Субблок модуля управления МПС

В настоящее время разрабатывается все больше и больше устройств, основной функцией которых является управление работой различных систем и их отдельных частей. Такие устройства повышают точность и надежность системы в целом, т.к снижают влияние человеческого фактора. В случае применения устройств управления оператор лишь ведет визуальный контроль над работой устройства, а не участвует в непосредственном управлении системой. Это позволяет допускать к работе с оборудованием персонал, не нуждающийся в особо длительной подготовке, т.к процессорное устройство берет на себя основную задачу по управлению системой. Нагрузка на оператора значительно снижается, что позволяет работать длительное время без необходимых продолжительных периодов отдыха.

Существующие аналоги реализовывались на большом количестве печатных плат, что приводило к удорожанию и уменьшению надежности. Появление и повсеместное внедрение микроконтроллеров позволяет упростить, повысить надежность и уменьшить затраты в сфере производства.

1. Исследовательская часть

Назначение устройства.

Ячейка является микропроцессорным устройством, предназначенным для управления работой модуля управления МПС. Модуль управления предназначен для работы в составе модуля МПС 16 и является микропроцессорным устройством управления. Модуль управления обеспечивает прием и передачу информации по стыкам С2 и "Провод-сигнал".

В ячейке осуществляется прием и обработка информации, поступающей с системной шины данных D0-D15. Также ячейка осуществляет диагностику ячеек памяти 2, входящих в модуль управления МПС, и системной шины во время эксплуатации.

Основные технические характеристики.

Геометрические размеры платы 209Ч240Ч15,5 мм (ДЧВЧШ)

Масса платы 250 г.

Масса ЭРЭ 45 г.

Номинальное напряжение питания - 5 В.

Максимальное значение переходного сопротивления контакта между элементами заземления и корпусом изделия не должно быть более 600 мкОм в местах непосредственного соединения деталей между собой при допускаемой погрешности измерения ±10%.

Величина сопротивления изоляции электрических цепей изделия должна быть не менее 20 МОм для нормальных климатических условий, 1 МОм для условий с повышенной температурой и влажностью.

Температура окружающей среды +5 ч +40 єС.

Давление от 60 до 107 кПа (от 450 до 800 мм рт. ст).

Относительная влажность не более 80% при температуре не более 25 єС.

Запыленность окружающей среды не более 0,75 мг/смІ.

Гарантийная наработка изделия на отказ - 9000 часов в пределах гарантийного срока эксплуатации.

Срок службы изделия - 15 лет.

Требования сохранности: назначенный срок хранения изделий должен быть не менее 12 лет при хранении в упакованном виде по ГОСТ В9.001 в легких условиях хранения в отапливаемых хранилищах в соответствии с ГОСТ В9.003.

Среднее время восстановления изделий должно быть не более 30 мин.

Состав и описание принципа функционирования.

В состав ячейки модуля управления МПС входят:

микропроцессор М1810ВМ86;

синхронизатор, построенный на основе генератора тактовых импульсов М1810 ГФ84 и кварцевого резонатора на 12288 кГц;

контроллер системной шины, реализованный на микросхеме М1810ВГ88;

регистр-формирователь шины адреса системной шины, реализованный на микросхемах 580ИР82;

буфер-усилитель шины адреса внутренней шины ячейки ЯМ101, реализованный на микросхемах 1533АП5;

формирователь системной шины данных, реализованный на трех микросхемах 580ВА86 (D15-D17);

формирователь внутренней шины данных ячейки ЯМ101, реализованный на двух микросхемах 580ВА86 (D23 и D24);

селектор адреса;

таймер 580ВИ53;

контроллер прерываний М1810ВИ59А;

ПЗУ, реализованное на двух микросхемах М573РФ4А, каждая микросхема емкостью 64К;

схема формирования тактов ожидания (удлинения цикла процессора) по запросу внешних устройств и при выполнении команд ввода-вывода;

схема управления индикаторами РАБОТА, ТЕСТ.

Из ячейки ЯМ101 на системную шину поступают:

сигнал системного сброса "RESET";

адреса обращения к памяти и портам ввода-вывода устройства У101: А0 - А19;

сигналы управления "IOR. ", "IOW", "MEMW", "MEMR", "AEN";

данные D0-D15;

тактовая частота OSC 12288 кГц (для выработки частоты синхронизации приемопередатчиков стыков С2).

При включении электропитания генератор тактовых импульсов формирует сигнал "RESET". По окончании сигнала "RESET" на выходе генератора тактовых импульсов формируются - сигнал готовности системы к работе "READY" и серии тактовых импульсов: CLK - для процессора и контроллера системной шины, PCLK - для системного таймера, OSC - для контроллеров последовательного интерфейса ячеек ЯМ104. Получив сигнал "READY" процессор формирует обращение к ПЗУ ячейки ЯМ101 по адресу FFFF0.

Обращение к памяти или портам ввода - вывода происходит следующим образом. Управляющие сигналы "SO" - "S2" из процессора поступают в контроллер системной шины М1810ВГ88,Исходя из состояния управляющих сигналов "SO" - "S2", контроллер М1810ВГ88 вырабатывает сигнал управления данного типа цикла шины (см. таблицу 1) и сигналы:

стробирования адреса "ALE";

сопровождения данных "DEN";

управления шинными формирователями "DT/R".

Таблица 1

На шину адрес - данные процессор выставляет адрес обращения к памяти или порту ввода/вывода. Адрес фиксируется в регистрах 580ИР82 по стробу "ALE". Затем на шину процессора адрес - данные поступают данные: при записи - из процессора, при чтении - из памяти или от внешних устройств. Управление шинными формирователями данных системной шины осуществляется по двум входам. По входу управления направлением передачи - сигналом "DT/R" из контроллера М1810ВГ88. По входу управления третьим состоянием:

для старшего байта данных (разряды D8 - D15) - сигналом "DEN";

для младшего байта данных (разряды DO - D7) - сигналом "DEN" и сигналами адресации к младшему байту данных "А0"=0, "ВНЕ"=И, либо сигналами "DEN" и "INTA" - при обслуживании запроса на прерывание.

Шинный формирователь D16 обеспечивает передачу старшего байта данных по нечетному адресу.

Шинный формирователь внутренней шины данных D24 всегда открыт для передачи младшего байта данных. Управляется он по входу управления направлением передачи. На системную шину и далее В процессор поступает младший байт данных DO - D7 из устройств ячейки модуля управления МПС при чтении портов ввода/вывода, обслуживании прерываний или обращении к ПЗУ ячейки. В остальных случаях данные с системной шины поступают на вход устройств ячейки.

Основания выбора элементной базы.

Для снижения массогабаритных показателей, повышения надежности, упрощения технологии изготовления и облегчения работы с устройством возникает необходимость в построении схемы устройства ввода - вывода на базе ИМС большой степени интеграции и использование программируемых микроконтроллеров.

Выбор конкретных элементов определялся их техническими, конструкционными и эксплуатационными характеристиками, а также тем, что данное изделие проходит военприемку и использование элементной базы регламентировано заказчиком.

Указания по эксплуатации.

Эксплуатация изделия должна осуществляться в соответствии с требованиями в эксплуатационной документации на ячейку модуля управления МПС.

Требования по транспортировке и хранению.

Транспортирование изделия должно производиться в упаковке в закрытых автомобилях по дорогам с асфальтобетонным и цементным бетонным покрытием на расстояние до 1000 км. По дорогам с булыжным покрытием и грунтовым дорогам на расстояние 250 км со скоростью до 40 км/ч, в железнодорожных вагонах, герметичных кабинах авиатранспорта в средних условиях по ГОСТ РВ20.39.309.

Изделие должно храниться в отапливаемых складских помещениях, защищающих изделие от воздействия атмосферных осадков, на стеллажах или в упаковке, при отсутствии в воздухе паров кислот, щелочей и других агрессивных примесей.

Краткая характеристика аналога (плата КП 51).

Геометрические размеры платы 480 мм - 140 мм

Масса платы 360 г.

Масса ЭРЭ 64 г.

Номинальное напряжение питания - 5 В.

Температура окружающей среды +5 ч +35 єС.

Давление от 86 до 106 кПа (от 645 до 795 мм рт. ст).

Относительная влажность не более 75% при температуре не более 25 єС.

Гарантийная наработка изделия на отказ - 8000 часов в пределах гарантийного срока эксплуатации.

Срок службы изделия - 8 лет.

Описание работы изделия

Устройство управления КП - 51 представляет собой микроконтроллер на базе ОЭВМ1830 ВЕ31. Устройство управления предназначено для организации связи блока КБ5 с моноканалом через порт ОЭВМ, сигнализации связи блока КБ5 со стыком RS 232 с универсальным синхронно - асинхронным приемопередатчиком. Данное устройство обладает функцией самотестирования. В состав устройства управления входят ядра тактовых импульсов, регистры памяти, дешифратор адресов внешних устройств, буфер условий и регистра индикаций. Особенностью ОЭВМ1830 ВЕ31 является расширенное адресное пространство.

Генератор тактовых импульсов Д-3 выполнен на базе микросхемы 1810 ГФ - 84. Он формирует тактовые импульсы с частотой 11 МГц. Делитель Д - 10 делит частоту сигнала генератора тактовых импульсов. Выходной сигнал делителя синхронизирует передатчик УСАПП. Регистры микросхем D-16, D-17 предназначен для хранения младших 8 бит адреса ВУ. Запись в регистр производится задним фронтом сигнала "ALE". Дешифратор адресов внешних устройств Д-7, Д-12, Д-18, Д-23 разделяет адресное пространство ЭВМ следующим образом:

0000Н…07FFH - адреса ПЗУ

0000H…1FFFH - адреса ОЗУ

4000H - адреса УСАПП

2000H - адреса буфера условий и регистра индикаций.

При разомкнутых контактах 13 и 60 разъема Х1 ЭВМ работает со штатных ПЗУ, а при замкнутых контактах с отладочным ПЗУ.

Буфер условия Д-8 предназначен для организации чтения ОЭВМ переменных программ, которые устанавливаются переключателями на плите коммутации. К переменным программы относятся: индивидуальный адрес блока КЕ-5 и ЛСПД, групповой адрес блока КЕ-5 и ЛСПД.

Узел рестарта Д11 предназначен для перезапуска ОЭВМ при сбое программы. Узел представляет собой последовательность внешних одновибраторов. Одновибратор запускается после общего сброса ОЭВМ. Если происходит "зависание" программы, одновибратор не перезапускается и на его выходе формируется переход из логического "0" в логическую "1" и запускается второй одновибратор, который формирует сигнал сброса ОЭВМ.

После каждого сброса ОЭВМ анализирует по какой причине произошел сброс, опрашивая выход первого одновибратора.

УСАПП D29 выполнен на микросхеме 530 ЕВ51А. УСАПП работает в асинхронном режиме передачи данных со скоростью 19200 бод длиной сигнала 8 бит и числом стоп-бит 1. Частота синхроимпульсов УСАПП 1,843 МГц, а частота синхронизации приемника и передатчика 307,2 кГц. Сигнал с выходов готовности приемника и передатчика поступают соответственно "0" и "1" внешних адресов. В стыке RS 232 использованы сигналы УСАПП "RxE" (вход внешнего устройства), "TxD" (выход передатчика), "CTS" (готовность приемника) и "RTS" (запрос приемника). Выход УСАПП "DTR" (запрос передатчика) объединен со входом "DSR" (готовность передатчика).

Коммутатор последовательного порта ОЭВМ управляется сигналом "замкнуть шлейф МК" с порта П0 ОЭВМ. Если шлейф разомкнут, на вход приемника ОЭВМ поступает сигнал с выхода приемного устройства КП53.

усилитель сигнала линии связи стыка RS232 D22 выполнен на микросхеме 170 УП2. Микросхема питается от источника напряжения +5 В, пороговое напряжение +2,5 В. Формирователь сигнала линии связи стыка RS 232 D30 выполняется на микросхеме 170 АП2. Сигнал "замкнуть шлейф RS232" поступает на вход разрешения микросхемы. При самотестировании устройства управления КП51 уровни сигналов на входах разрешения формирования сигналов равны логическому "0" и сигналы от УСАПП в канал RS 232 поступают.

Краткая характеристика аналога (блок КБ 7/1)

Геометрические размеры платы 550 мм - 250 мм

Масса платы 420 г.

Масса ЭРЭ 130 г.

Номинальное напряжение питания - 12В.

Температура окружающей среды +5 ч +30 єС.

Давление от 86 до 106 кПа (от 645 до 795 мм рт. ст).

Относительная влажность не более 65% при температуре не более 25 єС.

Гарантийная наработка изделия на отказ - 5000 часов в пределах гарантийного срока эксплуатации.

Срок службы изделия - 6 лет

Описание работы изделия

Изделие позволяет произвести автоматическое подключение выходов ДП ЛФС к РПУ и выполнить автоматический контроль подключения. Выходные сигналы от ЛФС поступают на стойку КС1, где к ним примешиваются контрольные сигналы, а затем на стойку усиления КС3, имеющую 16 входов и выходов. Стойки между собой соединяются ВЧ кабелями. Обмен сигналами блока с внешними устройствами осуществляется по каналам 01, 02, Ж2, Р1, ДУ1, ДУ2. Управление коммутатором КБ 7/1 организуется при формировании команд на коммутацию оператором поста. Сформированная команда Ф1 выдается блоком КБ 2, который организует доведение этой команды до блока КБ 7/1. При получении команды Ф1 блок КБ 7/1 (при отсутствии блокирования пульта блока) организует подключение согласно полученному коду управления, после чего формирует ответное сообщение Ф6, по результатам выполнения команды и выдает его в КБ 2.

Алгоритм блока КБ 7/1 реализует следующие функции:

обработка сигнала, введенного оператором с клавиатуры и формирование команды управления на стойку КС1;

задание режимов работы блока по командам оператора;

организация обмена сообщениями с блоком КБ 2;

индикацию номера подключенной ДН соответствующему РПУ на световых индикаторах;

приемом кодов управления с внешнего управляющего комплекса Ж - 5 и формирования соответствующих команд управления коммутацией на стойку КС1.

Устройство ДУ 1, ДУ 2 являются управляющими внешними устройствами для КБ 7/1. Максимальное количество подключаемых ВУК ДУ1 определяется количеством входов блока КБ 7/1.

Взаимодействие составных частей изделия осуществляется посредством соответствующих протоколов взаимодействия. Каждый протокол представляет собой набор правил, определяющих поведение взаимодействующих функциональных элементов системы.

Сравнительный анализ признаков разрабатываемого технического объекта с признаками аналогов. Выбор прототипа, обоснование заключения

Разрабатываемое изделие будем сравнивать с двумя аналогами, взятыми на базовом предприятии ОАО "СКТБР".

Сравнивая изделия по массогабаритному показателям, делаем вывод, что блок КБ 7/1 значительно превышает показатели разрабатываемой ячейки и КП 51 (420г, 250г и 360г соответственно).

Несмотря на очевидные достоинства и недостатки рассмотренных устройств, проведя предварительное сравнение можно сделать выбор прототипа, которым будет плата КП 51, так как данное устройство ближе всего подходит к разрабатываемому объекту по наибольшему количеству признаков (массогабаритный показатель, климатический, надежность и др.)

Более точное сравнение с выбранным прототипом будем производить по следующим критериям:

Длина разрабатываемой ячейки (209 мм - 240 мм) более чем в 2 раза меньше, чем у платы КП 51 (480 мм - 140 мм), а ширина, наоборот, больше (ячейка модуля управления МПС: 240 мм; КП 51: 140 мм). Но при этом площадь платы разрабатываемой ячейки (500 смІ) меньше площади платы КП 51 (670 смІ). Вследствие этого можно сделать вывод, что масса платы прототипа будет больше, так как они изготовлены из одного материала.

Масса ЭРЭ: несмотря на то, что оба устройства построены на базе микроконтроллера, КП 51 имеет несколько большее количество ЭРЭ (дешифратор адресов внешних устройств, делитель частоты и др.). Масса ЭРЭ КП 51 = 64 г > массы ЭРЭ платы разрабатываемой ячейки = 45 г.

По номинальному напряжению питания оба устройства идентичны - 5 В.

Расхождения по температуре окружающей среды не значительны: разрабатываемая ячейка (+5 ч +40 єС) и КП 51 (+5 ч +35 єС).

Диапазон давлений также несколько различен. Ячейка модуля управления МПС: от 60 до 107 кПа (от 450 до 800 мм рт. ст); КП 51: от 86 до 106 кПа (от 645 до 795 мм рт. ст).

По допустимой относительной влажности устройства имеют несколько отличающиеся требования: ЯМУ МПС (не более 80% при температуре не более 25 єС) и КП 51 (не более 75% при температуре не более 25 єС)

По требованиям к запыленности окружающей среды для изделия КП 51 информации не было найдено, сравнение не может производиться.

Гарантийная наработка на отказ разрабатываемой ячейки - 9000 часов в пределах гарантийного срока эксплуатации, а для КП 51 - 8000 часов.

Срок службы изделия КП 636 - 15 лет, КП 51 - 8 лет. Данный фактор не может быть решающим, так как в настоящее время аппаратура развивается очень стремительно, и она может стать устаревшей намного раньше окончания гарантийного срока службы.

Выводы по результатам анализа.

В ходе нашей работы мы провели сравнительный анализ разрабатываемого объекта (ЯМУ МПС) с двумя аналогами. Далее был выбран прототип (КП 51) - это изделие наиболее близко по своим характеристикам к разрабатываемому объекту.

Плата ЯМУ МПС имеет значительные преимущества по следующим критериям: массогабаритный показатель лучше чем у КП 51 в 1,44 раза, надежность превышает КП 51 на 1000 часов работы и 7 лет эксплуатации, требования по климатическим условиям у КП 51 более жесткие (+5 ч +35 єС у прототипа и +5 ч +40 єС у разрабатываемого объекта), электрические параметры (по номинальному напряжению питания оба устройства идентичны, но разрабатываемый объект обладает энергопотреблением в 1,8 раза меньше, чем у прототипа, что в настоящее время является весьма важным фактором). Ячейка модуля управления МПС на данный момент является лидером в данной группе устройств. В отличие от аналогов ячейка удовлетворяет более жестким требованиям по целому ряду параметров, наиболее важными из которых являются: массогабаритный и надежностный.

1.3 Вывод