CC BY
45
микроконтроллера, добавляя в него всё больше периферийных устройств и логических блоков, взамен внешних дискретных компонентов, пытаясь тем самым понизить общую стоимости системы, повысить ее универсальность, быстродействие и надежность. Микроконтроллеры становятся более сложными и критерии выбора конкретной модели на начальных
этапах разработки системы могут вызвать серьезные трудности в рациональном подборе используемого МК для конкретного проекта. В данной статье рассмотрены основные возможности и ключевые особенности микроконтроллеров различных производителей, а также популярные на сегодняшний день интегрированные среды разработки для встраиваемых приложений на микроконтроллерах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левин Эдвардс. Как стать специалистом по встраиваемым системам. Пособие для тех, кто хочет заниматься интересным и хорошо оплачиваемым делом / Левин Эдвардс; пер. с англ. Дюмина М.И. - М. : Додэка-XXI, 2009. - 296 с. : ил. - (Серия «Программируемые системы»). - Доп. Тит. . англ.
2. Магда Ю.С. Микроконтроллеры серии 8051: практический подход. / Магда Ю.С. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 228 с.
3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 5-е изд., стер. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. — 560 с.
4. http://www.microchip.com
5. Сид Катцен. PIC-микроконтроллеры. Полное руководство / Сид Катцен; пер. с англ. Евстифеева А. В. М.: Додэка-ХХ1, 2010. 656 с.: ил. (Серия «Программируемые системы»). Доп. тит. л. англ. ISBN 978-5-94120-218-8.
6. С.Н. Торгаев, И.С. Мусоров, Д.С. Чертихина. Основы микропроцессорной техники: микроконтроллеры STM8S: учебное пособие / С.Н. Торгаев, И.С. Мусоров, Д.С. Чертихина и др.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 130 с.
УДК 621.396.7
Фролов С.И., Кочегаров И.И., Данилова Е.А., Таньков Г.В., Юрков Н.К., Баннов В.Я.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД АВТОМАТИЗАЦИИ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА БЛОКОВ БОРТОВЫХ РЭС
Введение
В настоящее время радиоэлектронные средства (РЭС) применяются практически во всех отраслях хозяйства и потребность в них все более и более возрастает. Темпы развития и усложнение задач, решаемых средствами радиоэлектроники, проникновение ее во все новые области человеческой деятельности неизбежно приводят с одной стороны к усложнению РЭС, а с другой к повышению требований к массе, габаритам, надежности при эксплуатации в условиях внешних воздействующих факторов (ВВФ), стоимости и срокам проектирования РЭС. Реализация этих требований во многом зависит от достижений в области проектирования и технологии производства РЭС с акцентом на следующих принципах:
- максимально возможное упрощение схем и элементов конструкции РЭС;
- широкое использование стандартизации и унификации проектных решений;
- развитие и совершенствование конструкций РЭС и качества их проектирования с применением САПР для синтеза и моделирования элементов конструкций.
Обеспечение безопасности на должном уровне при быстро меняющейся обстановке требует не только повышения уровня технических характеристик военной техники, но и ускорения введения ее в эксплуатацию, что зависит от качества выполнения проектных работ в заданные сжатые сроки. Это непосредственно касается бортовой РЭС (БРЭС), сложность и требования к надежности которой постоянно растут, а условия эксплуатации ужесточаются. Несмотря на имеющиеся трудности, в настоящее время нельзя мириться с тем, что проектирование отдельных БРЭС растягивается на несколько лет и освоение в серийном производстве сопровождается исправлением многочисленных ошибок и серьезными доработками [1].
Необходимость повышения качества проектирования обусловлена сравнительно большой долей отказов РЭС из-за схемо-конструкционных ошибок. Так, для стационарной аппаратуры эта доля составляет 26% [2], а для бортовой РЭС (БРЭС) еще выше - около 4 3 % [3].
Основное требование к проектированию РЭС состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, надежности и технико-экономической целесообразности, а методы и организация процесса конструирования
обеспечивали оперативность разработки РЭС. Очевидно, что особую важность эти требования приобретают при проектировании БРЭС.
1. Эффективная организация автоматизированного проектирования БРЭС
Процесс проектирования БРЭС является комплексным процессом, требующим от сотрудников значительных знаний не только в своей области специализации, но и в смежных областях. Множество одновременно выполняющихся проектов, взаимосвязь и взаимовлияние процессов, противоречивые требования к точности функционирования, показателям надежности и массогабаритным показателям - таковы факторы, которые определяют специфику управления процессами проектирования БРЭС.
Имитационное моделирование альтернативных вариантов организации проектирования БРЭС позволило выработать рекомендации по повышению качества процессов проектирования и сокращения материальных и временных затрат [4]. В основном эти рекомендации представлены в виде схемы (Рис.1) и направлены на организацию единого информационного пространства процессов проектирования БРЭС:
1. Использование PLM-системы в качестве системы управления данными;
2. Организация межфункциональных команд специалистов с помощью средств PLM-системы;
3. Автоматическое формирование КД и организация единой базы данных;
4. Применение в САПР современных методик синтеза, анализа и моделирования БРЭС.
В инженерной практике обычно отсутствуют способы, позволяющие по условиям технического задания сразу же выбрать оптимальную структуру устройства. Поэтому процесс разработки носит итеративный характер. Как правило, разработчик определяет, к какому классу устройств будет принадлежать проектируемое устройство, а затем пытается сузить этот класс, опробовать несколько технических решений, принадлежащих данному классу, и выбрать, то, которое является наиболее оптимальным.
Синтез устройств является одним из важнейших этапов в процессе создания новых образцов техники и от того, насколько качественно он проведен, во многом зависит и качество создаваемого устройства. Автоматизированный синтез компоновки и конструкции блоков БРЭС на ранних этапах проектирования, существенно сокращает сроки, повышает качество и сокращает количество отказов
изделий. В процессе синтеза определяется струк- рых она состоит. Структура определяется в про-тура устройства и параметры элементов, из кото- цессе структурного синтеза, параметры, соответ-
ственно, в процессе параметрического.
Рисунок 1
Са&МКТМШ! размещен« №|С,
Схема проектирования бортовой БРЭС
Структурно-параметрический синтез позволяет определить структуру и параметров проектируемого устройства. Однако, структурно-параметрический синтез конструкций БРЭС, не формализован и не увязан на всех уровнях конструктивной иерархии. Разработаны и применяются на практике в основном алгоритмы параметрического синтеза, когда при заданной структуре определяются номиналы элементов ее составляющих. Алгоритмы структурно-параметрического синтеза пока не так хорошо отработаны и имеются лишь для отдельных устройств, хотя для разработки БРЭС потребность в них велика. Одной из причин тормозящих развитие и реализацию таких алгоритмов является отсутствие адекватных математических и компьютерных моделей, так как требования, предъявляемые к моделям для параметрического и структурно-параметрического синтеза существенно различны. Определенные возможности в решении этой проблемы на практике дают морфологические методы. Прежде чем показать применение морфологического метода структурно-параметрического синтеза при проектировании БРЭС приведем описание некоторых его положений, изложенных в [5].
2. Основы морфологических методов структурно-параметрического синтеза
Суть морфологических методов заключается в том, что сначала определяется пространство поиска, которое обязательно должно включать в себя искомое решение (компоновку устройства), а затем это пространство сужается, осуществляя поиск нужного решения. Морфологический подход во многих вариантах использования достаточно формален и допускает компьютерную реализацию. Пространство поиска называется морфологическим множеством, а процесс определения этого пространства - морфологическим анализом. Поиск решения называется морфологическим синтезом.
В результате морфологического анализа определяется морфологическое множество или множество альтернатив (альтернативных решений). Такое множество должно содержать все структурные решения
устройств рассматриваемого класса, как реально существующие, так и потенциально возможные, патентоспособные структуры. Естественно, задать все такие структуры прямым перебором невозможно, так как мощность морфологического множества обычно оказывается очень большой. Поэтому для его задания проводят классификацию устройств, входящих в это множество, выделяя классификационные признаки и определяя их возможные значения, исходя из конструктивной иерархии РЭС (Таблица 1.) [6]. Особенностью такой классификации является то, что она является строгой в том смысле, что, задав все значения классификационных признаков, мы можем однозначно идентифицировать структуру устройства.
В процессе морфологического синтеза ищется структура синтезируемого устройства, путем поиска на морфологическом множестве. Морфологический синтез имеет комбинаторную природу. Но так как мощность морфологического множества оказывается очень большой, то осуществить его полный перебор оказывается затруднительным. Все осложняется еще и тем, что отсутствуют универсальные алгоритмы, позволяющие найти глобальное оптимальное решение за разумное время. Поэтому для решения таких задач широко применяются эвристические методы. Теория и практика структурно-параметрического синтеза находятся сейчас в зачаточном состоянии. Следовательно, исследования в этой области являются актуальными.
Чтобы смоделировать предметную область необходимо дополнить аппарат морфологических методов методами математического моделирования рассматриваемых объектов, а также методами инженерии знаний. Следует заметить, что морфологические методы во многом составляют основу такого моделирования и присутствуют в моделях всех уровней иерархии. Поэтому методология моделирования знаний предметной области является неким сплавом морфологических методов, методов математического моделирования и инженерии знаний, и она ни в коем случае не является простой суммой этих
методов. Модель предметной области представляет собой модель класса устройств дополненную алгоритмами синтеза этих устройств по техническому заданию.
Таблица 1
После выделения классификационных признаков и сведения их в систему получается упорядоченное множество, которое будет представлять собой модель морфологического множества на уровне идентификации М1. Ее обычно представляют либо в виде морфологического И/ИЛИ-дерева либо морфологической таблицы.
Для объектов одного класса алгоритм морфологического анализа и представления его результатов в виде модели М1 будет выглядеть следующим образом:
1. Выделить классификационные признаки.
2. Определить значения этих классификационных признаков.
3. Составить систему этих классификационных признаков, определив сочетаемость их значений.
Методы морфологического синтеза делятся на методы генерации структур и трансформации структур. В случае генерации структуры процесс синтеза начинается как бы с нуля когда отсутствует первое приближение или прототип. Для методов трансформации структуры, напротив, необходима структура, которую необходимо последовательно улучшать.
Для реализации этих методов необходимы два класса эвристик: технические эвристики и эвристики трансформации. Технические эвристики обеспечивают простое изменение структуры объекта. Эвристики трансформации в свою очередь являются эвристиками более высокого уровня абстракции, они используют технические эвристики и служат для направления хода структурной оптимизации. Они, например, могут отвечать на вопрос что необходимо сделать для повышения надежности БРЭС т. п.
Наиболее совершенным методом является метод древовидного конструирования. Сначала проводится ранжирование подсистем по значимости выполняемой ими функций. Далее выбирается наиболее оптимальное техническое решение самой значимой подсистемы, после чего выбирается следующая подсистема, но уже с учетом первой. Потом выбирается третья с учетом уже существующих двух предыдущих и т. д. пока не будет получена структура всей системы. Древовидное конструирование может быть использовано для получения первого приближения, с последующим улучшением его методами трансформации структуры.
Метод совершенствования прототипа относится к классу методов трансформации структур. Сначала
выбирается предварительная структура проектируемого устройства или структура прототипа, а затем начинается ее улучшение или совершенствование. Такое совершенствование осуществляется по следующему алгоритму:
1. Выбрать структуру прототипа и сделать ее текущей.
2. Вычислить значение целевой функции.
3. Произвести модификацию текущей структуры.
4. Вычислить значение целевой функции. Если значение целевой функции улучшилось, то сделать структуру текущей, в противном случае следует отказ от произведенной модификации.
5. Проверить условие останова. Если оно выполняется, то прекратить процесс, в противном случае снова произвести модификацию структуры и произвести все последующие действия.
Модификация структуры будет направляться эвристиками, полученными в результате анализа экспертных знаний в предметной области. Очевидно, что такой алгоритм будет обеспечивать гораздо более быструю сходимость по сравнению со случаем случайного блуждания.
3. Выбор конструктивного исполнения блока БРЭС
Экспертные знания, используемые при выборе структуры блоков РЭС, широко представлены в специальной литературе. Здесь используем данные, приведенные в [6,7]
В настоящее время при создании блоков БРЭС широко используются конструкции III и IV поколения .
Конструкции РЭС III поколения характеризуются применением корпусированных ИС широкого применения и миниатюрных ЭРЭ на печатных платах. Для таких конструкций величина упаковки элементов в объеме достигает 30 эл/см3. К достоинствам таких конструкций относятся: легкосъемность и ремонтопригодность, сравнительно легкий тепловой режим, нерастянутые сроки разработки и производства, несложная и хорошо отработанная технология печатного монтажа. Все это обеспечивает невысокую стоимость изделий.
В конструкциях РЭС IV поколения используются микросборки (МСБ). К достоинствам конструкций IV поколения следует отнести уменьшение массы (в 34 раза) и объема моноблоков (в 5-6 раз), более высокую надежность (частота отказов уменьшается в 2-3 раза) за счет исключения стандартных разъ-
емов и замены их на гибкие шлейфы, а также сокращение числа паяных соединений (исключение выводов от корпусов), повышение вибро- и ударо-прочности. К недостаткам и трудностям в развитии IV поколения конструкций РЭС относятся повышенная теплонапряженность в блоках и необходимость введения дополнительных теплоотводов, незащищенность бескорпусных элементов и компонентов МСБ от факторов внешней среды и необходимость полной герметизации корпусов блоков с созданием инертной газовой среды внутри них, более высокая стоимость (больше в 3-4 раза) за счет сложного и дефицитного технологического оборудования, более длительные сроки разработки (больше в 2-3 раза) из-за необходимости разработки самих МСБ, как изделий частного применения,
Методика выбора поколения конструктивного исполнения блока БРЭС может быть получена с использованием комплексного показателя качества [7] . Комплексный показатель качества представляет собой сумму нормированных частных материальных показателей со своими «весовыми» коэффициентами, или коэффициентами значимости этого параметра для суммарного качества конструкции:
К= фШш0 + ф^/У0 + фА А0+фрР0+фсС0+фТТ0
(1)
где шй, УС, АО, РО, СО, ТО — нормированные значения материальных параметров (масса, объем, интенсивность отказов, потребляемая мощность, стоимость, время разработки) относительно заданных по ТЗ либо отношения этих материальных параметров для разных сравниваемых вариантов конструкции;
фш , фУ, фА, фР,, фС, фТ — коэффициенты значимости частных материальных параметров, определяемые методом экспертных оценок; обычно их
значения выбирают в пределах от 0 до 1. Коэффициенты значимости определяются группой экспертов и после соответствующей обработки данных получают средние «достоверные» значения этих коэффициентов, а тем самым и само уравнение для расчетов .
Предпочтение для данных материальных показателей отдается конструктивному исполнению РЭС с меньшим значением К.
Пример 1. Для бортовой РЭС выбрать лучший вариант из двух: конструкция РЭС III поколения на печатных платах с корпусированными ИС широкого применения или конструкция РЭС IV поколения на металлических рамках с бескорпусными МСБ.
1-ый вариант. Экспертные оценки коэффициентов значимости для РЭС при высоких показателях массы, объема, надежности и не высокой стоимости и не жестких сроках разработки принимают значения: <pm=1, фУ=0,8, <рА=0,8, <pP=0,4, фС=0,3, <рТ=0,1. При сравнении конструктивных исполнений IV с III значения всех нормированных показателей конструкции РЭС III (самих относительно себя) будут равны 1, а для конструкции РЭС IV, исходя из выше приведенных экспертных знаний составят соответственно m0 = 0,33, V0= 0,2, А0=0,4, P0=1, С0= 3 и Т0=2.
2-ой вариант. Экспертные оценки коэффициентов значимости для РЭС при высоких показателях надежности и стоимости, жестких сроках разработки и не высоких показателях массы и объема,
принимают значения: фР=0,4, фС=0,8, фТ=0,8. 1.
Результаты расчетов качества для первого и дены в таблице 2.
фш=0,4, фУ=0,5, фА=1, Остальное как в варианте
комплексных показателей второго вариантов приве-
Таблица 2
1-ый вариант 2-ой вариант
III IV III IV
фт 1 1 0,33 0,33 0,4 0,4 0,33 0,1
фУ 0,8 0,8 0,2 0,2 0,5 0,5 0,2 0,1
фА 0,8 0,8 0,5 0,4 1 1 0,5 0,5
фр 0,4 0,4 1 0,4 0,4 0,4 1 0,4
фС 0,3 0,3 3 0,9 0,8 0,8 3 2,4
фТ 0,1 0,1 2 0,2 0,8 0,8 2 1,6
К 3,4 2,4 3,9 5,1
Таким образом, лучшим в 1-ом варианте является конструктивное исполнение IV, во втором -III.
Аналогичная методика может быть также использована для выбора лучшего варианта из нескольких типовых блоков БРЭС путем последовательного многокритериального сравнения комплексных показателей качества (критериев) двух типовых кон-
Типовые блоки БРЭС и их
струкций из таблицы 3 для выбранного предварительно метода конструирования: конструкции III или IV поколения. При выборе используется итерационный процесс, при котором в определенной последовательности на каждом этапе находится лучший вариант из двух типовых блоков с последующим сравнением его с другими блоками на основе принципа Парето-оптимальности [8].
Таблица 3.
эвристические характеристики
1. Этажерочной конструкции
Не имеют внутренних разъемов. Внутренние соединения выполняются пайкой мягких проводов, кабелей и жгутов.
Достоинства: простая конструкция, невысокая стоимость, нормальный тепловой режим, высокая плотность компоновки и надежность, высокий уровень стандартизации и унификации, малая удельная материалоемкость, отсутствие электрических внутренних соединителей
Недостатки: низкая ремонтопригодность._
2. С откидными ячейками
Не имеют внутренних разъемов. Внутренние соединения выполняются пайкой мягких проводов, кабелей и жгутов.
Достоинства: простая конструкция, высокая плотность компоновки, низкая материалоемкость, отсутствие электрических внутренних соединителей, не высокая стоимость.
Недостатки: не высокая ремонтопригодность, надежность ниже, чем у этаже-рочных конструкций.
3. Книжной конструкции
Не имеют внутренних разъемов. Внутренние соединения выполняются пайкой мягких проводов, кабелей и жгутов.
Достоинства: высокая плотность компоновки, большая схемотехническая емкость блоков, низкая материалоемкость, отсутствие электрических внутренних соединителей, хорошая доступность и ремонтопригодность, высокая унификация и стандартизация.
Недостатки: сложность конструкции, плохой тепловой режим, высокая трудоемкость изготовления, высокая стоимость, надежность ниже, чем у этажерочных
конструкций.
4. Разъемного типа.
Внутри блока размещается несущая панель (плата) с электрическими внутренними соединителями, в которые вставляются функциональные ячейки.
Достоинства: высокая плотность компоновки, малая удельная материалоемкость, хорошая ремонтопригодность, простота электрических соединений, высокая унификация и стандартизация.
Недостатки: низкая надежность из-за большого количества соединителей, плохой тепловой режим, высокая трудоемкость изготовления, высокая стоимость.
5. Раскладного типа
Достоинства и недостатки аналогичны блоку книжной конструкции, но эксплуатация и профилактика проще. Вибростойкость и надежность - хуже, поскольку внутренние ячейки имеют недостаточное механическое крепление.
4. Модель спецификации блоков БРЭС
Используя результаты выбора конструктивного исполнения блока БРЭС, можно однозначно его идентифицировать, назвав все значения классификационных признаков. Но такая модель, которая называется моделью морфологического множества на уровне идентификации М1, не дает непосредственно информацию о структуре идентифицированного объекта. Поэтому чтобы определить по М1 структуру объекта, необходим некий словарь, который бы связывал значения классификационных признаков с некими примитивами, из которых строятся объекты предметной области. Другими словами, в нашем случае, морфологическое множество типовых блоков БРЭС, приведенных в таблице 3, с классификационными признаками: «Конструкция III или IV поколения», «Этажерочная конструкция», «С откидными ячейками», ... и т.д., некоторым образом связывают с их структурой по информации из спецификаций сборочных чертежей блоков и их составных элементов.
Если объединить модель М1 со словарем и задать правила, как, используя этот словарь по идентификатору объекта построить его спецификацию, то получается модель М2 на новом, более высоком, качественном уровне.
Однако такая модель не позволяет провести анализ этого объекта, не дает возможность получить какие-либо характеристики объекта отличные от структурных. Из нее непосредственно не вытекают системы уравнений, описывающие объект. Если помимо возможности восстановления структуры объекта по значениям классификационных признаков возможно составить систему уравнений, описывающую объект, и решить ее, то есть провести всесторонний анализ объекта, не только структурный, но и функциональный, то такая модель будет уже будет не моделью морфологического множества, а моделью класса устройств или универсальной моделью.
Так как модель М2 позволяет по значениям классификационных признаков получить спецификацию объекта, то используя эту спецификацию, представленную на входном языке некоего пакета моделирования, можно передать ее в данный пакет и провести анализ идентифицированного объекта в том объеме, который обеспечивается этим пакетом. Ввиду того, что сейчас пакеты компьютерного моделирования от различных производителей получили достаточно широкое распространение, в случае наличия подходящего для моделирования исследуемого класса устройств (объектов) можно ограничиться моделированием морфологического множества, а получаемые спецификации устройств передавать в этот пакет, где и проводить весь необходимый анализ. Таким образом, производится разделение моделирование структур и функциональное моделирование. Это полностью соответствует современной тенденции модульного программирования, когда вместо того, чтобы писать программу
целиком, ее собирают из готовых модулей, а пишут лишь отсутствующие.
5. Параметрический синтез блоков БРЭС и модель уровня реализации
Обычно помимо нахождения структуры необходимо найти параметры элементов, составляющих эту структуру. Более того, часто даже нельзя провести оценку структуры, не проведя параметрический синтез, что, в частности, характерно для синтеза радиотехнических устройств. Поэтому, внутри каждого шага морфологического синтеза осуществляется еще и параметрический.
Для того чтобы провести всесторонний анализ любого устройства принадлежащего рассматриваемому классу, заданному значениями классификационных признаков, необходима модель определения параметров элементов спецификации - уровня реализации М3, примерная схема которого представлена на Рис.2 [3].
На такой модели должен производиться структурно-параметрический синтез при помощи модуля, реализующего алгоритмы такого синтеза. К сожалению, в настоящее время, отсутствуют универсальные алгоритмы, позволяющие проводить структурно- параметрический синтез в полном объеме за приемлемое время.
Рисунок 2 - Схема модели уровня реализации М3
Поэтому используются различные эвристики, взятые из конкретных предметных областей, таких как в нашем случае: проектирование БРЭС.
Например, при эксплуатации БРЭС выявляется значительное количество отказов по причине вибрационных воздействий в диапазоне частот до 2000гц, в том числе и из-за ошибок при конструировании. В специальной литературе рекомендуется обеспечивать отсутствие резонансных частот элементов конструкции БРЭС в заданном диапазоне частот [12,13]. Однако, действующие на сегодняшний день ГОСТы не допускают резонансные колебания конструкций бортовых РЭС в диапазоне возмущающих воздействий только до 40-60гц и рекомендуют виброизоляцию [10,11]. Защита конструкции РЭС виброизоляцией и демпфированием не устраняют полностью, а только уменьшают амплитуду изгибных колебаний печатных плат на резонансах. Изгибные
колебания плат приводят к усталостным разрушениям выводов ЭРИ и паяных соединений. На практике блоки БРЭС для виброизоляции ставятся на
амортизаторы, чем, помимо всего прочего, ухудшают их массо-габаритные характеристики (Рис.3).
Рисунок 3 - Виброизоляция авиационных бортовых радиостанций
В тоже время, решение проблемы вибростойкости может быть достигнуто при разработке конструкций БРЭС, у которых собственные частоты колебаний функциональных ячеек (ФЯ) выведены за пределы диапазона частот возмущающих воздействий, что исключает появление изгибных колебаний печатных плат.
Такие ФЯ, для простоты условно называемые «безрезонансными», не имея в процессе эксплуатации изгибных колебаний в диапазоне частот возмущающих воздействий РЭС, в плане надежности соответствуют стационарной аппаратуре. А это значит, что коэффициент эксплуатационной жесткости Кэ, при прочих равных условиях, равняется 1 для всех ЭРИ в таких ФЯ [9]. В результате использования в БРЭС безрезонансных ФЯ интенсивность их отказов может быть уменьшена в несколько раз. Так, при эксплуатации на автомобиле и самолете безрезонансные ФЯ уменьшают интенсивность отказов в 3 и 5 раз соответственно (Таблицы 4,5). При этом, массо-габаритные характеристики блоков РЭС оказываются не хуже, чем с виброизоляцией.
В подтверждение выше сказанного можно привести пример отказоустойчивой базовой конструкции БНК96, на основе которой созданы более сотни различных цифровых БРЭС, в том числе устройства связи, управления, ЦВМ (Рис.4) и т.п. [14].
Базовая несущая конструкция БНК96 предусматривает "пакетную" схему компоновки с использованием в качестве элемента соединения электрических цепей пружинных соединителей с нулевым усилием сочленения.
Таблица 4
Автомобильная РЭС
ЭРИ \ К-во ni ^ ni х Кэi
ИМС 26 2 52
Диоды 12 3 36
Тиристор 1 1,7 1,7
Транзистор 12 4 48
Конденсаторы 30 3 90
Резисторы 54 3 162
Соединитель 1 2 2
Кварц 1 1,7 1,7
Плата с МО 505 3 1515
Пайка волной 348 3 1044
Сумма 990 2952,4
Кэ 2,98
Таблица 5
Самолетная РЭС
ЭРИ \ К-во ni ^ ni х Кэi
ИМС 26 3,5 91
Диоды 12 4 48
Тиристор 1 5 5
Транзистор 12 4 48
Конденсаторы 30 4 120
Резисторы 54 6 324
Соединитель 1 3 3
Кварц 1 2 2
Плата с МО 505 5 2525
Пайка волной 348 5 1740
Сумма 990 4 906,0
Кэ 4,96
Рисунок 4 - Отказоустойчивые БРЭС: а) ЦВМ; б) Схема компоновки устройства связи
Элементами этого пакета являются функциональные модули. Ячейки коммутации с установленными на них внешними соединителями разделяют пакет на секции. В состав каждой секции входит: одна ячейка коммутации и от двух до шести ячеек функциональных модулей. Всего в пакет входит до 2 0 ячеек.
Стянутый шпильками пакет установлен на основание, обеспечивающее крепление устройства
связи. Секционирование пакета позволяет вывести на внешние соединители до 160 цепей с каждой секции. Масса ЦВМ-2 0 - 1,5кг, габаритные размеры 192х142х175; ЦВМ-40 - 2,5, габаритные размеры 155х121х135.Работают в диапазоне вибрации до 1000гц, но есть конструктивные ресурсы доведения диапазона до 2000гц.
Применяемый принцип унификации позволяет сократить объем работ по разработке УС и обеспечивает качество проектирования, а поставку первых образцов через 18 месяцев. Цикл изготовления очередной партии образцов не превышает 14 недель.
На основе выше изложенного, можно предположить, что имеющийся уровень доли отказов РЭС от действия вибраций порядка 30 - 50% является пределом возможности методов виброизоляции и чтобы достигнуть снижения отказов бортовых РЭС до уровня стационарной аппаратуры нужно конструировать безрезонансные ФЯ.
Среди немногих работ по синтезу конструкций БРЭС, интерес представляет предложенный в [7] алгоритм выбора на ранних стадиях проектирования оптимальной формы цифрового блока самолетной БРЭС по нескольким критериям качества: тепловая напряженность, вибропрочность и плотность упаковки. По некоторому правилу генерируется ряд вариантов типоразмера блоков, из которого осуществляется выбор блока одновременно удовлетворяющего всем трем критериям.
Однако при всей своей привлекательности предложенный в [7] алгоритм не исключает резонансы конструкции и его применение не может существенно улучшить отказоустойчивость разрабатываемой БРЭС. Кроме того, генерируемый ряд случайного набора вариантов блока затрудняет использование стандартных и уже успешно освоенных в производстве прототипов.
6. Модели уровня синтеза и интеграции
Если для данного класса блоков БРЭС помимо знаний их моделирования приведены формализованные знания задания на синтез и эвристики, применяемые при проектировании, то получим модель предметной области М4.
7. Обобщенная методика морфологического синтеза блоков БРЭС
Организация работ по морфологическому синтезу блоков БРЭС соответствует общей последовательности выполнения проектно-конструкторских работ по схеме, приведенной на Рис.1.
Предлагается методика автоматизированного морфологического структурно-параметрического синтеза компоновки блоков на ранней стадии разработки БРЭС, являющаяся развитием алгоритма [7] без выше указанных присущих ему недостатков.
Исходными данными являются:
- принципиальная электрическая схема блока, на которой в результате анализа должны быть выявлены элементы, требующие установки вне печатных плат (трансформаторы, электролитические конденсаторы большой емкости и т. д.); элементы, требующие теплоотводящих радиаторов (транзисторы, диоды, микросхемы) или термостатирования (кварцевые генераторы); элементы, требующие экранирования (входные каскады усилителей или приборов и т. п.); элементы, устанавливаемые на лицевой и задних панелях;
Модель М4 является моделью М3 дополненной знаниями, необходимыми для синтеза объектов данного класса. Иными словами, модель предметной области представляет собой модель класса устройств дополненную алгоритмами синтеза этих устройств по техническому заданию. Поэтому модель М4 является моделью уровня синтеза. А так как она интегрирует в себя все типы знаний предметной области, то такую модель можно назвать моделью уровня интеграции. Но морфологические методы оперируют лишь понятиями структур объектов, следовательно, они моделируют только часть знаний предметной области, относящуюся к морфологии. Поэтому для моделирования знаний предметной области морфологические методы должны быть дополнены методами математического моделирования рассматриваемых объектов, а также методами инженерии знаний. Для моделирования знаний предметной области используются модели четырех уровней М1 - М4, соответствующих уровням идентификации, спецификации, симуляции и интеграции (Рис.4).
Применение моделей четырех указанных типов позволяет смоделировать предметную область блоков БРЭС, представить знания более формализовано, более строго, чем это обычно делается. Достоинством является также то, что такие модели допускают компьютерную реализацию на всех иерархических уровнях, позволяя интегрировать широко используемые пакеты моделирования. Кроме того, в них осуществляется разделение различных видов знаний: морфологических (структурных) знаний, знаний о математическом моделировании и знаний, представленных эвристиками, применяемыми разработчиками при проектировании устройств.
- требования, предъявляемые объектом установки изделия (защита от воздействий внешней среды и воздействие механических факторов);
- требования, предъявляемые конструкцией более высокого уровня при ее наличии (базовые несущие конструкции).
Пример структурного синтеза рассмотрен выше. Поэтому параметрический синтез компоновки виброустойчивых цифровых блоков БРЭС проиллюстрируем на примере конструктивного исполнения блока разъемного типа III поколения (2-ой вариант таблицы 2), полученного в процессе структурного синтеза.
Для простоты принимаем, что принципиальная электрическая схема пакета ФЯ разработана с использованием микросхем в корпусах типа 401.142, а для остальных ЭРИ, требующих установки вне печатных плат в блоке предусматривается дополнительный объем.
С целью обеспечения требуемой высокой надежности при низкой стоимости и сжатых сроках разработки выбираем печатные платы стандартных раз-
Рисунок 4 - Структура четырехуровневой интегративной модели области знаний
меров 170x75 по ОСТ 4Г0.010.009-76, рекомендуемые специалистами [13,15]. Под эти размеры печатных плат в ОСТ Г0.410.003-7 6 предусмотрен блок стандартных типоразмеров 2М (шириной 12 4, высотой 194 мм).
Тогда параметрический синтез блока БРЭС сводится к определению следующих параметров:
толщины печатных плат ФЯ, обеспечивающей отсутствие резонансов в диапазоне частот внешних возмущающих вибраций до 2000гц;
количества ФЯ в пакете для размещения всех микросхем;
длины блока с учетом размещения в нем пакета ФЯ и других ЭРИ, не вошедших в пакет.
Исходя из выше изложенного, можно предложить следующую последовательность работ по автоматизированному параметрическому синтезу блока БРЭС:
1. Уточняются и дополняются под конкретную задачу исходные данные в базе данных САПР.
2. Из условия безрезонансности определяется необходимая толщина платы по формуле:
Ъ = Б- Гв /( А ■ кп • кэ ■ Счк), (1)
где: кп
; Е - модуль упругости материала
платы; р - плотность материала платы.
кэ - коэффициент, учитывающий влияние ЭРИ;
Счк - частотный коэффициент, зависящий от соотношения сторон и способа крепления платы;
Ъ - толщина платы; Б - площадь платы;
А - постоянный коэффициент;
£в - верхняя граница диапазона возмущающих вибраций (2000гц).
Расчет по формуле (1) дает для безрезонансной платы 17 0х7 5 толщину 3,3 мм, что больше максимальной толщины, выпускаемых материалов для изготовления односторонних и двухсторонних печат-
ных плат, и значительно превышает технологические ограничения по металлизации сквозных отверстий (1,5-2мм).
В этом случае получить плату нужной толщины можно, например, или по технологии изготовления МПП, или с использованием металлической подложки, что одновременно улучшает тепловой режим ФЯ.
3. На основе выше приведенных данных выполняются необходимые геометрические расчеты и синтезируются предварительные математические модели блока с полным заполнением печатных узлов микросхемами. Полученные результаты приведены в таблице 6.
4. Исходя из количества микросхем в блоке и микросхем, размещаемых на ФЯ, рассчитывается количество ФЯ в пакете и длина блока, которая выбирается из стандартных значений в сторону увеличения.
5. После решения вопросов по выбору варианта безрезонансного конструктива ФЯ, конструктором-топологом выполняются работы по размещению ЭРИ и трассировке межсоединений на печатных платах.
6. По результатам работ по п.5 проводится уточнение количества плат в пакете ФЯ и длины блока.
7. Проводится контроль динамических характеристик спроектированного блока с использованием комплексов программ АСОНИКА, АНСИС и т.п. с возможными корректировками конструкции и пересмотром результатов структурного синтеза при необходимости.
8. Пополняется база знаний экспертной системы САПР полученными в процессе проектирования новыми знаниями, что с течением времени вкупе с другими знаниями позволит сократить время и повысить качество разработки БРЭС.
Таблица 6
Тип корпуса Габаритные размеры, мм Объем V, дм3
Блок L (длина) Н (высота) В (ширина)
2 М 250 194 124 6,0
Плата Lx, мм Lу, мм hп, мм Х1, Х2 у1
170 75 1,5 5 15
Серия МС Тип корпуса Ро, мВт Масса, г у2
401.14-2 150 1 5
Микросхемы Габариты, мм Шаги установки
1х 1у hм tx tу
13 10 2,3 20 15
Количество пх пу Всего
МС 8,4 8 4,0 4 32
Объем,см3 КУ Р, Вт
Плата МС ФЯ
Характери- 19,1 13,2 181 13,6 4,8
стики ФЯ Масса, г Км Кэ
Плата МС ФЯ
47 32 150 4,7 1,12
К-во ФЯ К-во МС Масса, г Р, Вт
Характеристики блока 9,2 10 320 2256,0 48
Объем, дм3 КУ Км Кзап
МС Объем НЗ
0,10 3,6 3,3 1,5 0,60
Заключение
В статье рассматриваются особенности морфологического подхода к решению задач синтеза блоков БРЭС на ранних стадиях проектирования, возможности алгоритмизации и построения САПР отказоустойчивой аппаратуры на базе морфологических методов структурно-параметрического синтеза конструкций, в том числе, с иллюстрацией этих возможностей на численных примерах. Предложена последовательность работ по автоматизированному структурно-параметрическому синтезу блоков БРЭС.
В результате установлена значительная доля эвристики при решении задач автоматизированного синтеза компоновки блоков БРЭС и необходимость использования в рамках САПР высоко компетентной экспертной системы, особенно на ранних стадиях проектирования.
В связи с этим представляются актуальными дальнейшие исследования по представлению знаний о проектировании БРЭС, создание языка представления таких знаний, который послужит основой оболочки экспертной системы поддержки принятия проектных решений.
ЛИТЕРАТУРА
1.Жаднов В.В., Сарафанов А.В. Управление качеством проектирования теплонагруженных БРЭА. СОЛОН-Пресс, 2004.
2. Жаднов В.В. и др. Дифференцированная оценка влияния ВВФ при проектных исследованиях надежности электронных компонентов. Электронные компоненты, №3, 2010.
3. Зеленский А.В., Краснощекова Г.Ф. Электронные средства. Конструкция и расчетные модели. Самара, СГАУ, 2 010.
4. Аметова Э.С. и др. Анализ альтернативных вариантов построения процессов проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Томск, ТПУ, http://lab18■ipu■ru/projects/conf2 012/2/17■htm
5. Акимов С.В. Введение в морфологические методы исследования и моделирования знаний предметной области, http://structuralist.narod.ru/articles/morphmethod/morphmethod.htm
6. Бородин С.М. Общие вопросы проектирования радиоэлектронных средств. Ульяновск, УлГТУ, 2007.
7. Конструирование радиоэлектронных средств. Под ред. Назарова А.С., Москва. Изд. МАИ,1996.
8. Кольтюков Н.А. Проектирование несущих конструкций радиоэлектронных средств. Тамбов. Изд. ТГТУ, 200 9.
9. Справочник «Надежность электрорадиоизделий». 22 ЦНИИИ МО, 2006.
10. ГОСТ РВ 2 0.39.309-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Конструктивно-технические требования. М. Госстандарт России, 1998.
11. ГОСТ РВ 2 0.39.304-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним факторам. М. Госстандарт России, 1998.
12. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд. «Советское радио», 1971.
13. Гель П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Л., Энергоатомиздат, 1984.
14. Семейство устройств связи. АО НИИ «Аргон», http://www■argon■ru/?q=node/15
15. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры. Под ред. Высоцкого Б.Ф. и др. М.; Радио и связь, 1982.
УДК 621.396.7
Фролов С.И., Трусов В.А., Таньков Г.В., Данилова Е.А., Юрков Н.К.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СИНТЕЗА КОМПОНОВКИ БЛОКОВ БОРТОВОЙ РЭС
Обеспечение безопасности страны требует не только повышения уровня технических характеристик военной техники, но и ускорения введения ее в эксплуатацию, что зависит от качества выполнения проектных работ.
Это непосредственно касается бортовых РЭС (БРЭС), сложность и требования к надежности которых постоянно растут, а условия эксплуатации ужесточаются.
В тоже время, не смотря на широкое использование самых современных САПР и серьезные организационно-технические меры, регламентированные многочисленными НТД, разработка отдельных БРЭС растягивается на 5 - 7 лет и освоение в серийном производстве сопровождается исправлением многочисленных ошибок и серьезными доработками [1]. При этом, причиной такого положения часто являются изначально заложенные в конструкцию ошибки, не позволяющие обеспечить требуемую отказоустойчивость аппаратуры, работающей в условиях воздействия вибрации. И хотя эти проблемы появились не сегодня, они до сих пор остаются актуальными.
На тему вибрации РЭС опубликовано большое количество специальной литературы и статей, дается множество рекомендаций и отдельных решений, но видимо где-то упускается главное. И, скорее всего, ответ кроется в противоречии, которое заключается в том, что хотя многие специалисты на словах утверждают о необходимости исключения ре-зонансов в конструкции БРЭС, на деле допускают эти резонансы в диапазоне вибраций свыше 500 гц. А в качестве альтернативы предлагаются традиционные методы защиты от вибрации: такие как виброизоляция и демпфирование, которые увеличивают массово-габаритные характеристики и имеют существенные недостатки, приводящие к изложенной выше сложившейся ситуации [4, 5, 6, 7 и др.].
В последнее время, для улучшения создавшегося положения, прорабатываются варианты перехода к компоновке и конструированию на ранних стадиях разработки предварительного (эскизного) варианта безрезонансного в заданном диапазоне частот вибрации блока БРЭС с последующими уточнениями, размещением ЭРИ и трассировкой соединений.
Применительно к САПР, исходя из выше сказанного, для сокращения сроков и повышения качества разработки БРЭС приобретают важное значение не столько трассировка печатных плат и оформление чертежей, сколько задачи автоматизированного синтеза компоновки различных, конкурирующих между собой безрезонансных отказоустойчивых моноблоков БРЭС в условиях минимума информации на ранней стадии их проектирования и необходимости использования экспертных систем.
Среди немногих работ по синтезу конструкций БРЭС, интерес представляет предложенный в [2]
алгоритм выбора на ранних стадиях проектирования оптимальной формы цифрового блока самолетной РЭС по нескольким критериям качества: тепловая напряженность, вибропрочность и плотность упаковки. По некоторому правилу генерируется ряд вариантов типоразмера блоков, из которого осуществляется выбор блока одновременно удовлетворяющего всем трем критериям.
Однако при всей своей привлекательности предложенный в [2] алгоритм не исключает резонансы конструкции и его применение не может существенно улучшить отказоустойчивость разрабатываемой БРЭС. Кроме того, генерируемый ряд случайного набора вариантов блока затрудняет использование стандартных и уже успешно освоенных в производстве прототипов.
В данной статье предлагается методика автоматизированного синтеза компоновки блоков на ранней стадии разработки БРЭС, являющаяся развитием алгоритма [2], но без выше указанных недостатков.
Предлагаемый подход к решению проблемы автоматизированного синтеза компоновки блоков БРЭС проиллюстрируем на примере цифровых блоков разъемного типа типоразмеров 2М и 3М по ОСТ Г0.410.003-76 с использованием микросхем в корпусах типа 401.14-2 для 2-х вариантов печатных плат разной площади 170х75 и 170х150 по ОСТ 4Г0.010.009-76.
Предлагается следующая последовательность работ по автоматизированному синтезу блоков БРЭС.
1. Уточняются и дополняются под конкретную задачу исходные данные в базе данных САПР.
2. На основе выше приведенных данных выполняются необходимые геометрические расчеты и синтезируются предварительные математические модели цифровых блоков БРЭС с полным заполнением печатных узлов микросхемами. Полученные результаты по первому из блоков приведены в таблице ниже.
3. Определяются основные собственные частоты ПУ блоков. Для этого можно воспользоваться формулой:
fo=Äknks-Счк h/S ; fo>1r3fB; (1)
где:
'е
кп = ; Е - модуль упругости материала платы;
р - плотность материала платы, кэ - коэффициент, учитывающий влияние ЭРИ; Счк - частотный коэффициент, зависящий от соотношения сторон и способа крепления платы; Ъ - толщина платы; Б - площадь платы; А - постоянный коэффициент;
£в - верхняя граница диапазона возмущающих вибраций.
