Разработка микромощного устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Barhotkin Vjacheslav Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, director of Research Institute, kafjvt@,mail.ru. Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University,

Kochetkov Mikhail Petrovich, candidate of technical science, docent, kmp@miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University

УДК 681.326.3

РАЗРАБОТКА МИКРОМОЩНОГО УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ ЦЕПЯМИ МАЛОГАБАРИТНОЙ БОРТОВОЙ

АППАРАТУРЫ

А.А. Кудров, А.Л. Переверзев

Представлена структура микромощного устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры, рассмотрен макет устройства, разработанный на основе предложенной структуры, определены перспективы реализации подобныхустройствна основе отечественной компонентной базы.

Ключевые слова: микромощное устройство управления силовыми цепями, бортовая аппаратура.

Применение электронных систем управления в составе различных объектов техники, как правило, сопряжено с решением большого количества сложных инженерных задач, таких, как размещение электронных блоков и источников питания для них и обеспечение сохранности аппаратуры при жестких условиях эксплуатации и взаимодействия электроники с другими блокам, функционирование которых может быть основано на законах механики, гидравлики, пиротехники и т.д. В большинстве случаев затраты на разработку подобных изделий оправданы. Применения электроники обеспечивает не только повышение надежности и точности, но и расширение набора функциональных возможностей.

Электронные устройства управления давно применяются в составе бортовой аппаратуры, в том числе в составе миниатюрных изделий, что неразрывно связано с решением двух основных проблем [1]:

- преодоление ограничений на энергопотребление изделия;

- удовлетворение жестким требованиям к габаритам изделия.

Рассмотренное в настоящей статье микромощное устройство

управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры входит в класс подобных изделий [2]. Оно предназначено для автоматического формирования импульсов в силовых цепях аппаратуры в соответствии с

настройками, установленными оператором. Эти настройки определяют режимы и виды срабатывания. Режим срабатывания определяет комбинацию условий, выполнение которых приведет к срабатыванию. Силовая цепь, в которой будет выдан импульс, определяется видом срабатывания.

Реализовать подобный функционал можно с помощью электронного устройства, структура которого представлена на рис.1.

Интерфейс обмена «Оператор -Устройство управления»

Память

Блок

управляющих сигналов для силовых цепей

Рис. 1. Структура устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры

Центральным элементом устройства является блок управления, который совместно с таймером может быть выполнен на основе устройства с программным управлением или аппаратной реализации конечного автомата. Блок управления выполняет функции считывания настроек из памяти, формирования в соответствии с прочитанной информацией управляющих воздействий для таймера (включение, выключение, начальное значение и значение остановки), для датчиков (включение, выключение, пороги срабатывания и т.д.), инициирования выдачи импульсов в силовых цепях.

139

Схемотехника блока формирования управляющих сигналов для силовых цепей, как и набор датчиков определяются при решении конкретной поставленной задачи.

Данная структура позволяет спроектировать устройство таким образом, что будет возможно срабатывание аппаратуры при выполнении следующих условий:

- истечение заданного времени с момента включения аппаратуры;

- получение блоком формирования управляющих сигналов для силовых цепей своевременного сигнала от датчика;

- истечение заданного времени после появления сигнала от датчика.

При этом режимы срабатывания могут комбинироваться. Например, возможна обработка сигналов от одного или нескольких датчиков, а при отсутствии данных сигналов может происходить контрольное срабатывание по таймеру.

Разработанная структура была применена при макетировании устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры. Малые размеры устройства и способы его размещения в составе бортовой аппаратуры исключили возможность применения традиционных источников питания и разъемов, предназначенных для контактной передачи энергии встроенным источникам питания и записи настроек, определяющих алгоритм его функционирования, в связи с чем, были применены конденсаторные источники питания, заряжаемые непосредственно перед эксплуатацией устройства индуктивным способом. Задача неконтактной передачи информации была решена путем применения технологии RFID, а именно стандарта ISO 15693.

Как и микромощное устройство управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры, его макет должен обеспечивать функционал, включающий семь режимов работы.

Рассмотрим три основных режима, так как остальные являются комбинациями этих трех (рис. 2).

Задержанное срабатывание - это срабатывание через заданный интервал времени (Задержка срабатывания). Этот же параметр используется для двух других режимов в качестве дальней границы времени опроса датчиков, когда срабатывание происходит по сигналу от датчика 1 или датчика 2, входящих в состав устройства, но по окончанию задержки срабатывания при отсутствии сигнала от датчика формирования импульса не происходит. Кроме того, независимо от выбранного режима через заданное время происходит контрольное срабатывание, а именно выдача импульсов по обеим цепям.

Рассмотрим алгоритм, согласно которому должно функционировать разрабатываемое устройство (рис. 3).

Задержка контрольного срабатывания

ч

>

Время задержанного срабатывания

ч

Время опроса датчиков

ч

Т,с

>

Включение

устройства

Формирование пепях 1 и 2

Рис. 2. Временная диаграмма работы микромощного устройства управления силовыми цепями малогабаритной

бортовой аппаратуры

Рабочий цикл изделия можно разбить на два этапа. После включения и инициализации устройство основную часть времени (от 1 до 10 с при общем времени работы 10 с) находится в ожидании этапа коммутации силовых цепей. В связи с этим устройство должно быть спроектировано таким образом, чтобы первый этап работы характеризовался низким уровнем энергопотребления.

Второй этап функционирования устройства включает опрос датчиков, формирование импульсов в цепях и контрольное срабатывание и является наиболее энергозатратным.

Макет микромощного устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры построен на основе восьмиразрядного микроконтроллера PIC16LF1823 [3] с пониженным энергопотреблением (рис. 4). В качестве хранилища информации о текущих настройках временных и функциональных параметров изделия применяется энергонезависимая память с беспроводным интерфейсом M24LR64E-R[4]. Обмен между микроконтроллером и памятью осуществляется с помощью интерфей-

Как было сказано ранее, питание устройства организовано с помощью конденсаторных источников, передача заряда которым осуществляется перед запуском устройства и обеспечивает время готовности (сохранения заряда) не менее 5 минут. Срок хранения записанных настроек составляет 25 лет.

са ПС

Начало

Ожидание времени опроса датчиков

Рис. 3. Схема алгоритма работы микромощного устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры (см. также стр. 143)

Для формирования импульсов в цепях 1 и 2 используются конденсаторы промежуточного хранения заряда С1 и С2. В случае задержанного срабатывания зарядка конденсаторов от источника питания происходит

142

непосредственно перед срабатыванием. В остальных режимах, предусматривающих использование датчиков, зарядка С1 и С2 выполняется вначале времени их опроса. Управление зарядкой конденсаторов промежуточного хранения и выдачей импульсов производится микроконтроллером с помощью системы ключей.

Ожидание контрольного срабатывания

I

Импульсы в цепях 1 и 2

Рис. 3. Схема алгоритма работы микромощного устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры

(окончание)

Датчик 1

Датчик 2

IDAT1 н—►

M24LR64E-R

ICLK <—

PIC16LF1823

Ключ 1

X

:ci

Ключ 2

Цепь 1

Ключ 3

J

X

С2

Ключ 4

Цепь 2

Конденсаторный источник питания

Рис. 4. Функциональная схема устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры

Разработанный макет устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры обладает следующими характеристиками:

- площадь печатной платы устройства 360 мм2,

- высота электронного блока 5 мм;

- время жизненного цикла не менее 10 с;

- энергия импульсов, выдаваемые в силовых цепях, не менее 10...3 Дж;

- передача заряда источникам питания устройства осуществляется индуктивным методом;

- для записи настроек применена технология беспроводной передачи информации RFID, обмен осуществляется по протоколу ISO 15693;

- время готовности устройства должно быть не менее 5 минут;

- срок хранения устройства не менее 15 лет.

Кроме того, был разработан макет установщика для записи настроек и передачи заряда конденсаторным источникам питания [5]. На рис. 5 представлена схема рабочего места оператора устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры.

Как видно из схемы, макет представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из персонального компьютера, лабораторного источника питания и передающего устройства. Специализированное программное обеспечение позволяет устанавливать режимы работы устройства. Задаваемые временные параметры, преобразуются в набор це-

лочисленных данных, в которых содержится информация о начальных значения таймера устройства и количествах отсчитываемых им периодов для своевременного перехода устройства с одного этапа функционирования на другой. Расчет данных параметров выполняется с помощью программного обеспечения установщика на основе частоты инкрементирова-ния таймера и с учетом аппаратной погрешности, образующейся при работе устройства. Это позволило исключить вычислительный этап из алгоритма функционирования устройства.

Персональный компьютер

Лабораторный источник питания

Установщик

Передающее устройство

/

Изделие

Рис. 5. Схема рабочего места оператора

Из установленных оператором и преобразованных настроек создаются в пакеты, которые передаются устройству. После записи настроек оператор в любое время может подготовить устройство к эксплуатации, осуществив с помощью установщика передачу заряда его конденсаторным источникам питания. Для повышения надежности реализована возможность считывания записанных ранее настроек.

Успешное применение макета установщика при испытаниях образцов устройства управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры предопределило формирование для него отдельного технического задания, как для устройства, позволяющего оператору с его помощью выполнять те же функции автономно от персонального компьютера и лабораторного источника питания.

Микромощное устройство управления силовыми цепями малогабаритной бортовой аппаратуры является законченным изделием и в данный момент проходит как лабораторно-стендовые испытания, так и испытания в составе штатной аппаратуры. Тем не менее, определены перспективы его развития: сокращение аппаратной избыточности (здесь она обусловлена применением микроконтроллера), повышение степени интеграции и переход на отечественную компонентную базу. Использование полузаказной или заказной микросхемы позволит повысить энергоэффективность изделия, и как следствие увеличить время его рабочего цикла, а также повысить надежность. Это, совместно с уменьшением габаритов, обеспечить

расширение круга решаемых устройством задач.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Президента РФ для поддержки молодых Российских ученых - докторов наук МД-1670.2014.10).

Список литературы

1. Переверзев А. Л., Попов М. Г. Концептуальная модель бортовых информационно-вычислительных систем на основе масштабируемой архитектуры // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 77-82.

2. Серов А. Н. Решение некоторых технических задач при управлении объектами специального назначения // Техника и технология. Москва: «Спутник +», 2011. №1. С.32-34.

3. PIC12(L)F 1822/16(L)F 18238/14-Pin. Flash Microcontrollers with XLP Technology, 2014. C.1.

4. M24LR64E-R. Dynamic NFC/RFID tag IC with 64-Kbit EEPROM, energy harvesting, I2C bus and ISO 15693 RF interface, 2013. C.1.

5. Савченко Ю.В., Переверзев А.Л., Кудров А.А. Архитектура универсального аппаратно-программного комплекса для отладки и тестирования интегрированных информационно-вычислительных систем // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. М.: ФГУП «ВИМИ», 2013. № 2. С.3-7.

Кудров Артур Александрович, асп., crispinainbox. ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

Переверзев Алексей Леонидович , д-р техн. наук, доц., _palaolvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

LOW-POWER CONTROL UNIT OF POWER CIRCUITS FOR COMPACT ONBOARD SYSTEM DEVELOPMENT

A. A. Kudrov, A. L. Pereverzev

The structure of the low-power control unit of power circuits for compact onboard system is shown, model of the device is considered, built on the proposed structure, prospects of the class of such devices are defined, namely to reduce the size and lower power consumption due to programmable or application specific ICs.

Key words: low-power control unit of power circuits, on-board hardware.

Kudrov Arthur Alexandrovich, postgraduate, crispina inbox.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University,

Pereverzev Aleksey Leonidovich, doctor of technical science, docent, palaolvs. miee. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University