Выбор элементной базы пульта управления и индикации, его обоснование и анализ. Описание функциональной схемы модуля напряжений, разработка его конструкции. Расчет вибропрочности печатной платы, оценка надежности и порядок проведения теплового расчета.
Аннотация к работе
Полученное в данном расчете значение ожидаемой наработки на отказ в полете для пульта ПУИ составляет: Топ = 8445,9 часов. 1, большая часть параметра потока отказов пульта приходится на параметр потока отказов дисплейного модуля KDM500 компании KORRY (49,4 %), т. к. данный модуль имеет сложный состав (включает в себя цветную активно-матричную ЖК панель, устройство подсвета, устройство подогрева ЖК панели и лампы подсвета и интерфейсное устройство). Калькуляция себестоимости - расчет текущих затрат предприятия на единицу продукции, основан на прямом определении затрат по следующим статьям: - затраты на сырье и материалы; Все модули входящие в пульт управления и индикации, кроме цветной активно-матричной ЖК панели KDM500 разработаны и производятся в ОКБ «Электроавтоматика», общие затраты на их покупку и комплектацию составляют 798385,76 руб. Себестоимость всех модулей ОКБ «Электроавтоматика» и закупочная цена на модуль KDM500 приведена в таблице 7.1В результате выполнения дипломного проекта разработана конструкция пульта управления и индикации. ПУИ оптимальным образом обеспечивает выполнение широкого круга задач, его характеристики во многом выигрывают по сравнению с существующими аналогами. Конструкция пульта выполнена по блочному принципу, состоит из отдельных сборочных единиц (узлов), таким образом предусматривается доступность всех частей для осмотра и замены без предварительного удаления других частей конструкции, что обеспечивает высокую технологичность изготовления и обслуживания в эксплуатации. На основе принципиальной электрической схемы произведен выбор элементной базы модуля МН-М, разработана топология печатной платы при помощи САПР P-CAD 2001, и конструкция модуля МН-М.
Введение
На протяжении всей истории создания и совершенствования бортовой аппаратуры разработчики пытались решить три проблемы [1]: § получить максимально возможные вычислительные ресурсы (быстродействие, объем памяти, пропускная способность интерфейсов);
Прогресс в области создания авиационной техники всегда сопровождался повышением уровня автоматизации управления полетом ЛА [2]. Процесс разработки технических устройств и систем, решающих задачу автоматизации управления полетом ЛА, шел по пути усложнения функций управления и имел два источника своего развития. Первый - информационный. Появление новых датчиков или информационных систем привело к возникновению новых режимов систем автоматизированного управления полетом ЛА. Второй источник - техническое совершенствование бортовых вычислителей, приводов и агрегатов управления, повышение их надежности и быстродействия [3].
На современных самолетах летчик испытывает большие интеллектуальные и психофизиологические нагрузки. Анализ авиационных происшествий отечественных гражданских самолетов за период эксплуатации 1958-1999 гг. показывает, что порядка 80 % авиационных происшествий связаны с ошибками экипажа по выдерживанию параметров полета, соблюдению схем полета и по работе с системами самолета. Зарубежная статистика, также свидетельствует, что 70…75 % происшествий связаны с ошибками экипажа, причем общее их число за год прогрессирует [4].
Современные тенденции развития систем самолетовождения заключаются в уменьшении нагрузки на экипаж, что достигается речевым управлением [5], улучшенной компоновкой кабины [6], изменением формы представления информации и придания ей образных и интуитивных свойств [7] и адаптивностью индикации [8]. Кроме выше указанных методов повышения безопасности, используется бесконтактная диагностика состояния пилота, позволяющая изменить степень его загруженности путем повышения автоматизации.
Большинство систем самолетовождения имеют следующую структуру. Состав систем самолетовождения определяется характером решаемых задач и требованиями безопасности полетов: - решение навигационных задач и задач самолетовождения обеспечивается двумя БЦВМ в соответствии с заложенной программой и двумя ПУИ - отражающими резервированную систему самолетовождения. Прием информации в ПУИ осуществляется с приоритетом БЦВМ1. Ввод информации в БЦВМ возможен с любого ПУИ при отсутствии приоритета одного из них.
- отображение пилотажной, навигационной и обзорной информации, информации о функционировании бортового оборудования, отказах и неисправностях систем, подсказок экипажу осуществляется на пяти МФЦИ.
- СНС используется в качестве корректора местоположения. СНС одновременно взаимодействует с двумя БЦВМ;
- СВИ, обеспечивает ввод в БЦВМ аэронавигационной информации;
- функцию контроля технического состояния бортового оборудования, регистрацию, хранение и выдачу результатов контроля в полете и в процессе технического обслуживания осуществляют блоки БПС. Одновременно БПС выполняет функции концентратора, получая и обрабатывая информацию от систем объекта, передает ее в БЦВМ.
В данном дипломной работе разрабатывается конструкция ПУИ. ПУИ является основным элементом управления системой.
Первые пульты состояли из кнопок. Постепенно у пультов появился дисплей. В качестве экрана сначала использовались ЭЛТ, затем появились электролюминесцентные экраны, которые сменились на монохромные ЖК. В 1987 компания Боинг первый раз применяет в бортовой аппаратуре монохромные ЖК мониторы, а затем и цветные [2].
В настоящее время пульты управления и индикации либо предусматривают установку глобальной спутниковой системы навигации и определения местоположения (GPS), либо приемник GPS встроен непосредственно в ПУИ. Включение данной системы в ПУИ позволяет производить коррекцию счисленных координат не только по данным РСБН и РСДН, но и по данным спутников определения местоположения. Данная коррекция позволяет снизить накапливаемую ошибку счисленных координат, проверить корректность работы вычислителя (по величине ошибки), и, тем самым, повысить безопасность полета. В конце ХХ века, появились новые устройства надежного хранения данных - FLASH карты - ЭСПЗУ, они позволяют хранить международные или региональные базы данных всех авиамаршрутов, все аэропорты с ВПП более 1200 м, все РТС и частоты радиосвязи. Основными задачами современных ПУИ является решение задач навигации, управление, планирование полета и обмен данными, ручной ввод с клавиатуры (с возможностью визуального контроля вводимой информации) параметров плана полета, взлета, посадки, полета по маршруту, как во время предполетной подготовки, так и в полете.
Необходимость разработки данного ПУИ возникла в связи с тем, что мало ПУИ имеется на базе активно-матричной ЖК-дисплея отечественного производства. Разрабатываемый ПУИ должен иметь в своем составе следующие функциональные элементы: - интегрированный вычислитель, который будет решать задачи навигации, - цветной ЖК монитор, который имеет наибольший приоритет, так как упрощает ввод информации и чтение ее экипажем, что повышает безопасность полетов, - клавиатура.
1.
Анализ требований ТЗ
В данной дипломной работе необходимо разработать МН и конструкцию ПУИ.
Прибор предназначен для управления рабочими режимами самолетовождения ввода и индикации пилотажно-навигационных параметров. Прибор должен обеспечить индикацию пилотажно-навигационной информации и ввод информации в вычислительную систему.
ПУИ производит обмен информацией с системой самолетовождения посредством разовых команд и последовательного кода по ГОСТ 18977-79, основные технические характеристики которых приведены в таблице 1.1: Таблица 1.1. Технические характеристики ПК и РК
Уровни сигналов, структура слов и временные характеристики ПК В соответствии с ГОСТ18977-79 (с учетом изм. 2 и 3), ARINC429
Количество входных «слушающих» каналов ПК (независимых) 4
Способы настройки частоты выдачи выходных каналов ПК Программный, независимый по каждому каналу
Количество входных РК 6
Уровни сигналов, структура слов и временные характеристики ПК В соответствии с ГОСТ18977-79 (с учетом изм. 2 и 3), ARINC429
Уровни входных РК по ГОСТ 18977-79: А) отсутствие сигнала наличие сигнала В) отсутствие сигнала наличие сигнала Разрыв цепи или напряжение (3,7±1,3) В, замыкание на корпус (0,22±0,22) В; Разрыв цепи или замыкание на корпус, напряжение 27В;
Количество выходных РК 2
Параметры выходных РК: А) отсутствие сигнала В) наличие сигнала Закрытое состояние выходного каскада Іут. < 80 МКА, Uн < 30В; Открытое состояние выходного каскада Uoct. < 0,7B, Ін < 30МА
Электропитание ПУИ должно осуществляться от бортовой системы электроснабжения постоянного тока с номинальным напряжением 27В. Требование обеспечивается путем подключения питания ПУИ: - от 2-х независимых каналов самолетной системы электроснабжения постоянного тока 27В (один из которых является аварийным) с качеством электроэнергии в соответствии с Приложением 5 ГОСТ19705-89, а именно: 1) напряжение на выводах приемников в установившихся режимах должно соответствовать диапазонам: от 24,0 до 29,4В - при нормальной работе и частичной работе системы электроснабжения;
от 18,0 до 31,0В - при аварийной работе системы электроснабжения;
от 21,0 до 33,0В - при ненормальной работе системы электроснабжения;
2) Коэффициент пульсации напряжения постоянного тока на выводах приемника должен быть не менее 7,4 % номинального значения.
- от аварийного источника питания качеством электроэнергии от 18 до 31В. Потребляемая мощность в рабочем режиме должна составлять не более 90Вт, в режиме холодного запуска - не более 200Вт. Благодаря встроенному устройству подогрева ЖК панели и подогрева лампы подсвета, возможен «холодный запуск». Встроенный двухканальный температурный датчик, реализованный на базе AD590, позволяет управлять включением и выключением устройств подогрева, которые поддерживают температуру на рекомендуемом для ЖК панели уровне (35 ? 45)0С. Электрическая связь с другими устройствами осуществляется через разъем ОНЦ-БС-2.
ПУИ должен быть устойчивым к ВВФ в соответствии с требованиями, предъявляемыми к группе исполнения аппаратуры 3.3.1 по ГОСТ В20.39.304-76, зона А. Данные требования на данный тип оборудования рассмотрены в НЛГС-3, поэтому требования, предъявляемые к группе исполнения аппаратуры 3.3.1 по ГОСТ В 20.39.304-76 соответствуют группе исполнения: КОД-ВАС1, ЗОНАА1, грунт-УІ-УЛ-ДРІІІ-TI-ВЛІ-ТМХ-РОХ-ППІ-РС-ПГХ-ВДХ-АШХ. В таблицах 1.2 и 1.3 перечислены условия эксплуатации ПУИ. пульт индикация напряжение управление
Таблица 1.2. Характеристики и значения ВВФ
№ Внешний воздействующий фактор Характеристика Код Значения ВВФ, степень жесткости
1 Широкополосная случайная вибрация См. таблицу 1.3 В АС1, Зона А1, Грунт См. таблицу 1.3
2 Линейное ускорение Величина ускорения, м/с2 (g) УЛ 49,1 (5) 98,0 (10) - к узлам креп-я
3 Механический удар: одиночного действия Пиковое ударное ускорение, м/с2 (g) Длительность действия ударного ускорения, мс Количество ударов УІ 147 (15) - I 15 18 (по 3 удара в каждом нап-ии ±X, ±Y, ±Z)
Многократного действия Пиковое ударное ускорение, м/с2 (g) Длительность действия ударного ускорения, мс Количество ударов 59 (6) - I 20 10000
4 Повыш. атм. давление Предельное, КПА (мм рт. ст.) ДРІІІ 170 (1270) - III
5 Изменение атм. давления (разгерметизация) Диапазон изменения давления, КПА (мм рт. ст.) от 74,67 до 12,00 (от 560 до 90)
6 Пониж. атм. давление Рабочее, КПА (мм рт. ст.) 12 (90) - III
7 Повышенная температура среды Рабочая, К (ОС) Рабочая кратковременная, К(ОС) Предельная, К (ОС) ТІ 328 ( 55) - I 343 ( 70) - I 358 ( 85) - I
8 Пониженная температура среды Рабочая, К (ОС) Предельная, К (ОС) 233 (минус 40) 218 (минус 55) - I
9 Повышенная влажность Относительная влажность при температуре 308К ( 35 ОС), % ВЛІ 98 - I
10 Статическая пыль (песок) Относ. влажность при температуре 328К ( 55 ОС), % Скорость циркуляции, м/с Размер частиц, не более, мкм Массовая концентрация, г/м? ППІ 50 - I (0,5-1) - I 50 3±1
11 Солнечная радиация Интегральная плотность потока, Вт/м? Плотность потока УФ, Вт/м? Спектр УФ излучения, мкм Температура, К (ОС) РС 1125 68 0,28 - 0,40 328 2 ( 55 2)
Римскими цифрами (I, III) в таблице 1.2 обозначены степени жесткости ВВФ.
Режим эксплуатации Параметры широкополосной случайной вибрации
Диапазон частот, Гц Спектральная плотность ускорения, g2/Гц Суммарная среднеквадратичная величина ускорения, g
Кратковременный 10 - 40 0,001-0,04 5,07
40-600 0,02
600-2000 0,02-0,006
Длительный 10-600 0,02 5,07
600-2000 0,02
Примечания: В таблице приведено значение виброускорения по оси Y. Значения виброускорения по осям Y и Z равны. Значение виброускорения по оси X составляет 50 % от значения по оси Y.
Обеспечение стабильной и надежной работы ПУИ при требуемых условиях возможно за счет правильного выбора элементной базы, конструкционных и защитных материалов, а также конструкции блока. Для ЖК панели возможен «холодный запуск» при пониженной рабочей температуре -400С.
Средняя наработка на отказ должна составлять не менее 8000 ч. Данное требование можно обеспечить выбором более быстродействующих элементов и высокопроизводительных устройств при проектировании изделия.
Индикация должна осуществляться на цветной активно-матричной ЖК панели со следующими характеристиками: разрешающая способность 320х240 пикселей, контраст (при внешней засветке не менее 75000 лк) не менее 0,5. Данное требование можно обеспечить выбором из аналогов разных компаний.
Ввод информации должен осуществляться с помощью клавиатуры. Клавиатура должна включать в себя: - 10 функциональных кнопочных переключателей;
- цифровое наборное поле (10 кнопочных переключателей);
- буквенное наборное поле (26 кнопочных переключателей, алфавит - латиница);
- кнопочные переключатели выбора страниц (2 шт.);
- кнопочные переключатели вспомогательных символов (2 шт.);
- кнопочный переключатель (ENTER);
- кнопочный переключатель (EXECUTION);
- кнопочный переключатель CLR (CLEAR);
- кнопочный переключатель (CANCEL);
- кнопочные переключатели выбора строк (расположенные по боковым сторонам экрана) - по 6 штук с каждой стороны;
- датчик внешней освещенности;
- ручку регулировки яркости экрана.
Примечания: 1) Все кнопочные переключатели, за исключением кнопочных переключателей выбора строк, должны иметь ночной подсвет.
2) ПУИ должен обеспечивать: АРЯ экрана, в зависимости от освещенности с помощью датчика внешней освещенности, установленного на лицевой панели; ручную подрегулировку яркости экрана посредством соответствующей ручки.
3) Конструктивное расположение органов управления на лицевой панели, их состав и наименования приведены в Приложении А.
Масса не более 6 кг. Данное требование можно обеспечить использованием по возможности электрорадиоэлементов средней и большой степени интеграции или миниатюрных дискретных элементов, а также легких конструктивных материалов.
Блок устанавливается на амортизированную приборную панель в посадочное место 147х229х216 мм.
Габаритные размеры ПУИ: 146 (± 0,3) х 228 (± 0,3) х 216 (max) мм.
2.
Аналитический обзор
В данном разделе проведем сравнительный анализ распространенных аналогов ПУИ как отечественных, так и зарубежных производителей: Rockwell Collins, США;
Honewell, США;
ЗАО Транзас, Россия.
Основные характеристики пультов управления и индикации данных производителей представлены в таблицах 2.1 - 2.4.
Таблица 2.1. Основные характеристики CDU-7000 производства Rocwell Collins
Параметр Значение
Тактовая частота процессора, МГЦ 50
Дисплей AMLCD 3,45х3,45
Яркость, кд/м? 715
Контраст при внешней засветке 70000 лк 3: 1
Боковой угол обзора по горизонтали ± 450 по вертикали ± 300
Наличие подсвета клавиатуры
Объем FLASH карты, Мб 256
Питающее напряжение, В 28
Потребляемая мощность, Вт 80
Масса, кг 4,9
Габариты, мм 181,0 x 146,1 x 165,1
Число входов / выходов разовых команд 12 / 6
Диапазон рабочих температур, 0С от -40 до 55
Вид охлаждения Принудительное охлаждение
Среднее время наработки на отказ, ч. 5000
Дополнительно -
В аналоге CDU-7000 производства Rockwell Collins [9] применяется принудительный вид охлаждения. Данный вид охлаждения, безусловно, имеет преимущества над кондуктивным, но неудобен при эксплуатации, т. к. для обеспечения безотказной работы необходимы регулярные регламентные осмотры вентиляторов (через каждые 100 летных часов), проверка работоспособности и замена.
Таблица 2.2. Основные характеристики CDU-900 производства Rockwell Collins
Параметр Значение
Тактовая частота процессора, МГЦ 2 х 24
Дисплей AMLCD 3,25х2,60
Яркость, кд/м? 680
Контраст при внешней засветке 70000 лк 2,4: 1
Боковой угол обзора по горизонтали ± 450 по вертикали ± 300
Наличие подсвета клавиатуры
Объем FLASH карты, Мб 256
Питающее напряжение, В 28
Потребляемая мощность, Вт 70
Масса, кг 4,54
Габариты, мм 181,0 x 146,1 x 165,1
Число входов / выходов разовых команд 16 / 4
Диапазон рабочих температур, 0С от -40 до 55
Вид охлаждения Конвекционный
Среднее время наработки на отказ, ч. 6500
Дополнительно встроен 5 канальный GPS приемник
Пульт CDU-900 управления и индикации является модернизацией широко распространенного CDU-800, различие между ними заключается в более высокой производительности процессора, программном обеспечении и наличием GPS приемника. CDU-900 имеет 14 модификаций различающихся форматом FLASH карты, наличием и количеством аналоговых входов (для работы с аналоговыми датчиками не имеющими АЦП) и адаптированной клавиатурой, так как производится для США, стран Европы и ближнего Востока [9].
Таблица 2.3. Основные характеристики HT9100 производства Honeywell.
Параметр Значение
Тактовая частота процессора, МГЦ 80
Дисплей AMLCD 5,5»
Яркость, кд/м? 700
Контраст при внешней засветке 70000 лк 3: 1
Боковой угол обзора по горизонтали ± 500 по вертикали ± 300
Наличие подсвета клавиатуры
Объем FLASH карты 256Кб
Питающее напряжение 28В / ~115В
Потребляемая мощность 80Вт / 108Вт
Масса, кг 6,5
Габариты, мм *
Число входов / выходов разовых команд 16/21
Диапазон рабочих температур, 0С от -45 до 55
Вид охлаждения Конвекционное и принудительное **
Среднее время наработки на отказ, ч. 3500
Дополнительно встроен 12 канальный GPS приемник
* - Состоит из двух моноблоков: процессорный блок 19,3 х 5,72 х 37,16 мм; блок управления и индикации 18,08 х 14,61 х 15,24 мм.
** - Принудительное воздушное охлаждение реализовано в навигационном процессоре при работе на переменном токе 115В.
Аналог HT9100 [10] производства Honeywell конструктивно состоит из двух моноблоков: многофункционального блока управления и индикации;
навигационного процессора, чем и объясняется большая масса и габариты.
Навигационный процессор в HT9100 имеет более высокую производительность, чем у представленных аналогов.
Низкий показатель надежности HT9100 объясняется тем, что предполагается установка навигационного процессора в техническом отсеке, где условия эксплуатации более жесткие, чем в кабине [10].
Рис. 2.3 Внешний вид НТ9100
Таблица 2.4. Основные характеристики TNC-1G производства ЗАО Транзас
Параметр Значение
Тактовая частота процессора, МГЦ 50
Дисплей AMLCD 3х4
Количество цветов Монохромный
Яркость кд/м? 680
Контраст при внешней засветке 70000 лк. 2,5: 1
Боковой угол обзора по горизонтали ± 450 по вертикали ± 300
Наличие подсвета клавиатуры
Объем FLASH карты 512Кб
Питающее напряжение 27,5В
Потребляемая мощность 65Вт
Масса 2,5 кг
Габариты, мм 193,0 x 156,1 x 172,3
Число входов / выходов разовых команд 2/2
Диапазон рабочих температур, 0С От -45 до 55
Вид охлаждения Конвекционный
Среднее время наработки на отказ, ч. 6000
Дополнительно встроен 12 канальный GPS приемник
Активно-матричная ЖК панель изделия TNC-1G монохромная, но реализован трехцветный подсвет (белый, зеленый, красный), позволяющий сигнализировать изменением цвета появление важной пилотажно-навигационной информации, но не позволяет выделить сам параметр [11].
Внешний вид данного аналога представлен на рисунке 3.3.
Все аналоги ПУИ имеют сходную архитектуру и, в зависимости от решаемых задач имеют в своем составе следующие модули: дисплейный модуль;
графический модуль;
вычислительный (процессорный) модуль;
дискретный модуль;
модуль напряжений.
Так же, в том случае если предусматривается загрузка баз данных с Flash карты, в состав ПУИ входит интерфейсное устройство, предназначенное для преобразования данных.
Некоторые ПУИ содержат в составе приемник GPS, обеспечивающий точное определение местоположения самолета по данным глобальной СНС и системы астронавигации (NAVSTAR). Разрабатываемый ПУИ не будет содержать в своем составе приемник GPS, но через каналы обмена данными предусмотрена возможность его подключения.
Данная разработка является актуальной, т. к. из обзора информации об аналогах видно, что отсутствуют пульты управления и индикации на базе цветных активно-матричных ЖК панелей отечественного производства. Поэтому и возникла необходимость разработки данного ПУИ.
3.
Выбор элементной базы ПУИ
Для выполнения основных задач, ПУИ должен иметь в своем составе следующие модули: МВ, МД, МУ, экран (цветная активно-матричная ЖК панель), МГ, МИ, ФРП, корпус, МН (подлежит разработке).
Модуль вычислительный МВ исполняет роль центрального процессора, решая задачи навигации, управления и планирования полетом.
При выборе вычислительного модуля необходимо учесть потребляемую мощность (суммарная потребляемая мощность ПУИ не должна превышать 90Вт), массу и габариты, также необходимо учесть диапазон рабочих температур (по ТЗ от -40 до 600С) и возможность эксплуатации на самолете по группе применения 3.3.1 по ГОСТ В20.39.304-76.
Из вычислительных модулей: МВ63, МВ62Б2, МВ60, МВ52 наиболее подходит модуль МВ62Б2 производства ОКБ «Электроавтоматика» [12]. Данный модуль удовлетворяет всем требованиям ТЗ. Основные характеристики модуля МВ62Б2 содержатся в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Основные характеристики модуля МВ62Б2
Тип процессора Параллельный асинхронный, с обработкой данных в форматах с фиксированной и плавающей запятой
Разрядность процессора, Бит 32
Максимальная рабочая частота, МГЦ 84
ОЗУ, Мб 2
ПЗУ, Мб 2
ЭЗУ, Мб 2
Питающее напряжение 5В ± 5 %
Потребляемая мощность, Вт 6
Масса, кг. 0,6
Габариты, мм 15 x 160 x 117
Диапазон рабочих температур, 0С от -55 до 85
Модуль дискретный МД организует обмен дискретной информацией по ГОСТ 18977-79.
Основные задачи дискретного модуля: - прием дискретной информации, поступающей в ПУИ от подсистем системы самолетовождения в виде ПК и РК, ее преобразование и хранение, а также выдачу преобразованной информации на межмодульный интерфейс по запросу вычислительного модуля;
- прием и хранение информации, поступающей по межмодульному интерфейсу, ее преобразование и выдачу в виде ПК и РК во взаимодействующие с ПУИ подсистемы.
Из дискретных модулей, для модуля МВ62Б2 наиболее подходит модуль МД52 [14]. Данный модуль имеет аналогичный с вычислительным модулем интерфейс (по ГОСТ 26765-51-86), унифицированные номиналы питающих напряжений и одинаковые габаритные размеры. Кроме этого, данный модуль используется совместно с модулем вычислительным МВ62Б2 в ряде БЦВМ систем самолетовождения, разработанных в ОКБ «Электроавтоматика».
Модуль МД52 соответствует всем требованиям ТЗ на разработку ПУИ, имеет 6 входов и 2 выхода разовых команд по ГОСТ 18977-79, 4 входа и 4 выхода последовательного кода. Основные характеристики модуля МД52 содержатся в таблице 3.2.
Модуль управления МУ предназначен для управления кнопочными переключателями, также содержит устройство автоматической и ручной регулировки яркости экрана.
В соответствии с ТЗ на разработку ПУИ, данный модуль должен иметь: - 10 функциональных кнопочных переключателей;
- цифровое наборное поле (10 кнопочных переключателей);
- буквенное наборное поле (26 кнопочных переключателей, алфавит-латиница);
- кнопочные переключатели выбора страниц (2 шт.);
- кнопочные переключатели вспомогательных символов (6 шт.);
* - способ настройки частоты выдачи выходных каналов ПК - программный, независимый по каждому каналу.
Все кнопки, за исключением кнопок выбора строк, должны иметь ночной подсвет.
МУ должен обеспечивать: АРЯ экрана, в зависимости от внешней освещенности при помощи датчика внешней освещенности, установленного на лицевой панели в и ручную регулировку яркости экрана.
В соответствии с требованиями ТЗ на разработку ПУИ выбран модуль управления МУ74 [21]. МУ74 соответствует зарубежным стандартам по количеству кнопок и их расположению. Данный модуль удовлетворяет всем требованиям ТЗ по составу, наличию ночного подсвета кнопочных переключателей, устройства АРЯ, диапазону рабочих температур и соответствует требованиям ГОСТ В 20.39.304-76. Основные характеристики модуля МУ74 представлены в таблице 3.3.
Индикация на ПУИ должна осуществляться на цветной активно-матричной ЖК панели, поэтому необходимо выбрать цветную активно-матричную ЖК панель, удовлетворяющую требованиям настоящего ТЗ: разрешающая способность 320 х 240 точек;
контраст (при внешней засветке 70000 лк.) не менее 0,5.
При выборе панели необходимо также учесть потребляемую мощность (суммарная потребляемая мощность ПУИ в рабочем режиме не должна превышать 90Вт), массу и габариты.
Анализ информации об аналогах показал, что для того, чтобы информация без утомления считывалась с экрана экипажем, размер ЖК панели должен быть не менее 5-и дюймов по диагонали (~ 127 мм).
Основными производителями цветных активно-матричных ЖК панелей являются компании: 1 SHARP Corp.
2 Tannas Electronic Display Inc.
3 Nec Corp.
4 Korry Electronics Company.
5 General Dynamics Corp.
Основные характеристики данных панелей представлены в таблице 3.4.
Таблица 3.4. Основные характеристики цветных активно-матричных ЖК панелей
Название KDM500 LQ5AW136 0550AM-QVGA NL3224AC35-01/13 TED3X3P1
Производитель Korry Sharp G&D NEC Tannas
Разрешающая способность 320х240 320х240 320х240 320х234 234х240
Диапазон рабочих температур, 0С от -55 до 80 от -10 до 85 от -30 до 85 от -30 до 60 от -50 до 65
Среднее время наработки на отказ 15000 ч. 35000 ч. 7500 ч. 20000 ч. 12000
ЖК панель LQ5AW136 [15] компании SHARP обладает хорошими показателями контрастности и яркости, но данная панель не имеет устройства подогрева ЖК панели и подогрева лампы подсвета, что не позволяет ей работать при пониженной температуре (по ТЗ требуется от -40 до 600С). Данная ЖК панель не имеет интерфейсного устройства вертикальной и горизонтальной синхронизации. Разработка интерфейсного устройства, устройства подсвета и подогрева (для обеспечения работы при пониженных температурах) для данной панели потребует большого количества времени и затрат [15].
ЖК панель 0550AM-QVGA [16] производства General Dynamics и NL3224AC35-01/13 [17] производства Nec не удовлетворяют требованиям по диапазону рабочих температур, поэтому в данном ПУИ не могут быть использованы.
ЖК панель TED3X3P1 [18] фирмы Tannas обладает интерфейсным устройством, возможен «холодный запуск» при пониженной рабочей температуре -400С, но разрешающая способность ниже требуемой по ТЗ.
ЖК панель [19] фирмы Korry удовлетворяет всем требованиям установленным в ТЗ. Благодаря встроенному устройству подогрева ЖК панели и подогрева лампы подсвета, возможен «холодный запуск». Встроенный двухканальный температурный датчик, реализованный на базе AD590, позволяет управлять включением и выключением устройств подогрева, которые поддерживают температуру на рекомендуемом для ЖК панели уровне (35 ? 45)0С.
Для отображения информации на экране необходим графический модуль, который должен формировать телевизионные сигналы: сигналы яркости красного, зеленого и синего цветов;
сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации, кроме этого данный модуль должен организовывать опрос кнопочного поля.
Данный модуль должен формировать векторы, знаки, символы, окружности и дуги, т. к. пилотажно-навигационная информация представляется именно в таком виде. Хранение таких графических примитивов для матрицы из 320 х 240 пикселей, требует ПЗУ объемом не менее 256 Кб [20]. Конструкция ПУИ, в соответствии с ТЗ, предусматривает 70 кнопочных переключателей, опрос которых должен осуществляется графическим модулем.
Выбран модуль МГ52 [21]. Данный модуль удовлетворяет всем требованиям ТЗ и требованиям дисплейного модуля KDM500 по количеству цветов, качеству выводимой на экран информации и необходимому объему ПЗУ для хранения графических примитивов. Основные характеристики модуля графического МГ52 представлены в таблице 3.5
Таблица 3.5. Основные характеристики модуля МГ52
Параметр Значение
Элементная база ПЛИС XC4036XL, CY7C1049B, AM?9F200BB, AT17C010, AD22100ST, AD7811YR, AD7801BR, LP3961EMPX, 1533АП5, 1533АП6, 133ЛП9А Количество цветов 256
ПЗУ, Кб 256
ОЗУ, Мб 3 х 2 х 512Кбайт (8 разр.)
Размер матрицы кнопочного поля, мм 8 х 10
Межмодульный интерфейс по: ГОСТ 26765.51-86
Питающее напряжение 5В ±5 %
Потребляемая мощность, Вт 3,0
Масса, кг. 0,5
Габариты, мм 15 x 160 x 117
Диапазон рабочих температур, 0С от -55 до 85
Из анализа информации об аналогах и современных требований по безопасности полетов видно, что для обеспечения конкурентоспособности ПУИ и повышения безопасности полета необходима база данных аэронавигационной, а также картографической информации типа «Jeppesen» или АБД ЦАИГА. Данная база должна храниться на компактной FLASH карте (ЭСПЗУ). Наиболее часто используется FLASH карта стандарта PCMCIA объемом 256МГБ [19].
Загрузку навигационных данных должен осуществлять интерфейсный модуль (МИ). Он преобразует интерфейс FLASH карты стандарта PCMCIA в интерфейс по ГОСТ 26765.51-86, осуществляя преобразование информации FLASH карты. FLASH карты - ЭСПЗУ, они позволяют хранить международные или региональные базы данных всех авиамаршрутов, все аэропорты с взлетно-посадочной полосой (ВПП) более 1200 м, все радиотрансляционные станции (РТС) и частоты радиосвязи.
Для преобразования данных с FLASH карты объемом памяти 256МГБ, подходит модуль интерфейсный МИ74 [22]. Данный модуль имеет унифицированные номиналы питающих напряжений, низкую потребляемую мощность, допустимые габаритные размеры и удовлетворяет всем требованиям ТЗ на разработку ПУИ. Таблица 3.6 содержит основные характеристики данного модуля.
Таблица 3.6. Основные характеристики модуля интерфейсного МИ74.
Параметр Значение
Элементная база ПЛИС EPF10K20RI240-4, EPC2LI20, 1533АП5, 1533АП6, SG-8002DC-24M-PTM
Межмодульный интерфейс по ГОСТ 26765.51-86
Питающее напряжение 5В ±5 %
Потребляемая мощность, Вт 3,0
Масса, кг. 0,4
Габариты, мм 15х150х95
Диапазон рабочих температур, 0С От -55 до 85
ФРП должен обеспечивать сигнальные уровни напряжения радиопомех.
Модуль напряжений МН предназначен для формирования вторичных напряжений для модулей МВ62, МД52, МГ52, МИ74, МУ74 и ЖК панели KDM500.
МН состоит из МН-М и МН-П. Модуль напряжений МН-М предназначен для формирования питающих напряжений модулей МВ62, МД52, МГ52, МИ74, МУ74.
Структурная схема пульта приведена на рисунке 3.2.
Расположение модулей в корпусе ПУИ определяется конструкцией прибора. В соответствии с требованиями ТЗ корпус будет иметь размеры 146 (±0,3) х228 (±0,3) х204 (мах) мм.
4.
Детальная разработка модуля напряжений
Модуль питающих напряжений МН-М предназначен для выработки вторичных питающих напряжений 5В, ±6В, 8В, минус 5В для модулей МУ, МД, МВ, МИ, МГ и KDM500.
2) Линейный стабилизатор напряжения - т. к. статические преобразователи напряжений не выпускаются для преобразования напряжения из 27В в 8В, используется СПН27-05-09-І, данный преобразователь вырабатывает напряжение 9В, следовательно, для преобразования напряжения из 9В в 8В, в схеме устанавливается линейный стабилизатор напряжения.
3) Ограничитель напряжения - т. к. по ГОСТ 19705-89 допускается наличие бросков напряжения в СЭС до 80 В, а используемые модули СПН по ТУ допускают броски напряжения до 36В, то для защиты СПН от выбросов до 80В в схеме модуля МН необходимо установить ограничитель напряжения.
4) Вольт - добавки (импульсный преобразователь) - доводит питающее напряжение до требуемого уровня (качество электроэнергии по постоянному току аварийного источника СЭС от 18 до 31В), т. к. при нижнем уровне напряжения 16В (с учетом потерь на ФРП и ограничителе напряжения) СПН не будет вырабатывать требуемые номиналы напряжений.
5) Контроль - будет вырабатывать сигнал «исправность МН» при наличии всех номиналов напряжений с допусками, указанными в таблице 4.1. При снятии сигнала «Исправность МН», вычислительный модуль сохраняет необходимую информацию. Контроль осуществляется только по нижнему допуску напряжений, так как статические преобразователи напряжений не будет вырабатывать напряжения выше указанных в ТУ.
На рисунке 4.2 представлена функциональная схема модуля МН-М.
Таблица 4.1. Требуемые значения питающих напряжений и токов для модулей ПУИ
Напряжение (В) Ток (А)
5,0 ± 0,25 2,0 - 3,0 (100 МВ)
± 6,0 ± 3,0 0,05 - 0,3 (100 МВ)
8,0 ± 0,2 0,1 - 0,3 (100 МВ)
- 5,0 ± 0,2 0,05 - 0,15 (100 МВ)
4.2 Выбор элементной базы модуля напряжения
При выборе элементной базы элементы должны отвечать электрическим параметрам, согласно принципиальной электрической схеме, с учетом электрических требований и выполняемых функций. Электроэлементы должны обладать высокой помехоустойчивостью, низкой потребляемой мощностью и высоким быстродействием.
Микроэлектронные компоненты выбираются в соответствии с электрической принципиальной схемой, представленной на чертеже ДП.6155.001
Э3. Ниже подробно рассмотрен выбор основных функциональных микросхем модуля.
1) СПН - купленные в фирме «Александер Электрик».
2) Линейный стабилизатор напряжения.
Рис. 4.2 Функциональная схема модуля МН-М
Линейный стабилизатор напряжения реализован на базе интегральной микросхемы Н142ЕН19 (DA10), транзисторной оптопары 3ОД129А (DA8), транзистора IRF5210 (VT6).
Напряжение питания микросхемы Н142ЕН19 в соответствии с ТУ должно быть (2,4?2,6) В. Резисторы R43, R44, R45 исполняют роль делителя напряжений. Переменный резистор R45 является регулировочным, он необходим т. к. напряжение питания микросхемы Н142ЕН19 по ТУ может меняться.
3) Ограничитель напряжения.
Ограничитель напряжения построен на базе интегральной микросхемы Н142ЕН19 (DA3), транзисторной оптопары 3ОД129А (DA1), транзистора IRF5210 (VT1) и стабилитрона 2С210Ж (VD1).
Микросхема Н142ЕН19 представляет собой интегральный регулируемый прецизионный стабилизатор параллельного типа положительной полярности (интегральный аналог стабилитрона). Н142ЕН19 (БКО.347.098-12ТУ) предназначена для использования в качестве источника опорного напряжения в высококачественной аппаратуре. Предусмотрена возможность установки любого значения выходного напряжения в диапазоне от 2,5В до 36В с помощью двух внешних резисторов.
Вставка плавкая F1 применяется для защиты модуля от возгорания при коротком замыкании, перегрузках, больших переходных сопротивлениях, искрении и электрической дуге.
Микросхема Н142ЕН19 (DA3) включена по БКО.347.098-12ТУ, напряжение питания данной микросхемы (2,4 ? 2,6) В, резисторы R11 и R13 используются, как делитель напряжения.
Транзисторная оптопара 3ОД129А (DA1) применена для развязки.
Конденсатор С1 применяется для снижения пульсаций на входе, С1=3300 МФ.
Конденсатор С4 применяется для снижения пульсаций на входе микросхемы Н142ЕН19, С4 = 0,15МФ.
Номинальный ток ограничителя напряжений не превышает 2А, поэтому выбираем вставку плавкую ВП1-2В 5А (ОЮО.480.003ТУ).
4) Вольт - добавки (импульсный преобразователь).
Схема вольт добавки (высокочастотный преобразователь) реализована на базе микросхемы 1114ЕУ3, данная микросхема может выполнять следующие функции: Формирование опорного напряжения
Усиление сигнала рассогласования
Формирование пилообразного напряжения
Широтно-импульсная модуляция
Формирование двухтактного и однотактного выхода
Защита от сквозных токов
Усиление сигнала датчика тока или напряжения
Управление (включение, выключ
Вывод
Расчет надежности проведен с помощью автоматизированного справочника АСРН, который позволяет реализовать концепцию CALS-технологий (непрерывной информационной поддержки жизненного цикла продукции) при выполнении ПОНР в части проведения расчетной оценки надежности.
Полученное в данном расчете значение ожидаемой наработки на отказ в полете для пульта ПУИ составляет: Топ = 8445,9 часов.
Данный показатель удовлетворяет требованиям ТЗ
Топ ? 8000 часов.
Расчетная интенсивность отказов элементов соответствует ожидаемым облегченным электрическим нагрузкам (Кн не более 0,2-0,5) и тепловым режимам (среднеэксплуатационная температура окружающей среды в ПУИ принята равной 400С).
Как видно из табл. 1, большая часть параметра потока отказов пульта приходится на параметр потока отказов дисплейного модуля KDM500 компании KORRY (49,4 %), т. к. данный модуль имеет сложный состав (включает в себя цветную активно-матричную ЖК панель, устройство подсвета, устройство подогрева ЖК панели и лампы подсвета и интерфейсное устройство).
7.
Экономическая часть
Разработка изделия выполняется с коммерческой целью для косвенной реализации, имеет рыночный аналог. Необходимость разработки ПУИ обусловлена желанием улучшить качество индикации, точность навигации, снижение массогабаритных показателей по сравнению с существующими аналогами, в данном случае сравнение будет производиться с аналогом CDU7000. Характеристики CDU7000 рассмотрены в разделе 2.
Изза специфики авиаприборостроения, производство ПУИ является мелкосерийным, ориентировано на реализацию нескольких экземпляров (опытных образцов). Будущий продукт рассчитан на отдельных заранее известных покупателей.
В данной главе рассмотрены следующие вопросы: расчет затрат на проектирование и расчет себестоимости ПУИ в целом, также представлен расчет показателей экономической эффективности конструкции ПУИ.
7.1 Расчет себестоимости изделия
Калькуляция себестоимости - расчет текущих затрат предприятия на единицу продукции, основан на прямом определении затрат по следующим статьям: - затраты на сырье и материалы;
- затраты на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты;
- основная заработная плата рабочих;
- дополнительная заработная плата рабочих;
- отчисления в социальные внебюджетные фонды;
- расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;
- общецеховые расходы;
- затраты на электроэнергию;
- общепроизводственная себестоимость изделия;
- внепроизводственные расходы.
Расчеты затрат по статьям, расчет себестоимости изделия, полученные результаты сведены в таблицы 7.1 - 7.3.
Все модули входящие в пульт управления и индикации, кроме цветной активно-матричной ЖК панели KDM500 разработаны и производятся в ОКБ «Электроавтоматика», общие затраты на их покупку и комплектацию составляют 798385,76 руб. (Спок). Себестоимость всех модулей ОКБ «Электроавтоматика» и закупочная цена на модуль KDM500 приведена в таблице 7.1
Таблица 7.1. Стоимость материалов, покупных изделий, полуфабрикатов
№ п/п Наименование материалов, покупных изделий, п/фабрикатов Единицы измерения Колво Цена единицы руб. Сумма руб.
2.40 Крепежные детали (винты, шайбы)* кг 0,1 40,00 4,00
Суммарное значение покупных изделий, п/фабрикатов: 728425,4
Итого 730885,76
Итого, с учетом КТЗ = 1,03: 752812,33
Примечания: * - указана средняя цена для группы номиналов; ** - изготовление деталей выполняется по заказу на заводе.
Таблица 7.2. Расчет основной заработной платы рабочих
Вид операции Колво рабочих Трудоемкость операции на единицу изделия, час Часовая тарифная ставка, руб. Основная заработная плата рабочих, руб.
Заготовительные 1 5 30 150
Токарные работы 2 6 45 540
Фрезерные работы 2 10 60 1200
Координатно-расточные работы 2 15 60 1800
Лакокрасочные работы 1 10 30 300
Гальванические работы 1 8 40 320
Комплектовка 1 8 30 240
Сборка узлов 2 10 50 1000
Монтажные работы 2 15 50 1500
Сборка индикатора 1 10 50 500
Наладка 1 7 50 350
Итого: 7900
Таблица 7.3. Расчет себестоимости ПУИ
№ Статья Норматив Итого, руб.
1. Затраты на сырье и материалы - 752812,33
2. Затраты на покупные изделия
3. Затраты на электроэнергию 10 % от ст. 1 и 2 75281,233
4. Основная заработная плата - 7900
5. Дополнительная заработная плата 20 % от ст. 4 1580
6. Отчисления в социальные фонды 26 % от ст. 4 и 5 2464,8
7. Эксплуатация оборудования 30 % от ст. 4 и 5 2844
8. Общецеховые расходы 30 % от ст. 4, 5 и 7 3697,2
9. Цеховая себестоимость сумма ст. 1 - 8 846579,563
10. Общепроизводственные расходы 10 % от ст. 9 84657,9563
11. Производственная себестоимость сумма ст. 9 и 10 931237,52
12. Внепроизводственные расходы 4 % от ст. 11 37249,5
13. Полная себестоимость изделия сумма ст. 11 и 12 968487,02
7.2 Определение нормативной цены
Нормативная цена для объектов разработки рассчитывается по формуле:
(7.1) где Cn - полная себестоимость изделия;
НП - условная норма прибыли (20 %);
r - поправка на предпринимательский риск (10 %).
Подставив все величины в формулу 7.5, получим ЦНОРМ = 1259033,13 руб.
7.3 Определение экономических результатов
Прибыль от реализации единицы объекта разработки: Пр = Цнорм - Cn = 290546,11 руб.
Прибыль от реализации партии объекта разработки (мелкосерийное производство, партия - 2 шт.): 581092,22 руб.
Рентабельность объекта разработки: Рр = Пр/Cn ·100 = 60 %.
Срок окупаемости затрат на разработку:
Ток = Ср / Пр = 64369,66/581092,22 = 0,11 лет.
Вывод: Разрабатываемый пульт управления и индикации имеет ряд преимуществ по сравнению с выбранным аналогом CDU7000 (в размере экрана и показателях качества индикации). CDU7000 уже выпускается, его цена составляет 1350000 рублей. По экономическим показателям видно, что цена на ПУИ ниже на 9 %, чем цена аналога. Экономия составляет 90967 рублей.В результате выполнения дипломного проекта разработана конструкция пульта управления и индикации.
Разработанный пульт управления и индикации отвечает всем требованиям технического задания. ПУИ оптимальным образом обеспечивает выполнение широкого круга задач, его характеристики во многом выигрывают по сравнению с существующими аналогами.
Конструкция пульта выполнена по блочному принципу, состоит из отдельных сборочных единиц (узлов), таким образом предусматривается доступность всех частей для осмотра и замены без предварительного удаления других частей конструкции, что обеспечивает высокую технологичность изготовления и обслуживания в эксплуатации.
Детально разработан модуль напряжений, являющийся неотъемлемой частью ПУИ. Основное предназначение модуля напряжений - формирование вторичных питающих напряжений. На основе принципиальной электрической схемы произведен выбор элементной базы модуля МН-М, разработана топология печатной платы при помощи САПР P-CAD 2001, и конструкция модуля МН-М. Обеспечена защита модуля МН от дестабилизирующих факторов, путем введения в конструкцию механизмов крепления, теплоотводов, применения современных защитных материалов.
Проведены расчеты вибропрочности печатной платы, теплового расчета и надежности пульта, подтверждающие правильность принятых конструкторских решений. Проведен экономический расчет затрат на разработку и себестоимости индикатора. Полученные экономические результаты подтверждают эффективность проведения разработки ПУИ. Рассмотрены вопросы охраны труда при разработке изделия.
Создан комплект конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД. Графическая часть выполнена при помощи системы автоматизированного проектирования AUTOCAD 2002.
Список литературы
1. Марков И.С., Рыков И. А Технические решения в авиационном приборостроении. // Журнал «Компоненты и технологии» № 3’2005.
2. Л.Е. Баханов Развитие способов автоматизированного пилотирования истребителем. // Журнал «Авиакосмическое приборостроение» № 3·2003.
3. В.М. Петров, А.В. Воробьев, В.Е. Куликов Некоторые проблемы автоматизации управления полетом летательных аппаратов. // Журнал «Авиакосмическое приборостроение» № 4·2003.
4. Самарин А.И. SMARTSWITCH - кнопочные модули с программируемым матричным ЖКИ // Журнал «Электронные компоненты» № 7.2004
5. Матвеев Е.Н. Вертолетная система речевого управления. 1998.
6. Рыбников О.Н. Проблема учета ситуационной осведомленности при проектировании рабочего места летчика самолета. 1995.
7. Зиберов А.А. Куприянов А.В. Влияние нового информационного обеспечения экипажей транспортных ЛА на безопасность полетов 1995.
8. Меликова М.Б. Волк И.П. О принципе адаптивности в организации информационного обеспечения пилотов. // Вестник Московского Университета, сер. 14. Психология. 1995 № 2.
9. ROCWELLCOLLINS.com
10. Honeywell.com
11. transas.com
12. Руководство по применению и программированию модуля МВ62Б2
13. Перечень ассоциации «Фонд УНИЭТ» по разработке «Номенклатуры высокотехнологичных ИЭТ, рекомендуемых к разработке в РФ и применению в аппаратуре двойного назначения». 2004 г.
14. Руководство по применению и программированию модуля МД52.
15. Sharp.com
16. gdcanada.com
17. nec.com
18. tannas.com
19. Korry.com
20. Дж. Фоли и А вон Дэн Основы интерактивной машинной графики. 1985 г.
21. Руководство по применению и программированию модуля МГ52.
22. Руководство по применению и программированию модуля МИ74.
23. Дульнев Г.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. 2004 г.