Процессор предназначен для выполнения вычислений и управления интерфейсами ПАК и управляется микропрограммой, заложенной в восьмибитной DATA FLASH. ОЗУ данной операционной части группового контроллера выполняет вспомогательную функцию хранения промежуточных данных, полученных в процессе обработки информации процессором. Nand Flash выполняет функцию долговременного хранения данных.

Так как процессор обладает большими функциональными возможностями, то решено добавить в схему ПАК несколько периферийных устройств помимо заявленных в техническом задании.

Также в плату ПАК интегрирован IDE интерфейс подключенный на шину EBI.

Данная архитектура ПАК позволяет реализовать большинство возможностей процессора. Это является большим плюсом и позволяет отлаживать большой перечень различных программ самых разнообразных назначений.

Следует заметить, что для осуществления подобной функциональности необходимо подобрать современную элементную базу. И в полной мере может обеспечиваться современными микропроцессорами с RISC архитектурой, имеющими не только достаточный функционал, но и производительность, позволяющие выполнять современные программные инструменты и при этом обладают очень малым энергопотреблением.

4.4 Проектирование печатной платы контроллера

4.4.1 Определение общих требований к печатной плате

Материал для печатной платы выбирается по ГОСТ 10316-78. Исходя из характеристик, используемых для изготовления печатных плат фольгированных материалов следует, что стеклотекстолиты превосходят гетинакс по параметрам механических и электрических характеристик, и воздействию влажности, уступая только в диэлектрической проницаемости. Это существенный плюс для использования в аппаратуре, где очень важна надежность материалов. В качестве материала для печатной платы выбран стеклотекстолит марки СФ -2 -35-1.5, толщина фольги 35мкм, платы - 1.5мм.

Таблица 4.4.1

Показатели	ГФ-1	ГФ-1-П, ГФ-2-П	ГФ-1-Н, ГФ-2-Н	СФ-1, СФ-2	Гетинакс марок
					А	Б	В
Плотность, г/см3	с фольгой	1,8-2,0	1,5-1,85	1,5-1,85	1,9-2,9	-	-	-
	без фольги	1,3-1,4	1,3-1,4	1,3-1,4	1,6-1,8	1,3-1,4	1,25-1,4	1,3-1,4
Предел прочности при растяжении в кгс/см2 (не менее)	800	800	800	2000	800	700	1000
Водопоглощение в % (не более)	5	4	4	3	0,5	0,5	0,6

Механические характеристики некоторых изоляционных материалов для изготовления печатных плат

Таблица 4.4.2

Электрические характеристики некоторых изоляционных материалов для изготовления печатных плат.

Показатели	ГФ-1	ГФ-1-П, ГФ-2-П	ГФ-1-Н, ГФ-2-Н	СФ-1, СФ-2	Гетинакс марок
					А	Б	В
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом (не менее)	1011	1011	1011	1012	1011	-	1010
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*см (не менее)	1012	1012	1011	1013	1011	-	1010
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 10б Гц(не более)	0,038	0,038	0,038	0,045	-	-	-
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц (не более)	7	7	7	6	8	8	-

Основные требования к заготовке печатной платы:

Размер заготовки должен быть не более (L W) (308 208) мм (12.12” x 8.18”).

Толщина листа заготовки платы должна быть от 0.6 мм до 3.мм (0.024”… 0.2”).

Зоны на заготовке, запрещённые для размещения компонентов должны соответствовать ( рисунок 1.3.1):

Рисунок 4.4.1. Зоны, запрещённые для размещения компонентов

А - сторона платы для установки SMD компонентов:

-запрещённая зона шириной 3 мм от верхнего края заготовки;

-запрещённая зона шириной 5 мм от нижнего края заготовки.

В - противоположная SMD компонентам сторона платы

-запрещённые зоны шириной 5 мм от верхнего и от нижнего краёв платы.

Деформация заготовки платы не должна превышать величин, указанных на рисунок 4.4.2.

Рисунок 4.4.2. Деформация платы для пайки SMD компонентов

При необходимости установки на плату навесных компонентов до установки компонентов SMD их высота не должна превышать:

- на стороне платы для установки SMD компонентов - 6.5 мм (0.26”) (рисунок 4.4.3);

Сторона платы для пайки компонентов поверхностного монтажа (SMD)

Рисунок 4.4.3 Высота навесных элементов

4.4.2 Методы изготовления печатных плат

Методы получения печатного монтажа представляют собой сочетание определенного способа нанесения изображения печатных проводников с тем или иным способом создания токопроводящего слоя (печатных проводников).

Поэтому название метода получения печатного монтажа часто совпадает с названием способа создания токопроводящего слоя печатных проводников.

К настоящему времени известны около 200 методов получения печатного монтажа. Однако распространение получили лишь те, которые удовлетворяют современным конструкторско-технологическим требованиям и технологически не сложны. К ним относятся следующие методы: химического травления фольгированного диэлектрика, гальванохимический, переноса изображения с запрессовкой в изоляционное основание (метод временного основания), комбинированный.

Сущность химического травления фольгированного диэлектрика заключается в удалении фольги с пробельных мест в результате протекания реакции 2 FeCl₃ + Cu 2 FeCl₂ + CuCl.

Предварительно методом фотопечати или печатанием через сетчатый трафарет наносятся изображения печатных проводников (печатного монтажа) - кислотоупорный слой, который защищает фольгу в этих местах от действия FeCl₃. Его удаляют затем промывками и нейтрализацией. Основные преимущества метода химического травления фольгированного диэлектрика: наивысшая точность и разрешающая способность (соответственно ±0,05 мм и до 10 линий на 1 мм), легкий переход производства с одной схемы на другую, отсутствие необходимости в сложном оборудовании, быстрота налаживания производства. Весьма существенным преимуществом является и то, что этот метод допускает полную автоматизацию, начиная с проектирования и заканчивая заключительными вспомогательными операциями технологического процесса. Метод широко используется в серийном производстве при большой номенклатуре сложных односторонних печатных плат. Недостатки метода: невозможность металлизации отверстий, непроизводительное расходование металла при травлении фольги, возможность воздействия химических реагентов на изоляционное основание платы.

Гальванохимический метод заключается в создании на нефольгированном диэлектрическом основании путем химического осаждения тонкого (1…5 мкм) токопроводящего слоя металла с последующим получением печатных проводников и металлизацией отверстий в результате осаждения металла в соответствии с рисунком печатного монтажа. Рисунок печатного монтажа получают различными фотохимическими способами, например, способом офсетной печати. Гальванохимический метод не требует сложного оборудования, технологически прост, процесс легко механизируется и автоматизируется. Недостатки: невысокие разрешающая способность и точность, неравномерность наращивания слоя металла, подверженность диэлектрического основания платы воздействию химических реагентов
(растворов), большие временные затраты.

Метод переноса изображения печатного монтажа с запрессовкой в изоляционное основание (метод временного основания) заключается в получении печатных проводников на стальной матрице в гальванической ванне с последующим впрессовыванием их в изоляционное основание или в получении печатных проводников (травлением) на временном основании и в переносе затем их на постоянное основание. Данный метод сложен и не допускает изменения рисунка (в случае использования рельефной стальной матрицы), отверстия не металлизируются, процесс длительный, однако полностью исключено воздействие кислот и щелочей на диэлектрическое основание платы, и отпадает необходимость в предварительной активации его поверхности.

Комбинированный метод заключается в получении печатных проводников путем химического травления (т.е. используется фольгированный диэлектрик и избирательно удаляется металлический слой) и металлизация отверстий в основании платы гальванохимичеким методом. В зависимости от метода защиты проводящего рисунка при вытравливании меди этот способ может осуществляться в двух вариантах: негативном, когда защитой от вытравления служат краска и фоторезист, и позитивным, когда

защитным слоем служит металлическое покрытие - металлорезист. Название эти способы получили от фотошаблона, применяемого при создании защитного рельефа: в первом случае при экспонировании рисунка используется негатив печатной схемы, во втором - позитив.

Недостатком этого метода является двукратное воздействие химических реагентов на изоляционное основание, что приводит к существенному ухудшению его свойств. Во избежание этого металлизация отверстий производится до травления меди (фольги) в пробельных местах.

Метод получения печатного монтажа выбирается чаще всего технологом и является начальным и весьма важным этапом проектирования технологического процесса изготовления печатного монтажа и печатной платы в целом.

Принятый метод обусловливает маршрутную технологию, а, значит, содержание и объем работ, их трудоемкость и технологическую себестоимость, длительность технологического цикла и его подготовки.

МПП - узел, состоящий из чередующихся проводниковых и изоляционных слоев. Проводниковые слои представляют собой обычный печатный монтаж, но с меньшей шириной проводников, меньшими расстояниями между ними и контактными площадками. Совокупность проводниковых слоев соответствует электрической схеме функционального узла.

Печатный монтаж всех слоев получается чаще всего методом химического травления фольгированного диэлектрика, рассмотренного ранее. Новым при производстве МПП является лишь соединение слоев в единый пакет, которое достигается обычно склеивающим прессованием. Наиболее распространен метод попарного прессования.

При изготовлении МПП методом попарного прессования выполняются следующие операции:

- вырубка заготовок из двустороннего фольгированного диэлектрика и очистка поверхности фольги;

- получение рисунка схемы на внутренних слоях химическим методом;

- сверление, химическое и гальваническое меднение отверстий комбинированным методом;

- сборка, заполнение смолой и прессование платы;

- получение негативного изображения нанесением светочувствительного раствора;

- нанесение слоя серебра;

- очистка.

При соединении слоев МПП способом металлизации сквозных отверстий печатный монтаж всех внутренних слоев получают методом химического травления фольгированного диэлектрика. Затем внутренние и наружные слои одновременно склеивают (прессуют) в единый пакет с применением прокладочной стеклоткани.

Проектирование технологических процессов изготовления МПП выполняется в соответствии с имеющимся стандартом на типовые технологические процессы.

Печатный монтаж позволяет автоматизировать изготовление электронных узлов и блоков приборов самого разного функционального назначения.

Наибольшие возможности для полной автоматизации производства печатых плат обеспечивает гальванический метод и способ металлизации сквозных отверстий (при производстве МПП).

Прочность сцепления металлизированного слоя с изоляционным основанием проверяют методом, который невозможно реализовать как автоматический. Визуальным является входной контроль фольгированного диэлектрика, качества светочувствительного слоя, качества нанесения лака, сверления отверстий и т.д.

Измерения для контроля печатных проводников и др. участков печатного монтажа осуществляется различными методами: с отделением от диэлектрического основания или без него. В первом случае измерения производятся микрометром с ценой деления шкалы 0,002 мм. Толщина металлизированного слоя без отделения его от основания платы контролируется с помощью индикатора часового типа или микроскопа (измеряется возвышение металлизированного слоя под основанием) и косвенными методами (путем измерения омического сопротивления участка печатного проводника и с использованием в- излучения).

Визуальный контроль необходимо заменять автоматизированным, выполняющимся с помощью автоматических устройств по определенной программе с выдачей результатов контроля и корректировкой технологического процесса. Такой контроль называют управляющим.

Механическая обработка включает раскрой листового материала на полосы, получение из них заготовок, выполнение фиксирующих, технологических, переходных и монтажных отверстий получение чистового контура ПП. Размеры заготовок определяются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и тестовые элементы. При прессовании ДПП на технологическом поле образуется зона некачественной пропрессовки пакета, которая удаляется при обработке контура. Ширина технологического поля не превышает 10 мм. Малогабаритные платы размером до 100 мм размещают на групповой заготовке площадью не менее 0,05 м² с расстоянием 5 ... 10 мм между ними. Размеры заготовок вспомогательных материалов (кабельная бумага, триацетатная пленка), используе-мых при изготовлении ДПП, должны превышать на 55 ... 60 мм размеры заготовок из основного материала.

Выбор метода получения заготовок определяется типом производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий на технологическом поле. В качестве инструмента применяют вырубные штампы, рабочие элементы которых изготовлены из инструментальных легированных сталей марок Х12М и Х12Ф1 (ГОСТ 5950--73) или металлокерамического твердого сплава марок ВК15 и ВК20 (ГОСТ 3882--74). Стойкость штампов из инструментальной стали при вырубке заготовок из гетинакса толщиной 1,5 мм составляет 8 ... 10 тыс. ударов, при вырубке заготовок из стеклотекстолита--1,5--2 тыс. ударов.

Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно- и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть установлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01 ... ... 0,03 мм по всей длине реза.

Фиксирующие отверстия диаметром 4 ... 6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0,01 ... 0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением кондукторов, или специальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет. Резание ведут спиральными сверлами из быстрорежущей стали (ГОСТ 4010--77) или твердых сплавов (ГОСТ 22736--77, 17274--71) при скорости 30 ... 50 м/мин и подаче 0,03 ... 0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертывани-ем при скорости 10. ..30 м/мин и ручной подаче инструмента.

Монтажные и переходные отверстия получают также штамповкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергнется металлизации и его диаметр не менее 1 мм. Правильный выбор зазоров между рабочими частями штампа, их размеров и геометрии, а также усилий при штамповке позволяет свести к минимуму образование трещин на материале и расслоений.

Металлизированные монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных одно- н многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ.

Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гильотинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием.

Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом или как подслой перед гальваническим осаждением в комбинированных методах.

Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли и определенной среде, при которой необходимые для восстановления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями. На диэлектрике реакция восстановления протекает при наличии па его поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят операции сенсибилизации и активирования.

Сенсибилизация -- это процесс создания па поверхности диэлектрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впоследствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлорисгого олова и соляной кислоты (5пС1₂--5 ... 10 г/л, НС1 -- 20 ... 40 г/л, остальное -- дистиллированная вода) в течение 5 ... 7 мин и промывают в холодной воде. При этом происходит гидролиз хлористого олова по реакции

SnС1₂+Н₂OSn (ОН) С1+НС1

Sn(OH)Cl+H₂OSn(OH)₂+HCl

Активирование заключается в том, что yа поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла. Обработку проводят в растворах благородных металлов, преимущественно палладия (РdС1₂ -- 0,5 ... 4 г/л, НС1 -- 10 ... 20 мл/л, остальное - дистиллированная вода) в течение 5 ... 7 мин. На плате происходят следующие реакции:

на диэлектрике

Sn²⁺+Pd²⁺ Pd+Sn⁴⁺

на поверхности фольги

Cu+Pd²⁺ Pd+Cu²⁺

Контактное выделение палладия на меди приводит к образованию барьерного слоя из рыхлой и непрочной пленки гидридов палладия, которая снижает адгезионные свойства химически осажденной меди и увеличивает переходное сопротивление. Для улучшения качества металлизации используют совмещенный раствор, в котором контактное выделение палладия существенно уменьшается. Совмещенный раствор имеет следующий состав (г/л): РdC1₂ -- 0,8... 1, SnС1₂*2Н₂0 - 40... 70, КС1-- 140…150, НС1-- 150 ... 200.

После активирования и промывки платы поступают на химическое меднение.

Как видно, основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, использование дорогостоящих материалов. Для устранения указанных недостатков разрабатываются методы беспалладиевой металлизации, например термохимический. В результате термического разложения комплексной соли гипофосфита меди на поверхности ПП и в монтажных отверстиях образуется электропроводящее покрытие, которое служит основой для электрохимического наращивания металла.

Гальваническая металлизация при производстве ПП применяется для усиления слоя химической меди, нанесения металлического резиста, например олово -- свинец толщиной 8 ... 20 мкм <; целью предохранения проводящего рисунка при травлении плат, защиты его от коррозии и обеспечения хорошей паяемости; создания на части проводящего рисунка (например, на концевых печатных контактах) специальных покрытий (палладий, золото, родий и т. п.) толщиной 2.. .5 мкм. Заготовки плат, закрепленные на специальных подвесках-токоподводах, помещают в гальваническую ванну с электролитом между анодами, выполненными из металла покрытия. Режим электрохимической металлизации выбирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия.

Адгезия гальванического покрытия зависит от качества подготовки поверхности под металлизацию, длительности перерыва между подготовкой поверхности и нанесением покрытия, от соблюдения режимов процесса.

Для меднения ПП применяют различные электролиты. Отраслевые стандарты рекомендуют для предварительной металлизации борфтористоводородный электролит следующего состава (г/л): Сu(ВF₄) -230:..250, НВF₄ - 5... 15, Н₃ВО₃-15 ... 40. Процесс ведут при температуре 20±5°С, плотности тока 3 ...4 А/дм², скорости осаждения 25 ... 30 мкм/ч.

Повышение объемов производства и требований к качеству ПП, усложнение аппаратуры и ее микроминиатюризация требуют развития перспективных методов электрохимической металлизации и производительного технологического оборудования.

Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности ссткографический (офсетной печати) и фотохимический методы.

Сеткографический метод получения рисунка ПП основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих красок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя.

Качество наносимого защитного слоя в значительной степени определяется вязкостью используемых трафаретных красок. Ее оптимальная величина устанавливается исходя из температуры, номера сетки, характера изображения, наличия орошения формы и др.

Фотографический метод предусматривает нанесение на подготовленную поверхность заготовки ПП специальных светочувствительных материалов фоторезистов, которые разделяются на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются при проявлении. В позитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, вследствие чего облученные участки удаляются при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и сухими (пленочными). Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, и для работы с ними требуется несложное оборудование. Применение пленочных фоторезистов значительно упрощает ТП (исключаются операции сушки, дубления, ретуширования), он легко поддается автоматизации, обеспечивает равномерное нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий

Установка радиоэлементов на печатных платах должна обеспечивать надежную их работу в условиях механических и климатических воздействий, указанных в ТУ на данный вид аппаратуры. Навесные элементы следует устанавливать на плате таким образом, чтобы обеспечить выполнение технологических процессов их установки, групповой пайки и исключить воздействие припоя на эти элементы.

Навесные элементы располагаются на односторонних платах с одной стороны, независимо от их назначения и габаритов, рядами в определенном порядке.

Выводы навесных радиоэлементов крепят в отверстиях печатной платы. В каждом отверстии размещают выводы только одного навесного элемента. Радиоузлы с большим количеством выводов закрепляют на плате в зависимости от их конструктивных особенностей и механической прочности платы. Переходные элементы (разъемы, переходные колодки и т.д.) от одной платы к другой устанавливаются так же, как и навесные радиоэлементы.

Крепление печатного узла в приборе, во избежании обрыва печатных проводников, не должно давать прогиба платы, но должно обеспечивать возможность легкой замены. Во избежании замыкания печатного проводника на корпус прибора, производится изоляция печатной платы от шасси прибора. Для повышения жесткости изделий на печатной плате, работающей в условиях значительных перегрузок, наиболее массивные радиоэлементы рекомендуется располагать ближе к местам крепления платы.

Металлизированные отверстия на плате обязательно зелкуют с 2 сторон. Их диаметры выбирают в зависимости от толщины платы и диаметров выводов элементов. Следует ограничить применение разных диаметров выводов на одной плате.

Расстояние от корпуса элемента до места изгиба вывода должно быть не менее расстояния, указанного в ТУ на этот элемент. Если в ТУ это расстояние не указано, оно принимается не менее 2 мм.

При применении припоя ПОС-61 или другого более низкотемпературного и времени пайки не более 2-3 секунд при толщине до 1,5 мм, пайку резисторов и конденсаторов разрешается производить на расстоянии 2,5-3 мм от корпуса.

Пайка является одним из основных элементов электромонтажных работ. Высокое и стабильное качество достигается при выполнении следующих условий:

- выбора оптимального состава флюса;

выбора состава припоя;

- обеспечения технологических требований к конструкции соединяемых монтажных элементов;

- одготовки поверхности соединяемых элементов;

- выбора наилучшего способа нагрева, обеспечивающего равномерный прогрев деталей при соединении;

- конструкции приспособления, обеспечивающего сборку и получение паяных узлов в соответствии с заданными ТУ.

Пайка производится с помощью паяльника. Для эксплуатации в заводских условиях (согласно требованиям техники безопасности) необходимо использование электропаяльника на напряжение 36В при сохранении номинальной мощности.

В процессе растворения меди в припое, происходит изменение формы рабочей части паяльника, из-за чего приходится производить его переточку.

Перед пайкой следует произвести зачистку и лужение рабочей части паяльника.

На разогретый паяльник набирается доза припоя и переносится в место соединения, которое нагревается паяльником до растекания припоя и заполнения им зазоров. Если в качестве флюса используется порошок канифоли, то он подается на место пайки на капле припоя, находящейся на этом же паяльнике. Для этого жалом паяльника с дозой расплавленного припоя прикасаются к порошку канифоли. Остатки канифоли предварительно удаляют скальпелем, а затем промывают плату спиртом или ацетоном, что увеличивает поверхностное сопротивление.

Диаметр объемного проводника должен быть от 0,5 до 0,8 мм, а подпаянных к нему проводников от микросхем 0,2 - 0,4 мм.

Концы проводников закручивают на 1-2 оборота вокруг “штанги” и подпаивают.

4.4.3 Описание конструкции печатной платы

При размещении печатных проводников и компонентов необходимо учитывать следующие требования.

- все безкорпусные и компоненты с планарными выводами (SMD) следует размещать на одной стороне платы.

Рисунок 4.4.3.1 Минимальные зазоры между проводниками.

- зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на рисунке 4.4.3.1

- компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм (0,05”) от края заготовки и не ближе запрещённых зон, указанных в п.4.3.1;

- в слое металлизации при трассировке проводников нужно избегать острых углов;

- шина заземления должна быть везде, где это возможно;

- обратить внимание на необходимость запрещённой зоны вокруг крепёжных отверстий;

- диаметры отверстий для компонентов с выводами должны превышать диаметры выводов не более чем на 0.25мм (0.01”);

- диаметры отверстий на чертеже указываются с учётом толщины металлизации;

- расстояние от края не металлизированного отверстия до контактной площадки или проводника должно быть не менее 0.5 мм (0.02”);

- полярные компоненты желательно ориентировать одинаково;

- все пассивные компоненты одного типа по возможности группировать. В группах компоненты располагать параллельно;

- все SOIC компоненты рекомендуется размещать перпендикулярно длинной оси пассивных компонентов;

- проводники, расположенные под компонентами SMD, должны быть закрыты защитной маской;

- для уменьшения оттока тепла при пайке от контактных площадок (для исключения появления “холодных” паек) необходимо:

а) Использовать узкие проводники, соединяющие непосредственно контактную площадку и широкий проводник, как показано на 4.4.3.3. (а, б).

Рисунок 4.4.3.2. Размещение компонентов на печатной плате.

Ширина подводящего “узкого” проводника выбирается в зависимости от класса точности платы и от проходящего по нему тока.

а) б)

Рисунок 4.4.3.3. Примеры подвода широких проводников к контактным площадкам.

б) Все перемычки между ножками SMD микросхем должны находиться вне места пайки:

Рисунок 4.4.3.3. Перемычки между ножками микросхемы

г) Площадки SMD компонентов, находящиеся на больших полигонах, должны быть отделены от полигона перемычками.

Рисунок 4.4.3.4. Примеры расположения площадок SMD на больших полигонах.

д) Вокруг контактной площадки нанести маску, которая препятствует перемещению расплавленного припоя вдоль проводника.

При проектировании переходных отверстий необходимо соблюдать следующие требования:

- не допускается располагать переходные отверстия под компонентами SMD и на контактных площадках;

- диаметр переходных отверстий должен выбираться, основываясь на толщине платы и рекомендованном производителем отношении толщины платы и минимальном диаметре металлизированного отверстия.

Приведённый рисунок (Рисунок 4.4.3.5.) демонстрирует рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок.

Рисунок 4.4.3.5. Примеры расположения переходных отверстий.

Маркировка платы

На плате наносится маркировка:

- графических и позиционных обозначений компонентов (графические обозначения компонентов должны отражать полярность и ориентацию компонентов на плате);

- обозначения платы, версии, обозначения предприятия-изготовителя и его адрес;

- предусматривается место для нанесения номера и даты изготовления платы;

- маркировка на плате выполняется трафаретной печатью либо в слое проводников;

- трафаретную печать желательно располагать только по областям платы, покрытых защитной маской.[6]

4.5 Расчет надежности контроллера

Испытания программного продукта производятся с использованием следующей справочной литературы:

1. ГОСТ Р28195-89 Оценка качества программных средств.

2. ISO/IEC 9126 : 1991 Information Technology Software Product Quality Characteristics.

3. Стандарты разработки ПО ESA PSS-05-0-1991.

4.5.1 Причины отказов средств вычислительной техники

Для проектирования на основе вычислительных машин надежных систем важно прежде всего выявить возможные причины отказов ЭВМ. Следует иметь в виду, что неисправности элементов аппаратного оборудования являются лишь одной из многих причин отказов, и потому результаты прогнозирования надежности только на основе этих отказов могут оказаться излишне оптимистичными. Рассмотрим некоторые наиболее важные источники неисправностей ЭВМ.

Ошибки в работе запоминающего устройства (ЗУ) и центрального процессора (ЦП) могут иметь весьма серьезные последствия, поскольку они способны привести к нарушению нормальной работы всей вычислительной системы, так как операционная система не может эффективно справляться с ошибками ЗУ. На качество работы ЗУ могут сильно влиять всплески питающего напряжения и отказы источников питания. Обычно для обнаружения ошибок в работе современных вычислительных машин осуществляется контроль операций по четности.

Ошибки процессора - явление редкое, но обычно оно имеет катастрофические последствия. Например, обращение к n-индексному регистру может внезапно прерваться вследствие потери какого-либо двоичного разряда и привести к отключению всей системы.

Ошибки в работе периферийного оборудования могут вызывать иногда серьезные затруднения, хотя обычно они не приводят к прекращению работы системы.

Ошибки в межмодульных соединениях. Существует общая убежденность, что ошибки в линиях передачи сигналов появляются и будут появляться всегда. Используются различные коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, тем не менее некоторые ошибки передачи данных в конечном счете могут приводить к выходу из строя терминалов и соединительных линий.

Ошибки по вине человека. Двумя важными источниками подобных ошибок являются ошибки оператора и ошибки в программах. Иногда по вине операторов может произойти полный отказ системы в результате неправильного включения или выключения системы и неправильной реакции на конкретную ситуацию.

Ошибки вследствие воздействия окружающей среды. Ошибки этого типа могут возникать в результате воздействия электромагнитного излучения при недостаточном экранировании или вследствие неисправностей оборудования кондиционирования воздуха.

Ошибки вследствие отклонения характеристик источников питания. Резкое возрастание напряжения источника питания может серьезно снижать долговечность элементов электронной аппаратуры. Вычислительные машины чувствительны даже к кратковременным понижениям и повышениям напряжения, поэтому они должны иметь соответствующую защиту. Заметим, что при возникновении отказа ЭВМ установить его истинную причину бывает нелегко, и причины многих ошибок часто остаются необъясненными.

4.5.2 Классификация неисправностей

Основными причинами сбоя в работе ЭВМ являются устойчивые отказы элементов аппаратного оборудования, временное ухудшение характеристик элементов и внешние воздействия на работу вычислительной системы. Для моделирования и оценки надежности ЭВМ удобно классифицировать неисправности по временному признаку, разделяя их на постоянные и перемежающиеся.

Постоянные неисправности часто могут вызываться катастрофическими отказами элементов. В этом случае отказ элемента является необратимым и устойчивым, а отказавший элемент подлежит ремонту или замене. Такие неисправности характеризуются большой длительностью устранения, а интенсивность соответствующих отказов зависит от условий окружающей среды. Так, например, обычно элемент характеризуется различными интенсивностями отказов во включенном и выключенном состояниях.

Перемежающиеся неисправности вызываются временным ухудшением характеристик элементов или такими внешними воздействиями, как электрические наводки, снижение напряжения и импульсные помехи. Подобные неисправности характеризуются ограниченной продолжительностью существования, и для их устранения не требуется ремонта или замены элементов. Эти неисправности проявляются в виде перемежающихся отказов.

4.5.3 Основные подходы к оценке надежности ЭВМ

Судя по имеющимся публикациям, вопрос обеспечения надежности программ считается более важным, чем вопрос ее оценки. Ситуация выглядит парадоксальной: совершенно очевидно, что прежде, чем улучшать какую-то характеристику, следует научиться ее измерять, и уж, по крайней мере, необходимо иметь единицу измерения. Основная причина такого положения коренится в том, что источником ненадежности программ служат содержащиеся в них ошибки, и если ошибки отсутствуют, то программа абсолютно надежна. По существу, все меры по обеспечению надежности программ направлены на то, чтобы свести к минимуму (если не исключить вообще) ошибки при разработке и как можно раньше их выявить и устранить после изготовления программы. Следует заметить, что безошибочные программы, конечно же, существуют, однако современные программные системы слишком велики и почти неизбежно содержат ошибки. Хотя это обстоятельство отмечается многими авторами и известно любому программисту-практику, существует, по-видимому, некий психологический барьер, не позволяющий признать факт наличия ошибок в программном обеспечении неизбежной реальностью: поскольку не существует точного критерия, позволяющего определить максимальный размер свободной от ошибок программы, всегда остается надежда, что в данной конкретной программной системе их не осталось.

Имеется еще одно обстоятельство психологического характера. Как известно, вопрос надежности для аппаратуры хорошо разработан. Источником ненадежности аппаратуры служат объективные факторы, неподвластные человеку (скачки напряжения питания, альфа-частицы и т.д.), поэтому человечество давно смирилось с мыслью о том, что абсолютно надежной аппаратуры не бывает и можно говорить лишь о степени надежности, выражаемой в каких-то единицах (например, среднее время между двумя последовательными отказами). Источник же ненадежности программ ошибки, которые делают люди, их создающие и использующие, поэтому кажется, что проблема лишь в том, чтобы заставить (или научить) их работать "правильно".

Третья причина состоит в том, что проблему выбора единицы измерения надежности компьютерной программы невозможно решить в рамках промышленного подхода, который в настоящее время занимает в программировании все более доминирующее положение. Наиболее характерный пример - использование, по аналогии с аппаратурой, в качестве меры надежности программы среднего времени между двумя последовательными ошибочными срабатываниями. Рассуждения в обоснование аналогий такого рода В.Турский довольно резко охарактеризовал как наукообразные; сама же характеристика плохо отражает суть дела и не получила широкого признания.

Метод аналогий, конечно, универсален, однако не следует забывать, что любая аналогия имеет границы применимости. В данном случае, поскольку речь идет о фундаментальном понятии (единице измерения), следует не просто переносить характеристики надежности аппаратуры на программы, а воспользоваться более фундаментальными аналогиями.

Если рассматривать отказавшее ПО без учета его восстановления, а также случайный характер отказов в программах, то основные показатели надежности в этом случае не отличаются от тех, которые были рассмотрены. При этом характер изменения этих показателей во времени будет зависеть от модели надежности ПО. Таким образом, основными показателями надежности ПО являются:

- вероятность безотказной работы программы p(t) , представляющая собой вероятность того, что ошибки программы не проявятся в интервале времени (0, t);

- вероятность отказа программы q(t) или вероятность события отказа ПО до момента времени t ;

- интенсивность отказов программы l(t) ;

-средняя наработка программы на отказ T , являющаяся математическим ожиданием временного интервала между последовательными отказами. При определении характеристик надежности ПО учитывается тот факт, что возникающие при работе программ ошибки устраняются, количество ошибок уменьшается и, следовательно, их интенсивность понижается, а наработка на отказ программы увеличивается.

В связи с такими предположениями рассматривается несколько моделей надежности ПО: модель с дискретно-понижающей частотой появления ошибок, модель с дискретным увеличением наработки на отказ или ошибку ПО, экспоненциальная модель надежности ПО.

4.5.4 Статическое резервирование

Влияние неисправностей можно исключить путем введения дополнительного оборудования, с тем чтобы при отказе одного из резервированных элементов выходные данные функционального модуля не менялись. Влияние неисправного элемента мгновенно и автоматически блокируется благодаря наличию постоянно включенных и одновременно действующих элементов. Такое резервирование называется статическим, так как блокирование отказа осуществляется автономно, без вмешательства в работу системы через какие-либо оконечные устройства ввода-вывода.

Резервирование со схемой голосования, являющееся наиболее важной формой блокирования отказов, было предложено автором работы, который разработал и проанализировал схему тройного резервирования элементов с мажоритарной функцией голосования. Резервирование такого рода стало экономически целесообразным с развитием технологии интегральных схем. Одним из интересных примеров применения этого подхода является ЭВМ пусковой установки ракеты “Сатурн-5”. В этой вычислительной машине применяется тройное резервирование модульной схемы с мажоритарными элементами в центральном процессоре и дублирование в основном запоминающем устройстве.

Для обеспечения отказоустойчивости систем передачи и хранения данных используются разработанные в технике связи коды с обнаружением и исправлением ошибок, а также специальные коды, предназначенные для быстрого кодирования и декодирования. В работе отмечается, что стоимость таких схем примерно в 1,5 раза больше стоимости схем без резервирования.

4.5.5 Динамическое резервирование

При динамическом резервировании влияние неисправностей может проявляться на выходах системы, однако предусматриваются средства их обнаружения, диагностики и устранения. Если возможность вмешательства человека исключается, то посредством динамического резервирования системе придается свойство самовосстанавливаемости. Такой вид резервирования известен еще как резервирование замещением. Исправление ошибок обеспечивается за счет реализации повторных вычислений, например, способом обратного прогона программы до возвращения к некоторой исходной точке программы.

4.5.6 Гибридное резервирование

В этой схеме в любой момент времени три или большее число модулей соединены с мажоритарным элементом. При отказе какого-либо модуля обнаруживается несовпадение его результатов с выходами двух других, и он заменяется резервным.

4.5.7 Расчет времени наработки на отказ

Под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность - комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.

Основными критериями надежности являются:

1. вероятность безотказной работы ;

2. частота отказа ;

3. интенсивность отказов ;

4. среднее время безотказной работы Тср.

Виды надежности:

1. аппаратурная - определяется техническим состоянием элементов, узлов, аппарата,

2. функциональная - способность аппарата выполнять свои функции,

3. математического обеспечения - определяется надежностью или качеством программ, алгоритмов и т.д.

Одним из основных показателей надежности является интенсивность отказов л - вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента при условии, что отказ (случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия) до этого не возник.

где n - номенклатура элементов;

л_i - интенсивность отказов элементов i-го типа, [ч^-1];

С_i - количество элементов i-го типа.

Среднее время между смежными отказами (наработка на отказ) равно

В таблице 4.5.1 приведены данные для расчета надежности устройства.

Таблица 4.5.1 Расчет надежности спроектированного устройства

Элемент	Интенсивность отказов, [ч -1 * I0-6]	Кол-во в блоке	Суммарная интенсивность отказов в блоке [ч-1*I0-6]
Разъем электрический	0,016	14	0,224
Логический элемент	0,22	10	2,2
Металлизированное отверстие	0,005	629	3,145
Пайка	0,01	1428	14,28
Конденсатор	0,03	41	1,23
Печатные проводники	0,00004	3978	0,1012
Индуктивность	0,02	1	0,02
Резистор	0,02	22	0,44
Резисторная сборка	0,2	8	1,6
			блока=23,24*10-6

Наработка на отказ (среднее время между двумя соседними отказами):

Т_блока = 1/_блокал=1/23,24*10^-6=43017ч.

При расчете блока в условиях, отличных от лабораторных для уточненного расчета, необходимо ввести поправочные коэффициенты:

К₁, К₂ - поправочные коэффициенты зависимости от воздействий механических факторов на не амортизированную аппаратуру. К₁ - вибрация; К₂ - ударные нагрузки.

К₃ - поправочные коэффициенты зависимости от воздействий влажности и температуры.

К₁=1,04;

К₂=1,03;

К₃=1;

л_блока. _{уточненное} =л_блок*K₁*K₂*K₃=23,24*10^-6*1,04*1,03*1=24,89*10^-6 1/час

Наработка на отказ :

Т_{блока уточненное} = 1/л_{блока уточн}=1/24,89*10^-6 =40176ч.

Вероятность безотказной работы считается по формуле:

где t-время, за которое дается наработка на отказ Т.[5]

Рисунок 4.5.1 График наработки контролера на отказ

Исходя из расчетов и вышеуказанного графика (рисунок 1.4.1) видно, что проектируемый блок будет безотказно работать 38000ч. что удовлетворяет требованиям надежности.

5. Программное обеспечение контроллера

5.1 Разработка алгоритмов обработки данных контроллером

Для реализации функции построенной принципиальной схемы необходим алгоритм, с помощью которого будут реализованы эти функции. На основе этого алгоритма будет написана программа для микроконтроллера. Первоначально вводим с клавиатуры номер датчика для запроса, далее нажимаем кнопку пуск и начинается процесс поиска датчика. Сигнал с датчика поступает на вход внешнего прерывания INT1 микропроцессора. С помощью встроенного таймера-счетчика происходит определение параметров температуры. Это значение сравнивается с заданным и если оно больше, то скважность импульсов увеличивается и наоборот если меньше уменьшается. Далее данное значение выводится на вторую строку ЖКИ. Определение и вывод каждый раз по приходу сигнала с датчика.

5.2 Разработка программного обеспечения

На сегодняшний день все программные средства разработки можно разделить на платные и бесплатные продукты с открытым кодом. Функциональные возможности у всех полноценных продуктов примерно одинаковые.

Компания IAR предлагает своим пользователям несколько версий среды разработки, которые значительно отличаются функциональными возможностями и сервисной поддержкой. В том числе есть бесплатная версия IAR Kickstart, ограниченная на максимальную длину выходного бинарного файла - до 32 Кбайт. В такое ограничение помещаются небольшие пользовательские программы, активно использующие стандартные библиотеки языка C/C++. Пакет IAR Kickstart предлагает совершенно привычную IDE со ставшим классическим интерфейсом. Вполне приличный редактор, хорошие возможности по отладке с использованием JTAG- эмулятора: просмотр и правка регистров, памяти, watch, использование условных точек остановок. Есть поддержка как эмуляторов от Segger, так и более дешевых, типа Wiggler, через внешний RDI-сервер. Словом - все, что нужно для полноценной отладки пользовательской программы. Оптимизирующий компилятор IAR позволяет повысить скорость выполнения кода иногда в несколько раз.

Альтернативой коммерческой среде от IAR является открытая и бесплатная среда разработки на платформе Eclipse и компиляторе GNU GCC. От IAR она отличается более богатыми возможностями редактора кода, отсутствием каких-либо ограничений на размер файлов. К недостаткам этого решения необходимо отнести относительно более сложную процедуру настройки среды перед первым использованием. Набор поддерживаемых JTAG-эмуляторов примерно одинаковый. После того, как компания Segger выпустила GDB-сервер для своих эмуляторов, в среде Eclipse + GCC появилась возможность использования всей линейки эмуляторов от Segger. Сложность настройки деталей компиляции проектов (линковка, подключение библиотек, и т.д.) примерно одинаковая. Оптимизация в GCC незначительно уступает IAR.

Отличий у этих продуктов много, поэтому все зависит от возможностей по покупке коммерческой среды и предыдущего опыта работы. Работа в среде IAR под разными архитектурами практически не отличается. С Eclipse, на первый взгляд, все несколько сложнее, но к интуитивно понятному интерфейсу привыкнуть нетрудно. Диалекты расширений языка Cи у IAR и GCC разные. В основном это касается работы с памятью и прерываниями, поэтому простого переноса проекта из одной среды в другую не получится. Однако, чисто алгоритмический код в рамках стандарта, переносится без каких-либо трудностей. Для своих микроконтроллеров Atmel предлагает пользователям библиотеку для работы с периферией, использование этой библиотеки позволит упростить и ускорить разработку программной составляющей этого дипломного проекта. Существует версия библиотеки IAR и для работы с GCC.

В данном дипломном проекте мною было выбрана свободно распространяемый инструмент, потому что он не имеет ограничения в размере компилированного кода и распространяется под свободной лицензией, что немаловажно при дальнейшем использование разработки в обучение.

5.3 Рекомендации по отладке

Как правило, периферийный модуль имеет два выделенных канала PDC, один для приема данных, другой - для передачи. Каждый канал периферийного контроллера PDC содержит 32-битный регистр-указатель адреса, 16-битный регистр-счетчик пересылок, 32-битный регистр для указателя следующего адреса памяти и 16-битный регистр-счетчик для следующих пересылок. Периферийные модули переключают потоки данных PDC, используя сигналы приема-передачи. По окончании пересылки первого программного блока данных соответствующий периферийный модуль генерирует прерывание окончания пересылки. Автоматически начинается пересылка второго блока данных, а обработка данных первого блока может выполняться параллельно процессором ARM, тем самым обходясь без «медленных» прерываний в режиме реального времени, замедляющих обновление регистров-указателей в процессоре. Таким образом обеспечивается высокоскоростная пересылка данных в периферийный контроллер. PDC имеет выделенные регистры состояния, указывающие для каждого канала возможность или невозможность пересылки. В любой момент времени можно считать из памяти адрес размещения очередной пересылки и количество оставшихся пересылок.

6. Программное обеспечение пользователя

6.1 Разработка алгоритмов обработки данных поступающих от

контроллера

Алгоритм загрузки контроллера состоит из следующих шагов:

1. Загружается ROM boot. Эта программа записана в ROM-память микросхемы и позволяет МК загружаться через SPI Dataflash-память, установленной на плате.

2. Копируется загрузчик из SPI Dataflash в SDRAM. Первый пользовательский загрузчик размещается в SRAM, которая разбита на блоки по 12 Кбайт кода и 4 Кбайт данных. Он нужен для инициализации периферии: PLL, SDRAM; UART и т.д.

3. Запуск U-boot в SDRAM. Эту операцию выполняет «маленький» загрузчик. Если дополнительный функционал не требуется, то вместо U-boot может запускаться программа пользователя. U-boot достаточно мощный инструмент. Возможна работа с сетью, загрузка по протоколу tftp, работа с флэш, поддержка USB-Masstorage загрузка Linux и т.д.

4. Запуск программы пользователя. Основное назначение U-boot на плате- запуск «прошивки» и обновление содержимого флэш-памяти.



Рисунок 6.1 Подпрограмма DEL

Рисунок 6.2 Подпрограмма UM

Рисунок 6.3 Подпрограмма SUM

Рисунок 6.4 Подпрограмма VICH

Рисунок 6.5 Подпрограмма обработки прерывания по INT1

6.2 Разработка программного обеспечения

Представленная в приложение Б программа предназначена для управления контроллером с помощью микропроцессорной системы. Для этого в программе реализован программный трехканальный ШИМ. Программа реализует следующий алгоритм управления: при нажатии на кнопку включаются датчик сигнализации, давления, температуры, а при нажатии на кнопку КН2 - датчики выключаются. В общем всё управление заключается в формировании на выводах контроллера одной из шести комбинаций сигналов, в зависимости от нажатой кнопки и предыдущего состояния.