Помощь студентам в учебе
Блок приема цифровых потоков
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 10
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 10
1.1 Техническое задание 10
1.2 Анализ технического задания 12
2. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ
СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ «БАРРАКУДА-М» 15
2.1 Система «Барракуда-М» 15
2.2 Обзор существующих аналогов 19
2.3 Назначение устройства 22
3. ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ
БАЗЫ 25
3.1 Выбор элементной базы для построения БПЦП 25
3.2 Выбор микросхемы ПЛИС 26
3.3 Выбор DC/DC преобразователя 28
3.4 Выбор линейных стабилизаторов 29
3.5 Выбор драйвера приемопередатчика интерфейса RS-485 с
гальванической развязкой 30
3.6 Выбор драйвера приемопередатчика интерфейса RS-232 31
3.7 Выбор драйвера приемопередатчика интерфейса ГОСТ Р 52070¬
2003 («Манчестер-2») 32
3.8 Выбор драйвера приемопередатчика «SpaceWire» 33
3.9 Выбор резисторов 34
3.10 Выбор конденсаторов 35
3.11 Выбор внешнего разъема типа СНП
36
3.12 Выбор разъема для соединения печатных плат
37
3.13 Выбор разъема для программирования
38
4. РАСЧЕТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И
НАДЕЖНОСТЬ БЛОКА
39
4.1 Расчет развязки стабилизатора напряжения
39
4.2 Расчет развязки DC/DC преобразователя
40
4.3 Расчет развязки интерфейса ГОСТ Р 52070-2003
42
4.4 Расчет развязки приемопередатчика интерфейса SpaceWire
44
4.5 Расчет развязки приемопередатчика RS-232
47
4.6 Расчет развязки приемопередатчика RS-485
49
4.7 Расчет развязки ПЛИС
51
4.8 Расчет потребления тока блока БПЦП
53
4.8.1 Участок 1
54
4.8.2 Участок 2
56
4.8.3 Участок 3
58
4.8.4 Участок 4
60
4.8.5 Участок 5
61
4.8.6 Участок 6
63
4.8.7 Участок 7
65
4.9 Требования по надежности
66
4.10 Расчет показателей надежности БПЦП
67
5. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ БЛОКА БПЦП
70
5.1 Принципиальная схема блока БПЦП
70
5.2 Сборка блока БПЦП 74
6. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 79
6.1 Состав программных средств 79
6.2 Состав аппаратных средств для программирования блока БПЦП 80
6.3 Состав и назначение прикладного программного обеспечения для
блока БПЦП 81
6.3.1 Программа SpaceWire 83
6.3.2 Функция nextCRC32_D80 85
6.3.3 Программа RS_232_1 86
6.3.4 Программа RS_485_1 87
6.3.5 Программа MIL_STD_A 88
6.4 Описание работы ПЛИС 90
6.5 Временная диаграмма сигнала 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 95
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А — Принципиальная электрическая схема 98
ПРИЛОЖЕНИЕ Б — Чертеж модульной платы 105
ПРИЛОЖЕНИЕ В — Чертеж соединительной платы 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Г — Габаритные размеры корпуса БПЦП 107
ПРИЛОЖЕНИЕ Д— Блок схема алгоритма работы программы 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Е — Текст программы 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж — Список сокращений и специальных терминов 133
ВВЕДЕНИЕ 7
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 10
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 10
1.1 Техническое задание 10
1.2 Анализ технического задания 12
2. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ
СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ «БАРРАКУДА-М» 15
2.1 Система «Барракуда-М» 15
2.2 Обзор существующих аналогов 19
2.3 Назначение устройства 22
3. ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ
БАЗЫ 25
3.1 Выбор элементной базы для построения БПЦП 25
3.2 Выбор микросхемы ПЛИС 26
3.3 Выбор DC/DC преобразователя 28
3.4 Выбор линейных стабилизаторов 29
3.5 Выбор драйвера приемопередатчика интерфейса RS-485 с
гальванической развязкой 30
3.6 Выбор драйвера приемопередатчика интерфейса RS-232 31
3.7 Выбор драйвера приемопередатчика интерфейса ГОСТ Р 52070¬
2003 («Манчестер-2») 32
3.8 Выбор драйвера приемопередатчика «SpaceWire» 33
3.9 Выбор резисторов 34
3.10 Выбор конденсаторов 35
3.11 Выбор внешнего разъема типа СНП
36
3.12 Выбор разъема для соединения печатных плат
37
3.13 Выбор разъема для программирования
38
4. РАСЧЕТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И
НАДЕЖНОСТЬ БЛОКА
39
4.1 Расчет развязки стабилизатора напряжения
39
4.2 Расчет развязки DC/DC преобразователя
40
4.3 Расчет развязки интерфейса ГОСТ Р 52070-2003
42
4.4 Расчет развязки приемопередатчика интерфейса SpaceWire
44
4.5 Расчет развязки приемопередатчика RS-232
47
4.6 Расчет развязки приемопередатчика RS-485
49
4.7 Расчет развязки ПЛИС
51
4.8 Расчет потребления тока блока БПЦП
53
4.8.1 Участок 1
54
4.8.2 Участок 2
56
4.8.3 Участок 3
58
4.8.4 Участок 4
60
4.8.5 Участок 5
61
4.8.6 Участок 6
63
4.8.7 Участок 7
65
4.9 Требования по надежности
66
4.10 Расчет показателей надежности БПЦП
67
5. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ БЛОКА БПЦП
70
5.1 Принципиальная схема блока БПЦП
70
5.2 Сборка блока БПЦП 74
6. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 79
6.1 Состав программных средств 79
6.2 Состав аппаратных средств для программирования блока БПЦП 80
6.3 Состав и назначение прикладного программного обеспечения для
блока БПЦП 81
6.3.1 Программа SpaceWire 83
6.3.2 Функция nextCRC32_D80 85
6.3.3 Программа RS_232_1 86
6.3.4 Программа RS_485_1 87
6.3.5 Программа MIL_STD_A 88
6.4 Описание работы ПЛИС 90
6.5 Временная диаграмма сигнала 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 95
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А — Принципиальная электрическая схема 98
ПРИЛОЖЕНИЕ Б — Чертеж модульной платы 105
ПРИЛОЖЕНИЕ В — Чертеж соединительной платы 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Г — Габаритные размеры корпуса БПЦП 107
ПРИЛОЖЕНИЕ Д— Блок схема алгоритма работы программы 108
ПРИЛОЖЕНИЕ Е — Текст программы 109
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж — Список сокращений и специальных терминов 133
Блок приема цифровых потоков (БПЦП) предназначен для работы в составе разрабатываемой радиотелеметрической системы «БАСТИОН», которая обеспечивает выполнение задач телеизмерений на этапах бросковых испытаний (БИ), государственных летных испытаний (ГЛИ) и эксплуатации малой телеметрии (МТ). БПЦП предназначен для приема потоков телеметрической информации по последовательным интерфейсам RS-485, RS-232 и ГОСТ Р 52070-2003 («Манчестер-2»). Принятые цифровые потоки
телеметрической информации формируются в логический протокол для передачи на блок формирователя кадров по внутрисистемному интерфейсу SpaceWire.
В настоящее время в существующей телеметрической системе «Барракуда-М», разработанной в АО «ГРЦ Макеева», имеются блоки БМИ (блока магистрального интерфейса) для приема измерительной информации по интерфейсу ГОСТ Р 52070-2003 («Манчестер-2») и БВУ (блока внешних устройств) для приема измерительной информации по интерфейсам RS-485, RS-232. Данные блоки построены на импортных компонентах: ALTERA (США), Analog Devices (США), Microchip Technology (США), Texas Instruments (США).
Использование телеметрической системы «Барракуда-М» в
перспективных, новых разработках ракетной техники, ограничено следующим требованием: "Сырье, материалы и комплектующие изделия должны быть только российского производства. Поэтому для АО «ГРЦ Макеева» разработка блоков телеметрической системы «БАСТИОН» на базе электронных компонентов российского производства является актуальной. Актуальность задачи связана с общей стратегией перехода российской экономики на импортозамещение.
Основная часть схемы блока БПЦП реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Для нормальной работы ПЛИС необходимо наличие конфигурационного ПЗУ, которое содержит копию рабочей схемы. При включении питания информация из конфигурационного ПЗУ переписывается в ПЛИС и происходит запуск работы схемы.
Внутренняя программа (прошивка ПЛИС) написана на языке описания аппаратуры Verilog HDL, который полностью интегрирован в среду разработки Quartus II.
Программно-математическое обеспечение обеспечивает:
- Прием двух потоков телеметрической информации по последовательному интерфейсу ГОСТ Р 52070-2003 («Манчестер-2») в режиме оконечного устройства;
- Приём до четырёх потоков информации RS-485 в режиме UART со скоростью не более 115200 бод;
- Приём до четырёх потоков информации RS-232 в режиме UART со скоростью не более 115200 бод;
- Мультиплексирование входящих потоков и передачу информации по внутрисистемному интерфейсу SpaceWire.
В процессе разработки блока приема цифровых потоков (БПЦП) были учтены основные тактико-технические требования к изделию:
- Элементная база устройства должна быть реализована на отечественных компонентах;
- Высокая надежность решения поставленной задачи;
- БПЦП имеет защиту от короткого замыкания и гальваническую развязку по питанию;
- Прибор имеет гальваническую развязку по интерфейсам;
- Минимизация габаритов устройства;
Устройство работает при напряжении питания от 20 до 34 В с
амплитудой пульсаций не более 2 В.
Таким образом, БПЦП (блок приема цифровых потоков) является значительной частью системы «БАСТИОН», который отвечает за прием цифровых потоков телеметрической информации, формирования пакета данных и отправления полученной информации на блок формирования кадров (ФК).
телеметрической информации формируются в логический протокол для передачи на блок формирователя кадров по внутрисистемному интерфейсу SpaceWire.
В настоящее время в существующей телеметрической системе «Барракуда-М», разработанной в АО «ГРЦ Макеева», имеются блоки БМИ (блока магистрального интерфейса) для приема измерительной информации по интерфейсу ГОСТ Р 52070-2003 («Манчестер-2») и БВУ (блока внешних устройств) для приема измерительной информации по интерфейсам RS-485, RS-232. Данные блоки построены на импортных компонентах: ALTERA (США), Analog Devices (США), Microchip Technology (США), Texas Instruments (США).
Использование телеметрической системы «Барракуда-М» в
перспективных, новых разработках ракетной техники, ограничено следующим требованием: "Сырье, материалы и комплектующие изделия должны быть только российского производства. Поэтому для АО «ГРЦ Макеева» разработка блоков телеметрической системы «БАСТИОН» на базе электронных компонентов российского производства является актуальной. Актуальность задачи связана с общей стратегией перехода российской экономики на импортозамещение.
Основная часть схемы блока БПЦП реализована на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Для нормальной работы ПЛИС необходимо наличие конфигурационного ПЗУ, которое содержит копию рабочей схемы. При включении питания информация из конфигурационного ПЗУ переписывается в ПЛИС и происходит запуск работы схемы.
Внутренняя программа (прошивка ПЛИС) написана на языке описания аппаратуры Verilog HDL, который полностью интегрирован в среду разработки Quartus II.
Программно-математическое обеспечение обеспечивает:
- Прием двух потоков телеметрической информации по последовательному интерфейсу ГОСТ Р 52070-2003 («Манчестер-2») в режиме оконечного устройства;
- Приём до четырёх потоков информации RS-485 в режиме UART со скоростью не более 115200 бод;
- Приём до четырёх потоков информации RS-232 в режиме UART со скоростью не более 115200 бод;
- Мультиплексирование входящих потоков и передачу информации по внутрисистемному интерфейсу SpaceWire.
В процессе разработки блока приема цифровых потоков (БПЦП) были учтены основные тактико-технические требования к изделию:
- Элементная база устройства должна быть реализована на отечественных компонентах;
- Высокая надежность решения поставленной задачи;
- БПЦП имеет защиту от короткого замыкания и гальваническую развязку по питанию;
- Прибор имеет гальваническую развязку по интерфейсам;
- Минимизация габаритов устройства;
Устройство работает при напряжении питания от 20 до 34 В с
амплитудой пульсаций не более 2 В.
Таким образом, БПЦП (блок приема цифровых потоков) является значительной частью системы «БАСТИОН», который отвечает за прием цифровых потоков телеметрической информации, формирования пакета данных и отправления полученной информации на блок формирования кадров (ФК).
В соответствии с требованиями ТЗ по разработке и изготовлению блока БПЦП на этапе эскизного проекта были выполнены следующие работы:
- Проведен анализ требований технического задания и разработаны предложения по их реализации;
- Проведен анализ существующих отечественных телеметрических систем и их сравнение с блоком БПЦП;
- На основе проведенного анализа разработаны общие принципы построения блока телеметрической аппаратуры;
- На основе разработанных принципов построения блока телеметрической аппаратуры разработано конструктивное исполнение блока телеметрической аппаратуры, а также приведены схемотехнические решения;
- Проведен подбор отечественной элементной базы для построения блока телеметрической аппаратуры;
- Выполнен расчет надежности и потребляемой мощности блока телеметрической аппаратуры БПЦП;
- Разработано программное обеспечение для блока БПЦП.
Таким образом, в результате выполненной выпускной квалификационной работы (ВКР) была разработана принципиальная электрическая схема устройства, промоделирована 3D модель платы и корпуса устройства, осуществлен выбор отечественной элементной базы, выполнен расчет надежности и потребляемой мощности, а также разработано программное обеспечение. Расчетное значение вероятности безотказной работы составной части системы БПЦП в режиме эксплуатации за t = 1 ч составляет
P(t) = 0.999958. Потребляемая мощность блока БПЦП составляет 18,65 Вт при напряжении 27 В. Исходя из проведенной работы следует, что созданный телеметрический блок БПЦП, в соответствии с представленными требованиями, возможен в реализации телеметрической системы «БАСТИОН».
- Проведен анализ требований технического задания и разработаны предложения по их реализации;
- Проведен анализ существующих отечественных телеметрических систем и их сравнение с блоком БПЦП;
- На основе проведенного анализа разработаны общие принципы построения блока телеметрической аппаратуры;
- На основе разработанных принципов построения блока телеметрической аппаратуры разработано конструктивное исполнение блока телеметрической аппаратуры, а также приведены схемотехнические решения;
- Проведен подбор отечественной элементной базы для построения блока телеметрической аппаратуры;
- Выполнен расчет надежности и потребляемой мощности блока телеметрической аппаратуры БПЦП;
- Разработано программное обеспечение для блока БПЦП.
Таким образом, в результате выполненной выпускной квалификационной работы (ВКР) была разработана принципиальная электрическая схема устройства, промоделирована 3D модель платы и корпуса устройства, осуществлен выбор отечественной элементной базы, выполнен расчет надежности и потребляемой мощности, а также разработано программное обеспечение. Расчетное значение вероятности безотказной работы составной части системы БПЦП в режиме эксплуатации за t = 1 ч составляет
P(t) = 0.999958. Потребляемая мощность блока БПЦП составляет 18,65 Вт при напряжении 27 В. Исходя из проведенной работы следует, что созданный телеметрический блок БПЦП, в соответствии с представленными требованиями, возможен в реализации телеметрической системы «БАСТИОН».
