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 1.2Основные этапы проектирования цифровых устройств-2

Стадии проектирования

Этапы проектирования

Структура этапов разработки ЭВМ

Последовательность этапов разработки ЭВМ и стадий выпуска конструкторской документации определяется Государственными стандартами. При разработке ЭВМ выпускают большое количество технической документации (конструкторской и технологической), состав которой также определяется Государственными стандартами

Государственные стандарты устанавливают несколько этапов разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей промышленности (в том числе и на ЭВМ и систему):

Техническое задание

техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию;

Техническое предложение

техническое предложение — совокупность конструкторских документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки изделия (на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможной реализации изделия, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов);

Эскизный проект

эскизный проект— совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе действия изделия, а также данные, определяющие назначение и основные параметры разрабатываемого изделия;

Технический проект

технический проект—совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации;

разработка рабочей документации—совокупность конструкторских документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца (опытной партии) изделия.

Процесс разработки нового изделия

Процесс разработки нового изделия состоит из двух этапов.

Этап 1 — научно-исследовательская разработка (НИР). На этом этапе производится предварительная аналитическая и расчетная проработка изделия. Результат НИР — научно-технический отчет,

содержащий выводы о новых принципах построения изделия, научно обоснованный подход к реализации этих принципов, анализ проведенных исследований. НИР может дать отрицательный результат, показывающий, что на современном уровне развития науки и техники реализация поставленной задачи невозможна или преждевременна.

Этап 2 — опытно-конструкторская разработка (ОКР). Работа на этом этапе основывается на результатах НИР и является процессом инженерного воплощения теоретических результатов, полученных на этапе НИР, в схему и конструкцию изделия.

На этапе ОКР на первый план выступают экономические задачи, так как именно здесь формируются основные параметры изделия, влияющие как на его стоимость, так и на длительность и стоимость его разработки. Во время выполнения ОКР производится теоретическое, расчетное и экспериментальное исследование реализованных в изделии идей. ОКР заканчивается выпуском полного комплекта технической документации на изделие, изготовлением и испытанием его опытного образца (или опытной партии).

Научно - исследовательская разработка (НИР) включает в себя стадии разработки технического задания и технического предложения, а ОКР — эскизное и техническое проектирование, а также стадию разработки рабочей документации. В зависимости от степени проработанности НИР и степени новизны разрабатываемого изделия стадия эскизного проектирования в ОКР может быть опущена.

НИР:

- техническое задание (ТЗ)

- техническое предложение

ОКР:

- эскизный проект

- технический проект

- разработка рабочей документации

В соответствии с приведенным порядком существуют определенные этапы разработки ЭВМ:

Этап 1 — подготовительный. На этом этапе производятся изучение задач, для решения которых предназначена данная ЭВМ, и анализ существующих конструкций машин,

обсуждаются достижения в смежных областях науки и техники и новые принципы. Такой анализ позволяет ориентировочно определить технические характеристики будущей машины.

Этап 2 — разработка ТЗ. Оно должно содержать основное назначение, технические и тактико-технические характеристики (быстродействие, разрядность, объем памяти и т. д.), показатели качества и технико-экономические требования, состав конструкторской документации, а также специальные, конструктивные, технологические, эксплуатационные требования и требования по надежности.

В ТЗ указываются предприятие-заказчик и предприятие-разработчик ЭВМ. Взаимоотношения между ними регламентируются договором—юридическим документом, определяющим взаимоотношения на различных этапах разработки. В договоре определяются взаимные обязательства сторон, их ответственность в случае нарушения отдельных его пунктов, сроки выполнения работ и источники финансирования. Кроме ТЗ к договору прилагают сметную калькуляцию работ, в которой общая сумма расхода разбивается по статьям: сырье и основные материалы, покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты; зарплата работникам НИИ и рабочим опытного производства, отчисления на капитальные вложения, финансирование сторонних организаций и т. д. В договоре указываются объем и сроки выполнения каждого из этапов работ, за которые предприятие-разработчик отчитывается перед предприятием-заказчиком. Все спорные вопросы, возникающие между разработчиком и заказчиком, разрешаются Государственной арбитражной комиссией.

Составление ТЗ обычно ведется заказчиком совместно с разработчиком-исполнителем, для того чтобы требования к ЭВМ, зафиксированные в ТЗ, являлись практически выполнимыми.

Если заказчик не знает конкретного исполнителя, то он составляет проект ТЗ и рассылает его в организации, занимающиеся разработкой вычислительной аппаратуры, и просит рассмотреть возможность реализации проекта в практической разработке.

Согласование ТЗ начинается после того, как определился конкретный исполнитель или исполнители.

Процесс согласования состоит в том, что исполнитель после получения проекта ТЗ исследует возможность его реализации как с технической точки зрения, так и в указанные заказчиком сроки. При этом исполнитель обобщает опыт предшествующих разработок, а также опыт родственных организаций, оценивает возможности своего предприятия, проводит подбор и изучение отечественной и иностранной научно-технической литературы, патентов и авторских свидетельств.

Наряду с этим исполнитель предварительно прорабатывает построения блоков и узлов ЭВМ и делает вывод о принципиальной возможности выполнения ТЗ. В процессе предварительной проработки заказчику от разработчика может быть выдан ряд замечаний по отдельным пунктам технических требований или предложены свои формулировки этих пунктов. Если после принятия соответствующих уточнений и изменений договаривающиеся стороны приходят к единому мнению о практической выполнимости требований, указанных в ТЗ, согласование считается законченным.

Утверждение ТЗ происходит после его согласования. При утверждении ТЗ подписывают представители и руководители организаций заказчика и разработчика. После подписания ТЗ становится официальным документом, в соответствии с которым выполняется разработка ЭВМ или системы. В случае необходимости исполнителем проводится корректировка ТЗ, иногда требующаяся по результатам выполнения эскизного и технического проектирования (на рис. 2.2 обратные связи справа и слева). При конкретном проектировании может оказаться, что некоторые требования ТЗ надо изменить.

Заказчик в процессе разработки также может вносить изменения в ТЗ, не приводящие к существенным изменениям в уже проделанной работе. Корректировка проводится по взаимному согласованию между заказчиком и исполнителем.

Этапы 3, 4 — техническое предложение. На этих этапах разрабатывается совокупность конструкторских документов, в которых отображаются различные варианты конструктивного и схемного построения разрабатываемой ЭВМ и дается сравнительная оценка этих вариантов между собой и с аналогами.

Частично эти вопросы уже должны быть рассмотрены в процессе согласования ТЗ.

На этапе 3 разработчиком производится выбор основных комплектующих изделий, обеспечивающих выполнение требований ТЗ.

Сюда относится выбор элементной базы, носителя информации, оперативной и внешней памяти и т. д.

Большое внимание на стадии технического предложения уделяют анализу алгоритмов, определяющих логическую структуру ЭВМ, последовательность выполнения логических и арифметических операций.

Всем конструкторским документам, выпускаемым на стадии технического предложения, присваивается литера «П».

Этапы 5—7 — эскизное проектирование. На этих этапах принимаются принципиальные конструктивные и технические решения, которые отличаются от технического предложения более детальной проработкой устройств в соответствии с ТЗ.

На стадии эскизного проектирования проводятся разработка специальных схем частного применения (например, для управления запоминающим устройством, устройством ввода—вывода и т. д.), испытание разработанных схем, расчет и проверка рабочих режимов комплектующих элементов, выполняется предварительный расчет надежности как отдельных узлов и блоков ЭВМ, так и изделий в целом.

В процессе проработки эскизного проекта, как правило, производится макетирование отдельных наиболее сложных узлов и операционных блоков, а иногда и полностью целых устройств, таких, как процессор, устройство обмена, запоминающее устройство и др.

Всем конструкторским документам, выпускаемым на стадии эскизного проектирования, присваивается литера «Э».

По завершении эскизного проектирования разработчик защищает эскизный проект перед заказчиком или заказчиками.

Если ЭВМ имеет относительно несложную структуру или является модернизацией своей предыдущей модели, допускается опустить этап эскизного проектирования и сразу перейти к техническому проекту.

Этапы 8—9— техническое проектирование. На этих этапах детально отрабатываются схемные и конструкторские решения, выпускаются чертежи на все элементы, узлы, блоки и устройства ЭВМ, прорабатываются вопросы защиты от механических, климатических и радиационных воздействий, доступа при ремонте и контроле, привязки к объекту установки и т. д., уточняются вопросы технологии и стоимости, особенности предприятия-изготовителя ЭВМ.

В процессе выполнения технического проекта необходимо макетирование как отдельных узлов и устройств разрабатываемой ЭВМ, так и всей машины в целом.

Итог технического проекта — макет ЭВМ, предъявляемый на испытания,

Основная конструкторская документация, которой присваивается литера «Т».

К конструкторской документации относят: сборочные чертежи всех устройств с пояснительной запиской, полный комплект электрических схем, инструкции по эксплуатации, технический отчет.

В отчете приводятся все основные механические и электрические расчеты, результаты исследований и испытаний. По результатам технического проектирования может быть проведена корректировка ТЗ по согласованию с заказчиком.

Этапы 10—12 — изготовление, настройка и эксплуатация опытного образца.

После того как заказчик вынес положительное решение по результатам технического проекта, разработчик приступает к разработке рабочей документации, производя окончательную корректировку электрических схем и чертежей, выпуская конструкторскую документацию, по которой производится выпуск опытного образца ЭВМ.

Конструкторской документации присваивается литера «О».

В процессе изготовления ЭВМ проводятся приемосдаточные испытания отдельных узлов и блоков, а после изготовления— приемосдаточные испытания опытного образца (одного или нескольких) по электрическим, механическим, климатическим и другим требованиям.

Испытания проводятся представителями отдела технического контроля (ОТК) и представителями заказчика в соответствии с техническими условиями, которые составляются разработчиком на узлы, блоки и изделие в целом на основе требований ТЗ. Технические условия обязательно входят в состав конструкторской документации, передаваемой на завод-изготовитель. По результатам опытной эксплуатации и государственных испытаний проводится окончательная корректировка документации.

Этапы 13—14 — выпуск установочной серии.

Откорректированная техническая документация, выпущенная под литерой «O1», передается предприятием-разработчиком предприятию-изготовителю для выпуска установочной серии ЭВМ и запуска в серийное (массовое) производство.

Взаимоотношения между разработчиком и заводом-изготовителем регламентируются договором, который заключается на период освоения ЭВМ в серийном производстве. Разработчик при этом обязуется передать заводу-изготовителю несколько комплектов копий конструкторской и технологической документации, обучить представителей завода процессам наладки и регулировки, новым технологическим процессам и т. д.

После выпуска и испытания установочной партии ЭВМ (или головного образца для больших машин) разработчик передает все оригиналы технической документации заводу-изготовителю, который при необходимости перевыпускает ее, присваивая литеру «А».

По окончательно отработанной документации производится массовый (серийный) выпуск ЭВМ.

Этапы 15 и 16. В процессе эксплуатации и ремонта ЭВМ, изготовленных в серийном (массовом) производстве, часто возникает необходимость в корректировке функциональных, принципиальных, монтажных и других схем, конструкторской и технологической документации или же ТЗ.

Эти изменения вносятся в установленном порядке,

и по откорректированной документации производится изготовление опытного образца, его испытание в полном объеме; в случае положительных результатов корректируется документация на заводе-изготовителе.

Указанные этапы необходимы для такого сложного изделия, как ЭВМ, так как нельзя допустить ее запуск в серийное производство по первичной рабочей документации, которая всегда содержит какие-то ошибки. Последние могут носить принципиальный характер из-за того, что разработчик, например, неверно составил временную диаграмму выполнения какой-либо операции, не учел какого-то фактора в алгоритме той или иной команды или допустил ошибку в принципиальной электрической схеме или элементах конструкции.

Хотя такого рода ошибки при правильной организации разработки и достаточно высокой квалификации разработчиков случаются достаточно редко, они существенно влияют на затраты и время изготовления опытных образцов ЭВМ.

Основное количество ошибок (около 80—90%) возникает от недостаточной внимательности и усталости разработчика и копировщика. Вследствие этого обнаруживаются, например, неверно указанные связи между контактами, приведение не того типа микросхемы, ошибки при копировании документации вследствие нечеткого написания букв и обозначений в оригинале документа и т. п. Существенное уменьшение такого рода ошибок достигается использованием автоматизированных с помощью ЭВМ методов разработки и обработки технической документации, и применением САПР (PCAD, AutoCad, OrCad, Mentor Graphics, Cadence, Compass и др.)