CC BY
15Рис. 3. Эквивалентные схемы для расчета выходного сопротивления преобразователя и ^ I (а) и тока короткого замыкания 1к.з = /вых (б)
В терминах теории электрических цепей схема на рис.3,а позволяет рассчитать внутреннее сопротивление эквивалентного генератора тока. Подобные схемы получаются из полной структуры генератора путем обнуления источников ЭДС, или «исключения» источников ЭДС [5]. Поэтому для восстановления исходной схемы в нее необходимо внедрить источники ЭДС таким образом, чтобы не изменять эквивалентную схему для расчета внутреннего сопротивления. Очевидно, что этот процесс неоднозначен, но для конкретного случая он может быть без труда выполнен. Описанная последовательность действий является обратной по отношению к нахождению параметров эквивалентного генератора тока при применении метода эквивалентного генератора тока [5]. Так, для получения ненулевого тока короткого замыкания /кз, равного эквивалентному выходному току преобразователя / вых (рис.3,а), достаточно последовательно обоим сопротивлениям включить источники ЭДС (рис.3,б). В итоге получаем выражение для тока в нагрузке /вых, не зависящего от величины Ян :
/ = / = Е + .Е
Я - Я
Е1 Е2 Я
Заменив источник £2 с последовательно включенным отрицательным сопротивлением ШГС на основе неинвертирующего усилителя (см. рис.1,б), получим схему дифференциального преобразователя и ^ / (рис.4).
Схема на рис.4 была фактически синтезирована. В работах [2, 3] она приводится как известная, а затем в результате анализа на основе системы уравнений выводятся ее параметры.
Другой вариант дифференциального преобразователя и ^ / может быть синтезирован на основе ШГС (см. рис.2). При выполнении условия (Я1 + Я)Я3 = Я2 Я4
сопротивление двухполюсника ЯаЪ ^ <х.
Следовательно, узлы а и Ь могут быть выходными для преобразователя. Для обеспечения ненулевого тока короткого замыкания / , равного эквивалентному
выходному току преобразователя /вых, в схему двухполюсника необходимо ввести
источники ЭДС так, чтобы не изменить значение выходного сопротивления. Такими точками подключения являются инвертирующие входы операционных усилителей. Они имеют нулевые сопротивления относительно общего провода (земли). Поэтому подключение к ним цепей с конечными сопротивлениями не повлияет на выходное сопротивление ЯаЬ. В итоге формируется схема (рис.5), в которой ток 1В личины Ян, а рассчитывается по формуле
не зависит от ве-
1 вых _ E1
R
R
V
5 Л R3 J
R4
R
— + E, R 2
R4
R
6
— R
При выполнении условий Я2 = R3 = R4 = Я5 = R6 и Я =Я2 —Я формула упрощается и принимает вид
E1 E2 R
Схема на рис.6 является обобщением преобразователя, представленного в работе [3]. Схема с одним входным напряжением формируется на основе качественных представлений теории обратных связей. Точное выражение для выходного тока выводится на основе решения системы уравнений. В данном случае схема с большими функциональными возможностями синтезирована на основе INIC.
На основе понятия INIC можно наглядно объяснить схемотехническую реализацию генераторов синусоидальных сигналов, в частности генератора на основе параллельного LC-контура.
Реальный контур имеет потери: проводимость диэлектрика в конденсаторе, ненулевое омическое сопротивление индуктивности. На модели эти потери можно представить шунтированием идеального LC-контура резистором, имеющим сопротивление R. В итоге получается LCR-контур. Устранить влияние сопротивления потерь можно за счет параллельного подключения к нему резистора с отрицательным сопротивлением (-R). В этом случае эквивалентное сопротивление становится бесконечным и контур ведет себя как идеальный.
В области низких частот актуальна безындуктивная реализация. В этом случае необходимо воспроизвести параллельное соединение отрицательного сопротивления и индуктивности. Такое соединение имеет отрицательную вещественную и положительную мнимую составляющие комплексного сопротивления:
*=(=л-я
„2Т2 Ш Ь
Я2 + Ш2 Ь
Я+]
шЬЯ
Я2 +Ш2Ь2 '
Такого результата можно добиться, если в схеме ШГС резистор Я заменить на последовательную ЯС-цепочку. Тогда входное комплексное сопротивление двухполюсника, реализуемого ШГС на рис.1,б, будет задаваться выражением
I Я - ]
%аЪ ~~~
ШС
Я,
Я*
Я
+]
я шС
Процесс этого моделирования показан на рис.6. На рис.6,а контуром выделен моделируемый конвертором фрагмент реального параллельного контура. Очевидно, что полученная схема (рис.6,б) структурно тождественна схеме на основе моста Вина, рассматриваемая в большинстве источников с позиций теории обратных связей.
Рис.6. Безындуктивная реализация генератора гармонических сигналов: а - модель; б - реализация на основе 1№С
Возможной альтернативой моделирования параллельного соединения отрицательного сопротивления и индуктивности является замена в конверторе сопротивлений резистора Я1 последовательной ЯС -цепочкой. С математической точки зрения это следует из коммутативного закона перемножения. Однако с физической точки зрения структура этой модификации генератора менее «читаема», чем классический вариант на основе моста Вина. Поэтому на практике используется первый вариант.
Рассмотренные примеры являются иллюстрацией широких возможностей применения понятия ШГС при анализе и синтезе преобразователей и ^ I и генераторов гармонических колебаний. Методика весьма перспективна при проектировании функциональных генераторов.
Таким образом, понятие ШГС существенно упрощает анализ электронных цепей, в ряде случаев позволяет осуществить синтез функциональных устройств. Разработчики получают возможность оценить работу известных им схем с другой точки зрения.
Литература
1. Бенинг Ф. Отрицательное сопротивление в электронных схемах. - М.: Сов. радио, 1975. - 286 с.
2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. -3-е изд. стер. - М.: Додэка-XXI, 2011. - 528 с.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т.: пер. с нем. - М.: Додэка - XXI, 2008. - Т.2. - 832 с.
4. Лазарев А.А., Огородник К.В., Чехместрук Р.Ю., Филинюк Н.А. Исследование схемотехнических реализаций С-негатронов на конверторах с отрицательным сопротивлением // Науков1 пращ ВНТУ. - 2011. - № 4.
5. Мурзин Ю.М., ВолковЮ.И. Электротехника: учеб. пособие. - СПб.: Питер, 2007. - 443 с.
Статья поступила 14 апреля 2014 г.
Балабанов Анатолий Андреевич - кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: теория электрических цепей, дискретная математика, алгоритмы оптимизации. E-mail: baa@miee.ru
Кичкин Юрий Николаевич - кандидат технических наук, профессор кафедры радиоэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: проектирование радиоэлектронных устройств и систем.
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
С тематическими указателями статей за 1996 - 2014 гг., аннотациями и содержанием последних номеров на русском и английском языках можно ознакомиться на нашем сайте:
http://www.miet.ru
Ч.
МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 004.383
Программно-аппаратный комплекс контроля и отладки программного обеспечения вычислительного устройства для наземного мобильного робота
А.Н. Серов, Ю.В. Савченко, А.В. Шипатов, А.В. Сотников
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Рассмотрен вариант создания программно -аппаратного комплекса контроля и отладки программного обеспечения вычислительного устройства, работающего в составе системы управления наземного мобильного робота. Предложена общая структура построения комплекса. Определены участки ввода и вывода тестовой информации в структуре алгоритма работы вычислительного устройства. Рассмотрен способ обмена данными и протокол обмена, выбрана программная оболочка для реализации математической модели работы устройства. Описан критерий достоверности, используемый для сравнения результатов вычислений математической модели и алгоритмов, реализованных в вычислительном устройстве.
Ключевые слова: вычислительная система; вычислительное устройство; контрольно-проверочная аппаратура; отладка программы; робот.
Разработка вычислительного устройства (ВУ), предназначенного для работы в составе системы управления наземного мобильного робота, состоит из нескольких этапов. Один из этапов - контроль и отладка программного обеспечения (ПО).
Программно-аппаратный комплекс контроля и отладки (ККиО) разработан как независимый комплекс, работающий совместно с контрольно-проверочной аппаратурой (КПА) ВУ. Реализация ККиО потребовала создания математической модели работы устройства, обеспечивающей совместно с КПА адекватную имитацию ВУ с учетом квантования по времени и уровню входных сигналов управления, ограничения разрядной сетки при выполнении математических операций в цифровых устройствах, точности периферийных устройств.
Существует несколько вариантов создания математической модели работы ВУ. Первый вариант - применение универсальных прикладных пакетов моделирования систем автоматического управления, например Matlab. Недостатком применения такой системы моделирования может являться неполная «прозрачность» модели и отсутствие информации о некоторых допущениях, принятых в модели. Второй вариант - создание собственной программы моделирования разрабатываемого ВУ. Этот вариант более трудоемок, но позволяет исследовать все особенности разрабатываемой системы.
© А.Н. Серов, Ю.В. Савченко, А.В. Шипатов, А.В. Сотников, 2014
А.Н. Серов, Ю.В. Савченко, А.В. Шипатов, А.В. Сотников
При разработке программно-аппаратного комплекса контроля и отладки с использованием собственной программы моделирования алгоритмов управления решены следующие задачи:
- определены участки ввода и вывода тестовой информации, обеспечивающие функцию контроля и отладки участков программы ВУ и всей программы в целом;
- выбраны способы ввода тестовой информации приема и передачи результатов;
- определена общая структура работы комплекса контроля и отладки;
- определен способ обмена данными с ВУ и предложен протокол обмена;
- выбрана программная оболочка для реализации математической модели алгоритма работы ВУ и протокола обмена данными с ВУ;
- определен критерий достоверности, используемый для сравнения результатов вычислений математической модели и алгоритмов, реализованных в ВУ.
Рассмотрим подробно этапы создания программно-аппаратного комплекса контроля и отладки применительно к двухпроцессорному ВУ [1], обобщенная структурная схема которого приведена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема вычислительного устройства
ВУ состоит из микроконтроллера 1874ВЕ36А (МК) и процессора цифровой обработки сигналов 1867ВМ2 (DSP). МК принимает релейные (цифровые) и аналоговые сигналы, вырабатывает сигналы управления. DSP решает основную часть задач обработки данных и задач управления [2]. Flash МК, ОЗУ МК и Flash DSP, ОЗУ DSP -внешняя постоянная (перезаписываемая) и оперативная память МК и DSP соответственно. Обмен данными между МК и DSP осуществляется через шинный коммутатор.
Определение участков ввода и вывода тестовой информации и общей структуры комплекса контроля и отладки. Обобщенная структура алгоритма работы ВУ показана на рис.2. В основу работы ВУ заложены следующие требования: прием входной аналоговой и цифровой информации с заданной точностью и выработка сигналов управления в определенные промежутки времени. При этом важно учитывать, что выработка сигналов управления привязана к фронту или уровню входных сигналов, время и частоту прихода которых заранее спрогнозировать невозможно. Реализация данного условия привела к тому, что прием данных осуществляется в теле процедур обработки прерываний, вызываемых фронтами или уровнями этих сигналов. Аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов и цифровая фильтрация релейных сигналов низкой динамики обеспечивается МК и привязана к периоду обновления внутреннего таймера МК. Цифровая фильтрация «быстрых» релейных сигналов и выработка соответствующих сигналов управления обеспечивается отдельными прерываниями с более
