Новые задачи и подходы к построению контрольно-измерительных систем

В статье рассматриваются проблемы построения многоканальных измерительных систем с магистрально-модульной архитектурой.

Ганнингер Кристиан, Фоу Линли

215
В ЗАКЛАДКИ

Введение

Развитие новых технологий и расширение сфер деятельности человека оказывают существенное влияние на контрольно-измерительные системы и системы моделирования. Условия окружающей среды и развитие системной архитектуры расширяют спектр требований к испытательной и измерительной аппаратуре. Данная статья описывает преимущества современных контрольно-измерительных систем на примере решения разнообразных практических задач измерения и контроля нового поколения. Также рассматриваются наиболее существенные технические требования и критерии выбора электронных и конструктивных решений при построении таких систем, от системной архитектуры и механики до корпусов с малым форм-фактором и 19ʺ систем, размещённых в шкафах.

Динамика развития и новые задачи в производстве контрольно-измерительных систем

Новый стандарт мобильной связи 5G – фундаментальная основа для внедрения таких передовых технологий, как IIoT (промышленный Интернет вещей) и автономное движение транспорта. В пространстве промышленного Интернета вещей миллионы подключённых устройств принимают и обрабатывают массивы данных. Практически рядом с зоной применения возводятся дата-центры для граничных вычислений (Edge Data Centers), чтобы обрабатывать IIoT-данные в режиме реального времени. Эти же данные передаются в промышленные системы с использованием 5G-технологий для снижения временных задержек, при этом самостоятельно загружаясь в облачные хранилища.
В свою очередь, системы автономного вождения транспорта требуют применения высокоскоростных сетей для передачи большого количества данных от сенсоров и обработки их в режиме реального времени вместе с информацией о дорожной обстановке. Технологии 5G и граничных вычислений (Edge Computing) являются критически важными для развития беспилотного транспорта.
Эти тенденции технологического развития способствуют расширению общемирового рынка испытательного оборудования для производства электронных устройств, уже и так обширного и продолжающего интенсивно развиваться. Необходимость применения высокотехнологичного электронного оборудования, растущий объём передаваемых данных и интенсивный рост используемых вычислительных ресурсов, ускорение опытно-конструкторских работ вместе с точной синхронизацией их по времени приводят к резкому росту потребности в решении задач комплексного моделирования, измерения и управления под влиянием следующих факторов:
  • увеличение объёма цифровых данных, подлежащих проверке;
  • более сложные электронные объекты для тестирования;
  • сжатые сроки вывода на рынок новых изделий и типовые испытания;
  • более высокие, ранее не использовавшиеся диапазоны частот в тестовых приложениях;
  • смещение акцента на испытания для повышения качества продукции и надёжности;
  • качественный анализ и экспертиза данных от датчиков для оценки надёжности, безопасности и функциональности конечного продукта на этапе разработки;
  • рост масштабов заводских испытаний и проверок при крупносерийном производстве сложных электронных уст­ройств, а также регулярных периодических поверок оборудования производственных линий для гарантирования качества продукции на протяжении всего производственного цикла;
  • повышение производительности и эффективности традиционных цифровых, аналоговых, радиочастотных и протокольных испытаний за счёт применения современных аппаратных и программных средств, а также записи и всестороннего анализа поступающих данных.
Экспоненциальный рост количества испытательных и измерительных операций требует внедрения модульной концепции испытательного оборудования, так как в конкретном приложении к нему могут быть предъявлены самые разные технические требования. Производители контрольно-измерительного оборудования стремятся предлагать в качестве базовых платформ модульные системы, что позволяет легко адаптировать их к требованиям конкретной задачи (рис. 1). 

Примеры типовых задач для контрольно-измерительных систем

Системы моделирования, испытательные и измерительные системы могут существенно различаться между собой. Встречаются относительно небольшие контрольно-измерительные системы для тестирования специализированных сигналов, или в устройстве подключений (Wi-Fi и Bluetooth), или регистрации и обработки стресс-тестов отдельных компонентов. Также существует крупномасштабное контрольно-измерительное оборудование для функционального тестирования комплексных изделий в промышленном производстве либо в иных применениях. Подобные запросы и новые задачи можно наглядно проиллюстрировать примерами из автомобилестроения, телекоммуникационной отрасли и авиастроения.

Моделирование и тестирование автономного вождения

Автономное вождение совместно с организацией соответствующей транспортной сети ставят перед контрольно-измерительными системами новые задачи в разработке транспортных средств, в имитационном моделировании их движения и в реальных условиях эксплуатации. Современные бортовые информационно-развлекательные системы, беспроводная связь посредством технологий LTE и Wi-Fi, такие системы безопасности, как автомобильные радары и имитаторы препятствий, становятся всё более удобными для реализации, что в свою очередь повышает спрос на соответствующие контрольно-измерительные устройства для разработки этой функциональности и проведения многократных типовых испытаний.

Этап разработки и моделирования автономных транспортных средств

Перед тем как тестовый автомобиль тронется в путь, необходимо провести масштабное имитационное моделирование для обеспечения безопасности и надёжности программного обеспечения, разработанного для автономного вождения, а именно идентификацию и коррекцию большинства ошибок ещё на этапе разработки (рис. 2).
 
Это позволяет сократить затраты времени на ту часть ОКР (опытно-конструкторских работ), которая требует физического автономного движения автомобиля и предотвращает появление на дорогах прототипов, не обеспечивающих безопасности движения. В свою очередь, в испытываемом транспортном средстве проводится непрерывная регистрация данных от всех датчиков. Для хранения массива данных устанавливаются высокопроизводительные системы хранения данных, которые должны находиться в крепких компактных корпусах, размещённых в специальных монтажных рамах, например в багажнике автомобиля, что делает их пригодными для эксплуатации в дороге и легко заменяемыми. Массивы этих данных затем загружаются в симулятор для проведения повторных циклов моделирования для исправления максимального количества ошибок в программном обеспечении.

Этап дорожных испытаний

После проверки работоспособности оборудования и программного обеспечения на имитационной модели необходимо доказательно подтвердить надёжность беспилотных прототипов на дороге. Для этого в них устанавливаются системы диагностики и тестирования, которые проводят измерения всех данных от датчиков одновременно. Ключевым моментом здесь является Sensor Fusion – синхронизация и объединение всех данных: в процессе автономного движения регистрируются сигналы радаров, видеокамер, лидаров (лазерных локаторов) и лазерных датчиков, других систем автомобиля. После группировки и синхронизации данные в режиме реального времени передаются в систему управления транспортным средством. Проверка такого рода функциональной надёжности в условиях реального дорожного трафика требует небольших масштабируемых тестовых решений, способных обрабатывать данные от всех датчиков, которые можно устанавливать в автомобиле. Кроме того, для такого компактного системного решения требуется системный контроллер, также компактный, но достаточно мощный.
Раздел «Эксплуатационная гибкость PXI Express» содержит более подробную информацию о том, как такой системный контроллер может быть реализован.

Эвересты данных для лучшей безопасности

В разработке беспилотного транспорта важно регистрировать и обрабатывать как можно больше данных для обеспечения максимальной безопасности, что приводит к генерации больших объёмов данных, предназначенных для быстрой передачи и обработки. Таким образом, контрольно-измерительные системы становятся комплексными и весьма сложными ИТ-системами. Важнейшей задачей на этапе разработки является определение пропускной способности, достаточной для обмена данными как внутри системы, так и с внешним миром. Для этого хорошо подходят системы на основе архитектур COM или PXI Express, о которых будет более подробно рассказано в соответствующих разделах статьи.

Испытательное и измерительное оборудование в промышленности

Цифровая революция в производстве увеличивает потребность в подключаемых к сети устройствах и более мощных системах управления. Расширение использования технологии IIoT приводит к резкому увеличению числа датчиков, приборов, различных устройств, объединённых в сеть с промышленными компьютерными приложениями. Таким образом, технология IIoT может быть использована в качестве среды для хранения и передачи информации в течение всего производственного цикла, в том числе для увеличения производительности и повышения качества продукции посредством мониторинга и контроля.

Испытания в производственном процессе

Многие промышленные корпорации придерживаются так называемой стратегии бездефектности (Zero Defects Concept), что подразумевает отсутствие приемлемой величины брака как таковой. Достичь низких показателей брака (желаемый уровень варьируется от 10 до 20 миллионных долей) и минимизировать бесполезные трудозатраты можно через создание оптимальных технических требований. Для массового производства это возможно в случае проведения оптимизации контрольных проверок и испытаний для быстрого обнаружения и устранения производственных дефектов (рис. 3).
 

Мощное контрольно-измерительное оборудование в производстве смартфонов

На примере производства смартфонов наглядно видно, насколько интенсивно происходит развитие оборудования для производственных испытаний и измерений. Смартфон, одно из самых массовых в производстве и весьма сложное по конструкции изделие, быстро превращается в достаточно мощный компьютер. Производство таких устройств должно удовлетворять самым высоким требованиям к их надёжности и качеству. Часто даже небольшие случайные изменения в технологии производства могут серьезно снижать качество выпускаемой продукции, поэтому массовое производство таких изделий сопровождается их 100% тестированием с проверкой множества функций за минимальный период времени. В списке обязательных тестов фигурируют проверка ВЧ-тракта, энергопотребления (ресурса аккумулятора), электромагнитной совместимости (ЭМС) и помехоустойчивости, чувствительности приёмника, тесты на функциональную безопасность, скорость передачи данных и т.д. Такое тестирование порождает огромный объём данных, которые должны быть записаны и обработаны в режиме реального времени, что даёт возможность предупредить появление брака или исправить его в кратчайшие сроки. Для сбора, обработки и хранения этих данных требуются отказоустойчивые компактные эффективные по стоимости системы, которые могут легко интегрироваться непосредственно в производственные линии. Обеспечение ЭМС, охлаждения и адаптации к применяемым в оборудовании интерфейсам играет исключительно важную роль при выборе механической конструкции таких систем.

Всестороннее тестирование и моделирование для обеспечения гарантий качества авиационной техники

Авиационные инженеры стоят перед необходимостью сокращения сроков разработки новых серийных самолётов. Современные технологии, социальные тенденции, актуальные требования заказчиков и вопросы коммерческой эффективности постоянно инициируют новые разработки в этой сфере. Летательные аппараты становятся всё более сложными и разнообразными, и их оснащают всё большим количеством электронных приборов и систем. Растёт спрос на ультрасовременные измерительные и испытательные системы, способствующие более быстрой и качественной разработке и тестированию самолётов, чем ранее. Принципиально изменились методы испытаний, как на земле, так и в компьютерном моделировании. В любом случае цель состоит в минимизации количества лётных часов, необходимых для проведения испытаний. Путь самых современных моделей коммерческих самолётов в небо начинается с выполнения ряда комплексных тестов и имитационного моделирования, чтобы, насколько это возможно, обеспечить их безопасность.

Обеспечение качества продукции

Компоненты, используемые в авиационной технике, подвергаются высоким нагрузкам и должны надёжно функционировать в условиях экстремальных температур, влажности, вибрации, в химически агрессивных средах. Соответственно, эти компоненты предварительно проходят испытания на устойчивость к внешним воздействиям, имитирующие фактические условия эксплуатации, для обеспечения надёжности их работы. Подходящее для этого измерительное и тестовое оборудование должно обладать достаточной производительностью для регистрации и анализа всех необходимых параметров и обеспечения качества изделий. Это включает в себя моделирование условий окружающей среды, механико-технические и вибрационные испытания, испытания топливной системы, двигателей, гидросистемы, шасси, фюзеляжа, крыльев, системы бортовой электроники и т.д., испытания на электромагнитную совместимость и взаимные помехи (EMI).

Контрольно-измерительное оборудование в полёте

Необходимо отметить, что весьма сложные контрольно-измерительные системы востребованы и в период эксплуатации воздушного судна (рис. 4).

Возьмём, к примеру, двигатель: датчики собирают множество данных о плотности воздуха и давлении в двигателе несколько раз в секунду. На основе этих данных цифровая система управления двигателем отслеживает и регулирует расход топлива, скорость и обратное давление таким образом, чтобы двигатель работал в оптимальном режиме, потребляя минимум топлива. Тестирование проводится как при проверке и сертификации опытных экземпляров двигателей, так и в процессе серийного производства на заводе. Это требует применения гибких и масштабируемых тестовых платформ на основе модульной системной архитектуры и механической конструкции. Здесь находят применение системы стандарта PXIe, размещённые в универсальных 19ʺ блочных каркасах и модульных шкафах.

Требования к системной архитектуре и корпусные решения

Растущие требования к системам для моделирования, испытаний и измерений в свою очередь определяют требования к корпусам и шкафам для размещения таких систем. Системная архитектура требует высокой вычислительной мощности, быстрой передачи данных, точной синхронизации измерений, поддержания целостности сигнала и т.д. С точки зрения механической конструкции необходимо обеспечить модульный принцип построения системы, улучшенное электромагнитное экранирование и эффективную систему охлаждения.
Правильный выбор системной архитектуры, обеспечивающей требуемые свойства и интерфейсы, является наиболее важным при решении данной задачи. Существует несколько стандартизированных системных архитектур, подходящих для построения подобных систем, выбор которых производится с учётом соответствующих механических требований для разных сфер применения.

Эксплуатационная гибкость PXI Express

Системы PXI Express предназначены для работы в жёстких условиях в системах автономного вождения, транспорта, на испытательных стендах для функционального тестирования изделий для гражданской и военной авиации, а также в системах измерения и контроля качества при массовом производстве потребительской электроники. Изделия подобной сложности требуют тестовых систем с высокой пропускной способностью, точностью тактовых сигналов и сигналов запуска для синхронизации функций тестового объекта. Эти устройства могут быть легко интегрированы в сети IIoT и обеспечивают достаточную пропускную способность для подключения и синхронизации тестовых систем с остальными составляющими производственной линии. Кроме того, детализированные данные передаются в системы контроля качества, в том числе для протоколирования. Благодаря высокой скорости передачи данных по шине PCIe в комплекте с высокоточными тактовыми сигналами и триггерной архитектурой, синхронизирующей платы друг с другом, стандарт PXI Express вполне уместен в подобных задачах тестирования, измерения, моделирования.

Системная архитектура и механическая конструкция

Платформа PXI Express является обновлённой платформой PXI и предоставляет пользователю возможности широко распространённой шины PCI Express. PXI Express базируется на общепринятом форм-факторе 19ʺ и обратно совместима с хорошо себя зарекомендовавшим стандартом PXI. Формат PXI Express с восьмиканальной шиной PCIe Gen3 обладает пропускной способностью до 24 Гбит/с для сбора и анализа данных, подлежащих моделированию и измерению. Развитая система тактовых сигналов и триггерная архитектура обеспечивают синхронизацию измеряемых параметров. Обратная совместимость с шиной PXI первого поколения позволяет использовать широкий спектр специализированных измерительных и тестовых плат, разработанных за время существования стандарта. Возможность расширения шины PCI Express при помощи одного или нескольких коммутаторов PCI Express позволяет строить более крупные измерительные системы с количеством слотов более четырёх. Для обеспечения работы старых плат PXI, имеющих параллельную 32-разрядную шину PCI, в новых системах PXIe необходимо использовать мосты PCIe-to-PCI. С учётом специфических требований клиента в отношении синхронизации тактовых сигналов и сигналов запуска могут быть также применимы системы CPCI Serial.

Модульная конструкция систем PXI Express

PXI Express-системы состоят из двух частей (рис. 5).  
Первая включает вставные платы, процессорные модули, измерительные платы, платы ввода-вывода, выбор которых определяется требованиями конкретной задачи и которые реализуют основные функции.
Второй частью является корпус (шасси) системы PXI Express. Это шасси обеспечивает всю необходимую инфраструктуру для функционирования вставных плат, в том числе механический корпус, кросс-плату, систему охлаждения, сигнальные функции, параметры синхронизации и т.д.
Так как применение контрольно-измерительных систем весьма разнообразно, производители предпочитают шасси PXI Express от компании nVent SCHROFF (рис. 6), модульная архитектура которых базируется на хорошо зарекомендовавшей себя платформе RatiopacPRO и требует разве что минимальной доработки для различных сфер применения.
  
Модульная структура такого шасси (рис. 7) значительно упрощает разработку новых модификаций систем или расширения уже существующих, не только сокращая сроки выхода проекта на рынок, но и значительно снижая затраты на разработку и вероятность возникновения непредвиденных ситуаций.


Однажды разработанные специализированные модули могут быть использованы в разных проектах и не нуждаются в доработке, модификации и дополнительной сертификации.

Объединительная плата

Для того чтобы кросс-плату можно было легко сконфигурировать с учётом требований конкретного приложения, её конструкция должна быть как можно более пассивной, при этом активные функции, такие как мосты PCI, коммутаторы PCIe и генераторы тактовых сигналов, реализуются при помощи отдельных модулей, расположенных на задней стороне объединительной платы, между или над слотами. В результате объединительная плата получается более компактной по сравнению с активными объединительными платами, а благодаря модульной концепции любая объединительная плата PXIe может быть сконфигурирована из стандартных компонентов (рис. 8).

Охлаждение

Требования для систем охлаждения находятся в прямой зависимости от области применения. Основное внимание нужно обратить на обеспечение равномерного охлаждения системы с целью максимального увеличения отводимой тепловой мощности от каждого слота. Эта величина зависит как от допустимой разницы температур, так и от силы воздушного потока. В целом, чем больше поток воздуха и допустимая разница температур, тем большая тепловая мощность может быть рассеяна внутри системы. Если настольный корпус используется в лаборатории, необходимо также принимать во внимание уровень шума, производимый системой охлаждения. Обычно система охлаждения для шасси PXIe рассчитана на максимальную отводимую тепловую мощность на каждый установленный слот. Однако из-за различных значений потребляемой мощности у отдельных плат, а также их различного сопротивления воздушному потоку фактическое распределение воздуха внутри корпуса может отличаться от расчётного. Для оптимизации и обеспечения ламинарности воздушного потока внутри шасси желательно использовать воздушные барьеры, решётки, дефлекторы (рис. 9).

Точная настройка системы охлаждения контрольно-измерительной системы производится по результатам предварительного имитационного моделирования, а также натурных испытаний. Если система используется вне помещений, в неё также следует установить воздушный фильтр для защиты электроники от пыли и иных загрязнений.

Источник питания

При выборе источника питания для контрольно-измерительной системы необходимо по возможности убедиться, что он будет доступен для заказа на протяжении жизненного цикла изделия. Это может предотвратить дорогостоящий редизайн шасси в будущем. Компания nVent использует источники питания промышленного класса с выходными напряжениями, стандартными для ПК (3,3, 5, ±12 В и 5 В в режиме ожидания). В отличие от коммерческих адаптеров питания стандарта ATX промышленные источники питания, как правило, доступны к заказу более 10 лет. Также важной особенностью блока питания являются его динамические характеристики – форма фронтов и последовательность включения-выключения выходных напряжений. Первое необходимо для правильной инициализации и определения всех функций системным контроллером в процессе загрузки, а второе – для предотвращения потери данных или повреждения плат расширения при неконтролируемом отключении напряжения питания. В оптимальном варианте этот процесс управляется отдельным контроллером в системе управления шасси, который включает напряжение в правильной последовательности, осуществляет контроль во время работы и поддерживает заданное время и последовательность отключения устройства.

Система управления шасси

Кроме управления подачей и снятием напряжения питания контроллер может также выполнять другие функции. Для того чтобы обеспечить правильный баланс между мощностью охлаждения и величиной шума вентиляторов при различных режимах работы системы, скорость вращения вентиляторов регулируется в соответствии с показаниями датчиков температуры. Контроллер использует интерфейс I2C для передачи данных о текущем состоянии системы управления шасси в процессорную плату, которая, в свою очередь, также может строиться по модульному принципу. Если процессорная плата представляет собой носитель с установленным стандартным COM-модулем, то вы имеете возможность замены COM-модуля, при этом не меняя плату-носитель, как и систему в целом. Таким образом, можно переходить на следующее поколение процессоров без перепроектирования платы-носителя.

Механика системы: корпуса, блочные каркасы и шкафы

В зависимости от области применения контрольно-измерительных систем, например, в массовом производстве, в автомобилестроении или в авиастроении, требования к модульности, прочности и электромагнитной совместимости PXIe-систем существенно различаются. Тем важнее сделать выбор, опираясь на широкий ассортимент корпусов, каркасов и шкафов, представленных на рынке и удовлетворяющих этим требованиям.
С точки зрения механики модульные платформы, такие как корпусные шасси EuropacPRO и RatiopacPRO от nVent SCHROFF, также удовлетворяют требованиям по модульности, прочности, защите от электромагнитных помех, име­ют уникальный фирменный дизайн или внешнее оформление в соответствии с пожеланиями заказчика. Они хорошо подходят к модульной системной инфраструктуре PXIe и благодаря наличию широкой номенклатуры стандартизированных деталей позволяют легко, быстро и без риска строить подобные системы. Одни и те же измерительные системы PXIe могут использоваться как в настольном лабораторном варианте, так и устанавливаться в модульные шкафы Novastar от nVent SCHROFF для построения сложных измерительных систем.

Системы на основе COM-модулей в малогабаритных корпусах

Контрольно-измерительное оборудование обычно не является товаром массового спроса, это сложные специализированные устройства, производимые малыми или средними сериями. Как правило, такие системы имеют магистрально-модульную архитектуру с набором плат, соответствующим требованиям конкретной задачи. Однако если требуется только одноплатный компьютер, часто бывает трудно найти подходящую материнскую плату с соответствующим интерфейсом и функциональностью для выполнения тестирования или измерений. Компьютер на модуле (COM-технология) обеспечивает в этом случае оптимальный вариант для создания подходящего решения с небольшим сроком разработки и низкими затратами.

Системная архитектура

Собственно компьютер (процессор, чипсет, встроенная графика и основная память) представляет собой небольшую плату (рис. 10), которая устанавливается на плату-носитель, поддерживающую набор стандартных интерфейсов Ethernet, PCIe и USB. 


Такие компьютерные модули доступны у многих производителей в качестве стандартных устройств со всеми типами встраиваемых процессоров. В свою очередь, плата-носитель разрабатывается специально для соответствующего приложения. Специализированные интерфейсы для связи с объектом измерения, схемы генерации тактовых сигналов и сигналов запуска или другие специальные функции могут быть реализованы на плате-носителе. Наиболее распространённым стандартом для компьютеров на модуле является COM Express, поддерживаемый ассоциацией PICMG. Спецификация COM Express в первую очередь ориентирована на высокопроизводительные приложения с быстрой передачей данных, мощным процессором и высокими требованиями к системам охлаждения и питания.

Модульная механическая конструкция решений на базе COM-модулей

Конструкция корпуса системы должна подходить для установки платы-носителя и COM-модуля. С одной стороны, корпус защищает чувствительную электронику от воздействия окружающей среды: вибрации, пыли, влаги, теплового и электромагнитного излучения. С другой стороны, он должен защищать обслуживающий персонал от случайного прикосновения к находящимся под напряжением компонентам.
Специализированный корпус для одноплатных платформ Interscale от nVent SCHROFF (рис. 11) позволяет оптимально разместить COM-модуль и плату-носитель с необходимыми интерфейсами при минимальных внешних габаритах. 


Предлагаются различные крепёжные аксессуары для монтажа дополнительных модулей и электронных компонентов внутри корпуса, что позволяет гибко конфигурировать индивидуальные решения. Петлевое соединение стенок и крыши корпуса обеспечивает прочность и хороший уровень электромагнитного экранирования за счёт обеспечения непрерывного электрического контакта между деталями. Корпус может устанавливаться как в шкафах управления, так и непосредственно на транспортное средство или в любом другом портативном варианте.
Кроме того, корпус состоит лишь из нескольких деталей, фиксирующихся в собранном виде всего двумя винтами, что облегчает сборку и техническое обслуживание системы.
Выбор системы охлаждения также зависит от условий окружающей среды.
В том случае, если требуется безвентиляторная система охлаждения, используется кондуктивный отвод тепла от процессора через корпус и интегрированный в него радиатор (рис. 12).
  
Если требуется более сильное охлаждение, можно использовать вентиляторы и корпуса с перфорированными стенками. Используемая электроника остаётся той же самой, меняется только система охлаждения. Широкие возможности модификации корпуса обеспечиваются большим выбором совместимых опций в части различных размеров, профилей и отверстий, порошковой окраски и маркировки, с большим выбором принадлежностей и крепёжных компонентов.
В зависимости от приложения, в котором используются COM-модуль и плата-носитель, доступны различные сети питающего напряжения: в автомобилестроении от 9 до 36 В постоянного тока, в телекоммуникационной отрасли 48 В постоянного тока, в железнодорожных приложениях от 16,8 до 150 В постоянного тока и т.д. Поэтому источник питания для платы-носителя выполнен в виде отдельного модуля и может быть легко адаптирован к требуемым условиям. Это означает, что производитель платы-носителя предлагает широкий выбор источников питания для различных входных напряжений, и эти модули могут быть заменены в любое время в соответствии с требованиями конкретной задачи.

Системы VPX для самых жёстких условий эксплуатации

В качестве примера типичных измерительных приложений для систем VPX приводятся испытательные полёты опытных образцов самолётов, оснащённых соответствующим измерительным оборудованием. Боˆльшая часть данных от датчиков и другие полётные данные синхронно регистрируются и обрабатываются в один и тот же промежуток времени. Впоследствии иногда устанавливается аналогичное измерительное оборудование в серийный вариант воздушного судна. VPX в основном используется в оборонной и аэрокосмической промышленности, а также на железной дороге.

Системная архитектура и механика системы

Стандарт VPX (спецификация VITA 46) поддерживает широкий спектр программных протоколов, в дополнение к параллельным шинам PCI и VME это высокоскоростные последовательные интерфейсы передачи данных.
В процессе разработки спецификации большое внимание было уделено механической прочности системы VPX. Спецификация VITA 48 REDI (Rugged Enhanced Design Implementation) описывает особо прочные конструктивные решения для самых жёстких условий окружающей среды.

Усиленная механическая конструкция

Суровые условия окружающей среды предъявляют особые требования к механическим конструкциям в части ударных и вибрационных нагрузок.
В этом случае можно опереться на соответствующие системные платформы и широкий выбор стандартных компонентов для модульных блочных каркасов, удовлетворяющих требованиям повышенной нагрузки.
Например, при помощи компонентов от nVent SCHROFF можно собрать стандартные системы, стойкие к ударным нагрузкам и вибрации от 2 до 40g. В зависимости от имеющихся требований боковые панели различной толщины (скреплённые винтами или заклёпками), 19ʺ кронштейны и угловые профили, специальные усиленные варианты горизонтальных рельсов с трёхточечным креплением обеспечивают необходимую прочность блочного каркаса.
Верхняя и нижняя панели, так же как и задняя крышка вместе с другими аксессуарами завершают построение системы. Кроме того, системы снабжены соответствующими ЭМС-прокладками для обеспечения электрического контакта между частями корпуса и его электромагнитного экранирования. Корпуса могут быть легко модифицированы с учётом требований заказчика в части дополнительно вырезанных отверстий, окраски, маркировки, а также различных видов обработки поверхности.

Системы охлаждения и электропитания

Спецификация VPX предлагает широкий выбор вариантов охлаждения, начиная от воздушного и кондуктивного и заканчивая жидкостным охлаждением.
Резервирование и система управления шасси позволяют создавать отказоустойчивые системы для работы в экстремальных условиях окружающей среды. Для шасси VPX предлагаются специальные адаптеры питания в теплоотводящих кожухах, предназначенные для систем с кондуктивным охлаждением (рис. 13).

В тех системах VPX, в которых стандартного воздушного охлаждения достаточно, обычно используются коммерчески доступные источники питания.

MicroTCA для комплексных систем тестирования и измерений

Спецификация MicroTCA.4 используется в основном в самых высокопроизводительных измерительных системах, где важны синхронизация, наличие системы тыльного ввода-вывода, высокий коэффициент готовности, резервирование и удалённое техническое обслуживание, что особенно актуально для управления движением объектов в реальном времени, в медицинской технике, в экспериментальной физике.
В отличие от других решений, описанных ранее, компоненты систем Micro­TCA.4 могут быть заменены во время работы устройства («горячая» замена). Для всех систем, простой которых недопустим или влечёт за собой большие затраты, имеет смысл рассмотреть использование таких технологий, как MicroTCA, обеспечивающих высокий коэффициент готовности (рис. 14).

Кроме того, благодаря развитой системе управления шасси все данные о работе шасси могут контролироваться удалённо. Встроенная система управления шасси (Shelf Management) постоянно контролирует работоспособность всех компонентов системы и обрабатывает возникающие ошибки.
В настоящее время системы Micro­TCA.4 чаще всего используются в физических экспериментах для управления ускорителями элементарных частиц высоких энергий (рис. 15), но они также могут применяться и в других областях.


Работа ускорителей элементарных частиц требует очень высокой точности синхронизации работы всех компонентов системы. Тактовые сигналы фемтосекундного (миллиардная доля микросекунды) диапазона генерируются и распределяются по платам тыльного ввода-вывода систем MicroTCA. Необходимым условием для генерации прецизионных тактовых сигналов является поддержание постоянной рабочей температуры системы. Для этого платы размещают в шкафах с воздушно-водяными теплообменниками, таких как Varistar LHX компании nVent SCHROFF (рис. 16).

Путём регулирования температуры и расхода охлаждающей воды контроллер теплообменника может поддерживать в шкафу постоянную температуру с точностью ±0,1°C. Таким образом, использование шкафов с воздушно-водяными теплообменниками серии Varistar LHX обеспечивает точность выдачи тактовых сигналов фемтосекундного диапазона и правильную работу измерительной и управляющей системы в целом.

Дизайн и корпоративный стиль

Для контрольно-измерительных систем важно не только соответствие всем техническим требованиям, но и создание индивидуального дизайна и стиля в соответствии с пожеланиями заказчика.
Благодаря платформенной модульной конструкции корпуса блочные каркасы и шкафы компании nVent SCHROFF могут модифицироваться даже для небольших серий, поэтому серия контрольно-измерительных приборов от одного производителя может иметь единообразный хорошо узнаваемый внешний вид, начиная от передних панелей до целого шкафа. Это играет важную роль в случае, если система находится на глазах у клиента и должна соответствовать корпоративному стилю предприятия.

Быстрый запуск проекта

Если к проекту предъявляются специфические технические требования со стороны заказчика, то необходимо тесное сотрудничество со специалистами, начиная с подготовительной стадии проекта. Только в этом случае можно быть уверенным, что все значимые параметры и факторы будут приняты в расчёт, что позволит избежать ошибок и сократить время разработки. Если система может быть создана только из стандартных компонентов, то для их правильного подбора можно воспользоваться программными конфигураторами (рис. 17).

В этом случае перечень необходимых компонентов формируется автоматически. Кроме того, их чертежи (CAD-данные в форматах 2D или 3D) могут генерироваться прямо в конфигураторе и затем импортироваться в CAD-систему. Также возможно создание документации в формате 3D PDF, при этом файлы включают и графическую часть, и перечень применённых компонентов.

Заключение

Быстрое развитие таких отраслей, как коммуникации, машиностроение и автомобильная промышленность, требует всё большего использования электроники высокой сложности, увеличения скоростей передачи данных, роста вычислительной мощности и т.д., что приводит к увеличению объёма испытаний и измерений, для которых необходимы не только более мощные контрольно-измерительные системы, но и повышение модульности оборудования для уменьшения затрат на разработку. Правильно выбранная системная архитектура и использование модульных и легко перенастраиваемых платформ для построения таких систем делают возможным быстрый запуск проекта, уменьшают сроки разработки и позволяют строить серии контрольно-измерительных решений с единым дизайном и корпоративным стилем заказчика. ● 

Авторизованный перевод Юлии Гарсия,
сотрудника фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru


ПОДПИСАТЬСЯ НА НОВОСТИ

Будьте всегда в курсе самых свежих новостей
и узнавайте первыми о содержании нового номера

Подписка на новости

РЕКОМЕНДУЕМ