Контроллер угловой информации

Контроллер угловой информации

Аннотация

В дипломном проекте «Контроллер угловой информации» подробно рассмотрены непосредственно относящиеся к теме диплома требования, предъявляемые к данной аппаратуре, выбрана структурная схема устройства. Исходя из требований к функциональным узлам, в среде САПР MAX+PLUS II был разработан проект, предполагающий использование в качестве основного элемента схемы - ПЛИС семейства FLEX фирмы ALTERA, содержащего в себе всю логическую часть разрабатываемого устройства, а также сделан выбор элементной базы. Так же в одном из разделов диплома разработана и описана принципиальная схема устройства. В пояснительной записке к дипломному проекту дано экономическое обоснование, выполнено сетевое планирование работ и разработаны мероприятия по безопасности жизнедеятельности.

Перечень сокращений

СБИС - сверхбольшие интегральные схемы,

ПЛИС - программируемые интегральные микросхемы,

САПР - система автоматизированного проектирования,

МАИ - малые азимутальные импульсы,

АС - аппаратура сопряжения,

АПД - аппаратура передачи данных,

АПОИ- аппаратура первичной обработки информации.

Введение

В настоящее время, в связи с быстрыми темпами развития цифровой техники, число функций, возлагаемых на современное радиолокационное оборудование, сильно увеличивается, системы становятся более надежными, появляются возможности самоконтроля, что значительно упрощает процесс их использования и позволяет в случае возникновения каких-либо отклонений от нормального режима работы немедленно оповестить обслуживающий персонал.

В связи с большим числом требований, предъявляемых к радиолокационной аппаратуре, ее разработка ведется разными КБ, результатом работы которых является отдельные устройства, выполняющие свои строго определенные функции. Кроме того, процесс изменения или добавления определенных узлов аппаратуры вызывает иногда необходимость доработки других, сопряженных с ними устройств.

Все вышесказанное вызывает необходимость к созданию определенных устройств,позволяющих сформировать по определенным входным воздействиям, сигналы, с которыми должны работать следующие узлы радиолокационной аппаратуры.

Темой данного дипломного проекта является разработка электрической принципиальной схемы и маркировочного чертежа устройства, предназначенного для сопряжении датчиков антенны обзорного радиолокатора, являющимися преобразователями ВАЛ-КОД, с двумя комплектами АС, АПД, АПОИ и функционирующего под воздействием различных сигналов управления.

1. Анализ ТЗ

Согласно техническому заданию, необходимо разработать устройство, связывающее датчики антенны с аппаратурой передачи данных, сопряжения и первичной обработки информации.

По ТЗ устройство должно функционировать под различными внешними и внутренними сигналами управления и формировать сигналы ТТЛ уровней специальной формы, целесообразно выполнить его с использованием цифровой техники. В качестве основного элемента, выполняющего все основные логические функции, можно выбрать микропроцессор или ПЛИС, либо выполнить схему на цифровых дискретных элементах.

Рассмотрим каждый из методов отдельно.

Микропроцессор имеет небольшое число портов ввода вывода, кроме того, создание для него программы, выполняющей заданные в ТЗ функции, является непростой задачей и написание ее на языке низкого уровня может вызвать огромные трудности.

При использовании дискретных цифровых элементов появляется множество других проблем. Это и сильное усложнение схемы, связанное с очень большим числом логических элементов, уменьшение ее надежности, увеличение габаритных размеров всего устройства в целом, что является недопустимым с точки зрения заданных в ТЗ требований на разрабатываемое устройство.

Оптимальным выбором для создания схем, выполняющих сложные функции, является использование ПЛИС. Это связано с рядом достоинств их перед различными другими СБИС. Современные ПЛИС обладают огромными возможностями: некоторые из них имеют внутреннюю емкость порядка 100000 вентелей или несколько тысяч логических элементов, кроме того большинство микросхем имеют возможность функционировать, используя пониженное напряжение питания - 2.5 В, причем количество входов и выходов некоторых ПЛИС достигает 1000.

Остановим свой выбор на ПЛИС фирмы ALTERA, так как эти микросхемы являются наиболее доступными и имеют небольшую стоимость, относительно ПЛИС других фирм. Кроме этого фирма ALTERA выпускает целый ряд различных по возможностям и стоимости микросхем, благодаря чему появляется возможность выбора микросхемы исходя из заданных требований. Помимо вышесказанного использование микросхем фирмы ALTERA позволяет создавать проект внутри микросхемы с помощью специальной САПР, характеризующейся простотой и большими функциональными возможностями.

2. Составление структурной схемы устройства

Анализа ТЗ показал большие возможности, открывающиеся при использовании ПЛИС, поэтому все основные логические функции устройства возложим именно на нее.

Согласно ТЗ, устройство должно работать с сигналами, идущими с двух оптических датчиков ЛИР-158А, являющимися преобразователями ВАЛ-КОД. Так как в ТО на оптические датчики сказано, что их выходными сигналами являются сигналы стандартных ТТЛ уровней, а большинство ПЛИС фирмы ALTERA работают именно с такими сигналами, то для их согласования не потребуется никаких дополнительных преобразователей уровня.

Наличие парафазных входных сигналов позволяет осуществлять работу от любого из них при пропадании другого, поэтому в качестве приемников парафазных сигналов, согласно рекомендации на оптические датчики будем использовать микросхемы AM26LS32 фирмы ANALOG DEVICES, осуществляющих преобразование парафазных сигналов в один прямой.

Так как выходной ток микросхемы является небольшим, передачу формируемых, согласно ТЗ, сигналов МАИ и СЕВЕР будем осуществлять через дополнительные буферные каскады усиления для обеспечения нормальной работы АС, АПД и АПОИ. Таким образом, учитывая все вышесказанные характеристики, составим обобщенную структурную схему устройства (смотри рисунок 1).

3. Составление функциональной схемы проекта внутри ПЛИС 3.1

3.1 Использование сигнала UВ

Так как находясь на открытой местности (во избежание сильного изменения диаграммы направленности), антенна обзорного радиолокатора подвержена значительным колебаниям ветра, которые в свою очередь оказывают отрицательное воздействие на работу устройства и могут вызвать ошибки в его работе, была применена простая схема, позволяющая избежать вышеуказанные недостатки. Схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема формирования сигнала U АB

Помимо сигналов UA, UR, с двух преобразователей ВАЛ - КОД (датчиков ЛИР-158А) на вход ПЛИС поступают сигналы UB, являющийся сдвинутым на четверть периода сигналом UА.

Как видно из рисунка 2, на тактируемый вход CLK D триггера подается сигнал UА, а сигнал не-UB - поступает на вход D, осуществляя игнорирование любого изменения сигнала UА, пока не закончится импульс UА. Таким образом, срабатывание триггера происходит по фронту сигнала UA, а сбрасывание - по одновременному появлению сигналов не-UА и UB на входе CLRN триггера смотри рисунок 3.

Рисунок 3 - Временные диаграммы формирования UAB

3.2 Выбор частоты синхронизации

Так как для реализации многих функций устройства (самоконтроль, формирователь импульсов, имитатор, формирователь управляющих сигналов питания датчиков) требуется тактирующий сигнал, выбор его частоты осуществим из следующих положений: Исходя из требований ТЗ, устройство должно формировать импульсы заданной длительности 40 ±8 мкс и имеющие определенное взаимное расположение смотри рисунок 4.

Рисунок 4 - Временные диаграммы формируемых импульсов

Обычно хорошей точностью считается превышение заданных характеристик хотя бы на порядок, выберем длительность импульсов синхронизации равной 1 мкс, таким образом, длительность сформированных сигналов составит 40 ±1 мкс. Так как входной синхросигнал имеет частоту 20 MHz, составим схему деления импульсов на 20, смотри рисунок 5.

Рисунок 5 - Функциональная схема делителя частоты

На рисунке 5 представлена схема деления частоты на 20. Входной сигнал частотой 20 MHz поступает на синхронизирующий вход пяти разрядного счетчика. Блок CLK 5 осуществляет формирование строба через каждые 10 импульсов синхронизации с длительностью равной 50 нc (20 MHz) Выходные стробирующие импульсы поступают на синхронизирующий вход триггера, результатом работы которого является меандр частотой 1 MHz, смотри рисунок 6.

Рисунок 6 - Временные диаграммы формирователя частоты синхронизации

3.3 Контроль входных сигналов

Алгоритм контроля входных сигналов построен следующим образом: устройство должно осуществлять проверку входящих сигналов на основе данных об расположении импульсов UАВ и UR, положение которых в нормальном состоянии должно соответствовать рисунке 7.

Рисунок 7 - Временные диаграммы расположения входных сигналов

Так как сигнал UR несет в себе информацию о направлении антенны обзорного локатора на СЕВЕР, то его пропадание может вызвать нарушения в работе локатора, таким образом, необходимо осуществлять контроль данного сигнала, и, при возникновении неисправности, сигнализировать обслуживающий персонал о его исчезновении и осуществлять автоматическое переключение на другой оптический датчик, использующийся для резерва.

Согласно ТО на обзорный радиолокатор, скорость вращения антенны является величиной не постоянной и зависит от большого числа факторов таких как: скорость ветра, температура окружающей среды и т.д. Кроме того, при включении привода локатора выход антенной системы в рабочий режим происходит не мгновенно. Все эти факторы влияют на то, что период следования сигнала UR постоянно меняется. Согласно ТО, нормальным режимом работы локатора считается режим, при котором скорость вращения антенны составляет 1 оборот за 6 с.

Сигнал UА несет в себе азимутальную информацию и состоит из набора 4096 импульсов характеризующих изменение угла на 8 минут, поэтому по пришествию импульса UR, необходимо осуществлять их подсчет и сформировать сигнал аварии при несоответствии их числа 4096-ти, а также осуществить переключении на работу от второго оптического датчика, при необходимости.

Так как контролировать сигналы нужно по разным параметрам, целесообразно разделить функцию контроля входных сигналов на два отдельных модуля:

Модуль SEVER _ 1,

Модуль MAI _1.

Модуль SEVER_1

Структурная схема модуля SEVER_1представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структурная схема модуля SEVER_1

Модуль SEVER _1 организуем таким образом: Так как скорость вращения антенны локатора не статична будем осуществлять ожидание появления сигнала UR в течение 30 с, что эквивалентно 5-и оборотам антенны при номинальном темпе обзора, составляющем 1 оборот за 6 с. По истечении этого срока будем формировать сигнал УХУДШЕНИЕ, а также сигналы управления датчиками (выключение первого оптического датчика, включение второго оптического датчика). При возникновении невозможности резервирования (вышли из строя 2-а датчика) будем формировать сигнал АВАРИЯ.

Модуль SEVER _1 представляет собой написанную на языке AHDL программу [1]. Заголовок модуля содержит объявленное заранее значение константы Т _ ZAD, несущее в себе информацию о значении до которого досчитал второй счетчик, и необходимое для быстрого изменения условий работы алгоритма.

Формирование необходимой паузы в 30 с организуем с помощью двух 16-и разрядных счетчиков COUNT _ 1 _ 1 и COUNT _ 2_ 1 на синхронизирующие входы которых подадим синхроимпульсы частотой 1 МГц для первого и старший разряд первого счетчика - для второго соответственно. Таким образом, для формирование необходимой паузы, второй счетчик должен досчитать до числа 458, при возникновении которого с помощью D триггера D2 _1 формируется строб STROB _SEVER _ 1, по которому осуществляется формирование сигнала VCC _ DATCHIK _ 1, управляющего работой оптического датчика смотри рисунок 9 (Здесь, для наглядности, показан один счетчик, и частота синхронизации увеличена в 100 раз). При появлении сигнала UR, счетчики сбрасываются, и цикл ожидания повторяется заново смотри рисунок 10. Помимо вышесказанного, сигнал управления питанием датчика - VCC _DATCHIK _1 формируется не в любое время (по возникновению STROB _ SEVER _1), а во избежания формирования искаженного импульса, только после окончания действия сигналов UAB и UR, благодаря JK триггеру D1_1, сброс которого осуществляется сигналом управления WORK смотри рисунок 11. Кроме того, функционирование модуля SEVER _1 осуществляется под воздействием внешних сигналов управления:

WORK-Работа,

USTIROVKA -Юстировка,

MU - Местное управление.

При включении режима WORK осуществляется нормальная работа схемы и контроль входных сигналов. В режиме USTIROVKA или MU - контроль сигналов не функционирует и режим формирования сигналов УХУДШЕНИЕ и АВАРИЯ не происходит. Помимо этого в режиме USTIROVKA схема автоматически устанавливает сигнал VCC _DATCHIK 1 в положение, соответствующее работе первого оптического датчика.

Рисунок 9 - Временные диаграммы формирования сигнала, управляющего питанием первого датчика

Рисунок 10 - Временные диаграммы сброса счетчиков сигналом UR

Рисунок 11 - Временные диаграммы формирования сигнала VCC _ DA TCHIK _ 1 по сигналу STROB _ SEVER _1 и UAB

Контроль расположения импульсов UА осуществим иначе:

В паспорте на оптический датчик (ЛИР-158А) сказано о возможности изменения числа импульсов 4096 в переделах ±15 импульсов, то по возникновению данной ситуации будем формировать строб отклонения числа импульсов от заданного. При сильных изменениях в числе импульсов UАв будем формировать сигнал АВАРИЯ, и устанавливать сигнал VCC DATCHIK 1, управляющий работой первого датчика, в положение выключено.

Модуль MAI__1

Структурная схема работы модуля MAI _ 1 представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Структурная схема работы модуля MAI _ 1

Модуль MAI _1 представляет собой программу, написанную на языке

AHDL [1] и предназначенную для работы с сигналами, идущими с первого оптического датчика. В заголовке программы добавим обозначения констант.

NUM _ MAI _ МАХ (максимально допустимое число импульсов UАВ),

NUM _ MAI _ NORM (Нормальное число импульсов UАВ),

NUM _ MAI _ MIN (минимально допустимое число импульсов UАВ).

Изменение данных величин, по необходимости, позволяет быстро осуществить изменение условий работы модуля MAI _1. В качестве основных элементов программы являются два счетчика импульсов:

Страницы: 1, 2, 3, 4