ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ БЕСПЛАТФОРМЕННОГО ГРАВИИНЕРЦИАЛЬНОГО НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА

Полезная модель относится к области вычислительной техники и предназначена для установки на нее программного обеспечения для решения уравнений функциональных алгоритмов бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса (БГНК), включая алгоритмы ориентации, навигации и векторной гравиметрии, алгоритмов оценивания параметров и коррекции, управления носителем, а также накопления и выдачи потребителю информации. Модуль с программным обеспечением может быть установлен на борту малоразмерного авиационного или морского носителя для обработки данных инерциально-измерительного блока бесплатформенной инерциальной навигационной системы, навигационной аппаратуры потребителя спутниковой навигационной системой и других измерительных систем и приборов в составе комплекса.
Известны различные варианты реализации вычислительных модулей в современных навигационных и управляющий комплексах малоразмерных аэроморских объектов. В частности, среди них широко распространены бортовые вычислители на базе одноплатных компьютеров или микроконтроллеров, способные вполне удовлетворительно исполнять программы решения уравнений функциональных алгоритмов ориентации, навигации, оценивания параметров и коррекции, управления носителем, накапливать и выдавать потребителю обработанные данные. К их достоинствам относятся отработанность технологии производства, обслуживания и ремонта, а также универсальность применения, устройства широко представлены на современном рынке. В качестве их недостатков можно отметить следующее. В отношении большинства миниатюрных вычислителей задача реализации на них сложных алгоритмов, требующих высокой точности вычислений, часто является невыполнимой, ввиду недостатка вычислительных мощностей. Сравнительно мощным же вычислителям, как правило, присущи излишне большие масса, габариты и энергопотребление, невысокая помехозащищенность, а также необходимость их резервирования ввиду их недостаточной надежности. Кроме того, к недостаткам можно отнести ограниченность конфигураций и вынужденное сохранение в составе универсальных изделия невостребованных в конкретном проекте функциональных элементов. Итак, в качестве прототипа вычислительного модуля выбрана отладочная плата ATMEL SAM9G20-EK (Atmel Corporation. AT91 SAM9G20-EK Evaluation Board User Guide. - 2009. - 39 p) - как наиболее близкая к представленной полезной модели разработанного вычислительного модуля.
Отладочная печатная плата ATMEL SAM9G20-EK на базе микроконтроллера AT91SAM9G20 предназначена для разработки и отладки микроконтроллерных устройств. Помимо микроконтроллера отладочная плата SAM9G20-EK включает в себя 256 МБ энергонезависимой FLASH-памяти, 64 МБ оперативной памяти, 3 коммуникационных USB - порта, 4 порта RS-232, два разъема для карт памяти SD/MMC, разъем отладочного интерфейса JTAG, разъем интерфейса TWI, аудио-вход ЦАП и аудио-выход, разъем Ethernet с тремя сигнальными светодиодами и последовательный коммуникационный порт DBGU, разъем питания 12 В. Помимо этого, на плате расположены два светодиода, 4 кнопки, 4 дополнительных контактных группы для подключения внешних устройств, литиевая батарея для часов реального времени, сторожевой таймер, динамик, тактовый генератор, контроллеры портов ввода/вывода, встроенный 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь, система питания и тактирования. Печатная плата имеет геометрические размеры 126 мм по длине и 86.5 мм по ширине. Кроме того, при эксплуатации в условиях существенных электромагнитных помех плату необходимо дополнительно экранировать, что отрицательно отражается на совокупных массогабаритных характеристиках экранированной платы. Достоинствами прототипа являются широкий выбор функциональных возможностей, возможность отладки и контроля работы программы. Главным недостатком прототипа при решении информационно-вычислительных задач в составе гравиинерциального комплекса следует отметить излишние массогабаритные характеристики.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение массогабаритных характеристик вычислительного модуля.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в вычислительном модуле бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса содержащем блок питания, микроконтроллер, оперативную память, флэш-память объемом не менее 2 ГБ, выводы интерфейсов USB, RS-232, RS-485, JTAG, DBGU согласно заяляемой полезной модели вычислительный модуль выполнен на трехслойной печатной плате, при этом на ее верхний и нижний слои нанесено металлизированное покрытие, соединенное с заземлением.
Примененная трехслойная структура печатной платы с введенными верхним, нижним и промежуточным слоями металлизации позволяет располагать большее число разнонаправленных соединительных дорожек минимальной длины на единице площади платы, следовательно, компактнее располагать элементы на ее поверхности по сравнению с одно- или двухслойными платами, уменьшая ее массогабаритные характеристики. В то же время, наиболее чувствительные к помехам дорожки стало возможным располагать в промежуточном слое металлизации, а на верхний и нижний слои - наносить металлизированные покрытия, соединенные с заземлением, обеспечивающие достаточную помехозащищенность платы, позволяя отказаться от необходимости дополнительного экранирования, ведущего к росту массы и габаритов вычислительного модуля.
Исследования компьютерной и полунатурной моделей модуля вычислителя подтверждают возможность его широкого использования в составе авиационных, морских и других подвижных объектов, а также на стационарных объектах.
Вычислительный модуль БГНК содержит блок питания с разъемом питания J1, микроконтроллер DD1, флэш-память DC1 увеличенного объема, оперативную память DC2, выводы интерфейсов J2, J3, J4, J5, J6 (см. фиг.1). Блок питания предназначен для формирования напряжений питания 3,3 В и 1 В, из подключаемого по разъему Л питания 5 В. Флэш-память DC1 предназначена для хранения исполняемого кода программы решения уравнений функциональных алгоритмов комплекса. Оперативная память DD2 необходима для временного хранения данных и команд, исполняемых процессорным ядром микроконтроллера. Микроконтроллер DD1 предназначен для исполнения программы, приема и передачи данных с внешних интерфейсов и работы с памятью. Адресация памяти производится по шине «Адрес», обмен данными производится по шине «Данные».
Вычислительный модуль БГНК выполнен на трехслойной печатной плате. На фиг.2 показаны геометрические параметры дорожек и переходных отверстий. Габаритные размеры платы: 88,23×98,94 мм. Топология слоев приведена на фиг.3-5, в масштабе 2:1. Элементы печатной платы расположены на верхнем слое, согласно фиг.6. Рациональное расположение элементов и их связей, сохранение только необходимых вычислителю в рамках комплекса узлов позволило уменьшить массу и размеры изделия, его энергопотребление. Спецификация используемых элементов приведена в таблице 1. Верхний и нижний слои содержат металлизированное покрытие, соединенное с заземлением, что улучшает помехозащищенность дорожек платы.