EDA技術(shù)在航空行業(yè)中的應(yīng)用，及如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)？

在當(dāng)前大發(fā)展背景下，中國EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用行業(yè)發(fā)展如何?中國EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用在國際市場上有什么優(yōu)勢(shì)?EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用行業(yè)上下游發(fā)展如何?中國EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用行業(yè)開發(fā)技術(shù)水平如何?

EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用行業(yè)整體運(yùn)行情況怎樣?行業(yè)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)行如何(規(guī)模、收入、利潤……)?EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用市場供需形勢(shì)怎樣?EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用消費(fèi)市場與供需狀況形勢(shì)如何?

EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用各細(xì)分市場情況如何?產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方向在哪?產(chǎn)業(yè)鏈上下游環(huán)節(jié)有什么變化?

EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用市場競爭程度怎樣?集中度有什么變化?品牌企業(yè)占有率有什么變化?并購重組有什么趨勢(shì)?波特五力分析、SWOT分析結(jié)果如何?

想要在競爭激烈的市場上站穩(wěn)腳跟，應(yīng)緊隨市場的腳步向前發(fā)展進(jìn)步，那么未來EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用行業(yè)發(fā)展前景怎樣?有些什么樣的變化趨勢(shì)?投資機(jī)會(huì)在哪里?

EDA在航空航天和國防領(lǐng)域的應(yīng)用行業(yè)面臨哪些困境?有哪些扶持政策?在轉(zhuǎn)型升級(jí)、發(fā)展戰(zhàn)略、管理經(jīng)營、投融資方面需要注意哪些問題?需要采取哪些策略?

當(dāng)前航空電源型號(hào)各異，種類龐雜，應(yīng)該說綜合性能還不夠高。特別是隨著航空器的不斷發(fā)展，其對(duì)電源保障需求面臨諸多新挑戰(zhàn)。因此，研制先進(jìn)電源保障設(shè)備，提高其通用性、綜合性，可為現(xiàn)有各類航空器提供通用配套保障，不但能夠適應(yīng)航空器換代的需要，提高其實(shí)用性，而且可以壓縮保障裝備設(shè)備的數(shù)量和規(guī)模。研究事例為航空逆變電源，其特性是負(fù)載三相平衡的前提下，能夠保證三相電壓的幅值、相位始終處于平衡。構(gòu)成的組合式三相全橋逆變電路見圖1.本文引入了技術(shù)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)(EDA)，綜合運(yùn)用非常超高速集成電路硬件描述語言設(shè)計(jì)語言(VHDL)和可編程邏輯電路(PLD)元器件進(jìn)行控制邏輯的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)組合式三相逆變電路進(jìn)行狀態(tài)控制，獲得要求的輸出電壓及波形。

脈寬調(diào)制(Pulse-width Modulation，PWM)是在固定頻率下，設(shè)計(jì)一定規(guī)律的脈寬系列，控制逆變器的開關(guān)器件的導(dǎo)通及截止?fàn)顟B(tài)，在輸出端獲取所需航空電源，滿足設(shè)計(jì)的品質(zhì)要求。

1.1等效面積法的數(shù)學(xué)模型

采納等效面積正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)生成法，具有輸出波形諧波量小，波形接近正弦波形而且算法簡單等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

先把理想正弦波劃分為若干等份，如圖2所示，某一等份的弧線與時(shí)間軸形成的面積等同于某矩形脈寬，前提是矩形脈寬中點(diǎn)與弧線投影的中心點(diǎn)在時(shí)間軸上重合，且兩者面積相等，劃分的等份數(shù)量越大，整個(gè)矩形脈沖系列就越近似于設(shè)計(jì)所需的理想正弦波形，其中，矩形脈寬就是用于控制逆變器上元器件的導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)。

如第k個(gè)脈沖，其的正弦波形弧線垂直向下與時(shí)間軸形成的面積為SAk，與其等效的脈沖矩形面積為SRk，易得到公式：

式中：調(diào)制參數(shù)為M;理想正弦波被劃分為N等份。

每等份的時(shí)間寬度為θk，每等份的時(shí)間軸中點(diǎn)為αmk，等效面積的矩形寬度(相當(dāng)于導(dǎo)通時(shí)間)為θpk，等效面積的矩形前后兩端剩余時(shí)間(相當(dāng)于截止時(shí)間)寬度為θnk，計(jì)算公式分別是：

1.2設(shè)計(jì)計(jì)算及數(shù)據(jù)生成

設(shè)定一定數(shù)值后，通過上述等式和公式，利用數(shù)學(xué)工具M(jìn)atlab軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，生成表1和脈沖數(shù)據(jù)。

表1脈沖系列數(shù)據(jù)

2軟、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制電路的硬件采用PLD元器件，并基于VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)達(dá)成所需的邏輯功能，做到數(shù)字化控制。

整個(gè)系統(tǒng)主要由開關(guān)模塊M_ONOFF、可控時(shí)鐘分頻器M_CLOCK、反饋調(diào)制模塊M_MANDP、脈沖寬度數(shù)值存儲(chǔ)器A、B、C：PW_ROM和脈沖發(fā)生器M_PWM等模塊按一定邏輯對(duì)接而成，如圖3所示形成了逆變控制邏輯電路的頂層設(shè)計(jì)文件M_TOP_SPWM，可實(shí)現(xiàn)等效面積正弦波脈寬調(diào)制法設(shè)計(jì)所需的脈沖波形系列，用來控制開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。

2.2邏輯電路的硬件編譯與實(shí)現(xiàn)

逆變控制電路的頂層設(shè)計(jì)文件用VHDL語言編程描述成邏輯電路后，采用Max+PlusⅡ(Multiple ArrayMatriX Programmable Logic User SystemⅡ)為本實(shí)驗(yàn)的EDA設(shè)計(jì)軟件，并在EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)(GW-GK系統(tǒng))上完成仿真和硬件測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先選用ALTERA公司的 EP1K50TC144-3芯片，然后如圖4，圖5所示對(duì)此芯片管腳進(jìn)行輸入輸出定義、編譯，通過ByteBlasterMV并行下載，打印機(jī)接口與目標(biāo)板相連，完成芯片邏輯功能配置，最終在硬件上實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)電路邏輯功能。

3仿真結(jié)論與開發(fā)前景

頂層設(shè)計(jì)文件編譯后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果如圖6所示，其中脈沖系統(tǒng)S_A12、S_A34是單相全橋逆變器A的控制信號(hào)，S_B12、S_B34是單相全橋逆變器B的控制信號(hào)，S_C12、S_C34是單相全橋逆變器C的控制信號(hào)，顯而易見三個(gè)單相全橋逆變器控制脈沖信號(hào)S_A、B、C生成相隔1/3周期，而且非常精確，完全滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的品質(zhì)要求。

采用VHDL硬件描述語言對(duì)硬件的功能進(jìn)行編程，在實(shí)驗(yàn)室就能設(shè)計(jì)獲得所需的控制邏輯電路，特點(diǎn)明顯，具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法根本無法實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，這大大提升了航空電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，實(shí)現(xiàn)了硬件的“軟件化”。用可編程邏輯器件PLD芯片不但壓縮了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期，減少誤差，提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確度(如圖6所示，可控制到3 ms以下)，而且可以高度縮小控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模，提高了集成度，降低了開發(fā)成本，有利于當(dāng)前航空事業(yè)突飛猛進(jìn)對(duì)電源的多樣化需求開發(fā)，前景廣闊。

DA仿真計(jì)算應(yīng)用

航空航天電子控制系統(tǒng)仿真計(jì)算主要涉及：航空航天系統(tǒng)中電子電氣設(shè)備、控制系統(tǒng)等電路仿真、電磁場仿真計(jì)算應(yīng)用，一方面電子系統(tǒng)中元器件數(shù)量大、精度和可靠性高，電路驗(yàn)證和仿真計(jì)算量大，另一方面，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的設(shè)備和系統(tǒng)的兼容和抗干擾的電磁場仿真，下面主要針對(duì)這兩類應(yīng)用的最新高端圖形工作站配置規(guī)格。

3.1電子電路系統(tǒng)驗(yàn)證與仿真工作站

這類應(yīng)用主要涉及到對(duì)象各類航空航天電子設(shè)備中電子電路、電氣設(shè)備等方面驗(yàn)證和仿真模擬計(jì)算。

主要軟件廠家 Cadence、Mentor Graphics、Synopsys

典型軟件：SPICE/PSPICE(功能仿真)、multiSIM、Allegro SI，Sigrity，Power DC，Power SI場仿真，Speed2000等

推薦機(jī)型：UltraLAB H490

UltraLAB H490系列是一款配備intel第7代至尊處理器(4~18核，4.5Ghz以上)、最大512GB內(nèi)存容量、雙顯卡架構(gòu)的多核與超高頻兼?zhèn)涞膱D形工作站H490完美適合那些對(duì)單核頻率極高同時(shí)具備一定核數(shù)做并行計(jì)算要求的中大規(guī)模應(yīng)用，整個(gè)機(jī)器在超高頻狀態(tài)下,單核計(jì)算與多核并行計(jì)算、GPU超算、高速讀寫保證軟件各個(gè)環(huán)節(jié)完美運(yùn)行，從而大幅縮短計(jì)算或處理時(shí)間。

3.2微波電磁場仿真

航空設(shè)備電磁仿真問題主要有天線與飛行器載體的電磁交互作用、航空電子EMI、電子鏈路預(yù)算分析、雷達(dá)信號(hào)特征分析、飛行器RCS等。利用數(shù)值方法對(duì)電磁兼容問題進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，就可以有效地對(duì)設(shè)備的電磁兼容性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，為設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

典型算法：矩量法、時(shí)域有限差分法、有限元法

計(jì)算特點(diǎn)：

(1)矩量法(MOM)是將積分方程化為差分方程,或?qū)⒎e分方程中積分化為有限求和,從而建立代數(shù)方程組,故它的主要工作量是用計(jì)算機(jī)求解代數(shù)方程組.所以,在矩量法求解代數(shù)方程組過程中,矩陣規(guī)模的大小涉及到占用內(nèi)存的多少,在很大程度上影響了計(jì)算的速度.如何盡可能的減少矩陣存儲(chǔ)量,成為加速矩量法計(jì)算的關(guān)鍵。

(2)時(shí)域有限差分法(FDTD)基于時(shí)域電磁場微分方程的數(shù)值算法，它直接在時(shí)域?qū)axwell旋度方程用二階精度的中心差分近似，從而將時(shí)域微分方程的求解轉(zhuǎn)換為差分方程的迭代求解，多核并行計(jì)算加速比好，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量要求較低。

(3)有限元法(FEM)是一種為求得偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解，計(jì)算量和內(nèi)存容量巨大，臨時(shí)文件回寫硬盤頻繁。

典型軟件: ADS、CST、HFSS、Feko等;

推薦機(jī)型：UltraLAB EX620

UltraLAB EX620一款具有中大規(guī)模多核并行計(jì)算與圖形圖像處理、多用途圖形工作站，該機(jī)器支該機(jī)器支持2顆Xeon Schalable(可擴(kuò)展)處理器(高達(dá)56核)、雙GPU、高速并行存儲(chǔ)(最高到70TB)架構(gòu)。