печатных платах

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

События

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка Элементы и компоненты

Модули EtherCAT Box от Beckhoff в 16

канальном исполнении могут быть напря

мую подключены в любую сеть EtherCAT. При этом сохраняется высокая произ

водительность каждого модуля с клас

сом защиты IP 67 – 100 Мбит/с. Модули с действительно удвоенной шириной корпу

са 126 × 60 × 26,5 мм (5 × 2,4 × 1 дюйм) предлагают удобное пространство для 16 дискретных входов или выходов. Благода

ря удвоению количества каналов в каждом модуле, пользователи экономят на време

ни и стоимости разводки кабелей как у EtherCAT, так и у силовых кабелей. Перечисленные ниже варианты ввода/вы

вода доступны, и в каждом из них возможен выбор винтового соединения M8 или M12: ● EP1809: 16 канальный дискретный вход; ● ●

EP2809: 16 канальный дискретный выход; EP2339: 16 канальный дискретный вход/вы

ход (свободная конфигурация).

Монтажные позиции также унаследова

ли компактность, 30 мм (1,2 дюйма) шири

ну модулей EtherCAT Box, поэтому 16 ка

нальные модули могут быть удобно уста

новлены на решётке с любым интервалом. www.beckhoff.ru Тел.: (495) 981 6454

Светодиод SvL 03P1 ЗАО «Светлана Оптоэлектроника» пред

ставляет новый мощный белый светодиод «SvL 03P1». Основные характеристики: ● относится к классу одноваттных; ● номинальный рабочий ток 350 мА; ● тепловое сопротивление не более 7 К/Вт; ● световой поток до 125 лм (в зависимос

ти от группы по потоку); ● коррелированная цветовая температура излучения от 3000 до 6500 К (в зависи

мости от группы по цветности); ● диапазон рабочих температур: –40…+120°С;

угол излучения около 125 ± 5°; габариты 7,4 × 5,0 × 1,3 мм; ● продолжительность работы (деградация до 30%) не менее 50 000 ч при нормаль

ных условиях, +25°С. Новый светодиод выполнен в стандарт

ном SMD корпусе типоразмера 5050, с пер

вичной линзой в виде плоской заливки. Преимущество светодиода заключается в возможности создавать простые в установ

ке и эксплуатации и экономичные светиль

ники, например, для внутреннего общего освещения объектов ЖКХ. ● ●

В светодиоде установлен один мощный кристалл, что принципиально повышает его надёжность по сравнению с более распространёнными для данного типораз

мера светодиода решениями на основе нескольких маломощных кристаллов, ра

ботающих при повышенном токе. Длительный срок жизни и низкое тепло

вое сопротивление светодиода в сочета

нии с применяемой технологией использо

вания силиконовых компаундов позволяют применять его при построении широкой но

менклатуры осветительных приборов для энергоэффективных систем наружного и внутреннего общего освещения. www.soptel.ru Тел.: (812) 703 0418

Блок управления коллекторными двигателями постоянного тока BMD Компания ООО «НПФ Электропривод» разработала новый блок для управления коллекторными двигателями постоянного тока с напряжением питания до 24 В мощ

ностью до 600 Вт. Блок BMD управляет скоростью, направ

лением и активным торможением мотор

редукторов постоянного тока с номиналь

ным током до 26 А. Также предусмотрено управление плавным пуском и остановкой. Управление скоростью – аналоговым сигналом: ● напряжение: 0…5 В; ● встроенный или внешний потенциометр. WWW.SOEL.RU

Основные характеристики блока управ

ления коллекторными двигателями BMD: ● напряжение питания: Uпит = 7…28 В по

стоянного тока; ● максимальный ток двигателя: 26 А; ● ток срабатывания защиты: 30 А; ● максимальное напряжение на двигате

ле: 0,98Uпит; ● диапазон регулировки скорости двига

теля – в 10 – 20 раз, в зависимости от мо

дели двигателя. Габариты: 116 × 60 × 24 мм. www.electroprivod.ru www.pneumoprivod.ru Тел.: (812) 493 2726; (495) 649 8726

Российская микросхема LVDS приёмопередатчика Тенденции сегодняшнего дня требуют всё больших скоростей передачи данных в таких задачах, как передачи видео, 3D гра

фики, фотоизображений от видеокамер, телефонии, в LAN устройствах и т.п. Од

ним из решений данной задачи стал всё больше набирающий популярность с конца 90 х гг. интерфейс LVDS. Данный интер

фейс значительно превышает возможнос

ти 20 Кбит/с…30 Мбит/с наиболее распро

странённых интерфейсов RS 485, RS 422, RS 232. LVDS – метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровня со скоростью сотен мегабит в секунду. LVDS требует очень малой мощности питания (мощ

ность, рассеиваемая нагрузкой 100 Ом, составляет менее 1,2 мВт). Также интер

фейс LVDS является источником весьма малых шумов и слабо подвержен искажаю

щему воздействию внешних шумов, в том числе и электромагнитного характера. В 2010 г. компания ЗАО «ПКК Миландр» завершает работу по созданию первой российской микросхемы LVDS приёмо

передатчика. Микросхема соответствует ANSI/TIA/EIA 644 (LVDS) стандарту. Напря

жение питание 3,3 В, скорость передачи данных до 400 Мбит/с, встроенная защита входа приёмника от электрического сме

щения. Рабочий температурный диапазон данной ИМС от –60 до +125°С. Микросхема СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Высокая плотность каналов для использования в суровых атмосферных условиях

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка предназначена для изделий, требующих повышенной надёжности работы в жёстких условиях эксплуатации. Выпускается изде лие в одном из самых маленьких российс ких корпусов Н02.16 1В. Образцы микро схемы бесплатно поставляются заинтере сованным предприятиям. www.milandr.ru Тел.: (495) 601 9545

Новый монитор Sharp с ультратонкой рамкой и рекордными размерами Монитор Sharp PN V601, разработанный для применения в составе видеостен, име ет экстремально тонкую рамку и диагональ экрана 60 дюймов. Применение светодиод ной подсветки обеспечивает необычайно «живую» картинку. Sharp также представил составную LCD стену размерами 3 × 3 м, построен ную из мониторов PN V601. Формат сте ны из девяти мониторов означает, что общая диагональ экрана составляет не менее 4,6 м (180 дюймов). Рамка мони тора имеет ширину 2,4 мм на правой и нижней гранях и 4,1 мм на левой и верх ней гранях монитора. Безрамочные мо ниторы можно добавлять как в горизон тальной, так и в вертикальной конфигу рации для формирования непрерывной площади экрана без дробления крупных объектов.

Помимо впечатляющих размеров и поч ти бесшовной картинки, выдающееся ка чество изображения монитора PN V601 обеспечивает яркое и реалистичное изоб ражение. Изделие оборудовано непосред ственной LED подсветкой для обеспечения «живой» картинки вне зависимости от кон тента. Несколько сотен белых светодиодов расположены непосредственно за LCD дисплеем и обеспечивают равномерную подсветку. Несмотря на максимальную яр кость в 700 кд/м2, утечек света нет даже на краях экрана. Технические характеристики делают та кие мониторы идеально подходящими для крупномасштабных инсталляций из экра нов: на выставках, в функциональных поме щениях крупных корпораций или для прило жений информационных дисплеев, которые эксплуатируются как рекламные экраны в общественных местах, например, на желез нодорожных станциях или в аэропортах. Sharp также предлагает необходимое программное обеспечение для калибровки PN V601. Для большей гибкости предусмот рена возможность расширения видеостены с помощью простого «модульного принци па». Для этого необходимо добавить воз можность опционального использования платы расширения с дополнительными ин терфейсами (I/F расширения) и возмож ность подключить внешнее устройство конт роля. Соответствующие настенные крепле

ния можно будет приобрести у российского партнёра Sharp – компании ПРОСОФТ. Матрицы для новых безрамочных монито ров производятся на новейшей фабрике Sharp в Сакаи. Впервые компания, произво дящая электронику, добилась производства панелей из материнских подложек 10 го по коления с размерами 2,88 × 3,13 м с после дующей их обработкой для профессиональ ных ЖК мониторов. Эффективный производ ственный процесс позволил Sharp вывести на рынок экраны с привлекательной ценой при постоянно высоких стандартах качест ва. Последующие достижения: при месяч ном объёме производства в 72 000 подложек Sharp в будущем теоретически способен производить 432 000 дисплеев ежемесячно. Европейские поставки мониторов PN V601 запланированы на конец текущего го да. О начале поставок на российский ры нок данной модели компания ПРОСОФТ, официальный дистрибьютор Sharp, сооб щит дополнительно. www.prochip.ru Тел.: (495) 232 2522

Результаты независимого тестирования ГЛОНАСС/GPS приёмников На прошедшем IV Международном фо руме по спутниковой навигации 2010 ком пания «Макро групп» (Санкт Петербург) представила итоги независимого исследо вания ГЛОНАСС/GPS приёмников. Орбитальная группировка системы ГЛОНАСС на сегодняшний день насчиты вает 23 спутника, 21 из них используется по целевому назначению. С учётом запла нированных на 2010 г. запусков, прогно зируется, что к концу 2010 г. по целевому назначению будут использоваться 24 спутника системы ГЛОНАСС. Таким обра зом, система будет функционировать в штатном составе – непрерывная навига ция будет осуществляться на всей терри тории Земли. Между тем, на российском рынке навигационного оборудования пре валируют устройства на базе GPS. Доля оборудования ГЛОНАСС/GPS составляет всего 3…5%. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Компания «Макро Групп», являясь экс пертом рынка беспроводных модулей, про вела независимое тестирование популяр ных ГЛОНАСС/GPS приёмников в сравне нии с GPS приёмником на базе чипсета SiRF Star III. В тестировании приняли учас тие встраиваемые ГЛОНАСС/GPS приёмни ки КБ «Навис» – СН 4706 и NV08, Ижевско го радиозавода – МНП М7, КБ «Геостар На вигация» – ГеоС 1, телекоммуникационный процессор NVCom 01 («Навиком») совмест ного производства компаний «Ангстрем» и «Элвис», а также приёмник азиатского про изводителя, компании UniStar, – SF 6909. Основные требования, выдвигаемые к приёмникам ГЛОНАСС/GPS, безусловно, сформированы характеристиками совре менных GPS приёмников: это и высокая чувствительность, и низкая потребляемая мощность, приемлемые габариты и цена. Безусловно, наиболее близок по своим ха рактеристикам к приёмникам GPS новый модуль КБ «НАВИС NV08C CSM». Этот приёмник – новинка 2010 г. – обладает WWW.SOEL.RU

чувствительностью до –173 дБВт; при этом потребляемая мощность составляет не бо лее 180 мВт, что в разы меньше, чем у вы пускаемых сегодня серийно приёмников ГЛОНАСС/GPS. Производитель заявляет, что цена этого приёмника будет близка к цене современных модулей GPS. Тестирование приёмников проводилось в двух режимах: стационарном – антенна располагалась на водоотливе окна жило го дома с хорошей видимостью «неба» – и динамическом – тестирование проводи лось на автомобиле. Причём в динамичес ком тесте маршрут выбирался таким об разом, чтобы на нём присутствовали как участки с хорошей видимостью «неба», так и городские каньоны, и даже тоннель. Ввиду того что первые образцы NV08C CSM появились только в последних чис лах мая, данный приёмник принимал участие только в стационарном тесте. При тестировании использовалась ГЛО НАСС/GPS антенна 2J433G 500RG174 C20N, являющаяся совместной разработ кой компаний «Навис», «Макро Групп» и

Приборы и системы

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка европейского производителя антенн ком пании 2J antennae. Результаты проведённого исследования показали, что, за исключением NV08C CSM (который на сегодняшний день се рийно не выпускается), представленные приёмники по целому ряду характеристик ещё далеки от современных GPS приём ников. В первую очередь речь идёт о габа ритах и энергопотреблении. Кроме того, в ходе испытаний обнаружилось, что все ГЛОНАСС/GPS приёмники выдают прото кол NMEA в разном виде, зачастую переме жая стандартные сообщения служебными символами и сообщениями. Подобное не соответствие затруднит переход от приём ников GPS к двухсистемным приёмникам. В целом все представленные приёмни ки, за исключением SF 6909, показали приемлемую работу, соответствующую заявленным характеристикам, как в ста тическом, так и в динамическом тесте. При проезде тоннеля (динамический тест) ГЛОНАСС/GPS приёмники прекращали ра боту и возобновляли её через 3…5 с после выхода из тоннеля, GPS модуль продол жил расчёт координат по последним полу ченным данным о скорости и направлении движения. Лидерами по итогам динами ческого тестирования с незначительным перевесом можно назвать приёмники СН 4706, ГеоС 1 и МНП М7. Именно эти приёмники на сегодняшний день выпуска ются серийно. Также стоит отметить, что все двухсис темные приёмники в среднем «видят» больше спутников, чем односистемные. Это позволяет им выбирать при расчёте оптимальное созвездие спутников, что, в свою очередь, существенно повышает точ ность позиционирования. Успех ГЛОНАСС/GPS приёмников зави сит не только от качества работы, но и от

их конечной стоимости для потребителя. Известно, что сегодня эта стоимость в де сятки раз выше стоимости GPS приёмни ка. Наметившийся рост конкуренции про изводителей и продавцов ГЛОНАСС/GPS оборудования обеспечит снижение цены. А решение обозначенных выше техничес ких вопросов сделает такие приёмники привлекательными для потребителя. Такой сценарий развития рынка вселяет опти мизм и уверенность в завтрашнем дне для российской системы ГЛОНАСС. www.macrogroup.ru Тел.: (812) 370 6070

Компания Fluke объявила о выпуске на российский рынок трёх бюджетных цифро вых мультиметров Fluke 15B, 17В и 18B. Уже более 60 лет компания Fluke является одним из лидеров в области технических инноваций в отрасли промышленных изме рительных приборов. Начиная с момента основания компании, широкий ряд моде лей мультиметров Fluke получил признание благодаря прочной и безопасной конструк ции. Новые портативные мультиметры Fluke 15B, 17В и 18B создавались с учётом этих факторов, что позволит пользовате лям проводить с их помощью точные изме рения в любой обстановке. При этом цена на новые приборы Fluke, установленная в размере от 2990 руб., делает их доступны ми для большинства пользователей. Мультиметры Fluke 15В, 17В и 18В раз работаны и изготовлены в соответствии с высокими стандартами прочности, надёж ности и точности. Ключевыми особеннос тями приборов являются: ● функции измерения переменного на пряжения и постоянного напряжения

(0,1 мВ…1000 В), сопротивления (0,1 Ом… 40 МОм), ёмкости (0,01 нФ…100 мкФ), измерения переменного и постоянного тока (0,1 мА…10 А); ● функции проверки целостности цепей со звуковым сигналом, проверки диодов; ● прочная и безопасная конструкция – все входы, диапазоны и функции имеют за щиту от напряжения до 1000 В; ● измерительные щупы, термопара (для Fluke 17В), элементы питания, русско язычное руководство по эксплуатации и прочный чехол. Мультиметры Fluke 17B дополнительно позволяют измерять частоту до 100 кГц, температуру в диапазоне от –55 до 400°С, а также имеют режим относительных изме рений. А мультиметр Fluke 18B обладает функцией тестирования диодов. Приборы созданы специально для рос сийского рынка и, соответственно, русифи цированы. Кроме того, новые мультиметры будут доступны во многих городах Рос сийской Федерации, а большинство поль зователей смогут приобрести прибор в тот же день, когда примут решение о его по купке. Новые мультиметры Fluke появятся на российском рынке уже в августе. Спраши вайте у официальных дистрибьюторов. www.fluke.ru Тел./факс: (495) 231 7046

предприятий, разрабатывающих и про изводящих электронное оборудование. Это особенно важно для многослойных плат высокой плотности и гибко жёстких плат. Одним из важнейших условий по вышения надёжности является строгое соблюдение требований стандартов по проектированию и производству элек троники. Основной темой семинара стали особен ности проектирования печатных плат вы сокой плотности соединений (HDI PCB) и гибко жёстких печатных плат (Rigid Flex PCB).

Семинар посетили более 150 человек, в том числе: ● главные инженеры, конструкторы и тех нологи ведущих предприятий; ● начальники исследовательских подраз делений и разработчики; ● инженеры – конструкторы многослойных печатных плат. Материалы семинара доступны для бесплатного скачивания на сайте www.pcbtech.ru/seminar или по запросу: на e mail pcb@pcbtech.ru или на факс (499) 558 0254. www.pcbtech.ru Тел.: (499) 558 0254

Новые цифровые мультиметры Fluke 15B, 17В и 18В

Семинар Ассоциации IPC и компании PCBtech Ассоциация IPC (Association Connecting Electronics Industries®) и компания PCB tech nology (поставщик многослойных печатных плат высокой надёжности) провели в Моск ве совместный семинар для разработчиков печатных плат. Были рассмотрены вопросы соблюдения рекомендаций и требований стандартов IPC, их связь с проектированием, производ ством и монтажом печатных плат. Повышение надёжности и качества пе чатных плат – насущная задача для

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

События

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Инновационные технологии пайки: парофазная пайка Александр Серёгин, Максим Антонов (Московская обл.) ●

●

Одной из основных проблем при сборке и монтаже изделий, наряду с нанесением паяльной пасты, является правильный подбор термопрофиля оплавления. Насыщенность современ ных электронных модулей компонен тами различных габаритов, массы, теп лоёмкости, типокорпусов, свинцовые и бессвинцовые покрытия выводов, а также различные типы припойных паст предъявляют особые требования к печам оплавления. Основная проблема печей оплавле ния – это температурный градиент в зоне нагрева. На ранних однокамер ных моделях он достигал 30…40°С. Ин женеры компаний, производящих пе чи оплавления, использовали неверо ятные ухищрения, чтобы обеспечить более или менее подходящий разброс температуры. Они увеличивали разме ры печей до 6…7 м, делали сотни сопел подачи и отвода горячего воздуха (тех нология MULTI JET), до полутора де сятков зон нагрева и охлаждения, пы тались совместить два способа нагрева – конвекционный и инфракрасный – и закачивали в печь инертные газы. Всё это позволило несколько улучшить ситуацию. Фотография современной конвекционной печи представлена на рисунке 1. Но в итоге потребители столкнулись с другими проблемами. Во первых, ку пить это оборудование – половина бе ды. Надо доставить и внести неразбор ную печь в производственное помеще ние: укрепить полы, сделать проёмы для вноса, вызвать специализирован

Рис. 1. Конвекционная печь фирмы Ersa Длина 6,4 м, вес около 3 т, количество рабочих зон 13, потребляемая мощность 63 кВт

ную технику для разгрузочных работ. Во вторых, печь надо обслуживать, промывать, подбирать термопрофиль в зависимости от изделия (для этого также требуется специализированное оборудование). В третьих, длительное время выхода печи на рабочий режим и громадные расходы на электроэнер гию (мощность некоторых печей до стигает 70 кВт). Да и стоимость таких печей приближается к астрономичес ким цифрам. Парофазные печи лишены многих перечисленных выше проблем. Их энергопотребление, как и габариты, на порядок меньше. Благодаря действию обычных законов физики, во время пайки в среде пара можно добиться условий абсолютной стабильности процесса. Отсутствует необходимость в подборе термопрофиля. Поэтому в Европе парофазная пайка становится всё более популярной технологией. В парофазной пайке, известной так же как конденсационная пайка, для нагрева печатных плат используется тепловая энергия, получаемая при пе реходе теплопередающей среды из га зообразного состояния в жидкое. Кон денсат скапливается на поверхности платы до тех пор, пока температура пе чатной платы не сравняется с темпе ратурой пара. Из за высокой плотнос ти пара и образования плёнки жидкос ти на поверхности платы в результате конденсации, весь процесс нагрева происходит в инертной среде, лишён ной кислорода. Количество передавае мого тепла прямо пропорционально количеству подаваемой тепловой энергии. Перечислим преимущества паро фазной пайки: ● процесс нагрева не зависит от фор мы, цвета, массы и распределения массы изделия; ● пайка происходит без доступа кис лорода и без использования инерт ного газа; WWW.SOEL.RU

●

пиковая температура пайки зафик сирована; возможно настроить градиент тем пературы во время нагрева; в паяном соединении снижается ко личество пустот; разница температур компонентов во время пайки минимальная; перегрев или расслаивание печат ной платы (ПП) невозможны, как и повреждения компонентов, посколь ку температура ПП никогда не пре высит температуру кипящий жид кости; отсутствуют проблемы при работе с многоуровневыми компонентами; на процесс пайки не влияет геомет рия ПП и плотность монтажа;

низкий расход электроэнергии бла годаря высокой эффективности теп лопередачи (мощность печи редко превышает 4 кВт); ● настройка рабочих параметров по сути сводится к вводу градиента тем пературы. Рассмотрим технологический про цесс пайки в парофазной печи более подробно. Схематически принцип работы парофазной печи представ лен на рисунке 2, внешний вид – на рисунке 3. В полностью герметичной камере находится жидкость «медиум» (пе реносчик) при температуре 240°С, представляющая собой кипящий фтор углеродный полимер. Эта жидкость химически инертна и безопасна с точки зрения охраны труда и окружа ющей среды. За счёт нагрева жидкос ти создаётся пар. В этот пар поме щается ПП с нанесённой паяльной пастой и установленными компонен тами. Пары конденсируются на ПП, отдавая скрытую теплоту парообра зования и тем самым нагревая плату. Когда температура ПП достигает тем пературы жидкости, процесс конден сации прекращается и нагрев закан чивается. В результате нанесённая па яльная паста оплавляется, формируя галтель припоя. Затем ПП извлекается и передаётся дальше по технологичес кому циклу. В результате полного замкнутого цикла – от нагрева жид кости до конденсации – её расход ●

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

В статье рассмотрен новый тип печей оплавления дозированного припоя – парофазные печи. Проанализированы их преимущества перед конвекционными способами оплавления.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Подача изделия и предварительный нагрев

Пайка расплавлением дозированного припоя

Выход готового изделия и его охлаждение

Охладитель Охладитель ПП с установелнными компонентами

Пары фтороуглерода

Вентиляционное отверстие

Смонтированная КП

Вентиляционное отверстие

Нагреватель Кипящий жидкий фотоуглерод

Рабочий конвейер из нержавеющей стали

дают гораздо меньшим смачиванием, что приводит к образованию и скоп лению микропустот в паяном соеди нении. В заключение следует упомянуть о недостатках парофазных печей: ● зависимость от зарубежного произ водителя жидкости «медиума»; ●

из за особенностей технологическо го процесса сложно обеспечить вы сокую производительность печи.

ЛИТЕРАТУРА 1. Нинг Ченг Ли. Технология пайки оплавле нием, поиск и устранение дефектов: По верхностный монтаж, BGA, CSP и Flip Chip технологии. Технологии, 2006. 2. Кравченко К.В. Технология поверхностно го монтажа. 3. Серёгин А.В., Антонов М.А. Возможности смешанной технологии монтажа ком понентов. Современная электроника. 2010. № 3.

обычно не превышает 1…2 г за рабо чий цикл. В современных парофазных печах имеется вакуумный модуль, который включается сразу после оплавления припоя; за счёт этого значительно снижается образование пустот в пая ных соединениях ещё до момента за твердевания. Особенно это актуально при бессвинцовых технологиях, т.к. припои, не содержащие свинец, обла

Рис. 3. Внешний вид парофазной печи

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Рис. 2. Принцип работы парофазной печи

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

SoC процессоры как гибкая альтернатива ASIC и процессорам общего назначения

Рассмотрены достоинства и перспективы SoC процессоров для применения во встроенных системах.

Множество современных приложе ний нуждается в элементной базе, кото рая отвечает таким требованиям, как высокая скорость обработки данных, компактность и низкое энергопотреб ление. Совместить эти требования поз воляет методология SoC (System on Crystal, система на кристалле). Основ ными рынками для таких микросхем являются телекоммуникационный, потребительских электронных уст ройств и автомобильной электроники. По данным Global Industry Analysts, на «докризисный» 2007 г. самый большой рынок SoC сформировался в США, его объём составил 10,4 млрд. долл. За ним следуют рынки Азии (исключая Япо нию) и Европы. Потребности этих трёх регионов определяют 80% доходов на этом рынке. По прогнозу Global Indus try Analysts на 2010 г., рынок SoC может составить в этом году 58 млрд. долл. Основными игроками рынка SoC считаются компании Actel, Altera, ARC International, ARM Holdings, Broadcom, Core Logic, Freescale Semiconductor, GCT Semiconductor, Infineon Technologies, Intel, LSI, Marvell, Matsushita Elect ric, Mentor Graphics, NEC Electronics, NVIDIA, Palmchip, Provigent, Renesas Technology, Samsung Electronics, STMi croelectronic, Synopsis, Taiwan Semicon ductor, Texas Instruments, Toshiba Ame rica Electronics, Xilinx, Zilog, Ziptronix – всего почти две сотни компаний. С коммерческой точки зрения, ры нок SоC микросхем можно разделить на два сегмента. Один образуют те программируемые микросхемы, что практически заместили классические ASIC с жёстко детерминированной ло гикой в крупных OEM проектах для развивающихся массовых рынков. Другой образуют коммерчески пред лагаемые (COTS) SoC процессоры, объ единяющие в своей конструкции ядра на основе открытых процессорных ар хитектур или архитектур, ставших стандартами де факто, а также набор

аппаратных ускорителей и/или специ ализированных сопроцессоров и схе мотехнику стандартных базовых ин терфейсов для обмена данными и подключения стандартных перифе рийных устройств. Такие процессоры позволяют осу ществлять разработку как встроенных систем для промышленных примене ний, так и электроники в интересах массового потребительского рынка. При этом важным достоинством SoC процессоров COTS класса в промыш ленных разработках является обеспе чение современных характеристик в части массогабаритных параметров и энергопотребления, а при разработ ках электроники потребительского класса – возможность ускорения вы вода конечных изделий на рынок за счёт экономии времени на создание аппаратной платформы. Огромную помощь разработчикам оказывает так же «массированная» программная под держка SoC процессоров COTS класса производителями. Весомую часть рынка микросхем SoC составляют продукты, которые, как и классические ASIC, проектируются и изготавливаются по специальному техническому заданию под конкрет ное приложение. Их отличием являет ся поддержка программируемости, т.к., например, в современных, даже доста точно узких телекоммуникационных приложениях при выполнении специ ализированного набора функций не обходима гибкая настройка. В качест ве примера можно привести сетевые микросхемы ProCurve ProVision, кото рые по классификации их создателя и заказчика, компании HP, являются ASIC и представлены уже в четвёртом поко лении. Эти микросхемы являются клю чевым компонентом коммутаторов ProCurve серии 5400/3500 и «облада ют встроенным интеллектом». ASIC ProVision обеспечивают полную под держку протокола IP v.6 на уровне обо WWW.SOEL.RU

рудования и благодаря программируе мости могут обеспечивать поддержку новых функций этого стандарта по ме ре их появления. ASIC ProCurve ProVi sion поддерживают технологии анали за пакетов данных, качества обслужи вания (QoS, Quality of Service) и/или обнаружения вторжений IDS (Intrusion Detection System). Программируемость позволяет коммутаторам, оснащённым схемами ProVision, использовать но вые приложения и политики для но вых классификаций трафика, которые на данный момент ещё не существуют. Благодаря этому можно модернизиро вать коммутаторы без значительных затрат на обновление оборудования, что обеспечивает защиту инвестиций. В связи с возможностями програм мирования SoC процессоров уместно вспомнить, что Джин Франтц (Gene Frantz), ведущий сотрудник корпора ции Texas Instruments (TI), как то полу шутливо полусерьёзно отметил, что в термине SoC букву S было бы правиль нее приписывать слову software. С этим высказывание перекликаются слова ру ководителя компании ARC International Карла Шлачте (Carl Schlachte), который отметил в одном из своих выступле ний, что сегодня программное обеспе чение превратилось в инструментарий заказного продукта. Эти слова можно дополнить замечанием вице президен та по маркетингу компании MIPS Tech nologies Джека Брауна о том, что рабо та его компании всё более приобретает оттенок бизнеса ПО. На современных развивающихся рынках, а это, прежде всего, телеком муникации, потребительская мульти медийная и коммуникационная элек троника, автомобильная электроника, концепция программируемых ASIC в виде специализированных SoC, разра батываемых OEM производителями или по их заказу, заместила классичес кую концепцию ASIC с фиксирован ной логикой. Вне зависимости от базовой концеп ции, разработка ASIC – весьма дорогое удовольствие. Поэтому она экономи чески оправдана лишь при гарантиро ванных производственных сериях в СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Николай Кольский (Москва)

миллионы недорогих устройств или меньшего количества, но устройств класса high end. При мало и среднесе рийном производстве разработки встроенной системы до недавнего вре мени приходилось вести на основе микросхем программируемых процес соров общего назначения («медлен ное» решение) или микросхем про граммируемой логики («дорогое» реше ние с большим энергопотреблением) общего назначения. Достаточно широ кий выбор микросхем процессоров общего назначения и микросхем про граммируемой логики предлагается в виде COTS продуктов, а стало быть, от носительно недорогих (по крайней мере, по сравнению с заказом ASIC) платформ для разработки встроенных систем и приложений и производства конечных изделий, использующих встроенные системы. В некоторых случаях оправдано ис пользование цифрового сигнального процессора (ЦСП), который относи тельно недорог, потребляет мало энер гии, поддерживает тот или иной набор решений, ускоряющих реализацию ал горитмов на основе большого количе ства однотипных математических опе раций. Особенности конструкции не только увеличивают быстродействие сигнального процессора, но и умень шают объём кода при программиро вании специфических алгоритмов цифровой обработки сигналов. Сегодня в качестве альтернативы ASIC можно подобрать программируе мые процессоры класса SoC. Расшире ние COTS номенклатуры процессоров класса SoC – тенденция развития со временной электроники. В числе достоинств SoC класса COTS – возможность использования в целом спектре смежных приложений (напри мер, на рынке мультимедийных сис тем) или даже в «междисциплинар ных» приложениях (мультимедиа, ком муникации, высокопроизводительная цифровая обработка сигналов «обще го» назначения). Иллюстрацией по добной возможности является, напри мер, недавно объявленный проект компаний Freescale Semiconductor и E Ink. В их новом SoC процессоре долж ны быть объединены микроконтрол лер Freescale на основе архитектуры ARM и драйвер дисплея. Целевым рын ком новой разработки являются элек тронные книги (e book), её использо вание должно позволить на 20% со кратить затраты на комплектующие и СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

втрое повысить скорость «перелисты вания страниц». Рынок электронных книг в 2008 г. со ставил 1 млн. шт., а к 2018 г. может вы расти до 75 млн. шт., или 3,8 млрд. долл. в денежном выражении. Компания Freescale Semiconductor рассчитывает на рынок в 100 млн. электронных книг. Такие объёмы достойны и специализи рованной микросхемы. Однако гиб кость с точки зрения возможности меж рыночного манёвра при предложении новой микросхемы заставила отдать предпочтение программируемому SoC процессору на основе нового поколе ния архитектуры ARM: комплементар ными приложениями для новой разра ботки должны стать планшетные ПК, ноутбуки с двумя дисплеями, электрон ные блокноты (e notepad). Причины, по которым процессоры класса SoC позволительно называть альтернативой ASIC, – это высокая про изводительность за счёт использова ния специализированных аппаратных ускорителей и/или специализируемых сопроцессоров, высокая степень ин теграции подсистем и компактность конечного решения по сравнению с реализуемым на основе процессора общего назначения, меньшая стои мость и энергопотребление, чем у мик росхем программируемой логики. Под термином «аппаратный ускори тель» подразумевается узкоспециали зированное аппаратное решение для поддержки единственной функции. Це левыми установками при проектирова нии аппаратных ускорителей являются максимальная скорость реализации ал горитма и компактность схемотехни ки. Попытки создания универсального аппаратного ускорителя ведут к удоро жанию самого проекта по его разработ ке и росту занимаемой им площади на кристалле микросхемы. Так, по данным компании CEVA, реализация кодирова ния на основе стандарта MPEG4 Simple Profile с разрешением до VGA потребует около 150К эквивалентных NAND2 вен тилей, а для построения аппаратного ускорителя кодирования на основе стандартов MPEG4 (Simple Profile) или H.264 (Baseline Profile) с разрешением до D1 – уже 350К вентилей. Архитектура, базирующаяся на ком бинации процессорного ядра и аппа ратного ускорителя, компактна с точки зрения занимаемой на кристалле пло щади, однако не оптимальна с точки зрения энергопотребления, т.к. в про цессе реализации функциональной WWW.SOEL.RU

возможности участвуют оба, потреб ляя и рассеивая энергию. Сопроцессор поддерживает обработ ку узкоспециализированной задачи (например, декодирование видео, ко дирование видео, шифрование дан ных) в программируемом режиме. По занимаемой площади сопроцессор больше аппаратного ускорителя видео. По данным компании CEVA, для видео сопроцессора может потребоваться уже около 500К вентилей, а не 150К – 350К, как в случае аппаратного ускори теля. Однако использование сопроцес сора выгодно тем, что при относитель ной компактности он обеспечивает возможность поддержки нескольких стандартов для реализации определён ного функционала, что позволяет легко модернизировать конечную систему. Поддержка центрального процессо ра аппаратными ускорителями и/или сопроцессорами позволяет достичь нужной производительности критич ных к этой характеристике приложе ний (например, видео) при умеренном энергопотреблении и стоимости плат формы. Использование в качестве платформы COTS продукта позволяет уменьшить такой параметр проекта, как время вывода результата проекта на коммерческий рынок. В качестве примера положительного эффекта от совместного использова ния аппаратного ускорения и специа лизированного сопроцессора можно привести SoC процессор TMS320DM355 (см. рис. 1) компании Texas Instruments. В его конструкции использован со процессор для MPEG4/JPEG кодирова ния и аппаратно реализованы техноло гия Image Pipe (IPIPE), преобразующая данные с датчика CCD/CMOS в формат YCbCr 4:2:2, и технология наложения меню на экранную картинку (On Screen Display, OSD). В качестве программи руемого процессорного ядра в SoC микросхеме TMS320DM355 выступает ARM926, которое может работать под управлением операционных систем класса Linux и Windows CE. SoC процес сор TMS320DM355 оказался вдвое эко номичнее существовавших на момент его выхода аналогов: при использова нии этого процессора в конструкции цифровых фотоаппаратов во время ко дирования HD видео формата MPEG 4 расходуется приблизительно 400 мВт и лишь 1 мВт в режиме ожидания. Достаточно простое и недорогое RISC ядро, подкреплённое аппаратны ми ускорителями декодирования MP3

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

TMS320DM355 Ядро ARM

ARM 926EJ S 216/270 МГц

Video Processing Subsystem MPEG 4 & JPEG Сопроцессор (MJCP)

Входные цепи

Предварительный просмотр

Видеоинтерфейс CCD контроллера

Гистограмма/3A Масштабирование

MPEG 4

Выходные цепи

JPEG

Экранное меню

Видеоэнкодер

ЦАП/10 бит

Шина ПДП и конфигурирования

Периферия

Подключение

EDMA

USB 2.0 HS OTG

Таймер ×6

Последовательные интерфейсы ASP ×2

I2C

SPI ×3

UART ×3

ШИМ ×4

Сторожевой таймер

Хранение данных/программ MDDR2/DDR2 EMIF

MMC/SDIO ×3

NAND/ECC EMIF

Рис. 1. Блок схема SoC процессора TMS320DM355

TMS320DM644x™ Processors Подсистема видеообработки Входные цепи Масштабирование Видеоинтерфейс CCD контроллера DM6443/6

Сопроцессор обработки видео/графики

Ядро ARM

Ядро ЦСП

Гистограмма/3A Предварительный просмотр

Выходные цепи

ЦАП/10 бит ARM 926EJ S 300 МГц

Экранное меню

C64x+™ DSP 600 МГц

Видеоэнкодер

ЦАП/10 бит ЦАП/10 бит ЦАП/10 бит

Коммутация главных ресурсов

Периферия EDMA

Подключение USB 2.0 PHY

VYLND

EMAC with MDIO

Последовательные интерфейсы ASP

I2C

SPI

UART ×3

Таймер ×2

Сторожевой таймер

ШИМ ×3

Хранение данных/программ DDR2 controller (16b/32b)

Async EMIF/NAND/ SmartMedia

ATA/Compact Flash

MMC/SD

Рис. 2. Блок схема SoC процессоров семейство процессоров TMS320DM644x и WMA файлов (по одному стандарту на каждый из двух аппаратных ускори телей), позволило добиться 75 ч проиг рывания звука при использовании ба тареи типа AA в решениях на основе SoC семейства NX58xx корейской ком пании Nexia. Например, в микросхеме NX5855 «сопроцессорно» реализована технология цифрового управления защитой контента (сопроцессор DRM). Отметим, что все упомянутые мик росхемы от TI и от Nexia являются це

новыми «чемпионами» среди процес соров для своих целевых рынков. Современные SoC процессоры зачас тую обладают не просто высокопроиз водительным вычислительным ядром, но несколькими ядрами, поддерживаю щим широкие возможности в части программирования разнообразных алгоритмов с достаточно большими объёмами памяти. Достаточно часто в составе новых SoC платформ исполь зуются ядра программируемых цифро WWW.SOEL.RU

вых сигнальных процессоров (ЦСП), вычислительные возможности кото рых подкрепляются работой специа лизированных аппаратных ускорите лей алгоритмов, а также аппаратной поддержкой интерфейсов, оптимизи рованных для работы в приложениях цифровой обработки сигналов. Вклю чение же в конструкцию SoC в допол нение к ЦСП ещё и RISC процессора упрощает реализацию функций управ ления и поддержки пользовательского интерфейса, а также программирова ние системы в целом. Программируемость интерфейса управления позволяет опережать кон курентов, даёт возможность предложить рынку более удобное (простое, ориги нальное) решение. Наличие в SoC пери ферийных подсистем для подключения внешнего оборудования является важ ным фактором снижения общей стои мости аппаратной платформы и упро щения разработки конечной системы. Портирование на такую SoC микросхе му программного обеспечения с откры той архитектурой довершает формиро вание облика гибкой процессорной SoC платформы класса COTS, позволя ющей достаточно быстро и качественно провести разработку ИС, устойчивой к жёстким условиям эксплуатации. Если рассмотреть в качестве приме ра SoC процессоров семейство про цессоров TMS320DM644x (DM644x) из платформы DaVinci, то мы увидим, что их конструкция объединяет ядра TMS320C64x+(ЦСП) и ARM926EJ S (RISC процессор) и включает аппаратные уско рители аудио и видеокодеков. Конст рукция процессоров DM644x содержит ряд компонентов и подсистем (см. рис. 2), которые в результате можно убрать из списка комплектующих, сократив его приблизительно наполовину. Подсистемы видеообработки, интег рированные в DM644x, включают входные цепи (front end) для под ключения, захвата и обработки ви деосигнала с внешней камеры или CCD/CMOS сенсора, выходные цепи (back end) с драйвером экранного ме ню (On Screen Display, OSD) и цифро аналоговыми преобразователями, под держивающими аналоговый и/или цифровой RGB/YCbCr видеовыход. Ра бота программируемых процессор ных ядер микросхем TMS320DM644x поддерживается интегрированной в кристалл кэш памятью, которая име ет как отдельные специализированные блоки памяти программ и данных, так СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

и универсальный блок памяти, кото рый может быть сконфигурирован для работы как кэш память для хранения данных или программного кода. При разработке приложений на ос нове SoC процессоров TMS320DM644x ядро ЦСП можно «скрыть» от програм миста: RISC процессор является веду щим и обращается к операционной системе реального времени DSP/BIOS, управляющей ЦСП. Эти обращения поддерживаются программным обес печением DSP/BIOS Link. Наличие низ коуровневой связи между процессор ными ядрами позволяет разработчику приложения работать только с RISC процессором, не «замечая» ядро ЦСП. Если же у разработчика возникнет по требность написать собственный оп тимизированный код для ядра ЦСП, он сможет сделать и это, а открытая про граммная платформа позволит вы брать среду разработки, наилучшим образом подходящую для проекта. Рабочими операционными система ми для TMS320DM644x является Linux, разработанный компанией MontaVista специально для платформы DaVinci, а также ОС Integrity и Windows CE. Про граммное обеспечение включает боль шой набор лицензионных кодеков, созданных и создаваемых как TI, так и сторонними производителями. Открытость аппаратных платформ и поддержка разработок ПО на основе SoC процессоров их производителями и партнёрами стала важным инстру ментом продвижения SoC. Эти качества помогают полностью использовать все возможности процессоров, обеспечить совместимость и взаимозаменяемость программных модулей, реализующих однотипные функции (например, де кодирование видео или поддержку сте ков протоколов передачи данных) в рамках одного приложения. Корпорация TI, пожалуй, наиболее известна своей системой поддержки разработок ПО на основе SoC процес соров семейств OMAP и DaVinci. Это сообщество TI DSP Third Party Network, которое включает в себя компании, участвующие в поддержке SoC плат форм OMAP (около дюжины партнё ров) и DaVinci (около 30 партнёров). Аналогом системы TI DSP Third Party Network для платформы Nexperia явля ется программа её поддержки сторон ними компаниями Nexperia Home Part ner Program. SoC процессоры Nexperia от NXP изначально были выстроены «вокруг» процессорной архитектуры и СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ядра TriMedia, которое использует тех нологию сверхдлинных инструкций (VLIW) и поддерживает ЦСП инструк ции и инструкции SIMD. Роль этого ядра с момента его анонса в середине 1990 х годов прошлого века значительно изме нилась. Сначала это был «продвинутый» мультимедийный сопроцессор, кото рый должен был работать в тесной связ ке с ядром MIPS. Сегодня TriMedia – это модульный компонент со стандартизо ванными интерфейсами, готовый к ин теграции в любые мультимедийные SoC. В своём самом «развёрнутом» вариан те процессоры Nexperia – существенно многоядерная конструкция. Так, процес сор PNX8535 для приложений телеви дения высокого разрешения (HDTV) со держит, помимо ядра TriMedi, ядро MIPS 4KeC и микроконтроллерное ядро (ар хитектура х51), а также ядро цифрового сигнального процессора (EPIA Audio DSP). Процессоры PNX847x/8x/9x ис пользуют архитектуру ARM Cortex A9, поддерживаемую графическим процес сором PowerVR, лицензированным у компании Imagination Technologies. Кстати, это же ядро графического про цессора используется и в конструкции ряда процессоров OMAP от TI. У компаний из первой десятки, таких как TI, NXP, NEC и некоторых других, открытость аппаратных платформ обеспечивается длительной историей присутствия их архитектур на рынке и использованием лицензируемых, т.е. открытых, хорошо известных рынку, процессорных архитектур. Так, микро схемы семейства EMMA (Enhanced Mul timedia Architecture, улучшенная муль тимедийная архитектура) компании NEC Electronics сегодня предлагаются уже в третьем поколении, а строятся они на основе архитектуры 64 и 32 разряд ной лицензируемой архитектуры MIPS (при этом 64 разрядное специализиро ванное ядро VR5500 является внутрен ней адаптацией этой архитектуры). «Патриархи» процессорного рынка используют при разработках SoC клас са COTS как открытые лицензируемые процессорные ядра, так и собственные архитектуры, ставшие стандартом «де факто» благодаря сформировавшимся системам обслуживающих их незави симых разработчиков программного обеспечения. Компании, не имеющие богатого «процессорного прошлого», для входа на рынок коммерческих SoC процессоров могут опереться лишь на открытые процессорные архитектуры (как правило, это ядра ARM или MIPS). WWW.SOEL.RU

В этом случае наиболее успешные из них подкрепляют возможности таких архитектур собственными разработ ками в области ускорителей и сопро цессоров цифровой обработки сигна лов, шинных архитектур, технологий эффективного энергопотребления, ре ализуемых аппаратно и программно. В качестве примера можно привести семейство SoC процессоров Comcerto 1000 (см. рис. 3) компании Mindspeed для «модных» ныне VoIP приложений, а также для систем беспроводного до ступа в Ethernet (802.11n). Микросхемы этого семейства могут включать один или два «вычисли тельных комплекса» на основе ядра ARM1136 и поддержки цифровой обра ботки сигналов. При этом компании удалось добиться впечатляюще низкого энергопотребления этой процессорной платформы в своей конструкции – ме нее 1,5 Вт при рабочей тактовой часто те 650 МГц двухъядерной системы. Программное обеспечение компании, поддерживающее разработки на осно ве платформы Comcerto 1000, обеспе чивает поддержку управления энерго потреблением систем на основе этой платформы. Оригинальное решение компании Mindspeed в части организа ции шестиуровневой шинной внутри схемной архитектуры на основе 64 раз рядной передачи данных с рабочей так товой частотой 200 МГц обеспечивает минимальные задержки при обработ ке пакетов, а развитая система интер фейсов вода/вывода позволяет сущест венно сократить количество комплекту ющих при разработке законченных аппаратных платформ и упростить конструкцию печатных плат. Коммерческие микросхемы SoC поз воляют не только избежать рисков и затрат, связанных с проектированием ASIC при обеспечении требуемой про изводительности, но и сократить габа риты и энергопотребление встроен ных систем по сравнению с их реали зацией на основе процессоров общего назначения. В связи с этим концепция SoC использована корпорацией Intel для расширения экспансии своих х86 процессоров на рынок встроенных систем. В 2008 г. Intel вывела на рынок SoC процессор EP80579 Integrated Processor (Intel EP80579) на основе яд ра Pentium M (см. рис. 4). Периферия «промышленного класса» (три MAC интерфейса Gigabit Ethernet, два интерфейса CAN, множество пор тов GPIO и два контроллера UART) и на

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

128 КБ SRAM

Шина расширения NOR/NAND Flash

ICACHE 64 КБ

DCACHE 64 КБ

Много канальный ПДП

DTCM 32 КБ

SPI

8–32 GPIOs

ARM1136 + ЦСП 450/533/650 МГц

Таймер ×2

JTAG

Процессор

I2C

Comcerto1000 M831xx – Одноядерный M831xx – Двухъядерный

UART ×2

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

PCIe PCIe

GbE MAC (GMII, MII RGMII, RMII)

Управление качеством обслуживания

6 уровневая высокопроизводительная шина 64 bit 200 МГц

GbE MAC (GMII, MII RGMII, RMII)

USB 2.0 PHY ICACHE 64 КБ

Контроллер памяти DDR2 800 1 Гб (256 × 32 bit)

Сопроцессор VPN технологии

DCACHE 64 КБ

DTCM 32 КБ

TDM

ARM1136 + ЦСП 450/533/650 МГц

IPSec Ускоритель

Мультимедийный процессор SSL Ускоритель

Опционально

Рис. 3. Блок схема SoC процессоров Comcerto 1000

Подсистема ускорителей и ввода/вывода Блок ускорителей

15b@80МГц

Блок безопасности

Локальная шина расширения

Ядро Intel х86 IA 32 ядро

MDIO (×1) CAN (×2) SSP (×1) IEEE 1588

TDM Интерфейс (12 T1/E1)

Интегрированный чипсет управления памятью

EDMA

GbE MAC #2

Bridge

GbE MAC #1

GbE MAC #0

Контроллер памяти (64 бита/ECC)

FSB

Интерфейс PCI Express (конфигурация 1х8, 2х4 или 2х1)

Чипсет управления памятью L2 Cache (256 Кб) Интегрированный чипсет управления водом/выводом

APIC, DMA, таймеры, сторожевой таймер, RTC, HPET (×3)

Загрузочный SPI интерфейс

LPC1.1

SATA2.0 (×2)

USB2.0 (×2)

UART (×2) GPIO (×36) SMB (×2)

личие в семействе Intel EP80579 про цессоров с расширенным температур ным диапазоном –40…85°C открывает широкие перспективы для создания на основе этих процессоров компактных материнских плат промышленного уровня для систем автоматизации, обо рудования для IP телефонии, создания шлюзов сетевой безопасности и других приложений. Особенностью процессо ров семейства EP80579 является под держка некоторыми из них технологии Intel QuickAssist, которая призвана обес печить совместимость приложений для

аппаратных ускорителей других про изводителей с процессорами Intel. Сегодня в портфолио корпорации имеется ещё около дюжины разрабо ток SoC процессоров на основе ядра Atom, использующих общие програм мные библиотеки и шинные архитекту ры. SoC процессоры Intel на основе стандартных ядер х86 архитектуры мо гут стать недорогой, компактной и стан дартной (известной рынку) вычисли тельной платформой для промышлен ных встраиваемых компьютеров в тех приложениях, где требуется сочетание WWW.SOEL.RU

компактности материнских плат, воз можности быстрого выведения изделия на рынок и его недорогой модерниза ции в ходе эксплуатации. Конструкция таких SoC интегрирует как стандартное процессорное ядро, так и набор мик росхем, что уменьшает габариты мате ринской платы, а стандартность архи тектуры уменьшает временные затра ты на разработку приложений. На форуме Intel для разработчиков 2009 г. исполнительный директор кор порации Intel Пол Отеллини (Paul Otellini) выразил уверенность в том, СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 4. Блок схема SoC процессоров Intel EP80579

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

(ПЛИС/FPGA) – и 2020 г. – «исчезнове ние» понятия центральный процессор (Central Processing Unit, CPU). Компактные многоядерные SoC про цессоры потребляют значительно меньше энергии и предоставляют раз работчикам приложений больше воз можностей для реализации сложных вычислительных алгоритмов и комму никационных интерфейсов, нежели распределённая структура арифмети ко логических устройств (ALUs) и LUT таблиц микросхем ПЛИС/FPGA. «Исчезновение» понятия «централь ный процессор» Алан Гавэрер связыва ет с тем обстоятельством, что распреде ление функциональных «обязаннос тей» между многими процессорными ядрами SoC микросхемы существенно упрощает конструкцию каждого ядра, а аппаратная реализация операцион ной системы обеспечит эффективное управление архитектурой NoC. Ведущий специалист корпорации Texas Instruments сделал смелые про гнозы. И даже если не все они сбудутся, значение и роль SoC процессоров в дальнейшем развитии рынка встроен ных систем и создания конкурентной среды трудно переоценить.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Research, нетбуки и ультрамобильные ПК на базе процессоров архитектуры x86 занимают сейчас около 90% рынка (по некоторым другим данным – до 94%), однако продажи таких компью теров на базе процессоров ARM (кото рые по сути являются SoC микросхема ми), по прогнозам той же компании, могут превзойти продажи однотипных устройств на базе процессоров архи тектуры x86 уже в 2013 г. Размышляя о будущем конструкций процессоров, технический директор подразделения разработок для комму никационной инфраструктуры (Com munications Infrastructure Group) кор порации Texas Instruments Алан Гавэ рер (Alan Gatherer) считает, что наступает эра конструкций класса NoC (Network on Chip, сеть на кристалле). NoC микросхемы будут представлять собой высокопроизводительные уст ройства на основе процессорных структур, объединённых сетью с топо логией точка–точка, поддерживающей асинхронные пакетные коммуника ции. В своих прогнозах он, в частнос ти, расставляет такие реперные точки, как 2015 г. – начало «ухода» с рынка микросхем программируемой логики

что корпорация в ближайшей перспек тиве станет продавать больше SoC про цессоров, нежели процессоров с клас сической для персональных компью теров конструкцией. Корпорация Intel адаптировала технологию производ ства процессоров Atom к производ ственному процессу ведущей тай ваньской компании Taiwan Semicon ductor Manufacturing, что должно по зволить, по мнению руководства Intel, получить новых заказчиков, заинтере сованных в использовании этого ядра в составе SoC. Современные технологические про цессы с проектными нормами в десятки нанометров и концепция SoC изменили подход к созданию процессорных плат форм не только для встроенных систем, но и для персональных компьютеров архитектуры х86. В таких ПК «бюджет ного» ценового диапазона процессор ные платформы на основе трёх мик росхем (процессора и северного и юж ного мостов) сегодня могут быть заме нены на состоящие из двух микросхем, а в случае нетбуков с процессорными платформами архитектуры х86 успеш но конкурируют SoC процессоры на ос нове архитектуры ARM. По данным ABI

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Уменьшение потерь электроэнергии в сетевых помехоподавляющих фильтрах в дежурном режиме Игорь Безверхний (Киев, Украина) В статье описано семейство микросхем CAPZero фирмы Power Integrations, которые обеспечивают значительное снижение потерь электроэнергии в фильтрах защиты от помех в дежурном режиме при соблюдении современных, довольно противоречивых требований стандартов электробезопасности.

Неотъемлемой частью сетевых им пульсных источников питания (ИИП) являются фильтры защиты от электро магнитных помех, т.н. фильтры EMI (ElectroMagnetic Interference). Схема простейшего сетевого EMI фильтра изображена на рисунке 1. Схема очень проста, поэтому не тре бует пояснения. Единственное, на что следует обратить внимание, – это по мехоподавляющие конденсаторы С1 и С2. В процессе работы эти конденса торы перезаряжаются и к моменту выключения сети могут оставаться заряженными напряжением от 0 до приблизительно 300 В. Если выключе ние устройства производилось не сете вым выключателем, а выдёргиванием сетевой вилки из розетки, то это на пряжение будет приложено к штыре вым контактам вилки. Когда пользова тель случайно или умышленно прикос нется к этим контактам, он может получить весьма болезненный элек трический удар. В соответствии с требованиями со временных стандартов безопасности,

помехоподавляющие конденсаторы источников питания следует разря жать после выключения аппарата в те чение не более одной секунды. С этой целью в помехоподавляющие цепи вводят разрядные резисторы (напри мер, R1 на рисунке 2). Если устройство с таким фильтром на входе имеет дежурный (ждущий) режим, то за счёт тока через разряд ный резистор потребление электро энергии в этом режиме возрастает в два три раза. Если телевизор, DVD проигрыватель или другой прибор на ходится в дежурном режиме длитель ное время, то потери электроэнергии на разрядном резисторе становятся за метными. Для уменьшения этих потерь необходимо отключать разрядные ре зисторы в дежурном и рабочем режи мах и включать их для разряда поме хоподавляющих конденсаторов в мо мент выключения напряжения сети. Именно это делают микросхемы се мейства CAPZero фирмы Power Integra tions, типовая схема включения кото рых показана на рисунке 3.

Микросхемы семейства CAPZero со держат два встречно последовательно включённых МОП транзистора и уст ройство управления. Из корпуса этих микросхем выведены только выводы стоков D1 и D2 полевых транзисторов. Кроме того, к выводам стоков МОП тран зисторов внутри микросхемы подклю чены входы устройства управления. При наличии переменного напряжения на выводах микросхемы полевые транзис торы закрыты устройством управления и цепь разрядных резисторов разомк нута. При выключении переменного напряжения сети на выводы D1 и D2 с заряженных конденсаторов С1 и С2 по ступает однополярное напряжение, и устройство управления микросхемы открывает полевые транзисторы, что обеспечивает разряд конденсаторов С1 и С2 через резисторы R1 и R2. Микросхемы семейства CAPZero раз мещаются в корпусе SO 8 и имеют оди наковое расположение выводов, кото рое показано на рисунке 4. Восемь из 16 микросхем семейства имеют встро енные МОП транзисторы с максималь ным рабочим напряжением между выводами D1 и D2, равным 825 В (CAP002DG CAP009DG), а остальные (CAP012DG – CAP029DG) содержат транзисторы с максимальным рабо чим напряжением 1000 В. Как известно, для защиты устройств от перегрузок при скачках напряже

FB1

С1

С2

R1 t

FB1

На диодный мост

R1 IC1

FB1

~220В

С1

С2

R1 t

Рис. 2. Принципиальная схема сетевого EMI&фильтра с разрядным резистором

С1

CAPZero

~220В

Устройство управления

Рис. 1. Принципиальная схема простейшего сетевого EMI&фильтра

С2

На диодный мост

Рис. 3. Типовая схема включения микросхем семейства CAPZero WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

~220В

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

FB1 SO 8

D1 2

7 D2

D1 3

6 D2

NC 4

5 NC

R1 IC1

~220В

С1 CAPZero

8 NC

Устройство управления

NC 1

С2

MOV

На диодный мост

D2 R2

Рис. 4. Расположение выводов микросхем семейства CAPZero

Рис. 5. Подключение защитного варистора и микросхемы семейства CAPZero

R1 IC1 L1 ~220В

С2

С1

Рис. 6. Подключение защитного варистора и микросхемы семейства CAPZero на выходе EMI фильтра ключив между выводами D1 и D2 кон денсатор небольшой ёмкости (22… 47 пФ). Если ИИП работает при темпе ратуре окружающей среды более 85°С,

Максимальное напряжение между выводами D1 и D2, В

CAP002DG

825

CAP012DG

1000

CAP003DG

825

CAP013DG

1000

CAP004DG

825

CAP014DG

1000

CAP005DG

825

CAP015DG

1000

CAP006DG

825

CAP016DG

1000

CAP007DG

825

CAP017DG

1000

CAP008DG

825

CAP009DG

825

CAP019DG

1000

Суммарная ёмкость фильтра, мкФ

Суммарное сопротивление разрядных резисторов, кОм

0,5

1500

0,75

1020

780

1,5

480

360

2,5

300

3,5

200

ёмкость этого конденсатора не должна превышать 47 пФ. Подбор микросхем семейства CAPZero и определение суммарного сопротивления разрядных резисто ров R1 и R2 можно осуществлять с помощью таблицы по суммарной ём кости помехоподавляющего фильт ра. При этом следует учитывать, что допуск для номиналов разрядных резисторов составляет 5%, а для но минальных емкостей – 20%. Кроме того, постоянная времени разряд ной цепи должна составлять при мерно 0,75 с. Следует отметить, что микросхемы семейства CAPZero имеют небольшие размеры (5 × 6 мм вместе с выводами). Поэтому для них всегда найдётся мес то на печатной плате ИИП или отдель ного сетевого фильтра. Более подробную информацию о микросхемах семейства CAPZero мож но найти на интернет странице про изводителя [1] и в англоязычной тех нической документации [2, 3].

ЛИТЕРАТУРА 1. http://www.powerint.com. 2. Power

Integrations.

CAPZero

Family

datasheet. 5

150

3. Power Integrations. Application Note AN 48.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Тип ИС

1000

VOM

На диодный мост

№

CAP018DG

Подбор микросхем семейства CAPZero и определение суммарного сопротивления разрядных резисторов по суммарной ёмкости помехоподавляющего фильтра

CAPZero

FB1

Устройство управления

ния сети на входе некоторых ИИП пе ред EMI фильтром устанавливают ме таллооксидные варисторы (MOV). До пустима установка варисторов и в ИИП, на входе которых присутствуют микросхемы семейства CAPZero (см. рис. 5). При этом следует помнить, что мик росхему CAPZero необходимо распо лагать как можно ближе к варистору. Если варистор стоит после EMI фильт ра, то следует использовать микросхе му CAPZero с максимальным рабочим напряжением 1000 В. Причём произво дитель рекомендует расположить ИС после дросселя (см. рис. 6). Защиту микросхем семейства CAP Zero от перегрузки при выбросах на пряжения можно осуществлять, под

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Малоизвестные демонстрационные наборы фирмы Actel Евгений Котельников (Санкт Петербург)

Корпорация Actel (www.actel.com) – один из ведущих мировых производи телей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Корпо рация производит широкий спектр ПЛИС, от недорогих малопотребляю щих схем до радиационно стойких, выдерживающих дальние космичес кие полеты. В статье мы ограничимся обзором некоторых демонстрационных плат, которые позволяют ознакомиться с возможностями применения ПЛИС

Рис. 1. Демонстрационный набор (Miniature Motor Control Daughter Card)

Рис. 2. Демонстрационный набор, подключенный к плате управления Icicle Kit

Рис. 3. Внешний вид набора разработчика для управления двигателями

корпорации Actel. На самом деле кор порация Actel выпускает значительное число стартовых и демонстрационных наборов. Для каждого семейства флэш ПЛИС есть как минимум один старто вый набор – это плата, программное обеспечение, а также кабели и источ ник питания, которые позволяют сра зу начать работу.

ДОЧЕРНЯЯ ПЛАТА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ Этот набор является дочерней пла той к стартовой плате IGLOO® Icicle Evaluation Kit (см. рис. 1), построенной на базе сверхмалопотребляющей мик росхемы IGLOO. Набор может питать ся от встроенного литиевого аккуму лятора, USB кабеля или внешнего источника питания. Внешний вид до черней платы, подключенной к Icicle Kit, показан на рисунке 2. На дочерней плате установлены ми ниатюрные двигатели двух разных ви дов – бесколлекторный (BLDC) и шаго вый (SM). На плате имеются все необ ходимые элементы для управления и питания двигателей. Для управления платой фирма Actel поставляет програм му для персонального компьютера (ПК), которая связывается с ней через USB ка бель при помощи моста USB в UART. Мик росхема моста позволяет контроллеру UART, прошитому в микросхему IGLOO, обмениваться данными с ПК. С интернет страницы компании Actel можно бесплатно скачать два проекта для этой платы, один – для управления бесколлекторным двига телем с датчиком Холла для определе ния положения ротора, а второй – для управления шаговым двигателем. Про ект управления шаговым двигателем позволяет работать с двигателем, вклю ченным по четырёхпроводной схеме, и поддерживает режимы полного шага, половинного шага или микрошага (с разбивкой полного шага на 8 или 16 микрошагов). WWW.SOEL.RU

Для тех, кому возможности дочерней платы для управления двигателями по кажутся недостаточными, фирма Actel готовит расширенный демонстраци онный комплект на базе микросхем се мейства SmartFusion.

НАБОР РАЗРАБОТЧИКА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ НА БАЗЕ МИКРОСХЕМ СЕМЕЙСТВА SMARTFUSION Внешний вид этого набора показан на рисунке 3. Он собран на базе мик росхемы семейства SmartFusion. В это семейство входят микросхемы, кото рые представляют собой аналогово цифровые системы на кристалле. Внутри такой микросхемы находятся: ARM совместимый микроконтроллер CortexM3, энергонезависимая флэш память, оперативная память (ОЗУ), раз витая система ввода вывода, програм мируемая логическая матрица, до трёх аналогово цифровых преобразовате лей (АЦП) и цифро аналоговых пре образователей (ЦАП), набор компара торов, операционных и измеритель ных усилителей с программируемым коэффициентом передачи для подго товки аналогового сигнала на входах АЦП и блок цифровой обработки сиг налов после АЦП, который позволяет освободить процессор от рутинной об работки оцифрованных сигналов. В систему ввода вывода микроконт роллера входят контроллеры интер фейсов Eternet 10/100, SPI, I2C, UART, 32 разрядные таймеры, контроллеры прямого доступа в память (ПДП) и внешней памяти, Watch Dog и часы ре ального времени, которые можно за питать от батарейки на плате. АЦП по следовательного приближения могут работать в режимах 8, 10 и 12 бит с час тотой преобразования до 600 Кс/с в 8 разрядном режиме, цифроаналого вые преобразователи поддерживают скорость до 200 Кс/с. Набор предназначен для управления синхронными двигателями с постоян ным магнитом (PMSM) или brushless DC (BLDC) – бесколлекторными дви гателями постоянного тока. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

В статье рассмотрены демонстрационные наборы фирмы Actel, которые предназначены для управления двигателями или обработки видеоинформации.

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

ков положения: либо внешний пре образователь положения в код, либо датчик положения, возбуждаемый сигналом с выхода встроенного ЦАП микросхемы SmartFusion. На управ ляющей плате расположены также светодиодные индикаторы, отобра жающие работу двигателей (раздель но по каждому каналу), и схема обна ружения перегрузок и защиты от них. На плате силовых ключей смонти рованы высоковольтные драйверы для управления двигателем. Плата блока питания, построенная по схеме им пульсного преобразователя, предна значена для выработки стабилизиро ванного напряжения питания для пла ты силовых ключей; она работает при входном напряжении в диапазоне от 120 до 240 В и обеспечивает активную коррекцию cosϕ. Программа для ПК, входящая в по ставку демонстрационного набора, позволяет независимо управлять каж дым из четырёх двигателей, подклю ченных к устройству, отображать в гра фическом виде данные о температуре, токе, скорости вращения и моменте на валу каждого двигателя. Собранные

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

бор поддерживает различные схемы питания двигателей и содержит все необходимые программные и аппа ратные драйверы. Программное обес печение для ПК, поставляемое вместе с набором, позволяет собирать, ана лизировать и отображать данные о скорости вращения ротора, напряже нии и токе питания, используя интер активный графический интерфейс пользователя. Как уже было сказано выше, внутри корпуса устройства расположены три платы: ● управляющая плата; ● плата силовых ключей; ● блок питания в защитном корпусе. Управляющая плата собрана на ана логово цифровой микросхеме Smart Fusion A2F200, которая может рабо тать с аналоговыми напряжениями в диапазоне ±12 В, в задачи платы вхо дит формирование управляющих последовательностей для управления платой силовых ключей; кроме того, встроенные АЦП микросхемы A2F200 используются для получения данных о положении ротора и токах обмо ток. Плата допускает два вида датчи

Приобретая этот набор, вы полу чаете: ● три печатные платы, смонтирован ные в общем корпусе: плату управ ления, плату силовых ключей и пла ту блока питания; ● один бесколлекторный двигатель; ● сетевой кабель питания (120…240 В); ● сетевой адаптер для питания платы управления; ● программатор для программирова ния и отладки ПЛИС и микроконт роллера; ● программу управления двигателями с ПК (PC Motor Control software GUI); ● кабель Ethernet для связи между ПК и платой управления; ● доступ к демонстрационным проек там и их обновлениям. Набор в том виде, в котором он по ставляется, может управлять работой одного бесколлекторного двигателя, однако плата управления поддержи вает до четырёх двигателей и плата си ловых ключей разведена для работы с четырьмя двигателями. Если устано вить на неё недостающие элементы – вы получите устройство для управле ния четырьмя электромоторами. На

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Перемычки для измерения тока Переключатель Flash&Freeze Разъем питания 12 В Кнопка сброса

Микросхема AGL 600 FG 256 RJ45 разъемы по 4 LVDS пары в каждом

Приемник сигналов TMDS (DVI) Кнопки, назначаемые пользователем

Разъем DVI$D Интерфейса

Разъем USB 2.0 тип В

Контроллер USB Память FLASH 64 МБ

10 pin разъём JTAG

Рис. 4. Плата видеообработки на базе микросхемы семейства IGLOO данные могут быть экспортированы в текстовые файлы для дальнейшей об работки. Из графического интерфейса пользователя можно сконфигуриро вать работу системы. В частности, мож но задать количество полюсов ротора подключенного двигателя, коэффи циенты ПИД регулятора, положение и ускорение ротора. Вместе с набором поставляются ис ходные файлы (на языках C и RTL) для пяти готовых проектов: ●

●

трапецеидальное возбуждение, с использованием датчика Холла для обратной связи, в котором воз буждение двигателя осуществля ется сигналами трапецеидальной формы; синусоидальное возбуждение с ис пользованием датчика Холла для об ратной связи. В этом проекте разгон двигателя начинается с трапецеи дальным возбуждением, которое ме няется на синусоидальное после до стижении пороговой скорости вра щения; синусоидальное возбуждение с ис пользованием датчика положения для обратной связи. В этом проекте

Рис. 5. Плата видеообработки с подключенным модулем ЖК дисплея

двигатель стартует с трапецеидаль ным возбуждением, а после прихо да первого фронта с датчика поло жения тип возбуждения меняется на синусоидальный; ● трапецеидальное возбуждение без датчиков обратной связи. Плата управления позволяет получать ин формацию о положении ротора по величине наведённой электродви жущей силы. На основании этой информации формируется шести фазная трапецеидальная коммута ционная последовательность; ● интерактивное устройство управле ния двигателями по сети Ethernet для удалённого управления движе нием объекта по четырём коорди натам. Демонстрационные наборы для управ ления двигателями позволяют разраба тывать системы контроля движения на базе готового программного обеспече ния и готовых IP модулей для програм мирования ПЛИС.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ НАБОР IGLOO ДЛЯ РАБОТЫ С ЖК ПАНЕЛЯМИ Ещё одной актуальной задачей, ко торую приходится решать произво дителям электроники в наши дни, яв ляется задача получения, обработки, хранения и отображения видеоинфор мации. Демонстрационный набор IGLOO является на сегодняшний день един ственным набором на рынке, в кото ром можно выбирать тип дисплея. Он состоит из платы IGLOO video demo board (см. рис. 4) и платы с ЖК диспле ем по вашему выбору. WWW.SOEL.RU

LVDS ПЕРЕДАТЧИК (SINGLE CHANNEL 18 BIT LVDS TX CORE) Разработан компанией Attodyne. За нимает 264 логические ячейки. IP модуль Single Channel 18 Bit LVDS TX Core позволяет значительно сэконо мить место на плате и уменьшить цену устройства за счёт того, что вместо внешнего LVDS передатчика использу ются ресурсы ПЛИС. Этот IP модуль предназначен для 18 разрядных LVDS дисплеев, которые используют один LVDS канал (четыре LVDS TX пары) по спецификации PSWG. Существуют мо дификации данного IP модуля, под держивающие 24 разрядный интер фейс и двухканальный 18 или 24 раз рядный интерфейсы. Компания Attodyne – участник про граммы Actel’s Solution Partner – созда ла IP модуль, который может поддер живать скорость передачи данных до 455 Мбит/с на микросхемах Actel, ра ботающих со стандартной скоростью. Это означает, что ЖК панель с разре шением 1024 × 768 может быть под ключена непосредственно к выводам ПЛИС. Возможно увеличение скорос ти передачи данных до 600 Мбит/с за счёт использования более быстрых микросхем. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

50 pin разъём 26 pin разъём Память для подключения для подключения SDRAM LCD модулей камеры Micron 2Mx32

Можно выбрать один из двух го товых дисплеев размером 5,5 или 7 дюймов с разрешением 320 × 240 или 800 × 480 соответственно или изгото вить собственную дочернюю плату с дисплеем. Внешний вид демонстраци онной платы с подключенным 7 дюй мовым экраном показан на рисунке 5. Демонстрационная плата имеет не сколько входов для подключения к ис точникам видеосигнала, интерфейсы DVI и КМОП камеры. На плате установ лена дополнительная внешняя память для организации буфера изображения. Купив этот демонстрационный пакет, вы получаете возможность начать ра боту с уже готовых проектов видеооб работки, список которых приведён в таблице. Для экономии времени разработчи ков фирма Actel разработала програм му Actel’s Solution Partner, в рамках ко торой, благодаря сотрудничеству Actel и независимых компаний, разработа но большое число готовых IP модулей. В настоящий момент доступно 28 IP модулей для видеообработки, ниже приведены характеристики некото рых из них.

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Готовые проекты для платы IGLOO video demo board Поддержка модулей экрана Название проекта

IВозможности проекта

IP модули, используемые в проекте

5.5" (320 × 240)

(800 × 480)

DVI Input to LCD

Да

Отображает видеосигнал, полученный с DVI D интерфейса на LCD дисплее

DVI Frame Grabber (захват кадров с интерфейса DVI) Video Timing Generator (генератор видеосинхронизации) Frame Buffer Controller (контроллер буфера кадра)

Upscaling

Да

Удваивает разрешение полученного изображения за счёт интерполяции ближайших точек (на входе изображение 400 × 240 точек – на дисплее 800 × 480)

DVI Frame Grabber (захват кадров с интерфейса DVI) Video Timing Generator (генератор видеосинхронизации) Frame Buffer Controller (контроллер буфера кадра) 2X Pixel Weighted Scaling Engine (удвоение разрешения изображений)

Digital Photo Viewer

Да

Позволяет отображать изображения на мониторе и осуществлять их скроллинг

Video Timing Generator (генератор видеосинхронизации) Frame Buffer Controller (контроллер буфера кадра) SPI Flash Reader (контроллер SPI для чтения флэш памяти)

Да

Отображает видеосигнал, полученный с видеокамеры, на дисплее

Camera Interface (Интерфейс камеры) I2C (контроллер I2C) Bayer to RGB Color Converter (преобразователь формата для камер) Video Timing Generator (генератор видеосинхронизации) Frame Buffer Controller (контроллер буфера кадра)

Нет

Позволяет переключаться между тремя источниками видеоизображения и отображать результирующую картинку на дисплее

DVI Frame Grabber (захват кадров с интерфейса DVI) SPI Flash Reader (контроллер SPI для чтения флэш памяти) Camera Interface (интерфейс камеры) I2C (контроллер I2C) Bayer to RGB Color Converter (преобразователь формата для камер) Video Timing Generator (генератор видеосинхронизации) Frame Buffer Controller (контроллер буфера кадра)

Video MUXing

Да

ВИДЕОМИКШЕР (ALPHA BLENDER) Модуль разработан компанией iWave Systems Technologies. В микросхеме ProASIC3 A3P250 занимает около 2200 логических ячеек, поддерживает такто вую частоту до 48 МГц, вносит задержку 3 такта. Этот IP модуль осуществляет микширование двух потоков видео данных под управлением потока α ка нала. Другими словами, модуль выполня ет следующую операцию над тремя входными потоками байт: Out[7:0] = = VideoA[7:0]Alpha[7:0] + VideoB[7:0](1 – – Alpha[7:0]), где данные в α канале ин терпретируются как число в диапазоне от 0 до 1. Модуль может использовать ся во всех устройствах с ЖК дисплея ми, таких как видеофоны, GPS при ёмники, видеоигры и т.д. для получе ния таких эффектов, как картинка в картинке (PIP), экранное меню (OSD) и т.п.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЦВЕТОВОГО ПРОСТРАНСТВА (COLOR SPACE CONVERTER) Модуль компании iWave. В микро схеме ProASIC3 A3P250 занимает около 1100 логических ячеек, поддерживает тактовую частоту до 78 МГц, вносит за держку 4 такта. IP модуль позволяет СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

осуществлять преобразование моделей представления цветов из пространств YCbCr и YUV в пространство RGB.

ИНТЕРФЕЙС КАМЕРЫ (CAMERA INTERFACE) Модуль компании iWave. В микросхе ме ProASIC3 A3P250 занимает около 1300 логических ячеек, поддерживает тактовую частоту до 63 МГц. IP модуль iW Camera Interface принимает на вхо де синхронизованный поток в 10 раз рядном YCbCr или RGB формате и выдаёт его на выход в том же формате, но непрерывным потоком без полей синхронизации.

КОНТРОЛЛЕР АНАЛОГОВОГО ДИСПЛЕЯ (DISPLAY CTRL) Модуль компании Cast. В микросхе ме ProASIC3 A3P250 занимает около 5300 логических ячеек, поддерживает тактовую частоту до 64 МГц. При по мощи внешнего видео ЦАП (например, ADV7120) формирует видеосигналы для аналоговых мониторов разреше нием от QVGA (320 × 240) × 85 Гц, до WUXGA (1920 × 1200) × 60 Гц в соответ ствии со стандартом RS 343A/RS 170.

КОДЕР JPEG (JPEGLS E) Модуль компании Cast. В микросхе ме ProASIC3 A3P250 занимает около WWW.SOEL.RU

18 900 логических ячеек, поддер живает тактовую частоту до 45 МГц (в микросхемах с суффиксом быст родействия 2). Модуль обеспечива ет JPEG кодирование видеоинфор мации со скоростью до 161 млн. от счётов в секунду. Способ упаковки совместим со стандартом ISO/IEC 14495 1 JPEG, что делает этот модуль идеальным решением для межплат форменных приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Среди стартовых и демонстра ционных наборов компании Actel встречаются не только «простей шие», годные лишь для того, чтобы научиться программировать ту или иную микросхему, но и наборы, пре доставляющие готовые решения. Та кие наборы являются прототипами реальных систем и позволяют сэко номить время и средства при разра ботке новых устройств. Приобретая такой стартовый набор, вы получае те готовую платформу как для обу чения работе с конкретным семей ством ПЛИС Actel, так и для того, чтобы отладить собственные разра ботки. Готовая печатная плата, вхо дящая в комплект, может быть встро ена в прототип конечного устрой ства.

Video and Still Shot Camera

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

На правах рекламы

Радиационно стойкие электронные компоненты BAE Systems в России Александр Попович (Санкт Петербург) РАДИАЦИОННО СТОЙКИЕ В статье приводятся сведения о номенклатуре и параметрах специализированных цифровых микросхем фирмы BAE Systems.

ВВЕДЕНИЕ До недавнего времени продукция одной из крупнейших в мире меж дународных военно промышленных корпораций – BAE Systems – в Рос сийскую Федерацию официально не поставлялась. Однако сейчас для рос сийских потребителей доступен поч ти весь ассортимент радиационно стойких микросхем, выпускаемых на заводах BAE. ЗАО «БА Электроникс» (BA Electro nics) с 2009 г. импортирует и распрост раняет на условиях ITAR (Руководство по международной торговле оружием) радиационно стойкие электронные компоненты, выпускаемые корпо рацией BAE Systems (www.baesys tems.com), обеспечивает выполнение гарантийных обязательств и техничес кую поддержку всех потребителей на территории России, а также респуб лик, ранее входивших в состав СССР. Британская компания BAE Systems (до 1999 г. – British Aerospace) специа лизируется на создании вооружения и военной техники, в том числе боевых самолетов и подводных лодок. Сегодня она занимает второе место в мире по объёму продаж оружия, уступая лишь американской корпорации Boeing. Компания BAE самостоятельно разра батывает и производит полупровод никовую элементную базу как для

собственных нужд, так и для продажи. Центр полупроводниковых техноло гий BAE (см. рис. 1) выпускает элек тронные компоненты, которые необ ходимы для создания бортовой ра диоэлектронной аппаратуры, и на протяжении многих лет является ми ровым лидером в области радиацион но стойких полупроводниковых нано технологий. В настоящее время в центре осу ществляется полный цикл изготов ления интегральных микросхем от первичного контроля материалов и оптической литографии до корпуси рования и полномасштабного тести рования готовых изделий по техноло гии КМОП с проектными нормами от 0,8 до 0,15 мкм. Центр сертифицирован DSCC (Цент ром оборонных поставок в Колумбу се) в соответствии с MIL PRF 38535 и включен в список квалифицирован ных производителей (QML) и список доверенных поставщиков министер ства обороны США по категории 1А. Научная деятельность центра в настоящее время сосредоточена в двух областях: дальнейшее повыше ние радиационной стойкости тех нологии R15 (КМОП 0,15 мкм) и раз витие технологии халькогенидных наноэлементов энергонезависимой памяти.

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ Полупроводниковые изделия, вы полненные в BAE по технологиям R25 [1] (КМОП 0,25 мкм) и R15, включая оперативную и энергонезависимую память, обеспечивают уникальные ха рактеристики по радиационной стой кости, а именно: ● работоспособность при накоплен ной дозе не менее 200 крад (до 1 Мрад в специальном исполнении); ● бесперебойное функционирование при кратковременном облучении 2 × 107 рад/с; ● сохранение работоспособности после 50 нс импульсного облучения 1 × 1012 рад/с; ● стойкость к тяжело заряженным частицам (ТЗЧ) с энергией до 120 МэВ см2/мг; ● стойкость к нейтронному потоку до 1 × 1013 нейтрон/см2. Для разработки бортовой цифровой аппаратуры, вычислительных и управ ляющих модулей космических аппа ратов BAE выпускает 32 разрядный микропроцессорный комплект, вклю чающий в себя процессор с архитекту рой PowerPC [2], а также набор вспо могательных ИС. В частности, это мост PCI 2.2, многоканальный интерфейс SpaceWire, контроллер памяти и др. Кроме того, выпускается широкий ас сортимент микросхем памяти, рабо тающих с различными напряжения ми питания (см. рис. 2). Это статичес кая оперативная память объёмом до 80 Мбит и временем доступа до 7,5 нс, однократно программируемая память antifuse (восстановление перемычек), а также энергонезависимая память. Помимо электронных компонентов для обеспечения потребностей амери канской космической программы, BAE разрабатывает, изготавливает и по ставляет готовые бортовые ЭВМ в форм факторе 3U и 6U.

Рис. 1. Центр полупроводниковых технологий BAE Systems

WWW.SOEL.RU

Мощный 32 разрядный процессор RAD750 представляет собой радиаци онно стойкий аналог процессора IBM PowerPC 750™. Семейство процессо ров PowerPC 740/750 появилось в СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

МИКРОПРОЦЕССОР RAD750

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Микросхемы для бортовой аппаратуры КА Микропроцессорный комплект RAD750

Запоминающие устройства

32 битный процессор Мост PCI/Память Мост PCI/SpaceWire

Специальные микросхемы

ПЗУ antifuse Энергонезависимая память C RAM Оперативная память SRAM

Кэш L2

Рис. 2. Микросхемы для бортовой аппаратуры космических аппаратов

ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМАЯ ПАМЯТЬ Практическая реализация запатен тованного более 40 лет назад запо минающего устройства на основе эф фекта изменения фазы агрегатного состояния вещества потребовала деся тилетий исследований. Сегодня мик росхемы энергонезависимой памяти с запоминающими ячейками на осно ве сплавов Ge–Sb–Te начинают вхо дить в повседневную практику кос мического приборостроения как один из ключевых элементов радиационно стойкой вычислительной техники. BAE Systems – первая в мире компания, освоившая промышленный выпуск ра диационно стойкой энергонезависи мой памяти на основе халькогенидных наноэлементов (CRAM). Принцип действия халькогенидной ячейки памяти прост: плёнка вещества, описываемого химической формулой Ge2Sb2Te5, располагается между двумя электродами; в зависимости от фазы состояния вещества (аморфная или поликристаллическая), измеренное сопротивление плёнки может отли чаться на порядки. Для осуществления фазового пере хода используется нагрев, возникаю щий при прохождении через ячейку электрического тока. Быстрый нагрев выше точки плавления и последую щее быстрое охлаждение позволяет перевести плёнку в аморфное состо яние, а относительно продолжитель ный (до нескольких сотен наносе кунд) нагрев до температуры чуть ниже точки плавления позволяет вос становиться кристаллической струк туре материала. Достигнутое количе ство циклов перезаписи одной ячейки без потери надёжности уже сейчас составляет 108. Существенным преимуществом CRAM по сравнению со многими другими технологиями хранения информации является практически полная нечув WWW.SOEL.RU

ствительность хранимой информации к электромагнитным полям, импуль сам, ионизирующему облучению и другим факторам воздействия окружа ющей среды, что особенно важно для космического приборостроения и во енных приложений. Энергонезависи мая память CRAM от BAE Systems обес печивает радиационную стойкость по накопленной дозе не менее 200 крад (до 1 Мрад в специальном исполне нии), бесперебойное функционирова ние при интенсивном кратковремен ном облучении, стойкость к ТЗЧ и нейтронным потокам высокой плот ности. Микросхемы CRAM выпускаются в корпусах flatpack c количеством выво дов 40 и 84 и доступны в различных кон фигурациях от 256K × 8 до 512К × 32. Также доступны варианты исполнения со встроенной системой коррекции ошибок (ЕСС), которая уменьшает по лезный объём сохраняемой информа ции в два раза, но значительно повы шает надёжность хранения. За официальной информацией о до ступности, условиях лицензирования и поставки, стоимости, подробных технических характеристиках про дукции BAE Systems, а также по всем вопросам применения и внедрения можно обратиться в ЗАО «БА Элек троникс» (www.bae rh.ru).

ЛИТЕРАТУРА 1. Попович А. Технология R25 против ради ации: новые продукты на российском рынке электроники для космических аппаратов. Компоненты и технологии. 2009. № 12. 2. Попович А. Бортовые компьютеры косми ческих аппаратов из компонентов BAE Systems. Компоненты и технологии. 2010. № 3. 3. Попович А. Радиационно стойкая статичес кая оперативная память от BAE Systems. Компоненты и технологии. 2010. № 6.

1997 г. как альтернатива процессорам Intel Pentium и благодаря малому энергопотреблению широко приме нялось в ноутбуках и моноблоках. Так, например, процессоры IBM Po werPC 750™ использовались в компь ютерах iMac и iBook, выпускавшихся Apple. Несмотря на то что развитие данно го семейства для гражданских прило жений фактически прекратилось не сколько лет назад, удачная архитектура процессора дала семейству «вторую жизнь» в военных и особенно косми ческих проектах. Сравнительно не большое (около 11 млн.) количество транзисторов позволяет изготовить данный процессор по стандартной по лупроводниковой технологии 0,25 мкм с площадью кристалла всего 130 кв. мм. Реализация процессора IBM PowerPC 750™ с помощью технологии R25 позво лила достичь тактовой частоты 132 МГц при радиационной стойкости по на копленной дозе не менее 200 крад. Ва риант микропроцессора на основе технологии R15 обеспечивает такто вую частоту свыше 200 МГц и проходит в настоящий момент сертификацион ные испытания. Как типичный представитель семей ства PowerPC 740/750, RAD750 исполь зует шинный интерфейс 60x с разви той системой арбитража шин данных и адреса, позволяющей работать с раз личными схемами потокового чтения и записи. Система многоуровневого кэширования инструкций и данных существенно ускоряет производитель ность RAD750. Непосредственно в кристалле реализованы два модуля кэш памяти по 32 Кб и контроллер L2 Tag, управляющий синхронной 72 раз рядной внешней кэш памятью L2. Ши ны адреса и данных системной памяти и L2 снабжены линиями контроля чёт ности. Для отладки программного обеспечения реализован интерфейс JTAG. К особенностям RAD750 также сле дует отнести развитую схему динами ческого контроля производительности и энергопотребления, позволяющую эффективно управлять работой бор тового вычислителя в условиях огра ниченных запасов электроэнергии на борту космического аппарата. Потреб ляемая мощность процессора состав ляет от 400 мВт до 5 Вт в зависимости от выбранного режима работы. Мик росхема выпускается в керамическом корпусе column grid array CCGA 360.

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Программаторы для микросхем, используемых в аппаратуре специального назначения

Рассматриваются особенности занесения информации в отечественные программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), наиболее часто используемые в аппаратуре специального назначения.

ВВЕДЕНИЕ В последние годы, несмотря на стре мительное развитие современной мик роэлектроники и повышенный рост требований к функционалу элемент ной базы, используемой при проекти ровании и серийном производстве ап паратуры специального и двойного назначения, у разработчиков вновь по явился интерес к отечественным мик росхемам запоминающих устройств (ЗУ) серий 538, 541, 556, 573, 1623, раз работанным ещё в 1990 е годы. Наряду с этими приборами, отечественными производителями микросхем ЗУ пред ложены новые разработки приборов данного типа: серии 1632, 1635, 1636 и ряд других. Однако следует отметить, что воз рождение отечественной промышлен ности после периода вынужденного простоя идёт непросто. Массовое про изводство аппаратуры, в том числе на иболее ответственной, практически полностью переходит либо перешло на микросхемы запоминающих уст ройств зарубежного производства. Со ответственно, прекратился выпуск инструментальных средств (програм маторов, отладчиков) с поддержкой отечественных микросхем ЗУ. Некото рые предприятия просто перестали су ществовать, другие отказались от вы пуска подобных программаторов (в силу их сложности и высокой стоимос ти) в пользу программаторов общего

20 мА/дел. 50 uS/дел.

Рис. 1. Форма сигнала программирования микросхемы 556РТ161

применения. В результате разработчи кам приходится доставать с полок ста рые модели (если они есть), ремонти ровать их и пытаться с ними работать. Зачастую эти программаторы, даже ес ли их удаётся восстановить, совершен но не способны работать с современ ными компьютерами. Однако, несмотря на экономические трудности, всё ещё остались предпри ятия, которые продолжают производ ство и, главное, развитие данного типа программаторов. Большинство упомянутых выше мик росхем ЗУ относится к классу одно кратно программируемых. Именно та кие микросхемы наиболее устойчивы к внешним дестабилизирующим факто рам. Практически во всех подобных микросхемах ячейки памяти построе ны по принципу разрушения (пережо га) перемычек, пробоя диэлектрика или создания проводящей зоны путём расплавления полупроводникового пе рехода.

ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ИС СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В отличие от программаторов для микросхем общего применения(под эти термином будем понимать широ ко распространённые микросхемы EEPROM, FLASH и микроконтроллеры со встроенной памятью на основе этой же технологии), программаторы для микросхем специального назна чения требуют иных подходов при их разработке. Дело в том, что процедуры програм мирования микросхем данных серий более сложны, требуют подачи сигна лов программирования с высокими токами и напряжениями, часто отри цательной полярности. Потребляе мые в процессе программирования токи также достаточно велики, а тре WWW.SOEL.RU

бования к временной диаграмме по дачи импульсов программирования, их длительности, фронтам нараста ния и спада сигналов являются более жёсткими. Для многих микросхем, программи руемых путём разрушения перемычек (значительная часть микросхем серии 556), процедуры программирования относительно простые. Требования к временной диаграмме не очень жёст кие, да и сама процедура не слишком чувствительна к отклонению парамет ров (даже за пределы рекомендуемых). Более «капризными» являются микро схемы серий 541 и 1623. А вот для мик росхем, программируемых путём соз дания проводящей зоны за счёт нагре ва (556РТ161) или пробоя диэлектрика (1632РТ1, 1635РТ2), требования к про цедурам программирования необхо димо соблюдать очень точно, придер живаясь рекомендаций руководства по программированию данных прибо ров. Сами по себе эти процедуры до статочно сложны, а допуски на времен ные и электрические параметры очень строгие. Процессы программирования боль шинства микросхем серий 556 и 541 хорошо известны и подробно рассмот рены в литературе. В предлагаемом ма териале мы остановимся на некоторых особенностях. Рассмотрим программирование микросхемы 556РТ161. Согласно руко водству по программированию, на программируемый выход подаётся импульс тока амплитудой 60 мА ± 5% с ограничением на уровне 20 В ± 5% (см. рис. 1). При подключении сигнала программирования через резистор 180 Ом происходит почти нормальное программирование микросхемы, и коэффициент программируемости (КП) находится в пределах нормы. Однако, как показывают измерения, ток программирования колеблется в пределах от 39 до 83 мА, что явно не соответствует руководству по програм мированию на данный тип изделия. Дополнительная стабилизация тока влечёт за собой и дополнительные материальные затраты. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Валерий Бауткин, Игорь Буслов, Евгений Линьков (Минск, Беларусь)

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Микросхема 1623РТ2, хотя и являет ся однократно программируемой, со держит дополнительные ячейки, пред назначенные для корректировки уже записанной информации. Для вы полнения процедуры корректировки требуется подача импульсов отрица тельной полярности. При програм мировании микросхемы 1635РТ1У тре буется формирование импульсов отри цательной полярности с амплитудой 10 В и длительностью фронта нараста ния/спада сигнала не более 10 нс (см. рис. 2). Для программаторов общего приме нения схема формирования сигналов программирования не является слож ной, как и необходимое оборудование (с учётом современной элементной ба

зы). Однако для программирования биполярных микросхем применяют ся более сложные технические реше ния с учётом требований руководства по программированию конкретных микросхем памяти. За годы разработки и эксплуатации программаторов различных типов ав торами был накоплен большой опыт, опробованы самые разные схемные решения для ключей формирования сигналов программирования, благода ря чему была найдена оптимальная, по нашему мнению, схема формирования сигналов (см. рис. 3). Пояснения к схеме типовой ячейки программатора (см. рис. 3): ● элементы R1, R2, VT12, VD6 образуют уровень логического ввода вывода;

2 V/дел. 20 nS/дел.

Рис. 2. Форма заднего фронта импульса программирования микросхемы 1635РТ1 ●

●

элементы VT1, VT2, VD1 формируют первое напряжение программиро вания; элементы VT3, VT42, VD2 формиру ют второе напряжение программи рования; элементы VT5, VT6, R3 формируют третье напряжение программирова ния с ограничением тока;

Представительство ЗАО «Фаворит ЭК» в Республике Беларусь, г. Минск Тел./факс: +375 (17) 207 01 85 • info@favorit ec.ru

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Представительство ЗАО «Фаворит ЭК» в Нижнем Новгороде Тел.: +7 (910) 886 80 60 • alexandra@favorit ec.ru

Представительство ЗАО «Фаворит ЭК» в Санкт Петербурге ООО «Невская Электронная Компания» Тел./факс: +7 (812) 449 52 40 • www.spbnek.ru • nek@spbnek.ru

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

VCC L

R2 VPR 1 CNT VPR 1 VPR 2 CNT VPR 2 VPG 3 CNT VPR 3

VD1

VT1 VT2

VD2

VT3

VT4

VT5 VT6

VD3 VT7 CNT IPR VCC

VT8

DA1 IN OUT I REF

VT9

R6 CMT VPP 4 VPG 4 CNT LOG

VT10

VT11

VD4 VD5

VD6 VT12

GND

Рис. 3. Схема типовой универсальной ячейки программатора элементы VT7, VT8, DA1, R4, VD3 формируют ток программирования с ограничением напряжения; ● элементы VT9, VT10, VT11, VD4, VD5, R5, R6, R7, VD6 формируют четвёр тое напряжение программирования отрицательной полярности. Такие типовые ячейки подключены к каждому выводу панельки програм матора, образуя универсальную схему управления программированием. Все ячейки управляются микропроцессо ром. Благодаря такой структуре воз можно формирование сложных ком бинаций сигналов программирования. Чтобы упростить конструкцию и уде шевить программатор, необходимо применить оптимизацию ячеек, т.е. из состава некоторых ячеек исключить часть элементов, ответственных за формирование того или иного сигнала, который не используется для програм мирования конкретного подмножества микросхем. В результате вместо уни версального программатора получится несколько урезанная, «оптимизирован ная» версия. Схему универсального программатора для микросхем общего применения можно реализовать, ещё больше упростив ячейки. ●

Для программаторов общего приме нения определяющим фактором явля ется стоимость и время записи инфор мации в микросхему. Многие совре менные микросхемы имеют большой объём памяти и небольшое время за писи одной ячейки, поэтому именно быстродействие программатора на прямую влияет на время программи рования микросхем. Для программаторов изделий специ ального и двойного назначения наи более важно соблюдение технических условий в части руководства по про граммированию и обеспечение необ ходимой надёжности записи микро схем. Скорость работы процессора программатора как таковая решающе го значения не имеет, поскольку про цедуры программирования данных микросхем являются длительными са ми по себе. Именно длительность запи си информации в ячейку ЗУ, предо пределённая техническими условия ми, будет определяющим фактором. Микросхемы специального назначе ния выполнены в металлокерамичес ких корпусах, как правило, для поверх ностного монтажа. Традиционно в про цессе программирования микросхема в таком корпусе сначала помещается в спутник носитель, а уже затем в кон тактирующее устройство адаптера. Та кой способ требует многих манипуля ций с микросхемой при её програм мировании: необходимо поместить микросхему в спутник носитель, за фиксировать её с помощью держате ля, поместить спутник носитель с уста новленной микросхемой в адаптер и затем закрыть крышку – зажим кон тактора. Значительно удобнее исполь зовать адаптеры с непосредственной установкой микросхемы, не требую щие спутника носителя для програм мирования: микросхему нужно просто установить в гнездо адаптера и закрыть крышку зажим. Это позволяет сущест венно сократить число манипуляций с микросхемами при программирова нии. Однако это справедливо не всегда. В большинстве случаев после окон чания процесса программирования микросхема должна пройти рекомен дуемые операции технологического цикла – электротермотренировку и климатические испытания. В случае опытных и экспериментальных пар тий это выполняется уже в составе ап паратуры, но при серийном производ стве требуются, как правило, специаль ные стенды. При этом очень удобно, WWW.SOEL.RU

чтобы контактирующие устройства на программаторе и на стенде были од ного типа, использовали одинаковые спутники носители и имели одинако вую разводку выводов. Это позволит переносить микросхемы с одного тех нологического этапа на другой, не из влекая прибор из спутника носителя, и тем самым экономить время на проме жуточных операциях. Казалось бы, всё просто, но стенды и программатор могут иметь различ ную разводку выводов. Дело в том, что микросхему в спутник носитель мож но установить четырьмя различными способами, соответственно, возмож ны четыре варианта разводки выво дов. Поэтому в конструкции програм матора желательно предусмотреть несколько вариантов разводки адап теров, с тем чтобы всегда можно было подобрать вариант, соответствующий технологическому оборудованию за казчика. Выбор контактирующих устройств невелик. Реально доступны два про изводителя: «Лтава» и WELLS CTI. Кон такторы первого производителя наи более точно соответствуют требовани ям совместимости с существующим технологическим оборудованием, вто рые – более надёжные, но и дорогие. Очень важно, чтобы программатор был укомплектован (в базовом вариан те или по заказу) всеми необходимыми адаптерами под все типы корпусов, ко торые планируется использовать.

ОБЗОР ПРОГРАММАТОРОВ По степени охвата микросхем ЗУ, программаторы можно разделить на две категории: универсальные, рассчи танные на программирование многих типов микросхем, и специализирован ные, предназначенные для програм мирования одного или нескольких ти пов микросхем. В этом смысле практи чески все программаторы в настоящее время являются универсальными. Раз ница состоит только в степени их «уни версальности»: одно семейство микро схем, например, программатор KPOT РT, или весь номенклатурный ряд. Так же важен способ достижения универ сальности. Первый подход – это использование сменных адаптеров: программатор вы полняет функцию базового блока, а расширение происходит за счёт до полнительных адаптеров или модулей (например, программатор Uniprog). Второй подход – максимальный охват СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

в процессе эксплуатации. Минимально необходимым является контроль то ка программирования (защита от пе регрузок), желателен контроль всех напряжений программирования и температурного режима. Не менее зна чительным фактором является диа гностика всех параметров программи рования. Режим самотестирования присутствует практически во всех программаторах, но это – лишь про верка «исправен/неисправен». Необходимо перед записью пар тии микросхем иметь возможность выполнить проверку на соответ ствие требованиям руководства по программированию (длительности сигналов, их амплитуды, токи) хотя бы с использованием осциллографа. Программное обеспечение програм матора должно явно поддерживать этот режим диагностики параметров записи, поскольку их измерение в процессе записи реальной микро схемы весьма затруднительно, если вообще возможно. В таблице 1 приведён список про грамматоров, имеющих (на момент на писания статьи) возможность про граммирования биполярных микро схем. Первые две модели абсолютно непригодны для профессионального применения из за небольшого охвата номенклатуры микросхем и значи

тельных отклонений режимов про граммирования от требований произ водителей микросхем. На сегодняшний день авторской группой НТП «ТИКОМ» предлагается большой выбор моделей программа торов общего, универсального и спе циального применения. Основные функциональные преиму щества программаторов ChipStar: ● программаторы фирмы ChipStar по настоящему универсальны и не тре буют специфических адаптеров для каждого семейства микросхем. Как следствие, требуется небольшое ко личество адаптеров и только под необходимые типы корпусов микро схем. Поэтому решение получается более гибким и менее затратным для пользователя; ● комфортабельное программное обес печение; ● оперативное добавление новых ти пов микросхем; ● выпускаются три линейки програм маторов, что позволяет заказчику выбрать прибор, наиболее подходя щий к его задачам и возможностям; ●

существует модель программатора (ChipStar MT+) с уникальной функ цией программирования отечест венных и «экзотических» микро схем, которую не может обеспечить ни один другой программатор;

Таблица 1. Современные программаторы, имеющие возможность программирования биполярных микросхем Модель программатора Название микросхемы Uniprog

КРОТ РТ

Sterh ST 007/011

ChipStar MT+

ChipStar Diemos

155РЕ3, 556РТ4A/РТ11/РТ12/РТ13

556РТ14/РТ15/РТ16/РТ17/РТ18

556РТ4

–

556РТ5, 556РТ5A

556РТ6

–

556РТ6A

–

556РТ7A

556РТ7

–

556РТ20

–

556РТ161

–

541РТ1, 541РТ2

–

1623РТ1, 1623РТ2

–

1635РТ2У

–

556РТ1, 556РТ2

–

556РТ3, 556РТ21, 556РТ21А

–

1556ХП4, 1556ХП6, 1556ХП8, 1556ХЛ8

–

1608РТ1

–

1636РР1У

–

Около 1800 типов микросхем

Около 1900 типов микросхем

–

558РР2, 558РР4 Прочие микросхемы общего применения (EPROM, FLASH, MCU)

Около 100 типов микросхем

WWW.SOEL.RU

микросхем без использования (или с минимальным использованием) до полнительных адаптеров. Подавляю щее большинство программаторов в настоящее время используют проме жуточное решение между этими край ними случаями, чаще всего это ближе к первому варианту, когда минимальная универсальность обеспечивается, но адаптеров расширения достаточно много (например, ChipProg, Triton), или несколько ближе ко второму вари анту с минимальным количеством сменных адаптеров (например, Sterh). В программаторах общего приме нения наибольшее внимание уделя ется сервисному программному обес печению, возможности его обнов ления (в том числе удалённого) и пополнению базы программируемых микросхем. Для программаторов специального назначения все эти параметры не столь существенны. На первое место выходит точность соблюдения требо ваний по программированию и круг лосуточный режим работы. Сервисное программное обеспече ние для программирования микро схем специального назначения может быть намного проще, чем у универ сальных программаторов, поскольку не требуются многочисленные мани пуляции с данными. Прошивки мик росхем, как правило, уже отработаны, необходимо только выполнить тира жирование. Несколько слов об обеспечении круглосуточного непрерывного режи ма работы программатора. При про граммировании обычных микросхем (EEPROM и FLASH, микроконтролле ры) ничего особенного в обеспечении непрерывной работы программатора нет, поскольку токи потребления дан ными микросхемами как в режиме чте ния, так и в режиме записи, незначи тельны. Другое дело – биполярные микросхемы; они сами по себе потреб ляют значительный ток в режиме за писи, при этом необходимо обеспе чить стабильность требуемых длитель ностей фронтов и спадов сигналов программирования при непрерывной работе прибора. Поэтому важно, что бы программатор был спроектирован с учётом непрерывной записи бипо лярных микросхем. Существенной частью технических мероприятий по обеспечению надёж ности программатора является конт роль параметров программирования

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

●

существует возможность группово го программирования микросхем (до 8 шт. одновременно) на одном программаторе; реализованы три способа подклю чения к компьютеру: USB , LPT или COM порт.

ПРОГРАММАТОРЫ CHIPSTAR Все программаторы ChipStar проек тировались на основе описанных вы ше типовых ячеек, поэтому во всех программаторах сразу заложена мак симальная универсальность. За редким исключением, все адап теры к программаторам ChipStar представляют собой конверторы с од ного типа корпуса на другой. Кроме того, там, где возможно, предлагаются универсальные адаптеры и в преде лах корпуса, например, в SOP28 адап тере (UP SO/28 M), можно програм мировать любые микросхемы с коли чеством выводов от 14 до 28 при соответствующей ширине корпуса. Поэтому количество адаптеров для программаторв ChipStar небольшое и суммарные затраты заинтересован ного пользователя будут ниже, чем при покупке программатора, требую щего специальных адаптеров для каж дого (или многих) типов микросхем. По принципу адаптеров только для типа корпуса (а от этого никак изба виться и нельзя), кроме программато ров ChipStar, построены также про

микросхем ЗУ (более 3300 типов), в том числе наиболее популярных се рий: ● ПЗУ серий 27xxx, 28xxx, 29xxx, 39xxx, 28xxx, 24xxx, 93xxx, РФxx и др.; ● однократно программируемые ПЗУ серий 556xxx, 1623xxx, 1632xxx, 1635xxx, 155РЕ3 и др.; ● программируемые логические мат рицы серий 556xxx, 1556xxx, PAL, GAL и др.; ● микроконтроллеры фирм Micro chip, Atmel, Intel, Philips, Dallas, Win bond, SST и многие другие микро схемы. Основные технические характерис тики программатора тестера ChipStar MT+ приведены в таблице 2. Кроме того, в программаторе имеет ся функция сигнатурного функцио нального тестирования цифровых ло гических микросхем серий 155, 531, 555, 561, 1533, 1534 и др. Отличительные особенности тесте ра ChipStar MT+: ●

●

● ●

●

Таблица 2. Основные технические характеристики программатора тестера ChipStar MT+

Интерфейс ПК

LPT

Спецификация IEEE 1284 (режимы SPP/ECP)

COM

Спецификация RS232C, через дополнительный модуль

USB

Спецификации 1.0/1.1/2.0, через дополнительный модуль Постоянный ток 12 В, 2,0 A

Напряжение питания Переменный ток 100…240 В, 50/60 Гц, 0,7 A (через адаптер) программатора

190 (длина) × 100 (ширина) × 90 (высота)

сетевого адаптера

80 × 50 × 30 (без кабеля)

программатора

0,55 (без кабелей)

сетевого адаптера

0,12

Размеры, мм

Вес, кг

WWW.SOEL.RU

●

адаптер для программируемых мик росхем на 48 выводов; возможность связи с компьютером через интерфейсы LPT, COM и USB; два независимо устанавливаемых напряжения программирования от 0 до 25 В с шагом 0,1 В; напряжение питания от 0 до 12 В с шагом 0,01 В; мощные токовые ключи для про граммирования (прожигания) мик росхем серий 556xxx; напряжения питания и программи рования могут быть поданы на лю бой вывод адаптера программатора в любой комбинации; управляемое напряжение логичес ких уровней от 2,0 до 5,0 В; защита от перегрузок и короткого замыкания; контроль температурного режима; отсутствие напряжений на панельке программатора в исходном состоя нии; высококачественная, легко заменя емая универсальная панелька с ну левым усилием для установки мик росхем любых типов в корпусах DIP/DIL (8 – 48 выводов); комфортабельное многооконное про граммное обеспечение работает под ОС Windows 9x/ME/NT/2000/XP, а также Windows Vista и Windows 7 и позволяет осуществлять все необ ходимые манипуляции с микросхе мами и с файлами различных фор матов;

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 4. Программатор ChipStar MT/MT+ для изделий специального и двойного назначения

грамматоры Xeltek, Elnec и некоторые другие. Для программаторов ChipStar исклю чений по адаптерам всего два: специ альный адаптер CX FP/28 MB для мик росхем 556РТ161, 1623РТ1, 1623РТ2 и 1632РТ1 и адаптеры функционального расширения программатора ChipStar Lynx (младшего в модельном ряду). С по мощью этих адаптеров программатор ChipStar Lynx расширяется по функци ональности почти до ChipStar XL/Ex press. В настоящее время выпускается сле дующая линейка программаторов: ● 1 й уровень – ChipStar MT+, ChipStar MT, ChipStar Phobos – самые универ сальные; ● 2 й уровень – ChipStar XL/Express – просто универсальные; ● 3 й уровень – ChipStar Lynx – упрощён ные, но достаточно универсальные. Программаторов первого уровня никто из отечественных производите лей не выпускает (функционально приближается к ним программатор Sterh). Существуют только импортные, например, Xeltek или Elnec, но они не программируют отечественные мик росхемы, в то время как программато ры серии ChipStar MT это делают. Программаторы второго и третьего уровня – это программаторы, постро енные на базе всё тех же типовых яче ек, но значительно упрощённые с целью удешевления. Они не програм мируют отечественные микросхемы серий 556РТ, 541РТ, 1623РТ, но в целом они остаются достаточно универсаль ными. Большинство других отечест венных программаторов соответ ствуют третьему и частично второму уровню. Профессиональный универсальный программатор тестер для изделий спе циального и двойного назначения ChipStar MT+ (см. рис. 4) предназначен для программирования и тестирова ния широкого спектра современных

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Таблица 3. Программирование наиболее применяемых микросхем ППЗУ отечественного производства Название микросхемы

Особенности программирования с использованием программатора ChipStar MT+

1623РТ2А

Программирование проводится в соответствии с СКФН.431212.003 Д3. Для проведения работ с данным изделием требуется адаптер CX FP/28 M с основанием CX FP/28 M и головкой HD FP28G или HD DIP28G. Программатор ChipStar MT+ прошёл аттестацию завода – изготовителя данных микросхем (завод «Транзистор», г. Минск) и прописан как рекомендованное средство программирования для данного типа приборов (протокол испытаний и корректировка ТУ на микросхему)

1623РТ1А

Программирование проводится в соответствии с бКО.347.630 01 ТУ. Для проведения работ с данным изделием требуется адаптер CX FP/28 M с основанием CX FP/28 M и головкой HD FP28G или HD DIP28G. На настоящий момент заводом – изготовителем микросхем (Завод «Транзистор», г. Минск) проводится цикл тестовых зашивок с применением программатора ChipStar MT+, по результатам которых будет выпущен соответствующий протокол и произведена корректировка ТУ на микросхемы, в которых данный программатор будет прописан как рекомендуемое средство программирования

556РТ7А

Программирование проводится в соответствии с И63.487.021 03 Д. Для планарных корпусов требуется адаптер CX FP/28 M или UP FP/28 M. Для DIP корпусов адаптер не требуется

556РТ7

Программирование проводится в соответствии с И63.487.048 03 Д для планарных корпусов. Для проведения работ с данным изделием требуется адаптер CX FP/28 M или UP FP/28 M. Для DIP корпусов адаптер не требуется

556РТ2

Программирование проводится в соответствии с ТУ на данную микросхему для планарных корпусов. Для планарных корпусов требуется адаптер CX FP/28 M или UP FP/28 M. Для DIP корпусов адаптер не требуется

М573РФ4А

Программирование проводится в соответствии с бКО.347.222.04 ТУ. Для планарных корпусов требуется адаптер CX FP/28 M или UP FP/28 M. Для DIP корпусов адаптер не требуется

556РТ161

Программирование проводится в соответствии с И63.487.201 03Д. Для проведения работ с данным изделием требуется адаптер CX FP/28 M

558РР4

Для планарных корпусов требуется адаптер CX H16/48 или адаптер UP H16/48. Для DIP корпусов адаптер не требуется

●

все параметры программирования микросхем соответствуют требовани ям их изготовителей, однако ПО про грамматора позволяет перестроить любые параметры программирования;

●

обеспечивается определение типа микросхем и контроль правильнос ти установки; поддерживаются все режимы рабо ты микросхем;

для записи информации в микро схему достаточно выбрать команду записи, и программатор автомати чески выполнит все необходимые действия: контроль микросхемы, проверку, запись, итоговую вери фикацию, запись дополнительных областей и конфигурации микро схемы, если это необходимо; ● модульная структура программного обеспечения позволяет добавлять новые микросхемы без замены всей программы; ● программатор построен на основе микроконтроллера с флэш памя тью, что обеспечивает обновление ПО программатора на месте эксплу атации; ● возможность добавления новых мик росхем по запросу потребителя в кратчайшие сроки. В таблице 3 приведена информация о программировании наиболее при меняемых микросхем ППЗУ отечест венного производства. Микросхемы 556РТ7А, 556РТ7, 556РТ2, М573РФ4А (старые разработки) успешно про граммируются (также с использовани ем предыдущих модификаций Chip Star MT+) на протяжении 10 лет. ●

HP разработает суперчасы для армии США HP намерена в своём устройстве сде лать упор на вывод карт и другой страте гической информации, необходимой сол датам при выполнении заданий. В основу конструкции будут положены новейшие разработки компании по гибким пласти ковым дисплеям. Чтобы снизить вероят ность отказа из за исчерпания источника энергии, экран будет оснащён солнечной батареей. Карл Тоссиг (Carl Taussig), руководи тель лаборатории информации HP Labs, сообщил, что военные намерены исполь зовать прототипы устройств в небольших группах солдат, прежде чем решиться на более широкое внедрение технологии. Он полагает, что высокотехнологичные часы позволили бы, кроме всего прочего, не сколько разгрузить военнослужащих, вы нужденных до сих пор для получения той же информации носить на себе более тя жёлое оборудование вместе с комплек том рабочих и резервных батарей. HP рассчитывает получить работающий про тотип в течение года. Тоссиг перечислил основные достоин ства пластиковых дисплеев по сравнению СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

со стеклянными, господствующими в на стоящее время на рынке: «Они не бьются. Они тонкие. Они потенциально гибкие». В ту же гибкую конструкцию методом пе чати могут быть встроены солнечные ба тареи с помощью технологии, разрабо танной компанией PowerFilm. Эта же компания в своё время предложила ар мейские палатки, оснащённые гибкими фотовольтными элементами. По мнению Тоссига, в следующем году пластиковые дисплеи могут начать появ ляться вместо стеклянных во всех видах потребительской электроники . В их поль зу говорит меньший вес, меньшая пот ребляемая мощность и меньшая подвер женность разрушению. К тому же они со держат в 40 раз меньше исходных материалов, чем стеклянные дисплеи, – сказал Тоссиг. Компания отметила, что технология гибких пластиковых дисплеев может быть также использована в ноутбу ках, электронных книгах и различных коммерческих информационных устрой ствах. Технология «печати» компонентов плас тиковых дисплеев разрабатывалась спе циалистами HP Labs в течение десяти лет. Любопытно, что изначально компа WWW.SOEL.RU

ния рассчитывала использовать её в пор тативных накопителях, но затем перспек тива получения больших гибких экранов оказалась более экономически оправдан ной и выполнимой, – поделился истори ческими подробностями Тоссиг. Основ ной «секрет» пластиковых дисплеев – тонкий, около 50 мкм (приблизительно половина толщины человеческого воло са), металлизированный слой, нанесён ный методом печати на их изнанку. При этом за счёт сочетания различных про цессов воздействия кислотой и металли зации формируются транзисторы, токоп роводящие дорожки и прочие элементы. Тоссиг подчеркнул: «Мы должны были са ми создать оборудование для выполнения этих задач, поскольку никто не делал это го ранее». http://www.cnn.com/

Новости мира News of the World Новости мира

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Лазерные системы для управления транспортными средствами и робототехникой В обзоре рассказывается о лазерных измерительных системах, которые могут использоваться для управления различными транспортными средствами и мобильными роботами. Описаны принципы работы лазерных систем и рассмотрены возможные области их применения в сравнении с системами, работающими на других физических принципах.

ВВЕДЕНИЕ В ходе эксплуатации наземных, воз душных или космических транспорт ных средств и робототехники различ ного назначения часто возникает не обходимость в измерении координат подвижных и статичных объектов, а также получении данных об их форме и ориентации на дистанциях от не скольких десятков километров до до лей метра. Большое значение имеет проведе ние измерений в условиях значитель ного уплотнения потока транспорт ных средств, когда первостепенными требованиями становятся обеспечение безопасности и поддержание заданно го режима движения, а также при высо ком уровне широкополосных электро магнитных помех. На сегодняшний день основной проблемой автономных роботов оста ётся навигация. Для успешного перед вижения робота в пространстве бор товая система управления должна са мостоятельно построить маршрут, правильно интерпретировать полу чаемую информацию об окружаю щей среде и постоянно отслеживать собственные координаты. Кроме того, устройствам, снабжённым манипуля торами, необходимо позициониро вать части своего корпуса для взаи модействия с близлежащими предме тами.

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА Для измерений могут быть исполь зованы радиотехнические, телевизи онные и оптикоэлектронные системы. Радиотехнические системы эффек тивны для работы на дистанциях в де сятки километров. Они способны «ви деть» сквозь облака, туман и осадки вне зависимости от оптических характе

ристик атмосферы и световой обста новки. На близких дистанциях, соиз меримых с длиной волны зондирую щего излучения, надёжное различение и идентификация отдельного объекта будут затруднены. Радиотехнические системы могут быть использованы для создания двумерных (2D) изображе ний, пригодных для анализа местнос ти и навигации, но их разрешение бу дет меньше, чем у оптических и телеви зионных средств. В обеспечении системы управле ния внешней информацией, наряду с приборами, работающими в радио диапазоне, могут быть использованы оптикоэлектронные приборы и сис темы [1]. В оптическом диапазоне можно получить высокую точность при меньших габаритах и массе при боров. Телевизионные системы позволяют проводить измерения при известных размерах объекта или по установлен ным на нём маркерам (мишеням). Дальность ограничивается разрешаю щей способностью телекамер (десят ки метров). Известны системы стереотелевиде ния, состоящие из двух телекамер, разнесённых между собой на некото рое базовое расстояние. Точность и дальность стереосистем пропорцио нальна длине базы между ними, что может делать систему достаточно га баритной. Использование телевизионных средств ограничивается светотехни ческими условиями и метеорологичес кой обстановкой. В настоящее время телевизионные камеры не могут быть использованы для измерений на рас стояниях в десятки километров. Од нако телекамеры видимого и ИК диа пазона (например, пировидиконы) применяются для обнаружения и на WWW.SOEL.RU

ведения на объект, а также для получе ния его 2D изображения. Оптикоэлектронные приборы с подсветкой цели используют излуче ние источника, являющегося частью системы. В качестве источника излу чения, как правило, используется ла зер или сверхъяркие светоизлучаю щие диоды. Светоизлучающие диоды имеют бо лее широкие диаграмму направлен ности и спектр излучения по сравне нию с лазерами, что снижает эффек тивность спектральной селекции и максимальную дальность обнаруже ния. Достоинством светодиодов явля ется безопасность для органов зрения человека. Лазерное излучение, благодаря его направленности и когерентности, позволяет получить уникальные тех нические характеристики, недости жимые с помощью других источни ков излучения. Дальность измерения лазерных систем составляет от сотен метров до десятков километров. Кро ме того, лазерные приборы позволя ют определять оптические характе ристики атмосферы, её химический состав, метеоусловия, уровень облач ности т.д. Среди разнообразных лазерных приборов можно выделить лазерные дальномеры, лидары (ладары) и лазер ные системы видения. Лазерные дальномеры [2] – это при боры для измерения расстояния между двумя точками в пространстве и нахо дящимися в них объектами в одном, строго определённом направлении. Лазерные дальномеры, как правило, имеют простую и компактную кон струкцию с собственным источником питания. Информация об измеренной дистанции обычно высвечивается в визире дальномера. Некоторые модели могут выдавать информацию в циф ровом коде непосредственно в борто вую систему управления. Структурная схема импульсного лазерного дально мера представлена на рисунке 1. Лазерные системы видения [3] пред назначены для формирования изоб ражений удалённых объектов с целью их обнаружения и распозна СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Евгений Старовойтов (Московская обл.)

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Измеритель временных интервалов Блок управления

Объект

ФПУ Лазер

Выдача информации

Визирное устройство

Рис. 1. Структурная схема импульсного лазерного дальномера

Выдача информации

ТВ%монитор

Блок обработки данных

Блок управления

ФПУ

Объект

Лазер

Рис. 2. Структурная схема лазерной системы видения Исторически первыми были разра ботаны лазерные системы с непрерыв ным режимом излучения, однако впо следствии они были вытеснены систе мами, работающими в импульсном режиме, поскольку в условиях много образия помех естественного и искус ственного происхождения импульс ный режим измерений обладает на илучшей точностью показаний и надёжностью. Импульсный метод основан на изме рении времени прохождения tз им пульса излучения лазера до цели и об ратно (см. рис. 3): ,

(1)

где с = 3 × 108 м/с – скорость света в ва кууме. Точность импульсных дально меров обычно составляет от единиц до десятых долей метра. Достоинством импульсных систем является высокое отношение сиг нал/шум и возможность стробирова ния по дальности, т.е. вычисления ко ординат одного из нескольких опре делённых объектов, расположенных вдоль линии визирования. При этом система отображает только выбран ный объект с непосредственно окру жающим его участком пространства. Фазовый метод основан на измере нии разности фаз между опорным WWW.SOEL.RU

зондирующим и отражённым сигна лами. Фазовый метод широко исполь зуется в высокоточной дальнометрии. Основное уравнение фазовой дально метрии: ,

(2)

где λ – длина волны зондирующего из лучения; N – целое число; ϕ – измеряе мая разность фаз (0 < ϕ < 2π). Данный метод позволяет достичь точности из мерения в единицы миллиметров. Ос новной недостаток фазовых систем состоит в неоднозначности результа тов измерений. Неплохую точность демонстрирует метод статистического накопления [4], когда диапазон измеряемых дальнос

Зондирующий сигнал Отраженный сигнал 2D t3 = ___ c

Рис. 3. Принцип импульсного метода измерения дальности

вания в условиях, когда телекамеры видимого и ИК диапазонов уже не применимы. Структурная схема ла зерной системы видения представле на на рисунке 2. Лазерные системы видения бывают трёх типов. В системе первого типа лазерный источник излучает в узком угле, а приёмник имеет широкую диа грамму направленности. Изображе ние формируется последовательным сканированием предметной области в пределах поля обзора. Фотопри ёмное устройство (ФПУ) регистри рует непрерывный сигнал, моду лированный по интенсивности в соответствии с пространственным распределением коэффициента от ражения. Такая система имеет прос тую конструкцию и малую вероят ность ложной тревоги. Недостатком системы первого типа является низ кое отношение сигнал/шум. В системе второго типа излучатель и приёмник имеют одинаковую, уз кую диаграмму направленности. Ди аграмма приёмника перемещается в пространстве синхронно с зондиру ющим лучом, что обеспечивает высо кое отношение сигнал/шум. Недо статками системы второго типа явля ются угловое рассогласование между диаграммами направленности при резком изменении расстояния до объекта наблюдения и сложность конструкции. В системе третьего типа лазер излу чает в широком угле, но используется многоэлементный приёмник, напри мер ПЗС матрица; сканирование отсут ствует. Такие системы эффективны при использовании стробирования по дальности (пространственной селек ции). В зависимости от обстановки, система может работать в различных режимах: при достаточном уровне ес тественной освещённости поиск и об наружение объекта может осущест вляться без его подсветки, а опозна вание объекта и определение его координат производится с лазерной подсветкой. Лазерные системы, определяющие координаты и скорости, а также поз воляющие получать двумерное или трёхмерное (3D) изображение объ екта, называются лидарами (от англ. lidar, light detection and ranging) или ладарами (от англ. ladar, laser detec tion and ranging). Они представляют собой полноценные оптические ло каторы.

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Опорно поворотное устройство

Лазер ЦЭВМ Измеритель временных интервалов ФПУ

Выдача информации

Рис. 4. Структурная схема лазерного сканера

ЦЭВМ

Матричный приемник

Объект

Лазер

Выдача информации

Рис. 5. Структурная схема 3D Flash Ladar камеры тей ΔD разбивается на m равных ин тервалов: .

(3)

Все интервалы считаются статисти чески независимыми и рассматрива ются как каналы дальности, где проис ходит обработка (накопление) локаци онной информации. Считается, что измеряемый сигнал находится в одном из таких каналов. Производится мно гократное зондирование цели, регист рация принятого сигнала и шума с последующим суммированием сохра нённых результатов, после чего произ водится выдача информации о нали чии цели и расстоянии до неё. Точность измерений составляет около 1 м. Метод статистического накопления эффективен на больших дистанциях измерения, когда требуется высокая точность и приходится использовать зондирующие импульсы малой мощ ности. С одновременным увеличением максимальной дальности и точности производимых измерений значитель но возрастает количество каналов.

В системах с построением 2D изоб ражения реализуется угломерный спо соб измерений, основанный на извест ном размере объекта или его части. Дальность до объекта равна: ,

(4)

где b – базовое расстояние между дву мя точками на поверхности объекта (например, лазерными световозвраща телями), ω – угловой размер отрезка b в поле зрения системы. Точность данного способа ограни чена погрешностью определения дли ны b и углового разрешения прибора. Последняя величина зависит от дис кретности матрицы ФПУ и размера поля зрения его отдельных элементов. Недостатком этого способа является необходимость априорного знания точных размеров объекта или уста новка на него специальных приспо соблений для считывания т.н. репер ных точек. Двумерное изображение получают с помощью видеокамер с ПЗС матрицей. Для получения 3D изображения основ WWW.SOEL.RU

ным средством до недавнего времени являлся сканирующий лазерный даль номер или лазерный сканер. В скани рующих лазерных дальномерах узкий лазерный луч перемещается по угло вому рабочему полю с помощью меха нического устройства сканирования. В каждой точке сканирования выпол няется измерение дальности. Син хронно с лазерным лучом может пере мещаться и узкое поле зрения приём ника. Достоинством механического сканирования является его высокая по мехозащищённость. Структурная схе ма лазерного сканера представлена на рисунке 4. Альтернативой лазерному сканеру является 3D камера с лазерной под светкой (3D Flash Ladar) [5]. В таких ка мерах используется специальное мно гоэлементное ФПУ, каждый элемент которого может измерять расстояние до участка поверхности объекта. Фа ктически принцип работы такого лада ра является дальнейшим развитием импульсного метода – измеряется вре мя прохождения зондирующего им пульса до цели и обратно. Схема 3D камеры с лазерной под светкой представлена на рисунке 5. Получение первичных 3D изображе ний требует значительно меньшей об рабатывающей мощности, чем требу ется для обработки изображений, полученных с помощью систем сте реотелевидения. К тому же использу ется только один приёмник излуче ния. Дальность действия такой систе мы будет ограничена разрешающей способностью ФПУ, а эффективность использования – несколькими десят ками метров. При условии увеличения поля зре ния или применения механического сканирования, 3D камеры наиболее перспективны для управления движе нием и навигацией мобильных робо тов в заранее неизвестной обстанов ке [6].

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Для получения коротких мощных импульсов, используемых в лазерных системах, применяются твердотель ные лазеры (ТТЛ), работающие в ре жиме модуляции добротности, и по лупроводниковые инжекционные ла зеры. Используемые в лазерных системах источники излучения отличаются тем, что работают преимущественно в ближней ИК области (0,81…1,5 мкм). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Объект

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

получить мощные импульсы излуче ния с частотами повторения, доста точными для проведения измерений. Наиболее распространены неодимо вые ТТЛ, излучающие на длине вол ны 1,06 мкм. Повышение энергетической эф фективности ТТЛ является достаточ но актуальным. Накачка ТТЛ может осуществляться посредством разряд ной лампы, наполненной инертным газом, или с помощью ЛД. Свет от мощной некогерентной лампы с по мощью соответствующей оптичес кой системы передаётся активной среде (АС). Для накачки импульсных лазеров используется ксеноновая лампа. Традиционно используемые газораз рядные лампы имеют спектр излуче ния в десятки раз шире линий спектра поглощения АС (см. рис. 6). Соответ ственно, доля мощности, поглощаемой уровнями накачки, достаточно низкая, и большая часть излучаемой мощнос ти рассеивается в виде тепла. В резуль тате КПД лазера обычно составляет несколько процентов. Кроме того, из лучение газоразрядных ламп плохо

фокусируется, им требуются высокое напряжение питания и принудитель ное охлаждение. Из за большого энергопотребления мощные импульсы накачки могут вы звать перебои в системе бортового пи тания. Таким образом, мощность из лучения лазера ограничена энергети кой питающих его устройств, что в свою очередь обусловливает введение ограничений на применение лазер ной системы в дежурном и рабочих режимах. Это снижает эффективность системы управления и делает необхо димым совершенствование компонент ной базы. В 1990 х годах стали получать боль шое распространение ТТЛ с т.н. по лупроводниковой (диодной) накач кой (ППН). Главное их отличие за ключается в том, что для оптической накачки используются лазерные дио ды, которые излучают свет именно той длины волны, которая необходи ма для генерации лазерного излуче ния кристаллом ТТЛ. Согласование спектра излучения ЛД со спектром поглощения АС представлено на ри сунке 7.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Это обусловлено резким снижением мощности отражённого сигнала с рас стоянием до цели на фоне световых помех от естественных и искусствен ных источников в видимой области излучения. Для этой области оптичес кого излучения можно использовать серийно выпускаемые компоненты аппаратуры. Преимуществами полупроводнико вых лазерных диодов (ЛД) является вы сокое значение КПД (до 50%), просто та и надёжность в сочетании с малыми размерами и весом. Важным достоин ством полупроводниковых ЛД являет ся возможность осуществления моду ляции их излучения путём изменения тока накачки в диапазоне частот до единиц гигагерц. Недостатки заключа ются в ограниченной мощности им пульса (сотни ватт) и низком качестве выходного излучения. Для получения необходимых характеристик излуче ния приходится использовать набор из нескольких ЛД и дополнительную оптику. Твердотельные лазеры, широко ис пользуемые в лазерной дальномет рии и лазерной локации, позволяют

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

400

500

600

700

800

900

λ,нм

Рис. 6. Согласование спектров поглощения неодимовой АС и излучения ксеноновой лампы накачки

Спектр поглощения АС Спектр излучения ЛД

700

750

800

850

900 λ,нм

Рис. 7. Согласование спектров поглощения неодимовой АС и излучения ЛД Бортовая система управления Пульт оператора

ЦЭВM

Аппаратура навигационных измерений ACH

Телекамеры

Радиотехническая система Система с лазерной подсветкой

Рис. 8. Структурная схема системы управления транспортным средством или роботом Лазерные диоды имеют более вы сокий КПД, их излучение малоинер ционно, легко модулируется током накачки, имеет направленную струк туру. Через управление накачкой можно точно и эффективно воздей ствовать на выходные параметры лазера, не внося изменений в его конструкцию. Время включения ла зерного диода значительно меньше

характерной длительности накачки, поэтому форма импульса накачки близка к прямоугольной, что позволя ет эффективно использовать подво димую энергию. У газоразрядной лампы импульс на качки имеет форму колокола, задний фронт которого обычно следует после излучения импульса генерации, следо вательно, его энергия не используется. Поэтому эффективность использова ния ламповой накачки составляет мак симум 25…30%, а эффективность ис пользования накачки посредством ЛД достигает 80…90% [7]. При использовании ЛД для накачки АС твердотельного лазера могут быть реализованы две схемы накачки: по перечная и продольная (торцевая). При поперечной накачке линейки ЛД располагаются вдоль боковой по верхности АС и излучение накачки распространяется перпендикулярно направлению генерации. Преимуще ство такой схемы заключается в повы шении мощности стимулированного излучения [8]. Основными достоинствами торце вой схемы ввода излучения накачки в АС являются высокая эффектив ность использования излучения ЛД и возможность обеспечения одномо довой генерации путём простран ственного согласования пучков на качки и излучения. Эффективность торцевой схемы накачки может до стигать 34% [9]. Поскольку излучение лазерного диода имеет существенную расходи мость в двух перпендикулярных плос костях (в среднем 10° × 40°), необходи мо использовать оптическую систему, обеспечивающую согласование све тового потока накачки и поглощаю щего объёма АС. Из за относительно высокой дифракционной расходи мости излучения ЛД основные преи мущества полупроводниковой накач ки могут быть эффективно реализо ваны только в лазерах с размерами АС порядка 1…6 мм. Благодаря современным технологи ям, габариты и вес электронных бло ков лазерных систем стали очень ма лы по сравнению с параметрами опти ческих и механических компонентов. Поэтому первостепенной задачей ста новится уменьшение массогабарит ных характеристик последних. Это может быть осуществлено с использо ванием миниатюрных источников из лучения на основе ТТЛ ППН. Их высо WWW.SOEL.RU

кая энергетическая эффективность позволяет создавать компактные ав тономные конструкции с батарейным питанием. В то же время стоимость лампы на качки значительно меньше стоимос ти диодного модуля накачки. ТТЛ с ламповой накачкой, несмотря на низ кий КПД, за счёт высокой мощности накачки может обеспечить большую мощность выходного излучения, что позволит лазерной системе конкури ровать по дальности действия с ради отехническими системами. Выбор ламповой накачки определяется кон кретными требованиями к лазерной системе. Использование в качестве источни ков излучения наборов из нескольких полупроводниковых ЛД позволит до стигнуть дальности действия системы до 10 км; использование ТТЛ ППН поз волит увеличить расстояние до не скольких десятков километров. В общем случае предпочтительным является использование на борту по лупроводниковых ЛД или ТТЛ ППН. Возможен вариант исполнения аппа ратуры, в состав которой входят раз личные типы излучателей, предназна ченные для измерений в нескольких диапазонах дальности.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ Обнаружение объекта узким полем излучения является сложной задачей для лазерной системы. Для поиска объ екта приходится увеличивать расходи мость луча, что закономерно приводит к снижению дальности обнаружения. Скорость обнаружения определяется размером поля поиска и величиной расходимости луча. В этой связи опти мальным решением представляется поиск объекта по данным предвари тельного целеуказания от других бор товых средств (радиотехнических, аппаратуры спутниковой навигации, телевизионных и тепловизионных ка мер). Как в процессе функционирования системы автоматического управления, так и в работе оператора автоматизи рованной системы управления, мно гие проблемы возникают вследствие естественной низкой различимости целей на оптическом изображении при высоком уровне помех. Значитель ную роль в снижении характеристик обнаружения играют также шумовые СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Спектр излучения ксеноновой лампы накачки

Спектр поглощения АС

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

компоненты сигналов, образующиеся из за особенностей применяемых дат чиков и неидеальности каналов пере дачи данных. Решением этих проблем является совместное использование измерительных средств различного типа [10]. Общий принцип построения сис темы управления мобильным объек том заключается в обеспечении функ циоального и аппаратного резерви рования для всех этапов движения. Функциональное резервирование осу ществляется с помощью систем и при боров, основанных на различных фи зических принципах или приборах разных производителей. Таким образом, в систему управле ния транспортным средством или ро ботом должна входить разнообразная аппаратура, обеспечивающая ориен тацию и наведение на различных участках движения и дистанциях до объекта (см. рис. 8). Следует отметить, что, в зависимости от типа транспорт ного средства или робота, количество размещаемого на борту оборудования может быть ограничено. При его вы боре следует исходить из принципа це лесообразности.

Если в зоне работы лазерной систе мы могут находиться транспортные средства с экипажем или обслужива ющий персонал, то следует обеспечить безопасность её излучения для орга нов зрения, что часто обеспечивается переходом на длину волны излучения 1,5 мкм, которое поглощается при про хождении через глазную среду и не фо кусируется на сетчатку. Для получения такого излучения могут быть исполь зованы ЛД на основе InGaAsP, ТТЛ ППН на эрбиевом cтекле или неодимовые ТТЛ ППН с преобразованием длины волны излучения.

активной безопасности. Ч.7. Активные ИК системы: лидары, системы ночного видения, 3D камеры. Компоненты и тех нологии. 2007. № 4. С. 19–26. 6. Pedersen L., Han C.S., Vitus M.P. Dark Naviga tion: Sensing and Rover Navigation in Per manently Shadowed Lunar Craters. In the 9th Intern. Symp. on Artificial Intelligence. Robotics and Automation in Space. Los Ange les, CA, 2008. February. 7. Шестаков А. Активные элементы твер дотельных лазеров с полупроводни ковой накачкой. Фотоника. 2007. № 5. С. 30–32. 8. Абазадзе А.Ю., Зверев Г.М., Колбацков Ю.М. Эффективность поперечной накачки

ЛИТЕРАТУРА

импульсного твердотельного лазера на

1. Молебный В.В. Оптико локационные сис

Nd:YAG линейками лазерных диодов.

темы. Машиностроение, 1981. 2. Аспис Л.А., Васильев В.П., Волконский В.Б. и др. Лазерная дальнометрия. Радио и связь,

Квантовая электроника. 2002. Т. 32. С. 205–209. 9. Дрякин Е.В., Бугаев Ю.Н., Кулешов В.Н. Мо делирование твердотельного лазера с по

1995. 3. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. МГУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 4. Вильнер В., Ларюшин А., Рудь Е. Оценка воз

лупроводниковой накачкой для систем траекторных измерений. Вестник МЭИ. 2001. Т. 4. С. 57–65.

можностей светолокационного импульс

10. Желтов С.Ю., Визильтер Ю.В. Перспек

ного измерителя дальности с накоплени

тивы интеллектуализации систем управ

ем. Фотоника. 2007. № 6. С. 22–26.

ления ЛА за счёт применения технологий

5. Сысоева С. Актуальные технологии и при менения датчиков автомобильных систем

машинного зрения. Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № 4. С. 164–181.

Новости мира News of the World Новости мира

Консорциум WirelessHD, занимающий ся продвижением на рынок одноимённой технологии беспроводной связи, заявил о доступности новой версии специфика ции WirelessHD 1.1. Напомним, её анонс состоялся ещё в январе на выставке Consumer Electronics Show 2010 в Лас Вегасе. Организация WirelessHD называет своё детище технологией связи следую щего поколения. Среди особенностей стандарта версии 1.1 поддержка 3DTV, HDCP 2.0, а также возможность переда чи данных по беспроводному каналу на скоростях свыше 10 Гбит/с. Как отмеча ется, устройства, поддерживающие Wire lessHD 1.1, будут обратно совместимыми с предыдущей версией спецификации WirelessHD 1.0. Среди ключевых отличий новой версии стоит выделить: ● оптимизированную архитектуру, кото рая обеспечивает передачу аудио /ви деопотоков и файлов на высоких ско ростях при минимальном напряжении питания; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

скорость передачи данных 10–28 Гбит/с (в версии 1.0 – до 4 Гбит/с), что отвеча ет требованиям будущего по передаче видео с более высоким качеством и больших объёмов данных; ● 3D over WirelessHD – определение фор матов 3D и разрешений видео для Wire lessHD совместимых устройств; ● поддержку так называемого разреше ния 4K – в четыре раза более высокого по сравнению с Full HD 1080p; ● поддержку WPAN Data; ● поддержку портативных устройств – WirelessHD теперь обеспечивает воз можность работы с потоками видео без потерь для маломощных устройств, включая карманные проигрыватели, нетбуки и смартфоны; ● в дополнение к механизму шифрования DTCP добавлена поддержка HDCP 2.0 over WirelessHD. WirelessHD на сегодня остаётся един ственной технологией беспроводной свя зи, обеспечивающей передачу несжатых потоков высококачественного контента аудио/видео в 60 ГГц диапазоне. Консор циум WirelessHD, основанный в 2006 г., уже включает более 45 членов, включая ●

WWW.SOEL.RU

Broadcom, Intel, LG Electronics, Pana sonic, Royal Philips Electronics, NEC, Sam sung Electronics, Sony, Toshiba, Hitachi, Olympus, Sharp Electronics, VIZIO, TDK, Yamaha. http://www.wirelesshd.org/

Hitachi Maxell: новый мировой рекорд по плотности записи на магнитную ленту Японские исследователи из Hitachi Maxell в сотрудничестве с учёными из Токийского технологического института (Tokyo Institute of Technology) заявили о достижении нового рекорда плотности записи на магнитную поверхность. Бла годаря использованию сверхтонкой лен ты, специально разработанной в институ те, учёным удалось достичь плотности записи 45 Гб на квадратный дюйм. Ис следователи заявляют, что картриджи, созданные с использованием новой лен ты, смогут вместить до 50 Тб данных. Сроки внедрения технологии в промыш ленное производство на данный момент неизвестны. http://www.maxell.co.jp/

WirelessHD 1.1: до 28 Гбит/с без проводов

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Цифровая камера миссии «ЧИБИС М» Андрей Бондаренко, Игорь Докучаев, Владимир Котцов (Москва)

ВВЕДЕНИЕ В последние десятилетия в атмо сфере Земли был зарегистрирован це лый ряд новых физических атмо сферных явлений, в корне изменив ших наше представление о грозовых разрядах: ● с космических обсерваторий RHESSI и COMPTON были зарегистрирова ны идущие от Земли импульсы гам ма излучения с энергией в десятки килоджоулей. Установлена их прост ранственная и временная корреля

Рис. 1. Фотография грозового атмосферного разряда

Рис. 2. Фотоснимок грозового атмосферного разряда, сделанный с борта МКС

ция с радиоизлучением высотных молний; ● зарегистрирована генерация корот ких (∼1 мкс) одиночных разрядов, приводящих к излучению радиоим пульсов сверхвысокой мощности в грозовых облаках на больших высо тах (13…20 км); ● в наземных наблюдениях исследо ваны вспышки гамма излучения, ас социированные с грозовым электри ческим полем [1]. Молния представляет собой мощ ный электрический разряд, который происходит в нижних слоях атмосфе ры (см. рис. 1). Для появления такого разряда необходимо, чтобы в обклад ках атмосферного конденсатора, об разованного облаками и земной по верхностью, накопилась значительная разность потенциалов. Считается, что молния возникает как пробой при до стижении некоторого порогового зна чения. Специалисты отмечают в этой тео рии одно слабое место – расчётное значение порогового поля на поря док превосходит то, которое реально наблюдают при грозовых разрядах. А.В. Гуревич и его коллеги из Физи ческого института им. П.М. Лебедева РАН (ФИАН) считают, что процесс разряда запускают высокоэнергети ческие частицы космического из лучения. Они назвали его пробоем на убегающих электронах, который представляет собой лавинообразное размножение быстрых электронов с характерной энергией 0,1…10 МэВ. В атмосфере он возникает в постоян ном электрическом поле, которое на порядок меньше обычного. По резуль татам наблюдений гамма всплесков во время грозы была выдвинута гипо теза, что при возникновении молний выделяется большое количество гам WWW.SOEL.RU

ма квантов. Экспериментальная про верка этих гипотез представляет до статочно сложную задачу, которая требует наблюдения за процессами образования молний и определения синхронности возникновения собы тий [1]. На российских географических широтах гроза – явление относи тельно редкое. Наиболее часто грозы возникают в экваториальной облас ти Земли. Эффективное изучение этих явлений возможно с космичес ких аппаратов. На рисунке 2 показан пример фотоснимка грозового ат мосферного разряда, сделанного с борта МКС. На снимке хорошо видна вспышка грозового разряда, однако для решения нашей задачи требуется проведение более сложного комп лекса взаимосвязанных наблюде ний.

НАУЧНАЯ АППАРАТУРА Для исследования грозовых атмо сферных процессов был разработан уникальный комплекс научной ап паратуры (КНА «Гроза», грант РФФИ 06 02 08076 офи), размещённый на микроспутниковой платформе «Чи бис М». Сам микроспутник разрабо тан в Специальном конструкторском бюро космического приборострое ния ИКИ РАН. В состав КНА «Гроза» входят при боры: ● рентген гамма детектор на диапазон 50…500 КэВ; ● ультрафиолетовый детектор на диа пазон 300…450 нм; ● радиочастотный анализатор на диа пазон 20…50 МГц; ● цифровая фотокамера (ЦФК) опти ческого диапазона с пространствен ным разрешением 300 м; ● магнитно волновой комплекс с про цессором спектрального анализа, индукционным магнетометром, вол новым зондом и феррозондовым магнитометром; ● блок накопления данных; ● передатчик научной информа ции [2].

ЦИФРОВАЯ КАМЕРА Входящая в состав КНА «Гроза» цифровая камера, разработанная СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

В статье приводится описание бортовой цифровой фотокамеры для регистрации и изучения новых физических механизмов в грозовых атмосферных разрядах. Камера входит в состав комплекса научной аппаратуры «Гроза», размещённой на микроспутниковой платформе «Чибис#М». Съёмка выполняется в кольцевом цикле наблюдения с обработкой, отбором и запоминанием грозовых вспышек в автоматическом режиме, по синхронизации от приборов электромагнитной регистрации событий.

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Флэш память 1G х 16

SDRAM BANK 0/3 4 х 4М х 16

ПЗС матрица KAI 1020M 1000 x 1000

ДКВ 12 дБ

VGA 0…6 дБ

АЦП 12 бит 40 МГц

Видеопроцессор Контроллер SDRAM

Кварцевый тактовый генератор Драйверы управления затвором и считыванием ПЗС матрици

Программируемый генератор

Регистры режимов управления и синхронизации

DSP FIFO

Подсистема вывода изображения

Дешифратор команд и данных

Датчик температуры Блок фильтров и вторичного питания 1,2, 2,5, 3,0, 3,3, 5, +/– 9, +15 В

Система внешнего запуска

Контроллер интерфейса LVDS

Интерфейс мCAN 2B PHI

Рис. 3. Структурная схема фотокамеры

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦФК Структурная схема фотокамеры показана на рисунке 3; она даёт представление о составе блоков, ха рактере их взаимодействия и степе ни сложности рассматриваемого уст ройства. Для формирования изображения в фотокамере используется объектив «Астрар 6» с фокусным расстоянием 18 мм и угловым полем зрения 30 град. Разрешение объектива при контрасте 70% и относительном отверстии 1/2 составляет не менее 70 пар линий/мм. Для повышения информативности спектральная характеристика камеры

WWW.SOEL.RU

ограничена селено кадмиевым свето фильтром типа ЖС или ОС. Фотоприёмное устройство камеры (см. рис. 4) выполнено на ПЗС матрице типа Kodak KAI 1020M, 12 разрядном АЦП с входным процессором сигнала и ОЗУ объёмом 4М × 16 бит. Для запо минания кадров используется флэш память объёмом 128 Мб. ЦФК работает от бортового источника электропита ния постоянного тока с напряжением 12 В и гальванической развязкой, по требляемая мощность составляет не более 5 Вт. Обмен данными и управление осу ществляется по интерфейсу CAN 2B

совместно ООО «РАСТР Техноло джи» (разработка электроники и программного обеспечения) и ИКИ РАН (разработка конструкции, сбор ка, испытания), предназначена для изучения новых физических меха низмов в грозовых атмосферных разрядах. Представленная камера – достаточно сложное электронное устройство, которое должно вести постоянное наблюдение, выделять и фиксировать вспышки молний, определять их координаты и, что са мое главное, идентифицировать их с одновременно наблюдаемыми фи зическими явлениями. Для этого ЦФК должна выполнять съёмку в кольцевом цикле наблюдения с об работкой, отбором и запоминанием грозовых вспышек по синхрониза ции от приборов электромагнитной регистрации одновременных собы тий. Цифровая фотокамера представля ет собой устройство для получения полутоновых высококачественных изображений со встроенным видео процессором реального времени. Реа лизованный на ПЛИС ЦПОС способен выполнять различные функции обра ботки видеоинформации и телемет рии [4]. Собственно фотокамера содержит входную оптику, блок фотоприёмни ка на ПЗС матрице, ЦПОС, блок запо минания изображений, интерфейсы обмена данными и управления с резер вированием, блок вторичного элек тропитания.

12 бит входные данные

DSP SDRAM BANK 0 … 3 Сигнал определения вспышки. Команда записи кадра во флэш память. Конвейерная DSP обработка Алгебраические и логические операции, алгоритм выделения вспышки молнии. Детектор вспышек. Стробы.

FLASH 1G x 16 Флэш память

Дешифратор команд • Установка порогов, • Выбор функции и режима, • Загрузка профиля настроек, • Привязка к СЕВ?

Интерфейс CAN 2B PHY

Подсистема вывода изображений

Подсистема внешнего запуска

Рис. 4. Аппаратная реализация фотокамеры (скорость до 1 Мбит/с). Для фикса ции событий от внешнего запуска ис пользуется интерфейс LVDS. Камера включается и выключается подачей либо снятием питания от бортовой сети 12 В. Изображение, полученное c ПЗС мат рицы (при формате кадра 1024 × × 1024 пикселя и глубине 16 бит), имеет пространственное разрешение 1000 × × 1000 элементов с 12 битным разре шением по яркости (4096 градаций от тенков серого) и частотой кадров в се кунду не менее 12 (используется один видеоканал). Использование режима объедине ния пикселей (биннинга) позволяет увеличить чувствительность матри цы в два раза при соответствующем снижении пространственного раз решения. В режиме биннинга 1 × 2 (2 × 2) разрешение матрицы состав ляет 1024 × 512 (512 × 512) пикселей с частотой не менее 24 кадров/с. Ис пользование 12 разрядного АЦП позволяет повышать контрастность изображений в 2, 4 и 8 раз за счёт таблиц перекодировки LUT и наст роек АЦП [3].

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ За основу изучения физических ме ханизмов в грозовых атмосферных раз рядах могут быть взяты алгоритмы об работки изображений в реальном масштабе времени, которые реализова ны ранее для решения подобных задач в цифровых видеосистемах и вычисли теле RT 106MX, разработанных коллек тивом ООО «РАСТР Технолоджи» [5]. Для обнаружения вспышки грозо вого атмосферного разряда можно

использовать алгоритм анализа по следовательности из трёх кадров и де тектор движения. Анализируется по следовательность кадров (Fi–1, Fi, Fi+1) и пороговый уровень сигнала P, кото рый задаётся бортовым вычислитель ным комплексом (БВК) и может изме няться в зависимости от факторов окружающей среды. Аппаратно про веряется условие: если разность кад ров (Fi – Fi 1 – P > 0) & (Fi+1 – Fi – P < 0), то принимается решение о наличии вспышки (импульса). Для регистрации вспышек молний используется известный и отработан ный авторами алгоритм детектора движения. Кадр изображения делится на три прямоугольных сектора (стро ба) по вертикали. Строб на изображе нии может быть выделен пунктирной линией; в каждом стробе, заданном прямоугольной областью кадра изоб ражения, производятся статистичес кие измерения. Затем для каждого строба вычисляется свой порог пре вышения. Аппаратно может быть выполнен следующий анализ изображения: ● определение минимального и мак симального значения пикселя внут ри строба статистики за время ввода одного кадра; ● определение количества пикселей, превышающих заданный порог об наружения; ● интервал разности значений одина ково расположенных пикселей в двух кадрах изображения – текущем и эталонном. Полученная информация позволя ет изучать динамику изменения изоб ражения в определённом простран ственном направлении, проводить WWW.SOEL.RU

селекцию статических и динамичес ких изображений. Интервал разности сравниваемых значений яркости – порог обнаруже ния – задаётся БВК по модулю в одном из регистров ЦФК. В качестве эталон ного может использоваться предыду щий кадр изображения или любой кадр из потока, записанный в банк ЦПОС. В результате работы алгорит ма по импульсу превышения происхо дит запись изображения с грозовой вспышкой во флэш память камеры. При плохом качестве изображения (малом отношении сигнал/шум) мож но применить рекурсивные методы обработки видеоинформации. Конструкция цифровой фотокамеры выдерживает вибрационные механи ческие нагрузки при выводе на орбиту контейнера с микроспутником транс портным кораблём «Прогресс», а эле менты устройства обеспечивают надёж ное длительное функционирование в условиях околоземного космического пространства. Аналогичная по своим параметрам камера, прошедшая все испытания, но с интерфейсом RS 422, установлена на манипуляторе грунтоза борного комплекса космического ко рабля проекта «Фобос Грунт» [6].

ЛИТЕРАТУРА 1. Миссия «Чибис М». Сборник трудов вы ездного семинара. Под ред. Р.Р. Назирова. Таруса, 2009. 2. Гуревич А.В., Зелёный Л.М., Климов С.И. Научные задачи миссии «Чибис М». Сбор ник трудов выездного семинара. Под ред. Р.Р. Назирова. Таруса, 2009. 3. Бондаренко А.В., Докучаев И. В., Князев М.Г. Расчёт пороговых значений потока излу чений и освещённости для ПЗС матриц Kodak KAI 1003M, KAI 1020M и Philips FTF 3020M. CCTV focus. 2006. № 4. С. 24. 4. Бондаренко А.В., Докучаев И. В., Князев М.Г. Телевизионная видеокамера с цифровой обработкой в реальном времени. Совре менная электроника. 2006. № 3. С. 50. 5. Техническая документация на цифровые ПЗС камеры и программное обеспече ние. ООО «РАСТР Технолоджи». 2010. www.rastr.net. 6. Бондаренко А.В., Докучаев И.В., Кораблёв О.И., Киселёв А.Б., Козлов О.Е., Котцов В.А., Бибринг Ж.*П., Фурмонд Ж.Ж.. Телевизи онные системы манипуляторного комп лекса проекта «Фобос Грунт». Сб. тр. Все российской научно технической конф. «Современные проблемы определения ориентации и навигации КА». Россия, Та руса, 22–25 сентября 2008 г. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Строб

Система настройки на оптимальный динамический диапазон АЦП, поиск min & max, обработка гистограммы, улучшение контраста

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Новости мира News of the World Новости мира

Экспериментальные исследования кван товых вычислений показали, что одна единственная молекула теоретически спо собна обрабатывать информацию со ско ростью, в тысячу раз превышающую скорость вычислений современных компью теров. Статья японских исследователей, опуб ликованная в майском номере авторитет ного журнала Physical Review Letters, по священа экспериментальной проверке и подтверждению возможности проведения вычислений при помощи единственной мо лекулы йода. Учёные столь необычный вы числительный инструмент применили для проведения дискретного преобразования Фурье, алгоритма, часто применяющегося для анализа и обработки сигналов опреде лённого типа. Например, дискретное пре образование Фурье лежит в основе алго ритмов сжатия музыки (MP3 формат) и изображений (JPEG формат). Несмотря на тот факт, что обработка ин формации при помощи молекулы йода характеризуется чрезвычайно высокой скоростью, особенных дивидендов IT индуст рии это пока не принесёт. Хотя эксперимен ты доказывают теоретическую возмож ность проведения такого рода вычислений, методика манипулирования одной молеку лой пока остаётся чрезвычайно сложной и требует применения научного дорогостоя щего оборудования. Для управления моле кулой японские учёные использовали фем тосекундный лазер. Пока неясно, каким образом на основе молекулярного процес сора собрать единую вычислительную сис тему наподобие современного персональ ного компьютера. Тем не менее, учёным удалось показать, что молекулу вполне можно использовать в качестве инструмента для обработки информации. Благодаря очевидным преи муществам перед современными процес сорами и микроконтроллерами, можно га рантировать, что интерес к этой теме со стороны учёных и исследователей обеспе чен на несколько лет вперёд. http://www.sciencedaily.com/

Специалисты Fraunhofer создали 3D, не требующее очков Как вы думаете, что можно считать вершиной 3D изображения? Специалис ты из Fraunhofer уверены, что это – отсут ствие необходимости надевать специаль СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ные очки. Они смогли достичь этого, правда, пока лишь для статичных изобра жений. Исследовательское объединение пред ставило технологию, которую рассчитывает применять для создания трёхмерных рек ламных постеров. Они состоят из 250 тыс. линз диаметром 2 мм каждая, вмонтиро ванных в рифлёный лист. Конечно, сама идея далеко не нова, но Fraunhofer обеща ет, что возросшая точность при создании поверхностей позволит добиться более ка чественной визуализации. Эффект трёх мерности можно будет наблюдать на пяти метровых постерах с противоположной стороны улицы. Выглядит разумным ис пользовать технологию для привлечения внимания потенциальных покупателей. Ведь подумайте – когда вы в последний раз подходили к рекламному плакату, что бы внимательней рассмотреть его? http://www.3dnews.ru

«Облачное» программирование – первый проект для наукограда в Сколкове Секретарь президиума комиссии по мо дернизации, помощник президента Арка дий Дворкович сообщил журналистам ре зультаты первого заседания комиссии, на котором обсуждались конкретные иннова ционные проекты для наукограда в Скол кове. Из пяти десятков поданных заявок одобрена была только одна – проект фон да Almaz Capital по созданию бизнес инку баторов в сфере «облачного» программи рования. Комиссия посчитала технологию «облачного» программирования достаточ но инновационной и перспективной для частичного государственного финансиро вания. Одобренный проект будет разви вать не только «облачное» программирова ние, но и ещё два перспективных направ ления: распознавание речи и технологии передачи трёхмерных изображений через Интернет. Для реализации проекта, бюджет кото рого оценивается в 900 млн. руб. (30… 35 млн. долл.), будет создан специальный WWW.SOEL.RU

фонд, в число учредителей которого вой дёт компания Almaz Capital, а также част ные инвесторы в лице управляющего парт нёра Almaz Capital Александра Галицкого и генерального директора компании Parallels Сергея Белоусова. Разработчики проекта надеются на то, что около половины бюд жета будет профинансировано государ ством. Кроме этого, в проект будут привле каться и сторонние инвестиции. К приме ру, одним из учредителей Almaz Capital является Европейский банк реконструкции и развития (ЕБРР), который тоже поддер живает проект «облачного» инкубатора, хотя о конкретных видах сотрудничества, по словам пресс секретаря ЕБРР Ричарда Уоллеса, речь пока не идёт.

Сразу же нашлись и сомневающиеся в перспективах проекта. Так, президент IT холдинга LETA Group Александр Чачава раскритиковал предложенную схему фи нансирования проекта. По его словам, инвестиционная схема, одобренная прези дентской комиссией, нетипична для биз несинкубаторов: в подобных случаях госу дарство либо полностью берёт на себя фи нансирование, либо предоставляет иные ресурсы в виде налоговых и таможенных льгот. Участие в венчурном проекте госу дарственного капитала на условиях 50% Чачава назвал нонсенсом. Саму суть проекта подверг критике за меститель гендиректора системного интег ратора «Крок» Руслан Заединов. По его словам, на Западе давно работают в сфе ре «облачного» программирования и соз давать какие то наработки с нуля, мягко говоря, экономически нецелесообразно. Кроме этого, несопоставимы и объёмы вложений: инвестиции IBM или HP в подоб ных решениях составляют миллиарды дол ларов, а проект Almaz Capital собирается «обойтись» 30 млн., ещё и разделёнными на три направления. Только адаптирование для российских потребителей уже имею щихся разработок на основе ПО с откры тым кодом Заединов считает приемлемым вариантом. http://www.vedomosti.com/

Молекула йода производительнее современного компьютера

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Об использовании двухтактного преобразователя с дросселем переменного тока в качестве сварочного инвертора В статье обсуждаются возможность и целесообразность использования двухтактного конвертера с дросселем переменного тока в качестве силовой части сварочного инвертора. Энергетические параметры такого преобразователя сравниваются с параметрами однотактного прямоходового мостового конвертера, часто применяемого в источниках сварочного тока инверторного типа.

Анализ схемотехники силовой части промышленных источников свароч ного тока инверторного типа (ИИСТ) позволяет утверждать, что наиболее применяемыми типами топологии си ловой части ИИСТ на сегодняшний день являются традиционный двух тактный конвертер мостового типа и однотактный прямоходовой мостовой конвертер (ОПМК), который часто на зывают «косой мост» [1]. Среди про дукции российских производителей + Vin VD1 VT1

С1

VT2

VD2

w2.1 w2.2

Lac

VD3

Т1

+ V0

VD4

С2

– Vin

Рис. 1. Полумостовой конвертер с дросселем переменного тока в цепи первичной обмотки + 0,5Vin VAB 0

ILac

– 0,5Vin avg

ILac

ILac 0

V Lac

0,5Vin + Vo 0,5Vin – Vo

– 0,5Vin + Vo – 0,5Vin – Vo

IVT1 + IVD1 0

IVT1

IVD1 IVD3

IVD4

Io 0 t0 t1

t2 t3

t4 t5

Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений в характерных точках КДПТ

ИИСТ встречаются сварочные инвер торы, силовая часть которых представ ляет собой двухтактный конвертер с дросселем переменного тока в цепи первичной или вторичной обмоток силового трансформатора. Конвертер с дросселем переменного тока (КДПТ) имеет «мягкую», падающую статичес кую вольтамперную характеристику (ВАХ), формируемую параметричес ким способом. В качестве примера ИИСТ с силовой частью, построенной на основе КДПТ, можно привести сва рочные инверторы ВД 160И У2 и ВД 200И У2 [2]. Действительно, целый ряд свойств КДПТ позволяет рассматривать эту то пологию в качестве возможного вари анта силовой части сварочного инвер тора. Падающая вольтамперная харак теристика такого преобразователя позволяет без применения каких либо обратных связей обеспечить ограни чение тока короткого замыкания в це пи нагрузки на приемлемом уровне. Одновременно с этим обеспечивается «естественное» ограничение тока сило вых транзисторов. Для регулирования тока нагрузки возможно использова ние как ШИМ, так и ЧИМ, причём по следний способ представляется более перспективным, так как позволяет регу лировать ток нагрузки при фиксиро ванном и максимально допустимом ко эффициенте заполнения импульсов управления силовыми ключами. Также представляется заманчивым избавить ся от дросселя постоянного тока, обяза тельно присутствующего на выходе «традиционных» конвертеров: мосто вого, ОПМК и других. Выходной дрос сель в составе ИИСТ всегда являлся од ним из наиболее габаритных и метал лоёмких элементов силовой части. WWW.SOEL.RU

Несмотря на перечисленные поло жительные качества КДПТ, среди ИИСТ зарубежных производителей автору не удалось обнаружить примеров свароч ных инверторов с использованием по добной топологии в силовой части. Возможно, применение этой тополо гии российскими производителями сварочных инверторов связано с на личием определённого опыта разра ботки и производства ключевых ис точников питания на основе КДПТ и естественным желанием распростра нить этот задел на разработку ИИСТ, сэкономив время и средства. Хотя та кой подход и является естественным, мы попытаемся оценить перспективы и целесообразность использования КДПТ в качестве силовой части свароч ного инвертора на основе анализа вир туальной модели КДПТ и публикаций по данной тематике. Чтобы полученные результаты бы ли более наглядными и полезными с практической точки зрения, а также в связи с тем, что силовая часть свароч ного инвертора ВД 160И представля ет собой полумостовой конвертер, рассмотрим полумостовой вариант КДПТ в сравнении с ОПМК, широко применяемым в качестве силовой части сварочных инверторов. Для определённости будем считать, что сравниваемые типы преобразовате лей представляют собой силовую часть сварочного инвертора, пред назначенного для ручной дуговой сварки штучным электродом диамет ром от 1,6 до 3 мм. Из этих условий следует, что диапазон регулирования сварочного тока должен составлять 30…150 А и допустимо питание от однофазной сети 220 В/50 Гц [3, 4]. Кратко рассмотрим электрические процессы, протекающие в полумосто вом КДПТ, схема которого показана на рисунке 1, используя при этом резуль таты работы [5]. Диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу конвертера, приведены на рисунке 2. Предположим, что все элементы схе мы идеальны, ёмкости С1, С2 и Со тако вы, что пульсациями напряжения на СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Сергей Петров (Красноярск)

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

них можно пренебречь, ток дросселя Lac безразрывный и коэффициент за полнения D = Dmax = 0,5, где

Выражение (3) можно представить в виде: .

(4)

Из (6) видно, что ток короткого за мыкания равен: .

(7)

, T – период рабочей частоты КДПТ, а ton – время проводящего состояния ключевого транзистора преобразова теля. Сопротивление нагрузки Ro – чисто активное. Обозначим через Vbus напряжение источника питания кон вертера, тогда для мостового конвер тера Vbus = Vin, для полумостового Vbus = = 0,5Vin. Коэффициент трансформации силового трансформатора положим равным N = 1. Обратимся к диаграммам на рисун ке 2. В момент времени t0 выключается транзистор VT2, полярность напряже ний на обмотках силового трансфор матора Т1 и дросселя Lac изменяется на противоположную, током дроссе ля Lac открывается диод VD1. Транзис тор VT1 включается, когда VD1 уже на ходится в проводящем состоянии, т.е. при нулевом напряжении между кол лектором и эмиттером. На интервале t0…t1 происходит сброс дросселем Lac

Поскольку для тока треугольной формы среднее значение равно поло вине от его амплитудной величины, для среднего тока нагрузки , приве дённого к первичной обмотке, можно записать: .

(5)

Из (5) получим выражение, описыва ющее нагрузочную характеристику КДПТ: ,

(6)

где V2 = VbusN – напряжение на вторич ной обмотке в отсутствии нагрузки, N = = w2/w1 – коэффициент трансформа ции, – приведённая к вторичной обмотке силового трансформатора Т1 индуктивность дросселя Lac, Vbus – на пряжение питания конвертера, IO – средний ток нагрузки. Средний ток дросселя Lac равен нулю.

В случае полумостового преобразо вателя эффективное напряжение пи тания составляет 0,5Vin, что необходи мо учитывать при расчётах по форму лам (6) и (7). Были исследованы [5] динамичес кие свойства КДПТ в малосигнальном приближении. Изучалось влияние воз мущений входного и выходного на пряжения, модуляции рабочей часто ты F на ток нагрузки. В низкочастот ной области конвертер ведёт себя как источник тока благодаря большому импедансу дросселя Lac, в том числе при медленных изменениях рабочей частоты. Эти свойства позволяют ис пользовать КДПТ в качестве зарядного устройства даже без обратной связи по току нагрузки. Динамические свойства конвертера в основном определяются полюсом, образованным Ro и Co. Исследование передаточных функций КДПТ пока зывает, что конвертер данного типа

накопленной в предыдущем такте энергии в источник питания. При t1 ток Lac снижается до нуля, диод VD1 закрывается, и ток, изменив направ ление, начинает течь через уже вклю ченный к этому моменту транзистор VT1. К моменту времени t2 ток в дрос селе Lac и транзисторе VT1 достигает значения: ,

(1)

где – напряжение на нагрузке, приведённое к первичной обмотке. В момент времени t2 транзистор VT1 выключается, диод VD2 открывается током дросселя Lac, включается тран зистор VT2 и все процессы повторя ются. По аналогии с (1) можно записать выражение для на интервале t2…t3:

(2)

(3)

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Из (1) и (2) с учётом того, что (t3 – t1) равно половине периода рабочей час тоты, получим:

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

V(F, I)

вается известным эмпирическим соот ношением:

VARC = 20 + 0,04IARC.

(9)

30 20 20

100

150

200

250 I

Рис. 3. Семейство ВАХ конвертера с дросселем переменного тока для F = 40, 80, 120, 160 и 200 кГц, полученное в среде Mathcad 2001i Все величины даны в единицах СИ представляет собой систему второго порядка с двумя вещественными по люсами, чем положительно отличает ся от прямоходового конвертера по нижающего типа, который также яв ляется системой второго порядка, но с двумя комплексными полюсами. По этой причине в случае КДПТ возмож но использование более простых ме тодов компенсации ФЧХ усилителя ошибки при замкнутой петле обрат ной связи. Можно показать, что в нагрузку из источника питания передаётся мак симальная мощность при таком зна чении тока нагрузки IO_PW, когда на пряжение на нагрузке VO составляет порядка 0,5V2. С достаточной для ин женерных расчётов точностью мож но считать, что при VO = 0,5V2, т.е. в «точке максимальной мощности», на статической ВАХ, выполняется соот ношение: IO_PW = 0,75IO_SC,

(8)

где IO_SC – среднее значение тока ко роткого замыкания. Зависимость на пряжения на дуге от тока дуги описы

С1 2mF

D1 G1 D2 X2 FULL_CM CMP

OUT1 GN1 FB OUT2 OUT3 OSC GN3 OUT4 GND SENSE

D11 G11 VD2 D31 G31 VD4

Очевидно, что прямая (9) должна пе ресекать ВАХ (6) вблизи «точки макси мальной мощности» при VARC ≈ 0,5V2 и IARC ≈ IO_PW. Предположим, что наиболее энерге тически выгодным способом регули рования тока нагрузки для КДПТ явля ется ЧИМ, т.е. изменение частоты пе реключения силовых транзисторов при неизменном и максимальном ко эффициенте заполнения. Зададим ис ходные параметры схемы, приведен ной на рис. 1: Vin = 300 В, N = 0,333 (3 : 1), Dmax = 0,5, Fmin = 40 кГц, , , V2 = 50 В. На основании формул (7) и (8) полу чим остальные параметры КДПТ: ин дуктивность дросселя Lac = 7 мкГн, = = 0,78 мкГн, = 200 А, = 40 A, Fmax = 200 кГц. На рисунке 3 показана расчётная нагрузочная характеристи ка КДПТ с полученными выше парамет рами, построенная средствами Mathcad 2001i Pro для нескольких значений F. Здесь становится очевидным первый недостаток преобразователей с частот ным регулированием – большая крат ность изменения рабочей частоты из за широкого диапазона изменения то ка нагрузки и, как следствие, проблемы с оптимизацией силового трансфор матора. Для дальнейшего исследова ния особенностей электрических про цессов, протекающих в конвертерах с дросселем переменного тока, восполь зуемся одной из популярных про грамм моделирования электрических схем – MicroCAP 9. Модель КДПТ в среде MicroCAP 9 с рассчитанными выше параметрами приведена на рисунке 4, где Lac – дрос сель переменного тока, формирующий

R1 0,1

IRG4PC50W_IR D1

R2 3k

G1 V1 300

R3 1m A R4 1m X4

D2 R5 3k

Lac 7uH D2

нагрузке получилось равным 24,7 В, ток короткого замыкания составил 203 А против расчётных 200 А. Харак терное отличие КДПТ от традицион ных преобразователей c LC фильтром на выходе – треугольная форма тока всех ключевых элементов. В результа те этого включение транзисторов происходит «мягко», в режиме нуле вого напряжения на ключе (далее – ZVS, zero voltage switching), а выклю чение – «жёсткое». Диоды выходного выпрямителя как включаются, так и выключаются «мягко» – в режиме при нулевом токе (далее – ZCS, zero current swit ching) . «Мягкая» коммутация явля ется положительным свойством КДПТ; кроме этого, конденсатор С6 большой ёмкости обеспечивает отсутствие ин дуктивных выбросов напряжения на диодах выходного выпрямителя.

R9 10

С2 100u R6 500k

HFA30PA60C_IR

статическую ВАХ конвертера, Х8 – «иде альный» трансформатор с индуктив ностью намагничивания L1 = 1500 мкГн (некая типичная величина для силовых трансформаторов ИИСТ, изготовлен ных с использованием сердечников ти поразмеров Е65/32/27 и Е70/33/32 фирмы EPCOS). Ёмкость конденсатора выходного фильтра С6 опытным путём выбрана минимально необходимой. Если модель на рисунке 4 рассмат ривать как возможный прототип ре ального устройства, то выбранный но минал С6 должен, с одной стороны, обеспечивать достаточно низкий уро вень пульсаций напряжения VO (в соот ветствии с условиями получения фор мулы (6)), с другой стороны, конден сатор С6 должен быть физически реализуем. На рисунке 5 приведены осцилло граммы характерных токов и напря жений, полученные на модели КДПТ при RO = 0,165 Ом, F = 40 кГц, D = 0,49, N = 0,333, Vin = 300 В и Lac = 7 мкГн. При токе нагрузки IO = 150 А напряжение на

R7 1m 1.5mH L1

R10 1m

MUR20040CT

X8 RATIO = 0.333 R11 1m

R8 1m C3 100u

C4 5n D3

R12 1m R13 10

Vrect

Rs 1m C6 2000u

Vout Ro 0,165

D4 MUR20040CT C5 5n

Рис. 4. Модель конвертера с дросселем переменного тока в среде MicroCAP 9

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

100,00

I(R3), A 9,725, 95,105

60,00 20,00 –20,00 –60,00

9,712, –91,775

–100,00 9,71 323,43 240,00

9,72

9,74

9,76

9,78

9,80 t, мс

9,76

9,78

9,80 t, мс

9,76

9,78

9,80 t, мс

U(Lac), V 9,715, 299,889

120,00 0,00

9,725, 233,166

–120,00 –240,00 9,71 500,00

9,737, –57,275

9,72

9,74

I(D4, D3), A 9,737, 287,654

400,00

9,75, 286,984

300,00 200,00 100,00 0,00 9,71

9,72

9,74

Рис. 5. Диаграммы токов и напряжений КДПТ, полученные на модели при Ro = 0,165 и токе нагрузки Io = 150 A (работа на номинальную нагрузку при максимальном токе) I(R3), A 100,00 100,00 50,00 0,00 –50,00 –100,00 –150,00 10,11 323,43 200,00

10,125, 133,348

10,137, –128,512 10,13

10,17

10,19

10,21 t, мс

10,17

10,19

10,21 t, мс

10,19

10,21 t, мс

U(Lac), V 10,137, 164,795

100,00 0,00

10,15, –160,424

–100,00 –200,00 10,11 500,00

10,15

10,13

10,15

I(D4, D3), A

400,00

10,137, 399,009

300,00

10,175, 404,002

200,00 100,00 0,00 10,11

10,13

10,15

10,17

На рисунке 6 приведены осцилло граммы, соответствующие работе КДПТ в режиме короткого замыкания в на грузке, который является штатным для сварочных инверторов. На рисунках 5 и 6 приняты следующие обозначения: I(R3) – ток транзистора Х3, V(Lac) – напряжение на дросселе переменного тока Lac, I(D3), I(D4) – токи диодов вы ходного выпрямителя. Как видно из рисунка 6, при коротком замыкании четверть периода дроссель Lac запаса ет энергию, а в течение следующей чет СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

верти периода возвращает всю накоп ленную энергию обратно в источник питания. Таким образом, в идеализированной ситуации преобразователь КДПТ не отбирает мощность от источника пи тания в режиме короткого замыкания. В реальном устройстве конвертер бу дет потреблять из питающей сети мощность, равную мощности потерь в элементах конвертера. Индуктивность рассеяния силовых трансформато ров с ферритовыми сердечниками WWW.SOEL.RU

Е65/32/27 и Е70/33/32 в составе сва рочных инверторов составляет поряд ка 5…20 мкГн и зависит в основном от геометрии и взаимного расположения обмоток трансформатора. Поэтому дроссель Lac не обязательно выполнять в виде отдельного моточного изделия; его можно реализовать в виде индук тивности рассеяния силового транс форматора. Необходимо отметить, что в этом случае мы получаем «плохой» трансформатор: увеличенная индук тивность рассеяния означает повы

Рис. 6. Диаграммы токов и напряжений КДПТ, полученные на модели при Ro = 0 и токе нагрузки Io_sc = 203 A (короткое замыкание)

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Vrect D1 G1

С1 300p R1 20k Vfb R2 2k NF

D11

X1 CMP

OUT1 GN1 FB OUT2 OUT3 IMAX GN3 OUT4 GND

G11

С2 2mF R3 0,1

IRG4PC50W_IR X2 D1

R12 1m

R8 1m R5 1m R6 1m

Rs 1m

MUR20040CT

RATIO = 0.333 R13 1m

1.5mH L1

Llk 7uH

Vout 50uH Ro 0,165

R9 1m

E1 17*ABS(V(Rs))

C3 5n

G1 V1 300

VD4

R7 500k

R4 3k

R11 10

D4 D1 HFA30PA60C_IR R10 3k

D4 MUR20040CT

R14 10

C4 5n

Рис. 7. Модель однотактного прямоходового мостового конвертера с обратной связью по среднему току нагрузки

69,96

I(R5), A 10,208, 51,745

50,00 25,00 0,00 10,19 400,00

10,21

10,23

10,25

10,28

10,30 t, мс

10,21

10,23

10,25

10,28

10,30 t, мс

10,25

10,28

10,30 t, мс

U(R7), V

300,00 200,00 100,00 0,00 10,19 200,00

I(D4, D3), A 10,242, 152,666

10.227, 151,082

150,00 100,00 50,00 0,00 10,19

10,21

10,23

шенную напряжённость полей рассея ния в окне магнитопровода, которые будут приводить к дополнительному нагреву обмоток. Для оценки полученных на модели КДПТ результатов сравним их с ре зультатами моделирования однотакт ного конвертера ОПМК в тех же усло виях. Модель ОПМК приведена на рисунке 7. Для получения сопостави мых результатов, в модели ОПМК по возможности использованы те же эле менты, что и в модели КДПТ. Дроссель L2 представляет собой выходной L фильтр. На практике индуктивность L2 выбирается в пределах 20…100 мкГн в зависимости от рабочей частоты ИИСТ, величины минимального тока нагрузки и стоимости сварочного ин вертора. Индуктивность Llk представляет со бой индуктивность рассеяния силово

го трансформатора, приведённую к первичной обмотке. Её величина на меренно выбрана равной Lac в модели КДПТ. Резистор Rs используется в ка честве токового шунта для измерения тока нагрузки и, совместно с функцио нальным генератором напряжения Е1, представляет собой гальванически развязанный датчик среднего тока на грузки, необходимый для организации обратной связи по току. Для коррек ции АЧХ усилителя ошибки ШИМ контроллера Х1 используется простей шая цепь R1C1R2. Резисторы с номи налом 1 мОм имитируют активные потери в схеме и улучшают сходи мость при обработке модели. На рисунке 8 показаны осцилло граммы токов и напряжений в харак терных точках схемы ОПМК при но минальной нагрузке Ro = 0,165 Ом и максимальном токе нагрузки Io = 150 A. WWW.SOEL.RU

На рисунке 9 показаны те же парамет ры при работе конвертера в режиме короткого замыкания. Сравнивая ре зультаты моделирования двух конвер теров, можно увидеть второй недо статок КДПТ: силовые транзисторы коммутируют ток, амплитудное зна чение которого вдвое превышает ана логичную величину в случае ОПМК при Ro = 0,165 Ом. При коротком за мыкании эта разница ещё более уве личивается вследствие треугольной формы тока в КДПТ. Включение тран зисторов ОПМК, так же, как и в случае КДПТ, происходит в режиме ZCS, а выключение – «жёсткое». В обоих преобразователях требуется применение демпфирующих цепей для снижения коммутационных по терь при выключении транзисторов. Диоды выходного выпрямителя ОПМК переключаются «жёстко», что приво СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 8. Диаграммы токов и напряжений ОПМК в характерных точках при Ro = 0,165 Ом и Io = 150 A

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

95,50

I(R5), A 9,676, 56,133

75,00 50,00 25,00 0,00 9,67 381,98

9,69

9,70

9,72

9,74

9,76 t, мс

9,70

9,72

9,74

9,76 t, мс

9,74

9,76 t, мс

U(R7), V 2,086u

300,00 200,00 100,00 0,00 9,67 200,00

9,69

I(D4, D3), A 9,726, 166,526

150,00

9,685, 159,018

100,00 50,00 0,00 9,67

9,69

9,70

9,72

Рис. 9. Диаграммы токов и напряжений ОПМК в характерных точках при Ro = 0 Ом и Io = 150 A дит к появлению достаточно сильных индуктивных выбросов напряжения на закрытых диодах. Для снижения этих выбросов используется стандарт ный метод – фиксирующие цепочки R11C3 и R14C4, которые сохранены и в

модели КДПТ, несмотря на отсутствие такой необходимости. Необходимо отметить, что, несмотря на ряд положительных и, на первый взгляд, перспективных свойств КДПТ, в своём базовом варианте (см. рис. 1)

данный тип конвертера практически непригоден для использования в каче стве сварочного источника тока. Это связано с наличием большой ёмкости Со на выходе преобразователя. В сва рочных инверторах если и использует

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

I(R3), A 74,90 50,00 25,00 0,00 –25,00 –50,00 –69,69 3,78

3,8, 57,761

3,787, –54,03

U(Lac), V 289,19 200,00 100,00 0,00 –100,00 –200,00 –300,00 3,78 120,00 250,00

I(D4, D3), A

3,80

3,82

3,84

3,86

3,88 t, мс

3,80

3,82

3,84

3,86

3,88 t, мс

3,86

3,88 t, мс

U(D3), V 3,8, 172,921

60,00 200,00

3,812, 172,926

0,00 150,00 –60,00 100,00 –120,00 –180,00

50,00 0,00 3,78

3,843, –147,441 3,80

3,82

3,84

ся ёмкость на выходе, то только в каче стве фиксирующей/демпфирующей цепи либо в целях помехоподавления, и она имеет величину до 0,1 мкФ. Нали чие большой ёмкости Со приведёт к неконтролируемому броску тока на грузки при замыкании сварочного электрода на деталь. В результате про изойдёт прилипание торца сварочно го электрода с последующим быстрым разогревом последнего, вплоть до раз рушения обмазки. С технической точки зрения, кон денсатор Со при практической реа лизации будет представлять собой батарею конденсаторов с высокока чественным диэлектриком, низкими потерями и максимально низким эк вивалентным последовательным со противлением, поскольку эффектив ный ток пульсаций Со сопоставим с током нагрузки. Массогабаритные па раметры и стоимость конденсатора Со, способного работать в ИИСТ на осно ве базовой схемы КДПТ, будет, по мне нию автора, существенно превышать аналогичные параметры дросселя по стоянного тока выходного фильтра ОПМК, используемого в качестве сва рочного инвертора. Возможно, аналогичными соображе ниями руководствовались разработчи ки ИИСТ ВД 160И с топологией КДПТ, на выходе которого отсутствует ём кость фильтра. Поскольку существует промышленное изделие с топологией «КДПТ без выходной ёмкости», попро буем проанализировать его работу на

математической модели. В качестве та кой модели будем использовать модель, показанную на рис. 4, но при С6 = 0. Последовательно с нагрузочным резис тором Ro включим дроссель постоян ного тока Ldc = 5 мкГн, имитирующий индуктивность сварочных проводов длиной порядка 5 м. Фактически это минимальная индуктивность свароч ных проводов, так как на практике не удобно работать со сварочным кабе лем длиной менее чем 2 × 2,5 м. Диаграммы токов и напряжений КДПТ без выходного конденсатора при номинальной нагрузке показаны на рисунке 10. Рисунок 11 соответству ет режиму короткого замыкания. Мож но отметить, что характер переключе ния диодов выходного выпрямителя изменился: сохранился режим пере ключения при ZCS, но появились ин дуктивные выбросы напряжения на закрытых диодах. Существенно сни зилась амплитуда тока, коммутируе мого ключами Х3 и Х4 и диодами D3, D4, но в режиме Ro = 0 амплитуда ком мутируемых токов, напротив, значи тельно возросла. В целом ВАХ стала более «жёсткой» из за наличия индук тивности Ldc. Чтобы убедиться в правильности рас чёта элементов схемы КДПТ и проил люстрировать полученные результаты, построим статические ВАХ всех обсуж даемых конвертеров. На рисунке 12 по казана зависимость среднего напря жения нагрузки от среднего тока на грузки (интервал усреднения 1 с) на WWW.SOEL.RU

основе данных, полученных средст вами MicroCAP 9. Сплошная линия – статическая ВАХ базового КДПТ в соот ветствии с выражением (6) и расчёт ными параметрами, использованны ми при моделировании. «Эксперимен тальная» ВАХ того же конвертера (см. модель на рис. 4) изображена зелёны ми точками, синими точками – вольт амперная характеристика КДПТ без конденсатора С6 и с дополнительным дросселем Ldc. Для сравнения красны ми точками изображена ВАХ традици онного ОПМК с обратной связью по среднему току нагрузки при токе зада ния 150 А. Приведённые на рисунке 12 стати ческие ВАХ позволяют сделать ряд предварительных выводов. Внешняя характеристика однотактного конвер тера с обратной связью по току нагруз ки имеет предсказуемый крутопадаю щий вид, характерный для источника тока. При необходимости крутизна па дающей части ВАХ может быть увели чена за счёт повышения коэффициен та усиления в петле обратной связи. Статические и динамические свойства конвертеров этого типа хорошо изу чены. «Экспериментальная» ВАХ базо вого варианта КДПТ находится в удо влетворительном согласии с теорети ческой ВАХ, рассчитанной по формуле (6). В то же время ВАХ «сварочного» ва рианта КДПТ (без ёмкости выходного фильтра и с индуктивно активной на грузкой) характеризуется чрезмерно большим значением тока короткого СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 10. Диаграммы КДПТ с Ro = 0,165 Ом, Со = 0 и Ldc = 5 мкГн

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

I(R3), A 150,00 100,00 50,00 0,00 –50,00 –100,00 –150,00 9,87

9,875, 128,253

9,912, 122,517

U(Lac), V 289,19 200,00 100,00 0,00 –100,00 –200,00 –300,00 9,87 100,00 400,00

I(D4, D3), A

9,90

9,93

9,95

9,98

10,01 t, мс

9,90

9,93

9,95

9,98

10,01 t, мс

9,90

9,93

9,95

9,98

10,01 t, мс

U(D3), V

50,00 300,00 0,00 200,00 –50,00 –100,00 100,00 –150,00

0,00 9,87

Рис. 11. Диаграммы КДПТ при Со = 0 и с Ldc = 5 мкГн при коротком замыкании (Ro = 0, Io = 380 A) анта КДПТ (далее – КДПТ СВ) в качест ве силовой части ИИСТ не оправдано. Исправить ситуацию можно введени ем обратной связи по току нагрузки, что и реализовано в промышленном

ИИСТ марки ВД 160И. Автору не уда лось обнаружить публикаций, посвя щённых исследованию статических и динамических свойств КДПТ СВ, в то время как базовый КДПТ в литературе

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

замыкания, превышающим номиналь ный ток дуги более чем в два раза. При таком большом отношении тока короткого замыкания к номинально му использование «сварочного» вари

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Vo, B – ОПМК с ООС по среднему току нагрузки – «Сварочный» КДПТ при Lac = 7 мкГН, Ldc = 5 мкГн, С0 = 0, F = 40 кГц – Базовый КДПТ при Lac = 7 мкГН, Ldc = 0, С0 = 2000 мкФ, F = 40 кГц – Расчеткая ВАХ базового КДПТ при Lac = 7 мкГН, Ldc = 0, С0 = 2000 мкФ, F = 40 кГц

70 60 50 40 30

Varc = 20 + 0,04larc

20 10 0 40

120

160

200

240

280

320

360 380 Io, A

Рис. 12. Вольтамперные характеристики базового КДПТ, КДПТ с Ldc = 5 мкГн и С6 = 0, и ОПМК с ООС по току нагрузки с током задания 150 А

99,57 497,86

I(Rs), A U(Rload), V 3,963, 87,661

450,00 75,00

400,00 6,993, 376,283

350,00 300,00

2,625, 62,041

ВЫВОДЫ

50,00 250,00

9,987, 173,098

200,00 25,00

150,00 100,00

Короткое замыкание

Холостой ход

50,00 0,00

9,992, 145,863

0,00 0,18

2,94

5,69

Нагрузка R0 = 0,165 Ом 8,45

9,99, 26,087 Холостой ход 11,20

13,96 t, мс

Рис. 13. Реакция КДПТ с Со = 0 и с Ldc = 5 мкГн на изменения нагрузки: холостой ход – КЗ – нагрузка током 150 А – холостой ход

150,00 250,00 125,00

I(Rs), A U(Rload), V Холостой ход

Холостой ход 4,588, 138,37

200,00

6,175, 159,077

100,00 150,00

8,376, 151,114

75,00 100,00 50,00 25,00 0,00

Нагрузка R0 = 0,165 Ом

50,00

0,00 0,00

Короткое замыкание 4,00

7,601, 24,94 8,00

12,00

16,00

20.00 t, мс

Рис. 14. Реакция ОПМК на изменения нагрузки: холостой ход – КЗ – нагрузка током 150 А – холостой ход представлен достаточно полно. Воз можно, что отсутствие интереса к КДПТ СВ объясняется тем обстоятель ством, что в качестве источника напря жения он не представляет интереса, а в качестве источника сварочного тока не свободен от недостатков. Из рисун ка 12 видно, что КДПТ СВ имеет ВАХ «плохого» источника тока и «плохого» источника напряжения одновременно.

Для источников сварочного тока важна реакция силовой части на быстрые изменения нагрузки, харак терные для сварочных процессов. Ти пичная последовательность изме нения нагрузки в процессе элек тродуговой сварки: холостой ход – замыкание электрода на деталь для поджига дуги – образование и под держание дуги при заданном свароч WWW.SOEL.RU

Базовый вариант КДПТ характери зуется рядом положительных свойств. Включение и выключение диодов вы ходного выпрямителя происходит в режиме ZCS, что приводит к сущест венному снижению тока обратного восстановления и ключевых потерь в диодах. Малые токи обратного восста новления и большая ёмкость выходно го фильтра практически устраняют индуктивные выбросы на диодах вы ходного выпрямителя, что позволяет применять диоды с минимальным за пасом по обратному напряжению, ко торые имеют и меньшее прямое паде ние напряжения. Отсутствует необхо димость в применении фиксирующих пассивных и тем более активных це пей на вторичной стороне силового трансформатора. Хорошие динами ческие свойства также являются замет ным достоинством конвертеров дан ного типа. Все перечисленные свойства естест венным образом определяют область оптимального применения КДПТ: за рядные устройства емкостных нако пителей и аккумуляторных батарей, электронные балласты газоразрядных ламп. Известен пример разработки за рядного устройства аккумуляторных батарей на базе КДПТ мощностью 3 кВт и эффективностью, достигающей 96%, c ШИМ регулированием [6]. Более сложное (реверсивное) зарядное уст ройство аккумуляторных батарей с мощностью 2 кВт и КПД 90% описано в работе [7]. В целом интерес к конверте СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ном токе – обрыв дуги при заверше нии сварочного процесса. Исследо вания поведения реального ИИСТ при работе на быстро изменяющуюся нагрузку требуют специального ла бораторного оборудования, но легко могут быть проведены на математи ческой модели устройства. На рисунках 13 и 14 показаны зави симости тока и напряжения нагрузки конвертеров КДПТ СВ и традиционно го ОПМК с обратной связью по току нагрузки, модели которых обсужда лись выше, при ступенчатом измене нии сопротивления нагрузки. Отме тим, что КДПТ СВ может использовать ся в качестве сварочного инвертора при условии, что ключевые транзис торы и диоды будут выбраны с таким запасом по току, который обеспечит их безаварийную работу в режиме ко роткого замыкания нагрузки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ру с дросселем переменного тока со храняется до настоящего времени. Вместе с тем, применение КДПТ в ка честве силовой части сварочного ин вертора приводит к необходимости исключения из его схемы конденсато ра выходного фильтра, в результате че го КДПТ утрачивает часть своих поло жительных свойств. Главное и сущест венное преимущество КДПТ СВ по отношению к ОПМК – «мягкое» пере ключение диодов выходного выпря мителя благодаря трапецеидальной форме тока. К недостаткам можно от нести большой ток короткого замыка ния и двухтактную топологию КДПТ СВ, что не препятствует использова нию последнего в качестве ИИСТ. Из за динамичного характера «свароч ной» нагрузки, большого диапазона её изменения и использования обратной связи по току к применению двухтакт ных преобразователей в качестве ИИСТ нужно относиться с большой осторож ностью. В серийных ИИСТ производите ли, как правило, используют проверен ные практикой топологии, оптимальные в этой области: однотактный прямо ходовой мостовой конвертер («косой

мост»), мостовой конвертер с ШИМ, мос товой конвертер с ШИМ и фазовым сдвигом между сигналами управления ключами и сдвоенный «косой мост». Можно согласиться с выводами рабо ты [8] в том, что сравнение расчётной мощности силовых элементов и массо габаритных параметров электромаг нитных компонентов базового КДПТ, с одной стороны, и конвертера прямохо дового типа с дросселем постоянного тока после выходного выпрямителя, с другой, приводит к заключению, что КДПТ уступает по обоим указанным па раметрам в тех приложениях, которые оптимальны для преобразователей «с дросселем постоянного тока». Применение КДПТ целесообразно в «удобных» для этого типа конвертера областях после тщательного анализа альтернативных возможностей и опре деления оптимального способа регу лирования (ЧИМ, ШИМ либо комби нированный ЧИМ ШИМ).

2. Выпрямитель для дуговой сварки инвер торного типа ВД 160И У2 (ВД 200И У2). Паспорт и инструкция по эксплуатации. ООО «Линкор». 3. Каховский

Фартушный

В.Г.,

сталей: Справочник. Наукова думка, 1975. 4. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. Высшая школа, 1985. 5. Zeltser I., Ben Yaakov S. Modeling, ana lysis and simulation of «AC inductor» based coverters. IEEE Power electro nics specia lists conf. 2007. PESC 2007. PP. 2128–2134. 6. Jitaru I.D. A 3 kW soft switching DC DC converter. IEEE Fifteenth annual applied power electronics conf. and exposition. APEC 2000. 2000. Vol. 1. PP. 86–92. 7. Krismer F., Biela J., Kolar J.W. A com parative evaluation of isolated bi di rectional DC/DC converters with wide input and output voltage range. IEEE industry applications conf. Fourteenth IAS

ЛИТЕРАТУРА

Н.И.,

Ющенко К.А. Электродуговая сварка

annual

meeting.

2005.

Vol.

PP. 599–606.

1. Петров С. Схемотехника промышленных

8. Моин В.С. Стабилизированные транзис

сварочных инверторов. Современная

торные преобразователи. Энергоатом

электроника. 2007. № 8.

издат, 1986.

Тел.: (495) 232 2522 • info@prochip.ru • www.prochip.ru • www.cree.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР CREE В РОССИИ И СТРАНАХ СНГ

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Система обогрева на базе измерителя регулятора ТРМ202 и микроконтроллера ATMEL В статье описана система обогрева для производственных помещений на основе отечественного двухканального терморегулятора ТРМ202. Плата контроллера, входящая в систему, позволяет регулировать температуру в режиме реального времени. Рассмотрена схемотехника системы обогрева и прокомментировано программное обеспечение микроконтроллера.

В настоящее время вопросы эконо мии энергоресурсов являются весьма актуальными. В статье представлена система, которая позволяет экономить электроэнергию, затрачиваемую на обогрев помещений. В складских или производственных помещениях, в вечернее и ночное время, при отсутствии персонала можно получить экономию энергоре сурсов за счёт понижения температу ры обогреваемых помещений. Пред лагаемая система обогрева позволяет автоматически поддерживать задан ные температуры в дневное и ночное время. Сформулируем основные требо вания к системе обогрева (далее – система): ● система должна автоматически под держивать заданные температуры в двух интервалах времени (дневном и ночном) в диапазоне от 1 мин до 24 ч; ● система работает в режиме реально го времени;

в качестве источника тепла приме няется тепловая пушка. Функциональная схема системы по казана на рисунке 1. Основные функ циональны узлы: измеритель регуля тор А1 (далее – терморегулятор), плата контроллера А1, нагреватель А3. На греватель состоит из симисторного блока А3.1 и тепловой пушки: электро нагревателя А3.2 и вентилятора А3.3. Временная диаграмма, поясняющая алгоритм работы системы, представ лена на рисунке 2. Функцию поддержания заданных температур в системе выполняет тер морегулятор ТРМ202 фирмы «ОВЕН». В данном терморегуляторе реализова ны два независимых канала измере ния и поддержания температуры (№ 1 и № 2). Заданные температуры (днев ная и ночная) и другие параметры ка налов программируются. Выходные сигналы терморегулятора поступают на плату контроллера А2. Выходные сигналы платы контроллера обеспечи вают управление нагревателем. ●

+ 24B

RK1 Датчик температуры ДТС125 РТ100.В2.60 А1 Терморегулятор ТМР202 RK2 Датчик температуры ДТС125 РТ100.В2.60

А2 Палатка контроллера

+ 5B Общ + 5B А3 Нагреватель

А3.1 Блок симисторый

А3.2 Электронагреватель

А3.3 Вентилятор

Рис. 1. Функциональная схема системы

Общ + 24B

WWW.SOEL.RU

Тепловая пушка

A B C N

~ 330B

Таким образом, плата контроллера обеспечивает поддержание заданных температур в заданные интервалы вре мени. На плате контроллера реализо ван таймер, который функционирует в режиме реального времени. До момен та времени t1 (см. рис. 2) система под держивает температуру, заданную в канале № 1 терморегулятора (дневная температура). С момента времени t1 до момента времени t2 система поддер живает температуру, заданную в канале № 2 терморегулятора (ночная темпе ратура). Интервал поддержания ноч ной температуры (Δt = t2 – t1) програм мируется. У мощных тепловых пушек при выключении, во избежание нагрева корпуса и выхода из строя элемен тов управления, необходимо сначала выключить электронагреватель, а потом, с некоторой задержкой, вен тилятор. То есть после выключения электронагревателя производится его обдув до тех пор, пока температу ра на выходе тепловой пушки не достигнет окружающей. Требуемая задержка по времени Δt1 при вы ключении вентилятора зависит от технических характеристик тепло вой пушки (мощность, производи тельность, габариты и т.д.). Плата контроллера реализует вышеука занную функцию – осуществляет за держку между выключением элек тронагревателя и вентилятора. Дан ный интервал времени (задержка) программируется. В алгоритме работы платы контрол лера можно выделить шесть режимов работы: ● режим № 1 (часы 1). Отсчёт и инди кация текущего времени: минуты– секунды; ● режим № 2 (часы 2). Отсчёт и инди кация текущего времени: часы–ми нуты; ● режим № 3 (время 1). Задание и ин дикация значения времени t1 (нача ло интервала поддержания ночной температуры); ● режим № 4 (время 2). Задание и ин дикация значения времени t2 (конец СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Сергей Шишкин (Нижегородская обл.)

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

интервала поддержания ночной тем пературы); ● режим № 5 (задержка). Задание и ин дикация значения задержки Δt1 (вре менная задержка выключения вен тилятора после выключения элек тронагревателя); ● режим № 6 (контроль задержки). Визуальный контроль увеличения (инкремент) времени задержки Δt1, начиная с нулевого значения (те кущее значение). Как только теку щее значение сравняется с задан ным, сразу выключается вентиля тор в тепловой пушке, и на дисплее снова индицируется нулевое зна чение. Принципиальная схема системы приведена на рисунке 3. Интерфейс управления системой включает в себя интерфейс управления терморегуля тором и интерфейс управления платы контроллера. Фотография лицевой панели терморегулятора ТРМ202 приведена на рисунке 4. Интерфейс управления платы контроллера пока зан на рисунке 5. Фотография интер фейсной части платы контроллера приведена на рисунке 6. Обозначение

элементов на рисунке 5 в соответ ствии с принципиальной схемой (см. рис. 3) показано условно. Принципи альная схема нагревателя приведена на рисунке 7. Нагреватель подключается к плате контроллера через жгут 2. Терморегу лятор А1 подключается к плате конт роллера А2 через жгут 1. Сетевое трёх фазное напряжение 380 В поступает на нагреватель через соединитель Х1 типа 2РТТ36Б5Ш18 В. Поскольку система построена на ба зе терморегулятора ТРМ202, уместно привести его функции и основные тех нические характеристики: ● измерение температуры и других фи зических величин (давления, влаж ности, расхода и т.п.) в двух различ ных точках с помощью стандартных датчиков; ● независимое регулирование двух измеряемых величин по двухпози ционному закону; ● регулирование одной измеряемой ве личины по трёхпозиционному закону; ●

вычисление и регулирование разнос ти двух измеряемых величин (ΔТ = = Т1 – Т2);

U1 Канал №1

Вкл. Выкл. 0

U2 Вкл.

Канал №2

Выкл. 0

Рис. 2. Алгоритм работы системы ●

●

вычисление квадратного корня из измеряемой величины при работе с датчиками, имеющими унифициро ванный выходной сигнал тока или напряжения; диагностика обрывов линии под ключения входных сигналов; сохранение параметров регулято ра в энергонезависимой памяти при отключении напряжения пи тания; защита установок от несанкциони рованного воздействия путём ввода пароля; передача измеренных значений, а также значений параметров, харак теризующих работу прибора, на

Ни байта врагу! ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ НАКОПИТЕЛИ для ответственных применений

Безопасность ■ ■ ■

Быстрое стирание данных QErase Уничтожение данных SErase Защита от записи

Производительность ■ ■

Скорость чтения до 175 Мбайт/с Скорость записи до 90 Мбайт/с

Надёжность ■

■

Расширенный температурный диапазон –40...+85°С Конформное покрытие

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

Тел.: (495) 234 0636 • Факс: (495) 234 0640 • E mail: info@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ INNODISK

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 3. Принципиальная схема системы

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

HG1 HG2 HG3 HG4 HG5 HG6 HL1 HL2

4. Лицевая панель терморегулятора ТРМ202

Рис. 5. Интерфейс управления платы контроллера

внешние устройства управления и/или сбора данных по интерфейсу RS 485; ● дистанционное управление при бором. Основные технические характе ристики терморегулятра ТРМ202 приведены в таблице. Регулятор за регистрирован в Госреестре средств измерений. Прибор имеет много раз личных настроек, однако их про граммирование не вызывает слож ностей. Рассмотрим основные часовые функ ции платы контроллера. В таймере предусмотрены следующие функции: счёт реального времени, индикации текущего времени в 24 часовом фор мате в режимах часы–минуты и мину ты–секунды; установка текущего вре мени; установка времени включения времени t1 и времени включения вре мени t2, установка задержки Δt1 вы ключения вентилятора. Все выше указанные параметры могут быть пе репрограммированы. Если текущее время совпало с установленными зна чениями t1 и t2, то на 10 с включается звуковая сигнализация с частотой по вторения 1 Гц. Интерфейс управления системой состоит из лицевой панели терморе гулятора и органов управления пла ты контроллера. Интерфейс платы контроллера (см. рис. 5) включает в себя клавиатуру (кнопки S1 – S5), све товые полосы HL1 – HL2 и блок инди кации (дисплей) из шести цифровых семисегментных индикаторов HG1 – HG6. Кнопки клавиатуры имеют следую щее назначение: ● S1 (Р) – выбор режима работы ча сов: «часы 1», «часы 2», «время 1», «время 2», «задержка», «контроль за держки»; ● S2 (Δ) – увеличение на единицу зна чения каждого разряда при уста новке времени в режиме «часы 2», а также при установке времени в ре жиме «время 1», «время 2», «задержка», «контроль задержки»;

●

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

S3 (В) – выбор разряда при установ ке текущего значения времени в ре жиме «часы 2» и в режимах «время 1»,

Рис. 6. Интерфейсная часть платы контроллера «время 2», «задержка», «контроль за держки». В выбранном разряде вклю чается точка h;

WWW.SOEL.RU

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

X2 2РМД18КПН4Г5В1В 1 2 3 4

Жгут 2

X1 2РМД18Б4Ш5В1В 1 2 3 4

AB3

Цепь Нагр. Вент. Общ. Общ.

1 2 1 3 3 4

XT2

XT1 1 2

Цепь К1 К2

Цепь

+U Вкл.

1 2

7 13

AB4 XT1 2 4

AB1 XT1 1 3

1 2

XT2 Цепь

Цепь К1 К2

+U Вкл.

1 2

XT2 Цепь

Цепь К1 К2

+U Вкл.

1 2

5 11

1 2

AB2 XT1 1 3

1 2

XT1

XT2

Цепь +U Вкл.

Цепь К1 К2

11 6 12 12 13 8

1 2

1 2 3

XT 2PTT36Б5Ш18 В 1 2 3 4 5

A1 B1 C1 N1

Цепь

5 14

L1 L2 L3 N1

А3.2 Электронагреватель Цепь

XT1 5 6 7 8

14 8

1 2 3

L1 N

Тепловая пушка

А3.3 Вентилятор Цепь

S4 (С) – кнопка пуск/стоп. Данной кнопкой разрешается/запрещается счёт времени; ● S5 (К) – кнопка выбора каналов тем пературы (№ 1 или № 2) терморегу лятора А1 к микроконтроллеру DD2 при текущем времени. Если выбран канал температуры № 1, включена световая полоса HL1 и к микроконт роллеру DD2 подключен выход № 1 терморегулятора; если выбран канал температуры № 2, включена свето вая полоса HL2 и, соответственно, к микроконтроллеру DD2 подключен выход № 2 терморегулятора. Например, в режиме «часы 2» при первом нажатии на кнопку S3 для уста новки нужного значения выбирается разряд единицы минут (точка h вклю ●

чена у индикатора HG5). Значение раз ряда устанавливается кнопкой S2. При следующем нажатии на кнопку S3 вы бирается разряд «десятки минут» (ин дикатор HG4) и т.д. После установки значения разряда «десятки часов» (ин дикатор HG2) при нажатии на S4 раз решается счёт времени. Разряды индикации интерфейса пла ты контроллера имеют следующее на значение (справа налево по рисунку 5): ● 1 й разряд (индикатор НG6) отобра жает «1» в режиме «часы 1», «2» в режи ме «часы 2», «3» в режиме «время 1», «4» в режиме «время 2», «5» в режиме «за держка», «6» в режиме «контроль за держки»; ● 2 й разряд (индикатор НG5) отобра жает единицы минут в режимах «ча WWW.SOEL.RU

●

сы 2», «время 1», «время 2», единицы секунд в режимах «часы 1», «задерж ка», «контроль задержки»; 3 й разряд (индикатор НG4) отоб ражает десятки минут в режимах «ча сы 2», «время 1», «время 2», десятки секунд в режимах «часы 1», «задерж ка» и «контроль задержки»; 4 й разряд (индикатор НG3) отобра жает сегмент g с периодом включе ния 1 с во всех режимах; 5 й разряд (индикатор НG2) отобра жает единицы часов в режимах «ча сы 2» и «время 1», «время 2», в режиме «часы 1» отображает единицы минут; 6 й разряд (индикатор НG1) отоб ражает десятки часов в режимах «ча сы 2» и «время 1», «время 2», в режиме «часы 1» отображает десятки минут.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 7. Принципиальная схема нагревателя

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Входы Количество каналов

Время опроса входов, не более

1с

Тип датчиков

Термопары (по ГОСТ Р 8.585 2001) или ТПС (по ГОСТ Р 6651 94) 4…20 мА 0…20 мА

Входные сигналы

0…5 мА 0….1 В –50…+50 мВ

Предел основной допускаемой приведённой погрешности при измерении ТПС термопарой унифицированных сигналов тока и напряжения

0,25% 0,5% 0,5%

Выходные устройства (ток нагрузки/напряжение) Транзисторная оптопара

200 мА/40 В пост. тока

Симисторная оптопара

0,5 А/240 В

Электромагнитное реле

8 А/220 В, 50 Гц Интерфейс связи

Тип интерфейса

RS 485

Длина линии связи, не более

1000 м

Тип линии связи

Экранированная витая пара

Скорость передачи, Кбит/c

2,4; 4,8; 9,6; 14,4;19,6; 28,8; 38,4; 57,6; 115,2 Питание

Напряжение питания прибора

90…220 В

Потребляемая мощность, не более

6 ВА

Частота

47…63 Гц

на вывод 9 микроконтроллера DD1 поступает сигнал с вывода 8 клеммной колодки ХТ1 терморегулятора, т.е. подключается канал № 2 терморегуля тора, и тепловая пушка будет поддер живать температуру в помещении, рав ную уставке Т2. Пусть текущее время стало равным значению t2 (конец ночного интервала

времени). Тогда микроконтроллер DD1 устанавливает лог. 1 на выводе 11, от ключая реле DA1. Снова замыкаются контакты 1, 7 реле DA1. Теперь тепловая пушка будет поддерживать температу ру в помещении, равную уставке Т1. Рассмотрим основные узлы принци пиальной схемы системы (см. рис. 3). Основой устройства служит микро

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Основные технические характеристики терморегулятора ТРМ202

Сразу после подачи питания уст ройство переходит в режим работы «часы 1», отсчёт текущего времени за прещается. Отсчёт текущего времени разрешается только после нажатия на кнопку S4 (С). При совпадении теку щего времени с установленными «вре мя 1», «время 2», на 10 с включается пре рывистая звуковая сигнализация ВА1. Алгоритм работы системы обогрева следующий. После подачи питания, как уже упоминалось, следует задать: в терморегуляторе А1 значения уставок для каналов № 1 и № 2; на плате конт роллера – значение времени t1; значе ние времени t2 и значение времени задержки Δt1. Допустим, что для канала № 1 термо регулятора задана уставка Т1 (дневная температура). Для канала № 2 терморе гулятора задана, соответственно, устав ка Т2 (ночная температура). Предпо ложим, что система включается в днев ное время и текущая температура меньше Т1. После нажатия на кнопку S4 сигнал лог. 0 с вывода 5 клеммной колодки ХТ1 терморегулятора посту пает через жгут 1 и контакт 1 соедини теля Х2, через замкнутые контакты 1, 7 реле DA1, на вывод 9 микроконтрол лера DD2 (на выводе 11 микроконт роллера присутствует лог. 1). При этом микроконтроллер DD2 выставляет лог. 0 на выводы 2, 3. Включаются соот ветственно реле DA2 и DA3. В данных реле через замкнутые контакты 7, 4 на пряжение +24 В поступает через со единитель Х3 и жгут 2 на соединитель Х1 нагревателя. В тепловой пушке од новременно включатся электронагре ватель и вентилятор. Как только текущая температура до стигнет уставки, выходная оптопара ка нала № 1 терморегулятора закрывается. Сигнал лог. 1 с вывода 5 клеммной ко лодки ХТ1 терморегулятора поступает на вход 9 микроконтроллера DD2. При этом микроконтроллер выставляет лог. 1 на вывод 2 и через время, равное Δt1, сигнал лог. 1 на вывод 3, тем самым выключая сначала в тепловой пушке электронагреватель и через время, рав ное Δt1, вентилятор. Подобные циклы включения и выключения тепловой пушки будут поддерживать температу ру в помещении, равную уставке Т1. Пусть текущее время стало равным значению t1 (начало ночного интер вала времени). Тогда микроконтрол лер DD2 устанавливает лог. 0 на выво де 11, включая реле DA1. В данном ре ле замыкаются контакты 7, 14. Теперь

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Питающее напряжение поступает на плату контроллера с соединителя Х1. Конденсатор С1 фильтрует пульса ции в цепи питания +5 В. Сразу после подачи питания на выводе 1 микро контроллера DD1 через R2С4 форми руется сигнал системного аппарат ного сброса. Затем происходит ини циализация программы, в которой задаются параметры работы динами ческой индикации. Далее идёт счёт те кущего времени и разрешается рабо та устройства по описанному выше алгоритму. Каждый байт из функциональной группы буфера отображения в под программе обработки прерывания таймера TF0 выводится в порт P1 мик роконтроллера DD1. Номер группы или режим работы записан в регистре R2. В процессе обработки подпрограм мы прерывания происходит опрос клавиатуры. Нажатием кнопки S1 ин крементируется регистр R2, и тем са мым задаётся один из шести режимов работ (см. выше). При нажатии на кнопку S2 устанавливается флаг, раз решающий инкрементировать разряд, выбранный кнопкой S3. Программа микроконтроллера раз работана в среде μVision2 и состоит из трёх основных частей: процедуры инициализации, основной програм мы, работающей в замкнутом цикле, и подпрограммы обработки прерыва ния от таймера TF0. В основной программе происходит счёт текущего времени, установка теку щего времени и значений t1, t2, Δt, сравнение текущего времени с време нем t1 и t2, включение звукового сигна ла и преобразование двоичного числа значений. В памяти данных микроконтроллера с адреса 30Н по 4DН организован бу фер отображения для динамической индикации. По своему функциональ ному назначению адресное простран ство данного буфера можно условно разбить на шесть функциональных групп: ● 30Н – 34H – адреса, где хранится те кущее время в минутах и секундах. Эти адреса выводятся на индикацию в режиме «часы 1»; ● 35Н – 39Н – адреса, где хранится те кущее время в часах и минутах. Эти адреса выводятся на индикацию в режиме «часы 2»; ● 3АН – 3ЕН – адреса, где хранится вре мя t1. Эти адреса выводятся на инди кацию в режиме «время 1»; WWW.SOEL.RU

3FН – 43Н – адреса, где хранится вре мя t2. Эти адреса выводятся на инди кацию в режиме «время 2»; ● 44Н – 48Н – адреса, где хранится за данное значение времени Δt1. Эти адреса выводятся на индикацию в режиме «задержка»; ● 49Н – 4DН – адреса, где хранится те кущее значение времени Δt1. Эти адреса выводятся на индикацию в режиме «контроль задержки». Данные адреса загружаются в ре гистр R0 микроконтроллера. Точнее, в каждом режиме в регистр R0 записы ваются адреса определённой функ циональной группы (метки TEMО0, TEMО1, TEMО2, TEMО3, TEMО4, TEMО5). Каждый байт из функциональной группы в цикле, в подпрограмме об работки прерывания таймера TF0 (метка OT), после перекодировки вы водится в порт Р1 микроконтролле ра. Для включения индикаторов HG1, HG2, HG4 – HG6 необходимо устано вить лог. 0 на выводах 2, 5, 6, 9, 12 ре гистра DD1 соответственно. Так, на пример, чтобы в режиме «часы 1» на индикаторе HG6 индицировалась «1», необходимо двоично десятич ное число, расположенное по адре су 30H, перекодировать, вывести в порт Р1 микроконтроллера и запи сать лог. 0 в пятый разряд регистра DD1 (вывод 12). Записывая поочерёдно после пере кодировки, в цикле, в порт Р1 микро контроллера байты из функциональ ной группы буфера отображения и лог. 0 на соответствующий вывод ре гистра DD1, мы получаем режим дина мической индикации. Понятно, что каждый разряд индикатора устройства привязан к определённому адресу в функциональной группе. Так, напри мер, значение числа или символа, отображаемого на индикаторе HG6, находится в первом адресе функцио нальной группы (для режима «часы 1» это 30Н, а для режима «часы 2» – 35Н). На регистре R1 реализован счётчик разрядов. При инициализации в R0 загружается адрес 30H (режим «ча сы 1»), а в R1 – число 1. В памяти дан ных в ячейке с адресом 20Н находится байт, который управляет разрядами динамической индикации и внешни ми устройствами: пьезоэлектрическим излучателем ВА1 и световыми полоса ми НL1 и HL2. Данный байт записыва ется в регистр DD1 сразу после записи перекодированного байта из функ циональной группы в порт Р1 микро ●

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

контроллер DD2, рабочая частота ко торого задаётся генератором с внеш ним резонатором ZQ1 (10 МГц). Пьезо электрический излучатель ВА1 вклю чается с вывода 15 регистра DD1. Сигнал с выхода 13 микроконтроллера через резистор R16 периодически (с периодом 1 с) включает сегмент g ин дикатора HG3. Клавиатура собрана на кнопках S1 – S5, для её функционирования задей ствован вывод 8 микроконтроллера DD2. Резисторы R17, R18 – токоограни чительные, для световых полос HL1 и HL2. Выходные сигналы с каналов № 1 и № 2 терморегулятора А1 подключа ются к выводу 9 микроконтроллера DD2 через контакты реле DA1. Само ре ле управляется с вывода 11 микроконт роллера DD2. Каналы управления на гревателем и вентилятором собраны соответственно на реле DА2 и DA3, ко торые управляются с выводов 2 и 3 микроконтроллера DD2. Динамичес кая индикация реализована на регист ре DD1, транзисторах VT1 – VT5 и циф ровых семисегментных индикаторах HG1 – HG2, HG4 – HG6. Коды для включения вышеуказан ных индикаторов при функциони ровании динамической индикации поступают на вход P1 микроконтрол лера DD2. Как видно из схемы рис. 3, аппаратные возможности микро контроллера DD1 исчерпаны пол ностью. Цифровая часть принципиальной схемы устройства гальванически раз вязана и от сети, и от напряжения управления нагревателем и вентиля тором +24 В. Программное обеспечение микро контроллера (см. дополнительные ма териалы к журналу на интернет стра нице www.soel.ru) полностью обеспе чивает реализацию алгоритма работы электронных часов. Основная задача «часовой» части программы – форми рование точных временных интерва лов длительностью 1 с – решена с по мощью прерываний от таймера TF0 и счётчиков на регистрах R4 и R5. Тай мер TF0 формирует запрос на преры вание чрез каждые 80 мкс. Счётчики на данных регистрах подсчитывают количество прерываний, и, как только количество прерываний станет равно определённому числу, устанавливается флаг, по которому в основной про грамме инкрементируется ячейка па мяти микроконтроллера, где хранятся единицы секунд.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

контроллера DD2 и представляет со бой код «бегущий нуль» для включения знакомест (разрядов) динамической индикации. Цикл динамической инди кации составляет 3,328 мс. В данном цикле регистры R0 и R1 инкременти руется. В подпрограмме обработки преры вания от таймера TF0 происходит обращение к процедурам динамичес кой индикации. Сразу после подачи питания при инициализации во все разряды порта Р3 микроконтролле ра DD2 записываются лог. 1. Разра ботанная программа на ассемблере занимает порядка 1,3 Кб памяти про грамм. В устройстве использованы резис торы С2 33Н 0,125 Вт, но подойдут любые другие с такой же мощностью рассеивания и погрешностью 5%. Конденсаторы С1, С4 – К50 35. Кон денсаторы С2, С3 типа К10 17 Н90 0,1 мкФ. В дисплее устройства целесообраз но выделить разряд, индицирующий режим его работы (индикатор HG6) на фоне остальных разрядов интерфейса. Поэтому для данного разряда выбран

семисегментный индикатор красно го цвета HDSP F001 (подойдёт HDSP F151); индикаторы HG, HG2, HG4, HG5 – зелёного цвета, типа HDSP F501. Подойдут любые другие индикаторы с общим анодом и приемлемой яр костью свечения. Индикатор HG4 ти па АЛС324Б. В индикаторе HG4 для формирования знака «–» используется только сегмент g. Можно применить индикаторы типа HDSP F507 или HDSP F157. Световые полосы HL1, HL2 типа КВ 2300EW – красного цвета. Можно подобрать любые другие или заменить их светодиодами. На плате контроллера установлены соединители WF 4 (вилки). Ответные части – HU 4 (розетки). Пьезоэлектрический излучатель ВА1 НРМ14АХ можно заменить на НРА17АХ или НРА14АХ. Терморегуля тор А1 типа ТРМ202 Щ2.КК (выходное устройство – оптопара транзисторная, структуры n–p–n типа), термопреобра зователи сопротивления (датчики тем пературы) типа ДТС125 РТ100.В2.60. Более подробную информацию о тер морегуляторе и датчиках температуры можно найти в [3].

В тепловой пушке применён элект ронагреватель А3.2 типа LHS PRE MIUM 60L, 5 кВт, 380 В, вентилятор А3.3 типа ACO 550 Вт, 220 В, с конден сатором. Технические характеристи ки электронагревателя и вентилятора можно найти в [4]. В симисторном блоке А3.1 применены приборы типа БС 440 63/40 Н. Технические харак теристики симисторов можно найти в [5]. Уместно напомнить, что при под ключении нагревателя к системе необходимо соблюдать требования электробезопасности. На плате конт роллера нет никаких настроек и ре гулировок, и если монтаж выполнен правильно, то она начинает работать сразу после подачи напряжения пи тания.

ЛИТЕРАТУРА 1. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтрол леры. Архитектура, программирование, интерфейс. ЭКОМ, 1999. 2. http://www.tme.pl. 3. http://www.owen.ru. 4. http://www.olmax.ru. 5. http://www.сontravt.ru.

Клеммы и соединители для печатных плат

Тел.: (495) 234 0636 • Факс: (495) 234 0640 • info@prosoft.ru • www.prosoft.ru

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ WAGO

ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

На правах рекламы

ATO: конфигурируемый шкаф Вальдемар Руф (Германия)

Элементы облицовки и принад лежности, предоставляемые на вы бор, подобраны так, что из них мож но собирать наиболее распростра нённые типы распределительных шкафов. Доступны следующие раз меры каркасов (высота: 1600, 1800 и 2000 мм; ширина: 600 и 800 мм; глу бина: 400, 500, 600 и 800 мм). Наряду с боковыми стенками из стали и обычной стальной передней дверью, можно выбрать переднюю дверь с остеклением. С задней стороны мож но установить стальную дверь или

сплошную стенку из стали. Верхняя крышка и панель основания, а так же несколько вариантов цоколя до полняют выбор элементов облицов ки. Для индивидуальной установки внутренних компонентов можно выбрать монтажную панель или 19 " кронштейны с соответствующими заглубляющими рельсами для созда ния 19 " монтажного уровня. Кроме того, доступно два варианта запира ния: с помощью поворотной ручки с профильным DIN полуцилиндром и с цилиндром замка и кнопкой. Услу

автомобильная промышленность; металлообрабатывающее оборудо вание; ● промышленная автоматика и при воды; ● выработка и распределение элек троэнергии; ● техника управления производ ственными процессами; ● транспортная техника; ● оборонная промышленность. Pentair Technical Products, меж дународное подразделение Pentair, является основным мировым по ставщиком изделий и решений по размещению, защите и охлаждению электрических и электронных сис тем. Ведущие торговые марки отрас ли – Hoffman ® , Schroff ® , McLean ® Cooling Technology, Calmark ® , Birt cher ®, Aspen Motion Technologies™ и Taunus™ – обеспечивают широкий спектр стандартных, модифициро ванных и индивидуальных решений для коммерческих рынков и рынков связи, энергетики, общей электро ники, промшленности, инфраструк туры, здравоохранения, безопаснос ти и обороны. ● ●

www.schroff.ru waldemar.ruf@pentair.com Тел.: +49 (0) 70 82 794 473 Факс: +49 (0) 70 82 794 597

Пример индивидуального шкафа

га предоставляется при заказе от 1 шт.; для подготовки изделий к по ставке требуется не более 15 рабо чих дней. Основой шкафов Hoffman PRO LINE является сварной стальной кар кас. Бесшовный профилированный уплотнитель из пеноматериала и запатентованная система фиксации защищают встроенные электри ческие и электронные компоненты от грязи, пыли, влаги и других вред ных веществ промышленной среды. Стандартные шкафы имеют порош ковое лакокрасочное покрытие RAL 7035. Шкафы Hoffman PROLINE отве чают общепризнанным стандартам, таким как UL 50/508A, NEMA/EEMAC, CSA, VDE и IEC 60529, и рассчитаны, прежде всего, на применение в сле дующих областях:

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Для универсальной платформы промышленных шкафов Hoffman PROLINE компания Schroff (Pentair Technical Products) разработала новую возможность заказа в виде услуги ATO – Assembly To Order (гибкая сборка на заказ). Теперь можно не только заказать со склада предварительно сконфигурированные стандартные шкафы, но и без дополнительных затрат собрать индивидуальный шкаф из доступного ассортимента отдельных деталей. Услуга ATO делает сервис производителя более гибким, поскольку клиенты теперь могут заказывать шкафы, состоящие, например, только из каркаса и задней стенки, если им не нужен шкаф в полной комплектации.

ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Новости мира News of the World Новости мира 450 мм пластинам быть – вопрос лишь в сроках

Одним из самых наглядных показателей благополучия мировой полупроводниковой промышленности является рынок кремние вых пластин. Они являются полуфабрика том, без которого невозможно изготовле ние ни одной интегральной микросхемы, а значит, высокие объёмы продаж пластин указывают на благополучие отрасли, и на оборот, проблемы производителей пластин связаны с плохим самочувствием всей по лупроводниковой промышленности.

Разговоры о переходе на применение в полупроводниковой промышленности крем ниевых пластин диаметром 450 мм ведут ся уже очень давно, и по этому вопросу мнения специалистов разделились. Одни, оптимисты, говорят о скором переходе на 450 мм пластины, тогда как другие, скепти ки, уверены, что высокая стоимость техно логического оборудования слишком высо кая, чтобы сделать 450 мм пластины явью. По всей видимости, к этому моменту индуст рия уже выбрала свой путь развития, и, как всегда, он немного отличается от двух ука занных выше версий. Как заявили аналити ки компании Semico Research, крупнейшие производители электроники всё же перей дут на кремниевые пластины увеличенного диаметра, но сроки перехода существенно сдвинуты относительно первоначальных оптимистичных прогнозов. Ведущие мировые чипмейкеры, в числе которых значатся Intel, Samsung Electronics и Taiwan Semiconductor (TSMC), крайне заин тересованы в серийном изготовлении мик росхем из 450 мм пластин. Это позволит им снизить себестоимость полупроводниковой продукции за счёт повышения количества получаемых с одной пластины микрочипов. Заинтересованность крупных компаний в но вых производственных мощностях заставля ет его производителей, даже тех, что ранее сопротивлялись переходу на «450 миллимет ров», рассматривать варианты модерниза ции выпускаемого сегодня оборудования. Полупроводниковая индустрия явно не остановится на 300 мм кремниевых плас тинах. Движущей силой прогресса станет постоянно растущий спрос на микросхемы памяти, как на NAND память, так и на DRAM микросхемы. Всё это потребует от производителей не только повышения плотности записи информации, но и увели чения объёмов выпуска интегральных мик росхем. Одновременно с этим постоянно растёт сложность различного рода процес соров – помимо увеличения производи тельности (акцент сегодня сделан на уве личении количества процессорных ядер), разработчики уделяют существенное внимание функциональной оснащённости микросхем (зачастую реализация заключа ется в повышении количества вычисли тельных блоков). Понятно, что всё это вместе приводит к резкому повышению стоимости разработки микросхем, повыше нию их сложности. Для того чтобы предот вратить чрезмерное удорожание микрочи пов, производителям необходимо снижать

В первом квартале 2010 г. общая пло щадь выпущенных кремниевых пластин увеличилась на 5% по сравнению с преды дущим отчётным периодом. Площадь всех изготовленных в первые три месяца плас тин составила 2 млрд. 214 млн. кв. дюймов. В четвёртом квартале предыдущего года аналогичный показатель составил 2 млрд. 109 млн. кв. дюймов. Цифры оказываются рекордно высокими с третьего квартала 2008 г., после которого существенное вли яние на полупроводниковую отрасль ока зал разразившийся финансовый кризис. Такую статистику приводит аналитическая компания SEMI. Если сравнивать результаты первого квар тала 2009 г. и нынешнюю ситуацию, то мож но заметить, что объёмы продаж кремниевых пластин всего за год выросли более чем вдвое. В первые три месяца предыдущего го да производители смогли продать менее од ного миллиарда квадратных дюймов плас тин. Но уже во втором квартале положение начало выправляться – объёмы продаж рез ко подскочили, увеличившись за считанные месяцы на 50%. С тех пор скорость роста объёмов продаж снизилась, но тенденция их повышения до сих пор сохранилась. http://www.digitimes.com/ СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

стоимость их изготовления, а это реализу ется в том числе и за счёт перехода на кремниевые пластины большего диаметра. В будущем полупроводниковая индуст рия достигнет такой точки развития, когда ввод в строй двух фабрик по выпуску мик росхем из 300 мм пластин окажется доро же, нежели организация одной фабрики с оборудованием для 450 мм пластин. При этом объёмы выпуска продукции в двух указанных вариантах идентичны друг дру гу – у чипмейкеров появляется стимул в пе реходе на кремниевые пластины большего диаметра, чем используется сегодня. Воз растает и спрос на соответствующее тех нологическое оборудование, а значит, в числе потенциальных покупателей новых станков оказываются не только крупней шие производители микросхем, но и чип мейкеры «второго эшелона». Единственный вопрос – сроки перехода на применение 450 мм кремниевых пластин. Ранее планировалось, что первая партия микросхем, изготовленная на их основе, бу дет выпущена уже в 2012 г. Но из за высо кой стоимости разработки технологического оборудования, которая, по некоторым оцен кам, достигает $20 млрд., уложиться в ука занные сроки чипмейкеры не смогут. Скорее всего, переход на пластины увеличенного диаметра состоится в середине текущего де сятилетия, и смогут осуществить задуманное только лишь крупнейшие производители – Intel, Samsung Electronics и/или TSMC. http://www.eetimes.com/

Corsair намерена расширить гарантию на SSD до трёх лет По сообщению американского источни ка, компания Corsair, отвечая на запросы пользователей, подтвердила намерение расширить стандартный гарантийный срок на свои флэш диски с двух до трёх лет. Трёхлетняя гарантия постепенно стано вится стандартом для многих отраслевых игроков в сегменте SSD. На момент подготовки материала офи циального сообщения на сайте произво дителя ещё не было. Одними из пер вых флэш накопителей Corsair, которые предоставляются с трёхлетней гарантией, стали недавно анонсированные SSD диски Force Series. Напомним: примерно год назад один из основных конкурентов Corsair, компания OCZ Technology, сообщила о расширении до трёх лет стандартной гарантии на свои High End накопители. Также трёхлетние га рантии предлагают Intel и Crucial. http://www.hexus.net/

Продажи кремниевых пластин снова выросли

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Повышение эффективности децентрализованных алгоритмов обеспечения безопасности Александр Мартынов, Дмитрий Николаев, Виктор Фомченко (Нижегородская обл.)

ВВЕДЕНИЕ

АЛГОРИТМ RSA

На сегодняшний день децентрали зованные алгоритмы обеспечения безопасности, использующие асим метричное преобразование, т.е. пре образование с открытым и конфи денциальным параметрами, находят всё более широкое применение. Та кие алгоритмы используются для ре ализации электронной цифровой подписи, распределения сессионных параметров и во многих других слу чаях. Одним из наиболее часто использу емых децентрализованных алгорит мов является алгоритм преобразо вания с открытым параметром RSA. Поскольку данный алгоритм исполь зуется повсеместно, то и аналитичес ким воздействиям он подвергается также очень часто. Следовательно, разработка модификаций данного ал горитма с целью использования бо лее коротких параметров при той же криптографической стойкости либо улучшения его криптографических характеристик является актуальной задачей [1]. Целью работы являлась разработка модификаций алгоритма RSA с более качественными характеристиками и практическая реализация данных мо дификаций.

В основу алгоритма с открытым пара метром RSA положена задача умножения и разложения простых чисел на множите ли, которая является вычислительно одно направленной задачей [2] (см. рис. 1). Предположим, сторона B хочет по слать стороне A сообщение M. Сообще нием являются целые числа, лежащие от 0 до n – 1, т.е M ∈ D = Zn.

В Преобразование M

А Преобразование

Коммуникационный канал C=PA(M)

Рис. 1. Обобщённая схема преобразования и восстановления данных с использованием алгоритма RSA

●

● ●

Алгоритм: взять открытый параметр (е, n) сто роны А; взять исходный текст М; передать сообщение: PA(M) = Me.

● ●

(1)

Алгоритм: принять сообщение С; применить конфиденциальный па раметр (d, n) для восстановления со общения: SA(C) = Cd.

(2)

Уравнения (1) и (2), на которых ос нована схема RSA, определяют взаим но обратные преобразования множе ства Zn. Доказательство. Действительно, ∀M ∈ Zn, P(S(M)) = = S(P(M)) = Medmodn. Докажем, что Med ≡ ≡ M(modp) ∀M. Возможны два случая. Первый, когда M ≠ 0(modp), тогда, поскольку числа е и d являются взаимно обратными отно сительно умножения по модулю, ϕ(n) = = (p – 1)(q – 1), т.e. ed = 1 + k(p – 1)(q – 1) для некоторого целого k, следовательно, M ed ≡ M ( M p – 1) k(q – 1)( m o d p ) ≡ ≡ M(1)k(q – 1)(modp) ≡ M(modp), WWW.SOEL.RU

где второе тождество следует из теоре мы Ферма. И второй случай, когда M ≡ 0(modp), тогда Med ≡ M(modp). Таким образом, при всех M выполня ется равенство Med ≡ M(modp). Аналогично можно показать, что Med ≡ ≡ M(modq) ∀M. Таким образом, из Ки тайской теоремы об остатках следует, что Med ≡ M(modn) ∀M. Поскольку генерация параметров происходит значительно реже опера ций, реализующих преобразования, а также создание и проверку цифро вой подписи, задача вычисления a = = bemodn представляет основную вы числительную сложность. Эта задача может быть решена с помощью ал горитма быстрого возведения в сте пень. Таким образом, для вычисления M emodn требуется O(lnе) операций умножения по модулю. Доказательство. Представим е в двоичной системе счисления: ● e = ek × 2k + ek – 1 × 2k – 1 + … + e1 × 2 + e0, где ek = 1, e ∈ {0, 1}; ● положим M0 = 1; ● вычислим для i = 1, …, k; ● найденное Mk и будет искомым зна чением M. Поскольку каждое вычисление на шаге 2 требует не более трёх умноже ний по модулю n и этот шаг выполняет ся k ≤ log2e раз, то сложность алгоритма может быть оценена величиной O(lne). Чтобы проанализировать время вы полнения операций с открытым и кон фиденциальным параметрами, предпо ложим, что открытый параметр (e, n) и конфиденциальный параметр (d, n) удовлетворяют соотношениям log2e = = O(1), log2d ≤ β. Тогда в процессах их применения будут выполнены соответ ственно O(1) и O(β) умножений по мо дулю. Таким образом, время выполнения операций возрастает с увеличением количества ненулевых битов в двоич ном представлении открытой экспо ненты e. Чтобы увеличить скорость преобразования, значение e часто вы СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Предложены подходы к повышению эффективности децентрализованных алгоритмов обеспечения безопасности на основе алгоритма RSA. Проведено их сравнение с характеристиками алгоритма RSA. Выполнен анализ возможных воздействий, основанных на неправильном использовании алгоритма, а также воздействий, использующих метод факторизации параметра преобразования.

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ: ВЕСЬ СПЕКТР АНАЛОГОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОДНОМ КРИСТАЛЛЕ! На одном кристалле FPAA содержится:

ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА FPAA ■ Статическая и динамическая конфигурация

■ Дифференциальные компараторы

■

■ Инструментальные усилители

■ ■ ■ ■ ■ ■

■ Операционные и инструментальные усилители

структуры Однокристальные системы аналоговой обработки Программное изменение характеристик системы Автоматически перестраиваемые и адаптируемые схемы Упрощение настройки и регулировки Увеличение жизненного цикла изделия Снижение стоимости Повышение надёжности

■ Фильтры ■ Источники образцового напряжения ■ Усилители.ограничители ■ Мультиплексор ■ Выпрямители с ФНЧ ■ Генераторы синусоидального сигнала ■ Генераторы периодических сигналов специальной формы ■ АЦП последовательного приближения ■ Программируемые усилители

Микросхемы FPAA Anadigm

Отладочный комплект AN231K04-DVLP3 ■ Отладочная плата AN231K04, кабель RS-232, САПР Anadigm Designer®2 ■ Открытая лицензия, техническая документация, руководство пользователя на русском языке ■ Техническая поддержка и консультации

САПР Anadigm Designer®2 ■ Простой и интуитивно понятный интерфейс ■ Четырехканальный виртуальный осциллограф ■ Автоматическое формирование С-кода для управления с микропроцессора или микроконтроллера

АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА Тел.: (495) 232.2522 • info@prochip.ru • www.prochip.ru

■ Автоматическое формирование конфигурационных данных

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

+В1023

C’0

В1

+В0

C’1 RSM

В1022

+В1021

C1022

C’1022

В1023

+В1022

C1023

C’1023

Рис. 2. Схема работы первой модификации алгоритма RSA 16 бит

xor

К’

16 бит В

RSA

Рис. 3. Схема работы второй модификации алгоритма RSA бирают равным 17, 257 или 65537 – простым числам, двоичное представ ление которых содержит лишь две еди ницы: 17 = 0 × 11, 257 = 0 × 101, 65537 = = 0 × 10001 (простые числа Ферма). По эвристическим оценкам, длина конфиденциальной экспоненты d, не тривиальным образом зависящей от открытой экспоненты e и модуля n, с большой вероятностью близка к длине n. Поэтому восстановление данных идёт медленнее, чем преобразование, а проверка подписи быстрее, чем сама подпись. Размер параметра в алгоритме RSA связан с размером модуля n. Два числа p и q, произведением которых являет ся модуль, должны иметь приблизи тельно одинаковую длину, поскольку в этом случае найти сомножители (факторы) сложнее, чем в случае, когда длина чисел значительно отличается. Например, если предполагается ис пользовать 768 битный модуль, то каж дое число должно иметь длину прибли зительно 384 бита. Если два числа чрез вычайно близки друг к другу или их разность близка к некоторому предо пределенному значению, то возникает потенциальная угроза безопасности, однако такая вероятность – близость двух случайно выбранных чисел – не значительна. Время преобразования файла объемом 700 Мб Алгоритм

Время преобразования, с

RSA

215

Модификация № 1

270

Модификация № 2

165

Возьмём M = (p + q)/2. При p < q име ем 0 ≤ M – n1/2 ≤ (q – p)2/8p. Поскольку p = = M(±(m2 – n)1/2), то значения p и q мож но легко найти, если разность (p – q) достаточно мала. Оптимальный размер модуля опре деляется требованиями безопасности: модуль большего размера обеспечива ет большую безопасность, но замедля ет работу алгоритма RSA. Длина модуля выбирается, в первую очередь, на осно ве значимости защищаемых данных и необходимой стойкости защищённых данных и, во вторую очередь, на осно ве оценки возможных угроз. В математической основе предло женных модификаций лежит алго ритм преобразования RSA по 32 бит ному параметру. В дополнение к пре образованию блоков данных путём возведения в степень используются до полнительные меры для улучшения ха рактеристик текста, а также для ускоре ния преобразования файлов [1].

ном режиме читаются блоки данных по 16 бит. Далее из считанного блока данных формируется основа пара метра длиной 8 бит (берутся первые 4 бита и последние 4 бита). Полный параметр формируется из основы её дублированием (если основа пара метра k1, то полный параметр пред ставляет собой число k1k1, или k1*256 + + k1). Далее идёт преобразование счи танного блока данных с помощью операции «исключающее ИЛИ» (если прочитанный блок – Х, а k1k1 – пара метр, то блок S формируется как S = = X^k1k1). Но, помимо записи в файл текста, идёт добавочная запись пре образованного по алгоритму RSA па раметра k1. И, таким образом, преоб разуются каждые считанные 16 бит данных. Восстановление происходит в обрат ном порядке: считывается блок данных в 16 бит и параметр. Параметр декоди руется по алгоритму RSA, и по получен ному параметру находится исходный

МОДИФИКАЦИЯ № 1

блок данных (S^k1k1 = (Х^k1k1)^k1k1 = = X). Операция повторяется для каж дого считанного блока данных. Данный алгоритм работает быстрее RSA, т.к. все операции занимают мало вычислительного времени, а непо средственно при преобразовании па раметра в степень открытой (конфи денциальной) экспоненты возводит ся число не в 16 бит длиной, а только в 8 бит. На основе реализованной програм мы было произведено сравнение вре мени преобразования файла большого объёма (порядка 700 Мб) тремя алго ритмами (RSA и его модификациям). Результаты представлены в таблице. Как видно из таблицы, вторая моди фикация работает быстрее, чем алго ритм RSA, в то время как первая работа ет медленнее. Но первый алгоритм обеспечивает перемешивание блоков данных и, возможно, улучшает статис тические характеристики текста. Про ведённый анализ показал целесооб разность дальнейшего исследования предложенных алгоритмов. В случае неудовлетворительных результатов возможно изменение предложенных алгоритмов.

Алгоритм работает следующим об разом (см. рис. 2). Из файла, открытого в бинарном режиме, читаются 1024 блока по 16 бит (либо меньше в слу чае, если конец файла достигнут). Далее происходит перемешивание блоков с помощью побитовой опе рации «исключающее ИЛИ» (обозна чим её символом ^): B1 = B1^B0, B2 = = B2^B1…B1023 = B1023^B1022, B0 = = B0^B1023. Затем каждый блок преоб разуется по алгоритму RSA (в резуль тате каждый блок из 16 бит преобразу ется в блок данных из 32 бит, т.к. осно вание равно 32 битам), и результат записывается в новый файл. Восстановление полученного файла происходит аналогичным образом, но в обратном порядке: из файла чита ются 1024 блока данных по 4 бита, каждый блок восстанавливается кон фиденциальным параметром RSA, в результате чего каждый блок преобра зуется в 2 битный. Затем блоки переме шиваются в обратном порядке. В итоге получаем исходный файл. Данный алгоритм работает дольше, чем RSA, но, вследствие перемешива ния блоков данных, возможно, текст имеет более приемлемые характерис тики, чем при преобразовании обыч ным RSA.

МОДИФИКАЦИЯ № 2 Алгоритм работает следующим об разом (см. рис. 3). Из файла в двоич WWW.SOEL.RU

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Были разработаны две модифика ции алгоритма RSA с параметрически ми последовательностями в 32 бита, которые реализованы в программном обеспечении, преобразующем файлы СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

В0

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

системы. Разработанные методы срав нивались по временной трудоёмкости (результаты представлены в таблице). По результатам сравнения, вторая мо дификация работает быстрее алгорит ма RSA. На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы: ● алгоритм RSA подвержен множеству внешних воздействий, и для обеспе чения конфиденциальности переда ваемой информации необходимо

●

использовать параметрическую ин формацию большого объёма; не во всех приложениях (аппарат ных или программных) возможно использование параметров поряд ка 1024 бит и более, поэтому для ре шения подобных задач были разра ботаны модификации алгоритма RSA; при сравнении по временной трудо ёмкости разработанные алгоритмы сопоставимы с RSA (вторая модифи

кация работает быстрее), но для бо лее глубокого анализа необходимо осуществить дальнейшие исследова ния их криптографических характе ристик.

ЛИТЕРАТУРА 1. Мартынов А.П., Фомченко В.Н. Криптогра фия и электроника. Саров: ФГУП «РФЯЦ ВНИИЭФ», 2006. 2. Фомичев В.М. Дискретная математика и криптология. ДИАЛОГ МИФИ, 2003.

Новости мира News of the World Новости мира

Представители корпорации Sony на про ходящем в эти дни в американском Сиэтле Международном симпозиуме SID 2010 (So ciety for Information Display) обнародовали информацию о перспективной разработке в области OLED дисплеев. Продемонстри рованный прототип представляет собой гибкую панель с диагональю 4,1 дюйма, разрешением 432 × 240 точек, контраст ностью 1000 : 1, яркостью более 100 кд/м2, и способностью отображать до 16 млн. цветов.

На первый взгляд кажется, что ничего революционного компания не продемонст рировала, ведь гибкие OLED дисплеи из вестны нам ещё с 2007 г. Однако после просмотра видеоролика становится по нятно, вокруг чего весь шум о новинке Sony. Производитель сообщает, что показан ный прототип можно скрутить в трубочку диаметром до 4 мм при сохранении его полной функциональности. В структуре па нели применены тонкоплёночные органи ческие транзисторы нового типа, разме щённые на гибкой подложке, при этом тол щина панели не превышает 80 нм. Для того чтобы поднять качество OLED дис плеев на новый уровень, специалисты Sony разработали новый органический полупроводниковый материал, который является PXX производным (peri Xanthe noxanthene). В отличие от применявших ся ранее пентаценовых органических по СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

лупроводников, новый материал гораздо лучше противостоит воздействию кисло рода, влаги, тепла и солнечного света и обладает в восемь раз лучшими модуля ционными характеристиками. Впечатляю щие показатели гибкости стали возможны благодаря тому, что необходимость в «жёстких» управляющих микросхемах от пала. Инженеры компании сообщают о том, что дисплей сохраняет возможность отображать видео даже после 1000 циклов сворачивания растяжения. Немаловажным является и то обстоя тельство, что на производство гибких OLED дисплеев Sony расходуется гораздо меньше энергоресурсов, что в свою оче редь снижает количество выбросов в ат мосферу. Это стало возможным благодаря применению органических диэлектриков, которые входят в структуру OLED матри цы: в отличие от традиционных высокотем пературных полупроводниковых вакуум ных процессов с применением кремния, производство новейших органических ди электриков проходит при нормальных усло виях, без воздействия высоких температур и давления. В планы Sony входит работа по дальней шему совершенствованию технологии про изводства органических дисплеев, резуль татом которой станет начало серийного вы пуска гибких OLED панелей для индустрии мобильных устройств, игровых консолей, телевизоров и т.д. http://www.sony.net/

STMicroelectronics планирует перейти на 20 нм техпроцесс в 2012 г. Швейцарская компания STMicroelectro nics планирует перейти на 20 нм техпро цесс в четвёртом квартале 2012 г. Об этом сообщил её главный технолог Джин Марк Чери (Jean Marc Chery) в рамках ежегодного дня аналитики. Он не уточнил, будет ли STMicroelectronics лично разра WWW.SOEL.RU

батывать новый технологический процесс на своей фабрике, которая находится во французском городе Кролле, неподалеку от Гренобля, или же обратится за по мощью к сторонней исследовательской компании. Эксперты предполагают, что первой в мире 20 нм техпроцесс освоит компания GlobalFoundries на фабрике в немецком городе Дрезден. Но возможно, новая тех нология будет разработана на заводе GlobalFoundries в Нью Йорке, который в данный момент строится. Данное дости жение стало бы хорошим началом работы нового подразделения GlobalFoundries. В данный момент GlobalFoundries на дрезденской фабрике работает над освое ние 22 нм техпроцесса, производство чи пов на его основе будет первым заданием фабрики в Нью Йорке. http://www.eet.com/

Спрос на ЖК панели достигнет минимума в июне Согласно источникам из среды тай ваньских производителей жидкокристал лических дисплеев, совокупный спрос и объёмы поставок TFT LCD панелей в теку щем месяце достигнут нижнего предела. Сложившаяся ситуация связывается с низ ким спросом на рынках США и Китая, а также долговым кризисом в Европе. Ожидается, что в июне цены на жидко кристаллические панели для мониторов упадут в среднем на $1–2. Слабый спрос во втором квартале 2010 г. помог сократить дефицит поставок компо нентов для LCD панелей. Тем не менее, нехватка этих компонентов может вновь стать острой проблемой во второй полови не года, когда начнётся пик сезона. Произ водственные мощности поставщиков ком понентов для LCD до сих пор не могут пол ностью удовлетворить спрос. http://www.digitimes.com/

Гибкий OLED дисплей Sony накручивается на карандаш

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Современная среда разработки mikroC для программирования микроконтроллеров на языке высокого уровня Си (часть 1)

Приводится описание современной, мощной и удобной среды разработки mikroC, которая включает большую библиотеку готовых функций для работы с разнообразными интерфейсами и устройствами и позволяет быстро создавать эффективные программы на языке высокого уровня Си для микроконтроллеров семейств PIC, AVR, MCS#51 и др.

ВВЕДЕНИЕ При разработке программ для мик роконтроллерных устройств разработ чик программы встречает ряд труднос тей, преодоление которых отнимает время. Программист вынужден деталь но вникать в структуру программируе мого микроконтроллера, изучать на значение множества его регистров, вплоть до каждого разряда, систему ко манд и т.п. Кроме того, существуют непроизводительные затраты време ни, связанные с повторением этапов, многократно пройденных другими разработчиками. Программисты при разработке программы, как правило, создают ко ды, с помощью которых выполняют ся процедуры инициализации регис тров и векторов прерываний микро контроллера, формируют функции и обработчики прерываний для внут ренних интерфейсов микроконтрол лера и внешних компонентов. Тем самым разработчики программ фа ктически повторяют многие станда ртные процедуры. При этом большая часть времени тратится на отладку создаваемых функций и обработ чиков. Если для реализации конкретного алгоритма работы устройства действи тельно требуется уникальный код программы, то для организации рабо ты с внутренними интерфейсами мик роконтроллера и стандартизованны ми внешними устройствами вполне можно обходиться готовыми и прове ренными библиотеками, имеющими в своём составе набор самых разнооб разных функций для конкретного ти па микроконтроллера.

Здесь можно провести аналогию с популярной средой разработки про грамм для персональных компьюте ров Microsoft Visual С++, которая комп лектуется библиотекой готовых функ ций MFC. Такой комплект позволяет создавать сложные программы в до вольно сжатые сроки, не тратя массу времени на разработку функций для работы с клавиатурой, манипулято ром «мышь», портами компьютера, файлами графики, звуком и т.п. Ана логичные функции имеет среда раз работки Borland C++ Builder с библио текой VCL, а также другие мощные инструменты для разработки компью терных программ для ПК. Однако, в настоящее время не только разработчики программ для ПК, но и разработчики программ микроконт роллерных устройств могут восполь зоваться замечательной средой, име ющей в своём составе настоящий арсе нал готовых функций, позволяющих использовать всю внутреннюю архи тектуру микроконтроллера с много численными типами интерфейсов и множество стандартизованных внеш них устройств. Одним из таких про граммных инструментов является сре да разработки mikroC компании Mikro Elektronika [1].

НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ Данная среда разработки позволяет быстро создавать эффективные про граммы на весьма распространённом и популярном языке высокого уровня Си. Среда имеет удобный и эрго номичный интерфейс пользователя (IDE) со встроенным редактором WWW.SOEL.RU

и мощным отладчиком программ. Встроенный в среду разработки мас тер проектов позволяет в считанные минуты создать заготовку рабочей программы для любого микроконт роллера из целого семейства микро контроллеров. Библиотека готовых функций, входящая в состав этой сре ды, обеспечивает программиста мощ ной поддержкой для быстрого и без ошибочного создания практически любой программы. Среда mikroC включает в себя огром ное количество библиотечных функ ций – практически на все случаи жиз ни. Она содержит функции, которые поддерживают следующие устройства и интерфейсы: ● встроенный аналого цифровой пре образователь (АЦП) микроконтрол лера; ● внутреннюю энергонезависимую память EEPROM микроконтроллера; ● внутренние широтно импульсные модуляторы (PWM) микроконтрол лера; ● внешние сменные карты памяти ти па MMC, SD и Compact Flash; ● файловую систему FAT; ● алфавитно цифровые жидкокристал лические индикаторы (LCD, ЖКИ); ● графические жидкокристалличес кие индикаторы (GLCD, ЖК дисп лей); ● интерфейсы I2C, SPI, 1 Wire, USART, RS 485, CAN, PS/2, USB (HID) и Ether net. Компания MikroElektronika создала среду разработки mikroC для таких по пулярных и известных микроконтрол леров, как семейство PIC компании Mi crochip, AVR компании Atmel и MCS 51. Ведётся разработка среды и для других типов МК, в том числе, для самых со временных 32 разрядных ARM конт роллеров. Удачным подходом в создании дан ных сред является преемственность интерфейса для пользователя, что поз воляет сэкономить время и силы на изучение среды для нового семейства СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Олег Вальпа (Челябинская обл.)

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Рис. 1. Главное окно среды разработки mikroC

ОБЗОР СРЕДЫ Рассмотрим среду разработки mik roC для весьма популярных и распро странённых микроконтроллеров се мейства PIC компании MicroChip [2] на примере версии 8.2.0.0. Другие версии данной среды разработки аналогичны описываемой здесь и отличаются несу щественно. Поскольку компания MikroElektro nika использует принцип наследова ния для своих продуктов, переход к среде разработки для других семейств микроконтроллеров происходит до вольно просто. Интерфейс пользова теля и даже названия подавляющей части библиотечных функций в среде разработки mikroC для различных се мейств микроконтроллеров остаются практически неизменными. Поэтому, изучив и освоив на практике описыва емую здесь среду mikroC для микро контроллеров семейства PIC, в даль нейшем можно будет легко создавать программы для микроконтроллеров других семейств в соответствующей для них среде mikroC. Среда MikroC является дружествен ной и интуитивно понятной. На рисун ке 1 представлено главное окно среды разработки. В центре этого окна распо лагается редактор кода (Code Editor) с исходным текстом программы на язы ке программирования Си. Слева от ре СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

дактора кода находится окно с заклад ками проводника кода (Code Explorer), быстрой помощи (QHelp) и назначе нием клавиш (Keyboard). Под окном редактора кода находит ся окно с закладками настройки про екта (Project Setup) и содержимого проекта (Project Summary). Внизу рас полагается окно с закладками сообще ний (Messages), поиска (Find) и быст рого конвертора (QConvertor). Справа находится панель инструментов, а сверху – главное меню среды разра ботки. Среда MikroC имеет следующие воз можности: ● текст программы вводится с по мощью встроенного редактора ис ходного кода; ● все строки программы имеют нуме рацию; ● имеется встроенная помощь кода и параметров, контекстная подсветка, автоматическая коррекция кода, ко довые шаблоны и т.п.; ● проводник кода (Code Explorer) поз воляет оперативно контролировать структуру программы, переменные и функции проекта; ● после компиляции проекта создаются комментированный файл на ассем блере и стандартный HEX файл для использования разными типами программаторов; ● встроенный отладчик позволяет проверять ход и логику исполнения программы; WWW.SOEL.RU

●

после компиляции предоставляется полная статистика использования памяти, ассемблерный листинг, де рево вызовов функций и т.п.; включено большое количество при меров, которые можно расширять и использовать как составные части разрабатываемых проектов.

СОЗДАНИЕ ПРОГРАММЫ Программы в mikroC организованы в виде проектов, состоящих из файла проекта с расширением .ppc, одного или нескольких файлов исходного ко да, имеющих расширение .c, а также создаваемых в процессе трансляции вспомогательных файлов. Файл с ис ходным кодом автоматически компи лируется, если он включен в состав проекта. Файл проекта несёт следующую ин формацию: ● имя проекта и необязательное опи сание; ● тип микроконтроллера; ● конфигурацию; ● тактовую частоту микроконтрол лера; ● список исходных файлов проекта с указанием путей к ним. Самый простой способ создания проекта – использовать для этих це лей мастер новых проектов, который запускается из главного меню с по мощью команды Project → New Project. В открывшемся окне нового проекта (см. рис. 2) следует заполнить поля

микроконтроллеров и сразу же присту пать к этапу программирования.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

описания проекта необходимыми зна чениями (название и описание про екта, расположение, устройство, час тота, слово конфигурации). После щелчка по программной кнопке OK mikroC создаст соответствующий файл проекта. Кроме этого, после создания проек та будет создан пустой исходный файл с расширением .c для текста програм мы, имеющий название проекта. Среда MikroC не требует, чтобы исходный файл имел такое же название, как про ект, поэтому его можно переимено вать. В любое время можно изменить настройки проекта, используя глав ное меню Project → Edit Project. Про ект можно переименовать, изменить его описание, используемый микро контроллер, частоту, конфигурацию и т.п. Для удаления проекта достаточно удалить папку, в которой располагает ся файл проекта с расширением .ppc. Проект может содержать произволь ное количество исходных файлов с расширением .c. Список имеющих отношение к проекту файлов сохраня ется в файле самого проекта. Чтобы до бавить исходный файл в проект, надо

выбрать команду Project → Add to Pro ject из выпадающего меню или клик нуть мышкой по пиктограмме добавле ния файла к проекту . Для удаления файла из проекта сле дует выбрать команду Project → Remove from Project из выпадающего меню или кликнуть по пиктограмме удале ния файла из проекта . Для включения в проект заголовоч ного файла с расширением .h, следует использовать в коде программы дирек тиву препроцессора #include, напри мер: #include <header_name> или #include "header_name" Чтобы создать новый исходный файл, следует выбрать команду File → → New из выпадающего меню, или на жать комбинацию клавиш Ctrl+N, или кликнуть мышкой по пиктограмме соз дания нового файла . После этого открывается вкладка с новым названи ем. Это и есть новый исходный файл. Для задания названия следует выбрать команду File → Save As из выпадающего WWW.SOEL.RU

РЕДАКТИРОВАНИЕ КОДА ПРОГРАММЫ Среда разработки программ mikroC имеет встроенный современный текс товый редактор, способный удовлет ворить запросы даже искушённого СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 2. Окно нового проекта

меню и сохранить файл с новым назва нием. Чтобы отрыть уже существующий файл, надо выбрать команду File → → Open из выпадающего меню, или на жать комбинацию клавиш Ctrl+O, или кликнуть мышкой по иконке открытия файла . После этого появляется окно выбора файла, в котором и следует произвести обычные действия по вы бору и открытию. Открытый файл вы водится в собственной вкладке. Если выбранный файл уже открыт, его вкладка становится активной, т.е. до ступной для редактирования. Если потребуется распечатать какой либо файл проекта, то вкладка файла, который предполагается вывести на печать, должна быть активной. Затем следует выбрать команду File → Print из выпадающего меню, или нажать клавиши Ctrl+P, или кликнуть мышкой по пиктограмме печати. В предвари тельном окне печати следует устано вить необходимые настройки печати и кликнуть по кнопке OK. После этого файл будет отправлен на выбранный принтер. Для сохранения файла надо вы брать команду File → Save из выпадаю щего меню, или нажать клавиши Ctrl+S, или кликнуть мышкой по пик тограмме сохранения файла. Файл будет сохранён под старым названи ем. Вкладка файла, который предпо лагается сохранять, должна быть ак тивной. Для сохранения файла под другим названием следует выбрать File → Save As из выпадающего меню или нажать клавиши Ctrl+Shift+S. После этого вы водится диалоговое окно сохранения файла под другим названием. В этом окне надо выбрать каталог, где будет сохранён файл. В поле имени файла надо задать новое название и клик нуть мышкой по пиктограмме сохра нения. Закрытие файла выполняется вы бором команды File → Close из выпа дающего меню или кликом по кнопке закрытия вкладки. Если файл был из менён со времени последнего сохра нения, будет предложено сохранить эти изменения.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 3. Окно диалога Preferences

Рис. 4. Окно Code Assistant списка или с помощью стрелок на кла виатуре выбрать подходящий вариант кода из предложенных строк и нажать клавишу Enter. Ассистент параметров (Parameter As sistant) помогает правильно ввести па раметр или аргумент функции. Он вы зывается автоматически после ввода символа открывающейся скобки «(» или после нажатия комбинации кла виш Shift+Ctrl+Space. Если имя разре шённой функции предшествует скоб кам, предполагаемые аргументы будут выведены на всплывающую панель. По мере печати очередного фактического аргумента, следующий предлагаемый аргумент будет выделен жирным шрифтом. Кодовые шаблоны помогают уско рить ввод стандартных операторов и конструкций языка программирова ния без ошибок. Шаблон можно встав лять в текст программы, вводя назва ние шаблона (например, for) и нажав комбинацию клавиш Ctrl+J, после чего редактор автоматически сгенерирует код шаблона и вставит его в текст про граммы. Другой способ вставки шаб лона заключается в вызове диалога с помощью клавиши F12 и последую щем выборе шаблона из списка в за кладке Auto Complete, с переносом его в код программы копированием. WWW.SOEL.RU

Кроме того, можно добавить соб ственные шаблоны с помощью диа лога Preferences на вкладке Auto Complete. Для этого следует ввести со ответствующее ключевое слово, опи сание и свой кодовый шаблон. Авто коррекция позволяет исправлять наи более часто встречающиеся опечатки. Для доступа к списку распознаваемых опечаток следует выбрать команду Tools → Options из выпадающего ме ню или кликнуть по пиктограмме инструментов , а затем выбрать вкладку Auto Correct. Здесь можно до бавить в список свои собственные предпочтения. Закладки облегчают навигацию в ко де большого размера. Для установки закладки используется комбинация клавиш Ctrl+Shift+number. Для перехо да к закладке используется Ctrl+num ber. Переход на заданную строку облег чает навигацию в коде большого раз мера. Для этого достаточно нажать комбинацию клавиш Ctrl+G и в по явившемся окне (см. рис. 5) ввести но мер искомой строки. Кроме этого, редактор исходного ко да имеет возможность показывать и скрывать комментарии к выбранному коду одним кликом мышки, используя пиктограммы Comment Code и Re

профессионала. Редактирование кода программы практически не отличает ся от работы со стандартным тексто вым редактором, включая возможнос ти копирования, вставки и отката, ис пользуемые в операционной системе Windows. Но, кроме основных операций, этот редактор поддерживает специ альные сервисные возможности, зна чительно облегчающие труд про граммиста. К этим возможностям от носятся: ● настраиваемая контекстная подсвет ка (Syntax Highlighting); ● кодовый ассистент (Code Assistant); ● ассистент параметров (Parameter As sistant); ● кодовые шаблоны; ● автокоррекция кода программы (Auto Correct); ● закладки и переходы по номеру строки. Настройка параметров этих возмож ностей редактора осуществляется в ок не диалога Preferences (см. рис. 3). Дан ный диалог запускается с помощью команды Tools → Options из выпадаю щего меню или щелчком мыши по пиктограмме . Рассмотрим подробнее назначение и использование этих возможностей. Контекстная подсветка значительно улучшает читаемость программы и обнаружение в ней ошибок за счёт ав томатического окрашивания фраг ментов программы в соответствии с их функциональным назначени ем. Например, как это сделано в окне с кодом программы диалога Prefe rences. Диалог Preferences редактора кода программы уже содержит три готовые схемы раскраски с названиями: mikro Dream (с белым фоном), MrGreen (с зе лёным фоном) и Zedar (с чёрным фо ном). В диалоге Preferences пользова тель среды может выбрать любую из имеющихся схем подсветки либо соз дать свою собственную. Кодовый ассистент (Code Assistant) подсказывает правильное название и написание существующего кода про граммы. Например, если в редакторе кода программы напечатать один или несколько символов слова и нажать клавиши Ctrl+Space, все разрешённые идентификаторы, соответствующие напечатанным символам, будут пред ложены во всплывающем окне (см. рис. 4). Теперь можно продолжить ввод символов для сужения предлагаемого

Рис. 5. Окно поиска строки по номеру move Comments на панели инстру

ментов (Code Toolbar). С появлением новых версий среды разработки появляются и новые воз

можности редактора кода. Их описа

ние всегда можно найти во встроен

ной справочной системе среды разра

ботки.

КОМПИЛЯЦИЯ ПРОЕКТА После создания проекта и написа

ния исходного кода необходимо вы

полнить его компиляцию. Для этого следует выбрать команду Run → Com

pile из выпадающего меню или клик

нуть по пиктограмме компилятора , расположенную на панели компиля

тора (Compiler Toolbar). Появившийся индикатор процесса компиляции будет информировать о ходе компиляции. В случае обнаруже

ния ошибок появятся соответствую

щие сообщения в окне ошибок (Error Window). Если ошибок нет, в окне Messages появятся сообщения об успешной компиляции и объёме ис

пользованной памяти микроконтрол

лера под программу. В случае успеш

ной компиляции среда mikroC созда

ёт выходные файлы в каталоге про

екта (каталог, где содержится файл проекта с расширением .ppc). Описа

ние выходных файлов приведено в таблице 1. После компиляции программы в mikroC, можно кликнуть по иконке просмотра ассемблера (View Assembly) или выбрать команду View → View Assembly из выпадающего меню, чтобы проверить сгенерированный ассемб

лерный код (файл с расширением .asm) в новом окне. Ассемблерный код представляет собой текст с символи

ческими именами. Все физические ад

реса и прочая информация может быть найдена в статистике или файле листинга. Если программа не компилирова

лась и ассемблерный файл не созда

вался, использование этой возможнос

ти приводит к компиляции кода и по

лучению ассемблерного файла для просмотра.

СТАТИСТИКА После успешной компиляции можно посмотреть статистические сведения о коде. Для этого следует выполнить команду View → View Statistics из вы

падающего меню или кликнуть по пик

тограмме статистики . При этом по

явится окно с шестью вкладками (см. рис. 6): ● окно использования памяти (Me

mory usage) обеспечивает просмотр использования RAM и ROM в форме гистограмм; ● окно размера функций (Procedures sizes) выдаёт в форме гистограммы размеры памяти, занимаемой каж

дой функцией; ●

●

окно расположения функций (Pro

cedures locations) выдаёт в форме гистограммы положение в памяти, занимаемой каждой функцией; окно детальной информации по каждой функции (Procedures Details) позволяет посмотреть полное дерево вызова вместе с остальной инфор

мацией: размер, начальный и конеч

ный адреса, частота обращений, тип возвращаемого значения и т.п.; окно RAM позволяет посмотреть распределение всех регистров и их адреса. Также выводятся символьные имена переменных с адресами; окно ROM выдаёт список всех кодов инструкций с адресами в читабель

ном шестнадцатеричном представ

лении.

ОТЛАДКА ПРОГРАММЫ Отладчик в исходных кодах является встроенной компонентой среды mik

Таблица 1. Описание выходных файлов Формат файла Intel HEX Двоичный Файл листинга Текст на ассемблере

Описание содержимого файла

Расширение файла

Шестнадцатеричный код в формате Intel. Используется для программирования

hex

Библиотека компилятора mikroC. Двоичные дистрибутивы подпрограмм, пригодные для включения в другие проекты

mcl

Общая картина распределения памяти микроконтроллера: адреса инструкций, регистры, программы и метки

lst

Читаемый ассемблерный файл с символическими именами, полученный из файла листинга

asm

WWW.SOEL.RU

roC. Он предназначен для симуляции работы МК и для облегчения пользова

телю процесса отладки кодов програм

мы на языке программирования Си, написанных для этих микроконтрол

леров. После успешной компиляции про

екта можно запустить отладчик с по

мощью команды Run → Start debugger из выпадающего меню, или кликнуть по пиктограмме отладчика , или нажать клавишу F9. При этом появит

ся окно отладчика программы (см. рис. 7). Отладчик позволяет выполнять по

шаговое исполнение программы (Step Into), пошаговое исполнение с «пере

шагиванием» функций (Step Over), ис

полнение до текущей позиции курсора (Run to Cursor) и т.д. Строка програм

мы, которая будет исполняться, подсве

чивается (по умолчанию – синим цве

том). В отладчике можно включать и вы

ключать точки останова в текущей по

зиции курсора с помощью клавиши F5. Чтобы посмотреть все точки оста

нова, используется команда Run→ → View Breakpoints из выпадающего меню. Щелчок левой кнопкой мыши по номеру строки в окне исходного текста программы также включает и выключает точку останова в этой строке. Команда Run to cursor (клавиша F4) выполняет все операторы программы от текущего и до позиции курсора. Команда Step Into (клавиша F7) вы

полняет текущий оператор програм

мы с заходом в вызываемую функцию. Команда Step Over (клавиша F8) вы

полняет текущий оператор програм

мы без захода в вызываемую функцию. Команда Step Out (клавиши Ctrl+F8) последовательно выполняет все опе

раторы программы, пока не встретит

ся точка останова. Переключение между окном про

граммы на языке Си и окном с дизас

семблированным кодом осуществля

ется с помощью комбинации клавиш Alt+D. Окно наблюдения отладчика (Watch) – это основное окно отладки, которое позволяет контролировать элементы программы во время её отладки. Что

бы открыть окно наблюдения, надо вы

брать команду View → Debug Windows → → View Watch из выпадающего меню во время отладки. Окно наблюдения показывает переменные и регистры микроконтроллера, их адреса и значе

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Рис. 7. Окно отладчика программы

ния. Значения обновляются в процес се симуляции работы программы в от ладчике. Последние изменённые эле менты в окне выделяются красным цветом. Для добавления или удаления наблюдаемых элементов в окно следу ет использовать соответствующее вы падающее меню. Двойной щелчок на элементе в окне наблюдения открывает окно редакти рования, где можно присвоить вы бранной переменной или регистру новое значение. Также можно выбрать двоичное, шестнадцатеричное, деся тичное или символьное представ ление этого значения в окне наблю дения. Окно хронометража (Stopwatch) от ладчика (см. рис. 8) доступно из выпада ющего меню View → Debug Windows → → View Clock. В окне хронометража отображается текущий счётчик (Cur rent Count) периодов тактовой частоты и секунд от момента запуска отладчи ка. Секундомер (Stopwatch) измеряет время исполнения в периодах такто вой частоты и секундах от момента за пуска отладчика и может быть обну лён в любое время. Разность (Delta) представляет фактически время вы полнения участка программы от пре дыдущей точки останова до текущей в периодах и секундах (при пошаговом

исполнении отображается время вы полнения одной строки кода програм мы на Си). Также в окне отображается текущая тактовая частота микроконт роллера (Clock). Тактовую частоту в окне хрономет ража можно изменять, что приведёт к пересчёту времени в секундах. Это из менение не влияет на текущие уста новки проекта, где тоже задана так товая частота микроконтроллера, а влияет только на расчёт времени си муляции. Окно просмотра памяти (View RAM Window) доступно из выпадающего ме ню View → Debug Windows → View RAM. Окно просмотра памяти (см. рис. 9) по казывает карту памяти МК, где самые последние изменения выделены крас ным цветом. Можно изменять значе ния полей карты памяти путём двой ного щелчка на нужном поле. В случае если компилятор обнару живает ошибку, он сообщает об этом и не создаёт выходной файл. Окно оши бок, расположенное по умолчанию внизу основного окна, напоминает об этом. Окно ошибок расположено под вкладкой сообщений и отображает место и тип ошибки, обнаруженной компилятором. Также компилятор вы водит предупреждения, но они не вли яют на выходной файл. Двойной щел

Рис. 8. Окно хронометража отладчика

Рис. 9. Окно просмотра памяти МК

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

чок по строке сообщения в окне оши бок приводит к подсветке строки ис ходного текста, где эта ошибка была обнаружена.

ИНСТРУМЕНТЫ СРЕДЫ Встроенная карта ASCII (см. рис. 10) позволяет посмотреть код любого сим вола ASCII в десятичном, шестнадцате ричном и двоичном формате. Открыть карту символов ASCII можно из выпа дающего меню Tools → ASCII chart, а посмотреть код символа очень удобно с помощью мыши, наводя её курсор на интересующий код в окне карты сим волов. С помощью инструмента экспорта кода, вызываемого из меню Tools → Ex port Code To HTML, можно очень прос то получить код программы в формате HTML для публикации его в Интернете. Например, код программы, получен ный из примера программы, описан ного выше, будет иметь следующий вид на странице Интернет: Version:0.9 StartHTML:0000000105 EndHTML:0000004659 StartFrag ment:0000001167 EndFrag ment:0000004643 void main() { ADCON1 = 0x80; // Configure ana log inputs and Vref

Рис. 6. Окно статистики

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

bits to PORTD PORTB = temp_res >> 2; // Send 2 most significant bits to RB7, RB6 } while(1); В среду mikroC включен терминал связи USART для работы с интерфей сом RS 232 (см. рис. 11). Его можно запустить из выпадающего меню Tools → Terminal, или щелчком по иконке терминала, или с помощью клавиш Ctrl+T. Он позволяет отлажи вать программы, в которых исполь зуется интерфейс USART для связи с внешними устройствами, на разных скоростях и с различными формата ми данных. Декодер семисегментных символов (см. рис. 12) является удобным инстру ментом получения кодов индикации по нужной комбинации активных сег ментов. Активация и деактивация сег мента осуществляется простым щелч ком мыши на изображении сегмента. Декодер можно запустить из выпада ющего меню Tools → Seven Segment De coder. Встроенный генератор кода для ЖК индикаторов (см. рис. 13) позволяет очень легко создать любой символ для матрицы ЖКИ. Данный генератор кода запускается из выпадающего меню Tools → LCD Custom Character. Он же позволяет сгенерировать программ ный код для отображения этого сим вола на языке программирования mikroPascal, mikroBasic или mikroC (см. рис. 14) простым нажатием на программ ную кнопку GENERATE. Ниже приведён программный код на языке програм мирования Си, полученный данным генератором кода.

Рис. 10. Встроенная карта ASCII

Рис. 11. Терминал связи USART TRISA = 0xFF; // PORTA is input TRISB = 0x3F; // Pins RB7, RB6 are outputs TRISD = 0; // PORTD is output

do { temp_res = Adc_Read(2); // Get results of AD conversion PORTD = temp_res; // Send lower 8 WWW.SOEL.RU

Ещё более мощным встроенным инструментом среды является генера тор кода для графических ЖК диспле ев (см. рис. 15). Он запускается из вы падающего меню Tools → GLCD Bitmap Editor и позволяет создавать точечные рисунки для дисплеев типа KS0108, СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

const char character[] = {0,0,16,0,2,0,8,0}; void CustomChar(char pos_row, char pos_char) { char i; LCD_Cmd(64); for (i = 0; i<=7; i++) LCD_Chr_Cp(character[i]); LCD_Cmd(LCD_RETURN_HOME); LCD_Chr(pos_row, pos_char, 0); }

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Рис. 12. Декодер семисегментных символов

Рис. 13. Встроенный генератор кода для ЖК индикаторов

Рис. 14. Окно с примером кода для ЖК индикаторов

Рис. 15. Генератор кода для графических ЖК дисплеев

Рис. 16. Встроенный инструмент MMC Terminal WWW.SOEL.RU

T6963 и Nokia3110, а также генериро

вать программный код для этих дис

плеев на трёх языках программиро

вания. Для отладки программ, обеспечива

ющих работу с картами памяти типа MMC, существует встроенный инстру

мент MMC Terminal (см. рис. 16). Он запускается из выпадающего меню Tools → MMC Card Terminal и позволя

ет осуществлять чтение и запись дан

ных карты памяти по секторам через последовательный COM порт компь

ютера. Встроенный редактор пере

программируемой памяти микроконт

роллера (см. рис. 17) запускается из выпадающего меню Tools → EEPROM Editor и позволяет модифицировать данные этой памяти. Для отладки программ можно ис

пользовать специальный загрузчик программ mikroBootloader (см. рис. 18). Поскольку многие семейства МК име

ют возможность записывать в свою собственную программную память данные, это позволяет хранить в них небольшую программу загрузчик, ко

торая будет принимать и записывать в программную память коды програм

мы. В наиболее простом варианте за

грузчик передаёт управление програм

ме пользователя всегда, кроме случая, когда есть запрос на загрузку новой программы. В такой ситуации загруз

чик получает данные и записывает их в программную память. Существует много усовершенствований, которые могут быть добавлены, чтобы сделать процесс загрузки более надёжным и удобным. Естественно, что загрузчик можно использовать только с микроконт

роллерами, поддерживающими за

пись во флэш память программ. Ре

зидентная часть загрузчика даёт компьютеру 5 с на то, чтобы устано

вить с ней связь. Если этого не проис

ходит, она запускает на исполнение имеющуюся программу пользовате

ля. Если связь установлена, резидент

ная часть загрузчика принимает коды и записывает их в программную па

мять. Ниже описан процесс использова

ния загрузчика: ● загрузить в микроконтроллер необ

ходимый файл программы, исполь

зуя обычную технологию програм

мирования файла в HEX формате. Например, для микроконтролле

ра PIC16F877A использовать файл p16f877a.hex;

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

●

Рис. 17. Встроенный редактор перепрограммируемой памяти МК

запустить загрузчик из выпадаю щего меню Tools → mikroBootloa der; щёлкнуть на Setup Port и затем вы брать номер COM порта, используе мого для связи с микроконтролле ром. Убедиться, что установлена ско рость обмена 9600 кБод; выбрать из меню Open File и за тем выбрать файл с кодами для за грузки; поскольку резидентный загрузчик микроконтроллера даёт компьюте ру не более 5 с на установку соедине ния, следует сбросить микроконт роллер, а затем в течение не более 5 с жать на кнопку Connect; теперь последняя строчка в окне истории будет Connected; для запуска загрузки щёлкнуть по программной кнопке Start Bootloa der; программа будет загружаться в па мять микроконтроллера. Загрузчик будет сообщать об ошибках, возни кающих в процессе загрузки;

сбросить микроконтроллер и на чать исполнение загруженной про граммы. Наиболее общие функции загрузчи ка перечислены ниже: ● адрес аппаратного сброса находится в распоряжении резидентной про граммы загрузки; ● другая часть кода резидентного за грузчика занимает небольшую про извольную область памяти; ● проверяется необходимость начала загрузки нового кода; ● если нет необходимости загрузки нового кода, то запускается на ис полнение имеющийся в памяти код пользователя; ● при загрузке новые данные прини маются по каналу связи; ● принятые данные записываются в программную память. Взаимодействие кода пользователя и резидентного загрузчика имеет неко торые особенности. Резидентная часть практически всегда использует адрес рестарта и некоторую дополнитель ную область памяти. Это – небольшой фрагмент кода, который не использует прерываний, таким образом, пользова телю становится доступен вектор пре рываний по адресу 0x0004. Резидент загрузчика должен избегать использо вания вектора прерывания, поэтому переход к остальной части програм мы загрузки должен производиться в пределах адресов от 0x0000 до 0x0003.

Рис. 18. Загрузчик программ mikroBootloader

Рис. 19. Встроенный инструмент отладки программ для USB устройств

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

●

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Рис. 20. Встроенный инструмент UDP Terminal

Рис. 21. Окно запуска программирования

Резидентный загрузчик должен про граммироваться в микроконтроллер с использованием обычного програм матора, одновременно с битами кон фигурации. Резидентный загрузчик не

позволяет менять биты конфигурации, поскольку они располагаются за пре делами программной памяти. Для отладки программ для USB устройств существует встроенный

Таблица 2. Список клавиатурных команд

F3 Ctrl+A Ctrl+C Ctrl+F Ctrl+H Ctrl+P Ctrl+S Ctrl+Shift+S Ctrl+V Ctrl+X Ctrl+Y Ctrl+Z Ctrl+Space Ctrl+Shift+Space Ctrl+D Ctrl+G Ctrl+J Ctrl+number Ctrl+Shift+number Ctrl+Shift+I Ctrl+Shift+U Alt+Select F4 F5 F6 F7 F8 Ctrl+F8 F9 Ctrl+F2

Команды среды разработки Помощь Новый файл Открыть файл Компилировать проект Включение/выключение проводника кода Просмотр точек останова Основные команды редактирования Найти, найти далее Выделить всё Копировать Найти Заменить Печатать Сохранить Сохранить как Вставить Вырезать Повтор отменённого действия Отменить действие Расширенные команды редактирования Помощь в коде (Code Assistant) Помощь в параметрах (Parameters Assistant) Найти определение Перейти к строке номер Вставить шаблон кода Перейти к закладке Установить закладку Отступ для выделенной части текста Отмена отступа для выделения части текста Выбрать столбец Команды отладчика Выполнить всё до курсора Включение/выключение точки останова Пуск/пауза программы в отладчике Шаг с заходом в функцию Шаг без захода в функцию Шаг с выходом из функции Запуск отладчика Сброс

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

КЛАВИАТУРНЫЕ КОМАНДЫ В таблице 2 приводится список кла виатурных команд, используемых в mikroC. Данный список команд с опи санием назначения на английском языке можно посмотреть в окне про водника кода (Code Explorer), на вклад ке Keyboard. Продолжение следует

ЛИТЕРАТУРА 1. www. mikroe.com. 2. www.microchip.com. WWW.SOEL.RU

Клавиши F1 Ctrl+N Ctrl+O Ctrl+F9 Ctrl+F11 Ctrl+Shift+F5

инструмент (см. рис. 19), запускаемый из выпадающего меню Tools → HID Ter minal. При создании программ для сетевых устройств с интерфейсом Ethernet очень полезным может оказаться встроенный инструмент UDP Terminal (см. рис. 20). Он запускается из выпада ющего меню Tools → UDP Terminal и позволяет отлаживать программы, поддерживающие сетевой протокол UDP. Созданную и отлаженную програм му можно записать в память про грамм микроконтроллера непосред ственно из среды разработки с помощью специального программа тора, разработанного в компании MikroElektronika. Программирование (см. рис. 21) за пускается из выпадающего меню Tools → mE Programmer или с по мощью клавиши F11. После програм мирования МК можно приступать к тестированию программы в реаль ном устройстве.

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ

Новый способ помехоустойчивого кодирования

В статье представлен способ помехоустойчивого кодирования с формированием состояний контрольных разрядов путём попарного сложения по модулю 2 состояний всех информационных разрядов.

Одной из основных задач цифровых систем связи является неискажённая передача информации в условиях воз действия внешних помех. Помехо устойчивость информационных посы лок обеспечивается введением в их состав контрольных разрядов, состоя ние которых однозначно отражает состояние информационных разря дов. Количество и способ формирова ния контрольных разрядов определя ют структуру и степень сложности ко дирующих и декодирующих устройств помехоустойчивых кодов. Простота схемных решений указан ных преобразователей кодов достига ется, в частности, при использовании кода с удвоением элементов [1] (кор реляционного кода [2]). Эффектив ность обнаружения ошибок повыша ется в данном коде не только за счёт увеличения его избыточности, но и за счёт введения определённых зависи мостей между элементами кодовых комбинаций путём преобразования каждого элемента первичного кода в два элемента («1» преобразуется в «10», а «0» в «01»). Поэтому корреляционный код содержит в два раза больше эле ментов, чем первичный код. Недостат ком данного кода является отсутствие возможности исправления ошибок и обнаружения двойных ошибок, свя занных с изменением состояния обо их элементов каждого разряда первич ного кода. Для повышения эффективности об наружения ошибок и достижения воз а1

а3

Рис. 1. Граф кода «3 + 3»

а2

можности исправления ошибок с по мощью относительно простых опера ций, производимых над принятой ко довой комбинацией, предлагается контрольные разряды формировать путём попарного сложения по модулю 2 состояний информационных разря дов, количество которых должно быть не менее трёх. Графическое представ ление данного кода в виде ненаправ ленного графа показано на рисунке 1, где вершинами графа являются инфор мационные разряды а1, а2, а3, а рёбра ми – контрольные разряды b1 = a1⊗a2, b2 = a2⊗a3, b3 = a3⊗a1. Максимальное количество m контрольных разрядов в рассматриваемом случае определя ется количеством сочетаний из n по 2, где n – количество информационных разрядов; при n = 3 Mmax = С 23 = 3 [3]. При использовании параллельного выходного кода кодирующее устрой ство контрольных разрядов может быть выполнено на основе элементов «исключающее ИЛИ». Последователь ный выходной код может быть сфор мирован, в частности, с помощью кодирующего устройства, представ ленного на рисунке 2. В исходном состоянии триггер установлен в лог. 0, и в регистр заведены информацион ные разряды, начиная с первого. На тактовом C входе и выходе QC присут ствует лог. 0, на входе X0 мультиплек сора и на информационном выходе QD – состояние разряда a1, на входе X1 мультиплексора – состояние раз ряда b1. По заднему фронту первого тактово го импульса триггер переключается в лог. 1, разрешая прохождение на вы ход QD состояния разряда b1. По задне му фронту второго тактового импуль са триггер возвращается в лог. 0, вызы вая сдвиг информации в регистре. При этом на входе X0 мультиплексора уста навливается состояние a2, а на входе X1 – состояние b2. Далее работа коди рующего устройства происходит ана логичным образом. При этом на выхо WWW.SOEL.RU

де QD формируется последователь ность разрядов a1, b1, a2, b2, a3, b3. Схема декодирующего устройства параллельного кода приведена на ри сунке 3. При использовании последо вательного кода в схему необходимо вводить преобразователь последова тельного кода в параллельный на осно ве регистра сдвига. Декодирующее уст ройство, показанное на рисунке 3, со держит схему обнаружения ошибок на основе трёхвходовых элементов «ис ключающее ИЛИ» с выходными сигна лами e1, e2, e3 и схему исправления ошибок на основе двухвходовых эле ментов «И» и «исключающее ИЛИ». В схеме обнаружения ошибок про изводится анализ соответствия со стояния каждого из принятых конт рольных разрядов по состоянию порождающей его пары принятых ин формационных разрядов. При отри цательном результате анализа на соот ветствующем выходе формируется сиг нал ошибки. При этом e1 = a1'⊗a2'⊗b1', e2 = a2'⊗a3'⊗b2', e3 = a1'⊗a3'⊗b3'. Вход ные сигналы декодирующего устрой ства отмечены штрихом, поскольку они могут отличаться от выходных сигналов кодирующего устройства. Количество возможных ошибок крат ности S во входном коде определяется количеством сочетаний из m + n по S, S т.е. C m+n . Анализ выходных сигналов схемы обнаружения ошибок показывает, что выявляются все одиночные и двойные ошибки и 80% тройных ошибок, за ис ключением четырёх ошибок в разрядах a1a2a3, a1b1b3, a2b1b2, a3b2b3 из об щего количества тройных ошибок, рав ного 20. Указанные результаты подтверж даются анализом ненаправленного гра фа, представленного на рисунке 1. Схема исправления ошибок обеспе чивает восстановление состояния в случае одиночного сбоя любого из ин формационных разрядов. Изменение принятого состояния информацион ного разряда производится при его не соответствии состоянию обоих свя занных с ним контрольных разрядов. При этом одиночный сбой любого из контрольных разрядов не приводит к искажению состояния информацион ных разрядов. Недостатком данного СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Сергей Гончаров, Анатолий Силаев, Геннадий Шишкин (Нижегородская обл.)

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

X0 D1

Q2 A С

Q1 T С

Рис. 2. Кодирующее устройство кода «3 + 3» e3

а1’

а1

e3 =1 b2’

а2’

а2

a3’ =1

а3’

& b3’

а3

Рис. 3. Декодирующее устройство кода «3 + 3» e5, e6, и возможности использования двухвходовых элементов «И». В этом случае схема обнаружения обеспечи вает фиксацию одиночных, двойных и более 95% тройных ошибок, за ис ключением четырёх ошибок a1b1b4, a2b1b2, a3b2b3, a4b3b4 из общего ко личества тройных ошибок 92. Схема исправления ошибок обеспе чивает восстановление состояния в случае одиночного сбоя любого из ин формационных разрядов. Одиночный сбой любого из контрольных разрядов не вызывает изменения состояния ин формационных разрядов. При использовании кода «4 + 6» схе ма обнаружения обеспечивает фик сацию одиночных, двойных, тройных и более 97% четверных ошибок, за ис ключением пяти ошибок a1b1b4b5, a2b1b2b6, a3b2b3b5, a4b3b4b6, a1a2a3a4 из общего количества четверных оши бок 210. Схема исправления ошибок обеспе чивает восстановление состояния по сле одиночного сбоя любого из инфор мационных разрядов при его несоот ветствии состоянию трёх связанных с WWW.SOEL.RU

ним контрольных разрядов. При этом не только одиночный, но и двойной сбой контрольных разрядов не вызы вает изменения состояния информа ционных разрядов. В схеме, приведённой на рисунке 6, трёхвходовые элементы «И» можно за менить мажоритарными элементами. В этом случае схема исправляет состо яние информационного разряда при одновременном сбое одного из связан ных с ним контрольных разрядов, но двойной сбой последних вызывает из менение состояния соответствующего информационного разряда. Поэтому b1

а1

а2

b2 b6

а4

а3

Рис. 4. Граф кода «4 + 6»

декодирующего устройства является фиксация устройством обнаружения указанных одиночных ошибок конт ролирующих разрядов, не вызываю щих изменение состояния информа ционных разрядов на выходе схемы исправления ошибок. Это затрудняет использование сигналов ошибки при наличии схемы исправления. Ненаправленный граф для четырёх информационных разрядов показан на рисунке 4. Максимальное количест во контрольных разрядов Mmax = С24 = 6. Код, представленный на рисунке 1, можно назвать кодом «3 + 3» (три ин формационных и три контрольных разряда). При наличии четырёх инфор мационных разрядов можно рассмат ривать два варианта кода: код «4 + 4» без использования контрольных разрядов b5 и b6 (по аналогии с кодом «3 + 3») и код «4 + 6». При использовании параллельного кода кодирующее устройство строится на основе элементов «исключающее ИЛИ». Последовательный выходной код «4 + 4» может быть сформирован аналогично рисунку 3. Для кода «4 + 6» можно использовать кодирующее уст ройство, показанное на рисунке 5. В исходном положении в регистр запи сано состояние всех информацион ных разрядов; состояние a1 записано в четвёртый разряд. Мультиплексоры пе редают на выход информацию с вхо да X0. Элемент «исключающее ИЛИ» подготовлен для формирования конт рольных разрядов b1, b2, b3, b4. При поступлении тактовых импуль сов на выход QD сначала передаются информационные разряды a1, a2, a3, a4. Затем, после переключения третье го разряда счётчика, на выход QD по следовательно передаются контроль ные разряды b1, b2, b3, b4 с входа X1 мультиплексора MX2. После переклю чения четвёртого разряда счётчика мультиплексор MX1 переходит в ре жим формирования контрольных раз рядов b5, b6, которые последовательно выдаются на выход QD. Данная схема может использоваться и для формиро вания кода «4 + 4». При этом отпадает необходимость в четвёртом разряде счётчика, элементе «ИЛИ» и мульти плексоре MX1. Схема декодирующего устройства кода «4 + 6» аналогична рисунку 3 и приведена на рисунке 6. При использо вании кода «4 + 4» схема упрощается за счёт исключения элементов, необ ходимых для формирования сигналов

MX QD

X С

С 1 QС

8 4 2

Рис. 5. Кодирующее устройство кода «4 + 6» b1’

а1’ а2’

& b2’

а3’

b5’

а2’

а3 b4’

а1

=1 а2

b3’

а1’

а4

а3’

а2

а3

а5 b6’

а4’

а6

а4

Рис. 6. Декодирующее устройство кода «4 + 6» замену элементов «И» на более слож ные мажоритарные элементы произ водить нецелесообразно. Ненаправленный граф для пяти ин формационных разрядов показан на рисунке 7. Максимальное количество контрольных разрядов Mmax = С25 = 10. В этом случае можно рассматривать два варианта кода: код «5 + 5», когда с каж дым информационным разрядом свя заны два контрольных разряда, и код «5 + 10», когда с каждым информацион

ным разрядом связаны четыре конт рольных разряда. Кодирующие и де кодирующие устройства могут быть построены аналогично приведённым выше схемам. При использовании кода «5 + 5» схе ма обнаружения обеспечивает фикса цию одиночных, двойных и большин ства тройных ошибок, за исключением пяти ошибок a1b1b5, a2b1b2, a3b2b3, a4b3b4,a5b4b5 из общего количества данных ошибок 175. Схема исправле

а1 b5

≥М

b1 b7

а5

а2

& b10

а4

Рис. 7. Граф кода «5 + 10»

≥М

а3

Рис. 8. Пороговая схема «3 из 4» WWW.SOEL.RU

ния ошибок обеспечивает восстанов ление состояния в случае одиночного сбоя любого из информационных раз рядов. При этом одиночный сбой лю бого из контрольных разрядов не вы зывает изменения состояния ни одно го из информационных разрядов. При использовании кода «5 + 10» схе ма обнаружения обеспечивает фик сацию ошибок с кратностью 1, 2, 3, 4 и практически 100% ошибок с крат ностью 5, за исключением шести ошибок a1a2a3a4a5, a1b1b5b6b7, a2b1b2b8b9, a3b2b3b6b10, a4b3b4b7b9, a5b4b5b8b10 из общего количества данных ошибок 4943. Схема исправ ления ошибок, аналогичная рисунку 6, с использованием четырёхвходовых элементов «И» обеспечивает восста новление состояния после одиночно го сбоя любого из информационных разрядов. При этом ни одиночный, ни двойной, ни тройной сбой контроль ных разрядов не вызывает изменение ни одного из информационных раз рядов. После замены каждого из элементов «И» на пороговую схему «3 из 4», при мер схемной реализации которой по казан на рисунке 8, схема исправления ошибок обеспечивает восстановление состояния после одновременного сбоя двух информационных разрядов. При этом одновременное изменение со стояния двух контрольных разрядов не приводит к изменению состояния любого из информационных разря дов. Однако использование пороговой схемы «3 из 4», необходимой для вос становления состояния каждого из пя ти информационных разрядов, при водит к существенному усложнению схемы исправления ошибок. Полный ненаправленный граф для шести информационных разрядов по казан на рисунке 9а. При этом макси мальное количество контрольных раз рядов равно 15. В данном случае мож но рассматривать четыре варианта помехоустойчивого кода: аналогич ный коду «3 + 3» код «6 + 6» при k = 2, где k – количество контрольных разрядов, связанных с каждым из информаци онных разрядов; код «6 + 9» при k = 3, соответствующий рис. 9б; код «6 + 12» при k = 4, соответствующий рис. 9в; код «6 + 15» при k = 5. При использовании кода «6 + 6» схе ма обнаружения обеспечивает фикса цию одиночных, двойных и более 97% тройных ошибок, за исключением шести ошибок a1b1b6, a2b1b2, a3b2b3, СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ

а1

а1 b6

b1 b9

а1 b1

b7 b12

а6

а2

а6

а2

b8 b5

b14

b10

b13

а5

b11

b10

b11 b5

а3

а5

а3

b12

b15 b4

а)

б)

а4

в)

а4

b3 а4

Рис. 9. Граф кода «6 + 15» (а), «6 + 9» (б), «6 + 12» (в) исправления ошибок для кода «6 + 12» целесообразно строить по аналогии с кодом «5 + 10» на основе пороговых схем «3 из 4», обеспечивающих восста

новление состояния после одновре

менного сбоя двух информационных разрядов. При этом двойной сбой контрольных разрядов не приводит к изменению состояния информацион

ных разрядов. Код «6 + 15» обеспечивает фиксацию всех ошибок с кратностью 1, 2, 3, 4, 5 и практически всех ошибок с крат

ностью 6, за исключением семи оши

бок. Схему исправления ошибок для ко

да «6 + 15» целесообразно строить на основе пороговых схем «4 из 5», обеспе

чивающих восстановление состояния после одновременного сбоя двух ин

формационных разрядов. Однако дан

ные пороговые схемы сложны в реали

зации, что определяет предпочтитель

ность использования кода «6 + 12». Результаты анализа рассмотренных вариантов помехоустойчивых кодов, представленные в таблице, позволяют сделать следующие выводы: ● количество m контрольных разря

дов кодов изменяется в диапазоне от n до Mmax, где n – количество инфор

мационных разрядов, Mmax равно ко

личеству сочетаний из n по 2, с дис

Характеристики вариантов кодов Количество информационных разрядов 3 4 5

контрольных разрядов исправляемых ошибок

Пороговая схема

Кратность обнаруживаемых ошибок

●

кретностью n при нечётном n и с дискретностью n/2 при чётном n; максимальное количество исправля

емых ошибок для любого кода не превышает (n – 1)/2; сложность схемы обнаружения оши

бок пропорциональна количеству контрольных разрядов. Сложность схемы исправления ошибок пропор

циональна количеству информаци

онных разрядов и зависит от типа пороговой схемы. При исправлении одиночных ошибок в качестве поро

говых схем используются элементы совпадения с количеством входов, равном количеству k контрольных разрядов, связанных с каждым ин

формационным разрядом. При ис

правлении двойных ошибок исполь

зуются сложные в реализации поро

говые схемы «k – 1 из k»; кратность всех обнаруживаемых ошибок не превышает k. Количество обнаруживаемых ошибок с крат

ностью k + 1 возрастает практически до 100% при k, n ≥ 80. Следовательно, построение помехоустойчивых ко

дов с исправлением ошибок и коли

чеством разрядов не менее 6 целесо

образно проводить путём суммиро

вания необходимого количества кодов «3 + 3» и «4 + 4» с учётом того, что 6 = 3 + 3, 7 = 3 + 4, 8 = 4 + 4, 9 = 6 + 3 и т.д. При этом достигается оптимальное соотношение количества исправляе

мых ошибок и схемных затрат.

2 из 2

1, 2

ЛИТЕРАТУРА

3 из 3

1, 2

1. Кузьмин И. В., Кедрус В.А. Основы теории

3 из 3

1, 2, 3

4 из 4

1, 2

3 из 4

1, 2, 3, 4

2 из 2

1, 2

3 из 3

1, 2, 3

3 из 4

1, 2, 3, 4

4 из 5

1, 2, 3, 4, 5

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

WWW.SOEL.RU

информации и кодирования. Вища шко

ла,1986. 2. Шляпоберский В.И. Основы техники пе

редачи дискретных сообщений. Связь, 1973. 3. Выгодский М.Я. Справочник по элементар

ной математике. Наука, 1976.

a4b3b4, a5b4b5, a6b5b6 из общего ко

личества данных ошибок 220. Схема исправления ошибок на основе двух

входовых элементов «И» обеспечива

ет восстановление состояния в случае одиночного сбоя любого из информа

ционных разрядов. При этом сбой лю

бого из контрольных разрядов не вы

зывает изменения состояния ни одно

го из информационных разрядов. Код «6 + 9» обеспечивает фиксацию всех ошибок с кратностью 1, 2, 3 и более 99% ошибок с кратностью 4, за исключением шести ошибок a1b1b6b7, a2b1b2b8, a3b2b3b9, a4b3b4b7, a5b4b5b8, a6b5b6b9 из об

щего количества 1365. Схему исправ

ления ошибок для кода «6 + 9» целесо

образно строить на основе трёхвхо

довых элементов «И» по аналогии с кодом «4 + 6». При этом обеспечивает

ся восстановление состояния при одиночном сбое любого из информа

ционных разрядов, а двойной сбой контрольных разрядов не вызывает изменения состояния информацион

ных разрядов. Код «6 + 12» обеспечивает фиксацию всех ошибок с кратностью 1, 2, 3, 4 и практически 100% ошибок с крат

ностью 5, за исключением шести оши

бок из общего количества 8568. Схему

СОБЫТИЯ

80 летний юбилей одного из ведущих технических университетов страны

Текущий 2010 г. для Московского энергетического института (технического университета) является юбилейным. 80 лет тому назад, в июле 1930 г., он был образован в результате слияния электротехнического факультета МВТУ им. Н.Э. Баумана и электропромышленного факультета Московского института народного хозяйства им. Г.В. Плеханова.

Серьёзной причиной организации МЭИ явился план ГОЭЛРО, предусмат! ривающий быстрое развитие всех сто! рон энергетики страны, которое было невозможно без оперативной и квали! фицированной подготовки инженер! ных и научных кадров. Вначале МЭИ как высшее учебное за! ведение политехнического профиля осуществлял выпуск специалистов по 10 специальностям: центральные элек! трические станции, техника высоких напряжений, электрическое оборудо! вание фабрик и заводов, светотехника, электрические машины, электрические аппараты, электрическая тяга, радио! техника, телефония и телеграфия. Интенсивное развитие экономики нашей страны в 40!е годы прошлого столетия на базе электрификации по! требовало подготовки специалистов в области автоматики, телемеханики, электроники и радиотехники, тесно связанных с новейшими для того вре! мени достижениями науки и техники. В частности, как самостоятельное под! разделение был организован радио! технический факультет (РТФ), сначала называвшийся Спецфакультетом. К 1940 г. МЭИ превратился в один из крупнейших вузов страны – настоя! щую кузницу высококвалифициро! ванных кадров для энергетики, энерго! машиностроения, электроаппарато! строения, автоматики, телемеханики и радиоэлектроники. Большим испытанием для профес! сорско!преподавательского состава, научных сотрудников и студентов МЭИ явились годы Великой Отечественной войны. На фронт ушло более 1500 пре! подавателей, сотрудников и студентов института; многие из оставшихся в ты! лу принимали участие в строительстве оборонительных сооружений на под!

ступах к Москве. В октябре 1941 г. Пра! вительством страны было принято ре! шение об эвакуации института в Лени! ногорск, в Москве был организован только филиал МЭИ. Но уже в декабре 1942 г. МЭИ был первым из московских вузов, возвратившихся в Москву. К своему 80!летнему юбилею МЭИ, который приобрёл статус националь! ного исследовательского университе! та, подошёл, имея в своем активе нема! ло достижений как в подготовке спе! циалистов для народного хозяйства страны, так и в получении весомых результатов в выполненных научно! исследовательских работах. Выпуще! но более 200 тыс. инженеров и специа! листов, среди которых академики, чле! ны!корреспонденты РАН, лауреаты Государственных премий, руководите! ли министерств, предприятий и орга! низаций, крупные политики, космо! навты, известные деятели культуры. В стенах МЭИ работали такие выдаю! щиеся учёные, как основатель моско! вской школы электротехников про! фессор К.А. Круг, академики С.И. Ва! вилов, А.Д. Сахаров, К.А. Андрианов, К.И. Шенфер, В.А. Кириллин, М.А. Сты! рикович, А.Е. Шейндлин, В.А. Котель! ников, А.Ф. Богомолов, Н.Д. Девятков, Ю.Б. Кобзарев, В.В. Болотин, С.А. Лебедев. В настоящее время в нём работают: лау! реат премии «Глобальная энергия» ака! демик Э.П. Волков, академики Г.А. Филип! пов и К.С. Демирчян, большая когорта профессоров, доцентов и научных сот! рудников, которые ведут плодотворную работу по подготовке будущих специа! листов с глубоким знанием своей специ! альности и широким техническим, на! учным и жизненным кругозором. Сейчас в МЭИ, только в Москве, не считая филиалов, обучается более 14 тыс. студентов, около 700 аспирантов WWW.SOEL.RU

и докторантов. К учебному и научному процессам вуза привлечены более 2000 преподавателей и научных сотрудни! ков, среди которых 9 академиков и чле! нов!корреспондентов РАН, более 250 докторов и почти 1000 кандидатов наук. В МЭИ созданы хорошие условия для успешного проведения учебного и на! учного процессов, удовлетворяющих современным требованиям. Этому в значительной степени способствуют: уникальная, единственная в России учебно!экспериментальная ТЭЦ; Нано! центр, оснащённый современнейшим оборудованием для научных исследо! ваний и подготовки кадров в области нанотехнологий; Опытный завод, про! изводящий уникальное оборудование, в том числе для учебных и научных лабо! раторий; научно!техническая фунда! ментальная библиотека – одна из круп! нейших среди библиотек технических вузов; Инновационно!технологичес! кий центр – полигон для реализации научных идей молодых учёных и сту! дентов; Издательский дом и Информа! ционно!вычислительный центр МЭИ. Ещё в 1938 г. в связи с ростом по! требностей страны в инженерах!ра! дистах в МЭИ был выделен в качестве самостоятельного радиотехнический факультет (РТФ). В короткое время он превратился в один из ведущих среди сходных факультетов радиотехничес! ких институтов страны. Славная стра! ница в истории РТФ началась в апреле 1947 г., когда по указанию Правитель! ства СССР был создан Сектор специ! альных работ МЭИ (Спецсектор). Во главе коллектива сектора встали В.А. Котельников, заведующий кафед! рой основ радиотехники МЭИ, буду! щий вице!президент АН СССР, учёный с мировым именем, а также Г.А. Левин, заведующий кафедрой радиоприём! ных устройств, один из крупнейших специалистов страны в области радио! связи. Из этого сектора выросло затем Особое конструкторское бюро (ОКБ) МЭИ, которое долгое время возглавлял академик А.Ф. Богомолов. Коллектив этого подразделения, которое входи! ло в состав МЭИ, вписал немало заме! чательных страниц в развитие теле! СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

Сергей Смольский, Евгений Богатырёв (Москва)

СОБЫТИЯ

СЕМИНАР

КОМПАНИИ

Л.С. Гуткина, занимающаяся общими вопросами теории и практики радиосис тем, систем радиоуправления и радиона вигации. Очень серьёзные научные и практические результаты получены на кафедре антенных устройств и рас пространения радиоволн, возглавляв шейся профессорами Г.Т. Марковым и Е.Н. Васильевым. За многие годы на этой кафедре получены хорошие результаты в области новой антенной техники на телах вращения, в радиоастрономии, в области разнообразных устройств СВЧ, а также по проблемам распространения радиоволн в сложных средах, включа ющих плазменные зоны. Практичес кими вопросами конструирования и инженерных решений при проектиро вании радиоустройств занималась ка федра конструирования и производства радиоаппаратуры. Сейчас среди партнёров факультета университеты и организации Фран ции, Великобритании, США, Сирии, Южной Кореи, Китая, всех бывших республик СССР. Много выпускников РТФ активно работают в разных стра нах, подтверждая высокий уровень своей профессиональной подготовки. Научные книги, подготовленные пре подавателями МЭИ, издаются в США, Великобритании и получают прекрас ные отзывы специалистов. В 2002 г. в ходе проводившейся рест руктуризации МЭИ был образован Институт радиотехники и электрони ки (ИРЭ), в состав которого вошло два факультета: радиотехнический и фа культет электронной техники. Символично, что юбилейный для РТФ 2008 г. (70 лет его существования) сов пал со столетием со дня рождения акаде мика В.А. Котельникова, имя которого несколько ранее, в 2006 г., было присво ено ИРЭ МЭИ и одновременно ИРЭ РАН. В настоящее время деятельность радио факультета в составе ИРЭ МЭИ продол

MENTOR GRAPHICS

26 мая в Москве состоялся очередной семинар компании Mentor Graphics по проектированию систем на печатных платах. На семинаре присутствовало 105 представителей 28 компаний. На семинаре был представлен широ кий спектр средств проектирования как для корпоративного уровня (Expedition), так и для уровня рабочей группы (PADS). Дополнительно были представле ны новые продукты, пополнившие СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2010

жает лучшие традиции МЭИ, благодаря которым наш университет в рейтинге технических университетов неизменно находится в числе первых. Основная тематика научных иссле дований в настоящее время: спутнико вые радионавигационные системы, адаптивные радиосистемы, высоко скоростные методы передачи данных, высокоточные системы наведения, ан тенные комплексы наземного, косми ческого и морского базирования, спе циализированные радиоэлектронные устройства, исследования в области применения теории динамического хаоса в нелинейных системах для фор мирования и обработки нового класса сложных сигналов и использования их для создания каналов связи с высокой помехозащищённостью, исследования методов обработки сигналов широко го назначения, в том числе в медицин ской диагностике. На факультете получили также раз витие научные и прикладные исследо вания в области конверсионных тех нологий, в частности, для решения задач, актуальных для современной энергетики. Методы ближней радио локации, разрабатывавшиеся в тече ние многих лет, воплощены в разра ботках промышленных уровнемеров, неконтактных измерителей скорости, вибраций, приборов дистанционного контроля физиологических парамет ров человека. Разработаны локальные системы для беспроводного экологи ческого и технологического монито ринга промышленных, в том числе энергетических объектов. МЭИ был, есть и, мы уверены, будет одним из крупнейших университетов страны – учебным и научно исследо вательским центром, готовящим высо коквалифицированные кадры для про мышленности, науки, экономики и культуры.

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ

каталог Mentor Graphics в результате поглощения компаний, обладающих уникальными технологиями. Это: па кет FloTHERM (компания Flomerics), предназначенный для теплового ана лиза комплексных электронных сис тем; пакет IE3D (компания Zeland), предназначенный для трёхмерного электромагнитного анализа слож ных структур; семейство решений в области библиотек компонентов и WWW.SOEL.RU

интеграции с производством – LP Wizard, Symbol Wizard, VPL, vSure, vCheck, vPlan, v Manage, ValorMSS (компания Valor). Все они являются признанными мировыми лидерами в своих областях. Также была пред ставлена платформа CHS, предназна ченная для проектирования кабель ных сетей. Материалы семинара можно полу чить на сайте www.megratec.ru.

метрии, радиолокации, ракетно кос мической техники не только нашей страны, но и всего мира. Первая базовая кафедра основ радио техники была сформирована будущим академиком В.А. Котельниковым, чьё имя официально присвоено сейчас Институту радиотехники и электрони ки МЭИ. В первые годы, а в особенности в период работы В.А. Котельникова дека ном РТФ МЭИ, становилась на ноги вся система подготовки радиоспециалис тов в стране, и РТФ МЭИ здесь находил ся на передовых позициях. Неслучайно долгие годы Комиссию по радиотехни ке Министерства образования воз главляли учёные РТФ МЭИ, и здесь боль шой вклад декана проф. Зиновьева А.Л. На РТФ впервые была создана специаль ная кафедра радиотехнических прибо ров, которая сразу после войны под ру ководством первого заведующего (бу дущего академика) Ю.Б. Кобзарева начала готовить инженерные и научные кадры в области радиолокации. Под ру ководством профессора С.И. Евтянова кафедра радиопередающих устройств МЭИ стала пионером во многих вопро сах теории радиопередающих уст ройств, включающих теорию систем фазовой автоподстройки частоты и фа зы, методов расчёта флуктуаций и обес печения источников колебаний с чис тым спектром, теории транзисторных генераторов, усилителей мощности и автодинов, СВЧ устройств с рекордны ми шумовыми характеристиками. Под руководством члена корреспондента АН СССР В.И. Сифорова кафедра ради оприёмных устройств МЭИ активно развивала новые методы современных устройств приёма и обработки радио сигналов на фоне значительных помех, в том числе на полупроводниковых эле ментах и интегральных схемах. Из ка федры РПУ МЭИ выделилась новая ка федра радиосистем под руководством

Магнитодиэлектрики MICROMETALS на складе ПРОСОФТ

Высокоэффективные магнитодиэлектрические сердечники Micrometals для силовой электроники и ВЧ техники

Применение сердечников Micrometals гарантирует: ● снижение

стоимости индуктивных компонентов

● снижение

потерь на 30...50% по сравнению с ферритами

● повышение

надёжности аппаратуры

● оптимизацию

АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА Тел.: (495) 232 2522 • info@prochip.ru • www.prochip.ru

конструкции и уменьшение габаритов индуктивных компонентов

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Полная линейка приборных корпусов

2010

6/2010

асPRO —

Технология Euroр ГАЛАКТИКА

ВОЗМОЖНОСТЕЙ

CompacPRO

PropacPRO

RatiopacPRO

Простой и удобный переносной корпус

Прочный переносной корпус с системой электромагнитного экранирования

Универсальный корпус для любых применений

■ ■ ■ ■ ■

■ ■ ■ ■ ■ ■

■ ■ ■

МОСКВА С.2ПЕТЕРБУРГ ЕКАТЕРИНБУРГ САМАРА НОВОСИБИРСК КИЕВ УФА КАЗАНЬ ОМСК ЧЕЛЯБИНСК КРАСНОДАР Н. НОВГОРОД

Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.: Тел.:

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ SCHROFF