CC BY
81
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шарапов В.М., Мусиенко МЛ., Шарапова ЕМ. Пьезоэлектрические датчики. - М.: Техносфера, 2006.- 632 с.
2. Лихачев В.Я. Техническая диагностика пневмогидравлических систем ЖРД. - М: Машиностроение, 1983. - 204 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.А. Зори.
Байдаров Сергей Юрьевич
ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. МБ. Проценко». Пензенский государственный .
E-mail: info@startatom.ru.
442960, ., . , , 1.
Тел.: 88412582755; факс: 88412651758.
Цибизов Павел Николаевич
E-mail: paul-startatom@yandex.ru .: 88412582810.
Астахова Татьяна Валерьевна
« ». .
E-mail: tani2104@mail.ru.
440026, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10.
.: 88412591987.
Baydarov Sergey Urievich
Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex Start named after M.V. Protsenko.
E-mail: info@startatom.ru.
1, Mira Prospekt, Zarechny, Penza Region, 442960, Russia.
Phone: +78412582755; Fax: +78412651758.
Tsibizov Pavel Nikolaevich
E-mail: paul-startatom@yandex.ru.
Phone: +78412582810.
Astakhova Tatiana Valerievna.
Limited Liability Company «Research Institute of Physical Measurements». Penza State University.
E-mail: tani2104@mail.ru.
8/10, Volodarskogo Street, Penza, 440026.
Phone: +78412591987.
УДК 621.396.98:629.783
С.А. Синютин
СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ В ГИБРИДНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Рассматриваются задачи, решаемые вычислителями гибридных навигационных систем. Показано, что характерными особенностями этих задач является большое количество операций с плавающей запятой и наличие большого количества периферийных устройств. Рассмотрена архитектура интегрированной системы для автомобильной навигации. Рассмотрены преимущества использования интегрированного подхода. Проанализированы линейки микроконтроллеров ведущих фирм, которые можно использовать для решения гибридных навигационных задач.
Навигационные системы; периферийные устройства.
S.A. Siniutin
MODERN MICROCONTROLLERS AND THEIR ABILITY TO SOLVE THE NAVIGATIONAL PROBLEMS IN HYBRID NAVIGATION SYSTEMS
The article deals with the problems solved by calculators of hybrid navigation systems. It is shown that the characteristic features of these problems are the large number of floating point operations and the large number of peripheral devices. The architecture of an integrated system for car navigation was considered in this article.The advantages of using an integrated approach were considered. There is analyzed range of microcontrollers of leading companies that can be used to solve the hybrid navigation tasks.
Navigation systems; peripheral devices.
Информационные технологии начала XXI века стали широко применять аппаратно-программные средства глобальной навигации. Эти средства стали доступны индивидуальному потребителю, сняты точностные ограничения, существовавшие в эпоху «холодной войны», значительно улучшились их массогабаритные характеристики и энергопотребление. Основу таких средств составляют системы спутникового глобального позиционирования (ССП). ССП позволяют решать навигационные задачи в любое время суток и в любой точке земного шара. С появлением многостандартных приемников ССП улучшилась точность и надежность решения навигационных задач.
Однако ССП присущи и определенные ограничения. Так, точность определения местоположения существенно зависит от количества наблюдаемых спутников, их высоты над горизонтом, условий прохождения волн в ионосфере, количества отраженных от местных предметов лучей приема. Часто имеют место пропуски наблюдения спутников, и, как следствие, ошибки в ориентации. Для решения этой
( ). -, ( ), которая работает параллельно с ССП.
, (
)
, -
са [1, 2]. Стремление к улучшению точности навигационной аппаратуры и стало предпосылкой к объединению в 1990-х гг. этих типов навигационных систем и созданию интегрированных (комбинированных) систем навигации.
Для объединения навигационных решений, получаемых от обеих навигационных систем, может быть использован фильтр Калмана - эффективный (гарантированно достигающий результата за конечное число действий) рекурсивный , ,
[3].
инструментальных ошибок обеих систем на выходные данные. Архитектура интегрированной системы для автомобильной навигации приведена на рис. 1.
В реальных интегрированных навигационных системах также используется параметрическая модель ошибок инерциальной системы, которая описывает: ошибки инерциального измерения позиции, скорости и ориентации, дрейф гироскопа и ошибки его масштабного коэффициента, дрейф акселерометра и ошибки его масштабного коэффициента и другие параметры [1]. Общее количество таких параметров может достигать нескольких десятков. Проблема состоит в том, что численные значения параметров неизвестны априорно и, кроме того, они могут меняться с течением времени.
Инициализация
Инерциальная система линейная скорость, углы
Координаты, угловые скорости,
Скорректированное навигационное решение
навигации
Поправки
Координаты, линейная скорость, азимут
<£>
Калмана
Рис. 1. Архитектура интегрированной системы навигации
Главная идея методики работы интегрированных комплексов состоит в том, что значения неизвестных параметров могут быть определены путем решения системы , , благодаря наличию GNSS, выступающей в качестве независимого источника данных. Иными словами наличие некомпенсированных ошибок инерциального модуля приведет к появлению рассогласований траекторий движения системы, исчисленных раздельно по данным GNSS и инерциального модуля. Для получения корректного интегрального навигационного решения подбираются такие значения параметров модели , .
Преимущества интегрированной навигационной системы:
♦ Повышение точности определения координат (до 20 см). Непрерывность навигации (частота обновления данных до 1 кГц).
♦ Сглаживание выбросов измерений GNSS. Выбросы при повторном захвате созвездия спутников могут составлять десятки метров. Интегрированная система позволит сгладить данный недостаток.
♦ Навигация в коротких (до 10 минут) интервалах времени при отсутствии измерений GNSS. Интегрированная система обеспечит навигационные определения в туннелях, под мостами.
При выборе микроконтроллеров для решения задач автономной регистрации и инерциальной навигации приходится учитывать два взаимоисключающих параметра - энергопотребление и производительность. Кроме того, поскольку подразумевается использование систем в автомобиле, важным параметром микросхем является диапазон рабочих температур. Для подключения набора необходимых датчиков потребуется многоканальный АЦП. Высокая производительность нужна в первую очередь для решения навигационных задач, поскольку необходимо будет быстро производить интегрирование данных, поступающих с акселерометров, от скорости интегрирования и других необходимых вычислений будет напрямую зависеть динамическая погрешность системы. В то же время вопрос потребляемой энергии существенным не является, если устройство питается от бортовой сети автомобиля. Однако, если будет заявлено требование автономности (полной - когда устройство имеет только встроенный источник питания, или частичной - когда имеется встроенный запасной источник на случай сбоя внешнего питания), то проблема энергопотребления также выйдет на первый план. Необходимо в первую очередь оценить рынок имеющихся на сегодняшний день микроконтроллеров, которые могут выполнять функции вычислительного ядра системы.
$ТМ1сгое1ес1готс8 главным образом специализируется на выпуске 8-р^рядных ,
задачи производительностью. Поэтому среди продукции компании STMicroelec-tronics [5] наиболее подходящими в данном случае являются микроконтроллеры с архитектурой на основе ядра ARM, имеющие разрядность 16 и 32. На сегодняшний день STM выпускает четыре линейки микроконтроллеров с ядрами ARM7 и ARM9 - STR710, STR730, STR750 и STR910, а также Cortex-M3. Среди них можно отметить микроконтроллеры семейств STR730, STR910 и STM32F103, как наиболее соответствующие имеющимся требованиям. У каждого из них имеются свои , .
STR730 - серия микроконтроллеров для промышленных приложений. Эти микросхемы рассчитаны на питание 5 В и имеют расширенный температурный диапазон. Семейство обладает самым широким набором периферии, включающим 20 16 ШИМ, до 16 каналов прямого доступа к памяти (DMA), 10-р^рядный, 12- или 16-канадьный АЦП со временем преобразования 3 мкс; STR910 - семейство микроконтроллеров с мощным ядром ARM9E, прекрасно подходящее для реализации встроенных приложений. Имеет широкий набор интерфейсов: CAN, SPI, UART, I2C, 10/100 M6ht Ethernet.
STM32F103 - один из представителей семейства микроконтроллеров с ядром Cortex-M3, , ARM.
, ARM7, -
раздо более гибкая система разделения шин данных для периферийных устройств,
(DMA) , -
, -( ARM7 ,
). 3 -
12- ,
сигналов с частотами дискретизации, отличающимися в разы. Также имеется широкий набор интерфейсов: CAN, SPI, UART, I2C, SDIO и интерфейс для подклю-
чения внешней памяти.
Как видно из вышесказанного, серия STR730 имеет преимущество в разнообразии периферийных устройств, которые могут потребоваться при проектировании системы, в то время как STR910 обладает более подходящими параметрами . 10-
в широком диапазоне температур (от -45 до 105 °С для STR730 и от -45 до 85 °С для STR910). Наиболее подходящими для решения поставленной задачи параметрами в семействах STR730 и STR910 обладают микроконтроллеры STR730FZ2 и STR912FW44x соответственно.
Группа микроконтроллеров RX63x включает 18 устройств со встроенной Flash-памятью объемом до 2 МБайт для потребительских, промышленных и ком.
Renesas Electronic 32-
RX600, .
предназначены для применения в бытовой и офисной технике, в промышленном оборудовании (RX630), в коммуникационных и сетевых системах и оборудовании (RX63N, RX631). Однако для большинства таковых приложений требуются рас. RX- -
рость работы - 165 DMIPS при тактовой частоте 100 МГ ц, диапазон встроенной Flash-памяти микроконтроллеров RX63x составляет от 256 Кбайт до 2 МБайт, SRAM - 16 128 . -
ров RX630, RX63N и RX631:
1. TFT
упрощают процесс разработки и снижают стоимость конечной системы.
2. Для группы микроконтроллеров RX630 интерфейс USB 2.0 является стан-
. , -( ) 6 13, -
CAN. 1612 22, 16 29
(12- 21 , 10- - 8 ).
3.
4- I2C, 3-
CAN. EXDMAC -
вершать параллельную передачу данных через внутреннюю и внешнюю
, -
венно на ЖК-дисплей с разрешением WVGA и глубиной цвета 16 бит.
4. Flash- 32 (
100000).
5. Микроконтроллеры серии RX63x выпускаются в корпусах LQFP, LGA и BGA с количеством выводов от 64 до 177.
Компания NXP Semiconductors продемонстрирует на конференции ESC Silicon Valley 2010 первый рабочий образец своих новейших микроконтроллеров на базе процессора ARM® Cortex™- M4 [5]. NXP - один из первых партнеров ARM, Cortex-M4 -
решение для цифровых сигнальных контроллеров, и первый производитель, который продемонстрирует рабочий образец микросхемы на базе этого чипа. Демонстрация и семинары по характеристикам и применению этого цифрового сигнального контроллера (DSC) пройдут на конференции по встроенным системам ESC Silicon Valley (27-29 апреля) в секции компании NXP под номером 1508.
NXP
Cortex-M4 90- ,
что обеспечивает им производительность свыше 150 МГц, а также очень низкое потребление активной мощности. Кроме того, эти микроконтроллеры будут обеспечивать очень низкий ток при выключении питания благодаря особым технологиям разработки компании NXP. Благодаря высокоэффективной функционально-
Cortex-M4, NXP
могуг применяться в самых разных областях, включая интеллектуальное управле-, , обработки и воспроизведения звука.
Обычные микроконтроллеры предназначены для выполнения задач по контролю и не очень хорошо подходят для интеллектуальных алгоритмов обработки .
(DSP) ,
оптимизированные высокопроизводительные DSP-модули процессоров Cortex-M4 позволяют этому новому классу цифровых сигнальных контроллеров легко и незаметно решать как задачи по управлению, так и задачи по обработке сигнала.
Процессор ARM Cortex-M4 поддерживает широкий набор одноцикловых ко-
(MAC),
потоком данных (SIMD) и арифметические команды «с насыщением», а также
(FPU) -
стью. Всё это в сочетании с производительностью свыше 150 МГц делает микро-NXP Cortex-M4 -
ботки аналоговых данных и выполнения сложных алгоритмов обработки данных.
На сегодняшний день рынок микроконтроллеров предлагает достаточно разнообразную номенклатуру семейств и архитектур, из которых разработчик системы инерциальной навигации и автономной регистрации данных может выбрать подходящий вычислитель. Вероятно, что две эти задачи могут решаться двумя
3б
,
интерфейсом (все приведенные выше микроконтроллеры обладают развитой пе-). -ваться более производительный контроллер, который быстро обработает полученные данные, произведет необходимые вычисления и уйдет в спящий режим, а второй микроконтроллер будет постоянно бодрствовать, накапливать вычисляемую информацию и при необходимости экстренно будить второй вычислитель.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Блажное Б., Несенюк Л., Пешехонов В., Старосельцев Л. Миниатюрные интегрированные системы ориентации и навигации // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2001. - № 5. - C. 56-59.
2. . ., . .
. - .: , 1979.
3. . . -
- // -
навигации: Сб. статей докл. - СПб., 2001.
4. Бородулин A. STM8 и STM32 - объединенное пространство 8- и 32-р^рядных микроконтроллеров // Компоненты и технологии. - 2009. - № 10.
5. . // -
. - 2007. - 9.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.А. Зори.
Синютин Сергей Алексеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: kafmps@ttpark.ru.
347900, . , . , 81.
Тел.: 88634311143.
Кафедра микропроцессорных систем; доцент.
Siniutin Sergey Alekseevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”. E-mail:kafmps@ttpark.ru.
81, Petrovskay Street, Taganrog, 347900, Russia.
Phone: +78634311143.
The Department of Microprocessor Systems; Associate Professor.
УДК 681.325.36
О.В. Тужилкин, Б.В. Чувыкин СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
Рассмотрены основные достоинства беспроводных систем, выделены области их применения. Дан краткий обзор существующих беспроводных систем мониторинга. Обоснована актуальность проведения работ по снижению энергопотребления в беспроводных приборах. Выделены факторы, которые могут влиять на энергопотребления беспроводной .
сети. Рассмотрена программная модель работы сети в условиях неоднородной окружаю.
Беспроводные системы мониторинга; энергоэффективный алгоритм; модель работы беспроводной сети.
