Электронный
бинокль

Мощный прибор

Оптические приборы не относятся к нашей специализации. Но ведь бинокли бывают и электронными, как, например, цифровые фотоаппараты или электронные микроскопы. Именно такой образец — с электронным управлением и памятью — стал одним из наших проектов.

Этот аппарат умеет показывать на экране увеличенный объект, фотографировать его, измерять расстояние до него и вести журнал событий.

Он фиксирует координаты, высоты, изображения самих наблюдаемых объектов и временные отметки сделанных измерений.

Расчет координат цели осуществляется в автоматическом режиме на основании показаний множества датчиков (GPS/ГЛОНАСС, электронный магнитный компас, электронный угломер, дальномер).

От подобных ему приборов этот бинокль отличается еще и своей безопасностью и скрытностью. Безопасность важна при проведении учений, а скрытность — одно из главных современных требований к такого рода устройствам.

Про военную приемку, температурные диапазоны, режимы вибрации и все остальное даже упоминать не стоит: все в наличии.

binokl2

Задача

Изначально нас привлекли к проекту как экспертов, а не исполнителей: к моменту нашего знакомства с биноклем над его электронной начинкой вот уже два года работала другая компания.

За это время подрядчик успел подключить периферию к электронной плате, развести плату, спаять компоненты. Не смог он только заставить все это выполнять необходимые функции, т.е. работать как законченный прибор.

Нереализованных функций было много:

  • прием и выдача оптического и тепловизионного видеоизображения в реальном времени
  • масштабирование этих изображений в соответствии с разрешающей способностью дисплея
  • работа с динамической памятью, включая буферизацию
  • работа с flash-памятью
  • обработка данных дальномера

Кроме того, необходимо было все это отладить и написать встроенное ПО прибора.

Все недостающие функции предыдущий подрядчик планировал реализовать с помощью ПЛИС. Ранее ПЛИС с подобным функционалом он не проектировал, однако отложил всю эту работу на последний этап. И вот, когда до завершения проекта оставались считанные месяцы, подрядчик объявил о невозможности довести его до конца.

По нашей оценке, проектирование такого, по большей части типового для серийных микроконтроллеров функционала ПЛИС — затратное по времени, дорогое по стоимости и, пожалуй, бессмысленное в данном случае занятие. Особенно с учетом требования завершить проект за короткий срок. Получив нашу экспертную оценку, заказчик согласился как можно скорее переделать всю электронику так, как мы рекомендовали, и поручил заканчивать проект нам.

Особенностями задачи были сжатые сроки и невозможность изменить ни одно из уже выбранных исполнительных устройств. За четыре месяца до завершения проекта предстояло переделывать плату.

Решение

Что мы сделали:

  • подобрали отдельный процессор для обработки потоковой видеоинформации и работы с памятью, а ПЛИС оставили для более специфичных функций
  • чтобы сразу начать писать встроенное ПО на выбранном процессоре, купили отладочный комплект и сделали «переходку», стыкующую его с уже готовыми узлами прибора

Непростой оказалась работа с тепловизором российского производства.

Он выдает картинку в режиме модулированного тактирования: тактирование идет не постоянно, а только при активной области видеоизображения. Цифрового выхода непосредственно с сенсора также нет. И все потому, что выполнялось первоначальное требование, чтобы тепловизор сразу выводил картинку на телевизор. Но телевизор работает и без тактирования, а вот синхронизации для цифровой обработки нет. И именно этот тепловизор решили установить в нашем цифровом устройстве. Выбор, прямо скажем, не лучший, но для опытных разработчиков ПЛИС преобразовать такой интерфейс в понятный для цифровой логики — задача решаемая.

Реализовать лазерный дальномер в данном случае было сложнее, чем может показаться. Дело в том, что это не простой, а скрытый дальномер: измерительный луч должен быть невидим для измеряемого объекта, т.е. объект не должен иметь возможность его засечь. Для этого прибор работает с малыми амплитудами излучений, не превышающими естественный фоновый шум. Полная конспирация.

При таком слабом сигнале задача поймать отраженный сигнал среди шумов становится нетривиальной. Требуется накопить и обработать большой массив информации за короткий промежуток времени. Благо на ПЛИС можно применить параллельные вычисления и быстро их обработать, не прибегая к программной обработке данных.

Stackup (послойную структуру) печатной платы пришлось делать необычной, чтобы она была прочной и выдерживала возможные перегрузки при работе.

Четыре месяца наш коллектив работал не покладая рук. Правильная изначальная оценка, что повторение типовых контроллеров в ПЛИС — неверный путь, помогла сэкономить немало времени.

binoc-front_w275

binoc-back_w275 

Использованные технологии

Проектирование электронных схем

Методики проектирования:

  • использование библиотек элементов (library based design)
  • задание правил автоматического контроля соответствия параметров (electrical DRC)

Проектирование печатных плат

Методики проектирования:

  • задание ограничений трассировки (constrained based routing)
  • задание правил автоматического контроля соответствия параметров (DRC — design rules check)
  • разработка под производство (DFMA — design for manufacturing and assembly)
  • проектирование в соответствии со стандартами IPC

Интерфейсы и шины:

  • VGA, Composite Video
  • I2C, SPI, RS232
  • SDRAM mDDR
  • NOR Flash, SD Card
  • GPS, GLONASS

Проектирование ПЛИС

Целевая технология:

  • Xilinx Spartan-3E

Языки описания аппаратуры:

  • VHDL

Методики и технологии верификации:

  • задание правил соответствия (assertion-based verification)
  • моделирование отдельных составных узлов (block-level simulation)

Разработка встроенного ПО

Платформы:

  • ARM9

Технические характеристики разработанного продукта не разглашаются по требованию заказчика.

Этот проект показал, что небольшая сплоченная команда настоящих профессионалов способна решать технически сложные задачи в крайне сжатые сроки намного эффективнее крупных компаний, применяющих традиционные подходы.