Soel 2012 6 by СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА журнал

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ПОСТАВКА ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ

РОССИЙСКИХ И ИНОСТРАННЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ Аттестованы ОС СМК при ФГУ «22 ЦНИИ Минобороны России» в качестве второго поставщика с 2002 г.

6/2012

Основана в 2000 г.

2012

Комплексная поставка электронных компонентов импортного производства, стран СНГ и России Силовые полупроводниковые приборы Инверторы, конверторы, источники питания, зарядные устройства для всех типов аккумуляторов Постоянно в наличии весь ряд SMD"компонентов и электрических соединителей Реклама

ООО «Радиокомплект"ВП»

Тел./факс: (812) 331"78"32 • E"mail: info@rd"com.su

www.soel.ru © СТА-ПРЕСС

№ 6, 2012 Издаётся с 2004 года

6/2012 Contents MARKET

Главный редактор Александр Майстренко Зам. главного редактора Татьяна Крюк Редакционная коллегия Александр Балакирев, Андрей Данилов, Виктор Жданкин, Сергей Сорокин, Рифат Хакимов

News from the Russian Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MODERN TECHNOLOGIES

From Open Source to Open Hardware and Open Electronic Technologies . . .

Обложка Дмитрий Юсим Служба распространения Ирина Лобанова (info@soel.ru)

Mark Novodachnyi ELEMENTS AND COMPONENTS

C8051F96x Low%Power Microcontrollers for Effective Utility Meters . . . . . Вёрстка Олеся Фрейберг

Ruslan Skryshevskii

Benefits of a Multiphase Buck Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

David Baba

IXYS: High%Power General%Purpose Semiconductor Components . . . . . . . .

Andrei Vlashchuk DEVICES AND SYSTEMS

Служба рекламы (advert@soel.ru) Ирина Савина

Wireless IP Videocamera Based on a TI DM3730 Processor. . . . . . . . . . . .

Pavel Frolov PRACTICAL ELECTRONICS

Издательство «СТА%ПРЕСС» Директор Константин Седов

Voltage%to%Pulse Duration Converter Stabilized by a Phase%Lock Loop System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mikhail Sizov

Почтовый адрес:

Receiver Module for Satellite Navigation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

119313, Москва, а/я 26

Oleg Val’pa

Телефон: (495) 232-0087 Сайт: www.soel.ru

Scalable Binary%to%Binary Coded Decimal Code Converter Implemented in CPLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

E-mail: info@soel.ru

Valentin Sokol

Факс: (495) 232-1653

Журнал выходит 9 раз в год Тираж 10 000 экземпляров

DESIGN AND SIMULATION

по надзору за соблюдением законодательства

Simulation of Temperature Fields in Electron Modules with an STF%ElectronMod Software Suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

в сфере массовых коммуникаций

Aleksandr Madera, Petr Kandalov

Журнал зарегистрирован в Федеральной службе

и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77-18792

Simulation of a Planar GPS Antenna Using Modern Software Suites . . . . . .

от 28 октября 2004 года)

Aleksandr Kurushin

Свидетельство № 00271-000 о внесении в Реестр надёжных партнеров Торгово-промышленной палаты Российской Федерации Цена договорная

Antenna and Microwave Device Design Automation in Advanced Electrodynamic Simulators. Part 3: Lumped%Element Passband Microwave Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42 48

Andrei Plastikov Отпечатано: ООО ПО «Периодика» Адрес: 105005, Москва, Гарднеровский пер., д. 3, стр. 4 http://www.printshop13.ru Перепечатка материалов допускается только с письменного разрешения редакции.

PCB Layout Design Using Allegro PCB Editor. Part 2: Adjustment of the PCB Editor Design Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

PROGRAMMING

несут рекламодатели.

Way of Program Protection in C8051FXXX Microcontrollers from Silicon Labs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ответственность за содержание статей

Alexei Kuz’minov

Ответственность за содержание рекламы

Anatolii Sergeev

несут авторы. Материалы, переданные редакции, не рецензируются и не возвращаются. © СТА-ПРЕСС, 2012

EVENTS

Electronics%Transp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

Содержание 6/2012 ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛ

РЫНОК

4 Новости российского рынка СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

6 От Open Source к Open Hardware и открытым технологиям разработки электроники Марк Новодачный ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

12 Маломощные микроконтроллеры C8051F96x для построения эффективных счётчиков газа и воды Руслан Скрышевский

16 Преимущества многофазного понижающего конвертера Дэвид Баба

20 IXYS – силовые полупроводниковые компоненты массового применения Андрей Влащук ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Число бесплатных подписчиков журнала «Современная электроника» неуклонно растёт, соответственно растёт и число рассылаемых по почте журналов. Безусловно, нам приятно осознавать рост читательского интереса к нашему журналу. Но вместе с тем, всё больше подписчиков сообщают нам о фактах пропажи журнала на почте или из почтового ящика. Редакция гарантирует только отправку журнала бесплатному подписчику, но не может гарантировать его доставку. Риск пропажи журнала можно уменьшить. Во(первых, можно обратиться в отдел доставки вашего почтового отделения и оформить получение журнала до востребования. Во(вторых, можно оформить платную подписку на журнал, и в этом случае почта будет нести ответственность за его доставку.

24 Беспроводная IP%видеокамера на базе процессора TI DM3730 ПЛАТНАЯ ПОДПИСКА

Павел Фролов

Преимущества: • подписаться может любой желающий, тогда как бесплатная подписка оформляется только для специалистов в области электроники. Поступающие в редакцию подписные анкеты тщательно обрабатываются, и часть их отсеивается;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

26 Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ Михаил Сизов

34 Модуль приёмника спутниковых систем навигации

• журнал будет гарантированно доставлен, тогда как при бесплатной подписке редакция гарантирует только отправку, но не доставку журнала;

Олег Вальпа

40 Масштабируемый преобразователь двоичного кода в двоичнодесятичный, реализуемый в ПЛИС Валентин Сокол

• эту подписку могут оформить иностранные граждане.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

«Роспечать»

42 Моделирование температурных полей электронных модулей в программном комплексе STF%ElectronMod Александр Мадера, Пётр Кандалов

48 Моделирование планарной антенны GPS с помощью современных программных комплексов Александр Курушин

54 Автоматизация процесса проектирования антенн и устройств СВЧ в современных программных комплексах электродинамического моделирования. Часть 3. Полосно%пропускающий СВЧ%фильтр на сосредоточенных элементах Андрей Пластиков

60 Разработка топологии печатных плат с помощью Allegro PCB Editor. Часть 2. Настройки среды проектирования PCB Editor Анатолий Сергеев

Оформить платную подписку можно в почтовом отделении через агентство «Роспечать». Тел.: (495) 921(2550. Факс: (495) 785(1470 Подписаться можно как на 6 месяцев, так и на год. Подписные индексы по каталогу агентства «Роспечать»: на полугодие – 46459, на год – 36280. Кроме того, можно оформить платную подписку через альтернативные подписные агентства.

«Агентство “ГАЛ”» Tел.: (495) 981(0324, (499) 685(1220 artos(gal@mail.ru

«Интер%Почта%2003» Тел./факс: (495) 500(0060; 788(0060 interpochta@interpochta.ru http://www.interpochta.ru

«Урал%Пресс»

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Тел.: (495) 961(2362 http://www.ural(press.ru

68 Способ защиты программ в микроконтроллерах C8051FXXX фирмы Silicon Labs Кузьминов Алексей

Читатели из дальнего зарубежья могут оформить подписку через агентство

«МК%Периодика»

СОБЫТИЯ

Тел.: +7 (495) 672(7012 Факс: +7 (495) 306(3757 info@periodicals.ru

78 Электроника%Транспорт СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка Элементы и компоненты Модули DIP IPM 1200 В/50 А Mitsubishi Electric Компания Mitsubishi Electric выпустила новую линейку 1200 В DIP IPM модулей ти поразмера large версии 4 (PS22A79) с но минальным током 50 А – максимальным уровнем по току среди аналогичных прибо ров. Новые силовые модули предназначе ны для использования в кондиционерах воздуха, морозильных установках и другом промышленном оборудовании с электро приводом.

Новые модули PS22A79 используют тех нологию 6 го поколения кристалла LPT CSTBT (Light Punch Trough Carrier Stored Trench gate Bipolar Transistor), где умень шен шаг между ячейками в области накоп ления заряда, а применение тонких плас тин позволило минимизировать потери мощности. По сравнению с предыдущим поколением силовых модулей потери мощ ности были уменьшены на 15%. Модули PS22A79 имеют встроенный дат чик температуры, который обеспечивает лучшую линейность и точность измерений по сравнению с моделью модуля PS22A78 E на 35 А, что сказывается на эффектив ности контроля нагрева. Производители конечного оборудования смогут уменьшить габариты инвертерных систем, а также снизить стоимость оборудования. Для экономии электроэнергии и повыше ния КПД инверторные приборы используют широкий диапазон номинальных токов – от нескольких ампер до сотен ампер. DIP IPM модули large type версии 5 имеют диапазон номинального тока 5…50 А, что дополни тельно уменьшает размеры инвертора и повышает эффективность электрообору дования. www.platan.ru Тел.: (495) 97 000 99

Геметичные двухсекционные корпуса Gainta Тайваньский производитель корпусов для РЭА фирма GAINTA расширяет линей ку выпускаемых продуктов и выводит на рынок новую серию герметичных корпусов DC00x.

Это двухсекционные корпуса, изготов ленные из высококачественного ABS плас тика UL94 HB и соответствующие стан дарту пыле /влагозащиты IP 65. Корпуса идеально подходят для размещения изме рительной техники, устройств мониторин га, управления процессами и т.д. Конструктивно корпус делится на два от сека: один для размещения плат и датчи ков – в этом отсеке имеются как направля ющие, так и места для винтового крепле ния платы; второй отсек для размещения клеммников и проводов. Также предусмот рены места для монтажа гермовводов. Каждая модель имеет широкий размер ный ряд, есть модификации как со съём ной передней крышкой, так и с петлевым креплением крышки к основанию корпуса. Предусмотрены модификации с прозрач ной крышкой. Все корпуса комплектуются предва рительно установленным неопреновым уплотнителем, что облегчает сборку изде лия, и полным комплектом необходимых винтов для монтажа корпуса.

Минимальная яркость свечения су ществующих стандартных TFT дисплеев RFC57AD и RFC57AE около 380 кд/м2, новые модели характеризуются минималь ным значением яркости 800 кд/м2 и раз решением 320 × 240 пикселей. Дисплеи оснащены цифровым интерфейсом управ ления. Основные характеристики системы подсветки дисплеев RFC57AD AIW D и RFC57AE AIW D: ● габариты платы драйвера: 12,5 × 3 × × 1,8 мм; ●

●

● ●

Представленная линейка корпусов поз воляет решать задачи по размещению раз личных видов приборов и существенно расширяет область применения корпусов фирмы GAINTA. С подробными чертежами и описанием корпусов можно ознакомиться на сайте. www.gainta.com Тел.: (495) 795 0805

5,7" TFT дисплеи с высокой яркостью от Raystar Optronics Всё более популярными становятся TFT ЖК дисплеи, изображение которых воз можно считывать при ярком солнечном свете. Компания Raystar Optronics, Inc., вы пустила две новые модели TFT дисплеев с размером диагонали 5,7" и с высокой яркостью свечения экрана, которые отве чают требованиям применений к считыва нию изображения при солнечном свете: RFC57AD AIW D и RFC57AE AIW D.

светодиодная подсветка: 10 кристаллов с пятью последовательно соединёнными светодиодами, два светодиода соедине ны параллельно; характеристики кристалла светодиода: 3…3,6 В/60…65 мА; напряжение питания: 15…18 В; ток: 120…130 мА. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234 0636

XP Power расширила серии JCG и JTF 15 Вт DC/DC преобразователей Компания XP Power объявила о расши рении серий JCG и JTF DC/DC преобразо вателями с выходными мощностями 15 Вт, которые выпускаются в компактных метал лических 24 выводных корпусах DIP с раз мерами 31,75 × 20,32 × 10,16 мм. Новые се мейства JCG15 и JTF15 характеризуются высоким значением удельной мощности 37,5 Вт/дюйм3 и КПД до 91%. Компактный корпус занимает меньше места на печат ной плате, а высокоэффективная схема обеспечивает меньшие потери энергии, что способствует упрощению отвода тепла в законченной системе. Предназначенные для работы от сетей постоянного тока с номинальными напря жениями +12, +24 и 48 В, модули преобра зователей серии JCG15 способны работать в диапазонах входного напряжения 9…18, 18…36 и 36…75 В, а модули серии JTF15 – в диапазонах напряжений 9…36 и 18…75 В. Предлагаются одно и двухканальные мо СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка Новая серия источников питания GWS500 с функцией программирования выхода

дели с выходными напряжениями +3,3; +5,1; +12; +15; ±5; ±12 и ±15 В. Гальваническая развязка между первич ной и вторичной цепью и между первично вторичной цепью и корпусом составляет 1600 В (постоянный ток). Командный вход управления включением/выключением яв ляется стандартной функцией и может быть использован для управления после довательностью подачи напряжений на нагрузку. Все модули оснащены защитами от перенапряжения и перегрузки. Эти высокоэффективные DC/DC преоб разователи предназначены для работы в диапазоне температур от –40 до +100°С (серия JCG) и +105°С (серия JTF). Модули серий JTF и JCG могут исполь зоваться в разнообразных мобильных, пор тативных и беспроводных применениях. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234 0636

Новая серия AC/DC модулей GWS500 обеспечивает в дежурном режиме (standby) потери мощности не более 0,5 Вт и имеет функцию программирования выходного напряжения в диапазоне 60…120%. Компания ПРОСОФТ представляет но вую серию «зелёных» AC/DC модулей се рии GWS мощностью 500 Вт. Как и пре дыдущие модели серии GWS мощностью 250 Вт, GWS500 отвечают требованиям энергосбережения стандартов Energy Star и ErP (Energy related Products) – в состоя нии standby (когда нагрузка отключена) потребляемая мощность составляет всего 0,5 Вт или ниже. Модули GWS500 компании TDK Lambda содержат активный корректор коэффици ента мощности и способны работать в ши роком диапазоне входного напряжения 85…265 В переменного тока. При высоте 1U они могут отдавать в нагрузку 500 Вт через одиночный выход c номиналами 12, 24, 36 или 48 В. Отличительной функцией является возможность программирова ния выходного напряжения в диапазоне 60…120 или 60…110% от номинального (для модели 48 В – 80…120%). Это осуще ствляется внешним источником напряже ния 3…6 В через специальный аналоговый вывод. При этом возможна также обычная подстройка выхода с помощью потенцио метра в диапазоне –10…+20% от номинала для большинства моделей.

Источники снабжены защитой от пере напряжения, перегрузки и перегрева. Для модели GWS500 12 токовая защита выпол нена по типу Hiccup («икающий» режим), а для всех остальных моделей – по типу Con stant Current Limit (ограничение тока на по стоянном уровне). Она позволяет преобра зователю работать в режиме генератора то ка при достижении точки токоограничения. Возможно дистанционное включение/ отключение выходного напряжения, полу чение аналогового и визуального сигнала «DC Ok» (состояние выходного напряже ния), получение дополнительного напряже ния 5 В (300 мА), а также компенсация па дения напряжения на соединительных про водниках с помощью внешней обратной связи. Диапазон рабочих температур составля ет от –25 до +70°C при гарантированном запуске при –40°C, а срок гарантии увели чен до 5 лет (!). Наличие вышеперечислен ных функций делает эту серию очень гиб кой и надёжной при использовании в таких производственных отраслях, как промыш ленная автоматика, измерительные ком плексы, связь, приборостроение и др. Новая линейка источников GWS500 от вечает стандартам EN55022 по кондуктив ным и излучаемым помехам, обладает зна ком СЕ и одобрена по стандартам безопас ности UL/EN60950 1. В настоящее время серия GWS500 уже доступна для заказа. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234 0636

Приборы и системы Новый кварцевый генератор с микротоковым потреблением ГК52М П ОАО «Морион» приступило к серийному выпуску нового «простого» генератора ка тегории качества «ВП» – ГК52М П, кото рый представляет собой модернизирован ный вариант широко применяемого гене ратора ГК52 П. Прибор имеет диапазон частот от 2,0 до 16,0 МГц (стандартные частоты 2,0, 16,0 МГц). Отличительной особенностью ГК52М П является микротоковое потребле ние – до 0,06 мА (для варианта исполнения с частотой 2 МГц). Габариты модернизированного вариан та были существенно уменьшены. Теперь генератор поставляется в корпусе 20 × 20 × × 6 (8) мм. Напряжение питания 5,0 и 3,3 В. Форма выходного сигнала: ограниченный синус.

Генератор герметизирован и является стойким к специальным воздействующим факторам (1Ус…3Ус). Планируется вклю чение ГК52М П в «Перечень электрорадио изделий, разрешённых к применению…» (МОП44). Дополнительная информация об этих и других новых приборах доступна на сайте ОАО «МОРИОН». www.morion.com.ru Тел.: (812) 350 7572, (812) 350 9243

Новый многоканальный внутритрубный профилемер MCC 10.00.01 ОКБ «3D Технологии» представило свой новый интеллектуальный многоканальный профилемер на выставке «Нефть. Газ. Тех нологии». Назначение прибора – обнару жение дефектов геометрии трубопроводов (вмятин и овальностей), определение поло

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

жения швов, задвижек, поворотов и других конструктивных элементов. В приборе применена современная эле ментная база: 32 разрядные процессоры, бесконтактные энкодеры, позволяющие реализовать независимые каналы измере ния геометрии, цифровой гироскоп, быст рый канал USB. Этим обеспечивается вы сокое разрешение измерений, надёжность и простота эксплуатации. www.okb3d.com Тел.: (812) 309 2202

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

От Open Source к Open Hardware и открытым технологиям разработки электроники Марк Новодачный (Москва) Движение открытого программного обеспечения Open Source дополняется инициативой Open Hardware – созданием и развитием аппаратных платформ на базе процесса открытой разработки. Сегодня известно о нескольких сотнях проектов Open Hardware. При этом, как и в случае рынка Open Source Software, в этой сфере работают достаточно успешные компании.

Весной 2011 г. в стенах Европейско го центра ядерных исследований (CERN) был запущен проект утвержде ния лицензии на свободную аппарат ную платформу Open Hardware Licence (OHL). Версия 1.0 лицензии OHL CERN была размещена в марте 2011 г. в репо зитории проектов класса Open Hard

Рис. 1. Схема, собранная из набора модулей littleBits

Рис. 2. «Съедобное» и играющее пианино на основе компонентов проекта Resistor Jeltone

ware (Open Hardware Repository, OHR) [1]. Через четыре месяца специалисты CERN обнародовали версию 1.1 лицен зии OHL, которая призвана стать фун даментом для свободного распростра нения знаний и опыта в среде раз работчиков электроники. Лицензия закладывает юридические основы для использования, копирования, изме нения и распространения проектной документации в области разработки аппаратуры, а также производства и распространения продукции, создан ной на основе этой документации. К проектной документации, которая мо жет распространяться и развиваться на основе лицензии OHL, отнесены блок схемы и диаграммы, чертежи и электрические схемы (схемы развод ки печатных плат), конструкции меха нических узлов, описания конструк ций и пояснения, связанные с разра ботками. На сегодняшний день в Open Hardware Repository зарегистрирова но почти пять сотен проектов. Весной 2012 г. была официально анонсирована инициатива по созда нию ассоциации Open Source Hardware Association (OSHA). Участники OSHA намерены помогать проектам в облас ти открытых аппаратных платформ (Open Source Hardware). Среди целей OSHA – развитие инновационных про дуктов (процессоры, схемотехничес кие решения узлов и компонентов, за конченные электронные продукты и оборудование) на основе Open Source Hardware, их продвижение и создание законодательной базы использования наработок в этой сфере.

«ОТКРЫТОЕ ЖЕЛЕЗО»

Рис. 3. Счётчик Гейгера на базе открытой схемотехники

НАЧАЛЬНОГО УРОВНЯ На учредительном мероприятии OSHA в основном были представлены проекты и продукты, относящиеся к

популярной сегодня экосистеме т.н. «гаджетов», а также компоненты и инструментарий для любительских разработок в области электроники и программирования встроенных сис тем. В качестве примеров «открытого железа» для подобного рода занятий можно назвать проекты littleBits [2] и Resistor Jeltone [3]. Проект littleBits – это набор электрон ных модулей, соединяемых друг с дру гом силами магнитного притяжения, для прототипирования простейших систем управления или создания по добных систем в режиме игры. Паяль ник при этом не требуется (см. рис. 1). Оборудование проекта Resistor Jel tone очень напоминает наборы для экспериментов по занимательной фи зике на кухне (см. рис. 2). Наряду с пищевыми компонентами, обладаю щими разной проводимостью, в нём используется микроконтроллер и про граммное обеспечение. Типичными примерами устройств, представленных ассоциацией OSHA, являются NeTV [4], которое позволяет провести модернизацию обычного те левизора до уровня smart TV, и счётчик Гейгера [5], спроектированный под впечатлением аварии в Японии. По следний выглядит как вполне закон ченный серийный продукт (см. рис. 3) и может помочь в сборе данных об эко логической обстановке. Проект NeTV, изначально являю щийся изделием бытовой электрони ки, представляет собой компактный компьютер (см. рис. 4), работающий под управлением операционной сис темы Linux и поддерживающий работу в сети IP. Его другие потенциальные применения – образовательный про цесс, цифровые информационно рек ламные системы, «интеллектуальное» управление потреблением и учётом до машних энергоресурсов. В устройстве NeTV, как и в ряде дру гих проектов Open Hardware, «откры тое железо» находится в неразрывной связи с открытыми операционными системами, открытым инструментари ем разработки программного обеспе чения, а также стандартными техноло гиями, такими как порт USB, обеспе СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

чивающий питание NeTV и его работу в локальной сети. Следует отметить, что встраиваемые компьютеры или вычислительные платформы, не относящиеся к архи тектуре Wintel, являются популярным объектом разработок класса Open Hardware. В качестве примера можно привести открытую микроконтрол лерную плату Arduino Mega (см. рис. 5). Её схемотехника распространяется с лицензией Creative Commons, т.е. име ется возможность собственноручного создания платы, возможно, с измене ниями схемы. Но можно приобрести и готовую плату (пример технологии «монетизации» открытых разработок). Ядром Arduino Mega является микро контроллер семейства ATmega (в млад шей модели платы Arduino это может быть микросхема с индексом 1280, в более мощных – с индексом 2560). Для программирования микроконтролле ра на плате Arduino можно воспользо ваться средствами, развиваемыми в рамках открытого проекта Wiring [6] или открытым инструментарием раз работчика Processing [7]. Инструментарий Wiring предназна чен для быстрого создания кросс плат форменных программ управления уст ройствами, позволяющих в режиме ре ального времени оценить реакцию прототипа встроенной системы на ука зания программы. После написания нескольких строк кода можно наблю дать, как происходит включение света при приближении человека, и, доба вив ещё несколько строк и датчик, уви деть, как изменяется уровень освещён ности в зависимости от фоновой за светки помещения. Для описания предложенного ими метода познания мира встроенных систем, авторы Wiring придумали тер мин sketching with hardware, который можно перевести как «аппаратные эс кизы». По сути это – интерактивный процесс прототипирования электро ники, выбор наилучшего варианта и его совершенствование в режиме ре ального времени. Для определения этого процесса иногда используется термин physical computing. Платы, совместимые с Arduino, мож но дополнять модулями расширения, используя предусмотренные конструк цией штыревые разъёмы. Устанавли ваемые на Arduino дополнительные компоненты позволяют управлять ша говыми двигателями, поддерживать связь на основе технологий Bluetooth,

ZigBee, Wi Fi или GSM. Экосистема про екта Arduino – своеобразный радиолю бительский набор XXI в. На базе платформы Arduino созданы разные «гаджеты»: Paper Piano (см. рис. 6) и Horto domi: the Open Garden (Сад дома: Открытый сад). Веб страница последнего проекта [8] посвящена ми ни садику под куполом. Этот агрокуль турный объект, защищённый от рис ков экологического загрязнения и ка призов природы, снабжён встроенной системой мониторинга параметров влажности и температуры, контроли руемой миниатюрной SCADA систе мой с веб интерфейсом. Если говорить о монетизации, то проект Horto domi: the Open Garden уже привлёк на своём сайте финансирование в размере бо лее 8 тыс. долл.

«ОТКРЫТОЕ ЖЕЛЕЗО» ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ В отличие от проектов, представлен ных на учредительном мероприятии Open Source Hardware Association, се минар Open Hardware Workshop, про ведённый в октябре 2011 г. специалис тами CERN, позволил ознакомиться с проектами Open Hardware для про мышленных систем и научного обору дования. Пример такой разработки – проект RHINO группы систем дистан ционного зондирования (radar remote sensing group) Университета Кейптауна (ЮАР). Аббревиатура RHINO означает Reconfigurable Hardware Interface for computiNg and radio, т.е. реконфигури руемый аппаратный интерфейс для компьютерных и радиосистем. Проект RHINO – это создание техно логии и платформы реконфигурируе мого аппаратного интерфейса для

Цифровой ввод/вывод

Рис. 4. Устройство NeTV проектов CASPER (Collaboration for Ast ronomy Signal Processing and Electronics Research, сотрудничество в развитии технологии обработки сигналов ра диоастрономии и исследований в об ласти электроники) и SKA (Square Kilo metre Array radio telescope, радиотелес коп с площадью антенны в 1 км2). В основе платформы RHINO – микросхе мы ПЛИС Spartan 6, операционная сис тема для реконфигурируемых компью терных платформ Borph Linux, память типа DDR3 и мезонинная платформа FMC LPC (см. рис. 7). Фактически RHINO представляет собой аппаратно программную платформу «программ ного радио» (Software Defined Radio, SDR), которую её создатели намерены развивать на принципах открытости. Мероприятие Open Hardware Work shop 9 октября 2011 г. собрало более 80 участников. Среди докладчиков бы ли представители как небольших ком паний с числом сотрудников менее двух десятков человек, так и крупных (например, National Instruments, штат 5 тыс. человек, офисы в 40 странах), а также сотрудники международных на учных организаций и проектов. Их объединило желание использовать в своей работе технологию открытой разработки аппаратных платформ. По признаниям самих участников движе

Atmega 1280

4 порта Serial UART+I2C

Конвертер USB Serial

+5 В

Дополнительные 32 вывода цифрового ввода/вывода

USB RESET

ICSP

Питание (USB или внешний источник)

Разъёмы расширения

16 аналоговых входов

Земля

Рис. 5. Плата семейства Arduino Mega

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

разработки схемотехнических реше

ний Open Hardware. На одной из сессий Open Hardware Workshop выступили представители проекта gEDA, представляющего набор свободного инструментария класса EDA (Free Software EDA tools), и проек

та KiCad – открытого программного инструментария для разработки печат

ных плат. На Open Hardware Workshop 2011 г. выступил и представитель про

екта Arduino, являющегося переход

ным звеном между проектами бытово

го и профессионального назначения. Но если Arduino – пример открытой платформы для встроенных систем с малым энергопотреблением и без под

держки развитого графического ин

терфейса, то BeagleBone, Raspberry Pi, PandaBoard ES – это открытые плат

формы более высокого уровня.

Рис. 6. Устройство Paper Piano

Рис. 7. Модуль интерфейса RHINO ния Open Hardware, эта инициатива яв

ляется «проекцией» успеха движения Open Source, нашедшего поддержку на всех континентах, среди правительств развитых стран и вовлекшего компа

нии разных масштабов и направлений. Open Source – это не только источник оптимизма и опыта для движения Open Hardware. Программное обеспе

чение является неотъемлемым компо

нентом большинства систем современ

ной электроники, и Open Source – естест

венный источник инструментария для

«ОТКРЫТОЕ ЖЕЛЕЗО» ВНЕ АРХИТЕКТУРЫ WINTEL Открытые разработки компьютер

ных плат, более мощных, чем Arduino, заключаются в отказе от платформы Wintel в пользу архитектуры RISC/ RISC&GPU + Linux. В наиболее извест

ных и находящихся в стадии готовнос

ти открытых проектах материнских плат компонент RISC содержится в ар

хитектуре ARM и графическом процес

соре на основе ядра PowerVR от Imagi

nation Technologies либо графическом ядре Mali компании ARM. Ethernet

Питание

Reset

USB client Пользовательские светодиодные индикаторы

Управление питанием

Слот расширения А

Слот расширения В

USB host

MicroSD

Рис. 8. Плата BeagleBone

Об открытости ОС семейства Linux и стандартности архитектуры ARM напи

сано немало. Что касается ядра Po

werVR, то, согласно данным Jon Peddie Research (JPR), компания Imagination Technologies превосходит любого кон

курента на рынке IP ядер графических процессоров для встраиваемых приме

нений, владея 50% рынка IP ядер и при

мерно 80% рынка устройств, в которых используется архитектура графичес

кого процессора от Imagination Tech

nologies. Второе место (33%) занимает компания Qualcomm. Доли остальных участников на порядок меньше. Архи

тектура PowerVR от Imagination Tech

nologies широко используется в т.н. «прикладных» процессорах (вычисли

тельных платформах современных смартфонов и планшетных компьюте

рах). Поэтому связка ARM + PowerVR или ARM + Mali является отраслевым стандартом де факто, окружённым сво

бодной экосистемой, созданной боль

шим числом компаний, лицензировав

ших эти архитектуры. Одним из примеров использования связки ARM и PowerVR является плата BeagleBone (см. рис. 8). При её пред

ставлении [9] упор делается на возмож

ностях поддержки графики и работы под управлением одной из операци

онных систем Linux, поддержки гра

фических стандартов и библиотек ма

шинного зрения OpenCV и OpenNI, ин

терфейсов HDMI и VGA для работы с графическими дисплеями, интерфей

сов Ethernet и USB для создания гра

фических «стен» из дисплеев для широ

коформатного отображения. Как бы за кадром остаётся тот факт, что ядро BeagleBone одним из SoC про

цессоров TI на базе 32 разрядного ядра ARM Cortex A8, и сам открытый про

ект BeagleBone, помимо прочего, явля

ется инструментом продвижения ком

понентов TI. Процессор BeagleBone обеспечивает производительность на уровне 1,5 млрд. операций в тесте Dhrystone и поддерживает арифмети

ческие операции с плавающей запя

той. Это позволяет использовать Bea

gleBone и для управления двигателя

ми, и для обработки информации с видеокамер. В основе процессорной платы Rasp

berry Pi (кандидата для развития в сре

де Open Hardware) (см. рис. 9) также находится архитектура ARM. Это ядро ARM1176JZF S, поддерживающее, на

ряду с арифметикой с плавающей за

пятой, такие технологии компании СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ARM, как Thumb для «сжатия» кода и Jazelle для аппаратной поддержки Java. Процессор платы Broadcom BCM2835 включает графическую подсистему на основе фирменной платформы Broad com VideoCore IV. Плата Raspberry Pi имеет 256 Мб памяти ОЗУ, обеспечи вает возможность работы в сети Ether net, подключение дисплея с интерфей сом HDMI и работу приложений под управлением операционных систем семейства Linux. На базе двухъядерного процессора Cortex A9 и 1 Гб ОЗУ реализован проект PandaBoard ES. Плата PandaBoard ES поддерживает интерфейсы HDMI или DVI, Ethernet, Wi Fi и Bluetooth. Эти и другие подобные проекты яв ляются кандидатами на поддержку гло бальной инициативы «Интернет ве щей», в успехе которой заинтересова ны и частный бизнес, и правительства развитых стран мира. Для бизнеса – это новый рынок, для правительств – новые рабочие места, совершенство вание технологий общественной бе зопасности (от антитеррора и до бе зопасности на дорогах), повышение уровня здравоохранения и т.п.

ОПЫТ OPEN SOURCE SOFTWARE Истоки движения Open Hardware, не сомненно, следует искать в достиже ниях инициативы Open Source Soft ware, вершина которого – проект ОС Linux во всех его видах и со всей адми нистративной и правовой инфра структурой. Фундамент Open Source Software – это сотни тысяч уже зареги стрированных проектов, десятки ты сяч проектов, регистрируемых ежегод но, и государственная поддержка принципов движения Open Source Soft ware рядом стран Европы, Америки и Азии. Так, в настоящее время Франция тра тит около 15% общего ИТ бюджета на развитие служб, имеющих отношение к открытому программному обеспече нию. Франсуа Олланд, вновь избран ный президент Франции, подчеркива ет, что использование открытого ПО будет иметь высокий приоритет в об разовательных учреждениях Франции, так как он хочет, чтобы студенты пе рестали быть простыми потребителя ми готовых информационных техно логий и превратились в создателей, ко торые сами могут писать и понимать исходный код. Неслучайно базовые принципы Open Hardware копируют постулаты Open

Source Software: обеспечение свобод ного доступа к исходным материалам (конструкторской документации), сво бодное изучение исходных материа лов, свободная модификация этих ма териалов и свободное распростране ние результатов работы. Стоящая за термином Open [Source] философия (именно философия, а не законодательная и правоприменитель ная практика) вполне осознана разра ботчиками встроенных систем. Участ ники движения Open Source считают, что программа открыта, если возмож ности её использования сопровожда ются несколькими «свободами»: изуче ние программы, её запуск в неизмен ном виде, правка программы (при необходимости), использование мо дернизированной программы, а также распространение программы с изме нениями или без таковых. Официальные документы Министер ства обороны США не противоречат сущности Open Source. В соответствии с руководством Clarifying Guidance Re garding Open Source Software (OSS) [10], «программное обеспечение класса Open Source – это ПО, код которого в читаемых человеком символах досту пен для использования, изучения, мно гократного использования, модифика ции, развития и распространения». Однако Open Source и отказ от ком мерциализации или её невозможность не являются синонимами. Для компа ний Open Source сегодня – это успеш ный бизнес, экономичное ведение биз неса, либо и то, и другое. Для специалис тов Open Source является источником конкурентных преимуществ на рынке труда.

НЕСКОЛЬКО ПРИМЕРОВ Среди продуктов Red Hat – ОС Enter prise Linux. В портфеле компании так же имеются решения на основе Linux для электронных систем современных вооружений, поддерживающих техно логии реального времени и характе ризующиеся минимальным временем загрузки. При этом модель бизнеса Red Hat является стандартным примером работы компании на рынке Open Source: продажа служб настройки под заказчика и его поддержка. Доходы компании Red Hat, акции которой про даются и покупаются на Нью йорк ской бирже, в минувшем году состави ли 1,12 млрд. долл., показав относи тельный рост 25%. Чистая прибыль компании составила 146 млн. долл.,

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

Рис. 9. Плата Raspberry Pi тогда как годом ранее этот показатель равнялся 107,3 млн. долл. Переходя от частного примера Red Hat к «валовым» показателям демонстрации привлекательности рынка Open Source для инвесторов, отметим, что, по дан ным InfoWorld, венчурные фирмы вло жили в проекты Open Source 1,44 млрд. долл. в период с 2001 по 2006 гг. Корпора ция IBM в 2001 г. инвестировала 1 млрд. долл. в проект Linux, а в 2002 г. эти инвес тиции «практически» окупились. По следний пример иллюстрирует не толь ко инвестиционную привлекательность проектов Open Source, но и тот факт, что участие в проектах такого рода позво ляет снижать расходы на разработку и эксплуатацию. Российским специалистам известна компания Opsview, предлагающая про граммный комплекс для мониторинга работы в сети физических устройств, операционных систем и приложений, развиваемый на основе технологии Open Source. При конкуренции с ми ровыми лидерами – компаниями CA, BMC, IBM и HP – открытая модель раз вития Opsview обеспечивает эффек тивную обратную связь с пользовате лями для постоянного совершенство вания программного комплекса и его тестирования. Для монетизации опыта компания Opsview предлагает свой продукт в двух вариантах: бесплатную систему Opsview Community Edition с некото рыми ограничениями (19 900 заказчи ков) и коммерческую версию Opsview Enterprise с платной технической под держкой. Компания Opsview имеет около сотни клиентов, воспользовав шихся последним предложением. Ежегодный отчёт Open Source Soft ware Development Survey компании Sonatype, который охватил 2500 рес пондентов, представляющих ИТ тех нологии на разных рынках (по разме рам компаний, по их географическо му расположению, промышленной принадлежности и т.п.), показал, что около 80% опрошенных компаний ис

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

пользуют ресурсы и наработки Open Source. Участие в проектах Open Source и ис пользование результатов таких проек тов – это перевод представлений о бе режливом производстве на новый уро вень, когда оптимизация бизнеса строится на вовлечении в него сторон них разработчиков. При этом и свои, и сторонние разработчики только выиг рывают. С одной стороны, есть данные, что 70% работ по разработке ядра Linux сделано программистами, полу чающими за это деньги [11]. С другой стороны, расширение экосистемы программного обеспечения Open Source приводит к росту потребности в разработчиках с определёнными на выками. Таким образом, «рост базы программного обеспечения с откры тым исходным кодом для разработки приложений ставит разработчиков со специализацией в области этих тех нологий в привилегированное по ложение, и они могут претендовать на повышение заработной платы на 30…40%» [12]. Кроме того, программист или компания могут повышать свою профессиональную репутацию учас тием в проекте Open Source или веде нием такого проекта.

ГДЕ ВЗЯТЬ ДЕНЬГИ? Компании, работающие на рынке современной электроники и ориенти рованные на прибыль, используют тех нологии и продукты Open Source в рамках различных бизнес моделей. Некоторые компании, предоставляя открытый продукт, продают поддерж ку (обучение, настройку/адаптацию к требованиям заказчика, обслужива ние). В основе этой технологии моне тизации на рынке, например, ПК со вместимых встраиваемых систем ле жит тот факт, что в качестве пакетов BSP (Board Support Package, программ ный пакет поддержки компьютерного модуля) предлагается один дистри бутив с набором функциональных возможностей или несколько дистри бутивов, привязанных к специализи рованным рыночным сегментам (эта лонные реализации). Хотя такие эталонные реализации, как правило, легко устанавливают ся на типовую аппаратную платфор му и позволяют разработчику пол ностью использовать её характерис тики и функциональные возможнос ти, в них отсутствуют специальные возможности, привязанные к кон

кретному изделию. Кроме того, избы точность эталонного пакета про грамм может непроизводительно рас ходовать некоторые ресурсы проек та. Всё это приводит к необходимости настройки дистрибутива с целью до бавить или убрать определённые мо дули. Исследование LinuxDevices.com от 2007 г. свидетельствует о том, что на зарубежном рынке в 2003–2007 гг. доля компаний, готовых платить за услуги поддержки ОС Linux, выросла с 51 до 72%. Существуют компании, которые за интересованы в продуктах Open Source для поддержки инфраструктуры, об служивающей их продукты и услуги. Компании могут формировать рыноч ные ниши для своих продуктов, пре доставляя и развивая определённые программные компоненты на основе технологии Open Source. Многочис ленные примеры можно найти в сфере производства процессоров и микро контроллеров, когда наличие откры того инструментария, операционных и файловых систем, стеков коммуника ционных протоколов и кодеков созда ёт предпосылки для успешного внедре ния микросхем. Ещё одной группе компаний откры тое ПО позволяет продавать больше изделий, управляемых встраиваемы ми системами. Увеличению продаж может способствовать как повышение качества продукции за счёт использо вания открытого ПО, так и её удешев ление, а также сочетание этих факто ров. Проекты Open Source практически всегда ориентированы на улучшение качества программного обеспечения. Поэтому использование «зрелого» от крытого ПО (кодеки, стеки протоколов и т.п.) является синонимом качества и высоких функциональных характе ристик. Особенности лицензирования открытого ПО могут существенно сни зить стоимость конечной аппарат нопрограммной платформы по срав нению с вариантом использования патентованных программных продук тов. Уменьшиться может как цена приобретения, так и стоимость эксплу атации.

НИОКР НА БАЗЕ ОТКРЫТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Разработки на базе открытых техно логий (Open Technology Development, OTD) – это формирующийся сегодня подход к разработкам, выполняемым децентрализованным коллективом [13,

14]. Методология OTD основана на воз можностях совместного доступа ис полнителей проекта к ресурсам (аппа ратуре, программному коду и интер фейсам приложений) всего проекта. Успех разработок OTD напрямую связан с использованием открытых стандартов, открытых (не «свобод ных») интерфейсов и возможной опо ры на ресурсы Open Source и Open Hardware. Однако проекты класса OTD могут базироваться на ресурсах, ко торые «свободны» лишь внутри сооб щества разработчиков и пользовате лей, обладающих допусками разного уровня. Возможности методологии OTD су щественно возрастают при использо вании ресурсов Open Hardware и Open Source. В контексте OTD, ресурсы Open Hardware и Open Source можно рас сматривать как своеобразный аналог возобновляемых ресурсов в интеллек туальной сфере и как источник эконо мии материальных и финансовых ре сурсов проекта, поскольку использо вание ресурсов Open Hardware и Open Source минимизирует дублирование разработок. Упомянутые выше открытые стан дарты и интерфейсы позволяют адап тировать системы и службы проекта к изменяющейся ситуации на рынке (как в технологической сфере, так и в области спроса). К основным достоинствам методо логии OTD следует отнести: ● потенциальную эффективность: мож но не разрабатывать проект «с нуля», а, подобрав базовое решение, приспо собить его к новым требованиям. Ис пользование ресурсов Open Hardware и Open Source снижает риск наруше ния прав владельцев интеллектуаль ной собственности; ● ускорение темпов проведения раз работки; ● высокий уровень новизны: получив доступ к апробированному реше нию, разработчики могут сосредо точиться на развитии его возмож ностей. Использование ресурсов Open Hardware и Open Source гаран тирует использование наработок, соответствующих последним дости жениям; ● снижение затрат на НИОКР: эконо мия может достигаться не только за счёт повторного использования на работок, но и за счёт конкуренции между коллективами разработчиков, имеющих равные права доступа к СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ресурсам Open Hardware и Open Source. В качестве примера практического использования методологии OTD мож но назвать проект Open Compute, ини циированный компанией Facebook. Этот проект развивает набор откры тых спецификаций для оснащения центров обработки данных (ЦОД) и нацелен на обеспечение максималь ной эффективности работы инфра структуры при минимальных затратах. Его характерные черты – новаторство и объединение для достижения общей цели интеллекта компаний, обладаю щих экспертными знаниями в относи тельно узких областях. В проекте Open Compute особое внимание уделяется организации эф фективного энергопотребления, что позволило значительно снизить по требление энергии по сравнению с обычными серверными компонента ми. Последние из представленных прототипов материнских плат для сер веров, отвечающих требованиям Open Compute и разработанных Intel и AMD, отличаются увеличенным объёмом ОЗУ, а также использованием новей ших процессоров. Плата Intel уком

плектована двумя процессорами Xeon E5 5600 и 18 разъёмами DIMM; плата AMD – двумя процессорами Opteron 6200 и 24 разъёмами DIMM. Специфи кация Open Rack проекта Open Com pute предлагает новый стандарт конст рукции серверных стоек на основе тех, что были разработаны компанией Facebook и внедрены в её центрах об работки данных. Прототипы совмес тимых с Open Rack серверов уже пред ставили компании HP и Dell. Среди направлений, развиваемых проектом Open Compute, – специфи кации серверных материнских плат, серверные шасси, блоки питания для серверов, организация централизован ного удалённого управления инфра структурой, система энергоснабжения ЦОД. Развиваемые проектом специфи кации распространяются в соответ ствии с условиями Open Web Founda tion, подразумевающими полную пе редачу в безвозмездное пользование всей связанной с разработкой интел лектуальной собственности и патен тов. Файлы для САПР с описанием конструкции оборудования доступны по лицензии Creative Commons Attri bution 3.0.

ЛИТЕРАТУРА 1. http://www.ohwr.org. 2. http://littlebits.cc. 3. http://wittleBitsww.openmaterials.org/cata rina/?p=92. 4. h t t p : / / k o s a g i . c o m / w / i n dex.php?title=NeTV_Main_Page. 5. http://www.bunniestudios.com/blog/ ?p=2218. 6. http://wiring.org.co. 7. http://www.processing.org. 8. http://www.kickstarter.com/projects/ 1742152701/horto domi the open garden. 9. http://beagleboard.org/bone. 10. http://cio nii.defense.gov/sites/oss/ 2009OSS.pdf. 11. http://www.linuxfoundation.org/docs/ lf_linux_kernel_development_2010.pdf. 12. Nathan E. Open Source Adoption Increases App Dev Pay, ChannelWeb 2008 02 26. 13. Herz J.C., Lucas M. and Scott J. Open Tech nology

Development

Roadmap

Plan.

http://www.acq.osd.mil/jctd/articles/ OTDRoadmapFinal.pdf, April 2006. 14.Rising Above the Gathering Storm: Ener gizing and Employing America for a Brighter Economic Future. Report of the Committee on Science, Engineering, and Public Policy. National Academies Press, 2008.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Маломощные микроконтроллеры C8051F96x для построения эффективных счётчиков газа и воды Публикуется с разрешения CHIP NEWS Украина (http://www.chipnews.com.ua)

Руслан Скрышевский (Киев, Украина) В данной статье идёт речь об усовершенствовании автономных счётчиков газа и воды с использованием новой серии микроконтроллеров C8051F96x компании Silicon Laboratories.

Одним из направлений использова ния электронных водяных и газовых счётчиков являются встроенные сис темы мониторинга с радиочастотной совместимостью. Основной пробле мой при эксплуатации этих счётчи ков является обеспечение продолжи тельного срока автономной работы от батареи, т.к. электросеть перемен ного тока к ним не подводится. Ожи даемый срок эксплуатации батареи для таких систем превышает 20 лет. Это требование объясняется тем, что вызов технолога может обойтись до роже стоимости самого счётчика. По этому практически во всех счетчиках воды и газа используются литий тио нил хлоридные батареи (LiSOCL2). Однако у этих батарей есть сущест венный недостаток – их дороговизна (1,5 $/Aч). Многие поставщики «интеллекту альных счётчиков» разбивают свою продукцию по коммуникационным диапазонам. В их системах фиксиро ванное число счётчиков посылает ин формацию об использовании и затра тах транслятору, вмонтированному в стоечную опору через субгигагерцо вую радиосеть. Транслятор собирает

12%

информацию и передаёт её обратно коммунальной организации через со товый сетевой модем или канал об ратного транзита. Один репитер мо жет поддерживать примерно 1000 уз ловых счётчиков. Однако стоимость репитера может быть в 10 – 100 раз больше, чем стоимость одного счёт чика. Поставщики счётчиков часто сталкиваются с требованием заказчи ков уменьшить число репитеров в за данной сети. Этого можно добиться улучшением надёжности звена пере дачи. Существует множество способов экономии питания передатчика. На иболее очевидным решением явля ется увеличение выходной мощнос ти передатчика за счёт использова ния усилителя мощности (УМ). Это выгодно, если говорить о сроке экс плуатации батареи. Другим вариан том является улучшение протокола для минимизации числа пропущен ных сообщений и последующих ре трансляций. Хотя этот метод и будет уступать по мощности подходу с УМ, но такая технология на 40% лучше су ществующих решений по экономии питания.

5% 18%

50% 30%

Активный режим

Режим приёма

70%

Спящий режим

а)

Режим передачи

б)

Рис. 1. Диаграммы стандартного бюджета мощности (а) и целевого ресурса мощности для «смарт» счётчика (б)

При переработке конструкции ин теллектуального счётчика необходи мо учитывать три требования: ● установить на 40% большую мощ ность передатчика, чтобы увеличить дальность связи; ● сохранить существующий размер и ёмкость (3650 мАч) батареи LiSOCl2; ● сохранить существующий срок служ бы батареи (20 лет). Стратегия очевидна: увеличить мощ ность передатчика, не увеличивая об щей мощности устройства. Однако это отразится на других функциях: приёме сигнала, ресурсах активного режима и режиме сна. На рис. 1а показан стан дартный ресурс мощности, на рис. 1б – целевой ресурс после изменения ди зайна интеллектуального счётчика.

СЕМЕЙСТВО МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

C8051F96X Семейство микроконтроллеров C8051F96x – это маломощное совре менное решение для встроенных сис тем с высокой чувствительностью, ис пользуемое устройствами, питаемыми от батарей, и устройствами с электро энергией, полученной экологически чистым методом. C8051F96x может ра ботать совместно с приёмопередатчи ком EZRadioPRO(R) Silicon Labs в субги гагерцовом диапазоне. Направления применения микро контроллеров C8051F96x: ● системы безопасности; ● детекторы дыма; ● датчики температуры и системы дав ления; ● датчики движения; ● контроль «утилит»; ● счётчики. Уникальной особенностью микро контроллеров C8051F96x является наличие встроенного управляющего DC/DC преобразователя, который пре образовывает напряжения эффектив нее, чем линейный стабилизатор на пряжения, не влияя на производитель ность системы. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

Реклама © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

19 мА @ 3,6 В

19 мА @ 1,8 В

19 мА @ 1,8 В LDO

LDO + Тепло

RF XCVR

RF XCVR VDDRF

5 мА @ 1,8 В

5 мА @ 3,6 В

(для остальной части кристалла)

5 мА @ 1,8 В

14,5 мА @ 3,6 В DCDC

LDO + Тепло (потеря энергии)

Traditional MCU Общее потребление от батареи 24 мА @ 3,6 В

(для остальной части кристалла)

C8051F960

Общее потребление от батареи 4,5 мА @ 3,6 В

Рис. 2. Сравнение КПД традиционных микроконтроллеров и C8051F896x Сравнение КПД традиционных мик роконтроллеров и усовершенствован ных С8051F960 показано на рисунке 2. Используя этот метод, мы можем су щественно уменьшить ресурс питания для приёмника:

Другими словами, потребляемый от батареи ток радиоприёмника состав ляет 62,5% от того, что использовал бы понижающий DC/DC преобразователь (в отличие от использования прос то LDO).

Основные характеристики C8051F96x Параметры

Значения

Количество входов/выходов Диапазон напряжений питания, В

57 1,8…3,8

Типы поддерживаемых интерфейсов

SMBus™ (совместимый с I2C™), 2 × SPI™, UART

Количество и разрядность таймеров

Четыре 16%битных таймера общего назначения

Объёмы встроенной Flash%памяти, Кб

128, 64, 32, 16

Объём RAM%памяти, Кб

До 8

Быстродействие АЦП при разной разрядности

75 Квыб/с для 12 разрядов, 300 Квыб/с для 10 разрядов

Токи потребления при напряжении питания 3 В

В режиме сна: 110 нА с сохранением энергии, разрешён режим контроля сигнала сброса при включении питания (POR)

В активном режиме 110 мкА/МГц, разрешён режим DC/DC

В режиме сна с RTC: 400 нА (внутренний LFO) В режиме сна с RTC: 700 нА (внешний XTAL) Температура эксплуатации, °C Типы поддерживаемых корпусов

–40...+85 76%DQFN (6 × 6 мм), 40%QFN (6 × 6 мм), 80%QFP (12 × 12 мм) Высокоскоростное совместимое с 8051 ядро (до 25 миллионов команд за секунду) Встроенный высокоскоростной неинтрузивный (работающий без сбоев) интерфейсный отладчик 16 внешних аналоговых входов 4 внутренних аналоговых входа

Другие характеристики

6%битное программируемое значение тока Прецизионный программируемый внутренний генератор на 24 МГц с технологией широкополосного спектра Аппаратное обеспечение: AES, DMA и счётчик импульсов Ультранизкая мощность потребления Два компаратора с низким током Наличие встроенного управляющего DC/DC%преобразователя

Основные характеристики семей ства микроконтроллеров C8051F96x приведены в таблице, а блок схема – на рисунке 3. Основные задачи, для решения ко торых были разработаны микрокон троллеры C8051F96x: ● уменьшение времени активного ре жима; ● уменьшение мощности режима без действия; ● улучшение КПД при передаче энер гии от батареи к системе. Рассмотрим, каким образом они бы ли реализованы.

УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ В АКТИВНОМ РЕЖИМЕ Основными функциями контроля над потреблением мощности для счёт чиков газа или воды являются: ● проверка положения герконового реле (20 раз в секунду) для вычисле ния потока; ● формирование каждые 15 с пакета радиоинформации и её передача на радиопередатчик. Для уменьшения потребления пи тания и времени работы в актив ном режиме у микроконтроллеров C8051F896x можно выделить такие функции: ● AES (Advanced Encryption Standard – симметричный алгоритм блочного шифрования) модулей аппаратного шифрования/дешифрования, быст родействие которого в 500 раз вы ше, чем та же функция в программ ном обеспечении; ● аппаратная реализация для цикли ческого избыточного кода (Cyclic Redundancy Code), позволяющая генерировать CRC за такое же вре мя, как и в программном обеспе чении; ● аппаратная реализация «Манчестер ский кодер и декодер 3 из 6» для спе цификации М Bus, обеспечивающая линейные переходы напряжения прямо пропорционально частоте и помогающая восстановить импульс. Использование этого периферийно го модуля значительно повышает эффективность кодирования ин формации; ● прямой доступ к памяти (DMA – Direct Memory Access), позволяю щий микроконтроллеру осущест вить полный цикл обмена данны ми без задействования микропро цессора; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Рис. 3. Конфигурация микроконтроллеров семейства C8051F96x ●

маломощный счётчик импульсов, выполняющий функцию счёта им пульсов в спящем режиме. ●

УМЕНЬШЕНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ МОЩНОСТИ В СПЯЩЕМ РЕЖИМЕ Часто счётчики, которые питаются от батарей, находятся в спящем состо янии на протяжении 99,9% времени. Поэтому очень важно иметь как можно меньшее потребление мощности в спя щем режиме. Для этих целей в микро контроллере Silabs организованы та кие решения: ● оптимизированный расход мощнос ти для часов реального времени (RTC, Real Time Clock). Блок RTC име ет на 15% меньшую мощность, чем предыдущая разработка, и на 40% меньшую, чем наилучший микро контроллер. Другими словами, дан ные RTC обладают самой низкой мощностью в мире; ● низкочастотный внутренний гене ратор (LFO) – опция для RTC. Он ис пользуется для дальнейшего сниже ния уровня тока в спящем режиме.

Данный генератор может периоди чески переключаться в режим резо натора; ультранизкочастотный ЖКИ. Вклю чает в себя 32 четырёхсегментных ЖКИ контроллера.

УВЕЛИЧЕНИЕ КПД ПРИ ПРЕОБРАЗОВАНИИ НАПРЯЖЕНИЯ Для увеличения производительнос ти и уменьшения требований по пи танию для КМОП микросхем, раз работчики чипов применяют мини мизацию геометрии устройств для построения интегральных микро схем. Нет ничего удивительного в том, что встроенные процессоры и РЧ приёмопередатчик сделаны с раз мерами 0,18, 0,13 или даже 0,09 мкм. Одним из способов уменьшения пот ребляемой мощности является умень шение внутреннего рабочего напря жения: I (импульсные потери) = C(канала) × × V(канала) × частота.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

Даже если батарея, поддерживаю щая устройство, имеет конечное на пряжение 3,6 В, само устройство бу дет работать со значительно меньшим внутренним напряжением. Практи чески каждое рыночное устройство включает в себя внутренние встроен ные линейные стабилизаторы напря жения (LDO). Поэтому, имея входное напряжение 3,6 В и используя линей ный стабилизатор с выходом 1,8 В, мы получаем 50% КПД при преобра зовании. Очевидно, что КПД стано вится меньше при уменьшении вы ходного напряжения. Более совре менные встроенные контроллеры, такие как C8051F960, имеют встроен ные импульсные регуляторы с эффек тивностью, значительно большей, чем их аналоги, – стабилизаторы с низким падением напряжения. Во многих случаях эти устройства име ют КПД преобразования более 85%. Такой высокий КПД способствует уменьшению общего тока питания от батареи и увеличивает срок её эксплуатации.

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Преимущества многофазного понижающего конвертера Печатается с разрешения Texas Instruments (www.ti.com)

Дэвид Баба (США) Статья знакомит с интересным решением – многофазным понижающим конвертером. По сравнению с традиционными однофазными схемами это решение имеет более высокий КПД при больших выходных токах, обеспечивает меньшую пульсацию выходного напряжения и улучшенную динамическую характеристику.

ВВЕДЕНИЕ Однофазные понижающие контрол леры хорошо работают в низковольт ных конвертерах с выходным током примерно до 25 А, но на более высо ких токах рассеяние мощности и сни жение КПД становятся проблемой. Од ним из альтернативных подходов явля ется использование многофазного понижающего контроллера. В этой статье кратко обсуждаются преимуще ства использования многофазного конвертера по сравнению с однофаз ным конвертером и параметры, дости жимые при его реализации. На рис. 1 показана двухфазная схе ма. Из эпюр напряжений, показанных VIN

Многофазный контроллер

Затвор Q1

Затвор Q2

Q1 Цепь фазы 1 L1 Q2 VOUT

VIN Затвор Q3

Затвор Q4

Q3 Цепь фазы 2 L2

ВЫХОДНОЙ ФИЛЬТР При многофазной реализации тре бования к выходному фильтру снижа ются благодаря уменьшению тока для

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Рис. 1. Двухфазный понижающий конвертер

на рис. 2, понятно, что напряжения в фазных цепях чередуются. Это чере дование снижает пульсацию как вход ного, так и выходного токов. В резуль тате уменьшается нагрев печатной платы и отдельных компонентов на ней. По сути двухфазный понижаю щий конвертер снижает рассеяние мощности на транзисторах и катуш ках индуктивности наполовину. Чере дование также снижает переходные потери.

Напряжение Цепь фазы 1 в цепях фазы, В

40 50 60 70 80 90 100 Коэффициент заполнения, %

Ток катушки индуктивности, А 4 Фаза 1

Фаза 2

3 14

Ток выходного конденсатора, А

10 1 0

6 1,628

1,629

1,630

1,631

1,632

1,633 1,634 Время, мс

Рис. 2. Напряжение в цепях фазы 1 и 2

НАПРЯЖЕНИЯ Уменьшение импульсного тока вы ходного фильтра приводит к умень шению пульсации напряжения на вы ходном конденсаторе по сравнению с однофазным решением. Это ещё од на причина, по которой многофаз ный конвертер предпочтительнее. Уравнения (1) и (2) позволяют вычис лить часть импульсного тока, подав ленного каждой катушкой индуктив ности: m = D × Phases,

(1)

,(2)

ПУЛЬСАЦИИ ВЫХОДНОГО

Относительная пульсация тока

Рис. 3. Относительная пульсация тока конденсатора в зависимости от коэффициента заполнения

Цепь фазы 2

каждой фазы. Для 40 амперного двух фазного решения средний ток через каждую катушку индуктивности соста вит только 20 А. По сравнению с одно фазным решением, индуктивность и размер катушки существенно сниже ны благодаря более низким среднему току и току насыщения.

4,463

4,465

4,467

4,469 Время, мс

Рис. 4. Уменьшение тока пульсации через катушку индуктивности при D = 25%

где: D – коэффициент заполнения, IRip_norm – относительный импульсный ток как функция от D, mp – целая часть от m. Рисунок 3 иллюстрирует эти фор мулы. Например, применение двух фаз при D = 20% снижает на 25% им пульсный выходной ток. Значение импульсного напряжения, которое должен выдерживать конденсатор, вычисляется умножением импульсно го тока на эквивалентное последова тельное сопротивление. Очевидно, что требования к максимальным им пульсным току и напряжению ослаб ляются. Рисунок 4 показывает результаты мо делирования двухфазного понижаю щего конвертера при D = 25%. Импульс ные токи через катушки индуктивнос ти составляют 2,2 А, но импульсный СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

0,25

Относительная входной среднеквадратичный ток пульсации

0,20

0,15

0,10

0,05 0

КПД, (%)

Мощность рассяния, Вт

VOUT = 1,2 В

8,65 6,65

VOUT = 0,9 В

4,65

40 50 60 70 80 90 100 Коэффициент заполнения, %

Рис. 5. Относительный входной среднеквадратичный ток пульсации в зависимости от коэффициента заполнения ток конденсатора всего 1,5 А из за их взаимного подавления. В случае D = = 50% импульсный ток через конденса тор исчезает полностью.

ДИНАМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ Динамическая реакция на измене ние нагрузки улучшена благодаря уменьшению энергии, накопленной каждой катушкой индуктивности. Сни жение пульсации напряжения в ре зультате взаимокомпенсации токов приводит к уменьшению диапазона его изменения, поскольку не так много циклов должно пройти, прежде чем от работает петля обратной связи. Чем меньше импульсный ток, тем меньше изменение напряжения.

VOUT = 1,2 В

2,65

70 0

VOUT = 0,9 В

0,65

12 16 20 24 28 32 36 40 IOUT, А

Рис. 6. КПД при входном напряжении 12 В

Рис. 7. Потери мощности при входном напряжении 12 В

ющего конвертера, если его входной провод имеет индуктивность. Эти конденсаторы должны быть тща тельно отобраны по допустимо му среднеквадратичному импульс ному току во избежание перегре ва. Известно, что для однофазного конвертора с D = 50% (наихудший с л у ч а й ) в хо д н о й с р е д н е к в а д р а тичный импульсный ток составля ет 50% от выходного тока. Рису нок 5 и уравнение (3) показыва ют, что для двухфазного реше ния наихудшими режимами яв ляются D = 25% и D = 75% и в них среднеквадратичное значе ние пульсации входного тока со ставляет всего 25% от выходного тока:

Стоимость многофазного решения сопоставима со стоимостью однофаз ного, поскольку для удовлетворения требований конвертора по импульс ному току может быть применён вход ной конденсатор с меньшей ёмкостью.

СНИЖЕНИЕ СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ЗНАЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ВХОДНОГО ТОКА Входные конденсаторы обеспе чивают весь входной ток понижа

О ц е н о ч н а я п л ат а к о н т р о л л е р а LM3754 формирует из входного напря жения 12 ± 1,2 В выходное напряже ние 1,2 В при токе 40 А. Рабочая часто та каждой фазы 300 кГц. Поскольку оценочная плата разра ботана для работы в системах с высо кой удельной мощностью, в ней ис пользуются оптимизированные вход ные конденсаторы, обеспечивающие необходимый среднеквадратичный импульсный ток. Оценочная пла та обеспечивает низкое напряжение пульсации и имеет хорошие динами ческие характеристики. На рис. 6 – 11 представлены результаты её испы тания.

. (3)

ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Рис. 8. Управляющие напряжения VIN = 12 В,VOUT = 1,2 B, IOUT = 40 А

Рис. 9. Пульсация выходного напряжения VIN = 12 В,VOUT = 1,2 B, IOUT = 40 А

Рис. 10. Реакция на изменение тока нагрузки: 10 А, 20 мкс Выбросы примерно 27 мВ

Рис. 11. Переходной процесс при включении VOUT = 1,2 B, IOUT = 40 А

ОСОБЕННОСТИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ Силовые проводники должны иметь достаточное сечение для минимиза ции потерь напряжения и нагрева. Входные конденсаторы каждой фазы размещаются максимально близко к стоку верхнего транзистора и истоку нижнего транзистора для минимиза ции помех по земле. Все слабосигнальные компоненты, связанные с микросхемой, располага ются максимально близко к ней. Сиг нальная земля должна обеспечивать минимальное сопротивление между земляными выводами сигнальных компонентов и микросхемы. Для формирования земли надо от вести столько площади, сколько воз можно. Переходные отверстия и сиг нальные проводники располагаются так, чтобы не было участков с по вышенным сопротивлением. Силовая и сигнальная земли разводятся от дельно. Сигналы управления затворами клю чевых транзисторов передаются через дифференциальные пары проводни 18

ков. Для верхнего транзистора диффе ренциальная пара проводников под ключается к выводам HG и SW, для нижнего – к выводам LG и GND мик росхемы. Расстояние между контрол лером и транзистором должно быть минимально возможным. Сигналы на выводы микросхемы CSM и CS2 также должны подаваться по дифференциальной паре. Для до полнительного подавления помех кон денсатор фильтра разделён на два: один расположен рядом с катушкой индуктивности, а другой рядом с мик росхемой. Слабосигнальные провод ники не должны проходить близко к цепям SW, по возможности их надо экранировать земляными проводни ками. Цепь SW должна иметь минимально возможную площадь, но в то же время пропускать большие токи, поэтому она разведена в нескольких слоях. Из за малых размеров оценочной платы силовые и сигнальные цепи могут проходить рядом. Например, с одной стороны платы расположена цепь SW, а прямо под ней на другой стороне

расположена микросхема. Тем не ме нее, очень важно располагать цепь SW подальше от слабосигнальных цепей и собственно микросхемы. С этой целью цепь SW расположена у края платы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Многофазные понижающие конвер теры имеет много преимуществ: высо кий КПД из за малых переходных по терь, низкие пульсации выходного напряжения, хорошая динамическая характеристика и пониженные требо вания к импульсному току входно го конденсатора. Семейство много фазных конвертеров представлено микросхемами the LM3754, LM5119 и LM25119.

ЛИТЕРАТУРА 1. Sheehan R., Null M. LM3753/54 evaluation board. National Semiconductor Corp. Appli cation Note 2021, 2009. Dec. 15. Available: http://www.national.com/an/AN/AN 2021.pdf. 2. power.ti.com. 3. www.ti.com/product/LM3754. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

IXYS – силовые полупроводниковые компоненты массового применения Публикуется с разрешения CHIP NEWS Украина (http://www.chipnews.com.ua)

Андрей Влащук (Киев, Украина) ●

Мировой рынок силовой электроники представлен большим количеством производителей полупроводниковых элементов. Продукция некоторых компаний ориентирована на недорогие компоненты, которые массово используются в простых устройствах, не требующих высокого качества. Но производство надёжных силовых устройств для различных областей применения должно быть обеспечено наилучшими в своём классе компонентами. В таких приложениях широко используются полупроводниковые элементы корпорации IXYS. Именно её продукция является образцом высокотехнологичности, надёжности, современности и качества при сравнительно невысокой цене.

● ●

●

Корпорация IXYS выпускает широ кий спектр компонентов силовой элек троники: ●

●

силовые диоды: выпрямительные, сверхбыстрые, Шоттки, GaAs, SiC и др.; дискретные MOSFET и IGBT тран зисторы в стандартных и изолиро ванных корпусах; MOSFET и IGBT силовые модули раз личной конфигурации; микросхемы управления MOSFET/ IGBT;

ISOPLUS220

●

силовые тиристоры и тиристорные модули;

высоковольтные защитные диоды. Британская компания Westcode, ко торая является частью корпорации IXYS, специализируется на производ стве изделий большой мощности для систем индукционного нагрева, энер гетики, транспорта, военной техники и других силовых отраслей. Номенкла тура выпускаемой продукции: ● выпрямительные диоды и быстрые диоды на напряжения до 6 кВ; ●

ISOPLUS247

ISOPLUS i4 PAC

ISOPLUS264

ISOPLUS SMPD

Рис. 1. Изолированные корпуса Прямая медная подложка Проволочные соединения

Медь

Керамика

Медь

Припой

Вывод

Кристалл Форма

Рис. 2. Внутренняя схема изолированного корпуса

тиристоры до 4,5 кВ; GTO тиристоры до 4,5 кВ и 2 кА; быстрые тиристоры: с распределён ным затвором, запираемые тирис торы на напряжения до 6 кВ и токи до 4 кА; импульсные тиристоры; сборки PRESS PACK IGBT в стандарт ных капсульных корпусах для отка зоустойчивых приложений (транс порт, энергетика и т.п.); высоковольтные IGBT драйверы (до 5,2 кВ, 3 кА); высоковольтные конденсаторы.

IGBT РАЗРАБОТКИ ОТ IXYS Среди выпускаемых IXYS дискрет ных компонентов присутствуют из делия в изолированных корпусах: ISOPLUS220, ISOPLUS247, ISOPLUS264, ISOPLUS i4 PAC, ISOPLUS SMPD (рис. 1). Это модификации стандартных про мышленных корпусов с изолирован ным теплоотводом на основе кера мики DCB/DAB (DCB – direct cooper bound – непосредственная медная гра ница; DAB – direct aluminum bound – непосредственная алюминевая грани ца). Напряжение изоляции составляет 2500 В, для ISOPLUS SMPD – 4000 В, среднее тепловое сопротивление «крис талл–корпус» порядка 0,3 K/Вт. При использовании изолирован ных корпусов можно получить вы игрыш в суммарном тепловом сопро тивлении в 2…3 раза, что не только упрощает монтаж (можно крепить корпус непосредственно на радиа тор), но и увеличивает надёжность из делия (рис. 2). Корпус i4 PAC является модифика цией TO 264 с пятью выводами. В нём выпускаются не только дискретные элементы, но и различные сборки: «ди од–транзистор», «транзистор–транзис тор», выпрямительные мосты, тирис торные сборки и др. Для применения в автомобильной электронике и для приложений с боль шим током выпущен корпус ISOPLUS DIL с отдельно стоящими сильноточ ными выводами и управляющими кон тактами (рис. 3). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

I n x Inom

Область безопасной работы «полный квадрат» Возможности технологии Новые границы

2 x Inom

Существующие границы IGBT!модулей Vrated

Рис. 3. Корпус ISOPLUS DIL

Рис. 4. Новые Six Pack модули IGBT

IXYS выпускает IGBT транзисторы и силовые модули: ● NPT, NPT3, XPT, SPT и Trench IGBT; ● высоковольтные дискретные IGBT до 2500 В; ● высокоскоростные дискретные IGBT (>40 кГц); ● IGBT силовые модули различной конфигурации: CBI, Sixpack, H bridge, phase leg, buck&boost чоппе ры и др.; ● BIMOSFET транзисторы для резо нансных преобразователей;

ного электропитания, ветрогенера торы и др. Для электротранспорта выпущены мощные модули NPT3 IGBT с расши ренной областью безопасной работы (SOA) (рис. 5, табл. 2). Компания IXYS предлагает для транс портных приложений изделия на под ложке AlSiC с улучшенными характерис тиками термоциклирования, с изоляци ей на основе нитрида алюминия AlN, а также изделия с медным основанием и подложкой из оксида алюминия. Сейчас предлагается два варианта исполнения: с изоляцией 6 и 10,2 кВ (HV версия). Все модули выполнены по технологии NPT3 и предлагают комбинацию низких потерь на пе реключениях с новыми границами области безопасной работы (SOA). В подтверждение своей репутации про изводителя компонентов высокой на дёжности IXYS предлагает HP модули для использования в жёстких условиях эксплуатации: приложения с большой индуктивной нагрузкой, где за счёт

RIGBT с защитой от обратного тока. Среди выпускаемых IGBT силовых модулей имеются все основные кон фигурации для построения инверто ров на одну, две и три фазы, инверто ров с выпрямителем, тормозным тран зистором и др. Модули доступны в современных корпусах ECO PAC1/2 и в ставшем стандартным для CBI1/2/3 Sixpack модульном исполнении. Особое внимание уделено развитию новой технологии Trench IGBT, улуч шенной по параметру «потери на пе реключения» в среднем на 20…25%. Среди выпускаемых сейчас IGBT мож но найти как дискретные компонен ты, так и модули с Trench IGBT крис таллами. В начале года были выпущены но вые IGBT Six pack модули диапазона до 600 А, 1200 и 1700 В (рис. 4, табл. 1). Модули выполнены по технологии SPT (Soft Punch Through – мягкое сквозное отверстие) на DCB керами ке с медным основанием и содержат шесть транзисторов конфигурации phase leg. Три фазы могут быть ис пользованы раздельно либо в парал лельном включении. Технология SPT позволяет уменьшить падение на пряжения и потери при переключе ниях. В качестве обратных диодов применены новые SONIC диоды, что позволило поднять рабочую частоту до 20 кГц. Типовые приложения моду лей: трёхфазный электропривод, сва рочная техника, источники вторич ●

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

Vblocking V

Рис. 5. Модули с расширенной областью безопасной работы (SOA) расширенной области безопасной ра боты может быть улучшена общая на дёжность системы. Особого внимания заслуживают дискретные IGBT на 4000 В, поскольку такая продукция не представлена так широко у других производителей. При выборе IGBT необходимо большое внимание уделять встроенному обрат ному диоду, а именно – его быстродей ствию, характеристике переключения и току. У IXYS можно найти сборки с диодом, оптимизированным для раз личных режимов: обратный диод, чоп перы buck & boost, диод для корректо ра коэффициента мощности, диод с низкой ёмкостью для высокоскорост ных приложений, диод с мягким пе реключением.

MOSFET РАЗРАБОТКИ ОТ IXYS Транзисторы и силовые модули MOSFET в линейке IXYS представлены не менее широко: ● стандартные N канальные MOSFET;

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

низковольтные Trench MOSFET с ультранизким сопротивлением ка нала; ● новое семейство PolarHT с низким сопротивлением канала; ● MOSFET силовые модули основных и специализированных конфигу раций. Новое семейство Q3 объединяет мощные надёжные N канальные тран зисторы с пониженным сопротивле нием открытого канала Rds(on), низким зарядом затвора Qg и малыми потеря ми. Все транзисторы в линейке содер жат встроенный обратный диод, что дополнительно снижает потери при переключении и позволяет использо вать транзисторы для высокочастот ных задач. Широко представлены высоко вольтные MOSFET транзисторы на 1000…1400 В, оптимизированные для различных режимов: высокоскорост ные семейства Q2 и HiPerFET с быст рым диодом, стандартные N каналь ные транзисторы в изолированных корпусах. Также имеется семейство HV MOSFETs на 2,5…4 кВ. Семейство CoolMOS представлено спектром дискретных транзисторов на напряжения 600…800 В со встроенным быстрым диодом. IXYS предлагает CoolMOS в изолированных корпусах IXKF40N60SCD1 для построения мос товых схем в разнообразных источни ках питания. ●

current

GaAs диоды Шоттки 1 поколения: только емкость p n перехода в диапазоне от 25 до 125°С

time

GaAs диоды Шоттки 2 поколения: очень малое время восстановления при 125°С

Si диоды Шоттки при 25°С

Si диоды Шоттки при 125°С

Рис. 6. Характеристика переключения GaAs диода

SOT 227

WC 501

Рис. 7. Тиристорные модули IXYS ●

●

высокоскоростные MOSFET семейст ва HiPerFET; Q3 – семейство высокоскоростных MOSFET с низким сопротивлением канала и зарядом затвора;

●

● ●

CoolMOS в изолированных корпусах с быстрым обратным диодом; P канальные MOSFET транзисторы; MOSFET с отрицательным напряже нием закрытия (depletion mode);

Таблица 1. Новые Six Pack IGBT модули Наименование

Напряжение, В

Ток, А

Падение напряжения, В

MIXA450W1200TFH

Iс, A

В разработке

MWI 225 17E9 MWI 300 17E9

Eoff, мдж

1700

MWI 451 17E9

335

2,5

200

ДИОДЫ, ТИРИСТОРЫ

500

2,8

300

580

2,25

450

И ИХ МОДУЛИ Семейство биполярных продуктов представлено широким спектром дио дов и тиристоров: ● выпрямительные диоды и модули (диодные и тиристорно диодные); ● быстрые и сверхбыстрые диоды се мейства FRED и HiPerFRED; ● диоды Шоттки (Si, GaAs, SiC); ● диодные модули с диодами FRED и HiPerFRED; ● модули специальной конфигурации: модули для корректоров коэффици ента мощности, с общим анодом или катодом и т.п.; ● тиристоры и тиристорные модули малой и средней мощности; ● модули AC control (встречно парал лельное включение тиристоров); ● тиристорно диодные модули. Активно развивается семейство дио дов на основе GaAs, для которых харак терно отсутствие температурной зави симости потерь переключения и мень

Таблица 2. Мощные NPT3 IGBT модули IC25, А

Vces, В

VCE(sat), В

RthJC, К/Вт

MIO1800 17E10

2500

1700

2,3

0,009

MIO2400 17E10

3300

1700

2,3

0,007

MIO1200 25E10

1650

2500

2,5

0,009

MIO1500 25E10

2100

2500

2,7

0,008

MIO1200 33E10

1650

3300

3,1

0,0085

MIO1200 33E11

1650

3300

3,1

0,0085

MIO600 65E11

840

6500

4,2

0,011

VCES, B

IC, B

ICM, A

VCE(sat), B

2500

1200

2400

3,0

2250

4500

2,9

1800

3600

3,7

2400

4800

3,6

Наименование

Таблица 3. Модули press pack IGBT Наименование T1200TB25A T2250AB25E T1800GB45A T2400GB45E

4500

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

шая величина времени восстановле ния обратного сопротивления (рис. 6). Области применения GaAs диодов: DC/DC конверторы, корректоры коэф фициента мощности, различные ис точники питания. Одновременно предлагаются диоды на основе SiC и диодные сборки для высокочастотных приложений в изо лированных корпусах (FBS10 12SC). Тиристоры и тиристорные модули широко представлены как в виде дис кретных изделий, так и в виде сборок различной конфигурации. Следует об ратить внимание на тиристоры в кор пусе SOT 227 и двойные тиристорные модули 19…500 А в стандартном про мышленном корпусе WS 501 (рис. 7).

ДРАЙВЕРЫ УПРАВЛЕНИЯ Микросхемы управления представ лены семействами драйверов нижнего уровня (IXD_6xx), высоковольтным драйвером IX212, полномостовым драйвером MX6895, оптически изоли рованными драйверами, а также высо комощным драйвером С0044BG400. Семейство IXD_6xx обеспечивает выходной ток 2…30 А с напряжением управления 4.5…35 В и скоростью пе реключения 10 МГц. Драйверы про изводятся в различных корпусах и применяются в DC/DC преобразовате лях, источниках питания, усилителях класса D.

PRESS PACK IGBT СБОРКА Для приложений, требующих высо кой надёжности при большой мощнос

ти, выпущены IGBT сборки в капсуль ном исполнении (рис. 8, табл. 3). Дан ные изделия востребованы на транс порте, в энергетике, системах индук ционного нагрева, физике и военной технике. Press pack IGBT допускают двусто роннее охлаждение и конструктив но совместимы с тиристорами GTO, что позволяет производить модерни зацию силового оборудования с из менением только схемы управления. Изделия предназначены для жёстких условий эксплуатации на протяже нии 20 лет, что недостижимо для IGBT модулей стандартного испол нения. Для управления затвором IGBT ис пользуется ранее упомянутый модуль C0044BG400 (рис. 9) со следующими характеристиками: ● выходной ток – 44 А; ● изоляция – 11 кВ; ● защита от короткого замыкания. Он также может быть использован для управления IGBT силовыми моду лями большой мощности и капсульны ми тиристорами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Die cells x42

Gold gate contact

Gate distribution board Cooper emitter pillars

Рис. 8. Технологическая конструкция Press pack IGBT сборка

Рис. 9. Драйвер управления C0044BG400

Корпорация IXYS является признан ным производителем качественной силовой электроники. Её клиентская база насчитывает более 2000 компа ний, работающих в таких областях, как телекоммуникации, транспорт, произ водство промышленной и медицинс кой аппаратуры. Продукция IXYS должна дать разработчикам возмож

ность получения качественно новых характеристик проектируемых из делий.

ЛИТЕРАТУРА 1. Полянский И. IXYS – высокое качество и надёжность. Силовая электроника. 2004. № 2.

Новости мира News of the World Новости мира Мощные SiC элементы на номинальный ток 50 A В компании Cree имеется семейство карборундовых (SiC) элементов на номи нальный ток 50 A, в том числе Z FET SiC MOSFET на 1700 В. К этим элементам от носятся также Z FET SiC MOSFET 1200 В и три Z Rec карборундовых диода Шоттки. Элементы к бескорпусном исполнении рас считаны на модули высокой мощности, применяющиеся в инверторах гелиотехни

чесого оборудования, в системах беспере бойного питания и в приводах. Серия включает в себя МОП транзис тор 1700 В с 40 мОм, МОП транзистор 1200 В с 25 мОм, а также диоды Шоттки на 50 A/1700 В, 50 A/1200 В и 50 A/650 В. Образцы уже предлагаются, поставка производственных партий ожидается с осени 2012 г. www.cree.com

Infineon: МОП транзистор серии CoolMOS на 500 В Компания Infineon выводит на рынок новое поколение своих МОП транзисторов по технологии Superjunction. Продукты яв ляются альтернативой стандартным МОП транзисторам для питания таких критич ных к стоимости приложений, как импульс ные источники питания систем освещения СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

(SMPS), блоки питания компьютеров и по требительская электроника. Элемент обеспечивает максимальный КПД именно в диапазоне небольших нагрузок. Первые образцы с RDS(ON) 280 и 500 мОм в корпусе TO 220 уже предлагаются. С мая 2012 г. появятся образцы элементов 500V с RDS(ON) 280, 500 и 950 мОм в корпусах DPAK, а также TO 220 FullPAK. www.infineon.com

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

На правах рекламы

Беспроводная IP видеокамера на базе процессора TI DM3730 Павел Фролов (Минск, Белоруссия) В статье описан пример использования встраиваемой системы для передачи видеосигнала, разработанной на основе современной элементной базы компании AXONIM Devices.

Организация передачи сигнала ви деокамеры (h.264) в режиме реального времени по беспроводным сетям (WiFi, 3G или LTE) на локальный сервер или в Интернет является распространённой задачей. Для её решения были иссле дованы доступные аппаратные плат формы. В результате для создания де монстрационного стенда был выбран встраиваемый модуль Gumstix Overo Computer On Module (COM) с процес сором TI DM3730. Основные характеристики модуля COM [1]:

ветствующий разъём и включаем пита ние. На экране появляются сообщения загрузчика u boot:

процессор приложений TI DM3730 с ядром ARM Cortex A8; ● ЦПОС C64x с фиксированной за пятой; ● встроенная память 512 Мб типа DDR с низким потреблением и флэш па мять 512 Мб типа NAND; ● модуль беспроводной связи Blue tooth/802.11b/g; ● разъём для карты памяти microSD; ● микросхема управления питанием TI 65950. Очевидно, что модуль практически полностью удовлетворяет постав ленной задаче, – необходимо лишь добавить камеру и модем 3G/LTE. Также планируется использовать п л ат у р а с ш и р е н и я с т а к т и л ь н ы м ЖК экраном экраном, порты Ether net и USB. Для проверки функционала необхо димо загрузить из Интернета доступ ные образы программного обеспече ния: ● omap3 desktop image overo.tar.bz2; ● uImage; ● u boot.bin; ● MLO [2]. Разворачиваем образы на карте па мяти microSD в соответствии с инст рукцией [3]. Подключаем serial console и используем minicom в качестве тер минальной программы. Вставляем подготовленную карту microSD в соот

OMAP36XX/37XX GP ES1.2, CPU OPP2, L3 165MHz, Max CPU Clock 1 Ghz Gumstix Overo board + LPDDR/NAND I2C: ready DRAM: 512 MiB NAND: 512 MiB MMC: OMAP SD/MMC: 0 In: serial Out: serial Err: serial Board revision: 1 Tranceiver detected on mmc2 No EEPROM on expansion board Die ID #05c400029ff80000016830c40b00501a Net: smc911x 0 Hit any key to stop autoboot:

●

Texas Instruments X Loader 1.5.1 (Jan 22 2012 – 11:08:14) OMAP36XX/37XX GP ES2.1 Board revision: 1 Reading boot sector Loading u boot.bin from mmc U Boot 2011.09 (Jan 06 2012 – 13:51:09)

После длительной настройки моду лей и перезагрузки системы на дисплее появляется рабочий стол gnome. Для тестирования подключаем веб камеру USB, которую сразу же обнаруживает система: root@overo:~# usb 2 2: new high speed USB device using ehci omap and address 2 usb 2 2: New USB device found, idVendor=0ac8, idProduct=3420 usb 2 2: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=0 usb 2 2: Product: Venus USB2.0 Camera

usb 2 2: Manufacturer: Vimicro Corp. uvcvideo: Found UVC 1.00 device Venus USB2.0 Camera (0ac8:3420) input: Venus USB2.0 Camera as /devices/platform/ehci omap.0/usb2/2 2/2 2:1.0/input/input0 usbcore: registered new interface driver uvcvideo USB Video Class driver (v0.1.0) Просмотреть видео можно, запустив приложение Cheese. Затем настраиваем WiFi для передачи видео по сети в соотве тствии с руководством [4]. После успеш ной процедуры соединения с точкой дос тупа появляется соответствующий ESSID, камера и динамический адрес IP: root@overo:~# iwconfig lo no wireless extensions. eth0 no wireless extensions. wlan0 IEEE 802.11b/g ESSID:"AX ONIM Devices" Mode:Managed Frequency:2.417 GHz Access Point: E0:91:F5:B4:06:CE Bit Rate:11 Mb/s Tx Power=13 dBm Retry short limit:8 RTS thr=2347 B Fragment thr=2346 B Encryption key:<too big> Security mode:open Power Management:off Link Quality=96/100 Signal level= 65 dBm Noise level= 94 dBm Rx invalid nwid:0 Rx invalid crypt:7 Rx invalid frag:0 Tx excessive retries:5 Invalid misc:20 Missed beacon:0 root@overo:~# udhcpc i wlan0 udhcpc (v1.13.2) started Sending discover... Sending select for 192.168.1.140... Lease of 192.168.1.140 obtained, lease time 86400 run parts: /etc/udhcpc.d/00avahi autoipd exited with return code 1 adding dns 192.168.1.1 Пробуем передать видеосигнал по сети, используя функционал gstreamer: СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

На правах рекламы

root@overo:~# gst launch v videotestsrc ! video/x raw yuv,width=320,height=240 ! x264enc ! rtph264pay pt=96 ! udpsink host=192.168.1.5 port=4000 На компьютере (адрес IP 192.168.1.5) запускаем: gst launch 0.10 v udpsrc port=4000 caps='application/x rtp, media=(string)video, clock rate=(int)90000, encoding name=(string)H264' ! rtph264depay ! ffdec_h264 ! xvimagesink sync=false Наблюдаем тестовое изображение (см. рис. 1), но смущает небольшое число кадров в секунду, даже при раз решении 320 × 240. Всё дело в том, что кодирование видео в формате h.264 яв ляется довольно затратным по вычис лительным ресурсам и процессам, и ядро ARM с ним не справляется даже при небольшом разрешении. Естественным решением данной проблемы является использование яд ра ЦПОС (DSP) процессора DM3730 и программных средств CodecEngine. Од нако в собранном образе и хранили щах необходимые для работы ядра ЦПОС модули cmemk и dsplink недо ступны. Собираем их самостоятельно.

СБОРКА ОБРАЗОВ ДЛЯ GUMSTIX OVERO И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯДРА ЦПОС Образы файловой системы и ядра Linux рекомендуется собирать с по мощью Open Embeded – системы ав томатического скачивания, конфи гурирования, исправления и сборки программ. В конфигурации omap3 console image по умолчанию отсут ствуют пакеты, предоставляемые ком панией TI для DSP, поэтому, следуя инструкциям [5], добавляем в сборку следующие пакеты: ● task gstreamer ti; ● ti codec engine; ● ti dmai, ti dspbios; ● ti dsplib, ti dsplink; ● ti dsplink module; ● ti cmem module. Также вносим изменение в перемен ные окружения uBoot для резервирова ния памяти в ОС Linux под нужды cmem: setenv mem mem=96M@0x80000000 mem=384@0x88000000. Для сборки проекта требуется время и свободное

место на жёстком диске (примерно 60 Гб). Для этого выполняем команду: bitbake omap3 console image. После успешной сборки проекта полученные образы копируем на карту microSD и повторяем описанную выше процедуру загрузки Gumstix overo. На рисунке 2 представлены срав нительные диаграммы утилизации ядра ARM в зависимости от частоты кадров.

ПЕРЕДАЧА ВИДЕОСИГНАЛА КАМЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОКОЛА RTSP В предыдущем разделе в качестве ис точника для gstreamer использовался тестовый видеосигнал. При подключе нии камеры, в ОС Linux появляется уст ройство ./dev/videoX, совместимое с video4linux. Для его использования в gstreamer применяется источник сиг нала v4l2src вместо videotestsrc:

120 100 80 60 40 20 0

320 × 240

Однако утилизация ядра ARM с таки ми параметрами становится 100 %. Причина падения производительнос ти – ffmpegcolorspace – перекодиров щик форматов, не использующий функционал ЦПОС. Чтобы исключить переформатирование, требуется виде окамера с выходным форматом UYVY. Для поддержки протокола RTSP необ ходимо загрузить и установить библи отеку rtsp server для gstreamer и собрать тестовое приложение test launch [6]. Для запуска сервера rtsp копируем биб лиотеку libgstrtspserver 0.10 в каталог /usr/lib (gumstix):

10 12 Кадров/с

160 × 120

Рис. 1. Утилизация ядра ARM без использования ядра ЦПОС

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

320 × 240

gst launch v v4l2src ! video/x raw yuv,width=640,height=480 ! ffmpegcolorspace ! TIVidenc1 codecName=h264enc engineName=codecServer ! rtph264pay pt=96 ! udpsink host=192.168.1.5 port=4000

640 × 40

25 30 Кадров/с

Рис. 2. Утилизация ядра ARM при кодировании видеосигнала с помощью ЦПОС и различной частоте кадров

Рис. 3. Устройство в сборе На рисунке 3 приведена фотография устройства (модуля COM) с подклю ченной видеокамерой USB.

ЛИТЕРАТУРА 1. https://www.gumstix.com/store/pro duct_info.php?products_id=267.

./test launch gst debug=2 "( videotestsrc ! video/x raw yuv,width=640,height=480 ! ffm pegcolorspace ! TIVidenc1 codec Name=h264enc engineName=codec Server ! rtph264pay name=pay0 pt=96 )"

2. http://www.gumstix.org/how to/70 writing images to flash.html. 3. http://cumulus.gumstix.org/images/ang strom/developer/2012 01 22 1750/. 4. h t t p : / / w i k i . g u m s t i x . o r g / i n dex.php?title=Overo_Wifi. 5. http://jumpnowtek.com/index.php?op tion=com_content&view=article&id=81:gu

В результате можно смотреть видео с помощью проигрывателей, поддержи вающих протокол RTSP (программы vlc, mplayer, gstreamer), а также трансли ровать видеосигнал с помощью таких служб, как yatv.ru.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

m s t i x d s p g s t re a m e r & c a t i d = 3 5 : g u m stix&Itemid=67. 6. http://processors.wiki.ti.com/index.php/ DVSDK_4.x_FAQ. http://www.axonim.by Тел.: +375 17 254 79 00

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ Михаил Сизов (Москва) В статье описана схема преобразователя напряжения в длительность импульса с применением фазово импульсной модуляции и ФАПЧ, что обеспечивает высокую точность преобразования.

ВВЕДЕНИЕ Для преобразования аналогового сигнала в импульсный сигнал посто янной частоты и переменной скваж ности применяется широтно импульс ная модуляция ШИМ [1]. Скважность – это отношение периода следования импульса к его длительности. В предла гаемой статье рассматривается устрой ство, в котором длительность импуль са Tx модулируется входным напряже нием Ux , причём частота следования импульсов F1 остается фиксированной (T1 = 1/F1). Работа простейшего преоб разователя с ШИМ показана на рисун ке 1, где входной сигнал Ux = 0,3 В пре образуется в выходной импульсный сигнал с длительностью импульса Tx = = 62 мкс. Период пилообразного на пряжения Т1 = 620 мкс, а амплитуда пи лообразного напряжения Up = 3 B. Выходной сигнал генерируется ана логовым компаратором, на отрица тельный вход которого подаётся опор ный сигнал в виде пилообразного на пряжения, а на положительный – модулируемый аналоговый сигнал Ux.

Частота импульсов соответствует час тоте зубцов пилы F1. В той части пери ода, когда входной сигнал выше опор ного, на выходе получается лог. 1, ниже опорного – лог. 0. Данный тип ШИМ содержит минимальное число элемен тов, но обладает низкой точностью и стабильностью. Поэтому устройства, использующие принцип сравнения входного сигнала с пилообразным напряжением, не нашли широкого применения. Известно, что можно повысить точ ность, если применить отрицательную обратную связь (ООС). Анализ систем, охваченных отрицательной обратной связью, осуществляется при помощи теории автоматического регулирова ния [2, 3]. На рисунке 2 показано уст ройство с обратной связью. Знак ми нус обозначает операцию вычитания части выходного сигнала из входного сигнала, Ку – коэффициент усиления устройства без ООС, Коос – коэффици ент отрицательной обратной связи. Коэффициент передачи устройства с ООС Uвых/Ux = Кп описывается выра

жением Кп = Ку/(1 + КуКоос) с учётом знака обратной связи. Произведение КуКоос, пренебрегая единицей, называ ют глубиной ООС. Если Коос = 1 (100 % обратная связь), а Ку >> 1, то Кп = 1, т.е. выходной сигнал повторяет входной сигнал. Таким образом, устройство с большим коэффициентом усиления, будучи охвачено 100 % ООС, сделает всё, чтобы устранить разность напря жений между входом и выходом.

ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ В КАЧЕСТВЕ ШИМ Фазовая модуляция (ФМ) является одним из видов модуляции колебаний, где фаза несущего колебания управля ется информационным сигналом [4]. Из определения ФМ следует, что имеет ся генератор, у которого происходит изменение фазы выходного сигнала во времени. Этот вид модуляции исполь зуется в радиотехнике для передачи информации. В статье предлагается рассмотреть схему с двумя генераторами, выходные сигналы которых (F0 и F1) имеют фор му прямоугольных импульсов одина ковой амплитуды и частоты, но сдви нуты по фазе. На рисунке 3 сигнал F0 называется опорным, а сигнал F1 име ет фазовый сдвиг относительно опор ного сигнала, т.е. временной интервал

Uвых

Kooc

Рис. 2. Блок схема устройства с ООС

F0 Up W w=Tx T1=1/F1

Рис. 1. Принцип работы ШИМ

Ux = Up/2

Рис. 3. Принцип работы импульсного ФД СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ШИРОТНО ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ФАПЧ Введём в стандартную схему ФАПЧ генератор G сигнала F1 с фиксирован ной частотой и элемент сравнения входного напряжения Ux с выходным сигналом ФД на входе ФНЧ, и получим функциональную схему (см. рис. 6) фа зово импульсного модулятора (ФИМ) с ФАПЧ. В этом преобразователе исполь

Up K561TM2

бы она была равна частоте входного сигнала F1. Выходной сигнал управля емого генератора сравнивается ФД с входным сигналом, а результат срав нения используется для подстройки управляемого генератора. В связи с тем, что настройка осуществляется по разности фаз, система является аста тической по отношению к частоте, т.е. в установившемся режиме частота настройки точно равна частоте вход ного сигнала (F0 = F1), а фазовый сдвиг устанавливается таким, что выходное напряжение ФНЧ (Uгун) обеспечивает равенство частот. При определённых условиях, которые зависят от типа ФНЧ, система ФАПЧ может быть аста тической и по фазе. Более подробное описание ФАПЧ можно найти в [5–7].

5 3

6 4 9 11

8 10

C1 S1

R1 D2 C2 S2

13 12

R2 7

между передними фронтами импуль сов или моментами перехода импульс ных сигналов из состояния лог. 0 в со стояние лог. 1. Знак фазового сдвига считается положительным, если F1 опережает по времени F0. Простейшим устройством, преобра зующим фазовый сдвиг в длительность импульса, является импульсный фазо вый детектор (ФД), выполненный на двух D триггерах (см. рис. 4). Выбор индексов 0 и 1 при обозначении часто ты F связан с логикой работы ФД. Пе редний фронт сигнала F1 устанав ливает на выходе ФД уровень лог. 1, а сигнала F0 – уровень лог. 0. Далее опи сывается устройство, которое преоб разует входное напряжение Ux в фазо вый сдвиг сигнала F0 относительно F1, а на выходе ФД формируется импульс ный сигнал с длительностью Тх, про порциональной Ux. Для преобразования аналогового сигнала в фазовый сдвиг применим фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ), функциональная схема кото рой показана на рисунке 5. ФАПЧ – это система автоматического регулирова ния с ООС, подстраивающая частоту управляемого генератора F0 так, что

GND

Рис. 4. Схема импульсного ФД

Фазовый детектор F1 +

ФД

Фильтр низкой частоты

Генератор управляемый напряжением Uгун ФНЧ ГУН

– F0

Рис. 5. Функциональная схема ФАПЧ зуется ООС, и среднее значение вход ного сигнала Ux сравнивается с преоб разованным в напряжение средним значением длительности импульса Тх за период частоты F0. Наличие ООС и большой коэффициент усиления ФНЧ обеспечивают высокую точность пре

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ФНЧ Tx

ФД

Аппаратная реализация предла гаемой схемы ФИМ не является слож ной. В настоящее время выпускаются различные ИС ФАПЧ. Например, мик росхема CD4046 (К561ГГ1) содержит три варианта ФД, ГУН, источник опор ного напряжения (ИОН) и дополни тельные цепи управления ГУН. На ри сунке 7 показана аппаратная реализа ция ФНЧ. Фильтр НЧ выполнен по схеме пропорционально интегриующего (ПИ) фильтра на ОУ, который срав нивает средние значения сигнала U x и преобразованного в напряжение длительности импульса T x за период частоты F 0. Резисторы R 1 и R 2 опре деляют масштабный коэффициент сравнения. Произведение R1C1 опре деляет постоянную времени интег ратора фильтра, R 3 обеспечивает устойчивость схемы ФИМ, а отноше ние R 3/R 1 определяет коэффициент передачи фильтра на переменном токе. Если ФД имеет выходную ха рактеристику в области положитель ных напряжений, то входной сигнал должен иметь отрицательную поляр ность. Если входной сигнал поло жительный – следует использовать дифференциальную схему включе ния ОУ, приведённую на рисунке 8. Элементы схемы ФНЧ должны удов летворять условию R 3 /R 1 = R 4 /R 2 и

Uгун Ky

_ F0

ГУН

Рис. 6. Функциональная схема ШИМ с ФАПЧ R1

– +

(ФНЧ) Tx

ФД

_ F0 ГУН

Рис. 7. Схема ФНЧ для отрицательных входных сигналов Ux

– + R4

(ФНЧ) C2 Tx

ФД _ F0

ГУН

Рис. 8. Схема ФНЧ для положительных входных сигналов

R 1C 1 = R 2C 2. Выходной сигнал ФНЧ управляет ге нератором (ГУН) таким образом, что бы частоты сигналов F0 и F1 были рав ными, а фазовый сдвиг между ними

образования и позволяют снизить тре бования к точности и стабильности элементов схемы. "Up=10v"

"Fo"

–15В/5мА

GND

+15 В

1н R7 100 к

1н

1 2

Выход

GND

0–100 мкс

R1 100 к

R2 100 к

GND

Вход

C2 1н

100 к 2

C1 1н

– 3 D3A +

R4 100 к

4 –15v C4 0,1

R5 820 к

7,2v

Fo P2

Vco CD4046

dm R1

3 4 13 1 9 10 11

"Uгун" 1

AD822AR 8 +15 В C3 0,1

"0v"

"Tx" D1A 3

Рис. 9. Схема преобразователя напряжения в длительность импульса

Cin

C5 C4

"Ux"

0...+10B

C7 C8 10u 25B

16 15

R6* 30 к

0,1

–15 В

Vdd

Vss

15В/5мА

10В/10мА

D1D

off

"F1"

CD4093

& 4093

1 2

был таким, чтобы выполнялось ра венство: ,

(1)

где Up – амплитуда импульса (напря жение питания ФД). Применение ПИ фильтра делает сис тему ФАПЧ астатической по фазе. Это означает, что если R1 = R2, то установив шееся значение относительной дли тельности выходных импульсов ФИМ (Тx/Т1) определяется только отношени ем Ux/Up и не зависит от параметров других элементов схемы ФИМ, т.е. Ux/Up = Тx/Т1.

(2)

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ФИМ На рисунке 9 показана электричес кая схема ШИМ, в котором реализован принцип ФИМ. В схеме используются два элемента 2И НЕ с триггером Шмит та на входе (1/2 корпуса CD4093) ОУ (1/2 корпуса AD822AR) и микросхема ФАПЧ CD4046. Генератор сигнала час тотой F1 = 10 кГц выполнен на инверто ре D1D и времязадающей цепочке R6C4; ФНЧ выполнен по схеме диффе ренциального ПИ фильтра на микро схеме D3A; постоянная времени инте гратора фильтра Ти = R1C1 = 100 мкс; коэффициент пропорциональности фильтра Кп = R3/R1 = 1. ФД и ГУН входят в состав микросхемы ФАПЧ D2. В мик росхеме D2 выход ФД «р» (вывод 1) имеет инверсный уровень; чтобы из менить логику работы ФД, в схему вве дён инвертор на элементе D1A. Харак теристики ФД и ГУН показаны на ри сунках 10 и 11 соответственно. Для расчёта динамических характе ристик систем регулирования исполь зуется круговая частота (угловая часто та) ω = 2πF, рад/с. ГУН настроен таким образом, чтобы при напряжении Uгун = = 0 В выходная частота F0 = F1 = 10 кГц, а при Uгун = 10 В выходная частота удва ивалась F0 = 20 кГц. Это сделано, чтобы оптимально использовать линейный диапазон выходного напряжения ФНЧ, который ограничен напряжением пи тания ОУ и равен ±15 В. Кратные 10 зна чения частот, периода и амплитуды выходных импульсов ФД выбраны для упрощения вычислений. Для демонстрации работы преобра зователя с ФИМ, с помощью програм мы Eleсtronics Workbench 5.12 была соз дана электронная модель (Ux Tx.ewb), которую можно загрузить с интернет СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

страницы журнала (www.soel.ru). Ре зультаты моделирования и принципи альная схема модели показаны на ри сунке 12. ГУН и генератор сигнала F1 представлены в виде стандартных бло ков, входящих в состав программы моделирования, характеристики кото рых можно настраивать. Выходная ха рактеристика ГУН соответствует ри сунку 11. Модель ФД отличается от схе мы ФД, приведённой на рисунке 4, и выполнена на трёх D триггерах, что бы исключить возможность захвата ФАПЧ на субгармониках частоты F0. Фильтр НЧ выполнен по схеме, приве дённой на рисунке 8. Входной сигнал Ux задавался источником напряжения, выходной импульсный сигнал дли тельностью Тx и входной сигнал Ux контролировались с помощью двухлу чевого осциллографа и вольтметра, входящих в состав программы моде лирования. На рисунках 12а и 12б показана фор ма сигналов частот F1 и F0, а также им пульсного сигнала длительностью Тx для Ux = 5 В. Амплитуда импульсного сигнала длительностью Тx равна 10 В, период следования импульсов 100 мкс. Длительность импульса Тx = 49,96 мкс

(Т2–Т1 на цифровом табло осцилло графа) отличается от номинального значения 50 мкс на 0,04 мкс, что соот ветствует ошибке 0,08%. На рисунках 12в и 12г показаны фор мы сигналов F1, Тx для Ux = 1 В и Ux = 9 В, соответственно. Длительности импуль сов Тx = 10,05 мкс и Тx = 89,99 мкс (Т2–Т1 на цифровом табло осциллографа) от личаются от номинальных значений 10 мкс и 90 мкс на 0,05 мкс (0,5%) и 0,01 мкс (0,01%) соответственно. На рисунке 12д показаны формы им пульсного сигнала длительностью Тx и выходного сигнала ФНЧ Uгун для Ux = 5 В. Форма выходного напряжения ФНЧ имеет импульсный характер. Прямо угольные скачки напряжения соответ ствуют коэффициенту пропорцио нальности (Кп) ПИ фильтра, а наклон ные участки напряжения – постоянной времени интегрирования Ти = 100 мкс. На рис. 12е показаны формы им пульсного сигнала длительностью Тx и Uгун (выход ФНЧ) для Ux = 5 В при включении питания схемы; длитель ность переходного процесса не пре вышает 1 мс. На рис. 12ж показаны формы сиг нала Ux и импульсного сигнала дли

[B]

[B] Up=10v Uфд

[рад]

2π

0 w=Tx Характеристика ФД Кфд=Up/2π [B/рад]

T1=100 [мкc] (среднее значение напряжения на выходе ФД)

Рис. 10. Выходная характеристика ФД [рад/c] 2π*2Fo Kгун

–Up

Uгун

2π*Fo

–10

10 +Up

[B]

2π*0 Характеристика ГУН Kгун=2π*Fo/Up [рад/c/B]

Рис. 11. Выходная характеристика ГУН тельностью Тx (вход и выход ФИМ), когда на входе присутствует помеха в виде пилообразного напряжения амплитудой 4 В (80% от полезного сигнала Ux = 5 в) и частотой 10 кГц.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

5В

10 кГц/30%

R4 100 кОм

С2 1 нФ

R3 100 кОм

С1 1 нФ +

+ –

–

5В

– +

R2 100 кОм

С1 1 нФ

–

R3 100 кОм R1 100 кОм

–

а)

5В

–

10 кГц/30%

R2 100 кОм Tx

R4 100 кОм

С2 1 нФ

R3 100 кОм

С1 1 нФ +

+ 5В

– +

–

R1 100 кОм

–

б)

1В

–

10 кГц/30%

R4 100 кОм

+ 1В

– +

R2 100 кОм

–

R1 100 кОм

–

С2 1 нФ

–

в)

9В

R3 100 кОм R1 100 кОм

+ 9В

F1 FD 10 кГц/30%

– +

R2 100 кОм Tx

–

С1 1 нФ

R4 100 кОм

–

С2 1 нФ

–

+ –

г) Рис. 12. Схема модели и результаты моделирования

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

5В

R4 100 кОм

С2 1 нФ

R3 100 кОм

С1 1 нФ +

10 кГц/50%

+ –

R2 100 кОм

5В

– +

–

R1 100 кОм

С1 1 нФ

–

R3 100 кОм

–

д)

5В

R1 100 кОм

Ux + –

R4 100 кОм

10 кГц/50%

–

5В

– +

R2 100 кОм

–

С2 1 нФ

–

е)

FD 10 кГц/30%

R2 100 кОм Tx

– +

–

F1 5В

R1 100 кОм

R4 100 кОм

–

С1 1 нФ +

R3 100 кОм

С2 1 нФ

–

+ –

ж) Рис. 12. Схема модели и результаты моделирования (окончание) На форме выходного импульсного сигнала длительностью Тx отсутству ет дрожание фронтов; длительность импульсов Т x = 49,97 мкс (Т2–Т1 на цифровом табло осциллографа) от личается от номинального значения 50 мкс на 0,03 мкс (0,06%). Этот экспе римент демонстрирует фильтрующие способности ФИМ. Если во входном сигнале Ux будут присутствовать по мехи с частотами, кратными частоте F0 (2F0, 3F0, . . ., nF0), то они будут пол ностью подавленны. Передаточная функция (3) такого фильтра показана на рисунке 13:

(3)

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИМ Преобразователь сигналов с ФИМ явля ется следящей системой с ООС. В [5, 6] можно найти подробный вывод переда точной функции ФАПЧ, в котором при менён ПИ фильтр. Передаточная функ ция (математическое описание динами ческой системы) ФИМ W(p) соответствует колебательному звену 2 го порядка: W(p)= 1/(p2 + 2ξωпp + ω2п),

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

(4)

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

где р – комплексная переменная, кото рая может быть заменена на jω для по 0

КП, дБ

–10 –20 –30 –40 –50 0

1/t1

2/t1

3/t1

4/t1

Рис. 13. Амплитудно частотная характеристика фильтра (3)

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

H(jω), дБ

Ошибка = 1,0

ζ = 0,3

ζ = 0,707

ζ = 0,5

6 дБ/октава

φe(t) φ

0,8

0,6

ζ = 5,0

ζ = 1,0

0,4

ζ = 2,0

–4

0,2

–8

–12

ζ = 2,0

ζ = 5,0

–0,2

ζ = 1,0 ζ = 0,707 ζ = 0,5 ζ = 0,3

–16 –0,4

–20 0,1

0,2

0,3

0,4 0,5

0,7

1,0

10 5 7 Частота, ω/ωП

Рис. 14. Нормированные ЛАЧХ колебательного звена 2 го порядка строения АФЧХ устройства; ωп = 2πFп – собственная частота ФИМ (рад/с); Fп – собственная частота ФИМ (Гц); ξ – коэф фициентом демпфирования (затуха ния) ФИМ. На рисунке 14 показаны логарифми ческие АЧХ ФИМ в относительных еди ницах для разных значений коэффи циента затухания ξ. Дополнительно приведены [6] выражения, которые связывают параметры передаточной функции ФИМ с параметрами уст ройств, входящих в схему преобразо вателя аналогового сигнала в длитель ность импульса: [рад/с2], ,

(5) (6)

где Кд – постоянная коэффициента пе редачи ФД (В/рад); Кг – постоянная ко эффициента передачи ГУН (рад/с/В); Ти = R1C1 – постоянная времени ин тегратора ПИ фильтра (c); Кп = R3/R1 – пропорциональный коэффициент ПИ фильтра. Амплитудно частотная характерис тика ФИМ соответствует ФНЧ 2 го по рядка с частотой среза ωп (рад/с) (час тотой переходного процесса) и спа дом 20 дБ на декаду (6 дБ/октаву). При проектировании преобразователя с ФИМ следует выбирать полосу пропус кания устройства ωп = 2πFп и коэффи циентом демпфирования (затухания) ξ на частотах выше частоты среза. Определим расчётные параметры реального преобразователя с ФИМ, ко торый был описан ранее, и сравним их с результатами моделирования рабо ты устройства. Запишем параметры элементов ре ального преобразователя с ФИМ в бук

8 ωП t

Рис. 15. Переходные характеристики относительной фазовой ошибки ФИМ

венном выражении (см. рис. 10 и 11): Кд = Uр/2π; Кг = 2πF0/Up; ТИ = 1/F0 и F0 = F1. Подставив буквенные значения пара метров в формулы (5) и (6), получим простые (для инженерной оценки) формулы для расчёта динамических ха рактеристик преобразователя с ФИМ: ,

(7)

Fп = F0/2π,

(8)

ξ = Кп/2.

(9)

Подставив в формулы (8) и (9) значе ния параметров реального преобразо вателя с ФИМ, получим оценки полосы пропускания преобразователя с ФИМ Fп = 10 кГц/6,28 = 1,6 кГц и коэффици ента демпфирования ξ = 0,5. На рисунке 15 показаны переход ные характеристики относительной фазовой ошибки ФИМ при ступенча том изменении входного сигнала [6]. В нашем примере коэффициент демп фирования ξ = 0,5. По графикам на рисунке 15 определяем, что во время переходного процесса, который про длится не более 0,8 мс, перерегулиро вание не превысит 30% от величины скачка. Сравнивая расчётные значе ния длительности переходного про цесса и величины перерегулирования выходного сигнала с результатом мо делирования переходного процесса при включении питания (см. рис. 12е), можно утверждать, что эксперимент подтвердил правильность расчётов. С помощью формул (5) и (6) можно добиться желаемой характеристики переходного процесса преобразова ния входного сигнала путём измене ния параметров элементов схемы и значения частоты преобразования F0.

ВЫВОДЫ 1. Предлагаемая схема преобразова теля напряжения в длительность импульса с применением системы ФАПЧ (ФИМ) обеспечивает высокую точность преобразования. 2. Преобразователь с ФИМ является идеальным заграждающим фильт ром помех, которые присутствуют во входном сигнале Ux, если частота помехи равна рабочей частоте пре образователя F0 или кратна этой час тоте (2F0, 3F0 и т.д.). 3. Схема преобразователя с ФИМ мо жет быть реализована на трёх ИС. Точность преобразователя определя ется напряжением смещения и вход ными токами ОУ, стабильностью двух резисторов сравнения и источ ником опорного напряжения. Тре бования к точности и стабильности остальных элементов схемы – не бо лее ±10%. 4. Современная технология ПЛИС иде ально подходит для создания преоб разователя с ФИМ.

ЛИТЕРАТУРА 1. http://myrobot.ru/stepbystep/rce_pwm.php. 2. Поляков К.Ю. Теория автоматического управления для «чайников». Санкт Петер бург, 2008. 3. http://icmicro.narod.ru/info_ru/opamp/ opamp.htm. 4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_phy sics/2198/. 5. http://www.dsplib.ru/content/pll/pll.html. 6. Применение интегральных схем: практи ческое руководство. Под ред. А. Уильямса. Мир, 1987. 7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схе мотехника. Мир, 1982. 8. http://catalog.gaw.ru/index.php?page=do cument&id=1478. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Новости мира News of the World Новости мира Медно никелевые нанопроводники – будущее печатаемой электроники Учёные химики из Дюкского университе та создали массив из медно никелевых на нопроводников в форме плёнки, который, как они заявляют, идеально подходит для использования в печатаемой электронике. Новая структура отлично проводит электри чество даже в таких условиях, где применя емые сегодня серебряные и никелевые на нопроводники теряют свои свойства.

Ключевой особенностью созданной учё ными плёнки является не только хорошая проводимость вне зависимости от внешних условий. По словам Бенджамина Уайли, одного из учёных, данная структура до вольно проста и дешева в производстве. Технология имеет огромный потенциал для использования в производстве электрон ной бумаги, «умной» упаковки и интер активной одежды. Новая разработка учёных из Дюкского университета также является очередной возможной альтернативой использованию дорогой смеси оксидов индия и олова (ITO). Данный материал наносится тонкой прозрачной плёнкой на стекло, что позво ляет создавать емкостные сенсоры, ис пользуемые в современных смартфонах, планшетах и электронных книгах. Индий представляет собой редкоземель ный металл, стоимость одного килограмма которого на сегодняшний день составляет 600 – 800 долларов. Практически все раз веданные запасы данного металла нахо дятся в Китае. В последнее время Китай существенно снижает экспорт этого метал ла, чтобы искусственно поднять цены. Кро ме того, процесс создания плёнки основан на осаждении пара, что очень дорого в про изводстве. Покрытие из ITO чрезвычайно хрупкое, что является основной проблемой производства гибких сенсорных дисплеев. 3dnews.ru

У графена появился очередной конкурент Открытие графена с его уникальными свойствами заставило учёных вниматель

ней присмотреться к другим материалам в поисках аналогий. Так, исследователи из Массачусетского технологического инсти тута (Massachusetts Institute of Technology) обнаружили, что тонкая плёнка из соеди нения висмута и сурьмы (Bi1 xSbx) демонст рирует характеристики, аналогичные гра фену. Как утверждает профессор MIT Милдред Дрессельхаус (Mildred Dressel haus), электронная проводимость соедине ния обладает свойством, известным как конусы Дирака. Эта характеристика, опи сывающая особенности энергетики элек трона при его движении в материалах, на иболее ярко проявляется в графене. Теоретически наличие конусов Дира ка указывает на возможность движения электронов в материале со скоростью све та. С точки зрения электроники, это позво лит ускорить передачу сигналов внутри чи пов в несколько раз. Кроме этого, плёнки из соединений висмут сурьма обладают термоэлектрическими свойствами, что зна чительно расширяет круг их возможного применения. Это может привести к созда нию новых материалов, как для генерато ров энергии, так и для эффективных сис тем охлаждения. Однако, по словам самих учёных, до практического применения та ких плёнок пока ещё очень далеко. Иссле дования материала только начались, и реальных подтверждений обнаруженных свойств пока нет. http://www.physorg.com/

Физики создали полноценный транзистор из одного атома фосфора Международная команда физиков вста вила атом фосфора в подложку из крем ния, превратив эту конструкцию в пол ноценный транзистор, выводы учёных опубликованы в журнале Nature Nanotech nology. Транзисторы представляют собой уст ройства, избирательно пропускающие элек трический ток. Управляемая проводимость этих приборов зависит от типа их конструк ции и свойств полупроводника. Как прави ло, при уменьшении размеров устройства сила побочных эффектов возрастает, что побуждает учёных и инженеров точнее раз мещать компоненты транзисторов и разра батывать новые методы защиты от токов утечки и других помех. Группа физиков под руководством Ми шель Симмонс (Michelle Simmons) из Мель бурнского университета (Австралия) созда ла прототип одноатомного транзистора на основе одного атома фосфора, прикрепив

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

его к поверхности пластины из кремния при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Сначала Симмонс и её коллеги подго товили подложку – тонкую пластину из оксида кремния. Затем они нанесли на неё «дорожки» из атомов фосфора, покрыли их атомами водорода и обработали «чис тую» поверхность при помощи туннельного микроскопа. Это устройство состоит из особо тонкой металлической иглы, которая считывает неровности поверхности при помощи импульсов слабого электрическо го тока. Взаимодействие атомов фосфора, водо рода с иглой микроскопа превращало их в молекулы газа фосфина, который легко от делялся от поверхности подложки. Это поз волило учёным удалить лишний фосфор с пластины и оставить его только в тех точ ках, где он был нужен. Удалив ненужные атомы с поверхности устройства, учёные «запечатали» его вто рым слоем кремния и подключили метал лические контакты к выходам транзистора. Затем авторы статьи проверили своё изобретение – они охладили одноатомный транзистор при помощи жидкого гелия и следили за тем, как устройство пропускает электрический ток. В целом результаты работы экспериментального транзистора совпадали с тем, что ожидали увидеть Симмонс и её коллеги. «Нам удалось создать великолепный пример того, как можно использовать ма нипулирование одиночными атомами для создания реально работающих устройств. Пятьдесят лет назад, когда был разработан первый (полевой) транзистор, никто не мог предсказать, какую роль компьютеры за ймут в обществе в наши дни», – пояснила Симмонс. Как считают учёные, им удалось «обо гнать» знаменитый закон Мура, описываю щий темпы развития электроники. Соглас но этому закону, число транзисторов на кристалле интегральных схем – процессо ров, памяти – удваивается каждые два го да за счёт уменьшения их размеров. По словам Симмонс и её коллег, появле ние одноатомных транзисторов было «на мечено» на 2020 г. Таким образом, иссле дователи смогли ускорить технический прогресс на восемь лет. Такой скачок впе рёд является очень весомым сроком для микроэлектроники – типичный цикл жизни новой полупроводниковой схемы составля ет примерно полгода, а цикл разработки редко длится больше двух трёх лет. http://www.nature.com

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Модуль приёмника спутниковых систем навигации Олег Вальпа (Челябинская обл.) В статье приведён обзор параметров современного приёмника спутниковых систем навигации GPS, ГЛОНАСС и Galileo, описаны схема его подключения к микроконтроллеру и особенности применения.

ВВЕДЕНИЕ Одним из важнейших источников информации для разнообразных уст ройств и систем является спутниковая навигационная система. Вслед за GPS (Global Positioning System – глобальная система позиционирования), разрабо танной Министерством обороны США, начали появляться её аналоги в других странах. В нашей стране по заказу Ми нистерства обороны была создана и запущена в эксплуатацию Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Совместным проектом спутниковой системы навигации Ев ропейского союза и Европейского кос

ОПИСАНИЕ ПРИЁМНИКА

15,0

1,27 × 10 = 12,7 11,5

Рис. 1. Внешний вид навигационного приёмника ML8088s

2,8

13,0

Рис. 2. Габариты приёмника ML8088s

мического агентства стала система Galileo, которая должна заработать в 2014 г. Китай, Япония, Южная Корея и другие страны по известным причи нам также заинтересованы в создании собственной, независимой системы навигации. Спутниковая система навигации позволяет определить местоположе ние объекта и его скорость почти при любой погоде. Российская система ГЛОНАСС предназначена для опера тивного навигационно временного обеспечения неограниченного чис ла пользователей наземного, морс кого, воздушного и космического ба зирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара, на основании указа Президента РФ, предоставляется рос сийским и иностранным потребите лям на безвозмездной основе и без ограничений. Доступ к гражданским сигналам GPS также осуществляется свободно. Электронная промышленность уже освоила в производстве малогабарит ные интегрированные компоненты, позволяющие принимать сигналы от систем спутниковой навигации. Рас смотрим один из таких компонентов – модуль ML8088s от компании НАВИА [1] – и особенности его использования с микроконтроллерами.

Модуль ML8088s является многока нальным приёмным устройством сиг налов спутниковых навигационных систем, его внешний вид показан на рисунке 1. Модуль предназначен для вычисления текущих координат и скорости объекта в реальном масшта бе времени в автономном и диффе ренциальном режимах, формиро вания секундной метки времени и обмена с внешним оборудованием по последовательным портам RS232 и USB.

Принцип действия приёмника осно ван на параллельном приёме и обра ботке 32 измерительными канала ми навигационных сигналов КА КНС ГЛОНАСС в частотном диапазоне L1 (СТ код), GPS на частоте L1 (C/A код) и Galileo на частоте E1. Результаты реше ния НЗ выдаются в формате сообще ний NMEA. Модуль ML8088s позволяет созда вать компактные устройства и осно ван на новейшем специализиро ванном наборе микросхем STA8088F компании STMicroelectronics [2]. Он обладает высокой чувствительнос тью, малым энергопотреблением и малым временем старта. Поскольку модуль имеет два канала захвата и 32 канала для сопровождения спут никовых сигналов, он способен осу ществлять одновременный захват спутниковых сигналов группировок ГЛОНАСС и GPS. Для первичного захвата спутнико вых сигналов приёмник использует специально подготовленную инфор мацию, хранящуюся в памяти, что поз воляет выполнить холодный старт в условиях слабых сигналов от спутни ков. Кроме того, ML8088s имеет встро енные средства подавления помех, что позволяет ему работать в условиях сложной помеховой обстановки. Управление работой приёмника осу ществляется при помощи специаль ных команд ST GNSS NMEA. Приёмник оснащён двумя последовательными портами UART и одним портом USB. Для ознакомления с работой приём ника изготовитель предлагает демонст рационную плату и программное обес печение. Плата может подключаться к компьютеру или другому оборудо ванию.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Основные технические характерис тики приёмника ML8088s приведены в таблице 1. На рисунке 2 приведены габаритные и присоединительные раз меры ML8088s. Контактные площадки показаны пунктирной линией. Номера контактов и метка первого вывода (ключ) показаны условно. Ключ пред СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

НАЗНАЧЕНИЕ ВЫВОДОВ И ТИПОВАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ В таблице 2 приведено назначение выводов ML8088s, с нумерацией и условным обозначением. На рисун ке 4 приведена типовая схема включе ния приёмника ML8088s с передачей данных NMEA по каналу UART1. Обозначения In (вход) и Out (выход) условно показывают направления распространения сигналов. Напря жение питания модуля Vdd = 3,0…3,6 В подаётся на контактную площад ку 13 (V_IN). На схеме подключения данная цепь обозначена +3.3 V main. Напряжение от резервной батареи (Vbat = 2,0…3,6 В) должно быть подано на контактную площадку 12 (V_RTC). На схеме подключения данная цепь обозначена +Vbat RTC. Рекомендуется поддерживать Vbat для обеспечения ра боты встроенных часов и памяти моду ля. Кроме того, напряжение резервной батареи обеспечивает питание регист ра хранения признака активации внут реннего программного обеспечения модуля. Не рекомендуется использо вать резервную батарею с напряжени ем, превышающим напряжение пита ния приёмника. При первом включении напряже ния питания модуля V dd после под ключения Vbat следует подать импульс лог. 0 на контактную площадку 18 (вход /RST). Это необходимо для вы бора режима работы встроенного микроконтроллера модуля (работа или загрузка программы во встроен ную флэш память), для активации внутреннего программного обеспе чения модуля и записи признака его активации в регистр хранения. Дли тельность импульса должна быть не менее 10 мс, напряжение на входе не должно превышать 0,1 В при токе не менее 8 мА. При последующих вклю чениях напряжения питания Vdd по

дача импульса на вход /RST необяза тельна (при подаче этого сигнала происходит стирание информации о текущем времени, что увеличивает продолжительность поиска и захва та спутников). Временная диаграмма состояний и уровней сигналов на вы водах модуля при включении Vbat и Vdd приведена на рисунке 5. Сигнал сброса /RST для модуля рекомендует ся формировать при помощи каскада с открытым коллектором/истоком с повышенной нагрузочной способ ностью. Состояния и сигналы на приведён ной диаграмме описываются отно сительно управляющей системы (на пример, управляющего микрокон т р о л л е р а M C U ) . Та к и м о б р а з о м , данные на выходе TX0 модуля явля ются входными для управляющей сис темы, а данные на входе RX0 модуля – выходными данными управляющей системы. Состояние высокого импе данса Z описывает выводы управляю щей системы (входы и выходы), под ключенные к соответствующим выво дам модуля. Напряжения на выводах PPS, GNSS status, TX0, RX0, TX1 и RX1 не должны

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

4,67

1,5

3,65 0,5

1,9

15,0

ставляет собой чёрную точку на белом фоне и расположен в левом нижнем углу наклейки, рядом с серийным но мером. Чертёж посадочного места для уста новки ML8088s на печатную плату пользователя показан на рисунке 3. Все размеры приведены в миллиметрах. Под модулем не допускается проведе ние сигнальных цепей. Место под мо дулем на печатной плате рекомендует ся заполнить медным полигоном, подключенным к шине нулевого по тенциала (GND).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12

0,75

0,8

1,27

13,0

Рис. 3. Посадочное место для установки ML8088s превышать напряжение питания мо дуля в любой момент времени. Ес тественно, при отключенном Vdd на пряжение на указанных выводах должно отсутствовать, т.е. выводы должны быть переключены в Z со стояние, режим входа или лог. 0. На выводах не допускается установка резисторов «подтяжки» к напряже нию питания. В момент подачи импульса на вход /RST без подачи +Vbat необходимо обеспечить Z состояние или лог. 0 для

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Таблица 1. Основные технические характеристики приёмника ML8088s Параметр

Значение

Количество каналов сопровождения

Количество каналов захвата

Частотный диапазон GPS, МГц

1575,42 ± 0,5

Частотный диапазон ГЛОНАСС, МГц

1597,5…1605,9

Погрешность определения координат*, не более, м

3 в плане 4 по высоте

Погрешность определения плановой скорости*, не более, м/с

0,05

Погрешность синхронизации секундной сетки времени к шкалам времени GPS, ГЛОНАСС, UTC, TC(SU)*, не более, нс

±20 35, холодный старт 34, теплый старт 4, горячий старт 1, повторный захват

Среднее время до первого определения места при уровне сигнала –130 дБм, с

–145, холодный старт –145, теплый старт –152, горячий старт

Чувствительность по обнаружению, не хуже, дБм Система подавления помех

3>уровневая, встроенная

Частота выдачи данных, Гц

0,1…1,5 Динамика, не более

Ускорение, g

Скорость изменения ускорения, g/с

Максимальная скорость, м/с

515

Максимальная высота, м

18 000

Вычислительное ядро

ARM946

Интерфейс обмена

2×RS232 3,3 В LVCMOS, USB Параметры секундной метки времени

Уровень, В

3,3 LVCMOS

Длительность, мс

500 Сигнал GNSS status

Уровень, В

1,8 LVCMOS

Длительность, с

Период, с

Основное напряжение питания, В

3,0…3,6

Резервное напряжение питания, В

2,0…3,6 Поиск 55 (GPS), 75 (ГЛОНАСС+GPS) Слежение 35 (GPS), 55 (ГЛОНАСС+GPS)

Ток потребления по цепи 3,3 В, типовой, мА Ток потребления по цепи внешней резервной батареи, типовой, мкА

Размеры (длина × ширина × высота), мм

15 × 13 × 2,8

Масса, не более, г

Диапазон рабочих температур, °С

–40…+85

*При доверительной вероятности 0,67

Таблица 2. Назначение выводов ML8088s Номер контакта

Обозначение

Описание сигнала

Тип

20, 22

RF GND

Общий высокочастотной части

Power

6, 17

GND

Общий цифровой части

Power

IN RF

Вход антенны

Analog

V_IN

Питание +3,3 В

Power

V RTC

Питание цепи резервной батареи

Power

TX1

Выход UART1 (NMEA)

In/Out

RX1

Вход UART1 (NMEA)

In/Out

TXO

Выход UART0

In/Out

RXO

Вход UART0

In/Out

USBDP

Вывод USB D+

In/Out

USBDM

Вывод USB D–

In/Out

PPS

Сигнал метки времени

In/Out

GNSS status

Статус приёма

In/Out

/RST

Аппаратный сброс модуля

Не подключено

–

7, 9, 10, 11, 14, 19

Жирным шрифтом выделены состояния двунаправленных выводов в рабочем режиме.

цепей, подключенных к контактам TXD0 и TXD1. Недопустимы утечки че рез цепи защиты подключенных вы водов от перенапряжений при напря жениях, меньших значения Vdd. Несо блюдение этого требования приведёт к некорректному запуску встроенного программного обеспечения модуля. Указанные состояния следует удержи вать не менее 20 мс после снятия низ кого уровня на входе /RST или включе ния напряжения питания Vdd (в отсут ствие Vbat). Если резервная батарея не установ лена, подача импульса на вход /RST не обязательна. Временная диаграмма состояний и уровней сигналов на вы водах модуля при включении Vdd без использования Vbat приведена на ри сунке 6. Импульс на вход /RST может быть подан для перезапуска встроен ной программы модуля. Антенна (активная или пассивная) подключается к контакту 21 (IN_RF). На схеме подключения антенный разъём обозначен J1. Проводник, со единяющий контакт 21 приёмника и антенну, должен быть выполнен в виде микрополосковой линии с вол новым сопротивлением 50 Ом. Кон такты 20 и 22 (RF GND) модуля представляют собой цепь высоко частотной «земли» для контакта 21 (на схеме обозначены символом «заштрихованной» земли). Питание на активную антенну подаётся через встроенные цепи модуля. Цепь пи тания активной антенны защищена самовосстанавливающимся пред охранителем с током срабатывания 100 мА. Нагрузочные характеристи ки источника питания модуля долж ны учитывать потребление активной антенны. Выходной сигнал в виде последова тельности сообщений NMEA выдаётся через последовательный порт UART1 (сигнал TX1, площадка 4; сигнал RX1, площадка 5). На данном порте сооб щения NMEA присутствуют в состоя нии заводской поставки и обозначе ны UART1 Tx NMEA и UART1 Rx NMEA соответственно. Настройка скорости обмена по по следовательному порту UART, выбор группировок спутников ГЛОНАСС, ГЛОНАСС/GPS или GPS и прочие установки выполняются путём ввода в модуль специальных сообщений NMEA. На контакты 1 и 2 приёмника выве дены сигналы порта UART0 (сигнал СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

J1 RF CONN

M1 ML8088s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

RX0 TX0 PPS TX1 RX1 GND NC GNSS status NC NC NC

RF GND IN_RF RF GND NC /RST GND USB_DM USB_DP NC V_IN V_RTC

22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12

Microchip 50 Ом

+3,3 В main +Vbat RTC

Микроконтроллер GPI01 TXD RXD GPI02 GPI03

+ С1 15 мкФ

С2 1 мкФ

С3 1 мкФ

Рис. 4. Типовая схема включения приёмника ML8088s TX0, площадка 2 и сигнал RX0, пло щадка 1). Данный порт в состоянии заводской поставки предназначен для программирования внутренней флэш памяти приёмника. В зависи мости от программных установок модуля, данный порт может исполь зоваться для передачи в приёмник информации о дифференциальных поправках, получения сообщений NMEA, загрузки информации о спут никовой обстановке и т.п. Эти сигна лы на схеме обозначены UART0 Tx и UART0 Rx соответственно. Сигнал мет ки времени PPS выведен на площад ку 3 и может использоваться аппара турой потребителя для осуществле ния точной привязки времени прибо ра к стандартному времени UTC. На схеме подключения этот выходной сигнал обозначен 1PPS Out. Общая цепь GND (контакты 6 и 17) должна быть подключена к общей цепи GND внешнего устройства, в которое установлен модуль. Цепи RF GND объединены внутри модуля и не должны быть связаны вне модуля во избежание снижения качества приёма.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА USB На рисунке 7 приведена схема включения приёмника ML8088s с пе редачей данных NMEA через канал связи USB. В этой схеме включения данные NMEA через порт UART1 не передаются, и требуется загрузить в модуль соответствующее программ ное обеспечение модуля либо пере ключить модуль в данный режим

при помощи программы «НАВИА ГЛОНАСС + GPS». Цоколёвка разъё ма USB J2 соответствует кабелю miniUSB. Резисторы R11 и R12 пред назначены для согласования выво дов модуля с шиной USB и для боль шинства применений могут иметь номинал 22 Ом. Сигнал GNSS status (контакт 8) предназначен для аппаратной инди кации успешного решения навигаци онной задачи (координаты определе ны). В противном случае сигнал удер живается в состоянии лог. 0. После определения координат сигнал на контакте 8 раз в 2 с изменяет своё со стояние с лог. 0 на лог. 1 и обратно. На рисунке 8 приведена типовая схема преобразования выходного уровня сигнала и подключения светодиода индикации VD1. Сигнал GNSS status имеет размах 1,8 В. Для согласования уровней при менён ключ, собранный на транзисто ре U1 и резисторах R1 и R2. Резистор R4 служит нагрузкой транзистора U1. Сигнал GNSS status Out с выхода тран зисторного ключа может быть подан на другие элементы устройства, в кото ром применяется модуль (например, на микроконтроллер). На схеме под ключения данная цепь обозначена GNSS status 3,3V Out. Выводы модуля, обозначенные как NC (не подключены), не должны иметь электрического контакта как между со бой, так и с любыми цепями и элемен тами устройства, в которое установлен приёмник. При работе приёмника с источни ком сигнала, имеющим низкое выход

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Питание отключено

Батарейное питание

Включение контроллера

Питание 3,3 В включено

Работа

Батарейное питание включено, питание 3,3 В отключено

Включение Обычное питание включено, контроллера работа

Vbat Vdd

Tx0

Z state

Input data

Rx0

Z state

Output data

Tx1

Z state

Input data

Rx1

Z state

Output data

≥0 мс

≥10 мс

≥20 мс

≥0 мс

RST

Рис. 5. Временная диаграмма состояний и уровней сигналов с Vbat ное сопротивление по постоянному току, следует установить разделитель ный конденсатор в разрыв микропо лосковой линии. В противном случае возможна перегрузка по току источни

Батарейное питание

Включение контроллера

ка сигнала или срабатывание самовос станавливающегося предохраните ля и перегрев приёмника, что может привести к сокращению срока его службы.

Питание 3,3 В включено

Работа

Vbat Vdd

Tx0

Z state

Input data

Rx0

Z state

Output data

Tx1

Z state

Input data

Rx1

Z state

Output data

≥0 мс

≥20 мс

RST

Рис. 6. Временная диаграмма состояний и уровней сигналов без Vbat J1 RF CONN

M1 ML8088s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

RX0 TX0 PPS TX1 RX1 GND NC GNSS status NC NC NC

RF GND IN_RF RF GND NC /RST GND USB_DM USB_DP NC V_IN V_RTC

22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12

+ С1 15 мкФ

Microchip 50 Ом

1,5 к R1 22

R2 22 +3,3 В main +Vbat RTC /RESET In GNSS status Out 1PPS Out

С2 1 мкФ

С3 1 мкФ

Рис. 7. Типовая схема включения приёмника с передачей данных по USB

J2 USB 1 2 VBUS 3 D– 4 D+ GND GND NMEA Output/Inp

УПРАВЛЕНИЕ ПРИЁМНИКОМ Управление работой приёмника осуществляется как при помощи ап паратных средств, так и при помо щи специальных команд, подавае мых на приёмник. При помощи ап паратных средств осуществляется включение и выключение приёмни ка при постоянно присутствующем напряжении питания, аппаратный сброс и выбор режима работа/про граммирование. Аппаратный сброс приёмника вы полняется подачей импульса лог. 0 на вход RST. Параметры импульса при ведены выше. Выбор режима рабо та/программирование осуществляет ся логическими уровнями на выводах TX0 и TX1 во время формирования импульса аппаратного сброса. Для обеспечения рабочего режима при ёмника следует во время формирова ния импульса аппаратного сброса и не менее 20 мс после его окончания удерживать выводы TX0 и TX1 в со стоянии «вход» или Z. Для перевода приёмника в режим программирова ния необходимо во время формиро вания импульса аппаратного сброса и не менее 20 мс после его окончания удерживать вывод TX0 в состоянии «вход» или Z, а вывод TX1 – в лог. 0. Для управления программными ре жимами и параметрами приёмника предназначен набор специальных команд, имеющий NMEA подобный формат. Команды подаются на вход RX1 или порт USB. Описание команд приведено в электронном докумен те «Набор NMEA команд приёмника ML8088s», который предоставляется по запросу. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПРИЁМНИКА Модуль ML8088s способен функ ционировать в трёх различных ре жимах: ● комбинированный режим (ГЛО НАСС+GPS), даёт максимальную точ ность и устойчивость приёма, осо бенно в условиях плотной городс кой застройки; ● режим только ГЛОНАСС; ● режим только GPS. Переключение между режимами осуществляется двумя способами. Способ 1 («на лету»), без изменения установок в конфигурационном бло ке энергонезависимой памяти путём выдачи команды $PSTMSETCONST MASK: ● режим «только ГЛОНАСС»: послать $PSTMSETCONSTMASK,2; ● режим «только GPS»: послать $PSTMSETCONSTMASK,1; ● возврат в комбинированный режим: послать $PSTMSETCONSTMASK,3. Этот самый быстрый вариант пере хода между группировками спутников не требует аппаратного сброса и ожи дания. Однако при повторном вклю

чении питания устанавливается ре жим, записанный в энергонезависи мой памяти. Способ 2, путём записи кодового слова в конфигурационный блок па мяти модуля через вход NMEA специ альными командами типа $PSTMxxxx с последующим обязательным аппа ратным сбросом модуля импульсом лог. 0 на контакте 18. Невыполнение этого условия приводит к некоррект ной работе устройства или его «зави санию». Наборы команд для переклю чения: ● комбинированный режим: $PSTMSETPAR,1200,00630000,1*, $PSTMSAVEPAR; ● только ГЛОНАСС: $PSTMSET PAR,1200,00410000,2*, $PSTMSET PAR,1200,00220000,1*, $PSTMSAVEPAR; ● т о л ь к о G P S : $ P S T M S E T PAR,1200,00220000,2*, $PSTMSET PAR,1200,00410000,1*, $PSTMSAVEPAR. В отличие от способа 1, результат изменения режимов в конфигураци онном блоке сохраняется после вы ключения питания и аппаратного сброса.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

Pin 8 GNSS status R1 10 к

R2 10 к

GNSS status LED VD1 LED R3 330

U1 NPN

+ С1 15 мкФ

3,3 В R4 1к GNSS status 3,3 В Out С2 1 мкФ GND

Рис. 8. Типовая схема преобразования выходного уровня сигнала и подключения светодиода индикации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Описанный в статье модуль приём ника позволяет быстро начать экспе рименты по созданию микроконтрол лерных устройств с использованием систем спутниковой навигации. Од ним из простейших устройств, постро енных с применением ML8088s, может быть прибор, отображающий текущее время (с синхронизацией от спутни ков) и координаты своего местополо жения.

ЛИТЕРАТУРА 1. http://naviaglonass.ru. 2. http://www.st.com.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Масштабируемый преобразователь двоичного кода в двоично десятичный, реализуемый в ПЛИС Валентин Сокол (Московская обл.) Описана структура узлов последовательного преобразователя BIN – BCD, предназначенного для обработки выходных сигналов АЦП.

Задача преобразования кодов – тра диционно «рутинная» и невыигрыш ная – до недавних пор требовала боль ших аппаратных затрат. Заметно проще она решается с помощью микрокон троллеров. На примере наиболее рас пространённого 12 разрядного АЦП попытаемся определить, каких ресур сов ПЛИС потребует аппаратная реали зация подобного преобразователя. Структурная схема преобразователя изображена на рисунке 1. Устройст во состоит из четырёх, последователь но соединённых по шине переноса, двоично десятичных накапливающих

сумматоров. Каждый из этих узлов, в свою очередь, состоит из сумматора и регистра. Параллельные входы каждо го сумматора поразрядно объединены, что обеспечивает удвоение кода на каждом шаге. Процесс преобразования двоичного числа BE7 иллюстрирует рисунок 2. Входная информация (инф.) посту пает старшим разрядом вперёд. Первая «1» на первом такте будет записана в регистр накапливающего сумматора. На втором такте код удвоится (0002), на третьем он удвоится ещё раз с до бавлением текущей входной информа

Двоично десятичный накапливающий сумматор DD5

DD1 4 Инф.

A B

SM10

Pout

D C

DD6

A B

SM10

Pout

D C

DD4 4

DD2 4

Вых. 4

DD8

A B

SM10

Pout

D C

R Такт Сброс

Рис. 1. Структурная схема 12 разрядного последовательного преобразователя BIN – BCD

Инф.

0000

0001

0002

0005

0011

0023

0047

0095

Такт Вых.

0190

0380

0761

Рис. 2. Эпюры сигналов в последовательном преобразователе

1523

3047

4 A 4 B

DD1 SM S

DD2 A F "9" B A>B

DD4 "6" DD3

4 "0"

A B

DD5 SM

P Pout

Рис. 3. Двоично десятичный сумматор ции (0005). Если бы входной код не со держал других единиц, кроме первой, выходная сумма за 11 шагов преобра зования составила бы 2048 (211). Третья «1» за девять шагов преобразования до бавит в результат число 512. После 12 тактовых импульсов процесс преобра зования заканчивается, и на выходах регистров появляется результат преоб разования – 16 разрядное число, дво ично десятичный эквивалент входной информации. Старший разряд выво дится регистром DD8. В данном вари анте преобразователя входной код мо жет быть и 13 разрядным (13 тактов преобразования), при этом переполне ния не произойдёт (максимальное чис ло на выходе – 8191). Добавление 14 го разряда потребует дополнительного триггера для регистрации переноса Pout и увеличит максимальное выход ное число до 16381 (3FFD). Структурная схема каждого из узлов DD1–DD4 показана на рисунке 3. Она содержит четырёхразрядные двоич ные сумматоры DD1, DD5 с узлами де сятичной коррекции, куда входят схе ма сравнения DD2, схема «ИЛИ» DD3 и ключ DD4. Работу схемы коррекции при желании можно смоделировать в симуляторе, подавая коды чисел на входы A, B и Pin. Теперь ответим на вопрос, заданный в начале статьи: какой ресурс ПЛИС по требуется для реализации этого сложно го, судя по схеме, устройства? Автор был поражён – при реализации в CPLD се мейства MAX Altera типа EPM3064A или MAX II типа EPM240T100C5 необходимо всего 17 ячеек! Притом что собственно выходной регистр занимает 16 ячеек. Описанное устройство предназна чено для преобразования последова тельного выходного кода АЦП Texas Instruments ADS8320 и подобных при боров. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ДОЛОМАНТ является партнером мировых лидеров по производству печатных плат.

в соответствии с ТЗ заказчика, в том числе изделий специального назначения

Более 400 000 наименований изделий иностранного производства под контролем военного представительства

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделирование температурных полей электронных модулей в программном комплексе STF ElectronMod Александр Мадера, Пётр Кандалов (Москва) расчёты аэродинамических харак теристик движения воздушной сре ды в системе. Важнейшей структурной едини цей электронной системы являет ся электронный модуль (ЭМ). Он представляет собой конструктив, со держащий МПП с установленными на ней МС и ЭРЭ, включая дискрет ные диоды, транзисторы, резисто ры, конденсаторы, катушки индук тивности, электрические разъёмы и другие навесные элементы, а также конструктивные элементы крепления, направляющие и т.п. (см. рис. 1). С точки зрения теплового про ектирования, электронный модуль характеризуется следующими осо бенностями: сложной трёхмерной конструкцией МПП, содержащей большое количество разнородных слоёв; трёхмерной конфигурацией ЭМ; неоднородными включениями и полостями; пространственным раз мещением МС и ЭРЭ на поверхнос тях МПП и необходимостью учёта теплопереноса по выводам корпусов МС и ЭРЭ и в зазорах между ними и МПП; сложной динамикой рассеива емой мощности в МС; взаимодей ствием и взаимовлиянием элемен тов. Кроме того, до сих пор остаётся нерешённой проблема конвективно го теплообмена ЭМ и его элементов с воздушной средой [1]. Перечисленные особенности ЭМ, пространственный характер конст рукции, большое разнообразие и ко личество разнородных в теплофизи ческом отношении МС и ЭРЭ с трёх мерной конфигурацией, а также сложность протекающих в ЭМ про цессов теплопереноса и теплообме на со средой, описываемых нетриви альными математическими моделя ми, обусловливает тот факт, что в настоящее время отсутствуют надёж ные, эффективные и адекватные ме тоды математического и компьютер ного моделирования температурных трёхмерных полей электронных мо дулей. ●

В статье приведены результаты моделирования трёхмерных температурных полей электронных модулей на основе программного комплекса STF ElectronMod. Положенный в основу моделирования матрично топологический метод позволяет осуществлять расчёты температурных полей сложных модулей с учётом реальных конструктивных особенностей и технологий монтажа компонентов.

ВВЕДЕНИЕ Разработчики современных элек тронных систем бортового и наземно го назначения – микроэлектронных изделий, компьютеров и систем управ ления – постоянно сталкиваются с проблемой охлаждения и отвода тепла. Это обусловлено зависимостью от тем пературы электрических, механиче ских и надёжностных характеристик электронных компонентов (микро схем, МС) и электрорадиоэлементов (ЭРЭ), претерпевающих существенные изменения при возникновении темпе ратурного поля в системе. Температурные изменения парамет ров электронных систем могут превы шать допустимые значения, приводя к неправильному функционированию, снижению надёжности, быстродейст вия и помехоустойчивости, возник новению термомеханических напря жений и деформаций. Сложности с отводом тепла, возникающие при ми ниатюризации электронных систем, усугубляются ростом рабочей темпе ратуры и плотности мощности в еди нице объёма. Поэтому эффективность охлаждения во многом определяет конкурентоспособность электронных систем.

Электрический разъём

Микросхема

Электро радиоэлементы

Многослойная печатная плата

Рис. 1. Типичная конструкция ЭМ

Создание современного электрон ного оборудования невозможно без компьютерных технологий проекти рования. Наряду со схемотехническим проектированием, трассировкой сиг нальных проводников в многослой ных печатных платах (МПП), модели рованием высокочастотных эффектов в линиях связи, проектированием конструкции и топологии МС, необхо димо осуществлять тепловое проекти рование электронной системы и её элементов. Поскольку температурные поля, возникающие в электронной системе в процессе её функциониро вания, оказывают значительное влия ние практически на все характеристи ки, тепловое проектирование должно проводиться в итерационном режи ме, одновременно с предварительной компоновкой элементов и системы в целом. Основными задачами теплового проектирования электронных систем и её элементов являются: моделирова ние температурных полей; моделиро вание тепловых режимов системы в условиях испытаний и эксплуатации; конструкторско технологическое обеспечение параметров тепловых ре жимов системы в требуемых пределах. Тепловое проектирование включает: ● проведение расчётов температур ных полей в объёмах и на поверх ностях конструкции электронной системы и её элементов: – распределений температуры в кристаллах и корпусах МС и ЭРЭ, – распределений тепловых потоков в системе; ● моделирование конвективного теп лообмена между элементами сис темы и средой как внутри, так и сна ружи;

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Необходимо отметить, что на рынке программных комплексов, предназна ченных для моделирования распреде лений температуры в электронной ап паратуре и ЭМ, имеется достаточное количество как зарубежных, так и оте чественных предложений. Как прави ло, они не позволяют моделировать температурные поля ЭМ с учётом всех конструктивных и физических осо бенностей электронных систем, что ограничивает их использование в про фессиональной практике теплового проектирования. Так, например, ни один из существующих программных комплексов не учитывает многослой ный характер конструкций МПП, чис ло слоёв в которых может достигать нескольких десятков, а разброс тепло проводностей и толщин слоёв – четы рёх порядков. В данной статье рассматриваются результаты моделирования трёхмер ных температурных полей ЭМ с по мощью разработанного авторами программного комплекса STF Elec tronMod (Simulation of Temperature Fields of Electronic Modules). В его ос нову положен матрично топологиче ский подход к математическому моде лированию и его компьютерная реа лизация в STF ElectronMod. Такой подход позволяет рассчитывать трёх мерные температурные поля в слож ных конструкциях ЭМ с учётом ре альных условий монтажа МС и ЭРЭ на поверхностях МПП, особенностей крепления МПП в ЭМ, блоках и пане лях электронных устройств, конструк ций теплоотводов и системы охлаж дения ЭМ, без ограничения числа раз нородных слоёв МПП. Программный комплекс STF Elec tronMod реализован на языке Pascal для персональных и суперкомпьюте ров, имеет удобный пользовательский интерфейс с развитой пользователь ской оболочкой и обеспечен средства ми визуализации распределений тем пературы ЭМ в виде цветных изотерм. Сравнение разработанного комплек са STF ElectronMod с существующими аналогами показало его превосходство по функциональным возможностям и степени адекватности получаемых результатов моделирования. Матрич но топологический метод моделиро вания температурных полей электрон ных систем, а также программный комплекс STF ElectronMod разрабаты ваются при поддержке гранта РФФИ № 12 07 00076 а.

Рис. 2. Топология размещения МС на верхней поверхности ЭМ

Рис. 3. Топология размещения МС на нижней поверхности ЭМ

МАТРИЧНО ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ЭМ Матрично топологический метод моделирования трёхмерных темпера турных полей сложных конструкций электронных модулей представляет со бой систему автоматически формиру емых матричных уравнений теплового баланса для тепловых моделей ЭМ и их элементов (МС и ЭРЭ) с использовани ем теории графов. Тепловая модель МПП представляет собой многослойный прямоугольный

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

параллелепипед [2], состоящий из мно жества тонких разнородных в теп лофизическом отношении слоёв раз личной толщины; на поверхностях тепловой модели МПП расположены прямоугольные площадки, соответ ствующие проекциям МС и ЭРЭ; с по верхностей МПП происходит конвек тивный теплообмен с окружающей средой. Тепловые модели МС и ЭРЭ разделе ны на два вида: активные и пассивные элементы, характеризующиеся тепло выделением (МС, диоды, транзисторы,

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

ментов в матрично векторной форме имеют вид: ,

Рис. 4. Окно задания общих параметров конструкции резисторы, конденсаторы, катушки ин дуктивности, трансформаторы), и механические элементы, которые не обладают собственным тепловыделе нием (электрические разъёмы, тепло отводы, конструктивные элементы и пр.). При тепловом моделировании ак тивные и пассивные элементы играют роль источников тепла, а механиче ские элементы – стоков тепла. Актив ные и пассивные элементы моделиру ются с помощью графов тепловых схем, получаемых методом электро тепловой аналогии на макроуровне

моделирования [3]. Математические модели активных и пассивных эле

где Rss, Rdd, Rsd и Rds – матрицы тепло вых взаимодействий между всеми источниками тепла (R ss), между все

Рис. 5. Окно задания параметров слоёв МПП

где Ps, Pd, Ts, Td – векторы мощностей и усреднённых температур активных и пас сивных элементов; Tsa, Tda – векторы за данных и предварительно известных тем ператур охлаждения МС и стоков тепла; Pic – вектор мощностей, потребляемых МС; Tf – вектор конечных температур трактов стоков; R1, R2 – тепловые сопро тивления в графе тепловой модели МС. Матрично топологический метод основывается на универсальной кон цепции коэффициентов влияния [3], принципе суперпозиции, методе двой ного косинусного преобразования Фурье в конечных пределах и тополо гическом формировании уравнений математической модели с помощью те ории графов. Матрично топологиче ская модель теплопереноса в конструк ции электронного модуля имеет вид:

ми источниками и стоками тепла (R sd), между всеми стоками и источ никами тепла (R d ) и между всеми стоками тепла (R dd); αs и αd – матри цы коэффициентов теплоотдачи с поверхностей ЭМ в окружающую среду. Процесс моделирования темпера турных полей электронных модулей в программном комплексе STF Elec tronMod осуществляется в два этапа. На первом этапе определяются все неизвестные характеристики тепло вых схем элементов. К ним относятся температуры в узлах схемы и мощ ности в ветвях схемы. На втором эта пе рассчитываются температурные поля на верхней и нижней поверх ностях модуля. Решением системы уравнений математической модели являются векторы мощностей источ ников Ps и стоков Pd тепла тепловой модели МПП, а также значения век торов температур в любой точке конструкции и значения векторов температур Тs, и Тd, усреднённых по площадям источников и стоков тепла. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 6. Окно задания параметров МС Для ускорения решения системы уравнений был разработан эффек тивный алгоритм, позволяющий рас считывать мощности всех источни ков за один проход.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ЭМ Моделируемый электронный мо дуль содержит МПП, состоящую из 13 слоёв, на поверхностях которой установлено 20 микросхем и четыре конструктивных элемента крепления ЭМ к корпусу электронной системы (см. рис. 2 и 3). Этапы задания исходных данных для моделирования температурных полей ЭМ в программном комплексе STF ElectronMod приведены на рисунках 4–7. Общие параметры конструкции ЭМ, такие как температура среды, усло вия теплообмена и геометрические размеры конструкции МПП по осям X и Y, задаются в диалоговом окне, пока занном на рисунке 4. Задание парамет ров слоёв (толщина, теплопровод ность, последовательность) показано на рисунке 5, параметров МС – на ри сунке 6 и параметров пассивных эле ментов – на рисунке 7. Результаты моделирования темпе ратурных полей в виде цветных ли ний уровня, полученные с помощью программного комплекса STF Elec tronMod и совмещённые с топологией МС и ЭРЭ на МПП, приведены на ри сунках 8 и 9.

Наибольшие значения температуры (показаны ярко жёлтым цветом с пе реходом к белому), как и следовало ожидать, наблюдаются в местах распо ложения двух наиболее мощных мик росхем (S1 и S3 на поверхности МПП) с двух сторон МПП. При этом наимень шие значения температуры (показаны тёмно коричневым цветом) соответ ствуют стокам тепла, которыми явля ются элементы крепления МПП к кор пусу электронной системы. Поля тем пературы, как следует из рисунков 8 и 9, довольно сильно рассеиваются от наиболее мощных микросхем к пери ферии, захватывая близлежащие эле менты и тем самым оказывая на них тепловое влияние, приводящее к неже лательному нагреванию. Рассеивание тепловых потоков по конструкции МПП зависит в основ ном от количества и толщины мед ных слоёв, входящих в МПП. Поэтому

на поверхности МПП за пределами зон влияния наиболее мощных МС и ЭРЭ следует располагать элементы, имеющие наибольшую чувствитель ность к температуре. При этом грани цы зон влияния для конкретной конструкции ЭМ могут быть эффек тивно и адекватно рассчитаны с по мощью программного комплекса STF ElectronMod.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разработанный программный ком плекс STF ElectronMod успешно при меняется для теплового проектирова ния конструкций ЭМ любой сложнос ти, с учётом реальных особенностей конструкций МС, ЭРЭ, условий их мон тажа на МПП с неограниченным чис лом слоёв. Особенностью программ ного комплекса является наличие гра фического редактора, упрощающего оценивание мест наибольшего нагре

Рис. 7. Окно задания стоков тепла, расположенных на МПП

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 8. Температурное поле верхней поверхности ЭМ

Рис. 9. Температурное поле нижней поверхности ЭМ ва конструкции. Как показывает прак тика моделирования ЭМ, заложенные в программный комплекс методы поз воляют моделировать трёхмерные температурные поля ЭМ с погреш ностью, не превышающей 5…6%, при условии точного задания исходных данных моделей.

ЛИТЕРАТУРА

in electronic modules. 16th Intern. Work

1. Мадера А.Г. Математическое моделиро

shop on Thermal Investigations of ICs and

вание конвективного теплопереноса в

Systems. Barcelona, Spain. October 6–8,

электронных устройствах. Программ ные продукты и системы. 2011. № 4.

2010. 3. Мадера А.Г. Моделирование теплообмена в технических системах. М.: Научный

С. 46–51. 2. Kandalov P.I., Madera A.G. Mathematical and computing modeling of temperature fields

фонд им. академика В.А. Мельникова, 2005. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

WWW.SOEL.RU © СТА-ПРЕСС

ВТОРИЧНАЯ ОПТИКА ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ КЛАСТЕРОВ XLight предлагает широкий спектр вторичной оптики для светодиодных кластеров. Оптика нужна для формирования кривой силы света и более эффективного использования светового потока.

Рисунок

Тип линзы Оптика ком пании Carclo (диаметр линзы 10 мм) – для отдельных светодиодов

XP9C XP9E XP9G

Оптика компании Carclo (диаметр линзы 20 мм) – для отдельных светодиодов с использованием 20 мм линзодер жателя 10568

Наименование Carclo 10412

16,5°

Carclo 10413

25,9°

Carclo 10414

36,07°

Carclo 10415

43°×16°

Carclo 10193 Carclo 10194 Carclo 10208 Carclo 10195 Carclo 10209 Carclo 10196 Carclo 10197 Carclo 10198

8,2° 10,35° 19,5° 17,9° 20,5° 31,5° 47°×8° 8°×47°

Ledil TUIJA 3 SS

±5°

Групповая оптика Ledil TUIJA 3 M Ledil серии «Tuija» Ledil TUIJA 3 W

MC9E

Оптика ком C пании Carclo (диаметр линзы 20 мм) – для отдельных светодиодов с использованием 20 мм линзодер жателя 10514

Угол

Carclo 10193 C arclo 101 0193 933 Carclo 101944 Carclo 10208 Carclo 10195 Carclo 10209 Carclo 10196 Carclo 10197 Carclo 10198

±9°

Тип кластера* XLD AC1X01 XPC 01 XXX XLD AC1X01 XPE 01 XXX XLD AC1X01 XPG 01 XXX XLD AL1x09 XPC 01 XXX XLD AL1x09 XPE 01 XXX XLD AL1x09 XPG 01 XXX

XLD AC1X01 XPC 01 XXX XLD AC1X01 XPE 01 XXX XLD AC1X01 XPG 01 XXX XLD AL1x09 XPC 01 XXX XLD AL1x09 XPE 01 XXX XLD AL1x09 XPG 01 XXX

C1X03 XPC 01 XXX XLD AC1X03 XPC 01 XXX C1X03 XPE 01 XXX XLD AC1X03 XPE 01 XXX C1X03 XPG 01 XXX XLD AC1X03 XPG 01 XXX

±27° 20 20° 24° 29° 27,5° 36,5° 45° 44°×23° 22°×44°

XLD AC1X01 MCE SC 01 XXX C1X01 MCE SC 011 XXX XLD AC1X01 MCE IC 01 XXX C1X01 MCE IC 01 XXX

*где XXX — цвет светодиода

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ XLIGHT

Тип светодиода

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделирование планарной антенны GPS с помощью современных программных комплексов Александр Курушин (Москва) В статье описаны особенности моделирования планарной антенны приёмника GPS с помощью различных методов. Сравниваются результаты расчёта, полученные с помощью основных коммерческих программ электродинамического моделирования.

В практике проектирования СВЧ устройств широко используются со временные программные системы – HFSS [1], CST [2], FEKO [3] и др. В насто ящее время вычислительный экспе римент является одним из важных этапов научных исследований. Ин формация, полученная с помощью численных расчётов, позволяет не только правильно понять физические явления, наблюдаемые в экспери менте, но и в некоторых случаях заме нить натурный эксперимент компью терным. Планарные антенны (ПА) широко применяются в современной радио аппаратуре, мобильных компьютерах, сотовых телефонах и спутниковых приёмниках систем определения ко ординат GPS (Global Position System) благодаря компактности, низкой сто имости и удобному согласованию с другими печатными устройствами. Современные ПА являются резонанс ными устройствами, электрические размеры которых соизмеримы с дли ной волны. Реальная антенна имеет сложную структуру, отличную от пря моугольной, поскольку включает эле менты подстройки для согласования. Форма ПА может иметь скошенные края и щели.

32,8 мм

21,8 мм

32,8 мм

80 мм

8 мм Флан

Рис. 1. Внешний вид ПА на подложке с параметрами ε = 16, tgδδ = 0,01, h = 8 мм и медной поверхностью

При проектировании ПА критичес ким фактором становятся диссипатив ные потери в элементах конструкции, которые могут быть сопоставимы с по лезными потерями на излучение в сво бодное пространство. В таком случае диссипативные потери влияют на КПД устройства и полосу рабочих частот. Поэтому модель малогабаритной ан тенны должна учитывать омические потери в проводящих элементах и теп ловые потери в диэлектриках. Особенностью ПА является наличие острых кромок металлических про водников, вблизи которых наблюда ется концентрация токов, увеличива ющая потери в металле. Это предъяв ляет жёсткие требования к точности компьютерной модели, которая долж на адекватно описать сложное распре деление поля в окрестности таких кромок. Потери внутри металла так же могут описываться разными спо собами. Поэтому правильный выбор способа учёта потерь и точная на стройка системы проектирования обеспечивают необходимую точность решения электродинамической зада чи для ПА. Целью данной статьи является со поставление – по совокупности пока зателей качества – различных систем электродинамического моделирова ния на примере расчёта ПА. Для этого с помощью программ HFSS Ansoft [1], CST MWS [2] и FEKO [3] (т.н. «большая тройка») были выполнены расчёты ПА и произведено их сравнение с ре зультатами эксперимента. Три вы бранные программы используют раз личные методы решения электроди намических задач – метод конечных элементов, метод FDTD и метод мо ментов. Для корректного сравнения расчёты выполнялись на одном и том же ком

пьютере, оснащённом 2 Гб оператив ной памяти и двухъядерным процес сором с частотой 2,26 ГГц. Во всех слу чаях решение системы уравнений про исходило без обращения к жёсткому диску компьютера. Далее приводится расчёт следующих характеристик планарной антенны (см. рис. 1): ● резонансной частоты, на которой реальная часть входного импеданса имеет максимальное значение; ● рабочей полосы частот; ● диаграммы направленности (ДН) и КПД антенны. Планарные антенны имеют невысо кую направленность и устанавливают ся так, что принимают сигнал почти во всей верхней полусфере. Потери в ПА сосредоточены в диэлектрической подложке, где они оцениваются тан генсом угла диэлектрических потерь, а также в металле излучающей формы ПА и земляной плоскости. Полученные в ходе численного эксперимента данные о полосе рабо чих частот могут быть использованы для определения КПД антенны. По лоса рабочих частот пропорцио нальна суммарным потерям мощнос ти электромагнитной энергии антен ны. Эти потери складываются из полезных потерь на излучение α r , диссипативных потерь в металле αm и в диэлектрике αd [Ом]. Тогда КПД антенны можно определить как от ношение полезных потерь к общим потерям [4]: .

(1)

Учитывая пропорциональность по лосы пропускания потерям, можно вы разить КПД следующим образом: ,

(2)

где Δfp – полоса пропускания идеаль ной антенны без тепловых потерь, Δf – полоса антенны с тепловыми поте рями. Кроме того, КПД антенны, получае мый в численном эксперименте, равен СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

отношению мощности, поглощённой в дальнем поле, к мощности, подводи мой к антенне: .

(3)

Три программы (HFSS, CST и FEKO) ис пользуют три разных метода расчёта. Во всех трёх методах анализируемая структура разбивается на элементы, в пределах которых решение можно за дать в виде базисной функции. Элемен ты разбиения имеют различные фор мы (тетраэдр, параллелепипед и тре угольник) и базисные функции, от которых зависят время и точность ре шения задачи.

1,0

Коэффициент отражения lS11l

0,8

122 МГц

0,6

92 МГц

0,4 0,2 0 1,5

1,54

1,58

С учётом потерь Без потерь

1,62

1,66 1,7 Частота, ГГц

Рис. 2. АЧХ планарной антенны, рассчитанная с помощью HFSS (с учётом и без учёта потерь) тарные ячейки, предполагается, что если при дополнительном разбиении решение не изменяется, то наступает его сходимость. Количество шагов адаптации в программе HFSS обычно составляет от 6 до 20, и время расчёта при увеличении количества тетраэд ров N возрастает нелинейно. Анализ времени, которое затрачивает HFSS, показывает, что 30% времени реше ния на одной частотной точке зани мает разбиение на сетку тетраэдров. Расчёт элементов матрицы рассеяния, которые зависят от свойств материа лов и заполнения, занимает для дан ного конкретного примера 11 с (см.

РАСЧЁТ ПЛАНАРНОЙ АНТЕННЫ В СИСТЕМЕ HFSS В программе HFSS в качестве базово го метода решения в частотной облас ти используется метод конечных эле ментов, при котором пространство анализа разбивается на трёхмерные тетраэдры, а компоненты электричес кого и магнитного поля во всех точках анализируемого пространства неиз вестны.

Анализируемая антенна (см. рис. 1) представляет собой параллелограмм со скошенными углами, напылённый на диэлектрическую подложку с ди электрической проницаемостью 16, тангенсом диэлектрических потерь 0,01 и толщиной 8 мм. Подложка уста новлена на экране размером 80 × × 80 мм. Расчёт на HFSS в диапазоне частот 1,5…1,7 ГГц был выполнен с 12 итерациями уплотнения сетки и за нял 4 мин. Число итераций обычно вы бирается на основании тех ресурсов, которыми располагает разработчик. В данном случае на шаге 12 количество тетраэдров N достигло 50 000. Результа ты расчёта модуля параметра S11 (ко эффициента отражения на входе ан тенны) приведены на рисунке 2. Полосу частот ПА будем определять по уровню 0,707 коэффициента отра жения S11. В этом случае на границах полосы половина мощности отража ется от антенны. Расчёт показывает, что полоса ПА получается широкой – порядка 100 МГц. Такая полоса эквива лентна добротности антенны около 10. В методах расчёта, основанных на разбиении пространства на элемен

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАСЧЁТ АНТЕННЫ ПРИ ПОМОЩИ CST MWS

Рис. 3. Пространственная диаграмма направленности ПА, рассчитанная с помощью HFSS таблицу 1). Следующим по затратам времени является решение матрицы, которое выполняется на каждой час тоте. Такой алгоритм проектирования можно считать положительной сторо ной HFSS, поскольку количество час тотных точек можно выбрать мини мальным, вплоть до одной. Оценка об щего времени расчёта включает время, затраченное на предпроцессорную, процессорную и постпроцессорную обработку. При использовании современных компьютеров (например, с ОЗУ 4 Гб) максимальное количество тетраэдров N не должно достигать 100 000, а реше ние одного варианта структуры долж но занимать не более 20 мин, иначе те ряется смысл выполнения операции подстройки и оптимизации в процессе инженерного проектирования. Прак тика проектирования показывает, что действенным средством экономии компьютерных ресурсов и уменьшения времени расчёта является выбор более плотного разбиения на ячейки только в тех местах структуры, где происходит наибольшее изменение характеристик при изменении геометрии. Рассчитаем АЧХ планарной антенны без потерь (граничные условия уста

новим как идеальные стенки, а тангенс угла потерь положим равным 0). Отме тим, что в этом случае следует выпол нить полное согласование антенны, т.е. найти такие её параметры, чтобы вход ной импеданс составил 50 Ом. Частот ная характеристика ПА имеет полосу 92 МГц (см. рис. 2), тогда можно найти [4] КПД = Δf/Δft = 92/122 = 74%, где Δf – полоса частот без учета потерь, Δft – полоса частот с учётом тепловых по терь. Это означает, что 26% мощнос ти, подведённой к антенне, уходит на нагрев. Расчёт (HFSS) антенны (см. рис. 1) показывает, что на частоте 1,61 ГГц мощность, поглощаемая антенной Pпогл = 0,8494 Вт, мощность, излучае мая в дальней зоне Ризл = 0,6235 Вт, КПД, рассчитанный по формуле (3), равен 73,4%. Таким образом, можно считать, что значения КПД, рассчитан ные по формулам (2) и (3), совпадают при расчёте мощности в полосе час тот по уровню 0,707. Пространственная диаграмма на правленности ПА, рассчитанная с по мощью HFSS (см. рис. 3), показывает, что КНД антенны равен 5,76 дБ. Крите рием верности расчёта являются усло вия |S11| < 1, КНД > 1 и сходимость к единственному решению.

Таблица 1. Затраты времени и ОЗУ при расчёте с помощью программы HFSS Процесс

Время

Используемый объём ОЗУ, Мб

1 мин 23 с

62,8 (50 372 тетраэдра)

Расчёт элементов матрицы

11 с

1240

Решение матрицы на одной частоте

20 с

1240

Постпроцессорная обработка данных

10 с

–

Общее время расчёта на всех частотах

4 мин 14 с

1240

Разбиение на сетку

Базовым методом в программе CST является метод FDTD – расчёт систе мы уравнений Максвелла во времен ной области. В этом методе простран ство ПА разбивается на параллеле пипеды, включая трёхмерную форму металлического покрытия толщиной 0,1 мм. Вычисление во временной об ласти позволяет решать электромаг нитную задачу для всего диапазона частот за одну итерацию, что делает метод FDTD удобным для расчёта сверхширокополосных устройств. Од нако итерация может потребовать зна чительного времени расчёта. При сравнении методов расчёта не обходимо выяснить, в чём основное различие: в разбиении на ячейки ос новной конфигурации, в расчёте эле ментов матрицы или в точности расчё та системы уравнений? Например, в анализируемой модели ПА могут быть скошенные края, которые вызывают разное заполнение автономными бло ками. Тогда погрешность объясняется недостаточной плотностью разбиения на ячейки. Учёт потерь, сосредоточенных в ме талле и в подложке, очень важен для сравнения программ. Установив поте ри в подложке и в металле, в результа те расчёта на CST MWS получаем час тотные характеристики ПА, показан ные на рисунках 4 и 5. Видно, что полоса пропускания антенны без по терь равна 68 МГц (см. рис. 4). С учё том потерь рассчитанная полоса уве личится. Учёт потерь выполняется в различ ных программах и методах по разно му. В программе HFSS задают гранич ные условия на металлические поверх ности с потерями как граничное условие Impedance (Ом/квадрат). Ана лиз и сравнение с экспериментальны ми данными показали значение R = = 0,015 Ом/квадрат, что соответствует результату, полученному при полном заполнении пространства медью [4]. В отличие от HFSS, в программе CST MWS трёхмерная форма ПА полностью за полняется металлом. Для учёта потерь (см. рис. 5) введём также тангенс угла диэлектрических потерь в подложке, равный 0,01. Ши рина полосы 133 МГц получается при согласовании на центральной частоте 1,6 ГГц, для чего последовательно с портом вводится ёмкость 2 пФ. При оценке затрат на расчёт задачи следует СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

учесть, что алгебраические уравнения в методе FDTD записываются во вре менной форме, которая не создаёт большие матричные уравнения, обыч ные для методов MOM и FEM. Использование ОЗУ в методе FDTD пропорционально N, по сравнению с N…N2 для FEM и N2 для MOM. Времен ные затраты в методе FDTD также про порциональны N, по сравнению с N2 для FEM и N2…N3 для MOM. Хотя в об щем случае вычислительные требова ния, предъявляемые FDTD, являются намного более жёсткими, чем при использовании метода MOM, модели рование структур малого и среднего размера с помощью FDTD может по требовать намного меньших вычисли тельных ресурсов. Однако для сильно изогнутых структур затраты метода FDTD обычно возрастают по сравне нию с FEM. Временные затраты расчё та антенны, показанной на рисунке 1, с помощью программы CST приведе ны в таблице 2.

РАСЧЁТ АНТЕННЫ В СИСТЕМЕ FEKO Пакет программ FEKO [5] позволяет моделировать полностью трёхмерные структуры, используя метод моментов на треугольной сетке разбиения (см. рис. 6). Кроме того, комбинация мето да моментов с методом геометричес кой оптики или единой теории ди фракции делает возможным EM моде лирование очень крупных объектов. Расчёт ПА с помощью программы FEKO даёт резонансную частоту поряд ка 1,62 ГГц (см. рис. 7). Для того чтобы учесть потери, вы полним численный эксперимент, в ко тором заполнение будет свободным пространством, а покрытие – метал лом с потерями. В программе FEKO версии 5.5 невозможно реализовать структуру, в которой металл с потеря ми находится на диэлектрической под ложке с потерями. Особенность мето да моментов, реализованного в насто ящее время в FEKO, заключаются в том, что потери учитываются только в под ложке либо в металле, который не каса ется диэлектрического материала. В таблице 3 приведены параметры и за траты вычислительных ресурсов. Для корректного сравнения расчё тов следует выполнить согласование в точке, в которой достигается макси мальное (и равное 50 Ом) значение ре альной части входного импеданса ан тенны. Для выполнения полной ком

Коэффициент отражения lS11l

0,9

68,3 МГц

0,8 0,70894 0,7 0,6

2 3

Итерации счёта

0,5

0,4 0,27673 0,3 0,2 0,1 1,3702 1,3702

1,4

1,45

1,5

1,55 1,5614

1,6

1,65 1,6297

1,7

1,7543 Частота, ГГЦ

Рис. 4. Частотная характеристика S11 антенны без потерь, рассчитанная для ряда итераций MWS 0,99452

Коэффициент отражения lS11l 133 МГц

0,9 0,8 0,70894 0,7 0,6

0,5

Интерации счёта

0,4

0,27673 0,3 0,2 0,1 0,045088 1,2801

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

1,6

1,65

1,7 1,7511 Частота, ГГЦ

Рис. 5. Частотная характеристика ПА с потерями, рассчитанная для ряда итераций FDTD

1,0

Коэффициент отражения lS11l

0,8

135 МГц

0,6

180 МГц

0,4 0,2 0 1,5

1,54

1,58

1,62

1,66 1,7 Частота, ГГц

С учётом потерь Без потерь

Рис. 6. Разбиение металлических поверхностей на треугольники в программе FEKO и токи, протекающие на поверхностях ПА

Рис. 7. АЧХ, рассчитанная с помощью программы FEKO (без потерь и с учётом всех потерь)

пенсации реактивной части (которая у ПА имеет индуктивный характер) по следовательно с ПА устанавливается ёмкость 1,5…2 пФ. Рассчитанные на FEKO частотные характеристики ПА приведены на ри сунке 7. Видно, что при внесении по терь резонансная частота уменьшает ся, а ширина полосы увеличивается. Метод моментов, реализованный в

FEKO, учитывает потери в токонесу щих частях структуры с помощью объ ёмного тока, который также учитывает потери в диэлектрических заполнени ях модели. Эти потери отражаются в расширении полосы (см. рис. 7). На рисунке 8 приведено сечение ди аграммы направленности ПА, рассчи танной на частоте 1,61 ГГц. На этот же график нанесены результаты расчётов

Таблица 2. Затраты времени и ОЗУ при расчёте с помощью программы CST Процесс Разбиение на параллелепипеды Расчёт параметров элементов

Время

Используемый объём ОЗУ, Мб

1 мин 23 с

600 (350 000 элементов)

11 с

890

Решение временного процесса на первой итерации

13 мин

890

Решение временного процесса на второй итерации

2 мин 10 с

–

Постобработка (обратное преобразование Фурье)

15 мин 14 с

562

Общее время расчёта (5 итераций)

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

59 мин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

КНД

4 0 –4 –8 –12 –200 –150 –100 –50 CST MWS

HFSS

100 150 200 θ, град. FEKO

Рис. 8. Диаграммы направленности ПА, рассчитанные с помощью программ FEKO, HFSS и CST и нанесённые на один график с помощью HFSS и CST MWS. Видно, что диаграммы направленности, получен ные в программах, использующих раз личные методы расчёта, совпадают, что свидетельствует как о высокой точ ности расчёта, так и о достоверности результатов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Расчёт с помощью различных про грамм (см. рис. 9), как показывает практика, даёт разную точность. Тре буемые вычислительные ресурсы и временные затраты также отличают ся. Общих рекомендаций по выбору программы пока не выработано. Оче видно, что каждая программа опти мальна для решения своего класса за дач. Поэтому на примере расчёта ПА можно выяснить, какая программа из «большой тройки» является опти мальной для решения конкретной задачи. Для этого все временные за траты и используемые ресурсы ОЗУ были сведены в таблицу 4 для срав нения.

Эксперимент показал централь ную частоту антенны как фильтра f = = 1,625 ГГц и полосу частот 122 МГц по критерию спада. Таким образом, в дан ном конкретном случае результат рас чёта с помощью HFSS оказался наи более близок к эксперименту и был получен за минимальное время, по сравнению с другими программами. Для того чтобы выбрать метод расчё та и, соответственно, программу для решения конкретной задачи, необхо димо сравнить и требуемые ресурсы (см. таблицу 4), и много других факто ров, главным образом, по результатам расчёта характеристик [5]. Например, когда в методе, работающем в частот ной области, используется более эф фективный и устойчивый алгоритм решения системы линейных уравне ний, такой подход может быть более эффективным, чем решение во вре менной области для широкополосного анализа антенн. Помимо использова ния быстрого решающего устройства, метод расчёта в частотной области предоставляет три уникальные воз можности: ●

●

использование разных плотностей сетки разбиения на различных час тотах, т.е. более грубой сетки на бо лее низкой частоте, что может значи тельно ускорить моделирование. Напротив, плотность сетки в реше нии во временной области должна быть определена для самой высокой частоты, представляющей интерес; простоту организации параллель ных вычислений для широкополос ного моделирования. После созда

Таблица 3. Затраты ресурсов при расчёте с помощью программы FEKO Число металлических треугольников

1786

Число диэлектрических треугольников

242

Число базисных функций МОМ

3670

Подготовка геометрии, с

0,1

Расчёт элементов матрицы, с

19,8

Решение системы линейных уравнений, с

6,8

Расчёт дальнего поля, с

5,5

Общее время решения, с

33,0

Используемый объём ОЗУ, Мб

104,3

Таблица 4. Сравнение затрат вычислительных ресурсов при расчете ПА Требуемые ресурсы Время расчёта, мин Используемый объём ОЗУ, Мб Сетка разбиения

HFSS

CST

FEKO

200

700

18 тыс. тетраэдров

12 тыс. параллелепипедов

900 треугольников

Рассчитанная полоса пропускания, МГц

122 (40 точек)

133

180 (40 точек)

Центральная резонансная частота, ГГц

1,625

1,6

1,62

ния сетки процессор выполняет ана логичные расчёты на различных частотах. Здесь можно использовать новый метод распараллеливания расчёта, который не рассматривает ся в статье, но прост, не требует ника кой межпроцессорной связи и очень эффективен; ● поскольку в частотной области боль шая электромагнитная задача может быть представлена моделью меньше го размера, можно последовательно рассчитать отдельные фрагменты структуры. Например, свойство ан тенны, которая первоначально ха рактеризована матрицей, имеющей порядок нескольких тысяч, может быть представлено намного мень шей матрицей, имеющей порядок нескольких десятков. Эта особен ность позволяет разработать специ альные методы, с помощью которых можно рассчитать очень большие антенные решётки. (В противном случае придётся их моделировать с миллионами или даже миллиардами степеней свободы.) Благодаря таким расширениям, методы расчёта в час тотной области останутся важными инструментальными средствами мо делирования антенн. Все рассмотренные в статье про граммы реализуют сеточные методы расчёта. Такие методы решают задачи, размер геометрии которых соизмерим с длиной волны и ограничен пример но 15 длинами волн. Чтобы увеличить размер задачи, необходимо либо при вести её к двумерному или одномер ному случаю, либо применять методы расчёта типа геометрической и физи ческой оптики, в которых часть про странства и электромагнитная вол на представлены в виде одномерного луча. Широкое внедрение в практику про ектирования электродинамических программ универсального назначения можно считать естественным процес сом развития современного подхода к проектированию антенн и СВЧ уст ройств. Аналитические методы, даже заключённые в оболочку современной программы, воспринимаются как чис ленные компьютерные расчёты. На практике важными являются и точность, и скорость расчёта. Проек тирование СВЧ структур произволь ной формы акцентирует внимание разработчика на задаче описания, вы бора и подтверждения достоверности модели. Построение достоверной мо СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

1,00

Новости мира

Коэффициент отражения lS11l

0,8

111 МГц 180 МГц

0,6

0,2

21,8 мм

80 мм

0,4

133 МГц

32,8 мм

80 мм

Драйвер шагового двигателя от TI

122 МГц

8 мм Флан

0 1,5

1,55 Эксперимент

Расчёт на CST

1,6

1,625

Расчёт HFSS

1,65

Расчёт на FEKO

1,7 Частота, ГГЦ

Рис. 9. Рассчитанные с помощью программ HFSS, CST и FEKO частотные характеристики параметра S11 и зависимость, полученная экспериментально дели, в свою очередь, связано с зада чей расчёта и анализа характеристик физической системы, реализуемой на этом устройстве. Это – первый важный вопрос, решаемый в процессе проек тирования. Наличие современных па кетов проектирования, анализа и син теза СВЧ устройств ещё не гаранти рует достоверность модели. Умение построить адекватную реальной зада че модель является крайне важным для разработчика, и его следует развивать путём самостоятельных исследований. Второй важный аспект проектиро вания – всё более разнообразные и обобщённые показатели качества, при помощи которых оценивается устрой ство. В условиях высокого темпа про изводства современный исследова тель, перед которым ставится задача проектирования отдельного узла или всей системы, должен знать, какой ме тод (программу) следует выбрать для решения конкретной задачи с задан ной степенью точности. Поскольку путь достижения цели лежит через по иск приоритетов, можно утверждать, что программа HFSS остаётся на сегод няшний день оптимальной для реше ния срочных инженерных задач. Основными конкурентами HFSS [1] можно считать программы CST Mic rowave Studio [2] и FEKO [3]. Современ ная реальность проектирования тако ва, что часто возникает необходимость решить задачу с помощью нескольких программ (различных методов расчё та), и только при получении близких результатов можно утверждать, что за дача решена правильно, а модель по строена верно. Например, в программе FEKO не во всех структурах можно описать потери (например, невозможно задать поте ри в металле, лежащем на диэлектри ке), но она обеспечивает меньшее вре

мя расчёта в ближнем поле. Разбиение на сетку выполняется вручную, с по вышением плотности на краях. Окру жающее пространство не входит в об ласть расчёта, поэтому используемый объём ОЗУ меньше, чем в программах HFSS и CST. Недостатком программы FEKO является длительный расчёт ко эффициентов матрицы (из за функ ций Грина), особенно для многослой ных, анизотропных сред. Все современные программы реали зуют несколько встроенных методов расчёта, однако набор методов FEKO, в который входят методы физической оптики и теории дифракции, позволя ет решить задачи большого электри ческого размера. В целом сравнение программ по их возможностям является неблагодар ным занятием, поскольку время жиз ни каждой версии программы не превышает полугода. Поэтому можно говорить только о тенденции сегод няшнего дня.

Kомпания Texas Instruments представила 2.5 F драйвер шагового двигателя с умень шением нагрева при работе вплоть до 30% по сравнению с ближайшими аналогами. DRV8818 с высокой степенью интеграции характеризуется низким сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(ON), что позволяет улучшить тепловые характерис тики, уменьшить температуры платы и окружающего воздуха.

Устройство повышает надёжность и про изводительность, обеспечивая высокую эффективность работы двигателя для систем промышленного, медицинского и бытового применения, например, в текс тильном производстве, для насосов, обо рудования лёгкой промышленности и принтеров. Ключевые особенности и преимущества: ●

●

ЛИТЕРАТУРА 1. http://www.ansys.com/. 2. www.cst.com. 3. www.feko.info/antennamagus. 4. Васильченко А., Схольц И., Де Раад В., Ван

●

денбош Г. Качественная оценка вычисли тельных методов электродинамики на примере программных продуктов для вы сокочастотного моделирования микро полосковых антенн. Технологии в элек

●

тронной промышленности. 2008. № 3. С. 52–56. 5. Банков С.Е., Давыдов А.Г., Курушин А.А, Па пилов К. Проектирование микрополоско вой антенны с учётом тепловых потерь. Современная электроника. 2008. № 8. С. 48–53. 6. Jian Ming Jin, Riley D.J. Finite Element Analy sis of Antennas and Arrays. John Wiley & Sons, 2009.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

●

превосходные тепловые характерис тики. Типовое значение RDS(ON) 150 мОм ключа нижнего плеча и 220 мОм ключа верхнего плеча увеличивает эффек тивность и позволяет избежать повыше ния температуры платы и окружающей среды, улучшая тем самым надёжность системы; возможность настройки работы двигате ля: гибкие режимы торможения и вре менные параметры снижают низкочас тотный шум и вибрации, улучшая устой чивость и рабочие характеристики системы; встроенный микрошаговый режим: ин тегрированный индексатор упрощает ре гулирование тока, обеспечивая режим работы с полным шагом, 1/2, 1/4 или 1/8 шага для более плавного движения; устойчивость, надёжность и полная за щита: улучшенная встроенная защита, включая защиту от перегрузок по току, превышения температуры, бросков и про валов напряжения, повышает надёжность системы и объём выпуска продукции; совместимость с выпускающимся 1,9 А драйвером DRV8811 для слаботочных систем обеспечивает масштабируемость тока в пределах одного проекта. www.ti.com/

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Автоматизация процесса проектирования антенн и устройств СВЧ в современных программных комплексах электродинамического моделирования Часть 3. Полосно пропускающий СВЧ фильтр на сосредоточенных элементах Андрей Пластиков (Москва) В статье описан процесс создания сценария, осуществляющего автоматизированное построение полосно пропускающего СВЧ фильтра на сосредоточенных элементах в среде Microwave Office. В сценарий, написанный на языке Visual Basic, введено диалоговое окно интерфейса пользователя.

ВВЕДЕНИЕ В первых двух частях статьи была описана методика автоматизирован ного построения модели логоперио дической антенны, составленной из произвольного числа вибраторов. В третьей части мы рассмотрим процесс написания программы сценария, осу L,дБ

ществляющей построение и расчёт схемы ППФ на сосредоточенных эле ментах [1–3] для среды AWR Microwave Office [4, 5]. В основу данного сценария положены известные соотношения для расчёта чебышевских фильтров с использованием низкочастотного фильтра – прототипа. L,дБ

Ls Ls

Lp Ωp

а)

Ωs

Ωp

б)

Ωs

Рис. 1. Частотные характеристики коэффициента ослабления НЧ прототипа фильтров Баттерворта (а) и Чебышева (б) g1

gN+1

или

(N – чётное)

(N – нечётное) gN

gN+1

или

(N – чётное)

(N – нечётное)

Рис. 2. Схемы НЧ прототипов фильтров СВЧ

gN+1

ПОЛОСНО ПРОПУСКАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ СВЧ С ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ЧЕБЫШЕВА И ИХ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПРОТОТИПЫ Под электрическим фильтром при нято понимать частотно селективную линейную цепь, пропускающую коле бания одних частот с минимальным ослаблением, а колебания других час тот – с существенным ослаблением. Соответствующие полосы частот на зывают полосой пропускания (ПП) и полосой заграждения (ПЗ). В зависи мости от положения ПП и ПЗ на оси частот различают фильтры нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ), режекторные (РФ) и полосно пропус кающие (ППФ). Схемы ФВЧ, РФ и ППФ могут быть получены в результате пре образования схемы соответствующе го ФНЧ, называемого в таком случае их низкочастотным (НЧ) фильтром – прототипом. Электрические фильтры также раз личают по типу (форме) характерис тики ослабления в полосе пропуска ния. Наибольшее распространение получили фильтры с характеристи ками Баттерворта (гладкая) и Чебы шева (равноволновая) (см. рис. 1). Две возможные схемы построения N полюсных НЧ прототипов таких фильтров показаны на рисунке 2 и представляют собой каскадные со единения емкостных и индуктивных элементов. Порядок фильтра N ра вен числу реактивных элементов в схеме. Коэффициенты g i характе ризуют нормированные величины емкостей и индуктивностей для i = = 1, 2, …, N и нормированное сопро тивление (если ближайший элемент – ёмкость) или проводимость (бли жайший элемент – индуктивность) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

со стороны источника и нагрузки для i = 0 и i = N + 1 соответственно. Коэф фициенты g i фильтра прототипа и его порядок зависят, в том числе, и от типа характеристики ослабления. Ниже мы ограничимся рассмотрени ем фильтров с чебышевской харак теристикой. Порядок НЧ прототипа фильтра Чебышева определяется вы ражением:

Ls1

Zin g

Cs1

Lp2

Ls3

Cs3

Zout

Cp2

Рис. 3. Трансформация элементов схемы НЧ прототипа в колебательные контуры ППФ (а) и схема ППФ (б), соответствующего фильтру прототипу, показанному на рисунке 2а

(1)

Окно вывода отладочной информации

где Lp – допустимое ослабление в ПП, Ls – ослабление на границе ПЗ, задава емой частотой Ωs. При этом, не теряя общности, полагаем нормированную частоту границы ПП НЧ прототипа Ωp = 1. Коэффициенты gi для фильтра с чебышевской характеристикой вычис ляются следующим образом [3]:

Новый локальный сценарий

g0 = 1, Текст сценария

, Рис. 4. Интерфейс редактора сценариев

для i = 2, 3, …, N,

(2)

трансформации элементов. Для ППФ справедливо преобразование оси час тот вида: ,

а для параллельных – ,

(3)

(5)

где где где

, , ,

. На практике бывает удобно пользо ваться не величиной допустимого ослабления Lp в ПП, а уровнем модуля коэффициента отражения LRL или КСВН. Эти величины связаны с Lp так, что , дБ и

ω0 и ω1, 2 – средняя угловая частота и границы ПП ППФ, BW – относитель ная ширина полосы частот в ПП. Реактивные элементы схемы фильт ра прототипа необходимо трансфор мировать в колебательные контуры (КК), составленные из пары индуктив ностей и ёмкостей (см. рис. 3а). Воз можная схема такого ППФ приведена на рисунке 3б. При этом для последова тельных колебательных контуров но миналы элементов определяются со отношениями:

, дБ. , Переход от НЧ прототипа к схеме реального фильтра осуществляется с помощью преобразования частоты и

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

(4)

Z0 – сопротивление со стороны входа цепи (например, волновое сопротив ление линии). Положим приведённые соотношения в основу программы сценария для ав томатизированного построения ППФ произвольного порядка в программе Microwave Office.

О СЦЕНАРИЯХ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ MICROWAVE OFFICE В программе Microwave Office поль зователю предоставляется возмож ность написания сценариев (scripts) на языке Visual Basic, посредством которых можно управлять многими объектами среды Microwave Office, доступными при непосредственном проектировании. В частности, можно запрограммировать процесс постро ения схемы какого либо устройства,

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

исходя из пользовательского алго ритма. Редактор сценариев встроен в среду Microwave Office и может быть вызван из меню Tools → Scripting Editor или нажатием клавиш Alt+F11. Типичный вид окна редактора изображён на ри сунке 4. Отметим наличие окна вывода отладочной информации, которым удобно пользоваться при отладке про граммы сценария. В процессе работы сценария можно занести в окно тре буемую информацию с помощью ко манды Debug.Print. Имеется возмож ность создания диалогового окна ин терфейса пользователя, которое может быть сконструировано в окне UserDia log Editor (пункт меню Insert → User Form). Сценарии можно сделать глобаль ными, т.е. доступными из любого про екта, или локальными. Созданные сце нарии могут быть запущены как не посредственно из окна редактора, так и из вкладок Global Scripts или Local Scripts пункта меню Scripts окна Microwave Office. Тело основной про цедуры сценария включается в конст рукцию Sub Main . . . End Sub. Допусти мо использовать также пользовательс кие функции и процедуры как внутри данной конструкции, так и за её пре делами. Язык команд обращения к объ ектам среды Microwave Office чёт ко структурирован. Например, для удаления списка частот проекта не обходимо выполнить команду Pro ject.Frequencies.Clear. Первый элемент данной конструкции Project означает обращение к свойствам всего проек та, второй – конкретное «свойство» проекта (здесь Frequencies – пара метры частот проекта), третий – действие над этим «свойством» (в на шем случае, Clear – очистка массива частот).

НАПИСАНИЕ СЦЕНАРИЯ ДЛЯ РАСЧЁТА ППФ ЧЕБЫШЕВА НА СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ Создадим сценарий, осуществляю щий построение ППФ по схеме рис. 3б с чебышевской характеристикой на сосредоточенных LC элементах с учё том приведённых выше выражений. Для примера зададимся следующими требованиями: центральная (средне арифметическая) частота ПП f0 = = 10 ГГц, ширина ПП df0 = 1,2 ГГц, гра ничная частота ПЗ Fs = 12 ГГц, ослабле

ние в ПП Lp = 0,05 дБ, ослабление на границе ПЗ Ls = 80 дБ, Z0 = 50 Ом, поря док фильтра N = 5. Написание текста основной программы осуществим в те ле Sub Main ... End Sub. Для начала очистим окно отладоч ной информации, введём исходные данные как константы и рассчитаем число π: Debug.Clear Const F0=10e9 ' Центральная час тота ПП (Гц) Const dF0=1.2e9 Const FS=12e9 Const Lp=0.05 Const Ls=80 Const Z0=50 Const N=5 Const Pi = Atn(1)*4 Отметим, что вследствие преобразо вания (3), центральной угловой часто той ω0, относительно которой осущест вляется расчёт номиналов элементов схемы ППФ в (4), (5), будет являться среднегеометрическое граничных час тот ПП. Определим некоторые необ ходимые для расчёта частотные пара метры фильтра: Dim Omega0,Omega1,Omega2, OmegaS, BW As Double ' Расчет граничных и среднегео метрической частот ПП Omega1=(F0 dF0/2)*2*Pi Omega2=(F0+dF0/2)*2*Pi Omega0=Sqr(Omega1*Omega2) ' Относительная полоса частот ПП BW=(Omega2 Omega1)/Omega0 ' Нормированная частота ПЗ OmegaS=1/BW*(2*Pi*FS/Omega0 Omega0/(2*Pi*FS)) Расчёт коэффициентов g НЧ про тотипа фильтра осуществим на ос нове выражений (2) следующим об разом: Dim g() As Double ReDim g(N) As Double beta=Log(Ctgh(Lp/17.37)) gamma=Sinh(beta/2/N) g(1)=2/gamma*Sin(Pi/2/N) Debug.Print g(1) For i=2 To N g(i)=... Debug.Print g(i) Next i Здесь мы используем две пользова тельские функции Ctgh и Sinh, кото

рые определим после основного тела сценария: ' Гиперболический синус Function Sinh(x As Double) As Double Sinh = (Exp(x) Exp( x))/2 End Function ' Гиперболический котангенс ... Зададим диапазон частот проекта, составляющий, для примера, 100 % по лосу относительно частоты f0 и вклю чающий 1001 расчётную точку: Dim freq(1000) As Double For k=0 To 1000 freq(k)=F0*0.5+(k)*F0/1000 Next k Project.Frequencies.Clear Project.Frequencies.AddMultiple(f req) Создадим в проекте новую схему (Schematic) с названием filter_circuit и поместим на неё первый порт: ' Включение в проект нового эле мента "Schematic" Dim Filter As Schematic Dim filter_name As String Set Filter=Project.Schematics.Add("fi lter_circuit") filter_name = Filter.Name Dim elem As Element ' Установка порта со стороны входа Set elem = Filter.Elements.Add("PORT",0,0,0) elem.Parameters("Z").ValueAsDou ble =Z0 Команда вида Filter.Elements.Add(Ele ment,X,Y,Angle) добавляет в нашу схе му Filter элемент из набора доступных в среде Microwave Office (здесь Ele ment="PORT") так, что его первая клем ма располагается в точке с координата ми (X, Y), а сам элемент повёрнут на угол Angle. Присвоив при этом коман ду добавления порта переменной elem, объявлённой как элемент среды Mic rowave Office, мы можем задать значе ния его параметров, в нашем случае – внутреннего сопротивления Z. Дальнейшие построения и расчёт номиналов элементов осуществим в цикле For ... Next. Колебательный кон тур можно реализовать в виде набора отдельных L и C элементов, но проще использовать последовательный SLC СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

dx=0 For i=1 To N If (i Mod 2) Then 'i – нечетное ' последовательный контур Set elem = Filter.Elements.Add("SLC",dx,0,0) elem.Parameters("L").ValueAsDou ble = ... elem.Parameters("C").ValueAsDou ble = ... ' смещение координаты положения следующего элемента dx=dx+(elem.Nodes.Item(2).x elem.Nodes.Item(1).x) Else 'i – четное ' параллельный контур, повернутый на 90 градусов Set elem = Filter.Elements.Add("PLC",dx,0, 90) ... ' Добавление заземления Filter.Elements.Add("GND",elem.No des.Item(2).x,elem.Nodes.Item(2). y,0) End If Next i Расчёт номиналов реактивных эле

ментов выполняется в соответствии с выражениями (4), (5). Однако если в настройках проекта заданы масштаб

ные коэффициенты для емкостных и индуктивных элементов, то их необ

ходимо учесть. В тексте сценария ве

личину масштабного коэффициента, например, для ёмкости можно по

лучить посредством команды Pro

ject.Units(mwUT_Capacitance).Mult

Value. Завершим построение схемы фильт

ра добавлением второго порта, зада

дим вывод графиков S параметров в прямоугольной системе координат и на диаграмме Вольперта Смита, и за

пустим проект на расчёт:

If (N Mod 2) Then ' N – нечетное elem.Parameters("Z").ValueAsDou ble = Z0 Else elem.Parameters("Z").ValueAsDou ble = Z0*(Ctgh(beta/4))^2 End If ' Добавление графиков Dim graphic,graphic2 As Graph Dim graphic_name,graphic_name2 As String ' Вывод графиков в прямоугольной

х y

Рис. 5. Расположение элементов при построении схемы ППФ СК graphic_name = filter_name & " Rectangular"

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ПРОДУКЦИИ WIND RIVER Тел.: (495) 234 0636 • Факс: (495) 234 0640 E mail: info@prosoft.ru • Web: www.prosoft.ru

Set elem = Filter.Elements.Add("PORT",dx,0,1 80) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

и параллельный PLC контуры, имею

щиеся в базе элементов Microwave Office. При этом в окне схемы необхо

димо расположить все эти элементы друг за другом, а также заземлить па

раллельные КК (см. рис. 5). Для удоб

ства введём дополнительную пере

менную dx, задающую координату X положения первого узла следующего элемента. Итоговый текст цикла по

строения приведен ниже:

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 6. Схема ППФ, построенная при помощи сценария

0,6 0,4

4,0 6,0 8,0 3,0 4,0 5,0

2,0

0,8

0,6

–40

0,4

0,2

–20

10,0

Модуль S параметров

0,2

Swp Max 15 000 МГц 2,0

0,8

–60 10

–80 –100 5000

–5,0 –4,0

–0,2 7000 S21 S11

9000

11000

13000 15000 Частота, МГц

–3,0 –0,4

–2,0 –0,6

0,8

–1,0

Swp Min 5 000 МГц

Рис. 7. Рассчитанные S параметры схемы ППФ Set graphic = Project.Graphs.Add(graphic_name,m wGT_Rectangular) graphic.Measurements.Add(filter_n ame,"DB(|S(1,1)|)") graphic.Measurements.Add(filter_n ame,"DB(|S(2,1)|)") 'Вывод диаграммы Смита graphic_name2 = filter_name & " SmithChart" Set graphic2 = Project.Graphs.Add(graphic_name2, mwGT_SmithChart) graphic2.Measurements.Add(fil ter_name,"S(1,1)")

В теле сценария можно также выпол нить расчёт необходимого порядка фильтра согласно формуле (1) на ос нове заданных требований к характе ристикам. Осуществим расчёт, исполь зуя пользовательскую функцию гипер болического арккосинуса, и выведем сообщение с информацией о рассчи танном порядке фильтра order (с округлением до двух знаков после за пятой) и заданном порядке N:

Запустим созданный сценарий не посредственно в редакторе сценари ев или из пункта меню Scripts → Local Scripts окна Microwave Office. В ре зультате работы сценария в проек те появится новая схема с названи ем filter_circuit (см. рис. 6), будет произведён её расчёт, и на экран будут выведены S параметры в ло гарифмическом масштабе в прямо угольной системе координат (см. рис. 7а) и на диаграмме Смита (см. рис. 7б).

В результате выполнения данных команд для используемых исходных данных на экран будет выведено ок но сообщения с текстом: «Рассчитан ный порядок фильтра 4,85; заданный – N=5".

торое создаётся с помощью конструк тора UserDialog Editor. Реализованный интерфейс диалогового окна рассмат риваемого сценария построения ППФ показан на рисунке 8. Введение подоб ной оконной среды взаимодействия с пользователем даёт возможность при менять написанный сценарий пользо вателям, не знакомым с языком про граммирования сценариев и даже не имеющим достаточных навыков рабо ты в среде Microwave Office, т.к. сцена рий самостоятельно осуществляет соз дание схемы фильтра, её расчёт и вывод результатов. Вследствие этого подобный сценарий может быть ис пользован, например, на учебных за нятиях со студентами второго третье го курсов, не имеющими опыта работы с данной программой, при изучении дисциплин теории цепей и техники фильтров СВЧ. Кратко охарактеризуем код сцена рия при введении диалогового окна. Чтобы иметь возможность переопре деления исходных данных в соответ ствии с введёнными в окне значения ми, соответствующие величины необ ходимо определить как переменные и сделать их глобально доступными в те ле всего сценария, объявив их в пер вых строках кода до тела основной процедуры. Для вызова диалога создадим отдель ную процедуру User_Dialog, которую будем вызывать уже из основного тела Main:

СОЗДАНИЕ ДИАЛОГОВОГО ОКНА

Sub User_Dialog Begin Dialog UserDialog 500,273,"Синтез полосно пропуска ющего фильт ра",.MyDialogFunction ' %GRID:10,7,1,1 TextBox 180,49,60,21,.F0 Text 20,42,150,28,"Центральная частота, ГГц",.Text1 ... End Dialog Dim dlg As UserDialog ' Вызов диалогового окна Dialog dlg ' Запись введенных в диалоге дан ных F0=Val(dlg.F0)*1e9 ... End Sub

ИНТЕРФЕЙСА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Повысить удобство использования написанного сценария можно за счёт введения в него пользовательского ин терфейса в виде диалогового окна, ко

Большая часть этого кода, находяща яся в теле конструкции Begin Dialog … Dialog dlg, генерируется автоматичес ки после создания в конструкторе окна

MsgBox "Рассчитанный порядок фильтра "& Round(order,2) & "; заданный – N=" & N

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

диалога. Обращение к основному телу сценария Sub Main ... End Sub по умол чанию происходит при нажатии на кнопку ОК. С процедурой вызова диалога непо средственно свяжем функцию MyDia logFunction, в которой осуществляет ся обработка определённого набора событий диалогового окна – инициа лизации, нажатии на кнопку и др. В на шем случае она будет иметь следую щий вид: Function MyDialogFunction% (Dl gItem$, Action%, SuppValue%) Select Case Action% Case 1 ' Dialog box initializa tion ' Вывод неких начальных данных при инициализации диалогового окна, расчет порядка фильтра по формуле и вывод в TextBox DlgText "F0",Format(F0/1e9) ... Case 2 ' Value changing or button pressed ' Выход по нажатии на кнопку "Cancel" If DlgItem$ = "Cancel" Then End End If Case 3 ' TextBox or ComboBox text changed ' Расчет порядка фильтра по фор муле и вывод в TextBox ... Case 4 ' Focus changed Case 5 ' Idle Case 6 ' Function key End Select End Function В результате при запуске сценария на экране появится диалоговое окно (см. рис. 8б), в котором пользователь сможет задать требуемые характерис тики ППФ и увидеть предваритель но рассчитанный с помощью выраже ния (1) порядок фильтра, который бу дет обновляться при каждой смене зна чений параметров и отображаться в неактивном окне TextBox.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассмотренный в статье сценарий может быть полезен для инженерной оценки порядка фильтра и его частот ных характеристик. В зависимости от технологического исполнения реаль ного фильтра, модель можно уточнить, заменив дискретные элементы отрез ками линий передачи или другими

а)

б) Рис. 8. Диалоговое окно сценария в конструкторе (а) и в процессе работы сценария (б) элементами, входящими в базу элемен тов среды Microwave Office. Таким об разом, можно автоматизировать про цесс синтеза модели СВЧ фильтра в со ответствии с желаемым алгоритмом, запрограммировав его с помощью сце нария на языке Visual Basic. В следующей части статьи мы рас смотрим конкретную реализацию ППФ, построенного на основе прямо угольного волновода с индуктивны ми диафрагмами, и опишем процесс создания трёхмерной модели такого фильтра посредством сценария в про грамме Ansoft HFSS.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ЛИТЕРАТУРА 1. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильт ры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т. 1. Связь, 1971. 2. Линии передачи сантиметровых волн. Пер. с англ., под ред. Г.А. Ремеза. Советское радио, 1951. 3. Hong J. S., Lancaster M.J. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. John Wiley & Sons, 2001. 4. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с по мощью Microwave Office. Под ред. В.Д. Ра зевига. СОЛОН Пресс, 2003. 5. http://web.awrcorp.com.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Разработка топологии печатных плат с помощью Allegro PCB Editor Часть 2. Настройки среды проектирования PCB Editor Анатолий Сергеев (Москва) Во второй части статьи кратко описаны настройки отображения объектов, инструменты поиска объектов и навигации на плате.

Настройки цвета для различных сло ёв и объектов, прозрачность и текстура содержатся в диалоговом окне управ ления цветом (см. рис. 1), которое мо жет быть вызвано несколькими спосо бами: ● меню Display – Color Visibility; ● кнопка на панели инструментов; ● сочетание клавиш Ctrl + F5; ● команда color192. В верхнем правом углу данного окна располагаются кнопки включения и отключения для всех подклассов (сло ёв) одновременно Global Visibility – On, Off. В верхнем левом углу можно пере ключиться между группами настроек Layers и Nets для слоёв и цепей со ответственно. Метка Disable Custom Co lors отменяет действие заданных поль зователем цветов. Ниже, в левой части

окна располагается дерево различных групп настроек цвета. Группа Display (см. рис. 2) содержит настройки для те невого режима работы редактора, настройки прозрачности для различ ных объектов: ● Temporary highlight – цвет подсвечен ных объектов; ● Grids – цвет сетки; ● Rats top top (top bottom, bottom bot tom) – цвет линий связи, распола гающихся на верхнем слое, пере ходящих с верхнего на нижний и расположенных на нижнем слое соответственно; ● ● ●

Waived DRC – допустимые ошибки; Drill Holes – цвет отверстий; Stacked via label – цвет обозначения переходных отверстий. Переходные отверстия могут иметь дополнитель

Рис. 1. Диалоговое окно управления цветом

ную виртуальную подсказку в виде отображения начального и конечно го слоя, например, 1 : 3, что означает отверстие, просверленное от 1 го до 3 го слоя; ● Background – цвет фона рабочего по ля программы; ● Fixed Objects: Pattern – задание узо ров подсветки для зафиксирован ных объектов, т.е. закрытых поль зователем для редактирования. Узор выбирается в секции Stipple Patterns. Секция Shadow Mode отвечает за настройку теневого режима. Этот ре жим удобен во всех случаях, когда не обходимо, чтобы редактируемый слой или объект топологии выделялся на рабочем поле программы среди про чих слоёв или объектов. Этот режим включается меткой On. Также он досту пен на инструментальной панели в ви де кнопки . Настройка Brightness отвечает при этом за уровень затем нения всех подклассов и его объектов, за исключением активного. Рекомен дованное значение – 30%. Настройка Dim active layer работает таким обра зом, что подсвечивается только редак тируемый объект на текущем слое, все остальные скрыты тенью. В секции OpenGL можно настроить прозрачность объектов топологии. В частности, Global Transparency – это глобальная прозрачность, например, контактных площадок компонентов, Shape Transparency – прозрачность полигонов. Рекомендуется устано вить Global Transparency = 100% (не прозрачная заливка), Shape Transpa rency = 50%. Прозрачность и многие другие эф фекты в программе обеспечены под держкой спецификации OpenGL. Ес ли ресурсы компьютера не позволя ют быстро обрабатывать графику, то всегда есть возможность отключить OpenGL с помощью переменной di sable_opengl (см. рис. 3). Все перемен ные среды проектирования Allegro настраиваются с помощью редактора пользовательских настроек, который доступен в меню Setup User Preferences. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Ниже редактор будет рассмотрен бо лее подробно. Все остальные группы в дереве с ле вой стороны окна Color Dialog содер жат настройки отображения и цвета для различных классов и подклассов (см. рис. 4). На начальном этапе рабо ты рекомендуется оставить включен ными следующие классы и их подклас сы, которые наиболее часто использу ются при проектировании: ● группа Stack Up: Pin, Via, Etch, Drc; ● группа Areas: Pkg KI, Rte KI; ● группа Board Geometry: Outline, Silk screen_Top, Silkscreen_Bottom; ● г р у п п а Pa c k a g e G e o m e t r y : Place_Bound_Top, Assembly_Top, Assem b l y _ B o t t o m , S i l k s c re e n _ To p , S i l k screen_Bottom; ● группа Components: класс RefDes: Silkscreen_Top, Silkscreen_Bottom. Цвет и узор для классов и их подклас сов выбирается в секциях Color и Stiple Patterns соответственно в нижней час ти окна Color Dialog. В группе My Favorites находятся наи более часто используемые настройки цвета. Для перемещения в My Favorites определённого класса или подкласса

Рис. 2. Группа настроек Display в окне Color Dialog необходимо нажать ПКМ и выбрать Add to My Favorites (см. рис. 5). Индивидуальные настройки цвета для цепей доступны при установке метки Nets в верхней части окна Color Dialog. Принцип назначения цветов здесь такой же, как и в режиме Layers. Если щёлкнуть ПКМ на любой из цве товых ячеек в столбце Net, то по коман

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

де Set Highlight State можно включить подсветку для выбранной цепи или, например, дифференциальной пары (см. рис. 6). В левой части окна Color Dialog в ре жиме Nets доступны следующие на стройки: ●

Type – тип объектов: цепи, шины, расширенные цепи и т.д.;

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 3. Поддержка OpenGL в активном (слева) и неавтивном (справа) состоянии

Рис. 4. Настройки отображения и цвета для классов и подклассов в окне Color Dialog

Рис. 5. Наполнение группы My Favorites в диалоговом окне управления цветом ● ●

●

Filter – фильтр наименования цепей; Show only nets with color override – по казывать только те цепи, для кото рых пользователем был задан цвет; Sort – сортировка по возрастанию или убыванию наименований и но

меров цепей, а также перемещение пользовательских цветовых настро ек в верхнюю или нижнюю часть списка (Overrides on top/bottom). Кнопка Clear All Nets в верхнем пра вом углу отменяет все установленные

пользователем цвета для всех цепей. Сохранение и настройка цветовой па литры происходит через меню File в верхнем левом углу. Подсветка объектов является важ ным инструментом при работе над платой. Подсвеченные объекты в PCB Editor, помимо яркости, могут отли чаться цветом и рисунком узора. Это помогает разработчику отличать цепи и компоненты друг от друга и концен трировать своё внимание на наиболее критичных из них (см. рис. 7). Для установки подсветки можно вос пользоваться следующими инструмен тами: ● меню Display – Highlight; ● кнопкой на панели инструмен тов; ● в окне Color Dialog в секции Nets на цветовой ячейке в меню ПКМ вы брать Set Highlight State (см. выше); ● при выделении объекта под курсо ром на плате в меню ПКМ доступна команда Highlight. В предыдущей версии PCB Editor при активации команды Highlight на пане ли Options был доступен выбор цвета. Теперь через Options доступен выбор узора для подсвечиваемых объектов. Ещё одна команда, которая позволяет выбрать цвет и узор для объектов, – это Display – Assing Color, или кнопка на инструментальной панели. Отме тим, что по сути это аналог Highlight с той лишь разницей, что выбранный объект не отображается как подсвечен ный или выделенный в окне навига ции WorldView. Отменить действие Highlight и Assign Color возможно с по мощью команды Display – Dehilight (кнопка ). При этом отменить под светку или окраску можно как вруч ную, выделяя соответствующие объек ты ПКМ на плате, так и с помощью па нели Options, где можно осуществить данную отмену для объектов опреде лённого типа. Настройка Retain objects custom color позволяет сохранить про извольную окраску неизменной. Большие возможности управления отображением позитивных и негатив ных слоёв предоставляет всплываю щая панель Visibility в правой части ок на PCB Editor (см. рис. 8). Данная па нель очень похожа на инструмент Color Dialog, который был подробно описан выше. Цветовая схема на пане ли Visibility содержит пять элементов – Etch, Via, Pin, Drc и All, не требующих дополнительных комментариев. Цве товые квадраты и флажки являются пе СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

реключателями для этих элементов на разных слоях. Нажатие ПКМ на квадра те позволяет выбрать цвет. Понятно, что отображение комбинации слоёв и их элементов может быть абсолютно любым, что делает панель Visibility удобным инструментом в ходе работы над топологией. В случае, если требует ся сохранить тот или иной вид с пре дустановками отображения слоёв, можно воспользоваться командой ме ню View – Color View Save (см. рис. 9). В окне Color View в поле Save view за даётся название файла вида с расшире нием *.color и его местоположение. В секции View Replacement Method указы вается характер изменений цветовых настроек при использовании данного конкретного вида: ● Complete – вся существующая цвето вая схема на плате полностью меня ется на схему из файла вида; ● Partial – частичная замена. Меняется только та часть настроек, которая указана в файле вида, вся остальная цветовая схема остаётся неизмен ной; Partial with toggle – то же, что и partial; отличие в том, что если видимость слоя включена, то загрузка вида от

ключает видимость. Напротив, если слой в текущей конфигурации от ключен, то новый вид включает его.

Остальные две настройки позволя ют учитывать текущий масштаб про екта, который закладывается в вид

●

Рис. 6. Секция Nets в окне Color Dialog

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

(Preserve zoom level), и режим обрат ной стороны платы (Preserve flip state), который также может быть учтён. По

умолчанию файл вида будет сохранён в папке с проектом. Для удобства ис пользования во всех проектах поль зовательская библиотека или библио тека предприятия может содержать несколько видов, поскольку переклю чение между различными слоями и их комбинациями происходит во время разработки платы довольно часто. Для хранения библиотек с видами пред усмотрена папка по умолчанию, ко торая задаётся через переменную сре ды viewpath (Setup – User Preferences, категория Path – Config). Применить любой из видов можно через панель Visibilty и выпадающий список Views в верхней части данной панели. Стоит также помнить, что по умолчанию все файлы типа Artwork (Gerber) также могут быть доступны как отдельные виды платы. О том, как сформировать файлы Artwork, мы поговорим при рассмотрении этапа создания выход ных файлов для производства. Следующим пунктом нашего описа ния будет всплывающая панель Find. Однако перед её рассмотрением хоте лось бы сказать несколько слов о на стройке всплывающих подсказок, по скольку эта функция тесно связана с выбором объектов на плате. Начиная с версии 16.5, включение всплывающих подсказок и их отключение возможно с помощью кнопки на панели инструментов. Настройки содержания и формы всплывающих подсказок до ступны в меню Setup – Datatip Cus tomization. Сразу отметим, что локаль ные настройки всплывающих подска зок хранятся в файле с расширением *.cdt с путём <папка_установки>/share/

Рис. 9. Окно Color Views

Рис. 10. Меню с настройками всплывающих подсказок

Рис. 7. Компоненты и цепи в режиме подсветки

Рис. 8. Всплывающая панель Visibility

pcb/text или в локальной папке pcbenv (о глобальных и локальных настрой ках см. ниже). Окно настроек подсказок выглядит следующим образом (см. рис. 10). В верхнем углу данного окна располага ется меню File, через которое можно загрузить или сохранить настройки в виде файла *.cdt. В списке Object Type содержатся все объекты дизайна, для которых можно задать собственную форму подсказки. Если выбрать, на пример, символы посадочных мест (symbol instance), то на вкладке General отобразится список типовых свойств для данной группы объектов: название, позиционное обозначение, угол пово рота и т.д. Вкладка Advanced содержит расширенные свойства, например, для компонентов – это название комнаты, номинал, альтернативный символ и т.д. В списке расширенных свойств так же содержатся пользовательские свой ства, заданные на этапе ввода схемы проекта. В дополнительном столбце Save для свойств пользователя указыва ется наименование или ставится метка для сохранения в файл *.cdt. Особое место в свойствах всплыва ющих подсказок занимает группа Appearance, которая предлагает пользо вателю задать цвет фона и текста в окне подсказки. Данная вкладка в окне Da taTips Customization доступна, если от ключена переменная disable_html_data tip_style. Эта переменная не доступна через Setup – User Preferences и являет ся по сути скрытой настройкой. Для её активации необходимо внести дирек тиву unset disable_html_datatip_style в глобальный или локальный файл пе

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 11. Всплывающие подсказки в формате HTML с гиперссылками ременных сред env, о котором мы пого ворим позже. После отключения дан ной переменной всплывающая под сказка будет появляться в формате

HTML и содержать гиперссылки на свойства объекта, т.е. дублировать ко манду Display – Element (горячая клави ша F4, см. рис. 11).

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

Все «явные» переменные для более тонкой настройки всплывающих под сказок, а именно, времени её появле ния, отключения, местоположения на

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 12. Иерархия выбора объектов на панели Find экране и т.п., содержатся в категории Display – Datatips упоминавшегося вы ше User Preference Editor. Панель Find служит не только глав ным инструментом поиска различ ных объектов на плате, но и играет роль глобального фильтра при выбо ре объектов. Стандартная модель ра боты заключается в том, что поль зователь перед редактированием, например, линии должен сначала выбрать её левой кнопкой мыши. В PCB Editor по умолчанию объект счи

тается выбранным, если на него наве дён курсор мыши. Панель Find регу лирует выбор объектов в строгом со ответствии с иерархией, принятой в редакторе (см. рис. 12). Например, контактная площадка может быть частью группы, цепи, символа, ком понента или группы. Если на панели Find выделены все эти объекты, то вначале, согласно иерархии, прои зойдёт выделение группы. Текущий выбранный объект пока жет всплывающая подсказка, о пара метрах настройки которой мы уже знаем. Переключение между объекта ми иерархии происходит при нажа тии клавиши Tab. Если курсор нахо дится над несколькими независимы ми объектами, например разными цепями, то переключаться между ни ми можно с помощью сочетания кла виш Ctrl+Tab. Если убрать все метки на панели Find, то редактирование платы по сути будет невозможным. Вклю чить и отключить все метки можно с помощью кнопок All On и All Off соот ветственно. Секция Find By Name на панели Find предоставляет пользователям широкие возможности для поиска компонента на плате. Левый выпада ющий список устанавливает тип объ екта как критерий для поиска, пра вый выпадающий список включает

режим поиска по названию или по списку объектов. Такой список мож но получить через меню Setup – De fine Lists. Клавиша More раскрывает список доступных объектов для по иска. В меню Find by Name or Property (см. рис. 13) в левом списке содержатся все объекты выбранного типа. Чтобы перенести их в правый список объ ектов для выделения, достаточно од ного нажатия ЛКМ. Клавиши All пере носят все объекты. Для установки фильтра наименований используют ся поля Name filter и Value filter, что очень удобно при большом количест ве объектов. Ещё раз обратимся к секции Find by Name панели Find. Строка делает по иск объектов более удобным при по мощи групповых символов «*» и «?» рядом с названием объекта. Чтобы ис комый объект был выделен на плате, после ввода имени в строке поиска необходимо нажать Tab. Например, необходимо выделить все конденса торы. Из выпадающего списка выбе рите Symbol (or Pin). Введите в строке «С*» и нажмите Tab. Если оставить только «*», то будут выделены все сим волы. Дополнительную помощь в навига ции по плате оказывает окно общего вида WorldView (см. рис. 14). Передви

Рис. 13. Поиск компонентов через панель Find

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

гая область обзора и меняя её размеры, пользователь может переместиться в любую область платы с любым масш табом. Удобство в работе с окном обще го вида заключается ещё и в том, что все объекты при их выделении отобра жаются в WorldView. Если ввести, на пример, R1 в строке поиска на панели Find и нажать Tab, то резистор будет выделен на плате и в WorldView, а после нажатия ЛКМ в окне общего вида и на рабочем поле программы искомый компонент будет показан крупным планом. Если выделено несколько объ ектов, то последовательное нажатие ЛКМ в WorldView позволит переме щаться в область каждого выделенного объекта. Соответственно, те объекты, которые были выделены подсветкой (Display – Highlight), будут отображать ся в окне WorldView до применения ко манды Display – Dehighlight.

Рис. 14. Окно общего вида WorldView Во второй части статьи мы познако мились с настройками отображения объектов, инструментами поиска объ ектов и навигации на плате. За под робной информацией можно обра титься к документу Allegro User Guide: Getting Started with Physical Design. Product Version 16.5 May 2011, который можно найти через справочную систе

му Cadence Help в разделе Allegro PCB Editor – Allegro User Guide.

ЛИТЕРАТУРА 1. Mitzner K. Complete PCB design using rCAD Capture and PCB editor. Elsevier, 2010. 2. Allegro User Guide: Getting Started with Physical Design. Product Version 16.5, May 2011.

Новости мира News of the World Новости мира Пластиковые нанопроводники как альтернатива углеродным нанотрубкам Французские исследователи в области материаловедения института CNRS и Уни верситета Страсбурга сообщили об очень интересном открытии – создании высоко проводящих пластиковых нановолокон тол щиной всего несколько нанометров. Свои успехи они описали в статье, размещённой на веб сайте авторитетного журнала Nature Chemistry, а заодно запустили процедуру получения патента на своё изобретение.

Исследователям удалось разработать метод «самосборки» органических прово дящих волокон между двумя металличес кими электродами. Использовалось при этом производное соединение от хорошо изученного триариламина. Необходимым условием для запуска реакции являлось наличие одновременно света и электричес кого поля. Сам по себе процесс «самосборки» ор ганических нановолокон был бы не столь интересен, если бы не их свойства. По электрической проводимости полученные структуры очень близки металлам. Более того, проявляют такие чисто «металличес кие» свойства, как резкое падение сопро

тивления при температурах, близких к абсолютному нулю (1,5°К). Таким образом, органические нанопро водники, проявляющие свойства металли ческих межсоединений, могут найти своё применение в целом спектре устройств мобильной электроники, вычислительной техники, при изготовлении солнечных ба тарей. С их помощью можно изготовлять гибкие дисплеи, солнечные батареи, тран зисторы и печатные «наносхемы». Они да же могут стать альтернативой многообе щающим углеродным нанотрубкам. Хоть последние и получше выглядят в плане электрических свойств, но пока имеются сложности с их серийным изготовлением. Да и конструировать на их основе готовые приборы пока очень сложно. http://www.nature.com

Будем печатать… нанотрубками Скорость появления новых разработок в мире растёт – недавно американские учё ные сделали новый шаг в технологии пе чатной электроники – от технологии печат ных схем для радиоэлектроники в сторону наноэлектроники. Группа исследователей из Йельского университета разработала универсальную методику создания компо зитных материалов из одностенных угле родных нанотрубок (УНТ) и различных функциональных полимеров. По способу, предложенному исследо вательской группой во главе с Ли Сяокаем (Li Xiaokai), сначала изготавливается рас

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

твор нанотрубок в карбоксиметилцеллюло зе. Он в избытке наносится на перемещаю щуюся подложку, с которой излишки рас твора механически удаляются при прохож дении препятствия – цилиндрического вала со спиральной насечкой. При этом от раз мера вала и насечки значительно зависит толщина получаемого покрытия. Карбокси метилцеллюлоза удаляется, в свою оче редь, посредством кислотной обработки, и на стеклянной подложке остаётся покры тие из углеродных нанотрубок. После на него наносится необходимый полимер, ко торый заполняет полости углеродного по крытия. Все полученные покрытия по сво им свойствам не уступают, а зачастую и превосходят аналоги. Кроме того, учёные утверждают, что их технология идеально подходит для создания гибких проводящих материалов (полученное проводящее по крытие можно отделить от стеклянной под ложки), а значит, способна вытеснить об щераспространённые в органических све тоизлучающих диодах и фотоэлементах покрытия на основе ИТО стекла (стекла, покрытого проводящим оксидом индия и олова). Таким образом, предложенная ме тодика позволяет легко и сравнительно дё шево получать композитные материалы для энергосберегающих технологий. Кро ме того, она может быть масштабирована до промышленного производства и легко изменена для работы с новыми полимера ми в зависимости от возникающих потреб ностей. http://www.ecolife.ru

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Способ защиты программ в микроконтроллерах C8051FXXX фирмы Silicon Labs Алексей Кузьминов (Москва) В статье описывается простой способ защиты флэш памяти микроконтроллеров от несанкционированного доступа, заключающийся в загрузке программы по адресу регистра блокировки. Программа состоит из одного двух байт и может быть записана в микроконтроллер стандартным способом с помощью USB DEBUG адаптера. В качестве примера приводятся тексты и результаты работы двух программ, предназначенных для защиты памяти микроконтроллеров C8051F321 и C8051F067.

ВВЕДЕНИЕ Для защиты флэш памяти микро контроллера от несанкционирован ного доступа требуется обнулить ре гистры блокировки чтения и запи си/стирания. Стандартным способом такая запись данных может быть ор ганизована либо из программы поль зователя (что достаточно сложно), либо с помощью интерфейсов JTAG или C2 (в зависимости от типа мик роконтроллера), что ещё сложнее, т.к. для этого требуется манипуляция сигналами этих интерфейсов. Воз можность защиты флэш памяти, к сожалению, не предусмотрена в про граммном обеспечении (IDE) USB DEBUG адаптера, с помощью которо го программируются микроконтрол леры. Для защиты памяти программ от несанкционированного доступа в микроконтроллерах C8051FXXX фирмы Silicon Labs, совместимых с I8051, предусмотрены специальные регистры блокировки. В одних мик роконтроллерах, как правило, прос тых и программируемых с помощью интерфейса C2, существует единст венный регистр блокировки чтения и записи/стирания, который распо ложен в старших адресах памяти программ. Например, в микрокон троллере C8051F321 [1] с максималь ным объёмом программной памя ти 16 Кб (3fffh байт) такой регистр блокировки расположен по адресу 3dffh. В более сложных микрокон троллерах, программируемых с по мощью интерфейса JTAG, пред усмотрено два подобных регистра: один – для блокировки чтения, вто рой – для блокировки записи/сти рания. Адреса этих регистров также

расположены в старших адресах памяти программ и следуют один за другим. Например, в микроконтрол лере C8051F067 [2] с максимальным объёмом памяти 32 Кб (7fffh байт) адрес регистра блокировки запи си/стирания равен 7ffeh, а регистр блокировки чтения расположен по адресу 7fffh. Если требуется защитить от несанк ционированного доступа одни сек торы памяти программ, оставив неза щищёнными другие, то в биты, соот ветствующие защищаемым секторам, должны быть записаны нули (после полного стирания памяти программ во всех битах этих регистров записа ны единицы). Если же требуется защи тить всю память программ, то регист ры защиты должны быть полностью обнулены. Такая защита памяти про грамм является оптимальной, и даль нейшее изложение посвящено имен но ей. Для обнуления регистров защиты су ществует два официальных способа, приведённых в [3] и в справочном листке на конкретный микроконтрол лер. Первый способ – из программы пользователя, второй – с помощью либо интерфейса C2, либо JTAG [4], в зависимости от того, по какому интер фейсу программируется микрокон троллер. Первый способ защиты, на взгляд автора, неприемлем, поскольку про грамма пользователя должна содер жать только тот код, который требу ется для выполнения её задачи, а до полнительная подпрограмма защиты не только отнимает ресурсы памяти основной программы, но и является потенциально опасным кодом. Кро ме того, такая сложная подпрограм

ма защиты требует определённого времени на разработку, а решение о защите той или иной програм мы должен принимать сам пользова тель. Поэтому способ защиты должен быть не связанным с пользовательс кой программой и применяться при необходимости. Второй способ за щиты [3, 4], на взгляд автора, ещё сложнее. В возможностях программного обеспечения (IDE) для USB DEBUG адаптера [5], применяемого, в част ности, для программирования мик роконтроллеров, защита памяти программ микроконтроллера, к сожалению, также не предусмотре на. В то же время защитить память программ от несанкционирован ного доступа иногда просто необхо димо. Таким образом, появилась задача об нулить регистры защиты, но не путём записи данных (в данном случае ну лей). Как оказалось, сделать это доволь но легко. Основная идея заключается в сле дующем. Если адрес регистра защи ты известен (например, у микрокон троллера C8051F321 это 3dffh), а байт данных равен нулю, то путём записи программы, состоящей из одного оператора NOP (код операции кото рого равен 00h), в программную па мять микроконтроллера с адреса 3dffh регистр защиты можно обну лить. Несмотря на то что программа состоит всего из одного (нулевого) байта, она может быть запрограм мирована в микроконтроллер стан дартным способом с помощью USB DEBUG адаптера. Но сможет ли такая программа защищать память микро контроллера от несанкционирован ного доступа?

ПРОГРАММЫ ЗАЩИТЫ ПАМЯТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

C8051F321 И C8051F067 Наиболее подходящим языком про граммирования для написания такой программы, по мнению автора, являет ся ассемблер. Далее приведены две программы, написанные на ассембле СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

ре и предназначенные для защиты па мяти микроконтроллеров C8051F321 и C8051F067. Рассмотрим программу защиты па мяти микроконтроллера C8051F321. Эта программа должна обнулить единственный регистр блокировки чтения и записи/стирания, распо ложенный по адресу 3dffh. Началь ный адрес программы в памяти микроконтроллера определяет ся настройкой ассемблера. Напри мер, если используется ассемблер 2500 A.D. Macro Assembler v.4.02a, то для того чтобы расположить про грамму, например, с адреса 3dffh, необходимо установить .org 3dffh. Если используется ассемблер Keil A51 Macro Assembler v.6.14, эта на стройка имеет вид CSEG AT 3DFFH. Что касается кода операции nop, то он всегда равен 00h, т.к. зависит не от типа транслятора, а от самого ассем блера I8051 совместимых микрокон троллеров. Таким образом, программа защиты памяти микроконтроллера C8051F321 на 2500 A.D. Macro Assembler состо ит из одного оператора (nop) и трёх параметров и выглядит следующим об разом:

Рис. 1. Результат трансляции программы zas321.asm с помощью файла zas321.bat

.CODE .org 3dffh nop .end

Программа защиты памяти микро контроллера C8051F321 на ассемблере Keil A51 Macro Assembler v.6.14 выгля дит следующем образом:

1 CSEG AT 3DFFH 3DFF 00 2 nop 3 END _A51 MACRO ASSEMBLER ZAS321

Назовём эту программу zas321.asm. Для трансляции этой программы и по лучения её в Intel Hex формате потре буется *.bat файл следующего содер жания:

CSEG AT 3DFFH nop END

Видно, что по адресу памяти 3dffh записан нулевой байт данных. Если перед запуском файла zas321_A51.bat удалить файл zas321.hex предыдущей трансляции, полученный с помощью файла zas321.bat, то после запуска файла zas321_A51.bat вновь сформируется файл zas321.hex, кото рый будет точно таким же:

x8051 zas321.asm t d pause link c zas321.obj pause Назовём этот файл zas321.bat. Результат трансляции zas321.asm с ассемблера показывает (см. рис. 1), что по адресу 3dffh памяти записан нуле вой байт данных (строка 3). По сборке программы видно, что размер (Size) ко да программы равен одному байту, программа расположена по адресу 3dffh, а файл был создан в hex форма те zas321.hex. Текст файла приведён ниже: :013DFF0000C3 :00000001FF

Назовём эту программу zas321.А51. Для трансляции этой программы и получения её в Intel Hex формате не обходим *.bat файл следующего содер жания: a51.exe zas321.a51 print object(zas321.obj) pause bl51.exe zas321.obj to zas321 ixref print(bl_zas321.lst) oh51 zas321 pause Назовём этот файл zas321_A51.bat. Фрагмент листинга результата ассемб лирования программы zas321.А51 с по мощью файла zas321_A51.bat приве дён ниже: LOC OBJ LINE SOURCE

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

:013DFF0000C3 :00000001FF Это означает, что, независимо от транслятора, результатом будет про грамма zas321.hex. Теперь рассмотрим программу защи ты памяти микроконтроллера C8051F067. Эта программа должна об нулить два регистра: регистр блокиров ки записи/стирания, расположенный по адресу 7ffeh, и регистр блокировки чтения, расположенный по адресу 7fffh. Программа на языке 2500 A.D. Macro As sembler выглядит следующим образом:

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

а)

б)

в)

Рис. 2. Работа программы zas321.hex по защите памяти микроконтроллера C8051F321

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

а)

б)

в)

г) Рис. 3. Первый метод стирания заблокированной памяти программ микроконтроллера C8051F321 для её разблокировки СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

д)

е)

ж)

з) Рис. 3. Первый метод стирания заблокированной памяти программ микроконтроллера C8051F321 для её разблокировки (окончание)

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

а)

б)

в) Рис. 4. Второй метод стирания заблокированной памяти программ микроконтроллера C8051F321 для её разблокировки .CODE .org 7ffeh nop nop .end Назовём эту программу zas067.asm. Для трансляции этой программы и получения её в Intel Hex формате не

обходим *.bat файл следующего содер жания: x8051 zas067.asm t d pause link c zas067.obj pause Назовём этот файл zas067.bat.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

Результат трансляции программы zas067.asm с помощью этого *.bat файла (экранная форма аналогична рисунку 1) даёт следующую инфор мацию: по адресу памяти 7ffеh запи сан нулевой байт данных (строка 3), такой же нулевой байт данных запи сан по адресу 7fffh (строка 4), размер (Size) кода программы равен 2 бай

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

а)

б) Рис. 5. Работа программы zas067.hex по защите памяти микроконтроллера C8051F067 а, б – защита памяти, в, г – стирание памяти для её разблокировки там, файл был создан в HEX форма те zas067.hex. Текст файла приведён ниже: :027FFE00000081 :00000001FF Программа защиты памяти мик роконтроллера C8051F067 на ассем блере Keil A51 Macro Assem bler v.6.14 выглядит следующем об разом: CSEG AT 7FFEH nop nop END

Назовём эту программу zas067.А51. Для трансляции этой программы и получения её в Intel Hex формате не обходим *.bat файл следующего содер жания: a51.exe zas067.a51 print object(zas067.obj) pause bl51.exe zas067.obj to zas067 ixref print(bl_zas067.lst) oh51 zas067 pause Назовём этот файл zas067_A51.bat. Фрагмент листинга результата ассем блирования программы zas067.А51 с

помощью файла zas067_A51.bat при веден ниже: LOC OBJ LINE SOURCE 1 CSEG AT 7FFEH 7FFE 00 2 nop 7FFF 00 3 nop 4 END _A51 MACRO ASSEMBLER ZAS067 Видно, что по адресам памяти 7ffeh и 7fffh записаны нулевые байты данных. После запуска *.bat файла zas067_A51.bat сгенерируется про грамма zas067.hex, имеющая необхо димое содержание: СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

в)

г) Рис. 5. Работа программы zas067.hex по защите памяти микроконтроллера C8051F067 (окончание) а, б – защита памяти, в, г – стирание памяти для её разблокировки :027FFE00000081 :00000001FF После получения программ в hex форматах (zas321.hex и zas067.hex) их необходимо записать в соот ветствующие микроконтроллеры по сле основной (защищаемой) про граммы.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРОГРАММ ЗАЩИТЫ ПАМЯТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ C8051F321 И C8051F067 Методика проверки работоспособ ности программ защиты состояла в

следующем. В микроконтроллер за гружалась заведомо работоспособная программа, подлежащая защите. За тем загружалась программа защиты (zas321.hex или zas067.hex). После этого проверялась работоспособ ность защищённой программы. Далее производилась разблокировка памя ти микроконтроллера (путём полного стирания всей его программной па мяти) с целью восстановления воз можности записи в память новой программы. Вначале проверялась работоспо собность программы zas321.hex. Для этого в микроконтроллер C8051F321 загружалась защищаемая программа

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

USB_SPI_321.hex [5], затем – програм ма защиты zas321.hex. Из рисунков 2а, 2б видно, что перед загрузкой про граммы zas321.hex в памяти про грамм находятся коды программы USB_SPI_321.hex (в правой части эк ранных форм). После загрузки про граммы zas321.hex (см. рис. 2в) в па мяти программ микроконтроллера видны только коды операций NOP, т.е. программа zas321.hex полностью за щитила память программ микрокон троллера от несанкционированного доступа. Для разблокировки памяти микро контроллера C8051F321 необходимо стереть всю его программную па

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

а)

б) Рис. 6. Демонстрация неверной попытки разблокировки памяти микроконтроллера C8051F067 мять. Это можно сделать двумя спо собами. Первый способ заключается в сле дующем. После подключения микро контроллера к USB DEBUG адаптеру и включения питания микроконтрол лера выбираем параметр Debug → Connect. После этого в нижней стро ке экранной формы определяется микроконтроллер C8051F321 (Target: C8051F321), а в правой части экран ной формы отображается содержи мое его памяти программ, которое в данном случае заблокировано и со держит только коды операций NOP. Выбираем параметр Download Object File (см. рис. 3а). В образовавшемся ок не нажимаем кнопку с надписью Erase all code space (см. рис. 3б). Получаем два предупреждения (см. рис. 3в, 3г).

При утвердительном ответе («Да» – рис. 3в и OK – рис. 3г) стирается па мять программ микроконтроллера (см. рис. 3д) и выводится окно с пре дупреждением, что память программ стёрта. При нажатии кнопки OK в этом окне память программ уже раз блокирована (см. рис. 3е), поскольку в ней записаны одни единицы (коды ffh). Выбрав соответствующую про грамму и нажав кнопку Download см. рис. 3ж), в микроконтроллер мож но загрузить новую программу, в дан ном случае, USB_SPI_321.hex (см. рис. 3з). В этой экранной форме спра ва показаны коды загруженной про граммы. Второй способ стирания всей памя ти программ для разблокировки мик роконтроллера состоит в следующем.

После подключения микроконтролле ра к USB DEBUG адаптеру и включе ния питания микроконтроллера вы бираем параметр Tools → Erase Code Space (см. рис. 4а). Получив пред упреждение (см. рис. 4б) и утверди тельно ответив на него, запускаем про цесс стирания памяти, после чего в неё записываются все единицы (ffh) (см. правую часть рис. 4в). Кроме того, в нижней части этой экранной формы определяется подключенный микро контроллер (Target: C8051F321). Те перь память микроконтроллера раз блокирована, и он готов к загрузке но вой программы. Ниже приведены результаты про верки работоспособности програм мы zas067.hex, предназначенной для защиты памяти программ микрокон СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

троллера C8051F067. Вначале в этот микроконтроллер была загруже на основная (защищаемая) програм ма F067SPI.hex [6]. Затем для её за щиты была загружена программа zas067.hex. Из рисунков 5а, 5б вид но, что программа zas067.hex защи щает память микроконтроллера C8051F067 аналогично программе zas321.hex. Для разблокировки памяти микро контроллера C8051F067 необходимо стереть всю его программную память. Сделать это можно единственным спо собом, выбрав параметр Tools → Erase Code Space (см. рис. 5в). По окончании стирания всей памяти микроконтрол лера его память будет разблокирована (см. рис. 5г), т.е. в ней записаны одни единицы (ffh). С этого момента мик роконтроллер готов к загрузке новой программы. Если стирание памяти микро контроллера C8051F067 осущест вить способом Debug → Connect (см. рис. 6а), то на монитор будет выве дено предупреждение о невозмож ности соединения с USB DEBUG адаптером (см. рис. 6б), загорятся

оба светодиода, и всё «зависнет». Единственным способом выхода из этого состояния является следую щий: выключить питание микро контроллера, выйти из программы обслуживания (IDE) USB DEBUG адаптера, вынуть из него и вставить обратно кабель USB. Результаты работы программ за щиты памяти микроконтроллеров C8051F321 и C8051F067 позволяют сделать следующие выводы: ● описанные программы zas321.hex и zas067.hex надёжно защищают па мять микроконтроллеров C8051F321 и C8051F067 от несанкционирован ного доступа; ● отсутствие возможностей защиты памяти микроконтроллеров в про граммном обеспечении (IDE) USB DEBUG адаптера, на взгляд автора, является недоработкой фирмы Si licon Labs, хотя на защиту памяти программ микроконтроллеров IDE реагирует с помощью двойного пре дупреждения (см., например, рис. 3в, 3г). Это означает, что метод защиты памяти, приведённый автором в статье, известен разработчиками

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

программного обеспечения USB DE BUG адаптера. Однако не ясно, поче му он не описан в документации фирмы Silicon Labs.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Описанный в статье способ загруз ки регистров блокировки памяти программ с помощью программного кода намного проще их загрузки спо собом записи данных и позволяет на дёжно защищать память микрокон троллеров C8051FXXX фирмы Silicon Labs от несанкционированного до ступа.

ЛИТЕРАТУРА 1. www.silabs.com/../C8051F320/1.pdf. 2. www.silabs.com/../C8051F06X.pdf. 3. Flash security user guide. www.silabs.com/../ AN120.pdf. 4. Programming flash through the JTAG inter face. www.silabs.com/../AN105.pdf. 5. www.silabs.com/../USB Debug Adapter User’s Guide.pdf. 6. Кузьминов А. Преобразователь интер фейсов USB–SPI с гальванической раз вязкой. Современная электроника. 2012. № 1, 2.

СОБЫТИЯ

В Москве прошли выставки по городскому общественному транспорту С 14 по 16 мая 2012 г. в Москве на ВВЦ прошли одновременно Международная выставка технологий, продукции и услуг для предприятий городского электротранспорта «ЭлектроТранс 2012» и Выставка перспективных автобусов для городского общественного транспорта CityBus#2012.

Выставка «ЭлектроТранс» была ор ганизована Общероссийским отрасле вым объединением работодателей «Го родской электрический транспорт» (ОООР «ГЭТ») и Международной ас социацией предприятий городского электрического транспорта при под держке и участии Комитета Государст венной Думы ФС РФ по транспорту, Министерства транспорта РФ, Департа мента транспорта и развития дорожно транспортной инфраструктуры горо да Москвы, ГУП «Мосгортранс», общест венного движения «Город и транспорт», Международной ассоциации «Метро». В выставке приняли участие 65 ком паний, и более 50 предприятий высту пали в насыщенной деловой програм ме. В экспозиции участвовали ведущие производители подвижного состава, а также производители оборудования, систем, комплектующих для метро и наземного городского транспорта из России, Белоруссии, Украины, Гол ландии, Бельгии, Германии, Польши, Чехии. Компания «ЯАРК Механичес кое производство», г. Ярославль, высту пила спонсором экспозиции «Элек троТранс». Общее количество посети телей составило около 2000. Городским общественным транспор том пользуется в нашей стране 85% насе

ления. Основная цель мероприятия – об ратить внимание городских властей на необходимость развития современного и экологичного вида транспорта – элек тротранспорта, способного в короткие сроки радикально улучшить транспорт ную обстановку в городах России. По этому в рамках конференции «Элек тротранспорт – здоровая альтернатива для российских городов!» была пред ставлена Стратегия развития городско го электротранспорта, предполагающая принятие закона с чёткими едиными нормативами качества транспортного обслуживания городского населения, закрепление принципа научной обо снованности развития транспортной инфраструктуры агломераций и ответ ственности местных властей за соответ ствие уровня развития транспорта со временным требованиям. В рамках деловой программы также состоялись круглые столы, посвящён ные законодательным вопросам ре формирования городского транспор та, новой схеме отношений сторон в процессе перевозок, проблемам мет ростроения, перспективам рынка ав тобусной техники, опыту развития об щественного транспорта в России и других странах, системам автоведения, транспортной светотехнике, вопросам

обеспечения безопасности пассажи ров и др. 16 мая при содействии ГУП «Мосгортранс» были организованы технические визиты в энергодиспет черский центр ГУП «Мосгортранс», на заводы СВАРЗ и ТРЗ и Московскую мо норельсовую систему (ММТС). Выставка CityBus 2012 собрала пер спективные транспортные средства для городского общественного автотранс порта. Наибольшее количество голосов посетителей с вручением приза «CityBus Москва 2012» собрал белорусский авто бус с гибридным приводом А 420. Кульминационным событием вы ставок стало награждение самых до стойных предприятий общественно го транспорта международной транс портной премией «Золотая колесница». Тройку золочёных лошадей увезли с собой предприятия электротранспор та из Ижевска, Нижнекамска, Калуги, Тулы, Кемерово, метрополитены горо дов Харькова и Алма Аты, автотранс портное предприятие из Красноярс ка. Также путёвку в жизнь получили новые разработки семи компаний – участников экспозиции, получившие дипломы конкурса перспективных разработок «Зелёный свет 2012». Выставки «ЭлектроТранс» и CityBus являются ключевыми событиями в от расли, площадкой для обсуждения инициатив по развитию транспорт ных систем, обмена опытом и техноло гиями, заключения деловых контрак тов. Следующий форум пройдёт через год, 14–16 мая 2013 г. http://www.electrotrans expo.ru Тел.: (495) 287 4412, 276 2990

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2012

150°C

Х АР АК ТЕ Р И СТ И КИ

ОБ Л АС ТЬ ПР И М ЕН Е НИ Я

■

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

поворотные выключатели контроль позиции AC офисная техника: принтеры, сканеры и др. контроль положения клапанов, вентилей замена оптических энкодеров сенсор угла поворота руля датчик позиции педали «газа» робототехника автоматика

ПР Е И МУ Щ ЕС Т ВА ■ ■ ■ ■ ■

энкодер на одном кристалле не требуется калибровка идеально подходит для применения в неблагоприятных условиях окружающей среды высокая надёжность за счёт отсутствия движущихся частей устойчивость к разъюстировке и изменению температуры окружающей среды

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР КОМПАНИИ AUSTRIAMICROSYSTEMS

•

info@prochip.ru • www.prochip.ru

■

разрешение 8, 10, 12 и 14 бит точность до 0,0219° интерфейсы синхронный последовательный интерфейс льсная модуляция нкрементный налоговый правляющие сигналы для бесколлекторного двигателя постоянного тока программирование «нулевой позиции» высокая скорость (до 30 000 об./мин) функция «кнопки» магнитная чувствительность 20…80 мТл диапазон рабочих температур от –40 до +150°С маленький корпус SSOP 16 (5,3×6,2 мм) ультранизкий ток потребления 30 мкА

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

ПОСТАВКА ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ

6/2012

Основана в 2000 г.

2012

ООО «Радиокомплект"ВП»