Введение
Одним из основных факторов, определяющих темпынаучно-технического прогресса в современном обществе, являетсясовершенствование средств электронной вычислительной техники, методов и темпових производства, а также насыщенность ими учебных, производственных, проектных иконструкторских учреждений.
Создание новоговида ЭВМ – сложный взаимосвязанный и многофакторный процесс. Он выполняется внесколько этапов коллективом ученых, инженеров и техников различныхспециальностей. Основными этапами разработки новой ЭВМ являются:
1) Проведениенаучно-исследовательских работ (НИР), подтверждающих возможность созданияизделия;
2)Опытно-конструкторская разработка (ОКР), включающая в себя следующие стадии:
а) техническое задание;
б) аванпроект илитехническое предложение;
в) эскизный проект;
г) технический проект;
д) разработка рабочейдокументации;
е) изготовление ииспытание опытного образца;
ж) эксплуатация.
На первыхэтапах ОКР, кроме разработки документации, проводятся также исследования.Коллектив создателей нового вида ЭВМ условно принято делить на три группыспециалистов: разработчики, конструкторы и технологи.
Разработчикиопределяют идеологиюпостроения ЭВМ, ее назначение и функции, разрабатывают структуру, а такжеопределяют функции устройств, элементную базу ЭВМ, разрабатывают логическую исхемную часть машины, математическое обеспечение.
Конструкторыосуществляютконструктивное исполнение ЭВМ и ее сборочных единиц, используясхемно-технические решения, принятые разработчиками.
Технологиразрабатывают технологические процессыизготовления компонентов и самой ЭВМ, а также необходимую для производстваоснастку и специальное оборудование.
Процессконструирования ЭВМ состоит из двух основных взаимосвязанных стадий.
Первая стадиявключает разработку,согласование и утверждение технического задания, подбор материалов исоставление технического предложения; разработку эскизного, а затем итехнического проекта; выбор системы математического обеспечения.
Вторая стадия,называемая рабочимпроектом, включает разработку рабочей конструкторской документации дляизготовления опытных образцов, эксплуатационной документации, системуматематического обеспечения и непосредственное изготовление и испытания опытныхобразцов.
Во времяиспытаний подтверждается соответствие образцов техническому заданию (ТЗ) иконструкторской документации, которая характеризует все его параметры. Во времяиспытаний подтверждаются также средства системы математического обеспечения.
Послекорректировки по результатам изготовления и испытаний опытного образцадокументация передается на завод для серийного изготовления ЭВМ. Каждый этапконструирования определяет состав и форму конструкторской документации, которойприсваиваются соответствующие литеры.
Изготовлениеконтрольной серии ЭВМ ведется только по зафиксированному и полностьюоснащенному технологическому процессу.
Повышение качества иэкономичности производства во многом зависит от уровня автоматизациитехнологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации производстваэлементов и блоков ЭВМ обеспечиваются высоким уровнем технологичностиконструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов,а также средств автоматизации.
Автоматизация развивается внаправлении от автоматизации отдельных операций (пайка, сварка) к широкомуиспользованию автоматизированных линий.
Особенностью производства ЭВТявляется также большая трудоемкость контрольных операций. На отдельныхпредприятий количество контролеров достигает до 30–40% от общего числа рабочих.Используют следующие методы контроля: ручной, неразрушающий, активный.
Производительность ручногоконтроля крайне низка и не отвечает современным требованиям. Поэтому возникланеобходимость в создании высокопроизводительных методов контроля сиспользованием ЭВМ и автоматических измерительных устройств. Важное значениеприобрели методы неразрушающего контроля, которому можно подвергать 100%изделий на всех стадиях производства. Весьма эффективны активные методыконтроля, при которых проверяются режимы технологического процесса, иисключается возможность появления брака. Такой контроль осуществляется по ходутехнологического процесса и облегчает введение автоматизированных системуправления технологическими процессами (АСУТП) с применением ЭВМ.
Полное решение проблемы качествавозможно лишь на основе системного подхода к планированию, организации,управлению проектно-конструкторскими работами, производству, испытаниям иэксплуатации.
В свете вышеизложенного в данномкурсовом проекте разрабатывается действующий макет, ориентированный на изучениеи приобретение навыков разработки устройств для программирования и отладкипрограмм на микроконтроллерах фирмы Microchip.
1. Обоснование выбора схемы и элементной базыУПМ
УПМ построен на следующих основныхэлементах и устройствах
/>
Рис. 1. Условно-графическоеобозначение микропроцессора БИС PIC16F877
Основные параметры БИС:
Технология – КМОП
Шина данных – 8 бит
Тактовая частота – до 20 МГц
Сильноточные линии ввода / вывода: 25мА
FLASH память программ до 8K x 14 слов
Память данных (ОЗУ) до 368 x 8 байт
ЭСППЗУ память данных до 256 x 8 байт
Количество прерываниий – 14
Напряжение питания – 2,0…5,5 В
Низкое потребление энергии:
–
– 20мкА (типичное значение) при 3 В,32 кГц
–
/>
Рис. 2. Условно-графическоеобозначение ОЗУ БИС DS1230
Основныепараметры ОЗУ:
Объем памяти 32 Кбит х 8
Uпит.=5В
Uвх =0,45…2,4 В
Uвых.=0,5… 2,7 В
Количество выходных состояний – 3
/>
Рис. 3. Условно-графическоеобозначение логического элемента «2И»
Основные параметры логического элемента:
Номинальное напряжение питания – 5В±10%
Выходное напряжение низкого уровня – 0,4 B
Выходное напряжение высокого уровня 2,5 B
Iпотр,0» = ≤ 4 мА
Iпотр,1» = ≤ 2,4 мА
Iвх,0» = ≤ /-0,1/ мкА
Iвх,1» = ≤ 20 мкА
Время задержки распространения
сигнала при включении –
Время задержки распространения сигнала привыключении –
Емкость входа –
Емкость выхода –
Масса не более 1 г
ИМС КР1533ЛИ2.
/>
Рис. 4. Условно-графическоеобозначение логического элемента «НЕ» ИМС КР1533ЛН1
Основные параметры логического элемента:
Номинальное напряжение питания – 5В±10%
Выходное напряжение низкого уровня – ≤0,5 B
Выходное напряжение высокого уровня – ≥2,5 B
Iпотр,0» = ≤ 3,8 мА
Iпотр,1» = ≤ 1,1 мА
Iвх,0» = ≤ /-0,2/ мкА
Iвх,1» = ≤ 20 мкА
Время задержки распространения
сигнала при выключении – ≤ 12 нс
Емкость входа – ≤ 5 пФ
Масса не более 1 г
Основные параметры
стабилизатора напряжений:
Uвых max = 15В
Uвых пред. = 20В
Iпотр при Uвх=15В-10 мА
Iвых = 10мА
Iвых max = 2А
Статический потенциал – 2000 В
MAX рассеиваемая мощность:
– Тк = -45°…+70°С – 10 Вт
– Тк = +100°С – 5 Вт
– Токр.ср = -45°…+100°С
/>
Рис. 5. Условно-графическоеобозначение стабилизатора напряжений ИМС КР142ЕН5А
Из представленных параметров, видно, чтоданная элементная база является доступной, надёжной, имеет малую потребляемуюмощность, высокое быстродействие, малые ток потребления и напряжение питания. Этои обусловило выбор данной элементной базы.
Применение микропроцессоров имикроконтроллеров в устройствах электроники имеет в последние годы массовыйхарактер, что сопровождается стремительным ростом «интеллектуальности»создаваемых приборов. В таких устройствах на разработку и отладку рабочегопрограммного обеспечения расходуется много времени. Без использованиядостаточно эффективных отладочных средств этот процесс сложен и непредсказуем.Из-за неразрывной связи программного обеспечения и аппаратуры необходимоуделять особое внимание этапу отладки программ непосредственно на реальном«железе» при рабочих тактовых частотах. Всё это стимулирует потребность вэффективных, универсальных, удобных и доступных широкому кругу пользователейинструментальных средствах для отладки рабочих программ и диагностикинеисправностей микропроцессорной и микроконтроллерной аппаратуры.
Данное устройство для программирования иотладки программ представляет собой плату расширения, которая может бытьустановлена в любой свободный LPT-порт, работающий на тактовой частоте 0–99 Гци предназначена для программирования устройств через инструментально РС-совместимыйкомпьютер, в удобном для пользователя виде. Программирование макетаосуществляется с помощью программатора Р16РRО через разъем Х6.
Основные технические характеристики УПМ:
Напряжение питания: +12 В.
Ток потребления, не более: 250 мА.
Частота сигнала, поданного на вход: 0–99Гц.
Вход для аналогового сигнала: Х1.
Вход для цифрового сигнала: Х4.
Индикация POST кодов: в шестнадцатеричномвиде, один байт.
Индикация сигналов со входов Х1, Х4 шины:RA (0–3) (левая точка индикатора), RD (0–7) (правая точка индикатора).
Индикаторы наличия напряжений питания Х3,Х5: +5В; +12В; -12В; +3.3 В. Размер печатной платы: 112 х 90 мм.
Разрабатываемый макет также можетиспользоваться в качестве универсального программируемого модуля для разработкиразличных РЭУ, а также в качестве измерительного контроллера часов, датчиковтемпературы и других подобных приложений бытовой техники и автоматики. Крометого, удобен в применении, доступен широкому кругу пользователей. Возможноиспользование УПМ в учебных процессах по курсу: «Изучение и приобретение опытапрограммирования и отладки программ» для лабораторных работ, что и обусловиловыбор схемы.
2. Описание работы УПМ по схеме электрическойструктурной
Схема электрическая структурная УПМ,представленная на 11 листе, состоит из следующих устройств.
Микропроцессор PIC 16F877, имеющийвстроенные модули АЦП, сигнала с ШИМ модуляцией, внутреннего таймера, FLASH-памятьданных и т.д. Он обеспечивает выполнение всех операций по вводу, обработке ивыводу данных через любые доступные порты и интерфейсы.
Программатор Р16PRO предназначен дляпрограммирования макета через разъем Х6, подключаемый к LPT-портуинструментального РС-совместимого компьютера.
Стабилизатор служит для стабилизации напряженияпитания, осуществляющегося через разъем Х9 от внешнего источника напряжением+12 В и током 250 мА.
Оптрон используется для развязки цифровогосигнала, поступающего через разъем Х4.
Семисегментные индикаторы HG1-HG4,подключенные к выводам портов RA (0–3) и RD (0–7).
Пьезоэлектрический излучатель ВА1 дляформирования звуковых сигналов. Также макет содержит входной разъем аналоговогосигнала Х1, выходной разъем сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) Х2.Управление макетом осуществляется кнопками SB1, SB2, SB3 и тумблером SA1,предназначенным для остановки и сброса микроконтроллера. Через разъем Х7осуществляется передача по интерфейсу I2C. Перемычка J2предназначена для подключения фильтра на выходе ШИМ, а J1 – для установкинапряжения, необходимого для программирования PIC на слотах Х3, Х5.
В макете предусмотрена возможностьрасширения памяти данных путем подключения микросхем ОЗУ непосредственно к егошинам через разъем расширения Х8, а также слоты Х3 и Х5 для программированиямикроконтроллеров серий 12ХХ и 16ХХ.
Рассмотрим работу схемы электрическойпринципиальной УПМ, представленной на листе 15, в положительной логике (уровеньлогической единицы U1=2,4В, уровень логического нуля U0= 0,45 В).
Сигналы с ZQ1 (кварцевого резонатора)поступают на входы OSC1 и OSC2 МП (DD2 БИС PIC16F877) (выводы 14, 15). МПобеспечивает выполнение операций по вводу, обработке и выводу данных черезлюбые доступные порты и интерфейсы. От МП с выводов RA (0–3) и RD (0–7) помагистралям данные поступают на семисегментные индикаторы HG1-HG4. С контактов21,22,23,24,30,31,32,33 данные из МП поступают в разъем расширения (Х8) навыводы D (0–7). Из МП с контактов 3,4,5,6 данные поступают в разъем расширения(Х8) на выводы А (0–3). С выводов RE (0–2) данные поступают из МП в разъемрасширения (Х8) на выводы Е (0–2).С вывода 37 данные поступают напьезоэлектрический излучатель для формирования звуковых сигналов. С выводов RC(0–7) данные из МП поступают на выводы С (0–7) разъема расширения. На входнойразъем (Х1) поступает аналоговый сигнал, на выходной разъем (Х2) – сигнал сширотно-импульсной модуляцией (ШИМ), а на разъем Х4 поступает цифровой сигнал,для развязки которого используется оптрон (DD1).
Для управления устройством используютсякнопки (SB1, SB2, SB3), которые устанавливаются программно. Данные от нихпоступают в МП на выводы 36,41,42. С тумблера (SA1) сигналы поступают в МП навывод MCLR для остановки и сброса МП. Передача данных по интерфейсу I2Cосуществляется сигналами, поступающими на выводы 20 и 25 МП с разъема Х7.Программирование устройства осуществляется с помощью программатора P16PRO черезразъем Х6, подключаемый к LPT-порту инструментального РС-совместимогокомпьютера. Частотомер измеряет частоту сигнала, поданного на вход Х4 (вход PIC– RA4), в пределах 0–99 Гц. Сигналы напряжения питания с разъема Х9 поступаютна вход стабилизатора напряжений DA1. Для питания необходим внешний источникнапряжением +12В и током 250 мА. Работу схемы электрической принципиальнойпоясняют таблица истинности и временные диаграммы.
Таблица 1№
RА0
RА3
RD0
RD7
RB0
RB7
RC0
RC7
A0
A3
D0
D7
c0
C7 RD WR RX PME RST 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 5 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 1 1 8 1 1 1 1 1 1
Рассмотримработу микропроцессора БИС PIC16F877 в положительной логике, (уровеньлогической единицы U1=2,4 В, уровень логического нуля U0= 0,45 В).
В составмикропроцессора БИС PIC16F877 входят:
- Арифметико-логическое устройство
- Блок управления
- Блок таймеров
- Программный счетчик
- Память данных
- Память программ
- Порты ввода / вывода
Арифметико-логическоеустройство представляет собой параллельное восьмиразрядное устройство,позволяющее выполнять арифметические, логические операции и операции сдвига надданными, представленными в двоичном коде, а также обрабатывать данные,представленные в двоично-десятичном коде.
Блок управленияи синхронизации предназначен для выработки сигналов, обеспечивающих выполнениекоманд, и состоит из встроенного тактового генератора, к внешним выводамкоторого, OSC1, OSC2 (выводы 14, 15), подключается кварцевый резонатор,формирователя внутренних тактовых сигналов и формирователя сигналов состояний ирежимов работы.
Блок таймеровпредназначен для подсчета внешних событий, получения программно управляемыхвременных задержек, выполнения времязадающих функций микропроцессора.
Программныйсчетчик предназначен для формирования текущего 16-разрядного адреса программнойпамяти и 8/16-разрядного адреса внешней памяти данных. Память данныхпредназначена для приема, хранения и выдачи данных, полученных в процессевыполнения программ. Ячейки памяти разбиты на два банка регистров общегоназначения; с адресами ООН-О7Н – банк 0 и с адресами 18H-1FH – банк 1.
Также существуетвозможность расширения памяти данных путем подключения микросхем ОЗУ емкостьюдо 256 байт. Микропроцессор может работать в следующих режимах: проверкапрограммной памяти; режим работы с внутренней памятью; режим работы с внешнейпамятью; режим пошагового выполнения команд. Режимы работы устанавливаетсякомбинацией входных и выходных сигналов.
Для начальногосброса микропроцессора необходимо подать единицу на вход MCLR (RST, вывод 2). Длявыбора режима работы с внешней памятью, 0 подается на вход RB2 (вывод 11).После чего происходит обращение во внешнюю память. При этом на выходе ALE (RB2,вывод 38) появляется ноль для фиксации младшего байта адреса. Считываниекоманды из внешней памяти производится сигналом нуля на выходе РМБ (RE2, вывод11). Прием кода команды из памяти производится через порт RD0-RD7. После обработкикоманды происходит второе обращение во внешнюю память, по сигналу RD, дляизвлечения данных. Извлеченная информация записывается во внешнее устройствосигналом 0 на выходе RE1 (WR, вывод 16). Работу микропроцессора БИС PIC16F877поясняет таблица 3.
Таблица 2Обозначение выводов № выводов Описание выводов OSC1/CLKTN 14 Вход генератора / вход внешнего тактового сигнала OSC2/CLKOUT 15 Выход генератора. Подключается кварцевый или керамический резонатор. – MCLR/Vpp 2 Вход сброса микроконтроллера или вход напряжения программирования. Сброс микроконтроллера происходит при низком логическом уровне сигнала на входе.
RA0/AN0 RA1/AN1
RA2/AN2/Vref-
RA3/AN3/Vref+ RA4/T0CKI
RA5/-SS/AN4
3
4
5
6
7
8 Двунаправленный порт ввода / вывода PORTA. RA0 может быть настроен как аналоговый канал 0 RA1 может быть настроен как аналоговый канал 1 RA2 может быть настроен как аналоговый канал 2 или вход отрицательного опорного напряжения R А 3 может быть настроен как аналоговый канал 3 или вход положительного опорного напряжения RA4 может использоваться в качестве входа внешнего тактового сигнала для TMR0. Выход с открытым стоком. RA5 может быть настроен как аналоговый канал 1 или вход выбора микросхемы в режиме ведомого SPI
RBO/INT
RB1
RB2/ALE RB3/PGM
RB4
RB5
RB6/PGC RB7/PGD
36
37
38
39
40
41
42
43
44
Двунаправленный порт ввода / вывода PORTB.
RB0 может использоваться в качестве входа внешних прерываний. RB2 – выход строб. Сигнала адреса внеш. памяти программ и данных (разрешение фиксации адреса).
RB3 может использоваться в качестве входа для режима низковольтного программирования. Прерывания по изменению уровня входного сигнала. Прерывания по изменению уровня входного сигнала. Прерывания по изменению уровня входного сигнала или вывод для режима внутрисхемной отладки ICD. Тактовый вход в режиме программирования. Вывод данных в режиме программирования.
RC0/T1OSO/T1CKI
RCl/Т1OSI/CCP2
RC2/CCP1
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
16
18
19
20
25
26
27
29
Двунаправленный порт ввода / вывода PORTC
RC0 может использоваться в качестве выхода генератора TMR1 или входа внешнего тактового сигнала для TMR1. RC1 может использоваться в качестве входа генератора для TMR1 или вывода модуля ССР2. RC2 может использоваться в качестве вывода модуля ССР1. RC3 может использоваться в качестве входа / выхода тактового сигнала в режиме SPIhI2C. RC4 может использоваться в качестве входа данных в режиме SPI или вход / выход данных в режиме 12С. RC5 может использоваться в качестве выхода данных в режиме SPI. RC6 может использоваться в качестве вывода передатчика USART в асинхронном режиме или вывода синхронизации USART в синхронном режиме. RC7 может использоваться в качестве вывода приемника USART в асинхронном режиме или вывода данных USART в синхронном режиме.
RDO/PSPO RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
21
22
23
24
30
31
32
33 Двунаправленный порт ввода / вывода PORTD. Выход адреса RD0-RD7
Таблица 3RB2 RE2 INT OSC2 MCLR RE1 REO Порт Р0 X X X X 1 X X Состояние Z 1 1 1 1 1 1 Адрес команды 1 1 1 1 Прием кода команды 1 1 1 1 Чтение данных 1 1 1 1 1 Запись данных 1 1 1 1 Адрес программ
Рассмотрим работу ОЗУ БИС DS1230 вположительной логике (уровень логической единицы U1 = 2,5В, уровень логическогонуля U0 = 0,5 В).
Микросхема DS1230 состоит из следующихосновных узлов: входные адресные цепи (У1-У6 и У7-У12), дешифратор строк (У14),дешифратор столбцов (У13), предназначенныедля выбора необходимого слова из накопителя, накопитель (У15) на 32К×8бит, выполненный на КМОП-элементах памяти, входные цепи данных (У16), блокуправления (У17), коммутатор (У18), выходные цепи данных (У19). Усилениевходных – выходных сигналов до необходимых уровней (уровней ТТЛ) осуществляетсяс помощью выходных формирователей, содержащих усилители считывания. Блокуправления осуществляет управление режимами работы микросхемы: выборкой,записью, считыванием.
Микросхема работает в режимах хранения,записи и считывания информации. В режиме хранения микросхема потребляетзначительно меньшую мощность, чем в режиме обращения. Рассмотрим режимы работы ОЗУ БИС DS1230.
Режим хранения: на входы WE (вывод 27), ОЕ(вывод 22), а также на адресные входы A0-A16 подан любой уровень сигнала. Выводыданных D0-D7 находятся в состоянии с высоким выходным сопротивлением.
Режим записи: на адресные входы A0-A16 ина входы данных D0-D7 подаётся нужная комбинация, и данные записываются внакопитель.
Режим чтения: на адресные входы A0-A16поступает нужный адрес, и данные считываются с выводов D0-D7.
При применении этой микросхемы запрещаетсяподавать сигналы на входы микросхемы при отключенном напряжении питания. Привключении БИС ОЗУ первым должно подаваться напряжение питания, а затем –входные сигналы. При выключении БИС ОЗУ сначала должны отключаться входныесигналы, а затем – напряжение питания. Напряжение входных сигналов не должнопревышать напряжение питания микросхемы Vcc.
Таблица 4Режим работы ВХОД ВЫХОД CE WE OE An Dn Запись 1 1 Считывание 1 1 1 Запрет записи 1 1 Отключение выходов Хранение 1 1 1
/>
3. Конструкторская часть проекта
Существует четыре принципа конструированияпечатных плат (ПП):
1) моносхемный
2) схемно-узловой
3) каскадно-узловой
4) функционально-узловой.
1) При моносхемном принципеконструирования полная электрическая принципиальная схема изделия располагаетсяна одной печатной плате, все компоненты платы устанавливаются последовательно,в первую очередь размещаются цепи наиболее чувствительные к внешнимвоздействиям, плата имеет прямоугольную форму, на которой входы и выходы цепиразнесены по противоположенным сторонам платы.
Достоинства: простота, отсутствие блочныхсоединений, высокая надежность, низкий вес и низкая цена.
Недостатки: трудность обслуживания (привыходе из строя одного элемента необходимо заменить всю плату).
2) При схемно-узловом принципеконструирования на одной печатной плате располагается часть полнойпринципиальной схемы имеющие входные и выходные характеристики. Этот принципаналогичен с моносхемным.
Достоинства: универсальность, простота,легкий ремонт изделий.
Недостатки: сложность соединения деталей,невысокая надежность и наличие паразитной емкости.
3) При каскадно-узловом принципеконструирования полная принципиальная схема разделяется на каскады специальногоназначения и каждый каскад устанавливается на отдельной ПП. Упрощениепроизводительности ПП повышает число вспомогательных компонентов, что повышаетстоимость изделия.
Достоинства: простота обслуживания,стойкость к механическим воздействиям. Недостатки: большой вес, наличиепаразитной емкости.
4) При функционально-узловом принципеконструирования полная принципиальная схема делится на узлы. Узлы располагаютсяна отдельных ПП, что позволяет набирать из отдельных узлов принципиальные схемылюбого назначения.
Достоинства: надежность, универсальность,большая плотность деталей. Недостатки: много механических соединений, чтоусложняет процесс монтажа и сборки изделия.
Более сложной и ответственной задачей приконструировании ЭВТ является компоновка разработанного изделия.
Компоновка – это размещение на плоскостиили в пространстве различных элементов схемы и изделий. Элементами могут быть:ЭРЭ, функциональные узлы различных конструкций (микросхемы, блоки).
В результате компоновки должны бытьопределенны геометрические размеры и формы всех элементов конструкции.Компоновка производится по схеме электрической принципиальной. Конструктордолжен создать модель изделия с учетом различных факторов и требований ТЗ.Конструктору необходимо принять решение и учесть условия производства иэксплуатации изделия, от того насколько правильно выполнена компоновка зависяттехнические и эксплуатационные характеристики изделия, его ремонтопригодность инадежность. При разработке и компоновке приходится учитывать сложную совокупностьфакторов, связанных с особенностью функционирования и эксплуатации изделия.Учитываются электрические параметры и тепловые режимы, определяются геометрическиеразмеры и формы отдельных элементов конструкции.
Методы компоновки:
1) Натуральное объемное моделирование (использованияреальных элементов).
2) Метод аппликации (все стандартныедетали вырезаются из картона в реальном виде, затем конструктор располагает ихна поле чертежа платы).
Компоновка должна удовлетворять следующимтребованиям:
1) Между отдельными элементами, узлами,блоками должны отсутствовать паразитные электрические взаимосвязи, которыемогут изменить характеристики и нарушить функционирование элементов.
2) Тепловые поля, возникающие в ЭВТ,вследствие перегрева отдельных элементов не должны нарушать техническиехарактеристики аппарата.
3) Необходимо обеспечить легкий доступ кдеталям, узлам, блокам в конструкции для контроля, ремонта и обслуживания.
4) Габариты и масса изделия должны бытьнебольшими.
Критерии качества компоновки конструкции.
Основными параметрами компоновки являются:объем, масса и площадь аппаратуры. Для определения качества компоновкинеобходимо оценивать как качество компоновки в целом, так и отдельные элементы.
В данном курсовом проекте используетсямоносхемный принцип конструирования, так как этот метод имеет низкую стоимость,достаточную надежность, а также отсутствуют блочные соединения. Шагкоординатной сетки 2,5 мм. Методом компоновки выбрано натуральное объемноемоделирование.
Конструкторский расчёт печатной платы УПМ
Конструкторскийрасчет производится по следующим формулам:
• Шагкоординатной сетки 1,25 мм
• Определяемминимальную ширину печатного проводника по постоянному току:
bmin= Imax / Jдоп × t
• Определяемминимальную ширину проводника исходя из допустимой потери напряжения на нем:
bmin2= Imax × I × p / Uдоп × t
• Номинальноезначение диаметра монтажных отверстий для микросхем, резисторов, диодов,стабилитронов, транзисторов, конденсаторов:
d = dЭ+ |6dИЭ| + Г
dЭ =0,5 мм
d = 0,9 мм
для разъемов
dЭ =1 мм
d = 1,4 мм
• Рассчитанныезначения сводятся к предпочтительному ряду размеров монтажных отверстий: 0,7;0,9; 1,1; 1,3; 1,5.
Номинальноезначение диаметров монтажных отверстий для разъёма d = 1,5 мм.
• Минимальноезначение диаметра металлизированного отверстия:
bmin≥ HПЛ × γ
• Диаметрконтактной площадки:
D = d + ΔdBO+ 2bm + ΔbBO + (δ2d+ δ2p+Δb2HO)1/2
• Определениеноминальной ширины проводника:
b = bMD+ |bHO|
• Расчёт зазора между проводниками:
S = SMD+ ΔbBO
• Расчётминимального расстояния для прокладки двух проводников между отверстиями сконтактными площадками диаметром DI 1) 2
L = (Dl + D2/2)+ bN + S (n – 1) + δ1
Формулы длярасчета размера элементов конструкции ПП (ОПП, ДПП, Г'ПП). Стандарт (25.347–82)устанавливает основные параметры конструкции ПП.
ØНаименьший номинальный диаметр контактной площадки расчитывают по формуле:
D = (d + ΔbBO)+ 2b + ΔtBO + 2ΔdTP + (T2d+ T2p + Δt2ПО)
ΔdBO– верхнеепредельное отклонение диаметра отверстия.
ΔtBO – верхнее предельное отклонение диаметра контактнойплощадки
ΔdTP – значение подтравливания диэлектрика вотверстии (для ОПП и МПП) равно 0,03 мм; для ДПП и ГПК равно 0.
Δt2ПО – нижнее предельное отклонение диаметраконтактной площадки.
Ø Наименьшееноминальное расстояние 1 n-го количества проводников рассчитывают по формуле:
l = (Dl + D2/2)+ th + S (n – 1) + T
D1 и D2 – диаметрыконтактных площадок
n – количествопроводников
Øтолщина многослойной печатной платы рассчитывают по формуле:
Hn = ΣHc +(0.6…0,9) ΣHnp
Нп – толщина МПП Не – толщина слоя МЛН
Нпр – толщина прокладки изоляционного основания (по стеклоткани)
4. Технологическая часть проекта
Процесс соединения отдельных деталей иматериалов, обеспечивающий их взаимное расположение в сборочных единицах, системах,называется сборкой.
Закрепление деталей и материалов внеобходимом положении, называется установкой.
Технологический процесс, включающий сборкуи установку, называется монтажом. Формовка выводов элементов применяется сцелью увеличения расстояния от корпуса элемента до места пайки. ИМСустанавливаются на расстоянии 1–1,5 мм от монтажной плоскости, с цельюболее эффективного охлаждения. Установка РЭ должна обеспечить надёжноемеханическое и электрическое соединение.
Пайка технологический процесс, при которомобеспечивается неразъёмное соединение металлических или металлизированныхповерхностей деталей. Соединение осуществляется припоем. Прочность паяногосоединения обеспечивается в результате взаимного растворения и диффузии металласоединяемых поверхностей и припоя. При пайке основной материал не плавится. Отнагрева спаиваемых деталей зависит степень взаимного проникновения припоя иосновного материала. С целью защиты от воздействия кислорода во время пайки используютсяфлюсы.
В технологический процесс пайки входятследующие операции:
1. Подготовка спаиваемых поверхностей.
2. Прогрев спаиваемых поверхностей содновременным нанесением на места пайки флюса и припоя.
3. Фиксация соединяемых деталей и выдержкав одном положении до полного застывания припоя.
4. Очистка места пайки от остатков флюса идругих отходов процесса пайки.
К специальному контролю токоведущих частеймонтажа относится проверка целости и соответствия цепей, состояния изоляции и величиныпереходных сопротивлений. Под целостью подразумевается отсутствие в ней обрыва.Целость цепей и правильность их проверяются прозвонкой. Для прозвонки используюттестеры, вольтметры, пробники.
По способам контроля различают:
1. визуальный.
2. геометрический.
3. механический.
4. электрический.
5. технологический.
Визуальным контролем выявляется наличие дефектов наповерхности детали, сборочной единицы. При визуальном контроле проверяютсякачества паек, состояние разъемных соединений, наличие изломов проводов и жил вмногожильных кабелях, плавность хода переменных резисторов, конденсаторов.
Геометрическим контролем проверяют соответствие размерови форм деталей, сборочных единиц образцам и чертежам.
Механический контроль выполняется для проверки прочностикрепления деталей, сборочных единиц, а так же различных соединенийэлектрического монтажа. Для проверки применяют различные динамометры.
Электрический контроль осуществляется путем проверки насоответствие картам сопротивлений или напряжений, а так же различных параметровна соответствие техническим требованиям или программе контроля.
Технологический контроль состоит в проверке правильностипроведения всех операций технологического процесса. Этот контроль необходим дляпредотвращения нарушений технологических режимов из-за замены материалов,неисправного действия оборудования и так далее.
После завершения полного контроля изделиясравнивают полученные характеристики и параметры с заданными. Если отклонениезаданных параметров от полученных больше 10%, то изделие бракуется ивозвращается на доработку. Если изделие отвечает заданным параметрам, то онозапускается в эксплуатацию.
Этапами технологического процесса сборкимонтажа и наладки макета для программирования и отладки программ является:
1) Входной контроль печатной платы иэлементов на соответствие заданному качеству, производится на рабочем столе припомощи лупы с пятикратным увеличением.
2) Лужение выводов, устанавливаемыхрадиоэлементов. Производится на полуавтоматической линии лужения с применением припоя«ПОС-61» и флюса «ЛТИ-120».
3) Формовка и обрезка выводовустанавливаемых радиоэлементов производится на специализированной установке.Замеры производятся штангенциркулем.
4) Контроль подготовленных к пайкерадиоэлементов на соответствие заданным параметрам производится нарадиомонтажном столе с применением мультитестора и лупы с пятикратным увеличением.
Разр. Дружков Н.А.
Пров. Камышникова Л.А. 5) Монтаж элементов напечатную плату производится на радиомонтажном столе с применением пинцета иплоскогубцев.
6) Пайка выводов радиоэлементов кконтактным площадкам печатной платы производится методом волны, вспециализированной ванне с применением припоя «ПОС-61».
7) Электрический контроль печатного узлапроизводится на специализированном стенде для электрического контроля, путёмподключения к модулю питания и периферийных устройств.
8) Промывка печатного узла для удаленияостатков флюса производится на специальной виброустановке в спирто-бензиновойсмеси.
9) Сушка печатного узла для испаренияостатков спирто-бензиновой смеси производится в сушильной камере срегулирующимся температурным режимом.
10) Лакирование печатного узла снанесением защитного покрытия лака, производится в покрасочной камере сиспользованием лака «УР-231».
11) Сушка печатного узла для затвердеваниялака производится в сушильной камере с регулирующимся температурным режимом.
12) Визуальный (окончательный) контрольпечатного узла производится на радиомонтажном столе с помощью лупы с пятикратнымувеличением.
13) Настройка и проверка работопригодностимакета для программирования и отладки программ проверяется с помощьюперсонального компьютера, конкретно установкой микроконтроллеров серий 12ХХ и16ХХ фирмы Microchip в слоты для программирования Х3 и Х5.
Процесс сборки, монтажа и наладкирадиоэлектронной аппаратуры сопровождается вредными воздействиями различныхвеществ, приборов и электрического тока на организм человека. Поэтому, созданиездоровых и безопасных условий труда на предприятии – важнейшая задача, возлагаемаяна администрацию, которая обязана внедрять современные средства техникибезопасности, предупреждать производственный травматизм и создаватьсанитарно-гигиенические условия, предотвращающие возникновение профессиональныхзаболеваний. Производственные здания, сооружения, оборудование, технологическиепроцессы должны отвечать всем требованиям, обеспечивающим здоровье и безопасныеусловия труда. Ни одно предприятие, цех, участок производства не могут бытьприняты и введены в эксплуатацию, если на них не обеспечены эти условия.
При выполнении монтажных работ необходимострого соблюдать основные правила техники безопасности.
Наиболее опасно поражение электрическимтоком. Действие тока на организм человека зависит от силы тока, частоты,напряжения, продолжительности воздействия, пути прохождения и индивидуальныхособенностей организма человека. Чем выше сила тока, тем больше опасность (ток0,1 А и выше, как правило, смертелен для человека). Чем больше напряжение, темменьше сопротивление кожи. Относительно безопасным является напряжение не выше40 В. Более высокие напряжения, особенно широко используемые промышленныенапряжения 220 и 380 В, могут привести к смерти.
Опасность действия тока увеличивается суменьшением частоты тока (наиболее опасны для человека токи промышленнойчастоты) и с увеличением времени воздействия тока на человека Токи высокойчастоты (50 кГц и выше) не смертельны, но могут причинить сильные ожоги.
Вытаскивать шнур со штепсельной вилкой изсетевой розетки необходимо за корпус вилки, а не за шнур, иначе можно выдернутьне вилку, а один из проводов. На рабочем месте во время работы не должно бытьпосторонних материалов, инструментов и деталей, так как это снижаетпроизводительность труда и приводит к травмам рук монтажника.
Жидкости, применяемые для промывки местпаек (спирт, растворитель, скипидар), следует хранить в посуде, хорошо закрывающейсяпробками.
Чтобы сократить до минимума испарение,посуду открывают только в момент пользования жидкостью. Запрещается промыватьпайки бензином, так как это может привести к пожару.
При работе с паяльником следует беречьруки от ожогов. Чтобы предохранить руки от ожога, детали держат пинцетом илисложенной в несколько слоев тряпкой.
Мелкие детали и неизолированные проводапри пайке поддерживают пинцетом или плоскогубцами.
Особенно следует опасаться разбрызгиваниярасплавленного припоя. В таких случаях надо беречь глаза, так как мельчайшиечастицы горячего припоя, попадая на глазное яблоко, могут вызвать серьёзноеповреждение глаз.
Очень осторожно надо залуживать концыпроводов и выводов деталей при использовании ванночки с расплавленным оловом.Ванночка должна стоять устойчиво, а перед включением в сеть для расплавленияприпоя её необходимо ставить на большой противень из стали или латуни с бортамивысотой 10–15 мм по краям. Такой противень предохранит расплавленныйприпой от растекания по столу, если ванночка случайно опрокинется.Противень с ванночкой нельзя переносить до тех пор, пока припой не застынет.
Существуют различные меры предохранения отвредных воздействий:
А) меры предохранения от пораженияэлектрическим током;
Б) меры предохранения от ожогов иотравления;
В) меры предохранения от взрывов ипожаров.
А) меры предохранения от пораженияэлектрическим током
1. Лица, допущенные к лужению и пайке с электрическимнагревом, должны быть проинструктированы по технике электробезопасности.
2. Корпуса электрических машин итрансформаторов должны быть надёжно заземлены. (При работе на установках сламповыми генераторами для защиты от вредного влияния ТВЧ необходимоустанавливать специальные экраны).
3. Напряжение питания паяльника должнобыть не выше 36 В.
4. Электрические провода, подводящиепитание к рабочему месту, должны быть надежно изолированы и защищены от механическихповреждений.
Б) меры предохранения от ожогов иотравления
1. Места где производится пайка должныбыть оборудоваться местными вытяжными устройствами, обеспечивающими скоростьдвижения воздуха непосредственно на месте пайки не менее 0,6 метров в секунду. Помещения, в которых размещаются участки пайки, необходимо обеспечить приточнымвоздухом, подаваемым равномерно в верхнюю зону, в количестве, составляющем,примерно, 90% объёма вытяжки.
2. Для предохранения глаз от ожоговнеобходимо пользоваться защитными очками.
3. При пайке в соляных ваннах пользоватьсяспециальной одеждой (халат или комбинезон, асбестовые рукавицы). На рабочемместе должны находиться необходимые средства противопожарной безопасности(песок, лопаты, кошма и др.)
4. При работе с ваннами расплавленныхсолей или флюсов запрещается пользоваться холодным загрязненным влажныминструментом и загружать в ванну не высушенные и не очищенные от масла детали.
5. При пайке на специализированныхустановках перед началом работы следует изучить правила эксплуатации соляныхванн, изложенные в соответствующих технических описаниях.
6. Необходимо знать и соблюдать мерыпредосторожности при работе с газовыми горелками (следить за герметичностьюаппаратуры и шлангов, не паять вблизи огнеопасных материалов и т.п.).
В) меры предохранения от взрывов и пожаров
1. При пользовании баллонами с инертными игорючими газами предохранять их от толчков, ударов и нагрева, укреплять ввертикальном положении в специальных стойках.
2. При лужении и пайке магния и егосплавов соблюдать «Временные правила по технике безопасности и противопожарнойбезопасности при литье, механической и других видах обработок магниевых сплавов».
3. При пайке в печах с восстановительнойатмосферой соблюдать правила, обеспечивающие взрывобезопасность.
Под надёжностью устройства понимается его свойство выполнятьзаданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационныхпоказателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования,технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.
Состояние, при котором схема способнавыполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах,установленных нормативно – технической документацией (НТД) называетсяработоспособным. Если значение хотя бы одного параметра, характеризующегоспособность устройства выполнять заданные функции, не соответствуетустановленным НТД требованиям, то оно находится в неработоспособном состоянии.Нарушения работы устройства называется отказом.
Под сбоем логического элемента (узла) понимаетсянепредусмотренное изменение состояния этого элемента (узла), после которогоработоспособность самовосстанавливается или восстанавливается оператором безпроведения ремонта.
Главными свойствами объекта,обеспечивающими его надёжность, являются свойства:
Безотказность – свойство объектанепрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени.
Ремонтопригодность – свойство объекта,заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причинвозникновения его отказов, повреждению и устранению их последствий путёмпроведения ремонта и технического обслуживания.
Долговечность – свойство объекта сохранятьспособность до наступления предельного состояния с необходимыми прерываниямидля технического обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость – свойство объектанепрерывно сохранять исправность и работоспособное состояние в течении и послехранения и (или) транспортировки. Вероятность безотказной работы – вероятностьтого, что в пределах заданной переработки отказ не возникает.
Наработка на отказ – отношение наработкивосстанавливаемого объекта к математическому ожиданию количества его отказов втечении этой наработки.
Расчет надежности – это определениекачественных характеристик надежности с целью выявления слабых мест вэлектрических схемах и изыскания путей повышения надежности. Рассчитанныеданные должны соответствовать техническим условиям. В случае получениянадежности ниже требуемой должны быть приняты меры для её повышения.
Существует несколько методов определениянадежности и они делятся на две группы: приближенный или ориентировочный,полный или окончательный расчёт. В данном курсовом проекте использован приближенный метод расчета надежностипо экспоненциальному закону. Исходными данными для расчета являются: схемаэлектрическая принципиальная и справочные данные интенсивности отказов. Данныедля расчета приведены в таблице. Предполагается, что данное устройство будетработать в нормальных условиях эксплуатации.
Таблица 5Наименование элементов Число элементов Ni
Интенсивность отказа λi*10-6 [1/час]
λi*Ni*10-6 [1/час] PIC16F877 1 0,64 0,64 DS1230 1 0,24 0,24 КР142ЕН5А 1 0,03 0,03 КР1533ЛИ2 1 0,2 0,2 КР1533ЛН1 4 0,2 0,8 Диоды 2 0,05 0,1 Транзисторы 1 0,57 0,57 Оптроны 1 0,17 0,17 Переключатели 4 0,17 0,68 Индикаторы 4 0,12 0,48 Светодиоды 1 0,42 0,42
Разъёмы
Х1, Х2, Х4 3 0,05 0,15 Разъёмы Х3, Х5, Х6, Х8 4 0,31 1,24 Разъёмы Х7, Х9 2 0,3 0,6 Места пайки 362 0,01 3,62 Кварцевый резонатор 1 0,81 0,81 Пьезоэлектрический излучатель 1 4,0 4,0 Резисторы ОМЛТ – 0,012 35 0,007 0,245 Перемычки 2 0,015 0,03 Конденсаторы С5, С6, С7, С8 (1000пФ) 4 0,1 0,4 Конденсаторы С4 (1 мкФ) 1 0,06 0,06 Конденсаторы С2, С3 (0,33 мкФ) 2 0,07 0,14 Конденсаторы С1 (220 пФ) 1 0,07 0,07
Определяем общее значение интенсивностиотказов элементов схемы:
1. Λобщ =(0,64+0,24+0,03+0,2+0,8+0,1+0,57+0,17+0,68+0,48+0,42+
+0,15+3,62+0,81+0,4+0,245+0,03+4,0+1,24+0,6+0,06+0,14+0,07)* 10-6[1/ч] = 15,695*10-6 [1/ч]
Вычисляем вероятность безотказной работыдля нескольких промежутков времени:
2. P(t)=e –Λобщ*
P(0)=e –15,695*10^-6*0=1
P(10)= e –15,695*10^-6 *10=0,999843
P(100)= e –15,695*10^-6 *100=0,99843
P(1000)= e –15,695*10^-6 *1000=0,98442
P(10000)= e –15,695*10^-6 *10000=0,85474
P(100000)= e –15,695*10^-6 *100000=0,20815
Наряду с вероятностью безотказной работыР(t) можно определить показатель вероятности отказов Q(t), который определяетсяпо формуле:
3. Q(t)=1-P(t)
Q(0)=1–1=0
Q(10)=1–0,999843=0,000157
Q(100)=1–0,99843=0,00157
Q(1000)=1–0,98442=0,01558
Q(10000)=1–0,85474=0,14526
Q(100000)=1–0,20815=0,79185
Определяем наработку на отказ:
4. То = 1/Λобщ= 1/(15,695*10-6) = 63714,6 часов = 2654,775 дней = 87,04 месяцев ≈7,25 лет.
По результатам вычислений строим графикизависимости вероятности безотказной работы и вероятности отказов от времени(лист 44).
В результате проведённых вычислений,очевидно, что схема надёжна, т.к. наработка на отказ составляет 7,25 лет.
/>
Масштабы: по оси P, Q – в 1 см 0,1 Р,Q
по оси t – в 2 см 10n час(где n = 1,2,3…)
Перечень элементовПозиционное обозначение Наименование Кол-во Примечания
R1
R2, R5, R8, R13, R21, R23
R3, R6, R24, R31,
R32, R33, R34
R4
R7, R17, R22, R25, R26
R9, R10, R12, R13,
R14, R16, R19, R20
R11
R15
R27
R28
R35
VT1
C1
C2, C3
C4
C5, С6, С7, С8
VD1
DD1
DD2
DD3.1-DD3.4
DD4
DА1
VD3
ZQ1
Резисторы
МЛТ – 1,5 МОм
МЛТ – 1 MОм
МЛТ – 10 MОм
МЛТ – 22 MОм
МЛТ – 2 MОм
МЛТ – 100 кОм
МЛТ – 5,1 Мом
МЛТ – 200 кОм
МЛТ – 200 Ом
МЛТ – 510 кОм
МЛТ – 510 Ом
Транзистор
КТ814В
Конденсаторы
КМ5 – 0,22 мкФ
КМ5 – 0,33 мкФ
КМ5 – 1 мкФ
КМ5 – 1000 пФ
Диоды
КД522Б
Микросхемы
К293ЛП1
PIC16F877
КР1533ЛН1
КР1533ЛИ2
КР142ЕН5А
Светодиод
АЛ307В
Кварц
20МГц
1
6
7
1
5
8
1
1
1
1
1
1
1
2
1
4
2
1
1
4
1
1
1
1
/>
Заключение
/>
В данном дипломном проекте разрабатывался Устройство для программированияРЭУ.
В описательной части проекта рассматриваются основные виды производств, атакже принципы конструирования. Рассматриваются примеры возможного использованияи преимущества конструкции схемы, характеристики, параметры и достоинстваосновных элементов схемы. Схема электрическая структурная описывает законченныефункциональные блоки УПМ. В схеме электрической принципиальной приведен примерфункционирования УПМ на конкретных кодовых комбинациях. По кодовым комбинациямпостроены временные диаграммы, которые показывают работу схемы. Подробноописывается работа МП БИС 16F877 и ОЗУ БИС DS1230 по схемам электрическимфункциональным.
В технологической части проекта были представлены методыкомпоновки и конструирования печатных плат. Так же было дано обоснованиевыбранного метода. В данномдипломном проекте используется моносхемный принцип конструирования. Была представлена краткая теория о правилах техникибезопасности на производстве.
В расчётной части проекта производится расчётнадёжности схемы УПМ по экспоненциальному закону, который показывает, что схемаимеет достаточно высокие показатели надёжности и имеет наработку на отказ 7,25лет.
Графическая часть проекта включает в себя схемуэлектрическую принципиальную макета для программирования и отладки программ, компоновкуплаты, а также схему электрическую структурную.
В результате разработки проекта был собран и отлажен действующий Устройстводля программирования РЭУ.