Моносхемный принцип конструирования

Этот принцип конструирования заключается в том, что полная

принципиальная схема радиоэлектронного аппарата располагается на

одной печатной плате и поэтому выход из строя одного элемента

приводит к сбою всей системы.

Оперативная замена вышедшего из строя элемента затруднена из-за

сложности его обнаружения. ЭВМ, построенная по моносхемному

принципу, должна быть смонтирована из нескольких БИС, в которых

предусмотрены меры увеличения надежности путем введения

аппаратурной и информационной избыточности. Нахождение

неисправностей при этом должно производиться программными

методами.

Схемно-узловой принцип конструирования.

При этом принципе конструирования на каждой из печатных плат

располагают часть полной принципиальной схемы радиоаппарата,

имеющую четко выраженные входные и выходные характеристики.

По такому принципу сконструированы настольные и бортовые ЭВМ,

где различные устройства ЭВМ выполняют на одной или нескольких

(небольшом числе) платах, а объединение их между собой производят с

помощью коммутационной платы и проводных жгутов.

Каскадно-узловой принцип конструирования.

Этот принцип конструирования заключается в том, что

принципиальную схему радиоаппарата делят на отдельные каскады,

которые не могут выполнять самостоятельных функций.

Вариант конструктивной иерархии, представленный на рис. 3.3,

занимает промежуточное положение между схемно-узловым и

каскадно-узловым принципами.

ЭВМ с относительно сложной и большой структурой строится по

каскадно-узловому принципу, а ЭВМ с более простой структурой—по

схемно-узловому принципу.

Функционально-узловой принцип конструирования.

Этот принцип конструирования нашел широкое распространение при

разработке больших ЭВМ .

Базовым элементом конструкции здесь является ТЭЗ(Типовой элемент замены (ТЭЗ) - Модуль, который может быть заменен обслуживающим персоналом в полевых условиях эксплуатации). Имея

необходимый набор ТЭЗ, можно построить целый ряд вычислительных

машин с различными техническими характеристиками.

Модульный принцип конструирования.

Этот принцип конструирования предполагает, что основные

функциональные узлы вычислительной машины взаимосвязаны с

помощью одного канала. Чтобы установить связь с модулем-

приемником, модуль-передатчик посылает нужный сигнал вместе с адресом по одной (или более) шине. Сигналы поступают на входы всех подключенных к каналу модулей, но отвечает только запрашиваемый.

Применяя этот принцип, можно построить вычислительную машину с

практически неограниченной производительностью и сложностью,

сохраняя при этом гибкость в ее организации, так как разработчик

использует ровно столько модулей, сколько ему требуется. Разработчик

ЭВМ может также легко модернизировать конструкцию, меняя или

добавляя отдельные модули и получая при этом необходимые

параметры.

 

Тема 1.10Влияние условий эксплуатации-2

Классификация ЭВМ

Стационарные ЭВМ

Транспортируемые ЭВМ: морские, бортовые

Портативные ЭВМ

Группы стационарных и транспортируемых ЭВМ

Влияние условий эксплуатации на работоспособность ЭВМ и систем

При рассмотрении климатических факторов, влияющих на ЭВМ и системы, мы не учитывали разнообразия использующихся ЭВМ, тактики использующихся ЭВМ и систем. По тактике использующиеся ЭВМ можно разделить на транспортируемые и стационарные. Каждая из таких групп включает в себя ЭВМ различных классов и назначения.

Стационарные ЭВМ

 

Это машины, эксплуатируемые в отапливаемых и неотапливаемых помещениях, бункерах, подвалах, помещениях с повышенной влажностью, на открытом воздухе, в производственных цехах.

По тактико-техническим данным – это машины, представляющие собой многомашинные комплексы, большие универсальные, управляющие, настольные, встраиваемые ЭВМ, микрокалькуляторы.

Условия эксплуатации и транспортирования (в нерабочем состоянии) таких машин характеризуется широким диапазоном рабочих (от -50 до +50˚С) и предельных (от -50 до +65˚С) температур,

- влажностью – до 90-98 %,

- вибрацией – до 120 Гц (при 4-6 g),

- наличием многократных – до 5g и одиночных – до 75g ударов,

- воздействием дождя и соленого тумана с содержанием воды до 3г/м³.

Транспортируемые ЭВМ

Это машины, устанавливаемые и эксплуатируемые на автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусеничном транспорте, морские и бортовые ЭВМ.

Специфика работы этого вида машин предопределяет повышенное воздействие механических факторов, в основном вибрации и ударов. Каждый вид транспорта имеет собственные вибрационные характеристики, характер изменения которых различен, рис.2.

 

 

Рис.2. Вибрационные характеристики различных видов транспорта.

Для предупреждения повреждения ЭВМ, необходимо, чтобы вся машина и отдельные ее части имели собственные резонансные частоты, лежащие вне диапазона частот вибрации транспортного средства, на котором машина эксплуатируется или перевозится.

На ЭВМ, устанавливаемых на машинах или прицепах, может воздействовать вибрация до 200Гц и удары, вызванные неровной дорогой.

При движении железнодорожного транспорта возможны внезапные толчки, как следствие изменения скорости движения (удары до 40g). Биение колес о стыки рельсов вызывает вибрацию с частотой до 400Гц и ускорение до 2g.

Особо жесткие условия создаются для ЭВМ, эксплуатируемых в гусеничном транспорте (танках, транспортерах, самоходной артиллерии). Здесь вследствие стука гусениц частота вибраций может доходить до 7000Гц с амплитудой ± 0,025 мм.

Удары, вызванные неровной дорогой, отдачей орудия при выстреле, попаданием снаряда в корпус, могут быть большой силы и сопровождаться вибрацией. Кроме этого, постоянное воздействие акустического шума до 150 дБ.

Если ЭВМ расположена на орудийной площадке, на перевозочных средствах или в служебных помещениях, то наибольшая опасность – это ударная волна. Величина вибраций и ударов, сообщаемых ударной волной зависит от массы и площади поверхности ЭВМ. Чем больше масса и меньше поверхность ЭВМ, тем эффект действия ударной волны меньше и наоборот.

Морские ЭВМ – это такие ЭВМ, которые устанавливаются на больших, обычно тихоходных и малых быстроходных судах, на подводных лодках, на орудийных площадках береговой артиллерии.

Характерными условиями для работы на таких объектах являются: наличие вибраций, ударных нагрузок и морской среды.

Вибрация на судне может быть вызвана работой винтов, работой главного и вспомогательного двигателей и гидродинамическими силами, возникающими при продвижении судов по волнам. На малых судах вибрация обусловлена работой двигателя и биением волн о борт корабля. Диапазон частот вибраций не превосходит 25 Гц. Амплитуда вибраций невелика и зависит от места на судне.

На крейсере три участка с различными вибрационными характеристиками: это носовой, кормовой и основной, рис.3. Кормовой участок (1/8 длины корабля) подвергается вибрациям с частотой 0-25 Гц (максимальная амплитуда 25 мм); носовой участок (1/10 длины корабля) – вибрациям, не превышающим 20Гц (амплитуда 15 мм на частоте не ниже 5 Гц); основной участок - вибрациям с частотой до 20 Гц (максимальная амплитуда 0,6 мм).

Быстроходные катера и другие мелкие суда подвержены вибрациям с большей частотой. Задний кормовой участок (1/8 длины) подвергается вибрациям с частотой до 150 Гц (максимальная амплитуда – 0,3 мм на частоте 10 Гц), остальная часть корабля – вибрациям с частотой до 1000 Гц (максимальная амплитуда 0,15 мм на частоте 10 Гц).

 

 

 

Рис. 3. Разделение контура корабля на участки с различными вибрационными характеристиками.

 

Морская среда, окружающая ЭВМ, находящуюся на кораблях содержит большое количество различных активных веществ, постоянно действующих на ее работоспособность. Поэтому ЭВМ этого класса должны обладать высокой коррозионной стойкостью, плеснестойкостью, водо- и брызгозащищённостью.

На ЭВМ, установленные на орудийных площадках береговой артиллерии, воздействуют такие же факторы, как и на ЭВМ, находящиеся на сухопутных площадках Дополнительный фактор – наличие агрессивной атмосферы.

Бортовые ЭВМ - это ЭВМ, устанавливаемые на бортах самолетов, ракет различных классов, искусственных спутниках Земли космических аппаратов.

По общим характеристикам бортовое оборудование в основном не отличается от других типов машин, но имеются некоторые требования и особенности к бортовой аппаратуре. По назначению бортовые ЭВМ – машиныуправляющие, работающие в замкнутом контуре управления объектом. По виду их использования их разделяют на машины, устанавливаемые в беспилотные (ракеты, ИСЗ) и пилотируемые объекты (самолеты, космические корабли, орбитальные станции).

Машины, устанавливаемые в беспилотные объекты, заменяют операторов на борту объекта и связаны со всем комплексом технических средств объекта через систему датчиков и исполнительных механизмов. Получая информацию от датчиков, они ее обрабатывают и выдают соответствующие команды исполнительным механизмам. Такие машины имеют небольшое ОЗУ и большое ПЗУ (память констант).

Машины, устанавливаемые в пилотируемые объекты, обладают характеристиками как управляющих (при работе в “автопилоте”), так и универсальных ЭВМ. Ввод задачи в машину осуществляется оператором, для получения быстрого ответа, по данной ситуации. Такие машины обладают большим объёмом ОЗУ.

Конструктивно машины обеих групп практически не отличаются друг от друга, так как к ним предъявляются одинаковые условия. Для машин второй группы необходимо наличие пульта управления.

На самолетах аппаратура, как правило, находится в фюзеляже. На нее воздействуют нагрузки с частотой до 200Гц и ускорением до 10g. Амплитуда колебаний достигает 10мм.

Близость двигателя увеличивает частоту вибраций до 500Гц. Хвостовая часть подвергается вибрациям до 150Гц, амплитудой до 2,5 мм плюс акустический шум до 130-150 дБ при частоте 50-10000 Гц.

На рис.4 представлено расположение основных узлов бортовой системы управления самолётом, в состав которой входит управляющая ЭВМ, оснащённая пультом управления.

 

 

Рис.4. Схема системы управления самолётом.

1 - панель управления;

2 - датчики и исполнительные механизмы;

3 - ЭВМ;

4 - аппаратура системы автопилота.

 

Аппаратура на космических аппаратах – составная часть управления движением всей системы. Эта система в основном решает задачи ориентации и стабилизации объекта в пространстве и наведения (навигации) при перемещении в космическом пространстве, выхода на околопланетные орбиты, маневрирования с целью сближения с объектом или при посадке на поверхность планет. Схема управления космического корабля имеет связующее анализирующее звено – это управляющая микро ЭВМ. Этот класс ЭВМ в процессе полета практически не подвергается воздействию механических нагрузок. Однако при транспортировке на орбиту или при работе двигателей, воздействие механических факторов становится значительным.

Аппаратура, которую устанавливают на борт ракет различных классов и назначения, находится в наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения воздействия вибраций, ударов, ускорений.

Вибрации ракет в полете носят сложный характер. Он определяется совместным воздействием работы ракетного двигателя и аэродинамических эффектов. Он охватывает широкий диапазон частот. Работающие двигатели ракет на жидком топливе имеют частотный диапазон вибраций в несколько сотен герц. С уменьшением мощности двигателя, частота вибраций увеличивается и может доходить до нескольких тысяч герц. Поэтому на аппаратуру, установленную на ИСЗ, при доставке на орбиту воздействие вибраций происходит на всем диапазоне частот.

Наибольшую вибрацию вызывают двигатели малых ракет на твердом топливе, а также большие ракеты на жидком топливе. Частота вибраций может достигать 2500 Гц при ускорениях 20g. Характер вибраций – синусоидальный.

В момент запуска ракеты и при её полёте на бортовую аппаратуру воздействует акустический шум, уровень которого достигает 150дБ.

Большие ракеты на жидком топливе развивают ускорение не превышающее 15g. Максимальное ускорение ракет, на управляемой орбите не превышает 10g, а малых ракет на твердом топливе - 50g.

Атмосферное давление в негерметизированной аппаратуре в процессе движения ракет изменяется от нормального до практически нулевого.

Портативные ЭВМ

 

Группа ЭВМ, занимающая промежуточное положение между транспортируемыми ЭВМ и стационарными – называются портативными ЭВМ. Появление этой группы ЭВМ явилось результатом широкого внедрения больших интегральных схем (БИС) в аппаратуростроении.

Самыми массовыми представителями портативных ЭВМ, являются микрокалькуляторы. Небольшие габариты, малая мощность потребления, высокая надежность и сравнительно небольшая стоимость делают его незаменимым для проведения расчетов, не требующих программирования. К портативным ЭВМ можно отнести и простейшие по выполняемым функциям вычислители и контроллеры, управляющие работой бытовой техники.

Условия работы портативной техники должны соответствовать зоне комфорта для человека, которая характеризуется:

- температурой окружающей среды 18-24˚С (291-297 К);

- уровнем акустического шума – 70-85 дБ;

- влажность 20-90 % (с высотой над уровнем моря до 3000 м).

Портативная аппаратура по массе делится на: легкую (до 29Н – для мужчин и до 16Н для женщин), среднюю (до 147Н и до 80Н) и тяжёлую (до 390Н и до 216Н).

На портативную аппаратуру может действовать вибрация с частотой до 20 Гц с ускорением до 2g и удары до 10g при длительности 5-10 мс.

 

По совокупности значений климатических, механических и радиационных факторов, стационарные и транспортируемые ЭВМ делятся на следующие группы:

I группа – стационарные ЭВМ и системы, работающие в отапливаемых наземных и подземных помещениях и сооружениях;

II группа – стационарные ЭВМ и системы, работающие на открытом воздухе или в не отапливаемых, наземных и подземных сооружениях;

III группа – транспортируемые (возимые), установленные в автомобилях, мотоциклах, в сельскохозяйственной дорожной и строительной технике и работающие на ходу;

IV группа – возимые установленные во внутренних помещениях речных судов и работающие на ходу;

V группа - транспортируемые (возимые), установленные в подвижных железнодорожных объектах и работающие на ходу;

VI группа – транспортируемые и портативные, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях, работающих на ходу.

VII группа – портативные, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе или в отапливаемых помещениях (наземных и подземных), работающие на ходу.

Каждой из групп аппаратуры соответствует совокупность климатических и механических факторов, которой она должна соответствовать.

 

Тема 1.11 Требования, предъявляемые к конструкции цифровых устройств-2

Тактико-технические требования

Конструкторско- технологические требования

Эксплуатационные требования

Требования по надежности

Эргономические требования