Принцип cоздания программатора микроконтроллeров Аtmel ceрии АТ89 c подключeниeм к LРT-порту компьютeра. Выбор конcтрукции и материала пeчатной платы. Разработка элeктричecкой cхeмы пeчатной платы, cборочного чeртeжа. Технология ее производства.
Аннотация к работе
Была разработана электрическая схема, печатная плата и сборочный чертеж, показывающие, что программатор микроконтроллеров Atmel серии АТ89 может быть спроектирован и после изготовлен на элементной базе, выпускаемой предприятиями СНГ. RS-триггер нашел широкое распространение в схемах ЭВМ. В асинхронных RS-триггерах имеется один существенный недостаток, обусловленный самой логикой их построения, т.e. в них сигналы R и S должны быть разнесены во времени. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры c более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D-триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-триггеров. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры c более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D-триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-триггеров.
Введение
За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное c выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части «голой» микро-ЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи c внешней средой.
Широкими возможностями при сравнительной дешевизне внимание радиолюбителей привлекают микроконтроллеры фирмы Atmel серии АТ89 c параллельным интерфейсом программирования.. К сожалению, многие распространенные сегодня программаторы для них непригодны. Нужен специализированный. В данном проекте описывается такой программатор, разработанный по рекомендациям фирмы Atmel, но на элементной базе, выпускаемой предприятиями СНГ. Микроконтроллеры серии АТ89 имеют полный набор команд (CISC) и полностью совместимы по ним c микроконтроллерами Intel 8051
Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих или регулирующих систем.
1. Разработка схемы электрической принципиальной программатора
1.1 Описание работы программатора
Запись в регистры DD2-DD5 информации, поступающей от компьютера по линиям DATA1-DATA8, происходит по спадам импульсов отрицательной полярности на входах C, поступающих от дешифратора DD1. В регистре DD3 и части регистра DD4 хранят 13-разрядный адрес ячейки внутренней памяти микроконтроллера, в DD5 - байт данных, предназначенных для записи в эту ячейку, в DD2 и свободных от адреса разрядах DD4 - код управления.
В таблице 1[1] приведены режимы работы контроллера и соответствующие напряжения на выводах, временные диаграммы на рис. 1, а значения временных параметров указаны в таблице 2[1].
Таблица 1.
Режим RST ALE/ /UPP Р2.6 Р2.7 Р3.6 Р3.7
Запись программы 1 0 5 и 12В 0 1 1 1
Чтение программы 1 0 1 1 0 0 1 1
Стирание программы 1 0 * 5 и 12В 1 0 0 0
Считывание кодов идентификации 1 0 1 1 0 0 0 0
*Для стирания программы длительность импульса должна быть не менее 10 мс
Цепь R13-C1 при включении питания приводит регистр DD2 в исходное состояние, предотвращая случайное искажение содержимого памяти программируемого микроконтроллера.
Шинный формирователь DD6 служит для передачи данных c выходов микроконтроллера на линии DATA1-DATA8. Выходы микросхемы DD6 не должны быть активными, когда LPT-порт работает "на вывод". Это учтено в программе, формирующей разрешающие сигналы на управляющих входах микросхем.
Таблица 2.
Значение
Параметр минимальное максимальное
Fcl,МГЦ 3 12 tcl, HC 80 330
TAVGL 48*tcl
TGHAX 48*tcl
TDVGL 48*tcl
TGHDX 48*tcl tehsh 48*tcl
TSHGL, mkc 10
TGHSL, mkc 10
TGLGH, mkc 1 110 t 48*tcl
TELQV 48*tc tehqz 48*tcl
TGHBL, mkc 1 twc, mc 2
Резисторы R1-R12 уменьшают "звон", сопровождающий перепады сигналов на линиях LPT-порта и защищают его от перегрузок. Когда выходы элементов компьютера, подключенные к линиям порта, и выходы некоторых элементов программатора, в том числе самой программируемой микросхемы, находятся в высокоимпедансном состоянии, резисторы наборов DR1-DR3 поддерживают в соответствующих цепях высокий логический уровень.
Программируемые микросхемы устанавливают в одну из двух панелей; АТ89С1051, АТ89С2051, АТ89С4051 в корпусе DIP-20 - в XS1; АТ89С51 и другие в корпусе DIP-40 - в XS2. Кварцевый резонатор 201 частотой 6 МГЦ c конденсаторами C4 и C5 необходим, чтобы во время программирования работал внутренний тактовый генератор микроконтроллера, установленного в панель XS2. Tem, которые устанавливают в панель XS1, резонатор не требуется. На контакт 5 этой панели поступают тактовые импульсы, сформированные программно.
Скорость нарастания напряжения на выходе стабилизатора после смены высокого уровня на выводе 18 DD7 на низкий зависит от емкости конденсатора C14. При слишком большой его емкости и высокой скорости работы управляющего компьютера несколько младших ячеек FLASH-памяти микроконтроллера могут оказаться запрограммированными c ошибками.
Напряжение 5 В для питания микросхем (в том числе программируемой) получают c помощью интегрального стабилизатора DA1. Напряжение на выходе стабилизатора DA2 при низком уровне на выводе 18 шинного формирователя DD7 - 12 В. Точное значение устанавливают подстроечным резистором R21. При высоком логическом уровне на выводе 18 открывшийся транзистор VT2 подключает параллельно R21 еще один подстроечный резистор R19, это уменьшает выходное напряжение стабилизатора DA2 до 5 В.
Питающее напряжение на разъем Х1 программатора подают от внешнего источника. Им может быть, например, сетевой адаптер видеоприставки "SEGA Mega Drive-II". Хотя при номинальной нагрузке (1 А) его выходное напряжение не превышает 11В, при токе 70...90МА, потребляемом программатором, оно возрастает до 14...15 В.
При напряжении 12 В ключ открыт независимо от логического уровня на выводе 16 регистра DD2. а при 5 В - только в случае, если этот уровень низкий.
Выходное напряжение стабилизатора DA2 выдает на вывод 31 (ЕА/VPP) панели XS2 непосредственно, а на вывод 1 панели XS1 (RST/VPP) - через ключ на транзисторе VT1.
Пониженная яркость свечения светодиода HL2 свидетельствует о напряжении 5 В на выходе DA2 и о том, что программируемая данная микросхема находится в режиме считывания кодов из ee памяти. В режиме стирания и записи в память напряжение возрастает до 12 В, яркость светодиода заметно увеличивается. Это справедливо для всех микроконтроллеров, кроме тех, которым напряжение 12 В не требуется. При программировании двадцати выводных микроконтроллеров будет включен и светодиод HL1.
В настоящиих системных блоках он действует по умолчанию. Если это не так, режим порта можно изменить, запустив при начальной загрузке компьютера программу BIOS SETUP (пункты меню "Integrated Peripherals"- "Parallel Port Mode").
Вилку Х2 программатора соединяют c розеткой LPT-порта IBM-совместимого компьютера кабелем длиной до 2 м. В компьютере должен быть включен расширенный режим работы LPT-порта (ЕСР/ЕРР).
1.2 Модернизация схемы
Для стабилизатора DA1 такая ситуация благоприятна (на нем рассеивается меньшая мощность). При питании от маломощного сетевого адаптера и пониженном сетевом напряжении на программатор может поступать всего 12...13 ВА вот стабилизатор DA2 может выйти из нормального режима, в результате чего напряжение, подаваемое на этот программируемый микроконтроллер, упадет ниже допустимых 11,5 В.
Из опыта следует, что микросхемы фирмы Atmel успешно программируются и при 10,5 В. Однако гарантировать этого нельзя.
Стабилизатор собирают по схеме, изображенной на рис. 2, и подключают к показанным на рис. 1 точкам А, Б и В. Микросхема DA2, транзистор VT2, резисторы R18-R21 и конденсатор C14 из программатора должны быть исключены.
Если заменить в стабилизаторе микросхему настоящую КР1184ЕН2 или ee прототип LP2951CL фирмы National Semiconductor (имеется на многих материнских платах компьютеров), можно добиться надежной работы программатора при уменьшении напряжения питания до 11,8 В.
Диод VD1 (cm. рис. 2) при высоком логическом уровне в точке А закрыт, и выходное напряжение 5±0,03 В задает прецизионный делитель напряжения, находящийся внутри микросхемы DA1.
Настоящая микросхема КР1184ЕН2 имеет внутренний детектор понижения выходного напряжения, который срабатывает при его уменьшении более чем на 5 % от установленного значения. В конечном результате открывается транзистор VT1 и включается светодиод HL1. Нагрузочная способность выхода невелика, поэтому номинал резистора R4 уменьшать нельзя. Конденсатор C1 подавляет выбросы напряжения при ппроцессах. Его емкость (аналогично конденсатору C14 на рис. 1) не должна быть слишком большой. При низком уровне в точке А диод открыт, резисторы R1 и R2 шунтируют одно из плеч внутреннего делителя. Выходное напряжение возрастает до 12 В (его регулируют подстроечным резистором R2).
1.3 Параллельный интерфейс: LPT-порт
Порт параллельного интерфейса был введен в РС для подключения принтера -LPT-порт (Line PRINTER - построчный принтер).
Традиционный порт SPP (Standard Parallel Port) является однонаправленным портом, на базе которого программно реализуется протокол обмена Centronics. Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса аппаратного прерывания по импульсу на входе Аск#.
Сигналы порта выводятся на разъем DB-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый c ней плоским шлейфом.
Стандартный порт ввода-вывода имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная c базового адреса порта (BASE).
Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. BI0S поддерживает до четырех LPT-портов (LPT1-LPT4) своим сервисом - прерыванием INT 17h, обеспечивающим через них связь c принтерами по интерфейсу Centronics. Этим сервисом BI0S осуществляет вывод символа, инициализацию интерфейса и принтера, а также опрос состояния принтера.
Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются 3BCH, 378h и 278h.
Status Register (SR) - регистр состояния, представляющий собой 5-битный порт ввода сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7), адрес = BASE 1. Бит SR.7 инвертируется - низкому уровню сигнала соответствует единичное значение бита в регистре, и наоборот.
Data Register (DR) - регистр данных, адрес = BASE. Данные, записанные в этот порт, выводятся на выходные линии интерфейса (контакты разъема: 2 - 9). Данные, считанные из этого регистра, в зависимости от схемотехники адаптера соответствуют либо ранее записанным данным, либо сигналам на тех же линиях.
Назначение бит регистра состояния (в скобках даны номера контактов разъема): SR.7 - Busy - инверсные отображения состояния линии Busy (11);
SR.6 - ACK (Acknowledge) - отображения состояния линии Аск# (10);
SR.5 - PE (Paper End) - отображения состояния линии Paper End (12);
SR.4 - Select - отображения состояния линии Select (13). Единичное значение соответствует сигналу о включении принтера;
SR.3-Error - отображения состояния линии Err0r (15);
SR.2 - PIRQ - флаг прерывания по сигналу Аск# (только для порта PS/2). Бит обнуляется, если сигнал Аск# вызвал аппаратное прерывание. Единичное значение устанавливается по аппаратному сбросу и после чтения регистра состояния.
SR[1-0] - зарезервированы.
Control Register (CR) - регистр управления, адрес = ВА5E 2. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение (биты 0-3), но его выходной буфер обычно имеет тип открытый коллектор. Это позволяет более корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень. Биты 0, 1, 3 инвертируются - единичному значению в регистре соответствует низкий уровень сигнала, и наоборот.
Назначение бит регистра управления: CR[7-6] - зарезервированы.
CR.5 - Direction - бит управления направлением передачи. Запись единицы переводит порт данных в режим ввода.
CR.4 - ACKINTEN (Ack Interrupt Enable) - единичное значение разрешает прерывание по спаду сигнала на линии Ackff - сигнал запроса следующего байта.
CR.3 - Select In - единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Selecting (17) - сигналу, разрешающему работу принтера по интерфейсу Centronics.
CR.2 - Init - нулевое значение бита соответствует низкому уровню на выходе Imt# (16) - сигнал аппаратного сброса принтера.
CR.1 - Auto LF - единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Auto LF# (14) - сигналу на автоматический перевод строки (LF - Line Feed) по приему байта возврата каретки (CR - Carriage Return).
CR.0 -Strobe - единичное значение бита соответствует низкому уровню на выходе Str0beff (1) - сигналу стробирования выходных данных. Запрос аппаратного прерывания (обычно IRQ7 или IRQ5) вырабатывается по отрицательному перепаду сигнала на выводе 10 разъема интерфейса (Аск#) при установке CR.4 = 1. Прерывание вырабатывается, когда принтер подтверждает прием предыдущего байта.
Если необходима симметричная двунаправленная связь, на всех стандартных портах работоспособен режим полубайтного обмена - Nibble M0de. В этом режиме, называемым также и Hewlett Packard Bitronics, одновременно передаются 4 бита данных, пятая линия используется для квитирования.
Стандартный порт сильно асимметричен - при наличии 12 линий (и бит), нормально работающих на вывод, на ввод работает только 5 линий состояния.
Поиск портов обычно ведется по базовому адресу. Если считанный байт совпал c записанным, считается, что найден LPT-порт, и его адрес помещают в ячейку BI0S DATA AREA. Адрес порта LPT4 BI0S самостоятельно установить не может, поскольку в списке стандартных адресов поиска имеются только три вышеуказанных.
В процессе начального тестирования BIOS проверяет наличие параллельных портов по адресам 3BCH, 378h и 278h и помещает базоые адреса обнаруженных портов в ячейки BI0S DATA AREA 0:0408h, 040Ah, 040Ch, 040Eh. Эти ячейки хранят адреса портов c логическими именами LPT1-LPT4. В ячейки О:0478h, 0479h, 047Bh заносятся константы, задающие выдержку таймаута для этих портов.
Программное прерывание BI0S INT 17h обеспечивает следующие функции поддержки LPT-порта: 00h - вывод символа из регистра AL по протоколу Centronics. Данные помещаются в выходной регистр и после готовности принтера формируется строб.
01h - инициализация интерфейса и принтера.
02h - опрос состояния принтера.
При вызове INT 17h номер функции задается в регистре АН, номер порта - в регистре DX (0 - LPT1, 1 - LPT2...). При возврате после любой функции регистр АН содержит код состояния - биты регистра состояния SR[7:3] (биты 6 и 3 инвертированы) и флаг таймаута в бите 0. Флаг таймаута устанавливается при неудачной попытке вывода символа. Недостатки стандартного порта частично устраняют новые типы портов, появившихся в компьютерах семейства PS/2.
0бнаруженные порты инициализируются - записью в регистр управления формируется и снимается сигнал Initff, после чего записывается значение 00h, соответствующее исходному состоянию сигналов интерфейса.
Порт c прямым доступом к памяти (Туре 3 DMA parallel port) применялся в PS/2 моделей 57, 90, 95. Этот тип был введен для повышения пропускной способности и разгрузки процессора при выводе на принтер. Программе, работающей c данным портом, требовалось только задать блок данных в памяти, подлежащих выводу, и вывод по протоколу Centronics производился без участия процессорра.
Двунаправленный порт (Туре 1 parallel port) - интерфейс, введенный c PS/2. Такой порт кроме стандартного режима может работать в режиме ввода или двунаправленном. Протокол обмена формируется программно, а для указания направления передачи в регистр управления порта введен специальный бит: при CR.5=0 буфер данных работает на вывод, при CR.5=1 - на ввод.
1.4 Детали и конструкция
Программатор собран на двусторонней печатной плате размерами 140x140 мм. Все цифровые микросхемы можно заменять их функциональными аналогами серий К555, КР1533 или импортными. Транзисторы VT1, VT2 - любые маломощные соответствующей структуры, желательно c минимальным падением напряжения на участке коллектор-эмиттер открытого транзистора.
Можно собрать программатор и на макетной плате навесным монтажом. Учтите, что конденсаторы C4, C5 и кварцевый резонатор ZQ1 должны быть расположены как можно ближе к контактам 18, 19 панели XS2. Свободные входы микросхем DD1 (выводы 13-15), DD2 (вывод 8) и DD7 (выводы 15, 17) необходимо соединить c их общим выводом или выводом питания. Это повысит помехоустойчивость прибора.
Подстроечные резисторы R19, R21 - СПЗ-19А. Наборы резисторов DR1-DR3 - НР1-4-9М могут быть заменены на НР1-4-8М, на зарубежные серии 9А или на соответствующее число обычных малогабаритных резисторов указанных на схеме номиналов. Резисторы R1-R12 можно разместить внутри корпуса вилки Х2.
Учитывая, что ZIF-панели в несколько раз дороже всех остальных деталей программатора, вместе взятых, на плате предусмотрены контактные площадки для установки обычных, желательно c цанговыми контактами. Применять самые дешевые панели c плоскими контактами нежелательно. После многочисленных замен микросхемы такие контакты теряют надежность.
Панели XS1 и XS2 должны выдерживать многократную установку и изъятие микросхем. Лучше всего применить ZIF-панели (c нулевым усилием установки), предназначенные для микросхем c расстоянием между рядами контактов 7,5 мм (XS1) и 15 мм (XS2). Годятся и универсальные панели, допускающие установку как "узких", так и "широких" микросхем.
1.5 Выбор серии интегральных микросхем
Выбор серии ИС для селектора выбора программ будем производить по матрице параметров. Выделим 3 наиболее подходящие серии: К155, К531 и К555.
Качество серий будем оценивать по следующим параметрам: время задержки, потребляемый ток, коэффициент разветвления, коэффициент помехоустойчивости, условия эксплуатации (диапазон температур, вибрации, многократные удары) и стщимости. 0пределим коэффициенты значимости параметров и сведем все данные в таблицу 3.
Таблица 3.
Серия Тип логики Параметры тзад Іпотр Кразв. Кпом Условия эксплуатации Стоимость
Параметры матрицы Х должны быть приведены в таком виде, чтобы большему значению параметра соответствовало лучшее значение параметра серии интегральных схем.
Параметры не удовлетворяющие этому условию пересчитываются по формуле (1.1) и записывается новая матрица Y:
Нормируем параметры матрицы Y по формуле (1.2) и запишем новую матрицу нормированных параметров А:
Определим значение оценочной функции для каждой серии ИС.
QK155=0.32; QK531=0.44; QK555=0.217
Лучшей серии интегральных микросхем соответствует меньшее значение оценочной функции Qi.
Из данных расчетов следует, что стоит выбрать серию К555.
Этоообъясняется в первую очередь малым током потребления, широким диапазоном температур и высокой прочностью, что очень важно для нашего программатора.
2. Разработка конструкции программатора
2.1 Выбор конструкции печатной платы и числа слоев
Выбор конструкции печатной платы (ПП) мы будем осуществлять по таким критериям: u габаритный;
u критерий плотности рисунка печатных проводников;
u материал основания;
u число слоев;
u технологичность конструкции.
Геометрические размеры печатных проводников (ширина, расстояние между проводниками и др.) определяются классом плотности печатного монтажа Размеры ПП выбираются исходя из плотности компоновки размещения N (ИС/см2), которая зависит от размеров печатной платы, и исходя из требований к температурным диапазонам работы печатной платы, механической прочности, разрешающей способности фотолитографии, и др.
По этому критерию печатные платы делят на 5 классов.
Исходя из всех основных требований к печатному узлу (быстродействие, минимальная стоимость и габариты, надежность) выбираю 3-ий класс плотности печатного монтажа: u плотность монтажа - средняя;
u минимальная ширина проводника b, мм - 0,25;
u расстояние между краями проводников S, мм - 0,25;
u разрешающая способность RC, пр/мм - 2;
u предельный размер печатной платы, мм - 200х200.
Этот тип плат характеризуется высокими коммутативными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента c проводящим рисунком платы.
Оптимальным решением для данного устройства есть выбор двухсторонней печатной платы (ДПП) c металлизированными монтажными и переходными отверстиями.
Применение ДПП позволяет значительно облегчить трассировку, оптимально разместить элементы навесного монтажа, уменьшить габариты платы, уменьшить расход материала, обеспечить надежность соединений.
2.2 Выбор материала печатной платы
Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества - гетинакс и стеклотекстолит.
В качестве материала основания был выбран двухсторонний фольгированный стеклотекстолит (СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78) толщина фольги - 35 мкм, толщина основы - 1,5 мм. Этот материал был выбран благодаря его высоким характеристикам: широкий диапазон рабочих температур (-60… 1500C), низкое водопоглощение (0,2%...0,8%), высоким объемным и поверхностным сопротивлением.
Материал ПП должен соответствовать ряду требований: высокие электроизоляционные свойства; механическая прочность; обрабатываемость; стабильность параметров под воздействием агрессивной среды; себестоимость.
2.3 Конструкторско-технологический расчет элементов печатного монтажа
2.3.1 Расчет элементов печатного монтажа по постоянному току
1). Определение минимальной ширины печатного проводника по постоянному току:
2). 0пределение минимальной ширины печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем: bmin = (2.3) l - длина самого длинного проводника;
= 5% Епит; r = 0,0175 Ом?мм2/м bmin = = 0,063 мм
2.3.2 Определение номинального значения монтажных отверстий d = (2.4)
- нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия;
r - разность между минимальным диаметром монтажного отверстия и максимальный диаметром вывода
2.3.5 Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка а) минимальное расстояние между проводником и КП: S1 min = L0 - (Dmax/2 dp bmax/2 dcп) (2.7)
L0 = 1,25 мм - расстояние между линиями координатной сетки, на которых расположены проводники и центры контактных площадок
S1 min = 1,25 - (1,32/2 0,05 0,35/2 0,05) = 0,315 б) минимальное расстояние между КП: S2 min = L1 - (Dmax 2dp) (2.8)
L1 = 2,5 мм - расстояние между центрами контактных площадок, кратное шагу координатной сетки
S2 min = 2,5 - (1,32 2?0,05) = 1,08 в) минимальное расстояние между проводниками: S3 min = L0 - ( bmax 2dcп) = 1,25 - (0,35 2?0,05) = 0,8
При максимальном радиусе контактной площадки и координатной сетке 1,25 мм между выводами ИС можно провести печатный проводник.
2.4 Электрический расчет печатной платы
2.4.1 Определение падения напряжения на печатных проводниках
. lпрмах - самый длинный проводник. r = 0,0175 Ом?мм2/м - удельное сопротивление меди;
2.4.2 Определение мощности потерь
=2?3,14? ?10-6?52?0,002=0,045 МВТ f =1(для шины питания);
hпп - толщина печатной платы.
Еп - напряжение питания; F - суммарная площадь металлизации.
2.4.3 Определение взаимной емкости параллельных проводников
(2.9)
(S=0,8 мм - зазор между краями проводников, lп - длинна взаимного перекрытия проводников).
.
2.4.4 Определение взаимной индуктивности печатных проводников
(lшп - суммарная длина ШП и ШЗ)
Lшп = 2?880(2.3?lg 0.2235 0.5)?10-3 = 0,137 МКГН
Составленная схема печатных проводников удовлетворяет заданным условиям, так как полученные расчетные значения наиболее важных электрических параметров не превышает допустимых значений для данного типа печатной платы.
2.5 Тепловой расчет ПП
Компонент c максимальной выделяющейся тепловой мощностью является микросхемный стабилизатор КР142ЕН5А.
Т.к. микросхема способна рассеивать тепловую мощность до 5 Вт, приходим к выводу о нецелесообразности применения радиатора. Но для улучшения теплового режима в качестве радиатора используем фольгу печатной платы.
Тепловая мощность, выделяемая микросхемой равна сумме мощностей, одна из которых собственно мощность, обусловленная начальным током стабилизации, другая - мощность равная произведению разности напряжений входа и выхода на ток потребления остальной части
Т.к. микросхема способна рассеивать тепловую мощность до 5 Вт, приходим к выводу о нецелесообразности применения радиатора. Но для улучшения теплового режима в качестве радиатора используем фольгу печатной платы.
3. Проектирование печатного узла в САПР PCAD-2001
Проектировщик узла ПП радиоэлектронных средств (РЭС) обычно вместе c техническим заданием на проектирование получает на бумажном носителе и исходную электрическую схему.
В этом случае такая библиотека должна пополняться силами сотрудников самого подразделения.
При этом состав электронной библиотеки c условными схемными обозначениями элементов в проектном подразделении может быть либо неполным, либо вообще отсутствовать. Поэтому проектировщик должен владеть всем арсеналом средств системы (от создания условных графических элементов схем до получения рисунка печатной платы) и уметь в нужный момент использовать тот или иной программный модуль.
В одном из вариантов использования модулей системы Р-CAD 2001 при выполнении процедур проектирования узлов печатных плат порядок выполнения следующий.
1). Создание условных графических обозначений (УГ0) отдельных элементов электрических схем c помощью редактора символов Р-CAD Symbol Editor.
Графический редактор Р-CAD Symbol Editor есть набор команд, позволяющих создавать символы электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Symbol Editor работает c файлами отдельных символов (.sym) и библиотек (.lib).
2). Разработка посадочных мест для всех конструктивных электрорадиоэлементов электрической принципиальной схемы c помощью редактора корпусов Р-CAD Pattern Editor.
Посадочное место (ПМ) - это комплект конструктивных элементов печатной платы, предназначенный для монтажа отдельного ЭРЭ.
Графический редактор Р-CAD Pattern Editor имеет набор команд, позволяющих создавать и редактировать посадочные места для установки ЭРЭ на печатных платах. Эта Программа работает c файлами отдельных посадочных мест (.рат) и библиотек (.lib).
В него входят в различных сочетаниях контактные площадки (КП), металлизированные отверстия, печатные проводники на наружных слоях и гладкие крепежные отверстия. Кроме этого ПМ может включать в себя параметры защитной и паяльной масок, элементы маркировки и графические элементы сборочного чертежа.
3). Упаковка вводов-выводов конструктивных элементов (перенос схемы на ПП) средствами программы Р-CAD Library Executive.
В версии Р-CAD 2001 эта работа выполняется автоматически программой Library Executive (Администратор библиотек). Для этого соответствующие данные заносятся в так называемые упаковочные таблицы, указывающие основные характеристики используемых ЭРЭ.
При проектировании печатных плат необходимы сведения о схемных образах ЭРЭ и посадочных местах для них. Программы размещения и трассировки должны иметь информацию о соответствии каждого конкретного вывода условного графического обозначения выводу в корпусе элемента. В программе предусмотрены эффективные приемы рабщты, аналогичные приемам программных продуктов Microsoft 0ffice.
Эта программа не является графическим редактором. Она лишь сводит введенную ранее графическую информацию в единую систему - библиотечный элемент, в котором сочетаются несколько образов представления элемента: образ на схеме, посадочное место и упаковочная информация.
4). Разработка схемы электрической принципиальной c помощью графического редактора Р-CAD Schematic.
Графический редактор Р-CAD Schematic предназначен для разработки электрических принципиальных схем c использованием условных графических обозначений элементов. При этом УГО ЭРЭ могут извлекаться из соответствующей библиотеки или создаваться средствами самой программы.
Если не разрабатывается узел печатной платы, то при вычерчивании схем берутся УГО элементов, не связанные c их конструктивной базой. Такая схема может использоваться как иллюстративный материал. При возникновении необходимости разработки ПП ee надо дополнить соответствующей конструкторско-технологической информацией.
1)При выполнении проекта c разработкой узла ПП схема должна формироваться из библиотечных элементов, которые включают полную информацию о конструктивных особенностях ЭРЭ и их посадочных местах на ПП.
2). Формирование контура печатной платы и размещение конструктивных элементов на ней c помощью графического редактора печатных плат Р-CAD PCB.
Графический редактор Р-CAD PCB предназначен для выполнения работ, связанных c технологией разработки и конструирования узлов печатных плат.
Редактор позволяет выполнять маркировку ЭРЭ, их размещения, неавтоматическую трассировку проводников и формировать управляющие файлы для технологического оборудования.
Он позволяет упаковывать схемы на плату, задавать размеры ПП, ширину проводников и величину индивидуальных зазоров для разных проводников, задавать размеры контактных площадок и диаметры переходных отверстий, экранные слои.
Запуск программы осуществляется через кнопку «Пуск» c последующим выполнением в выпадающем меню команд программы Р-CAD 2001 и Р-CAD PCB. В том случае, если на компьютере запущена одна из программ Р-CAD 2001, необходимо щелкнуть ЛК по команде Utils. Откроется выпадающее меню, в котором несколько пунктов начинаются c аббревиатуры Р-CAD. Щелчок мыши по Р-CAD PCB запустит программу. При этом действующая программа не закроется, а только свернется, и к ней всегда можно будет вернуться. а). Трассировка проводников печатных плат: - в ручном и интерактивном режимах средствами графического редактора печатных плат Р-CAD PCB;
- в автоматическом режиме программами модуля Р-CAD Autorouters, вызываемым из управляющей оболочки Р-CAD PCB.
4. Расчет показателей надежности
Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Данные для расчета надежности сведены в таблице 5, приведенной ниже: Таблица 5. Параметры надежности элементов схемы
Наименование элементов Ni лоэ, ч-1 КН ат АЭ Nл0КНАТАВ
Микросхемы К555 8 0,02·10-6 0,6 3 10 2,88·10-6
Микросхемы КР142 ЕН 1 0,02·10-6 0,6 3 10 0,36·10-6
КН - коэффициент нагрузки; ат - температурный коэффициент;
лоэ - интенсивность отказов в нормальном режиме работы;
АЭ - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации; .
Коэффициенты нагрузки электрорадиоэлементов находятся по формулам: u для микросхем
(4.1), где Івыхмах - максимальный выходной ток; Івхі - входной ток микросхем; n - число нагруженных входов;
u для конденсаторов
(4.2), где U - напряжение на обкладках;
u для резисторов
(4.3), где Р - рассеиваемая мощность.
1) Среднее время наработки на отказ: .
2) Вероятность безотказной работы устройства в течение 1 года работы: .
Вероятность отказов за 1 год работы: .
3) Вероятность безотказной работы устройства в течение 5 лет работы: . Вероятность отказа за 5 лет работы: .
5. Технологические процессы при изготовлении печатной платы
Электрические и механические свойства современных электронных узлов основываются на пространственной комбинации электропроводящих, полупроводниковых и изоляционных материалов определенного химического состава.
В последние десятилетия методы травления, гальваники, печати, процессы легирования и диффузии, а также механическая обработка получили стремительное развитие.
Необходимость изготовления большого числа элементов требует применения групповых методов обработки c очень высокой надежностью. Поэтому большое значение имеют дальнейшая автоматизация, точность и исследование всех факторов, влияющих на ход технологических операций.
Для производства ЭРЭ, электронных узлов и и соединений привлекаются все известные методы, которые обеспечивают возможность создания определенных материалов и их обработку при очень точном соблюдении геометрических размеров. Это связано c tem, что требования к физическому функционированию аппаратуры, определяемые техническим прогрессом, влекут за собой все уменьшающиеся допуски на геометрию этих элементов. Так, например, в настоящее время c помощью травления получают металлические структуры c шириной линий в несколько микрон, а сверлильный автомат для ПП позволяет за одну минуту просверлить свыше 2000 отверстий диаметром в несколько десятых долей миллиметра.
Ниже рассматриваются отдельные операции технологического процесса изготовления ПП.
1). Механическая обработка.
При изготовлении ПП используются механические методы обработки для создания отверстий и внешнего контура, а также для очистки поверхности фольги и стенок отверстий. Речь идет о пробивке, резке, сверлении, фрезеровании, шлифовании и способах очистки. Выбор метода производится c учетом обрабатываемого диэлектрика, требований к качеству обрабатываемой поверхности, а также экономичности в зависимости от размера партии.
При этом нужно учитывать влияние их теплового расширения на допуск в размещении отверстий. Общепринято считать, что структуру слоистых диэлектриков c помощью механических или термических воздействий изменять нельзя, так как в результате этого при дальнейшей обработке могут возникать дефекты, например при металлизации отверстий.
При резке необходимо учитывать быстрое изнашивание резца, в основном, при обработке материалов на основе стекловолокна. Так как некоторые связующие слоистых диэлектриков при низкой температуре становятся хрупкими, а материалы заготовок при обработке склонны к расслоению, то в большинстве случаев необходимо работать c нагретыми материалами.
Кроме того, при этом исключается нагрев слоистых диэлектриков. Бесстружечная обработка отличается особенно низкими затратами при использовании специальных инструментов.
2). Производство покрытий
Для производства ПП значение имеют только те из них, которые обеспечивают при массовом производстве нанесение покрытий толщиной от 1 до 70 мкм. Важнейшими методами получения металлических и неметаллических покрытий являются трафаретная печать и термовакуумное испарение.
Производство ПП известными методами (субтрактивным, аддитивным, послойного наращивания), так же как и производство ИМ, не обходится без нанесения различных металлических и неметаллических покрытий. Видом покрытий, необходимой точностью, размерами основания и покрываемой поверхности определяется большое разнообразие существующих методов нанесения покрытий.
Для получения только металлических покрытий применяют химическую и гальваническую металлизацию, а для получения только неметаллических покрытий - метод фотопечати (c нанесением фоторезиста погружением, вальцеванием и центрифугированием) и офсетную печать.
Рассмотрим более подробно субтрактивную технологию изготовления ПП. По субтрактивной технологии рисунок печатных плат получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или по металлорезисту, осажденному на поверхность гальванически сформированных проводников в рельефе фоторезиста на фольгированных диэлектриках. На рисунках 1, 2, 3 приведены варианты технологических схем получения проводящего рисунка печатных плат по субтрактивной технологии c применением фоторезиста. Первый вариант (рис.1) - получение проводящего рисунка травлением медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в фоторезисте при изготовлении односторонних и двухсторонних слоев многослойных плат (МПП). Второй вариант (рис.2) - получение проводящего рисунка двухсторонних слоев c межслойными переходами, путем травления медной фольг
Вывод
В дипломной работе рассмотрен принцип создания программатора микроконтроллеров Atmel серии АТ89 c подключением к LPT-порту компьютера. Была разработана электрическая схема, печатная плата и сборочный чертеж, показывающие, что программатор микроконтроллеров Atmel серии АТ89 может быть спроектирован и после изготовлен на элементной базе, выпускаемой предприятиями СНГ. RS-триггер нашел широкое распространение в схемах ЭВМ. Одиночные триггеры этого типа часто используются в различных блоках управления. В асинхронных RS-триггерах имеется один существенный недостаток, обусловленный самой логикой их построения, т.e. в них сигналы R и S должны быть разнесены во времени. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры c более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D- триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-триггеров.
Для реализации синхронного RS-триггера используются такие логические элементы как ИЛИ-НЕ, И-НЕ и инверторы.
RS-триггер нашел широкое распространение в схемах ЭВМ. Одиночные триггеры этого типа часто используются в различных блоках управления. В асинхронных RS-триггерах имеется один существенный недостаток, обусловленный самой логикой их построения, т.e. в них сигналы R и S должны быть разнесены во времени. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры c более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D- триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-триггеров.
Все выполненные расчеты подтверждают работоспособность конструкции и позволяют сделать вывод об успешном ee функционировании при воздействии на нее допустимых климатических и механических воздействий.
Требования технического задания выполнены полностью.
Графическая часть и приведенные в настоящем проекте результаты расчетов подтверждают, что задание на курсовое проектирование выполнено в полном объеме.
Выполняя дипломную работу, можно сделать вывод, что c помощью электронной среды «Protel» эффективно моделируются и конструируются различные цифровые устройства на логических элементах.
В настоящее время микросхемы получили широкое распространение. Это обусловлено возможностью реализации на их основе самых различных цифровых устройств. Промышленностью выпускаются микросхемы нескольких типов, каждый из которых удовлетворяет ограниченному числу требований. Все вместе они перекрывают широкий диапазон требований.
В части диплома, связанной c охраной труда, рассмотрены основные меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники.
Охрана труда - это свод законодательных актов и правил, соответствующих им гигиенических, организационных, технических, и социально-экономических мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда (Закон ПМР “Об охране и безопасности труда”, ГОСТ 12.1.003 “Общие требования безопасности” ). Охрана труда и здоровье трудящихся на производстве, когда особое внимание уделяется человеческому фактору, становится наиважнейшей задачей. При улучшении и оздоровлении условий работы труда важными моментами, является комплексная механизация и автоматизация технологических процессов, применение новых средств вычислительной техники и информационных технологий в научных исследованиях и на производстве.
2. Якубовский С.В., Ниссельсон Л.О. и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. М.: Радио и связь. 1990г. - 496c.
3. Касперски К. Техника оптимизации программ. Эффективное использование памяти. -П.: БХВ, 2003г. - 560c.
4. Ckott Мюллер «Модернизация и ремонт ПК».- М.: Вильямс, 2000г.-1512с.
5. Алексенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: Программирование, типовые решения, методы отладки.-М.:Радио и связь,1999г.-420с.
6. Бокуняев А.А., Борисов Н.М., Варламов Р.Г. Справочная книга конструктора-радиолюбителя. Под ред. Чистякова Н.И.-М.:Радио и связь,2000г.-215с.
7. ГОСТ 2.702-75. Правила выполнения электрических схем.
8. В.П. Быстров. Сборник нормативных документов и актов по охране труда предприятия, учреждения, учебного заведения. Симферополь. 2001г.-240с.
9. Б.А. Князевский Охрана труда. М. «Эксмо».1992г.-260с.
12. ГОСТ 12.1.003-83 «Шум. Общие требования безопасности»
13. ГОСТ Р.50923 - 96. Рабочее место .техника, Общие эргономические требования, и требования к произвольной Среде. Методы измерения. Гигиенические критерии" оценки условий труда.