Разработка метода проектирования межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС в распределенной вычислительной среде

Основной тенденцией развития радиоэлектронных средств (РЭС) является повышение скорости обработки информации. Традиционным путем увеличения быстродействия является улучшение динамических характеристик активных элементов, оптимизация структуры и параметров схем, улучшение технологии производства элементной базы. Однако, с повышением быстродействия РЭС, появляются новые проблемы, связанные с переходом в наносекундный диапазон работы устройств и обусловленные искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. Доля задержки, обусловленной искажениями сигналов в нагруженных линиях связи, может составлять от 30% до 50% от общей задержки. В этом случае улучшение динамических характеристик схемных элементов может не дать желаемого эффекта.

Увеличение уровня помех в цепях связи вызывает необходимость поднимать предел помехоустойчивости логических схем, что ведет к увеличению значений рабочих токов и напряжений, а тем самым и к увеличению потребляемой мощности.

Важной частью исследуемой проблемы становится исследование переходных процессов, протекающих в межсоединениях, а также анализ взаимодействия этих процессов со схемными элементами. Поэтому актуальными в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем. Основные направления исследований по проблеме электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС представлены на рисунке В.1.

Традиционный процесс разработки продукции, например, радиоэлектронных средств, содержит ряд контрольных точек — каждая со своими специфическими целями. В стадии исследования определяется проект и разрабатывается первоначальная стратегия. Затем разрабатывается макет, чтобы продемонстрировать осуществимость проекта и получить информацию для разработки РЭС. Первоначальные опытные образцы создаются для того, чтобы оценить конструкцию РЭС и начать объединение основных блоков продукта. Потом создаются опытные образцы, представляющие реальный вид продукции, которые тестируются для того, чтобы получить данные по соответствию требованиям и для дальнейшего предоставления на проверку.

Рисунок В. 1 — Основные направления исследований по проблеме ЭМС Так как проверка соответствия находится в конце традиционного процесса разработки, существует довольно высокая вероятность того, что окончательно разработанный продукт не будет отвечать данным по ЭМС, полученным во время первого тестирования, и потребует дополнительных инженерных разработок и компонентов. Такая ситуация в самом конце процесса разработки может быть плачевной для проекта. В зависимости от сложности возникшей проблемы, ее разрешение может варьироваться от простой установки дополнительного фильтра в отдельных сигнальных проводниках — до повторной разработки проекта, которая включает в себя обширную переработку РЭС, разводки кабелей и корпуса продукта.

Если же уделить внимание проблеме ЭМС на более ранних этапах производственного процесса, это будет намного эффективнее других альтернатив. Ранние стадии разработки предоставляют разработчикам больше свободы в достижении ЭМС. Компоновка и схематическое проектирование имеют меньшее количество факторов, ограничивающих разработку. Когда разработка продукции приближается к завершающей стадии, произвести изменения в проекте становится необычайно трудно. Например, проблема помехоэмиссии, которая могла бы быть решена при разумном размещении межсоединений РЭС, может потребовать установки металлического экрана. Ключом к получению наибольшей выгоды от инвестиций является понимание между разработчиками принципиальной электрической схемы и компоновки, что им необходимо объединить свои усилия в достижении ЭМС, и тем самым предотвратить возникновение неприятностей на более поздних этапах разработки.

В решение проблемы обеспечения ЭМС РЭС внесли большой вклад советские и российские ученые и специалисты: Волин М. JL, Вуль В. А., Газизов Т. Р., Гурвич И. С., Ибатуллин Э. А., Кармашев В. С., Кечиев Л. Н., Кириллов В. Ю., Князев А. Д., Наумов Ю. Е., Носов В. В., Петров Б. В., Степанов П. В., Файзулаев Б. Н., Чурин Ю. А. и др.- среди зарубежных ученых известны своими работами в данном направлении Дж. Барнс, Р. Миттра, Г. Ott, Д. Уайт, Т. Уилльямс, Э. Хабигер, Р. Харрингтон, А. Шваб,.

Проектные решения при создании современных РЭС опираются на широкий спектр результатов анализа моделей элементов и устройств с использованием средств автоматизации проектирования.

Проблема автоматизированного проектирования РЭС носит междисциплинарный характер. В ее разработке значительный вклад внесли следующие ученые и специалисты: Абрайтис JI. Б., Зайцева Ж. Н., Норенков И. П., Овчинников В. А., Рябов Г. Г., Селютин В. А. и др.

В настоящее время в связи с повышением быстродействия РЭС появились новые проблемы в области ЭМС, такие как обеспечения целостности сигнала, уменьшения перекрестных помех между межсоединениями и т. д. Ранее в системах автоматизированного проектирования (САПР) такие задачи не были учтены. Включение их в состав современных САПР таких производителей, как Mentor Graphics Technologies, Cadenee и Zuken, подтверждает возрастающую роль их учета при проектировании РЭС. Основой таких систем является математическое моделирование физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании. При этом традиционное построение САПР опирается на применении рабочих станций и локальных вычислительных сетей. Для крупных промышленных предприятий с большой номенклатурой проектируемых изделий целесообразно создание собственных вычислительных центров, оснащенных мощной вычислительной и сетевой техникой, и приобретение специализированных дорогостоящих программных продуктов. Развитие рыночных отношений вызвало к жизни появление большого числа малых производственных фирм, специализирующихся в некоторой узкой области, с относительно малыми объемами проектных работ. Для таких фирм экономически не целесообразно приобретение мощного технического и программного обеспечения для решения своих задач.

По мере развития информационных технологий и появления службы WWW Интернета получили развитие интерактивные системы по технологии «клиент-сервер». Подобный подход открывает новые горизонты для построения проектных процедур, поскольку на серверной стороне распределенной информационной среды может быть реализован вычислительный центр, обслуживающий всех желающих, в том числе и малые фирмы. Развитие подобного подхода сдерживается отсутствием методического и программного обеспечения проектных процедур, ориентированных на применение в среде Интернет. Один из подходов, основанный на применении пакета «Mathematica» фирмы Wolfram Research Inc. для решения задач в области ЭМС и его взаимодействия с системой схемотехнического моделирования NetSpice, рассматривается в диссертационной работе.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. В приложении приведены акты внедрения и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

4.7 Выводы по главе 4.

Проведенные исследования и материалы главы 4 позволяют сделать следующие выводы:

1 Разработана система распределенных вычислений для проектирования межсоединений РЭС с учетом требований ЭМС, используя которую можно решить ряд инженерных задач путем математического моделирования и соответственно расчетом этих моделей с помощью математического пакета МаШетайса. При этом для решения любой задачи необходимо ввести только исходные данные в? еЬ-интерфейс, после чего проводиться соответствующий расчет и выводяться результаты. Полученные результаты можно использовать для решения другой задачи и, таким образом, решить максимальное кол-во задач.

2 Разработаны методы анализа ЭМС при проектировании межсоединений РЭС, которые базируются на распределенных вычислениях, а также алгоритмы и ШеЬ-интерфейсы для:

• расчета помех отражения в линиях связи;

• расчета электрофизических параметров линий связи;

• расчета помехоподавляющих ЬС-фильтров;

• расчета воздействия ЭМИ на кабельные и проводные линии различного назначения;

• расчета эффективности экранирования.

Заключение

.

В результате выполненной работы получены следующие основные научные результаты.

1 Показано, что разработка РЭС, в том числе межсоединений, невозможна без учета требований стандартов в области ЭМС, поскольку выставление изделия на рынок без рассмотрения этих требований является нарушением закона. При этом меры по обеспечению ЭМС должны осуществляться на ранних этапах проектирования аппаратуры.

2 Сравнение известных прикладных программ, их подсистем, пакетов прикладных программ и отдельных программ, способных частично анализировать ЭМС различных элементов и конструктивов РЭС показало, что отсутствуют программные средства, с помощью которых можно учесть требования стандартов в области ЭМС.

3 Определено, что по мере развития информационных технологий и появления службы WWW Интернета получили развитие интерактивные системы по технологии «клиент-сервер». Подобный подход открывает новые горизонты для построения проектных процедур, поскольку на серверной стороне распределенной информационной среды может быть реализован виртуальный вычислительный центр, обслуживающих всех желающих. В работе получило развитие методическое и программное обеспечение проектных процедур, ориентированных на Интернет и на применении пакета «Mathematica» фирмы Wolfram Research Inc.

4 Разработана типовая структура распределенных вычислений. Определено, что система распределенных вычислений предполагает наличие нескольких центров (серверов) хранения и обработки информации, выполняющих различные функции и разделенных в пространстве. Эти центры должны выполнять запросы клиентов системы и друг друга, так как для выполнения некоторых запросов клиентов могут понадобиться совместные усилия нескольких серверов. Для управления сложными запросами и функционированием системы в целом предложено специализированное управляющее программное обеспечение. Вся система должна быть «погружена» в некоторую транспортную среду, обеспечивающую взаимодействие ее частей.

5 Разработана система и методика распределенных вычислений, которые построены на пакете «Mathematica» с использованием архитектуры «клиент-сервер». Сервером здесь выступает ядро системы, где производятся все необходимые вычисления и которое находится на сервере. Клиентом — разработанный Web-интерфейс. Для решения этой задачи используется CGI-программа написанная в среде Microsoft Visual С++.

6 На основе распределенных вычислений разработаны алгоритмы, интерфейсы и программы следующих расчетов, необходимых для реализации требований ЭМС:

• помех отражения в межсоединениях;

• электрофизических параметров линий связи;

• помехоподавляющих ЬС-фильтров;

• воздействия ЭМИ на кабельные линии ТКС;

• параметров экранирования.

7 Разработанный метод распределенных вычислений с учетом требований ЭМС, доведенный до конкретных пользовательских интерфейсов, позволил обеспечить доступность проектных процедур для широкого круга специалистов.

8 Разработанная система, программные средства и методическое обеспечение внедрены в практику ЗАО «РАДИОКОМСИСТЕМА» и в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ.