Мезонинный адаптер USB 2.0

bmCBWFlags:

Биты этого поля обозначаются так:

Таблица 1.11.

Биты поля bmCBWFlags

бит 7	Направление (Direction) - устройство проигнорирует этот бит, если в поле dCBWDataTransferLength стоит ноль, иначе: 0 = Data-Out от хоста к устройству, 1 = Data-In от устройства к хосту.
бит 6	Устаревший (вышедший из употребления, obsolete). Хост должен выставить в этом бите ноль.
биты 5…0	Зарезервировано. Хост должен выставить в этих битах ноль.

bCBWLUN:

Устройство Logical Unit Number (LUN), к которому был послан блок управления. Для устройств, которые поддерживают составной (multiple) LUN, хост должен поместить в это поле LUN, к которому адресуется этот блок управления. Иначе, хост должен выставить в этом поле ноль.

bCBWCBLength:

Действительная длина CBWCB в байтах. Это определяет действительную длину блока управления. Единственные «законные» (legal) значения - от 1 до 16 (01h - 10h). Все остальные значения зарезервированы.

CBWCB:

Устройство вызывает работу блока управления. Устройство должно интерпретировать первые байты bCBWCBLength как блок управления (как определено командной установкой, идентифицированной полем bInterface SubClass). Если командная установка, выставленная с поддержкой устройства, использует блоки управления длиной меньше чем 16 (10h) байт, значимые байты будут переданы первыми, начиная с байта с начальным номером 15(Fh). Устройство проигнорирует содержимое поля CBWCB после байта с номером (15 + bCBWCBLength - 1). Это поле хранит блок команд, которые будут выполнены функцией. В это поле вводится команда, которую хост задает функции, чтобы та её выполнила (в нашем случае используются команды SCSI).

2.4.2 Пересылка состояния (Status Transport)

Пересылка состояния используется для передачи результатов выполнения команд от функции к хосту, используя пересылку Bulk-In.

Пакет состояний определяется Command Status Wrapper (CSW) (табл.1.12). Bulk-Only Transport должен всегда заканчиваться CSW.

Таблица 1.12

Command Status Wrapper (CSW пакет)

Byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0-3	dCSWSignature
4-7	dCSWTag
8-11 (8-Bh)	dCSWDataResidue
12 (Ch)	bCSWStatus

CSW посылается хосту в 13-ти байтном пакете, используя пересылку Bulk-in.

Все передачи CSW должны быть упорядочены с наименьшего значащего байта (байт 0) и храниться по принципу little endian.

dCSWSignature:

Сигнатура (подпись), которая позволяет идентифицировать пакет данных как CSW. В данном поле должно содержатся значение 53425355h (little endian), обозначающее CSW.

dCSWTag:

Устройство должно выставить в этом поле значение, полученное в поле dCBWTag от соответствующего CBW.

dCSWDataResidue:

Для Data-Out устройство должно сообщить в этом поле разницу между количеством данных ожидаемых, как указано в поле dCBWDataTransferLength, и действительным количеством данных, обработанных (обрабатываемых) устройством. Для Data-In устройство должно сообщить в поле dCSWDataResidue разницу между количеством данных ожидаемых, как указано в поле dCBWDataTransferLength, и действительным количеством соответствующих данных, посылаемых хостом. Поле dCSWDataResidue не должно превосходить значение посылаемое в поле dCBWDataTransferLength.

bCSWStatus:

Здесь отображается, насколько удачно была выполнена команда. Устройство должно выставить этот байт в ноль, если команда завершена успешно. Ненулевое значение покажет, что была совершена ошибка, в соответствии с таблицей 1.13.

Таблица 1.13

Значения Command Block Status

Значение	Описание
00h	Команда выполнена успешно
01h	Команда выполнена неудачно
02h	Phase Error
03h и 04h	Зарезервировано (Obsolete)
05h до FFh	Зарезервировано

2.4.3 Передача данных (Data Transport)

Передача данных используется для пересылки данных между хостом и функцией. Например, с помощью команды Чтение/Запись (Read/Write) действительные данные посылаются с использованием передачи данных.

Передача данных состоит из множества транзакций шин (bus transaction).

Передача данных выполняется с помощью либо bulk-out передачи, либо bulk-in. В поле bmCBWFlags (CBW) значится, какой тип используется.

2.4.4 Режимы передач данных

Хост отображает ожидаемую передачу в CBW, используя бит Направления (Direction bit) и поле dCBWDataTransferLength. Устройство затем определяет действительное направление и длину передаваемых данных. Устройство реагирует (отвечает) передачей данных, и возвращает соответствующий (подходящий) CSW.

Передача управления (команды) (Command Transport).Хост должен отправлять каждый CBW , который содержит блок управления, к устройству посредством конечной точки Bulk-Out. CBW начинается с границы пакета и заканчивается передачей 31 байта.

Устройство должно отобразить успешную передачу CBW отсылая ACK. Если хост обнаруживает STALL в конечной точке Bulk-Out во время передачи управления (during command transport), то он должен отреагировать Reset Recovery.

Передача данных. Хост должен попытаться передать точное количество байт к или от хоста в зависимости от того, как определено в dCBWDataTransferLength и в бите Direction. Для того, чтобы сообщить об ошибке до того, как передача данных будет завершена и для того, чтобы увеличить сохранность данных, устройство может закончить команду путем задания STALL в той конечной точке, которая используется (конечная точка Bulk-In во время data in, конечная точка Bulk-Out во время data out).

Передача статуса. Устройство должно пересылать каждый CSW хосту через конечную точку Bulk-In. CSW показывает хосту степень выполнения команды, заданной соответствующей CBW.

3. SCSI команды в пакете CBW

При передаче CBW пакетов в качестве команд используются SCSI команды. Основные SCSI команды представлены в таблице 1.14.

Таблица 1.14

Основные SCSI команды

Команда	Код	Назначение
Inquiry	12h	Опрос типа устройства, уровня стандарта, идентификатора производителя, модели и т. п.
Read Capacity	25h	Определение емкости логического устройства
Read (6)	08h	Чтение данных с 6-байтным блоком дескриптора
Read (10)	10h	Чтение данных с 10-байтным блоком дескриптора
Request Sense	03h	Опрос уточненного состояния
Mode Sence (6)	1Ah	Считывание параметров носителя с 6-байтным блоком дескриптора
Mode Sence (10)	5Ah	Считывание параметров носителя с 10-байтным блоком дескриптора
Write	OAh	Запись блоков данных, переданных ИУ

SCSI команды могут быть 6-ти байтными, 10-ти байтными и 12-ти байтными. Форматы команд представлены в табл. 1.15-1.17.

Таблица 1.15

Формат 6-ти байтной команды

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	Код операции
1	Номер логич. устройства	(MSB)
2	Логический адрес блока (если требуется) (LSB)
3
4	Длина блока данных или параметров (если требуется)
5	Управляющий байт

Таблица 1.16

Формат 10-ти байтной команды

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	Код операции
1	Номер логич. устройства	Зарезервировано
2	(MSB) Логический адрес блока (если требуется) (LSB)
3
4
5
6	Зарезервировано
7	(MSB) Длина блока данных или параметров (если требуется) (LSB)
8
9	Управляющий байт

Таблица 1.17

Формат 12-ти байтной команды

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	Код операции
1	Номер логич. устройства	Зарезервировано
2	(MSB) Логический адрес блока (если требуется) (LSB)
3
4
5
6	(MSB) Длина блока данных или параметров (если требуется) (LSB)
7
8
9
10	Зарезервировано
11	Управляющий байт

Как видно из таблиц, блок дескриптора команды может содержать следующие поля:

код операции - обязательное поле, определяющее тип выполняемой команды операции и размер блока дескриптора команды;

логический адрес блока - необязательное поле, которое (при необходимости) содержит код подфункции, выполняемой в рамках операции, определяемой кодом команды;

логический адрес блока - необязательное поле, определяющее (при необходимости) адрес блока данных на устройстве. В 6-ти байтовых командах используется укороченный 21-разрядный адрес, в командах остальных типов используются 32-разрядные адреса;

длина блока данных или параметров - необязательное поле, которое (при необходимости) может определять количество передаваемых данных (Transfer Length), содержать размер списка параметров (Parameter Length) или задавать размер области, резервируемой для данных на устройстве (Allocation Length);

управляющий байт - обязательное поле, которое используется для объединения команд в цепочки (последовательности).

Структура кода операции показана на рис. 1.9.

7	6	5	4	3	2	1	0
Код группы	Код команды

Рис.1.9. Структура байта кода операции.

Разряды байта кода операции распределены следующим образом:

биты 0-4 - код команды в группе команд;

биты 5-7 - код группы команд (табл. 1.18)

Таблица 1.18

Расшифровка значения кода группы команд

Код группы	Значение кода
0	6-байтовая команда
1	10-байтовая команда
2	10-байтовая команда
3	Зарезервирован
4	16-байтовая команда
5	12-байтовая команда
6	Определяется изготовителем устройства
7	Определяется изготовителем устройства

7	6	5	4	3	2	1	0
Определяется изготовителем	Зарезервировано	NACA	FLAG	LINK

Рис.1.10. Структура управляющего байта.

Управляющий байт содержит следующие поля:

бит 0 (LINK) - признак объединения команд в цепочку;

бит 1 (FLAG) - устаревшее поле (должно содержать значение 0);

бит 2 (NACA) - способ реакции на возникновение ошибки (0 - стандартная реакция, 1 - усовершенствованная реакция);

биты 3-5 - зарезервированы (содержат нули);

биты 6-7 имеют значение, определяемое изготовителем устройства (обычно они не используются и содержат нули).

В ответ на SCSI команду устройство должно отослать ответ, установленного формата. Для каждого вида запросов ответы разного формата.

Рассмотрим некоторые чаще встречающиеся SCSI команды.

3.1 Команда INQUIRY (12h)

Таблица 1.19

Команда INQUIRY (12h)

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	Код операции (12h)
1	Зарезервировано	CMDDT [2]	EVPD [1]
2	Номер страницы или код операции [3]
3	Зарезервировано
4	Размер выделенной области [4]
5	Управляющий байт [5]

поле Код операции содержит значение 12h;

бит EVPD (Enable Vital Product Data) является признаком того, что устройство должно выдать справку о своем «происхождении» (тип справки определяется кодовым номером, занесенным в поле Номер страницы или Код операции);

бит CMDDT (command Support Data) является признаком того, что устройство должно выдать справку о команде, код которой указан в поле Номер страницы или код операции.

поле Номер страницы или код операции уточняет тип выдаваемой справки и имеет значение только в том случае, если имеют значение 1 бит EVPD или бит CMDDT;

поле Размер выделенной области задает максимальный объем данных, который устройство может передать инициатору по команде INQUIRY.

Inquiry данные должны быть возвращены, даже если устройство не готово к другим командам.

Inquiry Data

Таблица 1.20

Формат стандартной справки, выдаваемой по команде INQUIRY

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	Квалификатор	Тип периферийного устройства
1	RMB	Зарезервировано
2	Версия ISO	Версия ECMA	Версия ANSI
3	Версия транспортного протокола ATAPI	Формат выдаваемых данных
4	Длина области дополнительных данных
5	SCCS	Зарезервировано
6	Зарезервировано
7	Зарезервировано
8…15	Идентификатор изготовителя
16…31	Идентификатор изделия
32…35	Версия изделия
36…43	Определяется изготовителем
44…55	Определяется изготовителем
56…95	(MSB) Зарезервировано (LSB)
96…n	(MSB) Параметры, определяемые изготовителем (LSB)

· Квалификатор, тип периферийного устройства - эти поля идентифицируют устройство, в настоящее время подключенное к логическому устройству (Тип периферийного устройства содержит код типа устройства, Квалификатор для ATAPI устройств считается зарезервированным, т.е. не используется);

· RMB - выставленная 1 означает, что устройство съемное. 0 - не съемное;

· Версия ANSI - содержит код версии стандарта ANSI, которому соответствует устройство (для ATAPI -устройств поле содержит значение 0);

· Версия ECMA содержит код версии стандарта ECMA, которому соответствует устройство (для ATAPI-устройств поле содержит значение 0);

· Версия ISO содержит код версии стандарта ISO, которому соответствует устройство (для ATAPI-устройств поле содержит значение 0);

· Формат выдаваемых данных определяет структуру последующих данных и должен содержать код 02h;

· Версия транспортного протокола ATAPI содержит текущий номер версии транспортного протокола;

· Длина области дополнительных данных содержит размер следующей за ним области данных в байтах, то есть значение (n-4);

· Идентификатор изготовителя содержит 8 символов в коде ASCII, идентифицирующих изготовителя изделия;

· Идентификатор изделия содержит 16 символов в коде ASCII, идентифицирующих изделие;

· Версия изделия содержит 4 символа в коде ASCII, идентифицирующих версию изделия.

3.2 Команда READ (10)

Выполняемая операция: производится считывание заданного количества данных из заданной области носителя.

Таблица 1.21

Формат блока дескриптора команды READ

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	28h
1	Номер логич. устройства	DPO	FUA	Зарезервировано	RELADR
2	(MSB) Логический адрес блока (если требуется) (LSB)
3
4
5
6	Зарезервировано
7	(MSB) Длина блока данных или параметров (если требуется) (LSB)
8
9	Управляющий байт

· Код операции содержит значение 28h;

· бит RELADR не используется и должен быть сброшен в 0;

· бит FUA (Force Unit Access) служит для включения механизма дополнительного контроля содержимого кэш-памяти (0 - дополнительный контроль не используется; 1- контроль включен);

· бит DPO не используется и должен быть сброшен в 0;

· поле Логический адрес блока задает LBA-адрес первого считываемого блока;

· поле Число передаваемых блоков содержит размер считываемой области данных в блоках.

3.3 Команда READ CAPACITY

Выполняемая операция: устройство определяет емкость установленного носителя и сообщает полученное значение инициатору.

Таблица 1.22

Формат блока дескриптора команды READ CAPACITY

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	25h
1	Зарезервировано	Зарезервировано	RELADR
2	(MSB) Логический адрес блока (если требуется) (LSB)
3
4
5
6	Зарезервировано
7	Зарезервировано
8	Зарезервировано	PMI
9	Управляющий байт

· поле Код операции содержит значение 25h;

· бит RELADR не используется и должен быть сброшен в 0;

· поле Логический адрес блока не используется и должно содержать значение 0;

· бит PMI не используется и должен быть сброшен в 0.

После выполнения команды устройство выдает пакет данных размером 8 байт, формат которого показан в таблице 1.23. Поля выходного пакета имеют следующее назначение:

· Логический адрес последнего блока содержит LBA-адрес последнего сектора последней завершенной сессии;

· Размер блока в байтах содержит размер блока данных в байтах, который всегда (независимо от типа носителя и формата секторов) равен 2048.

Таблица 1.23

Формат выходного пакета данных команды READ CAPACITY

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	(MSB) Логический адрес последнего блока (LSB)
1
2
3
4	(MSB) Размер блока в байтах (LSB)
5
6
7

3.4 Команда REQUEST SENSE

Выполняемая операция: устройство выдает инициатору индикатор события.

Таблица 1.24

Формат блока дескриптора команды REQUEST SENSE

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	03h
1	Зарезервировано
2	Зарезервировано
3	Зарезервировано
4	Размер выделенной области
5	Управляющий байт

Поля дескриптора используются следующим образом:

· Код операции содержит значение 03h;

· Размер выделенной области задает максимальный объем данных, который устройство может передать инициатору по команде REQUEST SENSE.

Таблица 1.25

Структура блока данных о событии

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	Достоверно	Код ответа
1	Номер сегмента
2	Зарезервировано	ILI	Зарез.	Ключ индикатора
3	(MSB) Информация (LSB)
4
5
6
7	Длина дополнительных данных
8	(MSB) Информация, зависящая от команды (LSB)
9
10
11
12	Код дополнительного индикатора (ASC)
13	Квалификатор кода дополнительного индикатора (ASCQ)
14	Специфический код механизма устройства
15	SCSV	Информация, зависящая от ключа индикатора
16	Информация, зависящая от ключа индикатора
17
18…n	Дополнительные байты индикатора

· Код ответа содержит код типа ошибки (70h - текущая ошибка, 71h - отложенная ошибка, 7Fh - определяемое изготовителем событие);

· бит Достоверно является признаком того, что структура блока данных о событии соответствует современным стандартам (0 - блок данных имеет устаревшую структуру, 1 - структура блока соответствует спецификации SPC-2);

· поле Номер Сегмента для устройств с интерфейсом ATAPI считается зарезервированным (должно содержать 0);

· поле Ключ индикатора содержит код класса события;

· бит ILI (Incorrect Length Indicator) является признаком того, что запрашиваемая длина логического блока не соответствует размеру логического блока на носителе информации;

· поле Длина дополнительных данных содержит размер всей последующей части блока данных в байтах (n-7);

· содержимое поля Информация, зависящая от команды определяется типом команды, которая вызвала выдачу сообщения;

· поля Код дополнительного индикатора и Квалификатор кода дополнительного индикатора уточняют вид события;

· поле Специфический код механизма устройства содержит код, значение которого определяется изготовителем устройства;

· бит SKSV содержит признак достоверности информации в поле Информация, зависящая от ключа индикатора (0 - информация отсутствует, 1 - информация достоверна);

· содержимое поля Информация, зависящая от ключа индикатора определяется значением поля Ключ индикатора;

· поле Дополнительные байты индикатора содержит специфические данные, зависящие от типа команды, которая вызвала выдачу сообщения, и от типа устройства.

3.5 Команда MODE SENSE

Выполняемая операция: устройство передает инициатору заданную страницу параметров режима.

Таблица 1.26

Формат блока дескриптора команды MODE SENSE

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	5Ah
1	Зарезервировано	DBD	Зарезервировано
2	PC	Код страницы
3	Зарезервировано
4	Зарезервировано
5	Зарезервировано
6	Зарезервировано
7	(MSB) Размер выделенной области (LSB)
8
9	Управляющий байт

· поле Код операции содержит значение 5Ah;

· бит DBD (Disable Block Descriptor) служит признаком запрета передачи дескрипторов блоков в процессе выдачи данных (0 - передача дескрипторов разрешена, 1 - передача дескрипторов запрещена);

· поле Код страницы содержит кодовый номер страницы параметров режима;

· поле PC уточняет, какие именно значения параметров устройство должно передать в страницах режимов (0 - текущие значения; 1 - изменяемые значения; 2 - значения, принятые по умолчанию; 3 - сохраненные значения);

· поле Размер выделенной области задает максимальный объем данных, который устройство может передать инициатору по команде MODE SENSE.

3.6 Команда WRITE (10)

Выполняемая операция: на носитель записывается передаваемая инициатором последовательность блоков данных.

Таблица 1.27

Формат блока дескриптора команды WRITE (10)

byte|bit	7	6	5	4	3	2	1	0
0	2Ah
1	Зарезервировано	DPO	FUA	Зарезервировано	RELADR
2	(MSB) Логический адрес блока (LSB)
3
4
5
6	Зарезервировано
7	(MSB) Число передаваемых блоков (LSB)
8
9	Управляющий байт

· Поле RELADR не используется и должен быть сброшен в 0;

· бит FUA служит для включения механизма дополнительного контроля содержимого кэш-памяти (0 - дополнительный контроль не используется, 1 - контроль включен);

· бит DPO не используется и должен быть сброшен в 0;

· поле Логический адрес блока задает LBA-адрес первого записываемого блока;

· поле Число передаваемых блоков содержит размер записываемой области данных в блоках.

4. Обоснование выбора элементной базы

4.1 Описание структурной схемы

Структурная схема устройства представлена на рисунке 1.11

Рисунок 1.11. Структурная схема устройства.

Устройство предназначено для реализации передачи данных через USB интерфейс. Оно является связующим звеном между другими специализированными устройствами (накопителем данных и вычислителем).

Устройство функционально состоит из: управляющего элемента, вторичного источника питания, контроллеров USB и ATA, генератора тактовой частоты.

Управляющий элемент служит для настройки и управления контроллеров интерфейсов. Вторичный источник питания необходим для преобразования напряжения +5 В, поступающего от USB шины, в номиналы, необходимые элементам устройства. Генератор тактовой частоты вырабатывает частоты, необходимые для нормальной работы управляющего элемента.

4.2 Выбор элементной базы

4.2.1 Выбор микроконтроллера

В настоящее время создано достаточно много различных микроконтроллеров, но с учетом высоких технических требований (функционирование USB в режиме HS, работа с различными интерфейсами и жесткие условия эксплуатации) вариантов остается не так много. Это видно из таблицы, в которой представлены контроллеры ведущих фирм:

Название	Режим работы	Ядро	Корпус	T, єС
ISP1583, Philips	FS/HS	-	QFN	-40…+85
LPC2880, Philips	FS/HS	ARM7	BGA	-40…+85
CY7C68001, Cypress	FS/HS	-	SSOP, QFN	0…+70
CY7C68013A, Cypress	FS/HS	8051	SSOP, TQFP, QFN, BGA	-40…+85
CY7C68321C, Cypress	FS/HS	8051	QFN	0…+70
TUSB6250, Texas Instruments	LS/FS/HS	8051	TQFP	0…+70

Основными критериями при выборе микроконтроллера являются температурный рабочий диапазон и технологичность при реализации проекта. С учетом требований к рабочим температурам реализация проекта возможна на трех микроконтроллерах.

Первый микроконтроллер ISP1583 имеет низкую цену, но не обладает встроенным процессорным ядром, реализация которого уменьшает технологичность изделия и увеличивает срок разработки. Однако в нем уже реализована поддержка интерфейса ATA.

Второй микроконтроллер LPC2880 хотя и обладает привлекательной ценой, но представлен на рынке только в BGA-корпусе, который требует многослойной разводки проводников на печатной плате и более трудоемкой технологии монтажа.

Третий микроконтроллер CY7C68013A имеет встроенное процессорное ядро архитектуры 8051 и представлен на рынке в различных исполнениях, начиная от QFN-56 и заканчивая TQFP-128. Более подробное изучение материалов, представленных на сайте производителя, выявило наличие большого количества примеров программного кода, в том числе и для реализации ATA.

Таким образом, выбор был сделан в пользу микроконтроллера фирмы Cypress. Этот микроконтроллер входит в семейство микроконтроллеров EZ-USB FX2(LP). Его функциональная схема представлена на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12. Функциональная схема EZ-USB FX2(LP)

Микроконтроллер CY7C68013A удовлетворяет всем нашим требованиям, и, обладая программируемым процессорным ядром, позволяет контролировать обмен данными. Особенности его архитектуры:

§ Встроенное процессорное ядро 8051:

o Рабочие частоты 12, 24, 48 МГц (x20 PLL);

o 4 такта за машинный цикл;

o 2 канала USART;

o 3 счетчика/таймера;

o Расширенная система прерываний;

o Два указателя данных;

§ ПО: процессорное ядро MCS-51 загружает код из:

o 16 Кб ОЗУ, заполняемой из USB шины или из EEPROM;

o Внешнего устройства памяти (только для 128-контактного корпуса);

§ FIFO-память (4 Кб);

§ 7 оконечных устройств;

§ от 24 до 40 портов I/O;

§ Конфигурируемая 8 или 16- разрядная шина данных;

§ канал I2C (работает на 100, либо 400 КГц);

§ Встроенный последовательный интерфейс Engine (SIE) для выполнения элементарных USB-функций;

§ Встроенный USB 2.0 трансивер;

§ Совместимость с USB1.1;

§ Интегрированный универсальный программируемый интерфейс GPIF ("General Programmable Interface" ), позволяющий без соединительной логики подключаться к ASIC и DSP, поддерживать различные стандарты (ATA, UTOPIA, EPP и PCMCIA);

§ Прерывания от FIFO и GPIF;

§ Напряжение питания 3.3В, устойчив к напряжению 5В;

§ Низкое энергопотребление - не более 85 мА в любом случае, 300 мкА в режиме ожидания;

§ Корпуса: SSOP-56, TQFP-100, TQFP-128.

4.2.2 Выбор генератора тактовых импульсов

В качестве генератора тактовых импульсов был выбран резонатор РК_432 24.00М09, работающий на частоте 24 МГц, необходимой для работы микроконтроллера CY7C68013A. Он обладает высокой точностью и способен работать в промышленном диапазоне температур, то есть от -40єС до +85єС.

4.2.3 Выбор понижающего контроллера

Главное требование при выборе данного контроллера - функция преобразования напряжения 5В в напряжение 3.3В. В дополнение к этому микросхема преобразователя напряжения должна работать по крайней мере в заданном в ТЗ диапазоне температур и иметь малый ток потребления. Микросхема LP2985AIM5-3.3 полностью удовлетворяет этим требованиям: преобразует напряжение 5В в напряжение 3.3В, работает в промышленном диапазоне температур (-40єС ч +85єС), имеет рабочий ток потребления 30мкА. Рассмотрим ее подробнее:

§ слабый шум: 30мкВ;

§ выходной ток: до 150мА (350мА при пиковой нагрузке);

§ низкий ток потребления: 850мкА при максимальной нагрузке;

§ широкий диапазон входных напряжений: от 2.5В до 16В;

§ фиксированное выходное напряжение: 3.3В;

§ максимальное отклонение выходного напряжения: 3,5%;

§ нет обратного тока;

§ защита от перегрузки тока (срабатывание при 400мА);

§ корпуса SOT-23 (M5), SMD.

4.2.4 Выбор микросхемы памяти

Мы выбрали микроконтроллер интерфейса USB CY7C68013A, который поддерживает последовательный интерфейс I2C. Поэтому и микросхема памяти должна работать с этим интерфейсом. Фирма MicroChip предоставляет наибольший выбор EEPROM с поддержкой интерфейса I2C. Выбор был сделан в пользу 24LC65-I/SM, которая отвечает всем нашим требованиям:

§ работа при питании - от 1.8В до 6В;

§ потребление тока:

o пиковое при записи - 3 мА при 6В;

o пиковое при чтении - 150 мкА при 6В;

o в режиме ожидания - от 3мкА при 1.8В до 10мкА при 6В;

§ 2-х проводный последовательный интерфейс, совместимый с I2C;

§ Входные триггеры Шмитта, для подавления шумов;

§ Совместимость с 100 кГц (от 1.8В до 4.4В) и 400 кГц (от 4.5В до 5В);

§ Буфер страничной записи 8 байт;

§ Самосинхронизирующийся цикл записи/авто-стирания;

§ 2мс - типичное время цикла записи при страничной записи;

§ Аппаратная защита внутренней памяти;

§ Защита от статики > 4 000 В;

§ 1 000 000 гарантированных циклов записи/стирания;

§ Хранение данных > 200 лет;

§ Температурные диапазоны:

o коммерческий: 0єС ... +70єС

o промышленный: -40єС ... +85єС

§ Корпуса: DIP-8, SOIC-8, SOIC-14.

4.2.5 Выбор монитора питания

Монитор питания необходим для правильной работы микроконтроллера CY7C68013A. Контроллер должен выдерживать паузу не менее 150мс при подаче питания и работать в промышленном диапазоне температур. На рынке существует множество различных мониторов питания, обладающих схожими ценами и параметрами. Был выбран контроллер ADM1818 фирмы Analog Devices:

§ Диапазон входных напряжений 1.2В - 5.5В;

§ Минимальный порог срабатывания 2.12В;

§ Пауза при сбросе 150мс;

§ Защита от статики 4000В;

§ Корпуса: SOT-23 (M3), SC70.

5. Описание схемы электрической принципиальной

На основе выбранного микроконтроллера была разработана схема электрическая принципиальная. Она приведена в приложении.

Функции управления и преомо-передачи информации по интерфейсам USB и ATA возлагаются на микроконтроллер DD1 - CY7C68013A.

С разъема XP1 на устройство поступают: земля, питание, линии данных D+ и D-. Сигнальные линии с разъема XP2 соединены с программируемым интерфейсом микроконтроллера USB. Схема разъема и габариты стандартизированы в соответствии с требованиями к стандарту АТА. При разработке схемы было решено предусмотреть возможность подключения к USB через UART, который встроен в выбранную версию микроконтроллера от Cypress. Сигнальные линии UART, а также питание и земля выведены на разъем XS3.

BQ1 - резонатор кварцевый РК_432 24.00М09 на 24 МГц. Работа микросхемы CY7C68013A осуществляется при частоте 24 МГц. Внутри микроконтроллера находится блок ФАПЧ и делитель частоты, с помощью которых генерируются частоты, необходимые для высокоскоростного режима работы приемо-передатчика USB и программируемого интерфейса, реализующего АТА.

DD2 - микросхема питания LP2985AIM5-3V3 является понижающим контроллером. Схема подключения данной микросхемы взята из описания на нее.

DD3 - микросхема энергонезависимой памяти 24LC65-I/SM. Подключается к микросхеме DD1 через последовательный интерфейс I2C, служит для хранения кода программы микросхемы DD1.

DD4 - монитор напряжения питания ADM1818, необходим для стабильной генерации сигнала сброса в соответствии с требованиями микросхемы DD1. Выход микросхемы подается на ножку сброса микросхемы DD1.

6. Описание сборочного чертежа

Cборочный чертеж и спецификацию смотреть в приложениях.

На верхней стороне платы расположено большинство компонентов. Здесь присутствуют чип-компоненты (конденсаторы и резисторы), микросхемы, резонатор и разъемы. С целью упрощения разводки на нижнюю сторону платы вынесена часть чип-резисторов с малой высотой.

Разъемы размещены с краев платы, для удобства их подключения.

Компоненты расположены как можно ближе друг к другу с целью уменьшения суммарной длины линий связей.

Для уменьшения воздействия помех на микроконтроллер CY7C68013A на плате под его посадочным местом был создан полигон земли.

7. Расчетная часть

7.1 Расчет потребляемой мощности

Необходимо помнить, что элементы схемы могут потреблять различную мощность в зависимости от режима работы.

§ CY7C68013A: до 85мА при нормальной работе;

§ 24LC65-I/SM: до 3мА при работе с микросхемой;

§ ADM1818: 8мА при нормальной работе;

Отсюда видно, что активные элементы потребляют суммарный ток, не превышающий 100мА, поэтому в качестве преобразователя напряжения 5В -3,3В можно выбирать маломощный элемент.

7.2 Расчет основных показателей надежности

Основными показателями надежности являются интенсивность отказов л, вероятность безотказной работы P и вероятность отказа Q.

Количественное определение надёжности различных элементов связано с большой затратой времени и средств для получения и обработки статистических данных по их эксплуатации и испытаниям. Эксплуатационная интенсивность отказов интегральных схем, выпускаемых в настоящее время, может составлять л = 10^-7 ч^-1, а совершенствование технологии и использование специальных методов отбраковки ИС позволяют довести этот показатель до л = 10^-8 - 10^-9 ч^-1. При таких значениях проведение статистических испытаний становится экономически и технически нецелесообразным вследствие непомерных трудностей получения сколько-нибудь достоверной количественной информации о надёжности. В связи с этим для электронного оборудования приводятся, как правило, не экспериментальные, а расчетные параметры надежности. При допущении, что отказы носят случайный характер, независимы друг от друга, все элементы одного типа имеют равную надежность, вероятность безотказной работы компонентов меняется по экспоненциальному закону во времени и отказ любого компонента приводит к отказу изделия в целом, суммарная интенсивность отказов может быть найдена по формуле:

л_сум = л₁ Ч S₁ Ч k₁ + л₂ Ч S₂ Ч k₂ + … + л_n Ч S_n Ч k_n,

где n -- число различных типов компонентов;

л₁, л₂,... л_т -- средняя интенсивность отказов компонентов;

S₁, S₂,... S_т -- число компонентов данного типа в приборе;

k₁, k₂,… k_n - коэффициенты, учитывающие влияние режима и условий работы.

Таким образом, интенсивность отказов изделия в целом представляет собой возрастающую функцию числа соединений и элементов, входящих в данную аппаратуру, а также интенсивности отказов элементов и соединений. На практике при расчёте надёжности по характеристикам элементов составляют перечень используемых компонентов и определяют интенсивность отказов каждого вида компонентов. Далее учитывают различные коэффициенты. В данном случае общий поправочный коэффициент k равен 20. В таблице 1.28 представлены компоненты, их количество и интенсивности отказов.

Таблица 1.28

Надежностные характеристики компонентов изделия.

Компонент	Si	лi, 10-6	Si * лi * k, 10-6
Конденсаторы керамические	16	0,15	48
Конденсаторы танталовые	2	0,6	24
Микросхемы	4	0,075	6
Пайка	224	0,0005	2,24
Переходные отверстия	60	0,002	2,4
Печатная плата	1	0,1	2
Резисторы	19	0,002	0,76
Резонаторы	1	0,014	0,28
Соединители	2	0,1	4
Итого:	89,68

Таким образом, находим время наработки на отказ:

T = 1 / л_сум = 1/(89,68*10^-6) = 11150 (часов)

Как видно из расчета, требование технического задания к наработке на отказ в 10000 часов выполняется. Найдем остальные надежностные характеристики.

Вероятность безотказной работы за время t равное 1 год (примерно 9000 час.):

P(t) = e^{- лсум * t} = e^-0,80712 = 0,446

Вероятность того, что в пределах заданной наработки возникнет отказ устройства:

Q(t) = 1 - P(t) = 1 - 0,446 = 0,554

8. Алгоритм работы программы

На рисунке 1.13 представлен алгоритм работы ПО. Из алгоритма видно, что процесс работы ПО проходит четыре стадии: инициализация CY7C68013A (в эту стадию включены: настройка общих регистров, буферов FIFO, портов ввода-вывода, параметров конечных точек, а также загрузка временных форм работы GPIF в память микроконтроллера); поиск и настройка устройства АТА; процесс передачи данных; процедура перехода в HI-SPEED режим.

Рисунок 1.13. Алгоритм работы программы.

8.1 Инициализация CY7C68013A

Настройка общих регистров. После подачи питания на микроконтроллер процессор настраивает регистры, отвечающие за такие параметры, как: частота работы процессора, полярность пинов, назначение флагов и прочее.

Настройка буферов FIFO. Назначается размер буферов, глубина буферизации. Также производится очистка буферов от информации, которая могла не успеть стереться после возможного переподключения устройства.

Настройка портов ввода-вывода. Назначается направление портов, назначение их использования (параллельный порт ввода-вывода, либо дополнительная функция, например ввод/вывод таймера или программный интерфейс).

Настройка параметров конечных точек. Указываются типы конечных точек, варианты работы с конечными точками (ручная, автоматическая). Происходит включение/отключение конечных точек.

Загрузка временных форм работы GPIF в память. В регистр WAVEDATA записываются временные диаграммы работы программного интерфейса (в данном случае временные диаграммы стандарта ATA).

8.2 Поиск и настройка устройства ATA

Поиск ATA устройства. При появлении на шине АТА устройства это устройство должно выставить на восьмой линии шины данных высокий уровень, по которому и определяется его подключение.

Инициализация и конфигурирование ATA устройства. После того, как АТА устройство сигнализировало о себе, производится запрос на тип устройства и его стандарт, после чего устройству сообщается, в каком режиме оно должно работать.

Переподключение Re-Numerate. Переподключение необходимо для обновления информации на хосте об устройстве Mass Storage.

8.3 Процесс передачи данных

Считывание и проверка CBW. В соответствии со спецификациями протокола USB Mass Storage Bulk-Only и протокола ATA/ATAPI хост посылает 31-байтный пакет CBW. В нем указывается номер логического устройства, к которому он посылается, и команда для выполнения. ATA устройство, получив этот пакет, должно сообщить о том, что пакет успешно получен. Если CBW не распознан, то хост должен вновь отправить CBW.

Передача данных/ошибка передачи данных. Происходит выполнение указанной в пакете CBW команды. Если выполнение команды невозможно, или при передаче данных произошла ошибка, то формируется соответствующий пакет CSW.

Передача статуса CSW. Этот пакет отправляется хосту и завершает передачу данных, сигнализируя об отсутствии или наличии ошибок.

8.4 Процедура перехода в HI-SPEED режим

Наличие этой процедуры обусловлено тем, что при подключении устройства к хосту, хост может не выделить требуемое устройству питание для работы в режиме HI-SPEED, и тогда оно определяется как FULL-SPEED. Однако, как только возможности питания HI-SPEED устройства у хоста восстанавливаются, устройство может быть переведено в высокоскоростной режим работы.

Загрузка дескрипторов для HS устройства. Регистры микроконтроллера USB заполняются новыми данными из дескрипторов. Описание дескрипторов смотреть в параграфе 2.3.

Переподключение Re-Numerate. Необходимо для перехода в высокоскоростной режим работы.

Повышение скорости работы CPU и GPIF. Переход в высокоскоростной режим работы микроконтроллера означает возможность повышения частот работы процессора и программного интерфейса, что при полноскоростном подключении невозможно из-за ограничений по питанию.

9. Выводы

В данной части дипломного проекта были описаны структурная и принципиальная схемы разработанного устройства - мезонинного адаптера USB; были приведены особенности сборочного чертежа и конструкции устройства; проведен расчет потребляемой устройством мощности, расчет надежностных характеристик. Также был описан алгоритм работы и разработан код программы микроконтроллера.

Технологическая часть

1. Введение

Достижение высоких эксплуатационных показателей узлов и устройств радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) во многом определяется методами и средствами контроля в процессе их изготовления. Контроль и испытания обычно составляют 25% от всех работ, а затраты на эти процессы могут быть от 4 до 30% от всех затрат на производство изделий. В процессе изготовления РЭА различают следующие виды контроля: входной комплектующих изделий, пооперационный, в процессе регулировки и настройки, а также в процессе приемосдаточных испытаний.

Цель испытаний в отличие от контроля - определение характера и степени изменений (в количественном и качественном отношении) объекта испытания, возникающих как результат воздействий на него при функционировании и моделировании объекта. Системой испытаний предусмотрена совокупность средств и исполнителей, взаимодействующих с объектами по программе и правилам, установленным соответствующей документацией. Организация и осуществление всей системы контроля на предприятии в процессе производства возложена на отдел технического контроля (ОТК). Одними из важнейших в работе ОТК являются мероприятия по выявлению причин некондиционности изделия. Для проведения этой работы привлекаются разработчики изделия, лаборатории, отделы, цеха. Окончательная приемка и испытания РЭА происходят в лаборатории типовых испытаний. При их проведении выявляется влияние климатических и механических воздействий на качество РЭА.

На предприятиях с целью обеспечения требуемого уровня надежности имеются отделы или лаборатории надежности. Действуя совместно с ОТК, ими проводится разработка мероприятий, обеспечивающих требуемый уровень надежности РЭА. С этой целью разрабатываются программы и методики испытаний на надежность. Осуществляется обработка статистических данных и вырабатываются рекомендации по совершенствованию РЭА и технической документации на разработку контрольно-испытательного оборудования.

Необходимо отметить, что в производстве РЭА применяют универсальную, типовую и специальную контрольно-измерительную аппаратуру. Универсальная аппаратура разрабатывается и изготавливается централизованно, она автоматизирована и обеспечивает контроль электрических параметров независимо от объектов контроля и характера технологических процессов. Типовую аппаратуру разрабатывают в рамках внутриотраслевой кооперации и применяют для контроля параметров близких по составу и назначению объектов. Специальную аппаратуру (пульты, стенды и системы комплексного контроля) разрабатывают для частного применения при контроле параметров конкретных объектов и операций единичных технологических процессов.

Целью всех проводимых мероприятий является получение достоверных данных о фактической надежности РЭА и выработка, в случае необходимости, мероприятий по ее повышению.

В процессе приемо-сдаточных испытаний (ПСИ) (и вообще, в процессе производства) могут применяться следующие способы контроля.

Визуальный контроль осуществляется путем внешнего осмотра изделия с целью выявления поверхностных дефектов и несоответствия изделия чертежу. При визуальном контроле РЭА в основном проверяется качество монтажа, в том числе качество паяных и сварных соединений, качество изоляции проводов и плат, а также соответствие изделия чертежу. Контроль проводится на основе технологических карт контроля, по описанию операций контроля в технологических картах или же по специально разработанным инструкциям. При проведении визуального контроля используют оптические средства - лупы, микроскопы, зеркала. Они необходимы для осмотра скрытых поверхностей и контроля качества паек и сварок. Осмотр состояния поверхностей паек и сварок позволяет выявить плохое залуживание спаиваемых элементов, наличие трещин и неровностей у сварных соединений. Этот вид контроля позволяет прогнозировать наличие контактных шумов в РЭА. Важен также осмотр разъемных соединений и проверка отсутствия изломов проводов и жил многожильных кабелей в местах паек и сварок.

Геометрический контроль проводят с помощью замеров измерительными инструментами размеров и форм деталей и изделий и сопоставление с чертежами или образцами.

Механический контроль осуществляют путем приложения статистических или динамических нагрузок с целью проверки прочности соединений и креплений, а также контроля качества материалов, использованных в деталях, подвергающихся механическим воздействиям. Для проведения механического контроля могут использоваться как динамометры, так и центрифуги, вибрационные и ударные стенды.

Электрический контроль состоит из замеров сопротивлений и напряжений в соответствии с программой контроля, составление диаграмм контроля и сравнение их с нормой. Кроме того, осуществляется проверка электрической прочности и сопротивление изоляции. Этот вид контроля является основным для РЭА, степень его глубины, а также выбор контролируемых параметров в большой степени определяются видом конкретной аппаратуры.

Физико-химический контроль включает исследование физических и химических свойств материалов, используемых для изготовления деталей РЭА.

Технологический контроль осуществляется путем контроля правильности выполнения операций технологического процесса (ТП) с целью предотвращения нарушения технологических режимов. Организация технологического контроля требует сбора статистических данных о качестве изделий и построения физико-химической или статистической модели, связывающей показатели качества и параметры технологических режимов.

2. Технологическая оснастка

ТАБАЙ МИНИ САБЗЕРО МС-81 является компактной камерой крайне низкой температуры. Основные характеристики устройства представлены в таблице 2.1.

Рис. 2.1. МИНИ САБЗЕРО МС-81

Таблица 2.1.

Технические характеристики ТАБАЙ МИНИ САБЗЕРО МС-81.

Наименование	Значение
Сеть питания	3-хфазн. 4-хпроводн. 380 В (±10%) переменного тока, 50 Гц
Пределы рабочей температуры окружающей среды	0 ч 40 єС
Система регулирования	Уравновешенная система регулирования температуры
Диапазон температур	-85 ч +180 єС
Стабильность поддержания температуры	±0,5 єС
Равномерность температуры в камере	±1,0 єС (при температуре в камере -85 ч +100 єС) ±2,0 єС (при температуре в камере +101 ч +180 єС)
Время понижения температуры	от +20 єС до -80 єС - около 70 мин
Время разогрева	от +20 єС до +180 єС - около 30 мин
Размеры, емкость и масса	внутренние размеры (ширина х высота х глубина), см: 40 х 40 х 40 наружные размеры (ширина х высота х глубина), см: 90 х 98 х 61 емкость, л: 64 масса, кг: 140 примерно

Установка для испытания на вибропрочность TIRAVIB 5142 может производить определенные синусоидальные колебания с постоянной или скользящей частотой от приблизительно 0 до 5000 Гц при удержании постоянным амплитуды колебаний или ускорения колебаний. Установка также подходит для образования и обработки шумообразных управляющих сигналов с устанавливаемыми относительными ширинами диапазонов. Таким образом, исходя из практики, предоставляется возможным воспроизвести гармонические и стохастические возбуждения колебаний, записанные на носители данных.

В диапазоне нагрузки возможны испытания на вибропрочность согласно действующим в настоящее время внутренним и международным предписаниям по проверке и стандартам.

Вследствие поворачиваемости вибратора можно получать вибрации в горизонтальном и вертикальном положении.

Встроенная защитная схема контролирует процесс испытания и при неполадках отключает установку. Установка для измерения вибропрочности может подключаться к внешней ЭВМ.

Основные технические характеристики приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Технические характеристики TIRAVIB 5142

Наименование	Значение
Диапазон частот	0 ч 5000 Гц
Максимальная полезная нагрузка	100 кг
Номинальная сила	4000 Н
Максимальное ускорение	500 м/с2
Максимальный путь (острие - острие)	20 мм
Вес виброголовки	8 кг
Отношение сигнал/шум	? 60 дБ
Охлаждающая среда	воздух
Общая потребляемая мощность	3500 Вт
Габариты и масса	Приспособление для крепления: ш 252 мм Масса вибратора, кг: 1100 примерно Масса контрольно-измерительного шкафа, кг: 250 примерно Размеры вибратора (ширина х высота х глубина), см: 119 х 137 х 94 Размеры контрольно-измерительного шкафа (ширина х высота х глубина), см: 79 х 205 х 73

Ударный стенд Vib-tech STM 50 работает по принципу ударного стола, возбуждаемого посредством пневмоподъемника до необходимого уровня. Поэтому возможно осуществлять «свободное падение» стола на установку ударных подкладок, что определяет форму и период удара. Контроль и измерения осуществляются на ЭВМ с использованием специального программного обеспечения. Любое изменение амплитуды будет сразу же исправляться для обеспечения постоянных высококачественных ударов.