Файл: Институт непрерывного образования.docx

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»
(СПбГУТ)

 

ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кафедра Информационных систем и технологий

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Вариант №7
По дисциплине:

«Автоматизация управления жизненным циклом»

Фамилия: Мекка

Имя: Ольга

Отчество: Александровна

№ зачетной книжки: 1910567

Группа №: ИБ-97с

Проверил: _____________


Санкт-Петербург

2023

Оглавление

Постановка лабораторной работы

Целью лабораторной работы является приобретение навыков выбора средств автоматизации и управления на этапах жизненного цикла.
Предметная область: Проектирование радиоэлектронных средств на ПЛИС Artix-7.

Задачи

• 
  Подобрать необходимое программное обеспечение и, при необходимости, отладочные комплексы.
  
• 
  Автоматизировать полный процесс разработки: от разработки принципиальной схемы и программного обеспечения, до конструкторской документации.
  
• 
  Исходить из автоматизации следующих рабочих мест: разработчик схемы и ПО – 1 человек, конструктор – 1 человек.
  
• 
  Дать описание программных продуктов и отладочных комплексов и подсчитать их общую стоимость, включая стоимость рабочих станций.
  

---

Характеристики ПЛИС

Таблица №1

Параметр	Характеристика
Модель	Artix-7 XC7A100T-2FTG256C
Производитель	Xilinx
Logic Cells (Ячейки)	101440
CLBs (Slices)	15850
Регистры	126800
Block RAM Blocks	4860
Max User I/O	170
Напряжение питания ядра	1.0В
Класс быстродействия	2
Тип корпуса	256-ball Fine-Pitch Thin BGA 17x17 мм
Рабочая температура	0...+85C

Рис. 1. ПЛИС Artix-7
ПЛИС выбиралась исходя из задачи. В данном случаем хватило ПЛИС серии Artix-7. Данная модель ПЛИС имеет одну из самых простых конфигураций. Соответственно имеет наименьшую стоимость. Этот вариант часто используется, как встраиваемая система (Embed system).

Подбор необходимого программного обеспечения

Подбор программного обеспечения, необходимого для проектирования радиоэлектронных средств ПЛИС Artix-7, будет осуществляться с помощью ознакомления с поставленными задачами и поиском наиболее подходящих вариантов ПО.

Средства разработки

Так как главной целью работы является автоматизация процесса разработки радиоэлектронных средств с помощью программируемой логической интегральной схемы (далее – ПЛИС) модели Artix-7, то необходимо распределить процесс разработки на этапы, и для каждого этапа подобрать соответствующие системы автоматизированного проектирования (далее – САПР).

Разработка радиоэлектронных средств делится на следующие этапы:

1. 
   этап разработки алгоритмов обработки сигналов;
   
2. 
   этап переноса алгоритмов на вычислительную базу;
   
3. 
   этап тестирования и верификации полученного решения;
   
4. 
   этап разводки печатной платы;
   
5. 
   этап разработки печатной платы;
   
6. 
   этап конструирования корпуса устройства.
   

---

Некоторые из перечисленных этапов могут осуществляться параллельно, тем самым, не мешая процессу и не блокируя друг друга.

К примеру, если уже определен форм-фактор и габариты, то разработка алгоритмов не помешает дальнейшей разработке корпуса.

При разработке как ПЛИС, так и заказных микросхем, инженерам требуется максимально использовать их сложный функционал. Поэтому всё больше требований предъявляется к средствам HDL проектирования, автоматизации процессов и руководствам по стилю разработки.

Подбор САПР для каждого этапа проектирования

Этап разработки алгоритмов обработки сигналов

Приступая к первому этапу, целесообразно выбрать пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений MATLAB, который используется многими инженерами и научными работниками.


Рис. 2. Составление структурной схемы в MATLAB
Данные достоинства программы MATLAB значительно упрощают и ускоряют работы инженерам при проектировании радиоэлектронных средств. Обращая внимание на последний пункт, важно отметить, что разработанные ядра полностью совместимы с программным продуктом от компании производится ПЛИС Artix-7.

Обоснование выбора средства разработки

Причины выбора MATLAB:

• 
  обширная библиотека алгоритмов обработки сигналов;
  
• 
  понятный синтаксис;
  
• 
  интегрированные рабочие процессы;
  
• 
  возможность создавать вычислительные ядра для ПЛИС (в том числе для ПЛИС Artix-7).
  

Этап переноса алгоритмов на вычислительную базу

Для того, чтобы перенести разработанный алгоритм на вычислительную базу (целевую плату), или совместить разработанные модули с помощью MATLAB, целесообразно воспользоваться программным продуктом Vivado 2020.2. В этой версии программы есть дополнения для MATLAB и Simulink (Unified Model Composer and System Generator).

Этот программный продукт обеспечивает разработку на платах фирмы Xilinx и является официальным продуктом вендора.



Рис. 3. Пример работы программного продукта Vivado 2020.2

Обоснование выбора средства разработки

Причины выбора Vivado 2020.2:

---

• 
  проектирование вычислительных устройств, блоков обработки сигналов;
  
• 
  возможность описания разрабатываемых устройства как полностью кодом (Verilog, VHDL), так и в графическом режиме;
  
• 
  возможность управления созданием при помощи команд, автоматизируя сборку;
  
• 
  разработанные блоки можно оформлять как отдельные вычислительные ядра, затем сохранять в библиотеке, предоставляемой вендором;
  
• 
  система обеспечивает автоматическое и автоматизированное размещение проекта на элементной базе кристалла.
  

Этап тестирования и верификации полученного решения

Для этапа отладки разработанного устройства так же подойдет Vivado 2020.2, так как в нем встроено средство отладки и тестирования разработанных ядер при помощи встроенного ядра ILA.



Рис. 4. Интерфейс Vivado после отладки
На этапе прошивки и тестирования периферии могут понадобиться отладочные платы с реализованными портами входа и выхода различных стандартов и общего назначения, например, Nexys Video Artix-7 FPGA.



Рис. 5. Микросхема Nexys Video Artix-7 FPGA

Этап разводки печатной платы

После того, как известны необходимые компоненты для РЭА и размеры, приступают к разводке печатной платы.

Для решения данной задачи существует огромное количество различных САПР. Одним из ведущих на рынке является САПР Mentor Graphics. Единый инструмент проектирования печатных плат, включающий все необходимое для создания схемы, размещения компонентов, трассировки, моделирования, проверки электромагнитной совместимости, целостности сигналов, наводок и окончательной подготовки к производству. Система Mentor Graphicsо ориентирована на использование небольшими компаниями, группами, а также отдельными разработчиками.



Рис. 6. Пример работы программного продукта Mentor Graphics

---

Обоснование выбора средства разработки

Причины выбора Mentor Graphics:

• 
  сравнительная простота использования, позволяющая приступить к работе сразу же после минимального обучения;
  
• 
  высокая эффективность разработки сложных плат сочетается с небольшими временными и трудовыми затратами, а средства анализа обеспечивают корректный результат;
  
• 
  работу над проектом можно разделить на четыре этапа, за каждый из которых отвечают определенные программы.
  

Этап разработки печатной платы

Для разработки корпуса существует огромный перечень различных механических САПР, например, Компас 3D, SolidWorks, AutoCAD и др.

Такой выбор обусловлен соответствием мировым стандартам, а также совместимостью с Mentor Graphics. Что упростит взаимодействие разработчиков печатных плат и конструкторов.


Рис. 7. Пример работы программного продукта Компас 3D


Рис. 8. Пример работы программного продукта AutoCAD



Рис. 8. Пример работы программного продукта SolidWorks

Обоснование выбора средства разработки

Причины выбора SolidWorks:

• 
  специальная библиотека с разнообразными стандартными компонентами и изделиями, содержащая детали с разным назначением и параметрами;
  
• 
  привязки – программа позволяет выполнять привязки прямо в модели.
  
• 
  работа с разными уравнениями – в программе есть возможность связки всей модели с помощью уравнений, вынесенных в отдельный созданный документ текстового формата.
  
• 
  автоматическое построение чертежа прямо с модели – функция незаменима для проектирования разнообразных технических изделий.
  
• 
  наличие возможности сшивания поверхностей.
  

Общая стоимость средств разработки

Таким образом, были выбраны программные и аппаратные продукты для обеспечения разработки радиоэлектронных средств на базе Artix-7.

---