Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Основной компонент любого тепловизора, влияющий на его конечные технические характеристики - это МБД, принимающий изображение в ИК-диапазоне. Перед заказчиком возникла необходимость замены МБД в связи со снятием ранее используемого детектора с производства. Им был выбран другой детектор, который по своим характеристикам превосходит своего предшественника. Возникла необходимость модернизации существующей системы обработки сигналов, которая учитывала бы технические характеристики нового МБД и его структуру. В связи с этим весь проект основывается на техническом задании полученном от заказчика.

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка прототипа системы обработки сигналов, которая обменивается данными с микроболометрическим детектором (МБД) для дальнейшего использования этой разработки в тепловизионной камере, разработанной компанией АО «ОКБ «АСТРОН»(далее заказчик). В связи с этим система разрабатывается для использования совместно с МБД, использующимся в компании заказчика. Связка МБД, системы обработки сигналов и объектива составят вместе тепловизионную видеокамеру.

Использование тепловизоров в настоящее время находит очень большой спектр применений. Это связано с повышенной угрозой безопасности на различных предприятиях и местах большого скопления людей. Полученный, в результате работы над проектом, комплекс будет применяться на таких объектах, как тоннели метро, железнодорожные пути, а также различные охраняемые объекты. На станциях метро разрабатываемая система может быть использована для слежения за потенциально опасными объектами, которые в последствии могут вызвать террористические акты. В охраняемых зонах возможно применение для анализа местности: наблюдения за движущимися объектами, анализа ново появившихся объектов или каких-либо возгораний.

Актуальность данной ВКР заключается в необходимости предоставления аппаратных и программных средств, позволяющих заказчику осуществлять производство тепловизионных камер, в соответствии со своими задачами.

При выполнение данного проекта были поставлены следующие задачи, необходимые для успешного завершения работы над системой:

1. анализ существующих технических решений;

2. подготовка технического задания на систему;

3. обоснование выбора структурно-функциональной схемы;

4. разработка структурной схемы модулей системы;

5. подготовка сборочных чертежей;

6. обоснование выбора инструментальных средств программирования;

7. разработка алгоритмов работы модулей системы;

8. создание и отладка программ для модулей системы;

9. обоснование модернизации электрической принципиальной схемы платы блока питания;

10. проведение моделирования устойчивости модулей системы к тепловым и механическим нагрузкам;

11. экспериментальное тестирование модулей системы;

12. расчет надежности системы, используя ПО АСОНИКА-К-СЧ;

13. разработка плат, обеспечивающих коммутацию системы.

В связи с тем, что работа над проектом является групповой, поставленные задачи были разделены следующим образом:

1. Анкуд: 1,4,5,7,9,11,12;

2. Швецов: 2,3,6,8,10,13.

Для реализации проекта были выбраны следующие программные и инструментальные средства.

1. SolidWorksPremium 2017 (SolidWorks).Данное ПО будет использоваться для теплового и механического моделирования разрабатываемой системы, проектирования кожуха, который обеспечит соединения МБД с объективом.

2. AltiumDesigner. Необходим для моделирования коммутационной платы, обеспечивающей обмен данными между МБД и системой обработки сигналов;

3. AtmelStudio. Интегрированная среда разработки дляразработки приложений для 8- и 32-битных микроконтроллеров семействаAVR.

4. XilinxFoundation. Среда разработки для ПЛИС фирмы Xilinx. Особенность данного ПО является то, что оно работает на устаревшей ОС WindowXP.

5. OracleVMVirtualbox. Необходим для установки ОС WindowXP, для работы с XilinxFoundation.

6. AnalogDevicesVisualDSP++. Интегрированная среда разработки и отладки программного обеспечения, которая позволяет эффективно управлять проектами от начала до конца из одного интерфейса и является основным инструментом для разработки программного кода для DSP.

7. Axis. Инструмент, применяющийся для оцифровки сигнала и передачи его посредством технологии Ethernet.

8. P-CAD 2006. Система автоматизированного проектирования электроники.

9. АСОНИКА-К-СЧ. Необходима для расчета надежности устройства.



1 Обзорно-аналитическая часть

1.1 Общие сведения

Тепловизором является прибор, состоящий из перечня компонентов (рис. 1), основными из которых являются объектив - специализированная германиевая оптика, МБД - устройство, принимающее тепловое излучение и блок электроники необходимый для дополнительных манипуляций с сигналом.

Рис. 1. Простейшая схема тепловизора

Существует множество технологий производства МБД [1], но лидирующими из них являются технологии, основанные на оксиде ванадия и на аморфном кремнии. «Для измерительных приборов, где важна чувствительность и качество изображения, следует применять МБД на оксиде ванадия, а где нужна высокая частота съема информации - на аморфном кремнии» [2]. В работе используется неохлаждаемый МБД основанный на оксиде ванадия, по той причине, что система будет использоваться для охранных и диагностических целей. Данная технология имеет более высокую чувствительность, стабильное изображение, высокий диапазон работы при отрицательных температурах.

аналоговый коммутационный сигнал алгоритм

1.2 Описание системы

Разрабатываемая система обработки сигналов состоит из двух основных компонентов: плата обработки сигналов и плата блока питания, которые соединены между собой этажерочным методом с помощью шлейфов.

Заказчиком был выбран МБД корейского производства , который имеет формат изображения 384?288px с шагом пикселей 17 мкм (табл. 1). Используемая модель МБД содержит в комплекте модуль, состоящий из двух плат, которые выполняют такие функции, как коррекция неоднородности изображения и его обработку, для получения инфракрасного изображения в цифровом формате.

Таблица 1Спецификация используемого МБД

Параметр	Спецификация	Примечания
Детектор	Тип FPA	Неохлаждаемый МБД
	Матрица FPA	384?288
	Шал пикселя	17µм
	Спектральный диапазон	8~14µм
	NETD	50мК	@f/1.0, 300К
На входе	Входное напряжение	5В (±10%)
	Рассеиваемая мощность	<1.2Вт	@ 300К
На выходе	Формат изображения	320?240 или 384?288
	Частота кадров	30Гцили 25Гц
	Выдеовыход	TTL (16 бит)	3.3В
	Продолжительность калибровки	<1с
	Время создания кадра	<5с
	Командный протокол	RS-232	3.3В
	Размер	40?40?19.8мм
	Вес	36г
	Рабочая температура	-20?C ~ 60?C

Структура соединения тепловизионной камеры (рис.2): МБД, работающий в инфракрасном диапазоне, на выходе которого цифровой сигнал. Данный сигнал необходимо преобразовать в аналоговый. Полученные детектором данные передаются на разрабатываемый модуль обработки через коммутационную плату. Полученный аналоговый сигнал передается в плату аналитики, где происходит преобразование сигнала в цифровой. Повторное преобразование сигнала обосновывается тем, что плата аналитики является компромиссным решением и может использоваться для разных моделей МБД, которые могут иметь на выходе как цифровой, так и аналоговый сигнал. Плата аналитики необходима для произведения диспетчером работы с получаемым на монитор изображением: обнаружение новых объектов, обвод объектов, излучающих тепло и т.п. Далее сигнал снова преобразуется в аналоговый и передается по IP-протоколу на монитор диспетчера (пользователя) через витую пару.



Рис. 2. Структурная схема соединения системы



1.3 Выбор методов преобразования сигналов

Существуют два основных метода обработки сигналов, которые используются в современной электронике: цифровая и аналоговая обработка сигналов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.

1.3.1 Виды сигналов

Цифровой сигнал - это сигнал, для передачи параметров которого используется машинный код. Принято считать, что иногда цифровые сигналы являются результатами преобразования реальных аналоговых сигналов, но возможно также существование цифрового сигнала без аналогового первоисточника. Для примера можно представить передачу данных в различных интернет сетях.

Во время цифровой обработки сигналов (ЦОС) аналоговые сигналы преобразуются в двоичный код с помощью устройства, которое называется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем преобразуется с использованием арифметического цифрового сигнального процессора (DSP). После обработки информации, которую содержит сигнал, он может быть преобразован снова в аналоговую форму при применении цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Другим ключевым фактором, определяющим сигнал, является то, что в нем всегда передает некоторую информацию. Это приводит к основной проблеме обработки физических аналоговых сигналов-- проблеме ее извлечения.

1.3.2 Цели обработки сигналов

Информация, передаваемая сигналом, как правило, содержится в его абсолютной или относительной амплитуде, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов, в частоте или в спектральном составе.

Извлеченная из сигнала информация может быть использована в различных целях. Иногда рекомендуется конвертировать формат информации, полученной из сигнала.

Также одной из причин обработки сигналов является сжатие полосы его частот, без существенной потери информации. В дальнейшей обработке предполагается форматирование и передача информации на пониженных скоростях. Это позволит сузить необходимую полосу пропускания канала.

«Промышленные системы сбора данных и системы управления используют информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала (signalconditioners) и DSP (или микроконтроллеров)» [3].

Одним из негативных свойств получаемого сигнала является содержание в нем шума. Из-за этого основная цель обработки сигнала - это его восстановление. Существуют определенные методы решение данной проблемы такие, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т.д.

Обработка сигналов преследует такие цели, как:

1. извлечение информации о сигналах (фаза, спектральные составляющие, амплитуда, временные соотношения, частота);

2. конвертация формата сигналов;

3. сжатие данных, полученных с сигналов;

4. формирование сигналов обратной связи (управление промышленными процессами);

5. выделение сигнала из шума (фильтрация, автокорреляция, свертка);

6. выделение и сохранение сигнала в цифровом виде для последующей обработки.



1.3.3 Формирование сигналов

Во многих задачах, предполагающих работу с сигналами и связанных с использованием DSP-технологий, необходимо использовать как АЦП, так и ЦАП. Подобным примером является разрабатываемая система - дисплей с разверткой видеоизображения, в котором сгенерированный в цифровой форме сигнал управляет видеоизображением или блоком преобразователя массива пиксельных значений из цифровой в аналоговую форму.

1.3.4 Методы и технологии обработки сигналов

Существует три метода обработки сигнала: аналоговый (аналоговая обработка сигналов, или ASP), цифровой (цифровая обработка сигналов, или DSP) или комбинированный (MSP).

Основным отличием DSP от традиционного компьютерного анализа данных является высокая скорость и эффективность выполнения сложных функций цифровой обработки. Под сложными функциями понимаются фильтрация, анализ с применением быстрого преобразования Фурьеи сжатие данных в реальном времени.

Под MSP подразумевается, что система выполняет как аналоговую, так и цифровую обработку. «Такая система может быть реализована в виде печатной платы, гибридной интегральной схемы (ИС) или отдельного кристалла с интегрированными элементами. АЦП и ЦАП рассматриваются как устройства комбинированной обработки сигналов, так как в каждом из них реализованы и аналоговые, и цифровые функции.

Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью интеграции (VLSI) позволяют осуществлять комплексную (цифровую и аналоговую) обработку на одном кристалле. Сама природа ЦОС подразумевает, что эти функции могут быть выполнены в режиме реального масштаба времени» [4].



1.3.5 Сравнение аналоговой и цифровой обработки сигналов

Существуют сигналы, которые требуют наличия цепей нормализации для последующей обработки сигналов как аналоговым, так и цифровым методом. Цепями нормализации сигнала называют аналоговые процессоры, которые выполняют такие функции, как накопление в измерительных и предварительных (буферных) усилителях, усиление, динамическое сжатие диапазона (логарифмическими ЦАП, логарифмическими усилителями и усилителями с программируемым коэффициентом усиления),обнаружение сигнала на фоне шума (эквалайзерами, высокоточными усилителями синфазного сигнала и линейными приемниками), и пассивная или активная фильтрация.

На рис. 3 изображено несколько методов реализации процесса обработки сигналов. Аналоговый подход показан в верхней части рисунка. DSP занимает оставшуюся часть рисунка. При выборе DSP технологии, необходимо определить местоположения АЦП в тракте обработки сигнала.

Рис. 3. Способы обработки сигналов



Согласно рис. 4, по той причине, что АЦП располагается ближе к датчику, то большая часть обработки аналогового сигнала происходит на нем. Благодаря увеличению частоты дискретизации, расширению динамического диапазона, повышению разрешающей способности, отсечению входного шума, использованию входной фильтрации и программируемых усилителей (PGA), наличию источников опорного напряжения на кристалле и так далее, можно наблюдать увеличение возможностей АЦП. Вышеупомянутые дополнения могут вызвать повышение функционального уровня и упрощение системы.

Благодаря наличию современного технологичного производства ЦАП и АЦП с высокими частотами дискретизации и разрешающими способностями, в настоящее время достигнут настоящий прогресс в интеграции все большего числа цепей непосредственно в АЦП/ЦАП.

В качестве примера можно привести 24-битные АЦП со встроенными программируемыми усилителями (PGA), позволяющими оцифровать широкомасштабные мостовые сигналы 10 мВ, без необходимости дальнейшей нормализации.

На звуковых и голосовых частотах широко распространены комплексные устройства кодирования-декодирования-- кодеки, имеющие встроенную аналоговую схему в микросхему, которая удовлетворяет минимальным требованиям к внешним компонентам нормализации. Также находят применение видеокодеки для обработки изображения с помощью прибора с зарядовой связью.

1.3.6 Выбор методов, используемых при разработке

В следствие того, что используемый МБД имеет на выходе цифровой сигнал, то необходима его обработка и преобразование в аналоговый сигнал для дальнейшей передачи на монитор пользователя (диспетчера). Системой обработки сигналов является ЦАП с дополнительными функциями, предназначенными для управления МБД и сбора дополнительных данных, благодаря разработанному на предприятии программному обеспечению, интегрированному в разрабатываемую систему. Так как данные будут напрямую передаваться пользователю, то обработка сигналов будет происходить в реальном времени, что требует наличия производительного процессора, имеющегося в разработанной, подлежащей модернизации системе.

1.4 Обзор и анализ аналогов разрабатываемого устройства

1.4.1 Состояние предметной области

«Производство микроболометров - высокотехнологичный и дорогостоящий процесс. В мире существует не так уж много компаний, которые могут позволить себе содержать данное производство. К законодателям мод и мировых тенденций в этом сегменте стоит отнести США, в которых находится несколько производителей микроболометров и где постоянно осуществляются вложения средств в научно-исследовательские работы по данной тематике» [5].

Роль тепловизоров и их применение в мире является огромной: машиностроение и судостроение, нефтяная промышленность и энергетика, транспорт, ракетостроение химическая промышленность, энергоаудит, атомная промышленность и т.п. Также наблюдается широкое применение тепловизоров в строительстве, при выполнении оценки теплоизоляционных свойств конструкции материалов. Примером данного применения является метод определения местонахождения теплопотери в возводимом сооружении. Таким образом, можно определить качество материалов и утеплителей, используемых в строительстве. Применение тепловизионных камер также востребовано на крупных предприятиях, где существует необходимость в контролировании теплового состояния электрооборудования и промышленных объектов. Помимо крупных предприятий, тепловизоры бывают необходимы и небольшим предприятиям, которые занимаются поиском неисправностей и выхода из строя сетей различного назначения и автосервисам.

1.4.2 Описание существующих технологий

На сегодняшний день развитие тепловизионных камер набирает обороты. С каждой новой моделью МБД появляются более грамотные решения, позволяющие повысить основные характеристики, при этом используя разные технологии производства. Неохлаждаемые детекторы занимают большую часть рынка из-за преимуществ своей технологии, позволяющей быстро обрабатывать получаемый сигнал.

Существуют неохлаждаемые датчики, работающие не только в ИК-диапазоне, которые разработаны на технологии МБД. Их можно разделить на следующие классы:

1. МБД;

2. ферроэлектрики;

3. другие типы.

Как говорилось ранее, МБД можно разделить на два подкласса: VOx- МБД на оксиде ванадия и alpha-Si- МБД на аморфном кремнии. Ферроэлектрики также можно разделить на два подкласса: ThickFilm BST - толстопленочная технология и ThinFilm PLZT - тонкопленочная технология. Также существуют неохлаждаемые датчики, к которым можно отнести приемники на солях свинца и полигерманида кремния.

Как можно заметить, существует достаточное количество технологий производства элементов, чувствительных к ИК-диапазону. Но если обратить внимание на большое распространение приборов, которые построены на одних или других технологиях, то можно отметить, что подавляющее превосходство занимают технологии МБД и ферроэлектриков. В следствие этого, рассмотрим более подробно данные технологии.

В таблице 2 производится сравнение МБД и ферроэлектриков: указаны основные моменты производства чувствительных элементов и их выходные характеристики,в то время, как в таблице 3 происходит сравнение разных технологий производстваМБД, а именно: на оксиде ванадия (VOx) и аморфном кремнии (alpha-Si). Основываясь на данных представленных таблиц, можно сделать выводы о сильных и слабых сторонах различных технологий производства чувствительных элементов.

Таблица 2. Сравнение МБД и ферроэлектриков

Параметр	МБД	Ферроэлектрик
Механизм съема сигнала	?R	?C
Путь прохождения сигнала	(DC) Связь по постоянному току	(AC) Связь по переменному току
Коррекция смещения	Периодическая	Постоянная
Температура детектора	Изменяемая	Постоянная
Механическая структура	Монолитная	Гибридная
Чувствительность, мК	30	100

Таблица 3. Сравнение МБД на оксиде ванадия (VOx) и аморфном кремнии (alpha-Si)

Параметр	VOx	Alpha-Si
Номинальный импеданс	100 КОм	1 МОм
Наименьший размер пикселя	25	30
ТКС (температурный коэффициент сопротивления), %	-2,5	-2,5..-5,0
Температура детектора	Переменная	Переменная
Температурный диапазон, °С	-40..+55 или -20..+70	0..+60
Нестабильность изображения	Легкая	Сильная
Чувствительность, мК	30	100

По решению заказчика работа выполняется для МБД на основе оксида ванадия, что, исходя из данных приведенных выше, наиболее соответствует климатическим и технологическим условиям эксплуатации будущего устройства.

1.4.3 Анализ и выбор технологий и решений

В современном мире существует всего несколько производств, способных обеспечить наукоемкое и высокотехнологичное производство конвекционных светочувствительных элементов.

Таблица 4 содержит в себе перечень производителей, а также технологий, на которых специализируются данные компании.

Таблица 4. Производители неохлаждаемых датчиков и используемые ими технологии

Производитель	VOx	Alpha-Si	Ферроэлектрик
DRS	+	-	-
FLIR Systems (Indigo)	+	-	-
ICC	-	+	-
Raytheon	+	+	+
ITC	+	-	-
ULIS	-	+	-
BAE Systems	+	-	-
i3System, Inc	+	+	+

Разработка производится на основе МБД произведенного компанией i3System. Данная компания специализируется на производстве всего спектра инфракрасных чувствительных элементов.

В настоящее время большинство производителей МБД используют в качестве основы оксид ванадия, постепенно отказываясь от остальных технологий. Ранее, заказчик использовал МБД производства компании ULIS на основе аморфного кремния, однако был вынужден отказаться от данной технологии в связи со снятием с производства используемого на тот момент МБД и невозможностью обеспечения работы устройства в неблагоприятных температурных и технологических условиях таких, как отрицательные температуры и высокая нестабильность изображения, пагубно влияющих на конечные показания с тепловизионных камер в климатических условиях нашей страны.



1.5 Выбор методов и средств для разработки системы обработки сигналов

1.5.1 Аппаратная составляющая

В первую очередь необходимо определиться с методами и средствами для решения следующих задач:

1. разработка структурной схемы модулей системы;

2. подготовка сборочных чертежей;

3. проведение моделирования устойчивости модулей системы к тепловым и механическим нагрузкам;

4. разработка плат, обеспечивающих коммутацию системы.

Для визуализации принципа работы тепловизионной камеры, для которой ведется разработка модуля, была составлена структурная схема (рис. 3), объясняющая взаимосвязи между различными компонентами модуля и оператором, удаленно управляющий тепловизионной камерой. Существуют различные ПО, которые содержат функционал, необходимый для реализации данной задачи. Среди самых распространенных вариантов можно отметить draw.io [6] и MicrosoftVisio. Обе программы разработаны для формирования профессиональных схем и диаграмм, но каждая имеет свои достоинства и недостатки (табл. 5).

Таблица 5. Сравнение ПО для реализации структурной схемы

Параметр	draw.io	Microsoft Visio
Журнал изменений	-	+
Шаблоны	-	+
Совместная работа	+	+
Настройки доступа	+	+
Платформы
Цена	Бесплатно	Подписка на 365 Office

В таблице 5 можно заметить, что MicrosoftVisio превосходит своего конкурента по некоторым показателям, но в связи с тем, что при разработке структурной схемы не требуются какие-либо шаблоны, то данный критерий не является критичным. Также, определяющим фактором выбора ПО - является цена, которая у MicrosoftVisio составляет равную подписке 365 Office. В связи с этим, для вышеназванной цели был выбран инструмент draw.io, сочетающий в себе широкие возможности по дизайну векторной графики, а также возможность облачного хранения готовых схем.

В ходе отправки, смоделированной в программе PCAD 2006 [7], системы на производство, необходимо составить сборочные чертежи модуля. Данное ПО было использовано с целью унификации документооборота на предприятии заказчика. «Сборочный чертеж-- вид конструкторской документации, документ, содержащий изображение сборочной единицы и другие данные, необходимые для ее сборки и контроля на производстве.» [8] Предприятие, где было реализовано производство плат, требовало сборочные чертежи в формате pdf или dxf. Последний формат является общепринятым для обмена графической информацией между САПР, так как данный формат представляет собой модель изделия в форме чертежа, что позволяет воспринимать данные модели и изменять их в соответствии с задачами решаемыми различными САПР, например, создание 3d-моделей в AutoCad или разработка сборочного чертежа печатной платы в AltiumDesigner.При модернизации модели блока питания обнаружилось наличие сборочных чертежей в формате pdf, а также готовых топологий в программе PCAD 2006, которые были представлены заказчиком, что резко увеличило скорость проектирования модернизированной печатной платы блока питания. Из-за необходимости минимальной модернизации исходного блока питания, было принято решение изменить pdf файлы, а не прибегать к средствам PCAD 2006 для создания сборочных чертежей модернизированной платы формата dxf. Это позволило ускорить процесс отправки конечной модели блока питания в производство и перейти к решению более важных и ресурсоёмких задач. Сборочный чертеж также позволит избежать ошибок при случайном изменении конструкции платы кем-либо на стороне заказчика.

Далее необходимо провести тепловое и механическое моделирование, также проектирование кожуха, который необходим для соединения МБД с объективом с фокусом 50 мм, выданном на производстве. При анализе доступных средств для реализации данной задачи были рассмотрены несколько передовых систем автоматизированного проектирования: AutoCAD, Компас3D, SolidWorksPremium 2017 (табл. 6). Каждая из данных систем имеет свои достоинства и недостатки.

Таблица 6. Сравнительный анализ САПР для моделирования

Параметр	SolidWorks	Компас3D	AutoCAD
3D-моделирование	+	+	+
Тепловое моделирование	+	-	-
Механическое моделирование	+	-	-
3D-моделирование	+	+	+
Поддержка ЕСКД	+	+	+
Интеграция САПР в единую систему электронного документооборота и архива предприятия	Система SWR-PDM/Workflow	САМ-системы	Интеграция с программным комплексом TDMS

В связи с тем, что SolidWorks является единственной программой, из перечисленных, которая имеет возможность проведения необходимого теплового моделирования, а также, из-за того, что данный проект реализуется в рамках учебной лаборатории МИЭМ НИУ ВШЭ, где установлен SolidWorks, то разработка проекта кожуха и произведение теплового и механического моделирования реализовывались именно в нем. Другим критерием также является то, что компания-заказчик требует данную документацию в SolidWorks, по причине хранения всей конструкторской документации в данной программе. Также SolidWorks является подходящим решением, по причине отсутствия компьютера достаточной мощности, необходимого для произведения расчетов, связанных с моделированием.

Одной из задач является проектирование коммутационной платы, обеспечивающей обмен данными между МБД и системой обработки сигналов. Для решения поставленной задачи существует большое количество систем автоматизированного проектирования, такие как: PCAD 2006, NI Multisim, AltiumDesigner, LTspice, Micro-Cap и многое другое. NIMultisim, LTspice и Micro-Capне позволяют создать pcb файл, необходимый для отправки на печать проектируемого объекта. Также, большинство перечисленных систем являются устаревшими и не имеют возможности визуализации 3D-модели. В связи с этим, рассмотрим две оставшиеся программы, представленные в таблице 7. Каждая из данных ПО имеет свои минусы и плюсы[9].

Таблица 7. Сравнительный анализ САПР для топологического проектирования коммутационной платы

Параметр	PCAD 2006	AltiumDesigner	DipTrace	TopoR
Проектирование ПЛИС	-	+	-	-
3D-моделирование	-	+	+	-
Единая информационная платформа	-	+	+	+/-
Поддержка STEP формата	-	+	+	-
Создание сложно-иерархических проектов	-	+	+	-
Модуль предтопологического анализа	-	+	-	-
Автоматизированное создание УГО	+	-	+	-
Наличие учебной литературы	+/-	+	+	+

Из данных, представленных в таблице 7, следует вывод, что оптимальным вариантом для разработки pcb модели коммутационной платы, с последующей отправкой её на печать, является программа AltiumDesigner. Также стоит отметить, что AltiumDesigner является наследником PCAD 2006, именно поэтому все недостатки, которые присутствуют в PCAD 2006 были устранены разработчиком при создании AltiumDesigner. TopoR не соответствует заявленным требованиям, так как данная программа является трассировщиком, поддерживающим файлы, подготовленные в PCAD и не несет никаких дополнительных функций, кроме усовершенствованного алгоритма трассировки, что при разработке нашей коммутационной платы не является достаточным основанием для применения данного ПО. AltiumDesignerбыл выбран так же по той причине, что он был установлен в лаборатории, в которой проводилось проектирование платы, а также из-за большого количества справочной информации в простой и понятной форме (видеолекции).

1.5.2 Программная составляющая

Следующим этапом необходимо решить задачи, связанные с программной составляющей системы, а именно:

1. обоснование выбора инструментальных средств программирования;

2. разработка алгоритмов работы модулей системы;

3. создание и отладка программ для модулей системы.

Плата обработки сигналов состоит из нескольких основных компонентов, для которых необходимо модернизировать программное обеспечение: DSP, ПЛИС и микроконтроллер. Каждая из данных компонентов имеет свои характеристики и предназначены для написания определенного функционала. Так, DSP предназначен для обработки потока входной информации, врезки в нее символов и вывода результатов в буфер. Загрузка программы процессора выполняется во внутреннюю память программ через интерфейс SPI в режиме MASTER. Микроконтроллер необходим для передачи и записи данных от персонального компьютера, используя программатор AVR DRAGON. Также осуществляется запись во FLASH-память для хранения конфигурации ПЛИС. Другими основными задачами являются: управление начальной загрузкой ПЛИС и процессора, управление ЦАП, управление приводом фокусировки. ПЛИС предназначен для реализации входных и выходных буферов и создания временных диаграмм.

DSP является основным компонентом, на который ляжет весь функционал системы, в связи с этим, очень важно выбрать более подходящие инструменты для реализации программной части. Используемая модель процессора ADSP-BF533SBBZ500 [10] понимает такие языки программирования, как Assembler и С.В связи с этим необходимо произвести тщательный анализ выбора языка программирования, по той причине, что такие параметры как объем хранимой программы в памяти системы и скорость выполнения разработанного программного кода, являются важными критериями, так как речь идет об обработке изображения в реальном времени.

Рассмотрим основные достоинства и недостатки каждого из вышеперечисленных языков программирования.

Таблица 8

Сравнительный анализ языков программирования Assembler и C

Критерии	Assembler	C
Простота изучения	+/-	+/-
Вес программы	+	-
Быстродействие компиляции	+	-
Кроссплотформенность	-	+
Прямой доступ к микроконтроллеру	+	-
Простота отладки программы	+/-	-
Обращение с памятью	+	-
Работа с прерываниями	+	-
Многопоточность	+/-	+/-
Требования к оперативной памяти	+	-
Наличие готовых программных решений	+/-	+
Вариативность языка	+/-	+/-

Для более полного понимания различий между Assemblerи Cпри программировании микроконтроллера рассмотрим каждый пункт таблицы подробнее.

Простота изучения.

При изучении как Assembler,так и Cсуществуют свои особенности. C более универсален, так как не требует знания аппаратной архитектуры устройства под которое пишется код, в отличии от Assembler,так же по Cимеется большой объем справочной литературы на различных языках, что снижает порог вхождения в данный язык, а литературы по Assembler на русском языке не так много, поэтому при отсутствии знания технического английского программисту довольно сложно вникнуть в принципы работы определенной модели микроконтроллера.

Если программист какое-то время будет работать с Assembler, ему будет в разы проще переключиться на языки высокого уровня из-за прекрасного понимания методов работы программы на уровне процессора. Если же сначала программист освоит С, то переход на ассемблер будет очень труден из-за большого количества абстракций, используемых в С.

Вес программы.

Программы на ассемблере при компиляции весят в разы меньше по сравнению с программой, выполняющей идентичные функции, написанной на C. Если для современного компьютера, с его объемами памяти, требования к ней не являются столь критичными, то для микроконтроллера объем памяти, занимаемый программой играет огромную роль. Существуют микроконтроллеры у которых памяти настолько мало, что написать для них программу на Cпросто невозможно.

Быстродействие компиляции.

Программы на ассемблере выполняются быстрее чем в C, за счет сокращения времени компиляции, прямого обращения к регистрам, что происходит в разы быстрее чем к памяти, обращение к которой использует C.

Кроссплотформенность.

Из-за отсутствия четко формализованных языковых конструкций для всех моделей микроконтроллеров, программы, написанные на ассемблере для одного семейства контроллеров, сложно переносить на другое, из-за возможной несовместимости языков либо аппаратных особенностей устройств. С в свою очередь структурирован и четко формализован, что позволяет переносить программы без особых проблем, при условии поддержки программ на этом языке.

Прямой доступ к микроконтроллеру.

Assembler позволяет проводить манипуляции напрямую с регистрами, что увеличивает контроль за происходящим и позволяет более тонко настроить написанную программу.

Простота отладки программы.

Если программа удачно скомпилировалась это еще не значит, что она будет работать именно так, как задумывал программист. Возможны такие трудности, как: данные на выходе получаются не такими, какими должны либо программа начинает самопроизвольно перезагружаться.

В таких случаях чаще всего возникает необходимость просмотра данных в системных регистрах на уровне процессора, однако без знания принципов работы Assembler найти ошибку довольно трудно, что увеличивает время, необходимое программисту для решения возникших проблем. Но если представлять себе работу программы на уровне команд, отладка ошибок происходит значительно быстрее.

Обращение с памятью.

Assemblerиспользует регистры памяти, находящиеся в самом процессоре, С же использует оперативную память, обращение к которой происходит значительно медленнее. Так же в Cбез четкого понимания алгоритмов программы зачастую испытывают проблемы при адресации различных типов памяти.

Например, у AVR, как и у большинства микроконтроллеров, память разделена на данные и код, адреса которых находятся в разных адресных пространствах, о чем язык С не представляет, так как он использует некую универсальную конструкцию. В связи с этим программист вынужден вводить различные дополнительные параметры, разобраться в которых без изучения большого объема документации практически невозможно.

Особенно работа с памятью сложна по той причине, что программа будет работать в любом случае, однако, если неправильно указать тип используемой памяти, то оперативная память заполнится константами, и программа выдаст ошибку в самый неподходящий момент, а найти ошибку такого рода без знания Assembler практически невозможно.

Требования к оперативной памяти.

В целом, использование высокоуровневого языка при программировании контроллеров с объемом памяти менее 8 килобайт избыточно. При реализации проектов на таких устройствах рациональнее использовать Assembler, особенно если требуется реализовать достаточно крупный проект, отличающийся от элементарного зажжения светодиодов на плате с последующим их миганием.

При наличии памяти в 8-16 килобайт предпочтение зависит от конкретных задач, а вот написание программы на ассемблере при объеме памяти более 16 килобайт - крайне неэффективно.

Наличие готовых программных решений.

На ассемблере довольно трудно написать полноценную библиотеку, которую можно использовать повсеместно. Этот язык очень жестко привязан к конкретным семействам контроллеров. Он же хорош из-за большого количества готовых библиотек, которые можно очень легко подключать и использовать в своих собственных проектах. Так же алгоритмы, написанные на С намного удобнее читаются и являются более понятными. В программах на С возможен перенос кода, например, с AVR на ARM без больших проблем. Или с AVR на PIC. Однако, для этого необходимо обладать высокой культурой структуризации кода.

Вариативность языка.

ВС присутствует набор компиляторов, которые используют собственные диалектные способы написания кода. Например, CodeVision AVR (CVAVR) который позволяет обращаться к портам кодом, отличным от общепринятых стандартов. Использование диалектов не позволит использовать различные компиляторы при написании программ, использовать целые куски кода, написанного в другой среде разработки.

Использование специфичных средств привязывает к конкретным диалектным структурам и далеко не всегда эти структуры будут поддерживаться всеми микроконтроллерами которые позволяют писать программы для себя на языке С. Отличия ассемблера для различных семейств микроконтроллеров не такие кардинальные. Понимая структуру алгоритмов работы своей программы не составит особого труда переписать программу для использования ее на другом контроллере, имея под рукой список команд, поддерживаемых конкретным контроллером.

Следуя таблице 8, можно сделать вывод, что написанная программа на языке программирования Assemblerимеет такие преимущества, как более быстрое компилирование программного кода, соответственно, функции выполняются быстрее, а также объем хранимого кода меньший, нежели у программы, написанной на С.В связи с этим Assembler является более подходящим вариантом для реализации поставленных задач.

Также следует отметить, что реализация программного кода дляDSP будет выполняться в ПО VisualDSP++ 5.1, так как оно специально разработано для используемой нами серии моделей DSP и его производителем является та же компания, которая изготавливает DSP. Из особенностей данного ПО можно отметить наличие компилятора для Assembler с поддержкой типов данных, профильной оптимизации, поддержка разных типов отладки, таких как: эмуляция, моделирование, скомпилированное моделирование и прочее.

Программа для микроконтроллера, отвечающая за взаимодействие между остальными компонентами и обмен данными между персональным компьютером и МБД, также, как и DSP, реализована на языке программирования Assembler. Для загрузки программы в микроконтроллер используется программатор AVRDragon. Обмен между программатором и системой обработки сигналов производится через интерфейсSPI, с помощью самодельного шлейфа. По той причине, что производителем используемого микроконтроллера является Atmel, то было решено использовать специально предназначенное ПОAtmelStudio, разработанное компанией-производителем, для модели микроконтроллеров серии Atmega128, для минимизации возможных ошибок при компиляции программного кода. Данное ПО имеет такие ключевые особенности, как наличие широкой библиотеки исходного кода, включая драйверы, стеки связи, более 1600 проектов с исходным кодом, графическими сервисами и сенсорными функциями через AtmelSoftwareFramework (ASF).

При разработке функциональной части для ПЛИС было выделено три основных способа написания функционала. Одними из них являются языки программирования VHDLи SystemVerilog[11], третьим способом является реализация схемотехники ПЛИС в программе XilinxFoundationv5. Данное ПО предназначено специально для используемой, в разрабатываемой системе, ПЛИС, а также рекомендовано в использовании компанией-производителем. Программирование ПЛИС с помощью схемотехники требует больше времени, однако данный вариант выигрывает при условии отсутствия глубоких знаний проектировщиком какого-либо языка программирования ПЛИС. Рассмотрим различия между языками программирования VHDLи SystemVerilogв таблице 9.

Таблица 9. Сравнение языков VHDL и SystemVerilog

Особенности	VHDL	SystemVerilog
Объем кода	100%	75%
Алфавит моделирования	9 значений {`U','X','0','1','Z','W','L','H','-'}	4 значения {0,1X,Z}
Логическая сила сигналов	-	8 значений
Системные функции контроля временных соотношений	Assert	8 функций
Атрибуты сигналов	+	-
Количество ключевых слов	97	73
Внешние данные	Для расширения языка используются внешние библиотеки и пакеты	Не имеет подобных возможностей
Различия	Различаются переменные и сигналы	Только переменные, но разных типов: net или register
	Объект проекта	Проектный модуль
	Интерфейс + архитектура	Интегрированное тело модуля
	Раздел описания и исполняемый раздел не пересекаются	Декларации и параллельные операторы размещаются в модели произвольном порядке
	Пользователь может вводить свои типы данных	Язык не позволяет создавать пользователям новые типы данных
	Язык строгой типизации	Данные разных типов совместимы в одном выражении
	Process	Always
	Можно задать несколько архитектур	-
	Не позволяет описывать одновременно минимальные, типичные и максимальные задержки	Позволяет описывать все виды задержек

Таким образом, можно сделать вывод, что основными преимуществами System Verilog являются простота в изучении, наличие обильной инструментальной и библиотечной базы, а также он подходит для синтеза ПЛИС. Среди основных недостатков можно отметить слабые возможности для проектирования на системном уровне, сложности в использовании библиотек и, по причине, что SystemVerilog является интерпретируемым языком, относительно медленное исполнение кода, в сравнении с VHDL. Но в связи с отсутствием глубоких знаний в языках программирования ПЛИС, было принято решение реализации логической части ПЛИС с помощью схемотехники.



2 Практическая часть

2.1 Модернизация электрической принципиальной схемы

Система обработки сигнала, выданная заказчиком на производстве, состоит из двух плат: блок питания и плата обработки. Данные платы были спроектированы в PCAD 2006 для последующей отправки на производство. Данная система была разработана под МБД производителя ULIS в 2007 году. В связи с тем, что компания ULIS сняла с производства, используемые заказчиком МБД и был осуществлен переход на МБД нового поколения от корейского производителя i3System, необходимо произвести модернизацию плат в аппаратной и программной части. В связи с этим, заказчиком были предоставлены документы и файлы, которые необходимы для изучения МБД и нуждающейся в модернизации системы обработки сигналов. В данный перечень документов входили: Datasheetна МБД, сборочные чертежи на разработанную систему обработки сигналов (приложение 1), используемая элементная база (приложение 2), топологии для платы обработки и платы блока питания (рис. 6, 7) и структурно функциональная схема (приложение 3). Данные документы оформлены в соответствии с ГОСТ 2.103-68 [12]. В дальнейшем, при составлении технической документации, необходимой закзачику для производства разработанной системы, будут использоваться следующие стандарты: ГОСТ 2.105-95 [13], ГОСТ 2.109-73 [14], ГОСТ 2.123-93 [15], ГОСТ 2.701-84 [16]. Для удобной работы с предоставленными документами, была произведена конвертация файлов из PCAD 2006 в AltiumDesigner [17].

В ходе изучения предоставленного материала было заключено, что необходима аппаратная модернизация платы блока питания, по той причине, что она разрабатывалась для МБД, у которого входное напряжение равнялось 12 В. Тогда как в Datasheetиспользуемого МБД указано входное напряжение 5 В±10%. В связи с этим, при изучении электрической принципиальной схемы платы блока питания, необходимо осуществить следующую модернизацию: отпаять резисторы R52, R53, R23, R25, R28 и конденсаторов C24и C25, также произведены перемычки в резисторе R24, контактных площадок у конденсаторов C24 и C25, что позволило добиться необходимого напряжения питания.

2.2 Проектирование коммутационной платы

Для соединения системы обработки сигналов, состоящей из платы блока питания и платы обработки сигналов, с МБД, необходимо разработать коммутационную плату. Существует также решение коммутации с помощью шлейфа, но коммутационная плата позволит эргономично расположить систему этажерочным методом. Основной задачей является изучение DatasheetМБД и разъёма на плате обработки для того, чтобы использовать данные о расположении pin-ов и их дальнейшем соединении (табл. 10).

Таблица 10. Распиновка разъемов МБД и платы обработки сигналов

Pin (разъем платы обработки сигналов)	Название	Pin (разъем микроболометрического детектора)
1,2	+5V_ST	1,2,3,4
3,4,12,23,24	GND	7,8,19,20,29,30,39,40,49,50
10	RS232TX	12
13	RS232RX	10
27	EXT_VSYNC	44
29	RDY	14
31	PCLK	42
33	VSYNC	41
34	DATA15	38
35	HSYNC	43
36	DATA14	37
37	DATA13	36
38	DATA9	32
39	DATA12	35
40	DATA7	28
41	DATA11	34
42	DATA5	26
43	DATA10	33
44	DATA8	31
45	DATA3	24
46	DATA6	27
47	DATA2	23
48	DATA4	25
49	DATA1	22
50	DATA0	21

После установления соответствия между pin-ами платы обработки сигналов и МБД, необходимо разработать электрическую принципиальную схему. При разработке схемы применялся ГОСТ 2.702-75[18]. Основываясь на сравнении различных САПР для проектирования печатных плат, проведенном выше, проектирование коммутационной платы было проведено в ПО Altium Designer.Построение схемы в Altium Designer и инвертирование электрической принципиальной схемы в 3D модель возможно только при условии наличия необходимых правильно скомпонованных элементов в библиотеке компонентов проекта. Для реализации данной задачи необходимо было составить библиотеку необходимых элементов (рис.8) [19]. Библиотека состоит из схемотехнического рисунка элемента, а также посадочного места на плате, которая будет использоваться при проектировании 3D модели платы (рис. 9). Также необходимо разработать схему соединения и произвести электрическое моделирование на предмет работоспособности составленной схемы соединения. В дальнейшем необходимо произвести ручную трассировку согласно схеме соединений.

На рис. разъем J1 является разъемом, расположенным на плате обработки сигналов, а J2 - разъем, расположенный на МБД.



Рис. 4. Электрическая принципиальная схема коммутационной платы

На плате также предусмотрены полигоны земли и питания. На печатных платах (PCB) обычно нужны большие участки, покрытые медной фольгой. К примеру, аналоговые схемы должны быть окружены заземленной медью для улучшения помехозащищенности. Массивные, залитые медью области могут проводить через себя большие токи (например, токи питания, как в данном случае). Область цепи земли, соединенная на заливку медью, повышает помехозащищенность (улучшает защиту от EMC). В системе проектирования печатных плат AltiumDesigner области меди можно задавать тремя способами: Fills (заполнения), SolidRegions (сплошные регионы) и PolygonPours (заливка полигонов). Достоинство PolygonPour в том, что она автоматически обтекает вокруг медных объектов, принадлежащих другим цепям - в соответствии с настроенными DesignRules (правилами дизайна) для ElectricalClearance (электрических зазоров) и PolygonConnectStyle (стиль соединения полигона) [20].

Трассировка коммутационной платы была выполнена вручную, та...