Разработка подсистемы САПР цифровых фильтров

Введение

В данной курсовой работе проводится технико-экономическое обоснование разработки подсистемы САПР цифровых фильтров, устройств, имеющих важное значение для работы любых радиопередающих устройств и систем связи. Недостаточно точно соптимизированная центральная характеристика цифрового фильтра (ЦФ) — импульсная характеристика (ИХ) приводит к большой разрядности микроконтроллеров (МК), аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), и, соответственно, к высокой стоимости аппаратной реализации цифровых фильтров в виде печатных плат. Это характерно для современных систем, проектирующих цифровые фильтры, без учёта их аппаратной реализации, что всегда имеет место быть при создании радиоаппаратуры. Учёт этого факта, а также устойчивый и достаточно точный алгоритм оптимизации ИХ ЦФ позволит добиться существенной экономической выгоды.

1. Анализ предметной области ЦФ состоит из двух частей — программной и аппаратной. Программная часть представляет из себя ИХ ЦФ, данные, хранящиеся в памяти данных МК, и программную модель реализации цифровой фильтрации, реализуемой в виде программы в памяти программ МК. Аппаратно ЦФ выполняется в виде печатной платы (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Структура печатной платы цифрового фильтра На данном уровне существенное значение, влияющее на стоимость и производительность работы устройства, имеет разрядность обрабатываемых данных, схема реализации фильтра, частота дискретизации обрабатываемого сигнала, характеристики используемого цифрового сигнального процессора такие, как минимальная тактовая частота, достаточная для того, чтобы обрабатывать сигнал в режиме реального времени; энергопотребление процессора и, соответственно, необходимое для его устойчивой работы питание от электрической сети.

Таким образом, проектируемая подсистема САПР цифровых фильтров производит расчёт следующих характеристик:

Программная составляющая печатной платы:

— схема реализации цифрового фильтра (программная модель фильтрации (1.2), реализованная в памяти программ МК);

— ИХ цифрового фильтра (данные, хранящиеся в памяти данных МК);

Аппаратная составляющая печатной платы:

МК:

— тактовая частота;

— разрядность;

— объём ПЗУ;

— рабочее напряжение ядра;

— рабочая температура;

— тип корпуса.

АЦП:

— разрядность;

— напряжение питания;

— тип корпуса.

ЦАП:

— разрядность;

— напряжение питания;

— тип корпуса.

Блок питания:

— напряжение.

Входными данными для подсистемы САПР цифровых фильтров являются:

— граф цифрового фильтра (соединённые последовательно и/или параллельно звенья);

— тактовая частота оцифрованного входного сигнала;

Данные для каждого звена цифрового фильтра:

— длина ИХ цифрового фильтра;

— количество полос пропускания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);

— нижние и верхние частоты подавления и пропускания каждой полосы АЧХ;

— отношение неравномерностей в полосе подавления и пропускания АЧХ.

В современных системах проектирования ЦФ (например, Matlab Filter Design) ИХ проектируется на основе оптимального алгоритма Паркса-Маклеллана, позволяющего спроектировать достаточно хороший ЦФ. Однако в такой системе возможен только синтез простых фильтров нижних или верхних частот, для многополосовых фильтров применяемый метод даёт «всплески» в переходных полосах АЧХ, а соответственно, делают эти фильтры не применимыми в реальности. В предлагают изменять структуру входных данных для проектирования программной составляющей ЦФ, что означает увеличение длины ИХ ЦФ, а, соответственно, и тактовой частоты МК, что зачастую делает такое проектирование экономически невыгодным. Разработанная подсистема САПР цифровых фильтров за счёт модифицированного метода Паркса-Маклеллана проектировать ЦФ с устойчивой АЧХ при меньших значениях длины ИХ ЦФ, что позволит добиться экономической выгоды при синтезе тех ЦФ, который на других системах принципиально невозможен.

2. Технико-экономическое обоснование Для создания подсистемы САПР необходимы некоторые материальные затраты. Это в первую очередь программное обеспечение, на котором она будет разрабатываться. Также необходимо нанять рабочих для обслуживания комплекса программных средств, разработки подсистемы и создания в дальнейшем проектов на созданном прикладном программном обеспечении.

Таким образом, для разработки подсистемы САПР необходимы начальные капиталовложения, которые позволят приобрести комплекс технических средств и нанять необходимых рабочих для его обслуживания и в отдел разработки. Для того чтобы показать эффективность необходимых капитальных вложений, рассчитаем экономическую выгоду разработки описываемой подсистемы САПР.

2.1 Расчет единовременных затрат Для того чтобы определить размер начальных капиталовложений, необходимо вычислить единовременные затраты на производство. Они в первую очередь включают в себя затраты на средства вычислительной техники и программное обеспечение, строительство и вспомогательное оборудование.

Величина единовременных затрат определяется по формуле:

K_t = (K_о + К_в + К_с)*1.133

— где К_о — капитальные затраты на основные средства вычислительной техники, руб.;

К_в — капитальные затраты на вспомогательное оборудование, лабораторные приборы, дорогостоящий инвентарь, руб.;

К_с — капитальные затраты на строительные работы, связанные с внедрением САПР, руб. Капитальные затраты на основные средства и программное обеспечение определяются из следующей сметы спецификаций:

Таблица 1.1. Смета спецификаций

Помимо этого используются также свободно распространяемые программы Free BSD, MySQL для организации работы БД разрабатываемой подсистемы САПР цифровых фильтров.

Таким образом, получаем следующие расчёты:

K_O =27 948+64670+13 065+810+522+2550+5599+18 258 + 16 469+58445 = 208 336 руб

K_В = 0.1*208 336 = 20 833,6 руб

K_t = 259 649,16 руб цифровой фильтр плата затрата

2.2 Расчет стоимости одного машино-часа работы комплекса технических средств САПР Для дальнейших расчетов необходимо определить стоимость одного машино-часа работы комплекса технических средств САПР.

Стоимость часа машинного времени рассчитывается по формуле :

где З_экс — сумма затрат по эксплуатации средств вычислительной техники, руб.;

Т_эф — эффективный фонд времени работы оборудования (за год), руб.

Сумма затрат на эксплуатацию средств вычислительной техники определяется по формуле:

З_экс = З_м + З_э + З_з + З_а + З_рто + З_пр(1)

где З_м — затраты на основные и вспомогательные материалы (в размере 1% от стоимости оборудования), руб;

З_а — сумма годовых амортизационных отчислений, руб.;

З_э — затраты на электроэнергию, руб.;

З_з — затраты на зарплату работников (с учетом отчислений на социальные нужды в размере 38,5%), руб.;

З_рто — затраты на ремонт и техническое обслуживание оборудования, руб.

З_пр — прочие расходы, руб.

Затраты на основные и вспомогательные материалы:

З_м = 0.01*К_о = 2083,36 руб.

Затраты на ремонт и техническое обслуживание оборудования:

З_рто = 0.16*К_о = 36 667,14 руб.

Затраты на электроэнергию определяются на основе потребляемой мощности оборудования. Цена на 1кВ энергии на данный момент для юридических лиц равна 3,8 рублей.

Затраты на электроэнергию:

З_э = = 16 562,13 руб.

Для обслуживания комплекса технических средств САПР и настройки программного обеспечения необходимы два работника.

Инженер-техник — обслуживает комплекс оборудования и устраняет неполадки в случае необходимости. В его обязанности входит поддержание технических средств в состоянии готовности, а также периодическое его тестирование. Инженер I категории настраивает и обновляет программное обеспечение, отвечает за работоспособность и полную готовность программных средств, помогает оператору в случае возникновения вопроса или ряда вопросов об использовании разрабатываемой подсистемы САПР. В случае необходимости он также может переустанавливать ПО.

Расписание данных рабочих находится в таблице 1.2, в которой они обозначены 4 и 5 номером соответственно. Перечисленные работники заняты в отделе разработки САПР, представленном в количестве шести человек.

Основываясь на данных из таблицы, можно вычислить заработную плату работников (с учетом отчислений в размере 38,5% от суммы оклада).

Затраты на заработную плату работников:

З_з = 12 * К_сс * ?(О_месi * Ч_i) = 390 780 руб.

Срок амортизации примем равным 5 годам, таким образом, нормы амортизации основных и вспомогательных вычислительных средств будут равны 20%.

Сумма годовых амортизационных отчислений:

Сумма прочих расходов определяется в зависимости от единовременных капиталовложений. Примем размер капиталовложений равным сумме единовременных затрат на производство:

К_вл = 259 649,16 руб.

З_пр = 0.01*К_вл = 2596,49 руб.

Подставляя полученные значения в формулу (1), получаем сумму затрат на эксплуатацию средств вычислительной техники в размере:

З_экс = 494 523 руб.

И цену одного машино-часа работы оборудования:

Ц_мч = 284,05 руб.

2.3 Расчет предпроизводственных затрат

Расчет предпроизводственных затрат производится по формуле:

(2)

где Т_псi — трудоемкость этапа разработки программных средств САПР с участием i-го специалиста, человеко-дни;

Ц_мч — цена одного машино-часа работы комплекса вычислительной техники, руб.;

О_{мес i} — средний месячный оклад i-го специалиста, принимающего участие в разработке САПР, руб;

T_маш — трудоемкость работ с использованием комплекса технических средств, дни;

25,4 — среднее число рабочих дней в месяце, дни.

Для разработки описываемой подсистемы САПР цифровых фильтров требуется 4 работника. Инженер-конструктор I категории формулирует постановку задачи и осуществляет предпроектные исследования, разрабатывает математическое обеспечение (МО), информационное обеспечение (ИО), методологическое обеспечение (МеО), разрабатывает струтурную схему САПР и схему работы САПР, а также осуществляет тестирование САПР, его внедрение и опытно-промышленную эксплуатацию. Он участвует только в указанных этапах разработки описываемой подсистемы САПР.

Также необходимы два инженера-программиста для программирования всех подсистем, составляющих подсистему САПР цифровых фильтров; инженер II категории для осуществления сборки и отладки САПР и ведущий инженер-руководитель группы для координирования работы и контроля над процессом разработки (он участвует во всех этапах разработки подсистемы САПР).

Таблица 1.3. Штатное расписание отдела разработки САПР

Оценка трудоемкости этапов проектирования, а также трудоемкости операций, выполняемых с использованием комплекса технических средств, определяется в соответствии со следующей таблицей, отражающей основные этапы проектирования:

Таблица 1.4. Технологическая карта разработки САПР

Произведя расчеты, получаем:

К_пр = 124 448,45 руб.

2.4 Расчет годовых издержек на разработку проекта Годовые текущие издержки вычисляются по формуле:

Проектный отдел разработки САПР состоит из 3 работников. Инженер-конструктор I категории исследует необходимое оборудование и составляет техническое задание на проект, а также вводит всю необходимую информацию. Инженер I категории — администратор разрабатываемой подсистемы, также разрабатывает обновления к описываемой подсистеме САПР. Руководитель проектного отдела координирует работы инженера-конструктора I категории и инженера I категории.

Таблица 1.5. Штатное расписание проектного отдела

Для расчета текущих годовых издержек необходимо составить технологическую карту одного проекта.

Таблица 1.6. Примерная технологическая карта проектирования

Произведя расчеты, получаем:

И_г = 581 570,28 руб

2.5 Стоимость реализованных проектов Стоимость выполненных проектов будет определяться по формуле:

В = N*Ц Цену за проект возьмем равной 40 000 рублей, исходя из сложившейся средней цены на рынке.

Спрогнозировав приблизительное число проектов в год, получаем таблицу стоимости проекта в зависимости от года эксплуатации САПР.

Таблица 1.7. Стоимость проектов

На основе всех рассчитанных данных, получаем сводную таблицу показателей эффективности. Она показывает, насколько выгодной получится разработка данной подсистемы САПР, а также какие по величине капиталовложения необходимо сделать в проект и какую выгоду они принесут через 5 лет работы.

Таблица 1.8. Сводная таблица показателей эффективности

Заключение

Разработанная подсистема САПР цифровых фильтров в процессе оптимизации ИХ ЦФ использует устойчивый и одновременно достаточно точный модифицированный алгоритм Паркса-Маклеллана, позволяющий синтезировать ЦФ при малых разрядностях данных, в случаях, когда другие системы не способны синтезировать такие фильтры. Это позволяет существенно сократить стоимость цифровых сигнальных процессоров (МК), цена которых в зависимости от разрядности отличается в 2−3 раза. Таким образом, подсистема САПР цифровых фильтров позволяет добиться существенной экономической выгоды при проектировании печатных плат цифровых фильтров.

Список используемых источников

1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов/ Пер. с англ.; Под ред. Ю. И. Александрова. — М.: Мир, 1978.

2. Айфичер Э. С., Джервис Б. У. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание.: Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.

3. Оппенгейм А. В., Шафер Р. В. Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ. /Под ред. С. Я. Шаца. — М.:Связь, 1979.

4. Технико-экономическое обоснование сложных программных средств. / В. В. Липаев — М: Синтег, 2004 г. — 284 с.