Разработка блока контроля кренов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обоснование необходимости разработки аналога блока контроля кренов

1.1 Назначение и принцип действия БКК-18

Блок контроля кренов предназначен для сравнения сигналов крена трех авиагоризонтов и выдачи сигнализации при отказе любого из них, а также выдачи сигнализации о достижении самолетом предельного крена на взлете и посадке 15?, на маршруте 33?.

Все существующие авиагоризонты и гировертикали по характеру выдачи информации об углах крена и тангажа можно разделить на две группы:

- выдают сигналы на постоянном токе (ЦГВ-4);

- выдают сигналы на переменном токе (АГД-1СК).

На самолёте Ту-134А применена смешанная схема (две ЦГB-4, один АГД-1с), на всех остальных самолётах (Ту-154, Як-42) информация выдается на переменном токе (МГВ-1CK; МГВ-СУ).

Блок БКК-18 может быть использован в составе любой системы авиагоризонтов, но имеет некоторые отличия в работе в зависимости от конкретной схемы авиагоризонтов (АГ).

Принцип контроля авиагоризонтов основан на сравнении сигналов крена с авиагоризонтов (?) с достоверным сигналом (?_ср), пропорциональным среднему значению сигналов крена от трех АГ при исправной работе, или от двух исправных АГ, после отказа одного из них.

Если разность сигналов (? - ?_ср) < 7? ± 2?, авиагоризонт считается исправным.

Для повышения надёжности блок имеет двукратное резервирование - используется два одинаковых канала, которые работают одновременно.

1.2 Принцип работы блока контроля кренов БКК-18 на самолете ТУ-154М

Сигнал крена с левого авиагоризонта (с СКТ ПКП-1 сер. 2 левого пилота) подается на вход усилителя низкой частоты (У1) и фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ1) и, далее, на вход кворум элемента и пороговый элемент. Сигнал крена с правого авиагоризонта (с СКТ ПКП-1 сер. 2 правого пилота) аналогично подаётся на вход усилителя низкой частоты (У3) и фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ3) и, далее, на вход кворум элемента и пороговый элемент.

Так как АГР-72А не имеет датчика сигнала крена, сигнал крена - подается с МГВ-1СК №1 на вход усилителя низкой частоты (У1).

Потенциометр в цепи обратной связи служит для регулировки коэффициента усиления (крутизны сигнала). После усиления подаётся на фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ1), где преобразуется в сигнал постоянного тока и через схему широтно-импульсного модулятора (ШИМ) аналогично поступает на вход кворум элемента и пороговый элемент.

ШИМ исключает влияние погрешности, связанной с изменениями напряжений питания потенциометров датчиков и сельсина датчика.

На кворум элементе формируется достоверный сигнал и поступает на вход всех трех пороговых элементов.

Если разность сигналов (_ср. - ) не превышает 7°, авиагоризонты считаются исправными. От сигнализатора нарушения питания СНП-1 через нормально замкнутые контакты реле ВКК-18 подаётся питание на электромагниты бленкеров «АГ» приборов ПНП-1. Бленкеры убраны.

При отказе авиагоризонта (допустим левого) на входе ПЭ2 разность сигналов (_ср. - _лев.) больше 7, с выхода порогового элемента снимается сигнал, усиливается в усилителе мощности УМ2 и вызывает размыкание контакта реле и отключение питания от бленкера. На ПНП-1 выбрасывается бленкер «АГ», сигнализируя об отказе авиагоризонта. Аналогично работает схема при отказе правого авиагоризонта.

Для исключения ложного срабатывания сигнализации отказа выдается с задержкой времени (1 сек), а для обеспечения «запоминания» отказа канал индикации отказов КИО (пороговый элемент, КЭ, усилитель постоянного тока), охвачен положительной обратной связью (ПОС).

При одновременном или последовательном отказе двух авиагоризонтов, на входе всех трёх пороговых элементов разность (_ср. - ) будет больше 7?. Выдается сигнализация отказа всех трёх авиагоризонтов.

Сигнализация предельного крена обеспечивает канал предельного крена (КПК), при достижении сигналом ?_ср. величины 15?. Порог срабатывания переключается автоматически подачей сигнала с сигнализатора скорости ССА-2-3 при скорости 280 км/ч. Сигнал ?_ср. поступает на диодный ограничитель ДО и далее на релейный усилитель РУ, который срабатывает, если ?_ср. больше допустимого. С усилителя мощности подаётся питание на табло «левый крен велик» или «правый крен велик» и включается звуковая сигнализация. Сигнализация отключается при уменьшении угла крена. (В октябре 1984 г. МГА и Минавиапром СССР приняли решение №132-Г-84 о выпуске бюллетеня по исключению звуковой сигнализации БКК-18.)

Для проверки работоспособности предусмотрен «тест-контроль». При нажатии переключателя «тест БКК» подаются сигналы на вход УНТ канала правого АГ, и ШИМ канала резервного АГ, и на вход КПК. При этом выдаётся сигнализация отказа всех авиагоризонтов и сигнализация предельного левого, правого кренов. Одновременно сигналы отказов поступают в устройство сигнализации исправности УСИ (состоит из логической схемы «И» и релейного усилители РУ), и если все ПЭ выдали отказ, УСИ подаёт питание на лампочку «Испр.БКК».

Для возвращение схемы в исходное состояние (снятие памяти) применено устройство автоматического обнуления (УАО), которое после окончания тест контроля, а также после восстановления напряжения переменного тока формирует импульс. Он поступает на вход всех ПЭ, возвращая схему в исходное состояние. Сигнализация отказов отключается.

Для удобства технического обслуживания УАО (устройство автоматического обнуления) запускается также нажимным выключателем «Обнуление», расположенным в тех отсеке рядом с БКК (пользуются в процессе настройки).

При отказе основных авиагоризонтов выпадают бленкеры «АГ» на ПКП-1 сер. 2; при отказе МГВ-1СК №1 загорается табло «Отказ МГВ контр.» на передней приборной доске.

Переключение порогов срабатывания канала предельного крена осуществляется автоматически:

- при включенном выключателе «Подг. посадки» на приставке ПН-5 (САУ-154-2) на высоте 250 м по сигналу радиовысотомера;

- при отключенном выключателе «Подг. посадки» на взлете при скорости 340 км/ч, при заходе на посадку при скорости 280 км/ч сигнализатором ССА-2-3.

1.3 Анализ отказов и неисправностей БКК-18

На самолете неисправность любого блока устраняется их заменой. После снятия, неисправный блок проверяется на соответствие НТП, и если подтверждается неисправность, то при наличии гарантии составляется рекламация и блок отправляют на завод-изготовитель, если нет гарантии, то устраняется неисправность путем замены отказавших элементов.

Характерные отказы и неисправности:

1) воздействие на цепи БКК-18 электромагнитных полей, при нарушении экранировки высокочастотных кабелей радиопередатчиков;

2) выход из строя пороговых элементов;

3) пробои диодов;

4) уменьшение сопротивления резисторов в следствие из старения;

5) выход из строя усилителей;

Приведем примеры инцидентов с участием самолетов Ту-154М за последние несколько лет, взятых из ежемесячных бюллетеней Межгосударственного авиационного комитета, связанных с отказами, могшие повлечь авиационное происшествие:

30.05.78 г. Ил-62 МГУ ГА. В полете при включении УКВ «Ландыш-20» на передачу сработала сигнализация отказа всех авиагоризонтов. Причиной отказа АГ явилось нарушение контактирования экранировки кабеля в высокочастотном разъеме БКК-18.

28.01.92 г. Ту-154Б-2 RA-85248. Неисправность приборного оборудования. Разрегулированы пороги срабатывания БКК-18.

06.12.95 г. Ту-154Б RA-85164. Потерпел крушение самолет Хабаровского объединенного авиаотряда. Одной из причин катастрофы стало уменьшение эффективности сигнализации «крен велик», связанное с исключением соответствующей звуковой сигнализации (бюллетень №154-3717 Б4-Г от 01.07.86 г.), что привело к значительному запаздыванию экипажа в распознавании развития особой ситуации.

5.09.2006 г. Ту-154М RA-85813. В наборе высоты, в процессе первого разворота, произошло выпадение бленкеров отказа авиагоризонтов левого и правого летчиков и загорелось табло «Отказ МГВ контр». После инцидента, в процессе поиска неисправности было обнаружено снижение питающего напряжения между фазами АС и ВС в РК 36В правой до 10,5В. Причиной снижения напряжения явилось попадание жидкости в разъем Ш14 КС-2. Попадание жидкости вызвало подгар и коррозию, что привело к образованию «паразитной цепи» между ножками внутри разъема. Данная ситуация привела к ложной настройке порогов срабатывания блока БКК-18 перед вылетом. Изменение напряжения настройки БКК-18, а также разная скорость отработки следящих систем крена на ПКП левого и правого пилотов в связи с разными условиями напряжения питания привели к срабатыванию БКК-18 с выпадением бленкеров АГ на обоих ПКП и загоранию табло «Отказ МГВ контр» при первом же развороте самолета.

Как видно из приведенных сведений, отказы БКК-18 на разных самолетах происходят. Это делает разработку данного аналога целесообразной и экономически выгодной, т. к. повышение надежности позволит авиакомпаниям экономить деньги на повторном обслуживании самолетов и отсутствии задержки рейсов.

1.4 Обоснование выбора типа микроконтроллера в качестве элементной базы для разработки аналога блока контроля кренов БКК-18

Микроконтроллеры быстро и, по видимому навсегда, прочно завоевали место в нашем мире. Сложно сейчас представить какое-либо устройство, не использующее микроконтроллеры. Микроволновые печи, часы, DVD-плееры, управляющие цепи самолетов и космических кораблей и много другое: все они содержат микроконтроллеры различной сложности исполнения.

Микроконтроллеры являются мощными средствами автоматизации и миниатюризации. Сочетая в себе мощность аналоговых устройств, а в большинстве случаев и превосходя их, они предоставляют в наше распоряжение огромную производительность, и самое главное, компактность.

Быстрое развитие микропроцессорной техники позволило осуществлять обработку информации и управление процессами перенести в реальное время, одновременно уменьшив габариты и размеры управляющих устройств. Примером таких устройств могут служить Flash-плееры, мобильные телефоны, жесткие диски компьютеров и т.д.

Проведя анализ рынка отечественных разработок в области микроэлектроники, приходим к выводу, что на данный момент отечественной промышленностью не выпускаются микроконтроллеры, пригодные для изготовления проектируемого устройства. Поэтому, целесообразно использовать микроконтроллеры иностранных производителей.

На современном рынке присутствует множество фирм и компаний, выпускающих микроконтроллеры - от миниатюрных, с ограниченным набором периферии, стоящих менее доллара, до промышленных, с огромным набором встроенных устройств, большим быстродействием, и стоящих тысячи долларов. В настоящее время на рынке представлены микроконтроллеры таких фирм, как AKM Semiconductor, Advanced Micro Devices (AMD), Alliance Semiconductor, Austin Semiconductor Inc. (ASI), Atmel, Catalyst Semiconductor Inc. (CSI), Cypress Semiconductor, Eon Silicon Devices, Fairchild Semiconductor, Fujitsu Microelectronics, Hitachi Semiconductor, Holtek, Hyundai, Intel, Integrated Silicon Solution Inc. (ISSI), Macronix (MX), Microchip, Micron Technology, Mitsubishi, Mosel Vitelic, Motorola, NexFlash, National Semiconductor, Philips Semiconductor, Ramtron, Rohm, Samsung, Seiko Instruments, Siemens, Silicon Storage Technology (SST), SGS-Thomson (ST), Summit Microelectronics Inc., Texas Instruments (TI, TMS), Winbond, Xicor.

У каждого из типа микроконтроллера есть свои преимущества и недостатки. Проведем сравнительный анализ самых распространенных микроконтроллеров одного класса ведущих фирм-производителей, наиболее распространенных у нас в стране. В качестве основного критерия отбора микроконтроллеров было выбрано простота в освоении, цена и скорость работы. Результаты представлены в Приложении 1.

Исходя из Приложения 1 для разработки своего устройства я выбрал микроконтроллер фирмы Atmel AT90S2333. Он сочетает в себе быстродействие, большой объем памяти и достаточный набор периферии при относительно низкой цене.

Микроконтроллер Atmel AT90S2333 является 8-разрядным микроконтроллерам, предназначенными для встраиваемых приложений. Микроконтроллер изготавливается по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения показателей быстродействие / энергопотребление. Благодаря тому, что подавляющее большинство команд выполняется за один такт, быстродействие этого микроконтроллера может достигать значения 1 MIPS (миллионов операций в секунду) на 1 МГц тактовой частоты.

Рис. 1.1. Расположение выводов микроконтроллера

На рисунке 1.1 представлено расположение выводов микроконтроллера Atmel AT90S2333.

Более подробно о расположении и назначении выводов написано в [11].

Основные особенности микроконтроллера:

- возможность вычислений со скоростью до 1 MIPS/МГц;

- FLASH-память программ объемом 2 Кбайт (число циклов стирания / записи не менее 1000);

- память данных на основе статического ОЗУ (SRAM) объемом 128 байт;

- память данных на основе EEPROM объемом 128 байт (число циклов стирания / записи не менее 100000);

- возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных (в EEPROM);

- программирование в параллельном (с использованием программатора) либо в последовательном (непосредственно в системе через последовательный SPI-интерфейс) режимах;

- различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор,
внешний сигнал синхронизации или внешний резонатор (пьезокерамический или кварцевый);

- наличие нескольких режимов пониженного энергопотребления.

Основными характеристиками центрального процессора микроконтроллеров рассматриваемого семейства являются:

- полностью статическая архитектура; минимальная тактовая частота равна нулю;

- АЛУ подключено непосредственно к регистрам общего назначения;

- большинство команд выполняется за один машинный цикл;

- многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерываний;

- от 3 до 16 источников прерываний (из них до 2 внешних);

- наличие программного стека.

Основными характеристиками подсистемы ввода / вывода являются:

- программное конфигурирование и выбор портов ввода / вывода;

- каждый вывод может быть запрограммирован как входной или как выходной независимо от других;

- входные буферы с триггером Шмитта на всех выводах;

- возможность подключения ко всем входам внутренних подтягивающих резисторов (сопротивление резисторов составляет 35… 120 кОм);

- нагрузочная способность всех выходов составляет до 20 мА, что позволяет непосредственно управлять светодиодными индикаторами.

Микроконтроллер AT90S2333 обладает достаточно развитой периферией:

- 8-разрядный таймер / счетчик с предделителем (таймер Т0);

- 16-разрядный таймер / счетчик с предделителем (таймер Т1);

- 8-разрядный таймер / счетчик с возможностью работы в асинхронном режиме (таймер Т2);

- сторожевой таймер (WDT);

- одно- или двухканальный 8-разрядный генератор сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

- одноканальный 8-разрядный генератор сигнала с ШИМ;

- аналоговый компаратор;

- 10-разрядный АЦП (6 каналов);

- полнодуплексный универсальный асинхронный приемопередатчик (UART);

- последовательный синхронный интерфейс SPI.

Ядро микроконтроллера выполнено по усовершенствованной RISC (enhanced RISC) архитектуре (Рис. 1.2), в которой используется ряд решений, направленных на повышение быстродействия микроконтроллера.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее все вычисления, непосредственно подключено к 32 рабочим регистрам, объединенным в регистровый файл. Благодаря этому АЛУ выполняет одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл) за один машинный цикл.



Рис. 1.2. Архитектура ядра микроконтроллера AT90S2333

Микроконтроллер AT90S2333 построен по Гарвардской архитектуре, которая характеризуется раздельной памятью программ и данных, каждая из которых имеет собственные шины доступа к ним. Такая организация позволяет одновременно работать как с памятью программ, так и с памятью данных. Разделение шин доступа (Рис. 1.1) позволяет использовать для каждого типа памяти шины данных различной разрядности, а также реализовать конвейеризацию. Конвейеризация заключается в том, что во время исполнения текущей команды производится выборка из памяти и дешифрация кода следующей команды.

В отличие от RISC-микроконтроллеров других фирм, в микроконтроллере AT90S2333 используется 2-уровневый конвейер, а длительность машинного цикла составляет всего один период колебаний кварцевого резонатора. В результате он может обеспечивать ту же производительность, что и RISC-микроконтроллеры других фирм, при более низкой тактовой частоте.

Структурная схема микроконтроллера приведена в Приложении 2.

Организация памяти микроконтроллера выполнена по Гарвардской архитектуре, в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но также и шины доступа к ним. Причем память данных состоит из трех областей: регистровая память, статическое ОЗУ и память на основе EEPROM. В связи с тем, что peгистровая память находится в адресном пространстве ОЗУ, об этих двух областях памяти обычно говорят как об одной. Каждая из областей (ОЗУ и EEPROM) расположена в своем адресном пространстве.

Обобщенная карта памяти микроконтроллера AT90S2333 приведена на рисунке 1.3.

Следует заметить, что поскольку микроконтроллер имеет 16-разрядную систему команд, объем памяти программ на рисунке 1.3 указан не в байтах, а в 16-разрядных словах; символ «$» перед числом означает, что это число записано в шестнадцатеричной системе счисления.

Рис. 1.3. Карта памяти микроконтроллера AT90S2333

Память программ предназначена для хранения команд, управляющий функционированием микроконтроллера. В памяти программ хранятся также различные константы, не меняющиеся во время работы программы. Память программ в микроконтроллере представляет собой стираемое ППЗУ (FLASH-ПЗУ). Поскольку все команды занимают в памяти 16 бит (некоторые - 32 бита), память программ имеет 16-разрядную организацию. Соответственно, объем памяти составляет 1024 разрядных слова.

Для адресации памяти программ используется счетчик команд (PC - Program Counter). Размер счетчика команд составляет от 9 до 12 разрядов в зависимости от объема адресуемой памяти.

По адресу $000 памяти программ находится вектор сброса. После инициализации (сброса) микроконтроллера выполнение программы начинается с этого адреса (фирма «Atmel» рекомендует размещать по этому адресу команду относительного перехода к инициализационной части программы). Начиная с адреса $001 располагается таблица векторов прерываний. Ее размер составляет 13 векторов. При возникновении прерывания после сохранения в стеке текущего значения счетчика команд происходит выполнение команды, расположенной по адресу соответствующего вектора. Поэтому по этим адресам располагаются команды относительного перехода к подпрограммам обработки прерываний.

Если в программе прерывания не используются или запрещены, то основная программа может начинаться непосредственно с адреса $001.

Память данных микроконтроллера разделена на три
части: регистровая память, оперативная память (статическое ОЗУ) и энергонезависимое ЭСППЗУ (EEPROM).

Регистровая память включает в себя 32 регистра общего назначения (РОН), объединенных в регистровый файл и служебные регистры ввода / вывода (РВВ). Размер регистровой памяти фиксирован и для всех моделей составляет 96 байт, соответственно под РОН отводится 32 байта, а под РВВ - 64 байта.

В области регистров ввода / вывода расположены различные служебные регистры (регистр указателя стека, регистр состояния и т.п.), а также peгистры управления периферийными устройствами, входящими в состав микроконтроллера. Общее количество РВВ зависит от конкретной модели микроконтроллера.

Для хранения переменных программ вместе с регистрами также можно использоваться статическое ОЗУ объемом 128.

Для хранения данных, которые могут изменяться в процессе настройки и функционирования готовой системы (калибровочные константы, серийные номера, ключи и т.п.), может быть использована EEPROM-память. Ее объем составляет 128 байт. Эта память расположена в отдельном адресном пространстве, а доступ к ней осуществляется с помощью определенных РВВ.

Прежде всего следует отметить, что в отличие от микроконтроллеров других производителей, в которых адресное пространство памяти разбивается на несколько банков, в микроконтроллерах AVR семейства Classic используется линейная организация памяти. Объем статического ОЗУ микроконтроллера AT90S2333 составляет от 128 байт.

В адресном пространстве ОЗУ также расположены все регистры микроконтроллеров, под них отведены младшие 96 адресов. Остальные адреса отведены под ячейки статического ОЗУ.

Как известно из [4], микроконтроллеру для работы требуется сигнал синхронизации (тактовый сигнал). В качестве источника тактового сигнала в данной модели микроконтроллера может использоваться только внешний сигнал синхронизации.

Вся работа микроконтроллера управляется прерываниями. Именно благодаря этому гибкому и мощному механизму микроконтроллер своевременно может реагировать на различные состояния.

Прерывание прекращает нормальный ход программы для выполнения приоритетной задачи, определяемой внутренним или внешним событием микроконтроллера. При возникновении прерывания микроконтроллер сохраняет в стеке содержимое счетчика команд PC и загружает в него «адрес» ответствующего вектора прерывания. По этому адресу должна находится команда относительного перехода к подпрограмме обработки прерывания Кроме того, последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда RETI, которая обеспечивает возврат в основную программу и восстановление предварительно сохраненного счетчика команд.

Поскольку источниками прерываний являются различные периферийные устройства микроконтроллеров, количество прерываний зависит от конкретной модели.

Микроконтроллеры AVR семейства Classic имеют многоуровневую систему приоритетных прерываний. Младшие адреса памяти программ начиная с адреса $001 отведены под таблицу векторов прерывания. Каждому прерыванию соответствует свой адрес в этой таблице, и именно этот адрес загружается в счетчик команд при возникновении прерывания. Положение вектора в таблице определяет также и приоритет соответствующего прерывания: чем меньше адрес, тем выше приоритет прерывания. Размер таблицы зависит от модели микроконтроллера и составляет от 2 (адреса $001, $002) до 16 (адреса $001…$010) векторов. Распределение таблицы векторов прерываний микроконтроллера AT90S2333 приведено в табл. 1.

Таблица 1

Источник	Описание	№ адреса
INT0	Внешнее прерывание 0	$001
INT1	Внешнее прерывание 1	$002
TIMER1 CAPT	Захват таймера / счетчика Т1	$003
TIMER1 COMP	Совпадение таймера / счетчика Т1	$004
TIMER1 OVF	Переполнение таймера / счетчика Т1	$005
TIMER0 OVF	Переполнение таймера / счетчика Т0	$006
SPI, STC	Передача по SPI завершена	$007
UART, RX	UART, прием завершен	$008
UART, UDRE	Регистр данных UART пуст	$009
ADC	Преобразование АЦП завершено	$00B
EE_RDY	EEPROM, готово	$00C
ANA_COMP	Аналоговый компаратор	$00D

Если в программе прерывания никогда не используются, то на месте таблицы векторов прерываний может быть размещена основная программа.

Рассмотрим принцип обработки прерываний.

Для разрешения прерываний флаг I регистра SREG должен быть установлен в «1». А разрешение или запрещение (маскирование) отдельных прерываний производится установкой или сбросом соответствующих разрядов регистров масок прерываний, рассматриваемых ниже. Обработка прерываний осуществляется следующим образом:

- при выполнении условий, необходимых для генерации прерывания, соответствующий этому прерыванию флаг устанавливается в «1», а флаг I аппаратно сбрасывается, запрещая тем самым обработку следующих прерываний. Однако в подпрограмме обработки прерывания этот флаг можно будет установить в «1» для разрешения вложенных прерываний;

- если прерывание разрешено (флаг разрешения прерывания установлен), в счетчик команд загружается адрес вектора соответствующего прерывания ($002…$010). При этом флаг прерывания аппаратно сбрасывается. Ряд флагов прерываний может быть также сброшен записью лог. «1» в разряд регистра, соответствующий флагу. Если же прерывание запрещено (флаг разрешения прерывания сброшен), флаг прерывания остается в состоянии лог. «1» до разрешения прерывания (в этом случае он будет сброшен аппаратно), либо до программного сброса этого флага;

- выполняется подпрограмма обработки прерывания;

- выполняется команда возврата из прерывания RETI, при этом флаг I аппаратно устанавливается в «1», разрешая обработку последующих прерываний;

- центральный процессор автоматически восстанавливает содержимое счетчика команд. Затем основная программа продолжает свое выполнение с того места, где она была прервана.

При вызове подпрограмм обработки прерываний содержимое регистра состояния SREG не сохраняется. Поэтому пользователь должен самостоятельно запоминать содержимое этого регистра при входе в подпрограмму обработки прерывания (если это необходимо) и восстанавливать его значение перед вызовом команды RETI.

Следует помнить, что для прерываний, вызванных статическими событиями (например, для прерывания, генерируемого при равенстве содержимого счетного регистра и регистра сравнения таймера), флаг прерывания устанавливается только в момент возникновения события. Если флаг прерывания сброшен, а условия генерации прерывания присутствуют, флаг будет установлен только в момент возникновения следующего события.

С другой стороны, для внешних прерываний, генерируемых по уровню, флаги не предусмотрены, поэтому информация об этих прерываниях будет храниться до тех пор, пока присутствует событие, вызывающее прерывание.

Микроконтроллер AT90S2333 поддерживает очередь прерываний. Она работает следующим образом: если условия генерации одного или более прерываний возникают в то время, когда флаг общего разрешения прерываний сброшен (все прерывания запрещены), соответствующие флаги устанавливаются в «1» и остаются в этом состоянии до установки флага общего разрешения прерываний. После разрешения прерываний выполняется их обработка в соответствии с приоритетом.

Время отклика для любого прерывания составляет 4 машинных цикла. В течение первых двух машинных циклов происходит сохранение счетчика команд в стеке, а в течение следующих двух циклов выполняется команда перехода к подпрограмме обработки прерывания. Причем если прерывание произойдет во время выполнения команды, длящейся несколько циклов, то генерация прерывания произойдет только после выполнения этой команды. Под временем отклика здесь понимается время, прошедшее от наступления события (от установки флага прерывания) до выполнения первой команды подпрограммы обработки прерывания.

Возврат в основную программу также занимает 4 машинных такта. После выхода из прерывания процессор всегда выполняет одну команду основной программы прежде, чем обслужить отложенное прерывание.

Как видно, выбранный микроконтроллер обладает широким спектром обработчиков прерываний, что делает его гибким при разработке устройства.

Непременным атрибутом современных микроконтроллеров является наличие одного или нескольких режимов, обеспечивающих уменьшение энергии, потребляемой микроконтроллером от источника питания. Этот момент особенно актуален при разработке автономных устройств. Микроконтроллер AT90S2333 поддерживают три различных режима пониженного энергопотребления: Idle, Power Down и Power Save. Эти режимы часто называют одним словом - «спящий» режим. Каждый из этих режимов позволяет значительно сократить энергопотребление в периоды бездействия микроконтроллера. В зависимости от используемого режима отключается различное количество систем микроконтроллера. Соответственно различным будет и уменьшение потребляемой энергии. Вход в этот режим осуществляется путем использования команды SLEEP. При «пробуждении» микроконтроллера (при выходе из «спящего» режима) производится его реинициализация.

Подводя итоги, можно выделить несколько причин необходимости разработки аналога блока контроля кренов БКК-18 на базе микроконтроллера фирмы ATMEL:

1) стареющая элементная база;

2) массогабаритные размеры блока;

3) доработка звуковой сигнализации в целях повышения безопасности полетов;

4) высокая надежность;

5) малая стоимость;

6) распространенность данного типа самолета по всему миру.

2. Разработка технических требований

2.1 Требования к аналогу блока контроля кренов БКК-18

Проектируемый аналог блока контроля кренов БКК-18 в процессе эксплуатации должен обеспечивать:

- при выходе из строя (неисправности) давать возможность использования для востановления его работоспособного состояния широкой номенклатуры расходных материалов широкого употребления, как возможных заменителей в различных условиях ремонта;

- иметь малое время готовности к работе;

- датчики угла крена и проектируемое устройство должны быть запитаны от одного источника;

- иметь надежность выше, чем оригинальный блок БКК-18, безотказная работа которого реально составляет приблизительно 3500 часов;

- иметь малые габариты и вес.

Технические требования:

1) напряжение питания постоянным током плюс 27 В плюс-минус 10%, получаемое от бортовой сети постоянного тока самолета;

2) режим работы - продолжительный;

3) температурный режим работы: от минус 60 ?С до плюс 60 ?С;

4) относительная влажность не более 98% при температуре плюс 40 ?С;

5) охлаждение - естественное, за счёт теплообмена с окружающей средой;

6) время готовности к работе - не более 5 секунд после включения напряжения электропитания;

2.2 Хранение и транспортировка

Проектируемое устройство должно хранится в отапливаемых, хорошо вентилируемых помещениях. Температура воздуха должна быть не ниже плюс 10С? и не выше плюс 40С?. Относительная влажность воздуха допускается в пределах 40-70%. В складские помещения не должны проникать газы, способные вызывать коррозию (дым, хлор, пары аммиака и.т. п.).

Транспортировка осуществляется любым транспортом. Не допускается подтверждение ударным нагрузкам и попаданию влаги.

2.3 Упаковка аппаратуры

Электронные блоки, датчики и показывающие приборы должны быть обвёрнуты бумагой типа «пергамент» и уложены каждый прибор в отдельности в картонную коробку. Промежутки между стенками, дном, крышкой и приборами заполняются гофрированным картоном. Картонные коробки с приборами улаживаются в деревянный ящик, выстланный внутри водонепроницаемой бумагой (битумная, дегтевая и др.).

Промежутки между стенками, дном, крышкой деревянного ящика и приборами (которые должны быть не менее 50 мм) плотно заполняются сухой древесной стружкой или гофрированным картоном, чтобы не было перемещения аппаратуры в ящике при транспортировании.

В ящик сверху под влагоустойчивую бумагу вложите упаковочный лист. Для обеспечения надежной сохранности аппаратуры при транспортировании деревянный ящик по краям обшивается полосовым железом.

На боковые стороны деревянного ящика наносятся нестирающейся краской предупреждающие надписи: «Осторожно», «Прибор не бросать, не кантовать». На крышке ящика пишется: «Верх, вскрывать здесь».

Ящик пломбируется пломбами.

3. Разработка структурной и функциональной схемы блока контроля кренов

Разработка структурной схемы

Для разработки структурной схемы необходимо провести комплексный анализ общего принципа работы проектируемого пульта. При этом производится разбивка отдельных блоков на функциональные участки; изучаются назначения, особенности работы и конструкция отдельных элементов. Элементы каждого функционального участка разделяются на группы по выполняемым функциям и конструктивным особенностям.

Разбивка на группы даёт возможность проводить исследования ограниченного числа типовых элементов, с последующим распространением полученных выводов на аналогичные элементы функциональных участков других типов элементов. Под типовыми элементами понимаются конструктивно самостоятельные изделия, которые имеют одинаковое функциональное назначение и принцип работы; одинаковый уровень контролепригодности и возможность применения идентичных методов и средств технической диагностики.

В процессе структурного анализа составляются логические схемы безопасного функционирования системы и её участков, определяющие связи между элементами с точки зрения обеспечения работоспособности системы, и строится структурная схема, на которой эти связи выражены графически.

Анализируя выше описанное, структурная схема данного пульта регламентного контроля должна представлять собой взаимосвязь основных функциональных элементов системы. Исходя из определяющих требований, выбираем следующие функциональные элементы:

1) источник питания;

2) устройство обнуления;

3) микроконтроллер ATMEL AT90S2333;

4) выпрямитель;

5) оптопара.

Таким образом, разработана структурная схема устройства, позволяющего контролировать и измерять сигналы крена, представляющая собой сложную функциональную связь элементов образованных в одну систему, с учётом определяющих требований.

Рассмотрим принцип работы проектируемого устройства по структурной схеме.

Основным вычислительным и измерительным узлом в проектируемом устройстве является микроконтроллер Atmel AT90S2333, который получает сигналы от авиагоризонтов, МГВ-1СК №3 и сигнализатора нарушения питания СНП-1 через преобразователь напряжения.

Полученные сигналы измеряются, сравниваются, и на основе полученных измерений принимается решение о сигнализации режимов работы.

Устройство имеет систему внутреннего контроля, основанную на проверке CRC-суммы записанного в ПЗУ микрокода.

Разработка функциональной схемы

Для разработки функциональной схемы необходимо провести комплексный анализ структурной схемы проектируемого устройства. При этом производится анализ функциональных участков схемы и уточняются конструктивные, электрические параметры отдельных узлов. Функциональная схема должна отражать общий принцип функционирования разрабатываемого устройства, логику его работы.

Рассмотрим принцип работы проектируемого устройства контроля кренов по функциональной схеме.

При включение тумблера питания, плюс 27 В подается с бортовой сети самолета на встроенный блок питания. В блоке питания напряжение преобразуется и стабилизируется до величины плюс 5 В. Данное напряжение подается на вход микроконтроллера для питания. Микроконтроллер начинает процесс инициализации. При нажатии на кнопку сброс, расположенной на лицевой части проектируемого устройства, на входе микроконтроллера появляется логический ноль, он останавливает выполнение программы и начинает процесс реинсталляции. При нажатии на кнопку «Тест-контроль», напряжение плюс 5 В подается на вход микроконтроллера, он пересчитывает контрольную сумму записанного в него микрокода, и выдает звуковую сигнализацию, означающую исправность блока.

В процессе работы микроконтроллер получает сигналы от датчиков через преобразователь напряжения. Преобразователь напряжения преобразует плюс 27 В в плюс 5 В, которые подаются на вход микроконтроллера. При появлении на определенном входе микроконтроллера напряжения плюс 5 В, оно измеряется и принимается решение о состоянии датчика и его исправности. В случае необходимости, микроконтроллер выдает напряжение плюс 5 В на преобразователь напряжения, она преобразуется в напряжение плюс 27 В и поступает в датчики.

Через оптопары сигнал с бортовой сети самолета поступает на обмотки реле ПКП-1 летчиков и на звуковую сигнализацию.

Одновременно идет постоянное измерение сигналов крена с соответствующих авиагоризонтов и МГВ-1СК №3. Особенностью выдачи сигналов на Ту-154М является то, что они выдаются на переменном токе. Сигналы с соответствующих датчиков поступают на выпрямитель и преобразователь напряжения. И оттуда напряжение той же величины, но только в форме постоянного тока подается на вход микроконтроллера, где оно измеряется и принимается решение о дальнейшей работе устройства.

4. Разработка электрической принципиальной схемы блока контроля кренов

Основные требования, предъявляемые к элементам и принципиальной электрической схеме

Выбор элементов схемы будем производить, исходя из технических требований, предъявляемых техническими требованиями в пункте 2.1. Исходя из того, что проектируемое устройство будет эксплуатироваться в сложных климатических условиях, выбор элементов должен обеспечивать нахождение параметров в допусках во всех температурных режимах работы устройства.

Для обеспечения точности измерения заданных параметров необходимо, чтобы резисторы в цепях измерения имели наименьшую температурную погрешность.

Источник питания должен состоять из элементов, выходные параметры которых практически не меняются при изменении температуры, заданной в техническом требовании.

Не допустимо в качестве элемента коммутации напряжения плюс 27 В использовать реле. Это повышает габариты, массу, значительно снижает надежность, за счет возможности слипания или подгара контактов. Для этих целей целесообразно использовать оптопары. В цепях коммутации цепей плюс 27 вольт необходимо поставить диоды в прямом включении, для того чтобы исключить подачу отрицательного напряжения в схемы после размыкания реле, в следствие индукции, возникающей в обмотках реле включения секций обогрева.

Обоснование коммутации проектируемого блока контроля кренов с пилотажно-навигационным оборудованием самолета Ту-154М

Чтобы определить способ подключения проектируемого блока контроля кренов рассмотрим коммутацию аналогичного блока БКК-18 на самолете ТУ-154М.

Проанализировав функциональную схему подключения, а также принципиальную электрическую схему, взятую из [6], можем построить таблицу входных и выходных сигналов, поступающих в блок. Сигналы в блок подаются по двум штепсельным разъемам. Построим таблицы входных и выходных сигналов:

Таблица 2

Величина сигнала	Контакт разъема	Описание
+27 В	Ш4/низ	Питание устройства
+27 В	Ш5/низ	Сигнал тест-контроля
~ 5 В	Ш6/низ	Крен АГ прав.
~ 5 В	Ш8/низ	Крен АГ лев.
~ 5 В	Ш10/низ	Крен МГВ №3
+27 В	Ш25/низ	Исправность ПКП-1 лев.
+27 В	Ш26/низ	Исправность ПКП-1 прав.
+27 В	Ш30/низ	Исправность БКК-18
+27 В	Ш33/низ	Сигнализация
+27 В	Ш51/низ	Отказ МГВ №3
+27 В	Ш53/низ	Крен лев. велик
+27 В	Ш55/низ	Крен прав. велик

Таблица 3

Величина сигнала	Контакт разъема	Описание
-27 В	Ш1/верх	Земля
+27 В	Ш4/верх	Исправность МГВ №2
+27 В	Ш18/верх	От ССА РВ
+27 В	Ш39/верх	Отказ АГ прав.
+27 В	Ш49/верх	Отказ АГ лев.

Проектируемый прибор бывает сигналы через контакты Ш30/низ («Исправность БКК-18») и Ш33/низ («Сигнализация»). По всем остальным контактам он только принимает сигналы.

Разработка принципиальной электрической схемы

Рассмотрим принцип работы проектируемого устройства по принципиальной электрической схеме.

Основным элементом схемы, отвечающим за измерение параметров и принятие решения о работоспособности и достоверности показаний авиагоризонтов является микроконтроллер. К его выводам подключаются измерительные цепи.

Так как данная модель микроконтроллера не имеет встроенного генератора, то на входы XTAL1 и XTAL2 подключаем внешний источник тактового сигнала, который построен на кварцевом генераторе и двух конденсаторах, предназначенных для запуска кварцевого резонатора.

Сигналы в микроконтроллер поступают с двух разъемов: «верх» и «низ». Входы микроконтроллера рассчитаны на максимальное напряжения плюс 5 В. А все сигналы поступают в виде напряжения плюс 27 В. Для согласования и преобразования входных сигналов будем использовать делители напряжения. Логика работы из заключатся в следующем. Почти все сигналы представляют собой разовые команды, о наличии которых можно судить по положительному уровню на входе порта микроконтроллера. Таким образом, уменьшая входное напряжение в определенное количество раз до уровня, который позволяет измерить микроконтроллер, мы фиксируем наличие того или иного сигнала.

Плюс 27 В с контакта Ш4/низ подается через резистор R1 и стабилитрон напряжение на вход «Vcc» микроконтроллера для питания. Диапазон питания микроконтроллера составляет от 2.7 В до 6 В. Делитель напряжения выполнен таким образом, что с его выхода на вход питания микроконтроллера подается плюс 3 В, что достаточно для питания. На резисторе гасится 22 В, а стабилитрон включен в цепь для того, чтобы в случае изменения сопротивления резистора из-за температура или старения, а следовательно и увеличения выходного напряжения, ограничить его до уровня 5 В. Это повысит в целом надежность цепи питания устройства.

Одновременно плюс подается на вход «Reset» микроконтроллера. Сброс микроконтроллера организован таким образом, что реинициализация его начинается в случае появления отрицательного уровня или «0» на входе. Параллельно линии питания включена кнопка. При нажатии на нее, на входе «Reset» оказывается лог. 0 и микроконтроллера сбрасывается. Параллельно кнопке включен неполярный конденсатор. Он предназначен для того, чтобы исключить «дребезг контактов».

С контактов разъема Ш6/низ, Ш8/низ, Ш10/низ поступает измеряемый сигнал крена. Он поступает в виде напряжения переменного тока от 0 до 5 В. Для преобразования его в напряжение той же величины, но постоянного тока, используется однополупериодный выпрямитель с фильтром, построенный на диоде и полярном конденсаторе. Для того чтобы исключить подачу на вход микроконтроллера отрицательного напряжения, параллельно измеряемой цепи включен диод. В случае, когда по цепи течет положительный ток, диод заперт, и напряжение прикладывается к входу порта микроконтроллера. А когда в цепи появится отрицательный ток, диод откроется, и ток потечет через диод, тем самым предохраняя вход микроконтроллера.

Так как микроконтроллер не сможет напрямую коммутировать цепи, напряжением более 5 В, то для коммутации применены оптопары. Управляющая цепь оптопары управляется плюс 5 В. Таким образом, имеется возможность с помощью подачи 5 В на оптопару скоммутировать цепь 27 В, необходимых для выдачи сигналов потребителям.

Из [6] находим, что крутизна входного сигнала, поступающего по каналам «АГ лев» и «АГ прав.» составляет 0,13±0,026 В/град, а по каналу «АГ резерв» - 0,33±0,066 В/град. Учтем эти данные при программировании микроконтроллера, а также для вычисления предельных напряжений, поступающих на вход микроконтроллера.

Разработка и расчет источника питания

Исходя из технических требований [3] к питающему напряжению микроконтроллера, нам необходимо обеспечить наличие плюс 3 В на входе V_DD микроконтроллера.

Для этого предлагается использовать резистор, на котором будет падение напряжение с 27 В до 3 В.

Исходные данные:

1. V_DD=5 В;

2. U_вх=27В.

3. I_DD = 3,4 mA;

На резисторе создается падение напряжение



Ток, протекающий через резистор будет равен сумме токов потребления контроллера и стабилитрона:

Исходя из закона Ома имеем:

Таким образом номиналы резисторов R1, R6-R10 равны 3кОм.

Расчет схемы сброса микроконтроллера

Рассчитаем номинал резистора R4.

Исходя из технических требований [3] к подсистеме сброса микроконтроллера, имеем следующие исходные данные:

1. U_RST=5В;

2. U_вх=27В.

3. I_RST = 3,4 mA;

На резисторе создается падение напряжение

Исходя из закона Ома имеем:

Из [17] берем ближайшее значение номинала резистора, равным 68 кОм.

Расчет элементов схемы

Выбираем кварцевый резонатор частотой 4 МГц. Из [4] берем значения емкостей конденсаторов для кварцевого резонатора 4 МГц С₅=С₆=30 пФ.

Выбор оптопары производим из [16]. Выбираем оптопару АОТ128Б.

Приведем технические данные оптопары:

1) коммутируемое напряжение 30В;

2) входной ток 40 мА.

5. Расчет надежности аналога блока контроля кренов БКК-18

Надежность определяют как свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Надежность - это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств, как для системы, так и для ее частей.

К количественным показателям надежности относятся параметр потока отказов, наработка на отказ, вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, среднее время замены, коэффициент готовности и другие.

При отсутствии резервных элементов выход из строя хотя бы одного элемента приводит к отказу всей системы.

Общая интенсивность отказов определяется как:

,

где - для невосстанавливаемых элементов интенсивность отказов i-го элемента системы;

- число однотипных элементов.

Средняя наработка на отказ равна обратной величине интенсивности отказов:

,

Число отказов за год рассчитываем по формуле:

,

где t - число часов работы в году. Будем считать, что наша схема работает 5000 часов в год.

Средние затраты времени на устранение отказа рассчитываем по формуле:

,

где k_n - коэффициент, учитывающий время поиска неисправности k_n=1,5;

- время замены i-го элемента.

Время простоя технологического оборудования при выходе из строя рассчитываем по формуле:

,

где - средние затраты времени на поиск и транспортировку изделия к месту ее устранения, примем равным 0.33 ч.

Математическое ожидание суммарного времени простоя вследствие отказов за год рассчитываем по формуле:

Коэффициент готовности оборудования - комплексный показатель надежности, отражающий вероятность того, что изделие окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых не предусматривается использование изделия по назначению рассчитываем по формуле:

Показатели надежности:

- наработка на отказ рассчитываем по формуле:

- число отказов в год рассчитываем по формуле:

- средние затраты времени на устранение отказа рассчитываем по формуле:



- время простоя оборудования при выходе из строя схемы управления рассчитываем по формуле:

- математическое ожидание суммарного времени простоя вследствие отказов системы за год рассчитываем по формуле:

- безотказное время работы системы в году рассчитываем по формуле:

- коэффициент готовности рассчитываем по формуле:

Таблица 4. Исходные данные для расчетов показателей надежности

№ п/п	Элемент	Кол-во	Интенсивность отказов , ч-1	ч-1	Время восстановления , ч
1	Диоды	3	0,2	0,6	1,73
2	Кнопки	1	6,4	6,4	1,89
3	Резисторы	10	0,04	0,4	1,35
4	Резонаторы кварцевые	1	1,6	1,6	1,22
5	Микроконтроллеры	1	0,005	0,005	2,8
6	Конденсаторы	6	0,4	2,4	1,53
7	Стабилитроны	6	0,5	3,0	1,65
8	Места паек	109	1	109	0,11
9	Вилки	2	0,062	0,124	2,1
Итого:	122,229	14,38

Места паек определяем как суммарное число выводов элементов и внешних выводов.

Для построения графика вероятности безотказной работы необходимо знать две величины - время наработки на отказ t₀ и вероятность отказов P_c(0).

Рассчитаем вероятность безотказной работы:

.

Список источников

контроль крен блок микроконтроллер

Федотов Я.А. Электротехника и интеллект. - Мн: Выш. шк., 1985-190 с.

Дущенко В. К, Применяемость типовых элементов радиоэлектронной аппаратуры - М: Транспорт, 1971 - 96 с.

Мортон Дж. Микроконтроллеры АVR. Вводный курс. /Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2006. - 272 с.: ил. (Серия «Мировая электроника»).

Евстафеев А.В. Микроконтроллеры АVR семейства Classic фирмы ATMEL. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2002. - 288 с.: ил. (Серия «Мировая электроника»).

Однокристальные микроЭВМ. М.:МИКАП, 1994, - 400 с.: ил.

Блок контроля кренов БКК-18. Руководство по технической эксплуатации. 6В3.083.004 РЭ

Буриченко П.А. Охрана труда в гражданской авиации. Учебник для Вузов ГА - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Транспорт, 1985-239 с.

Долин П.А. Охрана труда в гражданской авиации. Учебник для Вузов ГА - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Транспорт, 1982-800 с.

Типовая методика определения экономической эффективности новых проектов.-М.: Экономика, 1990 г.

Синявский В.М. Дипломное проектирование.: Учеб. пособие. - М.: МГВАК., 2005. -90 с.

Правила выполнения схем. Издательство стандартов, 1987.

Гитцевич А.Б. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник, - М.: «КубК-а», 1997. - 528 с., илл

Бокуняев А.А. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. Справочное пособие. - М.: Радио и связь, 1990. - 624 с., ил.

Гитцевич А.Б. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник, - М.: Радио и связь, 1988. - 592 с., ил.

Дубровский В.В. и др. Резисторы: Справочник, - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с., ил.

Размещено на Allbest.ru