| Микропроцессорные и цифровые устройства полиграфического оборудования |
|
Страница 4 из 7
Разработка аппаратных средств Процесс разработки аппаратных средств микроконтроллера, как и любого устройства аналоговой или цифровой электроники, принято разделять на этапы, соответствующие определенным видам технической документации – видам схем, которые создаются на данном этапе. Схемой называют конструкторский документ, на котором условными изображениями и обозначениями показывают составные части изделия и связи между ними. На схеме не отображается конструктивный вид элементов (кроме монтажной схемы), их реальное положение в общей конструкции и их внутреннее устройство вне зависимости от его степени сложности. В зависимости от основного назначения схемы делят на типы: структурные, функциональные, электрические принципиальные, схемы соединений, монтажные схемы и т.п. Наиболее полное представление об изделии и его работе дают электрические принципиальные схемы. На различных этапах процесса разработки используются также логические схемы, близкие по принципу формирования к функциональным, и блок-схемы алгоритмов. Электрическая принципиальная схема определяет полный состав элементов на уровне выполняемых ими функций и конкретных типов компонентов, а также все связи между ними. На принципиальных схемах изображают также разъемы, зажимы и другие электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Электрические принципиальные схемы цифровых устройств на базе интегральных элементов, как правило, не содержат линий питания для каждого элемента. Электрические принципиальные схемы являются основным результатом проектирования аппаратных средств и используются для изучения принципа работы электронного устройства, для его наладки, регулировки, контроля и ремонта. Схемы всех видов (кроме монтажных) выполняют без соблюдения масштаба и действительного расположения элементов в конструкции. Основной принцип компоновки элементов, особенно в принципиальной схеме, – это ясность и удобство чтения. На схемах применяют графические условные обозначения, принятые соответствующими стандартами. Линии связи между элементами схемы проводят так, чтобы получилось наименьшее число их пересечений и изломов, используя при этом принципы объединения линий связи в магистрали (см. примеры схем лабораторных работ [1]). На схемах помещают различные технические данные (порядковые буквенно-цифровые обозначения элементов, их тип, номинал и т.д.), располагая их сверху и (или) снизу от графического обозначения элемента или по его периметру, если это обозначение номера вывода корпуса или идентификатор соединительной линии схемы. Порядковые буквенно-цифровые обозначения элементов с краткими их характеристиками заносятся в таблицу перечня элементов (спецификацию), заполняя ее сверху вниз. Спецификацию помещают над основной надписью схемы или на отдельных листах. Наличие спецификации не обязательно, если вся необходимая информация приведена непосредственно в схеме. При конструктивной разработке электронных устройств, кроме схем всех видов, на которых отсутствуют реальные масштабы, создаются чертежи монтажной схемы с реальными габаритами и положением элементов, прохождением соединительных проводников печатной платы и навесного монтажа, способами и местами крепления элементов и самой платы. Основой для создания монтажной схемы является принципиальная электрическая схема и схема соединений (таблица соединений). На этом этапе должны быть учтены сечения проводников в зависимости от протекающих токов, их взаимное положение и влияние. На этом же этапе могут быть добавлены элементы, не предусмотренные электрической принципиальной схемой – конденсаторы развязки по линиям питания, индивидуальные для каждого корпуса интегральных схем или общие для всей платы. Конечным конструктивным документом разработки, по которому может быть создано реальное устройство (опытный образец), является чертеж печатной платы. Ядром разработки любого электронного устройства является разработка электрической принципиальной схемы. Степень сложности принципиальной схемы зависит от выбранной базы интегральных микросхем и поставленной задачи. Как правило, основная часть необходимых аппаратных средств сосредоточена в интегральной схеме однокристального микроконтроллера и не требует разработки, а дополнительные элементы схемы могут выполнять функции электрического или иного согласования портов микроконтроллера с внешними элементами системы (датчиками, исполнительными приводами, средствами управления и контроля и т.д.). В качестве примера на рис.7 приведена принципиальная электрическая схема измерителя температуры на базе однокристального микроконтроллера корпорации Atmel AT89C2051 и датчика температуры с цифровым выходом Dallas DS1821 (показан разъем для подключения датчика). В качестве индикатора применен 4-х разрядный светодиодный дисплей динамического типа YFD-056AO (показан один разряд). В этом устройстве все основные функции: опрос датчика температуры, обработка полученного значения, управление индикатором и т.д. выполняются программным путем, а дополнительные элементы выполняют функцию согласования по мощности (транзисторы) и ограничения тока (резисторы).
Рис. 7 Устройство, показанное на рис.8, разработано на том же микроконтроллере АТ89С2051, что и измеритель температуры, но предназначено для выполнения функций управления освещением в помещении и работает на принципе подсчета числа вошедших и вышедших людей. Светодиодный семисегментный индикатор (один разряд) показывает количество людей, находящихся в помещении в данный момент времени.
Рис. 8 Разработка электронного устройства, в т.ч. аппаратной части электронного устройства на базе микропроцессорного контроллера, содержит как творческие элементы, связанные с выбором базовой серии интегральных схем, созданием аппаратной среды их функционирования, выделением аппаратных функций из общего алгоритма и т.д., так и рутинные (механические) элементы, которые связаны с созданием принципиальной схемы в графическом виде, схемы (таблицы) соединений, разводки (трассировки) печатной платы и т. д. Кроме того, желательна проверка принятых проектных решений до изготовления опытного образца устройства. Эти функции берут на себя системы автоматизированного проектирования электронных устройств САПР электроники. Первые САПР для проектирования электроники появились до персональных компьютеров (до 1970 г.) и базировались на стационарных вычислительных машинах. Наиболее известные и распространенные в настоящее время САПР для электроники OrCAD и P-CAD, первые версии которых появились в 80-х годах, когда вычислительной мощности персональных компьютеров оказалось достаточно для выполнения задач проектирования. Эти программные среды с самого начала, с первых DOS вариантов, включали в себя комплекс средств разработки принципиальных электрических схем, разводки печатных плат и моделирования устройств электроники. Программные среды OrCAD и P-CAD многократно меняли владельцев, сохраняясь как известные торговые марки и по мере совершенствования развиваясь в крупные системы проектирования и моделирования. Наибольшее число владельцев сменила система P-CAD, ориентированная с самого начала на проектирование печатных плат. Первоначально ее версия для DOS была разработана в 80-х годах компанией Personal CAD System, принадлежавшей корпорации IBM, затем права на нее были последовательно переданы компаниям CADAM, Altium, ACCEL Technology (создавшей в 1996 г. версию системы для Windows под названием ACCEL EDA) и Protel International, которая в 2000 г. вернула системе первоначальное название P-CAD. Отечественные версии САПР на основе OrCAD под DOS имели не лицензионный характер с частичной русификацией. При полной русификации программ САПР необходимо не только сменить язык, но и стандарты оформления технической документации, графические стандарты на элементы и библиотеки элементов. Такой уровень русификации возможен только при лицензионном доступе к исходным текстам программ, входящих в пакет САПР. В последние годы начато создание для OrCAD и P-CAD баз данных и программ выпуска документации согласно ЕСКД. Наряду с рассмотренными выше программными средами проектирования, стоимость которых достаточно высока, существуют программы САПР меньшего масштаба, с ограниченными возможностями, но относящиеся к категории свободно распространяемого программного продукта (GPL – General Public License). Среди таких программных продуктов может быть рекомендована для использования в курсовом проектировании система QCAD, включающая в себя средства для создания:
Работа над проектов в среде QCAD начинается с его открытия и образования отдельной папки, в которой будут располагаться все материалы по проекту. Структура пакета QCAD состоит и отдельных редакторов для работы над отдельными категориями задач проектирования: SchEdit – схемный редактор, в котором создается электрическая принципиальная схема как главный документ проектирования и список соединений элементов (netlist), на основе которого будет выполнена трассировка печатной платы. На рис. 9 показан пример схемы, подготовленной в редакторе SchEdit.
Рис. 9 На выделенных участках чертежа (См. рис.9) требуется дополнительная настройка редактора или доработка схемы после окончания работы в редакторе. Графические обозначения логических функций, в данном случае штрих Шеффера, приведены к виду, установленному ЕСКД, с помощью редакторов PartEdit и PackEdit путем добавления элементов с соответствующими корпусами в библиотеку элементов, например, в библиотеку TTL. В редакторе PartEdit также создается (изменяется существующее) изображение углового штампа в соответствие с ЕСКД и помещается в одну из существующих библиотек, например, библиотеку символов, или в новую, созданную для стандарта ЕСКД. Надписи в угловом штампе и все пояснительные надписи в схеме должны быть на русском языке. Аббревиатуры, названия элементов иностранного производства (для единообразия и отечественного тоже), символьные обозначения и обозначения функций могут быть англоязычными. PartEdit - редактор элементов, с помощью которого производится выбор элементов из библиотек или создание новых элементов и их сохранение в соответствующих библиотеках. Графические изображения элементов формируются в векторной форме по их описанию в виде команд программы описания, использующей ASCII кодировку. При работе с элементами могут быть подключены библиотеки среды проектирования OrCAD, а также созданы новые библиотеки. PackEdit – редактор корпусов элементов, с помощью которого каждому элементу приводится в соответствие корпус с его габаритами, креплением и разводкой контактов по выводам элемента. В лабораторном курсе изучается работа интегральных схем, представленных, в основном, корпусами типа DIP (Dual In Line package – корпус с двухрядным расположением выводов). При курсовом проектировании можно также ограничиться этим типом корпуса. PcbEdit – редактор, с помощью которого определяются места для элементов схемы на печатной плате, устанавливаются габаритные размеры платы, число слоев, для которых будет выполнена разводка, выделяются те линии соединения, для которых устанавливаются особые условия, например, линии питания с увеличенной площадью печатных проводников. Редактор может выполнить расстановку элементов и выбор габаритов платы в автоматическом или ручном режиме.
Рис. 10
AutoRout – редактор, с помощью которого выполняется автоматическая трассировка проводников печатной платы на основе таблицы соединений (netlist), полученной в редакторе SchEdit и расположения элементов, полученного в редакторе PcbEdit. После выполнения необходимых связей редактор AutoRout переходит в итерационный режим (последовательное приближение с возвратом и перебором всех возможных комбинаций), типичный для всех программ трассировки. В этом режиме редактор AutoRout может находиться сколь угодно долго и, в принципе, по мере выполнения итерационных циклов, результат первоначальной трассировки улучшается исходя из заложенных в редактор критериев оптимизации:
При достаточно большом количестве нулевых итераций, не приводящих к изменениям параметров трассировки, процесс может быть остановлен и последний вариант трассировки принят как окончательный. Возможен вариант, когда редактор трассировки AutoRout не сможет установить все связи, перечисленные в списке соединения элементов. Вероятность такого исхода особенно высока при однослойном монтаже и малых габаритах платы. В этом случае возможны несколько сценариев:
На рис.11 и рис.12 показан в виде эскизов вид двухсторонней печатной платы по схеме, приведенной на рис.9.
Рис. 11
Рис. 12 PcbPrint – редактор для вывода подготовленных документов (чертежей) на принтер, графопостроитель или в файл.
|
