Повышение степени интеграции радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и её элементной базы, стремление постоянно снижать габариты и массу изделий приводят к более тяжелым тепловым режимам работы РЭА. Современная РЭА нередко эксплуатируются в жестких температурных условиях (производственные помещения, военная техника, космос, автономно функционирующие на открытом воздухе информационно-измерительное оборудование и т. п.) одновременно испытывая повышенные механические и электромагнитные воздействия. Между тем, надежное функционирование аппаратуры возможно лишь при условии обеспечения ее оптимального теплового режима. Последнее может решаться как на системотехническом или схемотехническом уровнях, так и на конструктивном уровне [1]. Методы и средства обеспечения теплового режима РЭА изложены в работе [2]. Наиболее распространенным средством, обеспечивающим тепловой режим является воздушная система охлаждения (СО) [3]. В современных условиях проектирования практически отпала необходимость в проведении расчета конструктивных параметров СО. Это связанно с доступностью широкой номенклатуры унифицированных конструкций воздушных СО с заранее известными теплофизическими и конструктивными характеристиками. В связи с чем задача конструктора при теплофизическом проектировании РЭА может быть сведена к выбору унифицированной СО. Однако в связи с большим номенклатурным перечнем унифицированных СО, который включает несколько тысяч типовых конструкций, такой выбор в ручном режиме достаточно трудоемок. Одновременно отсутствует специализированные аппаратные средства, позволяющие проводить анализ работы СО.
Таким образом, актуальность исследования заключается в необходимости разработки комплексных, аппаратно-программных средств позволяющих не только проводить анализ СО РЭА, но и обеспечить их автоматизированный выбор из базы унифицированных конструкций выпускаемых промышленностью.
Постановка задачи
Совершенствование существующих и разработка новых аппаратно-программных средств и методик, предназначенных для анализа работы и автоматизированного выбора СО РЭА.
В работе [4] в результате анализа программного обеспечения, применяемого при теплофизическом проектировании РЭА, выявлены основные недостатки этих средств. Показана необходимость создания новых, комплексных средств теплофизического проектирования, включающих в свой состав инструменты проведения натурального эксперимента. Обоснованно спрогнозированы возможные результаты от создания таких средств.
В работе [5] доказана актуальность создания автоматизированной системы СО электрорадиоэлемента. Предложена концепция создания подобной системы, обеспечивающей выбор унифицированной конструкции СО. Одновременно определенны требования к системе. Выведены основные задачи, которые необходимо решить при создании автоматизированной системы выбора СО. Обоснование применения системы в рамках интегрированной среды проектирования электроники дано в работе [6].
Попытка создания аппаратной платформы для проведения натурных испытаний сделана в работе [7]. Авторами, на примере стенда исследования температурного поля одного типа СО, описан эффективной способ создания лабораторного оборудования, предназначенного для снятия температурных характеристик исследуемого объекта. Основным недостатком работы [7] следует считать закрытость архитектуры созданного стенда, возможность исследования только одного типа СО, отсутствие элементов межсистемного взаимодействия с программными средствами.
В работах [8, 9] авторы, основываясь на результатах, приведенных в [7], усовершенствовали стенд исследования СО и предложили информационно-измерительный комплекс (ИИК). В отличии от предыдущей конструкции новый ИИК обладает открытой, масштабируемой архитектурой и позволяет исследовать воздушные СО различного типа. Последнее осуществляется за счет вынесения исследуемой СО в отдельный от основного блока функциональный модуль, названный авторами сменный блок исследуемого объекта (СБИО). Тепловая модель СБИО предложена и усовершенствована в работах [10,11].
Алгоритмическое обеспечение ИИК описано в работах [12, 13]. Описание схемы информационного обмена между аппаратной часть ИИК и его программной частью функционирующей на ПЭВМ дано в [12]. Особенности работы компьютерной программы, являющейся программной частью ИИК, и её алгоритм приведены в [13].
Особенности создания автоматизированной системы выбора СО приведены в [14], где рассмотрен алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в области выбора теплоотвода. Фактически выбор СО из базы данных, осуществляет экспертная система, используя для этого методику многокритериального выбора. Авторы, основываясь на работе [15], в которой описана программа для расчета температуры перегрева электрорадиоизделия РЭА, выбирают в качестве критерия, имеющего наибольший вес, тепловое сопротивление СО.
Методическое обеспечение предложено в работе [16] в виде методики, использующей результаты натурного и вычислительного экспериментов для обоснованного выбора СО. Предложенная авторами методика имеет три вектора функционирования и позволяет использовать возможности современного научно-исследовательского оборудования при проектировании средств тепловой защиты РЭА. Результаты практической реализации ИИК и алгоритмов его функционирования представлены в работе [17].
Блок обработки данных (БОД) включает вычислительное ядро (микроконтроллер), подсистему автоматизированного управления, подсистему сбора передачи и обработки данных, а также часть рабочего места пользователя (модуль индикации и локальные органы управления).
Сменный блок исследуемого объекта (СБИО) состоит из подсистемы измерений и объектовой подсистемы. Подсистема измерений — это набор первичных преобразователей физических величин (датчиков). Объектовая подсистема представляет собой исследуемый объект. В состав СБИО разных модификаций введены функциональные узлы, реализующие дополнительные, вспомогательные функции, например индикацию включения нагрева и т. п.
Основой БОД является микроконтроллер с широкими функциональными возможностями. Применение последнего позволило отказаться от многих устаревших аналоговых узлов (аналоговые индикаторы, термопары и т. п.) и разработать ИИК с использованием современных технологий и элементной базы.
Результаты исследования
В результате проведенного исследования впервые предложена концепция, алгоритмы и методика функционирования информационно-измерительного комплекса для исследования СО РЭА. Разработанный ИИК отличается от существующих средств, используемых при теплофизическом проектировании, возможностью проведения натурных исследований различных моделей СО, наличием элементов межсистемного взаимодействия, позволяющих объединить результаты натурного и вычислительного экспериментов. Впервые предложена система поддержки принятия решений в области выбора унифицированной конструкции СО, осуществляющая выбор с учетом теплового сопротивления СО. Разработанная методика отличается от существующих:
- возможностью объединения результатов натурного и вычислительного экспериментов;
- наличием трех векторов функционирования, что позволяет проводить процесс теплофизического проектирования используя различные наборы начальных данных;
- возможностью определения взаимной адекватности математической и натурной моделей СО.
Принимая во внимание результаты практического использования ИИК, которые изложенные в работах [18, 19], доказана высокая эффективность и точность предложенной методики.
Литература:
1. Андреев П. Г. Основы проектирования электронных средств:учеб. пособие/ П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова//Пенза:Изд-во ПГУ, 2010.–124 с.
2. Дульнев Г. Н. Тепло-и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец».Конструир. и произв. радиоаппаратуры».-М.:Высш. шк., 1984. — 247 с.
3. Андреев П. Г. Защита радиоэлектронных средств от внешних воздействий:учеб. пособие / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова // Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. — 130 с.
4. Юрков Н. К. Программные средства теплофизического проектирования печатных плат электронной аппаратуры / Н. К. Юрков, Н. В. Горячев // Молодой ученый. — 2013. — № 10. — С. 128–130.
5. Горячев Н. В. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. — 2010. — № 11. — С. 171–176.
6. Горячев Н. В. Концептуальная схема разработки систем охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Проектирование и технология электронных средств. 2009. № 2. С. 66–70.
7. Горячев Н. В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162–166.
8. Горячев Н. В. Структура автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 119–120.
9. Горячев Н. В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433–436.
10. Горячев Н. В. Тепловая модель сменного блока исследуемого объекта / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 1. С. 263–263.
11. Горячев Н. В. Уточнение тепловой модели сменного блока исследуемого объекта / Н. В. Горячев, И. Д. Граб., Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. № 1–1. С. 169–171.
12. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385–391.
13. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования компьютерной программы стенда исследования теплоотводов/ Горячев Н. В., Граб И. Д., Лысенко А. В., Юрков Н. К.//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 244–246.
14. Горячев Н. В. Алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в области выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 238–238.
15. Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.
16. Горячев Н. В. Концептуальное изложение методики теплофизического проектирования радиоэлектронных средств / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. 2013. № 17. С. 214–215.
17. Горячев Н. В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 239–240.
18. Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 534–540.
19. Падолко Е. П. Основные понятия имитационного моделирования и построение имитационной модели системы массового обслуживания / Е. П. Падолко // Современные информационные технологии. 2012. № 15. С. 43–45.
