Конструирование модуля ЭВМ для обработки телеметрических данных

Конструирование модуля ЭВМ для обработки телеметрических данных

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ЛИПЕЦКИЙ ФИЛИАЛ

Факультет Информационных и Энергетических систем

Кафедра Вычислительных систем

Специальность 230101 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети"

Курсовой проект

по дисциплине “Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ”

Тема

Конструирование модуля ЭВМ для обработки телеметрических данных

Выполнил

студент гр. ВМо-05 А.А. Иванов

Липецк 2010

Содержание

Лист

Введение

1. Общая часть

1.1 Постановка задачи проектирования

1.2 Назначение и область применения

2. Специальная часть

2.1 Описание принципиальной схемы

2.2 Характеристики ИМС и РЭ

2.3 Выбор и обоснования конструкции печатной платы

2.4 Выбор и обоснование класса точности и группы жесткости

2.5 Выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы

2.6 Выбор материала основания печатной платы

2.7 Компоновка и размещение ИМС и РЭ на печатной плате

2.8 Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

2.9 Выбор защитного покрытия печатной платы

3. Расчётная часть

3.1 Расчёт потребляемой мощности

3.2 Трассировка соединений и расчёт элементов печатного монтажа

3.3 Расчёт надёжности

Заключение

Приложение А. Опись документов

Приложение B. Перечень элементов

Литература

Введение

Появление печатных плат (ПП) в их современном виде совпадает с началом использования полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонние плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры. Разработка очередных поколений элементной базы (интегральная, затем функциональная микроэлектроника), ужесточение требований к электронным устройствам, потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат (МПП), появлению гибких, рельефных печатных плат. Многообразие сфер применения электроники обусловило применение различных типов печатных плат:

- односторонние печатные платы;

- двухсторонние печатные платы ;

- многослойные печатные платы ;

- гибкие печатные платы ;

- рельефные печатные платы (РПП);

- высокоплотная односторонняя печатная плата.

В данном курсовом проекте разрабатываем двустороннюю печатную плату.

Двухсторонние платы составляют в настоящее время значительную долю объема выпуска плат, например, в Великобритании до 47 %.

Опираясь на статистику последних трех лет, можно оценить долю двухсторонних плат в российском производстве в 65-75%. Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления. Вместе с тем, для большинства двухсторонних плат за рубежом проектные нормы "проводник / зазор" составляют 0,25 / 0,25 мм (40% от объема выпуска), 0,2 / 0,2 мм (18%) и 0,15 / 0,15 мм (18%). Это позволяет использовать такие платы для изготовления широкого круга современных изделий, они вполне пригодны как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Нередко на проводники двухсторонних плат наносится золотое покрытие, а для металлизации отверстий используется серебро.

Типовые параметры двухсторонних плат:

·  Максимальные размеры заготовки - 300x250...500х500 мм

·  Минимальный диаметр отверстия - 0.4...0,6 мм

·  Минимальная ширина проводника - 0,15 мм

·  Минимальный зазор - 0,15 мм

·  Толщина фольги - 18..36 мкм

·  Толщина платы - 0,4 - 2,0 мм

Опираясь на собственный опыт изготовления прототипов отечественных двухсторонних плат, можно констатировать, что запросы отечественных разработчиков удовлетворяются пока диапазоном проектных норм 0,2 / 0,2 - 0,3 / 0,3 мм, норма 0,15 / 0,15 мм встречается не более, чем в 10% случаев. Отметим, что отечественные разработчики, точно также как их зарубежные коллеги, закладывают в технические задания на изготовление двухсторонних плат нанесение паяльной маски, маркировку, весьма часто - фрезерование плат по сложному контуру. Как правило, сборка таких плат предусматривает поверхностный монтаж компонентов

1 Общая часть

1.1 Постановка задачи проектирования

Целью курсового проекта является конструирование модуля первого уровня ЭВМ. При выполнении курсового проекта предусматривается выполнение следующих работ:

-Анализ назначения, область применения и условия эксплуатации ЭВМ.

- Описание принципиальной схемы и характеристики ИМС и РЭ, т.е. рассмотреть и проанализировать вариант проекта, а также произвести выбор аппаратных средств, максимально удовлетворяющих требованиям поставленной задачи;

- Выбор и обоснование типа конструкции печатной платы. Определяются требования к конструкции печатной платы, материалу основания. необходимость дополнительной защиты. Анализируется функциональная и конструкторская сложность узла, устройства и в соответствии с ГОСТ производится выбор типа конструкции печатной платы. -Выбор и обоснование класса точности. Для осуществления трассировки выбирается необходимый класс точности печатной платы на основе анализа конструкторской сложности функционального узла, характеристик элементной базы, условий эксплуатации, надежности, технологии изготовления.

- Выбор материала основания печатной платы. На основании анализа механических воздействий, класса точности печатной платы, реализуемых функций и условий эксплуатации, по ТУ на материалы конкретного вида и ГОСТ, производится выбор материала для основания печатной платы.

- Компоновка и размещение ИМС и РЭ на плате. На основе установочных размеров интегральных микросхем, электрорадиоэлементов компонентов, с учетом рекомендаций и ограничений, производится их компоновка и размещение. Рассматриваются различные варианты по размещению элементов на печатной плате.

- Выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы. С учетом технологических зон, зоны установки соединителя, требований модуля второго уровня, по ГОСТ производится выбор конфигурации и габаритных размеров печатной платы.

- Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы. Выбирается наиболее современный, технологичный и экономичный метод изготовления печатной платы.

- Выбор защиты покрытия печатной платы. Выбирается наиболее эффективная, для заданных условий эксплуатации, защита печатной платы.

- Трассировка соединений и расчет элементов печатного монтажа. Производится расчет элементов печатного монтажа.

- Расчет надежности. Производится расчет среднего времени наработки на отказ и вероятность безотказной работы устройства за определенны отрезок времени.

- Расчет электрических параметров схемы. Рассчитывается электрическая мощность потребляемая устройством

1.2 Назначение и область применения устройства

16-разрядный микропроцессор явился основой для построения многих микроЭВМ и средств цифровой информатики и очень широко применялся в своё время. Надо сказать, что, несмотря на малую разрядность, микропроцессоры такого типа достаточно широко применяются (в средствах цифровой информатики в микро- и мини-ЭВМ) и в настоящее время в силу сравнительной простоты устройства и дешевизны. Однако при применении их в качестве основного звена микроЭВМ, в особенности персональных ЭВМ, малая разрядность и другие ограничения требуют в конечном итоге усложнения структурной организации и программного обеспечения.

Устройство, конструируемое в данном курсовом проекте, представляет собой собственно микропроцессорную систему с математическим сопроцессором. Данное устройство относится к наземным, стационарным ЭВМ и предназначена для эксплуатации в отапливаемых помещениях. Условия эксплуатации характеризуется диапазоном температур от +10 .. +35 °С, влажностью до 90 .. 94% при 300С, атмосферным давлением (8,36…10,6) Па (630…800)мм. Рт. Ст., без механических перегрузок во время работы, воздух без присутствия активных веществ. Дестабилизирующим фактором является повышенная влажность

2.Специальная часть

2.1 Описание принципиальной схемы

Генератор тактовых сигналов КР580ГФ24 (DD1) состоит из генератора опорной частоты, счётчика делителя частоты на 9, формирователя фаз С1, С2 и логических схем. Для стабилизации тактовых сигналов опорной частоты к входам ХТАL 1, ХТАL2 генератора подключают кварцевый резонатор, частота которого должна быть в 9 раз больше частоты выходных сигналов С1, С2. для автоматической установки генератора в исходное состояние при подаче напряжения к входу RESIN подключают цепь, состоящую из элементов R (100кОм), VD, C1 (10мкФ). В момент включения источника питания конденсатор С1 разряжен, на входе RESIN сигнал высокого уровня, осуществляется сброс микропроцессора. Через резистор R1 конденсатор заряжается, напряжение на входе RESIN падает. Когда напряжение на входе RESIN достигнет логического нуля, снимается сигнал RESET с выхода микросхемы и микропроцессор производит первое обращение за чтением команды к ячейке памяти по адресу 0000Н. Положительные импульсы, сдвинутые во времени, амплитудой 12В и частотой 0,5-3,0 МГц с входов С1, С2 генератора подаются на одноимённые входы микропроцессора. В начале каждого машинного цикла микропроцессор вырабатывает сигнал синхронизации SYN, который в сочетании с другими сигналами может быть использован для организации различных режимов работы. Этот сигнал подаётся на вход SYN генератора. К адресным выходам А0-А15 микропроцессора подключаются, буферные регистры RG для повышения нагрузочной способности. На вход ОЕ микросхем подаётся логический ноль для разрешения передачи данных (управление третьим состоянием), а на входы STB логическая единица для выбора направления передачи данных (из A в B). Выходы микросхем объединяются в системную шину адреса с повышенной нагрузочной способностью. Системный контроллер КР580ВК28 состоит из двунаправленной буферной схемы данных, регистра состояния и дешифратора управляющих сигналов. Восьмиразрядная параллельная 3-стабильная буферная схема данных принимает информацию с канала данных микропроцессора по выводам D7-D0 и передаёт в регистр состояния информацию состояния, на системный канал данных по выводам DВ7-DВ0 выдаёт в цикле записи по сигналу TR. В цикле чтения по сигналу RC буферная схема принимает данные с системного канала по выводам DB7 и DB0 и передаёт по выводам D7-D0 на канал данных микропроцессору. Регистр состояния по входному сигналу SТВ фиксирует информацию состояния микропроцессора в такте Т1 каждого машинного цикла микропроцессора. Дешифратор управляющих сигналов формирует один из управляющих сигналов в каждом машинном цикле: при чтении ЗУ-RD, при записи в ЗУ-WR, при чтении из УВВ-RDIO, при записи в УВВ-WRIO, при подтверждении запроса прерывания, сигнал INTA. Напряжение высокого уровня на входе HLDA переводит выходы RD, RDIO, INTA в пассивное состояние (напряжение высокого уровня) и блокирует передачу информации через буферную схему данных. ПЗУ как раннее отмечалось, предназначено для хранения и считывания двоичной информации. ПЗУ состоит из следующих узлов: накопителя (НК), дешифраторов строк и столбцов (DCX, DCY), которые определяют к какому элементу памяти накопителя, производится обращение в соответствие с заданным кодом адреса. После этого подаётся сигнал выбора кристалла (поступает в устройство управления), поступающий с системного контроллера, и определяется режим работы. Адресные входы ПЗУ А0-А7 подключаются к системной шине адреса к линиям А0-А7 соответственно. Если на вход CS подаётся логическая единица с выхода RD системного контроллера, то ПЗУ переходит из режима хранения в режим выдачи информации, т.е. данные из ячейки памяти поступают на шину данных. Микросхема имеет внутренний генератор тактовой частоты. Для стабилизации тактовых сигналов к входу CLK подключается Г-образная RC цепочка. Конденсатор C заводится на цифровую землю, а к резистору R подаётся напряжение + 5 в. Конденсатор C имеет ёмкость 30 пФ, а резистор сопротивление то 10 до 250 кОм. Когда вход S переходит из состояния логической единицы в состояние логического ноля, на выходе фиксируется код, который был в момент смены логических состояний, и на индикаторе, несмотря на изменение входной информации, сохраняется соответствующая цифра. Сигнал WR IO с системного контроллера и сигнал Q1 с дешифратора DD7 подаются на входы логического элемента DD12. Если на входы логического элемента поступают сигналы логического нуля, то на выходе элемента устанавливается логическая единица. Выход логического элемента подключается к входу S дешифратора DD8. Для помехоустойчивости системы низкочастотные помехи по цепи питания необходимо блокировать конденсатором суммарной емкостью из расчета 0,1 мкФ на каждую микросхему, включенными между шинами +5В и GND непосредственно в начале шины +5 В. Высокочастотные помехи необходимо блокировать конденсатором ёмкостью 0,015-0,022 мкФ, включенным между каждым выводом +5 В микросхемы и шиной GND в непосредственной близости от микросхемы (не далее 5мм). Основным назначением системы является преобразование 16-разряной информации, принимаемой с разъёма. Она поступает на 8-разрядные регистры, которые подключены к микросхеме КР58ОВВ55А, преобразующей два параллельных кода в один последовательный. Этот код поступает на преобразователь интерфейса RS-485, затем на гальваническую развязку.Блоки питания аппаратуры, предназначенные для питания от сети переменного тока в зависимости от назначения и мощности, могут быть выполнены по различным схемам. Простейший блок питания с трансформаторным входом имеет схему, приведенную в графической части. Исходя из расчётов потребляемой мощности, по справочнику выбирается необходимый трансформатор на входное сетевое напряжение U1=220В, с несколькими вторичными напряжениями. Выбирается трансформатор с такими вторичными напряжениями, которые попадают в диапазон входных для интегральных стабилизаторов, так чтобы они не вышли из строя и не оказались под заниженным питанием (с учётом падения напряжения на выпрямителе). Ток каждой вторичной обмотки должен быть выше тока, идущего в нагрузку, иначе неизбежна токовая перегрузка трансформатора. Мощность трансформатора должна также быть выше той, которую потребляет микроЭВМ с учётом потерь в выпрямителях и стабилизаторах. Для обеспечения микроЭВМ несколькими напряжениями питания необходимо предусмотреть трансформатор, формирующий необходимое количество вторичных напряжений, т.е. трансформатор должен содержать дополнительные обмотки для их питания, должны быть предусмотрены дополнительные выпрямители и стабилизаторы соответствующих напряжений. Схема формирования питающих напряжений строится с помощью интегральных стабилизаторов напряжения. По справочнику выбираются соответствующие интегральные микросхемы стабилизаторов с учётом требуемых напряжений и токов нагрузки и приведенных в справочнике схем включения. Выпрямитель источника питания микропроцессорной системы строится по мостовой схеме. Выпрямительные диоды выбираются, исходя из прямого тока диодов IПР, который должен быть заведомо больше суммарного потребляемого тока всей микропроцессорной системой, и напряжения UВХ которое должно быть заведомо больше, подаваемого на интегральные стабилизаторы для требуемого запаса. Приведённая на листе электрическая принципиальная схема источника питания построена с применением трёхвыводных интегральных стабилизаторов. Один интегральный стабилизатор типа КI42ЕН5А (DА2) обеспечивает положительное выходное напряжение 5В при номинальном токе 3А. Стабилизатор 7905 (DA 1) формирует напряжение отрицательной полярности, имеющий значения 5В. Максимальный выходной ток этого канала составляет 1,5А. Стабилизатор типа КР1157ЕН12Г (DA3) обеспечивает положительное выходное напряжение 12В. Компоненты схемы имеют следующие параметры: электролитические конденсаторы С22- С28 — 4700 мкФ; диоды VD2-VD5 Iпр=2А, предохранитель FU1 0,5А. В источнике питания используется трансформатор ТН — 17, U2=6.3B, U3=6.ЗВ U4=6,ЗВ. Мощность трансформатора составляет 30 Вт

2.2 Характеристики ИМС и РЭ

Характеристика интегральных микросхем:

Комплект ИС характеризуется автономностью и функциональной законченностью, унификацией их интерфейса, программируемостью микросхем, их логической и электрической совместимостью. Восьмиразрядная организация, фиксированный набор команд, большой выбор периферийных микросхем позволяет их использовать при создании различных средств вычислительной техники (устройств локальной автоматики, контроллеров измерительных приборов и периферийных устройств, микро ЭВМ для управления технологическими процессами и измерительными системами). ИС совместимы по входам с микросхемами серий ТЛЛ.

Таблица 1 - Размеры корпусов микросхем

Рисунок 1 - Размеры корпусов микросхем

Микросхема КР580ВМ80А

Микросхема представляет собой параллельное центральное 8-разрядное процессорное устройство с фиксированной системой команд. ИС имеет раздельный 16-разрядный канал адреса и 8-разрядный канал данных. Канал адреса обеспечивает прямую адресацию внешней памяти объемом до 65536 байт, 256 устройств ввода и 256 устройств вывода. 8-разрядное АЛУ МП обеспечивает выполнение арифметических и логических операций над двоичными данными, представленными в дополнительном коде, а также обработку двоично-десятичных упакованных чисел. Содержит 4750 интегральных элементов. Корпус типа 2123.40-2, масса не более 6г.

Рисунок 2 - Микросхема КР580ВМ80А

Таблица 2 - Назначение выводов ИМС КР580ВМ80А

Таблица 3 - Электрические параметры ИМС КР580ВМ80А

Микросхема КР580ВВ51A

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5