CC BY
88
Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Трусов В.А. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС РАЗРАБОТКИ РЭС НА ОСНОВЕ ПЛИС И ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Активное применение в разработке РЭС систем на основе программируемой логики требует подготовки квалифицированных специалистов, способных в кратчайшие сроки освоить современные типы устройств и применять их в собственных разработках.
Практически все производители современных ПЛИС предлагают эмуляторы выпускаемых устройств, предназначенные для полноценной отладки и создания программ на своих устройствах. Основной проблемой, появляющейся при освоении таких эмуляторов является высокий уровень начальной подготовки специалиста. Вследствие этого при обучении и подготовке специалистов на начальном этапе лучше применять более простые программные или программно-аппаратные комплексы. Затем, при достижении определенной квалификации, специалист уже без особых проблем переходит на эмуляторы такого класса.
Созданный несколько лет назад на кафедре КиПРА Пензенского Государственного университета программный модуль для изучения основных функций микропроцессоров(МП) хорошо зарекомендовал себя в учебном процессе, получил диплом Научно-технического общества РЭС имени А.С.Попова. Данное решение в соответствии со своей открытой и блочной архитектурой, легко может дополняться и расширяться модулями изучения ПЛИС.
Подобная структура хорошо подходит для использования пакета в образовательных целях. При разработке и отладке реальных программ (при создании, например, устройств на микроконтроллерах) приходится совершать ряд последовательных этапов: отладка алгоритма, компиляция программы; перевод в формат, понимаемый программатором; прошивка целевого устройства или макетной платы.
Предлагается программно-аппаратный комплекс для изучения основных типов микроконтроллеров, микропроцессоров и ПЛИС, структура которого показана на рис. 1.
Рис.1. Структурная схема программно-аппаратного комплекса.
В этом случае используется интеллектуальная программа-оболочка, позволяющая пользователю пройти все этапы, начиная от изучения основных (и не только) функций данного МП и заканчивая прошивкой микроконтроллера, т.е. создания готового работающего устройства.
Кроме этого, существует модуль, отвечающий за контроль и качество усваиваемых обучаемых знаний.
Каждый уровень разделён на несколько частей, которые отвечают за свои типы аппаратуры и могут добавляться/удаляться по мере необходимости.
? ПускI И Total Commander 7.50a ... | Lister • [c:\Xilinx\myProj\.■■ | ? ^ Lister • [c:\Xilinx\myProi\... | .-gl Xilinx • I5E • C:\Xilinx\my.,, | CoolRunner-И Utility...
Рис.2. Рабочее окно среды разработки.
В программном комплексе в настоящее время используются система WebPack ISE фирмы Xilinx совместно с макетными платами на CPLD CoolRun-ner-2 (системы класса «low -cost») и FPGA Spartan (рис 2).
В результате использования описываемого комплекса в учебном процессе, студенты смогут пройти часть цикла разработки современного устройства на базе ПЛИС. Следующим этапом будет разрабокта печатной платы устройства (может использоваться модель макетной платы).
После выбора варианта размещения элеметнов на плате необходимо провести расчет механических параметров конструкции. Для этих целей на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета разработан пакеы «VuPlat» и «RePlat». Данные пакеты имеют возможность моделирования пластинчатых конструкций РЭС с возможностью задания различных типов закреплений, что позволяет моделировать как платы с элеметами объемного монтажа (DIP-корпуса), так и с более современными элементами поверхностного монтажа (SOIC, BGA)
Вопросам подготовки исходных данных следует уделять большое внимание, т.к. в используемой математической модели высокая точность расчетов достигается лишь при корректной подготовке данных (что, в общем-то, справедливо для любой математической модели). Вследствие этого, в программу введен модуль визуального контроля, который позволяет видеть данные, как в процессе ввода, так и при расчете. Это позволяет свое-
временно заметить ошибки и устранить их, а наглядность процесса расчета позволяет глубже вникнуть в процессы, происходящие при внешнем воздействии [1].
Реально подготовка данных для расчета представляет собой комбинацию нескольких способов ввода и выбирается каждым пользователем согласно своим предпочтениям и навыкам. Оптимальным, по результатам многочисленных авторских опы-тов[2], может считаться первоначальный ввод ИД с применением межсистемного взаимодействия из пакетов P-CAD или OrCAD, а затем ручная корректировка неверно введенных элементов, которые легко обнаруживаются в окне визуального контроля.
Программный пакет имеет структуру, показанную на рис.3. Модули ввода и поверки правильности не используют расчетное ядро программного пакета, а лишь подготавливают для него данные. Это не совсем простая задача, т.к. ввод данных может производиться несколькими способами (визуальный ввод из БДМ, импорт из CAD-системы, табличный ввод, чтение данных из уже готового файла, использование данных по умолчанию), причем все они могут комбинироваться между собой. В данном случае используется графический пользовательский интерфейс (ГПИ). Обычно ГПИ сочетает три основных стиля интерфейса (командную строку, меню и простое манипулирование). Хорошо спроектированный интерфейс должен гарантировать свободу выбора подходящего стиля интерфейса в зависимости от выполняемых задач и пристрастий пользователя.
Рис.3 Структура программного пакета моделирования пластинчатых конструкций РЭС.
Широкие возможности для визуализации процесса ввода, расчета и последующего анализа полученных данных предоставляет соответствующий модуль. На начальном этапе пользователь может видеть вводимую им плату и элементы на ней. Это позволяет облегчить ввод и уменьшить число ошибок. В процессе расчета по желанию пользователя на экран могут выводиться любые рассчитываемые параметры. Для ускорения процесса расчета этот вывод может быть отключён. И, наконец, при анализе результатов доступен просмотр перемещений по всему полю пластины, как максимальных, так и полученных на последнем шаге; просмотр перемещений в зависимости от времени (в контрольных точках, число которых может быть равно числу узлов платы, но для ускорения расчета лучше взять реально необходимое число контрольных точек); просмотр максимальных напряжений и их изменение в процессе расчета, а также ряд других вспомогательных параметров.
Таким образом, наглядность и прозрачность процесса расчета позволяет глубже вникать в процессы, происходящие при заданных внешних воздействиях и обдуманно и обоснованно прини-
мать верные проектные решения. Использование систем информационной поддержки ЖЦ позволяет уже на ранних этапах обоснованно выбирать основные параметры изделий, обеспечивая требуемый уровень их надежности и качества до этапа изготовления, в том числе и по устойчивости к вибронагрузкам.
Оценка динамических характеристик проектируемой аппаратуры, таких как резонансные частоты, перегрузки и максимальные перемещения при различных воздействияхпозволяют внести коррективы в проект на ранних этапах разработки [3].
Дальнейший анализ конструкции, включающий исследование механических характеристик, может осуществляться с помощью комплексов программ анализа и оптимизации параметров конструкции. При невыполнении условий и ограничений в ходе такого анализа осуществляется возврат к этапу схемотехнического проектирования и к корректировке компоновочных решений. Далее вновь анализируется вариант конструктивного исполнения. Тем самым обеспечивается обратная связь как непреложный элемент любой системы управления [4].
Техническое Система условий, критериев, ограничений Альтернативные Экспертные
задание варианты оценки
1. Маркетинг
и изучение рынка
=>
2. Проектирование и разработка продукции
3. Проектирование и разработка процессов
Исходные
данные
Модель-
эл.принц.
схема
4. Закупки комплектующих
5. Производство
Модель- печатная плата Механическая модель Модель испытаний Модель производства
7\ /\ /V /\ /\ /\ \7 \7 \7 \7 \7 \7
Технологии управления данными
Технологии управления процессами
БАЗА
ДАННЫХ
БАЗА
ЗНАНИЙ
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА
Рис.4.Обратная связь на базе концептуальной модели предметной области
Успех в выборе проектных решении во многом определяется выбранной схемой взаимодействия моделей. На основе технического задания производится выбор варианта проекта либо выбирается имеющийся в банке данных прототип конструкции и соответствующая ему система моделей, либо разрабатывается новый вариант и формируется система моделей. Одновременно лицо, принимающее решение (ЛПР), формирует систему условий, требований, ограничений, включающую данные о задачах проектирования и целевых функциях, материальных ресурсах и условиях производства, предельно допустимых параметрах (материалов, элементов, процессов), среде функционирования. Фактически, для каждой модели определяются функционалы и ограничения. Если параметры моделей не удовлетворяют определенным ограничениям (например, некоторые характеристики выбранных материалов не соответствуют заданному множеству переменных проектирования), то вносятся соответствующие коррективы. При выполнении ограничений реализу-
ется этап исследования и оптимизации моделей объекта проектирования (Рис. 4).
Результаты исследования и оптимизации каждой модели используются для остальных моделей системы в качестве дополнительных ограничений, условий, и в этом состоит сущность взаимодействия моделей - как моделей подсистем объекта проектирования, так и моделей объекта с технологическими моделями. В процессе такого взаимодействия происходит, в определенном смысле, эволюция обобщенной модели объекта проектирования, ее адаптация к среде функционирования.
Рассматриваемая схема взаимодействия моделей позволяет более эффективно и рационально организовать проектные работы, что, в конечном счете, направлено на повышение качества изделий.
Таким образом, на этапе проектирования осуществляется целенаправленный выбор параметров конструкций с учетом всех требований и ограничений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочегаров И.И. Исследование влияния размещения радиоэлементов на механические характеристики печатной платы./ Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Селиванов В.Ф. // Надежность и качество. Труды межд. симпозиума.- Пенза: Изд. Пенз. гос. ун-та, 2007- С. 128-130.
2. Кочегаров И.И. Программный пакет для анализа моделей пластинчатых конструкций // Труды международного юбилейного симпозиума «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза: ИИЦ ПГУ,
2003, т.2, с. 10-11.
3. Кочегаров И.И. Обратная связь на этапах жизненного цикла конструкций РЭС / Кочегаров И.И.,
Трусов В.А. // Надежность и качество. Труды межд. симпозиума.- Пенза: Изд. Пенз. гос. ун-та,
2004- С. 200-201.
4. Юрков Н.К. Модели и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами: монография.-ИИЦ ПГУ, 2003, -198 с.
