Основные принципы проэктирования и построения бортовых информационных систем

Бортовая информационная система в общем случае состоит из трех

подсистем: подсистемы измерения и преобразования информации,

вычислительной подсистемы и подсистемы отображения.

Первая из них, подсистема измерения и преобразования, осуществляет прием и измерение аналоговых и дискретных сигналов (от тех систем и датчиков ЛА, которые не имеют собственных средств измерения и преобразования сигналов в цифровую форму), выполняет предварительную обработку этих сигналов, преобразование их в цифровой последовательный код и передачу в таком виде в подсистему обработки для дальнейшего использования. Иногда подсистему измерения и преобразования выделяют в самостоятельную систему преобразования информации.

Вычислительная подсистема осуществляет обработку всей поступающей информации. Эта информация поступает в вычислительную подсистему как непосредственно, так и через подсистему измерения и преобразования. Вычислительная подсистема может быть построена на основе бортовых цифровых вычислительных машин или содержит специализированные вычислители, которые представляют собой те же БЦВМ, но усеченные и приспособленные для выполнения определенных задач.

После обработки вся необходимая информация передается из

вычислительной подсистемы в подсистему отображения, задачей последней является представление информации экипажу. Информация может передаваться из подсистемы отображения экипажу в визуальной, звуковой или тактильной форме.

4.1 Построение подсистем измерения и преобразования информации.

Основной задачей подсистемы измерения и преобразования является

измерение аналоговых сигналов и представление измерительной информации в цифровой форме, что необходимо для обработки сигнала в вычислительной подсистеме. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой в настоящее время применяется дискретизация по времени и квантование по уровню, затем полученные дискретные кванты зашифровуются цифровым кодом.

А - исходная функция, Б - квантование, В – дискретизация, Г - дискретизация с

квантованием

Точность представления аналогового сигнала цифровым будет зависить от количества уровней квантования и частоты дискритизации. Но наряду с повышением точности усложняется обработка сигнала, следовательно увеличивается аппаратная часть преобразователя и время обработки сигнала.

Информация в БЦВМ кодируется двоичным кодом. Информация делится

на команды и операнды. Команда машинного языка в программе задает

операцию над одной или несколькими порциями данных, называемых

операндами данной команды. Встречаются следующие типы команд:

арифметические – выполняют целочисленные операции сложения,

вычитания, умножения;

- логические – выполняют логические операции (логическое сложение,

логическое умножение, отрицание и т.д.);

- команды с плавающей точкой – операции сложения, вычитания,

умножения, деления над вещественными числами;

- десятичные – десятичное сложение, умножение, преобразование

форматов;

- строковые – пересылки, сравнения и поиск строк;

- пересылки – операции загрузки и записи;

- управления потоком команд – безусловные и условные переходы, вызовы

процедур и возвраты из них;

- системные – системные вызовы, команды управления виртуальной

памятью.

Команда состоит из одного или более слов. Второе и последующие слова

команды – либо адреса, либо операнды. Процессор интерпретирует слово или

как адрес, или как значение операнда, или как слово состояния процессора.

4.2 Построение вычислителных подсистем. Состав БЦВМ.

Любая БЦВМ включает следующие основные устройства: процессор,

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее

устройство (ПЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ). Часто БЦВМ также

содержит внешнее запоминающее устройство.

Процессор – устройство, обеспечивающее обработку данных,

размещаемых в ОЗУ, по заданной программе. При наличии в БЦВМ

нескольких процессоров часто один из них наряду с обработкой информации

выполняет также функции управления всей БЦВМ, он называется

центральным процессором.

Процессоры могут быть параллельными и последовательными:

параллельный процессор обрабатывает одновременно все разряды

машинного слова (8/16/32/64 разряда), последовательный процессор

обрабатывает по одному разряду.

Процессор содержит одно или несколько устройств обработки,

называемых обычно арифметическо-логическими устройствами, устройство управления, локальную память и, при необходимости, средства контроля и диагностики.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) предназначено для

выполнения арифметических и логических операций над числами,

представленными с фиксированной или плавающей точкой. Логические

операции выполняются над числовыми наборами n-разрядной длины. АЛУ содержит один или несколько сумматоров и регистры для хранения

промежуточных данных и результатов преобразований. Оно может быть

расширено специализированными устройствами: сдвигателем, быстрым

умножителем, десятичным сумматором, конвертером, сопроцессором и др.

В процессе обработки информации в режиме с фиксированной точкой в

АЛУ вырабатываются признаки переполнения и передачи управления.

Признак переполнения разрядной сетки вырабатывается при выполнении

операций над числами и поступает в устройство управления на схемы

прерывания вычислительного процесса. В этом случае машина либо

останавливается, либо происходит повторное решение данного участка

программы.

Устройство управления (УУ) управляет процессами передачи и

обработки информации в процессоре (принимает и расшифровывает команды, формирует последовательность управляющих сигналов, сигналов синхронизации и др). УУ может быть с жесткой логикой и микропрограммным.

Локальная память процессора состоит в основном из различных

регистров – регистров общего назначения (РОН), регистров-указателей,

рабочих регистров, управляющих регистров и др. Локальная память может также включать буферы команд и данных, специальную память для хранения таблиц, преобразования адресов и др.

Оперативное запоминающее устройство — часть памяти БЦВМ,

которая в процессе переработки информации непосредственно взаимодействует с АЛУ. Оно предназначено, главным образом, для хранения входной информации БЦВМ, а также промежуточных и конечных результатов вычислений. В ОЗУ производится как запись, так и считывание информации.

Обычно ОЗУ реализуется в виде одного или нескольких блоков, снабженных

общим устройством управления.

Основными характеристиками ОЗУ являются время обращения к ОЗУ и

емкость. Под временем обращения понимается время, необходимое для

записи или считывания одной неделимой единицы информации (машинное слово, байт) из любой ячейки памяти. В процессе проектирования, разработки и создания БЦВМ необходимо, чтобы время обращения к ОЗУ было не более времени выполнения короткой операции в АЛУ (чаще всего операции сложения двух операндов). Емкость памяти - это максимально возможное число машинных слов определенной длины, хранимых в ОЗУ одновременно.

Постоянное запоминающее устройство — специфический тип памяти БЦВМ. Особенность ПЗУ заключается в том, что информация может

быть записана туда только один раз. В ПЗУ хранится информация, которая не

подлежит изменению в процессе функционирования БЦВМ: программы работы БЦВМ и используемые константы. По сравнению с ОЗУ хранение информации в ПЗУ гораздо надежнее, исключена возможность искажения этой информации при сбоях. Также время обращения к ПЗУ обычно меньше, чем к ОЗУ. Запись (программирование ПЗУ) производится на заводе-изготовителе БЦВМ.

Внешнее запоминающее устройство выполняет функции хранения

не оперативных данных. Объем ВЗУ обычно значительно превышает ОЗУ. К

ВЗУ относятся диски типа «винчестер», магнитные ленты и т.п.

Устройства ввода—вывода служит для связи БЦВМ с внешней

средой и объектом управления. Часто УВВ выполняют также некоторую

обработку входной и выходной информации, направленную на повышение ее

достоверности за счет использования имеющейся информационной

избыточности. При проектировании устройств ввода необходимо установить количество входных величин, подлежащих преобразованию, рабочие диапазоны, точность измерения входных сигналов, форму, скорость изменения измеряемой величины, способ преобразования информации, масштаб представления соответствующих величин в машине. При проектировании устройств вывода необходимо установить форму выдаваемого сигнала, его рабочий диапазон, допустимую дискретность по уровню и ограничения по временной дискретности выдачи сигналов.

4.3 Типы цифровых вычислительных машин.

Существует множество типов цифровых вычислительных машин (ЦВМ). Попытки провести их классификацию пока не привели к созданию стройной общепринятой системы: всегда находятся машины, не укладывающиеся в предложенную схему. Поэтому в настоящее время параллельно существует несколько классификаций. Рассмотрим основные типы ЦВМ, пользуясь при этом наиболее известной классификацией М.Флинна по типам потока команд и потока данных. Под потоком команд понимается последовательный ряд операций (команд), выполняемых ЦВМ, а под потоком данных - последовательный ряд операндов (данных), вызываемых потоком команд, включая промежуточные результаты.

Машина, выполняющая одновременно только одну команду, называется ЦВМ с одиночным потоком команд, а машина, способная одновременно выполнить несколько команд называется ЦВМ с множественным потоком команд. Машина, обрабатывающая одновременно только один операнд (единицу данных), называется ЦВМ с одиночным потоком данных, а машина, у которой одновременно в одинаковой стадии обработки находится несколько операндов, называется ЦВМ с множественным потоком данных. По типам потоков команд и данных ЦВМ подразделяются на четыре основных класса:

1. SISD (single instruction stream/single data stream) - с одиночным потоком

команд и одиночным потоком данных;

2. SIMD (single instruction stream/multiple data stream) - с одиночным потоком

команд и множественным потоком данных;

3. MISD (multiple instruction stream/single data stream) - с множественным

потоком команд и одиночным потоком данных;

4. MIMD (multiple instruction stream/multiple data stream) - с множественным

потоком команд и множественным потоком данных.

Существуют также вычислительные машины, обладающие способностью

в процессе функционирования изменять тип структуры и переходить из одного класса в другой.

Все эти классы могут использоваться в бортовых системах.

Класс SISD: один поток команд и один поток данных

Класс SISD представляют собой обычные структуры фон-Неймановского

типа. В таких ЦВМ есть только один поток команд, все команды

обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. С точки зрения классификации по потокам команд и данных не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций в ЦВМ этого класса может применяться конвейерная обработка.

К классу SISD относятся, прежде всего, классические последовательные

машины, структура которых изображена на рисунке:

Структура ЦВМ класса SISD.

Структурно это самый простой и самый распространенный тип ЦВМ, большинство используемых в бортовом оборудовании ЛА универсальных БЦВМ и специализированных вычислителей относятся к этому классу, например, БЦВМ серий «Орбита», «Аргон», ЦВМ80.

Преимущества ЦВМ класса SISD:

1. Упрощенный набор команд.

2. Команды фиксированной длинны и формы .

3. Простые способы адресации, что позволяет упростить логику .

4. Большинство команд выполняется за один цикл процессора .

5. Взаимодействие с ОП ограничивается операциями пересылки данных .

6. Позволяет использовать большое количество регистров, возможность использования высокоскоростной памяти .

Недостатки класса SISD :

1. Низкое быстродействие .

В процессе эволюции вычислительных машин класса SISD они

приобрели развитую систему команд: с большим количеством машинных

команд, многие из которых сложные и выполняются за много тактов, с

большим количеством методов адресации, большим количеством форматов команд различной разрядности, с преобладанием двухадресного формата команд, наличием команд обработки типа регистр-память. Анализ процессоров показал, что примерно 80% времени выполняется лишь 20% большого набора команд. Стремясь повысить общую производительность ЦВМ, количество команд резко уменьшили, а сложные команды стали выполнять в виде последовательностей команд из выбранного минимума. Резкоуменьшили и количество способов адресации памяти. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах способы адресации стали реализовывать с помощью дополнительных команд, что вообще говоря приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты процессоров. В результате появились процессоры ставшие базой компьютеров с сокращенным набором команд – RISC-процессоры (RISC -Reduced Instruction Set Computer). Структура процессоров резко упростилась, а время выполнения программ - сократилось. Новый подход к архитектуре процессора значительно сократил площадь, требуемую для него на кристалле интегральной микросхемы. Это позволило увеличить число регистров. В современном RISC-процессоре используется не менее 32 регистров, часто

более 100, в то время, как в классических ЦВМ обычно 8-16 регистров общего назначения. В результате процессор на 20%-30% реже обращается к оперативной памяти, что также повысило скорость обработки данных. Кроме того, наличие большого количества регистров упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле.

После появления RISC-процессоров традиционные процессоры получили

обозначение CISC – то есть с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer).

Благодаря своей простоте и стоимости в настоящее время RISC-процессоры получили широкое распространение.

А недостаток быстродействия частично устраняется конвейеризацией – в RISC-процессорах обработка машинной команды разделена на несколько ступеней, каждую ступень обслуживают отдельные аппаратные средства и организована передача данных от одной ступени к следующей.

Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько команд.

Конвеер команд.

Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера

близка к полной, а скорость подачи новых команд и операндов соответствует

максимальной производительности конвейера. Если произойдет задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная

производительность снизится.

Современные высокопроизводительные компьютеры строятся на основе

RISC-процессоров или, как минимум, с использованием принципов RISC в ядре процессора. Эта тенденция прослеживается и в бортовых системах, в качестве примеров можно привести БЦВМ серии «Багет», ЦВМ90-60, а также микропроцессорный комплект для авиационного применения Л1876.

Класс SIMD: один поток команд, несколько потоков данных

К классу SIMD относятся матричные БЦМ. Упрощенная структура

матричной ЦВМ показана на рисунке:

Особенностью структуры является то, что общее устройство управления определяет всем n процессорным элементам (ПЭ) одинаковые команды длякаждого этапа вычисления программы. Все процессоры одновременно выполняют одну и ту же операцию — каждый из них над своими данными, которые хранятся в локальной памяти (ЛП) каждого из процессоров.

Матричные ЦВМ. ПЭ – процессорный элемент ЛП – локальная память

Команды переходов выполняются

непосредственно УУ с учетом состояния ПЭ на момент завершения предыдущей команды. По своей структуре ПЭ однородны и представляют

собой арифметико-логические устройства, обладающие достаточно высоким быстродействием. Блоки управления отдельными ПЭ содержат средства для дешифрации команд, управления их реализацией, формирования признаков результатов операций и обращения к локальной

памяти ПЭ. При выполнении потока команд отдельные ПЭ могут пропустить и не выполнить некоторые из них, если на входе ПЭ нет соответствующих данных.

К классу SIMD часто относят векторные процессоры, хотя их высокая

производительность зависит от другой формы параллелизма -конвейерной

организации машины. При выполнении векторной команды одна и та же

операция применяется ко всем элементам вектора (или чаще всего к

соответствующим элементам пары векторов). Для настройки конвейера на выполнение конкретной операции может потребоваться некоторое установочное время, однако затем операнды могут поступать в конвейер с максимальной скоростью, допускаемой возможностями памяти. При этом не возникает пауз ни в связи с выборкой новой команды, ни в связи с определением ветви вычислений при условном переходе. Таким образом, главный принцип вычислений на векторной машине состоит в выполнении некоторой элементарной операции или комбинации из нескольких элементарных операций, которые должны повторно применяться к некоторому блоку данных. Таким операциям в исходной программе соответствуют небольшие компактные циклы.

К классу SIMD также относятся ассоциативные ЦВМ. В них доступ к

данным осуществляется не по адресу, а по ассоциативному признаку.

Класс MISD: несколько потоков команд, один поток данных

К классу MISD относят конвейерные ЦВМ, в которых две или более команды выполняются одновременно, хотя и на разных стадиях: одна из команд может находиться в состоянии завершения, другая - в состоянии ожидания операнда изоперативной памяти и т.д. на рисунке изображены два принципа обработки данных: а) последовательная; б) конвейерная.

Конвейерная ЦВМ содержит несколько

функциональных процессоров (ФП), которые

специализируются на разных операциях над

данными, поэтому могут иметь различную

внутреннюю структуру и характеристики, каждый из них может иметь свою

локальную память. Работой всех функциональных процессоров( ФП ) управляет единое устройство

Обработка данных. управления (УУ). Программа конвейерной ЦВМ состоит из микрокоманд, каждая из которых содержит n команд ( по числу ФП ), указывающих, что должен в каждом такте делать каждый ФП. Поток данных проходит через конвейер функциональных процессоров, каждый ФП выполняет операцию над блоком данных, после чего передает его следующему процессору, а сам от предыдущего процессора принимает на обработку новый блок данных. Структура ЦВМ данного типа представлена на рисунке:

Если поступает команда перехода (в программе реализуется ветвление

или цикл), естественный порядок обработки команд нарушается, все заранее считанные из памяти в ФП команды, следующие за командой перехода, не выполняются. Поэтому функционирование конвейера приостанавливается до момента считывания из памяти макрокоманды, которой передано управление, что приводит к значительному снижению быстродействия конвейера.

Возможны различные типы конвейерных ЦВМ. Статический конвейер

отличается неизменностью своей структуры в процессе обработки данных, в то время как динамический конвейер может перестраиваться в соответствии с выполняемой программой. Различают также синхронные и асинхронные конвейерные ЦВМ. При синхронной конвейерной обработке на выполнение команды всем процессорам отводится одно и то же время, которое выбирается равным длительности выполнения самой продолжительной команды. Функциональный процессор, завершивший обработку раньше, находится в режиме ожидания. При асинхронной обработке функциональный процессор передает результаты следующему процессору, как только сам завершит свою операцию, после чего ожидает данные от предыдущего процессора (если они к этому времени еще не готовы). Простои в этом случае будут меньше, чем при синхронной обработке.

Класс MIMD: несколько потоков команд и несколько потоков данных.

К классу MIMD относятся многопроцессорные (мультипроцессорные)

ЦВМ и однородные вычислительные среды. К этому же классу можно отнести распределенные вычислительные системы, предназначенные для решения одной общей задачи. Они могут представлять собой многомашинные системы или вычислительные сети.

Многопроцессорная ЦВМ содержит несколько полноценных и

независимых процессоров, которые совместно используют общие ресурсы – память или устройства ввода-вывода – и функционируют под управлением единой операционной системы. Многопроцессорные системы по распространенности идут на втором месте после класса SISD. В качестве примеров многопроцессорных ЦВМ можно назвать Intel Paragon, CRAY T3D.

Для авиационного применения многопроцессорные ЦВМ также очень удобны, так как позволяют достичь высокой производительности за счет объединения нескольких относительно маломощных процессоров, а также потому, что позволяют строить толерантные БЦВМ, которые сохраняют

работоспособность при отказе одного или нескольких процессоров.

По способу доступа процессоров к общим ресурсам многопроцессорные

ЦВМ можно разделить на структуры: с общей магистральной шиной, с

многовходовой памятью и с матричным коммутатором.

Структура многопроцессорной ЦВМ с общей магистральной шиной,

объединяющей n процессоров с k устройствами ввода-вывода и общей памятью показана на рисунке:

Участвующие в обмене устройства используют общую шину в режиме

разделения времени. Разрешение конфликтных ситуаций при одновременном обращении к магистральной шине нескольких устройств осуществляется различными способами. Два основных – это анализ приоритетов или циклический опрос. Анализ приоритетов осуществляет специальное устройство управления — арбитр, который получает от процессоров требования на захват магистрали обмена, определяет, какой из них имеет наибольший приоритет, и предоставляет ему доступ. При циклическом опросе арбитр предоставляет возможность произвести обмен с общей памятью или устройствами ввода - вывода поочередно всем запросившим доступ процессорам.

К преимуществам такой структуры относятся простота организации ивозможность легкого наращивания или изменения состава устройств.

Благодаря этим своим качествам общая магистраль широко используется в современных многопроцессорных ЦВМ. Особенно эффективно применение общей магистральной шины при небольшом числе устройств.

й магистральной шины при небольшом числе устройств.

Современные магистральные шины имеют высокую пропускную

способность и узким местом многопроцессорных систем данного типа является обычно общая память. Требования, предъявляемые к ее быстродействию можно существенно сократить путем придания каждому процессору больших многоуровневых кэшей. Кэш-память представляет собой высокоскоростную буферную память, в которую перегружаются

блоки данных из общей памяти. В такой структуре при обращении к общей памяти соответствующий блок данных загружается в кэш и процессор Пр работает уже с этой копией. Так как решая конкретную задачу, процессор обычно обращается к смежным адресам общей памяти, с большой вероятностью его очередные обращения будут к той же копии

данных, которая уже загружена в его кэш. Тем самым частота обращений процессоров к общей памяти резко снижается. Блок – схема такой ЦВМ изображена на рисунке:

Но данным ЦВМ присущь один недостаток: если два процессора попытаются записать в один и тот же элемент данных одновременно, один из них выиграет состязание у второго и вызовет аннулирование его копии. Другой процессор для завершения своей операции записи должен сначала получить новую копию данных, которая теперь уже должна содержать обновленное значение, что влияет на быстродействие системы.

Данный недостаток устраняется в многопроцессорной ЦВМ с многовходовой памятью каждый процессор связан с памятью отдельной

шиной:

Процессоры получают доступ к памяти в режиме разделения времени, управление доступом осуществляет специальное устройство управления памятью (УУП). Способ арбитража, используемый УУП при поступлении сразу нескольких запросов от процессоров может быть любой – по приоритету, циклически и т.д. В качестве разделяемых ресурсов могут

выступать не обязательно модули памяти, но и другие устройства. Недостатком данной структуры является ограничение на максимальное число процессоров и модулей памяти. Однако по сравнению с общей магистралью эта структура обеспечивает более высокую производительность за счет параллельной работы разных пар устройств, например, в структуре рис.3.11 могут одновременно

работать пары Пр1-МП2 и Пр2-МП1.

В многопроцессорной ЦВМ с матричным коммутатором n процессоров соединяются с m одновходовыми модулями памяти посредством специального устройства – матричного коммутатора. Коммутатор обеспечивает одновременное соединение между собой k пар процессоров и модулей памяти, где k=min{n,m}.

В такой структуре интерфейсы коммутируемых устройств максимально просты и представляют собой совокупность проводов без каких-либо логических узлов для разрешения конфликтов. Вся необходимая логика сосредоточена в матричном коммутаторе.

Матричные структуры связей обеспечивают высокую производительность и надежность, однако требуют для своей реализации больших аппаратных затрат. При сравнении структур необходимо отметить, что наиболее простой и экономичной является магистральная шина, однако данная структура обладает наименьшим быстродействием. Организация связей на основе матричного коммутатора наиболее быстродействующая, но затраты на реализацию в этом случае максимальны. Система связей на основе многовходовой памяти занимает промежуточное положение.

При построении комплексов бортового оборудования чаще всего

применяют многомашинные системы. В состав многомашинных систем в

качестве отдельных элементов могут входить БЦВМ или вычислители всех рассмотренных типов. Структура и характеристики многомашинных систем очень разнообразны и определяются требованиями конкретного применения.

Общими чертами многомашинных систем являются:

- многоуровневая иерархическая организация;

- модульность структуры и конструкции;

- наличие унифицированных средств информационного обмена.

Еще более автономные структуры класса MIMD представляют собой

вычислительные сети, которые состоят из территориально разнесенных узлов

и соединяющих их линий связи.

Промежуточное положение между многопроцессорными системами с

общей памятью и многомашинными системами занимают многопроцессорные системы с распределенной памятью. В этих машинах память распределяется между узлами (процессорными элементами) и все узлы соединяются между собой посредством того или иного типа сети. Доступ к памяти может быть локальным или удаленным. Специальные контроллеры, размещаемые в узлах сети, могут на основе анализа адреса обращения принять решение о том, находятся ли требуемые данные в локальной памяти данного узла, или размещаются в памяти удаленного узла. В последнем случае контроллеру удаленной памяти посылается сообщение для обращения к требуемым данным.

Хотя многопроцессорные машины на базе общей шины все еще

доминируют, тенденции направлены на использование преимуществ

распределенной памяти.

Конфигурируемые процессоры

В настоящее время в разработках цифровых средств обработки

информации широко используются программируемые логические

интегральные схемы (ПЛИС). Они представляют собой микросхемы,

выполненные в виде матрицы из нескольких тысяч относительно простых логических элементов (так называемых вентилей) с триггерным блоком памяти и триггерными схемами ввода/вывода. Поодиночке вентили способны реализовывать элементарные логические операции типа «И», «ИЛИ», «НЕ», а соединенные между собой они могут выполнить достаточно сложную логическую обработку. Эти устройства называются программируемыми, так как конкретная топология соединений вентилей между собой и с триггерами формируется уже после изготовления микросхемы - в соответствии с теми функциями, которые она должна выполнять в конкретном виде аппаратуры.

Поэтому с помощью одной и той же ПЛИС можно реализовывать разные алгоритмы обработки входных сигналов.

До недавнего времени топология ПЛИС формировалась на заводе-

изготовителе и в процессе эксплуатации не менялась. Такая ПЛИС с жесткой

логикой работает гораздо быстрее, чем процессор, но не может сравниться с ним по универсальности, так как процессор способен изменять алгоритм обработки информации «на лету» в соответствии с задаваемой ему программой, а запрограммированная ПЛИС способна только циклически повторять один и тот же алгоритм. Кроме того, первые ПЛИС содержали не так много вентилей, поэтому могли реализовать только простые алгоритмы. Ситуация изменилась с появлением ПЛИС, конфигурацию которой можно было изменить очень быстро и у которой число логических вентилей достигло сотен тысяч. В этом случае появляется возможность в режиме реального времени реализовывать разные алгоритмы на разных этапах решения задачи с помощью одной и той же

микросхемы.

Этот тип ПЛИС называется программируемыми вентильными

матрицами (ПВМ, зарубежное обозначение - Field Programmable Gate Array,

FPGA). ПВМ состоит из логических блоков и программируемых матриц

соединений. Логический блок содержит несколько вентилей, программируемый мультиплексор, D-триггер, а также цепи управления. У современных ПВМ, выполненных по технологии 0,22 мкм, число логических блоков достигает нескольких десятков тысяч, а число вентилей превышает миллион.

Некоторые семейства ПВМ имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти. ПВМ может выполнять последовательность сменяющихся друг за другом задач, реконфигурируя свою внутреннюю структуру под каждую задачу.

Конфигурация изменяется настолько быстро, что возникает впечатление, будто задачи выполняются все сразу. Время реконфигурации у современных ПВМ составляет примерно 1 мс, а в недалеком будущем дойдет до 100 мкс. Такую ПВМ называют конфигурируемым процессором: как и процессор, она может решать в принципе любую задачу и также, как и процессор, она программируется после изготовления.

Программируемость ПВМ достигается разными способами. В

традиционной ПВМ каждый логический блок содержит маленькую

программируемую таблицу конфигурации. Таблицы конфигурации всех

логических блоков соединяются друг с другом при помощи программируемой сетки межсоединений, как показано на рисунке:

Эта сетка занимает основную площадь микросхемы.

Принципиальное отличие ПВМ от обычного процессора заключается в

том, что в ПВМ выполняемые команды распределяются по пространству

микросхемы и выполняются разными ее частями за один цикл, а между собой

эти части соединяются обычными проводниками. В обычном же процессоре команды последовательно выполняются одним и тем же АЛУ с использованием одних и тех же регистров, а промежуточные результаты передаются от команде к команде не по проводам, а через ОЗУ.

Конфигурируемый процессор способен решить за один цикл задачу,

которая занимает сотни циклов у обычного процессора. И, хотя цикл

конфигурируемого процессора может оказаться длиннее, но в итоге он решает задачу гораздо раньше, так как в ее решении участвует множество распределенных по площади ПВМ логических блоков, в то время, как в обычном процессоре для решения последовательно используется одна и та же небольшая группа элементов. Кроме того, в ПВМ можно управлять командами на битовом уровне, а процессор оперирует целыми словами, поэтому когда данные занимают не все слово, то часть ресурсов процессора расходуется впустую на обработку и пересылку не занятых информацией разрядов слова.

Таким образом, конфигурируемый процессор отличает гораздо большая

степень параллелизма. Можно сказать, что это – аппаратный суперкомпьютер. Характеристики процессоров на базе ПВМ впечатляют: их производительность в десятки и сотни раз превосходит производительность обычных ЦВМ. Например, инженерам фирмы Annapolis удалось заменить 52 процессора PowerPC 740 одним конфигурируемым процессором WildStar с тактовой частотой 400 МГц.

Однако современные конфигурируемые процессоры подходят не для всех

типов вычислений. Они идеальны для тех приложений, в которых нужно обрабатывать огромное количество данных подобным образом, эффективно реализуют алгоритмы, использующие битовые операции, такие как поиск соответствия шаблону или целочисленная арифметика. Но обычные микропроцессоры гораздо лучше справляются с задачами, требующими сложной обработки, и лучше выполняют операции с числами, например, умножение с высокой степенью точности или вычисления с плавающей точкой.

Кроме того, в современных ПВМ мало памяти на кристалле для хранения промежуточных результатов вычислений, поэтому для многих приложений требуется дополнительная внешняя память, обращение к которой замедляет процесс вычислений.

Поэтому в настоящее время конфигурируемые процессоры применяются

только для решения некоторых специальных задач, таких, как шифрование и

дешифрование, цифровая обработка сигналов, криптография, распознавание образов, поиск в базах данных, графические процессоры. Сейчас появляются усовершенствованные ПВМ с памятью, арифметическими модулями и другими специальными блоками на кристалле. Поэтому следует ожидать, что область их применения будет все более расширяться.

Конфигурируемые процессоры привлекательны для бортовой аппаратуры, так как для ЛА очень важны минимальные габариты и энергопотребление, а в то же время требуется высокая производительность.

Например, анализ возможности применения обычных процессоров PC/104+ в системе обзора беспилотного летательного аппарата (БПЛА) показал, что для обработки видеоинформации в реальном масштабе времени потребовалось бы установить около 60 таких процессоров, что при ограниченном объеме БПЛА совершенно неприемлемо. Выход был найден в применении процессоров на базе ПВМ: их потребовалось всего 7 и разместились они в 0,003 м3 пространства. На борту ЛА конфигурируемые процессоры могут применяться для решения задач, требующих интенсивной вычислительной работы – в радарах, для распознавания целей, в графических процессорах.

Еще одно привлекательное для авиационных приложений качество

конфигурируемых процессоров состоит в том, что для них не так актуальна проблема устаревания. В связи с быстрым ростом возможностей процессоров, разработанная аппаратура быстро устаревает и приходится проводить ее модернизацию, меняя процессоры на более современные. У конфигурируемых процессоров можно изменить структуру просто загрузив новую программу.

Следует также упомянуть о том, что препятствием на пути внедрения ПВМ долгое время являлась трудоемкость процесса их программирования. На это уходило от нескольких месяцев до года. Однако в последнее время появились средства автоматизированной разработки (CoreFire, DK1.1 и др.), позволяющие сократить время программирования до недель и дней.

4.4 Построение подсистем отображения информации.

Бортовые информационные системы являются той частью бортового оборудования, с которой пилоты непосредственно взаимодействуют. На основе их информации у пилота создается мысленная модель процесса управления, с которой он работает в ходе своей деятельности. Поэтому эффективное использование таких систем невозможно без рассмотрения при их проектировании всего комплекса отношений «человек-машина» (в нашем случае – «пилот-летательный аппарат»). Взаимодействие пилота с БИС можно представить как взаимодействие двух мощных информационных процессоров, человека и компьютера, пытающихся общаться посредством интерфейса с узкой полосой пропускания и с множеством других ограничений. Это общение происходит при помощи подсистем отображения информации через органы зрения, слуха, осязания ( тактильно) и т.д. Пропускная способность человека, ,, быстродействиеˮ его мозга гараздо ниже, чем у современных БЦВМ. Так как изменить человеческую компоненту в системе «пилот-

информационная система» затруднительно, для создания эффективного

интерфейса нужно приспосабливать к пилоту вторую компоненту – бортовые

информационные системы. При проэктировании которых необходимо знать и учитывать возможности и ограничения пилота. Рассмотрим основные возможности человека, с точки зрения восприятия и обработки информации.

4.4.1 Возможности и ограничения пилота.

Важным параметром, характеризующим способность человека

воспринимать поступающую информацию, является его пропускная

способность или скорость переработки информации. Пропускная способность человека зависит от степени участия памяти в процессе переработки и передачи информации. Максимальная пропускная способность не превышает нескольких десятков бит/с и достигается в тех случаях, когда память не используется, что характерно для бессознательных рефлексов. Хорошо обученный и тренированный пилот отрабатывает часть своих действий до автоматизма, то есть использует канал без памяти. Пропускная способность при этом приближается к предельно возможной величине и составляет 10-50 бит/с. При использовании оперативной памяти пропускная способность снижается до 0,5-5 бит/с, если же используется долговременная память, то пропускная способность составляет всего 0,04-0,2 бит/с.

Пропускная способность человека-оператора связана также с темпом

поступления к нему информации от машины. Если темп слишком низкий, активность оператора падает («засыпание»). Высокий темп подачи входной информации приводит к резкому росту ошибок и отказу оператора от выполнения задачи .

Прием информации человеком-оператором представляет собой процесс

формирования чувственного образа. Физиологической основой этого процесса является работа анализаторов. Анализаторы состоят из множества рецепторов, проводящих нервных путей и центров в коре полушарий головного мозга. Рецепторы воспринимают воздействие раздражителя (стимула) определенной физической природы, осуществляют первичную обработку информации и передают ее дальше в мозг. Каждый анализатор специализируется на восприятии определенных раздражителей, основные анализаторы человека -зрительный, слуховой, тактильный, вкусовой, обонятельный, температурный, вестибулярный. Тактильный анализатор отвечает за осязание, вестибулярный анализатор воспринимает положение организма в пространстве, назначение остальных ясно из названий. В процессе полета пилот использует информацию всех анализаторов, однако для передачи

ему информации БИС подходят только три из них – зрительный, слуховой и

тактильный. Основными характеристиками любого анализатора являются абсолютный и дифференциальный пороги.

Зрительный анализатор.

Зрительный анализатор является важнейшим из всех, так как более 90%

всей информации человек воспринимает с его помощью. Большую роль в процессе зрительного восприятия играют движения глаз. С их помощью осуществляется поиск заданного объекта, установка глаза в исходную позицию, обследование объекта, его опознание и различение его деталей. С помощью трех пар мышц глаза способны совершать вращательные движения с тремя степенями свободы. Оба глаза обычно движутся синхронно.

Исключение представляет случай, когда глаза движутся по отдельности

навстречу друг другу (конвергенция) или в противоположных направлениях (дивергенция). Таким образом работает один из механизмов стереоскопического зрения.

Движение глаз по большей части не плавное, а состоит из коротких

установочных движений – скачков, которые чередуются с относительно

неподвижным состоянием глаз – фиксациями. Цель скачка: спроецировать

изображение интересующей детали объекта на определенный участок

сетчатки - fovea. Этот участок располагается в центре так называемого

желтого пятна, которое наиболее насыщенно рецепторами. Угловой размер

fovea всего 1°. При чтении, например, в зоне fovea может уместиться только изображение одного небольшого слова. Поэтому зрительная работа состоит из непрерывных скачков, по окончании каждого из которых зрительный анализатор получает новую порцию информации во время фиксации. Время фиксаций составляет свыше 90% времени зрительного восприятия. Продолжительность фиксации обычно 200-600 мс, но может отклоняться как в меньшую, так и в большую сторону.

Во время скачков глаз почти не получает никакой информации. Это очень

быстрое движение, скорость поворота глаза может достигать 600 °/с. Причем

такое движение носит баллистический характер, то есть если оно начато, то уже не может быть остановлено или направлено к другому положению фиксации.

Продолжительность скачка составляет 10-100 мс. За это время глаз успевает повернуться на угол до 50° (обычно 15-20°).

Направление очередной фиксации выбирается периферийным зрением.

Когда цель намечена, скачок следует не мгновенно, а с задержкой, как

минимум, 100 мс. Также скачки не могут следовать друг за другом без

перерыва: после предыдущего скачка должно пройти не менее 100-200мс прежде, чем станет возможен следующий.

Движение глаз – неосознанный процесс и сознательно управлять им

человек почти не может.

Характеристики зрительного анализатора делятся на энергетические,

пространственные, временные и информационные.

К основным энергетическим характеристикам относятся диапазон

яркостей и относительная видность.

Диапазон яркостей, воспринимаемых глазом, очень велик: примерно от

10-7 до 1,6•105 кд/м2. Однако глаз не способен в каждый момент времени воспринимать изображения во всем диапазоне яркостей. Такой широкий диапазон обеспечивают несколько адаптационных механизмов: изменение апертуры зрачка, зажмуривание и др. В процессе адаптации в значительной степени (до 108 раз) меняется чувствительность глаза. При данном состоянии адаптации глаз чувствителен только к двум из двенадцати порядков диапазона воспринимаемых яркостей. Различают светловую и темновую адаптацию.

Время светловой адаптации, т.е. адаптации к большей освещенности,

составляет 6-8 мин. Темновая адаптация занимает порядка 30 мин.

С яркостью выше 106 кд/м2 адаптация глаза не справляется и такая

яркость воспринимается как слепящая.

Минимально обнаруживаемая яркость знака составляет 10 кд/м2.

Дифференциальный порог зрительного анализатора по яркости

составляет 1%.

Относительная видность характеризует цветовое восприятие

зрительного анализатора. Глаз человека воспринимает электромагнитные

волны в диапазоне 380–760 нм. Однако чувствительность глаза к волнам различной длины неодинакова. Наибольшую чувствительность глаз имеет по отношению к волнам в середине спектра видимого света (500–600нм). Этот диапазон соответствует излучению желто-зеленого цвета. В дневное время пиковая чувствительность глаза соответствует длине волны 555 нм,

в ночное время – 507 нм.

Для каждого из трех основных цветов (красный, желтый, зеленый)

зрительный анализатор человека способен в дневное время различить до 1000 различных уровней интенсивности. Однако восприятие цвета очень сильно зависит от положения объекта относительно глаза. За пределами зоны ±60°относительно линии визирования по горизонтали большинство цветов уже не различается.

Восприятие цвета в значительной мере зависит от окружающих цветов,

особенно если цветная область окружена областью другого цвета. Если

окружающая область темнее, область внутри будет казаться более яркой и менее серой, если окружающая область светлее – внутренняя область будет казаться темнее и серее.

К пространственным характеристикам зрительного анализатора

относятся поле зрения, острота зрения, стереоскопичность и объем зрительного восприятия.

Мгновенное поле зрения глаза имеет овальную форму. Его размеры

обычно: 110°-135° по вертикали и 140°-160° по горизонтали .

В поле зрения выделяют три зоны: центрального зрения, где возможно

наиболее четкое различение деталей; ясного видения, где при неподвижном глазе можно опознать предмет без различных мелких деталей; периферического зрения, где предметы обнаруживаются, но не опознаются.

С учетом двух глаз горизонтальный размер мгновенного поля зрения человека составляет 180-200°, причем средняя область поля зрения (120°) – бинокулярная, т.е. видимая двумя глазами, что

обеспечивает в этой зоне стереоскопичность изображения. При концентрации внимания эффективное поле зрения сужается до 30°.

Считается, что в кабине ЛА без поворота головы и глаз зона наблюдения пилота, в которой он может ясно видеть, ограничивается телесным углом 10°.

С поворотом глаз и, как исключение, головы размер зоны наблюдения увеличивается до углов 31° влево/вправо и 23° вверх/вниз. С поворотом головы и наклоном туловища зона наблюдения увеличивается до 53° влево/вправо, 42° вверх и 57° вниз.

Часто встречающейся задачей деятельности пилота является информационный поиск – нахождение на индикаторе объекта с заданными признаками. Такими признаками может быть мигание, особая форма или цвет объекта, отклонение стрелки за допустимое значение и т.д. Время поиска занимает десятые доли секунды, например, поиск отметки на экране РЛС – 0,37 с, чтение буквы или цифры – 0,31 с, поиск простых геометрических фигур – 0,2 с. Время опознавания реального предмета составляет около 0,4 с, время опознавания изображения – 0,9 с для цветного изображения и 1,2 с для черно-белого. Время восприятия показаний приборов составляет 0,2-0,8 с.

Время визуального определения положения ЛА в пространстве составляет в среднем 1,35 с, по приборам – 1,55 с.

Основной информационной характеристикой зрительного анализатора

является пропускная способность, т.е. то количество информации, которое

анализатор способен принять в единицу времени. На уровне фоторецепторов пропускная способность имеет порядок 109 бит/с, однако на корковом уровне лишь 20–70 бит/с. Еще меньше пропускная способность для деятельности в целом (с учетом ответных действий человека):

всего 2-4 бит/с.

Слуховой анализатор

Физически звук характеризуется амплитудой (интенсивностью), частотой

и формой звуковой волны.

Интенсивность звука (сила звука) – средняя по времени энергия,

переносимая за единицу времени звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны. Интенсивность звука измеряется в Вт/ . Так как сила звука пропорциональна квадрату звукового давления, то на практике в качестве уровня интенсивности звука чаще всего используется непосредственно звуковое давление, выраженное в децибелах от исходного уровня, соответствующего нижнему абсолютному порогу звукового анализатора:

где U - сила звука в децибелах; Pзв – звуковое давление; P0 – нижний

абсолютный порог.

За исходный уровень условно принято давление P0 = 2⋅10-5 Па. Это

значение звукового давления на частоте 1 кГц, при котором звук становится уже слышимым. На самом деле нижний абсолютный порог (порог слышимости) зависит от частоты звука. При этом реальному нижнему абсолютному порогу для разных частот звука будет соответствовать интенсивность звука 0-60 дБ.

Верхний абсолютный порог (порог болевых ощущений) соответствует

интенсивности звука 130 дБ.

Длительное воздействие шума большой интенсивности негативно

сказывается на чувствительности звукового анализатора. Так, после

воздействия на человека шума интенсивностью 120 дБ требуется около 5ч, чтобы у него восстановилась нормальная острота слуха.

Слуховой аппарат человека воспринимает как слышимый звук колебания

с частотой 16 Гц - 20 кГц. Инфразвуки и ультразвуки также могут оказывать

воздействие на организм, но оно не сопровождается слуховым ощущением.

Человек наиболее чувствителен к колебаниям в области средних частот -

от 1000 до 4000 Гц. К сожалению, основные шумы в кабине ЛА, вызываемые

работой двигателя и набегающим на ЛА потоком воздуха, имеют тот же

диапазон частот.

Дифференциация двух звуков по частоте и интенсивности также зависит

от отношения их по длительности и от интервала между ними. Как правило, звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем неравные.

Латентный период для звукового сигнала средней интенсивности

составляет 120-180 мс.

Тактильный анализатор.

Тактильный анализатор служит чувству осязания, обеспечивая человека

информацией как о факте прикосновения к его телу внешнего объекта, так и о величине производимого им давления. Для этой цели в разных слоях кожи расположены четыре вида рецепторов. Тактильный анализатор играет важную роль в восприятии человеком информации об окружающем мире, тактильная обратная связь существенно повышает качество управления.

Тактильная чувствительность зависит от ряда объективных и

субъективных факторов. Так, она повышается при нагревании кожи и

уменьшается при ее охлаждении. При продолжительной неизменной

стимуляции тактильная чувствительность может адаптироваться к

определенным раздражителям. В этом случае характерные ощущения не

возникают.

Для тактильного анализатора абсолютный порог составляет примерно

3-300 мг/мм2. Величина порога снижается по мере увеличения

продолжительности воздействия. Дифференциальный порог составляет 7-30% от исходной интенсивности. Латентный период для тактильных раздражителей составляет 90-220 мс.

Важным свойством тактильного анализатора является его способность

воспринимать и оценивать вибрации в диапазоне от 0,4 до 1000 Гц. Вибрации с частотой свыше 70 Гц воспринимаются уже при воздействии точечного

тактильного стимула, восприятие более низких частот требует участия участка поверхности кожи.

Кожа ладоней рук и кончиков пальцев относится к числу наиболее

восприимчивых к внешним механическим раздражениям участков тела

человека. Разрешающая способность подушечек пальцев составляет около 0,15мм.

4.4.2 ИНДИКАЦИЯ НА ПРИБОРНОЙ ДОСКЕ

Основным способом представления информации экипажу является

индикация с помощью различных приборов, сигнализаторов и электронных индикаторов, которые размещают на приборных досках в кабине экипажа.

Несмотря на большое разнообразие летательных аппаратов существуют общие правила расположения индикационных устройств на приборных досках в соответствии с видом индицируемой информации.

На современных ЛА главным средством индикации стали электронные

индикаторы. В отличие от традиционного прибора, индицирующего обычно 1-2, максимум 5-8 параметров, на экране электронного индикатора могут индицироваться десятки параметров и сигналов, сменяя друг друга по мере необходимости. Такая гибкость, наряду с хорошими эргономическими качествами, высокой надежностью, эффективностью по многим критериям (например, по массе, габаритам, стоимости, потребляемой мощности) привели к тому, что в настоящее время электронные индикаторы захватили все главные роли в кабине, оттеснив традиционные приборы и сигнализаторы на периферию рабочей зоны в качестве дополнительных и резервных средств. Индикаторы являются важными, но не единственными составными частями систем индикации, могут также использоваться дополнительные сигнальные табло, индикаторы, приборы, проэкционные индикаторы с выводом информации на остекление кабины, речевые сообщения, звуковые сигналы, тактильные методы ( подергивание ручек управления, различные раздражители на специальных браслетах и т.д.).

Исходя из рассмотренных особенностей человеческого организма, индикационные устройства в кабине пилота размещаются в основном по общему принципу.

Рассмотрим компоновку приборных досок для самого распространенного

случая – ЛА с двумя пилотами (на приборной доске ЛА с одним пилотом индикаторы и сигнализаторы располагают аналогично). В кабине ЛА с двумя пилотами перед ними размещаются три приборных доски, как показано на рисунке.

КПИ- комплексный пилотажный индикатор, КИНО- комплексный индикатор навигационной информации, КИСС- комплексная информационная система сигнализации.

Приборные доски устанавливают так, чтобы расстояние от глаз пилота,

находящегося в нормальном рабочем положении, до лицевых частей приборов, расположенных на его приборной доске, составляло 600-800 мм. Индикаторы и светосигнализаторы размещаются на этих приборных досках следующим образом.

Напротив каждого пилота в зонах 1а размещаются основные пилотажно-навигационные приборы.

В зонах 1б размещаются остальные пилотажно-навигационные приборы.

На приборных досках левого и правого пилотов размещается по одному

экземпляру следующих приборов:

-радиовысотомер;

-указатель числа М;

-указатель истинной воздушной и путевой скоростей;

-указатель поворота и скольжения;

-комбинированный указатель угла атаки и перегрузки;

-дублирующий высотомер;

-указатель высоты в футах;

-индикатор курсовых углов;

-индикатор дальности;

-часы;

индикаторы висения и малых скоростей (для вертолетов) и др.

На средней приборной доске в зоне 2 размещаются резервные

пилотажно-навигационные индикаторы:

-авиагоризонт;

-навигационный индикатор или комбинированный пилотажно-

-навигационный дублер;

-высотомер;

-указатель приборной скорости;

-вариометр.

В зоне 3 располагают индикаторы параметров силовой установки. Для

самолетов с турбореактивными двигателями это:

-указатель положения рычагов топливных насосов;

-тахометры;

-указатели температуры выходящих газов;

-указатели мгновенного расхода топлива;

-указатель суммарного запаса топлива;

-указатели давления масла;

-указатели температуры масла;

-указатели давления топлива перед форсунками;

-указатели уровня вибрации;

-указатели давления подкачки;

-указатели запаса топлива в баках.

Для вертолетов в эту группу дополнительно входят:

-указатели оборотов и шага винтов;

-приборы контроля трансмиссии.

В зонах 4а, 4б, 4в размещают светосигнализаторы – соответственно,

аварийные, предупреждающие и уведомляющие.

В зонах 5 располагают индикаторы положения управляющих

поверхностей самолета (закрылков, предкрылков, тормозных щитков, элеронов, стабилизатора, рулей высоты, руля направления) и индикаторы положения триммирующих и загрузочных устройств. Для вертолетов устанавливают приборы контроля положения триммеров (поперечного, продольного и ножного) и параметров выпускных устройств.

В зонах 6 располагают индикаторы самолетных систем. Для кислородной

системы эти приборы дублируются у каждого пилота, индикаторы других систем (топливной, кондиционирования, противопожарной,

противообледенительной, электроснабжения, торомозов и др.) могут быть

общими, если они видимы обоими пилотами.

В зоне 7 находятся средства управления пилотажно-навигационным

комплексом (пульт систем автоматического управления).

Варианты размещения систем индикации вертолётов Ми-8 МТВ и Ми-38 представлены на рисунках:

Размещение систем индикации вертолёта Ми-8.

Размещение систем индикации вертолёта Ми-38

4.4.3 Жидкокристалические индикаторы.

Кабинные индикаторы, в настоящее время, в основном представлены жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ). Которые уверенно вытеснили устаревшие на электронно-лучевых трубках ( ЭЛТ ) по ряду причин:

- более низкая потребляемая мощность ЖКИ;

- меньшее время прогрева и готовности к работе;

- гораздо меньшие габаритные размеры (глубина) и вес ЖКИ;

- возможность, в дальнейшем, достичь требуемую для авиации яркость 1200-1300кд/ , у ЖКИ 700-800 кд/ , ЭЛТ- 500 кд/ Данный параметр обеспечивает читаемость информации в условиях солнечной засветки индикатора;

- качество изображения на ЖКИ при индикации статической картинки выше, чем у ИЭЛТ, хотя в динамике возникает проблема, связанная с растровым способом построения изображения – ступенчатость наклонных линий;

- более высокая надёжность к виброперегрузкам и безопасность для человека по воздействию электромагнитных излучений.

В основе технологии ЖКИ лежат особые физико-химические свойства

группы веществ, которые называют жидкими кристаллами. Ориентацию

молекул жидкокристаллического вещества можно менять, подавая

напряжение на полюсные контакты, расположенные по краям вещества.

Вследствие этого меняются оптические свойства вещества: степень его

прозрачности и характеристики отражаемого света.

Принцип действия ЖКИ основан на модуляции света . Сама жидкокристаллическая панель не является источником света; она лишь пропускает через себя свет, излучаемый лампой подсвета 1. Такая панель представляет собой слой жидкокристаллического материала 3, заключенный между двумя стеклянными пластинами 2. С обеих сторон к стеклянным пластинам примыкают поляризационные фильтры 5, причем углы поляризации фильтров перпендикулярны. Свет от лампы подсвета, проходя через первый фильтр, поляризуется, проходит через слой жидких кристаллов и попадает на второй фильтр. Если ЖК материал не оказывает влияния на

проходящий свет, тот будет полностью поглощаться вторым фильтром, так как угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого. Если же ЖК материал изменит на 90° угол поляризации света, тот беспрепятственно пройдет через второй фильтр, так как в этом случае углы совпадают. Управление ориентацией молекул ЖК материала производится с помощью электродов 6, находящихся по обе стороны материала.

Сетка электродов, нанесенная на ЖК панель, разделяет жидкокристаллический материал на матрицу пикселей, на каждый из которых может быть подано напряжение путем выбора соответствующего столбца и строки сетки электродов.

Панель с таким способом управления пикселями носит название жидкокристаллической панели на пассивных матрицах. Все современные бортовые ЖКИ используют панели на активных матрицах (AMLCD). В такой панели на ее поверхность наносится пленка, содержащая матрицу транзисторов, каждый из которых управляет своим пикселем изображения. В результате улучшаются четкость и яркость изображения, скорость его перерисовки, так как уменьшается время включения/выключения пикселя и устраняется взаимовлияние соседних пикселей друг на друга.

Свет от лампы проходит через систему отражателей, направляется через первый поляризационный фильтр и попадает в слой жидких кристаллов, контролируемый транзистором; затем свет проходит через цветовые фильтры (как и в ИЭЛТ, каждый пиксель матрицы строится из трех субпикселей разных цветов – красного, зеленого и синего). Транзистор создает электрическое поле, задающее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Когда транзистор находится в выключенном состоянии,

то есть не создает электрическое поле, молекулы жидких кристал лов находятся в своем нормальном состоянии, образуя спираль. Угол поляризации проходящего через них светового потока меняется на 90 градусов. Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярне углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задается цветовым фильтром. Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризационный фильтр поглощает свет полностью, создавая черную точку на месте одной из трех цветовых компонент.

За рубежом и в России разработан ряд авиационных жидкокристаллических индикаторов, они широко применяются на военных и гражданских самолетах и вертолетах. Лидером по части применения ЖКИ являются США, где около 70% всех авиационных индикаторов в настоящее время – жидкокристаллические. Лучшие ЖКИ имеют следующие характеристики:

- углы обзора ±60° по горизонтали и по вертикали;

- разрешающая способность 50-70 пикселей/см;

- максимальная яркость 700-900 кд/м

Дата добавления: 2014-02-28; просмотров: 625; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!