Конструкции современных ЭТУ представляют собой сложные системы, т. е. состоят из совокупностей объектов, связей между ними, и предназначены для реализации задаваемых функций. Любая конструкция обладает системными свойствами композиции и декомпозиции, интегративности, т. е. образования при композиции новых качеств, не равных сумме свойств исходных частей, иерархичности (делению конструкции на структурные уровни).
В процессе конструирования необходимо учитывать большое число факторов, имеющих различную природу. Эти факторы можно объединить в следующие группы требований: общего характера, эксплуатационные, конструкторско-технологические, производственные, а также требования нормативно-технических документов. Кроме того, для разных уровней конструктивных компонентов (микросборок, печатных плат, функциональных модулей и т. д.) имеются свои специфические требования.
Разработка конструкции ЭТУ, которая гарантированно удовлетворяет всем предъявляемым требованиям, представляет собой сложную инженерную задачу. При этом приходится решать проблемы, связанные с тем, что ряд требований являются противоречивыми, а некоторые требования предусматривают перспективу развития и функциональное наращивание системы в процессе эксплуатации, т. е. нацелены в будущее. В определенной степени противоречия возникают при стремлении повысить надежность за счет структурной избыточности и одновременно уменьшить вес и габариты или увеличить мощность передающего устройства и улучшить показатели энергетической эффективности. Нацеленность в будущее предполагает необходимость постоянной модернизации ЭТУ для использования научно-технических достижений, например: расширение диапазонов работы, изменение конструкции антенной системы, увеличение каналов связи, и др.
|
|
Для решения этих проблем при конструировании используются методы оптимизации, принятия проектных решений в условиях неопределенности, робастного проектирования, модульного конструирования, управления проектами и др. Применение методов автоматизированного проектирования позволяет решать следующие сложные в вычислительном отношении задачи:
- оптимальное геометрическое размещение компонентов нижестоящих уровней в монтажном пространстве вышестоящих (ЭРИ на печатных платах, плат в функциональных модулях, модулей в блоках и т. д.);
- обеспечение оптимального теплового режима в блоках с применением естественного, искусственного и смешанного охлаждения;
- обеспечение оптимальной помехоустойчивости функциональных узлов при воздействии естественных и искусственных помех и др.
|
|
Проектирование конструкции ЭТУ при наличии жестких ограничений имеет ряд особенностей. К этим особенностям можно отнести следующие.
- Мультивариантность. Основным методом создания качественной конструкции является формирование множества альтернативных вариантов, их анализ и обоснованный выбор наиболее предпочтительного.
- Модульность и параллельное конструирование компонентов. Несмотря на то, что в законченном виде конструкция представляет собой единую систему, большое число ее составных частей в виде блоков функциональных модулей, печатных плат и др. может разрабатываться параллельно, в относительной независимости друг от друга.
- Типовые структуры и преемственность (наследование). При формировании альтернативных вариантов конструкции широко используются стандартизация, типизация и унификация электронных модулей и других базовых конструкций. Это обеспечивает конструктивную совместимость, взаимозаменяемость и инвариантность параметров, значительно сокращает сроки проектирования, позволяет использовать информацию о ранее разработанных конструкциях.
Показатели конструкции и множество состояний функционирования. В процессе реальной эксплуатации могут изменяться климатические условия, объект размещения, а также другие требования к исполнению ЭТУ. Поэтому при разработке конструкции необходимо предусмотреть, чтобы созданное изделие эффективно работало не только при соблюдении требований к климатическому исполнению, объекту установки и др., содержащихся в техническом задании, но и обладало робастностью в различных состояниях функционирования. Для этого сопоставление альтернативных вариантов конструкции должно выполняться на множестве состояний функционирования. Данное множество наряду с состоянием нормального функционирования, когда выполняются все задаваемые требования к разрабатываемому изделию, содержит состояния, в которых изделие может находиться вследствие явлений природного характера (наводнение, ураган и т. п.), организационных и других мероприятий. Таким образом, при анализе конструкции следует учитывать значения основных показателей в различных состояниях функционирования.
Модульный принцип проектирования
Основу модульного принципа проектирования составляет разработка ЭТУ с учетом конструктивной и функциональной взаимозаменяемости составных частей конструкции — модулей.
Под модулем понимают составную часть ЭТУ, имеющую законченные функциональное назначение и конструкцию и снабженную элементами соединения и коммутации с другими модулями в изделии.
Использование модульного принципа проектирования позволяет снизить затраты на разработку и изготовление ЭТУ, обеспечить совместимость и преемственность технических решений при улучшении показателей качества, повышения надежности и срока эксплуатации изделий.
Модульный принцип проектирования основан на методах решения задачи компоновки и предполагает разбиение всей электрической схемы ЭТУ на подсхемы, выполняющие определенные функции. Полученные подсхемы дробятся на более простые части до тех пор, пока вся электрическая схема устройства не будет представлена в виде набора модулей различного уровня сложности.
Иногда используют другой подход к проектированию, основанный на решении задачи покрытия, сущность которой состоит в том, что частям функциональной схемы ЭТУ ставятся в соответствие интегральные микросхемы (ИМС) определенной серии, а электрическая схема изделия как бы «покрывается» электрическими схемами микросхем. Как правило, не все подсхемы ЭТУ можно покрыть микросхемами существующих серий, и тогда такие подсхемы реализуют набором дискретных ЭРИ.
|
|
Конструкцию современных ЭТУ можно рассматривать как некоторую иерархию модулей, каждая ступень которой называется уровнем модульности. При выборе числа уровней модульности проводится решение задачи типизации, т. е. сокращения разнообразия модулей в ЭТУ определенного функционального назначения. Функциональное разнообразие изделий достигается использованием различного числа уровней конструктивной иерархии модулей.
Уровни разукрупнения электронных средств устанавливает ГОСТ Р 52003-2003, в соответствии с которым выделяют четыре основных уровня модульности. К ним относят:
10. электронный модуль нулевого уровня (ЭМО) — модуль, выполненный на базе изделий электронной техники и электротехнических изделий. В зависимости от исполнения ЭТУ модулем нулевого уровня служат различные электрорадиоизделия, в том числе интегральные микросхемы и микросборки;
11. электронный модуль первого уровня (ЭМ1) — модуль, изготовленный на основе базовой несущей конструкции (БНК) первого уровня. Примером ЭМ1 служит ячейка, представляющая собой печатную плату (ПП) с установленными на ней модулями нулевого уровня и электрическим соединителем;
12. электронный модуль второго уровня (ЭМ2) — модуль, изготовленный на основе БНК второго уровня. Типичным примером ЭМ2 является блок, основными конструктивными элементами которого является панель с ответными соединителями модулей первого уровня, размещенными в один или несколько рядов;
13. электронный модуль третьего уровня (ЭМЗ) — модуль, изготовленный на основе БНК третьего уровня, например, шкаф, в который устанавливаются блоки.
На рис. 1. условно показаны иерархические уровни разукрупнения ЭТУ.
Рис. 1. Уровни разукрупнения электронных средств
Необходимо заметить, что в простой аппаратуре высшие уровни модульности отсутствуют. Полная модульность, показанная на рис. 1., используется только в сложных ЭТУ.
Лекция 4