Анализ алгоритма работы специализированного вычислителя

- микросхема ПЛИС со схемой загрузки;

- микроконтроллер AT89C5131 и USB интерфейс;

- микросхема часов реального времени и ее питание;

- накопитель, повышение быстродействия его работы;

- быстрая промежуточная память.

3.1 Микросхема ПЛИС со схемой загрузки

При реализации функциональных блоков в ПЛИС процесс разработки ПЭС сводится к выделению необходимых внешних линий связи и формирования цепей загрузки ПЛИС. В таблице 3.1 приведены внешние связи, сгруппированные по функциональному признаку, которые будут подключены к пользовательским выводам ПЛИС.

Таблица 3.1 - Перечень необходимых пользовательских контактов микросхемы ПЛИС

Для обеспечения конфигурирования ПЛИС совместим две стандартные схемы конфигурирования, рекомендованные фирмой производителем (ALTERA). Первая схема конфигурации (JTAG-цепочка) позволяет независимо загружать прошивку в конфигурационную микросхему и ПЛИС. Она используется на этапе настройки, проверки и конфигурирования загрузочной памяти. Вторая цепочка (режим пассивной последовательной конфигурации) используется в штатной работе ячейки. При включении питания при ее помощи информация из конфигурационной микросхемы переписывается в ПЛИС.

Элементы D1, D2 образуют JTAG-цепочку, организованную для загрузки элементов в системе. Кроме того JTAG, являясь стандартом периферийного сканирования, позволяет осуществлять проверку (верификацию) загруженной конфигурации ПЛИС и конфигурационного ПЗУ. Схема включения данных элементов подчиняется схеме функционирования JTAG-цепочки /3/ (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Схема функционирования JTAG-цепочки

Все резисторы схемы функционирования JTAG-цепочки выбраны номиналом 1 кОм, согласно рекомендации фирмы ALTERA.

На рисунке 3.2 представлена схема для пассивной последовательной конфигурации.

Рисунок 3.2 - Схема для пассивной последовательной конфигурации

Все резисторы схемы для пассивной последовательной конфигурации (рисунок 3.2) выбраны номиналом 1 кОм, согласно рекомендации фирмы ALTERA.

Характеристики выводов конфигурирования приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Перечень характеристик выводов конфигурирования микросхемы ПЛИС

3.2 Контроллер обмена с USB каналом

При построении ПЭС нам необходимо решить три задачи:

- режим работы с внешней памятью, при этом часть двунаправленных портов ввода вывода становятся шинами адреса, шинами данных и сигналами управления. Данный режим нам необходим для согласования микроконтроллера с внешними устройствами;

- необходимо согласовать контроллер с USB интерфейсом;

- для управляющего контроллера необходимо обеспечить загрузку программы во внутреннюю Flash-память.

Для обеспечения второго и третьего перечислений необходимо применить стандартные решения, предложенные разработчиком. Для этого воспользуемся схемой, предложенной в /1/ и представленной на рисунке 3.3.

Так же по третьему перечислению необходимо отметить, что внутри контроллера существует два загрузчика: пользовательский и аппаратный (HBL, Hadware BootLoader). Пользовательский загрузчик позволяет запускать программы, записанные в память микроконтроллера, а аппаратный позволяет осуществить запись самой программы. В данной схеме перевести контроллер в режим программирования (записи программы) можно выполнив следующую последовательность действий:

- отключить прибор от USB-шины, разомкнув перемычку Р2 (линия VREF);

- удерживая кнопки К3 (линия RESET) и К2 (линия PSEN) подключить прибор к USB-шине, замкнув перемычку Р2;

- отпустить кнопку К3;

- отпустить кнопку К2.

На базе схемы приведенной на рисунке 3.3 получаем схему включения контроллера представленную на рисунке 3.4. В данной схеме шина адреса, шина данных и управляющие сигналы, необходимые для работы микроконтроллера с внешними устройствами соединены с ПЛИС, а перевод контроллера в режим загрузки осуществляется при помощи переключателя S21.

Рисунок 3.3 - Типовая схема включения контроллера

Рисунок 3.4 - Схема соединения для микроконтроллера AT89C5131

3.3 Микросхема часов реального времени и их питание

Схема включения микросхемы часов реального времени приведена на рисунке 3.5. Особенностью данной схемы является параллельное включение четырех конденсаторов большой емкости (1 Ф) в цепь питания микросхемы. Эти конденсаторы выполняют роль аккумулятора.

Рисунок 3.5 - Эквивалентная схема питания часов реального времени в автономном режиме работы

Аккумулятор предназначен для обеспечения питания микросхемы часов реального времени при отсутствии общего питания. Это необходимо при проведении автономных летных испытаний для того чтобы обеспечить бесперебойную работу часов до момента окончательной проверки изделия и начала испытания (включения прибора). Временная диаграмма заряда/разряда конденсаторной батареи приведена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Временная диаграмма заряда/разряда конденсаторной батареи

При этом время заряда Тзаряда можно оценить как

Тзаряда = 3 · t, (3.1)

где t = R · C, (3.2)

а время разряда Тразряда как

, (3.3)

где ДU = (4,5-2,5) B;

I = 10 мА - ток разряда, с учетом утечек через диод и выводы микросхем;

С = 4 Ф - емкость аккумуляторов.

3.4 Компоновка банков накопителя

Накопитель организован на 16 микросхемах ФЛЭШ-памяти K9K49G08U0M, которые разделим на четыре банка, по четыре микросхемы в каждом банке (рисунок 3.7). Это сделано для того чтобы иметь возможность устранить времена простоя (занятости) накопителя при циклах записи. Все 16 микросхем имеют общую шину данных, сигналы записи, чтения, записи команд и адреса. Выборка между микросхемами осуществляется сигналом Выбора микросхемы (СЕ). Сигналы R/B (свободен/занят) микросхем, объединенных в банк, соединены, следовательно для анализа контроллеру доступно четыре сигнала свободен/занят (R/B) определяющие занятость банков.

Рисунок 3.7 - Структура накопителя

Такое построение накопителя с одной стороны позволяет производить непрерывную запись в него, а с другой стороны оптимизирует число линий связи необходимое для его обслуживания.

3.5 Быстрая промежуточная память

Скоростная буферная память организована на микросхеме быстродействующего ОЗУ IDT71V424S15YI. Она имеет организацию 512кЧ8, и позволяет производить запись с периодом 15 нс. Микросхема всеми сигнальными выводами подключена к ПЛИС, так как имеет связи только с ее внутренними узлами.

3.6 Исходные данные на проектирование разрабатываемой системы

При разработке конструкции необходимо применить многослойный стеклотекстолит. Габаритные размеры, места креплений, расположение разъёмов ESQT аналогично ячейке АЦП-079-03. Контакты всех разъёмов не должны измениться. Фильтрующие конденсаторы располагать вблизи выводов микросхем потребителей. В схеме применена программируемая логическая матрица фирмы ALTERA.

Выводы элемента IDT71V424S пригодные для перестановки приведены в таблице 3.3. Выводы разделены на две независимые группы. Данная перестановка применима только для этого проекта.

Таблица 3.3 - Выводы элемента IDT71V424S

Данная система регистрации данных должна обеспечивать 2 варианта подключения:

- первый вариант в составе ИВК-079-03;

- второй вариант в составе независимого блока БСИ совместно с ячейкой БСИ-2.

Разъёмы Х3, Х4 расположить на краю ячейки. Расположение элементов необходимо согласовать с отделом 210.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ

Алгоритм работы системы регистрации данных во многом будет зависеть от структуры накопителя (рисунок 3.7).

Как было сказано в п. 3.4, накопитель состоит из четырех банков, в каждом банке по четыре микросхемы. Следовательно, в системе присутствует четыре независимых накопителя объемом 2 Гб каждый, что дает возможность производить параллельную запись в четыре банка.

Для обслуживания накопителя такого большого объема необходимо иметь дополнительную служебную информацию о хранящихся данных:

1) так как система регистрации данных может хранить несколько записей испытаний (от начала записи данных до отключения питания), то необходимо иметь таблицу записей, хранящую адреса границ записи испытаний. Данная таблица будет храниться в отдельной (служебной) области накопителя. Таблица записей данных необходима для облегчения работы с накопителем. Она позволяет определить свободное пространство в накопителе, в которое может производиться новая запись;

2) так как накопитель содержит недопустимые блоки, то необходимо хранить таблицу размещения этих блоков. Эта таблица будет также храниться в служебной области накопителя;

3) для выделения отдельных пакетов из записи испытаний необходимо иметь определенный формат записи данных.

Структура микросхем Flash-памяти, примененных в качестве накопителя, во многом определила формат записи данных. Запись в микросхему К09ХХХХХХХ производится «постранично», т.е. минимальным элементом, с которым будет производиться работа (запись и чтение, но не стирание), является «страница». «Страница» состоит из 2112 байт, разделенных на две зоны:

- 2048 байт - основной массив, который будет использоваться для хранения принятых данных;

- 64 байта - дополнительный массив, который будет использоваться для хранения служебной информации.

В запасном массиве каждой страницы накопителя хранится информация о принятой посылке (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Информация о файле, хранящаяся в дополнительном массиве

Таким образом пакет данных, принятый от ячейки АЦП-079-03, будет делиться на 2-х килобайтные блоки и сохраняться в четырех банках накопителя параллельно.

Учитывая перечисленные выше требования по работе с основным накопителем можно приступить к разработке алгоритма работы системы регистрации данных. Так как основным управляющим звеном системы регистрации данных является микроконтроллер, то алгоритм работы всей системы будет определяться алгоритмом работы микроконтроллера.

Общий алгоритм работы системы регистрации данных приведен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Общий алгоритм работы системы регистрации данных

Система регистрации данных будет функционировать в двух основных режимах:

- режим записи данных;

- режим обмена с ПК.

На рисунке 4.2 приведен общий алгоритм работы системы регистрации данных в режиме записи.

В этом режиме контроллер осуществляет формирование «записей испытаний», прием данных и запись принятых данных.

При включении питания контроллер считывает таблицу записей. Если она заполнена, то контроллер устанавливает соответствующий флаг и выходит из режима записи данных. Если таблица записей не заполнена, то контроллер начинает поиск конца записи испытания. Если найденный конец записи уже занесен в таблицу записей, то ее обновление не происходит, иначе в таблицу записей дописывается найденный конец записи. После чего вычисляется адрес начала новой записи с учетом недопустимых блоков, запускается прием данных через Link и начинается запись принимаемых данных в основной накопитель.

Рисунок 4.2 - Алгоритм работы системы регистрации данных в режиме записи

Запись данных происходит параллельно в четыре банка. Перед началом записи нового блока (64 страницы) каждой микросхемы контроллер проверяет этот блок на допустимость для записи. Если блок допустим, контроллер начинает запись блока. В противном случае микроконтроллер переходит на следующий блок и производит повторную проверку. Запись данных прекращается при заполнении накопителя, либо при выключении питания.

На рисунке 4.3 приведен общий алгоритм работы системы регистрации данных в режиме обмена с персональным компьютером.

В режиме работы с персональным компьютером контроллер постоянно смотрит принятые данные и в зависимости от принятой команды выполняет одну из 6 задач.

Задача 1. Чтение таблицы файлов. Контроллер читает таблицу файлов и передает ее в персональный компьютер.

Задача 2. Перейти в режим работы без персонального компьютера. Контроллер выходит из режима 2.

Задача 3. Поиск конца файла. Контроллер ищет конец файла и передает его в персональный компьютер.

Задача 4. Установка часов. Контроллер получает от персонального компьютера текущее время в двоично-десятичной системе исчисления и прописывает его в часы (через ПЛИС).

Задача 5. Стирание Flash. Контроллер стирает накопитель параллельно 4 банка начиная с первого блока (40h), т.е. стирает данные и таблицу файлов оставляя информацию о недопустимых блоках которая хранится в 0 блоке каждой микросхемы.

Задача 6. Чтение файла. Контроллер получает от персонального компьютера адрес начала файла и адрес конца файла. После этого контроллер ищет первый допустимый блок и начинает читать данные, передавая их в персональный компьютер параллельно с четырех банков по одной странице.

5. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

В данной части проекта произведем экономический расчет себестоимости встраиваемой системы регистрации входных сигналов и промежуточных результатов обработки сигналов для специализированного вычислителя. Данная система представляет собой новый, сложный прибор с большими функциональными возможностями.

Разработка новой техники и освоение её производства есть сложный многогранный процесс, трудоемкость и продолжительность которого зависит от многих факторов. Главным из них является сложность, новизна и область применения разрабатываемой техники, уровень квалификации и творческий потенциал исполнителей, участвующих в разработке, уровень развития сложных областей, в частности тех, которые обеспечивают радиопромышленность современной элементной базой и материалами.

Себестоимость продукции также является одним из важных факторов, характеризующих эффективность работы предприятия. В ней находят отражения качественные изменения в технике, технологии, организации труда и производства. Планирование себестоимости необходимо для выявления наиболее эффективных направлений капитальных вложений; определения оптимальных вариантов специализации производства на предприятии и внедрения новой техники; установления экономически оправданных границ повышения качества продукции.

5.1 Расчет прямых расходов на производство системы

5.1.1 Расчет затрат на сырье и материалы

Потребность в сырье и материалах рассчитывается в натуральном и стоимостном выражении. Материальные затраты состоят из затрат на основные и вспомогательные материалы, а также на покупные детали и полуфабрикаты.

Обобщенная формула затрат на сырье и материалы выглядит следующим образом:

, (5.1)

где Цм - цена единицы данного вида материальных ресурсов;

Нр.м - норма расхода материала; Цо - цена отходов; Но - норма отходов.

При изготовлении системы отходы малы, поэтому примем Ho = 0. Тогда формула (8.1) будет иметь вид:

. (5.2)

В таблице 5.1 приведен расчет затрат на необходимые сырье и материалы, которые используются для изготовления системы регистрации данных.

Таблица 5.1 - Расчет потребности в материалах

5.1.2 Расчет затрат на комплектующие системы и полуфабрикаты (покупные)

Расчет затрат определяется по формуле:

, (5.3)

где КД - количество покупных деталей на одну систему;

ЦД - цена одной покупной детали данного вида.

В таблице 5.2 приведен расчет затрат на покупные изделия.

Таблица 5.2 - Расчет потребности в покупных изделиях

5.1.3 Расчет заработной платы производственных рабочих

В статье «Расходы на оплату труда» отражаются затраты на оплату труда основного производственного персонала. К производственному персоналу относятся работники, непосредственно занятые в изготовлении данного изделия.

Фонд заработной платы рабочих делится на основную и дополнительную зарплату. В основную зарплату включается оплата за отработанное время у повременщиков и выпущенную продукцию у сдельщиков. В дополнительную зарплату включается оплата за неотработанное время и некоторые единовременные поощрительные выплаты.

Организация заработной платы инженерно-технических работников осуществляется по схеме штатно-должностных окладов, которые представляют собой группировки должностей по уровню оплаты в зависимости от сложности, объема работы и условий труда. Расчет производится по ставкам единой тарифной сетки (ЕТС) для бюджетных организаций.

Сумма основной заработной платы вычисляется из следующей формулы

, (5.4)

где ЧТС - часовая тарифная ставка;

Т - трудоемкость, час.

Приведем основные этапы научно-исследовательской работы и основную заработную плату за конкретный вид работ в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Расчет основной заработной платы

Основная заработная плата с учетом районного коэффициента:

, (5.5)

где РК = 0,15 - районный коэффициент.

Тогда руб.

Дополнительная зарплата производственных работников составляет 11,1 % от основной заработной платы.

руб.

5.1.4 Единый социальный налог

Величина единого социального налога устанавливается в процентах к заработной плате и составляет 26,2 % от основных и дополнительных расходов на оплату труда в соответствии с налоговым кодексом РФ часть II, глава 24 и письмом Министерства РФ по налогам и сборам № БГ-6-12/774 от 03.10.2000 г., (Постановлением правительства РФ № 184 от 02.03.2000 г., страховое свидетельство ФСС РФ № 6605570779 от 09.10.2002 г.).

5.1.5 Расчет затрат на электроэнергию

Для расчета затрат на электроэнергию необходимо для каждой единицы используемого электрооборудования рассчитать затраты на электроэнергию, исходя из каждого прибора, количества часов работы и стоимости одного киловатт-часа электроэнергии.

Зэл = Кi · Рi · С · КЧРi, (5.6)

где Зэл - затраты на электроэнергию, руб.;

Кi - количество единиц i-го оборудования, шт.;

Рi - потребляемая мощность i-го оборудования, кВт;

С - стоимость одного киловатт-часа электроэнергии (1,05 руб.);

КЧРi - количество часов работы i-го оборудования, час.

Потребляемая мощность приборов взята из технической документации на соответствующий прибор.

Результат расчета занесем в таблицу 5.4.

Таблица 5.4 - Результаты расчета затрат на электроэнергию

5.1.6 Амортизационные отчисления

В виду малого использования оборудования при разработке и изготовлении прибора, амортизационные отчисления малы. Поэтому включим их в прочие затраты.

5.1.7 Накладные расходы

Это затраты, которые не могут быть отнесены непосредственно на конкретные виды изделий.

К ним относятся налоги, сборы, платежи (включая платежи по обязательным видам страхования), отчисления в страховые фонды (резервы) и другие обязательные отчисления, производимые в соответствии с установленным законодательством порядком. Также вознаграждения за изобретения и рационализаторские предложения, плата сторонним организациям за пожарную и сторожевую охрану, на гарантийный ремонт и обслуживание, оплата услуг связи, и другие затраты, входящие в состав себестоимости продукции, но не относящиеся к перечисленным элементам затрат.

Накладные расходы по предприятию установлены в размере 224,8 % от основной заработной платы труда.

На основании приведенных расчетов составим калькуляцию себестоимости, приведенную в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Калькуляция себестоимости продукции

Разработанная встраиваемая система регистрации входных сигналов и промежуточных результатов обработки сигналов для специализированного вычислителя предназначена для внутреннего использования в отделе, как вспомогательный прибор для анализа работы специализированного вычислителя. В отделе уже существует аналогичная система представляющая собой независимый прибор КЗ-511. Сравнивая разработанную систему с существующим прибором КЗ-511 можно отменить, что разрабатываемая система имеет более лучшие технические характеристики: больший объем сохраняемой информации, малая потребляемая мощность, сокращение габаритных размеров и существенно отличается по необходимым затратам, связанным с производством системы:

- себестоимость прибора КЗ-511 составляет 185229,28 руб;

- себестоимость разработанной встраиваемой системы регистрации входных сигналов и промежуточных результатов обработки сигналов для специализированного вычислителя составляет 102240,25 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над дипломным проектом была разработана встраиваемая система регистрации входных сигналов и промежуточных результатов обработки сигналов для специализированного вычислителя.

В процессе проектирования был произведен анализ технического задания, выбор схемы электрической функциональной, на основании которой была разработана схема электрическая принципиальная. Сформированы исходные данные на разработку конструкции. Разработан алгоритм работы системы. Произведен расчет себестоимости устройства управления и отражены вопросы, относящиеся к безопасности и экологичности проекта.

Анализ технического задания и расчетов, проведенных в процессе дипломного проектирования, приводит к следующим заключениям.

Разработанное устройство отвечает всем требованиям, указанным в техническом задании на дипломное проектирование.

На данный момент система регистрации проходила автономные испытания, испытания в приборах А-079 и А-079-01, а так же участвовала в летных испытаниях прибора А-079.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. - СПб.: ГХВ-Петербург, 2004. - 576 с.

2 Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы «Altera»: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. - М.: Издательский дом «Додека - XXI», 2002. - 576 с.

3 Altera Documentation Library: Data Sheet. «FLEX 10K, Embeddeb Programmable Logic Device Famili», 2003.9, p.128.

4 Altera Documentation Library: Application Note 75. «High-Speed Board Designs», 2003.9, p.18.

5 ГОСТ 12.0.003-74.ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы.

6 ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ Электробезопасность. Общие требования.

7 ГОСТ 12.1.030-84.ССБТ. Защитное заземление. Зануление.

8 ГОСТ 12.1 070-75. Основные надписи.

9 ГОСТ 12.2.007-75.ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности.

10 ГОСТ 12.2.032-78.ССБТ. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования.

11 ГОСТ 12.2.049-80.ССБТ. Оборудование производственное. Общие эргономические требования.

12 ГОСТ 12.4.009-85.ССБТ. Пожарная техника для защиты объектов. Общие требования.

13 ГОСТ 18977-79 Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни экспериментальных сигналов.

14 РТМ 1495-75 Руководящий технический материал авиационной техники. Обмен информацией двухпорлярным кодом в оборудовании летательных аппаратов.

15 НБП 105-03 Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.

16 СН 2152-80 Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха производственных общественных помещений.

17 СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы и правила.

18 СНиП 23-05-95 Естественное и искусственное освещение.

19 СНиП 952-75 Санитарные правила процесса пайки мелких деталей сплавами содержащие свинец.

20 СанПиН 2.2.2.542-96 Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам ПЭВМ, организации работы.

21 СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

22 НБП 110-96 Противопожарные сигнализации.

23 ГГ Р 2.2.755-99 Гигиенические требования к освещенности на рабочих местах лабораторных помещений.

24 СНиП 2.04.05-91 Вентиляция в производственных помещений.

25 Конфигурирование ПЛИС Altera со статической памятью конфигурации. Санкт-Петербург, ГУАП квафедра РТС, 2003 г., 118 с.

26 Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия, 2-е изд. - СПб.: Питер, 2003. - 928 с.

27 ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовой документации

28 Положение о составе затрат по производству и реализации продукции, включаемых в себестоимость продукции, и порядке формирования результатов, учитываемых при налогообложении прибыли.

Страницы: 1, 2, 3