CC BY
103
Идентификация параметров модели диода для систем схемотехнического проектирования с применением технологии «облачных» вычислений
В.А. Волков, А.К.Мельниченко, С.Р. Тумковский
Кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы» valeramiem@mail.ru, aleksey.melnichenko@gmail.com, srt@itas.miem.edu.ru
Облачные (рассеяные) вычисления (англ. cloud computing, также используется термин Облачная (рассеянная) обработка данных) — технология обработки данных, в которой компьютерные ресурсы и мощности предоставляется пользователю как Интернет-сервис. Пользователь имеет доступ к собственным данным, но не может управлять и не должен заботиться об инфраструктуре, операционной системе и собственно программном обеспечении, с которым он работает. Термин «Облако» используется как метафора основанная на изображении Интернета на диаграмме компьютерной сети и как абстракцию сложной инфраструктуры, за которой скрываются все технические детали. Согласно документу IEEE, опубликованному в 2008 году, «Облачная обработка данных — это парадигма, в рамках которой информация постоянно хранится на серверах в сети Интернет и временно кэшируется на клиентской стороне, например на персональных компьютерах, игровых приставках, ноутбуках, смартфонах.
Существует несколько условных категорий Cloud Computing. Первая - Software as a Service (SaaS) - объединяет так называемые законченные, не допускающие кастомизации продукты, например, почтовые службы или порталы. Во вторую группу, именуемую Platform as a Service (PaaS), входят облачные сервисы для разработчиков, которые, по большому счету, представляют собой масштабируемые и автоматически управляемые хостинг-ресурсы. Яркими примерами таких платформ являются Google App Engine и Windows Azure. И ещё одна категория -инфраструктура как сервис (Infrastructure as a Service, IaaS), представляющая хостинги виртуальных машин. В последнее время наметилась тенденция к организации ещё одной модели Everything as a Service (XaaS).
«Облачные вычисления» предоставляет большую гибкость, чем традиционные системы. У компании есть возможность арендовать большее количество серверов на тот период, когда на ее веб-ресурс приходится максимальный трафик, и резко снизить количество в тот момент, когда трафик снижается (например, ночью).
Учитывая современные тенденции развития сети, актуальной становится попытка предоставления новой услуги - автоматизированного проектирования через Интернет, тем более, что некоторые зарубежные компаний уже начали ее предлагать [1, 2,3]. С появлением появляется возможность с минимальными затратами и в кратчайшие сроки решать задачи проектирования. При этом не нужно приобретать дорогостоящее программное обеспечение и технику, отсутствует проблема со сменой версий средств проектирования, эксплуатацией мощных рабочих станций и содержанием обслуживающего персонала. Такой подход позволяет получить доступ к самым современным средствам проектирования, пользоваться современными
библиотеками компонентов, своевременно получать квалифицированную техническую поддержку и т.д. Особенно актуальной такая услуга является в сфере образования, где большое количество людей пользуется одним и тем же программным обеспечением.
В настоящей работе технология «облачных» вычислений применяется для построения модуля идентификации параметров модели диода для систем схемотехнического проектирования.
Приложение-сервер, осуществляющее расчеты, выполнено в виде CGI (Common Gateway Interface) программы. Это позволяет упростить разработку сервера, которому не требуется, в этом случае, работать с сетевыми протоколами; упрощает его отладку, и позволяет использовать в других, не сетевых приложениях.
Приложение-клиент представляет собой программу на языке Java, выполненную в виде Java апплета. Это позволяет запускать программу-клиент используя стандартный Web-браузер, поддерживающий данную технологию. К таким браузерам относятся Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator, Opera и другие.
Разработанный в рамках настоящей работы Java-апплет сам исполняет роль Web-браузера, который, связываясь с Web-сервером по протоколу HTTP, передаёт серверу задание для расчета и получает от него результаты.
Web браузер
Web страница с апплетом
Е= ІЮ
— 0 □
HTTP - сервер
Задание на расчет
pz НО
— ■ □
Сервер приложений
Рис .1. Схема взаимодействия пользователя и сервера.
Таким образом, процесс взаимодействия пользователя с сервером в разработанной системе схемотехнического моделирования, состоит из следующих этапов:
1. Пользователь даёт команду своему ШеЪ-браузеру показать страницу с апплетом-клиентом ШеЪ-браузер получает эту страницу от ШеЪ-сервера, получает Java-апплет - клиент, и запускает его.
2. Java-апплет, после ввода пользователем задания для расчета, связывается с ШеЪ-сервером, и посылает ему НТТР-запрос, в котором указывается СОТ-
программа, которую следует запустить и информация, которую этой программе следует передать.
3. HTTP-сервер запускает указанную программу, передаёт на её вход полученное от апплета задание для расчета, и пересылает вывод Java-апплету.
4. Java-апплет получает переданный Web-сервером результат расчета, анализирует его и выводит полученную информацию пользователю ( рис. 1)
Клиентская часть выполнена в виде Java-апллет’а и служит для ввода пользовательских данных. Интерфейс состоит из двух окон. В первом окне вводятся параметры модели диода (ismax, ismin, mvmax, mvmin ,rmax, rmin), необходимые для построения математической модели диода. Во втором окне пользователь строит график ВАХ диода при прямом смещении (I3D. -заданная вольтамперная
характеристика диода при прямом смещении).Рис 2.
'Э Идентификация параметров модели диода - Microsoft Internet Explorer
Файл Правка Вид Избранное Сервис Справка
ir3 -
Адрес CMpache^htdocs\online\CAD\cadJ04ab5\index.htrril
▼ I ^Переход I Ссылки
I, mA n 10
/
/
/
/ 1
/
/
I max Umax
Is max Is min mVt max mVt min Rb max Rb min
Is calc mVt calc Rb calc Eps
TfÄ
V jd
mkA ^ I mkA
mV 3
Calculate
U cur 0 V Set Add
leur 0 mA T em Del
1 U,V
I Готово
vl он компьютер
Рис. 2. Построение графика ВАХ диода при прямом смещении пользователем
в java-апплете
Серверная часть проекта выполнена в рамках интерфейса CGI. Решение о применении данного интерфейса обусловлено тремя значительными
преимуществами :
1. Так как программа выполняется сервером, нет никакого значения, какой у посетителя броузер - древний или новейший Internet Explorer.
2. Редко возникают сообщений об ошибках, с§1-скрипты позволяют реализовать гораздо более широкий набор функций.
3. Код cgi-скрипта закрыт для конкурентов.
CGI - это стандартный шлюзовой интерфейс (Common Gateway Interface) для запуска внешних программ под управлением сервера WWW. Соответственно, приложениями CGI называются программы, которые, пользуясь этим интерфейсом, получают через протокол HTTP информацию от удаленного пользователя, обрабатывают ее, и возвращают результат обработки обратно в виде ссылки на уже
существующий документ HTML или другой объект (например, графическое изображение) или в виде документа HTML, созданного динамически.
CGI - интерфейс предполагает два метода передачи данных метод GET и метод POST. Когда пользователь заполняет форму и нажимает на кнопку типа SUBMIT либо на графическую кнопку (которая выполняет аналогичную функцию), данные из полей формы вместе с именами этих полей передаются навигатором серверу WWW. Сервер, в свою очередь, анализирует эти данные и запускает соответствующую программу CGI, путь к файлу которой указан в операторе <FORM>.
Метод GET обычно используется для обработки небольших форм, так как навигаторы накладывают ограничения для размера данных, передаваемых через переменную среды QUERY_STRING.
В этом отношении метод POST является более предпочтительным, так как не накладывает на размер передаваемых данных никаких ограничений. Только метод POST пригоден для передачи файлов из локального компьютера через навигатор в сервер WWW.
При разработке модуля идентификации параметров модели диода предпочтительнее использование метода POST, так как данные, получаемые при построении графика пользователем довольно объемны.
Для реализации модуля идентификации параметров модели диода для систем схемотехнического проектирования применяется методика, представленная на рис. 3. Она представляет собой итерационную процедуру, позволяющую в процессе выполнения итераций, по заданным структуре и перечню получить значения параметров.
Анализ Получение * Формализация
результатов исходных данных задачи
идентификации об элементе РЭС идентификации
А
Структура модели Эксперим.данные Норм.-справ. док. Констр.-техн. док.
АШ , ■ ~, - Ш
Верификация Минимизация 1 — Формирование
полученных целевой функции математического
результатов описания задачи
Рис. 3. Методика идентификации параметров моделей элементов РЭС Этапы методики:
• Этап 1. Этот этап заключается в получении информации о характеристиках элемента РЭС, необходимых для идентификации его модели.
• Этап 2. На этом этапе производится формализация задачи идентификации. Результатом формализации является план проведения идентификации модели.
• Этап 3. На этом этапе формализованная вербальная постановка задачи идентификации превращается в содержательную математическую постановку задачи оптимизации.
• Этап 4. На этом этапе осуществляется выбор метода решения
- 205 -
сформулированной на предыдущем этапе задачи оптимизации и ее решение. В результате решения задачи определяются искомые параметры модели.
• Этап 5. На этом этапе производится верификация полученной модели и построение области ее адекватности.
• Этап 6. На этом этапе анализируются результаты верификации модели и намечаются мероприятия по ее доработке или принятию в эксплуатацию, т.е. для использования при проведении моделирования узлов и блоков РЭС.
Методика идентификации параметров модели полупроводникового диода
Модель диода относится к динамическим моделям большого сигнала и описывает диод во всех режимах работы.
Исходными данными для идентификации параметров модели диода служат вольтамперная характеристика (ВАХ) диода при прямом смещении перехода (рис. 4),
Рис. 4. ВАХ диода при прямом смещении вольтфарадная характеристика (ВФХ) (рис. 5),
номинальное напряжение стабилизации У2, при токе стабилизации 12 и дифференциальное сопротивлением стабилитрона Я2.
План идентификации параметров модели диода включает три этапа:
1. Определение параметров модели, к которым относятся: - ток насыщения, т - коэффициент неидеальности ^-перехода, Яь - активное сопротивление диода на
основе ВАХ прямосмещенного диода.
2. Определение параметров уравнения барьерной емкости диода, к которым относятся: С0 - емкость при нулевом смещении, п - показатель степени на основе ВФХ диода.
3. Определение параметров уравнения обратной ВАХ диода (стабилитрона) к которым относятся: 1Б¥ - начальный ток пробоя, ТЫОМ - температура при которой определяются параметры, а также Яя - сопротивление стабилитрона.
Определение статических параметров модели диода. Запишем целевую функцию для определения статических параметров модели диода:
F (Q ) = £ (i’d,-ID,(Q)).
/з
Di - заданная вольтамперная характеристика диода при прямом смещении,;
IpDi - вольтамперная характеристика диода, рассчитанная по модели;
Q = {IS, m, Rb } - вектор параметров математической модели диода; n - количество узловых точек ВАХ.
На параметры модели диода существуют прямые ограничения вида:
IS . < IS < IS ,
S min S S max ’
m < m < m
min max
Rbmin < Rb < Rbmax.
Для определения расчетной ВАХ диода используем следующую топологическую модель, приведенную на рис. 6.
Рис. 6. Топологическая расчетная модель ВАХ диода.
Таким образом, в настоящей работе реализован модуль идентификации параметров модели полупроводникового диода для распределенной системы схемотехнического моделирования.
Список литературы
1. Гаврилов Л. Новая услуга - возможность “аренды” программно-аппаратного комплекса через Интернет. - Электронные компоненты, 2001, №3.
2. Ashok Bindra Two Web-based system simulators streamline power-supply designs. [6373]
3. Richard Goering Web startup e'ECAD offers pay-per-use access to design tools EE Time. [10402]
4. Александр Фролов, Григорий Фролов Том 29, М.: Диалог-МИФИ, 1997, 288 стр.
5. Тумковский С.Р. Идентификация параметров моделей элементов РЭС. -Технологии ЭМС № 4, 2004 г.- с. 43-47
6. Волков В. А., Тумковский С.Р. Разработка элементов распределенной системы схемотехнического моделирования. - Сб. науч. трудов МИЭМ. Интернет и автоматизация проектирования, под общ. ред. С.Р. Кечиева Л.Н. - М.: МИЭМ, 2009. - с 146-151.
