Реклама
Реклама
ЖУРНАЛ Здравствуйте, уважаемые друзья! Журнал «Современная электроника» Издаётся с 2004 года Мировая электронная индустрия продолжает борьбу с глобальным кризисом, спровоцированным коронавирусом, стихийными бедстви- Главный редактор Ю. В. Широков ями и экономическим противостоянием между США и Китаем. Уже в Заместитель главного редактора самом начале кризиса многие специалисты разглядели надвигающу- Д. А. Трофимов юся опасность. Но действительность, как говорится, – превзошла все Редакционная коллегия А. Е. Балакирев, ожидания: на рынке полупроводниковой электроники наблюдается В. К. Жданкин, С. А. Сорокин, Д. А. Кабачник, тотальный дефицит всего, цены на изделия микроэлектроники подско- Р. Х. Хакимов чили в разы, производственных мощностей не хватает, а быстро раз- Вёрстка А. М. Бабийчук вернуть новые – задача очень дорогостоящая и сложная. Да и не спешат Обложка Д. В. Юсим мировые гиганты инвестировать в новые мощности из опасений что Распространение А. Б. Хамидова ([email protected]) нынешний спрос может оказаться сильно переоценённым и когда ажи- Реклама И. Е. Савина ([email protected]) отаж спадёт, вновь построенные фабрики останутся без заказов. Учредитель и издатель ООО «СТА-ПРЕСС» Акции чипмейкеров на фоне образовавшегося дефицита и неуклонно Генеральный директор К. В. Седов растущего спроса со стороны промышленности и телекома – на подъ- Адрес учредителя и издателя: ёме, что не может не радовать инвесторов. Однако перебои в производ- 117279, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, стве чипов по цепочке приводят к сокращению объёмов производства пом/ком/эт I/67/тех и удорожанию изделий, содержащих в себе микроэлектронные ком- Почтовый адрес: 119313, Москва, а/я 26 поненты, а без них не обходятся сегодня даже утюги. Россию кризис Тел.: (495) 232-0087 • Факс: (495) 232-1653 затронул лишь косвенным образом, поскольку вклад высокотехноло- [email protected] • www.soel.ru гичной продукции в ВВП даже по официальным данным сегодня не превышает 25%, а львиная её доля приходится на ВПК, где использует- Производственно-практический журнал ся преимущественно отечественная элементная база. Тем не менее для Выходит 9 раз в год. Тираж 10 000 экз. амбициозных проектов государства по цифровизации отечественной Цена свободная экономики мировой дефицит полупроводников может стать сдержи- вающим фактором: ведь как ни крути основные поставщики микроэ- Журнал зарегистрирован в Федеральной лектроники в российский гражданский сектор – это не отечественные службе по надзору за соблюдением производители чипов, а Китай, Малайзия и Тайвань. законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия В этом номере «Современной электроники» мы продолжаем публикацию (свидетельство ПИ № ФС77-18792 материалов на чрезвычайно важную тему технологической независи- от 28 октября 2004 г.) мости страны в области микроэлектроники. Видимая часть информаци- онного айсберга свидетельствует о том, что государство предпринимает Отпечатано: ООО «МЕДИАКОЛОР». шаги для улучшения ситуации: разрабатываются программы долгосроч- Адрес: Москва, Сигнальный проезд, 19, бизнес- ного развития отрасли, инвестируются средства в различные масштаб- центр Вэлдан. Тел./факс: (499) 903-6952 ные проекты, предоставляются преференции производителям и разра- ботчикам в области электроники. Но не станет ли итогом этой бурной Перепечатка материалов допускается только деятельности очередное разбазаривание астрономических сумм из с письменного разрешения редакции. бюджета? Некоторые наши эксперты прогнозируют именно такой сце- Ответственность за содержание рекламы нарий и готовы предложить альтернативные пути развития отечествен- несут рекламодатели. ной микроэлектроники. Об этом читайте в нашем журнале. Ответственность за содержание статей несут авторы. Между тем «Современная электроника» не изменяет своим принципам, Материалы, переданные редакции, не рецен- продолжает радовать читателей не только интересными публикация- зируются и не возвращаются. ми, но и массой новых видеороликов на YouTube-канале! Оставаясь с Мнение редакции не обязательно совпадает нами, вы движетесь в ногу со временем! с мнением авторов. Все упомянутые в публикациях журнала Всего вам доброго! наименования продукции и товарные знаки являются собственностью соответствующих Юрий Широков, главный редактор владельцев. © СТА-ПРЕСС, 2021 ПОДПИСКА БЕСПЛАТНАЯ ПОДПИСКА ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ на электронную версию журнала теперь СТАЛА БЕССРОЧНОЙ ПОДПИСКА на печатную версию – это гарантированное получение журнала по любому указанному вами адресу! С УСЛОВИЯМИ ОФОРМЛЕНИЯ ПОДПИСКИ можно ознакомиться на сайте www.soel.ru 2 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
СОДЕРЖАНИЕ 5/2021 РЕКЛАМОДАТЕЛИ РЫНОК Beneq (Lumineq) . . . . . . . 54, 55 4 Новости российского рынка CREE (Wolfspeed) . . . . . . . . 63 8 Экосистема умного дома: возможности и решения Delta Design. . . . . . . . . . .4, 27 ICAPE Group . . . . . . . . . . . 44 Группа Legrand INWAVE . . . . . . . . . . . . .5, 58 JTAG . . . . . . . . . . . . . . . 17 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ PCB SOFT . . . . . . . 2-я стр. обл. Schaefer. . . . . . . . . . . . . . 15 12 Новый стандарт для проектов «Умный дом» – Connected Home over IP. TDK-Lambda . . . . . . . . . . . .6 Часть 2 XP Power . . . . . . . . . . . . . .7 ОАО «Завод Магнетон» . . . . 1, 6 Виктор Алексеев Микроволновые системы . .4-я стр. обл. Морион . . . . . . . . . . . . . . .5 ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Платан . . . . . . . . . . . . . . .4 РАДЭЛ-2021 . . . . . . . . . . . 72 18 Современные 32-разрядные ARM микроконтроллеры серии STM32 Связь-2021 . . . . . . . . . . . . 39 Силтэк . . . . . . . . . . . . . . .6 Олег Вальпа Симметрон . . . . . . . . . . . . .5 СНЕЖЕТЬ . . . . . . . 1-я стр. обл. 20 Импортозамещение в действии. Герметичные жидкостные соединители ТЕСТПРИБОР . . . . . . . . . 11, 29 от отечественного завода-производителя Фаворит-ЭК . . . . . . . . . . . 26 ЧипЭкспо-2021. . . . . . . . . . 45 Елизавета Матюхина Читайте в «CTA» № 3/2021: 24 ARINC 818 для начинающих. Комплект разработчика Velocity XI Предъявите ваши ладони: будущее Александр Бекмачев, Евгений Работинский биометрических технологий ИИ в Индустрии 4.0: промышленность ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ в погоне за прогрессом Кораблям дали газу: первое в России 28 Проблемы использования реверберационной камеры при испытаниях судно на СПГ уходит в плавание на восприимчивость к радиочастотному электромагнитному полю Вкалывают роботы, а не человек: авто- матизация складской логистики Алексей Шостак «Зрячее» производство: когда видео- камера эффективнее глаза ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 32 Опыт использования сигнализации и диагностики термометрии силосов элеватора по шинной топологии подключения цифровых датчиков DS1820 Андрей Шабронов 36 FlyFocus разрабатывает отсоединяемый привязной БПЛА для непрерывного наблюдения за критически важными объектами Vicor Corporation ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 40 Перенос тестовых сценариев между этапами моделирования СБИС «Система-на-кристалле» и этапом функционального контроля Андрей Андрианов ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 46 Элементный анализ планарных наноструктур на базе рентгеновской эмиссии, индуцированной высокоэнергетическим возбуждением Евгений Егоров, Владимир Егоров, Алексей Галицын 56 Результаты измерений диэлектрических свойств нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок в СВЧ-диапазоне Андрей Фирсенков, Игорь Мироненко, Аркадий Иванов СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ 60 О Дне радио и о предложении изменить его статус Владимир Бартенев КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ 64 Как завоевать мировой рынок электроники в посткремниевую эпоху? Александр Гордеев Оформляйте подписку на журнал «СТА» СОБЫТИЯ и читайте печатную версию или электронную версию на www.cta.ru 68 Будущее не за горами Ольга Романовская 70 Итоги выставки «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2021» СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 3
РЫНОК На правах рекламы Новости российского рынка ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ CERAPLAS эффекта. Холодная плазма (её температу- нов). Линейка устройств CeraPlas™ со- ра менее 50°С) генерирует электрические стоит из нескольких типов элементов, ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ разряды в воздушной среде или внешних среди которых можно выбрать как гото- ИОНИЗАТОР НА ХОЛОДНОЙ газах. Малый вес и компактность позволя- вые модели в виде «пьезоручки», так и ПЛАЗМЕ ют использовать компоненты даже в пор- разработать собственные индивидуаль- тативных устройствах с батарейным пи- ные решения. Применение готовых реше- 2020 год вывел на первое место в мире танием. ний позволяет получить заметные преи- вопрос защиты от вирусов. Для борьбы с мущества при работе с поверхностями с этим микроскопическим врагом использова- Обеззараживание холодной плазмой высокой поверхностной энергией, напри- лись все существующие технологии: хими- имеет ряд преимуществ перед другими ме- мер при склеивании, нанесении покрытия ческое обеззараживание антисептически- тодами: оно осуществляется без контакта или прецизионной очистке. ми средствами, УФ-излучение, барьерные с поверхностью и не нарушает её свойств, методы защиты в виде масок и перчаток. может быть использовано для очистки Пример применения: компания Relyon Компания TDK предлагает ещё одну тех- термически чувствительных поверхно- Plasma в сотрудничестве с компанией нологию защиты от загрязнений – холод- стей (например, электроники, смартфо- Hailo разработала компактный модуль для ную плазму. встраивания в крышку мусорного контей- нера. Каждые 60 минут модуль автомати- Сегодня использование технологических чески вырабатывает и распыляет порцию возможностей плазмы стало рабочим стан- активных форм кислорода, ионизируя воз- дартом во многих отраслях промышленно- дух. Результат работы прибора – нейтра- сти. Мощности плазменных установок ко- лизация 99% неприятных запахов и бак- леблются в диапазоне от нескольких ватт терий. до киловатт. Компания TDK разработала инновационный источник холодной плаз- ПЛАТАН мы (озонатор, ионизатор) – CeraPlas™ эле- [email protected] мент, представляющий собой генератор +7 (495) 97-000-99 плазмы в одном корпусе на основе пьезо- СОБЫТИЯ ПОСЛЕ ДВУХЛЕТНЕГО ПЕРЕРЫВА ровал планы на этот. С учётом сложившихся SPICE-моделей электронных компонентов ВЫСТАВКА EXPOELECTRONICA условий компания быстро перестроила свою на заказ. работу на удалённый режим и сконцентри- ПРОШЛА В АКТИВНОМ ДЕЛОВОМ ровалась на отработке пожеланий пользова- Далее прошли презентации основных мо- РЕЖИМЕ телей. Приоритет работ определяется на ос- дулей системы Delta Design. Подробно были нове анализа результатов тестов и запросов рассмотрены: библиотека электронных ком- На стенде «ЭРЕМЕКС», где можно было пользователей системы, что обеспечивает понентов Delta ЭКБ, автотрассировщик и то- протестировать все модули и обновлённый более гибкое взаимодействие с заказчиками. пологический редактор TopoR, система ана- интерфейс последней версии САПР Delta логового моделирования Delta Design SimOne, Design 3.0, а также ознакомиться с возмож- Из ближайших планов особое внимание модуль цифрового моделирования Simtera. ностями интеграции Delta Design с системой было уделено выпуску новой версии моду- управления инженерными данными и жизнен- ля DeltaCAM для проверки и редактирования В заключение был представлен доклад ным циклом изделия ЛОЦМАН:PLM от ком- производственных файлов. DeltaCAM будет о методах подбора операционной системы пании АСКОН, постоянно были посетители. полностью интегрирован в САПР Delta Design реального времени для встраиваемых про- для поддержки сквозного цикла проектиро- дуктов. Слушатели также ознакомились с Разработчики «ЭРЕМЕКС» демонстриро- вания печатных плат и их производства. возможностями и особенностями операци- вали и другой продукт – ОСРВ для встраи- онных систем реального времени для встра- ваемых систем FX-RTOS. На семинаре также были представлены те- иваемых систем семейства FX-RTOS. кущие достижения по интеграции Delta Design На семинаре «ЭРЕМЕКС» в рамках вы- с другими продуктами для разработки элек- Поскольку в основном на семинаре присут- ставки руководитель группы продаж ПО тронного оборудования. Директор по развитию ствовали пользователи продуктов компании Антон Плаксин выступил с приветственным АО НПО «ЭРКОН» Илья Малышев рассказал «ЭРЕМЕКС» или планирующие их приобрете- словом к участникам, остановился на основ- о новой библиотеке компонентов электрора- ние в ближайшем будущем специалисты, бы- ных направлениях государственной полити- диоизделий промышленного и специального ло достаточно много практических вопросов. ки по развитию электроники, рассказал о ре- назначения АО НПО «ЭРКОН», разработан- зультатах «ЭРЕМЕКС» в 2020 г. и пригласил ной для использования в Delta ЭКБ. Специалисты «ЭРЕМЕКС» весьма поло- на очные мероприятия, намеченные в этом жительно оценили результаты работы на вы- году. Генеральный директор АО «ЭРЕМЕКС» Профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Игорь Ха- ставке «Экспоэлектроника-2021» и планиру- Сергей Пилкин подвёл итоги работы команды ритонов поднял актуальную тему создания ют участие в мероприятии в следующем году. разработчиков за прошедший год и анонси- www.eremex.ru 4 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
РЫНОК На правах рекламы ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ КОМПАНИЯ INWAVE ● 8″ графический сенсорный дисплей; ● 4 ГБ объём встроенной памяти выборок ● 800 МГц полоса анализа спектра реально- для записи на скорости 4 Гвыб/с; ВЫПУСТИЛА НОВЫЙ АНАЛИЗАТОР го времени, записи, демодуляции; ● минимальная полоса разрешения (RBW) СПЕКТРА MWA-400 ● 100 Гбит/с Ethernet (QSFP28) интерфейс 0,1 Гц; Компания INWAVE, ведущий российский ввода-вывода для соединения с внешней ● опциональный второй синхронный канал разработчик прецизионного контрольно-из- системой хранения; с диапазоном частот 8 кГц ... 1,5 ГГц; мерительного оборудования, выпустила но- ● фазовый шум: –137 дБн/Гц на отстройке вый анализатор спектра MWA-400 с диапа- 10 кГц от несущей 1 ГГц; ● сенсорная контекстная клавиатура; зоном рабочих частот от 8 кГц до 40 ГГц. ● частота дискретизации 4 ГГц, разряд- ● опция по измерению фазовых шумов; ность АЦП 12 бит; ● опция фильтров ЭМИ; Анализатор MWA-400 предназначен для ● опция по анализу сигналов со всеми апри- проведения высокоточных измерений спек- тральных параметров сигналов в реальном орно неизвестными параметрами; времени, уровня фазовых шумов, параме- ● опция «доступ пользователя к програм- тров ЭМС, а также обеспечивает демоду- ляцию и запись сигналов. мированию ПЛИС». www.inwave.ru Основные преимущества анализатора спектра MWA-400: [email protected] +7 (495) 137-5335 НОВЫЙ АНАЛИЗАТОР теристиках стабильности устройств в мас- анализаторов 3120A, 5120А и 5125A, про- ФАЗОВЫХ ШУМОВ 53100А штабах времени от фемтосекунд до дней. изводит быстрые и точные измерения фа- ОТ MICROCHIP, ПОСТАВЛЯЕМЫЙ Компактные размеры (344×215×91 мм при зового шума в одной боковой полосе (SSB) АО «МОРИОН» весе чуть более 3 кг) и передовая в своей и девиации Аллана (Allan Deviation), отлича- (Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ) отрасли скорость измерений делают данный ясь от альтернативных решений привлека- инструмент универсальным для множества тельной стоимостью. Благодаря усовершен- АО «МОРИОН» (Санкт-Петербург), веду- применений, от настольных систем до авто- ствованной конструкции и технологическим щее предприятие России и один из мировых матических измерительных систем, монти- достижениям в производстве, анализатор лидеров в области разработки и серийно- руемых в стойку. 53100A обеспечивает более высокую надёж- го производства пьезоэлектронных прибо- ность и производительность по сравнению ров стабилизации и селекции частоты, пред- Модель 53100A, базирующаяся на ос- со своими предшественниками. Планирует- ставляет новый анализатор фазовых шумов нове уже зарекомендовавших себя серий ся внесение в государственный реестр СИ 53100А от Microchip (бывшая Symmetricom, в 2021–2022 гг. Microsemi) в USB-исполнении. Дополнительная информация о новом Анализатор фазовых шумов 53100A из- приборе доступна на сайте АО «МОРИОН». меряет амплитудную, фазовую и частотную стабильность прецизионных источников ча- АО «МОРИОН» стоты. Поддерживаются входные частоты www.morion.com.ru / [email protected] от 1 до 200 МГц. Анализатор 53100A вы- даст исчерпывающую информацию о харак- +7 (812) 350-7572, +7 (812) 350-9243 Факс: +7 (812) 332-5025, +7 (812) 350-1559 ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ НОВЫЕ ДРАЙВЕРЫ ЗАТВОРА ● мощный токовый выход (1ED34(38) INFINEON СЕМЕЙСТВА X3 xxMx12M – 9А); COMPACT ● рабочая температура до +125°С; Компания Infineon выпустила новые ми- ● серия 1ED38xx имеет встроенный АЦП и кросхемы драйверов управления на 650, функцию обработки сигнала с термодат- чика, встроенного в IGBT-модуль. 1200 и 1700 В IGBT, Mosfet, SiC-Mosfet. Драйверы предназначены в первую оче- редь для управления IGBT- и SiC-модулями, Отличительные особенности новых драй- но также могут применяться для управле- ния дискретными IGBT, Mosfet, SiC-Mosfet. веров: Новизна новых микросхем драйверов – в возможностях управления транзистора- ● «мягкое» отключение с настраиваемым ми 17 класса, соответствии повышенным требованиям по изоляции, гибком «мягком» током затвора; выключении, повышенной стойкости к по- мехам, а также в наличии у микросхем с ● действующее изоляционное напряже- цифровым интерфейсом встроенного АЦП Области применения: и передачи сигнала с датчика температуры ● электроприводы; ние 5700 В; (NTC) в модуле или на радиаторе. ● инверторы для солнечной энергетики; ● источники бесперебойного питания; ● соответствие стандарту на изоляцию ● сварочные аппараты; ● преобразователи для транспорта и UL 1577; карьерной техники; ● напряжение смещения выход-вход до 2300 В; ● источники питания изолированные. ● повышенная помехоустойчивость [email protected] (CMTI = 200 кВ/мкс); ● прецизионная, настраиваемая и темпе- ратурно-компенсируемая защита DESAT; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 5
РЫНОК На правах рекламы КОМПАКТНЫЕ AC-DC кое энергопотребление без нагрузки. Дан- ляет 3 года. Более подробную информацию ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ TDK-LAMBDA ная серия отлично подойдёт для применения по серии KPSB и по другим продуктам TDK- МОЩНОСТЬЮ 5 И 26 ВТ в таких сферах как приборостроение, теле- Lambda вы можете получить у официально- коммуникационное оборудование, мобиль- го дистрибьютора – компании «ПРОСОФТ». ДЛЯ МОНТАЖА НА ПЕЧАТНУЮ ные испытательные комплексы и бортовые системы связи. Данные модели доступны www.prosoft.ru ПЛАТУ в открытом исполнении и в корпусе, они Корпорация TDK-Lambda представила но- имеют изоляцию класса II, обеспечиваю- щую работу без дополнительного зазем- вые AC/DC-преобразователи серии KPSB ления. Также серия KSPB не требует до- для монтажа на печатную плату. Эти одно- полнительной установки фильтров в цепь канальные компактные преобразователи до- питания. Габаритные размеры модулей на ступны с выходными мощностями 6 и 25 Вт 6 Вт составляют 39,5×19,4 мм, а модулей на и выходными напряжениями 3,3, 5, 9, 12, 15 25 Вт – 50,8×28 мм. Вес: от 11 до 105 г в за- и 24 В. Они работают в широком диапазо- висимости от выходной номинальной мощ- не входных напряжений 85…264 В перемен- ности. Гарантия от производителя состав- ного тока и при температурах окружающей среды от –40 до +80°C. КПД преобразовате- лей достигает 87% и они имеют очень низ- КОРПУСИРОВАННЫЕ ответствуют присоединительным контакт- ны и аттестованы для применения в бор- ФЕРРИТОВЫЕ ДЕЛИТЕЛИ/ ным местам аналогов. товых системах аэрокосмической техники. ● гамма-процентная наработка до отказа Тγ СУММАТОРЫ МОЩНОСТИ Изделия применяются в аппаратуре ра- диоизмерительных комплексов, в многока- приборов при γ = 95% в режимах и услови- НЧ-ВЧ-СВЧ-ДИАПАЗОНОВ нальных системах приёма-передачи инфор- ях, допускаемых ТУ, не менее 100 000 ч, мации широкополосных сигналов, работают (в облегчённом режиме 120 000 ч) в пре- ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА с высокой динамической нагрузкой, обеспе- делах срока службы Тсл не менее 25 лет; 28 типов новых изделий для применения чивают высокую пропускную способность, ● приборы стойкие к воздействию механи- могут работать при низких уровнях атмос- ческих, климатических факторов и специ- в радиоэлектронных системах и комплексах ферного давления, могут быть использова- альных сред со значениями характеристик, разработаны ОАО «Завод Магнетон». Сре- соответствующими группе унифицирован- ди разработанных приборов имеются 2-, 3-, ного исполнения 4У, и выдерживающие си- 4-, 5-, 6- и 8-канальные делители/суммато- нусоидальные вибрации в диапазоне от 10 ры. Приборы обеспечивают работу в жёст- до 2000 Гц с амплитудой ускорения 20 g, ких условиях эксплуатации и имеют кате- механический удар одиночного действия горию качества «ВП». Делители/сумматоры длительностью ускорения до 5 мс со зна- различаются диапазонами рабочих частот, чением 200 g и удар многократного дей- массогабаритными параметрами, не усту- ствия до 150 g при той же длительности. пают аналогам известных зарубежных про- изводителей по электрическим параметрам www.magneton.ru и превосходят их по надёжности, а также в конструктивном исполнении полностью со- СВЕРХПРОЧНАЯ СТАЛЬНАЯ уже успешно работает в сверхсложных экс- параметры литья высокотемпературного UHF-МЕТКА S-TAG STEEL плуатационных условиях – на локомотивах, пластика. ОТ «СИЛТЭК» колёсных парах и тяговых электродвигате- лях подвижного состава РЖД. Радиомет- У S-Tag Steel широкий потенциал приме- Группа компаний «Силтэк» – единствен- ка обладает повышенной устойчивостью к нения, её можно использовать для марки- ный в России разработчик и серийный агрессивным средам (кислоты, щёлочи) и ровки объектов преимущественно из раз- производитель корпусированных RFID- ультрафиолетовым лучам; выдерживает пе- личных типов металла: тележек, станков, меток для всех отраслей промышленно- репады температур в диапазоне от –60 до промышленного оборудования и техники, сти. «Силтэк» работает на российском и +300°С, ударную и вибрационную нагрузку, контейнеров, горнодобывающего оборудо- международном рынках более 25 лет. Про- высокое давление. Дальность её считыва- вания и транспорта, военной и исследова- изводственные, технологические и интел- ния – до 7,5 метров. тельской техники, различных стационарных лектуальные возможности компании по- объектов и т.д. зволяют создавать и серийно выпускать Над продуктом работала группа специа- радиометки для идентификации грузов, листов из нескольких отделов ГК «Сил- www.siltech.ru технических и транспортных средств, обо- тэк». Инженерами-проектировщиками рудования, индивидуальной или групповой была оптимизирована конструкция про- упаковки готовой продукции, а также еди- тотипа изделия, разработана и создана ничных объектов любого размера и специ- технологическая оснастка для сборки и фики – от новорождённых поросят до эле- литья под давлением, подготовлены ме- ментов буровых установок. тодики контроля качества продукта. Ин- женерами производства были подобра- Одна из свежих новинок UHF-метка ны марки материалов и технологические S-Tag Steel в стальном корпусе, которая 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
РЫНОК На правах рекламы 80-ВАТТНЫЕ ИСТОЧНИКИ Помехоэмиссия и кондуктивные поме- ПИТАНИЯ AC/DC В ОТКРЫТОМ хи соответствуют уровню Class B по стан- КАРКАСЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ дарту EN55032, устойчивость к воздей- В ОБОРУДОВАНИИ IT ствию помех соответствует требованиям И ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ Компания XP Power предлагает серию стандартов EN55035, EN61547 и EN61000- 80-ваттных источников питания AC/DC 4-2/3/4/5/6/8/11, гармонические состав- LCE80 с конвекционным охлаждением, выполненную в открытом каркасе с пло- ляющие тока соответствуют Class C для щадью основания 4×2″, которые характе- ризуются высоким значением удельной нагрузки 50 Вт и более. Источники пита- мощности, работой в режиме стабили- зации напряжения и тока, содержани- ния обеспечивают безопасность согласно ем гармонических составляющих тока по Class C для нагрузок 50 Вт и выше, за- требованиям стандартов CB IEC62368-1, щитой от поражения электрическим то- ком по классу I и II и широким диапазон- IEC60950-1 (ITE), TUV EN62368-1 (ITE), ном входного напряжения от 90 до 305 В. EN61347 (для осветительного оборудова- Серия LCE80 содержит 10 моделей с вы- ходными напряжениями 5, 12, 15, 20, 24, 30, прочность изоляции между выходными и ния) и UL8750 (для осветительного обо- 36, 42, 48 и 54 В. Регулировочный потенцио- выходными цепями – 3 кВ (переменное на- метр, установленный на плате, обеспечи- пряжение), между входными цепями и кор- рудования). вает подстройку выходного напряжения в пусом – 1,5 кВ (переменное напряжение), диапазоне ±10% относительно номиналь- между выходными цепями и корпусом – Габаритные размеры корпуса ного значения. Полная мощность на выходе 1,5 кВ (переменное напряжение). Преоб- обеспечивается при минимальном значении разование напряжения осуществляется с 101,6×50,8×27,9 мм. Гарантируются тех- входного напряжения 90 В. Электрическая КПД 89,6%, а при работе в режиме холо- стого хода входная мощность составля- нические параметры при воздействии тем- ет менее 0,5 Вт. Типичное значение тока утечки на землю при входном напряжении ператур от –40 до +70°C, полная мощность 230 В – 280 мкА. обеспечивается от –30 до +50°C. Среднее Источники питания оснащены защитой от короткого замыкания, перенапряжения время наработки до отказа (MTBF), рассчи- и перегрузки по току. танное согласно MIL-HDBK-217F, Notice 2 при применении в стационарном наземном оборудовании при температуре +25°C, со- ставляет 300 000 часов, а максимальная высота, на которой гарантируется сохране- ние работоспособности, составляет 5000 м. www.prosoft.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU Реклама 7
РЫНОК Экосистема умного дома: возможности и решения Группа Legrand Установка такого стартового набора в любом доме или квартире уже помо- Не секрет, что технологии умного дома все больше привлекают жет автоматизировать процессы управ- внимание потребителей и спрос на них растёт. Желание жить в «доме ления электрикой. При этом произво- будущего», который показывают в фантастических фильмах, дитель предусмотрел удобство монтажа для многих людей перестаёт быть недостижимой мечтой и становится изделий как на этапе строительства вполне осязаемой реальностью, в которую удобно инвестировать, жилья, так и в процессе его ремонта. начав с малого. Растёт востребованность таких решений и среди Установка осуществляется по схеме профессионалов рынка. Как следствие, ведущие производители монтажа классических электроуста- электротехники обращают своё внимание на сторону рынка «Интернета новочных изделий. Никаких допол- вещей» и умных технологий. нительных навыков и прокладки кабе- лей для коммутации умных устройств Экосистема умного дома В качестве основы используется стар- не требуется. товый пакет из двух устройств: Wi-Fi- Умная электрика – один из пер- шлюза, совмещённого с умной розет- Дополнительно в систему могут быть вых шагов к созданию умного дома. кой в форм-факторе «два-в-одном», и включены разнообразные устройства Она открывает для нас возможность главного беспроводного выключате- для расширения её функционала. Так- управления светом и домашней быто- ля с функциями «Я дома»/«Я вне дома» же комплект может быть дополнен вой техникой с помощью смартфона (см. рис. 2 и 3). специальными устройствами, кото- и голосовых ассистентов, возможность рые позволяют реализовать специфи- просматривать статусы работы элек- Шлюз оснащён технологиями Wi-Fi ческие функции, такие как измерения троприборов и следить за тем, сколь- и Zigbee и обеспечивает подключе- электроэнергии во всем доме, управле- ко энергии они потребляют, из любой ние всех IoT-устройств к интернету, ние приводами жалюзи, рольставнями, точки мира (см. рис. 1). Всё это и мно- давая пользователям возможность электрическими приборами и другие гое другое легко доступно с помощью управлять системой умного дома из (см. рис. 4). современных систем. Рассказываем о любой точки мира. Максимальный том, как они устроены и какой имеют ток умной розетки аналогичен стан- Совместимость функционал, на примере новой экоси- дартным моделям – 16 А. При этом в её стемы для умного дома. возможности входит защита от пере- При создании автоматизированной грузок и измерение потребления элек- системы управления домом, в которую Её основу составляют электроуста- троэнергии. Главный выключатель включены устройства от разных про- новочные изделия в дизайне извест- служит для настройки всей системы изводителей, на первый план выходит ных серий традиционной электри- умного дома и одновременно являет- вопрос их совместимости. ки от французского бренда Legrand: ся главным выключателем для вызо- Valena Life with Netatmo, Valena Allure ва основных сценариев («Я дома» / Современная концепция Интер- with Netatmo и Celiane with Netatmo. «Я вне дома»). Он легко клеится на сте- нета вещей изначально предпо- Система состоит из проводных и бес- ну, мебель или в любое другое удоб- лагает совместимость разных проводных устройств, в каждое из кото- ное для пользователя место. устройств посредством сети Интер- рых встроен интеллектуальный модуль. нет. При проектировании помеще- ний жилой недвижимости стоит Рис. 1. Облачные сервисы позволяют удалённо управлять устройствами Рис. 2. Умные электроустановочные изделия в составе домашней автоматизации 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
РЫНОК Рис. 3. Сценарии работы умного дома выбирать устройства со встроенной дом», Google Home, Apple Дом (плат- Рис. 4. Умный терморегулятор на радиаторе поддержкой популярных платформ форма HomeKit) или традиционным отопления умного дома, таких, к примеру, как способом. AppleHomeKit, Google Home и голосо- дом», добавляются новые модули, про- вые помощники, тогда не возникнет Ещё одно приятное дополнение: исходит удалённое управление IoT- никаких сложностей в управлении система взаимодействует с мешап- устройствами, отслеживается потре- всей инфраструктурой. Все пускона- сервисом IFTTT, с помощью которого бление электроэнергии и т.д. Права ладочные работы будут заключаться можно создавать различные сценарии на управление системой возможно в монтаже оборудования и синхро- работы оборудования. предоставить и другим членам семьи. низации приложений в смартфоне. Все персональные данные пользова- Это экономия времени дорогостоя- Управление через смартфон теля при этом хранятся на серверах в щих специалистов на монтаже и эко- РФ, что обеспечивает их максимальную номия на оборудовании для конечно- Обязательная функция современ- безопасность. го заказчика. Безусловно, устройства ного умного дома – управление и кон- Интернета вещей могут встраивать- троль через приложение в смартфоне. Все команды со смартфона или ся и в профессиональные системы Пользователи ожидают от такой опции голосового помощника обрабаты- домашней автоматизации, основан- понятного интерфейса, простого и ваются облачными серверами и ные на протоколе KNX, посредством наглядного функционала, русифика- через шлюз отправляются на обра- соответствующих хабов. ции, а также возможности совмещён- ного доступа с защитой персональных Так что же с точки зрения совмести- данных. мости предлагает нам новое решение? Так, управление новой экосисте- В экосистему умного дома с помо- мой осуществляется с помощью руси- щью мобильного приложения могут фицированного мобильного при- быть легко интегрированы решения ложения Home+Control, в котором таких брендов, как Somfy, Bubendorf, создаётся план дома и отображает- Velux, Vaillant. Устройства этих брен- ся текущий статус каждого умного дов легко взаимодействуют друг с дру- устройства. Одно приложение может гом по принципу IoT. управлять 100 шлюзами. К одному шлюзу может быть подключено до Управление системой осуществля- 200 устройств. ется с помощью голосового помощ- ника «Алиса», который также поддер- В приложении можно управлять как живает работу с умными колонками отдельными модулями, так и использо- «Яндекс.Станция». Предусмотрено вать настраиваемые сценарии поведе- и управление с помощью других ния для группы smart-устройств, в том известных голосовых помощников числе их включение и выключение по (Apple Siri, Google Assistant и Amazon расписанию. С помощью того же при- Alexa) и приложений «Яндекс. Умный ложения проходит быстрая настрой- ка персональной системы «умный СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 9
РЫНОК Рис. 5. Умная система охраны дома фото нарушителя и записью инци- сти возле дверей имитирует присут- дента в разрешении Full HD. Устрой- ствие в доме человека или стороже- ботку умным устройствам. В обрат- ство предусматривает возможность вой собаки. ном направлении передаются дан- отключения записи при попадании ные о статусе умных устройств, в кадр членов семьи и других групп Умный дверной видеозвонок даст воз- тревожных событиях, энергопотре- пользователей. Камера включится можность из любой точки мира увидеть, блении и т.д. только при обнаружении посторон- кто стоит у двери, и ответить на звонок с них лиц. Для подключения потребу- помощью смартфона. Функция обнару- При отсутствии подключения к сети ется только розетка и WiFi, а также жения человека также предупредит, если интернет компоненты системы работа- несколько ваших действий со смарт- гость попытается украсть звонок. Отпуг- ют в режиме обычных выключателей и фоном. нуть незваных гостей можно с помощью розеток, сохраняя заданные алгорит- встроенного динамика. мы и общаясь между собой по прото- Вторая камера непрерывно отсле- колу Zigbee. живает и оповещает о перемеще- Ещё одной проблемой безопас- нии людей вокруг дома, об автомо- ности, которую можно решить с Тот же дом, только умнее билях, заезжающих на территорию, помощью smart-устройств, являет- или о появившихся в поле её зрения ся пожарная безопасность. Так же, Однако умной электрикой автома- домашних животных. Зону отслежи- с помощью мобильного устройства, тизация процессов в доме, конечно, вания (до 20 метров) при этом мож- можно отслеживать состояние дома не ограничивается. В линейке совре- но выбрать самостоятельно, задав через умный датчик дыма, который, менных производителей, в частно- нужные параметры в приложении на как и другие устройства, обязатель- сти того же Legrand, можно найти не смартфоне. При нарушении кем-то но предупредит в случае нештатных только умные выключатели и розет- установленных границ устройство ситуаций. ки, но и комнатную, и уличные каме- тут же отправит владельцу соответ- ры видеонаблюдения, сирену, датчик ствующее уведомление. Встроенный Управление погодой в доме открытия окон и дверей, датчик дыма, умный прожектор позволит вести решения для управления отоплением наблюдение в ночное время суток и Для того чтобы создать комфорт- и даже метеостанцию. Кажется, что у дополнительно осветить место у вхо- ный микроклимат и максималь- потребителей появляются максималь- да в дом при необходимости. Его мож- но автоматизировать процессы по ные возможности для того, чтобы сде- но включить через приложение или отоплению дома, в линейке умных лать дом максимально управляемым, задать автоматическое включение устройств представлены умные тер- а жизнь в нем – более лёгкой и ком- при обнаружении человека, живот- мостаты для отопительных кот- фортной. ного, автомобиля или всех их сразу. лов и термоголовки для радиаторов Режим ночного видения также досту- отопления (современных батарей). Умная видеокамера пен для незаметной съёмки охраняе- С их помощью можно задать програм- мого места. Монтаж достаточно прост: му отопления всех помещений дома, Бренд Netatmo предлагает рынку установка происходит по схеме улич- настроив удобный режим. Заданный две камеры видеонаблюдения: ком- ного светильника. график отопления экономит деньги натную с функцией распознавания и нагревает дом до необходимой тем- лиц и уличную с прожектором. Пер- Умная охранная система пературы в нужное время. вая предназначена для охраны вну- треннего пространства дома и спо- Дополнив комнатную камеру Управлять погодой в доме практиче- собна в режиме реального времени умными датчиками открытия дверей ски в прямом смысле этого слова при- предоставлять отчёт о наличии в и окон, а также сиреной, на выходе звана умная метеостанция с уличными нем подозрительной активности. можно получить неплохую охран- и комнатными модулями. Она точно В случае вторжения на смартфон ную систему, которой можно дове- измеряет климатические параметры будет отправлено уведомление с рить дом во время отсутствия или и данные окружающей среды, обеспе- ночью. Датчики улавливают подо- чивая простой доступ к результатам зрительные вибрации, заблаго- измерений со смартфона, планшета временно предупреждая владель- или компьютера и создавая прогнозы. ца дома посредством отправки всё Устройство способно измерять темпе- того же уведомления на смартфон. ратуру, влажность, загрязнённость воз- Таким образом предоставляя хозяи- духа, уровень СО2 в помещении и уро- ну несколько минут до того, как зло- вень шума. умышленник попадёт внутрь поме- щения (см. рис. 5). Выводы Умная сирена работает в паре Резюмируя, можно сказать, что каче- с умной комнатной камерой для ственные и эффективные решения для повышения уровня безопасности умного дома имеют высокий спрос сре- дома. В случае обнаружения незва- ди потребителей. ных гостей, помимо стандартного пуш-уведомления, она подаёт оглу- Лидеры электротехнического рын- шительный сигнал тревоги в 110 ка всё больше смотрят в сторону рын- дБ, а при подозрительной активно- ка IoT-устройств, который, с учётом растущего тренда на автоматизацию, имеет большие и вполне реальные пер- спективы. 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
Реклама
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Новый стандарт для проектов «Умный дом» – Connected Home over IP Часть 2 Виктор Алексеев ([email protected]) SmartLink, THREAD, MiWi, ISA100.11 и других. Поэтому, в принципе, возмож- Концепция «Умного дома» была впервые сформулирована в документе но использование в проекте чипов, под- Building Management System (BMS). До настоящего времени основной держивающих на нижних уровнях эти проблемой этого направления было отсутствие единого международного технологии [23]. стандарта. Учитывая это, крупнейшие мировые концерны Amazon, Apple, Google и Zigbee Alliance в декабре 2019 года создали рабочую Основные параметры для PHY пер- группу, названную Project Connected Home over IP (CHIP). Основная воначального базового стандарта IEEE цель этой рабочей группы заключается в разработке и продвижении 802.15.4 приведены в таблице 1. единого стандарта протоколов беспроводной связи с открытым кодом, предназначенных для оборудования, используемого в проектах Smart В первоначальной версии IEEE Home. В 2020 году к проекту CHIP присоединились IKEA, Legrand, NXP 802.15.4 для сетей LR-WPAN были рас- Semiconductors, Resideo, Samsung SmartThings, Schneider Electric, Signify смотрены два типа устройств: устрой- (ранее Philips Lighting), Silicon Labs, Somfy и Wulian. В данной статье ства с полной функциональностью (Full рассмотрены основные базовые принципы, заложенные в основу Function Device – FFD) и устройства с проекта CHIP. ограниченной функциональностью (Reduced Function Device – RFD). Требования к физическому ния, используемого в персональных оборудованию (PHY) беспроводных сетях (Low-Rate Wireless Полнофункциональное FFD – это и канальному доступу (MAC) Private Area Networks, LR-WPAN). В этом устройство, которое может поддер- в проекте CHIP стандарте описаны требования, кото- живать три режима работы, выступая рые на первом уровне (PHY) модели в качестве координатора, главного кон- На рисунке 4 показана 7-уровневая OSI предъявляются непосредственно троллера и интеллектуального сенсо- модель для CHIP (Thread) в сравне- к физическому оборудованию, а на ра персональных сетей (PAN). Главный нии с моделью ZigBee. На физическом подуровне (MAC) второго канального контроллер PAN управляет собствен- (Physical) и канальном (Data link) уров- уровня регламентированы адресация ной локальной сетью, связанной с дру- нях устройства проекта CHIP соответ- и механизмы управления доступом гими сетями. Координатор предостав- ствуют стандарту IEEE 802.15.4. к каналам, необходимым для обме- ляет услуги синхронизации, передавая на информацией между отдельными по сети радиомаяки. Такой координа- В 2003 году Европейский инсти- устройствами. тор должен быть связан с координато- тут по стандартизации в области ром PAN, но не может создавать соб- телекоммуникаций (ETSI – European Стандарт 802.15.4 является базовым ственную сеть. Telecommunications Standards Institute) для целого семейства хорошо извест- опубликовал первый вариант стандарта ных беспроводных стандартов вза- Интеллектуальные сенсоры – устрой- IEEE 802.15.4. Этот стандарт был специ- имодействия, таких, например, как ства, которые не обладают описанными ально разработан для низкоскоростно- ZigBee, RF4CE, 6LoWPAN, Wireless HART, свойствами координатора и главного го, маломощного, дешёвого оборудова- контроллера. Устройства с ограничен- ной функциональностью (RFD) пред- ставляют собой простейшие устрой- Таблица 1. Частотный диапазон, модуляция и скорость передачи PHY базового стандарта 802.15.4 Приложение Приложение Частотный диапазон, МГц Скорость передачи, Кбит/с Модуляция ZCL BDB 868…868,6 20 BPSK UDP 902…928 40 BPSK IP-маршрутизация APS 2400…2483,5 250 O-QPSK 6LoWPAN Сеть IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY Безопасность Таблица 2. Основные параметры стандарта IEEE 802.15.4-2006 Безопасность Частотный диапазон, Скорость передачи, Модуляция Регион МГц Кбит/с Рис. 4. Сравнение технологий Thread и ZeegBee 20 BPSK Европа 868…868,6 40 BPSK Северная Америка 12 902…928 250 ASK/QPSK 868…868,6 250 ASK/QPSK Европа 902…928 100 O-QPSK Северная Америка 868…868,6 250 O-QPSK 902…928 250 O-QPSK Европа 2400…2483,5 Северная Америка Весь мир WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ства, такие, например, как выключатели Таблица 3. Основные параметры PHY стандарта IEEE 802.15.4a света, пассивные датчики температуры, задымления, влажности и другие ана- Параметр Назначение логичные. PHY UWB PHY CSS PHY Стандарт 802.15.4 регламентирует Частотный диапазон 1 следующие типы топологии для сетей Частотный диапазон 2 250…750 МГц 2400…2483,5 Мгц WPAN: ячеистые сети (mesh), звезда Частотный диапазон 3 (star), точка–точка (point-to-point), 3244…4742 МГц – каждый с каждым (p2p). Число каналов 5944…10234 МГц – В следующей редакции стандарта Скорость передачи IEEE 802.15.4-2006 были увеличены 16 14 скорости передачи на частотах 868 и Контроль безопасного расстояния 915 МГц до 100 и 250 Кбит/с соответ- (Secure ranging) 851 Кбит/с (номинал), 1 Мбит/с (номинал), 250 Кбит/с ственно. В этой спецификации рассмо- Радиус действия 110 Кбит/с, 6,81 Мбит/с, 27,24 Мбит/с (опционально) трены три PHY–DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) и один PHY–PSSS Протокол множественного доступа (опционально) (Parallel Sequence Spread Spectrum): ● уровень PHY–DSSS с модуляцией Да Нет BPSK (Binary Phase-Shift Keying) для 10…100 м диапазона 868/915 МГц; CSMA/CA, Aloha ● уровень PHY–DSSS с модуляцией O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift физический уровень UWB PHY Impulse 2011 году, получила соответствующее Keying) для диапазона 868/915 МГц; Radio устройств сверхширокополосной название – IEEE 802.15.4-2011. В этом ● уровень PHY–DSSS с модуляцией связи с высокоскоростной импульсной варианте были определены и класси- O-QPSK для диапазона 2450 МГц; несущей (High rate pulse repetition – фицированы все те UWB PHY и MAC, ● уровень PHY–PSSS с модуляцией BPSK HRP). В стандарте IEEE 802.15.4a добав- которые были известны к началу 2011 и ASK (Amplitude Shift Keying) для ди- лены два новых физических уровня года. апазона 868/915 МГц. PHY с расширенными частотными диа- Основные параметры IEEE 802.15.4- пазонами (см. таблицу 3). В 2012 году был принят стандарт 2006 приведены в таблице 2 [24]. Радиус 802.15.4g, предназначенный для рабо- действия устройства зависит от пара- Основное отличие нового стандар- ты в диапазоне ниже 1 ГГц. В этом стан- метров окружающей среды и мощно- та заключается в том, что введены два дарте разработаны дополнительные сти передатчика, которая регулируется новых типа физического уровня, UWB инструменты, необходимые для под- местным законодательством для каж- PHY и CSS PHY, отличающиеся частот- держки сверхкрупных, географиче- дого конкретного диапазона частот. ными диапазонами и скоростями пере- ски разнесённых сетей с минималь- Например, для устройств IEEE 802.15.4- дачи (см. табл. 2). Частотный диапазон ной инфраструктурой и миллионами 2006 при выходной мощности передат- UWB определён в трёх интервалах: конечных узлов, таких, например как чика 0 дБм в помещении радиус дей- ниже 1 ГГц, между 3 и 5 ГГц, между 6 и smart grid. Устройства этого стандар- ствия будет не больше 30 м. В то же 10 ГГц. Для СШП устройств задейство- та поддерживаются в рамках междуна- время на открытом воздухе в услови- ван метод прямой последовательности родной некоммерческой организации ях прямой видимости без препятствий для расширения спектра (DSSS – Direct Wi-SUN Alliance, образованной в США в расстояние устойчивой работы может Sequence Spread Spectrum). 2012 году [26]. Сегодня в состав альянса достигать 200 м. Для мощных передат- входят около 130 крупнейших мировых чиков, например на 15 дБм, дальность Для устройств PHY, работающих в фирм, таких как Analog Device, CISCO, действия может быть в 5 раз больше, полосе 2450 МГц нелицензируемого Itron, Omron, Murata, Renesas, NIST, чем у стандартного модуля. диапазона ISM, применён метод рас- ROHM, TOSHIBA, Hitachi, Panasonic, Поскольку в настоящее время во всём ширенного спектра CSS (Chirp Spread General Electric, OKI и многие другие. мире эксплуатируется и производится Spectrum), в котором использует- Более 90 ведущих вендоров выпуска- огромное количество различных наи- ся синусоидальный сигнал увеличе- ют продукцию, сертифицированную менований датчиков и исполнитель- ния или уменьшения частоты с тече- Wi-SUN Alliance. Wi-SUN Alliance по ных устройств, соответствующих стан- нием времени. В редакции стандарта структуре, задачам и основным функ- дарту IEEE 802.15.4-2006, то именно с 802.15.4a поддерживаются все типы циям напоминает хорошо всем знако- этой спецификацией предполагает- топологий, определённых первона- мый Wi-Fi Alliance. ся использовать сети Thread в первом чальным базовым стандартом 802.15.4. исходном протоколе проекта «Умный В стандарте 802.15.4f регламентиро- дом» CHIP. Однако дальнейшее разви- В данном стандарте описаны два ваны параметры устройств для актив- тие этого направления связывают с класса устройств – FFD и RFD. Устрой- ной (с батарейным питанием) ради- новыми редакциями стандарта 802.15.4. ства с полной функциональностью очастотной идентификации (RFID). В 2007 году был опубликован первый (FFD) поддерживают все функции и В 2015 году появилась ещё одна редак- стандарт для сверхширокополосных топологии, прописанные в стандарте. ция стандарта – IEEE 802.15.4-2015, в (UWB) сетей IEEE 802.15.4a. В редак- Устройства RFD имеют ограниченную которой был определён новый тип ции IEEE 802.15.4a впервые представлен функциональность и предназначены физического уровня устройств сверх- для использования в простых устрой- широкополосной связи с низкоско- ствах и сенсорах [25]. ростной импульсной несущей LRP UWB PHY (LRP – low rate pulse repetition). В 2009 году в стандартах 802.15.4c/d Поскольку эти стандарты подробно были узаконены китайские и японские описаны во многих публикациях [26], диапазоны: 314–316, 430–434, 779– в этой статье внимание на них не будет 787 и 950–956 МГц. Спецификация сосредоточено. 802.15.4e используется в оборудовании, предназначенном для промышленных Развитием и распространением тех- приложений. Следующая редакция нологий сверхширокополосной связи стандарта для UBW, опубликованная в СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 13
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 499,2 МГц IEEE 802.15.4z изменения коснулись и верхнего подуровня канального уров- –10233,6– ня Logical Link Control (LLC), который –9734,4– обеспечивает управление логической –9235,2– связью, передачей данных, проверкой –8736,0– достоверности доставки. –8236,8– –7737,6– В варианте 802.15.4z кадр UWB состо- –7238,4– ит из импульсов данных и защитных –6739,2– интервалов. Для номинального зна- –6240,0– чения частоты следования импульсов (PRF – Pulse repetition frequency), рав- –4742,4– ного 64 МГц, суммарное время состав- –4243,2– ляет 128 нс. В стандарте 802.15.4z новые –3744,0– коды позволяют использовать более –3244,8– высокие значения среднего PRF, что обеспечивает более высокую скорость 4z LRP-каналы 01 2 3 4 5 передачи данных за счёт уменьшения суммарного времени передачи кадра. 6681 7334 7987,2 8640 9292,8 9945,6 Сигналы UWB больше похожи на LRP-каналы 1996,8 МГц 6489,6 6988,8 7987,2 «розовый шум» в эфире, чем на обычные HRP-каналы 01 2 радиочастотные сигналы, это затрудняет их фильтрацию. Следует обратить вни- 3494,4 3993,6 4492,8 6489,6 6988,8 7488,0 7987,2 8486,4 8985,6 9484,8 9984,0 мание ещё на одно нововведение в стан- 123 дарте 802.15.4z, получившее название 5 6 8 9 10 12 5 5 Simultaneous ranging (одновременное 3993,6 определение расстояния между устрой- 4 6489,6 7987,2 9484,8 ствами). Эта функция позволяет реали- зовать возможность синхронной рабо- 7 11 11 ты UWB-дальномера в случае наложения фреймов. Устройства UWB стандарта Глобально Область частот 802.15.4z могут принимать ответы о вре- доступный IEE 802.15.42 менах доставки пакета от всех опорных спектр с трансиверов с некоторой задержкой, но сверхширокими обрабатывать их все, как один кадр Rx, полосами вместо приёма отдельных кадров. пропускания Отмеченные новации стандарта Рис. 5. Распределение частот низкоскоростных уровней LRP PHY 4a (синий цвет), LPR PHY 4z 802.15.4z могут кардинально изме- (жёлтый цвет) и высокоскоростных уровней HRP PHY 4az (чёрный цвет) нить мир «Умного дома». Так, в отли- чие от традиционного Wi-Fi, который Рис. 6. Поиск потерянной вещи с помощью смартфона Samsung Galaxy использует частоты 2,5 и 5 ГГц, стан- дарт UWB предусматривает работу на активно занимается международная ных уровней HRP PHY 4az (чёрный частотах выше 60 ГГц. Таким образом, некоммерческая организация UWB цвет) [30]. Частотный спектр высоко- можно передавать на порядок больше Alliance [27]. В этот альянс входят веду- скоростного уровня HRP в стандарте информации в одном пакете и расхо- щие мировые производители электрон- 802.15.4z не изменился по сравнению довать при этом значительно меньше ных компонентов: Apple, Analog Device, с предыдущей версией. Для низкоско- электроэнергии. Alteros, Decawave, Novelda, Hyundai, Kia, ростного уровня LRP в новом стандар- uBlox, Zebra, Ubisense и другие. Интерес те добавлены новые каналы в верхней Опция SS-TWR позволяет позици- этих гигантов радиоэлектронной про- части спектра UWB. На рисунке 6 отме- онировать простые устройства UWB мышленности к проблемам сверхши- чены каналы, которые доступны во всех с точностью до 2 см. Если вы потеря- рокополосной связи неслучаен. Объём регионах, подпадающих под юрисдик- ли ключи, кошелёк или что-то подоб- рынка устройств LPWA может превы- цию стандартов IEEE Globally available ное с биркой, в которой размещена сить 30 млрд устройств к 2030 году [28]. UWB spectrum. микросхема UWW, новый смартфон При этом значительная доля будет при- Samsung Galaxy последнего поколе- ходиться на устройства UWB ближне- В стандарте IEEE 802.15.4z разрабо- ния покажет с точностью до санти- го радиуса действия. тана новая опция для подуровня управ- метра местонахождение потерянной ления доступом к среде передачи дан- вещи (см. рис. 6). В начале 2018 года были опубликова- ных (MAC), которая позволяет измерять ны первые документы нового стандарта время прохождения ответного сигна- Благодаря функции Simultaneous 802.15.4z Standard for Low-Rate Wireless ла между двумя UWB-устройствами ranging, устройства UWB стандарта Networks Amendment: Enhanced High и определять расстояние между эти- 802.15.4z могут принимать ответы о Rate Pulse (HRP) and Low Rate Pulse ми устройствами. Этот метод получил временах доставки пакета от всех опор- (LRP) Ultra Wide-Band (UWB) Physical название SS-TWR, (single-sided – two- ных трансиверов с некоторой задерж- Layers (PHYs) and Associated Ranging way ranging) [31]. кой, но обрабатывать их все как один Techniques. Подробно этот стандарт описан в [29]. Схема SS-TWR, описанная в стандар- те 802.15.4z, упрощает и ускоряет про- На рисунке 5 показано распределе- цесс оценки расстояния. В этом вариан- ние частот низкоскоростных уровней те используются два сообщения вместо LRP PHY 4a (синий цвет), LPR PHY 4z трёх сообщений, регламентированных (оранжевый цвет) и высокоскорост- в предыдущих стандартах. В стандарте 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ кадр, вместо приёма отдельных кадров. (DW1000 UWB transceiver) и TI (CC1200 Выбор IP в проекте CHIP обусловлен Эта функция может оказаться очень sub-GHz radio) производят чипы, кото- тем, что именно этот интернет-про- полезной для предотвращения взло- рые могут работать в нескольких токол является наиболее распростра- ма входных дверей дома, рольставней частотных диапазонах. Выпущенный нённым на сетевом уровне. Важно, что на окнах, гаражных ворот и других в коммерческую продажу в 2020 году протокол IP позволяет надёжно пересы- аналогичных устройств. Современ- смартфон Apple iPhone 11 включает в лать сообщения между разными типа- ные методы взлома используют пере- себя микросхему UWB U1. Новые моде- ми устройств, несмотря на различия в хваченный с помощью специально- ли iPhone 12 и iPhone 12 Pro Max сохра- их физическом и канальном уровнях. го оборудования сигнал открывания с нили чип U1 и поддерживают UWB на Следует подчеркнуть, что при исполь- брелока или переносного пульта. В слу- частоте Sub6. Один из новейших смарт- зовании IP можно задействовать хоро- чае если сигнал с брелока, оснащённо- фонов – Samsung Galaxy S21 – также шо известные протоколы транспортно- го UWB, поступает не на один опорный поддерживает UWB [33]. го уровня, такие как TCP и UDP. Решения трансивер, а на четыре, расположенные на базе IP помогут применить готовую по углам двери, то алгоритм ответного В смартфонах Google Pixel 4 разра- сетевую инфраструктуру, которая пред- сигнала в такой системе продублиро- ботчики использовали технологию лагает огромное количество приложе- вать будет практически невозможно. UWB в рамках своего проекта распозна- ний и сервисов. вания жестов Motion Sense Soli [34]. Эта Кроме перечисленных особенно- технология в буквальном смысле сло- Использование протоколов Google стей 802.15.4z, также можно отметить ва позволит «дирижировать» работой Weave в проекте CHIP позволяет реа- функцию отказа от использования в бытовыми приборами «Умного дома». лизовать преимущества IP на уровне обработке «некачественного сигнала» приложений и на уровне беспровод- в определённом канале (co-channel Протоколы IP и 6LoWPAN ной сети с низким энергопотребле- rejection; сохранение работоспособ- в проекте CHIP нием. Поскольку протоколы Weave ности приёмника в условиях сильных обеспечивают обмен данными меж- помех в полосе пропускания (Interferer Рост индустрии «Умного дома» вызвал ду устройствами внутри сетей HAN signal handling), помехоустойчивость необходимость интеграции новых тех- (Home area network), а также выход устройств UWB в зоне действия Wi-Fi. нологий и оборудования в одной эко- во внешние IP сети, в проекте CHIP системе. Для этого необходим единый могут быть задействованы и другие В настоящее время уже несколь- протокол plug and play, который может технологии, например Thread, BLE ко известных фирм выпускают чипы быть принят производителями, продви- или Cellular [36]. с поддержкой UWB. Так, Decawave гающими самые различные концепции. ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 15
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 6LoWPAN живающими разные протоколы – IPv4 и IPv6, используется механизм NAT64, Ноутбук преобразующий соответствующим образом сетевые адреса Network Address Интернет Компьютер Шлюз Translation (NAT). 6LoWPAN Устройства Устройства с полной Максимальный размер пакета пере- с поддержкой функциональностью дачи в IPv6 и 6LoWPAN составля- протокола IP ет, соответственно, 1024 и 127 байт. Устройства с ограниченной Из этих 127 байт в сети 6LoWPAN Сервер функциональностью 40 байт отведено на заголовок IPv6, 25 байт – для заголовка MAC, 8 байт – Коммуникация IP для заголовков UDP и только 54 байта – под полезную нагрузку. Рис. 7. Структура простейшей сети 6LoWPAN Одной из наиболее важных является Третий сетевой уровень модели идентификаторов увеличивается прак- функция уплотнения заголовков High OSI проекта Project Connected Home тически до бесконечности, что позво- IPv6 header compression, которая позво- over IP, устанавливающий процеду- ляет снабдить каждое IoT-устройство ляет сжимать несколько байтов заго- ры инкапсуляции данных в пакеты для уникальным IP-адресом. Во-вторых, в ловков UDP (8 байт) и IPv6 (40 байт). передачи и приёма, использует техно- протоколе IPv6 увеличен объём пере- Области заголовка можно сжимать, логию 6LoWPAN. Этот стандарт, пол- даваемой в пакете информации за счёт поскольку они часто имеют общие ное название которого – IPv6 over Low уменьшения полей заголовков. Кроме значения, возникающие из-за частого power Wireless Personal Area Networks того, IPv6 даёт возможность устройству, использования подмножества функ- (6LoWPAN) был разработан специально подключённому к Интернету, отправлять циональных возможностей IPv6 (UDP, для взаимодействия беспроводных пер- запрос любой группе серверов (anycast TCP, ICMP). При этом области заго- сональных сетей IEEE 802.15 с внешними address). Для определения MAC-адресов ловка игнорируются, если они могут IP-сетями. В полном соответствии со сво- в IPv6 применятся протокол Neighbor быть получены из канального уровня. им названием он позволяет доставлять Discovery Protocol (NDP) из набора про- Отмеченный метод сжатия заголов- пакеты данных по протоколу IPv6 поверх токолов TCP/IP. Также в IPv6 поддержи- ка используется в статических сетях, LPWAN сетей стандарта IEEE 802.15.4. ваются автоматические настройки адре- например с топологией point-to-point. са и адреса с перенумерацией. Протокол Первая редакция этого стандарт- IPv6 имеет встроенные функции контро- Для динамически меняющихся ного протокола была опубликована ля качества сервиса – Quality of Service топологий с многократными скачка- в 2007 году [37]. В дальнейшем были (QoS), а также возможности аутентифи- ми и редкими сеансами связи в сетях сделаны дополнения и расширения к кации и частной поддержки [39]. Исполь- 6LoWPAN используется контекстно- базовому протоколу. Редакция прото- зование IPv6 в сетях 6LoWPAN обеспечи- независимое или совместно использу- кола со сжатием заголовка реализова- вает надёжную передачу данных наряду с емое контекстное сжатие (stateless and на в RFC 6282. Документация RFC 6775 малым энергопотреблением для больших shared-context), при котором не требу- посвящена оптимизации обнаруже- и малых сетей в проектах «Умный дом». ется никакой информации о текущем ния соседних устройств. Модерни- состоянии. Протоколы маршрутизации зированный вариант, предназначен- Структура простейшей сети могут динамически выбирать маршру- ный специально для технологии IPv6 6LoWPAN, показанная на рисунке 7, ты, не затрагивая степень сжатия. over Bluetooth Low Energy (BLE), опи- включает в себя сервер граничного сан в материалах RFC 7668 [38]. Целесо- маршрутизатора и сенсорные узлы. В сетях 6LoWPAN стандартом RFC образно напомнить несколько основ- Пограничный маршрутизатор являет- 6282 в качестве механизма передачи ных преимуществ IPv6 перед IPv4. ся ядром сети 6LoWPAN. Маршрутиза- данных по уровням MAC и PHY регла- тор связывает сеть 6LoWPAN с другими ментирован метод инкапсулирования Большинство устройств исполь- IP-сетями и отвечает за доставку пакета фрейма данных IPv6 поверх радиока- зуют протокол IPv4, разработанный 6LoWPAN к пакету IPv6, а также за гене- нала IEEE 802.15.4 [41]. около 30 лет назад. Протокол IPv6 – рацию и назначение префиксов IPv6 в это обновлённая версия IPv4, которая сети 6LoWPAN. Поскольку размер фрейма IPv6 на постепенно становится основной вер- порядок превышает длину посылки поч- сией интернета-стандарта. Протокол Совместное использование протоко- ти на порядок IPv6, используется меха- IPv4 использует 32-битовые адреса. Он ла IP и 6LoWPAN-сетей позволяет приме- низм фрагментации и повторной сбор- ограничивает адресное пространство нять стандартные IP-маршрутизаторы ки. При этом фреймы IPv6 разделяют 4 294 967 296 уникальными адресами. для связи с другими сетями. Одна на отдельные пакеты, которые порци- 6LoWPAN-сеть может быть связана с ями передаются в сети 6LoWPAN. Затем Во-первых, IPv6 имеет модернизиро- другими IP-сетями через один или более пакеты в правильной последовательно- ванную адресацию, по сравнению со ста- граничных маршрутизаторов. При этом сти собираются на приёмной стороне. рой версией IPv4. Так, длина IP-адреса IPv6 связь с другими IP-сетями может быть Когда пакеты данных повторно собра- составляет 128 бит. Поэтому IPv6 покры- реализована через Ethernet, BLE, Wi-Fi ны, дополнительная информация уда- вает адресное пространство 2128. Кроме и 3G/4G. Когда необходимо использо- ляется, и пакеты восстанавливаются в того, используются буквенно-числовые вать связь между устройствами, поддер- изначальном формате IPv6. Применя- методы адресации. Число доступных ются разные способы фрагментации в зависимости от того, какая использует- ся маршрутизация (топология). В случае 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ маршрутизации mesh-under фрагменты Преимущества 6LoWPAN – низкое 29. h t t p s : / / s t a n d a r d s . i e e e . o r g / повторно собираются только в конеч- энергопотребление и возможность standard/802_15_4z-2020.html#Standard. ной точке назначения. Поэтому в систе- объединения в сеть простых устройств ме mesh-under необходимо иметь доста- с батарейным питанием. Поэтому 30. https://habr.com/ru/post/457876/. точно большие ресурсы для хранения устройства, предназначенные для рабо- 31. https://arxiv.org/pdf/2004.06324.pdf. всех фрагментов полной посылки. При ты в сетях 6LoWPAN, должны иметь 32. https://www.nfcw.com/2021/01/19/370174/ использовании маршрутизации типа режим глубокого сна sleep mode [44]. route-over данные собираются заново samsung-unveils-ultra-wideband-smart-tags/. после передачи каждого фрагмента. Литература 33. https://www.cnet.com/news/samsung-galaxy- Процесс автоматического конфигу- 22. https://www.ti.com/lit/wp/sway012/ s21-ultra-has-uwb-heres-how-ultra-wideband- рирования без фиксации состояния sway012.pdf. tech-will-make-your-life-easier-faq/. (Stateless auto configuration) позволяет 34. https://www.xda-developers.com/google- устройствам внутри сети 6LoWPAN авто- 23. https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/ adding-ultra-wideband-uwb-api-android/. матически генерировать собственный dl_downloads/dl_application/application_ 35. h t t p s : / / w w w . s h u t t e r s t o c k . c o m / r u / IPv6-адрес. Для того чтобы избежать слу- notes/1gp105/1GP105_1E_Generation_of_ image-vector/conductor-director-leader- чаев, когда два устройства могут полу- IEEE_802154_Signals.pdf. kapellmeister-classical-music-1103440649. чить один и тот же адрес, используется 36. https://opensource.google/projects/ метод обнаружения дубликата адреса 24. https://www.unirc.it/documentazione/ openweave. (Duplicate address detection – DAD). materiale_didattico/599_2009_192_7229. 37. https://tools.ietf.org/html/rfc4944. pdf. 38. https://tools.ietf.org/html/rfc7668. Сети 6LoWPAN позволяют безоши- 39. h t t p s : / / w w w . i n t e r n e t s o c i e t y . o r g / бочно доставлять пакеты данных с 25. f i l e : / / / C : / U s e r s / P u b l i c / A V B - search/?q=IPv6. первой попытки. Надёжность переда- 2019/!!ARTICLES/!ARTICLES-2021/SMART- 40. https://psiborg.in/6lowpan-an-ip-based- чи данных обеспечивает симметрич- HOME/802-15-4/802.15.4-2015.pdf. wireless-protocol/. ный алгоритм блочного шифрования 41. https://tools.ietf.org/html/rfc6282. AES-128 (Advanced Encryption Standard) 26. https://wi-sun.org/our-vision. 42. https://habr.com/ru/post/112733/. [42]. Дополнительная безопасность обе- 27. https://uwballiance.org. 43. https://tools.ietf.org/pdf/rfc5246.pdf. спечивается механизмами безопасно- 28. https://transformainsights.com/news/low- 44. https://www.ti.com/lit/wp/swry013/ сти транспортного уровня, работающи- swry013.pdf?ts=1615976171516&ref_ ми по протоколу TCP/IP [43]. power-wide-area-lpwa-iot-connections- url=https%253A%252F%252Fwww.google. 4-billion-2030#:~:text=Transforma%20 com%252F. Insights%20predicts%204%20 billion,which%20operate%20in%20 licensed%20spectrum. Тестирование электроники в эпоху миниатюризации Хотите узнать больше о наших технологиях и продукции? Свяжитесь с нами по электронной почте [email protected] или посетите наш сайт www.jtag.com. Более 25 лет в самом Клиенты в более По всему миру продано Более 2500 Поддержка по Как разрабатывать, производить и сердце электроники клиентов всему миру тестировать высококачественные чем 50 странах более 10 000 систем электронные изделия с меньшими затратами и в короткие сроки? СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU Загрузите нашу брошюру Реклама 17
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Современные 32-разрядные ARM микроконтроллеры серии STM32 Олег Вальпа ([email protected]) ● объём SRAM-памяти: 320 КБ; ● портов ввода-вывода: 168; В статье приведено описание отладочной платы STM32F746 Discovery ● портов, толерантных к 5 В: 166; на основе микроконтроллера STM32F746NGH6, предназначенной для ● АЦП: 3×12-битный 24 канальный; практического изучения и освоения микроконтроллеров серии STM32 ● ЦАП: 2×12-битный; компании STMicroelectronics. ● таймеры ШИМ: 18; ● аппаратные интерфейсы: 6×SPI, 4×I2C, Введение самым неограниченные возможности расширения платы с большим выбором 4×UART, 2×CAN, 1×SPDIFRX; Отладочная плата STM32F746 специализированных плат. ● LCD параллельный интерфейс Discovery является настоящим флаг- маном технических средств для осво- Стоимость данного изделия на сегод- 8080/6800; ения микроконтроллеров серии STM32, няшний день составляет около $100, ● номинальное рабочее напряжение: поскольку сочетает в себе всевозмож- и плату можно приобрести, напри- ные интерфейсы и периферийные мер, на сайте amperka.ru с бесплат- 3,3 В; устройства. ной доставкой. ● максимальный ток вывода: 25 мА; ● габариты: 130×80×15 мм. Основой отладочной платы являет- Конструкция и характеристики ся микроконтроллер STM32F746NGH6 Кроме того, отладочная плата компании STMicroelectronics [1] на Изделие конструктивно состоит из STM32F746 Discovery обладает сле- новом ядре АРМ Cortex-M7. Производи- микропроцессорной платы и закре- дующими техническими особенно- тельность ядра АРМ Cortex-M7 почти в плённого на ней сенсорного дисплея с стями: 2 раза превышает производительность цветной графикой. Внешний вид отла- ● встроенный внутрисхемный отлад- ядра АРМ Cortex-M4. Это достигается за дочной платы STM32F746 Discovery с счёт шестиуровневого суперскалярно- обеих сторон представлен на рис. 1 и чик/программатор ST-LINK/V2-1; го конвейера, расширенной матрицы 2 соответственно. ● 4,3-дюймовый ёмкостной цветной шин и встроенной кэш-памяти. Такто- вая частота микроконтроллеров семей- Функциональная насыщенность и LCD-TFT дисплей с разрешением ства STM32F7 составляет 216 МГц, а про- возможность дополнения внешни- 480×272 точки; изводительность – 462 DMIPS/1082 Core ми модулями расширения делают эту ● разъём для подключения камеры Mark. отладочную плату очень удобной для STM32F4DIS-CAM; разработки приложений различной ● разъём Audio Line In и Line Out; Плата STM32F746 Discovery позволя- сложности на основе микроконтрол- ● два MEMS-микрофона MP34DT01-M; ет отлаживать разнообразные програм- леров семейства STM32. ● вход SPDIF RCA; мы в широком спектре, используя пре- ● четыре светодиода: два индикатор- имущества аудио- и видеоподдержки, Отладочная плата STM32F746 ных и два пользовательских; накопителей информации большого Discovery имеет следующие основные ● две кнопки: сброс программы и поль- объёма и высокоскоростных возмож- технические характеристики: зовательская; ностей подключения к сети. ● микроконтроллер: STM32F746NGH6 ● Quad-SPIFlash-памятьN25Q128A13EF840E объёмом 128 Мбит; Кроме того, данная отладочная плата с 32-битным ARM ядром Cortex M7; ● SDRAM-память MT48LC4M32B2B5-6A поддерживает подключение плат рас- ● корпус: BGA216; объёмом 128 Мбит (доступно 64 Мбит); ширения Arduino [2], обеспечивая тем ● тактовая частота: 216 МГц; ● слот для MicroSD-карты; ● объём флеш-памяти: 1 МБ; ● разъём для подключения беспровод- ного модуля памяти RF-EEPROM; Рис. 1. Вид отладочной платы сверху WWW.SOEL.RU Рис. 2. Вид отладочной платы снизу СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 18
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 3. Назначение выводов разъёмов для подключения внешних модулей Ардуино ● разъём Ethernet совместимый с Рис.4. Внешний вид среды разработки Embedded Wizard IEEE-802.3-2002; На сайте [5] можно загрузить свобод- Для ускорения освоения программи- ● USB OTG HS с разъёмом Micro-AB; но распространяемую версию графи- рования микроконтроллеров подоб- ● USB OTG FS с разъёмом Micro-AB; ческой среды разработки Embedded ного класса можно загрузить с сайта ● контактные колодки для подключе- Wizard, а также множество готовых производителя [6] множество допол- примеров и справочную информацию. нительных примеров программ с ния плат расширения Arduino; исходными кодами, входящими в ● регулятор напряжения с выходом 3,3 Внешний вид данной среды разра- состав программного инструмента ботки представлен на рис. 4. STM32CubeF7. вольта и током до 500 мА; ● пять способов питания платформы: В составе отладочной платы уже Литература предустановлено демонстрацион- ST-LINK/ V2-1, USB FS, USB HS, VIN от ное программное обеспечение, кото- 1. www.st.com. разъёма Arduino или внешнего источ- рое позволяет познакомиться с её воз- 2. www.arduino.ru. ника питания 5В. можностями на конкретных примерах 3. w w w . s t . c o m / e n / e v a l u a t i o n - На рис. 3. приведено назначение в виде аудио- и видеопроигрывателей, выводов разъемов для подключения диктофона, игры Go, VNC-сервера и др. tools/32f746gdiscovery.html. внешних модулей Ардуино. 4. h t t p s : / / o s . m b e d . c o m / p l a t f o r m s / Подробная схема отладочной платы, Новый аппаратный отладчик ST-Link её детальное описание и видеообзоры V2,1 интегрированный в отладочную ST-Discovery-F746NG/. свободно доступны на сайте произво- плату, позволяет производить загруз- 5. h t t p s : / / w w w . e m b e d d e d - w i z a r d . d e / дителя [3]. ку новых программ в микроконтрол- лер путём простого копирования файла features/. Программная поддержка прошивки на виртуальный диск, кото- 6. https://www.st.com/content/st_com/ рый автоматически организуется на Отладочный комплекс STM32F746 компьютере при подключении к нему en/products/embedded-software/mcus- Discovery поможет как опытному специ- отладочной платы STM32F746 Discovery. embedded-software/stm32-embedded- алисту, так и начинающему программи- software/stm32cube-mcu-packages/ сту. Платформу можно программиро- stm32cubef7.html. вать в следующих популярных средах разработки: Arduino IDE Keil MDK-ARM, IAR EWARM, Atollic TrueSTUDIO и др. Данный отладочный комплекс под- держивается также программным ресурсом Mbed OS [4]. Для работы с платформой STM32F746 Discovery в интегрированной среде раз- работки Arduino IDE необходимо допол- нить её поддержкой платформ STM32 с помощью встроенного в IDE менеджера. Для освоения работы с цветным гра- фическим дисплеем можно восполь- зоваться программным обеспечени- ем Touch GFX или Embedded Wizard от компании TARA Systems. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 19
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Импортозамещение в действии. Герметичные жидкостные соединители от отечественного завода-производителя Елизавета Матюхина ([email protected]) ● заправка транспортных средств природным или сжиженным не- АО «Завод «Снежеть» (см. врезку) в 2018 году разработал и в течение фтяным газом; года освоил производство гидравлических разъёмов – аналогов изделий швейцарской фирмы Staubli. В 2021 году благодаря оптимизации ● заправка жидким или газообраз- производственной инфраструктуры, модернизации инструментального ным водородом; производства, обновлению парка оборудования и технологической оснастки завод запустил серийное производство трёх серий жидкостных ● системы охлаждения и гидравлики соединителей. К концу текущего года АО «Завод «Снежеть» планирует приводов ветряных станций. выпуск этой продукции с категорией качества «ВП». 4. Транспортное машиностроение: Быстроразъёмное соединение — ● смена инструментов для роботов ● стыковочные узлы морских и реч- одно из самых удобных и эффективных (tool changer); ных судов; приспособлений, используемых при ● опорожнение морских цистерн; соединении технических креплений ● подключение пневматических ● подключение систем охлаждения оборудования и гидравлических, пнев- инструментов (болтовёртов, про- и гидравлики. матических магистралей. Его основным дувочных пистолетов, окрасоч- назначением является оперативная ных пистолетов, шлифовальных 5. Железнодорожный транспорт: сборка/разборка гидролиний, снятие машинок, дрелей и др.); ● соединительные системы для поез- и замена деталей гидравлических узлов дов, метро и трамваев; и систем без применения специальных ● заправка технологических жидко- ● связь тележек, вагонов и локомо- инструментов или устройств и без поте- стей (тормозной жидкости, охлаж- тивов; ри рабочей жидкости в системе. дающей жидкости); ● замеры давления; ● опорожнение и заполнение ваго- Благодаря современным технологи- ● заправка климатических установок нов-цистерн; ям разъёмы серии СЖ (см. рис. 1) очень (заправка хладагентом); ● тормозные системы; удобны, надёжны, универсальны, а пото- ● гидравлические системы; му крайне востребованы практически ● стендовые и тестовые испытания ● охлаждение электроники двига- во всех отраслях: от транспорта и сель- узлов и агрегатов. телей; ского хозяйства до пищевой промышлен- ● опорожнение и заполнение масля- ности, нефтепереработки и медицины. 2. Оборонная и авиационная промыш- ных резервуаров. ленность: Отрасли применения ● охлаждение электроники; 6. Химическая промышленность: жидкостных соединителей ● подача воздуха, пригодного для ды- ● отбор проб и образцов; производства АО «Завод хания; ● опорожнение и заполнение бочек; «Снежеть» ● подача гидравлической жидко- ● забор топливно-энергетических сти; ресурсов; 1. Автомобильная промышленность: ● контуры систем жизнеобеспече- ● подача и транспортировка чистых ● системы энергораспределения; ния экипажа; газов; ● цепи замеров давления. ● сжатый воздух на установках тех- нологического процесса. 3. Альтернативные источники энер- гии: 7. Медицинская техника: ● подключение контуров с медицин- Рис. 1. Разъёмы серии СЖ скими газами: кислорода, закиси азо- та, воздуха в машинах скорой помо- щи, палатах интенсивной терапии; ● подача растворов в гемодиализных установках; ● контуры охлаждения компьютер- ных томографов; ● подача растворов в аппаратах «ис- кусственная почка». 8. Металлургическая промышленность: ● подсоединение газов к литейным ковшам; ● подсоединение газов к узлу резки машины непрерывного литья за- готовок; 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ● гидравлика для домкратов; АО «Завод «Снежеть» – высокотехнологичное предприятие, являющееся ● подключение гидравлики на кали- разработчиком, производителем и поставщиком соединителей специального и производственно-технического назначения с 1980 года. бровочных стендах; ● подача высокого давления в ги- Завод – активный участник государственной программы по импортозамеще- нию. В ответ на новые экономические реалии в 2016 году были разработаны и дравлические цилиндры прокат- запущены в производство соединители СНП398 категории качества ВП (аналоги ных станов; соединителей ВД1 и РД1), промышленные силовые разъёмы СНП356 (аналоги се- ● подача смазки подушек на прокат- рии Han фирмы Harting). В 2019 году началось производство аналогов швейцар- ных станах. ской фирмы Staubli – гидравлических быстроразъёмных соединений серии СЖ 9. Полимерная индустрия: (соединитель жидкостный). В 2020 году разработан и запущен в производство ● соединение контуров терморегули- разъём стандарта DIN 41618 – СНП416. В настоящее время ведутся опытно-кон- рования пресс-форм для термопла- структорские работы по освоению производства разъёмов типа d-sub – СНП413. ставтоматов; ● подключение пневматических и Помимо этого, предприятие имеет большой опыт разработки и производства гидравлических толкателей для прецизионной технологической оснастки, систем автоматизации и механизации, пресс-форм. высокоточной механики. Предприятие консолидирует в себе научно-исследова- 10. Строительная индустрия: тельский институт, конструкторское бюро, производственные площадки и лабо- ● подача бетона, растворов; раторно-исследовательский комплекс. ● подключение пневматического ин- струмента. Система менеджмента качества АО «Завод «Снежеть» соответствует требо- Поскольку сфера применения БРС ваниям ГОСТ Р ИСО 9001-2015, дополнительным требованиям ГОСТ РВ 0015- (быстроразъёмных соединений) весьма 002-2012 и ЭС РД 009-2014 и требованиям международного стандарта желез- обширна, АО «Завод «Снежеть» выпускает нодорожной отрасли ISO/TS 22163:2017. широкий ассортимент быстроразъёмных соединений, отличающихся друг от дру- га используемыми материалами, испол- нением, комплектацией, формой, разме- рами и типами клапанов. При их выборе следует учитывать многие факторы: вид рабочего вещества (среды, энергоноси- теля), максимальное рабочее давление, диапазон рабочих температур, условия эксплуатации. В связи с этим существу- ет и несколько классификаций быстро- разъёмных соединений. Отличительные особенности Рис. 2. Общий вид быстроразъёмного соединения в разрезе жидкостных соединителей рабочей жидкости также зависит от ных контуров охлаждения с разными Конструктивно жидкостные соедини- конструктивных особенностей обо- жидкостями. Например, соедините- тели состоят из муфты и штекера (нип- рудования и используемых соедини- ли с более низкой температурой жид- пеля). Муфта состоит из корпуса, меха- телей. кости (на входе) рекомендуется обо- низма фиксации, обратного клапана, значать жёлтым цветом, а с высокой эластомерных уплотнителей. Штекер В зависимости от условий эксплуата- температурой (на выходе) – красным имеет корпус, обратный клапан, эласто- ции оборудования, а также для удобства цветом. мерный уплотнитель соединительного обслуживания и ремонта может быть элемента (см. рис. 2). выбран любой вариант сочленения. АО «Завод «Снежеть» выпускает Байонетное соединение рекомендова- гидравлические разъёмы с различными Выбор типа жидкостного соедините- но для использования в авиационных типами присоединений: внутренняя/ ля зависит от требуемых эффективно- приборах, «слепое сочленение» при- внешняя коническая и цилиндрическая сти теплоотвода, надёжности и ремон- меняется для монтажа модулей внутри резьба, наружная цилиндрическая резь- топригодности. блоков без прямой видимости. ба со скосом, безрезьбовое. Модели с внешними типами резьб предназна- Размер соединителя выбирается в Вид монтажа зависит от конструк- чены в первую очередь для непосред- зависимости от потребляемой мощ- ции оборудования, в котором будут ственного соединения с гидравличе- ности устройства, максимальной тем- применяться жидкостные соедините- скими агрегатами и оборудованием. пературы, давления жидкости, коэффи- ли. Исполнение с квадратным фланцем циента теплоотвода жидкости. рекомендовано для монтажа на корпус, Материалы, используемые штуцеры для внутриблочных модулей в БРС серии СЖ Для всех жидкостных соединителей имеют резьбу на хвостовике. применимы следующие значения рабо- На длительность эксплуатации БРС чего давления: гидравлическое давление Цветовая маркировка соедините- большое влияние оказывают исполь- жидкости 2,5 бар, но не более 10 бар лей по требованию заказчика позво- зуемые материалы. (1 МПа). ляет обозначить соединители раз- Рабочая температура жидкости варьируется для каждого отдельного вида исполнения соединителя. Выбор СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 21
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 3. Быстроразъёмные гидравлические Рис. 4. Быстроразъёмные гидравлические Рис. 5. Быстроразъёмные гидравлические соединители серии СЖ1 соединители серии СЖ2 соединители серии СЖ3 Если указанные выше уплотнители не обладают достаточной сопротив- ляемостью к воздействию каких-либо веществ, используются материалы на основе этилен-пропилен-диен мономе- ра — этилен-пропиленовое уплотнение. Сопротивляемость воздействию химических веществ фтор-силиконо- вого уплотнения почти не уступает соответствующему показателю ПТФЭ, но при этом обеспечиваются эластич- ные свойства, характерные для эласто- меров. Рис. 6. Гидравлический расход и падение давления БРС на примере серии СЖ1 Серийно выпускаемые жидкостные соединители Корпус Характеристики эластомеров: Корпуса быстроразъёмных соеди- ● низкая проницаемость для газообраз- Жидкостные соединители типа СЖ1 нений, адаптеры, обратные клапаны ных веществ; и стопорные втулки производятся из ● устойчивость к старению и износу; Жидкостные соединители типа СЖ1 многих видов металлов, таких как сталь, ● эластичность при низких темпера- (см. рис. 3) широко применяются в раз- нержавеющая сталь, медь, алюминий, нообразных системах охлаждения для титан, обладающих характеристиками, турах; подсоединения шлангов к электро- соответствующими конкретной обла- ● упругость; технической аппаратуре, соединения сти применения. ● обеспечение постоянного давления; шлангов и каналов подачи охлажда- ● устойчивость к высоким температу- ющей жидкости между собой. Основ- Для придания антикоррозийных ными областями применения являются свойств используются такие методы рам и разбуханию. авионика, ПВО, гидролокация. обработки, как гальванизация, поли- Эластомеры обладают химической ровка, никелирование, хромирова- стойкостью к таким веществам, как мас- Преимущества: ние, химическое осаждение никелевого ло, топливо, низкоконцентрированные ● байонетный вид монтажа позволя- покрытия, анодирование и нанесе- кислоты и щёлочи, соляные растворы, ние твёрдых покрытий. Как пример, вода различного качества, газы и рас- ет работать в условиях высоких ви- жидкостные соединители для систем творители. К настоящему моменту раз- браций; охлаждения электроники из алюми- работано множество типов этих мате- ● автоматическое уплотнение предот- ния (анодирование внешних поверх- риалов, которые позволяют получить вращает утечки при размыкании; ностей с напылением твёрдых частиц свойства, необходимые в конкретной ● корпус из алюминия, нержавеющей на внутренней рабочей поверхности). области применения. стали или титанового сплава обеспе- Нитрил-бутадиеновый каучук (ни- чивает работоспособность в различ- Пружины и шарики изготавливают- трильное уплотнение) позволяет изме- ных условиях окружающей среды, ся из нержавеющей стали, так как этот нять свойства конечного материала обеспечивая высокую абразивную материал устойчив к коррозии. уплотнительных колец в широком износостойкость и коррозионную диапазоне посредством использова- стойкость. Уплотнители ния различных акрилонитрильных Масса быстроразъёмных соединений В БРС используются кольцевые эла- компонентов (содержания акрило- СЖ1 приведена в таблице 1. нитрила). стомерные уплотнители. Жидкостные соединители типа СЖ2 Жидкостные соединители типа СЖ2 (см. рис. 4) широко применяются в раз- нообразных системах охлаждения для межблочного соединения электро- 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 1. Масса быстроразъёмных Таблица 5. Сравнительные характеристики БРС соединений СЖ1 Характеристика/серия СЖ1 СЖ2 СЖ3 Условный Масса муфт и штекеров, г, не более Номинальный диаметр (мм) 3, 5, 8, 10, 12, 15, 20 проход, мм 3, 5, 8, 12 Без запирающего Алюминий Титан Нержавеющая Вид сочленения Байонетное механизма для 3 сталь фиксирование Быстроразъёмные 5 Корпус соединения с шариковым соединения вслепую 8 Алюминий, титан, 10 нержавеющая сталь фиксатором 12 15 - 38 63 20 56 67 - 113 - 228 Рабочее давление, МПа 1,5...10 2...3 149 - 400 213 - 595 Расход жидкости, л/мин 2,1...94,2 2,1...33,9 - 910 363 Рабочая температура –55...+177°C 804,5 - - Основные Тормозная жидкость, горячая вода, водяной пар, силиконовое масло, параметры дистиллированная вода, нефтяное топливо, авиационный мазут, сильная Среда применения быстро- кислота, сильная щёлочь и другие растворы, азот, раствор антифриза. разъёмных Максимальные утечки Таблица 2. Масса быстроразъёмных соединений во время сочленения, соединений СЖ2 см3 0,02...0,2 0,02...0,05 Условный Масса муфт и штекеров, г, не более Покрытие Анодирование и пассивирование проход, мм Алюминий Титан 3 35 52 Уплотнение Этилен-пропиленовое, нитрильное, фтор-силиконовое 5 59 86 8 88 135 Максимальное ускорение 12 321 437 Удар 15g полусинусоидальное одиночного Длительность Таблица 3. Масса быстроразъёмных воздействия 11 мс соединений СЖ3, исполнение корпуса 1 и 3 действия Циклов на каждую ось 3 Условный Масса муфт и штекеров, г, не более Случайная Частота 15...2000 Гц проход, мм вибрация 0,04 g2/Гц Алюминий Титан Ускорение/ 3 спектральная плотность 500 циклов 5 8 10 8 ускорения 12 25 38 45 62 Кол-во циклов сочленений 140 175 Таблица 4. Масса быстроразъёмных Жидкостные соединители типа разъёмных соединений СЖ3 в корпусах соединений СЖ3, исполнение корпуса 2 СЖ3 с исполнением 2 приведены в таблице 4; Условный Масса муфт и штекеров, г, не более Жидкостные соединители типа СЖ3 В таблице 5 приведены сравнитель- проход, мм (см. рис. 5) широко применяются в раз- ные характеристики БРС производства Титан Нержавеющая нообразных системах охлаждения для АО «Завод «Снежеть». 3 сталь внутриблочного монтажа и реализации 5 принципа быстрого сочленения моду- При расчёте эффективных гидравли- 8 18 29 лей с контуром охлаждения. ческих систем отправными показате- 12 лями служат давление энергоносителя 46 77 Преимущества: и его расход в единицу времени. Исхо- ● автоматическое уплотнение для пре- дя из этих показателей, а также с учётом 91 151 типа жидкости (газа) и диапазона рабо- дотвращения утечки при размыка- чих температур выбирается типоразмер 217 364 нии; БРС. Для облегчения задачи подбора БРС ● без запирающего механизма, «всле- с достаточным проходным сечением про- технической аппаратуры. Основны- пую»; изводитель предоставляет графики поте- ми областями применения являют- ● отсутствие утечек при нормальном ри давления для каждого из типов СЖ. ся наземный транспорт, аппаратура сочленении; При прохождении перемещаемого веще- систем ПВО. ● корпус из алюминия, нержавеющей ства через быстроразъёмное соединение стали или титанового сплава для обе- неизбежно возникает потеря давления, Преимущества: спечения работоспособности в раз- которую чаще всего компенсируют уве- ● сочленение и запирание осуществля- личных условиях окружающей сре- личением проходного диаметра соеди- ды; нителя. Учёт гидравлических характери- ется с помощью быстроразъёмного ● алюминиевый корпус с анодирова- стик БРС позволяет обоснованно избегать шарикового механизма; нием, для высокой абразивной изно- применения соединителей избыточного ● автоматическое уплотнение для пре- состойкости и коррозионной стой- сечения и веса (см. рис. 6). дотвращения утечки при размыка- кости; нии; ● возможность радиального смеще- Помимо перечисленных серий- ● отсутствие утечек при нормальном ния для компенсации несоосности ных БРС, АО «Завод «Снежеть» имеет сочленении; при сочленении. возможность разработать и изгото- ● корпус из алюминия, нержавеющей Масса быстроразъёмных соедине- вить соединители по требованиям и стали или титанового сплава для обе- ний СЖ3 в корпусах с исполнением 1 и характеристикам, согласованным с спечения работоспособности в раз- 3 приведена в таблице 3; массы быстро- заказчиком. личных условиях окружающей среды; ● высокая абразивная износостойкость и коррозионная стойкость. Масса быстроразъёмных соединений СЖ2 приведена в таблице 2. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 23
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ARINC 818 для начинающих. Комплект разработчика Velocity XI Александр Бекмачев ([email protected]), Евгений Работинский ([email protected]) В статье описан новейший аппаратно-программный комплект Velocity XI от компании Great River Technology (GRT) для разработки видеосистем реального времени по стандарту ARINC 818. Компания Great River Technology мацию, ограниченную 2112 байтами. Рис. 1. Внешний вид платы Velocity XI (GRT) ассоциируется у потребителей Например, изображение XGA коди- в первую очередь с ARINC 818 – про- руется 3 байтами на пиксель и име- Rockwell Collins, Thales, Honeywell, токолом высокоскоростной передачи ет 1024 пикселя в строке, что в общей Northrop Grumman, Lockheed Martin, видео в реальном времени для критиче- сложности составляет 3072 байта. Elbit, EADS, BAE, General Dynamics и ски важных систем, таких как дисплеи Таким образом, для каждой строки многими другими. GRT концентриру- пилотской кабины, видеопроцессоры, требуется два кадра ADVB, каждый из ется на изделиях, которые упрощают высокоскоростные датчики, а также которых содержит полезную нагрузку в конструкцию и внедрение критиче- системы записи. 1536 байт. Кадр ADVB может содержать ски важных систем для дисплеев каби- как несколько строк видеоданных, так ны пилота, графических генераторов, Стандарт видеоинтерфейса и прото- и меньше одной строки. инфракрасных датчиков, оптических кола ARINC 818 управляет передачей камер и лётных тренажёров. Изделия цифрового видео с высокой пропуск- Great River Technology принима- GRT также используются в исследова- ной способностью и низкой задержкой ла участие в разработке протокола тельских лабораториях, на производ- без сжатия. ARINC 818 ещё на этапе формирова- стве, в подразделениях технического ния его концепции. Первая версия обслуживания, при лётных испыта- Сегодня это проверенный коммер- ARINC 818 была обнародована в октя- ниях и в производстве авиационной ческий стандарт и де-факто воен- бре 2006 г., а затем GRT продолжала техники. ный стандарт для высокопроизводи- играть важную роль при каждом после- тельных видеосистем. Airbus A400M и дующем пересмотре стандарта. Всё это Для начального ознакомления с A350 XWB, Boeing 787 и самолёт-заправ- время GRT была ведущей компанией в ARINC 818, упрощения и ускорения щик KC-46A используют ARINC 818, разработке специализированных при- интеграции видеосистем реального как и проекты по авионике, в Брази- ложений, которые заложили осно- времени в пользовательскую аппара- лии, Канаде, Китае, Франции, Индии, ву для пересмотренного стандарта в туру, GRT спроектировала и выпусти- Израиле, России, Южной Корее, Тур- конце 2013 года и продолжает выпол- ла на рынок программно-аппаратный ции и Соединённом Королевстве Вели- нять функции отраслевого редактора комплект Velocity XI. Этот отладоч- кобритании. в процессе актуализации, приведше- ный набор предназначен для быстро- го к созданию ARINC 818-2, а теперь го прототипирования и встраивания в Видеосистемы ARINC 818 включают и ARINC 818-3. В 2014 году произво- аппаратуру видеорегистрации и видео- в себя инфракрасные датчики и датчи- дитель представил две серии генера- обмена по стандарту ARINC818 в ави- ки других спектральных диапазонов, торов-анализаторов видеосигналов и ационной технике и в видеосистемы оптические камеры, радары, борто- регистраторов. Сегодня GRT остаётся промышленного, научного и прочего вые самописцы, системы межплатно- мировым лидером по внедрению ARINC применения. го обмена, системы синтетического 818, предлагая инженерные услуги, лёт- зрения, системы слияния изображе- ное, встраиваемое оборудование и IP Комплект включает в себя плату инду- ний, HUD – стационарные и нашлем- (готовые программные блоки), а так- стриального формата PCIe половинной ные индикаторы на лобовом стекле же полный набор средств для разработ- длины (см. рис. 1) и специализирован- (ИЛС), многофункциональные ИЛС и ки и тестирования с целью поддержки ное ПО Velocity XI Configuration Tool концентраторы видео. Эти видеоси- систем ARINC 818. стемы используются для помощи при рулении и взлёте, погрузке/выгрузке, В то же время GRT продолжает оста- навигации, для отслеживания целей, ваться лидером и в области высокопро- предотвращения столкновений и дру- изводительных цифровых видеоси- гих важных функций. стем, средств разработки и услуг для военной/авиационной индустрии. Ключевым элементом систем, одной С момента основания в 1996 г. фирма из основ концепции ARINC 818 явля- развивает партнёрские отношения с ется цифровая видеошина авионики ведущими коммерческими компания- ADVB и определение кадра АDVB. Для ми и компаниями оборонной промыш- передачи один видеокадр разбивается ленности во всём мире: Airbus, Boeing, на несколько кадров ADVB, каждый из которых содержит полезную инфор- 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 2. Специализированное ПО Velocity XI Рис. 3. Интерактивное окно конфигурирования чае несоответствия пользователю будет Configuration Tool из комплекта поставки платы Velocity XI выдано предупреждение с предложени- ем внести коррекцию. для работы в ОС Windows 7, 8, 10 64 бит − HD+ 1920×1080 60 Гц; (см. рис. 2). − DWide 2560×1024 60 Гц; На этой стадии пользователем зада- − 4K 3840×2160 (Reduced Blanking) ются следующие параметры: Плата способна захватывать видео- ● скорость видеопотока; сигнал пользователя, конвертировать 30 Гц; ● цветовое пространство; поток и передавать по волоконно-опти- ● потребляемая мощность: 20 Вт при ● количество активных пикселей в ческому кабелю в соответствии с требо- ваниями ARINC 818. Выходной видео- 12 В; строке (горизонтальное разреше- сигнал соответствует одному из десяти ● соответствие стандартам: FC-PH ние); предустановленных стандартных фор- ● количество кадров ADVB на строку; матов. Revision 4.3 ARINC 818-2 ADVB high ● количество активных строк (верти- data rate; кальное разрешение); Пользователю предоставлена воз- ● диапазон рабочих температур: ● частота кадров; можность самостоятельно задавать 0…50°C. ● время отображения строки изобра- спецификацию входного сигнала Порядок работы с комплектом пре- жения в мкс; путём описания протокола, так назы- дельно прост, интуитивно понятен и ● длина слова со вспомогательными ваемого Interface Control Document включает в себя 2 этапа. данными; (ICD). Параметры ICD передаются в Этап 1, шаги 1–11: заполнение спец- ● указание пути к файлу со вспомо- плату с помощью входящего в ком- ификации пользовательского видео- гательными данными по умолча- плект ПО, дальнейшие преобразования потока с помощью приложенного нию; происходят без участия пользователя. ПО в интерактивном режиме с одно- ● указание класса опасности источни- Одновременно можно активировать временной проверкой на согласован- ка лазерного излучения; только один ICD. Смена настроек под ность параметров, пример такого окна ● выбор одного из стандартных встро- другой пользовательский видеопро- программы приведён на рис. 3. В слу- енных форматов выходного видео- токол занимает менее минуты. Таким сигнала. образом, потребитель может быстро и Этап 2, шаги 12-14 (см. рис. 4): наглядно имитировать видеопотоки от ● обзор сформированной пользова- различных источников. Плата оснаще- тельской спецификации видеосиг- на портом HDMI 2.0 для визуального нала; контроля передаваемого изображе- ● выдача команды на конфигурацию ния. Потребители найдут полезным и видеоплаты; обратное преобразование, реализо- ● сохранение созданной конфигура- ванное в этом комплекте, – из HDMI ции в виде текстового файла .spof. в ARINC 818. После этого с комплектом можно работать как с обычной платой видео- Основные параметры платы захвата, – граббером. Velocity XI: Для удалённой поддержки пользова- ● скорость обмена: 1,0625; 2,125; 3,1875; телей и организации обратной связи с ними компания GRT запустила ресурс 4,25; 5,0; 6,375; 8,5 Гбит/с; «Академия ARINC 818» (см. рис. 5). ● Цветовое пространство: Monochrome Рис. 4. Контрольное окно параметров пользовательского видеосигнала 8-bit; Color RGB 8:8:8; Color RGB 5:6:5; ● Горизонтальное разрешение видео- кадра: 10…3840 пикселей; ● Варианты выходных видеосигналов: − XGA 1024×768 60 Гц; − HD 1280×720 60 Гц; − WXGA 1280×800 60 Гц; − SXGA 1280×1024 60 Гц; − SXGA+ 1400×1050 60 Гц; − WXGA+ 1440×900 60 Гц; − UXGA 1600×1200 60 Гц; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 25
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Это онлайн-платформа, которая пред- Рис. 5. Главный экран обучающего сайта Академия ARINC 818 ставляет собой сайт, состоящий из двух разделов. Одна часть сайта содержит общедо- ступные видеоуроки, где любой посети- тель может почерпнуть ценные знания о стандартах и протоколах ARINC 818. Здесь же доступна видеоинформа- ция, дающая представление об ICD- конфигураторе видеосигнала, рассказ о функциях и назначении ARINC 818 и о том, как продукция GRT поможет реа- лизовать клиентские задачи. Другая часть «Академии» содержит виде- озаписи, доступные на условиях автори- зации только ранее зарегистрированным потребителям продукции и услуг GRT. Эти материалы обеспечивают более глубокое понимание протокола ARINC 818, вклю- чая разработку ARINC 818, симуляцию и тестирование сложных систем с ARINC 818. В дополнение GRT создала серию под- робных видеороликов о том, как исполь- зовать продукцию и системы обработки GRT для максимально эффективной под- держки пользовательских проектов за счёт обеспечения улучшенного технического сопровождения и углубления технических знаний потребителя. Реклама 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Проблемы использования реверберационной камеры при испытаниях на восприимчивость к радиочастотному электромагнитному полю Алексей Шостак (инженер-испытатель ИЛ ЭМС, АО «ТЕСТПРИБОР») пределах ±3 дБ (данное значение под- тверждается аттестацией аккредито- Радиочастотная реверберационная камера является более доступной ванной организации). альтернативой безэховым камерам при проведении тестирования электронного оборудования на восприимчивость к ЭМП. Однако данный Аттестация метод испытаний имеет свои особенности. В данной статье рассказано об опыте решения проблем при внедрении реверберационной камеры в Аттестация такого вида оборудова- испытательной лаборатории АО «ТЕСТПРИБОР». ния, как реверберационная камера, накладывает, в отличие от антенны Ввиду того что основная темати- на восприимчивость к электрическо- или генератора сигналов, дополни- ка испытаний в лаборатории ЭМС му полю. Данный метод испытаний в тельные требования, а именно нали- АО «ТЕСТПРИБОР» – это испытания нашей стране пока не получил широ- чие программного обеспечения изделий авиационной промышлен- кого распространения, в том числе и (ПО), которое бы позволяло одно- ности гражданского и специального потому, что при разработке, аттестации временно контролировать положе- назначения, основными документа- и эксплуатации такого вида оборудо- ние тюнера, уровень излучаемой ми, регламентирующими проведение вания персоналу лаборатории прихо- мощности и измеренное значение таких испытаний, являются стандар- дится сталкиваться с рядом вопросов, напряжённости. ты КТ-160G/14G и ГОСТ РВ, а также часть которых хотелось бы обсудить в программы и методики предприятий- данной статье. Хотя большинство камер зарубеж- заказчиков. Одним из основных видов ного производства уже поставляются испытаний является проверка воспри- Кратко напомним, что ревербера- с ПО для автоматизации испытаний, в имчивости изделия к радиочастотно- ционная камера – это экранирован- случае собственной разработки необ- му электрическому полю высокой ное помещение, изготовленное обыч- ходимо привлекать соответствующих напряжённости (англ. High-intensity но из алюминия или оцинкованной специалистов для внедрения програм- Radiated Field – HIRF) вплоть до 7,2 кВ/м стали, внутри которого расположе- мы, позволяющей одновременно обме- (КТ-160G группа L). ны передающая антенна, измеритель- ниваться данными между генератором ный датчик, а также рассеивающий сигналов, датчиками прямой и обрат- Для закрытия максимально возмож- электромагнитные волны элемент – ной мощности, датчиком напряжённо- ных категорий жёсткости указанных тюнер. Работа РК основана на прин- сти электрического поля и приводом выше стандартов, в лаборатории ЭМС ципе многократных отражений тюнера РК. АО «ТЕСТПРИБОР» было решено соз- падающей электромагнитной вол- дать рабочее место на основе радио- ны, генерирующих высокую напря- Сам процесс аттестации связан с частотной реверберационной камеры жённость поля за счёт усиливающей существенными затратами време- (РК) (см. рис. 1), реализовав альтерна- интерференции (эффекта резонанса), ни, так как инженеру необходимо в тивный метод проведения испытаний в результате чего образуются «стоя- девяти точках испытательного объ- чие» волны, которые «перемешива- ёма на фиксированных частотах и в Рис. 1. Реверберационная камера лаборатории ются» тюнером с целью получения требуемых положениях тюнера про- ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР» однородного электрического поля в водить измерение однородности соз- • Общие габаритные размеры (Ш×В×Г) рабочем объёме РК. даваемого электрического поля. Для примера, в таблице 1 отражено тре- 2700×1550×1650 мм Преимущество РК заключается в бование стандарта ГОСТ РВ 6601-001- • Размеры рабочей зоны (Ш×В×Г) 700×700×700 мм возможности проведения испыта- 2008 к необходимому числу позиций • Диапазон рабочих частот 400 МГц … 18 ГГц ний на восприимчивость к электри- тюнера. ческому полю в широком диапазоне частот при относительно невысоких Учитывая потенциальную трудоём- требованиях к подводимой на пере- кость испытания, а также принимая во дающую антенну мощности сигнала. При этом ориентация испытуемого Таблица 1. Необходимое число позиций тюнера изделия внутри рабочего объёма РК по ГОСТ РВ 6601-001-2008 менее важна, так как все его плоско- сти и подводимые кабели подвергают- Частотный диапазон Необходимое число ся воздействию однородного электри- (МГц) позиций тюнера ческого поля, погрешность изменения которого, при правильно сконфигури- 200…300 50 рованной геометрии, обычно лежит в 300…400 20 400…600 16 Свыше 600 12 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
Реклама
ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ внимание то, что при внесении испы- туемого изделия картина полей будет изменяться, существенно ускорить процедуры калибровки и испытаний можно, только используя максималь- ное количество датчиков напряжён- ности электрического поля в рабочем объёме. Датчики напряжённости Рис. 2. Малогабаритная биконическая антенна Рис. 3. Октавные рупорные антенны электрического поля Оценить нижнюю частотную гра- от частоты испытательного сигнала При рассмотрении рынка измери- ницу рабочего диапазона, при кото- число позиций тюнера за один пол- тельного оборудования обнаруживает- рой будет обеспечиваться необходи- ный оборот может колебаться от 12 ся малое количество подходящих дат- мое число мод, а также габариты РК, до 200 и более) значения амплитуд чиков напряжённости электрического можно, используя следующее выра- напряжённости одинаковы во всем поля из реестра СИ. На момент написа- жение: рабочем объёме. ния данной статьи для покрытия все- го частотного диапазона испытаний где a, b, d – внутренние размеры каме- Тюнер должен быть асимметрич- по КТ-160G/14G и ГОСТ РВ 6601-001- ры (м); ным (в РК АО «ТЕСТПРИБОР» исполь- 2008 возможно использовать только зуется тюнер типа Z-Fold) с наимень- три датчика от двух производителей, f – рабочая частота (Гц); шим размером λ/3 для самой низкой причём максимально регистрируе- c – скорость распространения радио- частоты, которая будет использова- мый ими уровень достигает 1 кВ/м – волн, равная 3×108 м/с. на, а самый большой размер тюнера для частот до 4 ГГц и 600 В/м для Помимо геометрии и габаритов должен быть приблизительно 75% от частот до 18 ГГц. И хотя этого доста- РК, на характеристики создаваемого наименьшего размера РК. Увеличение точно для испытаний по ГОСТ РВ 6601- поля будут влиять тип используемых размеров тюнера приводит к уменьше- 001-2008 и перекрытия большинства тюнеров, их геометрия, положение нию отклонения напряжённости ЭМП категорий КТ-160G, этого явно недо- и их количество. При разносторон- во внутреннем объёме РК, однако при статочно для проведения испытаний нем подходе к процессу разработки этом уменьшается рабочий объём. импульсными электрическими поля- и анализа конструкции РК, влияние Также при ориентации друг напротив ми по максимальным категориям жёст- тюнера на распределение электриче- друга два тюнера типа Z-Fold позволя- кости КТ-160G. На зарубежном рынке ского поля в рабочем объёме можно ют добиться более высокой однород- присутствуют датчики, которые име- оценить, используя средства элек- ности электрического поля в рабочем ют возможность измерения импульс- тродинамического моделирования, объёме камеры. ных электрических полей напряжён- например CST Microwave Studio или ностью до 600 кВ/м, но, к сожалению, Ansys HFSS. Антенны пока отечественные испытательные лаборатории не могут их использовать Тюнер Излучающие антенны должны рас- при проведении сертификационных полагаться не ближе 0,75 м (λ/3 – фак- испытаний. Помимо этого, для удоб- Как уже было сказано, многократ- тическое ограничение) от любой сте- ства и ускорения калибровки рабоче- ные отражения излучаемых антен- ны или объекта и позиционированы го объёма РК желательно использо- ной электромагнитных волн от стен так, чтобы предотвратить встреч- вать систему из нескольких датчиков корпуса РК образуют стоячие вол- ное направление между основны- (в идеальном случае – девять), одна- ны с неравномерными по амплитуде ми лепестками диаграмм направлен- ко это требует существенного финан- областями. Для обеспечения одно- ности (ДН) этих антенн или между сирования а также бо′льшего рабоче- родного распределения электриче- испытуемым изделием и основным го объёма. ского поля внутри РК прибегают к лепестком ДН любой антенны. Это изменению положения тюнера, что требование накладывает ограниче- Нижняя граница частоты приводит к изменению граничных ния на габариты используемых антенн условий РК. Электрическое поле в в случае использования РК с диапа- РК на низких частотах характеризу- рабочем объёме РК считается одно- зонами рабочих частот от 400 МГц и ется конечным числом возбуждаемых родным, если в пределах заданной выше. Большинство трудностей воз- типов волн (мод), суперпозиция кото- погрешности усреднённые по всем никает с габаритными биконически- рых в итоге приводит к неоднород- положениям тюнера (в зависимости ми ОВЧ- и логопериодическими антен- ному распределению электрическо- нами УВЧ диапазонов. Однако рынок го поля в нижней области диапазона испытательного оборудования позво- рабочих частот. Также следует отме- тить, что эффективность РК снижается с убыванием частоты, т.е. мощность сиг- нала, необходимая для создания опре- делённой напряжённости поля, будет тем больше, чем меньше нижняя рабо- чая частота. 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Таблица 2. Сравнение безэховой и реверберационной камер ляет решить данную задачу. Например, можно использовать малогабаритную Реверберационная камера Полубезэховая экранированная камера биконическую антенну с диапазоном частот 30 МГц…1 ГГц (см. рис. 2). Хотя – коэффициент усиления такой антен- ны хуже, чем у логопериодической, Зависимость рабочих частот от геометрии – Зависимость рабочих частот от параметров – свойства РК нивелируют требования радиопоголощающих материалов к необходимой подводимой мощности. В диапазоне от 1 ГГц и выше габариты рупорных антенн позволяют без осо- бого труда размещать их в РК любых размеров. Использование октавных рупоров (см. рис. 3) позволит также сэкономить на мощности усилителей ввиду более высоких значений коэф- фициента усиления. Одновременный контроль трёх параметров: Одновременный контроль двух параметров: + Заключение - частоты - частоты + - амплитуды - амплитуды Таким образом, реверберацион- - угла поворота тюнера ные камеры следует рассматривать как альтернативу безэховым камерам Необходимость каждый раз перед испытаниями при испытаниях на восприимчивость к радиочастотному электрическому калибровать камеру в девяти точках во всем диапазоне Калибровка в одной точке полю только при условии принятия – и решения компромиссов и допуще- частот при внесении в её рабочий объём ний, которые были рассмотрены в данной статье, а также часть которых испытуемого изделия отражена в таблице 2. Более умест- ным будет сказать, что оба вида испы- Ввиду необходимости постоянной калибровки – Персонал только заменяет/переключает антенны + тательного оборудования дополняют и усилители. Проведение испытаний «вручную» друг друга при выполнении испыта- даёт сравнительно небольшой прирост к временны′м ний на ЭМС. время и трудозатраты персонала ≈ в 10 раз выше В настоящий момент реверберацион- и трудовым затратам персонала ная камера АО «ТЕСТПРИБОР» находит- ся в стадии дооснащения и подготовки Необходимость дополнительного ПО и драйверов Стандартный пакет ПО для управления усилителями к аттестации, по завершении которой для управления тюнером и генератором планируется расширить возможности лаборатории в части испытаний на вос- Требуются усилители с меньшей мощностью + Необходимы мощные усилители, – приимчивость к радиочастотному элек- стоимость которых в несколько раз выше трическому полю. Возможность создания полей более высокой + –С ростом требуемой напряжённости необходимы Литература напряжённости при одинаковой подводимой гораздо более мощные усилители мощности 1. Демаков А. В., Комнатнов М. Е., Газизов. Обзор исследований в области разра- Требуется дополнительная функция защиты усилителей Стандартный контроль отраженной мощности ботки и применения реверберационных от отражённой мощности, которая снижает подводимую датчиками мощности камер для испытаний на электромагнит- мощность в случае рассогласования СВЧ-тракта ную совместимость. Т. Р. УДК 621.317.2. Требование к однородности поля в испытательном Требование к однородности поля только по 2. Зарубежные военные стандарты в обла- объёме гражданским стандартам сти ЭМС / Кечиев Л.Н., Балюк Н.В. / Под ред. Л.Н. Кечиева – М.: Грифон, 2014. +Воздействие на все плоскости изделия и провода Необходимо вращение или поворот изделия – (Библиотека ЭМС). Ограничение рабочего объёма, количества – Нет строгих ограничений по объёму + 3. ГОСТ РВ 6601-001-2008. Оборудование подводимых к изделию кабелей питания испытуемого изделия + бортовое авиационное. Общие требо- и управления вания к восприимчивости при воздей- – Испытатель и Заказчик имеют доступ ко всем ствии электромагнитных помех и мето- Неудобство при размещении испытательного сторонам испытуемого изделия дики измерения. – М.: Стандартинформ, и испытуемого оборудования 2008. Невозможность выездных испытаний Стойку с усилителями, антенны можно разобрать 4. КТ-160G/14G. Условия эксплуатации и и вывезти окружающей среды для бортового ави- ационного оборудования (Внешние воз- Некоторые стандарты не предусматривают Соответствует стандартам испытаний действующие факторы). – М.: НИИАО, использование РК для большинства видов продукции 2015. + Плюсы – Минусы СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 31
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Опыт использования сигнализации и диагностики термометрии силосов элеватора по шинной топологии подключения цифровых датчиков DS1820 Андрей Шабронов ([email protected]) Шинная структура подключения дат- чиков делает диагностику, заключаю- Увеличение количества автоматизированных систем и различных щуюся в определении неисправного компьютерных устройств в сельском хозяйстве формирует проблему элемента при анализе состояния шины обучения персонала и затрудняет возможность эксплуатации систем данных, довольно сложной задачей. без определённых знаний и опыта. Основное отличие предлагаемой Неисправности типа «обрыв» опреде- системы диагностики термометрии от существующих прототипов ляются программно, методом запроса [2] заключается в использовании сигнализации рабочего состояния датчика и его ответного молчания при цифровых датчиков DS1820 на основе простых принципов. Возможно неисправности. Но это лишь небольшая применение метода сигнализации интерфейса цифровых датчиков часть неисправностей. Любой датчик DS1820 в системах контроля температур в сельскохозяйственном на шине 1-wire при неисправности производстве, в учебных и научных задачах и т.п. типа «короткое замыкание» формиру- ет нулевое напряжение, что не позволя- Введение датчиками DS1820. Общее количество ет опрашивать другие датчики, и систе- датчиков в системе составляет более ма термометрии «зависает». Структурная схема термометрии 1600 штук. Топология линии смешан- силосов элеваторов с использовани- ная: «звезда» и «шина». Переключение Метод анализа импульсного обрат- ем интерфейса 1-wire фирмы Dallas линий связи выполняют специали- ного сигнала (отклика) в интерфейсе Semicondutor представлена на рисун- зированные микросхемы DS2409 [3]. 1-wire использовать затруднительно ке 1. Предлагаемая система сигнали- Микросхема расположена в блоке вет- из-за двойной направленности шины. зации и диагностики разработана вителя (МСВ). Всего на объекте рабо- Сигналы по одному проводу 1-wire или под конкретную сельскохозяйствен- тает более 20 ветвителей, которые и передаются, или принимаются, что ную задачу – термометрию хранения формируют топологию «древовидной» накладывает ограничения на уровни зерна вертикального зернохранения. звезды с шинной структурой для дат- передаваемых сигналов. В каждом силосе термометрию обеспе- чиков. чивают термоподвески с цифровыми Метод измерения по сопротивле- нию длины короткозамкнутого шлейфа Рис. 1. Структурная схема термометрии силосов элеваторов нельзя использовать, поскольку вход- ные цепи датчиков имеют нелинейную форму вольтамперной характеристи- ки, что создаёт большую погрешность и невозможность определения рассто- яния до неисправного датчика. Дополнительное препятствие при поиске неисправного датчика обу- словлено вероятностью возникнове- ния короткого замыкания по шине +5 В, от которой получают питание датчи- ки. В этом случае шина данных оста- ётся в рабочем состоянии, но датчики без напряжения +5 В переходят в режим «паразитного питания» и не отвечают на передаваемые сигналы. Таким обра- зом, создаётся неисправность типа «обрыв», хотя в действительности это короткое замыкание. Краткий анализ возможных неис- правностей показывает, что восста- новление работоспособности требует знаний программного обеспечения, а также электротехнических измерений напряжения на шине данных и на шине питания +5 В. Кроме того, надо учиты- 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ вать, что +5 В передаётся по общей шине от блока питания с возможным током до нескольких сотен миллиам- пер, что при коротком замыкании дат- чика создаёт ситуацию равномерного падения напряжения по всей длине линии. Приведённые выше признаки неис- правностей и недостатки шинной топо- логии сформировали требования к системе термометрии. Данные требова- ния реализованы в далее описываемой системе термометрии с предлагаемой схемой диагностики и сигнализации состояния шины 1-wire, которую будем называть «модернизированная схема ветвителя 1-wire» (МСВ). Принципиальная схема МСВ Рис. 2. Принципиальная схема МСВ ются. Если возникает короткое замыка- ние по питанию +5 В, то ток возрастает Принципиальная схема МСВ пред- специальных микросхем и предлагает- до 30-40 мА и напряжение на плюсо- ставлена на рисунке 2. Схема содер- ся для использования на каждом ветви- вых входах компараторов опускает- жит узел переключения на микросхеме теле. Это позволяет иметь запас устой- ся ниже 2,5 В. Это вызывает включе- U1 (DS2409), используемый в ветвите- чивости и подключать термоподвески ние сигнальных светодиодов. Рабочий ле МL-09 [2], что позволяет сохранить с большим количеством датчиков. ток для стабилизатора схемы допуска- совместимость программного обеспе- ется до 100 мА и короткое замыкание не чения и применить все ранее создан- Схема компараторов формирует создаёт запредельных режимов. После ные программы и программы любо- сигнализацию на микросхемах U2,3 устранения замыкания режим сигна- го производителя стандарта 1-wire. (LM393). Сопротивлениями R2, R9 лизации снова готов к работе. Дио- Модернизированная составляющая формируется напряжение включения ды D5-D7 защищают U1(DS2409) от схемы состоит из схемы регенерации (2,5 В) сигнальных светодиодов. Если импульсных помех, которые форми- сигнала и схемы сигнализации замы- на плюсовых входах напряжение будет руются во время работы других элек- кания. меньше 2,5 В, то светодиоды включатся. троустановок элеватора. Компараторы имеют большое входное На транзисторах Q3, Q2, сопротив- сопротивление и тем самым не влияют Необходимо отметить возможность лениях R3, R4, R8 и конденсаторе С3 на шину данных 1-wire. использования схемы сигнализации и собрана схема регенерации и восста- регенерации с отдельно установлен- новления сигналов [6, 7]. Это позволя- Сигнализация питания выполняет- ным ветвителем МЛ-09 [2]. Предусмо- ет получить устойчивый опрос датчи- ся по аналогичному методу. Питание трена работа без питания +12 В для раз- ков при используемом типе кабеля и +5 В поступает на шину через контроль- личных топологий термометрии. заданной длине линии. Необходимо ные сопротивления R10,11 в 150 Ом. напомнить, что без регенератора при Рабочий потребляемый ток датчиков Схема ветвителя и все компоненты пуске объекта опрашивались только составляет 1-5 мА, при этом падение собраны на печатной плате и пред- ближние датчики. И только установка напряжения на сопротивлениях мало, одного регенератора в центре позволи- и контрольные светодиоды не включа- ла получить опрос всех датчиков. Схе- ма регенератора не содержит дорогих и Рис. 3. Фото собранных плат МСВ(слева) и 3D-модель платы в DipTrace (справа) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 33
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 4. Фото монтажа МСВ на DIN-рейку (слева) и смонтированная МСВ в шкафу термометрии (справа) назначены для монтажа под винт. На При модернизации термометрии ● до ветвителей (ВТВ) используется че- рисунке 3 представлены: слева – фото силосов следует особо обратить вни- тыре провода: 0 В, 1-wire, +5 В, +12 В; собранных печатных плат МСВ, спра- мание на выпускаемые современные ва – 3D-модель той же платы. Печат- термоподвески, в которых приме- ● после ветвителя с выхода А-aux и ная плата разработана в среде проек- нены цифровые датчики DS1820. На М-main выходит три провода: 0 В, тирования DipTrace, проект доступен в настоящее время выпуск термодвесок 1-wire, +5 В с защитой и индикаци- каталоге программ [1]. Плата МСВ кре- с цифровыми датчиками выполняет- ей короткого замыкания. пится на DIN-рейку, и на эту же рейку ся по смешанной схеме: с переходом При использовании МСВ поиск неис- устанавливаются DIN-колодки электро- от интерфейса датчиков к различным технических «нулевых шин», которые другим интерфейсам (RS-485, RS-232) правности осуществляется по инди- применены как «параллельные» колод- и даже непосредственно на радиока- кации замыкания и не требует спе- ки для шины 1-wire. Линии от датчи- нал. Кроме того, некоторые произво- циальных приборов и программного ков из термоподвесок подключаются дители термоподвесок [5] предлагают обеспечения. Диагностика короткого на DIN-колодки «нулевых шин». установку датчиков с интервалом 1 м, замыкания выполняется по индикации что позволяет определять и уровень светодиодов. В случае замыкания они На рисунке 4 слева показана фото- заполнения силосов. Необходимо обра- постоянно светятся, при нормальной графия трёх плат МСВ с подключени- тить внимание, что производители под- работе – кратковременно вспыхивают. ем по шесть DIN-колодок на трёх DIN- весок используют специальную плату Допускается проверка исправности сиг- рейках и справа – плата МСВ на одной для перехода с интерфейса 1-wire на нализации путём замыкания выходной DIN-рейке, установленная в шкаф тер- RS-485. А также существуют варианты шины +5 В и +1-wire на 0 В, что также мометрии с проведённым монтажом термоизмерений в силосах, где интер- ускоряет и упрощает проверку. Надо линий силосов. На левом фото для фейс перехода выполнен в отдельном учитывать, что +12 В замыкать на 0 В сравнения выделены белые корпуса корпусе. нежелательно. В этом случае включится ранее использовавшихся ветвтвите- защита общего блока питания для всей лей МЛ-09 [2, 3]. Особо важно отметить, что переход системы. Ничего критичного не прои- на любой другой интерфейс требует зойдёт, но потребуется устранить замы- Монтаж силосов термометрии выпол- другого программного обеспечения и кание и вновь включить блок питания. нен проводом сечения 2,5 мм2 через не позволяет использовать программы обжимную «оконцовку» и не требует производителя для датчиков DS1820. Методика диагностики сложных технических приспособле- Кроме того, для подключения допол- ний и специальных навыков. нительной платы перехода интерфей- 1. Проверить наличие напряжение са требуется и дополнительное пита- +12 В вольтметром на разъёме In-1w Программное решение ние. (J2) (рисунок 2), и если оно имеется, сигнализации термоподвесок то перейти к пункту 2. На данном объекте переход на другой Для работы с МСВ используется про- интерфейс нерентабелен, т.к. в наличии 2. Проверить БЕЗ ВКЛЮЧЁННОГО про- граммное обеспечение, совместимое с уже имеется кабельная трёхпроводная граммного обеспечения свечение интерфейсом 1-wire, подготовленное сеть к термоподвескам. Это означает, контрольных светодиодов: до модификации ветвителей [1]. Для что возможен заказ термоподвесок без ● непрерывное свечение означает использования пригодны все тесты, плат сопряжения, и можно рассчиты- наличие короткого замыкания в поставляемые производителем дат- вать на снижение цены за одну тер- данной шине термоподвесок дат- чиков. Допускается любое другое про- моподвеску. Кроме того, не требуется чиков. Отключая поочерёдно на граммное обеспечение, поддержи- платить за программное обеспечение разъёмах DIN-колодок «нулевых вающее протокол 1-wire и адаптеры производителя термоподвесок. шин» AUX MAIN соединения, опре- стандарта 1-wire, что значительно сни- делить неисправную шину. В этом жает цену программного обеспечения, На рисунке 1 структурной схемы случае светодиод погаснет. повышает надёжность эксплуатации и цифрами указано количество прово- диагностики. дов в линии 1-wire: 3. При ВКЛЮЧЁННОМ программном обеспечении светодиоды M-1W A-1W будут кратковременно загораться 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ при обращении в данной ветви к ле инициализации программного обе- разделении неисправности на «аппа- датчикам. спечения. ратные» и «программные». Если мига- 4. Свечение светодиодов по шине пи- ют светодиоды, то программа работает тания +5 В для AUX MAIN возможно Выводы и «аппаратная» часть исправна. Поиск только при коротком замыкании неисправности программного обеспе- этих шин. Предусмотрена проверка Предложенная система сигнализа- чения осуществляется специалистом, контроля индикации путём форми- ции и диагностики термометрии сило- который уверен в том, что аппаратная рования короткого замыкания, и в сов элеваторов на цифровых датчиках часть датчиков исправна. этом случае должны загораться соот- DS1820 показала, что время устранения ветствующие светодиоды контроля. неисправности для дежурного электри- Использование МСВ при диагности- Замыкание не может повредить схе- ка составляет до 1 ч для 20 шкафов тер- ке позволяет уменьшить расходы на экс- му ветвителя, т.к. в данной схеме пред- мометрии на данном объекте. Время плуатацию и обучение персонала, не соз- усмотрен именно такой режим сра- поиска состоит из открывания шкафа даёт напряжённой обстановки в случае батывания – по замыканию! Рабочее термоподвески, проверки индикации, неисправности, даёт уверенность в поис- напряжение на шине + 5 В допускает- закрытия шкафа и перехода к следу- ке неисправности и повышает самооцен- ся не ниже 4,5 В. ющему шкафу. При этом персонал не ку обслуживающего персонала. Полная коммутация линий шка- нуждается в наличии квалифицирован- фа приводится в сопроводительной ных навыков работы с компьютерной Литература документации на порядок выполне- техникой. ния работ. Необходимо обратить вни- 1. Каталог программ и плат: мание, что количество монтируемых Рекомендуется использовать электри- http://90.189.213.191:4422/doc_sh/ силосов к МСВ различно в разных шка- ческий шуроповёрт, который ускоряет toguchin_2020n/test/ Копия на «обла- фах, поскольку на элеваторе установоч- время демонтажа и имеет фиксирован- ке» https://disk.yandex.ru/d/aKAo_ ные размеры в зданиях отличаются. ный уровень зажима коммутируемых DVD1LzrUQ. При выполнении работ это отражает- проводов. В противном случае трудо- ся в исполнительной документации. ёмкость ручной работы резко возрас- 2. Обзор элементов шины 1-wire (прототип В каждый шкаф, где установлена МСВ, тает, что может приводить к ошибкам, ML-09): https://elin.ru/1-Wire/. вложен лист с инструкцией, схемой связанным с человеческим фактором. коммутации и последовательностью 3. Описание DS2409 шины 1-wire: http:// проверки. Предусмотрено, что листы Важно то, что персонал не задаёт www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Maxim/1- инструкции формирует программа вопросы «что делать?» и «кто виноват?», Wire/start.htm. сбора данных [1] третьей версии по а ищет неисправную подвеску по про- требованию дежурного. На данных стому правилу: если индикация горит 4. Описание языка Форт spf4.exe, автор вер- листах инструкции предполагается постоянно, то это неисправность, и сии А.Черезов http://www.forth.org.ru/. фиксировать условные номера сило- надо отключать соответствующий про- сов данного элеватора по внутренней вод. В системе выполняются все требо- 5. Производитель цифровых термоподве- нумерации, которую использует персо- вания по электрической безопасности, сок http://grein.ru/. нал. Это позволяет после определения поскольку питание шин 1-wire состав- неисправной подвески силоса выдать ляет +5 В и сила тока при коротком 6. Схема регенерации сигнала 1-wire информацию для исправления в фай- замыкании ограничивается до 40 мА. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/ pages/6645.html . Использование световой сигнали- зации при диагностике термометрии 7. Шабронов А.А. «Адаптер USB-1-wire c исключает конфликтные ситуации в регенератором сигналов» РНТК-2020, СибГУТИ, сборник СПТ_2020 стр.383- 387 https://sibsutis.ru/workgroups/w/ group/46/files/Материалы 20конферен- ций/РНТК-2020. НОВОСТИ МИРА В КИТАЕ СОЗДАН ПРОТОТИП Возможности технологии разработчик водитель представил первый, по его за- продемонстрировал на тестовом образ- верениям, серийный смартфон со скла- ЭЛАСТИЧНОГО ДИСПЛЕЯ це – 2,7-дюймовой панели разрешением дывающимся экраном FlexPai. Особого ДЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 96×60 пикселей. Представленный прото- коммерческого успеха и массовой попу- тип может без поломок растягиваться на лярности он не достиг. Китайская компания Royole Technology 130% от изначальной длины и выдержи- на онлайн-выставке Display Week вать выпуклый изгиб до 40 градусов. Но- kommersant.ru Symposium представила прототип дис- вые экраны имеют плотность до 120 пик- плея, способного изгибаться и растяги- селей на дюйм, как у дисплеев современ- ваться. Новинка реализована с помощью ных ноутбуков. Они способны пропускать технологии micro-LED. По заверению ком- до 70% света. Таким образом, возмож- пании, она совместима с современными но их применение, например, в автосте- процессами промышленного производ- клах и очках. ства дисплеев. Сроки серийного производства но- «Эластичные экраны не только склады- вых экранов не заявлены. Royole ваются и скручиваются, но также могут Technology в 2014 году первой в мире формировать трехмерную произвольную наладила массовое производство гиб- форму, включая выпуклые и вогнутые де- ких FFD-дисплеев. В 2018 году произ- формации», – сообщается в пресс-релизе компании. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 35
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ FlyFocus разрабатывает отсоединяемый привязной БПЛА для непрерывного наблюдения за критически важными объектами Vicor Corporation Если одна из камер БПЛА заметит подозрительный объект, например Преобразователи постоянного напряжения Vicor DCM позволяют движущийся автомобиль, привязной увеличить полезную нагрузку или время полёта. кабель можно немедленно отсоединить с помощью дистанционной команды. Концепция беспилотных летатель- ние длительного времени. Эту потреб- Кабель приземлится рядом с наземной ных аппаратов (БПЛА) не нова: пер- ность удовлетворяет основной продукт станцией на раскрывшемся парашюте. вые такие аппараты были построены FlyFocus под названием CableGuard – ещё во времена Первой мировой вой- комплексная система, которая состо- Тем временем аппарат переключится ны [1]. Но и сейчас БПЛА продолжают ит из привязного БПЛА, наземной стан- на питание от бортовых батарей, обе- быстро развиваться. Передовые произ- ции и системы слежения. спечивающих до 30 мин свободного водители оптимизируют свою продук- полёта и мониторинга – при условии цию под конкретные области приме- Большую часть времени БПЛА про- задействования одной камеры дневно- нения, используя новейшие доступные водит в режиме привязки, паря на го наблюдения. После этого аппарат компоненты и материалы. высоте до 70 м над зоной наблюде- необходимо посадить на землю. В слу- ния. В этом режиме электродвигате- чае использования двух камер (тепло- Одним из таких производителей ли и бортовая электроника получа- визионной камеры и камеры дневного является компания FlyFocus. Она спе- ют питание через привязной кабель, наблюдения) время свободного полёта циализируется на разработке и произ- по которому от наземной станции достигает 20 мин. Такое время свобод- водстве БПЛА для гражданских нужд и подаётся 400 В постоянного тока. ного полёта является значимым кон- охраны правопорядка. Области приме- Это напряжение постоянного тока курентным преимуществом систем нения включают наблюдение за особо образуется посредством выпрямле- наблюдения FlyFocus. важными зонами, такими как границы, ния переменного тока напряжением электростанции или военные объекты. 230 В, обычно получаемого от пере- После завершения миссии аппарат Продукция компании используется так- носного генератора. Соответствен- можно повторно подключить к назем- же и во множестве других областей: но, БПЛА может вести наблюдение ной станции и вернуть в режим наблю- наблюдение за автомобильными доро- практически бесконечно. Зареги- дения. гами, подсчёт транспортных средств, стрированы случаи непрерывного наблюдение за скоплениями людей нахождения в воздухе до 30 дней. Этот аппарат мощностью 5 кВт пре- на стадионах, создание радиопомех и На практике, однако, рекомендуется восходит все другие БПЛА привязного трансляция радиосигналов. производить посадку аппарата при- типа на современном рынке. Компания мерно раз в неделю для проведения FlyFocus использовала эту дополнитель- Несмотря на такое разнообразие, все технического осмотра подшипников ную мощность для повышения произ- эти области объединяет потребность в и других механических частей. водительности и расширения функци- непрерывном полёте аппарата в тече- ональности аппарата. Аппарат оснащён восемью двигателями и может безопас- Рис. 1. Многоцелевая система наблюдения но приземлиться даже в том случае, если два из них вышли из строя. К аппа- рату прилагается камера с разрешени- ем Full HD, 10-кратным оптическим и 4-кратным цифровым увеличением, а также ИК-камера ночного видения 640p с 4-кратным цифровым увеличением (см. рис. 1). Запас мощности позволяет FlyFocus использовать камеры c более высоким качеством изображения, например тепловизоры с интенсивным охлаж- дением или камеры с многократным увеличением. Это открывает новые воз- можности и для добавления различных модулей полезной нагрузки, таких как телекоммуникационное оборудование или другие специализированные реше- ния в соответствии с индивидуальны- ми требованиями заказчика. 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ В цепи подачи питания от привязно- Рис. 2. Цепь подачи питания БПЛА CableGuard, в которой используется восемь изолированных го кабеля к двигателям и электронике регулируемых преобразователей постоянного напряжения Vicor DCM БПЛА применяются изолированные регулируемые преобразователи посто- DCM может работать с КПД до 96%. структивные преимущества традици- янного напряжения производства ком- Такой высокий КПД объясняется топо- онной архитектуры типа «brick». пании Vicor. Эти устройства повыша- логией высокочастотной коммутации ют мощность и конкурентоспособность при переходе напряжения через нуле- Преобразователь обеспечивает пре- БПЛА CableGuard несколькими спосо- вое значение (ZVS). Модуль с гальвани- восходную производительность систе- бами. Во-первых, их способность пони- ческой развязкой преобразует нестаби- мы питания и возможность подклю- жать напряжение с 400 В постоянно- лизированное входное напряжение, чения точки нагрузки к различным го тока до рабочего напряжения БПЛА которое может изменяться в широком нерегулируемым источникам питания. позволяет подавать через привязной диапазоне, в выходное с ограничением Кроме того, до восьми блоков можно кабель питание с напряжением 400 В тока в рабочем режиме. Предусмотрена объединить в один массив без сниже- постоянного тока. При использовании защита от перенапряжения, перегруз- ния индивидуальной мощности. такого высокого напряжения уменьша- ки по току, пониженного напряжения, ется сила тока и потери I2R. Соответ- короткого замыкания и перегрева. Поскольку системы питания Vicor ственно, можно использовать гораз- имеют модульную конструкцию, ком- до более тонкий и лёгкий кабель, что Модули DCM доступны в исполне- пания FlyFocus может удовлетворить является однозначным преимуществом нии ChiP (преобразователь в корпусе) различные требования быстрее и про- для подобных летательных аппаратов. и исполнении VIA (адаптер Vicor). Кор- ще, чем если бы ей пришлось проек- пус Vicor ChiP имеет отличные тепло- тировать каждую новую реализацию, Во-вторых, компания FlyFocus уста- вые и плотностные характеристи- начиная с уровня компонентов, или новила, что удельная мощность DCM ки, благодаря чему модули DCM ChiP пытаться изменить конструкцию на намного превышает аналогичный предлагают гибкие варианты термо- основе компонентов. показатель любого другого постав- регулирования с очень низким тепло- щика. Благодаря этому преимуществу вым сопротивлением верхней и ниж- Впрочем, технические характери- восемь высокоэффективных модулей ней стороны. Корпус VIA также имеет стики DCM являются не единствен- мощностью 600 Вт можно установить отличный теплоотвод, который упро- ной причиной, по которой компания всего с двумя радиаторами или венти- щает терморегулирование. Корпус не FlyFocus выбрала Vicor и продолжает с ляторами в небольшой отсек под БПЛА, требует установки на печатную пла- ней работать. что позволяет получить общую мощ- ту, хотя в исполнении со штыревыми ность почти 5 кВт для восьми двигате- выводами позволяет сделать это при «Для нас очень важна поддержка, – лей, двух камер и соответствующего необходимости. говорит Джулиан Жеромский, вице- бортового радиоэлектронного обору- президент FlyFocus. – Мы постоянно дования БПЛА (см. рис. 2). Кроме того, модуль DCM VIA обеспе- закупаем различные виды механиче- чивает фильтрацию электромагнитных ских и электронных компонентов для FlyFocus может адаптировать рас- помех, жёсткую стабилизацию выход- сложных, нестандартных проектов, и в пределение этой «компактной мощ- ного напряжения вне зависимости от определённый момент нам обязатель- ности» в соответствии с приоритетами изменений нагрузки и напряжения на но потребуется помощь. На самом деле, и предпочтениями заказчика. Компа- входе. Также на вторичной стороне даже выбрав компонент с самыми при- ния может оптимизировать систему для имеется вспомогательный интерфейс влекательными характеристиками на установки дополнительной полезной управления для подстройки значе- рынке для конкретной задачи, мы не нагрузки, как описано ранее, или же ния напряжения, включения и оцен- спешим покупать его, пока не убедим- для увеличения времени полёта, чему ки напряжения на нагрузке. При этом ся, что качество поддержки соответ- также способствуют уменьшенный вес сохраняются фундаментальные кон- ствует заявленным характеристикам». и объём модулей DCM по сравнению с преобразователями других производи- Поддержка компании Vicor не огра- телей. По оценкам компании, разница ничивается самими преобразователя- веса модулей составляет около 1,3 кг, что даёт дополнительно от трети до половины текущего времени свобод- ного полета БПЛА. Модули также доказали свою надёж- ность. За три года использования DCM компания FlyFocus ни разу не столкну- лась с их неисправностью. Роль модулей DCM Благодаря тому, что удельная мощ- ность достигает 1244 Вт/дюйм3, а так- же номинальной мощности до 1300 Вт при постоянном токе 46,43 А, семейство изолированных регулируемых преоб- разователей постоянного напряжения СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 37
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ FlyFocus продолжает создавать специа- лизированные решения для множества различных областей применения, уде- ляя особое внимание доработке про- дукта по требованиям заказчика. Ком- пания также продолжает разработку продуктов – например, четырёхмо- торной версии CableGuard для сверх- тихого полёта. Рис. 3. Демонстрационный БПЛА использует технологию ZVS Заключение ми. FlyFocus пришлось разработать схе- ся во время соревнований по авиамо- Привязные дроны подходят для му для дополнительной стабилизации делированию. Даже сейчас штат компа- выполнения многих сложных граж- напряжения DCM. Это снижает воспри- нии состоит всего из восьми человек, а данских задач, а также для использова- имчивость преобразователя к высоким остальные привлекаются по мере необ- ния правоохранительными органами, пусковым токам в результате полного ходимости. полицией и пограничной службой. Что- открытия дроссельной заслонки опера- бы сохранять конкурентоспособность, тором или порыва ветра. При разработ- Компания имеет прочные связи со производители должны постоянно уве- ке этой схемы компания FlyFocus поль- многими правоохранительными орга- личивать время полёта и мощность зовалась документацией и знаниями нами и полицейскими подразделения- дронов. Мощность, однако, ограниче- инженеров Vicor. ми специального назначения в Европе. на объёмом доступного пространства в Компания также выполняет специаль- аппарате, требуемого для размещения Использование модулей Vicor также ные проекты военного назначения. систем преобразования электроэнер- косвенно помогает компании FlyFocus В качестве показательного примера гии и охлаждения, а также размером и в продажах и маркетинге. FlyFocus можно привести изготовленный по весом привязного кабеля. создала крошечный демонстрацион- специальным требованиям самолёт с ный БПЛА, который можно безопас- неподвижным крылом, который весил Модули DCM компании Vicor позво- но использовать на выставках, даже в 150 кг и мог пролететь до 500 км и вер- ляют FlyFocus преуспеть на этом кон- помещении. Его вес составляет всего нуться обратно. курентном рынке. Их высокое входное 60 г, а размеры – 10×10 см (см. рис. 3). напряжение постоянного тока позволя- Выход FlyFocus на рынок муль- ет использовать тонкие и лёгкие при- Почему же FlyFocus так активно зани- тироторных БПЛА (или дронов), вязные кабели, а высокие КПД и удель- мается индивидуальными проектами, результатом которого стало создание ная мощность – разместить большое а не только стандартными продукта- CableGuard, произошел по инициа- количество модулей в минимальном ми? Всё дело в истоках. Компания была тиве инвестора. CableGuard стал пер- пространстве. Вес модуля питания све- основана группой друзей, которые вым привязным отсоединяемым дро- дён к минимуму, что увеличивает время любят авиацию и решили объединить- ном для гражданского применения. полёта в свободном режиме. При этом модуль оставляет достаточно места и обеспечивает достаточно мощно- сти для подъёма и питания полезной нагрузки с широкими техническими возможностями. Литература 1. Имперский военный музей. A brief history of drones («Краткая история дронов»). URL: https://www.iwm.org.uk/history/a- brief-history-of-drones. НОВОСТИ МИРА СТАНДАРТЫ СЕТИ 5G страны хотят зарезервировать технологии и В последние месяцы китайцы даже зава- ПОД УГРОЗОЙ? ограничить их совместимость в будущем, что лили документами международные органы, важно для сетей 5G. Эта информация была регулирующие стандарты сетей 5G. По сло- Ведущие службы безопасности США об- освещена в отчёте Агентства национальной вам Nikkei, китайцы пытаются сформировать ращают внимание на 5G. Некоторые стра- безопасности, подготовленном в сотрудни- стандарты беспроводной сети 5G, плодя ор- ны могут влиять на стандарты связи, чтобы честве с агентством кибербезопасности и ганизации, регулирующие тонны докумен- увеличить технологическое преимущество. инфраструктуры США. В отчёте не упоми- тов и предлагающие множество технических Разработчики стандартов 5G очень уязви- нается Китай, но вероятнее всего именно стандартов. Насколько беспристрастны аме- мы для «ненадлежащего влияния» со сторо- Поднебесная является основным объектом, риканцы, остаётся под вопросом. ны отдельных стран. Соединенные Штаты и на который американцы обращают взоры. эксперты из США отмечают, что некоторые hi-tech.news 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Перенос тестовых сценариев между этапами моделирования СБИС «Система-на-кристалле» и этапом функционального контроля Андрей Андрианов ([email protected]) микросхема, модель СБИС, модель IP блока); В статье рассмотрена проблема переноса и запуска программных ● из всех программных тестов была тестовых сценариев, разработанных на этапах моделирования СБИС- и выделена библиотечная часть, ко- ПЛИС-прототипирования на реальную микросхему. Рассматриваются торая может быть использована для особенности последующего использования этих тестов в ходе верификации всех последующих ми- испытаний готовых микросхем, дальнейшей разработки программного кросхем, содержащих этот IP-блок, а обеспечения, а также дальнейшей поддержки в виде набора для также при разработке ПО для данной разработчика (SDK). микросхемы; ● для обеспечения работы неко- Введение часть статьи описывает особенности торых функций (обработки пре- реализации начального загрузчика, рываний и исключений, работы В связи с ростом сложности совре- предоставляющего возможность пакет- с TLB, GPIO, таймерами, реализа- менных СБИС класса «Система на ного запуска тестов, как под управле- ции задержек) были разработаны кристалле» встаёт вопрос сокраще- нием внешней системы контроля, так «легковесные» абстракции, позво- ния временных затрат на всех эта- и без неё. ляющие разрабатывать код, ко- пах проектирования. Одним из таких торый может переноситься меж- этапов является тестирование изго- Обеспечение переносимости ду различными микросхемами и товленной микросхемы. После про- тестовых сценариев между процессорными архитектурами изводства образцы микросхем долж- верификационным окружением путём перекомпиляции, без вне- ны пройти ряд проверок, прежде чем и реальной микросхемой сения каких-либо других изме- могут быть отгружены потребителям. нений (см. рис. 1); Тестовая последовательность может Задача разработки и отладки про- ● для тестирования программных включать в себя проверки, использую- граммных сценариев на модели абстракций и независимых от ап- щие встроенную логику тестирования СБИС обладает особой специфи- паратуры алгоритмов была добав- (DFT) в тестовом режиме и тесты, про- кой. Рабочее окружение характери- лена возможность компиляции на- водимые в функциональном режиме, зуется очень небольшой скоростью бора библиотек и независимых от программные или смешанные тесты, выполнения, которая может варьи- аппаратного обеспечения тестов использующие специализированную роваться в зависимости от особенно- в виде приложений для ПК. В этом аппаратную логику, но запускаемые стей верификационного окружения, случае вместо кода для работы непо- программно, например BISR-тесты вну- используемых версий ПО для моде- средственно с аппаратурой исполь- тренней памяти [1, 2]. лирования, а также размера модели- зуются специальные «заглушки». руемой СБИС. Зачастую в этом случае Этот подход позволяет существен- Основная масса программных отсутствуют полноценные средства но ускорить разработку и тести- тестов – это тесты, предназначенные отладки, что затрудняет проектиро- рование ряда критических компо- для работы без операционной систе- вание и отладку сложных программ- нентов, не взаимодействующих с мы, разработанные и запускавшие- ных абстракций. аппаратурой; ся на этапе моделирования СБИС для ● для динамического управления памя- её верификации. Часть этих прове- При разработке и верификации тью используется специализирован- рок, имитирующих работу микросхе- СБИС 1888ВС048 и 1888ВС058 для обе- ный аллокатор памяти [5], обеспечи- мы в реальных сценариях примене- спечения переносимости верификаци- вающий поддержку нескольких «куч», ния, может быть использована далее онных сценариев и упрощения разра- из которых производится выделение для проверки работоспособности ботки были использованы следующие памяти; микросхемы в различных условиях основные подходы: ● для обеспечения возможности поша- эксплуатации и в качестве примеров, ● набор программных тестов был вы- говой отладки на RTL-модели СБИС демонстрирующих работу с различ- [3] был задействован gdb-сервер ными устройствами СБИС для разра- делен в отдельный подпроект, кото- OpenOCD совместно с разработан- ботчиков. рый допускает сборку и поддержку ным верификационным компо- отдельно от проектов СБИС и в даль- нентом, работающим по протоколу В статье описан опыт обеспечения нейшем может быть передан разра- remote bitbang. переносимости программных тесто- ботчикам для работы с готовой ми- При компиляции пакета тестового вых сценариев между окружени- кросхемой [4]; ПО для системы сборки должны быть ем моделирования СБИС и реальной ● набор программных тестов предус- заданы две входные переменные: микросхемой, который был приме- матривает сборку в нескольких оп- нён при разработке СБИС 1888ТХ018 тимизированных под разные окру- [3], 1888ВС048 и 1888ВС058. Отдельная жения конфигурациях (реальная 40 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ● платформа (микросхема, для которой Тест будет производиться компиляция те- IP-блока стов, ПЛИС-прототип(ы) или ПК); Библиотека для работы с IP-блоком ● тип сборки (сборка для моделирова- ния или сборка для реальной микро- API для работы API для работы API для Реализация ряда функций Библиотека языка С схемы). с прерываниями с таймерами динамического библиотеки языка С для (newlib) На основе анализа их значений про- управления памятью Драйвер Драйвер моделирования изводится выбор набора низкоуровне- подсистемы подсистемы вых драйверов, которые будут включе- прерываний Разметка памяти для Драйвер Драйвер ввода-вывода Драйвер ны в данную сборку. таймеров динамического ввода-вывода для для реальной ввода-вывода для Для повышения производительности моделирования при работе на модели выделения моделирования микросхемы (UART) ПК-сборки СБИС были применены следующие подходы: Рис. 1. Архитектура пакета тестового ПО ● медленные функции стандартной ются упрощённые модели оконечных и т.п, и при этом не зависеть от паке- библиотеки языка С (printf, memcpy, устройств (например, модели SPI Flash, та ПО для моделирования СБИС, кото- memset и т.п.), не генерирующие не- SD-карт и т.п.). Они не обладают пол- рый может отсутствовать у конечных посредственно тестовое воздействие, ной функциональностью или имеют разработчиков решений на базе дан- были заменены реализацией, выпол- иную последовательность инициали- ной микросхемы. Для обеспечения няющей запрошенное действие на зации. регулярного автоматизированного стороне верификационного окру- тестирования проекта и сбора метрик жения при моделировании [6]; Код для работы с такими устрой- о состоянии проекта система сборки ● для разработки и отладки ряда те- ствами разрабатывался и отлажи- и тестирования проекта должна иметь стовых сценариев использовалось вался на ПЛИС-прототипе, после чего интеграцию с современными система- гибридное верификационное окру- проверялся на RTL-модели, и на осно- ми непрерывной интеграции, такими жение [7]; ве этого вносились изменения как в как Jenkins. ● часть тестов разрабатывалась и от- верификационное окружение, так и в лаживалась на ПЛИС-прототипе, сам код для обеспечения его работо- Для решения вышеобозначенных после чего переносилась на модель способности во всех сценариях при- задач был выбран набор инстру- СБИС. Часть тестов разрабатывалась менения. ментов cmake [12, 15], а для запуска с использованием высокоуровневого тестов – ctest. Это позволило обеспе- скриптового языка lua [8, 9, 10]; Роль системы сборки чить унификацию процесса запуска ● активно задействован механизм кон- и тестирования тестов как на модели, так и на готовой трольных точек моделирования (для в обеспечении переносимости микросхеме, а также использовать пакета ПО Cadence Insisive/Xcellium) верификационных сценариев существующие решения для анали- [7, 11]; за результатов автоматизированных ● при сборке модели СБИС исполь- Система сборки играет важную тестовых прогонов: Jenkins xUnit зовалась многопоточная компи- роль в обеспечении переносимо- plugin, Jenkins test results analyzer ляция проекта, а также функцио- сти верификационных сценариев. К plugin, Jenkins code coverage plugin нал MSIE пакета Cadence Incisive/ тому же именно она должна обеспе- и другие. Xcellium [12, 13, 14]. Данный под- чить максимально типовой порядок ход позволяет сократить время работы с проектом во всех окруже- На уровне системы сборки про- на подготовку модели СБИС, раз- ниях. При моделировании СБИС и екта реализован запуск окружения бивая проект на отдельные части, разработке IP-блоков, система сбор- для пошаговой отладки при работе обрабатывающиеся параллельно. ки должна обеспечивать поддержку на модели СБИС [3], дополнитель- Это позволило получить значи- многопоточной компиляции и эла- ные сценарии для сбора покрытия тельное ускорение на начальном борации проекта, а также обеспечи- и профилирования кода [16], под- этапе сборки при полноценном вать поддержку использования MSIE становка соответствующих опций использовании ресурсов современ- для сокращения времени повторной компилятора и вызов соответству- ных многоядерных процессоров. сборки проекта [15]. Так как один и ющих инструментов после окон- В случае изменения исходного кода тот же блок может применяться в раз- чания тестового прогона, а также требуется повторная сборка только личных проектах, то также необхо- сборка документации при помощи той части, куда было внесено изме- дима поддержка разбиения большо- системы документирования исход- нение, что позволяет дополнитель- го проекта на подпроекты на уровне ного кода doxygen. но сократить время инкременталь- системы сборки. Дополнительно сни- ных сборок проекта. зить время повторных сборок проек- ПО начальной загрузки СБИС Для некоторых блоков последова- та позволяет использование системы 1888ВС048 и 1888ВС058 тельность инициализации при работе кэширования результатов компиля- на модели СБИС и реальной микросхе- ции (ccache). ПО начальной загрузки СБИС (ROM- ме различается (например, PCI Express, загрузчик) – ещё один важный компо- DDR-память и т.п.). Для проверки рабо- При работе с итоговой микросхе- нент, которому уделяется неоправдан- тоспособности ряда блоков использу- мой система сборки должна поддер- но мало внимания в публикациях. ПО живать интеграцию с современными начальной загрузки СБИС 1888ВС048 интегрированными средами разра- и 1888ВС058 может не только обеспе- ботки, такими как Eclipse, Code::Blocks чивать начальную инициализацию, СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 41
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 2. Алгоритм работы ROM-загрузчика ● при сбросе микросхемы начинает ра- spl – несколько десятков килобайт, в ботать встроенный ROM-загрузчик. зависимости от объёма кода; загрузку, проверку целостности и Он определяет внешнее устройство, ● загрузчик операционной системы выполнение пользовательского кода с которого будет производиться за- u-boot производит чтение сжатого на микросхеме, но и упрощает диа- грузка, на основе внутренней логики образа ядра операционной систе- гностику ошибок на этапе загрузки и или на основании состояния внеш- мы из файловой системы во внеш- в разрабатываемом пользователями них выводов, производит копирова- ней ПЗУ, производит проверку це- коде. Дополнительно ROM-загрузчик ние образа загружаемой программы лостности и передаёт управление в обеспечивает разработчиков решени- во внутреннюю SRAM-память и про- ядро операционной системы. В слу- ем для внутрисхемного программи- верку её целостности, после чего пе- чае использования OS Linux, поми- рования внешней (по отношению к редаёт управление на точку входа; мо ядра необходим также скомпили- микросхеме) памяти, предоставляет рованный файл описания устройств программный интерфейс для пользо- ● загруженная программа может яв- (Device Tree Blob), который также вательских программ, что позволяет ляться сама по себе простой програм- загружается в динамическую па- сократить объём необходимой встро- мой, использующей данную микро- мять прежде, чем управление пе- енной SRAM-памяти микросхемы. схему (например, тесты), или частью редаётся в код ядра. Также может В ROM-загрузчик 1888ВС048 вклю- загрузчика операционной системы, присутствовать файл initrd (initial чена также процедура самотестиро- например u-boot spl. В этом случае ramdisk), содержащий временную вания и обеспечен интерфейс взаи- задача данной программы – инициа- корневую файловую систему, кото- модействия с внешней системой для лизировать внешнюю динамическую рая используется до момента мон- пакетного запуска тестовых сцена- память, установленную на плате, по- тирования основной корневой фай- риев. сле чего загрузить туда из внешней ловой системы; ПЗУ образ u-boot и передать управле- ● ядро операционной системы про- Процесс загрузки СБИС 1888ВС048 ние на точку входа. Типичный размер изводит инициализацию оборудо- и 1888ВС058 происходит в несколь- вания и монтирует корневую фай- ко этапов: ловую систему. Основная масса тестов компилирует- 42 ся в виде вторичного загрузчика, кото- рый загружается при помощи встро- енного ROM-загрузчика. Схематично алгоритм работы ROM-загрузчика пред- ставлен на рисунке 2. Диагностический вывод. Стандарт- ным средством отладки для большин- ства СБИС является интерфейс асин- хронного приёмника-передатчика (UART). Наиболее широко применяе- мые во встраиваемых решениях загруз- чики операционной системы, такие как u-boot, barebox и redboot, ориентирова- ны на использование терминала, под- ключённого через интерфейс асин- хронного приёмника-передатчика как основного интерфейса взаимодействия с пользователем. Ядро операционной системы Linux при работе во встраива- емых системах аналогичным образом чаще всего использует последователь- ный порт для отображения отладоч- ных сообщений и дальнейшего входа в систему. Подробная диагностика на ранних этапах работы ROM-загрузчика может серьёзно облегчить выявление про- блем с загрузкой. Дополнительно ROM- загрузчик может устанавливать в самом начале своей работы обработчики век- торов исключений процессора. Таким образом, если произойдёт исключение в пользовательской программе, можно предоставить пользователю подробную информацию об ошибке, вплоть до WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ программной трассировки стека вызо- Рис. 3. Пример отладочного вывода ROM-загрузчика в последовательный порт вов, которые привели к этой ошибке. Пример вывода загрузчика 1888ВС048 необходимой является информация о загружать их последовательно из в последовательный порт представлен том, с какого устройства была произве- внешней памяти. Количество тестов на рисунке 3. дена загрузка, а также набор функций в такой цепочке ограничено толь- для чтения дополнительных данных ко объёмом подключенной внешней Проверка целостности и совмести- (например, u-boot) с этого устройства, памяти. Дополнительно это позволя- мости загружаемого кода. Образ вто- которое выполняется кодом, находя- ет разделять готовую прошивку платы ричного загрузчика содержит заго- щимся в ROM. на несколько независимых компонен- ловок, в котором указана служебная тов для удобства разработки и отладки. информация о загружаемой програм- Для обеспечения этого взаимодей- Например, первый образ вторичного ме: порядок байт, адрес точки входа, ствия ROM-загрузчик использует для загрузчика инициализирует динамиче- размер, идентификационный номер хранения переменных только область скую память, которая установлена на микросхемы, для которой скомпили- стека, а при компиляции генерирует- плате и может отличаться от платы к рована программа, и контрольные сум- ся специальный заголовочный файл, плате, и записывает уникальный MAC- мы CRC32 для заголовка и данных. Это включение которого в пользователь- адрес в регистры Ethernet контрол- позволяет гарантировать, что загру- скую программу позволяет вызывать лера. Следующий за ним вторичный жаемый код не содержит ошибок, а имеющиеся в масочном ПЗУ функции. загрузчик является spl-компонентом также предназначается именно для загрузчика u-boot, который в этом слу- этой микросхемы. В заголовке также Поддержка объединения тестов в чае не содержит кода инициализации зарезервировано место, куда ROM- цепочки. Этот режим позволяет запи- динамической памяти и может являть- загрузчик поместит указатель на струк- сать несколько образов вторичного ся общим для всех плат на базе этой туру, содержащую информацию о том, загрузчика во внешнюю флеш-память и микросхемы. с какого устройства была произведе- выполнять последовательно без сброса. на загрузка. После выполнения загруженной про- Этот сценарий отлично подходит граммы из цепочки, происходит воз- для верификации уже изготовленных Инструменты для аварийной загруз- врат в ROM-загрузчик. В зависимости от микросхем при испытаниях. ки. В случае, если загрузиться не уда- кода возврата будет выполнен переход лось ни с одного устройства, или необ- в хост-режим загрузки, попытка загру- Заключение ходимо произвести обновление ПО, зиться с другого источника, или будет записанного во внешнее ПЗУ, в ROM- считан следующий образ вторично- Описанный выше подход оправ- загрузчике предусмотрен аварийный го загрузчика из той внешней памяти, дал себя при разработке и верифика- (хост) режим. Этот режим позволя- откуда была произведена загрузка. ции СБИС 1888ТХ018, 1888ВС048 и ет передать образ вторичного загруз- 1888ВС058, так как позволил сформи- чика, используя внешний интерфейс. Такой подход позволяет записать ровать к моменту прихода микросхемы Для СБИС 1888ВС048 и 1888ВС058 этим набор существующих тестов без руч- предварительную версию набора раз- интерфейсом является UART, который ного объединения их в один тест и используется также для отладочного вывода. Для 1888ВС058 этим каналом дополнительно может быть интерфейс EMI или канал Ethernet (EDCL). Для передачи бинарных данных по каналу UART используется протокол xmodem. Наличие этого режима позволяет загру- зить вторичный загрузчик, реализую- щий процесс программирования внеш- ней ПЗУ. Данный режим также позволяет про- изводить автоматизированное тестиро- вание на платах, при условии наличия программируемого источника питания (APC) или при наличии на отладочной плате схемы управления питанием. Этот сценарий загрузки используется при проведении автоматизированного тестирования на реальной микросхеме. ROM API для вторичного загрузчи- ка. Вторичный загрузчик (spl) может получать от ROM-загрузчика информа- цию о том, какие компоненты процеду- ры самотестирования завершились на данной микросхеме с ошибкой, инфор- мацию о версии микросхемы и версии ROM-загрузчика. Наиболее полезной и СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 43
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ работчика, а также обеспечил повтор- различными верификационными окру- 10. Андрианов А.В. Использование скриптово- ное использование кода при разработ- жениями. Сборник трудов конференции ке и поддержке нескольких проектов. МЭС-2018, т. 2 С. 79-84. го языка lua при ПЛИС-прототипировании Дополнительным преимуществом ста- 5. Андрианов А.В., Мушкаев С.В. Гибри- ло создание единого инструментария дый метод аллокации массивов памяти аппаратных блоков при работе без опе- для отладки и начального программи- в аппаратных платформах с разветвлен- рования ПЗУ, что позволяет инженерам ной структурой памяти на базе процес- рационной системы. Труды XIV Росиий- работать с целым рядом микросхем. сора NeuroMatrix® DSP, Сборник трудов конференции МЭС-2016, т. 2 С. 233-236. ской научно-технической конференции Литература 6. Андрианов А.В. Практические способы оптимизации процесса регрессионного “Новые иинформационные технологии 1. Щигорев Л.А. Организация саморемонта тестирования СБИС СнК. Сборник тру- блоков статической оперативной памя- дов 4-й международной конференции в устройствах связи и управления”, 2015, ти с резервными элементами// Пробле- “Микроэлектроника – 2018”. мы разработки перспективных микро- 7. Андрианов А.В., Шагурин И.И. Мето- С. 268-269. и наноэлектронных систем-2016 Сб. дика гибридной верификации СБИС трудов / под общ. ред. академика РАН “Система-на-Кристалле. «Датчики и 11. Андрианов А.В. Использование семей- А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2016. системы». 2018 г., № 2, С. 14-18. Часть III. С. 178-185. 8. Андрианов А.В. Верификция IP-блоков ства инструментов CMake для модели- RTL-модели и ПЛИС-прототипе при 2. Щигорев Л.А. Применение шины диагно- помощи высокоуровневого языка lua. рования проектов сложных СБИС в сре- стики в задаче саморемонта блоков ста- Тезисы докладов международной науч- тической оперативной памяти // Нано- но-технической конференции “Электро- де Cadence Inсisive. Труды НИИСИ РАН, и микросистемная техника. 2018, Т. 20, ника – 2015”, С. 102-103 № 2. С. 98-106. 9. Андрианов А.В. Протоипирование кода т. 7, № 4, 2017. драйверов OS Linux в пространстве поль- 3. Андрианов А.В. Реализация возможности зователя с использованием языка высо- 12. Cadence Incisive Enterprise Simulator пошаговой отладки при отладке тесто- кого уровня lua. Сборник трудов конфе- вых сценариев на модели СБИС СнК. Тру- ренции МЭС-2014, т. 2 С. 25-28. Refererence Manual, Cadence 2015. ды НИИСИ РАН, т. 8, № 3, 2018, С. 56-60. 13. Reducing Snapshot Creation Turnaround 4. Андрианов А.В. Методы обеспечения переносмости тестовых сценариев между for UVM/SV Based TB Using MSIE Approach, Cadence User Conference 2015, https:// www.cadence.com/downloads/cdnlive/ in/2015/VER2.pdf. 14. СMake: The Cross Platform Build System, Tanner Lovelace, Linux Magazine, Июль 2006 http://clubjuggler.livejournal. com/138364.html. 15. Андрианов А.В. Измерение покрытия кода при работе без операционной системы встроенными средствами компилято- ра gcc. Сборник докладов конференции DSPA-2018, т. 2. С. 657-661. Реклама 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
Реклама
ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Элементный анализ планарных наноструктур на базе рентгеновской эмиссии, индуцированной высокоэнергетическим возбуждением Евгений Егоров ([email protected]), ся лишь для тонких поверхностных Владимир Егоров ([email protected]), слоёв изучаемых объектов. На глубине Алексей Галицын ([email protected]) порядка 100 нм разрешение ухудшает- ся приблизительно вдвое, а на глубине В работе дана краткая сравнительная характеристика порядка 1 мкм эти методы позволяют высокоэнергетических методов возбуждения характеристической получать лишь качественные оценки. рентгеновской эмиссии, основанных на применении пучков Кроме того, РОР-измерения характе- жёсткого рентгеновского излучения, потоков ионов высоких энергий ризуются весьма скромными преде- и электронного микрозондирования материалов, ориентированная лами обнаружения, обычно составля- на элементный анализ планарных наноструктур. Описаны возможности ющими 0,1% ат. В какой-то мере этот такого анализа поверхности материалов. В частности, описан недостаток компенсируется парал- метод рентгено-флюоресцетного анализа, выполняемый в условиях лельным применением метода про- полного внешнего отражения потока жёсткого рентгеновского тон-индуцированной рентгеновской излучения от изучаемой поверхности (РФА ПВО), недеструктивный эмиссии (PIXE) [9], чаще именуемой диагностический метод, не требующий для своего применения методом рентгено-флюоресцентно- вакуумирования, позволяющий эффективно определять усреднённый го анализа при ионном возбуждении. состав поверхностного слоя материала толщиной 8-10 нм. Приведены PIXE-спектрометрия действительно экспериментальные данные, подтверждающие эффективность является весьма эффективным мето- представленных методов для элементной диагностики планарных дом анализа содержания элементов в наноструктур. материальных объектах, однако его результаты характеризуют элемент- Введение применением технологии послойного ный состав, усреднённый по толщи- стравливания материала [2-5]. Подоб- не слоя поверхности мишени, соот- Современная электроника ориен- ный подход имеет свои ограничения, ветствующей глубине проникновения тирована на использование возмож- связанные с возможностью перемеши- ионного пучка. Более того, этот метод ностей многослойных планарных вания слоёв, приводящие к искажению подвержен влиянию матричного наноструктур [1]. Такие структуры фор- регистрируемого концентрационно- эффекта [10,11]. мируются последовательным нане- го профиля по толщине планарных сением на выбранную подложку многослойных объектов. Методы пла- Элементный анализ слоёв, выполня- планарных слоёв необходимой тол- нарной диагностики, лишённые ука- емый после каждой технологической щины и состава и, при необходимо- занного недостатка, основаны на ион- операции, также не может считать- сти, их дальнейшей диффузионной но-пучковой диагностике материалов ся исчерпывающим. С одной сторо- или термо-имплантационной обра- [6, 7]. Данные методы, среди которых ны, выбираемый диагностический боткой. При этом важнейшей ана- наиболее часто применяемым явля- метод должен коррелировать с тол- литической характеристикой полу- ется спектрометрия обратного резер- щиной наносимого слоя, а с другой – ченной планарной наноструктуры фордовского рассеяния (РОР) ионов его применение не должно вносить является её элементная концентраци- средних энергий на поверхности изу- деструкции в исследуемую структуру. онная диагностика. Такая диагностика чаемых образцов [8], позволяют полу- Принципиально то, что такие измере- может выполняться как для конечно- чать элементные концентрационные ния могут выполняться на базе РОР- го планарного продукта, так и мето- профили по толщине анализируемого спектрометрии. Однако подобные дом последовательного применения материала без повреждения его струк- измерения проводятся довольно редко средств аналитического тестирования туры. Однако эти методы не являют- вследствие относительно высокой сто- после выполнения каждой технологи- ся абсолютной экспериментальной имости и сложности выполнения тех- ческой операции. На первый взгляд, панацеей для решения элементной нолого-аналитических процедур. В то аналитические исследования конечно- концентрационной диагностики пла- же время в аналитическом арсенале го продукта представляются более под- нарных материальных структур. Хотя имеется недорогой, недеструктивный ходящей процедурой. Однако такие возможности РОР-измерений и неко- диагностический метод, не требую- исследования должны обеспечивать- торых резонансных ядерных реакций щий для своего применения вакууми- ся высокоразрешающими возможно- характеризуются разрешением по глу- рования, который позволяет эффек- стями определения элементного кон- бине в условиях стандартной экспе- тивно определять усреднённый состав центрационного профиля по всей риментальной геометрии на уровне поверхностного слоя материала толщи- толщине изучаемого объекта. Прин- 10 нм (в специальной геометрии – до ной 8-10 нм. Это рентгено-флюоресцет- ципиально такие возможности предо- 2 нм), такие параметры достигают- ставляет Оже- и масс-спектрометрия с 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ный анализ, выполняемый в условиях Флюоресцентный выход (имп⋅10–2) полного внешнего отражения потока жёсткого рентгеновского излучения от изучаемой поверхности (РФА ПВО) [12, 13]. Использование данного мето- да представляется весьма полезным для развития послойной элементной диа- гностики, выполняемой после каждой технологической операции изготовле- ния многослойных структур планарной электроники. Рентгено-флюоресцентный Рис. 1. Спектры рентгено-флюоресценции планарной структуры Au(9 нм)/Si, полученные анализ при полном внешнем в условиях ПВО (а) и стандартной геометрической схемы измерений (б), зарегистрированные отражении с использованием источника излучения БСВ-27 (Мо) в режиме U=25 кэВ, I=10 мА. Энергетическая цена канала 20 эВ/канал. Для справки: на врезке показан РОР-спектр Идея разработки РФА ПВО- исследованной структуры спектрометрии родилась в процессе исследований возможности сниже- же представлен спектр, полученный ет его наличие. Несмотря на то что ния объёма исследуемого материа- посредством исследований структу- содержание атомов галлия и мышья- ла, отвечающего за формирование ры РОР-методом. ка в изучаемом соединении одинако- выхода характеристической флю- во и значения сечения возбуждения оресценции элементов, составляю- Важным аспектом интерпретации линий GaKαβ и AsKαβ потоком молиб- щих этот материал, путём снижения данных, полученных в условиях пол- денового излучения совпадают, в спек- угла падения потока возбуждения ного внешнего отражения потока воз- тре выхода рентгено-флюоресценции, жёсткой характеристической рент- буждения, является практически пол- возбуждённом в инверсной геометрии, геновской радиации [14]. Выполнен- ное отсутствие взаимного влияния интенсивность этих линий значитель- ные измерения продемонстрирова- линий возбуждаемой рентгено-флю- но отличается. В данном случае наблю- ли, что в условиях полного внешнего оресценции. На рисунке 2 показаны дается перевозбуждение линий GaKαβ отражения (ПВО) выход рентгенов- спектры РФА ПВО, полученные для (EKα=10,543 кэВ, ЕКβ=10,263 кэВ, край ской флюоресценции формирует- монокристаллической структуры GaAs поглощения Еab=10,368 кэВ) линиями ся поверхностным слоем изучаемо- в условиях полного внешнего отраже- AsKαβ (ЕKα=10,543 кэВ, ЕКβ=11,725 кэВ). го объекта толщиной порядка 10 нм. ния и в инверсной геометрии изме- В то же время в условиях ПВО потока Дальнейшие исследования показали, рений, в которой поток возбуждения возбуждения (см. рис. 2а) интенсив- что снижение объёма материала, фор- падает перпендикулярно к изучаемой ности линий выхода рентгено-флюо- мирующего выход характеристиче- поверхности, а выход рентгено-флюо- ресценции атомов галлия и мышьяка ской рентгено-флюоресценции, при- ресценции из тонкого поверхностно- совпадают. Именно отсутствие влия- водит к резкому уменьшению вклада го слоя формируется за счёт образова- ния матричного фактора для РФА ПВО- фоновой составляющей в регистри- ния волноводно-резонансного канала измерений в стандартных условиях руемый спектр. Это, в свою очередь, между поверхностями изучаемого объ- позволяет использовать полученные повысило контрастность измерений екта и полированного бериллиевого данные для прямого количественного и способствовало снижению преде- диска, расположенного над поверх- определения содержания элементов в лов обнаружения примесей прибли- ностью этого объекта на расстоянии материале [16]. зительно на два порядка в сравнении с 150 нм [15]. В условиях ПВО возбуж- рентгено-флюоресцентными измере- дается лишь тонкий поверхностный На рисунке 3 представлено схемати- ниями, выполняемыми в стандартных слой, в то время как в инверсной гео- ческое устройство РФА ПВО спектро- условиях [12]. Стандартные условия метрии рентгено-флюоресценция воз- метра. Его принципиальным отличием выполнения РФА измерений пред- буждается в поверхностном слое мате- от стандартной РФА-установки являет- полагают падение потока возбужде- риала, толщина которого определяется ся наличие манипулятора положения ния на исследуемый объект под углом глубиной проникновения в материал исследуемого образца относитель- 45° к его поверхности и отбор выхода используемого жёсткого рентгенов- но узкого малорасходящегося потока рентгено-флюоресценции также под ского излучения. В результате этого возбуждения, призванного обеспечить углом 45°. Существенное повышение инверсный метод получения РФА ПВО углы падения этого потока на изучае- эффективности элементного анали- информации оказывается не лишён- мую поверхность на уровне порядка за тонкого поверхностного слоя мате- ным влияния матричного эффекта. 0,1°. Формирователь потока возбуж- риальных объектов с использовани- Рисунок 2б отчётливо демонстриру- дения создаёт на выходе нитевидный ем РФА ПВО-спектрометрии наглядно демонстрирует рисунок 1. На рисун- ке показаны спектры выхода рентге- но-флюоресценции для плёночной структуры Au(9 нм)/Si, полученные в стандартных условиях и в геометрии ПВО потока возбуждения МоКα. Там СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021 WWW.SOEL.RU 47
ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Выход рентгеновской флюоресценции (имп) ности (L/2=λ02/2Δλ) транспортируемого Выход рентгеновской флюоресценции (имп) им рентгеновского излучения. В случае применения молибденового источника Рис. 2. РФА ПВО-спектры, полученные для образца стехиометрического монокристалла GaAs излучения значение половины длины в условиях ПВО потока возбуждения (а) и с использованием инверсной геометрии инициирования когерентности составляет 80 нм. При- выхода рентгено-флюоресценции поверхностного слоя изучаемого объекта [15] (б) менение рентгеновских волноводно- резонансных устройств в качестве фор- Выход мирователя потока возбуждения РФА рентгеновской ПВО спектрометров позволяет на два флюоресценции порядка снизить пределы обнаруже- ния примесей, а применение моди- Рис. 3. Схема РФА ПВО-спектрометра, реализующая регистрацию выхода рентгено- фицированных условий измерений с флюоресценции в условиях полного внешнего отражения потока возбуждения использованием ПРВР специальных конструкций позволяет достичь пре- поток минимально возможной шири- явилось создание плоских рентгенов- делов обнаружения для примесных ны и угловой расходимости. Поскольку ских волноводов-резонаторов (ПРВР), атомов группы железа около 1 bbm РФА ПВО-спектрометрия ориентирова- способных даже в случае использова- (10-7% ат.) [18]. В то же время, при всей на на возбуждение рентгено-флюорес- ния простейших конструкционных привлекательности возможностей ценции в тонком приповерхностном решений увеличить радиационную РФА ПВО-спектрометрии, она облада- слое исследуемого объекта, её крити- плотность в формируемом потоке, ет существенным недостатком, связан- ческим параметром, определяющим которая на три-четыре порядка превы- ным с низким сечением возбуждения эффективность измерений, является шает этот параметр в потоках, форми- низкоэнергетических характеристи- радиационная плотность потока воз- руемых системой обрезающих щелей ческих линий (Е < 2 кэВ). Для возбуж- буждения. Повышение его радиаци- [17]. Схема волноводно-резонансного дения линий этого энергетическо- онной плотности может быть достиг- формирователя потока возбуждения го интервала весьма эффективными нуто либо тривиальным увеличением представлена на рисунке 4. являются ионные и электронные пуч- мощности источника рентгеновского ки. На рисунке 5 представлены зави- излучения вплоть до использования ПРВР простейшей конструкции обра- симости сечения возбуждения рентге- синхротронов, либо разработкой кон- зован двумя плоскими полированны- новской флюоресценции К и L линий центраторов радиационных потоков. ми кварцевыми пластинами, разде- различных элементов потоками МоКαβ Одним из наиболее удачных разрабо- лёнными воздушным протяжённым и AgKαβ, сформированными ПРВР, ток формирователей подобного рода зазором, ширина которого не может энергетические зависимости этих сече- превышать половины длины когерент- ний для линий элементов Кα от энер- гии пучка протонов [19] и аналогичные зависимости для потоков электронов с энергиями 10, 15 и 20 кэВ [20]. Зависи- мости представлены в относительных единицах в логарифмическом масшта- бе. Сравнение представленных зависи- мостей показывает, что использование ионных и электронных пучков оказы- вается намного эффективнее рентге- новского возбуждения характеристиче- ских рентгено-флюоресцентных линий в энергетическом интервале Е < 2 кэВ. Особенности возбуждения рентгеновской эмиссии потоками заряженных частиц Возбуждение характеристической рентгеновской эмиссии пучками заря- жённых частиц возникает за счёт иони- зации электронных оболочек атомов меняющимся во времени электриче- ским полем, инициируемым этими пролетающими частицами. Вариация поля вблизи атома имеет место при прохождении как потоков электро- нов, так и ионных пучков. При этом изменение величины поля определя- ется скоростью прохождения потоков. Поскольку протоны и электроны имеют 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2021
Search
