ИМ. А. Р. Беруни авиационный факультет


§1.2 Анализ системы встроенного контроля самолетного ответчика



страница3/5
Дата17.10.2016
Размер0.79 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5

§1.2 Анализ системы встроенного контроля самолетного ответчика


Самолетный ответчик оснащен двухсторонней связью с централизованной счистемой поиска нгеисправностей с помощью шины ARINC-429.

Встроенная система контроля может работать в двух режимах:



  1. Нормальный режим

  2. Режим меню

В нормальном режиме ответчик постоянно передает данные в централизованную систему поиска неисправностей .

В режиме меню на узлы ответчика выдаются тестовые сигналы, а ответы на них передаются в централизованную систему поиска неисправностей. Режим меню может применяться только когда самолет находится на земле, и двигатели выключены.

Встроенная система постоянно отслеживает параметры ответчика и сохраняет выявленные неисправности в постоянной памяти.

Постоянная память неисправностей делится на три зоны. Зона 1 хранит данные о неисправностях на протяжении 63 последних полетов. В зоне 2 хранится дополнительная информация о неисправностях, хранимых в зоне 1. Дополнительная информация включает в себя время проявления неисправности, идентификационный номер самолета. Зона 3 предназначена для хранения наиболее часто проявляемых отказов. Структура памяти неисправностей приведена на рис.1.8

Отказы записываются в память через каждый полный цикл работы центрального процессора. При выявлении неисправности, она записывается в память, и наиболее ранняя неисправность стирается из памяти. Для каждого узла ответчика сохраняется последние 4 неисправности. При полном заполнении памяти неисправностей, они начинают записываться в зону 2 памяти, то есть если выявлено слишком много неисправностей, то сохраняются сами неисправности, и дополнительная информация о них стирается.

безымянный.jpg

Рис 1.8 Структура памяти неисправностей

При проверке неисправностей, хранящихся в ПЗУ, первой появляется наиболее часто повторяющаяся неисправность, а затем по статистике.

Также в память заносится время начала и конца полета. Эта информация выдается с системы реле «Воздух-земля».

Формат неиcправностей- ARINC 429. Данные в нормальном режиме передаются с меткой 356. Они отслеживаются постоянно, как в полете, так и на земле. Данные в режиме меню передаются с меткой 227. Длительность тестового сигнала в режиме меню-3 секунды. После полного приема ответного сигнала, выдается команде «следующий тест разрешен», после чего посылается следующее тестовое сообщение. Если в течение 200 миллисекунд такого сообщения не было, то повторяется тот же тестовый сигнал.

§1.3 Выводы к главе 1


В настоящей главе проанализирована работа самолетного ответчика с дискретно-адресным режимом работы.

Самолетный ответчик состоит из следующих узлов: Передатчик ответчика, Процессор сигналов, Процессор сообщений, Видеопроцессор, Центральный процессор

При этом выявлено, что в ответчике широко применена микропроцессорная техника, различные запоминающие устройства, микроконтроллеры. Информация, которой ответчик обменивается с другими системами самолета представлена в формате ARINC 429.

Отдельно проанализирована система встроенного контроля самолетного ответчика. Выявлено, что встроенная система контроля может работать в двух режимах:

Нормальный режим

Режим меню

В нормальном режиме ответчик постоянно передает данные в централизованную систему поиска неисправностей .

В режиме меню на узлы ответчика выдаются тестовые сигналы, а ответы на них передаются в централизованную систему поиска неисправностей. Режим меню может применяться только когда самолет находится на земле, и двигатели выключены.

В результате анализа работы встроенной системы контроля выявлено, что она регистрирует только уже состоявшийся отказ. Между тем, состоявшийся отказ в условиях линейного обслуживания самолета бывает уже неустраним, и требует замены всего блока самолетного ответчика. Как правило, замена отказавшего блока на кондиционный- это всегда очень срочная процедура, так как самолет может летать с отказавшим блоком ограниченное время. В частности, с отказавшим ответчиком он может летать не более 10 дней со дня выявления отказа.

Держать постоянно запасной блок на складе целесообразно, если в авиакомпании эксплуатируется большое количество воздушных судов- более 50. Следовательно, для национальной авиакомпании «Узбекистон Хаво Йуллари», где количество эксплуатируемых самолетов гораздо меньше, иметь на складе запасной самолетный ответчик экономически нецелесообразно.

Поэтому очень актуально «предсказывать» отказы блока, и заказывать его заранее. Для этого необходимо регистрировать параметры работы самолетного ответчика до наступления факта отказа.

Предлагается дополнить самолетный ответчик фылеш-памятью, куда бы записывались параметры его работы, а затем анализировались и помогали предсказать отказ до его наступления.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТВЕТЧИКА
§ 2.1 Общие сведения о прогностическом методе безопасности полетов
Реагирующие, проактивные и прогностические системы сбора данных о безопасности полетов предоставляют данные о безопасности полетов для эквивалентных реагирующих, проактивных и прогностических стратегий управления безопасностью полетов, которые в свою очередь предоставляют информацию для конкретных реагирующих, проактивных и прогностических методов уменьшения риска. На рис. 2.1-2.4. содержится краткое изложение стратегий управления безопасностью полетов.

Рис.2.1. Стратегии управления безопасностью полетов


Для зрелой системы управления безопасностью полетов требуется интеграция реагирующих, проактивных и прогностических систем сбора данных о безопасности полетов, продуманное сочетание реагирующих, проактивных и прогностических стратегий уменьшения риска и разработка реагирующих, проактивных и прогностических методов уменьшения риска. Тем не менее при разработке стратегии уменьшения риска важно иметь в виду, что каждая из рассмотренных систем сбора данных о безопасности полетов собирает данные о безопасности полетов на различных уровнях эксплуатационного сдвига. Также важно иметь в виду, что каждая из трех стратегий и методов уменьшения риска вступают в действие на различных уровнях практического сдвига.

Для того чтобы это проиллюстрировать, необходимо вернуться к практическому сдвигу, изображенному на рис. 2.2. В практическом сдвиге факторы опасности существуют в качестве континуума. Если их не сдерживать, они перемещаются в сторону сдвига с возрастающим потенциалом нанесения ущерба. Ближе к источнику или началу практического сдвига факторы опасности относительно безвредны, поскольку у них нет возможности развить свой

наносящий ущерб потенциал. Чем дальше факторы опасности беспрепятственно перемещаются вдоль практического сдвига, тем больше они набирают силу и увеличивают свой наносящий ущерб потенциал. Когда факторы опасности приближаются к точке самого широкого практического сдвига, они развивают максимальный потенциал для нанесения ущерба, включая потенциал серьезных сбоев. Поэтому при управлении безопасностью полетов чрезвычайно важно перехватить факторы опасности как можно ближе к точке начала практического сдвига.

Прогностические системы сбора данных о безопасности полетов, стратегии и методы функционируют в непосредственной близости от источника или точки начала практического сдвига. Это весьма высокий и высокоэффективный уровень вмешательства. Высокая эффективность прогностических систем сбора данных о безопасности полетов, стратегий и методов объясняется двумя причинами: с одной стороны, они имеют дело с факторами опасности, когда они только зарождаются, и у них нет возможности развивать свой наносящий ущерб потенциал, и поэтому их легче сдерживать. Благодаря этому, меры по уменьшению риска, разработанные на основании прогностических данных о безопасности полетов, становятся настолько частыми сетками или фильтрами сдерживания, что они почти полностью блокируют прохождение появляющихся факторов опасности далее по континууму практического сдвига.


Рис.2.2. В практическом сдвиге факторы опасности.


Стратегии. Уровни вмешательства и средства
Проактивные системы сбора данных о безопасности полетов, стратегии и методы также функционируют ближе к началу континуума практического сдвига и факторов опасности, но не так близко к источнику или началу практического сдвига, как прогностические системы сбора данных о безопасности полетов, стратегии и методы. Это тоже весьма высокий и эффективный уровень вмешательства. Тем не менее у факторов опасности появляется возможность развивать свой наносящий ущерб потенциал. Из-за этого меры по уменьшению риска, разработанные на основании проактивных данных о безопасности полетов, становятся сдерживающими сетками или фильтрами, которые, хотя и являются частыми, все-таки позволяют развивающимся факторам опасности проходить далее по

континууму.

Реагирующие системы сбора данных о безопасности полетов, стратегии и методы функционируют на двух уровнях практического сдвига. Некоторые, такие как системы обязательного уведомления о событиях, функционируют на среднем уровне вмешательства. Это эффективный уровень, однако причиняющий ущерб потенциал факторов опасности продолжает возрастать. Меры по уменьшению риска, разработанные на основании этого первого уровня реагирующих данных о безопасности полетов, таким образом становятся сетками или фильтрами сдерживания с редкой текстурой, через которую факторы опасности часто проникают. На самом низком уровне реагирующих систем сбора данных о безопасности полетов, стратегий и методов расследование

происшествий и серьезных инцидентов функционирует в режиме устранения Повреждений. Такая информация, полученная чисто на основании реагирующих данных о безопасности полетов, является недостаточной для управления безопасностью полетов.

Таким образом, внедрение прогностического метода в диагностике радиоэлектронного оборудования является очень актуальной задачей.
§ 2.2 Выбор параметров для записи
Выбор параметров самолетного ответчика для контроля производится исходя из форматов принимаемых и передаваемых ответчиком сигналов в режимах Radar Beacon system (RBS) и селективного режима (mode S)

ICAO установила нормы и выработала ряд рекомендаций на тактические и некоторые технические характеристики вторичных радиолокаторов SSR (Secondary Surveillance Radar). Для радиолокационных систем с активным ответом устанавливается зона обнаружения, определяемая следующими параметрами: максимальная дальность действия 370 км, минимальная дальность действия 1,85 км, максимальный угол места 45°, минимальный угол места 0,5°, максимальная высота 30480 м. Зона должна быть обеспечена при любых метеорологических условиях и на всех азимутах. Запросные сигналы должны посылаться на частоте (1030 + 0,2) МГц, ответные- на частоте (1090 + 3) МГц. Поляризация запросных и ответных сигналов должна быть вертикальной.








Сигнал запроса должен состоять из двух импульсов (рис. 2.3), обозначаемых P1 и Р3, Дополнительный импульс управления Р2, предназначенный для подавления сигналов боковых лепестков, может передаваться в случае необходимости за первым импульсом запроса Р1. Интервал между импульсами P1 и Р3 определяет код запроса. Могут использоваться четыре запросных кода: А, В, С и D с кодовыми интервалами 8, 17, 21 и 25 мкс соответственно. Допуски на кодовые интервалы равны ±0,2 мкс, длительность всех запросных импульсов (0,8 ± 0,1) мкс. Когда используется импульс Р2, интервал между импульсами P1 и Р2 должен составлять (2 ±0,15) мкс. Коды А и В предназначены для опознавания ВС. В ответ на запросы этими кодами бортовой ответчик должен сообщить на землю рейсовый номер ВС. Введение двух различных кодов, имеющих одно и то же смысловое значение, обусловлено исторически сложившимися обстоятельствами: к тому времени, когда ICAO устанавливала нормы на активный канал трассовых РЛ, на международных воздушных линиях уже использовались английские ВРЛ с двухимпульсными системами подавления (код В) и американские трехимпульсные (код А). Поэтому, для того чтобы использовать уже имеющуюся аппаратуру, было принято решение включить в международные нормы оба кода на равных правах. Кодирование запросных сигналов самолетного ответчика приводится на рис.2.3

Запросный код С используется для получения данных о высоте, на которой находится ВС. При запросе этим кодом ответчик передает на землю показания барометрического высотомера, отрегулированного на стандартное давление 760 мм рт. ст. (1,013-105 Па).


безымянный

а- запрос номера рейса (А), б-резервный код, в- запрос высоты (код С двухимпульсный), г- запрос высоты (код С трехимпульсный), д- резервный код

Рис.2.3. Кодирование запросных данных в режиме RBS.
Код С имеет две модификации. При двухимпульсной системе подавления излучаются два импульса P1 и Р3 с кодовым интервалом между ними tк = 21 мкс. При трехимпульсной системе подавления кодовый интервал между импульсами Р1 и Р3 сохраняется таким же, но за первым импульсом через (2 + 0,15) мкс излучается дополнительный импульс подавления Р2. Код D зарезервирован для использования в перспективных радиолокационных системах УВД.

Смысловое содержание этого кода международными нормами пока не установлено.

Запросный код наземной части активной радиолокационной системы устанавливается диспетчером или переключается автоматически по определенной программе. Одна из возможных программ предусматривает поочередное переключение запросных кодов А, В, С в смежных периодах повторения зондирующих сигналов. При необходимости программа переключения кодов может быть изменена.

Нормы ICAO предполагают применение двухимпульсных и трехимпульсных систем подавления сигналов боковых лепестков по запросу. При двухимпульсной системе подавления, когда используется сравнение амплитуд импульсов P1 и Р3, амплитуда Р1 в антенне приемника бортового ответчика должна превышать амплитуду Р3 по крайней мере на 11 дБ для всех азимутальных углов, кроме тех, которые охватываются основным лепестком запросной антенны.

Для трехимпульсной системы подавления, когда используется сравнение амплитуд импульсов P1 и Р2, амплитуда импульса Р2 в антенне приемника бортового ответчика должна быть равна или больше амплитуды импульса P1 для всех направлений, кроме направления главного лепестка запросной антенны. Амплитуда этого же импульса должна иметь уровень на 9 дБ ниже амплитуды импульса P1 в пределах желаемого сектора запроса.

Девятая аэронавигационная конференция ICAO, состоявшаяся в 1976 г., приняла решение об отказе от применения двухимпульсного запросного кода В. Таким образом, для всех новых вторичных радиолокационных систем в настоящее время является обязательным применение трехимпульсного запросного кода А, а также трехимпульсного запросного кода С.

При определении максимально допустимой мощности излучения ВРЛ принимают во внимание возможность срабатывания ответчиков ЛА, находящихся на очень большом удалении от места установки РЛС. Для предотвращения ненужных срабатываний ответчиков, находящихся вне установленной зоны управления, эффективная излучаемая пиковая мощность импульсов запроса P1 и Р3, (произведение импульсной мощности на коэффициент усиления антенны) не должна превышать 52,5 дБ по отношению к 1 Вт (180 кВт).

Уровень боковых лепестков направленной запросной антенны должен быть на 24 дБ ниже уровня главного лепестка. Синхронизация антенн ПРЛ и СВРЛ должна осуществляться таким образом, чтобы максимальная погрешность рассовмещения отметок целей по азимуту на экране индикатора не превышала 1°. Желательно, чтобы эффективная ширина ДН запросной антенны по показаниям на индикаторе не превышала 3°. Чувствительность приемника запросчика, измеренная при соотношении (С + Ш)/Ш = 2, должна быть не хуже 120 дБ/Вт.

Нормы ICAO устанавливают требования на структуру ответных кодов, объем и характер передаваемой информации.

Информацию, получаемую с помощью активных РЛС, можно условно разделить на две основные части: координатную и дополнительную. Координатная информация (наклонная дальность, азимут) является важнейшей для диспетчеров службы движения. Эта информация может быть получена и с помощью первичных каналов РЛС, однако применение ВРЛ способствует тому, что эта информация предъявляется диспетчеру в наиболее достоверном и надежном виде.

К особо важной информации относятся сообщения об аварийном состоянии воздушного судна, нарушении радиосвязи и незаконном вмешательстве в действия экипажа. ICAO установила необходимость передачи этих сообщений по вторичному радиолокационному каналу. Передача перечисленной выше информации осуществляется ответными сигналами, структура которых показана на рис. 2.4.

Ответный сигнал состоит из двух крайних опорных импульсов F1 и F2, временной интервал между которыми составляет (20,3+0,1) мкс. Между ними расположено 13 кодовых позиций. Центральная позиция зарезервирована для использования в перспективных системах УВД. После импульса F 2 предусмотрена еще одна дополнительная позиция, предназначенная для передачи специального импульса опознавания SPI (Special Position Indication) no требованию с земли. Эта позиция следует за импульсом F2 через (4,35 + 0,1) мкс. Длительность всех импульсов ответа равна (0,45 + 0,1) мкс.


безымянный

Рис.2.4 Кодирование ответных данных в режиме RBS.


Все информационные позиции разбиты на группы А, В, С и D. Каждая из этих групп содержит по три позиции AL, A2, A4; B1, B2, В4 и т. д. Структура ответного сигнала имела тогда вид, представленный на рис. 2.4. С помощью шести импульсов групп А и В можно было передать 64 различных элементарных сообщения. В дальнейшем для расширения информационных возможностей вторичного канала РЛС к двум группам А и В были добавлены группы С и D. Импульсы этих групп удалось разместить между импульсами А и В, чем и объясняется странное, на первый взгляд, размещение информационных импульсов в ответном сигнале. Общее число передаваемых элементарных сообщений при использовании всех 12 информационных позиций увеличилось до 4096. Рассмотрим более подробно структуру международного кода при различных режимах работы наземного запросчика. Если в наземном запросчике установлены коды А или В, т.е. кодовый интервал между запросными импульсами P1 и Р3 равен 8 или 17 мкс, то независимо от принятой системы подавления сигналов боковых лепестков бортовой ответчик должен передать на землю номер рейса. Передача номера рейса в соответствии со структурой ответного сигнала производится натуральным двоично-десятичным четырехдекадным трехзарядным кодом на общей базе 20,3 мкс. При этом декада А, имеющая три разряда А1, А2 и А4, будет передавать тысячи, декада В -сотни, декада С-десятки и декада D- единицы номера рейса. Импульсы передаются только для символа «1» младшими разрядами вперед, при нулевом символе импульс отсутствует.

Код DABS позволяет адресовать запрос только одному ЛА. При запросе с наземной ВРЛ передается сложный код. При этом вначале определяется адрес каждого самолета, находящегося в зоне действия наземного радиолокатора. Режим определения адресов называется ALL-CALL. Запросный код в этом режиме такой же, как и в режиме RBS, т.е представляет собой серию импульсов Р1, Р2, Р3, где запрашиваемая информация кодируется временным промежутком между импульсами Р1 и Р3, а импульс Р2 служит для подавления запросов боковыми лепестками диаграммы направленности. Отличием от режима RBS является наличие в запросном коде дополнительного импульса Р4, следующим за импульсом Р3.

Наземное оборудование в режиме дискретно-адресной системы вторичной радиолокации, также как и оборудование радиолокаторов, работающих в режиме RBS, состоит из двух антенн- направленной и ненаправленной. Направленная антенна служит для определения координат самолета и передачи запроса, а ненаправленная- импульса подавления ответа на запросы боковыми лепестками направленной антенны.

При запросе в режиме All-call ответчик режима S отвечает кодом адреса через 128 μс после начала импульса Р4 (рис.2.5). Длительность импульса Р4 при этом должна быть 1,6 микросекунд (длинный импульса), если Р4 -короткий (0,8 микросекунд), то запрос воспринимается как RBS.

Сигнал запроса в режиме Roll-Call (при обращении к самолету , когда адрес его известен)передается сложным кодом (рис.2.6), который состоит из трех импульсов: Р1, Р2 и Р6, излучаемых основной антенной, и импульса подавления P5, передаваемого с помощью дополнительной ДН.
безымянный

Рис.2.5 Сигнал запроса в режиме All-Call



безымянный

Рис. 2.6 Структура кода запроса системы DABS в режиме Roll-call


Импульсы P1, P2, предшествующие информационному импульсу Р6, подавляют ответы на запросы в режиме ATC RBS. Отличием от режима RBS является то, что амплитуды импульсов Р1, Р2 равны. В режиме RBS это воспринимается как запрос боковым лепестком диаграммы направленности, и ответ на такой запрос не выдается.

Импульс P5 служит для подавления в ответчике сигналов, принятых по боковым лепесткам ДН. Он передается ненаправленной антенной и аналогичен импульсу Р2 в режиме RBS. Запрос производится лепесткам основной ДН. Блокирование ответа при запросе боковыми лепестками определяется фазой суммированного сигнала Р5+Р6 (Рис. 2.7).



безымянный

Рис.2.7. Блокировка ответа

а- ответ не блокируется, б- ответ блокируется

Блокирование производится только при запросе ALL CALL. При адресном запросе блокирование, как привило, не производится.

Информационная часть сообщения может содержать 24 различных вида запрашиваемых данных. Основные элементы передаваемого на борт сообщения - код запрашиваемой информации, с которого начинается сигнал запроса, различного рода команды, данные и 24-битный адрес самолета, которым заканчивается сигнал запроса. Информационная часть сигнала запроса передается импульсом Р6, который содержит две посылки продолжительностью1,25 и 0,5 мс , предназначенные для подстройки по фазе гетеродина бортового ответчика, и поле данных, состоящее из 56 или 112 разрядов, предназначенных для передачи содержания сигналя запроса. Для кода адресования используют 24 разряда. Применяется код адресования с исправлением ошибок путем проверки на четность. Код позволяет создать примерно 16 млн. индивидуальных адресов.

Значения разрядов кода («0» или «1») передаются с помощью фазовой модуляции, при которой символу «0» соответствует фаза несущей частоты  = 0, а символу «1»  =180° (или наоборот). Благодаря принятой структуре кода и фазовой манипуляции помехи со стороны системы DABS существующим ответчикам, работающим в режиме RBS. Исключаются.

Сигнал ответа в системе DABS (предусмотрено 24 варианта) (рис. 2.8) состоит из координатного кода, представляющего собой группу из четырех импульсов, и информационного кода. Информационный код, как и код запроса, имеет 56 или 112 разрядов, но в каждом из них предусмотрены две «импульсные» позиции (режим с активной паузой). В сигнале ответа повторяется код запрашиваемой информации, передается основное сообщение и в заключение повторяется код адресования безымянный

Рис.2.8 Структура ответного кода системы DABS в режиме Roll-call


При передаче информационного кода также применяется фазовая манипуляция. Принятая структура сигнала ответа и фазовая манипуляция при передаче данных исключают помехи со стороны ответчиков DABS существующим системам УВД.

Детектирование модулированных фазовой модуляцией сигналов происходит по схеме, приведенной на рис. 2.9



безымянный

Рис.2.9 Принцип дешифрации сигналов запроса (код 100)

Если код ответа состоит из 56 импульсов, то ответ называется коротким, если из 112-то длинным. Каждый ЛА имеющий режим S имеет собственный 24 битный адрес. Этот адрес включен во все передачи в режиме S, при этом сигнал запроса может быть отослан на самолет с определенным адресом исключая возможность получения многократных ответов. Также самолет, работающий в режиме S способен получать ответы от строго определенного самолета.

Если дискретный адрес включается в запрос, то ответный код также содержит информацию об адресе. Ответный дискретный код формируется в зависимости от сигнала запроса и может содержать в себе информацию любого параметра самолета. Это особенно важно при работе с аппаратурой ТСАS.

Таким образом, для контроля выбираются следующие параметры:


  1. Длительность импульса Р1 в режиме RBS

  2. Длительность импульса Р2 в режиме RBS

  3. Длительность импульса Р3 в режиме RBS

  4. Временной промежуток между импульсами Р1 и Р3 в режиме А (RBS)

  5. Временной промежуток между импульсами Р1 и Р3 в режиме С (RBS)

  6. Длительность короткого импульса Р4 в режиме ALL-CALL

  7. Длительность длинного импульса Р4 в режиме ALL-CALL

  8. Длительности импульсов Р1 и Р2 в режиме S (сигнал запроса)

  9. Длительность информационного импульса Р6 в режиме S (сигнал запроса)

  10. Проверка параметров DPSK модуляции (Differential phase shift keying) в запросном сигнале

  11. Проверка длительности преамбулы в ответном сигнале

  12. Проверка параметров PPM модуляции (Pulse position modulation) в ответном сигнале

§ 2.3 Определение требований к системе регистрации


Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать следующие требования к разрабатываемой системе регистрации параметров самолетного ответчика.

Система регистрации должна быть достаточно малогабаритной, выполненной на одной плате. Для работы системы регистрации используются сигналы определенного уровня. Для этого должны применяться нормализаторы уровня сигнала. Нормализация измеряемых параметров производится и с преобразованием вида первоначального электрического сигнала. Например, постоянное напряжение может быть преобразовано в частоту.

В предлагаемой схеме генераторы отсутствуют, так как тестирования оборудования не происходит. Запоминающее устройство для хранения информации должно иметь достаточный объем и разрядность записываемых на него данных. Учитывая, что регистрируются в основном временные параметры-длительности различных импульсов, временные промежутки между импульсами, то достаточно иметь разрядность 32 бита/параметр (один параметр занимает 4 байта памяти.)

Немаловажную роль играет периодичность обновления информации. В соответствии с требованиями международной организации гражданской авиации ICAO требуемая частота обновления информации в бортовых самописцах должна быть не менее 1 раза в 2 секунды. Поэтому выберем эту частоту в качестве частоты обновления параметров в предлагаемой системе регистрации параметров самолетного ответчика. Рассчитаем необходимый объем памяти накопителя. Исходными данными для этого являются:

Количество регистрируемых параметров-12

Разрядность параметра-4 байта

Скорость обновления параметров-0,5 герц

Время хранения данных- не менее 12 часов.

Необходимая память для хранения всех параметров в течение 1 секунды-

М=12*4*0,5=24 байта

Для хранения данных на протяжении 12 часов необходима память

М1=24*3600*12=1036800 байт=1Гбайт

Эта минимальная память, необходимая для сохранения всех параметров в течение 12 часов работы блока.

Память должна легко извлекаться из блока самолетного ответчика и читаться на персональном компьютере с помощью стандартных Card reader.

Основная цель установки съемного накопителя- получать параметрическую информацию о работе узлов блока самолетного ответчика, анализировать ее и делать выводы о состоянии узлов. Это позволит предсказывать предотказное состояние самолетного ответчика и заказывать его до выхода из строя.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА


§ 3.1 Разработка структурной схемы контроллера флеш-памяти
Предлагаемая разработка представляет собой систему сбора информации о ключевых параметрах самолетного дискретно-адресного ответчика.

Система сбора данных (ССД) — комплекс средств, предназначенный для работы совместно со специализированным устройством и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значениях физических параметров в заданных точках объекта исследования с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.

Сканирующий принцип построения ССД используется там, где надо измерить поле распределения параметров: тепловизор, аппарат УЗИ, томограф используют для получения первичной информации именно ССД сканирующего типа.

Параллельными системами сбора данных следует считать ССД на основе т. н. интеллектуальных датчиков (ИД). Каждый ИД суть одноканальная ССД со специализированным интерфейсом. Исторически первыми параллельными ССД были ССД, где у каждого датчика «личным» был только АЦП, а сбор и обработка данных осуществлялась многопроцессорной ЭВМ. В настоящее время для сбора и обработки измерительной информации как правило вполне хватает вычислительных характеристик «обычной» ЭВМ. Параллельные системы пока еще не вытесняют мультиплексорные, в силу своей аппаратурной избыточности. Однако в ряде случаев параллельный принцип привлекателен: когда есть недорогие готовые ИД и недорогой канал связи (например система на интерфейсе 1-Wire) либо при небольшом числе каналов (выпускаются счетверенные сигма-дельта АЦП) и т. п.

Мультиплексная (мультиплексорная) ССД имеет на каждый измерительный канал индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования (помимо самого АЦП в него обязательно входит «антиалиасинговый» ФНЧ, устройство выборки хранения, опционально — схема защиты и схема формирования знакового разряда). Наибольшее распространение в настоящее время имеют именно мультиплексные системы сбора данных.

Типовая система сбора данных является мультиплексной и содержит в себе следующие узлы: датчики, аналоговый коммутатор, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, контроллер сбора данных, модуль интерфейса. Также ССД часто оснащаются цифровыми линиями ввода-вывода и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Из существующих типов систем сбора данных для сбора параметров самолетного ответчика наиболее подходит Мультиплексная (мультиплексорная) ССД.

Наиболее подходящим видом памяти для хранения информации о параметрах самолетного ответчика является Флэш-память. В настоящее время устройства флэш-памяти приобрели большую популярность и завоевали всеобщее признание пользователе. Это стало возможно благодаря таким качествам накопителей данного типа, как компактность, малое энергопотребление, большой объем памяти, отсутствие движущихся частей, высокая надежность и простота использования.


Рис.3.1. Структурная схема системы регистрации


Предлагаемая структурная схема системы регистрации параметров работы самолетного ответчика приведена на рис.3.1.

Все параметры поступают на мультиплексор. Мультиплексор представляет собой устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

В предлагаемой схеме происходит поочередная коммутация 12 параметров к 1 выходу. Для пояснения принципа работы рассмотрим структурную схему мультиплексора (рис.3.2).

Рис.3.2. Структурную схему мультиплексора


Входные логические сигналы Xi поступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаются адресные сигналы Ak (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y.

Кроме этого, некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя состояниями: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние — отключённый выход (высокоимпедансное состояние, Z-состояние — выходное сопротивление равно бесконечности). Перевод мультиплексора в третье состояние производится снятием управляющего сигнала OE (от англ. Output Enable).

Для поочередной коммутации параметров и синхронизации работы мультиплексора и контроллера памяти служит система, состоящая из счетчика и задающего генератора.

Счетчик представляет собой электронный счетчик импульсов. Счетчики импульсов предназначаются для отсчета импульсов и представления их числа в заданной системе счисления. Их используют в распределителях импульсов, в схемах измерения и образования временных интервалов, в различных программных устройствах и т. д.

В соответствии с принятым основанием m системы счета различают счетчики двоичные, троичные, четверичные и т. д.

Счетчики могут быть одноразрядными (позволяют отображать цифры или числа, соответствующие одному разряду системы счисления) либо многоразрядными. Очевидно, что для того, чтобы отображать определенные цифры в системе счисления, один разряд счетчика должен иметь столько отличающихся друг от друга состояний, сколько цифр в системе. Состояния счетчика отображаются статическими потенциалами (или импульсами) на его выходах. Очевидно, что у одноразрядного счетчика должно быть столько выходов, сколько у него имеется состояний. Каждое состояние одного разряда счетчика может отображаться в соответствии с принятой двоичной системой прямым (1) или инверсным (0) сигналом, которым соответствуют прямой и инверсный выходы (т. е. на каждую цифру может быть два выхода) (в дальнейшем везде, где специально не оговорен инверсный выход, речь идет о прямом выходе).

Выходы одного разряда счетчика и его состояния, как и цифры в системе счисления, будем обозначать от 0 до m-1. При этом, если сигнал 1 имеется на выходе 0, будем считать, что счетчик отображает цифру 0 или находится в состоянии 0. На остальных (прямых) выходах при этом сигнал 0. Если сигнал 1 имеется на выходе 1, то счетчик находится в состоянии 1.

В общем случае, если сигнал 1 присутствует на произвольном выходе то и счетчик находится в mi-м состоянии, т. е. отображает цифру mi.

Чтобы счетчик можно было использовать для отображения n-разрядного числа, он должен также состоять из n-разрядов (многоразрядный счетчик), причем многоразрядное число будет отображаться комбинацией состояний счетчиков каждого разряда (цифрами, записанными в каждом разряде).

Одноразрядный счетчик может быть замкнутым (кольцевым) или разомкнутым. Кольцевой счетчик после отсчета числа импульсов, равного числу значащих цифр m, возвращается в исходное положение и при дальнейшем поступлении импульсов начинает отсчет снова. Разомкнутый счетчик после отсчета определенного числа импульсов возвращается в положение, в котором на всех его выходах появляется сигнал 0.

Отсчет вновь может быть, начат только после поступления специального пускового импульса.

Счетчики обычно выполняют на элементах, имеющих два или более состояний устойчивого равновесия, например на элементах с прямоугольной петлей гистерезиса, тиратронах с холодным катодом и др. В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики широко используются счетчики, в которых в качестве основного элемента используется симметричный триггер на транзисторах.

В качестве задающего генератора используется генератор импульсов.

Контроллер является ядром предлагаемой системы. В его функции входит согласование сигналов, получаемых от мультиплексора, с сигналами твердотельного накопителя, а также запись данных по соответствующим адресам твердотельного накопителя. Работа контроллера синхронизирована с работой мультиплексора сигналами счетчика. С твердотельным накопителем контроллер связан линиями адреса и данных.

Принцип работы контроллера основан на общем принципе работы контроллеров USB- устройств.

Основными функциями контроллера являются:

1) адресация – устройство должно отзываться на назначенный ему уникальный адрес и только на него;

2) конфигурирование – после включения или сброса устройство должно предоставлять нулевой адрес для возможности конфигурирования его портов;

3) передача данных – устройство имеет набор конечных точек для обмена данными с хостом. Для конечных точек, допускающих разные типы передач, после конфигурирования доступен только один из них;

4) управление энергопотреблением – любое устройство при подключении не должно потреблять от шины ток, превышающий 100 мА. При конфигурировании устройство заявляет свои потребности тока, но не более 500 мА. Если хаб не может обеспечить устройству заявленный ток, устройство не будет использоваться;

5) приостановка – USB-устройство должно поддерживать приостановку (suspended mode), при которой его потребляемый ток не превышает 500 мкА. USB-устройство должно автоматически приостанавливаться при прекращении активности шины;

6) удаленное пробуждение – возможность удаленного пробуждения (remote wakeup) позволяет приостановленному USB-устройству подать сигнал хосту, который тоже может находиться в приостановленном состоянии. Возможность удаленного пробуждения описывается в конфигурации USB-устройства. При конфигурировании эта функция может быть запрещена.

Хранилищем данных о состоянии узлов самолетного ответчика является твердотельный накопитель. Различают два вида твердотельных накопителей: SSD на основе памяти, подобной оперативной памяти компьютеров, и SSD на основе флеш-памяти. Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью (от 1 доллара США за гигабайт) начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям — жестким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители со скоростью чтения и записи, во много раз превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением. лавный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — более 100 000 раз.[8] Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами». Данный недостаток отсутствует у RAM SSD, а также у относительно новой технологии FRAM, где ресурс хоть и ограничен, но практически недостижим в реальной жизни числом циклов перезаписи (до 40 лет в режиме непрерывного чтения/записи).

Однако, учитывая, что частота съема информации с накопителя будет производиться достаточно редко, NAND SSD вполне пригоден для использования его в качестве твердотельного накопителя в предлагаемом устройстве.

§ 3.2 Подбор элементной базы
В настоящее время существует несколько производителей контроллеров флэш-памяти с интерфейсом USB 2.0 (USB 2.0 Flash Drive Controller). Например, компания Genesys Logic производит контроллер GL814E, а фирма SMSC— USB97C242. Вначале 2004 года фирма Sigmatel анонсировала новый контроллер флэш-памяти STBD2010. В отличие от выше названных, данный контроллер максимально интегрирован и включает в себя все необходимые компоненты для построения готового устройства флэш-памяти с минимальным набором внешних элементов. Кроме того, он имеет современный малогабаритный корпус (рис.3.3), что позволяет создавать на его основе миниатюрные устройства памяти. При этом цена микросхемы составляет все го $1,7.

Рис.3.3. Устройства памяти.


Контроллер имеет две модификации: STBD2010 и STBD2011. Последняя модификация имеет некоторые преимущества перед первой. Поскольку обе модификации контроллеров имеют одинаковую структуру и полностью совместимы по выводам корпуса, здесь приводится обзор для обеих моделей контроллера с указанием отличий.

В начале рассмотрим основные характеристики контроллера. Контроллер STBD2010/2011- имеет встроенный интерфейс USB и полностью совместим со спецификацией USB 2.0 для высокоскоростных операций. Он обеспечивает управление микросхемами флэш-памяти с архитектурой NAND. Имея очень маленький размер корпуса, контроллер позволяет создавать устройства с миниатюрными размерами. Встроенный в контроллер интерфейс внешней флэш-памяти обеспечивает обслуживание от одной до четырех микросхем памяти с 8- и16-битной организацией шины данных. Объем каждой из четырех микросхем памяти может достигать 2 Гбит. Таким образом, суммарный объем поддерживаемых контроллером микросхем памяти может достигать 8 Гбит. Контроллер обладает свойством автоматического конфигурирования типа памяти и обеспечивает поддержку следующих типов микросхем флэш-памяти:

- флэш-память NAND с технологией Binary или SLC (Single Level Cell);

- флэш-память NAND с технологией MLC (Multi-Level Cell) (только STBD2011);

- флэш-память AG-AND (только STBD2011).

К числу изготовителей подобных типов микросхем памяти относятся такие известные фирмы, как Samsung, Toshiba, SanDisk, STMicroelectronics и др. Контроллер обладает блоком аппаратной коррекции ошибок (ECC), что обеспечивает достоверность переносимых данных без необходимости дополнительной программной обработки данных.

Встроенный в контроллер регулятор напряжения обеспечивает подключаемые микросхемы флэш-памяти необходимым для них напряжением питания 3,3 и1,8 В без использования внешних стабилизаторов напряжения и других дополнительных элементов. Входным источником питания для контроллера служит источник напряжения 5В интерфейса USB.

Для синхронизации всех процессов внутри контроллера имеется встроенный синтезатор частот, который работает совместно с внешним кварцевым резонатором, задающим тактовую частоту 24 МГц.

Рассмотрим структурную схему контроллера (рис.3.4).

Рис.3.4. Структурную схему контроллера.


Как видно из структуры контроллера, в его состав входят блоки для поддержки интерфейса USB и работы с флэш-памятью. Протокол интерфейса USB и флэш-памяти поддерживается встроенным микроконтроллером High Performance Microcontroller, который использует для своей работы встроенную постоянную память программ ROM и оперативную память RAM. Поддержка интерфейса USB осуществляется с помощью блока высокоскоростного приемопередатчика USB2.0 Hi-Speed Transceiver и устройства управления USB2.0 Hi-Speed Device Controller. Внутренний синтезатор частот PLL обеспечивает необходимую синхронизацию работы всех внутренних устройств с по мощью внешнего кварцевого резонатора на 24МГц. Блок GPIO обеспечивает внешнее управление и индикацию режима работы контроллера. Связь контроллера сфлэш-памятью осуществляется через интерфейс памяти Flash Memory Interface. Встроенный регулятор напряжения Voltage Regulators формирует из входного напряжения 5 В, поступающего от интерфейса USB, необходимые для работы ядра контроллера и внешних микросхем памяти напряжения питания 3,3 и1,8В. Контроллер выпускается в современном малогабаритном 48-выводном корпусе типа QFN размером всего 7х7 мм.

В таблице1 приведены основные эксплуатационно-технические характеристики данной микросхемы.

Таблица 1

ПАРАМЕТР

ЗНАЧЕНИЕ

минимальное

типовое

максимальное

Рабочий температурный диапазон, С

0

-

70

Температура хранения, С

-40

-

125

Напряжение источника питания, В

4,35

5,0

5,25

Напряжение питания входов-выходов, В

2,97

3,3

3,6

Напряжение питания ядра, В

1,62

1,8

1,98

Ток потребления в рабочем режиме, мА

100

120

160

Ток потребления в режиме ожидания, мА

1

1,5

2,5

Типовая структурная схема подключения микросхем памяти к контроллеру показана на рис. 3.5.



Рис.3.5. Структурная схема подключения микросхем памяти к контроллеру.


Показанные на структурной схеме генератор импульсов и счетчик включены в состав контроллера флэш-памяти. Частота тактовых импульсов задается подключаемым к контроллеру кварцевым резонатором.

В качестве аналогового мультиплексора предлагается использовать микросхему мультиплексора ADG408 производства компании Analog Devises. Микросхема включает в себя 8 входов и 3-разрядный адрес выбора входной линии, подключаемой к выходу. Микросхема обладает большой скоростью коммутации, большим входным и малым выходным сопротивлением. Также имеется вывод для разрешения или запрета вывода данных. Также достоинством микросхемы является то, что при рабочем напряжении питания +12 вольт она может выдерживать и остается функциональной при падении напряжения до 5 вольт. Структурная схема аналогового мультиплексора ADG408 приведена на рис.3.6.

В качестве твердотельного накопителя используется микросхема производства компании SAMSUNG K9W4G08U1M. Эта микросхема представляет собой флэш-накопитель на запоминание 2048 64-разрядных слов. Ячейки памяти представляют собой NAND-память.

Микросхемы NAND-флэш характеризуются типичным временем стирания блока 2 мС, имеют аппаратную защиту данных при переходных процессах по



Рис.3.6. Структурная схема аналогового мультиплексора ADG408

На рис.3.7. показана схема расположения выводов аналогового мультиплексора

Рис.3.7. Схема расположения выводов аналогового мультиплексора.


питанию и позволяют выполнять 100000 циклов записи/стирания. Гарантированное время сохранности данных составляет 10 лет. Важной особенностью микросхем памяти типа NAND является их повыводная совместимость вне зависимости от емкости. Это позволяет очень легко улучшать потребительские характеристики конечного изделия.

Данные записываются в накопитель и считываются из него по 8 бит. Структурная схема K9W4G08U1M приведена на рис.3.8.

Команды, адрес и данные подаются на микросхему через выводы I/O 0- I/O 7. Запись данных происходит путем подачи сигнала низкого уровня на вывод WE, а чтение- путем подачи сигнала низкого уровня на вывод RE. При этом на выводе CE должен быть сигнал низкого уровня.

Сигнал CLE низкого уровня означает, что подаваемый через выводы I/O 0- I/O 7 сигнал является командой. Сигнал АLE низкого уровня означает, что подаваемый через выводы I/O 0- I/O 7 сигнал является адресом. Сигнал PRE низкого уровня означает, что подаваемый через выводы I/O 0- I/O 7 сигнал является данными. Все эти сигналы подаются на модуль логического управления. Также на него подается сигнал WP, который, будучи сигналом низкого уровня, запрещает запись на микросхему.

В случае, если сигнал является адресом, он подается на дешифратор матрицы по строкам (Х-BUFFER) и столбцам (Y-BUFFER). Дешифрованный адрес выдается на матрицу накопителей, где в соответствующую ячейку записывается или считывается информация, согласно команде.

Рис.3.8. Структурная схема K9W4G08U1M.


Согласование и временное хранение сигналов происходит в буфере. Также микросхема включает в себя блок Кэш-памяти, а также специальные регистры. Каждый цикл записи/чтения информации происходит постранично. Напряжение питания микросхемы-3,6 вольт.
§ 3.3 Разработка принципиальной схемы контроллера
Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рис.3.9. В этой схеме используется описанная выше микросхема контроллера D1 и всего одна микросхема флэш-памяти D2, а также две микросхемы аналогового мультиплексора D3-D4

Рис.3.9. Принципиальная электрическая схема контроллера.

Перечень элементов устройства с указанием типа применяемых электронных компонентов, их номиналов и типов корпусов при веден В таблице 2.

Таблица 2



Поз. обозначение

Наименование

количество

примечание

BQ1

Резонатор кварцевый

1

HC-49




ЧИП-конденсаторы 0805







С1, С4-С6

0,1 мкФ

4




С2, С3

22мкФ

2




CP1

ЧИП-конденсатор электролитический KVE-6.3-10

1

10 мкФ, 6,3В




Микросхемы







DD1

ST802011N

1

QFN-48

DD2

K9K2G08UMX-Y

1

TSOP-48

DD3-DD4

ADG408

2




L1

ЧИП-индуктивность 1812 100 мкГн

1







ЧИП-резистор 0805







R1, R2

45 Ом+5%

2




R3

620 Ом+1%

1




R4-R6, R8

10 кОм+5%

4




R7

510 Ом+5%

1




HL1

ЧИП-светодиод КР-1608

1







Соединители







X1

Вилка USB A-4 на плату тип А (USB A-1)

1




SA1

Переключатель типа SS22

1



Принцип действия схемы заключается в следующем.

Сигналы от узлов самолетного ответчика поступают на мультиплексоры DD3-DD4. Мультиплексоры коммутируются контроллером DD1. Частота коммутации задается кварцевым резонатором BQ1. Параллельно контроллер коммутирует адреса на твердотельном накопителе DD4

Вместо микросхемы флэш-памяти D2 может быть использована микросхема с меньшим объемом памяти. При использовании всех 16 разрядов ввода-вывода контроллера в устройстве можно применить микросхемы памяти с 16-разрядной шиной данных. Это повысит скорость обмена с микросхемами, но несколько усложнит топологию печатной платы.

Напряжение питания поступает на устройство от интерфейса USB через разъем X1. Элементы L1, CP1 иC1 обеспечивают фильтрацию этого напряжения по высокой и низкой частоте. Контроллер D1 формирует из него напряжения питания 3,3 и1,8 В, необходимые для питания ядра самого контроллера, а также для питания микросхем памяти. Дополнительную фильтрацию напряжений питания осуществляют блокировочные конденсаторы C4–C6. Переключатель SA1, который управляет выводом GP1 контроллера, позволяет запретить запись в микросхемы памяти с целью защиты информации от стирания. Вывод контроллера GP0 управляет через ограничительный резистор R7 светодиодом HL1, отвечающим за индикацию режима работы контроллера (хранение-обращение). Резисторы R1 и R2 обеспечивают согласование входов контроллера с дифференциальными сигналами DM и DP интерфейса USB. Остальные резисторы устройства служат в качестве опорных сопротивлений, подтягивающих уровни сигналов контроллера к напряжению питания или к заземляющему потенциалу. Кварцевый резонатор BQ1 совместно с конденсаторами C2 и C3 обеспечивает формирование задающей частоты контроллера 24 МГц.

Схема не требует наладки и при правильной сборке начинает работать сразу при подключении устройства к интерфейсу USB.



Каталог: uploads -> books -> 696768
books -> Шодиев с. Р., Буранов ё. Р
696768 -> Реферат по предмету: «Основы и системы радиолокация»
books -> На получение степени магистра Асадов Файзулла Хайрулла угли " Разработка методов и алгоритмов анализа повышения надежностных характеристик, средств визуализации медицинских изображений " по
696768 -> Лекция Классификация электронных промышленных устройств. Задачи курса «Электронные промышленные устройства»
696768 -> «Мировоззрение Рабиндраната Тагора»
books -> Диссертация «Разработка и исследование системы связи для ведомственных служб на основе Атмосферной Оптической Линии Связи»
books -> Шарипова дильноза бахриддиновна политические аспекты взаимоотношений республики узбекистан и исламских банков на современном этапе


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал