Подсистема 2D геометрического
процессора программной системы автоматизированного проектирования средств
автоматики на элементах высокотемпературной струйной техники[1]
Л. Н. Сизова,
н. с., lusysz@ipu.ru,
И. В. Кузичев,
инж.-прогр., kuzicheviv@gmail.com
ИПУ РАН, г. Москва
В
статье описаны основные функциональные возможности и принцип работы подсистемы
2D геометрического процессора «Струя-2D»,
входящей в состав программной системы автоматизированного проектирования
средств автоматики на элементах высокотемпературной струйной техники «Струя».
Использование подсистемы «Струя-2D» рассмотрено на
примере проектирования счетного триггера.
В
ряде видов уникальной высокотехнологичной продукции, выпускаемой предприятиями
машиностроительной, оборонной, авиастроительной, судостроительной,
ракетно-космической, атомной и др. отраслей российской промышленности,
применяются средства автоматики на элементах высокотемпературной струйной
техники (САЭВСТ) [1]. Устройства и системы струйной техники не имеют подвижных
деталей и используются в компьютерах, насосах аппаратов искусственного
кровообращения, системах управления ракет, подводных лодок, металлорежущих
станков и т.п. САЭВСТ работают на малых перепадах давления (порядка кПа) и
имеют ряд преимуществ перед электронными устройствами. Они более надежны при
температурах выше +150 и ниже -50 °С, при высоких уровнях радиации, например в ядерных
реакторах, а также более устойчивы к воздействию механических нагрузок и
вибрации.
рис. 1. Блок-схема
алгоритма подсистемы «Струя-2D»
Среди
основных проблем в области струйной техники можно выделить такие проблемы, как
повышение степени микроминиатюризации и быстродействия, уменьшение потерь и др.
Создание программной системы автоматизированного проектирования САЭВСТ будет
способствовать решению указанных проблем и, тем самым, существенно расширит
возможности применения струйной автоматики в новых видах высокотехнологичной
продукции.
Подсистема «Струя-2D» предназначена для
разработки электронных конструкторских документов САЭВСТ и функционирует в двух режимах: режим
«черчение-2D» (разработка чертежей) и режим «проектирование принципиальных
электрических схем, монтажных схем и создание таблицы перечня элементов».
Блок-схема алгоритма подсистемы представлена на рис.1.
Разработка монтажных схем ведется в сквозном цикле,
начиная с разработки библиотек элементов и принципиальных электрических схем и
заканчивая выпуском конструкторской документации в соответствии с требованиями
ЕСКД и другой нормативно-технической документации.
При
проектировании САЭВСТ, к размещению элементарных модулей струйных элементов на
плате предъявляются следующие основные требования:
· предпочтительно
размещение входных/выходных каналов в узлах сетки 1х1 мм;
· максимальный размер
сетки – 4х4 мм;
· максимально
сглаженная траектория и минимальная длина каналов связи (для уменьшения потерь
сигнала).
Указанные
выше требования удовлетворяются посредством специально разработанных и
реализованных в подсистеме «Струя-2D» алгоритмов
построения сплайнов [2], алгоритмов автоматической трассировки [3] и поиска
кратчайшего пути между элементами на плоскости [4].
рис. 2. Элементарные
модули струйной техники
Проектирование
САЭВСТ в подсистеме «Струя-2D» производится при
использовании специально разработанной базы данных элементарных модулей
струйных элементов, включающей в себя их условные графические изображения в
виде принципиальных и монтажных схем (рис. 2). Элементы базы данных хранятся в
специально разработанных внутренних форматах, обеспечивающих наименьший объем
занимаемой памяти и максимальное быстродействие. Для таких операций, как
сохранение и вывод электронных конструкторских документов на внешние устройства
используются стандартные форматы данных. Полный перечень форматов, используемых
в подсистеме «Струя-2D» приведен ниже:
*.b – внутренний двоичный формат
подсистемы «Струя-2D», в котором размещается описание 2D-модели САЭВСТ;
*.i – внутренний
двоичный формат подсистемы «Струя-2D», в котором размещается последовательная запись
координат геометрических примитивов в виде ломаных линий и текста, описывающих
2D-модель, с разделителями между ними;
*.ppb – файл, имя которого совпадает с именем
создаваемого двоичного файла с расширением .i или .b, формируется
автоматически при использовании шрифтов;
при копировании данных с жесткого диска на внешнее запоминающее
устройство этот файл необходимо копировать совместно с соответствующим файлом
*.i, *.b;
*.bmp -
стандартный растровый формат;
*.gbr – символьный GERBER файл,
предназначенный для вывода информации на внешние устройства (графопостроители,
координатографы, принтеры и фотоплоттеры);
*.hpg – символьный HPGL формат, предназначенный для вывода информации на внешние устройства (графопостроители,
координатографы, принтеры и фотоплоттеры);
*.plt - символьный HPGL формат системы PCAD [5], предназначенный для вывода информации на
графопостроители.
*.dxf – символьный
формат системы AutoCAD, предназначенный для обмена данными с внешними системами.
В системе «Струя-2D» реализованы все
стандартные аффинные преобразования: смещение, масштабирование, поворот,
зеркальное отображение, копирование, копирование с зеркальным отображением.
Кроме того, предусмотрено изменение типа, цвета и толщины линии, смещение конца
отрезка, создание кубического сплайна,
преобразование отрезка в ломаную линию, удаление и отмена текущей операции.
Точность построения примитивов достигается режимом привязки к узлам размерной
сетки, привязки к характерным точкам примитивов и масштабом визуализации
(погрешность в системе 0,001мм).
Процесс проектирования принципиальных и монтажных
схем САЭВСТ включает в себя ручное размещение элементов на схеме, ручную или
автоматическую трассировку соединений между элементами, автоматическую
простановку позиционных обозначений элементов на схеме в соответствии
требованиями ГОСТ 2.710-81, интерактивный ввод характеристик элементов и
автоматическое создание таблиц, содержащих перечень элементов [6].
рис. 3. Пример типовых графических изображений элементарных модулей
САЭВСТ
Подготовка исходных данных для формирования схем
осуществляется в режиме «черчение-2D». Исходные данные представляют собой описание
типовых графических изображений элементов струйной техники и создание
библиотеки элементов (рис. 3). В библиотеке можно производить быстрый поиск
необходимого элемента по его векторному изображению.
Для проведения
связей между элементами достаточно указать их каналы, входящие в текущую связь,
с помощью нажатия клавиши мыши. На экране дисплея связи между каналами
фиксируются в виде отрезка прямой линии. В памяти компьютера формируется
2D-модель схемы, в которой элементы связаны между собой таким образом, что при
любом изменении размещения элементов в плоскости схемы, созданные соединения
между элементами не изменяются и не разрываются. При перемещении элемента линии
связи становятся «резиновыми» и вытягиваются за элементом. Таким образом,
2D-модель схемы оказывается удобной при итерационном процессе решения задач
размещения и трассировки с целью минимизации общей длины трасс, лучшей
читаемости схемы и т.п.
рис. 4. Принципиальная схема и временна́я диаграмма работы струйного счетного
триггера
На
рис. 4 изображена спроектированная в подсистеме «Струя-2D»
принципиальная схема струйного счетного триггера (струйный счетный триггер
разработан д.т.н. Касимовым А.М. ИПУ РАН) и
соответствующая ей временна́я диаграмма.
Длина
каналов связи (1, 2) существенно сказывается на быстродействии и потерях в
струйных элементах, и, следовательно, располагать все элементарные модули на
одной плате неэффективно. Поэтому, в подсистеме «Струя-2D»
разработана монтажная схема струйного счетного триггера, состоящая из трёх плат
(рис. 5): две платы содержат по два элементарных модуля, а третья – крышка с
выходами. На плате 1 расположены реле-усилитель У и
триггер Т1. Вход Х реле-усилителя подключен через логический элемент «ИЛИ».
Установочные каналы К1 и К2 триггера Т1 подключены
через диоды. На нижней стороне платы 2 (обозначение 2-1 на рис. 5) расположены
триггеры Т2 и Т3, на верхней (2-2) – два канала обратной связи. Счётный триггер
работает по заднему фронту счётного импульса. Плата 3 представляет собой
крышку, в которую выведены все атмосферные каналы. Входы питания и выходы
подключаются с подложки. Платы расположены одна над другой, как показано на
рис. 6. Размер каждой платы 32х48 мм.
работы.
рис. 5. Монтажная схема струйного счётного триггера
рис.
6. Схемы расположения плат счётного струйного триггера
Таким образом, разработаны алгоритмы и программное
обеспечение подсистемы 2D
геометрического процессора «Струя-2D». Проведена аппробация полученных результатов на примере
автоматизированного проектирования конструкции струйного счетного триггера:
разработаны принципиальная и монтажная схемы.
Литература
1. А.М. Касимов
Пневмоавтоматика сегодня // Датчики и системы. 2009. 8. С. 5-8.
2. Е.В. Шишкин, А.И. Плис.
Кривые и поверхности на экране компьютера. Москва, «Диалог-МИФИ», 1996.
3. Е.И. Артамонов, И.В. Коновалов, Л.Н. Сизова, А.М. Тенякшев, Е.В. Тишкевич Программно-технический комплекс (ПТК)
автоматической трассировки соединений между элементами на плоскости / Труды
конференции. Ялта-Гурзуф: Открытое образование, 2010. С. 132-134.
4. Е.И. Артамонов Варианты структурной организации
программно-технического комплекса для решения задачи поиска кратчайшего пути /
Труды международной конференции CAD/CAM/PDM-2009. М.: ИПУ РАН, 2009. С. 48-53.
5. А.С. Уваров P-CAD. Проектирование и конструирование
электронных устройств. М.: «Горячая линия – Телеком», 2004. – 760 с.: ил.
6. Е.И. Артамонов, В.А. Ромакин, Л.Н. Сизова, А.М. Тенякшев
Автоматизированное проектирование и выпуск схемной документации на
аппаратуру средств связи: Методическое пособие. - М.:
МТУСИ, 2006. - 26 с.