Современная электроника 06-2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ аб в честву ведомых устройств. Ведомое устройство получит данные только в Рис. 2. Раздел: Memory Cards библиотеки Memory ICs (а), AVR Family библиотеки Microprocessor ICs (б), том случае, если оно было выбрано Alphanumeric LCDs библиотеки Optoelectronics (в) (адресовано) ведущим, то есть если на его выводе присутствует низкий В Proteus внешний накопитель пред- Family» библиотеки «Microprocessor уровень. Передача данных осущест- ставлен картой формата ММС, которая ICs» (см. рис. 2б). вляется посредством линий MOSI находится в разделе «Memory Cards» и MISO. Процессом передачи дан- библиотеки «Memory ICs» (см. рис. 2а). При обмене данными по интерфейсу ных управляет ведущее устройство Выводы карты ММС имеют следующее SPI микроконтроллер AVR может рабо- (Master), формируя тактовые импуль- назначение: CS – выбор карты, DI – вход тать как ведущий (режим Master) либо сы через линию SCK. Вывод SCK веду- данных для записи в карту, DO – выход как ведомый (режим Slave). Связь между щего микроконтроллера является данных для чтения из карты, CLK – син- устройствами осуществляется с помо- выходом тактового сигнала. Одно- хроимпульсы шины SPI. щью следующих линий портов ввода/ временно с передачей данных от вывода общего назначения микрокон- ведущего к ведомому устройству Рассмотрим работу с картой памяти троллера: происходит приём данных ведущим на примере её подключения к 8-бит- ● MOSI – выход данных для ведуще- устройством от ведомого по кольцу. ному микроконтроллеру ATmega32, Таким образом, за один полный цикл который имеет следующие аппарат- го или вход данных для ведомого сдвига всех разрядов регистра про- ные характеристики: Flash-память про- устройства; исходит обмен данными между дву- грамм объёмом 32 Кбайт, ОЗУ объё- ● MISO – вход данных для ведущего или мя устройствами. мом 2 Кбайт, EEPROM-память данных выход данных для ведомого устрой- объёмом 1 Кбайт, количество кон- ства; Выбор компонентов из базы дан- тактов ввода/вывода – 32, тактовая ● SCK – сигнал общей синхронизации ных для последующего их разме- частота 0–16 МГц, два 8-битных (Т0, интерфейса; щения в рабочей области програм- Т2) и один 16-битный таймер/счёт- ● SS – выбор ведомого устройства. мы выполняют в окне «Pick Devices», чик, интерфейсные модули USART, Ведущее устройство формирует которое открывают командой кон- SPI, TWI, 8-канальный 10-битный АЦП, один или несколько сигналов SS (slave текстного меню Place/Component/ интерфейс JTAG. В Proteus микросхе- select) для выбора ведомых устройств. From Libraries или нажатием кноп- ма ATmega32 находится в разделе «AVR При этом количество формируе- ки P на панели «DEVICES» (по умол- мых сигналов соответствует коли- чанию панель расположена в левой части программы и содержит список имеющихся в проекте компонентов). Открывают панель «DEVICES» нажа- тием кнопки «Component Mode» на левой панели инструментов редак- тора ISIS. Для добавления микросхемы микро- контроллера в рабочее поле проекта в левой верхней части окна «Pick Devices» в поле «Category» щелчком левой кноп- ки мыши выбирают из списка библи- отеку «Microprocessor ICs». Пакет «Microprocessor ICs» позволяет вклю- чать в эмуляцию смешанной схемы СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 49

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 4. Панель TERMINALS Рис. 3. Сопряжение микроконтроллера ATmega32 с картой памяти и устройствами вывода ботчиком произвольно. В окне свойств информации в рабочей области редактора ISIS программы Proteus дисплея (окно открывают двойным щелчком левой кнопки мыши после его определённые микроконтроллеры с Микросхема LM044L может работать выделения на схеме) в поле «Advanced возможностью написания и отлад- в двух режимах: Properties» из выпадающего списка ки программного кода. В поле «Sub- ● 8-разрядном (для обмена информа- выбирают пункт «Clock Frequency» (так- category» таким же способом задают товая частота) (см. рис. 5а), значение семейство микроконтроллеров выбран- цией используются выводы D0…D7); которой должно совпадать с частотой ной библиотеки (в нашем примере AVR ● 4-разрядном (для обмена информа- работы микроконтроллера (в нашем Family). Все компоненты семейства примере 2 МГц). отображаются в поле «Results». В поле цией используются выводы D4…D7). «Manufacturer» выбирают производи- В представленном примере вывод Выводы CS, DI, DO, CLK карты памя- теля микроконтроллера. Если произ- данных на экран дисплея разрешени- ти подсоединим к выводам PB4…PB7 водитель не имеет значения – указы- ем 20 символов на 4 строки выполнен микроконтроллера так, как показано вают значение «All Manufacturers». Для в 4-разрядном режиме. на рис. 3. Для работы с картой в окне её размещения микроконтроллера на Для подключения микросхемы свойств (окно открывают путём выде- схеме нажимают на кнопку ОК, после LM044L к схеме управления использу- ления левой кнопкой мыши карты на чего окно «Pick Devices» будет закры- ется параллельная синхронная шина схеме, вызова правой кнопкой мыши то, а символ компонента прикреплён к данных/команд (D0…D7), вывод выбора контекстного меню и выбора в нём курсору мыши, при помощи которого операции чтения/записи (RW), вывод команды «Edit Properties») указывают его помещают в нужное место на схеме выбора регистра данных/команд (RS) следующие параметры (см. рис. 5б): щелчком левой кнопки мыши. и вывод синхронизации (Е). Подсоеди- ● Size of media (MB) – объём данных; ним выводы модуля дисплея D4…D7 к ● Card Image File – путь к файлу обра- Аналогичным образом добавим в выводам PC4…PC7, а выводы RS, RW и E рабочее поле проекта карту памяти к выводам PC0…PC2 микроконтролле- за карты; ММС и микросхему буквенно-цифро- ра ATmega32 так, как показано на рис. 3. ● Require SPI init sequence – необхо- вого дисплея LM044L, которая находит- Выводы Vss и Vdd подключим к «зем- ся в разделе «Alphanumeric LCDs» библи- ле» и напряжению +5 В соответствен- димость инициализации SPI интер- отеки «Optoelectronics» (см. рис. 2в). но. На вывод Vee подаётся напряжение фейса. контрастности (от 0 до +5В). На прак- Если образ находится в одном катало- Микросхема LM044L имеет 14 контак- тике этот вывод подключают к пита- ге со схемным проектом Proteus, то ука- тов [3], назначение которых следующее: нию через подстроечный резистор, зывают только его имя с расширением ● Vss – GND; который позволяет плавно регулиро- .mmc. На схеме подключение карты в ● Vdd – напряжение питания +5 В; вать контрастность отображения сим- слот выполняют щелчком левой кноп- ● Vee – напряжение регулировки кон- волов на дисплее. ки мыши по её компоненту. Символы «земли» и питания добав- В окне свойств микроконтроллера трастности от 0 до +5 В (настройка ляют в схему, выбрав на пане- (окно открывают двойным щелчком контрастности отображаемых на дис- ли «TERMINALS» (см. рис. 4) строки левой кнопки мыши после его выде- плее символов); «GROUND» и «POWER». Панель открыва- ления на схеме) указывают путь к hex- ● RS – выбор регистра данных DR ют нажатием кнопки «Terminals Mode» файлу на диске компьютера (поле (RS - 1) или команд IR (RS – 0); на левой панели редактора ISIS. «Program File») и значение частоты ● RW – выбор операции чтения Выбор линий портов микроконтрол- (поле «CKSEL Fuses») – в нашем приме- (RW = 1) или записи (RW = 0); лера для подключения к указанным ре 2 МГц (см. рис. 5в). ● E – линия синхронизации; выводам дисплея выполняется разра- Виртуальный терминал в рабо- ● D0…D7 – шина данных/команд. чее поле проекта добавляют выбо- ром левой кнопкой мыши на пане- ли «INSTRUMENTS» (см. рис. 6) строки с названием «VIRTUAL TERMINAL». 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ аб в Рис. 6. Выбор виртуального терминала на панели INSTRUMENTS программы Proteus Рис. 5. Окно свойств: микросхемы LM044L (а), карты памяти (б), микроконтроллера ATmega32 (в) Панель «INSTRUMENTS» открывают шрифт. Чтобы установить шрифт с условии отсутствия в коде ошибок) кнопкой «Instruments Mode» левой поддержкой кириллицы (см. рис. 7), на диске компьютера будет получен панели редактора ISIS. Передачу дан- запускают симуляцию схемы, щелч- hex-файл, путь к которому указыва- ных на экран терминала выполняют ком правой кнопки мыши в области ют в окне свойств микроконтролле- по интерфейсу USART. Выводы микро- открывшегося окна терминала вызы- ра в Proteus. контроллера, используемые моду- вают контекстное меню и выбира- лем USART, являются линиями ввода/ ют в нём пункт «Set Font», В результа- Завершающим этапом работы в вывода общего назначения. В микро- те откроется окно настройки шрифта, Proteus является запуск процесса контроллере ATmega32 модулем USART где задают шрифт (поле «Шрифт») – моделирования схемы в редакторе используются линии PD0 (RXD) – вход в нашем примере Courier New, стиль ISIS, который выполняют кнопкой USART, PD1 (TXD) – выход USART, PB0 шрифта (поле «Начертание»), размер «Run the simulation», расположенной (XCK) – вход/выход внешнего такто- шрифта (поле «Размер») и нажимают в левом нижнем углу окна редакто- вого сигнала USART. В нашем примере кнопку ОК. ра или командой основного меню подсоединим вывод TXD микрокон- «Debug/Run Simulation». Времен- троллера к выводу RXD виртуально- После создания схемы, подклю- ную приостановку процесса симу- го терминала для передачи данных на чения всех приборов и настройки ляции выполняют кнопкой «Pause его экран. их параметров переходят к следу- the simulation, or start up at time 0 if ющему этапу разработки – написа- stopped» (кнопка находится в левом По умолчанию в редакторе ISIS для нию программного кода управле- нижнем углу окна редактора). Оста- отображения текста на экране терми- ния устройством в CodeVisionAVR. навливают моделирование кнопкой нала установлен западноевропейский В результате его компиляции (при «Stop the simulation». СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 51

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а б Рис. 7. Установка шрифта с поддержкой кириллицы: выбор команды Set Font в контекстном меню, открытом из области окна терминала (а), окно настройки шрифта (б) дания можно воспользоваться про- граммой WinImage (в нашем при- мере версия 9.0), в составе которой имеются средства создания, чте- ния и редактирования образа диска (точной копии физического диска или его раздела, которая сохраня- ет его структуру) и файловой систе- мы. С помощью WinImage можно просматривать содержание обра- за, извлекать необходимые файлы и добавлять новые. После запуска про- граммы в основном меню «Файл» ука- зывают пункт «Создать» (см. рис. 8а). В открывшемся окне «Выбор форма- а та» в поле «Импортирование» уста- навливают переключатель в позицию «Заказной формат образа» (см. рис. 8б) б и нажимают кнопку ОК. Для работы с носителем информации в опера- ционной системе (создания, чтения, редактирования файлов) его нуж- но отформатировать с учётом опре- делённой файловой системы. С этой целью в следующем окне «Установка размера образа FAT» (см. рис. 8в) ука- зывают файловую систему (поле «Фай- г ловая система») – в нашем примере это значение FAT 12/16, количество секторов на кластер (поле «Секторов на кластер (размер в байтах)») – в в нашем примере это значение Рис. 8. Создание образа карты памяти в программе WinImage: меню «Файл» программы 4 (2048), общее количество секторов, WinImage (а), выбор формата образа (б), выбор файловой системы и размера пространства от которого зависит размер простран- для записи файлов (в), добавление файлов в образ (г) ства для записи файлов (поле «Общее Создание образа карты памяти количество секторов»), – в нашем при- имя образа с расширением. Образ мере это значение 255456, что соот- Для работы с картой памяти в содержит информацию о файлах ветствует размеру 127,7 Кбайт (этого Proteus в окне её свойств указывают карты и их содержимом. Для его соз- достаточно для реализации нашего 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ примера), и нажимают на кнопку ОК. вого компаратора, таймеров/счётчи- битов порта: Out (линия порта работает Добавление файлов в образ выполня- ков, интерфейса UART и SPI, буквен- на вывод данных), In (приём данных). ют их перемещением левой кнопкой но-цифровых и графических дисплеев В нашем примере для битов Bit 0…Bit мыши из каталога на диске компьюте- и др. Однако в процессе работы масте- 7 портов Port D и Port C укажем значе- ра в пустое поле редактора WinImage ра формируется достаточно объёмный ние Out, для бита Bit 6 порта Port В – In, (см. рис. 8г), в статусной строке в ниж- код, который впоследствии приходит- для битов Bit 4, Bit 5, Bit 7 порта Port В – ней левой части которого отобража- ся редактировать. Out. Значения битов неиспользуемых ется объём свободного пространства выводов микроконтроллера не важны, образа в Кбайт. После создания командой основ- поэтому их можно оставить по умол- ного меню «File/New/Project» нового чанию. Сохранение образа на диск компью- проекта в CodeVisionAVR открывается тера выполняют командой «Файл / окно генератора кода CodeWizardAVR, На вкладке «USART Settings» определя- Сохранить как» основного меню где задают параметры микрокон- ют следующие параметры USART: WinImage, после чего редактор можно троллера, его внутренних ресурсов ● Receiver – активизация приёмника закрыть. Среди доступных для сохра- и используемых в схеме периферий- нения (.imz, .ima, .vfd) отсутствует рас- ных устройств. В нашем примере это USART; ширение .mmc, именно то, которое тип и частота работы микроконтрол- ● RxInterrupt – выбор режима рабо- требуется для работы с картой памяти лера (вкладка «Chip Settings» – см. в Proteus. В таком случае образ на диск рис. 9а), опции модуля USART (вклад- ты приёмника путём снятия (режим компьютера сохраняют в формате .ima, ка «USART Settings» – см. рис. 9б), опроса) или установки (режим пре- а затем изменяют его расширение на портов ввода/вывода микрокон- рывания) флажка. В режиме прерыва- .mmc в любом файловом менеджере троллера (вкладка «Ports Settings» – ния доступна опция «Receiver Buffer», (например, в Total Commander). Теперь, см. рис. 9в), буквенно-цифрового которая определяет размер буфера указав в Proteus в окне свойств карты дисплея (вкладка «Alphanumeric LCD приёмника; памяти путь к размещённому на дис- Settings» – см. рис. 9г), интерфейса SPI ● Transmitter – активизация передат- ке компьютера образу, загруженные в (см. рис. 9д). Важно, чтобы значение чика USART; него файлы можно читать через микро- тактовой частоты микроконтроллера, ● TxInterrupt – выбор режима работы контроллер. указанное в поле Clock вкладки «Chip передатчика путём снятия (режим Settings», совпадало со значением в опроса) или установки (режим пре- Для создания с помощью програм- поле «CKSEL Fuses» его окна свойств в рывания) флажка. В режиме преры- мы инициализации микроконтролле- Proteus (в нашем примере это 2 MHz). вания доступна опция «Transmitter ра файлов на карте памяти и записи в Buffer», которая определяет размер них в Proteus в поле «Card Image File» На вкладке «Alphanumeric LCD буфера передатчика; окна свойств карты путь к образу в фор- Settings» задают разрешение под- ● Baud Rate – скорость передачи в ре- мате .ima прописывают вручную (без держки буквенно-цифрового дис- жимах приёмника и передатчика; использования кнопки Open). Если вос- плея (поле «Enable Alphanumeric LCD ● Baud Rate Error – ошибка скорости пользоваться стандартным интерфей- Support»), тип контроллера (поле передачи (вычисляется автомати- сом выбора образа, то файл с расшире- «Controller Type», в нашем приме- чески); нием .ima на диске компьютера будет ре – HD44780) и количество сим- ● Communication Parameters – уста- не виден. волов в строке (поле «Character/ новка параметров связи (Data – ко- Line», в нашем примере – 20). В поле личество битов данных, Stop – ко- Более примитивный способ создания «Connections» настраивают параме- личество стоповых битов, Parity – образа, который также имеет право на тры подключения микроконтроллера чётность); существование, заключается в создании (порт и номер вывода) к микросхеме ● Mode – выбор режима связи: на диске компьютера с помощью редак- дисплея, работающего в 4-разряд- Asynchronous (асинхронный), Sync. тора Блокнот текстового файла, запи- ном режиме – в нашем примере 0, 1 Master UCPOL=0 (синхронный веду- си в него текстовых данных и сохране- и 2 биты порта PC микроконтролле- щий со сброшенным битом UCPOL ния файла с расширением .mmc. В этом ра подключены к выводам RS, RD и E регистра UCSRC), Sync. Master случае через микроконтроллер можно дисплея, 4…7 биты порта PC микро- UCPOL=1 (синхронный ведущий с считать записанную текстовую инфор- контроллера подключены к выводам установленным битом UCPOL ре- мацию. D4…D7 дисплея. Если предполагает- гистра UCSRC), Sync. Slave UCPOL=0 ся, что буквенно-цифровой дисплей (синхронный ведомый со сброшен- Создание программного кода будет работать в 8-разрядном режиме ным битом UCPOL регистра UCSRC), в CodeVisionAVR и написание кода программы управ- Sync. Slave UCPOL=1 (синхронный ления будет вестись самостоятельно ведомый с установленным битом Формирование программного кода (так как стандартной библиотеки UCPOL регистра UCSRC). в CodeVisionAVR выполняют при для этого режима в CodeVisionAVR На вкладке SPI Settings определяют помощи автоматического генератора нет), то поле «Connections» можно следующие параметры SPI: CodeWizardAVR или вручную с нуля, не заполнять. ● SPI Enabled – активизация работы SPI- используя синтаксис языка програм- интерфейса; мирования С и функции стандартных На вкладке «Ports Settings» для каж- ● SPI Interrupt – разрешение прерыва- библиотек программы. Удобство при- дого отдельного порта микроконтрол- ния от SPI-интерфейса; менения генератора состоит в быстром лера отведена своя закладка, где в поле ● Clock Rate x2 – удвоение тактовой ча- получении кода выполнения функций «Data Direction» щелчком левой кноп- стоты SPI-интерфейса; инициализации микроконтроллера ки мыши выбирают одно из значений ● SPI Mode – режим работы SPI; и его портов ввода/вывода, аналого- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 53

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а б в г д При этом автоматически сгенериро- ванный код можно откорректировать Рис. 9. Настройка в окне CodeWizardAVR параметров: микроконтроллера (а), модуля USART (б), на своё усмотрение. портов ввода/вывода микроконтроллера (в), буквенно-цифрового дисплея (г), интерфейса SPI (д) Также окно генератора кода в ● SPI Clock Rate – выбор такто- (первый старший байт), LSB First CodeVisionAVR, можно открыть вой частоты для последователь- (первый младший байт). нажатием пиктограммы Run the ной передачи данных по SPI- Предварительный просмотр кода CodeWizardAVR панели Tools, кото- интерфейсу; программы, который генерируют рую добавляют в проект командой командой «Program/Generate» основ- «View/Toolbars/Tools» основного ● Clock Phase – выбор позиции фрон- ного меню CodeWizardAVR, выполня- меню. та стробирующего сигнала относи- ют в поле «Program Preview». После тельно бита данных: Cycle Start (на- настройки параметров и генерации Прежде чем приступить к напи- чало цикла), Cycle Half (половина кода командой «Program/Generate, санию программного кода в цикла); Save and Exit» основного меню или CodeVisionAVR подключим поддерж- пиктограммой «Generate program, ку карты памяти ММС и увеличим раз- ● Clock Polarity – уровень полярности save and exit» верхней панели инстру- мер стека, для чего с помощью коман- тактовых импульсов: Low (низкий), ментов окно CodeWizardAVR авто- ды Project/Configure основного меню High (высокий); матически будет закрыто. Получен- откроем окно «Configure Project», ный код отобразится в окне кода перейдём на вкладку «C Compiler», ● SPI Type – выбор роли микроконтрол- CodeVisionAVR, где и будет вестись на которой перейдём на вклад- лера в SPI-интерфейсе: Slave – ведо- дальнейшее написание программы. ку «Libraries», где откроем вкладку мый, Master – ведущий; «MMC/SD/SD HC Card» и установим флажок в чекбоксе «Enable MMC/SD/ ● Data Order – порядок данных при по- SD HC Card and FAT Support» (разре- следовательной передаче: MSB First шить поддержку карт памяти и фай- ловой системы FAT) (см. рис. 10а). На вкладке «C Compiler» откроем вклад- ку «Code Generation» (см. рис. 10б) и в поле «Data Stack Size» укажем раз- мер стека в байтах – для компиляции кода в нашем примере значения 1840 будет достаточно. 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а б Рис. 10. Окно Configure Project: вкладка MMC/SD/SD HC Card (а), вкладка Code Generation (б) Применение функций библиотеки char drv, unsigned char* buff, unsigned функций CodeVisionAVR. Текст про- sdcard.h для чтения и записи long sector, unsigned char count), где граммы приведён в листинге 1. данных во внешнюю память drv – это номер устройства, buff – переменная, в которой хранятся дан- Введём текст программы в окне кода Для работы с картами памяти ные для записи, sector – номер блока, CodeVisionAVR и запустим командой MMC/SD/SD HC, отформатирован- с которого начнётся запись, count – основного меню «Project/Build All» ком- ными в FAT12, FAT16 или FAT32 в количество блоков для записи. Чтение пиляцию, по окончании которой выда- CodeVisionAVR предусмотрены библи- и запись информации во внешнюю ётся отчёт о наличии ошибок в коде отеки sdcard.h и ff.h. С помощью функ- память выполняют блоками объёмом программы (см. рис. 11). Если ошиб- ций disk_read и disk_write библиоте- 512 байт. ки не обнаружены, на диске компью- ки sdcard.h удобно выполнить чтение тера будет создан hex-файл для запи- и запись текстовых данных во внеш- Рассмотрим работу с функциями си в микроконтроллер. нюю память, когда образ карты памяти disk_read и disk_write на конкретном создан с помощью редактора Блокнот. примере, для чего создадим в Блокно- Теперь перейдём в Proteus и в окне В коде программы функция чтения те новый текстовый документ, запи- свойств микросхемы ATmega32 в поле информации имеет следующий фор- шем в него следующий текст: «I like «Program File» укажем путь к файлу про- мат записи: disk_read (unsigned char CodeVisionAVR!», сохраним файл с рас- шивки на диске компьютера. Коман- drv, unsigned char* buff, unsigned long ширением *.mmc на диск компьютера дой основного меню «Debug / Run sector, unsigned char count), где drv – в одном каталоге с проектом Proteus и Simulation» запустим в Proteus моде- это номер устройства (нумерация укажем его имя в поле Card Image File лирование собранной схемы (резуль- начинается с 0), buff – переменная в окне свойств карты памяти. тат представлен на рис. 12) и проана- для записи массива считанных дан- лизируем её работу. ных, sector – номер блока, с которого Для записи информации во внеш- начнётся чтение, count – количество нюю память, её чтения и отображения После запуска программа инициа- блоков для чтения (нумерация начи- на экране терминала и буквенно-циф- лизации микроконтроллера проверяет нается с 1). Функция записи имеет сле- рового дисплея напишем программу подключение карты памяти с помощью дующий формат: disk_write (unsigned инициализации микроконтроллера на функции disk_initialize(0), где в скобках языке С с применением стандартных указан номер подключаемого устрой- ства (при успешном выполнении функ- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 55

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Листинг 1 ция возвращает 0). Если карта не под- ключена, на экран дисплея выводится include <mega32.h> // Подключение заголовочных файлов предупреждающее сообщение «Karta ne #include <alcd.h> // в которых содержатся podkluchena». Когда карта подключена, #include <stdio.h> // прототипы функций на экран дисплея выводится сообще- #include <delay.h> ние «ОК», выполняется инициализация #include <sdcard.h> интерфейса USART для вывода данных на экран терминала, затем чтение одно- #define F_CPU 2000000 // Рабочая частота микроконтроллера го текстового блока объёмом 512 байт #define BAUD 9600L // Скорость обмена данными (четвёртый параметр функции чте- #define UBRRL_value (F_CPU/(BAUD*16))-1 // Согласно заданной скорости ния count = 1), начиная с первого сек- // подсчитываем значение для регистра UBRR тора (третий параметр функции чтения sector = 0), и запись считанных данных void init_USART() { // Функция инициализации USART в переменную Buff. UBRRL = UBRRL_value; // Младшие 8 бит UBRRL_value UBRRH = UBRRL_value >> 8; // Старшие 8 бит UBRRL_value После паузы длительностью 500 мс UCSRB = (1<<TXEN); // Бит разрешения передачи с помощью функции lcd_gotoxy(0,1); UCSRC = (1<< UCSZ0)|(1<< UCSZ1); } // Устанавливаем формат 8 бит дан- курсор дисплея устанавливается в ных первую позицию второй строки и начинается посимвольный вывод в void send_UART(char value) { цикле for считанной с карты памя- while(!( UCSRA & (1 << UDRE))); // Ожидаем когда очистится буфер ти информации на экран терминала передачи (функция send_UART(Buff[i]);) и дис- UDR = value; } // Помещаем данные в буфер, начинаем передачу плея (функция lcd_putchar(Buff[i]);). Запись на карту памяти массива дан- interrupt [TIM1_COMPA] void timer1_compa_isr(void) ных из переменной Buff2, начиная с {disk_timerproc();} // Вызов функции синхронизации первого сектора (третий параметр функции записи sector = 0), выпол- void main(void) // Основная функция программы няется с помощью функции disk_ { write (0, Buff2, 0, 1); после паузы дли- unsigned char Buff[512]; тельностью 500 мс. В результате уже unsigned char Buff2[512]=\"Чтение информации с карты памяти и ее вывод имеющаяся в файле образа ММС.mmc на экран терминала\"; информация будет перезаписана (см. unsigned char Buff3[512]; рис. 13). Теперь с помощью функции int i; disk_read (0, Buff3, 0, 1); считаем запи- санную информацию с карты памя- // Инициализация портов микроконтроллера ти и после паузы длительностью 500 мс выведем её посимвольно с помо- // Port A щью функции send_UART(Buff3[i]); DDRA=(0<<DDA7) | (0<<DDA6) | (0<<DDA5) | (0<<DDA4) | (0<<DDA3) | с новой строки на экран терминала. (0<<DDA2) | (0<<DDA1) | (0<<DDA0); PORTA=(0<<PORTA7) | (0<<PORTA6) | (0<<PORTA5) | (0<<PORTA4) | Обмен информацией между микро- (0<<PORTA3) | (0<<PORTA2) | (0<<PORTA1) | (0<<PORTA0); контроллером и картой памяти выполняется через линии РВ4…РВ7 // Port B микроконтроллера. Для работы с бук- DDRB=(1<<DDB7) | (0<<DDB6) | (1<<DDB5) | (1<<DDB4) | (0<<DDB3) | венно-цифровым дисплеем задей- (0<<DDB2) | (0<<DDB1) | (0<<DDB0); ствованы линии РС0…РС2 и РС4… PORTB=(0<<PORTB7) | (0<<PORTB6) | (0<<PORTB5) | (0<<PORTB4) | РС7 микроконтроллера, линия РD1 (0<<PORTB3) | (0<<PORTB2) | (0<<PORTB1) | (0<<PORTB0); используется для последовательно- го вывода информации на экран тер- // Port C минала. DDRC=(1<<DDC7) | (1<<DDC6) | (1<<DDC5) | (1<<DDC4) | (1<<DDC3) | (1<<DDC2) | (1<<DDC1) | (1<<DDC0); Применение функций библиотеки PORTC=(0<<PORTC7) | (0<<PORTC6) | (0<<PORTC5) | (0<<PORTC4) | ff.h для чтения и записи данных во (0<<PORTC3) | (0<<PORTC2) | (0<<PORTC1) | (0<<PORTC0); внешнюю память // Port D В библиотеке ff.h определены функ- DDRD=(1<<DDD7) | (1<<DDD6) | (1<<DDD5) | (1<<DDD4) | (1<<DDD3) | ции работы с картой памяти, отформа- (1<<DDD2) | (1<<DDD1) | (1<<DDD0); тированной в файловой системе FAT, PORTD=(0<<PORTD7) | (0<<PORTD6) | (0<<PORTD5) | (0<<PORTD4) | среди которых следущие: (0<<PORTD3) | (0<<PORTD2) | (0<<PORTD1) | (0<<PORTD0); ● f_open(FIL* fp, const char* path, // Инициализация таймера unsigned char mode) – функция создания нового или открытия TCCR1A=0x00; уже имеющего файла, где fp – ука- TCCR1B=0x0D; затель на структуру данных фай- TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x4E; TIMSK=0x10; lcd_init(20); // Инициализация дисплея #asm(\"sei\") // Проверка подключения карты памяти if((disk_initialize(0))==0) // Если карта подключена {lcd_puts(\"OK\");} // Вывод на экран дисплея сообщения ОК else // иначе {lcd_puts(\"Karta ne podkluchena\");} // Вывод сообщения об отсутствии подключения карты init_USART(); // Инициализация USART disk_read (0, Buff, 0, 1); // Чтение с карты памяти текстового блока // и его запись в переменную Buff delay_ms(500); // Пауза длительностью 500 мс lcd_gotoxy(0,1); // Установка курсора в первую позицию второй строки дисплея for (i=0;i<33;i++) {send_UART(Buff[i]); // Вывод считанной с карты памяти информации на экран терминала lcd_putchar(Buff[i]);} // Вывод считанной с карты памяти информации на экран дисплея delay_ms(500); disk_write (0, Buff2, 0, 1); // Запись на карту памяти блока информа- ции // из переменной Buff2 disk_read (0, Buff3, 0, 1); // Чтение информации с карты памяти // и её запись в переменную Buff3 delay_ms(500); printf(\"\\n\\r\"); // Переход на новую строку на экране терминала for (i=0;i<64;i++) { send_UART(Buff3[i]); }} // Вывод считанной с карты памяти информа- ции // на экран терминала 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ла, path – номер устройства и имя Рис. 11. Результат компиляции программного кода в CodeVisionAVR файла для создания/открытия, mode – режим работы с файлом. или отсутствует свободное ме- − FR_NO_FILESYSTEM – на физиче- Аргумент path имеет формат запи- сто на карте; ском носителе отсутствует коррект- си 0:/file.txt. Значения аргумента − FR_NOT_READY – доступ к карте ный раздел FAT. mode: FA_READ – чтение данных памяти невозможен из-за отсут- из файла, FA_WRITE – запись дан- ствия её подключения или по дру- ● f_close (FIL* fp) – функция закры- ных в файл, FA_OPEN_EXISTING – гой причине; тия файла (если измененный файл открытие уже имеющегося на − FR_WRITE_PROTECTED – создание не закрыть, данные могут быть карте файла, FA_OPEN_ALWAYS – файла или его открытие в режиме утеряны). Параметр fp – указа- создание нового или открытие су- записи невозможно, поскольку но- тель на структуру данных файла. ществующего файла, FA_CREATE_ ситель защищён от записи; Функция возвращает следующие NEW – создание нового файла, − FR_DISK_ERR – ошибка доступа к значения: FA_CREATE_ALWAYS – создание карте памяти; − FR_OK – успешное выполнение нового файла, если файл с ука- − FR_INT_ERR – внутренняя ошибка функции; занным именем уже существует, карты памяти или файловой систе- − FR_NOT_READY – доступ к карте то он будет перезаписан. Допу- мы FAT; памяти невозможен из-за отсут- скается комбинация представлен- − FR_NOT_ENABLED – логический ствия её подключения или по дру- ных значений. Например, запись диск не был смонтирован с помо- гой причине; FA_OPEN_EXISTING | FA_READ оз- щью функции f_mount; − FR_DISK_ERR – ошибка доступа к начает открытие уже существую- карте памяти; щего файла для чтения. Функция возвращает следующие значения: − FR_OK – успешное выполнение функции; − FR_NO_FILE – не удалось найти файл; − FR_NO_PATH – путь к файлу не су- ществует; − FR_INVALID_NAME – неверное имя файла; − FR_INVALID_DRIVE – неверный но- мер устройства; − FR_EXIST – создание файла невоз- можно, так как файл с таким име- нем уже существует; − FR_DENIED – в доступе отка- зано по одной из следующих причин: попытка открыть файл только для чтения в ре- жиме записи, невозможно соз- дать файл, потому что файл с таким именем уже существует аб Рис. 12. Результат работы программы обмена данными с картой памяти, образ которой создан с помощью редактора Блокнот: карта памяти не подключена (а), чтение и запись информации на карту памяти и её вывод на экран терминала и дисплея (б) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 57

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ а − FR_INT_ERR – внутренняя ошибка карты памяти или файловой систе- б мы FAT; Рис. 13. Файл ММС.mmc: до (а) и после (б) записи информации на карту памяти − FR_INVALID_OBJECT – файл не был открыт с помощью функции Рис. 14. Результат работы программы чтения текстовых данных из файла 1.txt, размещённого f_open. на карте памяти, образ которой создан с помощью WinImage и преобразован в формат .mmc (считанные данные отображаются на экране терминала и буквенно-цифрового дисплея) ● f_mount(unsigned char vol, FATFS *fs) – выделение рабочей области памяти для логического диска, которое долж- но быть выполнено для доступа к FAT до вызова любой другой функции. Параметр vol – это номер устройства (от 0 до 9), fs – указатель на структу- ру данных, связанную с выделенным логическим диском. Значения, кото- рые возвращает функция: − FR_OK – успешное выполнение функции; − FR_INVALID_DRIVE – неверный но- мер устройства. ● f_write(FIL* fp, const void* buff, unsigned int btw, unsigned int* bw) – функция записи данных в предварительно от- крытый файл, где fp – указатель на от- крытый файловый объект, buff – пе- ременная, в которой хранятся данные для записи, btw – количество байтов для записи, bw – количество реально записанных байтов. Значения, кото- рые возвращает функция: − FR_OK – успешное выполнение функции; − FR_DENIED – в доступе к файлу от- казано, так как он открыт только для чтения; − FR_NOT_READY – доступ к карте памяти невозможен из-за отсут- ствия её подключения или по дру- гой причине; − FR_DISK_ERR – ошибка доступа к карте памяти; НОВОСТИ МИРА В 2030 ГОДУ ОБЪЁМ МИРОВОГО В исследовании в том числе рассматри- автономный робот-сборщик или робот для ваются три возможных сценария развития зарядки электромобилей. Как правило, ва- РЫНКА РОБОТОТЕХНИКИ робототехники на ближайшие 10 лет, кото- рианты массового использования в этой ка- рые определяются такими факторами, как тегории не отличаются особой сложностью, – ПРЕВЫСИТ $160 МЛРД готовность технологий и спрос. Первый сце- добавили в сообщении. нарий связан с ростом числа индивидуаль- Общий объём мирового рынка робото- ных решений и отсутствием новых вариан- Третий возможный сценарий – «Мир техники достигнет $160-260 млрд в 2030 го- тов массового использования, что ведёт к Google», при котором прорыв в области ду, говорится в исследовании консалтинго- проектированию целевых роботизирован- ИИ, адаптивности и связанности приведёт вой компании The Boston Consulting Group ных систем, начальные цены на которые до- к появлению целого ряда интеллектуальных (BCG). вольно высоки. модулей, способных обрабатывать сложные и динамические ситуации. Так программ- Компания при этом оценивает объём ми- Робот как стандартное устройство авто- ное обеспечение будет ключевым факто- рового рынка робототехники в 2020 году в матизации – в этом сценарии на рынке бу- ром успеха, а доминировать будут компа- $25 млрд. Также отмечается, что в 2030 го- дет лидировать несколько решений, кото- нии, занимающиеся крупномасштабными ду профессиональные сервисные роботы с рые легко установить, настроить и интегри- разработками. объёмом рынка от $90 до $170 млрд намно- ровать. Примером может быть робот-курьер, го опередят обычных промышленных робо- industry-hunter.com тов и коботов с объёмом рынка от $40 до $50 млрд. 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Листинг 2 − FR_NOT_READY – доступ к карте #include <mega32.h> // Подключение заголовочных файлов памяти невозможен из-за отсут- #include <alcd.h> // в которых содержатся ствия её подключения или по дру- #include <stdio.h> // прототипы функций гой причине; #include <delay.h> #include <ff.h> − FR_DISK_ERR – ошибка доступа к #define F_CPU 2000000 // Рабочая частота микроконтроллера карте памяти; #define BAUD 9600L // Скорость обмена данными #define UBRRL_value (F_CPU/(BAUD*16))-1 // Согласно заданной скорости − FR_INT_ERR – внутренняя ошибка // подсчитываем значение для регистра UBRR карты памяти или файловой систе- void init_USART() { // Функция инициализации USART мы FAT; UBRRL = UBRRL_value; // Младшие 8 бит UBRRL_value UBRRH = UBRRL_value >> 8; // Старшие 8 бит UBRRL_value − FR_INVALID_OBJECT – файл не UCSRB = (1<<TXEN); // Бит разрешения передачи был открыт с помощью функции UCSRC = (1<< UCSZ0)|(1<< UCSZ1); } // Устанавливаем формат 8 бит дан- f_open. ных void send_UART(char value) { Рассмотрим работу с функцией чте- while(!( UCSRA & (1 << UDRE))); // Ожидаем когда очистится буфер ния данных из внешней памяти на кон- передачи кретном примере, для чего создадим с UDR = value; } // Помещаем данные в буфер, начинаем передачу помощью программы WinImage образ interrupt [TIM1_COMPA] void timer1_compa_isr(void) карты памяти, добавим в образ файл {disk_timerproc();} // Вызов функции синхронизации с расширением *.txt, который содер- void main(void) // Основная функция программы жит блок текстовых данных, сохра- { ним образ в папке FAT16 в каталоге с FATFS fat; // Выделение рабочей области памяти для логического диска проектом Proteus, изменим его расши- FIL file; // Указатель на структуру данных файла рение на .mmc и укажем путь к файлу unsigned char Buff[542]; // Переменная для записи считанных данных образа и его имя в поле Card Image File // из файла 1.txt карты памяти в окне свойств карты памяти. Для чте- unsigned int br; // Число прочитанных из файла 1.txt байтов ния данных из размещённого во внеш- int i; ней памяти файла и их отображения // Инициализация портов микроконтроллера на экране терминала и буквенно-циф- // Port A рового дисплея напишем программу DDRA=(0<<DDA7) | (0<<DDA6) | (0<<DDA5) | (0<<DDA4) | (0<<DDA3) | инициализации микроконтроллера (0<<DDA2) | (0<<DDA1) | (0<<DDA0); на языке С с применением стандарт- PORTA=(0<<PORTA7) | (0<<PORTA6) | (0<<PORTA5) | (0<<PORTA4) | ных функций CodeVisionAVR. (0<<PORTA3) | (0<<PORTA2) | (0<<PORTA1) | (0<<PORTA0); // Port B Текст программы приведён в листинге 2. DDRB=(1<<DDB7) | (0<<DDB6) | (1<<DDB5) | (1<<DDB4) | (0<<DDB3) | Введем текст программы в окне кода (0<<DDB2) | (0<<DDB1) | (0<<DDB0); CodeVisionAVR и запустим компиля- PORTB=(0<<PORTB7) | (0<<PORTB6) | (0<<PORTB5) | (0<<PORTB4) | цию. После чего перейдём в Proteus и (0<<PORTB3) | (0<<PORTB2) | (0<<PORTB1) | (0<<PORTB0); в окне свойств микросхемы ATmega32 // Port C укажем путь к файлу прошивки на DDRC=(1<<DDC7) | (1<<DDC6) | (1<<DDC5) | (1<<DDC4) | (1<<DDC3) | диске компьютера. Запустим модели- (1<<DDC2) | (1<<DDC1) | (1<<DDC0); рование собранной схемы, результат PORTC=(0<<PORTC7) | (0<<PORTC6) | (0<<PORTC5) | (0<<PORTC4) | которого представлен на рис. 14, и про- (0<<PORTC3) | (0<<PORTC2) | (0<<PORTC1) | (0<<PORTC0); анализируем её работу. // Port D После запуска симуляции проис- DDRD=(1<<DDD7) | (1<<DDD6) | (1<<DDD5) | (1<<DDD4) | (1<<DDD3) | ходит монтирование карты памяти, (1<<DDD2) | (1<<DDD1) | (1<<DDD0); а затем открытие размещённого на PORTD=(0<<PORTD7) | (0<<PORTD6) | (0<<PORTD5) | (0<<PORTD4) | ней файла 1.txt для чтения из него в (0<<PORTD3) | (0<<PORTD2) | (0<<PORTD1) | (0<<PORTD0); переменную Buff фрагмента тексто- // Инициализация таймера вых данных. Объём реально прочи- TCCR1A=0x00; танных данных в байтах записывает- TCCR1B=0x0D; ся в переменную br и может отличаться TCNT1H=0x00; от заданного. После закрытия файла TCNT1L=0x00; выполняется посимвольный вывод в OCR1AH=0x00; цикле for всего блока считанных дан- OCR1AL=0x4E; ных на экран терминала. На экран дис- TIMSK=0x10; плея посимвольно выводятся в цикле lcd_init(20); // Инициализация дисплея for 19 символов из файла 1.txt. #asm(\"sei\") delay_ms(200); Литература: init_USART(); // Инициализация USART delay_ms(200); 1. ISIS Help, Labcenter Electronics, 2014. f_mount(0, &fat); // Выделение рабочей области памяти для логического 2. CodeVisionAVR Help, HP InfoTech, 2014. раздела 3. HD44780U (LCD-II) (Dot Matrix Liquid f_open(&file,\"0:/1.txt\", FA_OPEN_EXISTING | FA_READ); // Открываем файл 1.txt Crystal Display Controller/Driver). Hitachi, // только для чтения Ltd. 1998. f_read(&file, Buff, sizeof(Buff), &br); // Читаем в переменную Buff данные из файла 1.txt f_close(&file); // Закрываем файл 1.txt delay_ms(50); // Пауза длительностью 50 мс lcd_gotoxy(0,0); // Установка курсора в первую позицию первой строки дисплея for (i=0;i<br;i++) {send_UART(Buff[i]);} // Вывод считанных из файла 1.txt карты памяти данных // на экран терминала for (i=0;i<19;i++) {lcd_putchar(Buff[i]);} // Вывод на экран дисплея 19 символов считан- ных // из файла 1.txt карты памяти } − FR_INT_ERR – внутренняя ошибка ект, buff – переменная для записи карты памяти или файловой систе- считанных данных, btr – количе- мы FAT; ство байтов для чтения, br – коли- чество реально прочитанных бай- − FR_INVALID_OBJECT – файл не тов. Значения, которые возвращает был открыт с помощью функции функция: f_open. − FR_OK – успешное выполнение ● f_read(FIL* fp, void* buff, unsigned функции; int btr, unsigned int* br) – функция − FR_DENIED – в доступе к файлу от- чтения данных из предваритель- но открытого файла, где fp – ука- казано, так как он открыт только затель на открытый файловый объ- для записи; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 59

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Решение задачи охлаждения SMD-компонентов с помощью тепловой перемычки ТПИ Илья Малышев ([email protected]), к. т. н., Юрий Еремеев ([email protected]) трическую изоляцию при сохранении передачи теплового потока. В статье описаны новый чип-компонент и технические решения на его базе, обеспечивающие распределение тепла от теплонагруженных SMD активных На рисунке 1 схематично показан и пассивных компонентов печатного узла. Снижение тепловыделения принцип функционирования тепловой активных и пассивных компонентов на печатной плате при высокой перемычки. Тепловой поток от источни- плотности монтажа повышает надежность электронной техники. ка тепла (например, тепловыделяющей микросхемы) через керамическое тело и Повышение доли электронной техни- автомобильной и другой технике, свя- монтажные контакты тепловой перемыч- ки, использующей технологию поверх- занной с безопасностью персонала ки поступает к приёмнику тепла (напри- ностного монтажа, требует снижения из-за возможных утечек, которые могут мер, площадке с металлизированными мощности компонентов и тепловыделе- иметь место при повышенной плотно- отверстиями, заполненными припоем, ния печатных узлов, а там, где это невоз- сти монтажа. В медицинской, автомо- или общей шине). Распределённый таким можно в полной мере, – новых подхо- бильной технике и различных отраслях образом тепловой поток может рассеяться дов в обеспечении тепловых режимов. промышленности также необходимо естественной конвекцией и/или перейти Охлаждение SMD-компонентов затруд- выполнение критерия взрывозащищён- в дополнительный теплоотвод. нено конструктивно из-за их малых ности при работе с кислородом, горю- пространственных объёмов. чими газами и легковоспламеняющими- На рисунке 2 представлена типовая ся жидкостями, т.е. работа без искро- и ситуация с ограниченным теплоотводом Теплорассеяние печатного узла в целом дугообразования. Для контроля электри- тепловыделяющего компонента на пла- возможно увеличить общей принуди- ческой прочности изоляции оборудова- те, приводящим к перегреву. Рисунок 3 тельной конвекцией (обдувом вентиля- ния проводят соответствующие испы- иллюстрирует ту же ситуацию, но с уста- тором). При этом точечные перегревы тания [2], и используемые электронные новленной тепловой перемычкой для рас- компонентов снизить затруднительно. компоненты должны обладать заведомо пределения тепла от тепловыделяющего Относительно большие компоненты большей стойкостью. компонента. Конечный теплоприемник (например, микросхемы процессоров, на рисунке не показан. Тепловой режим памяти и т.п.) охлаждают дополни- Для решения обеих проблем одно- компонента в данном случае улучшается. тельными низкопрофильными ради- временно (распределения тепла и обе- аторами или тепловыми трубками [1]. спечения электрической изоляции) и Рисунок 4 иллюстрирует возможность Подобные решения широко применя- разработан новый пассивный чип- повышения плотности монтажа, когда ют в ноутбуках. Но что делать при точеч- компонент, передающий тепловой за счёт высокой электрической прочно- ных перегревах компонентов размерами поток и имеющий заданную электри- сти (Uпр ≥ 1,5 кВ) и высокого сопротивле- 0,5…1,0 мм? Необходимо распределить и ческую прочность изоляции – тепло- ния изоляции (Rиз ≥ 999 МОм) тепловых рассеять тепловые потоки в менее нагру- вая перемычка типа ТПИ. перемычек возможно использование женные зоны печатного узла. Такие реше- единого электропроводного теплоотво- ния в самом простом случае реализуемы Разработка тепловой перемычки обу- да. Кроме того, подобным способом воз- топологическими методами – достаточно словлена требованиями новых техно- можно поддерживать в едином темпера- увеличить монтажную площадку, чтобы логий сборки и основана на достиже- турном режиме активные компоненты, рассеять лишнюю тепловую энергию. ниях современного материаловедения. которые должны работать в паре, но не Однако при плотном монтаже площадь Теплопроводность керамического осно- могут при этом быть соединёнными для рассеяния мощности ограничена, вания тепловой перемычки λТ сопоста- электрически (например, комплемен- ужесточается требование электрической вима с теплопроводностью металлов и тарная пара транзисторов и др.). изоляции, в том числе от теплоотвода. составляет 170…200 Вт/(м·К). При этом электрическая прочность материала Тепловые перемычки, ввиду нор- Электрическая прочность изоляции составляет величину порядка 15 кВ/мм, мированного переходного теплового важна, в частности, в медицинской, что и обеспечивает отличную элек- сопротивления и электрической изоля- Рис. 1. Принцип функционирования тепловой перемычки Рис. 2. Тепловыделяющий компонент без использования тепловой перемычки 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Таблица 1. Характеристики тепловых перемычек типа ТПИ Рис. 3. Тепловыделяющий компонент Рис. 4. Использование тепловых перемычек Основные характеристики Значение параметра с использованием тепловой перемычки для организации единого теплоотвода с AlN гальванической развязкой Материал основания 999 МОм Сопротивление изоляции, не менее 1,5 кВ 0,2 пФ Электрическая прочность, SnPb не менее Ёмкость, не более Финишное покрытие контактных площадок Таблица 2. Характеристики тепловых перемычек типа ТПИ Типоразмер Тепловое сопротивление, Размеры, мм Масса, I B l не более, г L в дюймах °С/Вт L H 0505 24 1,25±0,1 1,25±0,1 0,25+–00,,1005 0,006 H 0505-1 10 1,6±0,2 0,8±0,15 0,64+–00,,1005 0,2 B 0603 31 2,0±0,2 1,25±0,2 0,38+–00,,1005 0603-1 19 0,64+–00,,1005 0,011 0805 25 0,38+–00,,1005 0,004 0805-1 10 1,00+–00,,1005 0,2 0,008 0,008 0,2 0,021 ции, возможно использовать для термо- Основным функциональным пара- , статирования режимов компонентов, метром тепловой перемычки являет- требующих гальванической развязки ся тепловое сопротивление, Rt [°С/Вт], в где L, H, B – длина, высота и ширина с соответствующими датчиками, или практически требуемых случаях опреде- тепловой перемычки; λT = 170 Вт/(м·К) – иных аналогичных приложений. ляемое геометрическими размерами [3]: Реклама СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 61

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ теплопроводность керамики на осно- ● обеспечить увеличение плотно- Литература ве нитрида алюминия. сти монтажа за счёт гальваниче- ской развязки различных цепей 1. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в ради- Характеристики тепловых перемычек при использовании единого те- оэлектронной аппаратуре: Учебник для типа ТПИ приведены в таблицах 1 и 2. плоотвода; вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры». – М.: Высш. шк., 1984. – Заключение ● обеспечить выравнивание тем- 247 с. ил., с. 146–150. пературы между компонентами, Тепловая перемычка ТПИ позволяет работающими в совместном ре- 2. ГОСТ IEC 60950-1-2011 Оборудование разработчикам: жиме; информационных технологий. Требования ● отвести и распределить тепловые по- безопасности. Часть 1. Общие требования ● обеспечить гальваническую развяз- токи от перегретых участков и ком- ку датчиков при термостатировании 3. Уонг Х. Основные формулы и данные по понентов печатного узла; компонентов, а также решать иные за- теплообмену для инженеров / Пер. с англ. ● обеспечить электрическую изоляцию дачи. // Справочник. – М.: Атомиздат, 1979. – между источником и приёмником тепла; 216 с., ил. НОВОСТИ МИРА ТЕПЛОВОЙ ДИОД – ПЕРВЫЙ ния активных внешних устройств. Пока что тально было подтверждено высокое каче- ШАГ К КОМПЬЮТЕРАМ, коэффициент невелик, теплопередача до- ство электронного потока, а пространство стигает всего 11%, но зато система успешно взаимодействия и квазиоптический преоб- РАБОТАЮЩИМ НА ТЕПЛЕ ВМЕСТО работает при температуре в 257 °C. разователь были оптимизированы под вы- ЭЛЕКТРИЧЕСТВА бранную для нового гиротрона рабочую мо- Расчёты указывают, что термодиодам под ду ТЕ6,5. После выполнения аналитических В Intel научились отводить избыточное силу выдержать и 327 °C, и даже 700 °C. Вот оценок и численного моделирования, под- тепло в дата-центрах при помощи тёплой и готовая основа для микросхемы, которую твердивших возможность достижения за- воды, в Lockheed Martin осваивают микро- можно ставить на исследовательский ко- явленной мощности, главной задачей ста- капельное охлаждение микросхем изнутри, рабль для изучения атмосферы Венеры с ло изготовление основных узлов прибора, а Microsoft просто призывает на помощь Ми- её перегретой и плотной атмосферой. Для в том числе, самого важного из них – резо- ровой океан. По некоторым данным, 60 % горячих недр нашей Земли, правда, нужно натора, поскольку для таких частот требуе- всей энергии для работы вычислительных ещё адаптировать для такого пекла прочие мые точности изготовления составляют до- систем пропадает напрасно, превращаясь части компьютера, помимо чипов. Поэтому ли микрона. Достигнутые в экспериментах в паразитное тепло, от которого нужно из- более перспективной выглядит идея реку- рекордные параметры, соответствующие бавляться. перации энергии, когда тепло от ПК посту- результатам расчётов, свидетельствуют пает сразу в общий контур «умного дома» как об адекватности используемых моделей Команда ученых из Университета Небра- без монтажа дополнительных систем. и корректности расчетов, так и о высокой ски-Линкольна попробовала создать термо- культуре производства гироприборов. диод, который не только сам избавляется от Термодиоды – технология эксперимен- лишнего тепла, но и использует его в каче- тальная, пока что учёные создали лишь Полученный результат открывает воз- стве основного принципа работы. один из элементов, для которых суще- можность для дальнейшего освоения гиро- ственный нагрев не является принципи- тронами терагерцового диапазона частот – Тепло – враг компьютера, ведь физиче- альной помехой в работе. Предстоит ещё для преодоления «терагерцового провала». ские процессы функционирования диодов масса усилий, прежде чем удастся разра- На этих частотах традиционные электрова- сбоят при повышении температуры. А ра- ботать полноценный компьютер, работаю- куумные приборы и лазеры, в силу физиче- стёт она из-за активной работы самих ди- щий на другом физическом принципе, ис- ских ограничений, не способны генериро- одов, что приводит к парадоксальной си- пользуя тепло вместо электричества. вать большие мощности, которые необходи- туации. Мы тратим энергию, чтобы разо- мы для ряда приложений, спектроскопии и гнать и невольно разогреть систему, а потом www.techcult.ru диагностики различных сред, в устройствах ищем способы её охладить, снова расходу- ядерного магнитного резонанса. ем ресурсы. ПОЛУЧЕНА РЕКОРДНАЯ МОЩНОСТЬ НА ЧАСТОТЕ 0,5 Работа была выполнена в рамках про- Новый элемент состоит из фиксирован- ТГЦ В НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ граммы «Развитие техники, технологий и ной пластины-охладителя и подвижной – научных исследований в области исполь- нагревателя. Система саморегулируемая – ГЕНЕРАЦИИ зования атомной энергии в РФ на период чем больше нагревается одна часть, тем В ИПФ РАН в гиротроне на второй ци- до 2024 года» (КП РТТН). ближе она подходит к другой, чтобы макси- мизировать передачу тепла. И наоборот, что клотронной гармонике на частоте 527 ГГц ipfran.ru позволяет отводить избытки без примене- получена мощность излучения 250 Вт в не- прерывном режиме генерации. Указанное значение мощности почти на порядок пре- восходит предыдущие мировые достижения. Созданный гиротрон был разработан на основе хорошо зарекомендовавшего се- бя гиротрона с частотой 263 ГГц, работаю- щего на основной гармонике гирочастоты. Катодно-анодный узел претерпел незначи- тельные изменения, поскольку эксперимен- 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА (495) 232-2522 [email protected] WWW.PROCHIP.RU Реклама

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Влияние вспышки на Солнце на АЧХ поля атмосфериков (экспериментальные данные) Алексей Галахов ([email protected]) В данной статье приводятся экспериментальные данные характеристик - крутизна частотных преобразова- поля атмосфериков, зарегистрированных на авроральной обсерватории ний меняется в пределах: ПГИ Ловозеро (Мурманская обл.) во время солнечной вспышки по X-Ray Δf/Δt ≈ (13...30) Гц/мин; Flux данным спутника GOES. Приведены амплитудно-временны′ е вариации - коэффициент усиления спектральных спектральных составляющих электромагнитного поля атмосфериков составляющих п.а.: К ≈ (1,2...1,7). при вспышке на Солнце мощности класса В, С (20.11.2020 г.). В качестве б) SEA2 : приёмно-регистрирующей аппаратуры на обсерватории использовался - временна′ я задержка: τ ≈ (47...48) час; приёмник ОНЧ-диапазона (400...7500 Гц) с рамочной антенной на входе - частотный диапазон амплитуд- и последовательный анализатор спектра поля атмосфериков в качестве ных вариаций: ΔF = (3600...1795) Гц / регистратора принятых сигналов. (1795...3600) Гц; - крутизна частотных преобразова- Введение В данной работе использовались ний меняется в пределах: архивные данные X-Ray Flux геостаци- Δf/Δt ≈ (8...9,5) Гц/мин; Изучение физики атмосферы онарного спутника GOES (Geostationary - коэффициент усиления спектраль- остаётся актуальным и в наши дни, Operational Environmental Satellite) ных составляющих п.а.: К ≈ (1,7...2,0). поскольку всегда имеется потреб- [5, 6] и магнитограммы геофизической ность в корректировке физической обсерватории Соданкюля (Sodankyla, Из анализа временно′ й задерж- модели ионосферы, используя опе- Fin), имеющей географические коор- ки τ можно предположить, что SEA1 ративно получаемые эксперимен- динаты: 67°22' N, 26°38’ E [7, 9]. вызвано рентгеновским и ультра- тальные данные. Обычная модель фиолетовым излучением Солнца, а ионосферы не может охватить и Для исследования была выбрана SEA2 – потоком его корпускулярных предсказать все факторы, влияющие вспышка на Солнце (20.11.2020 г.), частиц. на состояние плазмы, в частности, состоящая из трёх импульсов мощно- во время внезапных ионосферных сти класса B и C [5]. На рис. 3 приведена синхронная возмущений SID (sudden ionospheric запись вариаций магнитного поля Зем- disturbance), вызванных вспышка- На рис. 1 представлены 3-суточная ли и поля атмосфериков во время собы- ми на Солнце. Известно [1, 2], что (20.11.2020...22.11.2020) синхронная тий SEA1,2, можно отметить временну′ю солнечная вспышка сопровожда- запись X-Ray Flux (рис. 1 а) и реакция корреляцию амплитуд указанных выше ется возрастанием ультрафиолето- магнитного поля Земли [7] (рис. 1б) событий. вого и рентгеновского излучения и поля атмосфериков (п.а.) (рис. 1в, г) и выбросом облака корпускуляр- на данную солнечную вспышку. Заключение ных потоков, которое излучает воз- мущённая область на Солнце. Если На временно′й оси АЧХ поля атмос- Представленные в статье экспери- поток направлен в сторону Земли, то фериков (рис. 1в, г) можно выделить ментальные результаты эффектов SEA1,2 он может привести к геомагнитным два участка с эффектом внезапного позволяют оценить: бурям. В связи с тем, что корпуску- усиления атмосфериков SEA1,2 (sudden лярный поток несёт электрический enhancement of atmospherics) [2]: а) временны′е задержки между вспыш- заряд, на его траекторию оказывают кой на Солнце и реакцией нижней сильное влияние солнечные и зем- SEA1 – (19:00/20.11.2020 ... 05:00/21.11.2020); ионосферы Земли; ные магнитные поля, что затрудняет SEA2 – (07:00/21.11.2020 ... 21:00/21.11.2020). изучение данного явления, и поэтому Факт совпадения периода импуль- б) частотный диапазон амплитуд- полученные экспериментальные дан- сов солнечной вспышки (рис. 2) и ных вариаций спектральных состав- ные могут быть востребованы. периода вариаций амплитуды спек- ляющих п.а., который позволяет опре- тральных составляющих п.а. в ука- делить характерные энергии частиц, Экспериментальные данные занных на графиках полосах частот вызвавших ионизацию D-слоя ионо- [(0,9...3,6 кГц и [(2,4...3,6) кГц] под- сферы; Состав приёмно-регистрирую- тверждает соответствие указанных щей аппаратуры обсерватории ПГИ эффектов SEA1,2 рассматриваемой в) степень корреляция вариации Ловозеро, Мурманская обл. (67,97°N, вспышке на Солнце. магнитного поля Земли и АЧХ п.а., 35,02°E): приёмник ОНЧ-диапазона Количественные оценки характери- которая дает дополнительную инфор- (400...7500 Гц) с рамочной антен- стик SEA1,2: мацию при изучении солнечно-зем- ной на входе и последовательный а) SEA1 : ных связей; анализатор спектра поля атмосфе- - временна′ я задержка: τ ≈ (9,5...12) час; риков [3, 4]. - частотный диапазон амплитуд- г) возможные изменения условий ных вариаций: ΔF = (3600...909) Гц / радиосвязи в полосе частот ОНЧ- (909...3600) Гц; диапазона. Литература 1. Ратклифф Дж.А. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. – М.: Мир. 1975. 296 с. 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ (а) (а) (б) (б) (в) (в) Рис. 2. Сравнительная запись солнечной вспышки (20.11.2020) X-Ray Flux (GOES) и АЧХ поля атмосфериков во время эффектов SEA1,2: а) X-Ray Flux (GOES): 2020-11-20_070000_2020-11-20_210000 [6] ; б) АЧХ поля атмосфериков SEA : 17:00(20.11.2020)...07:00(21.11.2020); 1 в) АЧХ поля атмосфериков SEA : 07:00(22.11.2020)...21:00(22.11.2020) 2 (а) (г) Рис. 1. Синхронная запись солнечной вспышки (20.11.2020) X-Ray Flux (GOES) [5], магнитного поля Земли [7], АЧХ п.а. в течение 3 смежных суток (20.11.2020...22.11.2020): а) X-Ray Flux (GOES); б) магнитограмма D xyz поля Земли; в) сонограмма п.а.; г) АЧХ п.а (б) 2. Физика верхней атмосферы Земли / под ред. Г.С. Иванова-Холодно- го. – Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1971. 3. Галахов А., Косолапенко В., Ларченко А. и др. Анализатор спек- тра поля атмосфериков на реконфигурируемых ПАИС Anadigm // Современная электроника. 2019. № 7. C. 62–66. 4. Галахов А. Анализатор спектра поля атмосфериков – инструмент изучения гелиогеофизической обстановки // Современная элек- Рис. 3. Синхронная запись магнитограммы [7.8] и АЧХ поля атмосфериков троника. 2020. № 8. C. 30–34. во время эффекта SEA : а) магнитограмма [7] и АЧХ п.а. SEA ; 5. GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) 1,2 1 // URL. https://www.polarlicht-vorhersage.de/goes/2020-11- б) магнитограмма [8] и АЧХ п.а. SEA . 2 20_000000_2020-11-23_000000.png. 7. Sodankyla Geophysical Observatory // URL: http://sgodata.sgo.fi/pub_ 6. GOES( Geostationary Operational Environmental Satellite) mag/SOD_MagData/ SOD_2020/2020_11/F_201120.MIN. // URL: https://www.polarlicht-vorhersage.de/goes/2020-11- 8. Sodankyla Geophysical Observatory // URL: http//sgodata.sgo.fi/pub_ 20_070000_2020-11-20_210000.png. mag/SOD_MagData/ SOD_2020/2020_11/F_201122.MIN. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 65

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Первый в мире адаптивный цифровой компенсатор пассивных помех Владимир Бартенев ([email protected]) характеристики РЛС СТ-68 говорят о высоких технических требованиях, Статья приурочена к столетию АО «ВНИИРТ» и дню рождения Павла предъявленных заказчиком к этой Михайловича Чудакова, под руководством которого был создан станции, которые были выполнены. цифровой компенсатор пассивных помех. Однако при проведении испыта- В этом году в августе две юбилейные нён адаптивный цифровой компенса- ний опытного образца наблюдалось даты: 100 лет со дня создания Остехбю- тор пассивных помех. наличие значительного количества ро (ныне АО Всероссийский НИИ Ради- так называемых «ангелов» [3] в зоне отехники, «ВНИИРТ») и 100 лет со дня Несколько слов необходимо ска- обнаружения станции. Отражения от рождения директора «ВНИИРТ» Павла зать об этой уникальной РЛС СТ68 «ангелов», или, как ещё их называют Михайловича Чудакова. У оборонно- [1]. В ней было предложено много «отражения от ясного неба», наблюда- го предприятия АО «ВНИИРТ» богатая новых технических решений, в част- лись наиболее интенсивно в районах история. Трудно перечислить все науч- ности реализовано сочетание прин- 50–100 км от РЛС, их уровень превышал но-технические достижения (многие из ципов активной и пассивной ради- полезный сигнал до 30 дБ, а скорость которых были созданы впервые в мире) олокации. Работа многоканальной перемещения достигала 100–120 км/ч. этого награждённого орденом Трудо- многофункциональной радиолока- Система вторичной обработки станции вого Красного Знамени НИИ [1]. Но об ционной станции СТ-68 осуществля- перегружалась целеподобными отмет- одном из достижений, которое непо- лась в двух существенно разных диа- ками, нарушалась нормальная работа средственно связано со временем, когда пазонах волн. Использование двух РЛС, ухудшались точностные характе- во главе «ВНИИРТ» стоял Павел Михай- активных и двух пассивных каналов ристики. лович Чудаков, автор статьи хотел бы обеспечивало обнаружение целей по рассказать. всей зоне обзора, пеленгацию постав- Чтобы преодолеть указанные труд- щиков активных помех. Для селек- ности, был предпринят целый ряд 51 год назад по Постановлению ЦК ции целей на фоне комбинирован- мероприятий. Главный конструктор КПСС и СМ СССР от 8 июня 1970 г. ных помех использовалось сочетание РЛС С.П. Рабинович был отстранён от № 417-146. Всесоюзный НИИ радиотех- антенны с электронным сканировани- разработки, и работу возглавил лич- ники (ныне АО «ВНИИРТ») приступил ем в двух плоскостях и когерентного но директор «ВНИИРТ» Павел Михай- к разработке передвижной трёхкоор- накопления эхо-сигналов с режекци- лович Чудаков (см. рис. 2). Чудаков динатной радиолокационной станции ей отражений от различных пассив- создал в институте специализиро- обнаружения и сопровождения мало- ных помех. Для борьбы с помеха- ванное подразделение по цифро- высотных воздушных целей в усло- ми также использовалась круговая вой обработке сигналов. Автор этих виях воздействия активных и пассив- поляризация, аппаратура компен- строк тогда только влился в коллек- ных помех, СТ-68 (см. рис. 1). И вот в сации шумовых помех, бланкирова- тив «ВНИИРТ» после распределения этой РЛС впервые в мире был приме- ние импульсных сигналов, приходя- и окончания очной аспирантуры и щих по боковым лепесткам, схемы защиты кандидатской диссертации. Рис. 1. РЛС СТ-68 (ВНИИРТ) ШОУ, БАРУ и др. Высокая когерент- Мне было поручено оценить, как вли- ность излучаемых сигналов и циф- яет число усредняемых выборок при ровая обработка принимаемых сиг- оценке скорости пассивной помехи налов обеспечивали подавление на её подавление в адаптивном циф- отражений от местных предметов до ровом компенсаторе. Такая зада- 50–60 дБ, что очень важно для мало- ча мной была выполнена. При этом высотных РЛС. Имелся в РЛС СТ-68 и для решения этой задачи аналитиче- вспомогательный канал, где исполь- ски впервые было использовано рас- зовался квазинепрерывный сигнал, пределение Уишарта [4]. Полученные что позволило значительно улуч- результаты работы были внедрены в шить характеристики обнаружения РЛС СТ-68 для обнаружения маловы- в зоне обзора ниже 1° по углу места. сотных целей на фоне дискретных С помощью электронного сканиро- мешающих отражений. На заключи- вания в двух плоскостях (по азиму- тельном этапе разработки РЛС СТ-68 ту +30°, углу места от 0° до 6°) в РЛС П. М. Чудаков сделал всё возможное с использованием системы управле- для успешного окончания государ- ния зоной обнаружения можно было ственных испытаний и принятия «замедлять» обзор в требуемых секто- станции на вооружение. Автоматиче- рах, особенно в секторах с наличием ская адаптация режимов РЛС к окру- различных помех. Перечисленные жающей обстановке с применением селекции движущихся целей (СДЦ) 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ в виде адаптивного цифрового ком- были реализованы цифровые линии Рис. 2. П.М. Чудаков (1921–1985) пенсатора (АЦК) позволила успешно задержки когерентного накопите- решить возникшую проблему. Испы- ля. Для стабилизации ложных тревог Как уже было отмечено, приступив тания были завершены многоцелевой на входе накопителя было примене- в 1970 году к разработке мобильной «массовкой» с применением актив- но жёсткое ограничение сигналов на трёхкоординатной РЛС СТ-68, инсти- ных и пассивных помех повышен- промежуточной частоте с последую- тут не только создал цифровую систе- ной интенсивности. Станция вела щим выделением с помощью фазовых му СДЦ, но и сделал её адаптивной в себя отлично. Результаты превзош- детекторов квадратурных составля- виде цифрового адаптивного компен- ли все ожидания. ющих, которые с помощью компа- сатора пассивных помех. раторов квантовали фазу на четыре Прежде чем подробно рассмотреть уровня. С отводов регистров сдви- Рассмотрим устройство и работу АЦК устройство адаптивного цифрового га сигналы подавались на резистив- (блок 59ФК12). Фактически это СДЦ в компенсатора, следует вспомнить о ную матрицу, формирующую весовые виде цифрового двухкратного череспе- состоянии цифровой обработки коге- коэффициенты дискретного преобра- риодного компенсатора, в котором пер- рентных сигналов в начале 70-х годов зования Фурье. Сигналы с 32 допле- вая ступень – просто череспериодный в СССР и за рубежом. По мере того ровских каналов объединялись на вычитатель, а вторая ступень – вычита- как магнетроны в передатчиках РЛС выходе схемой максимального отбо- тель с адаптивно подстраиваемыми на заменялись мощными усилителями ра и после сравнения с порогом под- основе оценки доплеровской скорости (на клистронах ЛБВ, амплитронах), вергались дополнительно некогерент- пассивной помехи весовыми коэффи- что позволяло получить истинную ному накоплению. Испытания этого циентами. когерентность излучаемых радиоим- накопителя в 1974–1975 гг. показали пульсов, а на смену ртутным линиям хорошие результаты, и самое главное – На вход АЦК поступают следующие задержки и потенциалоскопам приш- выявили преимущество цифровой сигналы: ли кварцевые ультразвуковые линии обработки. Создать подобное устрой- ● параллельные двоичные 10-разряд- задержки, работающие на проме- ство на аналоговых линиях задерж- жуточной частоте, эффективность ки не представлялось возможным. ные коды по двум квадратурам; систем СДЦ существенно повыша- Попытки применить жёсткое огра- ● сигналы синхронизации; лась. Однако линии задержки требо- ничение на входе системы СДЦ, как ● трёхразрядные коды управления ре- вали термостатирования и всевозмож- в когерентном накопителе для упро- ных автоматических регулировок. щения цифровой их реализации, жимами работы. Поэтому проблема стабильной работы показали отрицательный резуль- С выхода блока снимаются выход- аналоговых когерентных систем оста- тат. Настоящей сенсацией в то время ные сигналы: валась главной. И хотя более совер- можно назвать статью в Westinghouse ● параллельный двоичный код – шенная элементная база с появлением Electric Corporation, где было приведе- 110-разрядные; транзисторов и первых интеграль- но описание практической реализа- ● импульсный сигнал НРД (начало ра- ных микросхем серьёзным образом ции первой в мире цифровой систе- бочей дистанции); повлияла на построение когерентных мы СДЦ [5]. Как отмечали авторы этой ● импульсный сигнал КРД (конец ра- систем обработки радиолокационных статьи, аналого-цифровой преобра- бочей дистанции). сигналов, самым узким местом к концу зователь являлся наиболее сложным Принцип работы АЦК сводится 60-х годов оставалось быстродейству- устройством в этой цифровой систе- к однократному череспериодному ющее аналого-цифровое преобразо- ме СДЦ. Это и понятно, 9-разрядный вычитанию входных кодов раздель- вание. Может быть, поэтому первым АЦП с частотой преобразования 10 но по каждой квадратуре без сдви- отечественным цифровым устрой- МГц в конце 60-х гг. изготовить было га нуля частотной характеристики, ством с когерентной обработкой непросто. В качестве цифровой памя- после которого производится допол- радиосигналов была не система СДЦ, а ти использовалась память на ферри- нительное череспериодное вычита- когерентный многоканальный допле- товых кольцах. Для ускорения работ ние совместно по обеим квадратурам, ровский накопитель на 32 импульса. по созданию цифровой системы СДЦ используя оценку межпериодной раз- Автору этой статьи довелось участво- в НИИИП было поручено подготовить ности фазы для сдвига положения нуля вать в разработке этого устройства, техническое задание и взаимодей- когда он работал в Новосибирском ствовать с Институтом электрометрии Научно-исследовательском институ- СОАН СССР, где по договору с НИИИП те измерительных приборов. Что же разрабатывался восьмиразрядный способствовало созданию цифрово- высокоскоростной АЦП с частотой го когерентного накопителя, который дискретизации 3 МГц. Эти работы был использован в РЛС 9С18 (главный велись в лаборатории А.Н. Касперови- конструктор А.П. Ветошко) для защи- ча. Такой АЦП был создан, более того, ты от мощных шумовых заградитель- он был внедрён на Новосибирском ных помех? К концу 60-х гг. в СССР заводе им. Коминтерна в РЛС 1С12 появились первые цифровые микро- в рамках проводившейся в то время схемы сдвиговых регистров 186-й модернизации. Однако более преу- серии. Например, 186ИР4 – 64-разряд- спел в области цифровой когерент- ный квазистатический последователь- ной обработки сигналов «ВНИИРТ». ный регистр сдвига. Именно на них и СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 67

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Режимы работы АЦК Режим ЧПК-Т ЧПК-0 АЦК-1 АЦК-2 работы 111 100 101 Код 110 0 000 001 010 011 90 без огр. (град) – 67,5 22,5 33,75 45 Рис. 3. Типовая ячейка АЦК В2ПР4 В режиме АЦК-2 оценка положения 1965 году. РЛС «Машук» (5Н88) – трёх- нуля скоростной характеристики про- координатная многофункциональная Рис. 4. Первый в мире адаптивный цифровой изводится путём усреднения по четырём РЛС кругового обзора с большой мощ- компенсатор пассивных помех элементам дистанции. Это режим защиты ностью излучения, рассчитанная на частотной характеристики АЦК. Вели- от перемещающихся протяжённых пас- обнаружение широкого класса целей чина сдвига нуля частотной характе- сивных помех. Для оценки межпериодной с различными ЭПР (вплоть до целей с ристики второго вычитателя либо рав- разности фазы использован алгоритм ЭПР 0,1–0,3 м2) в сложной помеховой на нулю по всем элементам дистанции максимального правдоподобия, реализо- обстановке (см. рис. 4). (режим ЧПК-0), либо автоматически ванный в масштабе реального времени. адаптируется (режим АЦК). На выхо- АЦК выполнен на типовом шасси полно- С самого начала разработки про- де блока для получения кода амплиту- го объёма. Вес – 13,5 кг. слеживалась тенденция получения ды производится объединение моду- высоких тактико-технических пока- лей квадратур. На лицевой панели расположены: зателей при использовании мощно- сигнальные лампочки, контрольные го 64-канального передатчика на ЛБВ, Режимы работы АЦК, коды режимов гнёзда, микротумблеры режимов. Все электронного управления формой, и граничные значения оценки межпе- применяемые в АЦК ячейки соединя- передающей диаграммы, позволяющая риодной разности фазы приведены в ются при помощи розеток и направ- получать обзорные и узконаправлен- таблице. ляющих, установленных на шасси ные лучи; многочастотность зондиру- блока. ющего ЛЧМ-сигнала, применения авто- В режиме ЧПК-Т вычитание кодов компенсаторов для повышения степени не производится, выполняется только В АЦК применялись интегральные защиты от активных помех, принима- транзит сигналов и объединение ква- микросхемы средней степени интегра- емых по боковым лепесткам. дратур. Режим АЦК имеет две модифи- ции 133 серии (см. рис. 3). ОЗУ, выпол- кации. В режиме АЦК-1 оценка положе- няющее роль цифровых линий задерж- Много сил было отдано разработке ния нуля скоростной характеристики ки, было выполнено на микросхемах системы компенсации помех, систе- производится без усреднения по эле- 134РУ6, которые представляли собой мы перестройки излучаемых частот и ментам дистанции. Это режим защиты статическое оперативное запоминаю- особенно вопросам автоматической от целеподобных сигналов «ангелов». щее устройство с произвольной выбор- обработки информации с помощью кой 1024х1 бит. ЭВМ «Гранит». В 1977 г. РЛС «Машук» успешно прошла государственные Теперь о Павле Михайловиче Чуда- испытания и была принята на воору- кове, который родился 26 августа 1921 жение. На научно-техническом совете года. Советский учёный, специалист по рассмотрению результатов разра- в области радиолокации, окончил ботки РЛС «Машук» основоположник отдельный военный факультет связи отечественной радиолокации акаде- МИИС (1942, ныне МТУСИ). Участ- мик Ю. Б. Кобзарев назвал станцию ник Великой Отечественной войны. «шедевром», так как на время созда- С 1946 по 1964 год работал в НИЭМИ, ния РЛС «Машук» она значительно пре- Москва. С 1954 года работал директо- восходила все существующие в мире ром этого предприятия. В этот период РЛС по своим тактико-техническим Чудаков руководил созданием радио- характеристикам (см. рис. 5). Однако локационной техники: станций ору- исключительность характеристик РЛС дийной наводки (СОН-4, СОН-15, потребовала большого аппаратурного СОН-30), радиоприборного комплек- объёма. Промышленность не в состоя- са (РПК-1 «Ваза»), приборов управле- нии была освоить серийное производ- ния артиллерийским зенитным огнем ство этой грандиозной РЛС. Так бес- (ПУАЗО-30-6, ПУАЗО-30), ЗРК «Круг». славно закончилась 12-летняя история Кандидат технических наук (1952). «Машука», не получившая дальнейше- С конца 1964 по 1980 год являлся го развития. директором «ВНИИРТ». Руководил разработкой многофункциональ- К великому сожалению, история ной РЛС «Машук» и полностью авто- РЛС «Машук» повторилась и с РЛС матизированной РЛС СТ-68. История СТ-68. Решая вопрос о запуске РЛС создания РЛС «Машук» заслуживает СТ-68 в серию, заказчик, ссылаясь на особого внимания [6]. Это была серьёз- высокую стоимость СТ-68, рекомен- ная работа, заданная «ВНИИРТ» в довал в производство упрощённый 68 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ги», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941–1945 гг.»). Учёный ушёл из жизни на 64-м году. Похо- ронен он на Кунцевском кладбище. аб Литература Рис. 5. РЛС «Машук»: а) антенно-поворотное устройство передающей позиции; б) антенно- 1. ВНИИРТ Страницы истории. Оружие и поворотное устройство приёмной позиции (ВНИИРТ) технологии. М,. 2006. вариант РЛС СТ-68У, разработанный был вынужден оставить руководство 2. Бартенев В.Г. Когерентная обработ- в КБ «Искра» (Украина). Все эти собы- «ВНИИРТ». ка радиолокационных сигналов: исто- тия, связанные с неудачами по вне- рия, состояние и перспективы // дрению в серийное производство РЛС Павел Михайлович Чудаков был награж- Электросвязь. 2014. № 3. «Машук» (5Н88) и СТ-68 (5Н59), нало- дён орденами Отечественной войны II жили серьёзный отпечаток на судьбу степени (1944), Красной Звезды (1945), 3. Бартенев В.Г. Радиолокационные отра- П.М. Чудакова, который в 1980 году Трудового Красного Знамени (1945, 1958), жения от «ясного неба» вынуждают улуч- 7 медалями (в том числе «За боевые заслу- шать параметры РЛС // Современная электроника. 2014. № 7. 4. Бартенев В.Г. Применение распределе- ния Уишарта для анализа эффективно- сти адаптивных систем селекции движу- щихся целей // Радиотехника и электро- ника. 1981. № 2. 5. Linder R.A., Kutz G.H. Digital Moving Target Indicators // IEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems. Vol. AES-3. 1967. № 6. 6. Корляков В.В., Кучеров Ю.С. Шедевр оте- чественной радиолокации // Военно- космическая оборона. 2007. № 5. ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 69

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ Терагерцовые квантовые технологии для цифровых денег, гиперскоростного SWIFT и безопасного безлюдного банкинга на элементах искусственного интеллекта Елизавета Вальт (г. Ульяновск), Александр Гордеев Предложенное позволит полностью (г. Ульяновск), Геннадий Святец (г. Санкт-Петербург) перейти на криптовалюту и усовершен- ствовать международную финансовую В статье рассматриваются вопросы внедрения терагерцовых технологий систему SWIFT, сделать её более ско- и искусственного интеллекта в мировую банковскую систему. ростной и безопасной. Перечислены перспективные отечественные наработки, способные решить практически все технологические проблемы в данной области. Введение Добавим сюда и следующие факто- Технологические платформы ры: численность банковских служащих нового банкинга Стремительное развитие цифровых в РФ никак не меньше 0,7 млн человек технологий требует внедрения новей- при средней зарплате около 80 тыс. Новейшими технологическими базо- ших разработок в международной меж- руб/мес, т.е. ≈ 0,6 триллиона руб/год. выми платформами для безлюдного банковской системе передачи инфор- банкинга с перспективой поэтапной мации и совершения платежей (SWIFT) Если мы обратим внимание на доход- реализации к 2027 году в РФ и после- и во всей банковской сфере экономики. ную часть консолидированного госбюд- дующей национальной монополии на жета в 2021 году (порядка 18,8 трилли- международном финансовом рынке к Сегодня внутренние и внешние она рублей) и статьи расходной части 2030 году являются: финансовые потоки банков всё ещё бюджета, то обнаружим, что на всё здра- ● системы распознавания личности в базируются на консервативных «сред- воохранение в РФ планируется выделить невековых» технологиях, таких как: 1,2 триллиона рублей, на образование – «чёрноволновом» исполнении с эле- ● бумажная денежная масса и драго- 1,2 триллиона рублей. Поэтому безлюд- ментами искусственного интеллекта; ный банкинг – не такая уж пустая затея. ● индивидуальные терафлопсные, бан- ценные металлы; ковские петафлопсные цифровые си- ● системы идентификации (паспорт, Модель внедрения стемы и экзафлопсные суперкомпью- терагерцовых технологий теры у Центробанка и крупнейших биометки, ДНК); для криптовалюты, банков РФ (Сбербанка, Газпромбан- ● финансовые документы с подписью гиперскоростной системы ка, ВТБ, ВЭБ, Россельхозбанка и др.) SWIFT и безопасного с операционной способностью зна- «от руки» или электронной подписью; безлюдного банкинга чительно выше, чем у суперкомпью- ● проводки по Интернету; тера Christofari Сбербанка; ● приём, сверка и обработка инфор- Предлагается модель новой кван- ● 7G (2…3 Тбит/с) и, впоследствии, в четвёртом десятилетии последова- мации; товой технологической платформы тельно 8G (до 15 Тбит/с), 9G (до 30 ● логистическая перекачка финансо- и выше Тбит/с), наработки по 10G к в финансовой системе SWIFT и всей 2040 году в ультрафиолете на часто- вого капитала; тах ≈ 800 ТГц (400 Тбит/с). ● операции с наличными через систе- банковской сфере экономики, вклю- Система распознавания му идентификации физического или чающая в себя: образов на элементах юридического получателя. искусственного интеллекта Устаревшие финансовые техноло- ● полный переход на цифровые день- гии в SWIFT и всей банковской систе- Безлюдный банкинг – это виртуаль- ме определяют целый ряд проблем в ги, исключение из оборота чеканных ное пространство личности с наделени- финансовой сфере экономики. Недо- ем её абсолютными правами временно- статки устаревших банковских техно- и бумажных денежных средств, дра- го присутствия в тера- и петагерцовых логий очевидны: цифровых сетях мировой банковской ● сложность операций с криптовалю- гоценных металлов; системы. той из-за отсутствия терагерцовых цифровых систем; ● введение «безофисного», «безлюдно- Проведение операционных прово- ● длительность и задержки во времени. док цифровых денег (криптовалю- Сегодня SWIFT – чрезвычайно мед- го» цифрового банкинга; ты) требует абсолютной надёжности ленная система (до трёх суток) меж- таких операций. Кроме того, необходи- дународного финансового оборота; ● переход на терагерцовый диапа- мо навсегда закрыть проблемы хакер- ● зачастую необходимость личного ского взлома баз данных, депозитной и присутствия при проведении бан- зон беспроводной связи 7G GSM активной финансовой ёмкости банков. ковских операций; ● угроза мошенничества и офшорных 5,0…7,5 ТГц (в «окнах прозрачности» коррупционных схем. атмосферы); 70 ● создание цифровых COOL- терагерцовых систем; ● введение квантово-терагерцовой си- стемы идентификации личности на основе абсолютно безопасного «чёр- новолнового» терагерцового кодиро- вания. WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ Можно ли создать такую безопасную ● кулоновские субтерагерцовые, с пре- стороны определённых научных кру- систему с вероятностью ошибки до 10–12%? дельной частотой коммутации GaAs гов и чтобы были приняты соответ- Конечно, можно. Это обеспечивается тем MOS цифровые СБИС с длиной кана- ствующие решения на государствен- обстоятельством, что на планете нет абсо- ла до 100 нм (fT = 600 ГГц) и до 65 нм ном уровне. лютно одинаковых людей по внешним (fT до 1000 ГГц) 300…500 Гбит/с; («оптическим») признакам и, конечно, нет Что касается 7G, то здесь практиче- совпадающего спектра энергии излучения ● фотонно-фононно-плазмоидные ски нет особых проблем выполнить в «чёрноволновом» диапазоне [1]. цифровые системы на частотах твердотельные терагерцовые прибо- прозрачности беспроводных си- ры (усилители, генераторы, фазовра- «Чёрноволновое» излучение содержит стем 5,0…7,5 ТГц (до 2…3 Тбит/с); щатели, синтезаторы, смесители, умно- гамму квантов излучения в диапазоне 25…30 ТГц (до 10…15 Тбит/с) и до жители, УПЧ, оптические модуляторы, 5…15 мкм, обеспечивающих информа- 600…800 ТГц (до 300…400 Тбит/с). WGM (Whispering Gallery Mode) на цию о поверхности лица, рук, человече- В первом случае системы могут быть модах Блоха, гетероантенны на основе ского тела. Это терагерцовый диапазон, структуры металл-диэлектрик и мно- этот набор комбинаций спектра излуче- выполнены на сэндвич-подложках диа- гое другое). ния от каждого человека может принять метром 150 мм Si-Se-Ge-GaAs (МOCVD) – в память только экзафлопсный компью- GaAs (LPE2), во втором случае – на мате- Следовательно, преодолев консер- тер. На фоне такой технологии дей- риалах LPE i-SiGaAsSi и на тринитридном ватизм и повысив уровень компетен- ствия хакеров становятся невозможны- AlN на частотах вблизи 600 ТГц. ции высших академических кругов в ми. Кроме того, система распознавания физике твёрдого тела, Россия может в личности исключает действия мошен- В России всё есть с точки зрения кратчайшее время приступить к реа- ников. В этом и заключается смысл вве- технологии, уникальнейших мате- лизации этой стратегической задачи дения абсолютно безопасного «чёрно- риалов, но, к сожалению, достаточно (ёмкость рынка 7G – до 1,2 триллио- волнового» искусственного интеллекта и некомпетентности, даже в высших на долларов). в банковских цифровых сетях. научных кругах. Мы рассчитываем на заинтересованность крупнейших бан- Заключение Частотный диапазон «чёрноволново- ков в развитии новейших цифровых го» излучения тела человека: систем. В статье показано, как построить ● базовый – 6×1013…2×1011 Гц; новейшую гиперскоростную ультра- ● совокупный – 6×1013…3×1011 Гц. В области фотонно-фононно-плаз- современную технологию безлюдно- моидной технологии создания ново- го банкинга с элементами искусствен- Имеющиеся технологии и материа- го поколения квантовых/фотонных ного интеллекта. Статья рассчитана на лы в России: компьютеров есть не только сторон- заинтересованность со стороны Сбер- ● LPE i-SiGaAsSi – фотонно-фононный ники этого направления, но и явные банка, ВТБ, ВЭБ, Газпромбанка. В публи- научные лидеры – в научных центрах кации показаны будущие технологии изолятор на эффекте расщепления Сарова, Ростова-на-Дону, Самары, для терагерцовой цифровой экономи- запрещённой зоны [5]; Санкт-Петербурга. Добавим, что име- ки в России в целом. ● AlN фотонно-фононный приёмник ется также проект Федеральной про- ИК излучения [2]; граммы по созданию фотонных ком- Литература ● Si-SiC терагерцовый генератор на ча- пьютеров на базе Росатома. стоты 3×1013…3×1011 Гц. 1. Гордеев А.И. Как завоевать мировой Технологии LPE i-SiGaAsSi и AlN тол- 6G, 7G – реальность создания рынок электроники в посткремние- стых бездефектных кристаллов, а так- к 2030 году или миф? вую эпоху? // Современная электрони- же технология лантаноидных наноге- ка. 2021. №3. тероструктур Si-SiC для ТГц-генерации Перспективы создания 5G в Рос- и «чёрноволнового» приёма в необхо- сии весьма туманны. На частотах 2. Кукушкин С.А., Шарофидинов Ш.Ш. димых для мирового рынка объёмах 6 ГГц они никому не нужны. Часто- Новый метод получения объёмных кри- могут быть развёрнуты в России за ты 27…29 ГГц с полосой производи- сталлов AlN, GaN и AlGaN с использовани- один-полтора года. тельности до 10…15 Гбит/с, которые ем гибридных подложек SiC/Si // Физика Физическая модель «чёрноволново- по меркам Запада являются «сред- твёрдого тела. 2019, т. 61. Вып. 12. го» приёма/излучения, построенная ними по возможностям», России с её на более ранних работах советских собственной элементной базой при 3. Ахманов С.А. , Хохлов Р.В. Об одной воз- учёных С.А. Ахманова, Р.В. Хохлова [3], существующем положении дел не по можности усиления световых волн // показана в работах [4–6]. Она так- зубам, хотя, в принципе, технологи- ЖЭТФ. 1962. Т. 43. № 1. С. 351–353. же была представлена в докладе чески – всё есть. В том числе имеет- А.И. Гордеева на 25-й Международной ся возможность реализации синтеза- 4. Гордеев А.И., Войтович В.Е., Звонарев А.В.. научно-технической конференции по торов частот, объёмно-акустических Новая физическая твёрдотельная элек- фотоэлектронике и приборам ночно- фильтров, p- и n-канальных LPE GaAs троника на основе терагерцового рас- го видения (Москва, 24–26 мая 2018 г.). MOSFET с комбинированным каналом щепления и деформации запрещённой на граничные частоты до 500 ГГц с мощ- зоны LPE SiGaAsSi-кристаллов. Ч. 1 // Ради- Цифровые терагерцовые ностью как минимум 1,0 Вт/300 ГГц, а отехника. 2017. № 10. и петагерцовые системы также на основе зонно-релятивист- для нового банкинга ских LPE GaAs MOSFET (p- и n-канал) – 5. Гордеев А.И. Перспективные терагерцо- до 3,0 Вт / 300 ГГц. вые поляризованные информационные В РФ имеются условия для рывка по системы в 2 ч. // Современная электро- таким технологическим направлени- Таким образом, для создания 6G име- ника. 2016. № 6, 7. ям, как: ется всё необходимое, нужно только, чтобы не было противодействия со 6. Войтович В.Е. , Гордеев А.И., Звонарев А.В. Терагерцовая тепловольтаика на основе монокристаллов LPE i-GaAs (SiO), в 2 ч. // Современная электроника. 2017. № 3, 4. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2021 WWW.SOEL.RU 71



Смотрите на канале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 17 июня 2021 года в Москве состоялась «…С точки зрения профессионализма контрактного конференция контрактных производи- производства хотелось бы большего…» телей электроники под эгидой АРПЭ. Со многими её участниками нам уда- лось побеседовать. Получился своео- бразный срез рынка контрактников, позволяющий оценить настроения, ожидания и текущие планы, озвучен- ные экспертами-практиками из многих отечественных предприятий. 1 июля 2021 года команда «Современ- «…Выпуская новый прибор на рынок мы уже задумываемся ной электроники» побывала в гостях о том, как будет выглядеть наш следующий осциллограф…» в офисе компании Rohde&Schwarz и приняла участие в презентации нового осциллографа RTO6, пришедшего на смену легендарной серии RT2000. Новый прибор – это настоящая на- стольная лаборатория электронщика. Но не будем голословными: в нашем ро- лике вы услышите обо всех ключевых особенностях RTO6 из первых уст. НТЦ «Модуль» более 30 лет успешно ра- ботает на российском рынке наукоём- ких технологий. Компания создаёт высокопроизводи- тельные процессорные ядра и анало- гово-цифровые системы-на-кристалле, разрабатывает и производит аппара- туру управления и контроля самых современных авиационных и космиче- ских систем, аппаратно-программные решения в области нейронных сетей и многое другое. Репортажи с производства НТЦ «Мо- дуль» смотрите на нашем канале уже сегодня! ЖУРНАЛ ЖУРНАЛ СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ www.SOEL.ru www.CTA.ru

Реклама