CC BY
148
Андреев П.Г., Наумова. И.Ю, , Юрков Н.К. , Горячев Н.В. , Граб И.Д. , Лысенко А.В.
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
Рассматриваются вопросы применения микропроцессорных систем в учебном процессе, позволяющих исследовать режимы работы теплонагруженных элементов конструкций радиоэлектронных средств (РЭС).
За последние два десятилетия радиоэлектронная промышленность шла по пути миниатюризации. Миниатюризации подверглись не только конечные изделия но, и их составляющие — радиоэлектронные компоненты. Примером является конструкция телевизора, которая с конца 80-х годов по сегодняшний день уменьшилась в габаритах в 3 раза, а по массе — в 2,5 раза. Одновременно с этим радиоэлектронная аппаратура вступила в эру цифровых технологий. В первую очередь это коснулось устройств по цифровой обработке сигналов (ЦОС). Стремление к миниатюризации аппаратуры и одновременный переход её на ЦОС, привело к созданию и постоянному усовершенствованию высокопроизводительных БИС. С каждым годом неукоснительно растет число p-n переходов в каждой БИС, растёт их производительность, а соответственно количество потребляемой ими энергией. Одновременный рост производительности и уменьшение габаритных размеров БИС и конструкции РЭС в целом, привело к серьезной проблеме — отводу тепла. Исследования этой проблемы на современном уровне не возможно без применения микропроцессорных систем, позволяющих исследовать режимы работы теплонагруженных элементов конструкций РЭС, в проектировании, производстве и учебном процессе.
На сегодняшний день существует большое разнообразие микропроцессорных систем. Одними из известных являются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) фирмы Xilinx и программируемые интегральные контроллеры (PIC) фирмы Microchip. Выбор того или иного типа системы обуславливается множеством факторов: качеством и областью применения устройства, его функциональным назначением; ценой на разработку, производство и эксплуатацию изделия; квалификацией проектировщика изделия.
Началом, перечисленной цепочки от идеи до готового устройства, служит обучение специалистов в области проектирования и производства РЭС. Особенностью специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» является необходимость наличия знаний в других областях науки и техники. Это позволяет рассматривать, разрабатываемое РЭС как систему и применять к процессу проектирования системный подход.
В качестве примера рассмотрим лабораторный стенд на PIC-контроллере фирмы Microchip.
Стенд, предназначен для исследования эффективности систем охлаждения теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры. Актуальность создания лабораторного стенда заключается в том, что в учебных заведениях фактически отсутствует оборудование позволяющие студентам на практике ознакомится с аспектами конструирования систем охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных компонентов (РЭК). Как правило, студентам предлагается произвести только теоретические расчёты основного типа радиаторов - ребристого, без какой либо практической проверки полученных данных. Стенд позволяет устранить этот пробел.
Стенд предназначен для экспериментального исследования основных типов радиаторов - ребристого, игольчатого и плоского, размерами 50х50х25, с установленным на их поверхности вентилятора. Студентам на практике предлагается установить максимально возможную рассеиваемую мощность радиатором (мощность при которой температура РЭК ещё не выходит за пределы указанные в технических характеристиках РЭК), при пассивном и (или) активном охлаждении, определить время охлаждения при заданной скорости воздушного потока создаваемого вентилятором. Стенд позволяет эффективность охлаждения радиатора с помощью воздушного потока, экспериментально определить время охлаждения радиатора от заданной температуры до температуры окружающей среды.
Стенд в первую очередь предназначен для студентов ВУЗов обучающихся по специальностям 2102 01-"Проектирование и технология радиоэлектронных средств" и 2103 02 - —Радиотехника", а так же может быть полезен учащимся и студентам профессиональных училищ и техникумов.
Общий вид стенда приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 Общий вид стенда —ТЕПЛО"
Одной из задач стенда произвести управляемый нагрев выбранного радиатора, с одновременным контролем его температуры с помощью 4-х термодатчиков. Стенд имеет три основных режима работы:
1. Измерение теплового поля радиатора в рабочем режиме с естественным охлаждением.
2. Измерение теплового поля радиатора в рабочем режиме с принудительным охлаждением.
3. Измерение теплового поля радиатора с принудительным охлаждением, при выключенном нагреве.
Термин тепловое поле уместно применить, т.к. для снятия температуры радиатора используется бо-
лее одного датчика, а конкретней 4 термодатчика расположенных по периметру радиатора.
Структурная схема стенда изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 Структурная схема стенда
Ядром стенда является ЦП - современный микроконтроллер (МК) с архитектурой RISC. ЦП имеет встроенный ^В драйвер (с поддержкой протокола 2.0), встроенную двунаправленную двухпроводную шину передачи данных (12С), десяти разрядный, шестнадцати канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), также выбранный в качестве ЦП МК поддерживает технологию энергосбережения папоИа^. Применение МК со столь широкими возможностями позволило отказаться от многих устаревших аналоговых узлов (аналоговые индикаторы, термопары и т.п.) и изготовить стенд с использованием современных технологий.
Открытая архитектура МК позволила запрограммировать стенд на три режима работы, имитирующие реальные условия эксплуатации радиоэлектронных средств. На рисунке 3 приведена обобщенная схема алгоритма программирования стенда.
( Конец )
Рисунок 3 Обобщенная схема алгоритма программирования стенда
Исследуемым объектом в стенде, является алюминиевый радиатор, постепенный разогрев которого осуществляется с помощью нагревательного элемента. Нагревательный элемент и радиатор входит в состав узла нагрева. В качестве нагревательного элемента в данной версии стенда применён полупроводниковый биполярный транзистор, через коллекторный переход которого пропущен относительно большой ток порядка 0,5 - 1 Ампер. Выбранный ток позволяет нагреть радиатор от температуры окружающей среды до температуры 60 - 7 0°С °С в течении 10 мин, что достаточно для снятия тепловых характеристик интенсивности нагрева в разных точках исследуемого радиатора. Максимальная температура нагрева радиатора выбрана равной 7 0°С. При достижении максимальной температуры радиатор легко охлаждается до температуры окружающей среды с помощью принудительного охлаждения воздушным потоком осуществляемого вентилятором, установленным на рёбрах радиатора. Принудительное охлаждение может включаться как вручную, при любой температуре исследуемого объекта, так и автоматически, при достижении максимальной температуры. Это позволяет предотвратить выход из строя нагревательного элемента вследствие теплового пробоя. Управляет включением вентилятора ЦП.
Непосредственное измерение температуры нагрева радиатора происходит с помощью четырёх температурных датчиков (Д1 - Д4 на рисунке 4) установленных по периметру исследуемого объекта.
Рисунок 4 Узел нагрева
Расположение датчиков на радиаторе поясняет рисунок 5. Каждый из датчиков имеет встроенный 10 разрядный АЦП.
Рисунок 5 Расположение датчиков и нагревательного элемента
На выходе датчика информация о температуре уже представлена в цифровой форме, в виде двух байтного слова, что необходимо для последующей обработки этой информации в ЦП.
Все датчики связаны с ядром ЦП по общей шине данных I2C. Скорость передачи данных по шине I2C в стенде составляет 100кБ\с, что вполне достаточно и позволяет оперативно получать информацию об интенсивности нагрева радиатора. Программа ЦП записывает данные каждого датчика во внутренний массив данных с периодом один от 3 до 3 0 секунд (время регулируется в настройках стенда).
Это позволяет создать достаточно точную карту нагрева исследуемого объекта. Весь массив данных о температуре, полученный с 4 датчиков хранится в ОЗУ МК.
Управление нагревательным элементом осуществляет ЦП по сигнальной линии «Управление Нагревом».
Узел нагрева, конструктивно выполнен в виде отдельного блока (рисунок 6), что позволяет легко заменять его, на блок с другим типом радиатора и (или) с другим количеством датчиков.
Питание на внутренние узлы стенда подаётся от встроенного стабилизатора формирующего напряжения +5 В и + 12 В.
Отображение всей информации необходимой для работы со стендом осуществляется с помощью ЖК-индикатора расположенного на передней панели устройства. Взаимодействие со студентом осуществляется с помощью удобного меню выводимого на ЖК-индикатор и клавиатуры состоящей всего из четырёх кнопок. В ходе лабораторной работы на индикатор выводится информация о времени прошедшем с момента начала измерений и о температуре в зоне каждого из четырёх датчиков. Студент, с помощью команд меню может контролировать состояние всего стенда - включать, выключать нагревательный элемент, в любой момент остановить снятие температурных характеристик, вывести на экран ЖК-индикатора отчёт о проведённых измерениях (последовательно перебирая значения с помощью кнопок меню) и т.д.
После окончания лабораторной работы экспериментальные данные, снятые в ходе работы, переписываются с экрана ЖК-индикатора в бригадный черновик. Также существует возможность получения отчёта в формате DOC или XLS. Это стало возможным благодаря связи стенда с персональным компьютером (ПК) посредством универсальной шины данных USB (протокол HUD). После окончаний измерений студенту необходимо просто соединить стенд и ПК USB-кабелем, запустить на ПК специальную программу и считать с помощью последней измеренные значения из ОЗУ МК. После чего в программе выбрать необходимый выходной формат отчёта и сохранить на ПК полученный файл. Все описанные действия предельно просты и доступны даже слабо подготовленному пользователю ПК.
В ходе оформления лабораторной работы студентам предлагается самостоятельно провести расчёт используемого в стенде радиатора и сравнить данные полученные в ходе теоретического расчета с экспериментально снятыми параметрами системы охлаждения. Кратко познакомимся с порядком расчёта: Перед проведением расчёта даётся пояснение такого понятия как тепловое сопротивлении. Тепловое сопротивление (Rt) системы охлаждения (радиатора) - это параметр который способен наиболее полно отражать характеристики радиатора. Теплопроводность характеризует способность материала проводить тепло. Чем она выше, тем лучше.
На рисунках с 7 и 8 показаны процесс выбора режима работы стенда и просмотр отчёта выполнения работы стенда по режиму №1.
Рисунок 8 Просмотр отчёта
Предложенный стенд прост в эксплуатации и с успехом применяется на кафедре КиПРА Пензенского Государственного Университета, в составе лабораторных работ по курсу —Основы конструирования и технологии производства РЭС". Применение стенда позволило студентам получать более глубокие знания в области понимания процессов отвода тепла от теплонагруженных элементов РЭА.
Разработанный стенд полностью соответствует требованием САНПиН и правилам электробезопасности, предъявляемых к изделиям, предназначенным для эксплуатации в учебных заведениях.
Литература
1. Парфенов Е.Н. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. М.: 1989.
2. Лысенко А. В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС. / Горячев Н. В.,
Граб И. Д., Лысенко А. В., Андреев П. Г. // Надежность и качество: труды международного симпозиума: в 2-х т. / под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Информационно-издательский центр ПензГУ, 2008. -
2т. - 393 с.
3. Web сайт IAR C Compiler http://www.iar.com/.
4. Web сайт Hi-Tech PICC Compiler http://www.htsoft.com/
