Основные этапы курсового проектирования
Обзор литературы
Проектирование нового изделия, как правило, проводится на базе прототипа. Кроме изучения материалов (технические характеристики, техническое описание и т.п.) прототипа, проводится патентный поиск, изучение технической литературы, анализ математических моделей на ЭВМ.
Изучение технической и патентной литературы позволяет выявить новые решения, применение которых может повысить качество нового изделия. Патентный поиск, кроме того, нужен для оценки патентной чистоты новых решений и выявления предполагаемых изобретений.
Работа над курсовым проектом ведется обычно в одиночку, без опыта проектирования, поэтому студенту необходимо в полной мере использовать единственно доступный ему источник информации - техническую литературу. Уже вначале проектирования необходимо синтезировать структурную схему устройства, которая может быть реализована разными способами. Качество структурной схемы можно понимать как меру ее близости к некоторой неизвестной оптимальной схеме [1, 12]. Неудачный выбор структуры потребует в дальнейшем ее изменения, что сопряжено с потерей времени. Поэтому, начиная работу над проектом, необходимо подобрать литературу по теме проекта, изучить ее и сделать обзор.
Обзор представляет собой краткий литературно обработанный конспект. Он обычно начинается введением, в котором дается определение проектируемого устройства, указывается область применения и задачи, решаемые с его помощью. Обзор может содержать классификацию устройств, сжатое изложение принципов их действия, особенностей, достоинств и недостатков. Как правило, в обзоре приводят более простые в изготовлении структурные и функциональные схемы, но в необходимых случаях дают и фрагменты принципиальных схем.
Обстоятельная работа над обзором значительно расширяет кругозор и является залогом успешного выполнения проекта. Обзор входит в проект как существенная его часть. Средний объем обзора 6-8 с. После написания обзора можно приступать к анализу ТЗ, его конкретизации и синтезу структурной схемы проектируемого устройства или системы.
Формирование и конкретизация технического задания
Задание на курсовой проект сформулировано в краткой форме. Оно описывает объект проектирования с точки зрения заказчика или потребителя. Часто задание характеризует данную систему как подсистему или часть другой системы более высокого иерархического уровня. Данные технического задания обычно называют внешними параметрами [1, 2, 12, 13]. На внешние параметры накладывают ограничения, определяющие требуемые по техническому заданию значения параметров или области допустимых изменений. Например, скорость передачи информации в локальной сети ЭВМ равна 9600 бит/с, вероятность ошибки - не более 10-4. Математически ограничения на внешние параметры записываются системой равенств и неравенств вида
В более сложных случаях ограничения на внешние параметры включают зависимости между ними и представляются в виде функциональных равенств и неравенств следующего общего вида
(2.1)
Левые части (2.1) представляют собой функции многих переменных.
Совокупность всех ограничений на внешние параметры обозначим . Эта совокупность ограничений определяет допустимое множество внешних параметров , так что любой допустимый (согласно требований технического задания) вектор внешних параметров принадлежит , т.е. можно записать:
Внутренние параметры описывают систему с точки зрения разработчика. Типичными внутренними параметрами являются длительность посылки сигнала, избыточность, длина кода (разрядность), тип применяемых элементов (элементная база) и т.д.
На внутренние параметры также как и на внешние, накладываются ограничения, которые в простых случаях представляются в виде равенств и неравенств. Например, длительность посылки 1 мс, ток в линии связи не менее 20 мА, целочисленность длины кода и т.д. В общем случае ограничения на внутренние параметры записываются в виде функциональных равенств и неравенств:
(2.2)
совокупность которых определяет допустимое множество (пространство) внутренних параметров ; допустимы только такие векторы внутренних параметров , которые удовлетворяют системе :
В рамках конкретизации технического задания внешние и внутренние параметры системы должны быть выражены численно; при этом они могут принимать как непрерывное, так и дискретное множество значений.
Строгой границы между внутренними и внешними параметрами не существует. В частности, некоторые параметры системы могут быть одновременно и внутренними и внешними. При этом необходимо учитывать, что параметры и ограничения на них, как правило, непосредственно перечисляются и задаются в техническом задании, а состав и значения внутренних параметров подлежат определению в процессе конкретизации технического задания.
Ограничения, накладываемые на внутренние параметры можно разделить условно на две группы (рисунок 2.1): первая группа ограничений относится к методу проектирования, вторая - к способам изготовления, результату проектирования.
С математической точки зрения внутренние параметры играют роль независимых переменных задачи проектирования и однозначно определяют значения внешних, которые, в свою очередь, определяют эффективность разрабатываемой системы.
Рисунок 17.1 - Ограничения на внутренние параметры
Внешние и внутренние параметры каждой системы связаны определенными зависимостями. Представим каждый из внешних параметров проектируемой системы в виде функции ее внутренних параметров
(2.3)
Равенства вида (2.3) называются уравнениями связи между внешними и внутренними параметрами. Обозначим их
Уравнения связи отображают структуру системы, алгоритмы ее функционирования, взаимное влияние технических и экономических показателей системы и представляют собой математическую модель проектируемой системы.
Математическая модель системы может быть представлена разными способами, однако представление внешних параметров через внутренние в явном виде (2.3), если оно возможно, является наиболее удобной формой задания математической модели, так как позволяет непосредственно выразить показатель эффективности системы через ее внутренние (искомые) параметры.
Разработка структуры системы сбора и отображения информации
Системы сбора, обработки и отображения информации относятся к сложным человеко-машинным системам (ЧМС). Их характеризует возросшее количество исходных данных, большое число связей в системе, а участие человека требует учета социально-экономических факторов [11, 12, 13].
При использовании системного подхода разработчик должен быть поставлен на уровень более высокий, чем уровень разрабатываемой системы. Разрабатываемая система в этом случае рассматривается как подсистема системы более высокого ранга.
Вначале формируется цель, затем по поставленной цели определяются функции системы, и уже по функциям строится структура [4, 5].
Формальная структура - идеальная структура (без ограничений), к которой нужно стремиться в процессе разработки.
Логическая структура - совокупность элементов и связей между ними, необходимых и достаточных для достижения цели (с учетом накладываемых ограничений).
Материальная структура - реальное воплощение логической структуры при ее реализации.
При формальном представлении может быть предложен подход, при котором структура системы отображается с помощью теории графов. Элементы структуры располагаются в узлах графа, а дуги определяют отношение между ними. Совокупность дуг и узлов создает формальное представление структуры. Отношения между вершинами в таком графе могут отображать энергетические и информационные связи. При определенной интерпретации значения этих отношений позволяют оценить требуемые вычислительные мощности, пропускную способность канала связи и другие внешние параметры структуры.
При проектировании сложных систем обычно структуру расчленяют на части (объекты, элементы) по различным признакам. Один из главных признаков - вид иерархии. Виды иерархии: временная, пространственная, функциональная, ситуационная и информационная. Деление системы на части не может быть однозначным, так как выделение границ между частями всегда субъективно [5]. Выбор того или иного принципа выделения составных частей должен удовлетворять следующим основным условиям:
1) обеспечение их максимальной автономности;
2) координация их действий общей цели функционирования;
3) совместимость отдельных частей (информационная, программная, техническая).
Временная иерархия. Признак деления - интервал времени от момента поступления информации о состоянии объекта контроля и управления до выдачи управляющего воздействия. Чем больше интервал, тем выше ранг элемента. Управление может быть в реальном времени, с интервалом сутки, декада, месяц, квартал и т.д.
Управляющий интервал выбирается не произвольно, а исходя из критериев, определяющих устойчивость и эффективность функционирования всей системы. По этому виду иерархии можно выделить следующие уровни управления: квартальный, месячный, сменно-суточный, реальное время.
Пространственная иерархия. Признаком деления здесь является площадь, занимаемая объектом. Чем больше площадь объекта, тем выше его ранг (рисунок 2.2).
Функциональная иерархия. В основе функциональной иерархии лежит функциональная зависимость элементов системы. Такое разделение является субъективным, так как трудно выделить границы между элементами системы (рисунок 2.3).
Ситуационная иерархия. Деление на уровни здесь производится в зависимости от эффекта, вызываемого той или иной ситуацией, например, от ущерба, вызываемого в результате аварии, или выхода из строя оборудования (аварийная ситуация).
Рисунок 17.2 - Пространственная иерархия
Рисунок 17.3 - Функциональная иерархия
Информационная иерархия. Этот вид иерархии является очень существенным в связи с возросшим значением информации для управления. В основе деления лежат оперативность и обновляемость информации. Через эти характеристики прослеживается иерархия информации по уровням управления объектом. На первом уровне хранится и обрабатывается часто повторяющаяся информация, необходимая для повседневной деятельности, т.е. оперативного управления. В качестве объекта могут выступать станки, агрегаты, роботы-манипуляторы, обслуживающие станки и другое технологическое оборудование. Технические средства, используемые на этом уровне - устройства автоматики и вычислительной техники (микропроцессоры, микро-ЭВМ). Типичный пример - станок с ЧПУ.
Второй уровень включает комплексы оборудования и станков, объединенных единым технологическим процессом, а также транспортные системы и склады заготовок. На этом уровне решаются задачи распределения плановых заданий между единицами оборудования, обеспечение инструментом, заготовками. Техническая основа - мини и микро-ЭВМ. Информационная основа - объемные и календарные планы, описания технологических процессов, нормативная информация, программы для станков с ЧПУ и роботов-манипуляторов и информация о состоянии станков и другого оборудования.
Третий уровень. Здесь решаются задачи организационно-экономического управления. Автоматизированное проектирование изделий и подготовка производства.
Техническое обеспечение данного уровня - ЭВМ, связанные с нижними уровнями через локальную вычислительную сеть. Информационная поддержка через базу данных (сведения о технологии, нормативах и т.п.).
Структура разрабатываемой системы представляется в виде структурной схемы (ГОСТ 2.701-84). Структурная схема концентрирует в себе наиболее важное и существенное о составе, структуре и функциях разрабатываемой системы или устройства.
На структурной схеме изображают в виде прямоугольников все основные функциональные части разрабатываемой системы и основные связи между ними.
Если разрабатываемая система состоит из ряда последовательно соединенных подсистем, то синтез ее начинают с подсистемы, выход которой является выходом всей системы. Такой порядок объясняется тем, что главным всегда являются требования к выходным параметрам системы (они известны из ТЗ). В процессе синтеза данной подсистемы будут сформированы требования к ее входным параметрам, которые в то же время являются выходными параметрами для подсистемы, соединенной с ее входом. Теперь возможен синтез этой подсистемы. Таким образом, синтез последовательно соединенных подсистем производится от выхода системы к ее входу.
Выбор элементной базы, разработка и расчет электрической принципиальной схемы
После разработки структурной схемы устройства производится выбор элементной базы. Сначала решается, какие функциональные части разрабатываемой схемы могут быть построены на интегральных микросхемах (ИМС), а какие на дискретных. Данный этап завершается выбором используемых серий ИМС и типа дискретных элементов. Основанием к выбору элементной базы служат технические требования по точности, быстродействию, надежности и помехоустойчивости устройства, сформулированные на этапе выбора и обоснования структурной схемы. Элементную базу для большинства устройств рекомендуется выбирать или одной серии ИМС, или же несколько серий, но требующих наименьшего числа схем согласования между собой по уровням напряжений, токов и т.п.
Выбранная элементная база дает основание для разработки и составления полной электрической принципиальной схемы устройства. Выбор конкретных ИМС и дискретных элементов производится при полном расчете параметров принципиальной схемы. Обычно синтез и расчет электрической принципиальной схемы устройства ведется в той же последовательности, какая была принята для структурной схемы.
Разработка принципиальных электрических схем всегда содержит определенные элементы творчества и требует умелого применения элементарных электрических цепей и типовых функциональных узлов, оптимальной компоновки их в единую схему с учетом удовлетворения предъявляемых к схемам требований, а также возможного упрощения и минимизации схем.
Расчет принципиальной схемы сводится к последовательному расчету функциональных элементов, из которых синтезировано устройство со стороны выхода, т.е. с конца. Выходной функциональный элемент - единственный, для расчета которого в ТЗ сформулированы достаточные требования. Необходимые для расчета дополнительные данные - значения входных и внешних для данного элемента параметров - разработчик устанавливает сам, стремясь оптимизировать режим работы устройства.
Простота и экономичность проектируемых схем обеспечивается применением стандартных типовых узлов, сокращением до минимума числа элементов в схеме и ограничением их номенклатуры.
При оформлении графической части пояснительной записки и чертежей курсового проекта, необходимо пользоваться стандартами:
ГОСТ 2.701-84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.
ГОСТ 2.708-81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.
Программное обеспечение курсового проектирования
В курсовом проекте необходимо разработать прикладную программу обслуживания проектируемой системы или устройства, либо алгоритм и программу тестирования устройства по согласованию с преподавателем, ведущим курсовой проект.
При использовании в проекте однокристальных микроконтроллеров можно рекомендовать пособия и методические указания [912, 2932], если применяются персональные ЭВМ, рекомендуются пособия [6, 7, 9, 10, 14, 15, 20].
Защита проекта
Защита курсовых проектов производится в дни работы комиссии, которые назначаются на зачетной неделе. Возможна досрочная сдача и защита проекта в течение семестра по согласованию с преподавателем, ведущим курсовой проект. Пояснительная записка и чертежи принципиальных схем сдаются на проверку преподавателю не позднее, чем за два дня до защиты. Перед защитой студент знакомится с предварительной рейтинговой оценкой курсового проекта, замечаниями, которые сделаны при проверке проекта. Студент, не защитивший курсовой проект, к началу сессии получает за него нулевой рейтинг.
Защита включает пятиминутный доклад и ответы на вопросы членов комиссии. Доклад должен отражать тему, цель и назначение разработки, актуальность темы, основные задачи, решаемые в проекте, основное содержание (с привлечением графической части записки и чертежей), выводы и рекомендации по результатам курсового проекта.