Создание современных интеллектуальных электронных систем…

Создание современных интеллектуальных электронных систем…
М.В. АЛЮШИН, А.А. КРАСНЮК, В.Я. СТЕНИН
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
СОЗДАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
В РАМКАХ СКИБ-3 КАФЕДРЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НИЯУ МИФИ
Представлены направления работы СКИБ-3 кафедры Электроники НИЯУ МИФИ. Показана актуальность создания современных интеллектуальных электронных систем, способных обрабатывать полезную информацию при высоких
уровнях шума. Анализируются разработанные базовые программно-аппаратные средства, позволяющие осуществить
разработку опытных образцов интеллектуальных электронных систем. Выделены возможные области работы студентов
в зависимости от их профессиональной подготовки.
Разработки СКИБ-3 основываются на современных достижениях в области микро- и наноэлектроники, реконфигурируемых электронных системах, системах на кристалле (SoC) [1], реконфигурируемых системах со структурой, управляемой потоком обрабатываемых данных (DDA),
или событий (ЕDA) [2].
Основными направлениями работы СКИБ-3 являются:
- разработка малогабаритных, переносных и встраиваемых измерительно-диагностических
приборов на основе одноплатных компьютеров;
- создание высокоскоростных, в том числе беспроводных, систем сбора и обработки данных;
- исследование и разработка многоканальных фазированных акустических систем различного применения;
- разработка малогабаритных систем поиска взрывчатых и наркотических веществ;
- создание биометрических систем.
Для достижения предельных значений таких характеристик электронных систем, как чувствительность и разрешающая способность, многие из создаваемых систем предполагают обработку сигналов в шумах, что обусловливает актуальность применения методов распознавания образов, адаптивной фильтрации, технологии аппаратных нейросетей. Применение указанных методов и технологий дает возможность осуществить обработку полезной информации при уровнях
шума, значительно превосходящих входной информационный сигнал.
При осуществлении образовательной
и
научно-исследовательской деятельности в СКИБ-3
планируется использовать разработанные на кафедре Электроники
программно-аппаратные средства
для создания высокоэффективных
систем передачи, обработки и хранения данных.
На рис. 1, например, представлен разработанный модуль обработки данных на основе ПЛИС
фирмы Xilinx [3], предназначенный
для макети-рования малогабаритных и встраиваемых систем хранения, защиты и передачи данных.
Применение данного модуля вместе
с комплектом программ конфигурирования ПЛИС позволяет студентам
Рис. 1. Внешний вид отладочного модуля на основе
в течение нескольких дней осуществить разработку программноПЛИС
аппаратного узла для быстродействующей обработки данных в реальном масштабе времени, а
также его тестирование при работе с реальными сигналами.
Разработанный модуль дает возможность студентам при макетировании электронных узлов
использовать ПЛИС различной сложности:
- XILINX XC3142A в корпусе PLCC84 для отладки несложных интерфейсных узлов, работающих преимущественно с логическими сигналами амплитудой 5 В;
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том VI
1
Создание современных интеллектуальных электронных систем…
- XILINX VIRTEX XCV300E в корпусе BG432 для отладки сложных узлов цифровой обработки сигналов с возможностью организации до 8 банков внешней памяти.
Для создания малогабаритных, переносных и встраиваемых измерительно-диагностических
приборов, а также биометрических систем планируется использование одноплатных компьютеров
марки «Тион» и «Тион-Про» [4]. Одноплатные компьютеры данных моделей позволяют разрабатывать полностью автономные переносные приборы при использовании различных операционных
систем, например, Windows CE, Unix, RedBoot [4]. На рис. 2 представлен внешний вид одноплатного компьютера марки «Тион-Про».
а
б
Рис. 2. Одноплатный компьютер «Тион-Про»: лицевая (а) и обратная (б) стороны модуля
Основными характеристиками одноплатного компьютера «Тион», делающими его привлекательным для студентов-разработчиков встраиваемых систем, являются следующие:
- рабочая частота высокопроизводительного ядра ARM9 – 200 МГц;
- рабочая частота системной шины – 100 МГц, разрядность шины адреса – 24 бит, разрядность шины данных – 32 бит;
- наличие сопроцессора MaverickCrunch для поддержания формата с плавающей точкой;
- наличие встроенного видеоконтроллера;
- объем ОЗУ (SDRAM) одноплатного компьютера – 64 Мбайт, ПЗУ (FLASH) – 8 Мбайт;
- напряжение питания – 3,3 В;
- потребляемый одноплатным компьютером ток – до 300 мА.
Одноплатный компьютер «Тион» имеет развитый интерфейс, позволяющий студентам создавать малогабаритный системы сбора, обработки и хранения данных. При использовании данного модуля студенты могут воспользоваться следующими основными интерфейсами:
- двумя высокоскоростными портами USB 2,0;
- тремя последовательными UART портами;
- Ethernet интерфейсом со скоростью передачи данных 1/10/100 Мбит/с;
- аудио интерфейсом в стандарте АС97;
- последовательным портом SPI для работы с SD картами памяти;
- 18 портами ввода-вывода GPIO общего назначения;
- EIDE интерфейсом для подключения двух устройств HDD;
- 18-битовым графическим интерфейсом для управления TFT дисплеем с поддержкой разрешения до 12801024 пикселей;
- последовательным интерфейсом для подключения сенсорной панели управления (Touch
Screen);
- отладочным интерфейсом JTAG.
Для работы с одноплатными компьютерами серий «Тион» и «Тион-Про» в СКИБ-3 созданы
отладочные компьютерные стенды, позволяющие осуществить весь цикл работ по разработке
прикладного программного обеспечения для выбранной операционной системы.
На рис. 3 представлена функциональная схема одноплатного компьютера «Тион». Низкая
потребляемая мощность компьютера (менее 1 Вт) позволяет студентам разрабатывать малогабаритные переносные приборы с автономным питанием.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том VI
2
Создание современных интеллектуальных электронных систем…
Особенностью данной версии одноплатного компьютера является использование для подключения
внешних
(периферийных)
FLASH
SDRAM
устройств одного общего разъема типа
SODIMM-200. Системная шина процессора
SYSTEM BUS
также выведена на данный разъем. Это дает
возможность студентам разрабатывать и
подключать быстродействующие устройства
EIDE
ввода/вывода данных непосредственно к
этой шине. Такая конструкция компьютера
2 USB
позволяет разработчику аппаратуры применять на практике различные его модифика3 UART
ции, выпускаемые как отечественными, так
и зарубежными производителями.
ETHERNET
Студенты, успешно освоившие разработку
приложений для одноплатного комAUDIO AC97
Разъем
пьютера «Тион», могут продолжить изучеEP9312
SODIMMние технологии проектирования встраивае18 GPIO
200
мых систем на основе более совершенной
модели одноплатного компьютера «ТионTFT
Про».
Данная модель одноплатного компьюTOUCH
тера выполнена на базе высокоинтегрироSCREEN
ванного процессора Cirrus Logic EP9315 с
ядром ARM9. Его отличительными особенSPI
ностями являются:
- малые размеры,
- низкое энергопотребление,
Источник
- развитая периферия,
Serial FLASH
JTAG
питания
- возможность установки Windows CE,
Linux, RedBoot.
Рис. 3. Основные функциональные узлы
При разработке приложений для одноплатного компьютера «Тион-Про» студентам
компьютера
необходимо ориентироваться на следующие системные ресурсы:
– рабочая частота ядра ARM9 – 200 МГц;
– частота системной шины – 100 МГц;
– объем КЭШа инструкций – 16 Кбайт;
– объем КЭШа данных – 16 Кбайт;
– объем ОЗУ (SDRAM) – 64 Мбит;
– объем ПЗУ (FLASH память) – 8 Мбит;
– объем последовательного ПЗУ (Serial Flash – 2 Мбит.
При использовании данного одноплатного компьютера студенты могут воспользоваться
следующими основными интерфейсами:
– двумя высокоскоростными портами USB 2,0;
– тремя последовательными UART портами;
– двумя портами RS232;
– интерфейсом Ethernet со скоростью передачи данных 1/10/100 Мбит/с;
– последовательным портом SPI;
– 14 портами ввода-вывода GPIO общего назначения;
– EIDE интерфейсом для подключения двух устройств HDD;
– 18-битовым графическим интерфейсом для управления TFT дисплеем с поддержкой разрешения до 1024768 пикселей;
– последовательным интерфейсом для подключения сенсорной панели управления (Touch
Screen);
– аудио интерфейсом в стандарте АС97;
– отладочным интерфейсом JTAG.
На рис. 4 представлена функциональная схема одноплатного компьютера «Тион-Про».
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том VI
3
Создание современных интеллектуальных электронных систем…
SDRAM 64Мбит
ETHERNET
1/10/100 Мбит/с
FLASH 8Мбит
14 GPIO
SERIAL FLASH
2Мбит
EIDE
EP9315
SPI
TFT
2 USB 2,0
TOUCH
SCREEN
3 UART
AC97
2 RS232
Рис. 4. Основные функциональные узлы одноплатного компьютера «Тион-Про»
В зависимости от начальной квалификации студентов выбирается одна из наиболее подходящих форм его работы в СКИБ-3. Студентам с невысоким начальным уровнем знаний и практических навыков работы в области электроники и микроэлектроники предлагается выполнить одну
из следующих работ:
- обзор и анализ литературных данных по теме исследования;
- анализ патентной документации по теме исследования;
- разработка упрощенной версии прикладного программного обеспечения;
- разработка, изготовление и отладка макета аналогового, либо цифрового узла;
- изучение на тестовых примерах современных САПР электронных устройств;
- проведение экспериментального исследования уже разработанных электронных приборов.
Студентам, успешно выполнившим начальные задания или уже имеющим опыт работы в
области электроники и микроэлектроники, предлагаются более сложные учебно-исследовательские работы:
- разработка и отладка проекта электронного узла на основе современной ПЛИС;
- разработка проекта печатной платы, сопровождение ее изготовления на заводе, монтаж и
отладка электронного модуля;
- разработка прикладного программного обеспечения, включая документацию.
Студентам старших курсов и студентам-дипломникам предлагается принять участие в создание законченных программно-аппаратных комплексов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федотов Я.С., Щука А.А. //Электронные компоненты. 2001. № 2. С. 3.
2. Chandy K.M. Event-driven applications: costs, benefits and design approaches. California Institute of
Technology, 2006.
3. Зотов В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы
XILINX. М.: Горячая линия-Телеком, 2006.
4. Еркин А.В., Солдатов А.Н. //Chip News. 2008. № 10–11. С. 134.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том VI
4