Структура печатной платы цифрового фильтра, назначение и функции её программной и аппаратной составляющих. Расчёт экономической выгоды разработки подсистемы САПР. Составление сметы спецификаций, расчет предпроизводственных затрат и годовых издержек.
Аннотация к работе
Недостаточно точно соптимизированная центральная характеристика цифрового фильтра (ЦФ) - импульсная характеристика (ИХ) приводит к большой разрядности микроконтроллеров (МК), аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), и, соответственно, к высокой стоимости аппаратной реализации цифровых фильтров в виде печатных плат. 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 расчет следующих характеристик: Программная составляющая печатной платы: - схема реализации цифрового фильтра (программная модель фильтрации (1.2), реализованная в памяти программ МК); 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. 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).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.
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 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), и, соответственно, к высокой стоимости аппаратной реализации цифровых фильтров в виде печатных плат. Это характерно для современных систем, проектирующих цифровые фильтры, без учета их аппаратной реализации, что всегда имеет место быть при создании радиоаппаратуры. Учет 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 расчет 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);
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 дает «всплески» в переходных полосах АЧХ, а соответственно, делают эти фильтры не применимыми в реальности. В [1] 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 счет 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: Kt = (Ko Кв Кс)*1.133
-где Ко - капитальные затраты на основные средства вычислительной техники, руб.;
Кс - 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
№ п/п Наименование технических средств Количество Цена (без НДС) Стоимость
Помимо этого используются также свободно распространяемые программы Free BSD, MYSQL для организации работы БД разрабатываемой подсистемы САПР цифровых фильтров.
Таким образом, получаем следующие расчеты: KO =27948 64670 13065 810 522 2550 5599 18258 16469 58445 = 208336 руб
КВ = 0.1*208336 = 20833,6 руб
Kt = 259649,16 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 Зэкс - сумма затрат по эксплуатации средств вычислительной техники, руб.;
Тэф - эффективный фонд времени работы оборудования (за год), руб.
Сумма затрат на эксплуатацию средств вычислительной техники определяется по формуле: Зэкс = Зм Зэ Зз За Зрто Зпр(1) где Зм - затраты на основные и вспомогательные материалы (в размере 1% от стоимости оборудования), руб;
За - сумма годовых амортизационных отчислений, руб.;
Зэ - затраты на электроэнергию, руб.;
Зз - затраты на зарплату работников (с учетом отчислений на социальные нужды в размере 38,5%), руб.;
Зрто - затраты на ремонт и техническое обслуживание оборудования, руб.
Зпр - прочие расходы, руб.
Затраты на основные и вспомогательные материалы: Зм = 0.01*Ко = 2083,36 руб.
Затраты на ремонт и техническое обслуживание оборудования: Зрто = 0.16*Ко = 36667,14 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: Зэ = = 16562,13 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: Зз = 12 * Ксс * ?(Омесі * Чі) = 390780 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: Квл = 259649,16 руб.
Зпр = 0.01*Квл = 2596,49 руб.
Подставляя полученные значения в формулу (1), получаем сумму затрат на эксплуатацию средств вычислительной техники в размере: Зэкс = 494523 руб.
И цену одного машино-часа работы оборудования: Цмч = 284,05 руб.
2.3 Расчет предпроизводственных затрат
Расчет предпроизводственных затрат производится по формуле: (2) где Тпсі - трудоемкость этапа разработки программных средств САПР с участием i-го специалиста, человекодни;
Цмч - цена одного машино-часа работы комплекса вычислительной техники, руб.;
Омес i - средний месячный оклад i-го специалиста, принимающего участие в разработке САПР, руб;
Тмаш - 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
№ п/п Профессия Численность, чел Оклад, руб.
1 2 3 4
1 Ведущий инженер-руководитель группы 1 22000
2 Инженер-конструктор I категории 1 14150
2 Инженер I категории 2 13970
3 Инженер II категории 1 10280
4 Инженер-техник 1 11080
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
№п/п Этап проектирования Норма времени, час Норма времени, дни
1 2 3 4
1 Постановка задачи и предпроектные исследования 16 2
2 Разработка МО 28 3,5
3 Разработка ИО 8 1
4 Разработка МЕО 4 0,5
5 Разработка структурной схемы САПР 8 1
6 Разработка схемы работы САПР 8 1
7 Проектирование информационной подсистемы 32 4
8 Проектирование подсистемы ввода данных звена ИХ ЦФ 16 2
9 Проектирование подсистемы оптимизации ИХ ЦФ 48 6
10 Проектирование подсистемы компоновки ЦФ 24 3
11 Проектирование подсистемы тестирования ЦФ 24 3
12 Проектирование подсистемы расчета параметров печатной платы 24 3
13 Проектирование подсистемы вывода 16 2
14 Сборка САПР 24 3
15 Отладка САПР 48 6
16 Тестирование САПР 64 8
17 Внедрение и опытно-промышленная эксплуатация САПР 48 6
Сумма 440 55
Произведя расчеты, получаем: Кпр = 124448,45 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
Профессия Численность, чел Оклад, руб
1 2 3
Руководитель проектного отдела 1 17070
Инженер I категории 1 13970
Инженер-конструктор I категории 1 14150
Для расчета текущих годовых издержек необходимо составить технологическую карту одного проекта.
№ п/п Этап проектирования Норма времени, час Норма времени, дни
1 2 3 4
1 Составление технического задания 8 1
2 Создание проекта 16 2
3 Формирование и оформление документации 8 1
Сумма 32 4
Произведя расчеты, получаем: Иг = 581570,28 руб
2.5 Стоимость реализованных проектов
Стоимость выполненных проектов будет определяться по формуле: В = N*Ц
Цену за проект возьмем равной 40000 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
Год 0 1 2 3 4
Стоимость проектов 0 800000 800000 800000 80000
N 0 20 20 20 20
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.
Чистая текущая стоимость -384098 630606 598305 570537 546170 1961520
Индекс доходности 1,21
Внутренняя норма доходности 69,95%
Вывод
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 литературы
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.