Современная электроника 2018 №6

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВОСТИ МИРА за счёт чего экономится место на рабочем ется интерфейс осциллографа Keysight столе. Кроме того, такими приборами могут InfiniiVision, аналогичный интерфейсу на- USB-ПЛАТФОРМА СЕРИИ пользоваться все члены группы разработчи- стольных осциллографов. STREAMLINE: РАСШИРЕННЫЕ ков. USB-приборы занимают мало места в ● Трёхканальный генератор сигналов про- стойке, поэтому они идеальны для ручного извольной формы P9336A, использующий ВОЗМОЖНОСТИ БЕЗ или полуавтоматического тестирования при уникальную технологию Trueform, обеспе- КОМПРОМИССОВ выполнении квалификационных испытаний чивает разрешение 16 разрядов с мак- и в мелкосерийном производстве. симальной полосой анализа 540 МГц и Keysight Technologies представляет новую максимальной встроенной памятью 4 ГБ. измерительную платформу, гарантирующую Платформа Keysight серии Streamline объ- Области применения – от стандартного стабильность и воспроизводимость резуль- единяет следующие модели: тестирования до генерации сложных сиг- татов измерений на всех этапах разработки. ● Компактные двухпортовые векторные налов I/Q для получения характеристик Новая серия Streamline состоит из компакт- приёмопередатчиков и модуляторов. Соз- ных USB-приборов: векторных анализаторов анализаторы цепей серии P937xA с ди- дание сигналов упрощено за счёт совме- цепей (VNA), осциллографов и генераторов апазоном частот до 26,5 ГГц предна- стимости USB-генератора сигналов про- сигналов произвольной формы (AWG), ко- значены для тестирования пассивных извольной формы с ПО Signal Studio. торые используют проверенные временем устройств, таких как антенны, фильтры технологии, алгоритмы измерения и при- и дуплексеры. При работе на внешнем ПК Пресс-служба Keysight Technologies кладное программное обеспечение Keysight. контекстно ориентированный интерфейс пользователя идентичен интерфейсу по- Измерительная платформа Streamline по- следних моделей настольных векторных зволяет разработчикам в условиях жёсткой анализаторов цепей Keysight. конкурентной борьбы обеспечить эффектив- ● Высокопроизводительные осциллогра- ность, оптимизацию ресурсов и соблюдение фы серии P924xA обеспечивают полный сжатых сроков при создании новых элек- набор измерительных функций, а также тронных устройств. Теперь заказчики могут расширенные возможности запуска, вы- быть уверены, что при переходе от одного сокую скорость обновления сигналов на этапа разработки к другому они получат точ- экране и такие востребованные функции, ные и воспроизводимые результаты измере- как запуск по выделенной зоне. При ра- ний независимо от типа используемого при- боте на пользовательском ПК использу- бора – USB, модульного или настольного. Управление новыми приборами Keysight осуществляется с ПК через интерфейс USB, Серия светодиодных кластеров XLD-LINE с питанием 12 или 24 В Преимущества – Простота подключения благодаря специальным разъемам – Деление на отрезки – Коммутация кластеров в линию произвольной длины – Высокий световой поток – Широкий диапазон рабочих температур –40…+70°С – Безопасное низковольтное оборудование – Срок службы не менее 50 000 часов (495) 232-1652 [email protected] www.xlight.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU Реклама 49

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Устройство для новогодней ёлки Сергей Шишкин ([email protected]) ключена к КСЭ № 1 (кнопки S6…S8 при этом не задействованы). Если SA1 уста- В статье представлено устройство для оформления новогодней ёлки, новлен в положение «2», то клавиатура выполненное на базе микроконтроллеров АTtiny2313. Основные (кнопки S1…S8) подключена к реле вре- составные части устройства: контроллеры световых эффектов мени № 1. Если SA1 установлен в поло- с заданием номера исполняемого светового эффекта и скорости жение «3», то клавиатура (кнопки S1… переключения индикаторов, реле времени, блок управления вращением S5) подключена к КСЭ № 2 (кнопки S6… ёлки. S8 при этом не задействованы). Если же SA1 установлен в положение «4», то кла- Предлагаемое устройство прежде все- В течение данного интервала КСЭ № 2 виатура (кнопки S1…S8) подключена к го ориентировано на украшение ново- реализует световой эффект, который РВ № 2. годней ёлки, но может быть использова- задан заранее. но также для оформления праздничных Пусть галетный переключатель SA1 иллюминаций. Праздничный антураж Световые эффекты, реализуемые в платы клавиатуры установлен в поло- создают световая иллюминация и вра- КСЭ № 1 и КСЭ № 2, будут приведены жение «1». щение ёлки с изменением направления. ниже. РВ № 2 задаёт интервал вращения Устройство выполнено на микрокон- ёлки по часовой стрелке Т3 и интервал Для описания световых эффектов, троллерах АTtiny2313. Его функцио- вращения ёлки против часовой стрел- реализуемых в КСЭ № 1, введём следу- нальная схема приведена на рисунке 1. ки Т4. Интервал Т1 равен интервалу Т2. ющие условные обозначения: инди- Соответственно, Т3 равен Т4. катор HL1 – индикатор № 1, индика- Составные части устройства: плата тор HL2 – индикатор № 2, индикатор клавиатуры, контроллеры световых Принципиальная схема КСЭ № 1 при- HL64 – индикатор № 64. Конструктивно эффектов № 1 и № 2 (далее – КСЭ № 1 ведена на рисунке 3. КСЭ № 1 и КСЭ индикаторы № 1…№ 8 образуют собой и КСЭ № 2), реле времени № 1 и № 2 № 2 совершенно идентичны. Принци- гирлянду (далее – гирлянда № 1), соот- (далее – РВ № 1 и РВ № 2), блок управ- пиальная схема РВ № 1 приведена на ветственно, индикаторы № 9…№ 16 ления вращением ёлки (далее – БУВ). рисунке 4. Принципиальная схема пла- образуют гирлянду № 2 и т.д. Индикато- Временна′я диаграмма работы устрой- ты клавиатуры приведена на рисунке 5. ры № 57…№ 64 – гирлянда № 8. Считаем ства приведена на рисунке 2. также, что конструктивно все индика- Соединители Х2, Х4 платы клавиа- торы в гирлянде расположены в один РВ № 1 задаёт интервалы работы Т1 туры подключаются соответственно к ряд. Что касается ёлки, то на левой её и Т2 КСЭ № 1 и КСЭ № 2. Т1 – интер- соединителям Х1 КСЭ № 1 и КСЭ № 2. стороне целесообразно разместить гир- вал, в течение которого функциониру- Соединители Х3, Х5 платы клавиатуры лянды с нечётными номерами, на пра- ют гирлянды КСЭ № 1. В течение дан- подключаются соответственно к соеди- вой – с чётными. ного интервала КСЭ № 1 реализует нителям Х2 РВ № 1 и РВ № 2. Галетный световой эффект, который задан зара- переключатель SA1 платы клавиатуры В интерфейс управления КСЭ № 1 нее. Т2 – интервал, в течение которо- имеет четыре положения: «1», «2», «3», входят: клавиатура (кнопки S1…S5 на го функционируют гирлянды КСЭ № 2. «4». Если SA1 установлен в положение плате клавиатуры), дисплей из двух «1», то клавиатура (кнопки S1…S5) под- цифровых индикаторов HG1, HG2. Питающее Контроллер световых Работа Работа Работа Работа напряжение эффектов № 1 контроллера контроллера контроллера контроллера световых световых световых световых Реле времени № 1 эффектов № 1 эффектов № 2 эффектов № 1 эффектов № 2 T1 T2 T1 T2 t Плата а клавиатуры Контроллер световых эффектов № 2 Вращение ёлки Вращение ёлки Вращение ёлки Вращение ёлки по часовой стрелке против часовой по часовой стрелке против часовой стрелки стрелки T3 T3 T4 T4 Реле времени № 2 0 t б Блок управления вращением ёлки Рис. 2. Временна′я диаграмма работы устройства: а) интервалы работы, задаваемые РВ № 1; б) интервалы работы, задаваемые РВ № 2 Рис. 1. Функциональная схема устройства WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 50

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Число, индицируемое на индикато- X2 WF-2 R29 R30 VT10 HL19 3 HL27 3 HL35 3 HL43 3 HL51 3 HL59 HL60 HL61 HL54 6 HL62 HL63 HL64 ре HG1, определяет номер светового Öåïü 3ê 1ê HL57 эффекта, исполняемого в устройстве. 5Â1 1 HL58 Число, индицируемое на индикаторе Îáù. 5Â1 2 HG2, определяет относительную ско- 16 P3.5 P3.6 VT9 HL52 4 HL53 5 HL55 7 HL56 8 рость переключения индикаторов в R27 R28 HL49 1 выбранном световом эффекте. Дан- 3ê 1ê HL50 2 ное число может изменяться в преде- лах от 1 до 9 с шагом 1. R26 VT8 HL44 4 HL45 5 HL46 6 HL47 7 HL48 8 1ê HL41 1 Кнопки клавиатуры имеют следую- HL42 2 щее назначение: ● S1 (Δ) – инкремент числа, индици- R25 VT7 HL36 4 HL37 5 HL38 6 HL39 7 HL40 8 3ê HL33 1 руемого на индикаторе HG1 (выбор HL34 2 номера выполняемого светового эф- VT1...VT10 ÊÒ3107Å R24 фекта); инкремент числа, индициру- 1ê емого на индикаторе HG2 (увеличе- ние скорости); 14 15 R23 VT6 HL28 4 HL29 5 HL30 6 HL31 7 HL32 8 ● S2 (∇) – декремент числа, индици- 3ê HL25 1 руемого на индикаторе HG1 (выбор HL26 2 номера выполняемого светового эф- R22 фекта); декремент числа, индициру- 1ê емого на индикаторе HG2 (уменьше- ние скорости); R20 R21 VT5 HL20 4 HL21 5 HL22 6 HL23 7 HL24 8 ● S3 (С) – старт/стоп (после нажатия на 1ê 3ê HL17 1 данную кнопку устройство реализует HL18 2 световой эффект, индицируемый на индикаторе HG1, со скоростью пере- 13 VT4 HL11 3 HL12 4 HL13 5 HL14 6 HL15 7 HL16 8 ключения, индицируемой на инди- R18 R19 HL9 1 каторе HG2); 1ê 3ê HL10 2 ● S4 (В) – включить/выключить все ин- дикаторы HL1…HL64 (после нажатия 12 VT3 HL3 3 HL4 4 HL5 5 HL6 6 HL7 7 HL8 8 на данную кнопку включаются/вы- R16 R17 HL1 1 ключаются все индикаторы HL1… 1ê 3ê HL2 2 HL64. Данная опция необходима для проверки работоспособности всех +5 Â 11 1 5 7 R1 6 8 индикаторов в устройстве); R14 R15 2 HG1, HG2 HDSP-F501 ● S5 (Р) – кнопка выбора режима рабо- 1ê 3ê 3 ты кнопок S1, S2 – задание светового 4 6 эффекта или задание скорости (при выборе режима задания скорости у HG2 VT2 1 индикатора HG2 включается точка h). 6 Номера световых эффектов задают- ся кнопками S1, S2 и далее подтверж- +U gb c даются кнопкой S3. Световые эффек- +U h ты, реализуемые в устройстве, анало- гичны описанным в статье [3]. a d Алгоритм работы КСЭ № 1 следую- щий. Номер исполняемого светово- 10 f го эффекта задаётся кнопками S1, S2. R13 e Далее необходимо нажать кнопку S4 (В), 3ê при этом включится точка h в индика- A торе HG2 дисплея. Далее кнопками S1, B S2 задаётся скорость переключения C индикаторов в выбранном световом D эффекте. Исполнение эффекта начина- E ется после нажатия кнопки S3 (С). Для F исполнения другого светового эффек- G та (или для изменения скорости пере- H ключения индикаторов в исполняе- мом) необходимо нажать кнопку S3 (С) 10 (остановить исполняемый световой 9 эффект) и выполнить вышеуказанные 8 5 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 4 2 3 7 1 2 3 4 5 6 7 8 +5 Â HG1 VT1 1 Õ1 WF-12 R12 6 1ê +U gb c +U h a d 9 f Öåïü Êí. 4 4 Ð3.4 3,6 ê 7 8 R11 e Êí. 1 1 Êí. 5 5 Êí. 1-5 9 3ê Êí. 2 2 A Êí. 3 3 10 B 5 Â 11 C GND 12 D E F G H 10 9 8 5 4 2 3 7 1 5Â 2 3 4 5 6 7 8 R2...R9 200 1 R10 10 ê 2 3 4 5 6 7 8 C6 0,15 ìê 9 3 7 17 1 17 3 4 5 C5 Рис. 3. Принципиальная схема КСЭ № 1 10 4 18 2 10 ìê 25 Â 11 5 2 12 6 13 14 3 5 6 7 15 4 8 16 1 2 ZQ1 12 C1 ÐÊ100ÊÀ- DD2 13 43 12ÁÍ-10000Ê ÀÒTINY2313A-PU 14 15 16 17 18 19 1 2 CPU AIN1 5 AIN2 6 ÐB2 9 ÐB3 12 ÐB4 15 ÐB5 16 ÐB6 19 ÐB7 RST DD1 Q0 5Â ÊÐ555ÈÐ23 Q1 C3 C4 Q2 0.1 0.1 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 RG D0 Õ1 RXD D1 Õ2 TXD D2 INT0 D3 INT1 D4 Ò0 D5 Ò1 D6 ÐD6 D7 C OE 3 5 2 4 4 3 7 6 8 7 13 8 14 9 17 11 18 11 1 1 P3.2 2 P3.4 3 P3.5 4 P3.6 5 6 Ê âûâ. 20 DD1, 7 DD2 8 Ê âûâ. 10 DD1, P3.2 C2 43 DD2 WWW.SOEL.RU 51

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Õ2 WF-12 1 Öåïü 2 R7 3 Êí. 1 1 VT1...VT3 ÊÒ3107Å 3,6 ê 4 Êí. 2 2 Êí. 3 3 Ð3.3 5 Êí. 4 4 5Â 6 Êí. 5 5 7 Êí. 6 6 8 Êí. 7 7 Ê âûâ. 20 DD1 C1 C2 C3 Êí. 8 8 P3.0 5 Â P3.1 5 Â P3.2 5Â Ê âûâ. 10 DD1 0.1 0.1 10 ìê 25 Â R17 R18 R19 R20 R21 R22 Êí. 1-8 9 12 Â 12 Â 10 1 ê VT4 3 ê 1 ê VT5 5 Â 11 GND 12 5 Â ZQ1 3 ê 1 ê VT3 3 ê C4 ÐÊ100ÊÀ- DD1 43 12ÁÍ-10000Ê ÀÒTINY2313A-PU R9...R16 200 HG1 HG2 HG3 R1 R3 5 Õ1 CPU AIN1 12 1 1 1 1 10 A 1 1 10 A +U 1 1 10 A +U 1 510 510 Õ2 AIN2 13 2 2 2 9 B 6 2 9 B +U 6 2 9 B +U 6 C5 4 14 3 2 3 3 8 C +U 3 8 C 3 8 C HL1 HL2 43 15 4 3 4 4 5 D a +U 4 5 D a 4 5 D a ÀË307ÀÌ ÀË307ÀÌ 2 16 5 4 5 5 4 E 5 4 E 5 4 E P3.0 3 RXD ÐB2 17 6 5 6 6 2 F f gb 6 2 F f gb 6 2 F f gb P3.1 6 TXD ÐB3 18 6 7 7 3 G e 7 3 G e 7 3 G e P3.2 7 INT0 ÐB4 19 7 7 8 8 7 H d c 8 7 H d c 8 7 H d c P3.3 8 INT1 ÐB5 8 8 h h h 9 Ò0 ÐB6 1 X1 WF-4 11 Ò1 ÐB7 Öåïü 12 Â ÐD6 RST R8 1 5Â1 10 ê 2 Îáù.1 12 Ê1.1 5 Â Ê1 5Â HG1...HG3 3 5Â2 À ÐÏ21-004 12Â 5Â HDSP-F501 4 Îáù.2 14 11 VT2 R5 C6 0,15 ìê Â ÊÒ3107Å 1ê Îáù. 5 VD1 ÊÄ212À VT1 ÊÒ829À Îáù. 5 R4 3ê R6 3ê R2 3ê Рис. 4. Принципиальная схема РВ № 1 операции. На 7-сегментном индикато- системного аппаратного сброса микро- мы обработки прерывания от таймера/ ре HG1 буква B и цифра 8, а также бук- контроллера. При инициализации во все счётчика 1. В подпрограмме обработ- ва D и цифра 0 индицируются одинако- разряды портов микроконтроллера DD1 ки прерывания осуществляются фор- во, поэтому при индицировании букв B записывается лог. 1. мирование временно′го интервала для и D на 7-сегментном индикаторе HG1 включения индикаторов, опрос клави- включается точка h. Ключи на транзисторах VT3…VT10 атуры, работа динамической индика- закрыты, индикаторы HL1…HL64 ции, а также происходит выполнение Рассмотрим основные функцио- выключены. С соединителя Х1 РВ № 1 всех световых эффектов, реализован- нальные узлы принципиальной схемы на соединители Х2 КСЭ № 1 и КСЭ № 2 ных в устройстве. В памяти данных устройства. Рабочая частота микрокон- поступает питающее напряжение для микроконтроллера DD1 с адресов троллера DD2 задаётся генератором с питания гирлянд КСЭ № 1 и КСЭ № 2. 60Н…69Н организован буфер отобра- внешним резонатором ZQ1 на 10 МГц. Алгоритм работы РВ № 1 с КСЭ № 1 и жения для динамической индикации. С порта РВ микроконтроллер DD2 управ- КСЭ № 2 будет приведён ниже. По адресу 60Н размещён байт номера ляет индикаторами гирлянд № 1…№ 8. отображаемого светового эффекта. По Соответственно, гирлянды управляются Программное обеспечение микро- адресу 61Н размещено число, задаю- ключами, выполненными на транзисто- контроллера DD2 обеспечивает реали- щее скорость переключения. Данные рах VT3…VT10. Данные ключи управля- зацию алгоритма работы задаваемых байты после перекодировки в режи- ются с выводов синхронного регистра световых эффектов в режиме динами- ме динамической индикации выводят- DD1. Резисторы R2…R9 – токоограни- ческой индикации. Задача по формиро- ся на дисплей устройства. 62Н…69Н – чительные для индикаторов HL1…HL64. ванию временно′го интервала для вклю- адреса, где хранятся текущие значения Данные индикаторы и индикаторы HG1, чения индикаторов на каждой гирлянде для индикаторов HL1…HL64 (гирлянд HG2 работают в режиме динамической (или интервала переключения индика- № 1…№ 8). Доступ к данным в адрес- индикации. Коды для включения инди- торов и гирлянд) решена с помощью ном пространстве с помощью адрес- каторов при функционировании дина- прерываний от таймера/счётчика 1 и ных указателей следующий: адреса гир- мической индикации поступают на счётчиков на регистрах r8 (sek1) и r13 лянд № 1…№ 8 и байты номеров свето- вход порта PВ микроконтроллера DD2. (min1). Таймер/счётчик 1 формиру- вого эффекта и скорости загружаются Регистр DD1 управляет ключами VT1… ет запрос на прерывание, счётчики на в Y-регистр во фрагментах программы, VT10. Для функционирования клавиа- регистрах r8 и r13 подсчитывают коли- где происходит выполнение светового туры задействован вывод 8 микрокон- чество, и устанавливается необходи- эффекта, Z-регистр задействован толь- троллера DD2. Питающее напряжение мый флаг (нулевой разряд регистра r19 ко во фрагменте динамической инди- поступает на плату с соединителя Х1. (flo)). Скорость переключения индика- кации. Конденсатор С5 фильтрует пульсации торов меняется путём изменения чис- в цепи питания +5 В. Сразу после пода- ла, загружаемого в регистр r13 (min1). Разработанная программа на ассем- чи питания на выводе 1 микроконтрол- блере занимает порядка 2 Кбайт памя- лера DD2 через RC-цепь (резистор R10, Программа состоит из трёх основ- ти программ (flash-память программ) конденсатор С6) формируется сигнал ных частей: процедуры инициализа- микроконтроллера, то есть память ции, основной программы, работаю- щей в замкнутом цикле, и подпрограм- 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ заполнена полностью. Как видно из S1 \"D\" VD1 SA1 \"Ê\" Õ2 HU-12 схемы, аппаратно в микроконтроллере ÏÃ3-5Ï10Í задействованы все ресурсы. Из перифе- Öåïü рийных устройств в микроконтроллере ÏÊÍ125 ÊÄ522Ä SA1.1 4 Êí. 1 1 задействован только таймер/счётчик 1. 1 Êí. 2 2 11 6 2 4 5 Êí. 3 3 В КСЭ № 1 (КСЭ № 2) использова- 2 3 10 Êí. 4 4 ны резисторы С2-33Н-0,125, однако S2 \"D\" \"1\" 4 6 Êí. 5 5 подойдут и любые другие с такой же ÏÊÍ125 \"2\" 5 мощностью рассеивания и погрешно- VD2 \"3\" 19 7 6 стью 5%. Конденсаторы С1…С4, С6 – ÊÄ522Ä \"4\" 25 8 7 типа К10-17а, С5 – типа К50-35. 7-сег- 8 ментные индикаторы HG1, HG2 – типа S3 \"Ñ\" VD3 3 2 12 7 5 Êí. 1-5 9 HDSP-F501, индикаторы HL1…HL64 – ÏÊÍ125 ÊÄ522Ä 4 8 10 типа КИПД40С20-Л4-П7. 9 5 V 11 S4 \"Ð\" VD4 10 11 9 GND 12 Пусть галетный переключатель SA1 11 20 платы клавиатуры установлен в поло- 26 1 Õ3 HU-12 жение «2». Рассмотрим работу РВ № 1. ÏÊÍ125 ÊÄ522Ä Канал управления реле К1 собран на Öåïü транзисторах VT1, VT2. Канал управ- SA1.2 2 Êí. 1 1 ляется с вывода 11 микроконтролле- 1 Êí. 2 2 ра DD1. С порта РВ микроконтроллер S5 \"Â1\" VD5 3 6 2 6 Êí. 3 3 DD1 управляет клавиатурой (кноп- 5 3 Êí. 4 4 ки S1…S9) и динамической индикаци- ÏÊÍ125 ÊÄ522Ä \"1\" 4 12 Êí. 5 5 ей. Динамическая индикация собра- \"2\" 5 Êí. 6 6 на на транзисторах VT2…VT4, цифро- \"3\" 21 10 Êí. 7 7 вых 7-сегментных индикаторах HG1… \"4\" 27 Êí. 8 8 HG3. Резисторы R6…R13 – токоогра- S6 \"Â2\" VD6 Êí. 1-8 9 ничительные для сегментов индика- ÏÊÍ125 11 12 V 10 торов HG1…HG3. Коды для включения 5 V 11 индикаторов HG1…HG3 при функцио- ÊÄ522Ä 6 4 12 12 GND 12 нировании динамической индикации поступают на вход PВ микроконтрол- S7 \"Î\" VD7 7 7 13 Õ4 HU-12 лера DD1. Для функционирования кла- 8 виатуры задействован вывод 7 микро- ÏÊÍ125 79 13 14 Öåïü контроллера DD1. ÊÄ522Ä 10 22 Êí. 1 1 28 15 Êí. 2 2 Элементы интерфейса управления Êí. 3 3 и контроля РВ № 1 имеют следующее S8 \"Â3\" VD8 11 16 Êí. 4 4 назначение: Êí. 5 5 ● S1 (Δ) – увеличение на единицу зна- ÏÊÍ125 ÊÄ522Ä 8 5 6 SA1.3 17 6 чения, индицируемого на дисплее, 1 8 18 7 при установке времени в минутах 2 14 8 (секундах); при удержании данной 9 \"1\" 3 3 Êí. 1-5 9 кнопки в нажатом состоянии более \"2\" 4 10 5 с значение времени, индицируе- R1 \"3\" 5 23 1 5 V 11 мое на дисплее, увеличивается на 5 3ê \"4\" 29 2 GND 12 единиц за 1 с; X1 WF-3 ● S2 (∇) – уменьшение на единицу зна- 1 6 12 7 Õ5 HU-12 чения, индицируемого на дисплее, Öåïü 22 8 при установке времени в минутах 1 12V C1 9 19 Öåïü (секундах); соответственно, при 2 5V 10 ìê 25 Â 3 10 15 20 Êí. 1 1 удержании данной кнопки в нажа- 3 GND 11 Êí. 2 2 том состоянии более 5 с значение 30 21 Êí. 3 3 времени, индицируемое на дисплее, 7 6 SA1.4 22 Êí. 4 4 уменьшается на 5 единиц за 1 с; Êí. 5 5 ● S3 (C) – старт/стоп (кнопка запуска/ 23 Êí. 6 6 остановки устройства в режиме № 2. Êí. 7 7 В рабочем цикле (который перио- S9 \"ÎÁÙ. ÏÓÑÊ\" \"1\" 1 16 Êí. 8 8 дически повторяется) идёт обрат- Ï2Ê-Ñ1-1-(Êð)-15-2á \"2\" 2 31 Êí. 1-8 9 ный отсчёт заданных интервалов \"3\" 3 12 V 10 времени Т1 и Т2. С первым нажати- 1 VD9 ÊÄ522Ä \"4\" 4 24 5 V 11 ем данной кнопки нагрузка подклю- 5 GND 12 чается к сетевому напряжению, идёт 23 12 8 12 1 17 2 5 VD10 ÊÄ522Ä 7 46 27 8 9 10 32 11 25 SA1.5 26 96 1 9 27 2 18 28 \"1\" 3 \"2\" 4 24 29 \"3\" 5 \"4\" 33 30 31 32 33 3 1 2 Рис. 5. Принципиальная схема платы клавиатуры обратный отсчёт заданного интер- ● S5 (В1) – выбор (кнопка выбора ин- вала Т1); тервалов Т1 или Т2); ● S4 (Р) – режим (кнопка выбора ре- жима работы (режим № 1 или ре- ● S6 (В2) – выбор (кнопка выбора жим № 2)); временно′го режима работы (мину- ты или секунды)); СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 53

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ SMSD-4.2 Ðåëå âðåìåíè ¹2 ● S7 (О) – обнуление (кнопка экстрен- ного обнуления заданных параме- Öåïü =1-Õ2 VD1 12 Â тров Т1 и Т2 и выключения нагрузки); GND 1 HU-4 ÊÄ212À +5 Â ● S8 (В3) – вкл./выкл. (кнопка прину- \"0\" X1 WF-4 дительного (ручного) включения/вы- Ðåëå ключения нагрузки. Вне зависимости Ðåëå 1 Öåïü 12 Ê1.1 À от того, в каком режиме находится Ðåâåðñ 1 Ê1-14 14 11 устройство, каждое нажатие данной EN 2 2 Ê1-11 Â кнопки меняет состояние нагрузки ÂÕ2 VT1 на противоположное); ÂÕ1 3 ÊÒ829À DIR- ● S9 (ОБЩ. ПУСК) – одновременный DIR+ 24 запуск РВ № 1 и РВ № 2; STEP- STEP+ ● HL1 – индикатор режима работы устройства: HL1 горит – режим № 2, Рис. 6. Принципиальная схема БУВ ёлки HL1 погашен – режим № 1 (назначе- ние режимов будет приведено ниже); Рис. 7. Внешний вид блока управления SMSD-4.2 ● HL2 – индикатор интервалов Т1 и Т2: 54 WWW.SOEL.RU если HL2 горит, то на дисплее инди- цируется интервал Т1; если HL2 по- гашен, то на дисплее индицируется интервал Т2. Разряды индикации интерфейса име- ют следующее назначение: ● 1-й разряд (индикатор НG3) отобра- жает единицы минут (единицы се- кунд) интервалов Т1 и Т2; ● 2-й разряд (индикатор НG2) отобра- жает десятки минут (десятки секунд) интервалов Т1 и Т2; ● 3-й разряд (индикатор НG1) отобра- жает сотни минут (сотни секунд) ин- тервалов Т1 и Т2. Для РВ № 1 предусмотрено два режи- ма работы: режим задания параметров – режим № 1 и рабочий режим – режим № 2. В режиме № 1 (режим задания пара- метров) с клавиатуры устройства задают- ся значения интервалов включения Т1 и выключения Т2. В данном режиме запре- щён счёт времени. На выводе 11 микро- контроллера DD1 устанавливается лог. 1. Интервалы Т1 и Т2 могут быть заданы как в минутах, так и в секундах в диапазоне от 999 до 1 с дискретностью 1. Визуаль- но интервалы Т1 и Т2 поочерёдно можно контролировать на 3-разрядном дисплее. В режиме № 2 (рабочий режим) идёт обратный отсчёт заданных интервалов Т1 и Т2 в рабочем цикле. В интервале вре- мени Т1 на выводе 11 микроконтролле- ра DD1 устанавливается лог. 1 (реле К1 выключено). В интервал времени Т2 на выводе 11 микроконтроллера DD1 уста- навливается лог. 0 (реле К2 включено). Периодически, один раз в секунду, мига- ет точка h индикатора HG3. Чтобы запу- стить РВ № 1, необходимо задать интер- валы Т1, Т2, перевести его в режим № 2 и нажать кнопку S3 (C). При независимой работе РВ № 1 и РВ № 2 нужно задать соответствующие интервалы и нажать кнопку S3 (C). Для одновременного запу- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ска РВ № 1 и РВ № 2, как уже упомина- сов $069…$06В на адреса $063…$065. На шаговые двигатели могут поставляться лось выше, необходимо нажать кнопку дисплее снова индицируется первона- с редукторами, например FL86STH65- S9 (ОБЩ. ПУСК). чально заданное значение времени, 2808AG, с максимально допустимым равное интервалу включения Т1. Рабо- моментом до 250 кгс·м. Редуктор и шаго- Сразу после подачи питания на выво- чий цикл завершён. Устройство рабо- вый двигатель, конечно, необходимо де 1 микроконтроллера DD1 через тает совершенно аналогично в режиме подбирать к каждой конкретной ёлке RC-цепь (резистор R8, конденсатор С6) «Минуты». В данном режиме интерва- индивидуально. SMSD-4.2 может рабо- формируется сигнал системного аппарат- лы Т1 и Т2 декрементируются с каждой тать в режимах драйвера, контроллера, ного сброса микроконтроллера DD1, ини- минутой, при этом точка h индикатора а также в ручном режиме [2]. циализируются регистры, счётчики, стек, HG3 также мигает один раз в секунду. таймер Т/С1, сторожевой таймер, порты Для работы SMSD-4.2 в составе БУВ ввода/вывода. При инициализации на При выключенном реле К1 питаю- его, согласно руководству по эксплуата- выводе 11 микроконтроллера DD1 уста- щее напряжение 5 В поступает с РВ № 1 ции, нужно перевести в ручной режим. навливается лог. 1. На индикаторах HG1… на гирлянды КСЭ № 1. При включён- При этом скорость вращения вала дви- HG3 индицируются нули. Индикатор HL1 ном реле К1 питающее напряжение 5 В гателя (ёлки) регулируется вращени- погашен, индикатор HL2 горит. Функцио- поступает с РВ № 1 на гирлянды КСЭ ем движка потенциометра в SMSD-4.2. нальный узел динамической индикации № 2. То есть фактически гирлянды КСЭ Для изменения направления враще- РВ № 1 аналогичен КСЭ № 1, но, в отли- № 1 и КСЭ № 2 работают поочерёдно. ния необходимо замкнуть контакты чие от КСЭ № 1, он 3-разрядный. Это позволяет реализовать комбина- «РЕВЕРС» и GND. цию различных световых эффектов. Алгоритм работы РВ № 1 в рабо- Игра мысли, полёт фантазии, непред- Принципиальная схема РВ № 2 отли- чем цикле (в режиме «Секунды») сле- сказуемость воображения, творческое чается от РВ № 1 только подключением дующий. После подачи питания необ- хулиганство – всё это поможет в реали- реле К1 к соединителю Х1 (см. рис. 6). Во ходимо с клавиатуры в режиме № 1 зации любых других световых эффек- всём остальном: алгоритм работы, про- задать необходимые параметры рабо- тов, не приведённых в статье, или при граммное обеспечение – РВ № 1 иден- ты устройства – интервалы включе- изменении параметров уже реализо- тично РВ № 2. Алгоритм работы БУВ вме- ния Т1 и выключения Т2. При уста- ванных (изменение скорости переклю- сте с РВ № 2 следующий (см. рис. 2б). новке интервалов Т1 и Т2 в устройстве, чения индикаторов, гирлянд, добав- После подачи питающих напряжений на как уже упоминалось выше, запреща- ление в некоторые световые эффекты устройство необходимо галетный пере- ется отсчёт текущего времени. Данные реверса или добавление в устройство ключатель SA1 платы клавиатуры устано- параметры индицируются на дисплее каких-то дополнительных опций). вить в положение «4», задать параметры (индикаторы HG1…HG3). Далее необ- (временны′е интервалы Т3 и Т4) и нажать ходимо перейти в режим № 2. Устрой- Разработанная программа на ассем- кнопку S3 (С) – «Старт». После окончания ство переходит в рабочий цикл сразу блере занимает порядка 0,54 Кбайт памя- интервала Т3 на плате РВ № 1 включит- после нажатия кнопки «Старт/стоп» ти программ микроконтроллера. Потре- ся реле К1 (контакты 11, 14 замыкают- (S3) в режиме № 2, при этом загорает- бление тока по каналу напряжения +5 В – ся) (понятно, что контакты «РЕВЕРС» и ся индикатор HL1. Периодически, один не более 100 мА. На плате контроллера GND в SMSD-4.2 замыкаются). Ёлка меня- раз в секунду, мигает точка h индика- применены следующие элементы: кон- ет направление своего вращения и т. д. тора HG3. Микроконтроллер DD1 уста- денсаторы С1, С2, С4 типа К10-17а, кон- навливает лог. 0 на выходе 11 (вклю- денсаторы С3, C6 типа К50-35, резисто- Представленные в статье составные чение реле К1). Время (интервал вклю- ры типа С2-33Н-0,125, индикаторы HG1… части устройства представляют собой чения Т1), индицируемое на дисплее, HG3 зелёного цвета типа HDSP-F501. функционально законченные «цифро- декрементируется с каждой секундой. вые кубики», которые не требуют ника- Как только оно станет равно нулево- Принципиальная схема БУВ ёлки кой настройки и отладки. Применяя на му значению, микроконтроллер уста- приведена на рисунке 6. плате клавиатуры галетные или модуль- навливает лог. 1 на выходе 6 (выключе- ные переключатели с большим коли- ние реле К1), при этом индикатор HL1 Представленный в устройстве БУВ чеством направлений и положений, гаснет. Заданное значение Т1 перепи- позволяет осуществлять вращение можно задействовать большее коли- сывается в память данных микрокон- ёлки с заданной скоростью с измене- чество таких «кубиков», а значит уве- троллера с адресов $066…$068 на адре- нием направления вращения в задан- личить функциональные возможности са $060…$062. Теперь дисплей индици- ные интервалы времени (см. рис. 2б). устройства в целом. рует первоначально заданное значение времени, равное интервалу выключе- БУВ выполнен на базе привода НПФ Дополнительные материалы к статье ния Т2, которое хранится по адресам «Электропривод». Привод включает в доступны для скачивания на сайте жур- $063…$065. Реле К1 будет отключено в себя программируемый блок управле- нала (soel.ru). течение времени, равного интервалу ния шаговыми двигателями SMSD-4.2 и выключения. Теперь время, индици- шаговый двигатель. Данный блок управ- ЛИТЕРАТУРА руемое на дисплее (Т2), декременти- ления предназначен для управления руется с каждой секундой. Как только работой шаговых двигателей с макси- 1. www.atmel.com оно станет равно нулевому значению, мальным током питания каждой из фаз 2. www.electroprivod.ru микроконтроллер устанавливает лог. 0 двигателя не более 4,2 А по заданной 3. Шишкин С. Устройство световых эффек- на выходе 11 (включение реле К1), при программе. Внешний вид блока управле- этом загорается индикатор HL1. Задан- ния SMSD-4.2 представлен на рисунке 7. тов с управлением скоростью переклю- ное значение Т2 переписывается с адре- чения и яркостью свечения // Современ- К SMSD-4.2 можно подключать шаго- ная электроника. 2017. № 7. вые двигатели серии FL86ST, FL86TH 4. Шишкин С. «Бегущие огни» на микро- и др. Максимально допустимый ток контроллере AT89C4051 // Радио. 2010. фазы шагового двигателя – 4,2 А. Данные № 11. с. 46–48. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 55

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВОСТИ МИРА сти технологий IoT и беспроводных сенсор- профиля подготовки. Также предусмотрен ряд ных сетей ведётся уже 10 лет. В 2017 году адаптационных дисциплин, которые помогут В КАКИХ РОССИЙСКИХ ВУЗАХ в вузе появилась магистерская программа студенту, не имеющему профильного обра- УЧАТ ИНТЕРНЕТУ ВЕЩЕЙ «Интернет вещей и киберфизические систе- зования, получить знания и навыки для даль- мы». Программа направлена на комплекс- нейшего успешного обучения на программе. В 10 вузах страны будет реализована об- ную подготовку квалифицированных спе- разовательная программа «IoT Академия циалистов в сфере IoT и киберфизических Результатом научно-исследовательской Samsung». Предполагается, что студенты об- систем, которые смогут проводить исследо- и проектной работы станут научно-исследо- разовательных учреждений Москвы, Санкт- вания и разработки на мировом уровне. Пер- вательские и инновационные проекты, по- Петербурга, Сибири, Татарстана, Урала и Яку- вый набор слушателей намечен на 2018 год. этому учащиеся приобретают опыт в обла- тии смогут пройти очное бесплатное обучение. сти организации и управления проектами, Обучаться по данной образовательной про- защиты интеллектуальной собственности и Национальный исследовательский уни- грамме смогут студенты различного уровня и инновационного менеджмента. верситет «Высшая школа экономики». Санкт-Петербургский государственный В МИЭМ НИУ ВШЭ научно-исследова- университет телекоммуникаций. тельская и образовательная работа в обла- В образовательной программе вуза Ин- ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР тернет вещей появился с момента открытия Лаборатории Интернета вещей в 2012 году. В учебные курсы были добавлены разде- лы, касающиеся терминологии, концепции, технологий, которые используются для вза- имодействия устройств Интернета вещей. Программа традиционно делится на этапы обучения в вузе (бакалавр – магистр – аспи- рант), имеется факультатив для студентов всех курсов и факультетов, которые изъяви- ли желание после занятий развивать знания по направлению Интернета вещей. Кроме то- го, открыт профиль «Интернет вещей и гете- рогенные сети» для иностранных студентов (обучение проходит на английском языке). Производственная практика на 3-м и 4-м курсах по тематике Интернета вещей про- ходит на предприятиях Санкт-Петербурга. Выпускники СПБГУТ работают по специаль- ности в профильных отделах таких компа- ний, как «Ростелеком», LG, Electrolux, «Ме- гафон», «Билайн», «МТС» и др. Уральский федеральный университет. Образовательная программа с названием «IoT» в университете не открыта, однако осво- ение технологий Интернета вещей (беспровод- ная передача и приём информации, обработ- ка данных, датчики и устройства управления и т.п.) давно включено в обучение студентов. Изучаются вопросы обработки больших объ- ёмов информации, электромагнитного взаи- модействия устройств, иерархического управ- ления, конструирования, программирования. Сейчас образовательная программа кур- са рассчитана на студентов бакалавриата 2–3-го курсов обучения. Она включает в себя теоретический модуль, практическую часть и проектную работу. Теоретический модуль содержит темы, связанные с изучением эле- ментной базы, технологий беспроводной свя- зи, радиочастотных сетей LoRa, а также с программированием микроконтроллеров. Для изучения курса создаётся лаборато- рия, оснащённая современным компьютер- ным, измерительным и отладочным обору- 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ дованием, позволяющим проводить научно- Санкт-Петербургский государственный наров изучают также основы сетевых техно- исследовательскую работу. университет. логий и криптографии. Некоторые аспекты изучаются в рамках профиля «Сложные си- Южно-Уральский государственный уни- Направление IoT присутствует в несколь- стемы» и программы магистратуры «Слож- верситет. ких образовательных программах Санкт- ные системы в природе и обществе». Петербургского государственного универ- Направление индустриального Интерне- ситета. При этом часть курсов рассчитана на Кроме того, с 2016 года направление IoT та вещей начало формироваться в ЮУрГУ широкую аудиторию и доступна всем студен- (дисциплина «Умные города») представлено с момента создания собственного обра- там программы, а часть носит специализи- в магистерских программах «Менеджмент» зовательного стандарта и реализации об- рованный характер и рассчитана в основном и «Государственный менеджмент», а так- разовательного профиля «Информацион- на обучающихся по профилю «Компьютер- же в новой программе «Бизнес-аналитика но-измерительная техника и технологии в ные науки и искусственный интеллект», ко- и большие данные». промышленности» в сотрудничестве с меж- торые в рамках специализированных семи- дународной корпорацией Emerson Process Новости Интернета вещей Management (США) в 2012 году. Реклама Студенты получают данные по отдельным аспектам Интернета вещей, таким как «ум- ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР ный» дом, «умная» промышленность и «ум- ный» город. Студенты ВШ ЭКН ЮУрГУ из- учают технологии Интернета вещей на ба- зе открытых решений и продуктов Intel, Rpi и Espressif System. Основными аспектами, которые изучают студенты, на этом этапе являются разработ- ка архитектуры и топологии системы IoT в зависимости от поставленной задачи; под- бор необходимых аппаратных решений под разработанную архитектуру; программирова- ние внутрисистемных интерфейсов (I2C, SPI, RS–485, UART) контроллеров на взаимодей- ствие с внешними устройствами; организация взаимодействия с различными платформа- ми IoT путём настройки функций контролле- ра; написание пользовательских приложений для управления построенной системой IoT. В рамках ВШ ЭКН ЮУрГУ в сентябре 2018 года будет открыта IoT Академия Samsung. Студенты будут изучать реальные индустриальные кейсы по внедрению техноло- гий Интернета вещей в 1-м семестре и созда- нию прототипов IoT устройств во 2-м. Практи- ческая работа является основой всего курса. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Образовательная программа предусматри- вает общенаучную подготовку обучающихся не только в части развития их технических компетенций, но и в части логики в реше- нии избирательных задач с использованием современных достижений науки и техники. На практических занятиях и в ходе ла- бораторных работ студентам предстоит ос- воить методы проектирования модульной структуры и разработки алгоритмов, выпол- нить реальные кейсы по внедрению техно- логий Интернета вещей в индустриальные стенды, разработать настоящий прототип IoT-устройства для бытового применения. Одним из основных аспектов настоящей программы является изучение подходов по организации безопасного функционирова- ния инфраструктуры Интернета вещей. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 57

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Применение автоматного программирования и верификатора Spin для решения задачи управления пневмоподвеской автомобиля Максим Неизвестных ([email protected]) чения команд управления и величины скорости движения, а также для пере- Одной из важных технологий программной инженерии является дачи прочей диагностической инфор- верификация программ методом model checking. Отличительная мации. особенность данного метода – способность доказывать наличие или отсутствие заданного свойства у системы. В статье демонстрируется Модуль МК опрашивает ряд датчиков применение связки двух технологий: автоматного программирования с аналоговыми и дискретными выхо- и верификации программ методом model checking для решения задачи дами. На ресивере установлен датчик управления пневмоподвеской автомобиля. давления (РЕ) с аналоговым выходом 4…20 мА. Перед каждой пневмостойкой ПРИНЦИП РАБОТЫ из пневмостоек и соединяют их с маги- установлен датчик давления (РЕ1…РЕ4) стралью сброса. Магистраль давления для постоянного контроля давления ПНЕВМОПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ соединена с ресивером. Воздух в реси- непосредственно в подушке. Для кон- Пневматическая подвеска предназна- вер накачивается электрическим ком- троля фактического положения кузо- прессором. Забираемый из атмосферы ва у каждого колеса установлен датчик чена для регулировки дорожного про- воздух подвергается предварительной положения (ZE1…ZE4), имеющий сое- света и ходовых характеристик авто- фильтрации. динение с колесом посредством криво- мобиля. Схема пневмосистемы авто- шипно-шатунного механизма. Контроль мобиля представлена на рисунке 1. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ температуры компрессора осуществля- У каждого колеса установлена пнев- ется с помощью датчика температуры мостойка. При накачивании воздуха в ПНЕВМОПОДВЕСКОЙ АВТОМОБИЛЯ (ТЕ). При высоком токе двигателя ком- подушку пневмостойка удлиняется, при Система управления пневмоподве- прессора (М) срабатывает реле макси- стравливании воздуха – укорачивает- мального тока (ISA), дискретный сигнал ся. Изменение размера пневмостой- ской автомобиля является встраивае- с которого поступает на модуль МК. При ки приводит к изменению положения мой системой, к которой предъявляют- засорении фильтра воздуха срабатывает (высоты) кузова относительно колеса ся серьёзные требования по безопасно- датчик засорения фильтра (PDSA), дис- и дороги. Каждая пневмостойка имеет сти. Блок управления пневмоподвеской кретный сигнал с которого также посту- впускной (Vin) и выпускной (Vout) кла- (см. рис. 1) содержит модуль микро- пает на модуль МК. На основании всей паны. Впускные клапаны предназначе- контроллера (МК) и релейный модуль, полученной информации модуль МК ны для подачи воздуха к пневмостой- который предназначен для коммута- через релейный модуль управляет ком- кам и соединяют их с магистралью ции силовой нагрузки. Модуль МК с прессором и клапанами с электромаг- давления. Выпускные клапаны пред- помощью CAN-шины подключён к дру- нитным приводом. назначены для стравливания воздуха гим электронным системам для полу- Пневмоподвеска может работать как PDSA TE входной канал блока управления в ручном, так и в автоматическом режи- выходной канал блока управления мах. В автоматическом режиме давле- Атмосферный Компрессор ISA PE ние ресивера поддерживается в задан- воздух ных пределах, уровень кузова – соглас- Ресивер но заданному профилю, независимо от массы и распределения груза по кузо- Фильтр M ву автомобиля. К системам КОНЦЕПЦИЯ АВТОМАТНОГО автомобиля Сброс ПРОГРАММИРОВАНИЯ в атмосферу Автоматное программирование (АП) CAN-шина Модуль Блок управления пневмоподвеской микроконтроллера подразумевает разработку программы Релейный с применением автоматов, т.е. алго- модуль ритм проектируется как конечный автомат (КА). КА – это строго опреде- Магистраль давления лённый математический объект [1]. В упрощённом представлении КА име- Магистраль сброса ет входы, выходы, внутренние состо- яния, переходы между состояниями и V1in V1 V2 V2 V3 V3 V4 V4 действия, связанные с состояниями и out in out in out in out переходами. Все компоненты, состав- РЕ1 РЕ2 РЕ3 РЕ4 Пневмостойка 1 Пневмостойка 2 Пневмостойка 3 Пневмостойка 4 ZЕ1 ZЕ2 ZЕ3 ZЕ4 Колесо 1 Колесо 2 Колесо 3 Колесо 4 Рис. 1. Схема пневмосистемы автомобиля 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Компоненты программной системы логического управления AtmPos1: State Компонент Назначение 01 Стравливание Req_V1out AtmHead Управление работой всех компонентов системы Pos1 AtmMode Переключение режимов работы пневмосистемы (tmr_Q && u1) AtmProfile Переключение профиля ((Pos1 ≤ SP1) || Error) 02 Отклонение от нормы вверх AtmPos1…4 Управление положением кузова у пневмостойки 1…4 tmr_IN AtmV1in… AtmV4in AtmV1out… AtmV4out Управление впускным клапаном 1…4 }SP1_H !u1 u1: (Pos1 > SP1_Н) AtmMov1…4 Управление выпускным клапаном 1…4 SP1 DB AtmDiag1…4 Детектирование движения пневмостойки 1…4 SP1_L 03 Уровень в норме AtmCalibr Обнаружение неполадок пневмостойки 1…4 AtmPres Калибровка датчиков положения кузова !u2 u2: (Pos1 < SP1_L) Управление давлением ресивера ((Pos1 ≥ SP1) || Error) 04 Отклонение от нормы вниз tmr_IN (tmr_Q && u2) AtmDiagKompr Обнаружение неполадок компрессора 05 Подкачка AtmNet Сетевое взаимодействие Req_V1in Рис. 2. Граф переходов автомата AtmPos1 ляющие КА, конечны. В общем случае АВТОМАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ Автомат AtmPos1 имеет пять состо- любой КА работает следующим обра- яний: 01 – стравливание, 02 – откло- зом. На основании полученного вход- КОМПОНЕНТОВ нение от нормы вверх, 03 – уровень ного сигнала и внутреннего состояния Задача логического управления пнев- в норме, 04 – отклонение от нормы автомат переходит в новое состояние и вниз, 05 – подкачка. Номер состояния совершает действия, связанные с этим моподвеской разбита на несколько под- автомата AtmPos1 хранится в перемен- переходом и новым состоянием. Дей- задач. Для выполнения каждой из них ной State. Состояние 03 является стар- ствия оказывают влияние на выход- отводится свой компонент, имеющий товым (обозначено двумя окружно- ные сигналы. Таким образом, с помо- автоматную реализацию (см. табл.). стями). Если фактическое и заданное щью КА можно описать сколь угодно положения кузова отличаются незна- сложную систему, где выходы являют- Рассмотрим автоматную реали- чительно, т.е. значение Pos1 находится ся реакцией на входы с учётом преды- зацию компонента AtmPos1. Граф в зоне нечувствительности DB, то авто- стории входных сигналов. Автомат, переходов автомата изображён на мат продолжает оставаться в состоя- описывающий сложную реагирую- рисунке 2. На приведённом рисунке нии 03. Если выполняется условие u1 щую систему, также может оказать- использованы следующие условные (Pos1>SP1_H), т.е. произошло откло- ся громоздким и сложным объектом. обозначения: нение вверх, то автомат переходит в В этом случае реагирующую систему ● Pos1 – фактическое положение кузо- состояние 02, при этом запускается описывают совокупностью взаимо- таймер задержки реакции на откло- действующих более простых автома- ва у пневмостойки 1; нение кузова (tmr_IN). Если до момен- тов. При этом автоматы можно рассма- ● SP1 – заданное положение кузова у та срабатывания таймера tmr условие тривать как параллельно работающие u1 перестало выполняться, т.е. кузов процессы [2], что является удобной и пневмостойки 1; вернулся в нормальное положение, то естественной для программных систем ● SP1_H – верхнее допустимое откло- автомат возвращается в состояние 03 интерпретацией. и таймер tmr прекращает работу. Если нение кузова у пневмостойки 1; же время истекло (сработал выход тай- Автомат удобно представлять в ● SP1_L – нижнее допустимое отклоне- мера tmr_Q) и условие u1 продолжает виде графа переходов. Граф пере- сохраняться, то автомат переходит в ходов автомата содержит всю необ- ние кузова у пневмостойки 1; состояние 01 и устанавливает запрос ходимую для понимания его рабо- ● DB – зона нечувствительности; на открытие выпускного клапана ты информацию. Первыми работа- ● Sate – состояние автомата; (Req_V1out). Автомат AtmV1out отраба- ми в области АП задач логического ● Error – ошибка работы пневмостой- тывает данный запрос и открывает кла- управления были публикации [3, 4]. пан. После открытия выпускного кла- Технология АП позволяет повысить ки или клапана; пана кузов начинает снижаться. Когда безопасность разрабатываемого про- ● Req_V1out – запрос открытия клапа- положение кузова достигает заданно- граммного обеспечения для систем го значения (Pos1≤SP1) или происхо- управления [5, 6]. на V1out; ● Req_V1in – запрос открытия клапа- на V1in; ● tmr – таймер задержки реакции на отклонение кузова; ● tmr_IN – сигнал запуска таймера (вход таймера); ● tmr_Q – сигнал срабатывания тайме- ра (выход таймера). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 59

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Листинг 1 множество всех возможных поведе- ний системы. Требования к модели //Работа автомата AtmPos1 должны быть выражены на формаль- ном языке темпоральной логики (логи- void AtmPos1() ки, учитывающей временной аспект). Высказывание данного языка описыва- { ет некоторое множество допустимых или недопустимых поведений модели. //условия переходов автомата: Верификатор автоматически проверя- ет истинность формального высказы- tr_03_02 = (Pos1 > SP1_H); вания для данной модели, или, другими словами, выполнимость для неё темпо- tr_02_03 = !tr_03_02; рального свойства. tr_02_01 = (tmr_Q && tr_03_02); ВЕРИФИКАТОР SPIN tr_01_03 = ((Pos1 <= SP1) || (Error)); Spin – инструмент, предназначен- ный для выполнения верификации tr_03_04 = (Pos1 < SP1_L); методом model checking, разработан- ный в Bell Labs. Данный верификатор tr_04_03 = !tr_03_04; успешно применяется в космической, авиационной, телекоммуникацион- tr_04_05 = (tmr_Q && tr_03_04); ной, медицинской и других отрас- лях [9]. Spin поддерживает два языка: tr_05_03 = ((Pos1 >= SP1) || (Error)); язык моделирования Promela [9, 10], предназначенный для описания моде- //переходы автомата: ли системы и LTL (Linear Temporal Logic) – язык линейной темпораль- switch (State) ной логики [7–11], предназначенный для описания спецификаций требова- { ний к модели. Spin имеет интерфейс командной строки, в связи с чем гораз- case 1: до удобнее пользоваться графической оболочкой XSpin [10]. if (tr_01_03) State = 3; Модель и исследуемое свойство, опи- break; санные на языках Promela и LTL соот- ветственно, подаются на вход вери- case 2: фикатора Spin. Верификатор авто- матически осуществляет проверку if (tr_02_03) State = 3; выполнимости заданного свойства. Принципы работы верификаторов else изложены в [7, 8, 11]. После проверки свойства Spin выдаёт один из 3 ответов: if (tr_02_01) State = 1; 1. Свойство выполняется. 2. Свойство не выполняется (в этом слу- break; чае приводится пример поведения case 3: модели, когда свойство нарушается). 3. Недостаточно вычислительных ре- if (tr_03_02) State = 2; сурсов для верификации (т.е. необ- ходимо упростить модель). else МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ if (tr_03_04) State = 4; Рассмотрим фрагменты модели break; системы, описанной на языке Promela, отражающие работу автомата AtmPos1. case 4: Множество состояний автоматов if (tr_04_03) State = 3; определяется с помощью объявления перечислимого типа mtype: else mtype = { S0, S1, S2, S3, S4, S5 }; if (tr_04_05) State = 5; Объявим и инициализируем пере- менную для хранения состояния авто- break; мата AtmPos1: mtype State = S0; case 5: if (tr_05_03) State = 3; break; } //выходы автомата: if (State == 1) Req_V1out = true; else Req_V1out = false; if ((State == 2) || (State == 4)) tmr_IN = true; else tmr_IN = false; if (State == 5) Req_V1in = true; else Req_V1in = false; } дит ошибка (Error), автомат переходит Таймер работает, если автомат нахо- в состояние 03 и снимает запрос Req_ дится либо во 2-м, либо в 4-м состоянии. V1out. Автомат AtmV1out отрабатывает запрос и закрывает клапан, после чего ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГРАММ фактическое положение кузова фикси- руется на заданном уровне. Аналогич- МЕТОДОМ MODEL CHECKING но отрабатывается и отклонение кузо- Верификация представляет собой ва вниз. Таким образом, работа автома- та AtmPos1 стабилизирует положение проверку соответствия програм- кузова у пневмостойки 1. Условия пере- мы установленным требованиям [7]. ходов автомата должны быть выстрое- Тестирование является одним из мето- ны так, чтобы из одного состояния не дов верификации, однако оно позволя- выходило более одной дуги с истинным ет лишь найти ошибки, но не позволя- условием (свойство детерминирован- ет доказать их отсутствие. Метод model ности автомата), иначе будет неясно, в checking (англ. – проверка модели) какое из состояний следует переходить. является формальным методом вери- фикации, который построен с исполь- ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ зованием строгого математическо- го аппарата. Данный метод позволя- АВТОМАТОВ ет доказывать отсутствие ошибок, а Программа для микроконтроллера именно нежелательных свойств, что особенно важно для систем с повы- AVR реализована на языке программи- шенными требованиями к безопасно- рования С. Рассмотрим фрагмент кода сти. Метод требует построения модели программы, отражающий работу авто- системы и формализации требований мата AtmPos1 (см. листинг 1). к ней. Под системой понимаются про- грамма и объект управления. Совме- Состояние автомата определяет- стимость автоматного программиро- ся управляющей переменной State вания и верификации методом про- [6]. Для переключения состояний верки модели заключается в том, что автомата используется инструкция автоматная программа очень про- выбора switch [3, 4]. Запрос откры- сто преобразуется в свою модель [8]. тия выпускного клапана (Req_V1out) Модель объекта управления также устанавливается только в состоянии может быть представлена в виде конеч- 01, запрос открытия впускного клапа- ных автоматов [2]. Модель описывает на (Req_V1in) – только в состоянии 05. 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Объявим и инициализируем пере- if Листинг 2 менные для хранения условий пере- :: PEmax = true bool tr_03_02 = false; :: PEmax = false bool tr_02_03 = false; ходов автомата AtmPos1 (см. листинг 2). bool tr_02_01 = false; fi; bool tr_01_03 = false; Опишем работу автомата AtmPos1 в Оператор ветвления используется без bool tr_03_04 = false; bool tr_04_03 = false; отдельном файле: стражей. В этом случае обе ветви выпол- bool tr_04_05 = false; нимы, поэтому верификатор недетер- bool tr_05_03 = false; #define AtmPos1 “D:\\Spin\\ минированным образом выбирает любую из них. Данная конструкция Листинг 3 PnevmoPodveska\\AtmPos1.pml” позволяет на любой итерации работы модели установить предельно высокое tr_03_02 = (Pos1 > SP1_H); Первая часть файла AtmPos1.pml давление ресивера. tr_02_03 = !tr_03_02; tr_02_01 = tmr_Q; определяет условия переходов авто- СПЕЦИФИКАЦИЯ ТРЕБОВАНИЙ tr_01_03 = ((Pos1 <= SP1) || (Error)); tr_03_04 = (Pos1 < SP1_L); мата (см. листинг 3). Спецификация требований – набор tr_04_03 = !tr_03_04; формализованных требований, под- tr_04_05 = tmr_Q; Вторая часть файла AtmPos1.pml лежащих проверке на модели. Рассмо- tr_05_03 = ((Pos1 >= SP1) || (Error)); трим формализацию нескольких тре- определяет переключения состояний бований (свойств). Листинг 4 автомата (см. листинг 4). Ограниченность работы компрессо- if ра по времени, φ1. Всегда, если компрес- :: (State == S0) -> skip Переключения автомата моделиру- сор включился, то рано или поздно он :: (State == S1) -> выключится: ются с помощью оператора ветвле- LTL: ò (Kompr → (◊ ¬ Kompr)), if где ò – темпоральный оператор «всег- :: (tr_01_03) -> State = S3 ния. Между ключевыми словами if и да», ◊ – темпоральный оператор «рано :: else skip или поздно», → – импликация (если.., fi fi располагаются индикаторы начала то…), ¬ – логическое отрицание («не»), :: (State == S2) -> Kompr – бит включения компрессора. if последовательности ::, которые указы- :: (tr_02_03) -> State = S3 Бесперебойность работы компрессо- :: (tr_02_01) -> State = S1 вают на альтернативные ветви после- ра до набора давления, φ2. Всегда, если :: else skip компрессор включился, то он будет fi довательностей операторов. Если авто- работать без отключений до тех пор, :: (State == S3) -> пока не нормализует давление в реси- if мат находится в нулевом состоянии, то вере: :: (tr_03_02) -> State = S2 LTL: ò (Kompr → (Kompr U PE_sp)), :: (tr_03_04) -> State = S4 страж (State == S0) выполним, осталь- где U – темпоральный оператор «до тех :: else skip пор, пока», PE_sp – фактическое давле- fi ные стражи заблокированы. За выпол- ние ресивера не ниже заданного. :: (State == S4) -> if нимым стражем (State == S0) следу- Соблюдение блокировок работы ком- :: (tr_04_03) -> State = S3 прессора, φ3. Всегда, если компрессор :: (tr_04_05) -> State = S5 ет пустой оператор skip, поэтому про- работает, то температура компрессо- :: else skip ра, ток компрессора, давление ресивера fi исходит выход из оператора ветвления в норме и фильтр воздуха не засорён: :: (State == S5) -> LTL: ò (Kompr → ((¬TEmax) ∧ (¬ISA) if без какого-либо действия. Если автомат ∧ (¬PEmax) ∧ (¬PDSA))), :: (tr_05_03) -> State = S3 где ∧ – конъюнкция (логическое «и»), :: else skip находится в 1-м состоянии, то страж TEmax – температура компрессора выше fi установленного предела, ISA – ток дви- fi; (State == S1) выполним, остальные гателя компрессора выше установлен- ного предела, PEmax – давление реси- стражи заблокированы. За выполнимым вера выше установленного предела, PDSA – фильтр воздуха засорён. стражем (State == S1) следует опера- Работа впускных клапанов при тор ветвления if. Если условие перехода достаточном давлении ресивера, φ4. Выполнение этого требования контро- из состояния S1 в состояние S3 истинно, лируется для того, чтобы избежать пере- тока воздуха из пневмостоек в ресивер то страж (tr_01_03) выполним, поэтому и, как следствие, опускания кузова авто- мобиля. Всегда, если хоть один впуск- за ним выполняется оператор присва- ной клапан открыт, то давление ресиве- ра не ниже установленного минимума: ивания State = S3. На этом последова- тельность операторов заканчивается и происходит выход из 2-го, а затем и из 1-го операторов ветвления. Если во вре- мя выполнения страж (tr_01_03) забло- кирован, то происходит выполнение Листинг 5 альтернативной ветви else с пустым оператором skip и переключения состо- if яния автомата не происходит. :: (State == S1) -> Req_V1out = true Третья часть файла AtmPos1.pml опре- :: else Req_V1out = false fi; деляет действия автомата в состояни- if ях (см. листинг 5). :: ((State == S2) || (State == S4)) Периодический запуск работы авто- -> tmr_IN = true мата AtmPos1 будет производиться из :: else tmr_IN = false процесса с названием model (см. лис- fi; if тинг 6): :: (State == S5)-> Req_V1in = true Процесс работает в бесконечном :: else Req_V1in = false цикле do, внутри которого атомарно fi; (ключевое слово atomic) запускаются все автоматы модели, в том числе и авто- Листинг 6 мат AtmPos1. Атомарность выполнения active proctype model() { действий автоматов говорит о том, что do верификатор не будет рассматривать их :: atomic { ... промежуточные вычисления. #include AtmPos1 ... Недетерминированность входных } od сигналов моделируется следующим } образом: СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 61

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 3. Проверка свойства φ8 в верификаторе отклонение вверх положения кузова у создана спецификация требований на Spin пневмостойки 1. языке LTL. На завершающем этапе про- ведена верификация системы методом LTL: ò ((V1in ∨ V2in ∨ V3in ∨ V4in) → Запрет подъёма кузова на высокой model checking. (¬PEmin)), скорости, φ9. Всегда, если фактическая где ∨ – дизъюнкция (логическое «или»), скорость автомобиля выше заданной, АП позволяет систематизировать V1in – бит включения электромагни- то все впускные клапаны закрыты: логику работы программы, избежать та впускного клапана пневмостойки 1, LTL: ò (SEmax → (¬V1in ∧ ¬V2in ∧ множества ошибок, а также облегча- PEmin – давление ресивера ниже мини- ¬V3in ∧ ¬V4in)), ет сам процесс разработки, т.к. графы мального предела. где SEmax – скорость автомобиля выше переходов легче понимать и анализи- установленного предела. ровать, чем программный код. Таким Взаимоблокировка впускного и образом, использование АП упроща- выпускного клапанов, φ5. Никогда впуск- Свойства φ7 и φ9 непосредственно вли- ет моделирование и программирова- ной и выпускной клапаны не открыты яют на безопасность работы системы ние системы. одновременно: и движения автомобиля. LTL: ò ¬ (V1in ∧ V1out), Верификация программ методом где V1out – бит включения электро- ВЕРИФИКАЦИЯ model checking позволяет находить магнита выпускного клапана пневмо- редкие критические ошибки, которые стойки 1. Выполним проверку свойства φ8 из могли быть пропущены при тестиро- спецификации требований (см. рис. 3). вании. Совместное применение тех- Ограниченность работы впускно- Для этого в XSpin необходимо открыть нологии АП и верификации методом го клапана по времени, φ6. Всегда, если вкладку Run → LTL Property manager model checking снижает количество впускной клапан открылся, то рано или [10]. В поле Formula введём LTL- ошибок в программах и повышает поздно он закроется: формулу, которую необходимо про- надёжность и безопасность встраи- LTL: ò (V1in → (◊ ¬V1in)). верить. В поле Property holds for выбе- ваемых систем. рем All Executions, что означает про- Постоянство действия автомати- верку выполнимости формулы на всех ЛИТЕРАТУРА ческой защиты от разрыва подушки вычислениях. Свойство φ8 является пневмостойки с помощью сброса дав- желаемым и должно выполняться на 1. Карпов Ю.Г. Теория автоматов: учебник ления, φ7. Всегда, если давление в пнев- всех возможных вычислениях. В поле для вузов. – СПб: ИД ПИТЕР, 2003. – 208 с. мостойке аварийно высокое, то впуск- Symbol Definitions определяются ато- ной клапан закрыт, а выпускной кла- марные высказывания LTL-формулы. 2. Зюбин В.Е. Программирование информа- пан открыт: Процесс верификации запускает- ционно-управляющих систем на основе LTL: ò (PE1max → (¬V1in ∧ V1out)), ся нажатием кнопки Run Verification. конечных автоматов: учеб.-метод. Посо- где PE1max – давление пневмостойки 1 В результате в поле Verification Result бие – Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., выше установленного предела. будет выведено valid, что означа- 2006. – 96 с. ет выполнимость формулы. Здесь же Наличие отклика системы управ- отображается количество обнару- 3. Шалыто А.А. Алгоритмизация и програм- ления на отклонения уровня кузо- женных ошибок (errors 0). Осталь- мирование задач логического управле- ва, φ8. Всегда, если уровень кузова ниже ные свойства спецификации также ния. – СПб: СПбГУ ИТМО, 1998. – 56 с. нормы, то рано или поздно откроется выполнимы. При проверке свойст- впускной клапан и если уровень кузова ва φ8 должны быть установлены сле- 4. Шалыто А.А. Switch-технология. Алго- выше нормы, то рано или поздно откро- дующие параметры моделируемой ритмизация и программирование задач ется выпускной клапан: системы: автоматический режим всег- логического управления. – СПб: Наука, LTL: ò ((ZE1down → ◊V1in) ∧ (ZE1up → да включён, нештатные ситуации всег- 1998. – 628 с. ◊V1out)), да отсутствуют; а, например, при про- где ZE1down – отклонение вниз положе- верке свойства φ3 – наоборот, нештат- 5. Шалыто А.А. Автоматное проектирова- ния кузова у пневмостойки 1, ZE1up – ные ситуации TEmax, ISA, PEmax, PDSA ние программ. Алгоритмизация и про- могут устанавливаться недетермини- граммирование задач логического управ- рованным образом, что позволит кор- ления. Известия РАН. Теория и системы ректно проверить работу блокировок управления. 2000. № 6. С. 63–81. компрессора. 6. Шалыто А., Туккель Н. Программирова- ЗАКЛЮЧЕНИЕ ние с явным выделением состояний. Мир ПК. 2001. № 8. С. 116–121. № 9. С. 132–138. В статье описан процесс разработки алгоритма управления пневмоподве- 7. Карпов Ю.Г. MODEL СHECKING. Вери- ской автомобиля с применением авто- фикация параллельных и распределён- матного подхода. Декомпозиция задачи ных программных систем. – СПб: БХВ- управления позволила рассматривать Петербург, 2010. – 560 с. программу как систему взаимодейству- ющих автоматов. На основе разрабо- 8. Вельдер С.Э., Лукин М.А., Шалыто А.А., танной системы автоматов выполнено Яминов Б.Р. Верификация автоматных построение модели на языке Promela и программ. – СПб: Наука, 2011. – 244 с. программы на языке С. Согласно тре- бованиям к разрабатываемой системе 9. www.spinroot.com 10. Шошмина И.В., Карпов Ю.Г. Введение в язык Promela и систему комплексной верификации Spin: учебное пособие. – СПб: СПбГПУ, 2009. – 66 с. 11. Кларк Э.М., Грамберг О., Пелед Д. Вери- фикация моделей программ: Model Checking. – М.: МЦНМО, 2002. – 416 с. 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ОТВЕТСТВЕННАЯ ЭЛЕДКТЛРЯОНЖИКЕАСТКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ __<>>>___) 100% РОССИЙСКАЯ КОМПАНИЯ Реклама ЗАКАЗНЫЕ РАЗРАБОТКИ КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Разработка электронного оборудования Контрактная сборка электроники уровней: по ТЗ заказчика в кратчайшие сроки модуль / узел / блок / шкаф / комплекс • Модификация КД существующего изделия • ОКР, технологические консультации и согласования • Разработка спецвычислителя на базе • Макеты, установочные партии, постановка в серию • Полное комплектование производства импортными COM-модуля • Конфигурирование модульного и отечественными компонентами и материалами • Поддержание складов, своевременное анонсирование корпусированного изделия • Сборка магистрально-модульной системы снятия с производства, подбор аналогов • Серийное плановое производство по спецификации заказчика • Тестирование и испытания по методикам и ТУ • Разработка изделия с нуля • Гарантийный и постгарантийный сервис WWW.DOLOMANT.RU • (495) 739-0775

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Преимущества программы PSpice при моделировании аналого-цифровых схем Александр Акулин ([email protected]) Доступность моделей компонентов. Если в бесплатных программах есть При выборе программного обеспечения разработчики в первую очередь только встроенные неуниверсальные ориентируются на его доступность и стоимость, затем на простоту модели, то в PSpice имеются полностью освоения и уже в последнюю очередь – на предоставляемые возможности. совместимые модели, доступные на сай- Эти критерии определяют и выбор системы для схемотехнического тах большинства производителей ЭРИ. моделирования, о чём речь пойдёт в данной статье. Наличие библиотеки моделей. В бес- Многие разработчики-схемотехни- тов бесплатные программы в полной платных программах присутствует не ки отдают предпочтение бесплатным мере демонстрируют все свои недо- более 2–3 тыс. моделей, тогда как с дис- и простым симуляторам, т.к. не могут статки. Вследствие этого неизбежны трибутивом PSpice разработчик полу- или не желают тратить много времени проблемы, связанные как со сроками, чает 35 тыс. проверенных и настроен- и средств на освоение программ, име- так и с общими финансовыми затрата- ных моделей. ющих богатую функциональность и ми на разработку. Если же вообще отка- «слишком сложный» интерфейс пользо- заться от моделирования и ограничиться Поддержка различных типов компо- вателя. Некоторые разработчики вооб- проверкой схем полукустарными мето- нентов в моделировании. В PSpice име- ще предпочитают не заниматься моде- дами, то возникает целый ряд вопросов: ется возможность моделировать такие лированием, а проверять работу схем- как в такой ситуации обеспечить задан- дополнительные типы компонентов, как: ных решений другими, «кустарными» ные параметры схемы, не занимаясь дли- ● расширенные виды магнитных ком- способами. Такие подходы приводят к тельной инженерной работой по подбо- обратному эффекту – потере темпа, сни- ру номиналов; как проверить поведение понентов; жению эффективности процесса разра- схемы при различных вариациях номи- ● IGBT-транзисторы; ботки новых изделий, необоснованно- налов компонентов в пределах допуска; ● полноценные цифровые компо- му выпуску многочисленных образцов как учесть влияние нагрева; как прои- и прототипов и большим затратам вре- митировать различные виды входных ненты; мени на доводку и пусконаладку новых воздействий или проверить работу тех ● ОЗУ/ПЗУ; электронных устройств и приборов. компонентов, которые ещё не закупле- ● модели GaAsFET – TOM-2 и TOM-3; ны? Ответ состоит в том, что, как пра- ● согласованные линии передачи; При использовании простых бесплат- вило, всё это невозможно реализовать ● модели магнитных сердечников. ных систем проектирования и модели- без использования профессиональных рования электронных устройств доволь- схемотехнических симуляторов, среди Настройка и обеспечение сходимо- но быстро становится понятно, что их которых лидирующее положение зани- сти вычислений. Несмотря на то что в функциональность позволяет решать мает PSpice. большинстве программ применяются только ограниченный набор самых про- схожие ядра солверов, в PSpice дости- стых задач. Если такого набора возмож- Далее будут более подробно рассмо- гается лучшая сходимость вычислений ностей достаточно на начальном этапе, трены возможности, предоставляемые при помощи инструмента автомати- то при попытке выйти на более высо- PSpice, в сравнении с бесплатными про- зированной диагностики и решения кий уровень анализа сложных проек- граммами (см. табл.). проблем сходимости, а также за счёт большого набора настроек алгоритма. Управление процессом моделиро- вания. В PSpice в процессе моделиро- вания возможно остановить вычис- Сравнение возможностей PSpice и бесплатных симуляторов Функциональные возможности PSpice Бесплатные симуляторы Доступность моделей компонентов Да, на сайтах большинства производителей Слабая Наличие библиотеки моделей Поддержка различных типов компонентов в моделировании 33 тыс. моделей От 3 до 5 тыс. моделей Настройка и обеспечение сходимости вычислений Да, исчерпывающий набор типов компонентов Ограниченный набор Управление процессом моделирования Слабые, частые проблемы сходимости Удобный просмотр и анализ результатов моделирования Да, удобные и полные Кодирование моделей Да, с возможностью остановки и запуска Слабое Моделирование смешанных аналого-цифровых схем Ограниченно Утилиты для разработки моделей Да Удобный ввод схем и интеграция с САПР печатных плат Да Нет Повторное использование наработок Да Как правило, нет Возможности системного проектирования Да Перенастройка старых схем под новые задачи Да Нет Анализ чувствительности схемы к номиналам компонентов Да Обычно ограниченный редактор схем Анализ наихудших ситуаций Да Разработка высокоуровневых SPICE-моделей Да Сложно Анализ перегруженных компонентов Да Обычно нет Моделирование теплоотвода Да Да Слабо Анализ влияния разброса номиналов на работоспособность схемы Да Сложен Да Ограничен Дополнительные ресурсы Поддержка и обучение Да Нет Сложен Интерактивный учебник Сложно Да, на русском языке Ограничен Нет Слабые 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ления,продолжитьстойжеточки,настро- Рис. 1. Сравнение АЧХ и ФЧХ двух схем в PSpice до и после автоматической подстройки номиналов ить точку остановки. Кроме того, можно выбирать между более высокой точно- ● возможность моделирования харак- ● во время симуляции есть возможность стью или скоростью вычислений. Инте- теристик входов/выходов цифровых создания отчётов, содержащих все па- ресной возможностью является функция микросхем; раметры используемых моделей. добавления проверок, позволяющих Удобный ввод схем и интеграция с остановить вычисления в случае обна- ● симуляция ПЛМ-матриц; ружения определённой комбинации ● симуляция микросхем памяти; САПР печатных плат. За счёт интегра- условий. Также пользователю доступен ● микросхемы с третьим состоянием ции с популярным схемным редакто- менеджер симуляций, который помогает ром OrCAD Capture программа PSpice запланировать и запустить набор после- выхода; позволяет использовать многолисто- довательных симуляций. ● цифровые входные воздействия; вые схемы, при этом выполнять моде- ● логические выражения в качестве мо- лирование можно селективно, выделяя Удобный просмотр и анализ резуль- требуемые участки схемы. Это предо- татов моделирования (см. рис. 1). делей цифровых каскадов; ставляет уникальную возможность В PSpice, в отличие от бесплатных про- ● задержка от входа до выхода; проверять качество реальных схем грамм, имеются широкие возможности ● правила и ограничения; без необходимости ручного копиро- обработки результатов моделирования: ● срабатывание по фронту или по вания из САПР в симулятор и обратно, ● настройки осей графиков; что может быть сопряжено с ошибками. ● множественные трассы на одном гра- уровню; ● время предустановки и удержания; В PSpice встроен удобный механизм фике; ● автоматическая вставка преобразо- создания схемных символов прямо из ● расстановка текстовых меток; SPICE-модели, что обеспечивает кор- ● анализ характеристик схемы; вания AtoD и DtoA между аналоговы- ректность и возможность проверки ● построение гистограмм; ми и цифровыми цепями. цоколёвки компонента на схеме. ● автовыполнение измерений на гра- Утилиты для разработки моделей. После установки PSpice пользователи Интеграция с САПР OrCAD распро- фиках; получают, помимо симулятора, ещё и страняется и на инструменты редак- ● выполнение измерений по данным; набор утилит для редактирования и тирования топологии печатных плат, ● курсоры на множественных графиках; создания моделей компонентов: а также инструменты анализа целост- ● создание входных воздействий из ре- ● Model Editor позволяет редактиро- ности сигналов. вать имеющиеся модели или созда- зультатов моделирования; вать новые; За счёт встроенной в схемный редак- ● построение кривых BH; ● Modelling Apps позволяют создавать тор Capture системы управления базой ● вычисление потерь в сердечниках с модели различных видов компонен- компонентов CIS пользователи получа- тов на основании кривых из справоч- ют универсальное решение для управ- гистерезисом; ных листков или измерений параме- ления библиотекой компонентов: схем- ● сравнение результатов нескольких тров компонента; ных символов, футпринтов, SPICE- ● Stimulus Editor облегчает создание моделей, 3D-моделей, справочных симуляций на одном графике; файлов входных воздействий; листков и другой информации. ● считывание данных с осциллографа; ● Magnetic Editor предоставляет функци- ● возможность представления резуль- онал для создания моделей компонен- Удобство повторного использова- тов с ферромагнитными свойствами; ния наработок. Пользователи могут татов вычислений на схеме; ● библиотека моделей не только сгруп- использовать схемы повторно для соз- ● поддержка языка программирова- пирована по категориям, но и позво- дания новых устройств, копируя как ляет осуществлять параметрический отдельные листы, так и части схемы, ния TCL. поиск; при этом имея возможность их кор- Кодирование моделей. В PSpice под- держивается не только базовый вариант кодирования SPICE-моделей, но и такие стандарты, как AES, DES, а также индиви- дуальное кодирование на основе ключа. Это даёт возможность производителям компонентов защищать от копирова- ния внутреннее устройство микросхем, но при этом предоставлять заказчикам качественные модели. А предприятиям, использующим библиотеки проверен- ных моделей для симуляции, это позво- ляет предотвратить модификацию моде- лей неавторизованными сотрудниками. Моделирование смешанных анало- го-цифровых схем. PSpice, в отличие от бесплатных аналогов, имеет широкие возможности моделирования не толь- ко аналоговых, но и цифровых схем: ● симулятор на основе событий; ● возможность моделирования дли- тельностей фронтов в цифровых ми- кросхемах; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 65

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 2. Пример анализа работоспособности схемы при варьировании номиналов компонентов и тем самым обеспечивать работу схе- в PSpice мы с учётом реального тепловыделения и самых жёстких окружающих условий ректировки и оптимизации под новые окружающей среды. Это даёт предпри- эксплуатации. задачи с помощью PSpice. ятию возможность осуществить шаги, позволяющие повысить как надёжность Анализ влияния разброса номина- Возможности системного проекти- устройств, так и выход исправных изде- лов на работоспособность схемы рования. Интеграция PSpice и Matlab/ лий (например, за счёт ужесточения (см. рис. 2). В PSpice алгоритм Монте- Simulink даёт системным разработчи- допусков у наиболее критических ком- Карло, позволяющий проверить работу кам возможность полноценно вери- понентов), не повышая при этом себе- схемы при случайном разбросе пара- фицировать свои решения на систем- стоимость электроники. Что интерес- метров, имеет гораздо больше возмож- ном уровне с учётом реально выбран- но, PSpice позволяет анализировать как ностей, чем в бесплатных симуляторах. ных электрических схем, убедиться в аналоговые проблемы, так и проблемы Это позволяет получить достоверные пригодности схемотехники для выпол- цифровых задержек и гонок сигналов. и полные результаты расчётов, кото- нения поставленных задач, полностью рые требуются для проверки надёжно- промоделировать любую электромеха- Разработка высокоуровневых SPICE- сти схемы в заданных ценовых рамках ническую систему. моделей. В PSpice возможно создать или для замены ЭРИ. модель контроллера, например, опи- Перенастройка старых схем под сав его поведение и реакцию на те или Дополнительные ресурсы. После новые задачи. В PSpice, в отличие от дру- иные состояния входов в виде програм- установки PSpice пользователю досту- гих симуляторов, с помощью инстру- мы на языке С/С++. С помощью таких пен большой интерактивный учебник, ментов расширенного анализа пользо- моделей можно как отлаживать алго- в котором подробно описаны типовые ватели могут автоматически выполнить ритм управляющего контроллера, так и схемы включения различных компо- перенастройку схемы под новые тре- имитировать входные воздействия или нентов, их особенности с практически- бования, например под другие частот- реакцию окружающей среды на пове- ми примерами и схемами. Каждую схему ные диапазоны, изменённый коэффи- дение выходов схемы. можно открыть в редакторе, запустить её циент усиления и т.д. Таким образом, моделирование в тех или иных режимах, старые наработки могут использовать- Анализ перегруженных компонен- скорректировать для достижения требу- ся более эффективно. Более того, опти- тов. С помощью расширенного ана- емых целей или скопировать для исполь- мизация схемы под новые требования лиза PSpice можно без каких бы то ни зования в собственных разработках. может выполняться на основе заданных было доработок проверить схему на графиков, например АЧХ устройства. предмет наличия перегруженных ком- Поддержка и обучение. Обучение понентов. Например, если у конденса- работе в PSpice проводят ведущие Анализ чувствительности схемы к торов есть ограничение по максималь- вузы РФ и Беларуси; также ежемесяч- номиналам компонентов. В PSpice име- ному напряжению на выводах, система но проводятся курсы повышения ква- ется уникальный инструмент, позволя- PSpice поможет обнаружить те конден- лификации. Официальный дистри- ющий провести анализ того, к номи- саторы, на которых это напряжение бьютор компании Cadence – ООО «ПСБ налам каких компонентов схема наи- превышено или близко к пределу. Таким СОФТ» – регулярно проводит тренинги более чувствительна, с точки зрения образом, предприятие с помощью дан- в московском учебном классе, где мож- обеспечения заданных целей (напри- ного инструмента обеспечит долговеч- но ознакомиться с базовыми и расши- мер, заданной полосы пропускания). ность прибора, отсутствие сбоев и отка- ренными возможностями программы. С помощью этого инструмента можно зов вследствие превышения допусти- повысить надёжность устройства, уде- мых режимов эксплуатации ЭРИ, что ЗАКЛЮЧЕНИЕ шевить его, понять, какие компоненты является весьма частой и труднообнару- требуют особого внимания. жимой причиной отказов аппаратуры. Приведённый выше перечень преи- муществ PSpice является далеко не пол- Анализ наихудших ситуаций. С помо- Моделирование теплоотвода. PSpice ным, тем не менее он позволяет понять, щью расширенного анализа PSpice мож- позволяет моделировать тепловыде- что для предприятий, стремящихся но получить информацию о том, как ление, подбирать и проверять систе- повысить эффективность разработки схема будет вести себя в наихудшей му теплоотвода, требуемые радиато- и надёжность выпускаемой аппарату- ситуации, при наихудшем сочетании ры, учитывать понижающие факторы ры, а также снизить издержки на пуско- номиналов компонентов и температуры наладочные работы, доступен очень мощный инструмент – OrCAD PSpice Designer Plus. Данный пакет программ содержит в себе редактор схем, симу- лятор и другие полезные инструмен- ты, такие как PSpice Advanced Analysis. Для предприятий, желающих организо- вать полный и цельный цикл проекти- рования, интересным решением будет OrCAD Professional with PSpice – про- фессиональная САПР печатных плат, базирующаяся на ядре Cadence Allegro PCB Editor и позволяющая эффектив- но выполнять разработку самых слож- ных устройств. 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

Герметизированное исполнение Потребляемая мощность в режиме холостого хода < 0,3 Вт Герметизированное исполнение и открытый каркас Потребляемая мощность в режиме холостого хода < 0,3 Вт ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Трассировка в среде Altium Designer с помощью инструмента ActiveRoute Алексей Якубенко ([email protected]) ПАНЕЛЬ ACTIVEROUTE Самый долгий и ответственный процесс в разработке печатной платы – Прежде чем приступить к трассировке прокладка проводников. Несмотря на то что система правил Altium с помощью механизма ActiveRoute, необ- Designer в значительной мере автоматизирует контроль и исполнение ходимо запустить панель ActiveRoute таких параметров, как зазоры между элементами топологии, ширина (см. рис. 1), которая содержит все необ- проводников, размеры отверстий, контактных площадок и т.п., ходимые опции для работы с механиз- трассировка проводников остаётся в зоне ответственности именно мом ActiveRoute. Чтобы открыть данную разработчика. На фоне этого эффективность инструментов прокладки панель, необходимо выполнить коман- проводников играет определяющую роль в эффективности процесса ду View → Panels → PCB ActiveRoute или разработки любой печатной платы. В данной статье рассматривается нажать расположенную в правом ниж- такой инструмент прокладки проводников, как ActiveRoute. нем углу окна среды AD кнопку Panels и в раскрывшемся меню выбрать пункт В прошлых номерах журнала [1–3] ки проводников. Однако упомянутые PCB ActiveRoute. были подробно рассмотрены базо- инструменты не являются единствен- вые инструменты трассировки в сре- но доступными. Как видно из рисунка 1, данная де Altium Designer (AD) – интерактив- панель состоит из ряда областей: ная трассировка, трассировка диф- ЧТО СОБОЙ ПРЕДСТАВЛЯЕТ ● Action – в данной области содержат- ференциальных пар и трассировка ACTIVEROUTE групп цепей. Очевидно, что AD пре- ся основные элементы управления доставляет пользователям высокоэф- Механизм ActiveRoute представляет механизмом ActiveRoute: запуск про- фективные инструменты для проклад- собой инструмент групповой трасси- цесса трассировки, построение груп- ровки цепей. В отличие от обычных повой направляющей, включение ме- Рис. 1. Панель ActiveRoute инструментов трассировки, он, по сути, ханизма выравнивания цепей и т.д.; приближается к автоматическим трас- ● Layers – в данной области можно най- сировщикам. Его отличают следующие ти элементы управления слоями; ключевые аспекты: ● Control – содержимое данной обла- ● автоматическое построение отводов сти предназначено для управления процессом построения трасс про- проводников от контактных площа- водников; док посадочных мест (ПМ) или пере- ● Tune – здесь расположены элементы ходных отверстий (ПО) и иных эле- управления выравниванием длин це- ментов топологии; пей; ● высокая скорость построения про- ● Pin Swap – данная область предна- водников; значена для выбора ПМ, у которых ● подчинённость правилам ширины, в процессе прокладки проводников зазоров, слоёв, топологии и комнат может осуществляться перестанов- с учётом их приоритета; ка выводов. ● возможность предварительной про- Подробно эта панель будет рассмо- кладки направляющей для проводни- трена далее, в процессе описания меха- ков группы цепей; низма ActiveRoute. ● возможность прокладки проводни- ков группы цепей через полигоны с ТРАССИРОВКА С ПОМОЩЬЮ последующей перезаливкой послед- МЕХАНИЗМА ACTIVEROUTE них (в случае если включена соответ- ствующая настройка); За счёт богатых возможностей меха- ● поддержка как обычных цепей, так и низма ActiveRoute его применение явля- дифференциальных пар; ется более сложным, чем применение ● применение в автоматическом ре- различных видов интерактивной трас- жиме мощного механизма оптими- сировки. По этой причине рассматри- зации проводников на финальном ваться данный механизм будет по прин- этапе прокладки группы проводни- ципу «от простого к сложному». ков. Также важно понимать, что, несмо- В самом простом случае для приме- тря на обилие возможностей, механизм нения инструмента ActiveRoute необ- ActiveRoute не является автоматическим ходимо совершить всего три действия: трассировщиком. 1. Выбрать цепи для трассировки. 2. Выбрать слои, на которых должны пройти трассы. 3. Запустить команду ActiveRoute. 68 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ При выборе цепей для трассировки, Рис. 2. Пример простейшего применения механизма ActiveRoute помимо выделения непосредственно линий связи, можно выбирать элемен- Рис. 3. Пример использования ActiveRoute с механизмом оптимизации Gloss ты топологии, к которым подключены нужные цепи: сегменты проводников, дники были проложены на двух слоях. Meander % Over Manhattan Length ПО или контактные площадки ПМ. На зелёном слое можно найти прово- Механизм ActiveRoute стремит- дники разной толщины: в проекте пред- Для выбора слоёв, на которых должны варительно были сформированы пра- ся проложить проводники по наи- пройти трассы, предназначена область вила типа Width с разными значениями более короткому и оптимальному Layers панели ActiveRoute. Данная область ширины. На красном слое также мож- пути, т.е. пытается проложить трас- представляет собой таблицу слоёв. но увидеть два проводника с увеличен- сы таким образом, чтобы они име- Над списком расположен пункт Show ной шириной, идущие рядом друг с дру- ли наименьшее количество изгибов Signal Layers Only – когда он выбран, гом, – это проводники дифференциаль- и наименьшую длину. Однако неред- в таблице отображаются только сиг- ной пары, и они проложены именно как ко возникают ситуации, когда он не нальные слои. С помощью проставле- дифференциальная пара. может проложить некоторые прово- ния соответствующей галочки можно дники из группы по причине значи- также включить или выключить воз- Gloss Results тельно возрастающей длины, связан- можность прокладки проводников на Как видно из рисунка 2, проводники ной со сложной топологией печатной каждом слое. Необходимо заметить, что платы (ПП). На рисунке 3 представ- ActiveRoute не может переводить прово- были проложены не очень аккуратно. лен именно такой случай: прово- дники со слоя на слой через ПО, одна- Особенно это заметно по проводникам дник одной из цепей не был проло- ко при необходимости данный меха- дифференциальной пары. Чтобы повы- жен. В этом случае можно попытать- низм легко справляется с проклад- сить качество прокладки проводников, ся «помочь» механизму ActiveRoute. На кой проводников одновременно на ActiveRoute в качестве финального эта- панели ActiveRoute в области Control нескольких слоях, например в случа- па трассировки может использовать расположена опция Meander % Over ях, когда при выборе цепей для трасси- механизм оптимизации проводящего Manhattan Length. Суть этой настрой- ровки были указаны элементы тополо- рисунка Gloss. Для того чтобы задей- ки в том, что с её помощью разрешает- гии, расположенные на разных слоях. ствовать оптимизацию, перед запу- ся определённое превышение длины Естественно, если были выбраны эле- ском ActiveRoute на панели ActiveRoute проводника над наиболее коротким менты топологии на слое, который в в области Action необходимо выбрать расстоянием между соединяемыми области Layers был выключен, то про- пункт Gloss Results. На рисунке 3 приве- элементами топологии. Расстояние водники соответствующих цепей про- дён пример работы ActiveRoute с вклю- между соединяемыми элементами ложены не будут. Если в области Layers чённым механизмом оптимизации. вычисляется по метрике Манхэттена, а не выбран ни один слой, то трассиров- Если сравнить рисунки 2 и 3, то стано- в настройках разрешённое превыше- ка будет проводиться исключительно вится очевидно, что во втором случае ние задаётся в процентах. По умолча- по текущему слою. трассировка выполнена более аккурат- нию оно задано на уровне 100%. Если но. Стоит обратить внимание также на его увеличить, у механизма ActiveRoute Запустить команду ActiveRoute мож- то, что одна из цепей оказалась нераз- появится больше свободы в проклад- но как из панели ActiveRoute одноимён- ведённой. Почему это произошло и как ке проводников. Чтобы изменить раз- ной кнопкой, так и выполнив команду этого избежать, будет рассказано далее. решённое превышение, необходимо Route → ActiveRoute, а также щёлкнув левой клавишей мыши по пиктограм- ме , расположенной на панели инструментов или на панели PCB Active Bar. Кроме того, можно воспользовать- ся сочетанием горячих клавиш Shift+A. Стоит также заметить, что ActiveRoute умеет различать и правильно прокла- дывать как обычные односигналь- ные цепи, так и дифференциальные пары. При выборе ширины проводни- ков и зазоров между ними механизм ActiveRoute ориентируется на соответ- ствующие правила. Если правила под- разумевают варианты минимального, предпочитаемого или максимально- го значений (как, например, правила типа Width), то выбираться будут пред- почитаемые. На рисунке 2 приведён пример про- стейшего применения механизма ActiveRoute. Все проводники, изобра- жённые на рисунке, были сформиро- ваны одновременно. Как видно, прово- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 69

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Чтобы запустить процесс формиро- вания направляющей, нужно нажать кнопку Route Guide, расположенную на панели ActiveRoute в области Action. Формирование направляющей анало- гично прокладыванию отдельного про- водника. Чтобы закончить формирова- ние направляющей, необходимо щёл- кнуть правой клавишей мыши в любом месте рабочего окна. Ширина направляющей определя- Рис. 4. Пример использования механизма ActiveRoute с увеличенным разрешённым превышением ется исходя из ширины проводников, зазоров между ними, количества задей- ствованных слоёв и рассчитывается по формуле: , где: ● W – суммарная ширина всех прово- дников, входящих в группу; ● C – сумма зазоров между проводни- ками; ● L – количество задействованных слоёв; ● K – коэффициент. Границы направляющей являют- а ся жёстким препятствием для прокла- дываемых проводников. Если на пути направляющей находятся иные эле- менты топологии (например, ПО), то может возникнуть ситуация, когда из-за необходимости обхода этих пре- пятствий в ширину направляющей не будут помещаться какие-либо из прово- дников. В таком случае эти проводни- ки не прокладываются. Применяемый в формуле ширины направляющей коэф- б фициент K по умолчанию принят рав- ным 1,3. Данное значение выбрано для Рис. 5. Прокладка проводников механизмом ActiveRoute с применением направляющей: того, чтобы увеличить вероятность про- а) формирование направляющей; б) выполнение команды ActiveRoute хождения проводников по заданному пути с учётом препятствий. либо вписать требуемое значение пу проводников по наиболее коротко- Ширину направляющей можно кор- в окно ввода опции Meander % Over му пути. Однако периодически у разра- Manhattan Length, либо воспользовать- ботчиков ПП возникает необходимость ректировать в процессе её формирова- ся слайдером. На рисунке 4 приведён проложить такую группу по иному соответствующий пример. На нём изо- пути. В этом случае на помощь прихо- ния. Для этого предназначены клави- бражён тот же участок топологи, что и дит функция Route Guide. Суть данной на рисунке 3, однако в данном случае функции заключается в том, что с её ши ↑ и ↓. Первая увеличивает ширину разрешённое превышение было уве- помощью перед запуском механизма личено со 100 до 200%. В результате, ActiveRoute пользователь может сфор- направляющей, вторая – уменьшает. сравнивая рисунки 3 и 4, можно заме- мировать специальную направляю- тить, что проводники были проложе- щую, указывающую путь, по которому В данном случае речь идёт об увеличе- ны по-другому и все точки на этот раз должна пройти группа проводников. были соединены. В таком случае алгоритм действий раз- нии или уменьшении ширины направ- работчика по трассировке с помощью Необходимо также иметь в виду, что механизма ActiveRoute приобретает сле- ляющей за счёт изменения коэффици- опция Meander % Over Manhattan Length дующий вид: может быть применена только в том 1. Выбрать цепи для трассировки. ента K. Соответственно, увеличение случае, если разработчик не применя- 2. Выбрать слои, на которых должны ет направляющие для прокладки групп данного коэффициента приводит к проводников (о чём пойдёт речь далее). пройти трассы. 3. Сформировать направляющую увеличению вероятности прокладки Route Guide Как уже говорилось ранее, механизм (см. рис. 5а). проводников, а уменьшение – к умень- 4. Выполнить команду ActiveRoute ActiveRoute стремится проложить груп- шению вероятности. Коэффициент K (см. рис. 5б). может изменяться в пределах от 1 до 10. При этом необходимо иметь в виду, что изменение ширины направляющей приводит лишь к изменению вероят- ности прохождения проводников по заданному пути, а значения ширины проводников и зазоров между ними остаются без изменений. Направляющая представляет собой набор сегментов заданной ширины, 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ сформированный в механическом слое. Это значит, что его можно редак- тировать путём выделения и перетаски- вания отдельных сегментов с помощью левой клавиши мыши. При этом первый и последний сегменты по умолчанию блокируются, но их можно разблокиро- вать стандартным способом. Чтобы уда- лить направляющую, достаточно выде- лить любой из её сегментов и нажать клавишу Delete. Track-Track Space In Route Guide Рис. 6. Пример прокладки проводников с помощью механизма ActiveRoute с выравниванием длин Если изменение ширины направ- проводников ляющей за счёт корректировки зна- одно правило типа Matched Lengths. выводах ПМ. Включение данной функ- чения коэффициента K приводит к Во-вторых, необходимо выполнить ции производится с помощью выбора изменению вероятности прохожде- соответствующие настройки. Для это- пункта Pin Swap Routing, который мож- ния группы проводников по заданному го предназначена расположенная на но найти на панели ActiveRoute в обла- пути, то с помощью опции Track-Track панели ActiveRoute область Tune. В её сти Action. Однако здесь также необхо- Space In Route Guide меняется величи- верхней части расположена табли- димо выполнить несколько настроек. на зазоров между проводниками груп- ца правил типа Matched Lengths. Что- Во-первых, в проекте ПП должны быть пы. Эту опцию можно найти на пане- бы выравнивание цепей состоялось, указаны ПМ, для которых разреше- ли ActiveRoute в области Control. Здесь необходимо в данной таблице выбрать на перестановка выводов. Во-вторых, доступны два элемента управления: одно или несколько соответствующих в нижней части панели расположена окно ввода и слайдер. Менять значение правил. Ниже таблицы расположены область Pin Swap, содержащая список зазоров можно как с помощью слайде- два поля. Верхнее предназначено для ПМ, для которых в проекте разрешена ра, так и путём ввода в окне соответству- настройки выравнивания одиночных перестановка выводов. Путём выбо- ющего значения. Если слайдер нахо- цепей, нижнее – дифференциальных ра нужного пункта можно включить дится в крайнем левом положении, а пар. Оба поля содержат схематичное или отключить возможность переста- в окне ввода отображается слово Rule, отображение меандров и опции Max новки выводов для соответствующих то размеры зазоров определяются соот- Amplitude и Min Space. С помощью пер- ПМ в текущем сеансе прокладки про- ветствующими правилами. При изме- вой задаётся максимальная амплитуда водников. На рисунке 7 отображено, нении значения зазоров между прово- меандра, с помощью второй – мини- как работает перестановка выводов дниками меняется и ширина направля- мальный шаг. На рисунке 6 приведён с механизмом ActiveRoute. На рисун- ющей, так как она определяется в том пример трассировки группы цепей с ке 7а отражена ситуация, когда меха- числе и величиной зазоров. применением выравнивания длин про- низм ActiveRoute не справился с трас- водников. сировкой группы цепей, а на рисун- Необходимо также иметь в виду, что ке 7б – когда механизм справился с опция Track-Track Space In Route Guide Необходимо заметить, что функ- трассировкой в результате переста- имеет более высокий приоритет, чем ция выравнивания длин проводников новки выводов. правила, поэтому нужно вниматель- работает как с направляющей, так и без но выставлять значения зазоров. Если неё. Кроме того, в данном случае име- Если в процессе прокладки прово- определить их меньшими, чем задано ется ряд ограничений по сравнению дников была переставлена хотя бы правилами, то группа проводников с инструментом выравнивания цепей пара сигналов, то после трассиров- будет сформирована в соответствии с Interactive Length Tuning. Во-первых, ки цепей откроется окно с вопросом опцией, но при этом редактор ПП ото- доступен только один стиль выравни- Update Schematic with Pin Swap Changes? бразит соответствующие ошибки. вания длин – с помощью меандра с 20%- При положительном ответе схема будет ми фасками. Во-вторых, сформирован- обновлена в соответствии с произве- Также необходимо учитывать, что ные меандры не объединяются в бло- дённой перестановкой выводов. опция Track-Track Space In Route Guide ки и остаются набором сегментов, как доступна только с применением обычные проводники. ИТОГИ направляющей. Pin Swap Routing Необходимо понимать, что меха- Tune Selected Ещё одна важнейшая особенность низм ActiveRoute, хотя и приближает- Как уже упоминалось выше, меха- ся по своим возможностям к автомати- механизма ActiveRoute – возможность ческим трассировщикам, всё же оста- низм ActiveRoute умеет выравнивать автоматической перестановки выводов ётся интерактивным трассировщиком длины цепей. Чтобы запустить эту компонентов. Данная функция особен- с высокой степенью автоматизации и процедуру, необходимо на панели но полезна, когда проложить группу большим набором функций. ActiveRoute в области Action выбрать проводников возможно только поме- пункт Tune Selected. Однако, в отличие няв местами сигналы на определённых Перед тем как воспользоваться дан- от описанных выше опций, этого недо- ным механизмом, необходимо, чтобы статочно – необходимо также выпол- нить ряд настроек. Во-первых, в про- екте ПП должно быть задано хотя бы СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 71

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ аб Рис. 7. Пример прокладки проводников с помощью механизма ActiveRoute с перестановкой выводов: а) неудачная трассировка без перестановки выводов; б) удачная трассировка с перестановкой выводов в проекте были выполнены некоторые 3. Выбрать пункты Tune Selected, Pin поистине богатыми возможностями. настройки. В первую очередь речь Swap Routing и Gloss Results. По большому счёту он представляет идёт о правилах. Обязательно долж- собой интеграцию различного рода ны быть настроены правила типов 4. Выбрать слои, на которых должны интерактивных трассировщиков с Clearance (правила зазоров) и Width пройти трассы. инструментами выравнивания длин (правила ширины проводников). Если проводников, перестановки выводов с помощью механизма ActiveRoute 5. Если будет использоваться направ- и оптимизации проложенных про- предполагается трассировать в том ляющая, то, при необходимости, на- водников. Всё это, несомненно, при- числе и дифференциальные пары, то строить зазоры между проводника- водит к тому, что процесс разработ- необходимо также настроить правила ми с помощью опции Track-Track ки ПП ускоряется в разы и при этом соответствующего типа – Differential Space In Route Guide. Если же на- значительно уменьшается количество Pairs Routing. Если предполагается правляющая использоваться не бу- ошибок. выравнивать проводники, то должно дет, то, при необходимости, настро- быть настроено хотя бы одно прави- ить разрешённое превышение дли- ЛИТЕРАТУРА ло типа Matched Lengths. И, наконец, ны с помощью опции Meander % Over если планируется включение функ- Manhattan Length. 1. Якубенко А. Интерактивная трассиров- ции перестановки выводов, то в про- ка в среде Altium Designer. Часть 1. Трас- екте должны быть определены компо- 6. С помощью опций области Tune на- сировка отдельной цепи. Современная ненты, для которых эта перестановка строить выравнивание длин цепей. электроника. 2018. № 3. разрешена. 7. С помощью опций области Pin Swap 2. Якубенко А. Интерактивная трассировка в Если разработчик хочет восполь- выбрать ПМ, для которых допустима среде Altium Designer. Часть 2. Трассиров- зоваться полным набором функций перестановка выводов. ка дифференциальных пар и групп цепей. ActiveRoute в одном сеансе трассировки Современная электроника. 2018. № 4. группы цепей, то последовательность 8. При необходимость нажать кнопку действий с учётом того, что все пред- Route Guide и сформировать направ- 3. Якубенко А. Интерактивная трассировка варительные настройки правил и про- ляющую. в среде Altium Designer. Часть 3. Прави- екта были выполнены, будет пример- ла и редактирование. Современная элек- но следующей: 9. Запустить команду ActiveRoute. троника. 2018. № 5. 1. Выбрать цепи для трассировки. 2. Открыть панель ActiveRoute. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 4. Altium. Documentation 2018. ActiveRoute: https://www.altium.com/documenta- В настоящей статье был рассмотрен tion/ru/18.1/display/ADES/((Acti- инструмент интерактивной трассиров- veRoute))_AD ки ActiveRoute. Данный инструмент, с одной стороны, достаточно прост в использовании, с другой – обладает 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

Реклама

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ Вопросы терминологии и классификация инверторов Часть 1 Евгений Силкин ([email protected]) источники, а определения, взятые из документов, которые «нельзя признать В статье, относящейся к теме силовой электроники, речь идёт удачными», следует давать с разъясне- о необходимости использования в этой области знаний единых ниями, почему они таковыми являют- и точных терминов и определений. ся. Тем более, составители [2] считают, В первой части анализируются некоторые проблемы, связанные, что «словарь позволяет специалистам в в том числе, с так называемой «гармонизацией» нормативов области силовой электроники, а также на современном этапе. в смежных научно-технических обла- стях правильнее использовать терми- Набор или совокупность специаль- происходящих процессов естествен- ны, узнать точные и стандартизован- ных терминов и определений, как ной смены поколений специалистов, ные определения, лучше сопоставлять известно, составляет основу любой тотальной коммерциализации, появ- термины, употребляемые в русскоязыч- области знаний. Такая совокупность – ления прослойки учёных-консультан- ной или англоязычной литературе», а своего рода технический язык, кото- тов по научной части и менеджеров для также что «словарь могут использо- рый по определению должен быть науки является, в том числе, существен- вать… переводчики научной литера- однозначным и понятным всем, кто ный рост ошибок и различного рода туры и публикаций в области силовой им пользуется. Здесь невозможно не несуразностей (конечно, и в применяе- электроники, он будет полезен студен- согласиться, например, с автором [1], мой терминологии) в многочисленных там и преподавателям вузов, в которых считавшим «совершенно очевидной технических публикациях, затрудняю- проходят подготовку специалисты в важность правильно разработанной... щих, а порой и делающих практически области электротехники, электроэнер- терминологии». По этой причине для невозможным оперативное восприятие гетики, радиоэлектроники и др.». каждой из отраслей науки и техники и понимание того, что хотели сказать всегда вводились стандарты и устанав- и донести до читателей авторы неко- Определений же, которые «нельзя ливались специальные правила (в том торых работ. признать удачными» в [2] действитель- числе международные, межгосудар- но достаточно, причём в большей сте- ственные, государственные, отрасле- Например, в предисловии [2] гово- пени это относится к терминам и поня- вые), регулирующие качество и объём рится: «Силовая электроника – дина- тиям, не содержащим ссылок на пер- используемой терминологии. Система мично развивающаяся область техни- вичные источники. стандартизации в СССР была одной из ки, связанная с большим числом смеж- самых эффективных в мире. До сих пор ных дисциплин, поэтому словарный Вот лишь некоторые примеры такой применяются многочисленные стан- запас специалиста... постоянно попол- терминологии. дарты и иная нормативная документа- няется и изменяется, кроме того, в оби- ция, относящиеся, в том числе, к науч- ходе часто используются иностранные Резонансные инверторы в [2] упоми- ной и технической терминологии, раз- термины и инженерный жаргон... При наются совместно с перечислениями работанной ещё в СССР (и СЭВ). подготовке словаря использовались на русском и английском языках раз- энциклопедический словарь «Электро- личного рода резонансных и «квази- В настоящее время позиции страны ника» (М., 1991), Международный элек- резонансных преобразователей» (soft в значительной мере утрачены. Сегод- тротехнический словарь. Гл. 551. Сило- switching converter – перевод состави- ня российская терминология различ- вая электроника, 1997 – русская версия телей), «квазирезонансных ключей» ных предметных областей обогащается (International Standart, IEC 60050-551, (soft switch – перевод составителей), новыми терминами и определениями, Manuscript 1997 – 06); словарь терми- «прямых» и «непрямых» инверторов в том числе из зарубежных источников, нов «Силовая электроника» (М., 2001), и проч., среди которых невозможно в переводах и на языках оригиналов, а также ряд государственных стандар- идентифицировать реальные устрой- которые зачастую вызывают только тов, ссылки на которые даны в тексте… ства и которые ни в одном источнике путаницу и противоречат сложившим- Несмотря на то что некоторые опреде- более не встречаются. «Мягкое пере- ся на протяжении многих лет представ- ления, взятые из указанных документов, ключение» в электрических преоб- лениям и даже действующим стандар- нельзя признать удачными, составите- разователях возможно не только при там. Последнее коснулось и промыш- ли оставили их без изменения, посколь- использовании вводимых автора- ленной (силовой, энергетической, как ку они являются официальными». ми [2] «квазирезонансных ключей», но сейчас называют) электроники (или и, например, при резонансной, квази- преобразовательной техники) – обла- Довольно сложно согласиться с резонансной коммутации вентилей, сти знаний, в которой СССР на протя- последним высказыванием авторов ограничении величин и скоростей жении многих десятилетий являлся вышеупомянутого словаря по причи- изменения токов и напряжений ёмко- одной из ведущих стран. Результатом не того, что большинство понятий в стями и индуктивностями (в том числе нём все-таки не содержат ссылок на насыщающимися). Можно также с уве- ренностью утверждать, что в вентиль- 74 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ ных силовых устройствах никакое иное ские реализации инверторов тока для да всё, касающееся «квазирезонансов», переключение, кроме «мягкого», не установок индукционного нагрева, «мультирезонансов» и прочего, как счи- реализуется в принципе. В IEC 60050 – большое число схем инверторов напря- тается, и началось (в том числе в [3–5]). International Electrotechnical Vocabulary жения, любые инверторы с квазирезо- В [3–5] речь идёт о соответствующих (IEV) нет определений «квазирезо- нансной коммутацией и даже различ- технологиях (методах) применитель- нансных (и даже резонансных) клю- ные преобразовательные устройства, но к маломощным импульсным пре- чей», «квазирезонансных» (и «мягких») например со снабберами и клампа- образователям DC/DC на двухопера- инверторов и преобразователей. В IEV, ми, содержащие резонансные цепи с ционных вентилях (и резонансным например, содержится только одно пра- индуктивностями и ёмкостями. Резо- ключам), как предполагается, суще- вило (551-12-26) для резонансного пре- нансными же считаются инверторы, ственно затрагивающих саму энерге- образователя (не конкретно инверто- в которых выходной ток (и, соответ- тику электромагнитных процессов в ра): резонансный преобразователь ственно, ток управляемого вентиля или устройствах (в квази- и мультирезо- (resonant converter) – преобразова- вентилей) на интервале повторяемости нансных преобразователях при этом тель с использованием резонансного (проводимости) изменяется по коле- используются резонансные ключи, а контура(-ов) для обеспечения коммута- бательному закону, а не просто элек- не квази- или мультирезонансные). ции или уменьшения потерь на комму- тронные устройства, в силовых схе- тацию. И определение это крайне неу- мах которых есть или «используются В [2] «прямой инвертор – инвер- дачное, т.к. практически невозможно резонансные контуры из реактивных тор без промежуточного звена посто- назвать ни одно реальное преобразо- элементов» (как записано в [2]). Опре- янного тока [МЭС 551-12-13]». В IEV вательное устройство (инвертор в том деления же «квазирезонансный пре- такое определение (direct inverter, числе), в котором не было бы «резо- образователь» или, тем более, «квази- 551-12-13, инвертор без звена посто- нансных контуров» для «обеспечения резонансный инвертор» употреблять янного тока) действительно есть. Одна- коммутации или уменьшения потерь не следует, т.к. невозможно понять, о ко инверторы не разделяются на «пря- на коммутацию» (что не делает их все каком устройстве вообще идёт речь, мые» и «непрямые» (indirect inverter, резонансными). Используя определе- и чем оно отличается, в частности, 551-12-14, согласно [2] – инвертор со ния для резонансного преобразовате- от просто «резонансного». При этом звеном постоянного тока). Инвертор, ля из IEV (551-12-26) или из [2] (ссылка понятие «квазирезонансный ключ» как и выпрямитель, – это одноступен- на МЭС 551-12-26), можно, в частности, не использовалось даже в изначаль- чатый (имеется в виду число ступеней к резонансным отнести все практиче- ных англоязычных источниках, отку- преобразования энергии) или одно- каскадный (однозвенный, согласно Технические характеристики: • Количество контактов: 2, 3, 4, 5, 7, 10 • Электрические характеристики: до 18 A, 600 В AC/DC • Диапазон рабочих температур: –20…+55°С • Взрывозащищённость по ATEX: Ex II 3 GD, для зон 2 и 22 • Влагозащищённость в соответствии с IP68, EN 60529:2001 ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 75

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ VT1 VT3 ем для резонансных инверторов. Соот- VD5 VD7 ветственно, специалисты по силовой электронике, как правило (кроме осо- Ck1 C бых случаев), не употребляли словосо- k3 четания «последовательный резонанс- + ный инвертор» (в [2] series resonant T inverter – инвертор, резонансный кон- E Ck2 Ck4 тур которого соединён последователь- – но с нагрузкой), а если и употребля- ли, то в принципиально иной трактов- VD6 ZC VD8 ке. То же можно отнести и к понятию VT2 nk VT4 параллельного резонансного инвер- тора из [2]. Рис. 1. Согласованный (резонансный) инвертор с открытым входом и дополнительными шунтирующими вентили конденсаторами В [2] «широтно-импульсная модуля- ция, ШИМ (pulse weight modulation, принятой в [2] терминологии) пре- звенных и многозвенных преобразова- PWM) – импульсное управление, при образователь. Инвертор (151-13-46, телей), прямо противоречат друг другу, котором ширина или частота импульсов IEV) – это устройство (конвертер элек- вносят путаницу в понятия звена, сту- или та и другая модулируются в преде- трической энергии), «который преоб- пени преобразования, каскада и проч. лах каждого периода основной частоты разует постоянный ток в однофазный Например, согласно [2] классический для того, чтобы создать определённую или многофазные переменные токи». инвертор тока должен быть «непря- форму… кривой выходного параметра В соответствии с СТ МЭК 50(151)-78 мым», инвертор напряжения при пита- [МЭС 551-16-30]». При этом далее указа- «Электрические и магнитные устрой- нии от аккумуляторной батареи явля- но: «Широтно-импульсное управление ства» «инвертором является преобра- ется «прямым», а тот же инвертор при (pulse duration control) – импульсное зователь электрической энергии, кото- питании от выпрямителя с ёмкостным управление посредством изменения дли- рый преобразует ток одного направле- фильтром – «непрямым». Преобразо- тельности импульсов при постоянной ния в систему переменных токов», а в ватели частоты могут быть «прямы- частоте их следования [МЭС 551-16-28]. ГОСТ 23414-84 «Преобразователи элек- ми» (со скрытым звеном постоянного <…> Частотно-имульсное управление троэнергии полупроводниковые. Тер- тока, или, иначе, непосредственными, (pulse frequency control) – импульсное мины и определения», в частности, без промежуточного звена постоянно- управление посредством изменения полупроводниковым инвертором (или го тока, по ГОСТ 23414-84) и «непрямы- частоты импульсов при их постоянной просто инвертором) называется «полу- ми» (с явно выраженным звеном посто- длительности [МЭС 551-16-29]». В IEV же проводниковый преобразователь элек- янного тока, содержащими в структуре понятие (551-16-30) имеет иное назва- троэнергии, предназначенный для пре- выпрямитель и автономный инвертор), ние – pulse width modulation control образования постоянного тока в пере- а инверторы – только «прямыми» или (PWM control – управление с широт- менный». В Википедии же инвертором «непосредственными» (разделение на но-импульсной модуляцией). Англий- считается «устройство для преобразова- «прямые» и «непрямые» для инверторов ская аббревиатура PWM – это, вообще ния постоянного тока в переменный с не несёт смысловой нагрузки, которая говоря, аббревиатура для pulse-width изменением напряжения». В классиче- однозначно соответствовала бы извест- modulation, а не pulse weight modulati- ском источнике [6] можно найти текст ным представлениям, и ничего, по сути, on [2] (ссылка не является корректной). следующего содержания: «Преобразо- не обозначает). Но не это главное. Смысл понятий ватель повышенной частоты... состо- «ШИМ» в [2] и PWM control («импульс- ит из двух основных узлов: выпрями- Согласно [2] полумостовой инвертор ное управление, в котором ширина теля, преобразующего переменный (half-bridge inverter) – это «однофаз- или частота импульса или оба пара- ток... в постоянный, и... автономного ный инвертор напряжения, использу- метра модулируются в течение каждо- инвертора, преобразующего постоян- ющий полумостовую схему». Подобное го периода – fundamental period – для ный ток в переменный... В промежуточ- определение является ошибочным, получения определённого выходного ное звено постоянного тока включается т.к. полумостовым может быть (причём сигнала») в IEV, очевидно, не соответ- сглаживающий фильтр, который часто в подавляющем большинстве практи- ствуют друг другу и известному поня- является элементом схемы инвертора... ческих случаев) и резонансный (согла- тию широтно-импульсной модуля- Различают преобразователи с явно сованный) инвертор. То же самое мож- ции (ШИМ) или (английскому) pulse- выраженным и скрытым звеном посто- но отнести и к понятию из [2] – «после- width modulation (PWM). Так что же янного тока». Отдельные определения довательный инвертор» (в [2] inverter считать и как в настоящее время опре- в [2], касающиеся «прямого» и «непря- with series capacitor – инвертор тока, делить (и, что важно, понимать) ШИМ? мого» (с одним или несколькими зве- коммутирующие конденсаторы кото- В ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь. Терми- ньями переменного или постоянного рого включены последовательно с ны и определения» «широтно-импульс- тока) преобразования энергии, а так- нагрузкой). В преобразовательной тех- ная модуляция – импульсная модуля- же «прямых» и «непрямых» выпрямите- нике словосочетание «последователь- ция, при которой изменяемым параме- лей, инверторов и конвертеров (двух- ный инвертор» в течение десятилетий тром является длительность импульсов». являлось альтернативным обозначени- Там же даны определения и для других известных видов модуляции: амплитуд- но-импульсной, частотно-импульсной 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ и фазоимпульсной. Теория автомати- вую» и «цифровую» ШИМ. В некото- ческие потери на переключение сило- ческого управления оперирует с поня- рых источниках говорится о «плот- вых коммутирующих приборов, что в тиями методов квантования сигналов ностно-импульсной» модуляции (или принципе не сможет обеспечить ни по времени (дискретные импульсные импульсно-плотностной, и это тоже один из методов регулирования, при- системы), соответствующими ампли- ШИМ, или, даже, импульсно-кодовая меняемых в индукционном нагреве». тудно-импульсной, широтно-импульс- модуляция – ИКМ). В публикации [7] При этом в разделе статьи [3] «Теория ной и временно′й импульсной модуля- резонансный инвертор (см. рис. 1) КИМ» указывается, что «регулирова- ции (а именно частотно-имульсной с дополнительными шунтирующи- ние среднего значения потребляемой и фазоимпульсной). При «широтно- ми вентили «демпфирующими кон- от сети энергии при КИМ достигается импульсной модуляции длительность денсаторами» называется «последо- за счёт изменения количества вынуж- импульсов (или скважность) зависит вательным резонансным инвертором дающих импульсов, подключаемых к от дискретных значений входного сиг- напряжения». В аннотации к [7] сказано нагрузке за некоторый интервал време- нала, в то время как период дискретно- о том, что «предложен способ кодово- ни» и что «выходная частота инвертора сти и высота импульсов постоянны». импульсного регулирования техноло- в данном случае постоянно настроена Таким образом, можно утверждать, гического параметра преобразователя на резонанс, обеспечивая таким обра- что в одном определении ШИМ из [2] частоты для установки индукционно- зом нулевой ток включения и выключе- (а также из IEV, PWM control) факти- го нагрева» и что при использовании ния силовых коммутирующих прибо- чески смешиваются сразу несколь- этого способа «значительно уменьша- ров». И это при наличии в схеме шун- ко видов импульсной модуляции ются мощность потерь на переключе- тирующих вентили «демпфирующих (и даже, вероятно, содержится ссылка на ние силовых коммутирующих прибо- конденсаторов», разряд которых при релейные системы, относящиеся вооб- ров, массогабаритные показатели и включении вентилей имеет место и ще к другому типу дискретных систем). увеличивается КПД преобразователя ничем не ограничен (не выполняет- частоты». Далее в [3] можно прочитать: ся условие «мягкой», или квазирезо- В качестве небольшого отступле- кодово-импульсная модуляция (КИМ) нансной коммутации, одна из основ- ния стоит отметить, что и с модуляци- «в технологии индукционного нагре- ных причин выхода из строя вентилей ей и её определениями (и примене- ва является новым и очень перспек- в схемах таких автономных инверто- ниями, в частности, к характеристи- тивным направлением, т.к. позволяет ров с указанным способом выключе- кам устройств силовой электроники) при достаточной точности регулиро- ния, которая привела даже к массовым не всё обстоит благополучно. Ста- вания практически исключить динами- разработкам специальных типов тран- ли различать, например, «аналого- Российская электроника для ответственных применений CompactPCI 2.0, 2.16, 2.30, Serial CPC503 CPC508 Поддерживаемые ОС CPC510 CPC512 ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 77

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ LD VD3 модуляцией на низкой частоте и про- ладающими свойствами источника VD1 VD4 сто широтно-импульсной модуляцией тока», можно получить, как следует из согласно определению МЭС 551-16-30 текста, инвертор тока, а при питании Rn (и нигде – КИМ; не упоминается такое его же «от цепи постоянного тока с + определение и в источниках, включая преобладающими свойствами (харак- –E ГОСТ Р 51317.3.2-99, на которые ссыла- теристиками) источника напряже- ются авторы статьи). Однако в книге ния», будет получен инвертор напря- VD2 [8], которая приведена в списке лите- жения. Однако в большинстве практи- ратуры в [7] без ссылки в основном тек- ческих случаев применения инвертор Рис. 2. Однофазный мостовой инвертор сте, всё-таки встречается на одном из тока запитывается именно от «цепи на двухоперационных тиристорах рисунков аббревиатура ИКМ без рас- постоянного тока с преобладающи- с резистивной нагрузкой и реактором в цепи шифровки понятия, а также представ- ми свойствами (характеристиками) источника питания лены термины «кодо-импульсный источника напряжения» (выпрями- модулятор» (КИМ) и «кодовый моду- тель, аккумуляторная батарея). От зисторов для подобных схем). Непо- лятор» (КМ), но применить это к дан- таких же источников питается, как нятно, зачем «демпфирующие конден- ному вопросу невозможно. правило, и инвертор напряжения саторы» вообще включены в схему это- (и эт..о совсем не означает, что послед- го «последовательного резонансного В [2] фазоимпульсной модуляци- ний нельзя запитать от «цепи со инвертора напряжения» с «предложен- ей называют вид импульсной модуля- свойствами источника тока»). Кро- ной КИМ». Оставляя без комментари- ции, используемый в «непосредствен- ме того, упомянутые выше резонанс- ев, какое отношение к рассмотренно- ных преобразователях частоты», у ные инверторы также можно питать му способу регулирования инвертора которых «выходное напряжение скла- от источников с разными характе- имеет КИМ (или ИКМ, импульсно-кодо- дывается из отрезков сетевого напря- ристиками. Таким образом, опреде- вая модуляция), которая представля- жения». Там же дано определение одно- ления для инверторов напряжения ет собой вариант (или метод) коди- полярной широтно-импульсной моду- и тока в [2] не соответствуют ориги- рования цифровой информации при ляции (unipolar PWM): «Модуляция, при нальным понятиям из IEV. Необхо- передаче (записи) данных, и как КИМ которой импульсы напряжения имеют димо при этом также заметить, что может «практически исключить дина- одну полярность». И это наряду с ранее понятия «инвертор напряжения» и мические потери на переключение приведённым там же (общим) опреде- «инвертор тока» в IEV перешли из рус- силовых коммутирующих приборов», лением PWM. скоязычных источников (и к недо- стоит отметить, что способ регулиро- статкам перевода их на английский вания мощности за счёт «изменения Представлены в [2], в том числе, язык в прошлом веке сегодня добав- относительного числа полупериодов статьи, относящиеся к инверторам лены ошибки обратного перевода на прохождения тока к числу полупе- напряжения и тока: инвертор напря- русский язык). Если понятия из IEV риодов, в течение которых ток отсут- жения – «инвертор, питаемый от цепи можно отнести к разряду неудачных, ствует» хорошо известен, имеет недо- постоянного тока с преобладающи- то определения из [2] – только к оши- статки принципиального характера ми свойствами (характеристика- бочным. и периодически используется в том ми) источника напряжения»; инвер- числе в установках индукционного тор тока – «инвертор, питаемый от Действительно, в [9], например, нагрева, как минимум с того момен- цепи постоянного тока с преоблада- при попытке применить аналогич- та, когда стал применяться сам индук- ющими свойствами источника тока». ные [2] определения (согласно ссыл- ционный нагрев. В некоторых источ- В указанных определениях также даны ке – из МЭС «в переводе на русский никах из указанной области техники ссылки на пункты МЭС (551-12-11 и язык») авторы были вынуждены дать этот способ регулирования (не моду- 551-12-12 соответственно), одна- дополнительные разъяснения доволь- ляции) называют число-импульсным ко, если обратиться к исходным тек- но значительного объёма, которые, (наиболее точное по сути определе- стам (IEC 60050-551:1998 International несмотря на это, нельзя совместить ние), с ударным возбуждением, широт- Electrotechnical Vocabulary, 551-12-11 с их фактическим смыслом: «Инвер- но-импульсным на низкой частоте, и 551-12-12), то в них не обнаружит- тор напряжения – инвертор, подклю- многопериодным управлением, низ- ся того, что написано по данной теме чённый к источнику постоянного кочастотным широтно-импульсным в [2]. Для инверторов напряжения и тока с преобладающими свойствами регулированием (или управлением), тока в IEV приводится только несколь- источника напряжения»; «Инвертор широтно-импульсным управлением ко словосочетаний (а именно назва- тока – инвертор, подключённый к с постоянной паузой или с перемен- ний), которые, вероятно, считаются источнику постоянного тока с пре- ным периодом, частотно-широтно- равнозначными (и общая «универ- обладающими свойствами источни- импульсным регулированием, релей- сальная» диаграмма). При этом смысл ка тока». Кроме того, в [9] сказано: в ным регулированием (если рассма- их (упомянутых названий) состоит в цепи постоянного тока инвертора тривать модификацию с постоянным том, что инвертор напряжения «кон- (тока) «включён реактор с большой количеством пропусков периодов резо- вертирует» напряжение (из постоян- индуктивностью, тогда при коммута- нансного тока и с варьируемым пери- ного в переменное, «инвертор источ- ции ключевых элементов ток в реак- одом модуляции, другой класс дис- ника напряжения»), а инвертор тока торе меняется незначительно, ключе- кретных систем), а также импульсной «конвертирует» ток («инвертор источ- вые элементы инвертора изменяют ника тока»). Если же применить опре- направление (но не мгновенное зна- деления из [2], то, питая инвертор тока чение) тока в нагрузке, поэтому мож- от «цепи постоянного тока с преоб- 78 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018

КОМПЕТЕНТНОЕ МНЕНИЕ но считать, что нагрузка подключена но не мгновенное значение тока в ЛИТЕРАТУРА к источнику тока. <…> В схеме инвер- нагрузке; реактор может и отсутство- тора напряжения источник постоян- вать (инвертор напряжения), а ключе- 1. Туманишвили Д.Г. Некоторые вопросы ного напряжения подключён к ключе- вые элементы будут изменять направ- классификации в электроприводе. Элек- вым элементам, которые периодиче- ление (но не мгновенное значение) тричество. 1939. № 4. ски коммутируют цепи нагрузки при тока в нагрузке. Источник тока и реак- изменении полярности напряжения, тор в цепи постоянного тока с боль- 2. Силовая электроника: краткий энцикло- подаваемого к нагрузке, поэтому мож- шой индуктивностью – это (приме- педический словарь терминов и опреде- но считать, что нагрузка подключе- нительно к упомянутым тезисам каса- лений / под ред. Ф.И. Ковалёва и М.В. Ряб- на к источнику переменного напря- тельно инверторов тока), очевидно, чицкого. – М.: Издательский дом МЭИ, жения. <...> В цепях постоянного тока принципиально разные вещи. В пер- 2008. – 90 с. некоторых инверторов напряжения вом случае напряжение (на актив- имеется индуктивность, обеспечива- ной нагрузке инвертора тока, даже с 3. Liu K. High-frequency quasi-resonant converter ющая коммутацию тиристоров, поэ- реактором большой индуктивности) techniques. Ph.D. Dissertation, Electrical тому наличие индуктивности в цепи будет пропорционально сопротивле- Engineering Department, Virginia Polytechnic постоянного тока ещё не является нию нагрузки (а ток неизменен), а во Institute and State University, Oct. 1986. достаточным признаком для опреде- втором – напряжение на нагрузке (в ления типа схемы (инвертор тока или установившемся режиме) всегда рав- 4. Jovanovic M. High-frequency, off-line power инвертор напряжения), необходимо но напряжению на входе инвертора conversion using quasi-resonant and multi- знать характер изменения входного (напряжению питания, то есть неиз- resonant techniques. Ph.D. Dissertation, тока инвертора: как правило, счита- менному напряжению), а ток (как на Electrical Engineering Department, Virginia ют, что в инверторах тока входной входе, так и на выходе) будет обрат- Polytechnic Institute and State University, ток непрерывен или прерывается… на но пропорционален сопротивлению Sept. 1988. незначительное по сравнению с меж- нагрузки. Существует и большое коли- коммутационным интервалом время. чество схем резонансных (согласо- 5. Lee F., Tabisz W., Jovanovic M. High- <...> Резонансными преобразователя- ванных) инверторов, в цепи постоян- frequency quasi-resonant and multi- ми называются преобразователи, в ного тока которых включён реактор с resonant converter technologies. Archiv которых используются электрические большой индуктивностью. Интерес- fur Elektrotechnik, n.74, 1990, рp.107–116. цепи с индуктивными и ёмкостными но, что определения из [2] для инвер- элементами для коммутации ключей торов напряжения и тока отличаются 6. Беркович Е.И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С. со снижением потерь мощности при и от соответствующих статей в МЭС, а и др. Тиристорные преобразователи коммутации». То же самое фактически не только от определений из IEV, как повышенной частоты для электротех- дословно повторяется и в [10]. Сто- упоминалось выше, и, естественно, от нологических установок. – Л.: Энерго- ит отметить лишь, что, если нагруз- текстов, приведённых в [9, 10]. атомиздат, 1983. – 208 с. ка инвертора, например, активная (для упрощения восприятия), реак- Во второй части статьи будет обосно- 7. Земан С.К., Сандырев О.Е. Кодово-импульс- тор в цепи постоянного тока может вана необходимость классифицировать ный способ регулирования технологиче- иметь индуктивность любой величи- инверторы в зависимости от различий ского параметра преобразователя частоты ны (см. рис. 2) и при коммутации клю- в характере электромагнитных процес- установки индукционного нагрева. Извес- чевых элементов ток в реакторе меня- сов в силовой схеме, а также дано опре- тия Томского политехнического универ- ется незначительно (может не изме- деление автономного согласованного ситета. Т. 310. 2007. № 1. – С. 191–196. няться совсем), а ключевые элементы инвертора и показано, что резонансные инвертора изменяют направление, инверторы являются частным случаем 8. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музычен- согласованного инвертора. ко Н.М. Модуляционные источники пита- ния РЭА. – М.: Радио и связь, 1990. – 322 с. 9. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учебник для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 632 с. 10. Розанов Ю.К., Воронин П.А., Рывкин С.Е. и др. Справочник по силовой электронике. – М.: Издательский дом МЭИ, 2014. – 472 с. Уважаемые читатели! В статье «Логический анализатор „за один вечер“. Часть 1. Подготовка аппаратной части» («Современная электроника» № 3/2018) автором были неверно указаны значения ёмкости микросхем памяти. Далее приведены соответствующие фрагменты текста с вне- сёнными изменениями. Стр. 43, средняя колонка, второй абзац: «Необходимо заметить, что корректная поддержка программой Saleae Logic аппаратных средств контроллера CY7C68013A возможна только в том случае, если в качестве микросхемы внешней памяти EEPROM с интер- фейсом I2C используется микросхема, у которой адресация записываемой или считываемой ячейки осуществляется одним адресным байтом (Word Address) без учёта дополнительных битов выбора страницы в байте управления. Это справедливо для микросхем па- мяти EEPROM с интерфейсом I2C начиная с 24CL02 до 24CL16 включительно. У микросхем большей ёмкости адресация ячейки осу- ществляется двумя байтами (Address MSB и Address LSB). На плате CY7C68013A USB Board производителем установлена микросхе- ма U2 FM24CL64, которую необходимо заменить на любую из приведённого перечня. Автор использовал микросхему FM24CL16». Стр. 45, левая колонка, первый абзац: «Для микросхемы FM24CL16 он должен иметь размер, показанный на рисунке 6». Редакция приносит свои извинения, а также сообщает, что, несмотря на допущенные ошибки, рекомендации по применению ми- кросхем в устройстве, приведённые в статье, остаются без изменений. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2018 WWW.SOEL.RU 79

ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛЫ УЖЕ ОПЛАЧЕНА РЕКЛАМОДАТЕЛЯМИ Бесплатная подписка для специалистов 3 идентичные версии: печатная, электронная, мобильная Мобильное приложение Мобильное приложение App Store Google Play App Store Google Play WWW.CTA.RU WWW.SOEL.RU Подписка оформляется на сайтах журналов

Реклама

Реклама