МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ БЛОК БЕСПЛАТФОРМЕННОГО ГРАВИИНЕРЦИОНАЛЬНОГО 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 блоков 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. АТ91SAM9G20-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. Достоинствами прототипа являются широкий выбор функциональных возможностей, возможность отладки и контроля работы программы. Из недостатков для решения информационно-вычислительных задач в составе гравиинерциального комплекса следует отметить малый объем постоянной памяти, наличие неиспользуемых функциональных элементов, как следствие излишние массогабаритные характеристики и энергопотребление.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является большое уменьшение массы, габаритных размеров и энергопотребления вычислительного модуля, значительное упрощение его конструкции и функционала, а также увеличение объема его постоянного запоминающего устройства.
Указанный выше технический результат полезной модели достигается за счет того, что микроконтроллерный вычислительный блок БГНК, содержащий микроконтроллер, флэш-память, оперативную память, отличающийся тем, что вычислительный блок содержит две объединенные паечные контактные группы без разъемов, предназначенные для выводов интерфейсов UART, USART, USB, DBGU, JTAG, а также сформированных извне сигналов тактовой частоты и питания, кроме того, вычислительный блок выполнен на трехслойной печатной плате, элементы вычислительного блока расположены на обеих сторонах печатной платы, при этом объем флэш-памяти вычислительного блока составляет не менее 2 Гб.
Значительное уменьшение массы и габаритных размеров достигается за счет рационального расположения элементов на обеих сторонах печатной платы вычислителя. Для этого в плату введен промежуточный слой металлизации и используется ограниченное число функциональных элементов, строго соответствующих необходимости при решении конкретных задач вычислителя БГНК, разъемы интерфейсов заменены двумя объединенными паечными контактными группами, используются подготовленные извне сигналы тактовой частоты и питания. Уменьшенное количество функциональных узлов позволяет упростить конструкцию и функционал, снизить энергопотребление вычислительного модуля. Увеличение объема флэш-памяти до 2 Гб позволяет записывать и хранить большие объемы данных получаемых в процессе измерений, выполняемых БГНК.
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.
Микроконтроллерный вычислительный блок БГНК содержит, микроконтроллер DD1, флэш-память DC1, оперативную память DC2, объединенные контактные группы выводов J1, J2 (см. фиг.1). Флэш-память DC1 предназначена для хранения исполняемого кода программы решения уравнений функциональных алгоритмов комплекса и получаемых в ходе измерений данных. Оперативная память DD2 необходима 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». Обозначение портов общих выводов показано на фиг.2. Выводы платы содержат порты питания (GND, +5V, +3.3V, +1.0V), порты тактовой частоты микроконтроллера (XIN, XOUT, XIN32, XOUT32), порты интерфейсов UART (RXD1, TXD1), USART (RXDO, TXDO, RTSO, CTSO), USB (D+, D-), DBGU (DRXD, DRXD), JTAG (NTRST, TDI, TMS, TCK, RTCK, TDO).
Микроконтроллерный вычислительный блок БГНК выполнен на трехслойной печатной плате. На фиг.3 показаны геометрические параметры дорожек и переходных отверстий. Габаритные размеры платы 50,09×29,73 мм. Топология слоев приведена на фиг.4-6, в масштабе 4:1. Элементы печатной платы расположены на верхнем и нижним слоях, согласно фиг.7, 8, рациональное расположение элементов на обеих сторонах позволило значительно уменьшить размеры печатной платы по сравнению с прототипом, спецификация элементов приведена в таблице 1.