Следующим этапом, после успешного построения сетки, было задание материалов, из которых состоят 3D-модели. Все микросхемы были сделаны из пластика общего назначения, резисторы из керамики, плата была сделана из пластика повышенной твердости, генераторы и диоды были изготовлены из меди. Из моделирования были исключены различные разъемы, так как они не выделяют тепла и их использование при моделировании значительно увеличивает время расчетов, а влияние на конечный результат незначительно.

При проведении теплового моделирования платы блока питания, были заданы следующие граничные условия: температура окружающей среды - 50°С (323К), глобальные размеры сетки - 3мм, допуск - 0,0475мм, коэффициент конвективной теплоотдачи - 25Вт/м2. После проведения теплового моделирования были получены следующие результаты. Максимальная температура, достигаемая электронными компонентами платы обработки (рис. 14), в рабочем режиме, -90,3°С, V23 иV20. Данная температура была зафиксирована на микросхеме D7. Средняя температура платы - 76°С. Данная температура входит в диапазон рабочих температур. Минимальная температура - 56°С[36].

На стороне 2 платы обработки (рис. 15) граничные условия соответствуют условиям для стороны 1, кроме: глобальные размеры сетки - 3,5мм, допуск - 0,0475мм.

Максимальная температура 90,8°С на R32, средняя - 77°С, минимальная - 49,8°С.

При проведении теплового моделирования платы блока питания, были заданы следующие граничные условия: температура окружающей среды - 50°С (323К), глобальные размеры сетки - 2,02мм, допуск - 0,1мм, коэффициент конвективной теплоотдачи - 25Вт/м2. Результаты измерения блока питания: максимальная температура компонентов на стороне 1 платы (рис. 16) -89,1°С на компоненте R6, средняя температура на плате-75,9°С, минимальная температура 49,9, непосредственно, на самой плате. Что также удовлетворяет диапазону рабочих температур, указанных в Datasheetкомпонентов.

На стороне 2 блока питания (рис. 17) граничные условия соответствуют условиям для стороны 1, кроме: глобальные размеры сетки - 3,5мм, допуск - 0,0475мм. Максимальная температура 86,5°С на V15, средняя - 70°С, минимальная - 49,8°С.

2.4.2 Механическое моделирование

Для проведения механического моделирования создание новой печатной платы не требовалось, поэтому количество необходимых для моделирования шагов сократилось [37]. Была построена сетка, а также указаны такие граничные условия как предполагаемая высота падения - 2,5м, целевая ориентация - перпендикулярно силе гравитации и время решения после удара, равное 35 мкс, сила тяжести - 9,81м/с2. Данные условия распространяются на обе стороны каждой платы. Более длительное время расчета не было указано, в связи с большими вычислительными мощностями, необходимые SolidWorks для проведения расчетов. Материал компонентов был использован тот же самый, что при проведении теплового моделирования. Расчет результатов занял, приблизительно, 16 часов для каждой платы. В качестве параметра отображения результатов моделирования был выбран параметр смещения элементов относительно своих посадочных мест. Данный параметр позволит наглядно увидеть степень разрушения моделируемого изделия. Наибольшей деформации подвергается та кромка платы, которая непосредственно соприкасается с плоскостью удара.

Из-за малого количества времени решения после удара, программой SolidWorks, плата не была проанализирована полностью. Точный расчет поведения платы в момент удара был произведен только для части платы, находящейся ближе всего к точке удара. Однако, основываясь даже на таких неполных данных можно сделать вывод о том, что при падении незащищенной платы, с заданной высоты (2,5 м), плата приходит в негодность и нуждается в полной замене. Рабочая модель будет находиться на высоте 4,5 м, в связи с чем, для обеспечения большей безопасности изделия в случае падения, а также других внештатных ситуациях, система будет защищена корпусом из монолитного железа, который позволит смягчить ущерб, наносимый устройству.

Также было произведено моделирование корпуса, в котором будет находиться разрабатываемая система. Параметры корпуса, следующие: габариты - 248?440?440мм, материал - серое литое железо, толщина стенок - 4мм, вес -15кг. Граничные условия: высота падения - 4м, сила тяжести - 9,81м/с2, целевая ориентация - перпендикулярно силе гравитации, время расчета - 452,6мкс. Оценка результатов исследования основывалась на ГОСТ В.20.39.304-98[38].

2.5 Расчет надежности

При проведении расчетов надежности изделий электронной техники необходимо пользоваться данными, содержащимися в различных справочниках по надежности. В данных справочниках содержатся различные отличия, «как в структуре представления информации, так и в математических моделях интенсивностей отказов ИЭТ» [39]. При расчете надежности важно знать следующие параметры: время наработки до отказа, температура окружающей среды, приемка, класс оборудования. Расчеты производились в ПО АСОНИКА-К-СЧ, разработанная в лаборатории радиотехники, электромагнитной совместимости и надежности МИЭМ НИУ ВШЭ. Данная программа позволяет проводить расчеты надежности, основываясь на общеизвестных параметрах, без необходимости углубленного понимания процессов расчета данного показателя. Расчет надежности является неотъемлемой частью проектирования аппаратно-программного комплекса, позволяющее оценить время бесперебойной работы устройств, а также определить компоненты, которые необходимо заменить в связи с скорым истечением сроков эксплуатации.

2.6 Модернизация программной части

В связи со сменой заказчиком модели детектора, необходимо произвести модернизацию программной части модулей, для обеспечения совместимости между МБД и системой обработки сигналов. Необходимо произвести изменения в программах для микроконтроллера, DSP и ПЛИС.

2.6.1 DSP

DSP - это специальный микропроцессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов в режиме реального времени. Отличается от обычного центрального процессора увеличенным быстродействием при выполнении типовых арифметических операций. Используемая модель DSP обладает двухъядерным процессором и оперативной памятью объемом 64 Мбайт.

Назначение процессора DSP в данном проекте:

1. программа предназначена для обработки потока входной информации, врезки в нее символов и вывода результатов в буфер;

2. тип процессора - ADSP-BF533SBBZ500;

3. процессор входит в схему PM2_m_p_var5.sch (PCAD2006).

В соответствии с поставленными задачами в процессоре DSP были реализованы следующие пункты.

1. Программа должна быть написана на языке Assembler и снабжена комментариями в объеме, позволяющем постороннему, но технически грамотному специалисту, разобраться в программах и внести, если потребуется, необходимые изменения. Допускается для связывания программных модулей использование языка С;

2. Применение сторожевого таймера обязательно.

Так же была разработана схема работы процессора, представленная на рис.

Рис. 5. Схема работы DSP процессора

Принцип работы DSP.

1. Входная информация состоит из кадра, делящихся на два условных поля.

2. Каждое поле состоит из 240 строк по 320 пикселов в строке, всего 76800 пикселов в поле.

3. Каждый пиксел оцифровывается 12-ти разрядами.

4. В каждом поле пикселы с совпадающими порядковыми номерами одинаковы и отличаются только шумом.

5. Шина вывода PPI предназначена для вывода готовых цифровых данных во внешний интерфейсный блок.

Глобальная циклограмма работы процессора в основном режиме показана на рис.

Рис. 6. Циклограмма работы процессора

Данный процессор способен работать в двух режимах: основном и калибровочном.

Калибровочный режим.

В процессе калибровки вычисляются коэффициент вольтовой чувствительности А и смещение В для каждого пиксела Х и заносятся в SDRAM для использования в основном режиме.

Для начала пусть выполняется по упрощенной процедуре, при которой A=1 для каждого пиксела. Выполняется по командам, поступающим через UART. Команд всего 2: вывод последнего кадра (LAST) и калибровка (CAL).

По команде LAST прекращается обновление выходной информации. Непрерывно выводится последний перед получением команды кадр.

По команде CAL выполняется калибровка. К моменту получения команды внешний контроллер закроет однородной шторкой источник входной информации. Калибровка выполняется однократно, с последующим переходом в основной режим. Для повторной калибровки следует сбросить и вновь подать команду CAL. При снятии команды LAST возобновляется вывод свежей информации.

Основной режим.

После процедуры усреднения следует:

1. произвести процедуру выравнивания;

2. произвести рекурсивную фильтрацию (по внешним командам);

3. построить гистограмму по всем пикселам кадра;

4. электронное увеличение (ZOOM) в два или четыре раза (по внешним командам);

5. выполнить масштабирование яркости кадра для отображения в ручном (от внешних команд) или в автоматическом режимах (от гистограммы);

6. выполнить инверсию выходной информации (по внешней команде);

7. врезать в обработанную информацию перекрестие, уголки, показывающие поле зрения при ZOOM (при наличии внешних команд);

8. сформировать строку служебной информации (по внешним командам и состоянию процессора).

Результатом решения поставленных задач является модернизированная программа для DSP, представленная в приложении 4.

2.6.2 ПЛИС

Принцип работы ПЛИС на разрабатываемой системе.

Тип ПЛИС: XC2S50-5FG256I семейства Spartan-2 фирмы “Xilinx”. ПЛИС состоит из ряда узлов, выполняющих свои задачи и связанных через внешние (по отношению к ПЛИС) устройства. Временные диаграммы и основные параметры изображены на рис.

Рис. 7. Временные диаграммы FPGA

Входной буфер предназначен для приема, буферизации и последующей передачи в процессор входной информации. Объем буфера -320Х2 слов по 12 разрядов. Для такого буфера изображена структурная схема на рисунке 25. Допускается использовать 16-ти разрядную блочную память.



Рис. 8. Структурна схема входного буфера

Резервные сигналы необходимо конфигурировать как неиспользуемые входы.

Глобальная структурная схема ПЛИС представлена на рис.



Рис. 9. Глобальная структурная схема FPGA

Сигнал CLOCK необходим для тактирования входного АЦП, также он повторяет сигнал MASTER_CLOCK и формируется постоянно.Этот же сигнал следует использовать для записи по фронту входной информации в буфер.

Сигнал OTR из входного АЦП сигнализирует о переполнении разрядной сетки. Если OTR равен 1, то все принятые в этот такт данные {IND0…IND11} необходимо установить в 1.

Сигнал PF_IN генерирует прерывание процессора при переполнении буфера. Его длительность составляет 1 так машинного цикла (Tmc). По каждому прерыванию процессор считывает подряд 320 слов из буфера, с помощь сигналов управления AMS0 и ARE.

Для увеличения интервала времени, в течении которого процессор может считать данные из буфера, было решено разбить буфер на две составляющие, причем они работают по очереди в разных циклах сигнала PF_IN. Временные диаграммы сигнала PF_IN и сигналов AMS0, ARE проиллюстрированы на рис.

Рис. 10. Временные диаграммы сигнала PF_IN и сигналов AMS0, ARE

Для исключения конфликтов по прерываниям, сигналы PF_OUT и PF_IN должны иметь постоянный сдвиг по времени на 0.4-1 мкс. По каждому прерыванию процессор записывает подряд 320 слов из буферас помощь сигналов управления AMS1 и AWE.

Результатом решения поставленных задач является модернизированная схемотехника для ПЛИС, представленная в приложении 5.

2.6.3 Микроконтроллер

Программа на микроконтроллере предназначена для общего управления МБД. Тип контроллера - Atmega128L-8AI.

Структура устройства в части, касающейся контроллера, показана на рис.

Рис. 11. Структура микроконтроллера



Контроллер должен работать в двух режимах: режим записи и основной режим.

Основной задачей режима записи является прием от ПК через RS232 программы процессора и конфигурации ПЛИС и запись полученных файлов во FLASH-память.

Задачи основного режима.

1. Управление начальной загрузкой (при подаче питания) конфигурации ПЛИС и программы процессора.

2. Удержание постоянной температуры матрицы c помощью элемента Пелетье.

3. Управление процессом калибровки матрицы, включая управление заслонкой.

4. Прием и обработка команд управления от ПК через RS232, исполнение принятых команд, управление процессором через USART, передача в ПК ответной посылки.

При включении питания необходимо анализировать регистр IO_3. При условии, если IO_3 равен 1, то следует перейти в основной режим работы микроконтроллера и выполнить начальную загрузку. В этом случае, повторная проверка OI_3 не требуется. В том случае, если IO_3 равняется 0, то потребуется перейти в режим записи файлов во FLASH-память, и также не проверять OI_3 в дальнейшем. При этом, стоит учесть, что в настройках необходимо проставить скорость обмена через RS232, во всех случаях, 9600.

Управление процессом калибровки матрицы.

Калибровка выполняется только в основном режиме и автоматически выполняется при начальном включении, затем, при необходимости, по внешней команде. Управление калибровкой производится подачей команд в процессор через USART и управлением заслонкой как изображено на рисунке. Показанное на рисунке состояние закрытой заслонки устанавливается сигналами USH+ и USH-. При этом, USH- всегда равен 0, USH+ равен 1 для закрытой заслонки и USH+ равен 0 для открытой заслонки.

Рис. 12. Схема калибровки заслонки по внешней команде

Управление приводом фокусировки.

Управление выполняется по внешним командам FOC+, FOC-, FOCSP. Для управления формируются сигналы FOC_ON - включить привод фокусировки, FOC_DIR - направление перемещения механизма фокусировки, FOC_SP - ускоренное перемещение механизма фокусировки. Команды FOC+, FOC - транслируются в процессор для индикации. Выход FOC_SP равен 1, при наличии внешней команды FOC_SP, иначе он будет равен 0. Команды исполняются только в основном режиме, согласно таблице11.

Таблица 11. Соответствие команд по фокусировке и состояний выходов

Внешниекоманды	Состояние выходов
	FOC_ON	FOC_DIR
FOC+	1	1
FOC-	1	0
FOC0	0	0



3 Экспериментальная часть

Результатом работы над программной частью являются модернизированные программы для DSP, ПЛИС и микроконтроллера, которые реализуют следующие функции.

1. Контроллер - предназначен для передачи и записи данных от персонального компьютера, применяя программатор AVR DRAGON. Также осуществлена запись во FLASH-память для хранения конфигурации ПЛИС. Другими основными задачами являются: управление начальной загрузкой ПЛИС и процессора, управление ЦАП, управление приводом фокусировки;

2. Процессор ADSP - предназначен для обработки потока входной информации, врезки в нее символов и вывода результатов в буфер. Загрузка программы процессора выполняется во внутреннюю память программ через порт SPI в режиме MASTER;

3. ПЛИС - предназначен для реализации входных и выходных буферов и создания временных диаграмм.

Результатом работы над аппаратной частью системы является разработанный прототип системы. Все компоненты конечного устройства были спроектированы в различных САПР и в последствии реализованы в виде реальных деталей на различных производствах. Фотографии изготовленных элементов, а именно блока питания, кожуха и коммутационной платы представлены на соответствующих рисунках. Тепловизионная камера, основанная на данной разработке, будет применяться для обеспечения безопасности на железнодорожных путях.



Заключение

В результате выполнения выпускной квалификационной работы были выполнены следующие задачи.

1. Анализ существующих технических решений.

2. Обоснование выбора структурно-функциональной схемы.

3. Подготовка сборочных чертежей.

4. Разработка алгоритмов работы модулей системы.

5. Проведение моделирования устойчивости модулей системы к тепловым и механическим нагрузкам.

6. Экспериментальное тестирование модулей системы.

7. Расчет надежности системы, используя ПО АСОНИКА-К-СЧ.

8. Разработка плат, обеспечивающих коммутацию системы.

9. Разработана и изготовлена принципиальная схема коммутационной платы, предназначенная для соединения МБД и платы обработки сигналов.

10. Разработан и изготовлен кожух, соединяющий МБД и объектив.

11. Осуществлена модернизация платы блока питания, согласно принципиальной схеме, указанной в DataSheet устройства.

12. Были изготовлены необходимые для коммутации компонентов разъемы, а так же шлейфы, обеспечивающие подачу питания и прием необходимой информации.

13. Смонтирована вся схема.

14. Проведена модернизация программной части системы в соответствии с техническим заданием, полученным от заказчика.

В результате отсутствия синхронизации между МБД и разработанной платой возникают помехи при развертке изображения по строкам. Синхронизация по столбцам присутствует. Данный недостаток планируется исправить к защите.

В дальнейшем планируется унифицировать размер разрабатываемых плат под габариты МБД. Для этого необходимо будет избавиться от некоторых компонентов и, предполагаемо, реализовать программу только лишь на ПЛИС нового поколения.



Перечень сокращений

МБД - микроболометрический детектор

NETD - NoiseEquivalentTemperatureDifference (эквивалентная разница температур)

ПК - персональный компьюетр

САПР - Система автоматизированного проектирования

МКЭ - метод конечных элементов

ПЛИС - программироуемая логическая интегральная схема

DSP - digitalsignalprocessor(цифровой процессор обработки сигналов)

ПО - программное обеспечение

БПФ - быстрое преобразование Фурье

ОС - операционная система

TTL - timetolive (время жизни)

ЦОС - цифровая обработки сигнала

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

MSP - комбинированный преобразователь

ИС - интегральная схема

ТЗ - техничесое задание

ИК-диапазон - инфрокрасный диапазон

DC- постоянный ток

AC - переменный ток

ЕСКД - единая система конструкторской документации

ИЭТ - изделие электронной техники

Приложение

Рис. Структурная схема ПЛИС. Общий вид



Рис. Структурная схема ПЛИС. Часть 1

Рис. Структурная схема ПЛИС. Часть 2



Рис. Структурная схема ПЛИС. Часть 3

Рис. Структурная схема ПЛИС. Часть 4

Размещено на Allbest.ur

...