2.3 Разработка принципиальной схемы устройства
Принципиальные схемы – используются для представления принципа работы системы. Этот тип схем является основным при разработке системы. Принципиальная схема является наиболее полной электрической схемой изделия, на которой изображают все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.
Преобразование канала заключается в преобразовании двунаправленных шин данных и адреса КДА00-КДА15 с повышенной нагрузочной способностью в двунаправленные шины данных Д00-Д15 с нагрузочной способностью 16 мА и в дешифрации адресов.
Преобразование канала КДА00-КДА15 в канал Д00-Д15 осуществляется двумя группами шинных формирователей BD1 и BD2.
BD1 – Сформирован на микросхемах серии К589АП26 и состоит из микросхем DD4, DD5, DD6, DD7.
BD2 - Сформирован на микросхемах серии К589АП26 и состоит из микросхем DD8, DD9, DD10, DD11.
Шинный формирователь серии К589АП26 представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Шинный формирователь серии К589АП26
Шинный формирователь К589АП26 является параллельным двунаправленным формирователем сигналов для управления шинами в цифровых вычислительных устройствах, и представляет собой 4-х канальный коммутатор, имеющий в каждом канале одну шину для приема информации и одну двунаправленную шину для приема и выдачи информации.
Шинный формирователь обладает низкой нагрузочной способностью на входе – они имеют высокое входное сопротивление. Однако благодаря низкому выходному сопротивлению ему присуща сравнительно высокая нагрузочная способность по выходу.
Резисторы на входах шинных формирователей R2–R17, R18–R33 cо стороны канала микро-ЭВМ и R35–R50, R51-R66 со стороны внутриблочного канала предназначены для согласования шин каналов.
К шинам данных подключен регистр адреса RGA сформированный на двух микросхемах серии К555ТМ7 и состоящий из микросхем DD18, DD19, DD8.2. Триггер DD8.2 предназначен для запоминания сигнала ВУ. Запись в регистр адреса производится по входам «С» от триггера DD8.1 серии К155ТМ2, который устанавливается в логическую «1» по сигналу К СИА и сбрасывается в логический «0» от заднего фронта этого сигнала через формирователь,
построенный на микросхемах DD3.3, С18, D1.
Регистр серии К555ТМ7 представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Регистр серии К555ТМ7
Регистр – устройство, предназначенное для приема, хранения и передачи информации. Регистр серии К555ТМ7 срабатывающий по уровню стробирующего сигнала, является параллельным 4-х канальным регистром, который состоит из двух 2-х разрядных регистров. Когда сигнал на стробирующем входе - единичный, регистр пропускает через себя входные информационные сигналы, а когда стробирующий сигнал равен нулю, регистр переходит в режим хранения последнего из пропущенных значений входных сигналов.
Триггер серии К155ТМ2 представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 - Триггер серии К155ТМ2
Триггер – электронное устройство, с помощью которых можно записывать, хранить и считывать двоичную информацию. Триггер имеет два устойчивых состояния единицу и ноль. Микросхема К155ТМ2 представляет собой D-триггер. Помимо общих для всех триггеров входов установки и сброса S и R, он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход C. Если на входе D единичный сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в единицу (инверсный — в нуль). Если же на входе D нулевой сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в нуль.
В регистр RGA заносятся младшие разряды Д01 - Д04 и старшие разряды Д06 - Д12. Выходы младших разрядов регистра выдаются на блоки устройства
без дешифрации как адреса 002, 004, 010, 020 с наименованием ПА1-ПА4 (подадреса). К выходам старших разрядов RGA подключён дешифратор адресов ДША построенный на микросхеме DD23 серии К155ИД3.
Дешифратор серии К155ИД3 представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Дешифратор серии К155ИД3
Дешифратор – устройство, предназначенное для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду.
Микросхема К155ИД3 представляет собой двоично-десятичный дешифратор на 15 выходов. Выводы 23, 22, 21 20 — информационные. Служат для получения двоичного кода с весом разрядов 1, 2, 4, 8 соответственно. При получении кода, микросхема выставляет логический «0» на соответствующем коду десятичном выходе (выводы 1-17). На всех остальных выходах в это время присутствует «1».
Дешифратор действует при наличии сигнала синхронизация внешнего устройства ВУ по входу W от микро-ЭВМ и стробируется сигналами ВВОД или ВЫВОД по входу ВК. Сигнал ВУ означает наличие адреса 160000. Дешифрированные адреса, суммированные с адресом 160000, поступают на блоки устройства. Каждому блоку соответствует свой адрес. Управляющие сигналы, команды, режимы внутри блоков различаются подадресами. Блоки, на которые от ЭВМ поступают управляющие сигналы в количестве от четырех и менее, используют подадреса без дешифрации. При количестве сигналов более четырех в блоках имеется внутренний дешифратор подадресов.
Адреса и данные от микро-ЭВМ поступают поочерёдно по одним и тем же шинам КДА:
Сначала адреса поступают одновременно с сигналом К-СИА, затем данные поступают одновременно с сигналом ВЫВОД.
Адреса, записанные в регистр RGA, выдаются через дешифратор адресов (ДША) по сигналу ВЫВОД, выдаваемым из микро-ЭВМ для стробирования данных. Таким образом, на блоки устройства адреса и данные выдаются из адаптера одновременно.
На микросхемах DD1.1 – DD1.3, DD3.1 – DD3.3, DD25.1 – DD25.4, DD26.1 – DD26.4 собрана схема запуска. В процессоре ЭВМ выбран режим пуска при включении питания с выходом на ячейку 173000, адрес которой дешифрируется на выходе 13 микросхемы DD23 и через микросхему DD24.6 формируется сигнал СИП в первом цикле. Затем элементами DD25, DD26.1, DD26.2 выделяется команда JMP (код 137) безусловного перехода на ячейку 40000 – начального адреса программного обеспечения, который выделяется микросхемой DD26.3.
В дальнейшем СИП формируется на микросхеме DD17.2, DD24.2 и поступает на канал микро-ЭВМ через микросхемы DD22.6, DD24.4. Ко входу микросхемы DD22.6 через разъём Ш1/28 подходят сигналы СИП всех блоков устройства. На выходах блоков применяются микросхемы с открытым коллектором, нагрузкой для них является резистор R67.
В состав адаптера входит логика прерывания. С микроинтерполятора (МИ), построенного на микросхемах DD16.1, DD16.3, DD16.2, DD17.3, DD24.1 поступает сигнал прерывания (ПР), который обозначает конец отработки очередного шага интерполяции и запрос на расчет и прием следующего. При условии что триггер разрешения прерывания T построенный на микросхеме DD20.2 серии К155ТМ2 установлен в «0», по сигналу ПР происходит установка в «1» триггера требования прерывания T и в процессор поступает сигнал К-ТПР. Процессор заканчивает выполнение текущей команды, после чего выдает сигнал К-ППР, по которому триггер требования прерывания T сбрасывается в «0» и выдаётся вектор прерывания 200 на шину Д07. Разрешение прерывания производится адресом 170702, запрещение прерывания – адресом 170704.
На выходе адаптера используются управляющие сигналы СИП, ВВОД, ВЫВОД, ОЧ СБРОС, СБРОС, выдаваемые через согласующие микросхемы DD24.4, DD2.1, DD2.2, DD2.3, DD2.4, DD17.3.
3 Диагностирование устройства
3.1 Тестовое диагностирование
Техническое диагностирование является одним из важнейших средств обеспечения и поддержания надёжности УЧПУ.
Под техническим диагностированием понимается область знаний, разрабатывающая методы и средства поиска отклонений в режимах работы УЧПУ, обнаружения и устранения дефектов в системе.
Различают функциональное и тестовое диагностирование.
Функциональное диагностирование позволяет определить техническое состояние системы или ее элементов по рабочему воздействию на неё. Рабочее воздействие контролирует исполнение системой заданных функций при заданных параметрах и выявляет причины нарушения её функционирования.
Тестовое диагностирование позволяет проверить техническое состояние системы по тестовому воздействию на неё. По тесту проверяются параметры системы и её элементов и причины их отклонения от заданных значений.
Под тестом понимается совокупность тестовых наборов на которых выполняется данная логическая функция.
Тестовый набор – это некоторая двоичная последовательность, предназначенная для контроля и диагностики дискретных устройств. Дискретное
устройство выполнено в виде отдельной схемы, либо в виде совокупности этих схем.
Под тестовой последовательностью понимается совокупность всех тестов, на которых выполняется данная логическая функция.
Тестовая программа – это программа, составленная специальным образом, позволяющая с определённой вероятностью обнаружить элемент системы, в котором имеется неисправность, либо группу таких элементов.
Для контроля правильности функционирования УЧПУ Маяк-221, кроме пульта контроля и блока индикации, применяется автоматическая диагностика по тестам, входящим в программное обеспечение. Тестовым контролем охватываются блок резьбы, микроинтерполятор, микро-ЭВМ и адаптер.
Для контроля блока резьбы программно производится переключение его в режим «Контроль». Тест производит запись числа β и считывание чисел α, которые сравниваются со значениями занесенными в память микро-ЭВМ.
Для контроля микроинтерполятора в блоке интерфейса пульта оператора имеется счётчик, который производит подсчет импульсов унитарного кода по одной из осей координат, при этом координаты проверяются поочередно.
Правильное функционирование блоков резьбы и микроинтерполятора косвенно свидетельствует о том, что микро-ЭВМ и адаптер тоже функционируют нормально. Тест диагностики контролирует устройство при нажатии клавиши
АВТОМАТ. При правильной отработке теста на блоке индикации горит индикатор ТЕСТ, а при неисправности индикатор ОШИБКА. При этом по коду ошибки под адресом КОД ОСТ можно определить характер неисправности.
Функциональное тестовое диагностирование применяется для проверки параметров работы, поиска неисправности и локализации ошибки в блоках ЧПУ.
Тестово-диагностический комплекс «ТДК ЧПУ» представляет собой комплекс аппаратных и программных средств на базе персонального компьютера.
Обладая всеми свойствами сервисных приборов (надежность, малые габариты, простота обслуживания) комплекс, используя возможности современного компьютера, является гибким и универсальным, что позволяет автоматизировать ремонт и наладку различных типов промышленных электронных устройств.
Тестово-диагностический комплекс «ТДК-ЧПУ» представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 - Тестово-диагностический комплекс «ТДК-ЧПУ»
В состав комплекса «ТДК-ЧПУ» входят:
– Программируемый контроллер:
Число каналов ввода-вывода – 96, 144 и 192;
Уровни сигналов – КМОП, ТТЛ.
– Плата связи с ПЭВМ.
– Зонд логический - одноканальный логический анализатор-генератор.
– Блок питания (+5V,-5V,+12V,-12V) для диагностируемых устройств
– Универсальные и специальные адаптеры для подключения диагностируемых
устройств.
– Эмулятор ППЗУ – для диагностики и наладки микропроцессорных устройств.
– Программатор микросхем.
Диагностический комплекс работает под управлением программного обеспечения, которое позволяет реализовать различные методы диагностики электронных устройств:
– Проверку в статическом режиме;
– Сигнатурный анализ;
– Логический анализ;
– Функциональное тестирование.
Тестируемая электронная плата подключается к диагностирующему комплексу с помощью адаптера подключения, который представляет собой жгут с разъёмами подключаемые к выходному разъёму комплекса, блоку питания и диагностируемой плате.
Диагностика электронных плат в статическом и псевдодинамическом режимах выполняется посредством программы «Тест контактов». Программа позволяет, установив манипулятор «mouse» на определенный контакт разъема тестируемой платы, отображаемый на экране монитора, подать на этот контакт сигналы логического «0» или «1», циклическую последовательность сигналов, считать информацию с выходных контактов платы однократно или циклически.
Используя логический ЗОНД, подачу или контроль сигналов можно осуществлять в любой точке платы.
При использовании сигнатурного анализа тестовая программа многократно прогоняется по кольцу, определяя сигнатуры на выходных разъемах устройства и сравнивая их с эталоном. Если находится несоответствие, дальнейшая локализация происходит с помощью ЗОНДА, путем снятия сигнатур с контрольных точек платы.
Программа «Диагностический тест» – наиболее мощное средство тестирования электронных устройств. Программа позволяет задавать алгоритм тестирования, что дает возможность производить ремонт практически любой цифровой или цифро-аналоговой платы. Алгоритм задается в тестовом файле, для создания которого пользователь заполняет заданный программой шаблон. Тестовый файл включает временные диаграммы сигналов управления, компактные описания многоразрядных, периодических сигналов и повторяющихся фрагментов теста, входных и выходных данных. Возможность использования в одном тестовом файле до пяти тестов, позволяет применить метод логического разделения системы, т.е. осуществить последовательные проверки логических подсистем (узлов) электронных плат.
Программа «ТЕСТ ОЗУ» – осуществляет диагностику различных типов оперативных запоминающих устройств. Модуль ОЗУ проверяется при помощи тестов шины адреса, бегущая строка, бегущая «1» и «0», бегущая диагональ. Для статических ОЗУ с подпиткой имеется возможность сохранить содержимое ОЗУ в файле, записать данные из файла в ОЗУ, проверить ОЗУ на сохранность информации.
Программа «ТЕСТ ПЗУ» – предоставляет полный набор средств для ремонта плат, содержащих микросхемы ПЗУ: сравнение данных ПЗУ с эталоном, поиск неисправной микросхемы памяти, запись содержимого микросхем ПЗУ в файл, просмотр, редактирование данных ППЗУ, формирование из общего массива данных файл для записи в микросхему ППЗУ, программирование микросхем ППЗУ.
Программатор микросхем ППЗУ (PROM и EPROM) – представляет собой адаптер с колодками для установки микросхем ППЗУ. Отличие этого программатора от других состоит в том, что пользователь по приведенной методике может без особого труда самостоятельно изготовить программатор для требуемых микросхем ППЗУ.
Ремонт микропроцессорных устройств (МПУ) является наиболее сложной задачей, которую позволяет решить использование эмулятора ПЗУ и программы «ТЕСТ МПУ». Эмулятор ППЗУ используется для задания процессору тестовой последовательности команд. Объем памяти эмулятора 16 килобайт, разрядность - 16 бит. Эмулятор соединяется с тестируемым устройством через колодки системного ПЗУ. Программа позволяет эффективно обнаруживать неисправности 8 и 16 разрядных МПУ с процессорами типов 8080, 8085, 8086, Z80, Motorola 68xx, 8048и др. Пользователь может формировать собственную диагностическую программу на языке процессора тестируемой платы или использовать стандартные тесты. Для тех процессоров, ассемблер которых не поддерживается, тесты могут создаваться в двоичном коде.
Диагностика с помощью универсальных приборов
3.2.1 Мультиметр – комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе функции амперметра, вольтметра и омметра.
По своему исполнению мультиметры бывают:
– Аналоговые (стрелочные)
– Цифровые
Аналоговые мультиметры состоят из стрелочного микроамперметра (магнитоэлектрического измерительного прибора), набора шунтов, при помощи которых определяется значение силы тока, а также набора специальных добавочных резисторов (для измерения напряжения). Для измерения сопротивления используется встроенный либо внешний источник питания (второй применяется при измерении сопротивлений более 1 МОм). Технические характеристики стрелочных мультиметров в первую очередь определяются чувствительностью микроамперметра.
Цифровой мультиметр подобен аналоговому мультиметру в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на устройство десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых мультиметров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей), который похож на дисплей, используемый в цифровых электронных часах. Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучаюших диодах. В некоторых стендовых больших мультиметрах все еще используются светодиодные индикаторы.
Общий вид мультиметра представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 – Общий вид мультиметрa
Любой мультиметр имеет два вывода, черный и красный, и от двух до четырех гнезд. Черный вывод является общим (масса). Красный называют потенциальным выводом и применяют для измерений. Гнездо для общего вывода помечается как com или просто (-) т.е. минус, а сам вывод для того, чтобы при измерении можно было зацепить его за массу электронной схемы. Красный вывод вставляется в гнездо помеченное символами сопротивления или вольты (V или +), если гнезд больше чем два, то остальные обычно предназначаются для красного вывода при измерениях тока. Помечены как A (ампер), mA (миллиампер), 10A или 20A соответственно.
Принцип работы мультиметра основан на сравнивании входного сигнала с опорным. В основе цифрового мультиметра – АЦП двойного интегрирования. Изменение предела измерений реализуется на резисторных делителях; если в мультиметре есть милливольтовое деление, возможна реализация оборудования на встроенном усилителе с возможностью изменения коэффициента усиления. Напряжение измеряется путем прямого подключения к цепи. Измерение тока основано на падении напряжения на встроенных резисторах (разный резистор для разного предела измерения). Сопротивление измеряется при подаче фиксированного тока на резистор, с которого считывается значение (включение резистора реализовано на обратной связи инвертирующего усилителя).