3.2 Методические указания к выполнению отдельных этапов работы

Э1. Вариант задания, предусматривающий разработку устройства для создания ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА однозначно соответствует некоторой стандартной структуре, которая определяется по справочной литературе [1 - 4]. Студенту следует найти в книге соответствующую структурную, и если возможно, принципиальную схему блока ЦП, подсистемы памяти и портов ввода-вывода. В соответствии с данной типовой конфигурацией составляется список микросхем и других компонентов разрабатываемого устройства – спецификация.

Э2. Функциональная электрическая схема ЦИФРОВОГО УСТРОЙСТВА составляется вручную в черновике. На ней в отличие от принципиальной, не указывают выводы микросхем, используемые для подключения питания, неиспользуемый выводы. Шины, содержащие сигнальные проводники одинакового назначения, объединяются одной линией с указанием числа разрядов.

Модули памяти, которые должны присутствовать в системе, должны иметь объем, достаточный для размещения простой программы и небольших массивов данных. Обычно достаточно емкости модуля на 1 – 8 Кбайт. Разрядность должна соответствовать разрядности шины процессора – 16 бит [5].

Важнейшей частью данного этапа является подготовка базы данных системы Altium Designer, в которую должны быть внесены все компоненты, используемые в разрабатываемом устройстве. Поскольку конфигурации систем, выполняемых по разным вариантам, содержат большое число общих элементов, то рекомендуется разделить эту работу между группой студентов, используя взаимный обмен информацией.

После каждого внесения изменений в библиотеку ее нужно сохранить, только после этого изменения вступают в силу. Возвращаемся к панели SCHLibrary. Заменим компоненты в схеме на только что созданные. Для этого щелкаем правой кнопкой мыши на названии компонента в боковой панели и выбираем в контекстном меню Update Schematic Sheets.

Особенностью разрабатываемой системы является то, что организация взаимодействия центрального процессора системы (ЦП) с УВ осуществляется через стандартный интерфейс ввода – вывода, к которому УВ подключено как внешнее устройство.

Э3. Altium Designer – приложение, предназначенное для создания электрических схем и разводки плат. Общий вид окна редактора представлен на рисунке 2.

Рис.2. Общий вид окна редактора Altium Designer.

Возможности этого редактора:

• Создание электрических схем,

• Разводка плат в полуавтоматическом и автоматическом режимах,

• Создание своих библиотек компонентов,

• Моделирование схем,

• Написание своих программных модулей

Для начала работы запускаем программу и видим перед собой пустое окно. Чтобы нарисовать электрическую принципиальную схему, выбираем в меню File →New → Schematic:

После этого появляется пустой документ. Если в меню New выбрать PCB (Printed Circuit Board) или, «печатная плата». Выбрав этот пункт, вы попадете в редактор печатных плат.

Краткий обзор управления:

• Перемещаться по документу можно с помощью полос прокрутки или, нажав правую кнопку мыши.

• Вращение колесика мыши производит вертикальную прокрутку.

• Если держать третью кнопку мыши, то можно выполнять масштабирование.

Создадим простую схему. Например добавим в наш документ операционный усилитель, несколько резисторов и разъемы. На панели инструментов для этого есть кнопка: Place Part.

Нажимаем ее и попадаем в окно выбора компонента.

Рис.3

В этом окне во все поля автоматически введен последний использованный компонент. На рисунке 3 видно компонент WF из библиотеки power_supply_lib. Этот компонент имеет footprint WF-2 и при размещении на плату получает имя P? (знак вопроса потом автоматически заменяется на порядковый номер). Нажимаем на кнопку с многоточием справа вверху и выбираем компоненты.

Рис. 4.

На рис.4 показано окошко браузера библиотек, в котором можно просмотреть содержимое всех библиотек, поставляемых вместе с редактором, а также ваших собственноручно созданных. Сейчас выбрана библиотека Miscellaneous Devices. Все встроенные библиотеки поделены на папки по производителям, а в каждой папке - на файлы по типам устройств. Однако, есть несколько общих библиотек:

• Miscellaneous Devices - часто используемые компоненты без уникальных свойств: резисторы, конденсаторы, диоды, кое-какие транзисторы и т.д.

• Miscellaneous Connectors - разнообразные коммутационные изделия.

• Библиотеки, начинающиеся на FPGA - это компоненты, связанные с ПЛИС (FPGA - field-programmable gate array).

Чтобы вставить резистор выполняем действия:

1. В списке Libraries выберите библиотеку Miscellaneous Devices.

2. Найдите устройство с именем Res1 или Res2

3. Нажмите Ок, чтобы вернуться в окно Place Part.

4. Прочитайте абзац сразу после этого пункта, а потом нажмите Ок.

Размещаем компонент в любом месте документа:

Изменим значение резистора на требуемое. Дважды кликните на надписи 1K, чтобы появилось окошко:

Рис5..

Рис. 6.

Добавляем еще резисторов и проводов. Также при выборе компонентов зайдите в библиотеку Miscellaneous Connectors и выберите разъем типа Header 2.

В результате получим схему.

Э4. . Для того, чтобы комплектом файлов схем, плат, библиотек и моделей было удобнее управлять, в Altium Designer существует понятие проекта. Это просто файл, в котором записана информация обо всех используемых вами файлах и связях между ними. Создадим такой файл.

Откройте ранее созданную схему. Первое, что необходимо сделать, это создать проект. На данный момент в панели слева файл со схемой помечен как свободный документ. В меню выбираем File→New→Project→PCB Project:

Новый проект появился в панели слева. Во-первых, сохраните его, нажав в левой панели на строчке, обозначающей новый проект (PCB_Project1.PrjPCB) правой кнопкой мыши и выбрав в меню пункт Save Project.

Во-вторых, опять же в левой панели, перетащите файл со схемой в этот новый проект. Теперь левая панель должна выглядеть примерно так (рис.7):

Рис. 7.

Приступим непосредственно к проектированию платы. Выберите в меню File→New→PCB. Перед вами появится окно редактирования платы.

Сейчас все компоненты названы как-то вроде P? или R?. Вместо знаков вопроса должны быть проставлены номера, и редактор может сделать это автоматически. Вернитесь в файл схемы и выполните Tools→Annotate Schematics. Появится окошко наименования компонентов схемы (рис.8):

Рис. 8

Нажмите кнопку Update Changes List, потом Ок в появившемся уведомляющем окошке. Теперь в списке справа отображено, какие имена во что превратились. Но это еще не все. Чтобы применить изменения, нажмите кнопку Accept Changes (Create ECO).

Появится окно Engineering Change Order. Дело в том, что при работе с редактором часто приходится делать какие-то изменения в схемах или платах в автоматическом режиме. При этом всегда есть риск, что вместе с нужными изменениями произойдет какое-нибудь ненужное, которое не будет вами замечено, а в итоге все испортит. Чтобы этого избежать, в подобных ситуациях отображается окно Engineering Change Order. Основа окна - список изменений. Сейчас это одна группа - Annotate Components, содержащая 6 записей. В колонке Enabled расставлены галочки, говорящие о том, что все эти изменения следует обработать. После галочек идет имя действия, а потом название вовлеченного в действие объекта. В последней из заполненных колонок написано, какой документ примет изменения.

Нажмите кнопку Validate Changes и проверьте, что появился столбик зеленых галочек. Затем нажмите кнопку Execute Changes, чтобы по-настоящему применить изменения.

Теперь перенесем компоненты из схемы на плату и объединим два файла: файл схемы и файл печатной платы. Выполните действие Design→Update PCB Document. Появится то же самое окно Engineering Change Order, только теперь там гораздо больше записей. Как и в прошлый раз, подтвердите и выполните все. Порядок, в котором они перечислены в окне, имеет значение.

Красный прямоугольник - это вспомогательная область, к которой привязаны все добавленные из схемы компоненты. При перемещении этой области компоненты будут перемещаться вместе с ней. Вспомогательные области можно создавать и удалять.

Если передвинуть курсор в пустую область окна редактирования, появится следующее(рис.9) :

Рис. 9.

Выделите область и придайте ей размер будущей платы. Затем дважды кликните на ней и в появившемся окне поставьте галочку Room Locked. Отныне область не будет нам мешаться при редактировании.

Обратите внимание, что контактные площадки всех компонентов соединены с другими площадками тонкими линиями. Это те самые связи, которые необходимо будет воплотить в контактных дорожках.

Теперь нужно нанести на плату дорожки. Переключаться между слоями можно с помощью кнопок в нижней панели вкладок.

Расмотрим четыре слоя:

• Top Layer - слой для контактных дорожек на верхней, лицевой стороне платы,

• Bottom Layer - слой для дорожек на нижней стороне платы,

• Top Overlay - слой для шелкографии на верхней стороне,

• Bottom Overlay - слой для шелкографии на нижней стороне.

Переключитесь на слой для нижних дорожек (он синий по умолчанию). Теперь можно начинать разводить дорожки. В Altium Designer она выполняется с помощью инструмента интерактивной разводки.

Включите инструмент Intractivity Route Connection. Курсор превратился в крестик, а значит,  можно выбирать одну из контактных площадок, кликать на ней и вести дорожку:

Все контактные площадки затемнены кроме тех, к которым текущую дорожку нужно подвести. Тонкая линия соединяет курсор и ближайшую из площадок. Серым цветом закрашена та часть дорожки, которая будет добавлена при клике левой кнопкой мыши. То есть, создается не вся дорожка сразу, а только один ее сегмент.

Этот инструмент назван интерактивным не просто так. Он работает в полуавтоматическом режиме.

Э5. По полученной таким путем принципиальной электрической схеме ТЭЗ и временным диаграммам определяются параметры устройства:

- габаритные размеры;

- потребляемая мощность Р_п;

- надежность устройства:

Р(10000) = exp(-1-n_ИС)t

где  - интенсивность отказов микросхем выбранного типа. Интенсивность отказов разъема принимается равной (в целях упрощения) интенсивности отказов микросхем с учетом мер, принятых для резервирования контактов.

Основными задачами решаемыми при конструировании являются:

- размещение элементов на плате;

- трассировка платы;

- размещение платы в устройстве и трассировка связей между ними .

Первая задача решается с помощью таблиц связей средствами САПР или "вручную" (традиционными способами). Таблица связей представляет собой квадратную симметричную матрицу, в которой строки и столбцы соответствуют элементам ТЭЗ, а компоненты матрицы, находящиеся на пересечении i-ой строки и j-того столбца, соответствуют числу связей между i-м и j-м элементами .

Обычно первым элементом в матрице являются вилка разъема и размещение начинается с микросхем, имеющих наибольшее количество связей с вилкой разъема.

На каждом шаге размещения из оставшегося множества микросхем выделяется микросхема, имеющая наибольшее число связей с соседними микросхемами, установленными раннее. Такая процедура обеспечивает минимизацию суммарной длины связей.

Вторая задача решается только средствами САПР. Ее решение в настоящем проекте выходит за рамки задания .

Третья задача имеет место, когда устройство реализуется на нескольких платах (3 и более). При этом при размещении платы учитывается число связей между платами, электромагнитная совместимость, обеспечение воздушного охлаждения.

Особенности конструкции, состав принимаемых мер при разработке конструкции определяется в основном условиями эксплуатации, определяемые значениями климатических, механических и радиационных факторов. В зависимости от условий эксплуатации ЭВМ делятся на 7 групп [19]. Воздействующие на ЭВМ факторы, соответствующие заданной группе указаны в (приложении 3). Применяемые меры защиты от воздействий климатических и механических факторов зависят от интенсивности воздействия этих факторов.

Сюда относятся обеспечение теплового режима, защита от влаги, от воздействия агрессивных сред, защита конструкций от вибраций и ударов.

Важное место занимает обеспечение помехоустойчивости при конструировании устройств вычислительной техники. К наиболее эффективным мерам относятся:

- согласование входных и выходных сопротивлений элементов с волновыми сопротивлениями "электрически длинных" линий связи;

- ортогональное расположение линий связи на различных слоях;

- сокращение длины линий связи;

- использование экранных слоев для подвода питания или металлических прокладок в качестве шин питания;

- применение экранов.

Следующая группа мер, применяемых при конструировании, является обеспечение ремонтоспособности: доступность элементов устройства, наличие контрольных точек для подключения измерительной аппаратуры при настройке и контроле, разработка с помощью САПР проверяющего и диагностического тестов.

Соответствие изделия условиям эксплуатации по варианту задания (приложение 1) определяется технологией исполнения печатной платы. [2].

Конструкторская документация оформляется в соответствии с ГОСТ [7-13]. При оформлении проекта можно воспользоваться рекомендациями [25,26].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Микропроцессорный комплект К1810:структура, программирование, применение. Справочная книга/ Ю.М. Казаринов, В.Н. Номоконов, Г.С. Подклетнов, Ф.В. Филиппов/. – М.: Высшая школа, 1990. – 269 с.

2. Проектирование микропроцессорной электронно-вычислительной аппаратуры: Справочник /В.Г.Артюхов, А.А.Будняк, В.Ю, Лапий и др. – К.: Техника, 1988. – 263 с.

3. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник / под ред., В.А. Шахнова – М.: Радио и связь, 1988. – Т1. –368с.; - Т2. –368с

4. Пухальский, Г.И. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах : справочник / Г. И. Пухальский, Т. Я. Новосельцева .— М. : Радио и связь, 1990 .— 304 с. : ил. —ISBN 5-256-00701-7

5. Лебедев О. Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах: Справ. пособие – М.: Радио и связь, 1994. –216с

6.Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П.П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240с.

7. ГОСТ 2.708-89, ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.

8. ГОСТ 2.710-81, ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

9. ГОСТ 2.743-91, ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

18. ГОСТ 34.602.89 Техническое задание на создание автоматизированной системы.

10. ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.

11. ГОСТ 2.755-87 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Устройства коммутационные и соединения контактные.

12. ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.

13. Усатенко С.Т., Каленюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД - М.: Изд-во стандартов ,1989. - 325 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

(обязательное)