Licenta Final

NECLASIFICAT

NECLASIFICAT Pagina 1 din 143

NECLASIFICAT


NECLASIFICAT


NECLASIFICAT


NECLASIFICAT

CUPRINS Introducere......................................................................................................

pag. 6 pag. 8

1. Rolul și locul sistemelor digitale de înregistrare a parametrilor de zbor în integrarea informațională a aeronavei...................................................... 1.1. Rolul și locul sistemelor digitale de înregistrare a parametrilor de zbor în contextul avionicii moderne............................................................ pag. 8 1.2. Evoluția înregistratoarelor de zbor ....................................................... pag. 10 1.3. Standardizare....................................................................................... pag. 13 1.4. Clasificarea înregistratoarelor de date.................................................. pag. 14

1.5. Înregistratorul digital cu memorii statice............................................. 1.6. Structura fizică și cerințele de rezistență ale înregistratoarelor ............ 2. Stabilirea câmpului informațional achiziționat ........................................ 2.1. Prezentarea informațiilor înregistrate la bord....................................... 2.2. Studiul aparatului de zbor.................................................................... 2.3. Stabilirea parametrilor înregistrați....................................................... 3. Stabilirea procesărilor de date aferente înregis trarii de date .................. 3.1. Achiziția semnalelor ............................................................................ 3.2. Stabilirea ratei de eșantionare.............................................................. 3.3. Multiplexarea semnalelor.................................................................... 3.4. Circuite de eşantionare-memorare (SH).............................................. 3.5. Cuantizarea semnalelor....................................................................... 3.6. Codarea semnalelor............................................................................. 3.7. Conversia analog-numerică................................................................. 4. Arhitectura hardware a sistemului............................................................ 4.1. Preliminarii.......................................................................................... 4.2. Arhitectura hardware a sistemului....................................................... 4.3. Blocul de alimentare al înregistratorului.............................................. 4.4. Blocul de achiziție și prelucrare a semnalelor ...................................... 4.5. Microcontroller-ul ATxmega128B3....................................................

pag. 15 pag. 17 pag. 20 pag. 20 pag. 25 pag. 44 pag. 47 pag. 47 pag. 68 pag. 76 pag. 81 pag. 86 pag. 88 pag. 89 pag. 94 pag. 94 pag. 95 pag. 96 pag. 97 pag. 99

4.6. Convertorul analog numeric al ATxmega128B3................................. pag. 103 4.7. Blocul memoriei protejate................................................................... pag. 106 5.Arhitectura fluxului de date vehiculat și controlul funcționării sistemului......................................................................................................... pag. 114 5.1. Introducere.......................................................................................... pag. 114 5.2. Controller-ul accesului direct la memoria internă – DMAC................. pag. 116 pag. 118 5.3. Interfața SPI 5.4. Descrierea modului de comunicare și control al memoriei cu microcontroller-ul prin interfața SPI.......................................................... pag. 121 5.5. Interfața sistemului cu echipamentul de sol ......................................... pag. 126 6. Realizare experimentală .............................................................................. pag. 130 7. Concluzii....................................................................................................... pag. 136 Bibliografie....................................................................................................... pag. 138 Anexa 1............................................................................................................. pag. 139


NECLASIFICAT

Introducere

În perioada contemporană, creșterea volumului traficului aerian precum și sporirea cerințelor impuse aviației militare au condus la creșterea abruptă a numărului de aeronave și zboruri, a densității acestora, a indicilor de utilizare precum și a numărului de incidente. Datorită noilor cerințe de securitate a zborului precum și de monitorizare a paremetrilor de zbor ai aeronavelor s-a simțit nevoia unor echipamente de înregistrare a parametrilor de zbor de clasă superioară, care să înlesnească interpretarea într -un timp cât mai redus și cât mai exactă a datelor memorate. În anul 1957, din dorința de a simplifica modalitatea de stabilire a cauzelor unui accident, US Civile Aeronautics Autority (Autoritatea Aeronautică Civilă din Statele Unite) a propus ca toate avioanele mai gr ele de 9 tone să fie dotate cu un dispozitiv de înregistrare a informaţiilor, denumit „cutia neagră”. Acesta urma să înregistreze datele importante privind zborul: direcţia, viteza, altitudinea, acceleraţia verticală şi timpul. De atunci, tehnologia a evoluat de la înregistrarea informaţiilor pe folie metalică şi fire din oţel, hârtie termosensibilă , film fotografic, la înregistrarea pe bandă magnetică. Cutiile negre de ultimă generaţie nu au părţi mobile şi înregistrează direct pe o unitate de memorie soli dă, constituind părți ale unor sisteme care includ calculatoare de sistem, calculatoare de proces, module de testare etc., aceste sisteme găsindu-și locul în ceea ce astăzi este cunoscut drept „avionică integrată”, aeronavele moderne fiind organizate asemeni unei rețele în jurul unei magistrale centrale de date . Cutia neagră unică a fost înlocuită cu o pereche de cutii negre. Una dintre acestea este CVR (Cockpit Voice Recorder – înregistrator al vocilor din cockpit), care poate înregistra până la două ore de conversaţie şi sunete din cockpit. Cele mai noi FDR (Flight Data Recorder – înregistrator al datelor despre zbor) pot înregistra până la 24 de ore de informaţie, privind apoximativ 700 de aspecte diferite legate de zbor, cum ar fi: presiunea uleiului, viteza de rotaţie a părţilor mobile pentru fiecare dintre motoare, unghiurile flapsurilor şi temperatura din cală, etc. Pentru a asigura o protecţie maximă a cutiilor negre, acestea sunt plasate într -o zonă a avionului care este, de obicei, ultima care se izbeşte de pământ în cazul unei prăbuşiri , și anume coada. Întreaga parte anterioară a avionului funcționează precum un amortizor pentru cutiile negre. Cea mai nouă generaţie de cutii negre este extrem de rezistentă. Memoria solidă este înconjurată de un strat de aluminiu, care este acoperit cu un material extrem de rezistent la căldură şi care, la rândul lui, este acoperit de un strat gros de oţel inoxidabil. Cutia neagră poate rezista unei temperaturi de 1.100°C timp de o oră, urmată de o temperatură de 260°C timp de 10 ore. În testele privind impactul în caz de prăbuşire, cutia neagră trebuie să poată rezista unei acceleraţii NECLASIFICAT Pagina 6 din 143

NECLASIFICAT

de 3.400 G. Oamenii îşi pierd cunoştinţa dacă sunt supuşi unei acceleraţii de 5 G mai mult de 5 secunde. Testul se face, de obicei, prin aruncarea cutiei negre dintr-un tun. În cadrul testului de perforare, o greutate de 227 de kilograme cu un

vârf din oţel întărit, cu diametrul de 6,5 mm, este lăsată să cadă pe cutia neagră de la o înălţime de 3 m. O cutie neagră poate face faţă şi presiunii de pe fundul oceanului, rezistând în apă sărată timp de o lună. Datorită tuturor acestor caracteristici tehnice de excepţie, o cutie neagră costă între 20.000 şi 30.000 $. Şi, cutia neagră nu este deloc neagră. În 1965, culoarea sa a fost schimbată în portocaliu , o culoare care poate fi reperată cu uşurinţă. Nu se ştie cu exactitate de ce poartă numele de cutie neagră. Conform unei teorii populare, după ce este acoperită de flăcări, portocalia cutie neagră devine, într -adevăr, neagră, din cauza funinginii. O altă explicație ar putea fi conectată cu noțiunea de „black box” utilizată în automatică, înregistratorul de zbor interpretându -se ca o cutie în care nu știi ce se află. Însă acestea sunt interpretări simpliste, motivul pentru utilizarea acestui termen fiind necunoscut și bazat pe o simplă coincidență de termeni .


NECLASIFICAT

1. Rolul

și locul sistemelor digitale de înregistrare a parametrilor de zbor în integrarea informațională a aeronavei 1.1. R olul și locul sistemelor digitale de înregistrare a parametrilor de

zbor în contextul avionicii moderne Atât apariția cât și dezvoltarea electronicii moderne, a informaticii și a tehnicii de calcul au avut un rol bine definit și foarte prompt asupra dezvoltării și îmbunatățirii avionicii moderne. Astfel, într -un interval mic de timp, aproape toată aparatura și toate instrumentele de bord ale aeronavelor care erau construite în mare parte doar pe principii mecanice au fost modernizate si completate cu parți electronice care au condus la îmbunătățirea perfomanțelor, dar care au ajutat și la integrarea lor în arhitectura aeronavei. La început au apărut unele transmițătoare electrice de semnal care mai apoi au devenit electronice. Acestea au fost urmate

îndeaproape de filtre de semnal, amplificatoare și în ultimă instanță de calculatoarele analogice. În această manieră s-a reușit prelucrarea suplimentară a informației oferite pilotului care i -a simplificat procesul de luare a deciziilor, reducandu-i totodată și o serie din sarcinile de rutină pe care trebuia să le îndeplinească. Marele salt în dezvoltarea avionicii moderne s-a produs o dată cu introducerea la bord a tehnicii digitale. Aici discutăm de echipamente extrem de versatile si fiabile, care printr-un simplu efort de programare permit fixarea, îmbunătățirea și chiar uneori modificarea funcției îndeplinite. Principiul cel mai potrivit și mai cunoscut care nu poate fi imaginat fără existența avionicii digitale este principiul „fly-by-wire”. Acesta este un sistem ce a înlocuit controlul manual convenţional al aeronavelor cu o interfaţă electronică, comenzile de mişcare executate de pilot fiind convertite în semnale electrice transmise cu ajutorul firelor. Sistemul „f ly-by-wire” permite de asemenea ca semnale automate trimise

de computerele aeronavei, fără implicarea pilotului, să poată efectua comenzi, cum este sistemul de stabilizare automată a aeronavei. Indiferent dacă aeronavele moderne sunt utilizate în sectorul civil sau militar, pentru asigurarea unui răspuns adecvat la performanțele cerute, se impune echiparea cu sisteme de avionică și de armament avansate, care pe langa asigurarea funcțiilor sistemelor vitale ale aeronavei cum ar fi: propulsia, combustibilul, comenzile etc. trebuie să asigure și funcții suplimentare neapărat necesare indeplinirii cu succes a misiunilor, precum: navigația, comunicația, utilizarea armamentului și alte sisteme specifice, ajungându -se la creșterea complexității aeronavei, în condițiile constângerilor de spațiu disponibil și masă de zbor impuse de forma și performanțele aerodinamice ale aparatului de zbor. NECLASIFICAT Pagina 8 din 143

NECLASIFICAT

Metoda clasică de soluționare a acestor cerințe prin instalarea independentă a echipamentelor care intră in componența sistemelor de avionică și armament, utilizând cablaje și sisteme de protecție dedicate, nu mai este de luat în considerare în toate cazurile, din cauza repercursiunilor nefavorabile asupra raportului de masă dar și asupra fiabilității aeronavei. Pentru a putea răspunde acestor cerințe a fost necesară o abordare sistemică a proiectării și instalării echip amentelor de avionică armament, care se face în regim integrat, comandate de unul sau calculatoare de bord, asigurându-se posibilitatea de a dispune, într -o arhitectură distribuită în întreaga aeronavă, toate elmentele componente ale sistemului, și totodată capacitatea de comunicare coerentă între acestea. Echipamentele de înregistrare a parametrilor de zbor de ult imă generație nu pot face excepție de la cerințele mai sus menționate. Totuși, datorită funcțiilor deosebite realizate la bordul aeronavelor, ex istă o particularitate care permite ca tratarea problematicii acestora să se realizeze într -o manieră diferită. Putem privi înregistratorul de bord ca pe un element „parazit” deoarece acesta doar culege informații despre aeronavă și echipamentele sale, fără a furniza vreun semnal sau vreo informație către celelalte echipamente pe toată durata zborului. Acesta este motivul pentru care legătura dintre înregistrator si restul echipamentelor trebuie să fie pe cât de slabă este posibil, altfel zis, defectarea oricărui dintre echipamente nu trebuie sa perturbe funcționarea înregistratorului. Din această perspectivă reiese că ori de cate ori este posibil, înregistratorul trebuie dotat cu traductoare proprii, decizie care se gasește în contradicție cu recomandar ea generală de utilizare a informației în comun de către mai multe echipamente.

Figura 1.1. Înregistrator ul parametrilor de zbor


NECLASIFICAT

1.2. Evoluția înregistratoarelor de zbor

Nevoia înregistrării parametrilor de zbor a fost simțită încă de la începuturile aviației, primul echipament de înregistrare fiind realizat și utilizat de catre frații Wright pe unul din avioanele lor în anii 1903. Aparatul realizat de aceștia înregistra turația motorului, timpul și distanța parcursă pe o bandă de hârtie. De atunci și până după cel de-al doilea razboi mondial nu au mai apărut încercări de a realiza astfel de dispozitive. O dată cu apariția primelor aeronave mari de transport pasageri, precum Boeing 707 sau Douglas DC-8, au fost introduse și înregistratoarele de zbor. Aceasta se întampla la începutul anilor ’50, iar cerințele de atunci erau destul de reduse, acestea trebuind să înregistreze puțini parametri, precum altitudinea și viteza de zbor, suprasarcina verticală, unghiul de cap și alți parametri de bază.

Figura 1.2. FDR din prima generație, cu folie metalică

Prima generație de FDR -uri, realizate mai ales intre anii 1957-1965, utiliza drept mediu de înregistrare folii metalice din oțel inoxidabil (Figura 2) care erau zgâriate cu un vârf ascuțit și erau capabile să memoreze 200 pana la 400 de ore de zbor. Folia metalică era protejată de o cutie instalată în partea din spate a avionului pentru a asigura „supraviețuirea” datelor in cazul unei prabușiri. De asemenea, au mai fost realizate echipamente car e utilizau benzi de hârtie înnegrită sau film fotografic (Figura 3).

Obligativitatea instalării de înregistratoare de zbor pe aeronave s-a impus printr-un regulament promulgat in SUA de catre Administra ția Aviației Civile la 1 august 1958, același lucru fiind realizat și în Marea Britanie in anul 1960 de catre Ministerul Transporturilor. Regulamentul prevedea că toate aeronavele civile de transport cu masa totală de zbor mai mare de 9 tone trebuie să dispună de un echipament de înregistrare protejat la accident. După 1965, regulamentele


NECLASIFICAT

au prevăzut ca înregistratoarele să fie vopsite portocaliu strălucitor, în scopul depistării mai ușoare la locul accidentului.

Figura 1.3. FDR din prima generație, cu film fotografic

numărul datelor necesare a fi înregistrate a crescut, în anii 1970 înregistratoarele cu folie metalică, depășite fiind de cerințe, au fost înlocuite de a doua generație de FDR -uri. Acestea erau digitale (DFDR-digital flight data recorder) și foloseau benzi magnetice asemănătoare cu cele de magnetofon (Figura 4). Banda avea o lungime în jur de 100÷150 metri si avea capacitatea de a înregistra până la 25÷27 de ore de zbor, interval care putea acoperi un zbor dus-întors pe cele mai lungi rute existente la acea perioadă. Banda era montată într -o casetă care asigura protecția la impact, incendiu și imersie. Deoarece

Figura 1.4. FDR din generația a doua, cu bandă magnetică


NECLASIFICAT

Generația a treia de înregistratoare (SSFDR -Solid State Flight Data Recorder) a fost introdusă începând cu anul 1990, diferența majoră constând în impunerea memoriilor semiconductoare în locul benzilor magnetice (Figura 5). Termenul de „Solid State” se referă la tipul de suport utilizat pentru memorarea datelor, respectiv memoriile semiconductoare, cel mai frecvent fiind utilizate memoriile EPROM de tip FLASH.

Figura 1.5. DFDR din a treia generație, cu memorii semiconductoare Concomitent cu evoluția tehnologică din domeniul materialelor semiconductoare și a memoriilor nevolatile precum și cu cea a tehnicii de calcul, s-a produs și o dezvoltare semnificativă în domeniul înregistratoarelor. Acestea

au devenit tot mai moderne și mai capabile să reziste unor condiții aproape imposibile, au fost adoptate de către toate categoriile de aeronave, și mai mult decât atât, au patruns și în domenii din exteriorul aviației, înregistratoarele fiind folosite și la metrouri, trenuri de mare viteză și pe navetele spațiale, iar în ultima perioadă se observă o tendință de introducere a acestora chiar și în industria automobilelor.


NECLASIFICAT

1.3. Standardizare

Necesitatea interoperabilității echipamentelor atât în general cât și în aviație, a condus la adoptarea pe plan internațional a unor standarde și reglementări care sa înlesnească utilizarea echipamentelor pe scară largă și fără restr icții, prin respectarea unor protocoale de comunicație și intercomunicație. Astfel pot fi distinse două mari categorii de standarde: -Standarde de echipare sau standarde hardware; -Standarde de comunicație sau standarde netware. Referitor la software, acesta are deocamdată o largă paletă de reprezentări

la bord, funcție și de generația avionului, dar și pentru că în acest domeniu limitările sunt mai reduse. În ceea ce priveste standardele de echipare , aeronavele moderne pe lângă faptul ca posedă un sistem fly-by-wire, mai includ și: magistrala de comunicație de date prevazută cu calculator de sistem, circuite de autotestare, redundanțe autocomandate și numeroase porturi de conectare a modulelor aparaturii de bord; precum și întraga gamă de echipamente și aparatură de bord, având ieșire numerică adaptată magistralei, dar și comenzi de comunicație input/output accesate de diferite calculatoare (de sistem, de navigație,de trageri). De remarcat este că se constată un accent deosebit pus pe redotarea și modernizarea aeronavelor din exploatare, centrul de greutate al interesului trecând din sfera performanțelor aerodinamice în cea a echipării cu aparatură electronică complexă, aptă să raspundă cerințelor impuse de confruntările moderne . În continuare vom prezenta câteva din standardele și reglementările de care se ține cont în proiectarea și realizarea echipamentelor de înregistrare, la care se adaugă normele generale care reglementează echiparea aeronavei și asigurarea calității (MIL-Q-9858A, MIL-C-45662, FAR21, FAR 145, etc.). TSO-C51a – Aircraft Flight Recorder Minimum Performance Standards: - prevede condițiile mecano-climatice de bază ce trebuie îndeplinite de [8]

unitatea memoriei protejate. ARINC 717 – Flight Data Aquisition and Recordin System: - stabilește formatul înregistrărilor pe banda magnetică de tip „Harward bifazic”; - prevede ca preluarea finală a datelor să se execute doar în format digital; - stabilește timpii minimi de stocare a datelor; - compatibilitatea cu avionica integrată. FAR 121.343 – Flight Recorders: - minimul nec esar de parametri înregistrați; - domeniile de masură; - precizia minimă; - perioada minimă de eșantionare. FAA 21-10 – Advisory Cyrcular 21-10: - impune montarea sondei ultrasonic e cu declanșare la imersie


NECLASIFICAT

1.4. Clasificarea înregistratoarelor de date [1]

Aeronavele exploatate în perioada contemporană sunt echipate cu două mari clase de înregistratoare de zbor: CVR și FDR . CVR: Cockpit Voice Recorder – înregistrator de voce, memorează semnalele audio, de obicei pe patru canale si anume: - Convorbirile piloți-controlori de trafic; - Convorbirile comandat de aeronava-echipaj; - Convorbirile echipaj- pasageri și/sau zgomotele de fond din cabină; - Zgomotele exterioare (mediu). FDR: Flight Data Recorder – înregistrator de date de zbor.

Ambele clase de înregistratoare se supun condițiilor specificate de normele ARINC (condiții mecano-climatice, principii constructive, codificarea datelor). Clasificarea înregistratoarelor de date de zbor moderne se poate face după o ser ie de criterii obiective:

După tipul constructiv: Înregistratoare analogice - fac parte din prima generație de înregistratoare. În scurt timp vor fi scoase total din exploatare întrucât nu 



se mai produc la ora actuala.

Înregistratoare digitale - sunt predominante la bordul aeronavelor și nu se întrevede nici o perspectivă de înlocuire.  După suportul de memorie: Înregistratoare cu bandă metalică; Înregistratoare cu hârtie; Înregistratoare cu film fotografic; Înregistratoare cu sârmă de oțel; Înregistratoare cu bandă magnetică; Înregistratoare cu memorii statice;  După modul de înscriere a datelor: Prin zgâriere: - pe bandă metalică; 

     



- pe celuloid; - pe hârtie;  





Prin expunere la lumină a unui film fotografic (SARP); Prin înregistrare magnetică: - pe sârmă de oțel; - pe bandă de oțel (TESTER); - pe bandă magnetică standard (MSRP, Plessey); Prin scriere pe memorii statice (Fairchild, LORAL).

După modul de realizare a înregistrării magnetice: NECLASIFICAT Pagina 14 din 143

NECLASIFICAT

Înregistr ar e analogică (impulsuri codificate în distanță -MSRP); Înregistrare digitală (Plessey 1684, TESTER).  După destinație: Înregistratoare normale – destinate urmăririi și analizei zborurilor de rutină sau a accidentelor si catastrofelor, motiv pentru care au fost denumite și înregistratoare de accident; Înregistratoare pentru încercări în zbor – sunt caracterizate mai ales printr-o capacitate foarte mare de achiziție și stocare (de ordinul sutelor de parametri) iar în majoritatea cazurilor există posibilitatea transmisiei în timp real pe cale radio la centrele de prelucrare a datelor de la sol. În  





general, aceste blocuri de memorie sunt slab protejate.

1.5.

Înregistratorul digital cu memorii statice [1]

Categoria cea mai nouă de înregistratoare este reprezentată de înregistratoarele digitale cu memorii statice, acestea conformându-se următoarelor cerințe: 

Suportul de memorie: memorii semiconductoare, tip FLASH;

Timp minim de păstrare: 30 de zile;  Capacitatea minimă de stocare: 24 de ore de zbor;  Structura constructivă, în două blocuri principale FDAU (Flight Data Aquisition Unit-Blocul de achiziție și codificare a datelor) și Memoria protejată;  Blocul memoriei protejate are o configurație ideal sferică și este vopsit în portocaliu strălucitor. Acest modul dispune de o baliză ultrasonică care se activează atunci când electrolitul din bateria proprie este dizolvat de apa mării, și de un emițător radio declanșabil la impact;  Sistemul este prevăzut cu interfață pentru dischetă, datele putând fi extrase în mai multe moduri, cum ar fi: prin cupla proprie a avionului care de regul ă este situată sub unul din plane în cazul aeronavelor militare, și în vecinătatea înregistratorului, în partea posterioara a aeronavei la aeronavele comerciale; prin cupla specială a blocului de înregistrare în cazul unei catastrofe; prin acces direct l a memoria semiconductoare în cazul în care blocul 



 

memoriei protejate a suferit avarii semnificative, lucru care se poate

face doar în laboratoare specializate. Alimentarea DFDR-ului la aeronavele moderne se realizează astfel:

   

MAIN POWER(modul principal) - 115 V/400 Hz c.a; EMERGENCY(avarie) - 28 V c.c.; APU(Auxiliary Power Unit) - selectat la nevoie. NECLASIFICAT Pagina 15 din 143

NECLASIFICAT

Comutarea pe sursa de rezervă se face în mod automat, prin intermediul unui releu de tensiune extern, înregistratorul având și un comutator automat intern. DFDR-ul bordul aeronavei. 

este ultima instalație care trebuie să rămână în funcțiune la

Traductoare proprii

Traductoare utilizate

în comun

Echipamente inteligente

Bloc neprotejat pentru :

Achiziția – Prelucrarea – Conversia semnalelor

Bloc protejat pentru memorie

Figura 1.6. Schema de principiu a unui DFDR

Ultimele tendințe în domeniul înregistratoarelor de bord sunt acelea de a rezolva cât mai mult cu putință din sarcinile rezervate în mod obișnuit părții hardware, prin soft. În cazul echipamentelor moderne, PC-ul este cel care preia toate sarcinile de decodificare,verificare și respectiv etalonare a informațiilor.


NECLASIFICAT

1.6. Structura fizică și cerințele de rezistență ale înre gistratoarelor

Atât înregistratorul de date de zbor, cat si înregistratorul vocilor din cabina piloților sunt construite din componente similare. Ambele includ o sursă de alimentare, un bloc de memorie, o mufă pentru interfață și o baliză de localizare subacvatică.

Figura 1.7. Părțile componente ale înregistratorului

Sursa de alimentare: înregistratoarele de bord dispun de o sursa de alimentare duală, 115 V/ 400 Hz c.a. sau 28 V c.c. care oferă posibilitatea utilizarii acestora pe majoritatea aeronavelor. În caz de pierdere a alimentării de la aeronavă, înregistratorul continuă sa funcționeze autonom pe baza unei surse proprii alcatuită din baterii, 24 V c.c., care sunt proiectate să asigure alimentarea continuă timp de 30 de zile, și care au o perioadă de valabilitate de 6 ani. [7] Blocul memoriei protejate – CSMU (Crash Survivable Memory Unit): este proiectat sa rețină 25 de ore de date de zbor. Informațiile stocate sunt de o foarte înaltă calitate deoarece arta electronică a blocului permite memorarea datelor într -o formă necomprimată. Interfața cu aeronava: se realizează printr -un port care face legătura între înregistrator și blocul de achiziție a datelor . NECLASIFICAT Pagina 17 din 143

NECLASIFICAT

Baliza de localizare subacvatică: echipează orice înregistrator pentru a asigura localizarea în eventualitatea unui accident petrecut deasupra apei. Aceasta se activeaza când înregistratorul se scufundă, datorită unui electrolit special ce se dizolvă în apă aflat componența bateriei care alimentează baliza. Acesta transmite semnale acustice cu o frecvență de 37,5 KHz ce pot fi detectate cu un receptor special, la adâncimi de aproximativ 4200 metri. De asemenea, înregistratoarele mai pot fi echipate cu emițătoare radio activate la impact, pentru o localizare mai rapidă în cazul accidentelor petrecute deasupra suprafețelor terestre.

Figura 1.8. Componentele blocului de memorie protejată

Deoarece protecția datelor în caz de accident este funcția care trebuie îndeplinită de orice înregistrator de zbor, măsurile luate pentru realizarea acestui lucru sunt drastice și fac din înregistratoare unul din obictele cele mai rezistente create de om.

Memoria protejată este încapsulată într -o cutie compusă din mai multe straturi: - carcasa din oțel, titan sau un alt material extrem de rezistent; - blocul de izolație împotriva infiltrărilor fluide; - blocul de protecție termică.

Standardul care reglementează cerințele de rezistență impuse înregistratoarelor este TSO-C51a, și acesta prevede că trebuie sa reziste la: - o temperatură de 1100 oC timp de 30 de minute; - o temperatură de 260 oC timp de 10 ore; - un impact de 3400 g timp de 6 secunde. Pentru realizarea acestui scenariu se lansează înregistratorul dintr-un tun; NECLASIFICAT Pagina 18 din 143

NECLASIFICAT

- străpungere, pentru realizarea testului este lăsată să cadă un obiect ascuțit

de 225 de kilograme, de la o înălțime de aproximativ 3 metri; - o presiune statică de 35*106 N/m2 (350 bari),aplicată timp de 5 minute pe toate cele 6 fețe; - imersia în fluidele aeronavei (combustibil, ulei, etc.) timp de 48 de ore; - imersia în apă de mare timp de 30 de zile, la o adâncime de 6000 m.

Figura 1.9. FDR în timpul testului la incendiu, și în urma acestuia

Figura 1.10. FDR în timpul testului la imersie/etanșeitate


NECLASIFICAT

2.

Stabilirea câmpului informațional achiziționat

2.1. Prezentarea informațiilor înregistrate la bord

Înregistratoarele au drept funcție principală preluarea și memorarea acelor parametri care caracterizează evoluția avionului în zbor, funcționarea instalațiilor și a echipamentelor de bord, cât și comenzile aplicate de către pilot, cu scopul de a putea reconstitui caracteristicile de importanță deosebită ale zborului efectuat. În acest sens, echipamentele de înregistrare de la bordul aeronavelor trebuie să fie capabile să primească semnale de la traductoarele montate pe aeronavă, pe care mai apoi să le măsoare și să le memoreze în vederea decodificării cu ajutorul echipamentelor de sol, care la rândul lor trebuie să prezinte datele decodificate într -o manieră cât mai simplă de interpretat. Pentru a facilita procesul de interpretare a datelor înregistrate, s -au impus o serie de reglementări cu privire la precizia de înregistrare, domeniile de măsură și ratele de eșantionare etc. Tabelul 2.1. oferă informații referitoare la reglementările în vigoare în momentul de față pentru aeronavele civile. [1] T abelul 2.1.Specificațiile privind parametrii înregistrați de FDR Parametrul

Timpul absolut Altitudinea barometrică Viteza indicată Viteza adevarată Unghiul de cap Suprasarcina verticală

Unghiul de tangaj Unghiul de ruliu Taracțiune/cuplu/putere motoare Accelerația longitudinală

Domeniul de măsură

24 ore



-300 m +1500 m

tot domeniul

Precizia (la senzor)

± ± ± ±±

0.125% (pe oră)

Rata de

eșantionare (es./sec) 1/4

Rezoluția 1s

100… 700ft

1

5%

1

0,5 m/s

1 8

0.5º 0,0004

3%

0÷360º - 3g +6 g

± 2º ± 1% din

domeniul maxim

75º + 75º - 180º + 180º

± 2º

1, 2, 4

0,5º

± 2º

1, 2

0,5º

tot domeniul

± 2º

0,2%

± 1g

± 1.5% din

1 (pe motor) 4

-

domeniul maxim


0,004g

NECLASIFICAT

Tabelul 2.1.Continuare Sistemul de control tangaj

tot domeniul

Sistemul de control lateral Sistemul de control giratie Unghiul de bracare prof. Unghiul de bracare eleroane Unghiul de bracar e derivă

tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul

Accelerație laterală

-1g +1g tot domeniul

± 2º ± 2º ± 2º ± 2º ± 2º ± 2º ± 1,5%

2.4

0,2%

2,4 2 2 2,4 2,4

0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

2

0,004g

4

0,3%

1

0,5%

1/2

0,5%

Poziția manetei de comandă a flapsurilor Poziția flapsurilor

toate pozițiile

± 3% ± 3º

toate pozițiile

± 3º

Poziția manatei de comanda

înainte / in

Trimmer profundor

a reversorului Spoiler de frânare

1

tranzit / revers tot domeniul

± 2º

1,2

0,2%

-50ºC

± 2º

2

0,3ºC

-6m 762m

± 0,6m sau ±

1 1

0,3m

± 400µA

± 3%

1

0,3%

suplimentară Temperatura mediului ambiant Regimul pilotului automat Altitudinea radio

Deviația laterala

+90ºC

3% (recomandat)

Deviația verticala Unghiul de atac

Presiunea hidraulică Viteza față de sol Unghi de derivă Unghiul și viteza vântului

± 400µA

± 3%

cf. ech.

(recomandat) cf. ech.

0,3%

± 5%

1/2, 1, 2 1/2

0,3% 0,5%

cf. ech. cf. ech.

cf. ech. cf. ech.

1 1/4

0,2%

cf. ech.

cf. ech.

1/4

0,1º 1º 0,3 m/s

Latitudine Longitudine Poziția manetei de gaze

cf. ech.

cf. ech.

1/4

0.002º

tot domeniul

± 2%

1 pt. fiecare

2%

manetă Alți parametrii ai motorului DME Frecvența selectată Nav 1,2

cf. ech. 200NM tot domeniul

cf. ech. cf. ech. cf. ech.


1 1/4 1/4

2% 1NM

NECLASIFICAT

Tabelul 2.1.Continuare tot domeniul

± 5%

1/64

0,2%

1 1 1 1 1

Calea de zbor selectată Înălțimea de decizie

tot domeniul tot domeniul

± 5% ± 5% ± 5% ± 5% ± 5% ± 5% ± 5%

30m 0,5 m/s 0,01 30 m/min

Cap selectat

tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul

selectată Tracțiunea comandată Tracțiunea la motor

tot domeniul tot domeniul

Altitudine

barometrică selectată Altitudine selectată Viteza selectată Mach selectat

Viteza verticală selectată

Cantitatea de combustibil

Poziția trimer derivă Poziția trimer eleron Presiunea de frânare Unghiul derivei Centrul de greutate calculat

Presiunea hidraulică Control trimer tangaj Control trimer ruliu

tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul tot domeniul

Control trimer derivă Poziție control flaps tot domeniul tot domeniul Poziție control voleți tot domeniul Poziție control spoiler Forțe pe organele de control tot domeniul din cabină Semnale discrete – (ON/OFF) (ON/OFF) Semnalul înregistrat Rata de eșantionare Emisie radio sau sincronizare cu CVR

1

Pilot automat cuplat Radiofar

1 1

Avertizor central (master warning)

1

± 2% ± 2% ± 5% ± 3% ± 3% ± 5% ± 5% ± 5% ± 5% ± 2% ± 2% ± 2% ± 5% ± 5% ± 5% ± 5%

1º 1º

1 1/64

0,3 m

1/2 1/4

2% 2%

1/64 1/2 1/2 1 1

1% 0,3% 0,3%

1/64 1/2 1 1 1

1% 100psi 0,2% 0,2% 0,2%

1/2 1

0,2% 0,2%

1 1

0,2% 0,2%

0,5%

Observaț ii Este indicat sa existe cate un canal separat pentru fiecare pilot, pil ot, dar se acceptă mixajul dacă se respectă condiț iile TSO C124a privind sincronizarea CVR/DFDR Se acceptă un singur semnal pentru toate receptoarele Înregistrează semnalul Master warning șu care precum și orice alte semnal r o care nu ar putea fi detectat pe CVR


NECLASIFICAT

Poziția flapsului

1

Poziția voletilor Poziție spoiler

1 1/2

Senzor jambei

de

compresie

a

Lipsă presiune Lipsă presiune hidraulică hidraulică Înaltime periculoasă (Ground Proximity) Poziția trenului de aterizare Sistem de avertizare la angajare (Stick shacker and pusher) Detecție rafale de vâ nt (Windshare) Format display EFIS Format display motoare

Sistem de alertare trafic și anticoliziune Sistemul primar de navigatie (GPS, INS, VORDME, MLS, Loran, Omega) Senzori de givraj Vibrații motor Supratemperatura motor

Presiune ulei scazută Supraturare motor Apăsare pedala de frână

Tabelul 2.1.Continuare Un grup de semnale discrete care să permita detecția fiecărei poziții fixe, în cazul în care nu este înregistrata poziția ca semnal continuu Similar cu flapsul Grup de semnale discrete, dacă parametrul nu este înregistrat ca semnal continuu

4 1/2

Semnal pentru presiune joasă, dacă parametrul nu este înregistrat ca semnal continuu

1 1-4 1

O combinație corespunzatoare discrete

de

semnale

1 1/4 1-4

Combinație corespunzatoare de semnale discrete care să indice starea ș i regimul de lucru selectate (off, normal, defect, pagina selectată etc.)

1 1-4

Combinație corespunzatoare de semnale discrete care să permită să permită identificarea

1-4 1

Câte un semnal pentru fiecare motor ș i parametru

1 1 1

Dacă nu se înregistrează forța de apă sare ca parametru analogic

Informațiile achiziționate de înregistratorul de zbor sunt oferite de către traductoarele montate pe aer onavă onavă în mare parte sub formă de semnale analogice, dar și sub formă de semnale discrete, caracterizate prin domenii de variație foarte diverse. Pentru a trata aceste semnale se impune adoptarea unor forme unice de semnal cu valori numerice riguros limita te pentru domeniile de variație.

Standardele cele mai utilizate în acest sens sunt cuprinse în tabelul 2.2.


NECLASIFICAT

Tabelul 2.2. Specificațiile privind semnalele electrice achiziționate de DFDR TENSIUNI CONTINUE Este domeniul de tensiune universal acceptat pentru mediul industrial. Din acest motiv marea majoritate a circuitelor de conversie numeric ă respectă 0 ÷ 10 V (0÷5V rar) aceste valori. Toate î nregistratoarele moderne sunt aliniate acestui domeniu de măsură. Traductoarele sunt în general de tip potențio metric, alimentate de către înregistrator. 0 ÷ 6,3 V Este un domeniu de valori utilizat numai de catre înregistratoarele mai vechi, în special de productie sovietica. Este utilizat de catre unele echipamente de bord pentru a-si transmite starea codificată sub formă de nivele de tensiune (de exemplu: pilotul automat, radioaltimetrul, poziția manetei de gaze). În aceeași categorie dar cu 0 ÷ 28 V mențiunea că valoarea maximă poate depăși (accidental) 32V intra și tensiunea rețelei de bord. Sunt semnale furnizate de termocuplele ce masoară temperatura gazelor arse. 0 ÷ 40 mV Valoarea foarte mică a acestor tensiuni, precum și condițiile speciale de funcționare necesită masuri deosebite privind preluarea, prelucrarea și compensarea acestora. TENSIUNI ALTERNATIVE 0 ÷ 120 V Corespunde tensiunii de faza (108 V) pentru re țeaua energetică de curent (400 Hz) alternativ de bord. Tensiuni alternative generate de unele traductoare selsinice utilizate pentru transmiterea poziției unor suprafețe de comandă , într-o schema speciala la 0 ÷ 40 V (400 Hz) anumite aeronave de produc ție vestica, de exemplu Boeing 727. 0 ÷ 100 V Semnal mono sau trifazat furnizat de tahogeneratoarele montate în axul frecvență turbinei. Are atât amplitudinea, cât și frecvența propor ționale cu turația.

variabilă SEMNALE SELSINICE Sunt semnale transmise în general de echipamentele ce masoar ă poziția aeronavei în spațiu (centrale giroscopice). Sunt utilizate în unele situații pe post de traductor unghiular în locul traductoarelor potențiometrice, chiar pentru game mici – în conexiune selsinică normala, sau ca traductor simplu inductiv.

IMPULSURI CODIFICATE ÎN DURATĂ Altitudine În acesta categorie intra semnalele furnizate de tahogeneratoare, dupa ce în constantă prealabil au fost transformate în semnale dreptunghiulare, în vederea (TTL) măsurării turației prin metode numerice. SEMNALE DISCRETE Provin în general de la contactele electrice montate pe aeronavă pentru a identifica atingerea unor anumite stari, caz în care au de regula valorile 0/28 V. Pot proveni de asemeni de la diverse echipamente numerice de calcul de la bord, valorile mai des întalnite în aceasta situaț ie fiind 0/5 V (TTL). SEMNALE NUMERICE semnal Toate echipamentele numerice de bord realizate actualmente sunt prevazute digital serie cu interfețe pentru magistrale seriale tipice în avionica integrată (1553B, ARINC 429, RS 485, RS 232 etc.)


NECLASIFICAT

2.2. Studiul aparatului de zbor

În vederea întocmirii lucrării, întrucât se impune proiectarea unui înregistrator de zbor pentru un avion supersonic, am ales drept referință aeronava MiG-29 (cod NATO: Fulcrum), datorită faptului ca este cea mai performantă aeronavă supersonică pe care Forțele Aeriene Române au avut-o în înzestrare până la momentul de față, iar acest lucru mi-a facilitat accesul la o serie de informații de natură tehnică necesare la realizarea proiectului. În continuare voi prezenta principalele sisteme ambarcate pe aeronava aleasă făcând referire la parametrii furnizați de acestea înregistratorului de bord.[5] Mikoian-Gurevici MiG-29 este un avion de vânătoare cu reacție, din generația a patra, proiectat în Uniunea Sovietică pentru a îndeplini rolul unui avion de superioritate aeriană. Avionul a fost dezvoltat în anii 1970 de biroul de proiectare Mikoian și a fost introdus în dotarea Forțelor Aeriene Sovietice în anul 1983. În prezent, se află în dotarea forțelor aeriene a peste 25 de țări. [9] MiG-29, alături de Suhoi Su-27, a fost proiectat pentru a contracara avioanele de vânătoare americane F-15 Eagle și F-16 Fighting Falcon. Avionul s-a aflat și în dotarea Forțelor Aeriene Române și Forțelor Aeriene ale Republicii Moldova.

Figura 2.1. MiG-29

Tratativele cu Uniunea Sovietică privind achiziționarea unor avioane MiG-29 au fost demarate la mijlocul anului 1987. Primele patru avioane (două NECLASIFICAT Pagina 25 din 143

NECLASIFICAT

comandă simplă și două dublă comandă) au fost livrate la 21 decembrie 1989, piloții acestora fiind instruiți în Uniunea Sovietică. Inițial, 45 de avioane au fost comandate, însă doar 21 au fost livrate între anii 1989 -1990 (17 monoloc și 4 biloc). Comanda pentru restul de 24 de avioane a fost ulterior anulată. Avioanele MiG-29 au fost alocate Regimentului 57 Aviație Vânătoare de la Baza Aeriană 57 Mihail Kogălniceanu, fiind organizate în escadrilele 157 și 257. În 1994, România a achiziționat încă un avion MiG-29 din Rusia. În 1992, România a primit un MiG-29S (Fulcrum-C) din Republica Moldova în schimbul unei datorii de 30 milioane de dolari. În 2002, doar 18 avioane mai erau în dotarea Grupului 57 Aviație de Vânătoare „Constantin Bâzu Cantacuzino” (trei avioane au fost pierdute în accidente). Dintre acestea, un singur avion monoloc era operațional, restul având resursa de zbor expirată. În luna octombrie a anului 2003, resursa ultimului MiG-29 a expirat, avioanele fiin d conservate și scoase ulterior la vânzare. Romtehnica nu a vândut nici un avion MiG-29 până în prezent conform rapoartelor ONU privind transferurile de armament. Deși au existat planuri pen tru revitalizarea avioanelor, acestea nu au fost luate în consider are, avionul fiind considerat depășit din punct de vedere tehnic. Aerostar Bacău a propus Armatei Române modernizarea avioanelor MiG-29, printr-un proiect privat realizat în colaborare cu DaimlerChrysler AG din Germania (care a modernizat 24 de avioane MiG-29 ale Luftwaffe la standarde NATO) și Elbit din Israel (implicată și în modernizarea avioanelor MiG-21 „LanceR”). Un prototip, denumit MiG-29

„Sniper”, a fost realizat la standarde de interoperabilitate NATO. Planul nu a fost implementat, prototipul fiin d în prezent expus la Muzeul Aviației din București.

Figura 2.2. Prototipul MiG-29 Sniper


NECLASIFICAT

În serviciul Forțelor Aeriene Române, avionul MiG-29 a fost implicat în două accidente. În 1990, două avioane s-au prăbușit în urma unei coliziuni în aer lângă Băneasa. Cei doi piloți și o persoană aflată la sol au murit. Un alt avion MiG-29UB (dublă comandă) s-a prăbușit în timpul unei manevre la joasă altitudine, pilotul pierzându-și viața.

Echipaj

Anvergură Suprafaţă portantă Lungime

Înălţime Greutate gol

Greutate maximă la decolare Viteză maximă (cu postcombustie) - la mare altitudine - la joasă înălţime

Viteză ascensională Plafon de serviciu

Rază de acţiune Distanţă maximă de zbor (cu 1 RS) Motorizare Tracţiune (cu postcombustie) Armament

1 pilot 11,4 m 38 m2 17,37 m 4,73 m 11000 kg 21000 kg 2400 km/h (M 2,25) 1500 km/h (M 1,25) 330 m/s (cu postcombustie) 18000 m 1430 km 2100 km 2 x Klimov RD-33 MTRDF 2 x 8300 kgf 1 x GŞ-30-1 (unitate de foc 150 proiectile) 3500 kg încărcătură ofensivă A/A sau A/S

Figura 2.3. Caracteristicile tehnico-tactice ale avionului MiG-29


NECLASIFICAT

M otor izar e

Motorul RD-33, destinat avioanelor de vânătoare, echipează aparatul interceptor supersonic MiG-29, fiind realizat de biroul de proiectare

TUMANSKI. Grupul de forță a suferit multiple îmbunătățiri succesive, ajungând astăzi unul dintre cele mai bune motoare de aviație în exploatare, singura mare deficiență rămânând condiția alimentării doar cu combustibilii și lichidele speciale, foarte strict menționate. RD-33 este un motor turboreactor cu dublu flux (MTRDF) cu amestec de

gaz si aer după turbină, deci monojet. Primul contur (interior) reprezintă un MTR monorotor. Al doilea contur se realizează cu jetul de aer de la ventilator (în literatura vestică motorul este definit ca turbofan,adică turboventilator). Principiul de funcționare: Aerul captat prin prizele ventrale este comprimat de ventilator , după care este divizat în două fluxuri: - flux exterior, spre camera de amestec; - flux interior, care intră în compresorul de joasă presiune, CJP.

Aerul este comprimat în CJP și apoi în CÎP (compresorul de înaltă presiune), după care este transmis la difuzorul camerei de ardere inelare. Combustibilul injectat în camera de ardere (CA) se aprinde, gazele rezultate intrând în turbină. De aici, gazul ajunge în amestecator și în camera de amestec, unde are loc mixarea cu aerul din circuitul exterior. Din amestecător, gazul intră în difuzorul camerei de forțaj. În cazul regimurilor fără forțaj, creșterea vitezei gazului are loc în ajutajul de reacție. Tracțiunea motorului: - fără forțaj: T = GT (C5 - VH); - cu forțaj: Tf = GT[(1+qcombT)Csf - VH], unde: qcombT – debitul total de combustibil; Csf - viteza la ieșirea camerei de forțaj (CF). Părți și sisteme ale motorului RD -33 Motorul RD-33 se compune din: - compresor axial cu 13 trepte: - 4 trepte CJP; - 9 trepte CÎP; - cameră de ardere inelară, directă; - turbină cu gaze, în două trepte, cu - camera de forțaj;

răcire;


NECLASIFICAT

- ajutaj reactiv reglabil de tip Laval.

Figura 2.4. Schema principială a MTRDF RD -33

Motorul este divizat în 8 module, (conform figurii 2.4.): 1. suflantă (ventilator); 2. compresor de înaltă presiune (CÎP); 3. camera de ardere principală; 4. statorul turbinei de înaltă presiune (TÎP); 5. rotorul turbinei de joasă presiune (TJP); 6. lagărul posterior al motorului; 7. camera de forțaj; 8. cutia agregate motor; 9. ajutajul reactiv;

Funcționarea motorului este asigurată de următoarele sisteme: - Sistemul de combustibil (cu sistem de reglare automată); - Sistemul de ungere și răcire cu aer; -

Sistemul de pornire; Sistemul antipompaj; Sistemul antijivraj; Sistemul de alimentare cu O 2 a motorului; Sistemul de drenaj si scurgere.

Datele tehnice ale motorului: - debitul de aer: - grad de comprimare total: - grad de diluție: - grad de destindere totală din turbină: - masa motorului: - temperetura în regim maximal: - temperatura în regim de forțaj: NECLASIFICAT Pagina 29 din 143

G

ΠcΣ Y

ΠtΣ m t4 M t4 F

= 77 kg/s = 22 = 0,549 = 7,5 = 1050 kg = 810 oC = 820 oC

NECLASIFICAT

Ansamblul de comandă (figura 2.5.) se compune din: - maneta de gaze RUD; - pompa regulatoare pentru admisia combustibilului în camera de ardere NR-59; - regulator pentru admisia combustibilului în camera de forțaj RSF-59; - transmițătorul poziției manetei de gaze MU-615A;

RUD RSF-59

NR-59

MU-615

La Înregistrator Figura 2.5. S chema bloc a ansamblului de comandă

În continuare voi prezenta cele mai importante elemente ale MTRDF, din punctul de vedere al DFDR-ului: Dispozitivul de admisie: acesta se compune din prizele principale (ventrale) și cele superioare (în apexul aripii, care lucrează la decolare/aterizare). 

Întrucât comanda jaluzelelor superioare se execută automat, sistemul de lucru (ARU-29) va trimite semnal de bună funcționare la înregistrator. Compresorul (CÎP + CJP ): în statorul CJP, în corpul anterior există trei traductoare de turație DCV-2500, care transmit valoarea turației CJP la înregistrator. 

Camera de ardere: pe inelul exterior al difuzorului tubului camerei de ardere sunt montate traductoarele p 2* si T2, precum si cele de sesizare a pompajului. P + TÎP): în corpul exterior al statorului turbinei de joasă Turbina (TJ presiune este montat traductorul de temperatură T3 (termocuplu). 



Camera de forțaj: în învelișul exterior (partea anterioară) a camerei de amestec (a CF) sunt motate 12 termocuple pentru masurarea lui T 4. Pe suprafața exterioară a camerei de amestec sunt fixate două transmițătoare de flacără, care funcționează pe principiul ionizării si semnalizează aprinderea în CF. Ajutajul: secțiunea ajutajului reglabil (de tip Laval supersonic) este comandată de sistemul automat de reglare BPR-88 automat, sau manual, prin 




NECLASIFICAT

maneta de gaze și regulatorul de forțaj. Sistemul mecanic de reacție furnizează la ieșire semnal potențiometric referitor la poziția voleților, semnal transmis la diverse destinații, printre care și înregistratorul de parametri. Sistemul de transmisie al motorului: are drept destinație transmisia mișcării la agregatele care asigură funcționarea motorului, transmisia mișcării la cutia agregatelor motorului precum si transmisia mișcării la cuti a agregatelor avionului KSA. Se compune din: transmisia centrală, cutia de agregate avion KSA și cutia agregate motor. 

o

Cutia agregate motor

Pe cutia agregate motor este montat traductorul frecvenței de rotație al CÎP, tip D-3. De asemenea, sunt montate dou ă traductoare de turație DCV-2500 care transmit frecvența de rotație la sistemul control. o

Cutia agregate avion (KSA): Asigur ă: -dispunerea și fixarea agregatelor din avion; -transmite mișcarea la agregatele avion/motor turbostarter la pornirea avionului; Dispune de: -traductor de vibrație MB-27-1; -traductor de presiune ulei DAT-8; - buton magnetic cu traductor de șpan.

de la

Sistemul de răcire al motorului : diferențele de presiune sunt sesizate de o supapă diferențială. Se poate adăuga un traductor diferențial de presiune cu ieșire potențiometrică, în cazul în care se dorește înregistrarea datelor de funcționare ale acestui sistem. Sistemul antijivraj: pe corpul fluxului secundar al motorului, în partea posterioară, pe învelisul frezat sunt montate: un traductor al presiunii p 4 și un 



pirometru. 

Sistemul de ungere și suflare : în rezervorul de ulei este dispus un

traductor DSMK-8A (nivel ulei).

În agregatul de ulei este dispus semnalizatorul de șpan VS -1T care la apariția impurităților transmite semnal la înregistrator prin blocul BPK -88. Controlul sistemului de ungere vizează următorii parametri: - Presiunea uleiului la intrarea în motor care se masoară cu traductorul DAT-8 (montat pe corpul compresorului); - Temperatura uleiului la ieșirea din motor: măsurată cu traductorul P-77 (montat în fața primului radiator de combustibil/ulei, pe conducta lui); - Prezența șpan: se transmite prin VS-1T, montat pe separatorul de ulei de pe agregatul de ulei.


NECLASIFICAT

Toți acești parametri constituie informații preluate de FDR, dispozitivele menționate trimițând semnale și la acesta. Sistemul de ungere al KSA dispune de traductor de semnalizare a nivelului de ulei, precum și de termocuplu pentru măsurarea temperaturii acestuia.

Când vom determina parametrii pe care înregistratorul urmează să îi preia în timpul zborului, vom utiliza și informațiile mai sus menționate. În continuare vom trece în revistă echipamentele de bord ale aeronavei, prezentându-le pe acelea care au o importanță deosebită și care au printre altele și destinația de a transmite date la DFDR. Echi pamentel e de bord

Interceptorul supersonic MiG-29 dispune de o multitudine de echipamente

ce concură la asigurarea din toate punctele de vedere a zborului, precum și a misiunilor de luptă. Astfel, avionul este echipat cu: - Sistemul inerțial de curs și verticală T -050; - Pilotul automat SAU-451-03(04,02); - Sistemul automat de comandă a voleților ARV-29D(I); - Sistemul de comandă-control combustibilSTR-6-2A; - Centrala aerodinamică de date SVS-p-72-3-24; - Calculatorul de bord (radiolocație și tragere) T -100:2; - Stația de radionavigație RADICAL (RSBN) + calculatorul VT-29; - Radioaltimetrul AF-037; - Sistemul de ochire S-31; - Complexul de navigație – ochire 915; - Radiolocatorul N-019; - Stația de dirijare LAZUR; - Stația de răspuns SO-69; - Sistemul de avertizare la iradiere L-006-DM; - Sistemul de limitare a unghiului de atac SOS-3; - Sistemul antiincendiu IS-5NG; - Sistemul de reglare a raportului de transmisie ARU-29; - Radiocompasul ARK-19; - Stația radio R -862; - Stația de bruiaj 20-SP; - Sistemul de oxigen KKO-5; - Sistemul de semnalizare optică VSS; - Sistemul de comandă al motorului BPR -88; - Mijloace de decolare/aterizare; - Optolocator (telemetru LASER);


NECLASIFICAT

- Scaun de catapultare K-40; - Circuite de armament hidraulice,etc.

În plus, aeronava dispune de două echipamente independente de diagnosticare-informare defecte/incidente: - Sistemul de control automat EKRAN; - Sistemul de avertizare vocală P-951 (Natașa).

Centrala aerodinamică de date SVS

Centrala aerodinamică de date conține receptori aerodinamici, servodinamici precum și calculatorul propriu. Aceasta măsoară presiunea statică (ps), presiunea totală (p t) si temperatura aerului frânat (T f ). Centrala SVS afișează la bord altitudinea relativă (Hr ), viteza adevărată (va) și numărul Mach (M). De asemenea, realizează semnale proporționale cu: - altitudinea relativă: 0 ÷ 25000m; - altitudinea adevărată: -500 ÷ +25000; - viteza indicată: 200 ÷ 1400 km/h; - numărul Mach: 0,3 ÷ 2,5. Centrala mai furnizează și semnalele: - prezența alimentare centrală (115V/24V); - presiunea barometrică 760 mm col Hg. Schema structurală a centralei SVS este prezentată în figura 2.6., iar schema de principiu a modului integrat de lucru în cadrul avionicii în figura 2.7. ps

Sondă

pt

p0

BVP-11 Bloc de calcul parametri aerodinamici

Himperativ

LAZUR

INDEX

UV-302 servoaltimetru

Prezența alimentare

P97-M

Tf

UMS-2,5-2 Vitezometru + Machmetru INDEX

M

sin,cos M sin,cos Va Va

Vimperativ

Figura 2.6. Schema structurală a centrale i aeroinamice de date SVS


NECLASIFICAT

LAZUR P-591 Natașa

Vimp

Himp

RSBN

27V Prez. alim.

SVS

Hr sin Hr cos Hr Ha cosM sinM

27V Prez. alim.

M

SAU-451

S-131

27V

Hr Va M

Vi sin Va cos Va Va 27V Prez. alim.

P0=760.

DFDR

Figura 2.7. M odul integrat de lucru al centralei aerodinamice de date în cadrul

avionicii de bord. Preluarea informațiilor de DFDR

Sistemul de indicare/ comanda-control combustibil STR

Destinația sistemului STR: 

Măsurarea

cantității

de

combustibil

în

două

regimuri:

debitmetru/litrometru;  

Calculul și indicarea distanței de zbor funcție de regimul motorului; Indicarea cantității de combustibil/rezervor și semnalizarea terminării

acestuia;   

Control nivel ulei în cele 2 motoare și în cutia de agregate; Control/comanda alimentării aeronavelor; Control nivel lichid hidraulic în sistemul principal și de avarie;


NECLASIFICAT 



Furnizează informatii referitoare la regimul debitmetru la 4 - DFDR; - S-31; - MK-912; - S-069.

sisteme:

Furnizează informatii referitoare la regimul litrometru la 4 sisteme: - DFDR; - MK-912; - S-31.

 

Furnizează informatii referitoare la procesul curent la MK -9-12. Furnizează informații referitoare la rezerva minimă de combustibil la 4

sisteme: - DFDR; - MK-912; - VSS; - Natașa (P-951). 

Furnizează informații referitoare la neconsumarea combustibilului

(pompaj) la 2 sisteme: - P-951; - EKRAN. 

Furnizează informații referitoare la rezerva de combustibil la 2 sisteme: - P-951; - EKRAN.

Compunerea sistemului STR: - Transmițător debitmetru: doua, pe magistralele de petrol; - Transmițător litrometru: trei, rezervoarele 1,2,3; - Transmițător de nivel rezervor: 10; - Transmițător temperatură: trei, in rezervoare; - Pupitru RKI: 6 (comanda/comtrol sistem); - Pupitru RKI: 2 (comanda alimentării cu combustibil); - Bloc calcul/conversie BTV; - Indicatorul multimod ISTR.

În figura 2.8. este prezentată schema structurală a sistemului, precum și destinația semnalelor emise de acesta.


NECLASIFICAT

S-31 K-36 DFDR AKRS KSA SO-69 RI EKRAN BAPS

ISTR-4

La agregatul de umplere

SVS

PM-3 BPV

RKI-6

L I T R O M E T R U 1

3 2

D E B I T M E T R U

T T2 T1

RKI-2

N

N

I

I

V

V

E

E

L

L

1

1

2 2

1

2

3 4

4 5

Figura 2.8. S chema structurală a sistemului STR


3 5

NECLASIFICAT

Sistemul automat de comană a voleților ARV

Sistemul automat de comandă a voleților ARV-29 este destinat asigurării debitului de aer necesa motorului în toate regimurile de funcționare ale acestuia, eliminării turbulențelor aerului captat de prizele aerodinamice, precum și împiedicării aspirației accidentale a unor corpuri străine de pe pistă în timpul decolării sau aterizării. Comanda voleților se efectuează: - pe canalul principal - automat după trei programe, funcție de regimul MTR, cu corecție după semnalele primite de la bord; - pe canalul de rezervă - automat, după aceleași programe printr -o redundață simplă ; - după demnale de la bord - în două cazuri: - poziție decolare/aterizare; decolare/aterizare; - introducere cu avarie voleți. Sistemul efectuează operațiile menționate mai sus prin comanda verinelor care acționează obturatoarele prizelor de aer principale p rincipale și secundare (jaluzelele de pe partea superioară a apexurilor) cum sunt arătate în figura 2.9.

Figura 2.9. Dispunerea prizelor de captare a aerului la MiG-29

Sistemul automat de comandă a voleților este compus din: - Traductoare de: - aer frânat; - deplasare voleți prize superioare; - turație compresor MTR; - Bloc automatică + bloc amplificator; - Indicator în cabină pentru poziția clinurilor; - Agregat de comandă + distributor hidraulic; - Verinele T-1 și T-2. Sistemul lucrează conform schemei de principiu din figura 2.10., fiind asistat (controlat) de sistemele EKRAN și P -591 (Natașa). Considerăm că este NECLASIFICAT Pagina 37 din 143

NECLASIFICAT

necesar, informația fiind necesară sistemului, ca DFDR -ul să preia un semnal (comandă unică) referitor la poziția prizelor superioare (deschise/închise). (deschise/închise).

Figura 2.10. Schema structurală de principiu principiu a sistemului ARV


NECLASIFICAT

Sistemul inerțial de curs și verticală T -050 -050 Schema bloc de principiu a sistemului T- 050 figura 2.11.

este prezentată mai jos, în

Figura 2.11. Schema bloc de principiu principiu a sistemului T-050

Sistemul inerțial de curs și verticală T -50 măsoară și transmite semnalele referitoare la: - tangaj θ; - ruliu φ; - cap giroscopic ψg;

- cap de aducere ψPR; - accelerațiile liniare ale axelor platformei aξ,aη,aζ - vitezele liniare ale axelor platformei v ξ,vη,vζ. NECLASIFICAT Pagina 39 din 143

NECLASIFICAT

Sistemul T-50 este alcătuit din: - Sistem inerțial de curs și verticală IKV (bloc principal + bloc rezervă); - Blocul de comandă și legături BUS-3; - Blocul de control BK-57; - Pupitrul de corecție a latitudinii PSK -7; - Traductor de declinație magnetică ZMS-3; - Traductor inductiv ID-6; - Tablou de semnalizare; - Comutatoare: - IKV principal/avarie; - Pregatire de lucru; - NUK stabilire curs initial; - Coordonare cap magnetic.

Centrala lucrează integrat în cadrul avionicii, constituind sursa de informații pentru o multitudine de utilizatori de la bord. Complexul T-050 este asistat (controlat) de sistemele EKRAN si P-591.

Înregistratorul de parametri va prelua de la sistemul inițial de curs și verticală semnale despre: - tangaj θ; - ruliu φ; - cap giroscopic ψg; Pilotul automat SAU-451

îmbunătățirii stabilității și controlabilității avionului, precum și măririi securității zborului. Funcțiunile îndeplinitie de pilotul automat SAU-451 sunt următoarele: 1. Amortizarea oscilațiilor pe cele trei axe: ruliu, tangaj și girație; 2. Stabilizarea în tangaj la unghiuri mari de atac; 3. Stabilizarea unghiurilor de ruliu, tangaj și girație; 4. Readucerea la orizontală din orice atitudine a avionului; 5. Stabilizarea înălțimii de zbor; 6. Stabilizarea și menținerea capului compas; Pilotul automat SAU-451 este destinat

7. Aducerea la aterizare (cu sistemul RSBN); 8. Scoaterea peste înălțimea periculoasă; 9. Realizarea autotestului; 10. Indicarea semnalelor de dirijare la aparatele directoare de navigație și pilotaj NPP, KPP, de la produsul 951 (vezi figura 2.12.) la cuplarea acestuia. Produsul 951 are în componența sa: -Sistemul inerțial de cap și verticală; -centrala aerodinamică de date; -stația RSBN.


NECLASIFICAT

Figura 2.12. Structura produsului 951 Regimurile pilotului automat sunt: - Amortizare (DEMPFER); - Stabilizare (AP); - Stabilizare înălțime; - Readucere la orizontală (RO); - Scoatere peste înălțimea periculoasă; - Aterizare; - Traiect și întoarcere.

Comezile de intrare în aceste regimuri se efectuează cu ajutorul butoanelor de pe manșă pentru regimurile de stabilizare a înălțimii, readucere la orizontală și


NECLASIFICAT

scoatere peste înălțimea periculoasă, si cu ajutorul butoannelor de pe pupitrul de comandă PU-189 din cabină în rest. Sistemul dispune de următoarele elemente: - Blocul automaticii BU-451; - Calculatorul MO-87; - Traductoare de presiune statică și dinamică; - Traductoare de unghi de atac; - Traductoare de viteză unghiulară; - Transmițător de poziție a manșei; - Elemente de execuție, servomecanismele: amortizare tangaj; o ARM-150 – amortizare ruliu; o ARM-150 – o ARM-150 – amortizare girație; o ARM-150-APUS – stabilizare longitudinală; mecanism de trimerare; o MT-16-M8 – mecanism de trimerare; o MT-16-M8-A – - Elemente de conectare, amplificare, etc.

Elementele de reacție de pe mecanismele de execuție vor furniza atât pilotului automat semnale proporționale cu lunngimea tijelor, cât și altor echipamente-destinație semnale de stare (starea la un moment dat a mecanismelor ARM si MT interesând și înregistratorul). De la pilotul automat SAU- 451, înregistratorul parametrilor de zbor va mai prelua și informații referitoare la regimurile de lucru ale acestuia, sub formă de semnal analogic, care va fi memorat ca atare, precum și o comandă unică (cuplare/decuplare sistem).

Din punct de vedere al integrării pilotului automat SAU-451 în avionica aparatului MiG-29, figura 2.1 3. prezintă succint modul de dialog al sistemului cu celelalte echipamente ce concură la rezolvarea sarcinilor de pilotaj-navigație / ochire-trageri.


NECLASIFICAT

Figura 2.13. Schema bloc a pilotului automat SAU-451și dialogul cu alte echipamente NECLASIFICAT Pagina 43 din 143

NECLASIFICAT

2.3. Stabilirea parametrilor înregistrați

Parametrii înregistrați de DFDR trebuie sa ofere posibilitatea de a reconstitui evoluțiile și manevrele executate de aeronavă, modul în care aceasta a raspuns la comenzile pilotului și modul în care și-a îndeplinit pilotul misiunea. O altă categorie de parametri oferă informații utile în exploatarea aeronavei, care permit prevenirea unor catastrofe deoarece reflectă modul de funcționare al agregatelor și sistemelor aeronavei atât în timpul zborului cât și la sol. Comenzile unice, starea de funcționare sau nefuncționare a unor echipamente, cuplarea unor comenzi, avertizări sau defecțiuni constituie un alt tip de parametri înregistrați. În urma studiului aeronavei, am considerat necesară înregistrarea parametrilor pe care îi voi prezenta mai jos sub formă de tabel, separați în funcție de natura analogică sau digitală a semnalelor furnizate de senzori către înregistrator. Tabelul 2.3. Parametrii analogici înregistrați Nr.crt.

Parametrii analogici preluați de DFDR Parametru achiziționat Notație

Domeniul de

măsură 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

Timpul absolut

Time H.b H.r v.i. v.a. Mach

Altitudinea barometrică Altitudinea radio Viteza indicată Viteza adevărată Numărul Mach Unghiul de ruliu Unghiul de tangaj

φ θ ψ ψg α β

Unghiul de girație Unghiul de cap

Unghiul de incidență Unghiul de glisadă Suprasarcina axială Suprasarcina laterală Suprasarcina verticală Deplasare manșă pe ruliu Deplasare manșă pe tangaj

nx ny nz

mφ mθ mψ

Deplasare palonier Regimul pilotului automat

Bracare stabilizator stânga Bracare stabilizator dreapta Bracare eleron


SAU stab.s stab.d eler

24 ore -300 ÷ 18200 m 0 ÷ 10000 m 0 ÷ 2700 km/h

0 ÷ 2500 km/h 0 ÷ 2.5 ± 180o ± 75o 0 ÷ 360o 0 ÷ 360o 0 ÷ 60o 0 ÷ 60o -5 ÷ +5 g -5 ÷ +5 g -10 ÷ +10 g ±8 mm ±8 mm ±15 mm 0÷27 V ±30o ±30o ±30o

NECLASIFICAT 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64.

Bracare direcție Deplasare maneta de gaze stânga Deplasare maneta de gaze dreapta Voleți stânga Voleți dreapta Temperatura ambientului Temperatura T1 stânga Temperatura T1 dreapta Temperatura T3 stânga Temperatura T3 dreapta Temperatura T4 stânga Temperatura T4 dreapta Turație CJP dreapta Turație CJP stânga Turație CÎP dreapta

Turație CÎP stânga Presiune ulei stânga Presiune ulei dreapta Presiunea P1 stânga Presiunea P1 dreapta Presiunea P2 stânga Presiunea P2 dreapta Presiunea P4 stânga Presiunea P4 dreapta Vibrații KSA stânga Vibratii KSA dreapta

Vibrații turbină stânga Vibratii turbină dreapta Ajutaj stânga Ajutaj dreapta Tensiune rețea c.a. Tensiune rețea c.c. Trimmer eleron Trimmer profundor Trimmer tangaj Cantitate oxigen

Tracțiune motor stânga Tracțiune motor dreapta Latitudine Longitudine Cantitate combustibil Debit combustibil


±30o ±12mm ±12mm ±10mm ±10mm -50 ÷ +70 oC 0 ÷ 400oC 0 ÷ 400oC 200 ÷ 1500oC 200 ÷ 1500oC 400 ÷ 1900oC 400 ÷ 1900oC 0 ÷ 8500 rpm 0 ÷ 8500 rpm 0 ÷ 11300 rpm 0 ÷ 11300 rpm pu.st. 0 ÷ 10 bar pu.dr. 0 ÷ 10 bar p1.st. 0 ÷ 8 bar p1.dr. 0 ÷ 8 bar p2.st. 6 ÷ 13 bar p2.dr. 6 ÷ 13 bar p4.st. 12 ÷ 17 bar p4.dr. 12 ÷ 17 bar Vbk.st. 0 ÷ 4 KHz Vbk.dr. 0 ÷ 4 KHz Vbtb.st. 0 ÷ 4 KHz Vbtb.dr. 0 ÷ 4 KHz Aj.st. ±10mm Aj.dr. ±10mm Uca115V 0 ÷ 130V Ucc27V 0 ÷ 32V Trim.el. ±10mm Trim.pr. ±10mm Trim.θ ±10mm O2 0 ÷ 20 litri T.st. 0 ÷ 81.3 kN T.dr. 0 ÷ 81.3 kN Lat. -90 ÷ 90 o Long. - 180 ÷ 180 o Comb. 0 ÷ 3400 litri q.comb. 0 ÷ 68,184 kg/h dir mgst mgdr volst voldr TempA T1.st. T1.dr. T3.st. T3.dr. T4.st. T4.dr. n1.dr. n1.st. n2.dr. n2.st.

NECLASIFICAT

Tabelul 2.4.Comenzi unice preluate de DFDR Nr.crt. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

Parametru achiziționat

Notație

Pilot automat activ/inactiv Înălțime periculoasă Rezerva combustibil 550 Kg Incendiu Tren escamotat Bruiaj Sistem anticoliziune Depresurizare cabina Forțaj MTR stânga

SAU H.crit 550! fire! Esctr jamm. TCAS Depr.cab. Fortaj.st.

Forțaj MTR dreapta Apăsare pedala de frână Presiune ulei scăzută MTR stânga Presiune ulei scăzutâ MTR dreapta Supraîncălzire MTR stânga Supraîncălzire MTR dreapta

Forțaj.dr.

Givraj Catapultare

Pompaj MTR stânga Pompaj MTR dreapta Tragere tun Lansare rachete Optolocator Iradiere Radiofar Vibrații MTR stânga

Vibrații MTR dreapta Defecțiune sistem hidraulic stânga Defecțiune sistem hidraulic dreapta Lansare capcane termice Lansare dipoli λ/2 Detecție rafale de vânt Sistem avertizare la angajare


Brake Oil.L. Oil.R. Htemp.L. Htemp.R. ICE Eject Pomp.st. Pomp.dr. Gun Missile LSR Irad Rfar Vibr.st. Vibr.dr. Hidr.fail.st. Hidr.fail.dr. FLARE CHAFF Wind shaker

NECLASIFICAT

3.

Stabilirea procesărilor de date aferente înregistrarii de date

3.1. Achiziția semnalelor Parametrii înregistrați la bordul aeronavelor sunt prezentați sub formă de semnale electrice. Aceste semnale pot îmbrăca o mare varietate de forme, depinzând de natura parametrului, clasa de precizie impusă, dispozitivul care furnizează informația, etc. După natura continuă sau discontinuă a domeniului de definiție și a celui de valori, semnalele pot fi continue în timp, cunoscute și sub numele de semnale analogice, sau semnale discrete.

Majoritatea semnalelor pot fi descrise prin funcții f(t), definite pentru toate valorile variabilei continue t . Aceste semnale sunt continue în timp. Daca în plus, f uncția f(t) poate lua pentru un anumit moment de timp, orice valoare într -un domeniu continuu limitat sau infinit, semnalul respectiv este un semnal analogic.

Marea parte a semnalelor sunt în faza inițială analogice, și sunt achiziționate cu ajutorul senzorilor/traductorilor și convertite în marimi electrice. Prin traductor se înţelege un dispozitiv care realizează transformarea unei mărimi neelectrice într -o altă mărime electrică, funcţionarea sa bazându-se pe o lege fizică. Legătura între mărimile de intrare şi de ieşire trebuie sa fie unică şi clară. În contrast cu semnalele analogice, există categoria de semnale discrete, care sunt definite doar pentru valori discrete ale variabilei t . Astfel, variabila t poate lua valori într -un domeniu discret (tk ), k fiind un indice întreg care poate lua și valori negative. Acest tip de semnale poate descrie starea unui contact electric,

a unei lămpi de semnalizare, etc. Tendința generală actuală este de a găsi procedee de integrare a senzorilor și traductoarelor de bord în configurații de tip arhitectură deschisă, totodată urmărindu-se soluții de adoptare a protocoalelor de utilizare a acestora la capacitate maximă, de cât mai multe echipamente beneficiare. În ceea ce privește DFDR -ul, acesta rămâne totuși unul din echipamentele la care se adoptă în continuare soluția de dotare cu senzori și traductoare proprii, alimentați și utilizați exclusiv de acesta, în funcție de limitările impuse de costuri și gabarite. Semnalele primite de către DFDR pot fi clasificate astf el: - Semnale preluate de la traductoarele aparținând altor echipamente sau structurii generale de prelucrare a informațiilor; - Semnale preluate de la traductoarele proprii înregistratorului - Informații discrete, de tip comandă unică, a cărei sursă poate fi r eprezentată de o multitudine de echipamente, organe sau sisteme de comandă ale aeronavei. NECLASIFICAT Pagina 47 din 143

NECLASIFICAT

În conformitate cu standardele existente, o împărțire riguroasă a semnalelor primite de DFDR este următoarea:

Figura 3.1. Tipuri de semnale preluate de DFDR

În continuare voi trece în revistă traductoarele – surse de semnal, pentru a prezenta principiile de determinare ale parametrilor, poziționarea senzorilor la bordul aeronavei, precum și tipul de semnalelor de ieșire oferite de acestea. [5] Pentru început, voi prezenta traductoarele care nu aparțin DFDR -ului, grupate în funcție de sistemele de care aparțin. Centrala aerodinamică de date (CAD) SVS poate fruniza la DFDR

semnale analogice în gama 0 ÷ 5V, reprezentând următoarele informații: - înălțimea barometrică; - înălțimea reală (adevărată); - viteza indicată; - viteza adevărată; - numărul Mach. Sistemul SVS dispune de traductoare de presiune statică și dinamică, traductor al temperaturii aerului frânat, precum și de blocuri de calcul și indicare. Informațiile primare sunt furnizate sistemului SVS prin intermediul sondei de presiune (tubul Pitot-Prandtl), precum și din prizele secundare montate pe fuselaj.


NECLASIFICAT

Sonda de presiune respectă cerințele tehnologice, de proiectare funcționare a tuburilor Pitot-Prandtl, având următoarele caracteristici: - Alimentare: 27 ± 2.7V; - Funcționare optimă la un unghi de atac între -5 ÷ +20o și un unghi derivă -10 ÷ +10o; - Domeniu de temperatură: -60 ÷ +90oC; - Masa: 1,35 Kg; - Semnale de ieșire: c.c. 0 ÷ 27±3V; Traductorul temperaturii aerului f rânat P-69 echipează aeronavele

și de

de luptă din clasa MiG, furnizând semnale aparatelor de bord și sistemelor de pilotaj și navigație. Are drept caracteristici: - Domeniul de temperaturi: - 60 ÷ +300oC; - Suprasarcina maximă: 10g; - Semnale de ieșire: c.c. 0 ÷ 27±3V; Traductoare rezistive de presiune statică și dinamică : sunt construite dintr-un element sensibil elastic (capsulă aneroidă) a cărui deplasare a centrului sau rigid se transmite printr-un mecanism cursorului unui divizor potențiometric. Traductoare inductive: sunt similare celor rezistive, având însă dezavantajul că ieșirea lor depinde de variațiile tensiunii și frecvenței de alimentare, iar impedanța bobinei depinde neliniar de mărimea întrefierului. De aceea se impune utilizarea lor în sisteme de măsură cu compensare proporțională sau integrală. Cu ajutorul acestor traductoare se obțin informații referitoare la altitudinea barometrică, viteza indicată, numarul Mach, viteza verticală. Sistemul SVS dispune de canale de formare a semnalelor proporționale cu înălțimea barometrică, înălțimea reală, viteza indicată, viteza adevărată și numarul Mach.

Canalul de presiune statică (prezentat în figura 3.2.) dispune de un traductor de presiune format dintr-o capsulă aneroidă și traductor inductiv cu deplasarea armăturii mobile. Deplasarea capsulei produce modificarea întrefierului și apariția la ieșire a unor tensiuni proporționale cu amplitudinea deplasării și având faza în sensul deplasării traductorului IU. Această tensiune este amplificată de A1, care comandă un motor-generator. Generatorul furnizează reacția de viteză pentru amortizarea oscilațiilor. Motorul antrenează, printr -un reductor, periile potențiometrelor de pe care se culeg semnalele de ieșire. Cama va acționa un microîntrerupător atunci când se atinge valoarea de autocontrol pe canalul de presiune statică.


NECLASIFICAT

Figura 3.2. Canalul de presiune statică al sistemului SVS Canalul de presiune dinamică: este prezentat în figura 3.3. de mai jos:

Figura 3.3. Canalul de presiune dinamică al sistemului SVS

În continuare voi prezenta modul de obținere a semnalelor de înășțime relativă, viteză adevărată și numar Mach. Constructiv, canalele sunt foarte asemănătoare principiul fiind următorul: semnalul inițial este cules de pe periile a două potențiometre și este trimis la modulator. Odată modulat, semnalul este aplicat motorului generator, acesta antrenează prin intermediul reductorului cursoarele potențiometrelor calibrate de pe care se culege semnalul util, peria potențiometrului de reacție care furnizează reacția de poziție la modulator, mecanismul acului indicatorului, precum și rotorul unui selsin care furnizează semnale de sinus și cosinus de informație la diverși NECLASIFICAT Pagina 50 din 143

NECLASIFICAT

consumatori. Genereatorul furnizează reacția de viteză care se aplică la intrarea amplificatorului. Schemele mai dispun de came ce acționează la valorile de test (autotest).

Figura 3.4. Canalul de înălțime al sistemului SVS

Figura 3.5. Canalul numărului Mach al sistemului SVS


NECLASIFICAT

Si stemul au tomat de limi tare a unghi ul ui de atac SOS-3 : are următoarele

funcțiuni: - previne pilotul la atingerea unghiului critic αcr ; - comandă ieșirea voleților de bord de atac; - indică unghiul α curent; - indică suprasarcina curentă ny; - furnizează semnal de bună funcționare a voleților de bord de atac. Sos-3 furnizează înregistratorului următoarele semnale: - semnal analogic (c.c.) proporțional cu unghiul α curent; - semnal de tip comandă unică referitor la utilizarea voleților de bord de atac . Sistemul conține o serie de traductoare, dintre care amintim: - traductorul cursei voleșilor de bord de atac MU-04; - traductorul unghiului de atac DAU. Traductorul MU-04 furnizează sistemului informații referitoare la poziția voleților de bord de atac, informații care sunt livrate SOS-3 și DFDR -ului. Acesta

din urmă preia semnal de tip comandă unică, interesând doar momentele în care voleții de bord de atac acționează. Traductorul DAU se compune din: - microîntrerupătoare finale; - motor cu reductor pentru acționarea aripioarelor în regim de control; - elemente de încălzire, cu semnalizoare de bună funcționare; - potențiometru pentru transmiterea de semnale proporționale cu α; - transmițător sin-cos, pentru semnale sinα,cosα;

Schema electrică de principiu a traductorului DAU este prezentată în figura 3.6., informația fiind obținută prin mișcarea liberă în curentul de aer a echipamentului mobil (aripioara), acesta modificând prin intermediul lanțului cinematic poziția cursoarelor potențiometrelor de ieșire (semnale în gama 0÷27V).

Figura 3.6. Schema electrică de principiu a traductorului DAU


NECLASIFICAT

Prin intermediul acestui traductor, sistemul SOS-3 transmite la DFDR

semnal potențiometric proporțional cu unghiul de incidență α. Traductoarele din această familie lucreză cu o serie întreagă de echipamente de bord, având în condiții normale erori sub 3.5%. Caracteristici tehnice: - gama unghiurilor măsurate: -7±30’ ÷ 33o±30’; - număr de potențiometre: 4; - temperaturi de lucru: -60o ÷ +60oC; - vibrații proprii: f = 5 ÷ 300 Hz; - tensiunea la ieșire: 27V ± 10% (R1,R2,R3) 14V ± 10% (R4); : poate furniza DFDR-ului Sistemul inerțial de curs și verticală T -050

următoarele semnale: - unghiul de tangaj θ; - unghiul de ruliu φ; - unghiul de girație ψ; - capul compas ψg. Pentru achiziționarea semnalelor unghiulare, înregistratorul utilizează transmisia selsinică pe 5 fire (figura 3.7 .), unde x,y,z – sunt informații de fază, H – referința caldă, C – referința rece.

Figura 3.7. Principiul transmiterii informației selsinice

Sistemul dispune alături de blocurile inerțiale IKV (principal și de rezervă) și de alte două traductoare: traductorul inductiv ID -3 și traductorul declinației magnetice ZMS-3. Blocurile IKV sunt principial similare centralelor de cap și verticală vestice, iar în figura 3.8. vom prezenta un model. NECLASIFICAT Pagina 53 din 143

NECLASIFICAT

Figura 3.8. Centrala de cap și verticală

Având în vedere că sistemul T-050 utilizează selsine 3 x 36V/ 400Hz 3f, iar DFDR este proiectat pentru sistemul vestic 3 x 26V/400HZ 3f, se impune o adaptare de semnal.


NECLASIFICAT

Pil otul automat SAU -451 : dispune de următoarele elemente de execuție:

- două servomecanisme ARM-150M; - două servomecanisme ARM-150K; - un mecanism de efect trimer MT-168; - un mecanism de efect trimer MT-168a;

Aceste elemente de execuție includ traductoare rezistive liniare de reacție care furnizează informații referitoare la lungimea tijelor în sistem dar, totodată, și la DFDR. Înregistratorul preia astfel 5 semnale analogice în gama de tensiune 0 ÷ 10V (c.c.): deplasare tija ARM pe tangaj, ruliu, APUS, si deplasare tija MT pe tangaj și ruliu. De asemnea la DFDR ajunge și un semnal analogic în gama 0 ÷ 10V (c.c.) de indicare (în trepte de tensiune) a regimului de lucru a pilotului automat: - „DECUPLAT”; - „ST.+H”; - „M+T.T.”; - „READUCE LA ORIZONTALA”; - „M+T.I.”; - „R.O.+R”; - „DEMPFER”; - „R.O.+H.”; - „C.A.”; - „ST.+C.A.”; - „C.A.+T”; - „D.+T.”; - „STABILIZARE”; - „M+P.A.”; Sistemul SAU-451 mai înglobează și alte traductoare, dintre care amintim: - traductorul de accelerație liniară DLU-25-04 care măsoară acceler ația liniară (sau suprasarcina) furnizând la ieșire semnal de c.c. proporțional acu amplitudinea accelerației; - traductoarele de viteză unghiulară DUS care dau la ieșire un semnal proporțional cu Ω, care va fi cules de pe potențiometru. Sistemu l de co mandă a voleților ARV :

livrează înregistratorului două

semnale tip comanda unică astfel: - prize superioare: nivel 1 logic (27V) – prizele superioare deschise; nivel 0 logic (0V) – prizele superioare inchise. - tren escamotat: nivel 1 logic (27V) – tren retractat; nivel 0 logic (0V) – tren scos. Sursa de semnal în primul caz este traductorul DT-13. Acesta este un

întrerupator – sfârșit de cursă comandat de verinul de acționare a prizelor secundare. Contactul aplică semnal de 27V spre DFDR la deschiderea prizelor superioare.

Escamotarea trenului este semnalizată de microîntrerupătoare tip MU, unul de semnalizare a presiunii de jambă iar celălalt de validare a escamotării.


NECLASIFICAT

Blocul de supraveghere și transmitere la distanță a parametrilor motoarelor BPK- 88 : furnizează la DFDR o serie întreagă de semnale, după cum

urmează: *semnale analogice: - temperaturile T1, T3, T4 de la cele două motoare; - turațiile CÎP și CJP pentru ambele motoare; - presiunile P1, P2, P4 pentru ambele motoare; - vibrații turbină ambele motoare; - voleți; - ajutaj; - presiune ulei; *comenzi unice: - forțaj MTR pentru ambele motoare; - reducere turație n2 ambele motoare; - presiune combustibil. Sistemul BPK-88 dispune de o gama foarte largă de traductoare, zona motorului la MiG-29 fiind monitorizată de peste 300 de semnale. Între cele mai

importante se numără traductoarele de turație, termocuplele, traductoarele de factor de compresie, etc. Blocul BPK-88 formează și transmite semnale în sistemul de comandă al motorului, în schema electrică a avionului, în sistemul de control și semnalizare al echipajului, în blocul comenzilor verbale precum și la DFDR.

Succint, modalitatea de furnizare a semnalelor primare este următoarea: *voleți/ajutaj: poziția voleților difuzorului este dată de un traductor potențiometric de deplasare unghiulară, în timp ce un traductor potențiometric liniar comandat de verinele de acționare a inelelor voleților difuzorului dă semnalul de confirmare „AJUTAJ”; *vibrații: detectoarele de vibrații montate în regiunea motorului și a KSA furnizează informații potențiometrice de tip LLDC (Low Level DC – 0÷20mV); *temperaturi: termocuplele montate în regiunea motorului și a KSA furnizează informații potențiometrice de tip LLDC (Low Level DC – 0÷20mV); *presiuni: semnalele de presiune sunt semnale potențiometrice în gama 0÷5V c.c.; *reducere turație: în momentul în care turația n2 depășește valoarea critică, o dată

cu atenționarea verbala (Natașa), DFDR primește comanda unică sub forma semnalului de 27V (1 logic); * forțaj: la declanșarea postcombustiei DFDR primește comanda unică sub semnalului de 27V (1 logic);


forma

NECLASIFICAT

atât timp cât presiunea combustibilului se încadrează în limitele admise, DFDR primește comanda unică sub forma semnalului de 27V *presiune combustibil: (1 logic);

Semnalizatoarele de temperatură periculoasă existente la bordul aeronavelor din dotare preiau informația de la termocuple montate în zonele de interes, semnalul de tensiune generat fiind prelucrat și transformat în comenzi de afișare/transmitere a datelor obținute. Ca principiu de lucru, amintim semnlaizatoarele din familia SOT-1M-4

3.9.), mici diferențe tehnologice apărând la variantele ulterioare. Tensiunea de ieșire variază de la 0÷52 mV pentru temperaturi între 0÷1300oC, pentru termocuple Cromel-Alumel, la 0÷6.8 mV pentru temperaturi între 0÷90 oC, (figura

pentru termocuple Cromel-Copel. Caracteristici tehnice: - alimentare: 27 V c.c.; - eroare maximă 5 oC; - informație primară de temperatură: maxim 60 mV; - informație de temperatură la ieșire: maxim 27V;

Figura 3.9. Schema de principiu a transmițătorului SOT -1M-4 Semnalele de control a tensiunilor de rețea de bord : sunt preluate două

semnale de control a tensiunilor de rețea de bord de către DFDR: - tensiune curent alternativ: U c.a. 115V/400Hz 1f; - tensiune curent continuu: U c.c. 27V; Semnalul de 115V/400Hz 1f este preluat pe o intrare de 0÷220V a.c. a DFDR-ului, iar semnalul de 27V c.c. pe o intrare de 27V d.c. Dacă se dorește achiziția unui semnal de prezență a jivrajului se poate utiliza un semnal unificat

de control al existenței tensiunii în rețeaua de bord, de tipul celui prezentat în NECLASIFICAT Pagina 57 din 143

NECLASIFICAT

figura 3.10., urmând ca intrarea astfel disponibilizată a DFDR -ului să primească un nou semnal. O soluție mai elegantă este aceea de a proiecta de la bun început DFDR-ul cu o serie de sloturi libere, precum și cu disponibilități hardwar e pentru dezvoltări ulterioare.

Figura 3.10. Formarea semnalului de monitorizare a rețelei de bord

În cazul prezențelor celor două tensiuni (115V și 27V) tranzistorul este deschis și din colectorul său se culege semnalul dorit. Subsistemu l de combusti bil STR : furnizează la

înregistrator următoarele

semnale de tip comandă unică: - „Presiune rezervor”; - „Rămas 550 Kg”; - „Pompaj MTR”. Traductoarele sistemului STR sunt următoarele: Traductor debit TR-TS-30-1: acesta transmite impulsuri de tensiune proporționale cu cantitatea de petrol care trece (figura 3.11.).

Figura 3.11. Transmițătorul debitmetrului


NECLASIFICAT

Traductor de nivel DSMK-10: este alcătuit dintr -un corp principal cu mai

multe perechi de contacte poziționate la mai multe înălțimi, traductorul dispune de un magnet permanent care aclanșează contactele. Semnalizează „începere”, „1/2”, „terminare-consum”. Schema este prezentată în figura 3.12.

Figura 3.12. Transmițătorul de nivel Traductor litrometru DT-36-A : transmițătorul litrometrului este constituit

de un condensator cilindric cu două tronsoane: unul de lungime h având ca dielectric combustibilul, și unul de lungime h-m, unde m este înălțimea coloanei de vapori de gaz.

Transmițător de temperatură : sunt constituite din termocuple montate în zonele de interes ale instalației de forță a aeronavei, într -un număr considerabil, furnizând informații în gama semnalelor de nivel mic de c.c. (LLDC). Gama semnalelor achiziționate de DFDR de la sistemul STR este conform celor anterior amintite 0÷27 V c.c. . Dintre acestea, un rol deosebit îl are semnalul de avertizare „RĂMAS 550 Kg!”, a cărui modalitate de formare o prezentăm în figura 3.13..

Figura 3.13. Formarea semnalului de avertizare „RĂMAS 550Kg!” NECLASIFICAT Pagina 59 din 143

NECLASIFICAT

Radioalti metru l AF -037 : este structurat ca principiu conform figurii

3.14.. Echipamentul este prevăzut cu un sistem de filtre introduse în amplificatorul de bandă, lățimea benzii de trecere depinzând de altitudinea măsurată; banda de trecere fiind astfel limitată, erorile aparatului scad. Semnalul de iesire U(H) este destinat diverselor sisteme de bord care îl necesită, fiind de asemenea preluat de înregistrator cu o rată de eșantionare 2/sec oferind un semnal analogic în gama 0÷27V.

Figura 3.14. Schema structurală a unui radioaltimetru Stația de avertizare iradiere L -006-DM : concretizează avertizarea iradierii aeronavei proprii printr-un semnal de c.c. 27V, care este preluat

înregistrator drept comanda unică „IRADIERE”. : conține două blocuri amplificatoare cu 5 Si stemul antii ncendiu I S-5NG canale IS-5MG-1 și șase traductoare de incendiu cu ionizare, cu izolatori ceramici

fixați la 15÷30 milimetri de masa aparatului, traductori sensibili la flacără. Semnalul furnizat LLDC este preluat de înregistrator sub forma comenzii unice „INCENDIU”. frânelor aerodinamice: dispune de microîntrerupătoarele frânelor aerodinamice D-721T, relee de avarie în instalația Sistemul

de

comandă

a

hidraulică principală cât si în cea secundară. Aparatul MiG-29 dispune în partea posterioară a fuselajului portant de două frâne aerodinamice , cu acționare simultană (sus, respectiv jos). Acestea frunizează prin intermediul sistemului la înregistrator, următoarele comenzi unice:„FRÂNE AERODNAMICE”- 1 logic la bracare, „DEFECTIUNE SISTEM HIDRAULIC”(stânga/dreapta). Vi tezometr ul Doppler : care echipează aeronava MiG-29 lucrează integrat

în cadrul avionicii, înregistratorul de parametri putând astfel să achiziționeze semnal proporțional cu unghiul de derivă de la ieșirea blocului de calcul a vitezei de drum și derivei. DFDR -ul va prelua semnalul analogic „unghi de derivă” în ecartul 0÷5V. NECLASIFICAT Pagina 60 din 143

NECLASIFICAT

Stația de radionavigație RADICAL (RSBN): este inclusă în structura sistemului 951, în cadrul căruia lucrează integrat cu centralele T-050 și SVS.

Aceasta furnizează informații în principal pilotului automat și calculatorului de bord. Funcționarea stației este tratată de înregistrator ca eveniment, fiind preluat un semnal de tip comandă unică „RSBN”, cu 1 logic - 27VDC când echipamentul lucrează.

Figura 3.15. Schema de principiu a avionicii aeronavei MiG-29 Radiol ocator ul N- 019: trimite înregistratorului un semnal de tip comandă

unică 1 logic - 27VDC în momentul în care se află în regim de emisie. Calcul ator ul si stemul ui de ochi r e S-31: gestionează

semnale de la numeroase surse (vezi figura 3.15.), având în cadrul avionicii rolul de a furniza date asupra țintelor și, în colaborare cu calculatorul de radiolocație și tragere T-100:2, de a calcula cursul, traiectoria și momentele de tragere. Pentru înregistrator, sistemul de ochire S-31 oferă semnalele: - semnalul de utilizare a telemetrului LASER; - semnalul de utilizare a stației 20 -SP pentru bruiaj; - „Lansare Rachete”; - „Tragere”. Toate aceste semnale sunt de tip comanda

unică cu nivelul 1 logic la 27VDC. În cazul ultimelor două semnale sistemul S -31 validează informația NECLASIFICAT Pagina 61 din 143

NECLASIFICAT

primară furnizată de două microcontacte plasate pe manșă (la butoanele de comandă a armamentului „Lansare”, respectiv „Tragere tun”). semnalizează acustic și vizual pilotul la intrarea avionului în fasciculul radiobalizei, trimițând în același timp la DFDR un semnal de 27 VDC de tip comandă unică. Radiomarkerul:

Si stemu l de salvare K-40: în

cazul extrem al catapultăr ii, automatica scaunului K-40 aclanșează un releu care închide circuitul comenzii unice „Catapultare”. Acest circuit este alimentat chiar de DFDR. În continuare voi analiza tipurile de traductoare care sunt proprii înregistratorului. După cum am menționat și în capitolele anterioare, în cazul înregistratoarelor de parametri, se încearcă găsirea unui compromis între necesitatea de a instala pe avion traductoare integrate care să deservească mai mulți beneficiari, și soluția optimă din punctul de vedere a memorării informației de a dota DFDR-ul cu maximul posibil de senzori proprii.

În urma analizei avionicii și sistemelor automate de bord, se observă necesitatea ca înregistratorul să posede traductoare proprii, în scopul achiziționării unrmătoarelor semnale: *semnale analogice: -suprasarcinile axiale, laterale și verticale; - deplasările manșei pe ruliu și tangaj;

*comanda unică:

- deplasarea palonierului; - bracarea stabilizatorului (stânga/dreapta); - bracarea eleroanelor; - bracarea direcției; - deplasarea manetei de gaze (stânga-dreapta). -flapsuri.

Traductoarele proprii ale înregistratorului

Înregistratorul de date de zbor dispue pentru transmiterea informațiilor referitoare la poziția manșei de traductoare de cursă a manșei pe canalul de ruliu și cel de tangaj. Acestea sunt traductoare rezistive (potențiometre liniare comandate de lanțul cinematic al articulațiilor manșei), cu semnal de ieșire un curent continuu în ecartul de tensiune 0÷5V. Pentru Transmiterea informațiilor referitoare la poziția manetelor de gaze, înregistratorul alimentează două potențiometre liniare ale căror cursoare sunt deplasate la mișcarea manetelor de gaze. Aceste traductoare se află în KSA, pe lanțul cinematic al comenzilor motoarelor. NECLASIFICAT Pagina 62 din 143

NECLASIFICAT

semnalelor de suprasarcină înregistratorul alimentează trei traductoare de accelerație, dispuse în partea din față a fuselajului Pentru

transmiterea

portant.

În cazul în care semnalele preluate de la centrala aerodinamică de date SVS sunt considerate a avea o precizie nesatisfăcătoare, se pot utiliza pentru achiziționarea datelor referitoare la altitudinea barometrică și viteza indicată, două transmițătoare de presiune montate în partea din față a fuselajului, pe lateralele carlingii.

Înregistratorul de parametri alimentează în scopul preluării informațiilor referitoare la bracarea suprafețelor de comandă aerodinamice o serie de transmițătoare după cum urmează: - potențiometru stabilizator (stânga-dreapta), montat pe deriva ventrală dreapta; - potențiometru cursă palonier, în spatele tabloului de bord în cabină; - potențiometru bracare direcție, în deriva dorsală stânga; - întrerupător de sfârșit de cursă cu microcontactepentru flapsuri, în bordurile de fugă ale aripii. Toate transmițătoarele proprii sunt alimentate la +5VDC, suportând aceleași operații de etalonări periodice amintite și la traductoarele celorlalte sisteme. În continuare, voi prezenta pe scurt principiile constructive ale traductoarelor proprii. Traductorul de presiune:

funcționează după principiul manometrului, elementul sensibil fiind membrana capsulei. În cazul modificării presiunii, membrana se deformează, deplasând prin intermediul unui mecanism peria potențiometrului la care este aplicată tensiunea de la dispozitivul de acord. De pe potențiometru, se culege o tensiune proporțională cu valoarea măsurată și se aplică la DFDR. Traductorul de suprasarcină: funcționează pe principiul de funcționare al accelerometrelor, elementul sensibil fiind pe un ax pe care sunt fixate un

potențiometru și un piston, iar forța de reacție fiind constituită de două arcuri. Când nu există accelerații orientate în lungul axei de măsurare, întinderea arcurilor este uniformă, iar masa inerțială se află în poziția suprasarcinii nule. Dacă se imprimă o accelerație în lungul axei de sensibilitate a aparatului, sistemul mobil se deplasează față de poziția neutră, în acest caz, forța deformării elastice a arcurilor imprimă masei inerțiale o accelerație absolută egală cu accelerația în acțiune. Deplasarea masei inerțiale provoacă o deplasare proporțională a înfășurării potențiometrului față de peria colectoare de curent, fixă. Pentru amortizarea oscilațiilor se folosește un amortizor lichid. Schema simplificată de principiu a transmițătorului este prezentată în figura 3.16.


NECLASIFICAT

Figura 3.16. Schema de principiu a transmițătorului de suprasarcină Traductorul de accelerație unghiulară: este utilizat la preluarea informațiilor de bracare a stabilizatoarelor. Dispozitivul funcționează pe principiul transformării unghiului de rotație a axului traductorului în variație proporțională a rezistenței potențiometrului. Axul traductorului, cuplat la cursorul potențiometrului este articulat la stabilizator.Bracarea acestuia provoacă o deplasare proporțională a periei colectoare de curent f ață de înfășurarea fixă a potențiometrului. Informația de ieșire este preluată de înregistrator sub forma unui semnal analogic în gama 0÷5V.

În urma celor prezentate mai sus, se poate observa că etajul de achiziție al DFDR-ului preia atât date n umerice, cât și date analogice. Ultima categorie de date se împarte la rândul său în semnale analogice propriu-zise și în semnale de tip comandă unică. Semnalele analogice pot fi: - semnale de c.c. în gama 0÷5V; - semnale de c.c. de nivel mic în gama 0÷20mV; - semnale de c.a. în gama 0÷115V, monofazat, 400Hz; - semnale de c.a. selsinice în gama 0÷26V, trifazat, 400Hz; - semnale de c.c. în gama 0÷27V, tip comandă unică. Achiziția tensiunilor continue are loc la bordul aeronavelor cu ajutorul

senzorilor și traductoarelor care au drept semnal de ieșire, o tensiune continuă.În vederea transformării acestor tensiuni în informații numerice, sunt necesare operațiile de multiplexare, eșantionare și cuantizare. Înainte de a fi aplicate multiplexoarelor, având în vedere faptul că semnalele de ieșire sunt curpinse în game diferite de valori, trebuie efectuată o ajustare a amplitudinii semnalului pentru ca la intrarea în circuitul de eșantionare, semnalele să fie cuprinse în același domeniu de valori. Astfel, semnalele potențiometrice provenite de la traductoarele proprii ale înregistratorului, sau de la traductoarele altor sisteme care sunt utilizate în comun, vor fi amplificate cu un coeficient de amplificare Ak care poate fi inclusiv subunitar, coeficient ales în așa fel încat tot domeniul măsurat de


NECLASIFICAT

traductor, să fie inclus în domeniul admis de circuitul de conversie numerică. Achiziția tensiunilor continue de nivel mic se face de regulă de la termocuple și de la detectoarele de vibrații. Chiar dacă în esență semnalele furnizate sunt tot semnale de curent continuu, gama foarte mică a valorilor astfel

achiziționate impune unele măsuri restrictive. Astfel, pentru a aduce valorile în domeniul de lucru al convertorului analog numeric, se utilizează un bloc de amplificare (vezi figura 3.17.) cu un câștig de circa 200÷300.

Figura 3.17. Schema amplificării semnalelor de la termocuple

Astfel de amplificatoare se găsesc în număr foarte mare în industria electronică, figura de mai sus reprezentând modul de conectare al chip -ului INA122 realizat de Texas Instruments, chip pe care l- am folosit și eu în realizarea practică pe care o voi prezenta ulterior în cadrul lucrării. Achiziția semnalelor de curent alternativ este mult mai rar întâlnită raportat la numărul semnalelor de curent continuu. În cazul semnalelor de curent alternativ, purtătorul informației utile poate fi amplitudinea sau frecvența semnalului, iar în cazul tahogeneratoarelor ambele. Când informația este purtată de amplitudinea semnalului, pentru măsurare și conversia digitală se folosesc redresoare și filtre urmate de conversia numerică a semnalului astfel obținnut pe canalul obițnuit de curent continuu. Pentru cealaltă situație, se utilizează alte scheme de conversie.

Schema de redresare electronică utilizată cu precădere în achiziția semnalelor de curent alternativ poartă numele de redresare fără prag, iar forma redusă a acesteia este prezentată în figura 3.18.


NECLASIFICAT

Figura 3.18. Schema de redresare „fără prag” Achiziția semnalelor de tip selsinic reprezintă într -o oarecare măsură un

caz special al semnalelor de curent alternativ, însă prelucrarea acestora se realizează în moduri diferite. Aceste semnale sunt folosite pentru determinarea unghiurilor de cap, girație, ruliu și tangaj, sau pentru a achiziționa deplasarea unghiulară a organelor de comandă ale avioanelor, dar printr -o conexiune specială, diferită de cea standard.

y

Figura 3.19. Modalități de utilizare a selsinelor pentru DFDR

În figura 3.19. sunt prezentate cele două modalități de utilizare a selsinelor în cazul înregistratoarelor de bord pe care le-am menționat mai sus. În primul caz, dacă se aplică o tensiune alternativă sinusoidală pe înfășurarea de excitație, la apariția unui unghi de decalaj α între rotor și stator, se obțin tensiunile pe cele trei înfășurări ale selsinului:


NECLASIFICAT

(3.1.)

Pentru situația prezentată în figura 3.19. b), selsinul este folosit ca un simplu traductor inductiv, măsurân amplitudinea tensiunii dintre terminalele XY. În acest caz avem: (3.2.) Conversia semnalului unghiular oferit de prima va riantă de conectare în cod numeric, necesită transformarea în prealabil într -un semnal format din două

componente în cuadratură. Transformatorul Scott este circuitul care realizează acest lucru și poate fi regăsit în mai multe variante, cea mai simplă fii nd utilizarea unor amplificatoare operaționale care să realizeze diferența uy-uz. În urma celor menționate mai sus, putem alcătui schema bloc a etajului de achiziție de date a înregistratorului, pe care o prezentăm în figura 3.20.

Figura 3.20. Schema bloc a etajului de achizție și formare a datelor


NECLASIFICAT

3.2. Stabilirea ratei de eșantionare Achiziţionarea semnalelor care caracterizează anumite procese fizice nu este un scop în sine. Aceste semnale urmează a fi prelucrate şi pe baza rezultatelor obţinute se regleazăprocesul deservit. În cele ce urmează vor fi prezentate pe scurt noţiuni ce au un rol major în procesul de prelucrare numerică de semnale: eşantionarea semnalelor, reconstituirea semnalelor din eşantioane, precum şi codarea binară. Utilizarea metodelor numerice la prelucrarea semnalelor analogice necesită discretizarea acestora în timp, fapt ce se realizează prin operaţia de eşantionare, precum şi discretizare în valoare, realizată prin operaţia de cuantizare. [3]

Presupunând eşantionarea unui semnal analogic s(t) cu pasul (perioada) de eşantionare constant Te (figura 3.21.), rezultă secvenţa: s(k)=s(kTe), unde k este un întreg, - ∞ < k < ∞. (3.3.)

Figura 3.21. Semnal eșantionat

Între perioada de eşantionare şi frecvenţa de eşantionare sau (rata de eşantionare), notată cu f e, există relaţia evidentă: f e=1/Te

(3.4.) Înlocuirea semnalului s(t) prin eşantioanele sale s(kT) se poate face doar dacă pe baza acestora se poate reconstitui semnalul iniţial, adică secvenţa dată de relaţia (3.3) constituie oreprezentare unică a semnalului original. Pentru acesta trebuie respectate condiţiile impuse de teorema eşantionării (Whittaker, Kotelnikov, Shannon):

Un semnal analogic s(t), care are frecvenţa ceea mai mare din spectrul său f max, poate fi reconstituit în mod unic din eşantioanele s(kT) dacă: NECLASIFICAT Pagina 68 din 143

NECLASIFICAT

f e ≥ 2f max

(3.5.)

reconstituirea se face utilizând relația: (3.6.)

Reprezentarea semnalului prin relaţia (3.6.) este valabilă numai pentru semnale aperiodice având funcţii de bandă limitată şi eşantionate suficient de des încât să fie evitate erorile de aliere. Erorile de aliere apar dacă, în urma eşantionării, semnale analogice diferite vor fi reprezentate în domeniul de frecvenţă prin aceleaşi componente spectrale. Pentru a ilustra consecinţa acestor erori, în domeniul timp, ar putea fi reconstituite două semnale sinusoidale diferite, fiind r eprezentate prin acelaşi eşantioane (figura 3.22.).

Figura 3.22. Consecințele erorilor de aliere

de eşantionare dat, dacă frecvenţa maximă de eşantionare este limitată din considerente practice, rezultă necesitatea limitării şi a spectrului semnalului analogic în corelaţie cu frecvenţa de eşantionare, utilizând în acest scop unu filtru antialias (FTJ). Spre exemplu, după cum rezultă din figura 3.22., dacă frecvenţa de eşantionare nu este suficient de mare semnalul reconstituit va diferi esenţial de semnalul original. Eşantionarea şi reconstituirea semnalelor periodice se face în mod asemănător, cu unele diferenţe totuşi. Se are în vedere faptul că spectrul semnalului periodic este discret, incluzând o componentă fundamentală şi o serie de componente armonice. Un asemenea spectru rezultă prin dezvoltare în serie Fourier a funcţiei periodice de timp şi nu aplicând transformata Fourier, ca şi în De aceea, pentru un circuit

cazul semnalelor aperiodice.

În aceste condiţii şi presupunând că rangul celei mai înalte componente armonice din spectrul discret este K, teorema eşantionării impune prelevarea a cel puţin 2K+1 eşantioane dintr-o perioadă pentru ca reconstituirea să se poate face fără erori. Prin comparaţie, rezultă că în cazul semnalelor periodice frecvenţa minimă de eşantionare este ceva mai ridicata: 2+1/K eşantioane din perioada NECLASIFICAT Pagina 69 din 143

NECLASIFICAT

corespunzătoare celei mai înalte componente armonice, faţă de 2 eşantioane din perioada componentei cu frecvenţa maximă din spectrul semnalului aperiodic (conform relaţiei (3.5.)). Diferenţa între cele două frecvenţe minime de eşantionare este neglijabilă, în schimb tratarea eşantionării şi reconstituir ii semnalelor conform teoriei semnalelor periodice prezintă avantaje din punct de vedere aplicativ. Pe de o parte, spectrul semnalelor periodice fiind discret, este facilitată procesarea acestuia cu calculatorul numeric; pe de altă parte, există posibilitatea, cel puţin teoretică, ca în unele situaţii să fie satisfăcute riguros cerinţele teoremei eşantionării. În cazul semnalelor aperiodice acest lucru nu este cu putinţă, deoarece prelucrând practic semnale de durată limitată, spectrul de frecvenţe al acestora este de bandă infinită. De aceea, în asemenea situaţii semnalul aperiodic de durată limitată este periodizat (luând perioada egală cu durata finită în timp), după care procesarea are loc cu constrângerile impuse de teorema eşantionării funcţiilor per iodice. Prin reconstituirea unui semnal analogic s(t) se înţelege determinarea formei de variaţie în timp a acestuia pe baza eşantioanelor s(kTe), care au fost prelevate în domeniul timp sau pe baza eşantioanelor cunoscute în domeniul frecvenţă (acestea putând rezulta în urma unui proces de prelucrări de semnale sau calcul numeric). Secvenţa reconstituită va conţine un număr sporit de componente faţă de secvenţele primare, dependent de precizia impusă la reprezentarea lui s(t). În domeniul timp, acest proce s de îndesire a eşantioanelor în scopul obţinerii semnalului reconstituit se numeşte interpolare. Alături de criteriul obţinerii unei precizii cât mai bune a semnalului reconstituit faţă de semnalul original (sau de referinţă), este de dorit ca interpolarea să se realizeze într -un timp de calcul cât mai scurt. În principiu calculul numeric al componentelor lipsă se poate efectua utilizând expresia (3.6.), însă reconstituirea prin această metodă are nevoie de un număr relativ mare de termeni (teoretic, un n umăr infinit). Această soluţie nu este convenabilă din punct de vedere aplicativ, necesitând o durată relativ mare de calcul. De aceea, procesul de filtrare ideală, reprezentat de relaţia (3.6.), se înlocuieşte printr -o filtrare care aproximează funcţia de transfer a filtrului ideal. Metodele de interpolare clasice folosesc funcţii de interpolare care au proprietatea fundamentală, ca de altfel şi funcţia din relaţia (3.6.), că în punctele de eşantionare reconstituirea se face fără erori, indiferent de frecvenţa de eşantionare. Semnalul s*(t) rezultat prin interpolare are deci proprietatea: s*(kTe) = s(kTe),pentru k număr natural, (3.7.) iar s*(t) şi s(t) trebuie să difere cât mai puţin pentru kTe < t < (k +1)T e . Cele mai simple metode de inter polare au la bază dezvoltarea în serie a numărului s(t). NECLASIFICAT Pagina 70 din 143

NECLASIFICAT

s∈*tsk+ ! ′k k + ! ′ k k +⋯

(3.8.)

unde k N, iar s(kTe ), s'(kTe ), s''(kTe ) sunt valorile semnalului s(t) respectiv ale derivatelor sale de ordin 1,2,..., în punctul kTe. Dacă în relaţia (3.8.) se reţine doar primul termen rezultă interpolarea de

ordin 0, sau interpolarea cu reţinere: s* (t) =s(kTe ) , pentru kTe < t < (k +1) T e . Astfel, semnalul reconstituit este format din trepte, valoarea fiind reţinută până la eşantionul următor (figura 3.23.).

(3.9.)

unui eşantion

Figura 3.23. Reconstituirea semnalului prin interpolare de ordin 0

Interpolarea cu reţinere poate fi realizată cu ajutorul unui circuit de eşantionare şi memorare care se găseşte în starea de eşantionare exact la momentele kTe, în rest fiind în starea de memorare. Dacă în relaţia (1.6) se reţin primii doi termeni, rezultă interpolarea de ordinul 1:

s*tsk+ ! ′k k

, pentru kTe < t < (k +1) T e.

(3.10)

Valoarea primei derivate în momentul de eşantionare kTe se aproximează în funcţie de valorile eşantioanelor s(kTe ) şi s((k +1)Te ) prin relaţia:

s't s(k+1TTee)-skTe

,

(3.11.)

În figura 3.24. este exemplif icată reconstituirea semnalului prin interpolare de ordin 1.


NECLASIFICAT

Figura 3.24. Reconstituirea semnalului prin interpolare de ordinul 1

După cum rezultă din relaţia (3.11), datorită faptului că la calculul lui s’(kTe) se utilizează eşantionul curent s(kTe) şi eşantionul următor s((k+1 )Te), rezultă că reconstituirea semnalului este întârziată cu un interval de timp de durată Te.

Dacă s’(kTe) se exprimă în funcţie de eşantionul actual şi eşantionul anterior atunci reconstrucţia se face fără întârziere, realizându-se o extrapolare. Pentru ca erorile de reconstituire prin interpolare a semnalelor s ă fie cât mai mici, se folosesc interpolări de ordin superior (int erpolarea Lagrange, interpolare spline).

În cadrul procesului de interpolare se poate constata că semnalul reconstituit depinde în mare măsură de relaţia de fază dintre semnalul util şi pasul de eşantionare, evident necunoscută în procesul reconstituirii (3.25). De aceea, în cazul instrumentelor virtuale sau a osciloscoapelor numeric e, pentru obţinerea unei reproduceri acceptabile a semnalului original, chiar dacă se folosesc tehnici speciale de interpolare, este necesară eşantionarea cu o frecvenţă mai mare decât frecvenţa Nyquist. Prin frecvenţa Nyquist se înţelege dublul frecvenţei maxime conţinute în spectrul semnalului.

Figura 3.25. Relația dintre fază și pasul de eșantionare NECLASIFICAT Pagina 72 din 143

NECLASIFICAT

Dacă frecvenţa de eşantionare este mai mare de 10 ori decât frecvenţa maximă din spectrul semnalului, chiar şi interpolarea liniară produce erori sub 5%, care se pot considera deja acceptabile. În consecinţă, regula nescrisă de a preleva 10 eşantioane pe o perioadă poate fi considerată un fel de standard în cazul acestor instrumente de măsură. Problema care se observă în mod evident este aceea de a stabili numărul optim de intrări alocate unui parametru dat, în schema de multiplexare. Având în vedere numărul limitat de intrări și necesitatea de a achiziționa un număr de parametri cât mai crescut, implică alocarea unui număr mai mic de intrări pentru fiecare parametru în parte, adică o rată de eșantionare mai mică. Ratele de eșantionare mai mici pot conduce la pierderea detaliilor în evoluția parametrilor cu variații rapide. Acest lucru ne conduce la ideea că pentru parametrii cu variații lente în timp este necesară o rată de eșantionare mai mică, pe când pentru parametrii cu viteze da variație sporite trebuie să realizăm rate de eșantionare cât mai mari.

Pentru înregistratoarele de bord, concomitent cu criteriul stabilit de teorema eșantionării se mai ia în considerare și modul de organizare a informației pe suportul de memorie, capacitatea acesteia, dar și importanța parametrilor. Structura memorării informației se bazează pe principii binare, motiv pentru care ratele de eșantionare sunt stabilite ca valor i puteri ale lui 2, oprindu-se de regulă la maxim 16 eșantioane pe secundă. În urma celor prezentate referitor la stabilirea numărului de eșantioane am decis să aleg ratele de eșantionare conform tabelelor 3.1. și 3.2.: Tabelul 3.1. Ratele de eșantionar e ale parametrilor analogici înregistrați Parametrii analogici preluați de DFDR Nr.crt. Parametru achiziționat Notație Rata de eșantionare (eșantioane/secundă) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

Timpul absolut

Time H.b H.r v.i. v.a. Mach

Altitudinea barometrică Altitudinea radio Viteza indicată

Viteza adevărată Numărul Mach

φ θ ψ ψg α β

Unghiul de ruliu Unghiul de tangaj

Unghiul de girație Unghiul de cap

Unghiul de incidență Unghiul de glisadă Suprasarcina axială Suprasarcina laterală Suprasarcina verticală Deplasare manșă pe ruliu Deplasare manșă pe tangaj

nx ny nz

mφ mθ mψ

Deplasare palonier NECLASIFICAT Pagina 73 din 143

1 4 4 2 2 1 8 4 2 2 8 2 16 16 16 8 8 2

NECLASIFICAT 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64.

Regimul pilotului automat

Bracare stabilizator stânga Bracare stabilizator dreapta Bracare eleron

Bracare direcție Deplasare maneta de gaze stânga Deplasare maneta de gaze dreapta

Voleți stânga Voleți dreapta Temperatura ambientului

Temperatura T1 stânga Temperatura T1 dreapta

Temperatura T3 stânga Temperatura T3 dreapta

Temperatura T4 stânga Temperatura T4 dreapta Turație CJP dreapta

Turație CJP stânga Turație CÎP dreapta Turație CÎP stânga Presiune ulei stânga Presiune ulei dreapta

Presiunea P1 stânga Presiunea P1 dreapta



Vibrații KSA stânga Vibratii KSA dreapta

Vibrații turbină stânga Vibratii turbină dreapta Ajutaj stânga Ajutaj dreapta

Tensiune rețea c.a. Tensiune rețea c.c. Trimmer eleron Trimmer profundor Trimmer tangaj Cantitate oxigen

SAU stab.s stab.d eler dir mgst mgdr volst voldr TempA T1.st. T1.dr. T3.st. T3.dr. T4.st. T4.dr. n1.dr. n1.st. n2.dr. n2.st. pu.st. pu.dr. p1.st. p1.dr. p2.st. p2.dr. p4.st. p4.dr. Vbk.st. Vbk.dr. Vbtb.st. Vbtb.dr. Aj.st. Aj.dr. Uca115V Ucc27V Trim.el. Trim.pr.

Trim.θ O2 T.st. T.dr. Lat. Long. Comb. q.comb.

Tracțiune motor stânga Tracțiune motor dreapta Latitudine Longitudine Cantitate combustibil Debit combustibil


16 8 8 8 4 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

NECLASIFICAT

Tabelul 3.2. Ratele de eșantionare ale comenzilor unice preluate de DFDR Nr.crt. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

Parametru achiziționat Pilot automat activ/inactiv

Înălțime periculoasă Rezerva combustibil 550 Kg Incendiu Tren escamotat Bruiaj Sistem anticoliziune Depresurizare cabina

Forțaj MTR stânga Forțaj MTR dreapta Apăsare pedala de frână Presiune ulei scăzută MTR stânga Presiune ulei scăzutâ MTR dreapta Supraîncălzire MTR stânga Supraîncălzire MTR dreapta Givraj Catapultare

Pompaj MTR stânga Pompaj MTR dreapta Tragere tun Lansare rachete Optolocator Iradiere Radiofar

Vibrații MTR stânga Vibrații MTR dreapta Defecțiune sistem hidraulic stânga Defecțiune sistem hidraulic dreapta Lansare capcane termice

Lansare dipoli λ/2 Detecție rafale de vânt Sistem avertizare la angajare

Notație

Rata de eșantionare (eșantioane/secundă)

SAU H.crit 550! fire! Esctr jamm. TCAS Depr.cab. Fortaj.st.

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Forțaj.dr. Brake Oil.L. Oil.R. Htemp.L. Htemp.R. ICE Eject Pomp.st. Pomp.dr. Gun Missile LSR Irad Rfar Vibr.st. Vibr.dr. Hidr.fail.st. Hidr.fail.dr. FLARE CHAFF Wind shaker


NECLASIFICAT

3.3. Multiplexarea semnalelor

Având în vedere numarul mare de parametri pe care pe care dorim să-i memorăm, respectiv numărul mare al semnalelor de intrare, se impune utilizarea unui multiplexor, care poate fi conectat în fluxul de prelucare a semnalelor în diferite poziții. Astfel, multiplexorul poate fi conectat după circuitul de conversie a datelor (vezi figura 3.26.), sau înaintea acestuia (vezi figura 3.27.).

Figura 3.26. Multiplexarea ieșirilor unui sistem de achiziție de date

Multiplexarea ieșirilor convertoarelor analog numerice realizată confor m schemei din figura 3.26. realizează viteza de achiziție maximă, însă necesită un număr maxim de circuite de eșantionare/memorare respectiv circuite de conversie, ceea ce conduce la ridicarea costurilor. Multiplexarea semnalelor analogice de intrare (figura 3.27.), este ceal mai

des folosită deoarece conduce la un număr minim de circuite relativ scumpe de eșantionare/memorare și conversie. Semnalele de intrare se conectează succesiv la intrarea lanțului de conversie analog/numerică, prin multiplexare în t imp. Evoluția în timp a semnalelor este prezentată în figura 3.28. Se consideră că înaintea declanșării procesului de achiziție, MUX (multiplexorul) este comnadat de semnalul M pentru conectarea semnalului U 1 la intrarea in CEM (circuit de eșantionare/memorare), aflat în starea de eșantionare. Declanșarea procesului de achiziție se realizează la momentul t1 prin frontul

căzător al semnalului

/

, care comandă trecerea în stare de memorare a CEM. NECLASIFICAT Pagina 76 din 143

NECLASIFICAT

Conversia analog numerică a eșantionului prelevat din U 1 este declanșată la t 2 de frontul crescător al semnalului START CONV. De asemenea, la momentul t 2 se comută semnalul M de comandă al MUX pentru conectarea semnalului U 2 la intrarea CEM.

Figura 3.27. Multiplexarea semnalelor de intrare analogice

Figura 3.28. Semnalele în sistemele de achiziție de date cu intrari multiple

Sfârșitul conversiei numerice a eșantionului prelevat din semnalul U 1 corespunde lui t 3, dat de frontul căzător al semnalului STARE CONV, rezultând t 3-t 2=T c (unde T c este timpul de conversie). Comanda de prelevare a unui eșantion din semnalul U 2 este dată la t 4 prin frontul ridicător al lui astfel încât t 4-t 3 = t ac, unde t ac este timpul de achiziție al CEM. La momentul t 5 se comandă declanșarea conversiei analog numerice cores punzătoare eșantionului prelevat din U 2. În intervalul t 3-t 5 la ieșirile b0 ... bn-1 ale CAN este încărcat rezultatul conversiei numerice a eșantionului prelevat din U 1 care este preluat corespunzător

/

de μC (microcontroler). Rezultatul conversiei corespunzătoare eșantionului prelevat din U 1 este disponibil începând de la t 6 . Intervalul de timp corespunzător NECLASIFICAT Pagina 77 din 143

NECLASIFICAT

achiziției a câte un eșantion din cele k semnale se numește perioada de achiziție T ac=k∙(t 4-t 1 ). În cazul nostru, pentru parametrii pe care dorim să îi memorăm de mai multe ori într -o secundă, la intervale egale de timp, va trebui sa legăm același semnal la mai multe dintre intrările multiplexorului, la ploți echidistanți. Astfel, pentru cei 64 de parametri analogici înregistrați, am hotărât să fac multiplexarea cu ajutorul unor multiplexoare integrate CMOS (Complementary Metal – Oxide Semiconductor) pe 256 de adrese. Va rezulta o schemă ce va cuprinde 17 multiplexoare, organizate într -o schemă piramidală pe care o voi reprezenta simplificat, în figura 3.29.

Figura 3.29. Schema multiplexării piramidale

În schema reprezentată în figura 3.29. sunt reprezentate cele 16 multiplexoare primare, fiecare din ele fiind responsabil de selecția unui canal dorit din totalul de 256. Astfel, fiecare din cele 16 multiplexoare primare primește cele mai puțin semnificative 4 linii de ad resare. Multiplexorul secundar este adresat de cele mai semnificative 4 linii de adresare, și preia ieșirile multiplexoarelor primare. Această metodă asigură selecția fiecărei linii de intrare a unui multiplexor primar și aplicarea acesteia la ieșire o singură dată. În figura 3.29. se poate observa cum parametrul n x se regăsește la 16 intrări echidistante ale multiplexoarelor, lucru care asigură selcția parametrului dorit de 16 ori, adică rata sa de eșantionare este 16. În mod asemănător se poate observa cum rata de eșantionare pentru parametrii α, θ, va este de 8, 4, respectiv 2 eșantioane pe secundă. În tabelul 3.3. voi prezenta modalitatea de alocare a adreselor pentru parametrul n x și reprezentarea binară a acestora.


NECLASIFICAT

Pin 0 16 32 48

7654 3210 Pin 0000 0000 64 0001 0000 80 0010 0000 96 0011 0000 112

7654 3210 0100 0000 0101 0000 0110 0000 0111 0000

Pin 128 144 160 176

7654 3210 1000 0000 1001 0000 1010 0000 1011 0000

Pin 192 208 224 240

Tabelul 3.3. 7654 3210 1100 0000 1101 0000 1110 0000 1111 0000

Cele 32 de comnezi discrete vor fi memorate în 4 cuvinte de câte 8 biți, și vor fi multiplexate cu ajutorul a 4 multiplexoare 8:1, pe care le voi conecta la intrările 63-191, 79-207, 95-223, 111-239.

În continuare, tabelul 3.4. prezintă adresele fiecărui parametru: Tabelul 3.4. Adresele parametrilor în binar pe 8 biți Nr. crt. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Adresa Nr. Adresa Nr. Adresa 7654 3210 Parametru crt. 7654 3210 Parametru crt. 7654 3210 Parametru 0000 0000 Nx 24 0001 1000 dir 48 0011 0000 Nx 0000 0001 Ny 25 0001 1001 T3.dr. 49 0011 0001 Ny 0000 0010 Nz 26 0001 1010 n1.st. 50 0011 0010 Nz 0000 0011 SAU 27 0001 1011 mψ 51 0011 0011 SAU 0000 0100 28 0001 1100 pu.st. 52 0011 0100 φ mφ 0000 0101 29 0001 1101 Vbk.st. 53 0011 0101 α mθ 0000 0110 stab.s 30 0001 1110 Trim.el. 54 0011 0110 stab.d 0000 0111 eler 31 0001 1111 Comb. 55 0011 0111 H.r 0000 1000 32 0010 0000 Nx 56 0011 1000 T1.dr. θ 0000 1001 T3.st. 33 0010 0001 Ny 57 0011 1001 T4.dr. 0000 1010 n1.dr. 34 0010 0010 Nz 58 0011 1010 v.a. 0000 1011 35 0010 0011 SAU 59 0011 1011 mgdr β 0000 1100 n2.st. 36 0010 0100 60 0011 1100 p1.st. φ 0000 1101 p4.dr. 37 0010 0101 α 61 0011 1101 Vbtb.st. 0000 1110 Ucc27V 38 0010 0110 stab.s 62 0011 1110 Trim.θ 0000 1111 Long. 39 0010 0111 eler 63 0011 1111 8B-1 0001 0000 Nx 40 0010 1000 T1.st. 64 0100 0000 Nx 0001 0001 Ny 41 0010 1001 T4.st. 65 0100 0001 Ny 0001 0010 Nz 42 0010 1010 v.i. 66 0100 0010 Nz 0001 0011 SAU 43 0010 1011 mgst 67 0100 0011 SAU 0001 0100 44 0010 1100 pu.dr. 68 0100 0100 mφ φ 0001 0101 mθ 45 0010 1101 Vbk.dr. 69 0100 0101 α 0001 0110 stab.d 46 0010 1110 Trim.pr. 70 0100 0110 stab.s 0001 0111 H.b 47 0010 1111 q.comb. 71 0100 0111 eler


NECLASIFICAT

Continuare Tabelul 3.4. Adresele parametrilor în binar pe 8 biți Nr. Adresa Nr. Adresa Nr. crt. 7654 3210 Parametru crt. 7654 3210 Parametru crt. 72 01001000 θ 113 01110001 Ny 154 73 01001001 T3.st. 114 01110010 Nz 155 74 01001010 n1.dr. 115 01110011 SAU 156 75 01001011 volst 116 01110100 mφ 157 76 01001100 p1.dr. 117 01110101 mθ 158 77 01001101 Vbtb.dr. 118 01110110 stab.d 159 78 01001110 O2 119 01110111 H.r 160 79 01001111 8B-2 120 01111000 T1.dr. 161 80 01010000 Nx 121 01111001 T4.dr. 162 81 01010001 Ny 122 01111010 163 ψg 82 01010010 Nz 123 01111011 n2.dr. 164 83 01010011 SAU 124 01111100 p4.st. 165 84 01010100 125 01111101 Uca115V 166 mφ 85 01010101 126 01111110 Lat. 167 mθ 86 01010110 stab.d 127 01111111 Time 168 87 01010111 H.b 128 10000000 Nx 169 88 01011000 dir 129 10000001 Ny 170 89 01011001 T3.dr. 130 10000010 Nz 171 90 01011010 n1.st. 131 10000011 SAU 172 91 01011011 voldr 132 10000100 173 φ 92 01011100 p2.st. 133 10000101 174 α 93 01011101 Aj.st. 134 10000110 stab.s 175 94 01011110 T.st. 135 10000111 eler 176 95 01011111 8B-3 136 10001000 177 θ 96 01100000 Nx 137 10001001 T3.st. 178 97 01100001 Ny 138 10001010 n1.dr. 179 98 01100010 Nz 139 10001011 180 β 99 01100011 SAU 140 10001100 n2.st. 181 100 01100100 141 10001101 p4.dr. 182 φ 101 01100101 α 142 10001110 Ucc27V 183 102 01100110 stab.s 143 10001111 Long. 184 103 01100111 eler 144 10010000 Nx 185 104 01101000 T1.st. 145 10010001 Ny 186 105 01101001 T4.st. 146 10010010 Nz 187 106 01101010 147 10010011 SAU 188 ψ 107 01101011 TempA 148 10010100 189 mφ 108 01101100 p2.dr. 149 10010101 mθ 190 109 01101101 Aj.dr. 150 10010110 stab.d 191 110 01101110 T.dr. 151 10010111 H.b 192 111 01101111 8B-4 152 10011000 dir 193 112 01110000 Nx 153 10011001 T3.dr. 194


Adresa 7654 3210 Parametru 10011010 n1.st. 10011011 mψ 10011100 pu.st. 10011101 Vbk.st. 10011110 Trim.el. 10011111 Comb. 10100000 Nx 10100001 Ny 10100010 Nz 10100011 SAU 10100100 φ 10100101 α 10100110 stab.s 10100111 eler 10101000 T1.st. 10101001 T4.st. 10101010 v.i. 10101011 mgst 10101100 pu.dr. 10101101 Vbk.dr. 10101110 Trim.pr. 10101111 q.comb. 10110000 Nx 10110001 Ny 10110010 Nz 10110011 SAU 10110100 mφ 10110101 mθ 10110110 stab.d 10110111 H.r 10111000 T1.dr. 10111001 T4.dr. 10111010 v.a. 10111011 mgdr 10111100 p1.st. 10111101 Vbtb.st. 10111110 Trim.θ 10111111 8B-1 11000000 Nx 11000001 Ny 11000010 Nz

NECLASIFICAT

Continuare Tabelul 3.4. Adresele parametrilor în binar pe 8 biți Nr. Adresa Nr. Adresa Nr. crt. 7654 3210 Parametru crt. 7654 3210 Parametru crt. 195 11000011 SAU 216 11011000 dir 237 196 11000100 217 11011001 T3.dr. 238 φ 197 11000101 α 218 11011010 n1.st. 239 198 11000110 stab.s 219 11011011 voldr 240 199 11000111 eler 220 11011100 p2.st. 241 200 11001000 221 11011101 Aj.st. 242 θ 201 11001001 T3.st. 222 11011110 T.st. 243 202 11001010 n1.dr. 223 11011111 8B-3 244 203 11001011 volst 224 11100000 Nx 245 204 11001100 p1.dr. 225 11100001 Ny 246 205 11001101 Vbtb.dr. 226 11100010 Nz 247 206 11001110 O2 227 11100011 SAU 248 207 11001111 8B-2 228 11100100 249 φ 208 11010000 Nx 229 11100101 α 250 209 11010001 Ny 230 11100110 stab.s 251 210 11010010 Nz 231 11100111 eler 252 211 11010011 SAU 232 11101000 T1.st. 253 212 11010100 mφ 233 11101001 T4.st. 254 213 11010101 mθ 234 11101010 ψ 255 214 11010110 stab.d 235 11101011 TempA 215 11010111 H.b 236 11101100 p2.dr.

Adresa 7654 3210 Parametru 11101101 Aj.dr. 11101110 T.dr. 11101111 8B-4 11110000 Nx 11110001 Ny 11110010 Nz 11110011 SAU 11110100 mφ 11110101 mθ 11110110 stab.d 11110111 H.r 11111000 T1.dr. 11111001 T4.dr. 11111010 ψg 11111011 n2.dr. 11111100 p4.st. 11111101 Uca115V 11111110 Lat. 11111111 Mach

3.4. Circuite de eşantionare -memorare (SH)

Circuitele de eşantionare-memorare realiz ează eşantionarea, iar convertoarele analog-digitale conectate la ieşirea acestora asigură cuantizarea şi codarea. Un circuit de eşantionare -memorare (Sample and Hold SH) realizează prelevarea la intervale de timp egale sau aleatoare, a unor eşantioane de amplitudine din semnalul analogic aplicat la intrare şi memorarea acestora pe durata conversiei analog-digitale. [3] Schema de principiu a unui circuit de eşantionare-memorare este reprezentată în figura 3.30.

Fig. 3.30. Schema de principiu a unui cir cuit de eşantionare -memorare


NECLASIFICAT

În starea de eşantionare (notată S), comutatorul electronic CE este închis, comandat prin nivelul logic "0" al semnalului de comandă S/H. Condensatorul C se încarcă rapid, tensiunea la bornele sale urmărind variaţia în timp a lui ui. Frontul crescător al semnalului de comandă S/H, la trecerea din starea "0" în starea "1" determină deschiderea comutatorului electronic CE şi memorarea valorii tensiunii de intrare ui, de la momentul corespunzător frontului (stare H, de memorare). Această valoare a tensiunii de intrare este menţinută la ieşirea circuitului de eşantionare-memorare în intervalul de timp corespunzător stării de memorare, impusă prin nivelul logic "1" al semnalului de comandă S/H. Acest interval trebuie să fie egal sau mai mare decât timpul de conversie impus de tipul convertorului analog digital. De obicei revenirea în starea "0" pentru prelevarea următorului eşantion se face în urma primirii unui semnal de la convertorul ADC care indică sfârşitul conversiei. Amplif icatoarele icatoarele operaţionale AO1 şi AO2 lucrează în regim de repetor de tensiune. Astfel, amplificatorul de intrare AO intrare AO1 asigură o impedanţă de intrare mare pentru a nu perturba circuitul de măsurare şi o impedanţă de ieşire mică pentru încărcarea rapidă a condensatorului C în starea de eşantionare, ceea ce conduce la un timp de achiziţie redus. Constanta de timp de încărcare a condensatorului este:  

i

r o  r c C

(3.12.)

unde r o reprezintă rezistenţa de ieşire a AO1 , , iar r c - rezistenţa în conducţie a comutatorului CE. Amplificatorul de ieşire AO2 este un AO un AO cu impedanţă mare de

intrare (de exemplu cu tranzistoare cu efect de câmp în circuitul de intrare), ceea ce conduce la o descărcare foarte lentă a condensatorului C în starea de memorare şi deci la o viteză de alterare redusă a tensiunii. În cele ce urmează se prezintă caracteristicile unui circuit de eşantionare memorare în corelaţie cu procesul de achiziţie de date (figura 3.31.). Tranziţiile circuitului de eşantionare-memorare (SH) dintr-o stare în alta sunt însoţite de întârzieri apreciate prin timpul de apertură şi timpul de achiziţie.

Fig. 3.31. Variaţia tensiunilor la un circuit de eşantionare -memorare


NECLASIFICAT

Timpul de apertură tap reprezintă intervalul de timp între frontul de comandă a stării de memorare şi comutarea efectivă a circuitului, adică începutul procesului de stabilizare stabilizare a tensiunii de ieşire. Instabilitatea timpului de apertură ("aperture uncertainty" sau "aperture jitter") reprezintă limita maximă a variaţiilor aleatoare ale timpului de apertură (Dtap).

Timpul de apertură depinde de circuitele digitale din schema de comandă şi ia valori între 2÷200 ns. Instabilitatea timpului de apertură Dtap este, de regulă, sub 1% din t ap ap.

Existenţa timpului de apertură la tranziţia din starea de eşantionare e şantionare în starea de memorare, conduce la o eroare de apertură, deoarece semnalul de la ieşirea circuitului nu rămâne la valoarea avută la intrare în momentul tranziţiei S→H , ci urmăreşte intrarea încă un interval de timp. Această eroare nu ar deranja dacă timpul de apertură ar avea o valoare constantă. Evitarea acestei erori s-ar putea face prin comanda anticipată a tranziţiei S→H cu t ap ap. În schimb, instabilitatea timpului de apertură introduce erori care nu pot fi eliminate şi a căror limită maximă este dată de relaţia: 

unde

dui dt

max

dui



dt

 t ap ,

(3.13.)

max

reprezintă panta maximă a semnalului de intrare ui. max

În procesul de achiziţie eroarea maximă emax trebuie să satisfacă condiţia: 

max



1 2

LSB ,

(3.14.)

în care mărimea LSB reprezintă bitul de semnificaţie minimă al convertorului analog-digital conectat la ieşirea SH. Se observă din relaţiile (3. 13.) şi (3.14.) că instabilitatea timpului de apertură limitează superior domeniul de frecvenţe al semnalului de intrare ui, pentru un convertor de rezoluţie dată. Se poate stabili o frecvenţă limită în cazul unui semnal de intrare sinusoidal, de forma: ui



U i max sin  t

(3.15.)

Viteza maximă de variaţie a acestui semnal este: dui dt

  U i max

(3.16.)

max

astfel încât inegalitatea (3.22) capătă forma: U i max



unde

U max 2

n



U max n

2  t ap

,

(3.18.)

reprezintă rezoluţia convertorului, egală cu 1 LSB (n este numărul de

biţi ai codului binar la ieşirea convertorului, convertorului, iar U max max domeniul de variaţie maxim al tensiunii la intrarea convertorului / FS / FS - Full Scale).


NECLASIFICAT

Viteza maximă de variaţie a semnalului de intrare se obţine pentru U i max= U max max. Rezultă, deci: f 

1  

2

n 1

 t ap

(3.19.)

Timpul de stabilizare - t s - la comutarea SH în starea de memorare reprezintă

intervalul de timp între momentul în care ia sfârşit timpul de apertură şi momentul reducerii amplitudinii oscilaţiilor tranzitorii ale tensiunii de la ieşire SH sub o LSB). limită admisă (1/2 LSB). Timpul de achiziţie t ac co mandă ac reprezintă intervalul de timp între frontul de comandă a stării de eşantionare şi momentul în care ieşirea urmăreşte tensiunea de intrare cu o eroare mai mică de 1/2 LSB. Acest timp apare datorită vitezei limitate de SH precum şi a procesului oscilatoriu premergător variaţie a tensiunii de la ieşirea SH precum stabilizării acestei tensiuni. Timpul de achiziţie reprezintă o caracteristică importantă a SH care limitează în procesul de achiziţie frecvenţa de eşantionare. Acest timp depinde de capacitatea de memorare (creşte cu valoarea lui C) şi ia valori de la 15 ns în sus, de regulă între 1-6ms. Lăţimea impulsului de eşantionare trebuie să fie mai mare decât t ac ac , ca prelevarea să se facă corect. Modificarea tensiunii ue de la ieşirea SH în starea de memorare este caracterizată prin panta de variaţie a acestuia u t , numită viteză de alterare (invers proporţională cu capacitatea de memorare - rel. (3.26)). Ea este de ordinul 0.1 – 1  V  s ( mV ms ). ). Când comutatorul este deschis, tensiunea la bornele condensatorului se modifică datorită curentului de polarizare I B al AO2 , a curentului I curentului I d prin dielectricul condensatorului şi a curentului I c prin comutatorul d prin CE, în conformitate cu relaţia: e

due dt



1

C

 I

c

 I B  I d



(3.20.)

termenul dominant fiind I fiind I B.

Creşterea valorii capacităţii condensatorului de memorare conduce la scăderea vitezei de alterare a tensiunii de ieşire în starea de memorare, dar şi la creşterea timpului de achiziţie. Pentru reducerea influenţei curentului I d d se folosesc condensatoare cu dieiectric de foarte bună calitate (teflon, polistiren etc.) iar pentru reducerea influenţei curentului de polarizare I B se utilizează schema îmbunătăţită reprezentată în figura 3.32.

Fig. 3.32. Schema îmbunătăţită a unui circuit de eşantionare -memorare


NECLASIFICAT

La eşantionare comutatoarele CE 1 şi CE 2 sunt închise, circuitul funcţionând ca în varianta anterioară. Pentru memorare CE 1 şi CE 2 se deschid. Admiţând că cele două condensatoare C sunt parcurse de curenţi egali I B- = IB+ şi neglijând I c şi I d, modificarea tensiunii de ieşire va fi: due dt



1

 I



C

B 

I B   0 ,

(3.21.)

deci tensiunea ue se menţine constantă.

În realitate, cei doi curenţi diferă prin curentul de decalaj (offset) I D şi due dt



1

C

I D .

(3.22.)

Alterarea tensiunii de la ieşirea SH în starea de memorare până în momentul terminării conversiei analog-digitale, trebuie să fie mai mică decât 1/2 LSB. Schemele prezentate în figurile 3.31. şi 3.32. sunt caracterizate şi de erori datorate amplificatoarelor plasate în cascadă; în particular eroarea datorată

tensiunii de decalaj (offset) se adună. Reducerea erorilor de decalaj se poate obţine prin includerea celor două amplificatoare operaţionale AO1 şiAO2 într -o buclă de reacţie globală (fig. 3.33). În starea de eşantionare, bucla globală de reacţie accelerează încărcarea condensatorului C, deoarece rezistenţa serie a comutatorului CE este redusă drastic şi astfel timpul de achiziţie se micşorează substanţial.

Fig. 3.33. Schema de principiu a unui circuit de eşant ionare-memorare cu

reacţie globală

La starea de memorare, cele două amplificatoare lucrează separat în configuraţii de repetoare, rezistenţa R preluând diferenţa de tensiune dintre ieşire şi intrare. O altă structură de SH , mult utilizată, este reprezentată în figura 3. 34.

Fig. 3.34. Circuit de eşantionare -memorare cu integrator

Aici condensatorul de memorare este conectat în circuitul de reacţie al AO2 , care împreună cu R1 formează un integrator. Circuitul poate oferi o amplificare în NECLASIFICAT Pagina 85 din 143

NECLASIFICAT

tensiune supr aunitară, cu schimbarea fazei. Când comutatorul CE este închis (starea de eşantionare) AO2 are încă o reacţie negativă prin R2. Tensiunea de ieşire tinde spre 

R2 R1

ui

cu o constantă de timp



1



R2C .

Din momentul deschiderii

tensiunea pe condensator şi tensiunea de ieşire rămân neschimbate. Integratorul a trecut în starea de memorare. Alegând un condensator de bună calitate şi compensând corect curentul de polarizare, se poate reduce considerabil scăderea tensiunii ue în starea de memorare. Circuitele de eşantionare-memorare se produc într -o mare varietate sub comutatorului CE

forma unor circuite integrate hibride sau monolitice. De obicei, condensatorul de memorare este conectat în exterior. La varianta din figura 3. 34., condensatorul

poate fi integrat pe cip, existând posibilitatea de a conecta în paralel cu acesta şi un condensator extern.

În ultimul timp se realizează sub formă integrată convertoare analog-digitale care conţin pe acelaşi cip şi circuitul de eşantionare -memorare (ex. AD7579/AD 7580). 3.5. Cuantizarea semnalelor

Cuantizarea înseamnă reprezentarea sub formă numerică a eşantioanetor unui semnal analogic, prin atribuirea acestor eşantioane a unor valori numerice discrete (stabilind astfel o corespondenţă între numărul infinit de valori posibile ale unui eşantion şi numărul finit de valori discrete). [3] Cuantizarea reclamă împărţirea plajei maxime de variaţie a semnalului de intrare într -un număr N de nivele (trepte) egale între ele, notate cu q, numit pas de cuantizare sau cuantă . De obicei se ia N = 2n , n fiind un număr întreg pozitiv. Dacă plaja maximă de variaţie a semnalului de intrare este 0 ... X max ,, pasul de cuantizare va fi: q

X max 

2

n

(3.23.)

În cazul când pasul de cuantizare este constant şi independent de valoarea semnalului, cuantizarea este uniformă (fig.3.35). Dacă nu depăşeşte jumătatea intervalului (adică 2i 1 q2 ), valoarea eşantionului cuprinsă între nivelele iq şi (i + 1 )q este asociată nivelului iq iar dacă depăşeşte jumătatea acestui interval, nivelului (i+1)q. Astfel, eşantionului k-1 din figura 3.35. i se atribuie valoarea iq iar eşantionului k, valoarea (i + 1)q. La unele cuantizoare, dacă semnalul depăşeşte nivelul iq, i se atribuie 

valoarea (i + 1)q. În figura 3.36. a este reprezentată

caracteristica intrare-ieşire a unui cuantizor.


NECLASIFICAT

Fig. 3.35. Cuantizarea uniformă

Fig. 3.36. a)Cuantizarea uniformă şi b) eroarea corespunzătoare

Diferenţa dintre valorile semnalului de ieşire şi de intrare ale cuantizorului, adică:  

x q t   xt 

(3.24.)

se numeşte er oare sau zgomot de cuan ti zar e şi reprezintă eroarea pe care o introduce cuantizorul. Se constată că: 



q 2

(3.25.)

Analizând figura 3.36.b se observă că, cu cât pasul de cuantizare q este mai mic, deci numărul N de niveluri de cuantizare este mai mare, zgomotul de cuantizare este mai mic şi deci semnalul cuantizat este o reprezentare mai fidelă a semnalului x(t). Parametrul care poate aprecia gradul de distorsiune pe care semnalele le . suferă în procesul de cuantizare este r apor tul semnat-zgomot de cuanti zare

Procedeul de cuantizare uniformă prezentat mai sus are dezavantajul că raportul semnal-zgomot depinde de amplitudinea eşantionului. Pentru a obţine un raport constant la o dinamică mare a semnalului se poate face o cuantizare, în care pasul qi urmează o lege logaritmică de forma: qi



a log1


(3.26.)

NECLASIFICAT

3.6. Codarea semnalelor

Procesul de conversie analog-digitală cuantizare este urmat de procesul de codare

prin care fiecărui eşantion cuantizat i se atribuie un cod numeric binar, compatibil cu structura internă a calculatorului. Alegerea codurilor binare în reprezentarea eşantioanelor cuantizate este o consecinţă directă a tehnologiei digitale, care stă la baza sistemelor de prelucrare numerică şi care este în mod exclusiv binară. [3] Un număr întreg zecimal N se exprimă în sistemul binar natural printr-un şir de n+1 cifre binare (n+1 biţi): iar valoarea sa

anan-1 ...a1a0 (exprimată în sistemul zecimal) este: n

N 

a

i

2

i

(3.27.)

,

(3.28.)

i 0

unde

ai 

0, 1,

i 

1,...n .

Valoarea maximă a numărului zecimal care se poate exprima cu relaţia (3.28.) este: (3.29.) Spre exemplu, numărul binar 101011 reprezintă în sistemul zecimal valoarea: N  1  2  0  2  1  2  0  2  1  2  1  2  43 (3.30.) Un număr fracţionar X se poate reprezenta binar prin succesiunea bn bn-1 ...b1 b0 (3.31.) N max

5

unde

bi 

0, 1,

i 



2

4

n 1

1

3

2

1

0

1,...n ,care are în sistemul zecimal valoarea dată de expresia: n

N 

  b 2 cu i

i

X max



1



2

n

(3.32.)

i 0

De exemplu, numărul fracţionar binar 0,1011 reprezintă în zecimal: X  1 2

1



02

2

 1 2

3

 1 2

4



0.6875

(3.33.)

În majoritatea convertoarelor analog-digitale se foloseşte forma binară fracţionară fără se mai reprezenta şi virgula zecimală. Această formă de codificare este convenabilă deoarece valoarea corespunzătoare unui anumit cod este interpretată ca o fracţiune din valoarea maximă, X max , a domeniului semnalului pe care convertorul îl acceptă la intrarea sa. Dacă toţi biţii sunt "1", atunci valoarea corespunzătoare acestui număr este maximă şi rezultă din (3. 29.) ca fiind: (1-2-n )X max, unde 2-n X max reprezintă mărimea pasului de cuantizare, iar 2-n este bitul cel mai puţin semnificativ (LSB) al codului binar cores punzător. Este important de subliniat că un cod obţinut la ieşirea unui DAC nu are nici o semnificaţie dacă nu este specificat tipul codului şi relaţia de conversie.


NECLASIFICAT

3.7. Conversia analog-numeric ă

Atât conversia analog-digitală cât şi conversia digital-analogică se realizează cu dispozitive fizice specifice. Astfel, în circuitele de eşantionare memorare se realizează eşantionarea iar convertoarele analog-digitale asigură cuantizarea şi codarea, separarea acestor două procese fiind posibilă şi necesară numai din punctul de vedere al analizei conceptuale. Un convertor analog-digital transformă o mărime analogică aplicată la intrare (de obicei tensiune de ±5V sau ±10V) într -un semnal electric interpretabil în tehnica digitală (interval de timp, frecvenţă sau cod numeric).

După tehnica de conversie utilizată, convertoarele A/D se clasifică astfel: • convertoare A/D directe, care convertesc nemijlocit tensiunea aplicată la intrare în cod numeric (de tip paralel, paralel serie, cu aproximaţii succesive, sigma-delta);

• convertoare A/D indirecte care convertesc tensiunea în interval de timp sau frecvenţa unor impulsuri (tensiune-frecvenţă, cu simplă rampă, dublă rampă, cu multiplă rampă); • convertoare A/D hibride, care combină cele două tehnici de conversie. În construcția sistemelor de înregistrare a parametrilor de zbor se regăsesc doar două dintre aceste tipuri, si anume: • convertoare A/D cu integrare în două, sau mai rar 4 pante; • convertoare A/D cu aproximații succesive; Datorită utilizării acestora în domeniul aeronautic, voi prezenta aceste două tipuri de convertoare în cele ce urmează. Conversia analog numerică cu dublă pantă

Conversia analog numerică cu dublă pantă este ilustrată în următoarea figură:

Figura 3.37. Schema de principiu a convertorului dublă pantă


NECLASIFICAT

Semnalul de intrare este integrat în tr-un interval de timp fixat T i, determinând la ieşirea integratorului o rampă liniară dacă este constant în timp. La sfârşitul intervalului de timp de integrare partea logică determină deconectarea semnalului analogic de intrare şi conectarea la o tensiune de referință în locul intrării analogice. Referința este de polaritate inversă față de semnalele de intrare. Timpul în care tensiunea pe integrator devine zero este dependent de mărimea tensiunii la care a fost încărcat condensatorul. Dacă T i=N iT c , se măsoară intervalul de timp de descărcare T x=N xT c. În timpul descărcării se obține: (3.34.)

În timpul integrării referinței, ieşirea integratorului devine zero. Atunci : (3.35.) cu T i=N iT c și T x=N xT c se obține: (3.36.)

de unde rezultă:

unde

̅

(3.37.)

este media semnalului de intrare în intervalul considerat.

Conversia analog numerică cu aproximaţii succesive (de tip serie) Acest tip de conversie asigură o viteză de lucru relativ mare şi o bună

rezoluţie la un grad de complexitate mediu. Aceste convertoare se realizează sub formă integrată în tehnologie monolitică. Convertorul are un singur comparator şi un convertor digital -analog în circuitul de reacţie. în schemă există un registru de aproximaţii succesive RAS (constituit în principal din n bistabili şi un circuit logic de comandă), un generator de tact şi un registru tampon cu ieşire TSL, unde se obţine codul numeric ca rezultat al conversiei.

O schemă simplificată pentru un astfel de convertor este dată în figura 3.38.


NECLASIFICAT

Fig. 3.38. Convertor analog numeric cu aproximaţii succesive

Convertorul este prevăzut cu o intrare analogică, unde se aplică tensiunea de intrare ui, o intrare de comandă "start conversie", ieşirea digitală de n biţi şi o ieşire "stare conversie'' care indică sfârşitul procesului de conversie, respectiv momentul când datele sunt valide la ieşire. La funcţionarea după metoda aproximaţiilor succesive, se realizează n comparaţii succesive cu un singur comparator în ritmul frecvenţei de tact, în loc de n comparaţii simultane, cu 2n-1 comparatoare (n fiind rezoluţia exprimată în număr de biţi). La comanda start a conversiei (cu un impuls de nivel logic 1), RAS dă la ieşire starea 1000...0, şi comandă la rândul lui convertorul D/A la ieşirea căruia se obţine o tensiune U 2 cu care se compară tensiunea de intrare (U max este limita maximă a tensiunii de intrare u ). i Dacă u  U 2 comparatorul îşi păstrează starea şi la al doilea impuls de max

max

i

generează la ieşire codul 1100...0; dacă u  U 2 comparatorul îşi schimbă starea la ieşire, ceea ce determină ca RAS să genereze codul 0100...0. La ieşirea convertorului în cele două situaţii se obţin tensiunile 3 U , respectiv tact RAS

max

i

4

1 4

U max

.

max

Succesiunea comparaţiilor se face după acest algoritm până se ajunge la

bitul de semnificaţie minimă LSB. Conversia completă se efectuează în n tacte, după ultimul tact obţinându-se aproximarea: n

u i  U ref  ai 2

i

n

 U max  ai 2

i 1

i

(3.38.)

i 1

Valoarea maximă a tensiunii de intrare care se poate converti şi pentru care codul numeric la ieşire este 111... 11, are expresia:


NECLASIFICAT u i max

1    U max 1  n .  2 

Deci, pentru un convertor de +10V de 12 biţi, corespunde tensiunea de intrare: u i max

(3.39.)

codului de ieşire 111...11 îi

1    10  1  12   9,9976V  2 

Diferenţa faţă de 10 V este tocmai

1

2

n

(3.40.)

, adică bitul de semnificaţie minimă (LSB).

Eroarea de conversie depinde de precizia convertorului D/A şi sensibilitatea comparatorului. Convertoarele A/D de 12 biţi cu aproximaţii succesive au erori relative de ordinul 0,015 - 0,025% sau 0,5-1 LSB. Timpul de conversie este cuprins între 5-40 μ s, pentru rezoluţia amintită. Principalul inconvenient al convertoarelor A/D cu aproximări succesive

constă în slaba rejecţie a semnalelor perturbatoare, dar aceste convertoare sunt destul de rapide şi ieftine, fiind cele mai răspândite în sistemele pentru achiziţia de date.

În urma prezentării tipurilor principale de convertoare folosite în fabricarea înregistratoarelor de bord, si având în vedere ca avionul pentru care trebuie proiectat înregistratorul este unul supersonic, fapt care implică o variație a parametrilor în game destul de mari, am ajuns la concluzia că pentru conversia analog numerică a datelor avem nevoie de un convertor pe 12 biți. Un astfel de convertor este convertorul AD574 produs de firma americană „Analog Devices”. Acesta este un convertor cu aproximații succesive, încadrându-se în tipurile de convertoare utilizate menționate anterior. Fiind un convertor pe 12 biți, asigură o precizie suficientă a datelor preluate de DFDR. Raportul preț/calitate este foarte bun, producția acestuia fiind una de serie mare. AD574 are avantajul de a fi produs fie sub forma de licență, fie clonat de mai multe firme, lu cru care permite asigurarea pieselor de schimb cu ușurință. Acest convertor este utilizat cu succes de câțiva ani în înregistratoarele din seria LORAL/FAIRCHILD-F1000. Caracteristicile CAN AD574:



CAN pe 12 biți cu referință și timer interne; Interfața internă de magistrală pentru microprocesor de 8/12/16 biți; Timp de conversie : maxim 35μs;



Timp de acces al magistralei: maxim 150 ns;

 

  

Capsula plastic/ceramică „in line”; Operabil la alimentări 0÷16,5 V; Temperaturi de operare: 0÷75oC (AD574A,ADC574AK); -55÷ +125oC (ADC574ASH,ADC574TH). NECLASIFICAT Pagina 92 din 143

NECLASIFICAT

Descriere CAN AD574:

Este un convertor analog/numeric pe 12 biți cu aproximații succesive, construit în tehnologie CMOS, conținând o referință internă de tensiune de +10V, Timer inter n, interfața digitală pentru comunicație cu microprocesor, precum și ieșiri „three-state”. Convertorul este proiectat special pentru a minimiza erorile de temperatura.

Poate fi setat pentru rezoluții de 8 sau 12 biți, în cazul din urmă timpul de conversie fiind de maxim 35μs. Datele numerice sunt disponibile în format TTL, prin intermediul unor buffere three-state de ieșire. Codul de ieșire este binar unipolar. În vederea simplificării arhitecturii sistemului, avem în vedere faptul că majoritatea microcontrolerelor au încorporate în structura lor și convertoare analog-numerice, eliminându-se astfel necesitatea unui convertor independent, care ar aduce și unele restricții minore referitoare interfațarea cu celelalte componente din sistem.


NECLASIFICAT

4. Arhitectura hardware a sistemului 4.1. Preliminarii

Înregistratorul de bord impus de tema de proiect face parte din clasa echipamentelor digitale de ultimă generație. Astfel, acesta trebuie sa răspundă tuturor cerințelor si standardelor existente care reglementează construcția înregistratoarelor, precum și să asigure preluarea și memorarea optimă a tuturor parametrilor de bord analizați în capitolele precedente. Tipul de memorie utilizat pentru stocarea datelor impus de tema proiectului corespunde ultimelor tendințe din domeniu, și anume memorie semiconductoare de tip EEPROM (sau E2PROM – Electrically Erasable Programable R ead-Only Memory).

Conform standardelor, blocul protejat trebuie să conțină o sondă ultrasonică, declanșabilă de un cartuș solubil în ap a de mare, pentru localizarea înregistratorului în cazul unei catastrofe produse deasupra mării. Înregistratorul trebuie să fie capabil să preia atât semnale analogice cât și comenzi unice,iar formatul datelor asigurat la ieșire să fie serial. Echipamentul trebuie să fie capabil de dialog cu echipamentele de bord, să livreze calculatorului de bord semnale de stare proprie, dar și cu echipamente periferice externe, precum echipamente de testare, preluare și decodificare a informațiilor. DFDR-ul trebuie sa conțină circuite de control al parității pentru verificarea cerectitudinii datelor stocate și circuite pentru monitorizarea activității microprocesorului (COP – computer operating properly, cunoscute si sub numele de „watch-dog”). Structura generală a înregistratorului va fi aceea de sistem controlat de microprocesor, împarțit în trei mari blocuri: blocul de alimentare, blocul de achiziție și prelucrare a semnalelor cât și blocul memoriei protejate.

Figura 4.1. Schema bloc simplificată a înregistratorului


NECLASIFICAT

4.2. Arhitectura hardware a sistemului

Figura 4.2. Arhitectura hardware a înregistratorului de bord NECLASIFICAT Pagina 95 din 143

NECLASIFICAT

4.3. Blocul de alimentare al înregistratorului

Blocul de alimentare al înregistratorului este un dispozitiv modular de tip „plug-in” (se poate integra în interiorul sistemului pentru a îndeplini funcții specifice) care poate fi accesat printr- un capac mic în partea din spate-sus a șasiului înregistratorului cum se poate vedea în figura 4.3.

Figura 4.3. Parțile componente al DFDR -ului Acesta

are rolul de a converti tensiunile primite de la rețeaua electroenergetică a avionului, 115 V c.a. / 400 Hz monofazat respectiv 28 V c.c., în tensiuni secundare necesare funcțiilor interne ale sistemului, traductoarelor proprii, precum și furnizarea sem nalelor de stare a alimentarii (power-on – alimentare corectă, power-fail – alimentare eșuată), acesta alertând microprocesorul și alte circuite de iminența căderii alimentării, cu scopul de a salva configurațiile și sarcinile în curs de derulare.[7] De asemenea, blocul de alimentare furnizează înregistratorului de voce din cockpit un semnal de sincronizare temporală Time Code/FSK.


NECLASIFICAT

4.4. Blocul de achiziție și prelucrare a semnalelor

În capitolul 3.1. am prezentat tipurile de semnale achiziționate și toate procesele de prelucrare a acestora aferente înregistrării de date. Pot astfel realiza schema blocului de achiziție și prelucrare a semnalelor în vederea înregistrării, pe care o putem vedea în figura 4.4.

Figura 4.4. Schema blocului de achiziție și prelucrare a datelor Blocul de achiziție şi condiţionare realizează adaptarea semnalelor de la

ieșirile traductoarelor, filtrarea şi amplificarea semnalelor la nivelul necesar introducerii lor în multiplexorul analogic și circuitul de conversie. Majoritatea traductoarelor oferă la ieșire semnale în gama 0 ÷ 5V, iar pentru cele ale căror gamă diferă, au fost prezentate circuitele de condiționare și adaptare în capitolul 3.1. Bl ocul de multi plexare are

rolul de a repartiza fiecărei intrări o anumită cuantă de timp pentru a fi codificată. El se comportă ca un comutator analogic comandat cu un grup de semnale numerice generate de logica de comandă. Comanda multiplexorului şi legarea intrărilor analogice se face după o logică impusă de ratele de eşantionare ale fiecărui semnal şi de către dispunerea acestora în frame. În vederea multiplexării, așa cum am precizat și în capitolul 3 .3, am adoptat o schemă piramidală, cu 17 multiplexoare 16:1, dintre care 16 primare și unul secundar. Cele 32 de comenzi unice au fost grupate cu ajutorul a 4

multiplexoare 8:1, si cuplate în circuitul de multiplexare la multiplexoarele primare astfel încât sa fie asigurată o rată de eșantionare de 2 eșantioane/secundă. Astfel, acest bloc compact de circuite identice, este văzut de microprocesor ca un multiplexor cu 256 de linii de intrare, selecția canalului trimis la convertorul NECLASIFICAT Pagina 97 din 143

NECLASIFICAT

analog-numeric fiind făcută printr -o multiplexoarelor. Întrucât cele 32

simplă incrementare a liniilor de adresă ale de comenzi unice nu necesită conversia analog numerică, ele fiind deja văzute ca 1 și 0 logic iar în urma multiplexării 8:1 drept cuvinte de 8 biți, trebuie să se implementeze o logică de comandă a selecției canalelor prin care comenzile unice să nu fie afectate de conversia analog-numerică. , am decis că pentru Pentru realizarea conversiei analog-numerice asigurarea unei rezoluții adecvate a parametrilor înregistrați, este nevoie de un convertor pe 12 biți. După cum am precizat și în capitolul 3.7., majoritatea microcontrolerelor au încorpor ate convertoare analog numerice, lucru care simplifică interfațarea cu celelalte componente, în cazul nostru memoria pentru stocare a informațiilor precum și unitatea de descărcare a datelor înregistrate în vederea decodificării la sol a parametrilor . Criteriile de alegere ale unui microcontroller potrivit sunt mai ample, însă principalul obiectiv este obţinerea calităţii dorite cu un cost cât mai scăzut. Calităţile dorite se referă la performanţă, fiabilitate, calităţi EMC (compatibilitate electromagnetică cu mediul), iar costul total include costurile cercetării, proiectării, construcţiei, testării şi reparării produsului. În primul rând se pune problema stabilirii funcţiei pe care un microcontroler trebuie să o îndeplinească în sistem. Alegerea din catalog a unui microcontroler trebuie făcută în ideea folosirii a cât mai puţin hardware suplimentar. După stabilirea microcontrolerului optim se verifică preţurile, disponibilitatea, suportul, existenţa uneltelor de dezvoltare şi stabilitatea f irmei constructoare.


NECLASIFICAT

4.5. Microcontroller-ul ATxmega128B3 [10]

Blocul de calcul va fi realizat cu ajutorul unui microcontroller, ceea presupune atât o implementare hardware a sistemului cât și o implementare software. În prezentul proiect voi trata implementarea hardware a sistemului utilizând microcontrolerul Atxmega128B3 produs de firma Atmel.

Motivul alegerii acestui microcontroler este dat de existența în componența sa a unui convertor analog-numeric pe 12 biți, existența interfețelor SPI (Serial Peripheral Interface) și I2C (Inter Integrated Circuits) – care sunt interfețele principale ale memoriilor de tip EEPROM pe care le vom utiliza, precum și prețul de cost redus, disponibilitatea produsului și nu în ultimul rând, încadrarea în condițiile mecano-climatice de funcționare. Microcontrolerul Atxmega128B3 face parte din familia de microcontrollere cu consum redus de energie, performanțe ridicate, bogată în periferice, bazată pe arhitectura RISC (Reduced Instruction Set Computing) îmbunătățită. Prin executarea instrucțiunilor într -un singur cicul de ceas, dispozitivul poate executa

până la 32 de milioane de instructiuni pe secundă (MIPS) la o frecvență de 32 MHz, permițând astfel optimizarea consumului de energie comparativ cu viteza de procesare. Unitatea de p rocesare combina un bogat set de instrucțiuni cu 32 de registre de lucru de uz general. Toate cele 32 de registre sunt conectate direct la unitatea

logică aritmetică (ALU – Arithmetic Logic Unit), care permite accesarea a două registre independente într -o singură instrucțiune, executată într -un singur ciclu de ceas.

Microcontrollerul oferă următoarele facilități: 128 Kilobytes memorie programabilă FLASH cu posibilitatea de citire în timpul scrierii, 2 Kb memorie EEPROM și 8Kb memorie SRAM, controler DMA (direct memory acces) pe două canale, 36 de linii intrare/ieșire de uz general, numărător în timp real de 32MHz (RTC – real time counter), o interfață serială pe două fire (I2C), doua interfețe seriale periferice (SPI), o interfață USB 2.0., opt canale de co nvertor analog-numeric pe 12 biți, cu câștig programabil, două comparatoare analogice și timer Watchdog cu oscilator intern separat. Memoria Flash are o viață de 10 000 de cicluri de scriere-ștergere iar memoria EEPROM are o viață de 100 000 de cicluri de scriere-ștergere. Durata

de păstrare a datelor este de 20 de ani pentru o temperatură de 85 oC și de 100 de ani pentru 25oC. Caracteristici electrice: temperatură de funcționare: -45oC ÷ temperatură de stocare -60oC ÷ +125oC; tensiuni de operare 1.6V

frecvențede operare: 0÷12 MHz de la 1.6V și 32 MHz de la 2.7V. NECLASIFICAT Pagina 99 din 143

+105oC; ÷ 3.6V;

NECLASIFICAT

Figura 4.5.Diagrama bloc și configurația pinilor microcontroller -ului

Arhitectura AVR are două spații principale de memorie, și anume memoria program și memoria de date. Codul executabil poate fi scris doar în memoria program, în timp ce datele pot fi stocate atât în memoria program cît și în memoria de date. Memoria de date include memoria

SRAM (Static Random Acces Memory) internă și memoria EEPROM pentru stocarea nevolatilă a datelor. Toate

spațiile de morie sunt lineare. O secțiune separată a memoriei conține biții de siguranță care sunt folosiți pentru configurarea funcțiilor importante ale NECLASIFICAT Pagina 100 din 143

NECLASIFICAT

sistemului și pot fi scrise doar cu ajutorul unui programator extern. În plus, fiecare dispozitiv are un rând de semnatură în memoria Flash pentru datele de calibrare,

de identificare a dispozitivului, numărului de serie, etc. Dispozitivele AVR XMEGA conțin memorie reprogramabilă flash pentru stocarea programului. Memoria flash poate fi acc esată pentru scriere și citire de la un porgramator extern prin intermediul PDI (Program an Debug Interface) sau

prin aplicația software care rulează pe dispozitiv. Toate instrucțiunile procesoarelor AVR sunt de 16 sau 32 de biți, iar fiecare locație flas h este de 16 biți. Memoria flash este organizată în două mari secțiuni, „Application section” (secțiunea aplicației) și „Boot loader section” (secțiunea de încărcare). Cele două secțiuni au dimensiuni fixe, dependente de dispozitiv (vezi figura 4.6.). Cele două secțiuni au biți de blocare separați (lock bits), și pot avea diferite niveluri de protecție. Secțiunea aplicației cuprinde un tabel al secțiunii aplicației („application table section”) cu setări de blocare separate. Acesta permite stocarea în condiții de siguranță a datelor nevolatile în memoria program.

Figura 4.6. Memoria program a microcontroller-ului

Secțiunea aplicație este secțiunea de flash care este folosită pentru stocarea codului executabil al aplicației. Nivelul de protecție pentru această secțiune poate fi selectat de biții de blocare din secțiunea de încărcare. Secțiunea aplicației nu poate stoca nici un cod de încărcare. Tabelul secțiunii aplicației este o parte a acesteia care poate fi utilizată pentru stocarea datelor. Dimensiunea acestuia este egală cu dimensiunea secțiunii de încărcare. Dacă această secțiune nu este utilizată pentru date, codul aplicației poate fi stocat aici.

În timp ce secțiunea aplicației este folosită pentru stocarea codului aplicației, software-ul secțiunii de încărcare trebuie să situat în sețiunea de NECLASIFICAT Pagina 101 din 143

NECLASIFICAT

încărcare deoarece instrucțiunea SPM (store program memory) poate iniția programarea doar cand se execută din această secțiune. Dacă această secțiune nu este utilizată pentru software -ul de încărcare, atunci se poate stoca aici codul aplicației. Memoria de date conține memoria de intrare/ieșire, memorie SRAM (memorie cu acces aleator statică) internă și opțional memorie mapată EEPROM. Memoria de date este organizată ca o secțiune de memorie continuă (vezi figura 4.7.). Pentru simplificarea dezvoltării, memoria de intrare/ieșire, memoria statică cu acces aleator și memoria EEPROM, va avea mereu acceași adresă de început pentru toate dispozitivele XMEGA.

Figura 4.7. Adresele memoriei de date (hexazecimale) EEPROM-ul microcontrolerului Atxmega128B3 are o dimeniune de 2KO.

Este organizată ca un spațiu separat față de memoria de date, unde se pot scrie și ciţi doar octeți. Memoria are o durată de 100 000 de cicluri de ștergere/scriere. Accesul dintre EEPROM și CPU se realizează pe una din interfețele SPI, JTAG sau paralelă.


NECLASIFICAT

4.6. Convertorul analog numeric al ATxmega128B3 [10]

Caracteristici:   



  

Conține un convertor analog-numeric (ADC); Rezoluția de 12 biți; Până la 300 de mii de eșantioane pe secundă; pul de conversie de 2.3 μs la rezoluția de 8 biți; o Tim o Timpul de conversie de 3.35 μs la rezoluția de 12 biți; Intrare single-end și diefer ențială; o Până la 8 intr ări single-end; o 8 x 4 intrări diferențiale fără câștig; o 8 x 4 intrări diferențiale cu câștig; Etaj de amplificare încorporat de 1x/2,1x,2x,4x,8x,32x și 64x; Opțiuni de conversie unică, continuă și căutare; Trei intrări interne: o Senzor intern de temperatură; o Tensiunea Vcc împărțită la 10; o

 

1.1 V decalaj de tensiune;

Opțiuni de referință internă și externă; Funcție de comparare pentru monitorizarea precisă a pragurilor definite de utilizator;



 

Opțional conversie declanșată de eveniment pentru o sincronizare exactă; Opțional transfer DMA al rezultatelor de conversie; Opțional întrerupere operație la rezultatul comparației.

ADC-ul

convertește semnalele analogice în valori digitale. Acesta are o rezoluție de 12 biți și este capabil de conversia a până la 300 de mii de eșantioane pe secundă. Selecția de intrare este flexibilă, putând fi facute atât măsurători single-end cât și măsurători diferențiale. Intrarea poate fi ,,single end” – tensiunea de i ntrare se calculează între pinul de intrare și GND, sau diferențială – diferența de tensiune între doi pini de intrare. Pentru măsurătorile diferențiale este disponi bil un etaj de amplificare pentru a mări gama dinamică. În plus, sunt disponibile și unele semnale de intrare interne. ADC-ul poate oferi atât rezultate cu semn cât și rezultate fără semn. Măsurătorile ADC-ului pot fi inițiate fie de aplicația software, f ie de un semnal venit de la un alt periferic al microcontroller- ului. Măsurătorile pot fi pornite cu sincronizare predictibilă, și fără intervenție software. Este posibilă utilizarea memoriei cu acces dinamic (DMA) pentru a muta rezultatele conversiei NECLASIFICAT Pagina 103 din 143

NECLASIFICAT

direct în memoria microcontroller -ului sau procesul de conversie. ADC-ul poate folosi atât tensiuni de

către periferice, când este finalizat

referință interne cât și externe. Un senzor de temperatură integrat este disponibil pentru utilizarea cu ADC-ul. Convertorul are și o funcție de comparare pentru monitorizarea exactă a pragurilor definite de utilizator, care necesită o minimă intervenție software.

Figura 4.7. Vedere de ansamblu asupra ADC-ului Sursele de intrare sunt tensiunile pe care ADC-ul le poate măsura converti. Pentru acest ADC există 4 tipuri de măsurători ce pot fi selectate: - intrare diferențială; - intrare diferențială cu câștig; - intrare single-end; - intrare internă. Pinii de intrare sunt folosiți pentru intrările single -end și diferențiale,

și

în timp ce intrările interne sunt disponibile direct din interiorul dispozitivului. Pentru dispozitivele cu două ADC-uri, pinii PORTA pot fi de intrare pentru ADCA iar pinii PORTB pentru ADCB. Pentru dispozitivele cu un singur ADC, atât pinii PORTA cât și PORTB pot fi folosiți pentru intrarea lui ADCA. Pentru aplicația noastră vom intrarea ADC-ului va fi de tip single-end. Pentru măsurătorile single-end, toți pinii de intrare pot fi folosiți drept intrări. Aceste măsurători pot fi făcute în ambele moduri, cu semn, respectiv fără semn. NECLASIFICAT Pagina 104 din 143

NECLASIFICAT

Intrarea negativă este conectată la GND intern în măsurătoarea cu semn.

Figura 4.8. Măsurătoare cu semm (stânga) și fără semn (dreapta)

În modul fără semn, intrarea negativă este conectată la jumătate din tensiunea de referință (VREF) minus o tensiune de compensare fixă: ΔV= VREF x 0.05 Gama de variație a semnalului la intrarea în ADC este cuprinsă între 0 și VREF pentru intrările pozitive de tip single-end. Rezultatele conversiei analog-numerice sunt scrise în regi strele de rezultate ale ADC-ului. Convertorul poate fi configurat să genereze rezultate de 8 sau 12 biți. Rezultatele cu rezoluție mai mică vor fi disponibile mai rapid. Registrul de rezultate are o lățime de 16 biți, iar datele sunt stocate drept valori de 16 biți aliniați la dreapta. Alinierea la dreapta înseamnă că 8 cei mai puțin semnificativi biți (LSB) se găsesc în octetul „low”. Un rezultat pe 12 biți poate fi reprezentat aliniat la dreapta sau la stânga. Alini erea la stânga inseamnă că 8 cei mai semnificativi biți (MSB) se gasesc în octetul „high”. Controller-ul DMA (Direct Memory Acces) poate fi utilizat petru a transfera rezultatele conversiei către memorie sau alte periferice. Un nou rezultat al conversiei poate declanșa un transfer DMA. ADC-ul poate genera cereri de întrerupere și de evenimente. Canalul

convertorului are setări de întrerupere individuală și vectori de întrerupere. Cererile de întrerupere și evenimentele pot fi generate când conversia analog numerică este completă sau când măsurătoarea ADC-ului este deasupra sau sub valoarea din registrul de comparare.


NECLASIFICAT

4.7. Blocul memoriei protejate

Tema proiectului impune drept mediu de stocare al datelor memoriile semiconductoare de tip EEPROM. Pentru a putea calcula cantitatea de memorie

necesară, trebuie să detaliem modul de organizare a informației. Informaţia este organizată în frame-uri a căror durată a fost stabilită a fi de o secundă. Fiecărui parametru măsurat îi corespunde cel putin o adresă fixă în frame , deci şi în memorie. Valorile standard ale ratelor de eșantionare permit o reprezentare foarte sugestivă a frame-ului, aceasta putându-se reprezenta ca o matrice de 16 linii şi 16 coloane (vezi tabelul 4.1.) , fiecare element făcându-şi apariţia doar pe o singură coloană, apărând astfel într -un mod periodic ca element al acesteia, astfel încât adresarea lui va fi mult s implificată. Distribuția uniformă obținută prin acest mod de reprezentare a informației face posibilă o decodificare facilă. Alături de parametrii analogici şi comenzile unice, înregistratorul mai preia următoarele informaţii: - numărul aeronavei - NA - pe12 biţi - număr ul pilotului NP - pe 8 biţi - luna, ziua, anul ALZ - pe16 biţi - ora şi minutul corespunzătoare începutului zborului -12 biţi - număr ul operatorului la sol - NOS - pe8 biţi Datele acestea sunt numite date documentare ale aeronavei şi folosesc la împiedicarea falsificării înregistrărilor, dar și pentru a deține o evidenţă mult mai clară a acestora. Ele vor fi înregistrate în 7 cuvinte de 8 biți chiar la începutul înregistrării (7 octeți). Calcul ul necesaru l ui de memori e:

Durata unui cadru este de o secundă, iar într-un cadru avem 256 de adrese de locaţii de memorie .Timpul maxim de înregistrare impus este de 90 de minute. Din cele 256 de adrese 8 sunt folosite pentru comenzile unice, rămânându-ne astfel 248 de adrese de memorie pentru parametrii analogici. Cele 32 de comenzi unice sunt grupate câte 8 , adică

4 octeți, ceea ce înseamnă că la o rată de două eșantioane pe secundă avem nevoie de 8 octeți într o secundă de zbor pentru comenzile unice. Cei 64 de parametri analogici sunt convertiți cu ajutorul unui conv ertor analog numeric pe 12 biți. Avem: 248∙12=2976 b = 372 octeți necesari pentru stocarea parametrilor analogici într -o secundă de zbor . M= 7B + (372B+8B)∙5400s = 2052007 B = 1,96 MB de memorie pentru 90 de minute de zbor. (b=bit, B=byte/octet, KB = kilobyte, MB = megabyte). NECLASIFICAT Pagina 106 din 143

NECLASIFICAT

Tabelul 4.1.Reprezentarea matriceală a frame -ului 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0 Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx Nx

1 Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny Ny

2 Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz Nz

3 SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU SAU

4

5

φ mφ φ mφ φ mφ φ mφ φ mφ φ mφ φ mφ φ mφ

α mθ α mθ α mθ α mθ α mθ α mθ α mθ α mθ

6 stab.s stab.d stab.s stab.d stab.s stab.d stab.s stab.d stab.s stab.d stab.s stab.d stab.s stab.d stab.s stab.d

7 eler H.b eler H.r eler H.b eler H.r eler H.b eler H.r eler H.b eler H.r

8

θ dir T1.st. T1.dr.




9 T3.st. T3.dr. T4.st. T4.dr. T3.st. T3.dr. T4.st. T4.dr. T3.st. T3.dr. T4.st. T4.dr. T3.st. T3.dr. T4.st. T4.dr.

10 11 β n1.dr. mψ n1.st. v.i. mgst v.a. mgdr n1.dr. volst n1.st. voldr ψ TempA n2.dr. ψg β n1.dr. mψ n1.st. v.i. mgst v.a. mgdr n1.dr. volst n1.st. voldr ψ TempA n2.dr. ψg


12 13 14 15 n2.st. p4.dr. Ucc27V Long. pu.st. Vbk.st. Trim.el. Comb. pu.dr. Vbk.dr. Trim.pr. q.comb. Trim.θ 8B-1 p1.st. Vbtb.st. p1.dr. Vbtb.dr. O2 8B-2 p2.st. Aj.st. T.st. 8B-3 p2.dr. Aj.dr. T.dr. 8B-4 p4.st. Uca115V Lat. Time n2.st. p4.dr. Ucc27V Long. pu.st. Vbk.st. Trim.el. Comb. pu.dr. Vbk.dr. Trim.pr. q.comb. Trim.θ 8B-1 p1.st. Vbtb.st. p1.dr. Vbtb.dr. O2 8B-2 p2.st. Aj.st. T.st. 8B-3 p2.dr. Aj.dr. T.dr. 8B-4 p4.st. Uca115V Lat. Mach

NECLASIFICAT

În urma calculelor am ajuns la concluzia că avem nevoie de 2 megaocteți de memorie pentru 90 de minute de zbor. Totuși, având în vedere că este posibilă alimentarea în zbor și astfel poate fi extins timpul în care aeronava poate sta în aer, consider mai eficientă adăugarea a încă 2 megaocteți de memorie decât să o rescriem după atingerea capacității maxime, având în vedere faptul că prețul de cost pentru memoriile semiconductoare EEPROM nu este deloc ridicat iar implementarea softwar e nu ridică probleme.

EEPROM (sau E2PROM), denumire provenită de la Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, este un tip de memorie nevolatilă folosită în calculatoare și alte echipamente electronice pentru a stoca date ce trebuie să persiste și după întreruperea alimentării cu curent. Cea mai importantă caracteristică a acestei memorii este că nu e volatilă. Acest lucru simplifică construcția înregisstratoarelor de bord, întrucât nu este necesară adoptarea unei surse de avarie, datele rămânând înregistrate chiar și după întreruperea alimentării cu curent, inevitabilă în cazul unei catastrofe. Când este necesar un spațiu mai mare de stocare (întâlnit la stick -urile USB), se folosește din motive economice un alt tip de memorie EEPROM: memorie flash.

Memoria EEPROM este formată dintr -o matrice de celule de memorie care, la rândul lor, sunt formate din perechi de tranzistori ce au între ei un strat subțire de oxid izolator. Un tranzistor este numit poartă flotantă (floating gate), iar celălalt poartă de control (control gate). Memoria EEPROM poate fi ștearsă și reprogramată (rescrisă) în mod repetat prin aplicarea unei tensiuni mai mari decât cea generată de circuitul extern sau intern, în cazul celor mai moderne memorii EEPROM. De obicei memoriile EPROM trebuie înlăturate din circuit pentru ștergere sau programare, în timp ce memoriile EEPROM pot fi programate și sterse în circuit. Datorită numărului limitat de programări/ștergeri, memoriile EEPROM sunt cel mai des întâlnite ca memorii de stocare a datelor de configurație, și mai rar ca memorii cu acces aleator.

După studierea cataloagelor de profil, am ales să folosesc pentru stocarea informațiilor 4 chip-uri de memorie identice, fiecare cu capacitatea de 1 MB. Memoria aleasă are numele de catalog AT25M01 și este produsă de firma Atmel. Prețul este redus, se află încă în procesul de producție și se găsește la mai mulți distribuitori, lucru care ne garantează existența pieselor pentru înlocuire în cazul apariției unor defecte sau pentru cazul în care memoria a atins numărul maxim de cicluri de ștergere și rescriere admis. [10]


NECLASIFICAT

Caracteristici: - Compatibilitate cu interfața serială periferică (SPI); - Suportă modurile SPI 0(0,0) și 3(1,1) ; - Functionare la alimentări de tensiuni mici: o Vcc=1.7V la 5.5V - Frecvențe de lucru mari:

20MHz frecvență de tact de la 4.5V la 5.5V; o 10 MHz frecvență de tact de la 2.5V la 5.5V; o 5Mhz frecvență de tact de la 1.7V la 5.5V; - Suportă operații Byte Write (scrierea octeților) și 256 -byte Page Mode (scrierea paginilor de câte 256 de octeți); - Protecția blocului de scriere: o Protecție ¼ , ½, sau în întregime; - Pin de protecție a scrierii (write protect ) și instrucțiuni de dezactivare a scrierii (write disable) pentru protecție hardware cât și o

̅

-

software; Ciclu de scriere auto cronometrat (maxim 5ms);

Rezistență ridicată: o Anduranță: 1 000 000 cicluri de scriere; o Retenția datelor: 100 de ani; - Posibilități de livrare în forme diferite: SOIC (small -outline integrateg circuit) și WSCLP ( Wafer Level Chip Scale Packing). Memoria Atmel AT25M01 oferă o capacitate de 1 MB de meorie tip EEPROM organizată drept 131,072 de cuvinte de 8 biți fiecare. Dispozitivul este optimizat pentru utilizarea în multe domenii industriale și și comerciale în care funcționarea la tensiuni și puteri mici sunt esențiale. AT25M01 este activată prin intemediul funcției Chip Select ( ) și accesat printr-i interfață cu 3 fire alcătuită din: Seria Data input (SI -intrare de date serială), Serial Data Output (SO- ieșire de date serială), și Serial Clock (SCK). To ate ciclurile de programare sunt auto-temporizate, fără cicluri de ștergere separate necesare înainte de a scrie. Protecția de blocare a scrierii este activată prin programarea registrului de stare cu ¼ , ½, sau întreaga matrice la protecția la scriere. Instrucțiuni separate de activare și dezactivare program (Program enable/disable) sunt oferite pentru protecția adițională a datelor. Protecția hardware a datelor este oferită de pinul care blochează încercările inadvertente de scriere în registrul de stare. Pinul poate fi utilizat pentru a întrerupe orice comunicație serială fără a reseta secvența serială.

̅

̅ ̅


NECLASIFICAT

Figura 4.9. Vederile chip-ului de memorie și dimensiunile acestuia

Figura 4.10. Configurația pinilor memoriei AT25M01


NECLASIFICAT

Figura 4.11. Diagrama bloc a memoriei AT25M01

Limitele de funcționare: -

Temperatura de lucru: de la -55 oC la +125oC; Temperatura de stocare: de la -65 oC la +150oC Tensiunea la fiecare pin: -1V la +7V;

Tensiunea de lucru maximă: 6.25V; Curentul de ieșire: 5mA. Utilizarea depășind aceste limite poate cauza defecțiuni permanente dispozitivului, iar expunerea la condițiile maxime pentru perioade îndelungate poate afecta autenticitatea datelor. Partea protejată a DFDR -ului, respectiv blocul de memorie,trebuie să se conformeze standardelor mecano-climatice impuse înregistratoarelor, care au fost prezentate în capitolul 1.5. Din punct de vedere constructiv, forma ideală a

blocului memoriei protejate (denumit în standardele ARINC și MIL „Crash survivable memory unit” - CSMU) este cea sferică, vopsit în portocaliu f luorescent, dar din considerente tehnologice este realizat sub formă de paralelipiped în majoritatea cazurilor. NECLASIFICAT Pagina 111 din 143

NECLASIFICAT

Figura 4.12. Crash Survivable Memory Unit Din punctul de vedere al structurii interne, CSMU conține: - Blocurile de memorie; - Interfața cu blocul de achiziție care are dublu rol: culegerea datelor, iar

în caz de catastrofă citirea datelor înregistrate; - Baliza ultrasonică pentru localizarea subacvatică în caz de catastrofă, (dispozitiv denumit de st andardul MIL „Underwater Locating Device” a cărui declanșare este efectuată de un cartuș solubil în mediul salin, al cărui contact cu exteriorul este o membrană cu diametrul de 1.5mm, localizată în interiorul pereților compartimentați ai primului scut dubl u de protecție exterioară al DFDR, care are în zona respectivă o serie de perforații. - Scuturile de protecție termo-mecanică, acestea oferind posibilitatea prin modul de dispunere accesul direct la bancurile de memorie în caz de catastrofă. Controlul periodic

al înregistratorului, utilizând echipamente anexe (calculator, set de traductoare simulate, etc.), include și testarea capacității de funcționare corectă a blocului memoriei protejate, precum și comportarea balizei ultrasonice simulându-se mediul marin. NECLASIFICAT Pagina 112 din 143

NECLASIFICAT

Figura 4.13. prezintă modalitățile de dispunere ale înregistratorului pe aeronavă. Zona de la baza derivei cât și cea de pe coama dorsală (între motoare) sunt unele din cele mai puțin expuse în caz de catastrofă, prin această modalitate de dispunere asigurându-se reducerea solicitărilor la care este supus blocul memoriei protejate.

Figura 4.13. Pozițiile de dispunere ale DFDR -ului pe aeronavă

În capitolul următor, care va cuprinde descrierea arhitecturii fluxului de date a sistemului, voi analiza și modul de accesare al memoriei.


NECLASIFICAT

5. Arhitectura fluxului de date vehiculat și controlul funcționării sistemului 5.1. Introducere

Sistemele de achiziţie a datelor sunt deseori incluse alături de alte aparate electronice într -un sistem complex de măsurare, prelucrare a rezultatelor şi conducere, coordonat de un calculator central. Principala problemă ce trebuie soluţionată în cadrul unui astfel de sistem o constituie dialogul între elementele componente.

În sens larg, o interfaţă asigură comunicarea aparatelor electronice cu un calculator central, în scopul setării modului lor de funcţionare precum şi transferul propriu-zis de date. Evident, fiecare echipament din sistem trebuie să fie prevăzut cu un bloc de interfaţă pentru interconectarea cu restul echipamentelor. Transferul de date se realizează prin aşa-numita magistrală, al cărei suport fizic poate fi unul cu fir (conductori convenţionali) sau fără fir (canal radio sau transmisie în infraroşu). Realizarea unui sistem complex este mult uşurată dacă echipamentele ce urmează a fi conectate între ele sunt dotate cu interfeţe standardizate. În cadrul unui standard de interfaţă sunt definite deopotrivă mărimile mecanice (tipul conectoarelor), mărimile electrice (valori limită de tensiune şi de curent ale semnalelor logice), dar şi magistralele şi protocoalele de comunicaţie corespunzătoare standardului. În general, prin protocol de comunicaţie se înţelege ansamblul de biţi, caractere şi coduri de comandă utilizate pentru transferul datelor între echipamentele cuplate printr-o interfaţă standard. Un protocol de comun icaţie trebuie să excludă orice posibilitate de confuzie, pierderi de date şi blocuri de informaţie, şi să permită, în acelaşi timp, ca echipamentele mai lente să poată comunica cu echipamentele mai rapide. Totodată, protocolul trebuie să fie independent de structura hard a echipamentelor (tipul de circuite integrate folosite, etc.), pentru că altfel modificările sau îmbunătăţ irile tehnologice ar fi greu de aplicat. Un sistem de achiziţie de date dotat cu o interfaţă standard, poate fi conectat la orice calculator de uz general, prevăzut cu interfaţa standard corespunzătoare. În prezent, există un mare număr de interfeţe standard, care pot fi grupate în două categorii: interfeţe de tip serie şi interfeţe de tip paralel.

Interfaţa serie foloseşte un număr redus de linii de comunicaţie, pe care biţii de informaţie sunt transmişi succesiv. Din această cauză, precum şi datorită faptului că pe lângă biţii de informaţie, corespunzători unui octet, se transmit şi alte informaţii (biţii de start şi de stop, pentru a delimita un octet, etc.), rezultă că NECLASIFICAT Pagina 114 din 143

NECLASIFICAT

viteza de transfer este redusă. Avantajele comunicaţiei serie constă în numărul redus de linii de comunicaţie, precum şi posibilitatea conectării relativ sim ple a

două aparate aflate la distanţe mari. Din categoria interfeţelor/magistralelor seriale fac parte, de exemplu: RS 232, I2C, RS 422, SPI.

Interfaţa de tip paralel foloseşte comunicaţia paralelă între echipamentele cuplate la o magistr ală, astfel încât biţii de date ai unui cuvânt (unul sau doi octeţi) sunt transmişi simultan, pe linii diferite. În afara liniilor d e date propriu-zise, magistrala standard de tip paralel mai inclu de şi linii pentru semnalele de comandă, necesare pentru buna desfăşurare a comunicaţiei. Apariţia unor noi interfeţe de tip paralel, este în continuare impusă de nevoia mereu crescândă de a transfera date cu viteze din ce în ce mai mari între diferite echipamente (zeci de Mocteţi/s). Microcontroller-ul ales pentru controlul sistemului (Atxmega128B3),

dispune de mai multe interfețe seriale, cum ar fi SPI(interfață serială periferică), TWI (interfață serială pe 2 fire) , USB (interfață serială universală) și USART (interfață serială sincronă și asincronă universală). În vederea stocării datelor, memoria EEPROM aleasă (AT25M01) dispune de o interfață serială periferică (SPI). În prezentul capitol voi indica modul de comunicare dintre convertorul analog-numeric și memorie în scopul înregistrării, cât și modul de comunicare al memoriei cu exteriorul, în scopul decodificării la sol a datelor memorate. Microcontroller-ul ales dispune de un circuit de control care oferă acces direct la memoria internă a microcontroller -ului, DMAC – Direct Memory Access Controller. Acesta permite transferul de date de mare viteză cu intervenția minime a CPU (Central Processing Unit - unitatea centrală de procesare a datelor) între memoriile de date interne, memoria de date internă către periferice, de la periferice către memoria de date, respectiv între periferice.


NECLASIFICAT

5.2.Controller-ul accesului direct la memoria i nternă – DMAC[10]

Controller-ul

acccesului direct la memorie (DMAC) are două canale care permit transferul de date între memoriile interne ale microcontroller -ului ATxmega128B3 și dispozitivele periferice (precum memoria EEPROM în care vom înregistra datele de zbor) cu intervenția minimă a unității centrale de procesare (CPU). Microcontroller-ul ales dispune de 4 Kilobytes de memorie SRAM și de 2 Kilobytes de memorie EEPROM proprii. Cele două canale permit

transferuri paralele și independente, de exemplu scrierea memoriei cât și citirea datelor înregistrate în același timp. Controller-ul DMA (Direct Memory Access) poate muta date între memoria SRAM (Static Random Access Memory) și regiștrii per ifericelor. Cu acces la toate perifericele, controller-ul DMA poate manipula transferuri de date

către/de la modulele de comunicare. Transferurile de date sunt făcute în rafale continue de 1, 2, 4 sau 8 octeți. Adresarea sursei și a destinației poate fi statică, incrementală sau decrementală. Reîncărcarea adreselor sursei și/sau a destinației poate fi făcută după fiecare secvență de transfer, sau la finalul transferului. Software-ul aplicației, perifericele sau evenimentele sunt cele care pot declanșa transferurile DMA. Cele două canale ale DMA au configurație și instrucțiuni de control individuale. Aceasta include sursa, destinația, declanșatoarele de transfer și dimensiunile transferurilor.

Pentru a permite transferurile continue, cele două canale pot f i interconectate astfel încât cel de-al doilea canal preia transferul când primul termină, și viceversa.

Figura 5.1. Prezentarea de ansamblu a DMAC NECLASIFICAT Pagina 116 din 143

NECLASIFICAT

O operație completă de citire și scriere între memorii și/sau periferice este numită tranzacție DMA. Tranzacțiile sunt făcute în blocuri de date, și dimensiounile tranzacției (numărul octeților tranferați) este selectabilă cu ajutorul software-ului și controlată de dimnesiunea blocului și setările contorului de repetiție. Fiecare bloc este divizat în rafale mai mici. Un contor de repetiție poate fi utilizat pentru a stabili un număr de blocuri de transfer repetate înainte ca o tranzacție să fie completă. Din moment ce unitatea centrală de procesare și controller -ul DMA utilizează aceleași magistrale de date, transferul unui bloc este împărțit în rafale mai mici de transfer de 1,2,4, sau 8 octeți, ceea ce înseamnă că dacă DMA ocupă magistrala și o cerere de transfer este în așteptare, acesta va ocupa magistrala până când toți octeții din rafală vor fi transferați. Un arbitru de magistrală controlează când DMAC și CPU pot utiliza magistrala. CPU are mereu prioritate, deci cât timp CPU necesită accesul la magistrală, orice rafală de transfer în așteptare trebuie să aștepte. Unitatea centrală de procesare necesită accesul la magistrală când execută o instrucțiune care scrie sau citește date de la memoria SRAM, memoria de intrare/ieșire sau iterfața magistralei externe.

Figura 5.2. Tranzacțiile DMA

Transferurile DMA pot începe doar când sunt detectate cererile de transfer, care pot fi declanșate din software, de către periferice sau de unele evenimente. În mod implicit, un declanșator pornește o operație de transfer a unui bloc de date, iar în momentul în care transferul este complet, canalul este dezactivat automat. De asemnea, se poate declanșa doar transferul unei singure rafale de date. Daca modul de repetiție este activat, transferul următorului bloc de date nu mai necesită un declanșator, începând imediat ce blocul de date precedent a fost transferat. Dacă sursa declanșatoare generează o cerere de transfer în timpul unui transfer aflat în desfășurare, aceasta va fi pusă în așteptare și transferul va putea începe la finalul celui aflat în curs. Se poate reține doar o singură cerere de transfer, deci în cazul în care sursa declanșatoare generează mai multe cereri de transfer când una este deja în așteptare, aceasta va fi pierdută. NECLASIFICAT Pagina 117 din 143

NECLASIFICAT

5.3. Interfața SPI

Interfața seriala SPI (Serial Peripheral Interface) este o interfața sincronă standard de mare viteză, ce operează în mod full duplex. Numele ei a fost dat de Motorola. Ea e folosită ca sistem de magistrală serială sincronă pentru transmiterea de date, unde circuitele digitale pot să fie interconectate pe principiul master-slave. Aici, modul master/slav e înseamnă, că dispozitivul (circuitul) digital master inițiază cuvântul de date. Mai multe dispozitive (circuite) digitale slave sunt permise cu slave select individual, adică cu selectare individuală.

Figura 5.3. SPI bus: single master și single slave SPI-ul are patru semnale logice specifice: 

SCLK - Ceas serial (output din master);



MOSI/SIMO - Master Output, Slave Input (output din master);



MISO/SOMI - Master Input, Slave Output (output din slave);



SS - Slave Select (active low; output din master).

Interfața SPI poate multe dispozitive slave.

opera cu un singur dispozitiv master și unul sau mai

Dacă un singur dispozitiv slave este utilizat, pinul pentru SS poate fi setat pe nivelul logic "low"("jos") dacă dispozitivul permite. Unele slave-uri necesită pentru selecție, "falling edge" (tranziție de la nivelele înaltă/high→joasă/low) al slave-selectului pentru a iniția o acțiune, precum circuitul ADC (convertor analogic-digital), care începe conversia la tranziția respectivă. În cazul existenței mai multor dispozitive de tip slave, un semnal SS independent este necesar de la master pentru fiecare dispozitiv (circuit) digital slave. Majoritatea dispozitivelor slave au trei stări logice (en. tri -state), așa că

semnalul MISO devine "deconectat" (ieșire în gol) atunci când dispozitivul nu este selectat. Dispozitivele fără trei stări logice nu pot împărți (nu pot participa la) NECLASIFICAT Pagina 118 din 143

NECLASIFICAT

magistrala SPI cu alte dispozitive; doar acele slave-uri pot comunica cu master-ul și doar dacă au activat chip-selectul. Pentru a începe comunicarea, master-ul mai întâi configurează ceasul,

folosind o frecvență mai mică sau egală cu maximul frecvenței suportata de slave. Aceste frecvențe sunt de obicei în intervalul 1-70 MHz. Atunci master-ul setează slave select-ul pe nivelul 'jos' (en. low) pentru chipul dorit. Dacă este necesară o perioada de așteptare (ca la conversia analog-digitală) atunci master -ul așteaptă cel puțin acea perioadă de timp înainte de a începe ciclurile de ceas. În timpul fiecărui ciclu de ceas SPI, apare o tra nsmisie full duplex: - master-ul trimite un bit pe linia MOSI; slave-ul îl citește de pe aceeași linie; - slave-ul trimite un bit pe linia MISO; master-ul îl citește de pe aceeași linie. Nu toate transmisiile de date necesita toate aceste operații (de ex. transmisia unidirecțională), deși acestea se petrec. În mod normal, transmisia implic ă existența a doi regiștri de date de o lungime oarecare a cuvântului, cum ar fi opt biți, unul situat în dispozitivul master și celalalt în dispozitivul slave; ei sunt conectați într -o configurație de tip inel. Informația este de obicei transferata începând cu cel mai semnificativ bit (en: Most Significant Bit - MSB), si continuând bit cu bit până se transfer ă și cel mai nesemnificativ bit (eng: Least Significant Bit - LSB) pentru același registru. În această fază, putem afirma c ă cele două dispozitive master/slave și-au schimbat valorile din regiștri. Imediat dup ă, fiecare dispozitiv citește valoarea stocată în registrul de date și o prelucrează, cum ar fi scrierea într -o locatie de memorie. Daca mai sunt date de schimbat, regiștrii de schimb sunt încărcați cu noi date și procesul se repeta.

Transmisiile pot include un număr arbitrar de cicluri de ceas. Când transmisia datelor s-a încheiat, master -ul oprește comutarea ceasului. În mod normal, are loc și deselectarea slave-ului prin intermedi ul liniei de selecție dedicate. Adesea transmisiile sunt de cuvinte a opt biți, și master-ul poate iniția multiple transmisii dacă are nevoie. Cu toate astea, alte mărimi ale cuvântului sunt obișnuite, cum ar fi cuvinte de 16 biți pentru controller -ul de touch-screen sau codec-uri audio; sau cuvinte de 12 biți pentru diverse convertoare digital-analogice sau convertoare analog-digitale. Fiecare slave de pe magistral ă care nu a fost activat folosind slave select-ul aferent, nu trebuie s ă ia in considerare semnalul de ceas precum și datele de pe linia MOSI și să nu transmită nimic pe linia MISO. Master -ul trebuie să selecteze doar un slave la un moment dat. NECLASIFICAT Pagina 119 din 143

NECLASIFICAT

În plus față de setarea frecvenței ceasului, master-ul trebuie să configureze polaritatea și faza ceasului respectând datele. Aceste două opțiuni au fost numite CPOL si CPHA în „Freescale's SPI Block Guide”, iar cei mai mul ți producători le-au adoptat. Timpul este descris mai jos și se aplică atât dispozitivelor master cat și celor slave. La CPOL=0 valoarea ceasului este zero o Pentru CPHA=0 data este capturat ă pe tranziția jos→sus ș i este propagată pe tranziția sus→jos a ceasului. o Pentru CPHA=1, data e capturat ă pe tranzi ția sus→jos si p ropagată pe tranziția jos→sus.



La CPOL=1 valoarea ceasului este unu o Pentru CPHA=0 data e capturat ă pe tranziția sus→jos a ceasului si propagată pe tranziția jos→sus. o Pentru CPHA=1 data e capturată pe tranziția jos→sus ș i propagată pe tranziția sus→jos. Cu valoarea CPHA=0 data trebuie s ă fie stabilă o jumătate de ciclu înainte de primul ciclu de ceas. Pentru toate modurile CPOL si CPHA, valoarea ini țială a ceasului trebuie să fie stabilă înainte ca chipul să selecteze linia activ ă. 


NECLASIFICAT

5.4. Descrierea modului de comunicare microcontrollerul prin interfața SPI

și control al

memoriei cu

Deoarece pinul Serial Clock (SCK) este mereu o intrare, memoria

AT25M01 operează întotdeauna drept Slave[10], funcția de Master fiind atribuită dispozitivului care generează semnalul de ceas, în cazul nostru microcontrollerul.

Figura 5.4. Schema bloc a conexiunii chip-urilor de memorie utilizate

Memoria are pini separați destinați pentru transmisia de date (SO) și recepția acestora (SI), cel care este transmis și recepț ionat primul fiind cel mai semnificativ bit (MSB).

̅

După ce Chip Select-ul ( ) este setat pe „low” (jos), primul octet va fi recepționat, acesta conținând codul operației ce urmează a fi efectuată. Dacă se primește un cod operațional invalid, nu se vo r transfera date în memorie, și pinul de ieșire serială (SO) va rămâne într -o stare de impedanță ridicată (nu va transmite nici un semnal) până când este detectată din nou tranziția „high to low” (sus-jos) a , lucru care va reinițializa comunicația serială.

̅


̅ ̅ ̅

NECLASIFICAT

̅

este utilizat împreună cu pinul pentru selecția memoriei. Când dispozitivul este selectat și o secvență serială este în curs de desfășurare, pinul poate fi utilizat pentru a face o pauză în comunicația cu dispozitivul trebuie Master fără a reseta secvența serială. Pentru a face o pauză, pinul adus în starea „low” în timp ce pinul SCK este tot în starea „low”. Pentru a relua comunicația, pinul trebuie adus în starea „high” în timp ce pinul SCK este „low”. Intrările pinului SI vor fi ignorate cât timp pinul SO este în starea de impedanță ridicată. Pinul Write Protect ( ) permite realizarea operațiilor normale de scriere/citire cât timp este în starea „high”. Când acest pin este adus în sta rea „low”, si bitul WPEN este 1, toate operațiile de scriere a registrului de stare sunt inhibate. Punerea în starea „low” în timp ce este „low” va întrerupe scrierea în registrul de stare. Dacă ciclul de scriere internă a fost deja inițiat, trecerea în starea „low” nu va avea nici un efect asupra oricărei scrieri în registrul de stare. Funcția pinului este blocată când bitul WPEN este 0 în registrul de stare. Acest lucru permite utilizatorului să instaleze memoria AT25M01 într -un sistem cu pinul legat la masă și încă să poată să scrie în registrul de stare. Toate funcțiile pinului sunt activate când bitul WPEN este Pinul

̅  ̅

setat pe 1.

̅

̅̅  ̅

̅

̅

Figura 5.5. Transmiterea sincronă a datelor

Memoria este destinată să comunice direct cu interfața SPI a microcontrollere-lor. AT25M01 utilizează un registru de instrucțiuni pe 8 biți. Lista instrucțiunilor și a codurilor operaționale ale acestora este prezentată în tabelul 5.1. Toate instrucțiunile, adresele și datele sunt transferate începând cu cel mai semnificativ bit (MSB) și încep cu o tranziție „high-to-low” a pinului .

̅


NECLASIFICAT

activarea scrierii: dispozitivul va trece în starea de dezactivare a scrierii cand este aplicată o tensiune continuă. Prin urmar e toate instrucțiunile de programare trebuie să fie precedate de o instrucțiune Write Write Enable (WREN) -

Enable.

Figura 5.6. Diagrama de timp a WREN

– dezactivarea scrierii: pentru protejarea dispozitivului împotriva scrierilor inadvertente, instrucțiunea de dezactivare a scrierii dezactivează toate modurile de programare. Instrucțiunnea WRDI este . independentă de starea pinului Write Disable (WRDI)

̅

Figura 5.7. Diagrama de timp a WRDI


NECLASIFICAT

Read Status Register (RDSR) – citirea registrului de stare: această instrucțiune oferă accesul la registrul de stare. Stările Ready/Busy (pregătit/ocupat) și Write Enable ale dispozitivului pot fi determinate cu ajutorul

instrucțiunii RSDR.

Figura 5.8. Diagrama de timp a RDSR Write Status Register (WRSR) – scrierea registrului

de stare: această instrucțiune permite userului să selecteze una din cele patru nivele de protecție. De asemenea, instrucțiunea WRSR permite utilizatorului să activeze sau să dezactiveze pinul

̅

prin utilizarea bitului WPEN.

Figura 5.9. Diagrama de timp a WRSR

̅

Read Sequence (READ) – secvența de citire: pentru citirea memoriei prin

pinul SO , după ce se aduce în 0, codul operațional de citire este transmis prin linia SI urmat de 3 octeți de adresă pentru citire. Până la finalizare, orice informație de pe linia SI va fi ignorată. Datele de la adresele specificate sunt apoi mutate pe linia de ieșire SO. Dacă se dorește citirea unui singur octet, pinul trebuie pus în starea „high” după ieșirea datelor. Secvența de citire poate fi continuată din moment ce octetul de adresă este incrementat automat și datele continuă să fie mutate pe linia de ieșire. Când se ajunge la ultima adresă, contorul

̅


NECLASIFICAT

de adresă va reveni la prima adresă permițând întregii memorii să fie citită într -un singur ciclu de citire.

Figura 5.10. Diagrama de timp a secvenței de citire Write Sequence (Write) – secvența de scriere: pentru aceasta este necesară

execuția a două instrucțiuni diferite. Mai întâi dispozitivul trebuie să fie activat pentru scriere prin instrucțiunea WREN. Apoi poate fi executată o instrucțiune de scriere. De asemenea, pentru programarea adresei locului din memorie este

necesar ca aceasta să nu se găsească printre adresele locurilor din memorie selectate de nivelul de protecție a scrierii. Pe tim pul unui ciclu intern, toate comenzile sunt ignorate cu excepția instrucțiunii RDSR. O instrucțiune de scriere necesită următoarea secvență: după ce linia este trecută în starea „low” pentru a selecta dispozitivul, codul operațional de scriere este transmis pe linia SI urmat de adresa locului de memorie și de datele care trebuiesc înregistrate. Înregistrarea va începe după ce va trece în starea „high”.

̅

̅

Figura 5.11. Diagrama de timp a secvenței de scriere

Starea pregătit/ocupat a dispozitivului poate fi determinată prin inințierea unei instrucțiuni RDSR. Dacă bitul 0=1, ciclul de scriere este încă în desfășurare, iar dacă bitul 0=0; ciclul de scriere a fost finalizat. Singura instrucțiune activată pe timpul ciclului de scriere este RDSR.

După finalizarea unui ciclu de scriere, memoria este readusă în starea de scriere dezactivată. NECLASIFICAT Pagina 125 din 143

NECLASIFICAT

5.5. Interfața sistemului cu echipamentul de sol

Înregistrarea parametrilor de zbor ai aeronavei, ar fi lipsită de sens dacă procesul nu s-ar continua cu interpretarea ulterioară a acestora. Interpretarea datelor înregistrate nu trebuie să se facă doar în cazul producerii unei catastrofe pentru a determina cauzele, ci și după fiecare aterizare, în scop profilactic. Dacă în cazul producerii unui accident citirea datelor se poate face prin accesul direct la chip-urile de memorie din înregistrator, pentru majoritata cazurilor când interpretarea se face după aterizare, este neapărat necesar ca înregistratorul să fie prevăzut cu o interfață pentru comunicarea cu echipamentele de decodificare și interpretare de la sol. Microcontroller-ul ATxmega128B3 dispune de mai multe posibilități de realizare a interfațării precum USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, categorie din care fac parte interfețele RS-232,RS-422,ș.a.) și USB (Universal Serial Bus). [10] Pentru realizarea căii de comunicare dintre înregistrator și dispozitivele de la sol, am decis să utilizez interfața USB deoarece face parte dintr -o generație nouă, care oferă unele avantaje, cum ar fi viteza de transfer ridicată. Interfața utilizată cu precădere până la apariția USB-ului, RS-232, și-a pierdut din popularitate, singura justificare pentru utilizarea unei astfel de interfețe fiind prețul redus și simplitatea.

Figura 5.12. Schema bloc a modului de comunicare cu echipamentul de la sol

Magistrala USB transferă semnalele şi tensiunea de alimentare pe un cablu cu patru fire, ilustrat în figura 5.13. Semnalele diferenţiale de date se transmit pe liniile D+ şi D–, formate din două f ire răsucite. Semnalul de ceas este transmis codificat împreună cu datele. Codificarea utilizată este numită NRZI (Non Return to Zero Invert). În cazul acestei metode, biţii de 1 şi 0 sunt reprezentaţi prin tensiuni opuse şi alternante înalte şi joase, fără a exista revenirea la tensiunea de NECLASIFICAT Pagina 126 din 143

NECLASIFICAT

referinţă (zero) între biţii codificaţi. Sunt inseraţi biţi suplimentari pentru a asigura tranziţii suficiente ale semnalelor transmise. Fiecare pachet de date este precedat de un câmp de sincronizare pentru a permite receptorilor sincronizarea ceasurilor de recepţie.

Figura 5.13. Cablu USB

Cablul USB transmite şi tensiunea de alimentare pentru periferice pe liniile VBUS şi GND. Tensiunea pe linia VBUS este de +5 V la sursă. Pentru a asigura nivele de tensiune garan tate la intrarea perifericelor şi o impedanţă de terminare corespunzătoare, se utilizează terminatori la fiecare capăt al cablului. Terminatorii permit de asemenea detectarea conectării sau deconectării unui periferic şi permit diferenţierea între perifericele cu viteză ridicată şi cele cu viteză redusă. Perifericele se conectează la o mufă cu patru pini dintr -un distribuitor utilizând o fişă rectangulară de tip A ( figura 5.14.). Toate cablurile care sunt ataşate permanent la periferice dispun de o fişă de tip A. Perifericele care utilizează un cablu separat au o mufă pătrată de tip B, iar cablul care conectează aceste periferice dispune de o fişă de tip A şi una de tip B.

Figura 5.14. Fișe și mufe utilizate la cablurile USB

Interfața USB a microcontroller-ului ales are următoarele caracteristici: - interfață USB 2.0 cu viteză de transfer ridicată (12 Mb/s) sau joasă (1,5 Mb/s); - emițător -receptor

USB integrat în microcontroller, nu necesită

componente adiționale; - 16 adrese de terminale cu flexibilitate m aximă terminale; NECLASIFICAT Pagina 127 din 143

pentru până la 31 de

NECLASIFICAT

- Tipurile de transfer selectabile ca: o de control; o de date voluminoase; o

de întrerupere;

o

izocrone;

- dimensiunea datelor configurabilă pentru fiecare terminal, până la 1023

de octeți; - configurarea terminalelor și buffer -ele de date sunt localizate în memoria internă SRAM; o locație configurabilă pentru datele de configurare ale terminalului; -ul de date al fiecărui terminal; o locație configurabilă pentru buffer - selecția ceasului este independentă de cea a ceasului sistemului; - semnal de ceas de minim 1.5 MHz pentru operațiile cu viteză mică ; - semnal de ceas de minim 12 MHz pentru operațiile cu viteză maximă; - posibilități de depanare pe chip în timpul transferurilor pe USB. Protocolu l magistr alei

Toate transferurile sunt iniţiat e de controlerul USB al calculatorului gazdă. Tranzacţiile de pe magistrală implică transmisia a până la trei pachete. Fiecare tranzacţie începe în momentul în care controlerul USB transmite, pe baza unei planificări, un pachet care descrie tipul tranzacţiei, direcţia acesteia şi adresa dispozitivului USB. Dispozitivul USB adresat se selectea ză prin decodificarea câmpului de adresă corespunzător. Sursa tranzacţiei transmite apoi un pachet de date sau indică faptul că nu are date de transmis. Destinaţia răspunde, în general, cu un pachet indicând dacă transferul s-a efectuat cu succes. Modelul transferului de date între o sursă sau destinaţie de pe calculatorul gazdă şi un dispozitiv USB poartă numele de conductă (pipe). În general, transferul de date dintr-o conductă este independent de fluxul de date din alte conducte. Un anumit dispozitiv USB poate avea mai multe conducte asociate. Există două tipuri de conducte: şiruri şi mesaje. Spre deosebire de datele dintr-un mesaj, datele dintr-un şir nu au o structură definită de specificaţiile USB.

În plus, conductelor li se asociază rata de transfer a datelor, tipul serviciului de transfer şi caracteristicile dispozitivului destinaţie, ca dimensiunile bufferelor. Majoritatea conductelor sunt create la configurarea unui dispozitiv USB. După punerea în funcţiune a unui dispozitiv, se creează o conductă implicită de tip mesaj pentru a permite accesul la informaţiile de configurare, stare şi control ale dispozitivului.

Planificarea tranzacţiilor permite controlul fluxulu i de date pentru anumite conducte de tip şir. La nivel hardware, aceasta previne apariţia umplerii sau golirii bufferelor prin utilizarea confirmării negative NAK (Negative Acknowledge) pentru a ajusta rata de transfer. În cazul unei confirmări negative, o tranzacţie este reluată atunci când magistrala devine disponibilă. Mecanismul de control al NECLASIFICAT Pagina 128 din 143

NECLASIFICAT

fluxului de date permite realizarea unor planificări flexibile. Astfel, conduct e multiple pot fi deservite la intervale diferite şi cu pachete de dimensiuni diferite. Ti puri de transfer

Arhitectura USB cuprinde patru tipuri de transferuri de date: de control, de date voluminoase, de întrerupere şi izocrone.

Transferurile de control se utilizează de driverele calculatorului gazdă pentru configurarea dispozitivelor care sunt ataşate la sistem. Alte drivere pot utiliza transferuri de control în moduri specifice implementării. Transferurile de date voluminoase se utilizează cu periferice cum sunt imprimante sau scanere. Aceste date sunt secvenţiale. Fiabilitatea transfe rurilor este asigurată la nivel hardware prin utilizarea unui cod detector de erori şi reluarea unui transfer cu erori de un număr de ori. Rata de transfer în cazul acestor transferuri poate varia în funcţie de alte activităţi de pe magistrală. Transferurile de întrerupere se utilizează pentru date cu volum redus. Transferul acestor date poate fi solicitat de un dispozitiv în orice moment, iar rata de transfer pe magistrala USB nu poate fi mai redusă decât cea specificată de dispozitiv. Datele pentru care s e utilizează transferurile de întrerupere constau din notificarea unor evenimente, din caractere sau coordonate care sunt organizate pe unul sau mai mulţi octeţi. Un exemplu îl reprezintă coordonatele de la un dispozitiv indicator (mouse, tabletă grafică). Datele interactive pot avea anumite

limite ale timpului de răspuns care trebuie asigurate de magistrala USB. Transferurile izocrone (isos – egal, chronos – timp) se utilize ază pentru datele care trebuie furnizate cu o anumită rată de transfer constantă şi a căror sincronizare trebuie garantată. Izocron are semnificaţia “cu durată egală” sau “care apare la intervale regulate”. Datele izocrone sunt generate în timp real şi trebuie furnizate cu rata cu care sunt recepţionate pentru a păstra sincronizarea lor . Pe lângă rata de transfer impusă, pentru datele izocrone trebuie respectată şi întârzierea maximă cu care Sisteme de I/E - Magistrale seriale 9 acestea sunt furnizate. Furnizarea la timp a datelor izocrone este asigurată cu preţul unor pierderi potenţiale în şirul de date. Cu alte cuvinte, erorile de transmisie nu sunt corectate prin mecanisme hardware, de exemplu, prin retransmiterea lor. În concluzie, transferurile izocrone se caracterizează prin furnizarea la timp a datelor şi prin lipsa retransmiterii lor în cazul unor erori, deoarece datele întârziate nu mai sunt utile. Spre deosebire de transferurile izocrone, transferurile asincrone se

caracterizează prin faptul că fiabilitatea transmiterii datelor este mai importantă decât asigurarea sincronizării. Pentru aceasta se utilizează retransmiterea datelor în cazul unor erori, chiar dacă apar întârzieri din această cauză. Şirurilor de date izocrone li se alocă o porţiune dedicată a lăţimii de bandă a magistralei USB. De asemenea, această magistrală este proiectată pentru o întârziere minimă a transferurilor de date izocrone. NECLASIFICAT Pagina 129 din 143

NECLASIFICAT

6. Realizare experimentală Pentru a exemplifica o mică parte din procesul de achiziție și de prelucrare

a semnalelor în vederea înregistrării, am realizat un sistem de achiziție a temperaturii cu ajutorul unui termocuplu de tip T, iar datele achiziționate pot fi ulterior transmise prin intermediul interfeței seriale RS -232. Sistemul este compus din: - senzor de temperatură – Termocuplu de tip T; - amplificator de tensiune – INA122P; - microcontroller ATmega32; - afișor cu 7 segmente, 3 digiți; - circuit integrat pentru transmiterea pe serială a datelor MAX232; - conector DB-9; - convertor capsulat de tensiune DCW08B-05.

Figura 6.1. Poza circuit față NECLASIFICAT Pagina 130 din 143

NECLASIFICAT

Figura 6.2. Poza circuit verso

Decrierea modului de funcționare :

Achiziția temperaturii se face cu ajutorul unui termocuplu de tip T. Termocuplu este un senzor alcătuit din două metale diferite, utilizat pentru măsurarea temperaturii. Acesta funcționează pe baza efectului Seebeck, care conduce la formarea unei diferențe de potențial electric pe baza unei diferențe de potențial termic. Diferența de potențial este cauzată de faptul că electronii de conducție din capătul cu temperatura mai mare au o energie cinetică mai mare și vor difuza către capătul mai rece. În acest fel capătul cald se va încărca pozitiv, iar capătul rece al firului se va încărca negativ. Termocuplul de tip T poate măsura temperaturi cuprinse între -200 și +400oC, oferind semnale proporționale cu temperatura măsurată, în gama -6mV÷20mV. Semnalele oferite de acesta sunt foarte mici, fiind necesară o amplificare a acestora pentru a putea fi convertite de către convertorul analog-numeric al microcontroller-ului utilizat. Se impune astfel aducerea tensiunilor oferite de

senzor în gama 0÷5V, sau în cazul unei referințe de 2,56V în gama 0÷2,56V. Pentru amplificarea semnaluilui am utilizat un amplificatorul INA122p

produs de firma BurrBrown. Acesta oferă un câștig cuprins între 5 și 10000. Câștigul poate fi selectat prin legarea unei rezistențe exterioare. Determinarea valorii rezistenței necesare pentru câștigul dorit se face cu ajutorul relației:

200 200 5+  ,    5 . NECLASIFICAT Pagina 131 din 143

NECLASIFICAT

Pentru a aduce semnalul din gama 0÷20,876 mV în gama 0÷2.56V avem nevoie de un câștig G=123, deci trebuie să legăm o rezistență de 1,69kΩ. Valorile standard cele mai apropiate rezistențe sunt de 1,5 kΩ sau de 1,8 kΩ. Pentru rezistența de 1,5 kΩ câștigul va fi mai mare, iar tensiunile de peste 18 mV în urma amplificării ies din gama 0÷5V pe care o poate citi ADC -ul, deci vom putea citi temperaturi de până la 355oC. În concluzie putem folosi rezistența de 1,8 kΩ pentru a acoperi toată plaja de valori oferite de termocuplu, sau putem înseria sau lega în paralel rezistențe cu diferite valori a căror rezistență echivalentă să fie 1,69 kΩ, pentru un câștig precis. Microcontroller-ul utilizat dispune de un convertor analog-numeric intern, cu o rezoluție de 10 biți, lucru care ne permite să sesizăm o diferență de 0,4oC. Cu

toate acestea, producătorul termocuplului specifică faptul că sensibilitatea senzorului este de numai 1oC. Având în vedere că rezoluția ADC-ului ne-ar permite să sesizăm și diferențele de 0,4oC înseamnă că nu vom altera calitatea informației oferite de senzor, cum s-ar fi înâmplat de exemplu în cazul unui convertor pe 8 biți, care ar fi oferit o precizie de 1,56 oC. Caracteristica termocuplului este prezentată în graficul următor: Caracteristica T °C(U mV) 400

y = 19,313x + 14,383

350 ]

C300 [ 250 a r u t 200 a r e150 p m e100 T °

50 0 0

2

4

6

8

10

12

Tensiunea [mV]

14

16

18

20

Caracteristica Temp(U) Linear (Caracteristica Temp(U))

Figura 6.3. Caracteristica termocuplului T[ oC](U [mV])

observă că graficul temperaturii în funcție de tensiune nu are o formă perfect liniară. Prim metoda aproximării erorii pătratice minime am căutat un polinom al cărui grafic să treacă printre punctele de referință, criteriul alegerii coeficienților polinomului fiind ca suma pătratelor diferențelor dintre ordonata punctelor de referință și ordonata calculată pe baza ecuției polinomiale Se


NECLASIFICAT

corespunzătoare să fie minimă. În figura 6.3. se prezintă un polinom de gradul unu, cu alte cuvinte o dreaptă de interpolare. Deși precizia poate fi considerată satisfăcătoare, vom utiliza un polinom de interpolare de gradul doi, care face o mai bună aproximare, după cum se poate vedea în figura 6.4. Caracteristica T °C(U mV) 400 350

y = -0,2157x2 + 23,238x + 3,128

]

C300 [ 250 a r u t 200 a r e150 p m e100 T °

50 0 0

2

4

6

8

10

12

Tensiunea [mV]

14

16 18 20 Caracteristica Temp(U) Poly. (Caracteristica Temp(U))

Figura 6.4. Caracteristica termocuplului T[ oC](U [mV]) Modelul matematic utilizat pentru determinarea graficelor aproximate de mai sus, este prezentat în rândurile următoare. [1] Mai întâi graficul 6.3. : Fie polinomul de interpolare: (6.1) Definim eroarea pătratică de interpolare: (6.2) Condiția de determinare a coeficienților ai fiind: (6.3) Pentru dreapta de interpolare prezentată în figura 6.3. avem sistemul:

  +⋯+ + +    +⋯+   +  ∑   {   +  +…      +   

Introducând condiția 6.3. rezultă relația 6.5.:

(6.4)

   −  =  +2=  + +=  2=   2=   NECLASIFICAT Pagina 133 din 143

NECLASIFICAT

Pentru determinarea coeficienților dreptei se introduc condițiile de derivată nulă, respectiv:

  ∑=  + ∑=   ∑=   0  ∑=  +∑=  0 ∑∑== ∑=  ∑∑==  

(6.6)

Pentru punerea în evidență a formei generale a sistemului de ecuații din care rezultă coeficienții polinomului de interpolare sistemul 6.6. poate fi scris sub forma matriceală:

(6.7.)

Prin rezolvarea sistemului (6.7.) se vor obține coeficienții dreptei de interpolare A și B. Pentru graficul 6.4. se utilizează un polinom de gradul 2. Expresia erorii într -un punct al graficului de etalonare este dată de relația:

 (  + +)

(6.8.)

Suma erorii pătratice fiind:

       +2  2  −   =  +2=  + +2  = = =  2=   + 2=  +=   derivăm succesiv în raport cu A,B,C ub forma matriceală astfel:  4  3  2  2 1  1  1  1    3  2   1  1  1  1    2   1  1  1  entru afișarea temperaturii utilizez un afișor cu 3 digiți compusi fiecare (6.9.)

Pentru minimizarea expresiei E sistemul rezultat fiind scris s

P

          [   ] [  ]

(6.10.)

din 7 segmente.Având în vedere că gama de variație temperaturii pa care o putem măsura este de 0÷400 oC, cei 3 digiți sunt suficienți. Controlul afișorului se realizează cu ajutorul microcontroller -ului ATmega32, codul programului necesar fiind anexat în ANEXA 1. Deoarece la bordul aeronavei în afară de afișarea temperaturilor are loc și înregistrarea acestora, am considerat utilă realizarea comunicării dispozitivului cu alte dispozitive prin intermediul interfeței seriale RS -232. NECLASIFICAT Pagina 134 din 143

NECLASIFICAT

Microcontroller-ul

ales nu dispune de un circuit integrat în structura proprie pentru realizarea comunicării prin magistrala serială, este necesară utilizarea unui circuit extern. Acesta este MAX232, un circuit integrat care converteste semnalele de la un port serial RS- 232 în semnale potrivite pentru

nivelul TTL şi viceversa. MAX232 este un circuit dual driver/receiver care converteste de obicei semnale precum RX, TX, CT S şi RTS . Funcţia de driver asigură conversia semnalului de la nivelul TTL 5V la nivelul RS -232 (aprox. ± 7.5 V) . Funcţia de receiver este operaţia inversă.


NECLASIFICAT

7. Concluzii

În lucrarea de față am realizat „ Proiectarea unui înregistrator de bord cu memorii semicondutoare de tip EEPROM pentru avioane supersonice ” utilizând drept referință aeronava de vânătoare MiG-29 care s-a aflat în înzestrarea Forțelor Aeriene ale României. Primul aspect pe care l-am tratat a fost rolul echipamentelor de înregistrare

a parametrilor de zbor în contextul avionicii moderne, am trecut în revistă evoluția tehnică a sistemelor digitale de înregistrare, am stabilit locul și atribuțiile funționale ale acestora, am prezentat standardele în vigoare, reușind astfel să stabilesc direcțiile principale care trebuiesc urmărite în proiectarea sistemului. În următorul capitol am vizat stabilirea parametrilor achiziționați, analizând mai întâi reglementările cu referire la parametrii care trebuie înregistrați, și ulterior echipamentele și sistemele principale de care dispune aeronava. La finele capitolului am reușit să stabilesc un set de parametri pe care îi consider indispensabili în vederea analizei zborului. Capitolul 3 este destinat stabilirii procesărilor de date aferente înregistrării de date. Am analizat mai întâi modul de achiziție al semnalelor, atât în general, cât și particularizat pentru fiecare tip de traductor și parametru achiziționat, analiza fiind urmată de stabilirea modului de transformare a informațiilor din formatul analogic în formatul digital. În capitolul 4 am reușit să realizez schema bloc a întregului sistem , cât și a subsistemelor componente, și am calculat necesarul de memorie în funcție de specificul aeronavei. Ulterior, am stabilit în detaliu co mponentele hardware necesare pentru materializarea unui astfel de sistem, am descris caracteristicile

fiecărei componente și am justificat alegerile făcute. Lucrarea continuă cu prezentarea modului în care componentele ce alcătuiesc sistemul comunică între ele. Am descris tipurile de interfețe utilizate pentru comunicarea dintre echipamentele de la bordul aeronavei, cât și interfața de comunicare a aeronavei cu echipamentele de sol. Mai mult decât atât, am prezentat modul de formare a datelor și felul în care acestea sunt transmise prin intermediul magistralelor.

Aplicația practică pe care am întocmit-o are rolul de a exemplifica nu doar modul de achiziție, ci și o mare parte din prelucrarea semnalului semnalului în vederea înregistrării, sau de ce nu, a utilizării acestuia în vederea automatizării unor comenzi ale subsistemelor din componența aeronavei. Consider că realizarea NECLASIFICAT Pagina 136 din 143

NECLASIFICAT

practică poate fi folosită în scop didactic în cadrul orelor de laborator ale cursului de „Echipamente de înregistrare a parametrilor de zbor”. Pe parcursul realizării proiectului am reușit să aprofundez cunoștințele despre echipamentele de înregistrare a parametrilor, despre diversele tipuri de senzori și traductoare utilizate în domeniul aeronautic, cât și modul de prelucrare și utilizare a innformațiilor oferite de acestea. Principalele

contribuţii aduse sub aspect ştiinţific de prezenta lucrare sunt

următoarele: de funcţionare a unui înregistrator digital de date, în concepţie propie, în care sunt puse în evidență principiul multiplexării, al eșantionării, al conversiei analog-numerice și utilizarea protocoalelor pentru - realizarea schemei

transmisia datelor; - realizarea pracţica a unui circuit de achiziţie asemănător celor utilizate pe aeronave, transmitere datelor pe serială şi afișa rea pe un display cu 3 digiți compuși din șapte segmente a temperaturii;

Ca direcție de dezvoltare, doresc să îmbunătățesc schemele bloc ale subsistemelor în vederea reducerii numărului de componente utilizate, având în vedere că industria aeronautică s-a dezvoltat foarte mult în segmentul aeronavelor fără pilot, segment în care se urmărește minimalizarea dimensiunilor, precum și a costurilor. De asemenea, intenționez să extind aplicația practică pentru a exemplifica toate tipurile de semnale ac hiziționate și modul de prelucrare al acestora.

În încheiere, doresc să reamintesc importanța sistemelor de înregistrare la bordul aeronavei, și să menționez că studierea acestui domeniu este foarte importantă pentru a înțelege ce se petrece cu aeronava în timpul zborului.


NECLASIFICAT

Bibliografie:

[1] Jănel Arhip - „Echipamente de înregistrare a parametrilor de z bor”, Editura Academiei Tehnice Militare 2003 [2] Ioan Aron - „Aparate de bord pentru aeronave”, 1984

Editura Tehnica, Bucuresţi

Gacsádi Alexandru, Tiponuţ Virgil - „Sisteme de achiziții de date”, Editura Universității din Oradea [3]

[4] Paun V. - „Echipamentul electric al aeronavelor ”, Pedagogică, Bucuresţi ,1980

[5] Documentația tehnică a avionului MiG-29 [6] Notițele de curs [7] http://www.honeywell.com/sites/aero/Recorders.htm [8] http://www.arinc.com/sectors/aviation [9] http://ro.wikipedia.org/wiki/Mikoian-Gurevici_MiG-29 [10] Datasheet: - Atmel AT25M01 - Atmel ATxmega128B3 - INA122P - MAX232


Editura Didactică şi

NECLASIFICAT

ANEXA 1 - Codul de programare al μController-ului ATmega32 ***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V1.25.9 Professional Automatic Program Generator Chip type : ATmega32 Program type : Application Clock frequency : 11,059200 MHz Memory model : Small External SRAM size : 0 Data Stack size : 512 *****************************************************/ #include #include #include #include #define AFISOR PORTC #define CS3 PORTA.7 #define CS2 PORTA.5 #define CS1 PORTA.3 #define coeficient1 0.7092 #define coeficient2 14.6896 #define coeficient3 3.128 /* #define coeficient1 1.2564 #define coeficient2 0.9151 */ bit TxBusy = 0, flag_adc_have_data = 0; int digit0 = 0, digit1 = 0, digit2 = 0, cnt = 0; unsigned int Vadc = 0; //float temperatura = 0; int temp = 0, suma =0; char SendText[64],TxCount; enum numere { ZERO = 0, UNU = 1, DOI = 2, TREI = 3, PATRU = 4, CINCI = 5, SASE = 6, SAPTE = 7, OPT = 8, NOUA = 9, EROARE = 10 }; flash unsigned char digit[11] = { 0b00000001,//ok zero


NECLASIFICAT 0b11101101,//ok unu 0b10100010,//ok doi 0b00101000,//ok trei 0b01001100,//ok patru 0b00011000,//ok cinci 0b00010000,//ok sase 0b10101101,//ok sapte 0b00000000,//ok opt 0b00001000,//ok noua 0b11111110 //ok eroare }; void afisare(int a) { if (a >= 0 && a <= 999) { digit0 = a%10; digit1 = (a/10)%10; digit2 = (a/100)%10; } else { digit0 = EROARE; digit1 = EROARE; digit2 = EROARE; } } void SendTextUART(char *text) { int i; while(TxBusy); if(*text) { UDR = *text; for(i =1; text[i]; i++) SendText[i] = text[i]; SendText[i] = 0; TxCount = 1; TxBusy = 1; } } void print_f(flash char *text) { int i; while(TxBusy); if(*text) { UDR = *text; for(i =1; text[i]; i++) SendText[i] = text[i]; SendText[i] = 0; TxCount = 1; TxBusy = 1; }


NECLASIFICAT } void calc_temp(unsigned int adc) { char text[52]; sprintf(text,"adc = %d\r",adc); SendTextUART(text); temp = (float)(coeficient1 * suma) + coeficient2; //temp = (float) coeficient1 * pow((float)suma,coeficient2); sprintf(text,"temp = %u\r",temp); SendTextUART(text); afisare(temp); } interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void) interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void) { if (SendText[TxCount]) { UDR = SendText[TxCount]; TxCount++; } else TxBusy = 0; } interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { static unsigned char state = 0; state %= 3; switch (state) { case 0: CS2 = 0; CS3 = 0; CS1 = 1; AFISOR = digit[digit0]; state++; break; case 1: CS1 = 0; CS3 = 0; CS2 = 1; AFISOR = digit[digit1]; state++; break; case 2: CS1 = 0; CS2 = 0; CS3 = 1; AFISOR = digit[digit2]; state++; break; } } interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void) { CS1 = 0;


NECLASIFICAT CS2 = 0; CS3 = 0; } interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void) { Vadc = ADCW; flag_adc_have_data = 1; printf("int"); } void main(void) { char txt[52]; PORTA=0x00; DDRA=0xA8; PORTB=0x00; DDRB=0x00; PORTC=0x00; DDRC=0xFF; PORTD=0x00; DDRD=0xFF; TCCR0=0x03; TCNT0=0x00; OCR0=0x80; TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x05; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; GICR|=0x00; MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; GIFR=0x00; TIMSK=0x03; UCSRA=0x00; UCSRB=0xD8; UCSRC=0x86; UBRRH=0x00; UBRRL=0x47; ACSR=0x80; SFIOR=0x00; ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x8F; // Global enable interrupts #asm("sei") sprintf(txt,"ok!\r");


Licenta Final

Recommend Documents