Проект: Аппаратно-программный комплекс для измерения в ближней зоне уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости радиоэлектронных средств

Аппаратно-программный комплекс для оценки в ближней зоне уровней излучаемых помехоэмиссии и помехоустойчивости печатных плат радиоэлектронных средств в диапазоне частот 0,01–1 ГГц. Ожидаемые результаты проекта: - Сформированный коллектив, способный к выполнению хоздоговорных НИР и решению научно-исследовательских задач. - Устройство позиционирования СВЧ-зонда. - СВЧ-зонды для измерения в ближней зоне уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости. - Программное обеспечение для управления комплексом, обработки и отображения уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости. - Ряд СВЧ-зондов для измерения уровней напряженности электрического и магнитного поля - Оригинальный аппаратно-программный комплекс для измерения уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости в ближней зоне печатных плат радиоэлектронных средств в диапазоне частот 0,01-1 ГГц. - РИД, публикации и научно-технические отчеты.

Одним из важных этапов при разработке любого радиоэлектронного средства (РЭС), является проектирование печатной платы (ПП) с расположенными на ней электронными компонентами (ЭК). Проектирование ПП сложного РЭС, является достаточно трудоемким процессом, который требует от команды разработчиков множества различных технических решений в т.ч. по электромагнитной совместимости (ЭМС). Предложенные технические решения с соблюдением требований ЭМС в прототипе РЭС, как правило проверяют используя моделирование и измерения, что позволяет уменьшить количество итераций разрабатываемых прототипов, пройти процедуру сертификации и в целом снизить стоимость на разработку РЭС, с преимущественным выходом на рынок конечного продукта. Измерения излучаемых помехоэмиссии и помехоустойчивости РЭС проводят используя безэховые (БЭК) или реверберационные (РК) камеры, а также устройства на основе ТЕМ-волноводов. Измерения в БЭК и РК является достаточно трудоемким и дорогостоящим процессом, а измерения с использованием ТЕМ-волноводов ограничивается размером ПП и верхней граничной частотой ТЕМ-волновода. Альтернативным средством измерения, являются быстрые методы измерения, например используя сканер ближнего поля. Используя подобный сканер, разработчик может оценить уровень помехоэмиссии и помехоустойчивости ПП непосредственно на рабочем месте и сопоставить результаты с требованиями нормативных документов (IEC 61967-3 и IEC 62132-9). Это позволит на начальной стадии проектирования, оценить уровни электромагнитной помехоэмиссии и восприимчивости РЭС к внешним электромагнитным помехам. Кроме того, используя измеренные данные разработчик сможет локализовать места на ПП с высокой плотностью тока, что может быть им учтено при проектировании ПП для повышения производительности РЭС, снижения уровней помехоэмиссии и восприимчивости. Таким образом, в приборостроении актуальна разработка аппаратно-программного комплекса для оценки в ближней зоне уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости ПП РЭС.

Аппаратно-программный комплекс для оценки в ближней зоне уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости печатных плат радиоэлектронных средств, включающий законченные аппаратные и программные части с унифицированным графическим интерфейсом. Предметом разработки являются: - СВЧ-зонды; - система управления позиционирования СВЧ-зондами; - аппаратная часть комплекса для проведения измерений помехоэмиссии; - программный модуль для трехмерной визуализации результатов измерения помехоэмиссии в режиме реального времени; - аппаратная часть комплекса для проведения измерений помехоустойчивости; - программный модуль управления аппаратной части комплекса для проведения измерений помехоустойчивости. Достижимость решения поставленных задач и возможность получения предполагаемых результатов определяются следующим: - Наличием собственных разработок коллектива исполнителей, независящих от сторонних теоретических результатов и программных продуктов. - Использованием системного подхода. - Наличие современных вычислительных средств. - Наличие опыта совместной реализации проектов.

При выполнении проекта будут рассмотрены различные варианты реализации аппаратных и программных частей устройства. Будут применены теоретические и практические навыки для решения разных прикладных задач в области радиотехники, СВЧ-устройств и теории автоматического управления. Для аппаратной части комплекса будет разработан программный модуль обеспечивающий позиционирование СВЧ-зонда, обработку и трёхмерное отображение результатов измерения, а также их запись. Для оценки уровней помехоэмиссии будет разработана аппаратно-программная часть комплекса, включающая аппаратную часть в виде селективного вольтметра с СВЧ зондом на входе для измерения помехоэмиссии, а также программный модуль для обработки результатов измерения и их визуализации. Для оценки уровней помехоустойчивости будет разработана аппаратно-программная часть комплекса, включающая аппаратную часть с подключаемым к СВЧ-зонду внешним генератором, а также программный модуль обеспечивающий проведение измерений помехоустойчивости и визуализацию результатов измерений. Верификация и валидация аппаратно-программного комплекса будет выполнена с использованием коммерческих программ и опубликованных научных результатов.

Аппаратно-программный комплекс для измерения электрического и магнитного поля ближней зоны печатных плат с электронными компонентами, отличающийся возможностью совместной оценки уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости с возможностью трёхмерной визуализации результатов измерения в режиме реального времени.

Разработан прототип программного модуля и электромеханическая часть устройства позиционирования СВЧ-зонда, позволяющие проводить измерения электрического поля ближней зоны исследуемого объекта с использованием программно-определяемого радио. Прототип устройства разработан одним из участников, входящих в команду проекта, в рамках реализации проекта образовательной программы трека «Интернет вещей» проводимой в ТУСУРе компанией Samsung. Разработаны оригинальные методики испытания на помехоэмиссию и помехоустойчивость критичных радиоэлектронных средств. Методики разработаны при реализации проекта РНФ. Создан ряд устройств на основе ТЕМ-волноводов, для калибровки датчиков ближнего поля, в широком диапазоне частот и амплитуд.

Конкурентное преимущество данного продукта заключается в его аппаратной и программной модульности частей, предназначенных для отдельной и совместной оценки уровней помехоэмиссии и помехоустойчивости различных печатных плат небольших размеров. По сравнению с существующими коммерческими устройствами, позволяющие проводить оценку уровня только помехоэмиссии или помехоустойчивости, предлагаемый комплекс позволит проводить комплексные измерения как помехоэмиссии, так и помехоустойчивости, а также локализовать места на печатной плате с повышенной плотностью тока и отображать трёхмерные результаты измерения на экране мониторе в режиме реального времени. Известным коммерческим конкурентом является компания Riscure (США) [1], предлагающая на рынке устройство для оценки помехоустойчивости микроконтроллеров с имитацией их неисправностей. Коммерческим конкурентом по разработке устройств для оценки помехоэмиссии печатных плат на рынке, является Y.I.C. Technologies (Великобритания) [2]. Наличие аппаратно-программного комплекса, разработанного исполнителями проекта, является основой для успешной реализации других проектов за счёт самостоятельного измерения своих разработок без привлечения сторонних организаций за пределами университета. Выявление ошибок проектирования печатных плат для устройств радиоэлектронных средств позволит быстро и своевременно вносить изменения в трассировку печатной платы и конструкцию устройства в целом, что позволит и сократить время на проектирования различных устройств в область приборостроения и наглядно демонстрировать результаты эффективности внесенных изменений в конструкцию. Наиболее близким аналогом к разрабатываемому аппаратно-программному комплексу, являются устройства сканеров ближнего поля, широкого применяемые на стадии проектирования для решения задач в области электромагнитной совместимости. Данные сканеры позволяют инженерам-разработчикам выявить проблемы связанные с электромагнитной совместимостью, для разрабатываемых ими высокочастотных и/или высокоскоростных аналоговых и/или цифровых устройств. Инженер на стадии разработки, помещает созданный рабочий лабораторный макет устройства в виде печатной платы с компонентами в аппаратно-программный комплекс и проводит измерения излучаемых уровней напряженности электрического и/или магнитного полей. На основе измерений уровня электромагнитной помехоэмиссии, инженером проводится анализ результатов, который позволяет выявить максимальные амплитуды напряженности электрического и магнитного поля, что позволяет определить правильное размещение компонентов и проводников печатной платы, а также пройти предварительные испытания на электромагнитную совместимость. В настоящее время подобные решения применяются различными крупными компаниями при создании собственных устройств. Например, инженеры Yandex, применяют сканер ближнего поля "EMScannerR" [2] при создании устройств "умных интернет вещей", также на сайте производителя приведена информация, что данный сканер используется таким компаниями как Google, Cisco, Samsung и пр. Кроме того наиболее близким аналогом, к разрабатываемому аппаратно-программному комплексу, можно отнести программно-аппаратный комплекс Inspector SCA[1], являющийся многофункциональной платформой для оценки стойкости к внешнему воздействию электромагнитного излучения интегральных схем, smart-карт, печатных плат в целом и пр. В настоящее время сканеры "EMScannerR" доступны по ценам EMS08 от 52800$ и EMS08R от 88126$ (отличие высокая разрешающая способность до 0,06мм) с программным обеспечением на год 3126,5$ (дальнейшее продление платное 3 года 8909,7$ и 5 лет 14459,6$). Также аналогом "EMScanner", является бюджетный вариант RIGOL RSA5065N по цене 1,3-1,4 млн. руб., но с рабочей частотой до 6,5ГГц, вместо 8ГГц, а также ограничениями по сравнению "EMScanner" в аппаратной и программной частях устройства. Информацию по стоимости Inspector SCA получить невозможно из-за санкций, но возможно предположить, что она будет намного выше EMScannerR, судя по внешнему облику программно-аппаратного комплекса. Отличительным признаком разрабатываемого в проекте аппаратно-программного комплекса, является проведение измерения излучаемых электромагнитных как эмиссий, так и восприимчивости. Данное решение будет востребовано отечественными и зарубежными компаниями, занимающиеся разработкой и созданием различных цифровых и аналоговых радиоэлектронных средств. Также комплекс будет полезен студентам старших курсов, при изучении различных дисциплин радиотехнического профиля. [1] https://www.riscure.com/security-tools/inspector-sca/ [2] https://yictechnologies.com/