Проектирование программно-аппаратного комплекса (ПАК) для облегчения процесса отладки устройств на базе микропроцессора AT91SAM9260

• Введение
• 1. Анализ технического задания
• 2. Анализ возможностей процессора
• 3. Описание функциональной схемы ПАК
• 4. Выбор элементной базы ПАК
• 5. Разработка топологии печатной платы
• 5.1 Выбор материала печатной платы
• 5.2 Размещение печатных проводников и компонентов
• 5.3 Выполнение переходных отверстий
• 5.4 Выбор системы автоматизированного проектирования
• 6. Разработка программного обеспечения
• 6.1 Выбор среды программирования
• 6.2 Особенности программирования однокристального микроконтроллера серии AT91
• 6.3 Краткое описание семейства sam9
• 6.4 Структура базового микроконтроллера семейства AT91
• 6.5 Алгоритм загрузки контроллера AT91RM9260
• 6.6 Описание программы
• 7. Расчет надежности
• 8. Тепловой расчет
• 9. Экономический расчет
• 9.1 Расчет себестоимости
• 9.2 Определение нормативной цены
• 10. Раздел безопасности жизнедеятельности
• 10.1 Электробезопасность
• 10.2 Требования к помещениям при эксплуатации прибора и персональной ЭВМ
• 10.3 Требования к шуму и вибрации
• 10.4 Требования к освещению помещений и рабочих мест
• 10.5 Защита от излучения
• 10.6 Обеспечение пожарной безопасности
• 10.7 Эргономические требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ и ВДТ
• 10.8 Требования к организации режима труда и отдыха пользователей ПЭВМ и ВДТ
• Заключение
• Список литературы

В настоящее время число микросхем с 32 разрядной архитектурой чрезвычайно велико, и перед разработчиком стоит нелёгкий выбор какой из них, в конце концов, отдать предпочтение. Наряду с этим не следует забывать и о таком важном аспекте, как квалифицированная техническая поддержка со стороны производителя. Ведь современный 32 разрядный микроконтроллер — это система на кристалле, функционально аналогичная системной плате персонального компьютера класса Pentium, а по набору периферийных контроллеров подчас и превосходящая типовую системную плату. Чтобы научиться пользоваться всеми возможностями такой микросхемы, приходится внимательно читать техническое описание, которое занимает 700 — 1000 страниц, а также изучать программирование. Поэтому для оптимизации процесса разработки устройств на базе современных микроконтроллеров проектируются отладочные комплексы, в которых воплощены все возможности контроллеров на физическом и программном уровне. Имея такой комплекс разработчику не надо распыляться на изучение огромного количества информации, как по аппаратной, так и по программной части, а нужно лишь сконцентрироваться на решении своей задачи. Такой метод разработки является зачастую быстрее, экономичнее и надежнее.

Целью данной дипломной работы является проектирование программно-аппаратного комплекса (ПАК) для облегчения процесса отладки устройств на базе микропроцессора AT91SAM9260. Микроконтроллер, основанный на ядре ARM9, является одним из самых современных и имеет огромный набор периферии и функций.

1. Анализ технического задания

При разработке устройства необходимо в первую очередь сформулировать требования, предъявляемые к нему, проанализировать функции, которые должен выполнять программно-аппаратный комплекс. В данном проекте предстоит решить комплекс технических задач, таких как обеспечение устройством выполнения заявленных в техническом задание требований, обеспечение соответствующего удобства эксплуатации, при этом не пренебрегая техническими параметрами, т. е. проектировать не в ущерб функциональности.

Основной упор в данной разработке необходимо сделать на топологию печатной палаты и грамотный подбор компонентов, т.к. планируемое преимущество устройства над аналогами в удобстве использования и меньшей стоимости. В силу того что в проектируемом устройстве планируется совмещение большого количества функциональных возможностей, то наиболее технологичным решением является разделение устройства на функциональные блоки для увеличения ремонтопригодности и упрощения этапа отладки, когда параллельно разрабатываются и отлаживаются несколько вариантов узлов и производиться тестирование каждого из них как отдельно, так и в комплексе. Как показывает современная практика многие узлы можно приобрести уже в законченном виде, зачастую это не только удобнее и быстрее, чем разработать с «нуля», но и зачастую дешевле в силу массовости производства готовых компонентов. Такие компоненты проходят всестороннее тестирование и присутствие на отечественном и мировом рынке большой номенклатуры, позволяет выбрать наиболее подходящий по всем параметрам узел.

При выборе технологических решений стоит руководствоваться такими параметрами, как взаимозаменяемость, доступность компонентов на рынке, ремонтопригодность, легкость и возможность параллельной отладки.

микропроцессор программный аппаратный комплекс При разработке ПАК следует задействовать как можно больше возможностей микропроцессора AT91SAM9260, (что несомненно будет плюсом при отладке программного обеспечения) это необходимо для более полного использования его функций и мощностей.

Также в соответствии с техническим заданием в ПАК необходимо разместить следующие устройства:

· последовательный интерфейс RS 232

· последовательный интерфейс USB

· сетевой интерфейс Ethernet 10BASE-T/100/10BASE-TX

· последовательный интерфейс 485

Для работы платы в соответствии с необходимыми требованиями, требуется разработать программное обеспечение для микроконтроллера платы. Программное обеспечение может храниться на FLASH — микросхемах памяти, но целесообразнее хранение его в ПЗУ, так как использование flash — носителей информации подразумевает наличие устройства для считывания flash-карт. Способ хранения микропрограммы в ПЗУ существенно дешевле и проще в конструкции и монтаже.

Изделие необходимо изготовить в соответствии с группой М3 условий эксплуатации ГОСТ 17 516–72 и группами АА6, АВ6, АЕ4, АК1, АМ1, АR2 внешних воздействующих факторов окружающей среды ГОСТ 15 150–69. То есть необходимо обеспечить соответствие изделия следующим параметрам:

· температура окружающей среды от +10 до +55 єС Данное требование можно удовлетворить, используя микросхемы малой мощности, которые позволяют исключить рассеивание большого количества теплоты в окружающую атмосферу.

· диапазон частот вибрационных нагрузок 1 — 35 Гц

· максимальное ударное ускорение 2g

ПАК — это стационарная аппаратура, не испытывающая высоких нагрузок во время эксплуатации.

· Возможность работы в условиях «легкая пыль», то есть предусмотреть возможность Наличия легких отложений пыли в количестве более 10, но менее 35 мг/ (м2· сут).

· Возможность работы в условиях, в которых количество или характер коррозионно-активных и загрязняющих веществ не существенно.

Однако все же необходимо обеспечить покрытие платы антикоррозионными покрытиями во избежание преждевременного старения металлических проводников и поверхностей устройства.

· Возможность работы в условиях неопасного воздействия плесени, то есть в помещениях, где обеспечивается отсутствие опасности из-за растительности и/или плесени.

Однако все же необходимо обеспечить покрытие платы покрытиями, предотвращающими проникновение плесени на поверхность стеклотекстолита и повреждение всей или отдельных элементов платы.

· Возможность работы в условиях незначительного электромагнитного, электростатического и ионизирующего воздействия. То есть эксплуатация ПАК будет производиться в помещениях, где гарантировано отсутствие вредного воздействия от блуждающих токов, электромагнитного излучения, электростатических полей, ионизирующего излучения.

· Возможность работы в помещениях с низким движением воздуха, то есть движением воздуха со скоростью менее 1 м/с.

Данное требование можно удовлетворить, используя микросхемы малой мощности, которые позволяют исключить рассеивание большого количества теплоты в окружающую среду.

2. Анализ возможностей процессора

Микроконтроллер AT91SAM9260 на базе ядра ARM9 является продуктом корпорации Atmel. Это первый микроконтроллер из серии SAM9. Используется в системах реального времени под управлением ОС Linux и Windows CE. AT91SAM9260 основан на ядре ARM926EJ-S, работающем на частоте 190 МГц и оборудованном 8 Кб кэша инструкций и 8 Кб кэша данных. Для уменьшения количества выводов интерфейсы периферийных устройств AT91SAM9260 мультиплексированы на три 32-битных контроллера ввода-вывода. [20]

Параметры микроконтроллера AT91SAM9260.

· Содержит процессор ARM926EJ-S ARM Thumb

o расширение инструкций для цифровой обработки, технология ARM Jazelle для ускорения выполнения Java-приложений

o 8 кбайт кэш-памяти данных, 8 кбайт кэш-памяти инструкций, буфер записи

o производительность 200 миллионов операций в секунду на частоте 180 МГц

o блок управления памятью

o поддержка отладочного коммуникационного канала EmbeddedICE

· Дополнительная встроенная память

o одно внутреннее ПЗУ размером 32 кбайт с однотактным доступом на максимальной частоте

o два внутренних статических ОЗУ размером 4 кбайт с однотактным доступом на максимальной частоте

· Внешний шинный интерфейс (EBI)

o поддержка SDRAM, статической памяти, NAND-флэш-памяти (с функцией ECC) и CompactFlash

· Полноскоростной порт устройства USB 2.0 (12 Мбит/сек)

o встроенный трансивер, 2432 байт встроенного конфигурируемого двухпортового ОЗУ

· Полноскоростной одиночный хост-порт USB 2.0 (12 Мбит/сек) в 208-выводном корпусе PQFP и сдвоенный порт в 217-выводном корпусе LFBGA

o один или два встроенных трансивера

o встроенные буферы FIFo и выделенные каналы ПДП

· Ethernet MAC 10/100 Base T

o медиа-независимый интерфейс MII или RMII

o 28-байтные буферы FIFO и выделенные каналы ПДП для приема и передачи

· Интерфейс приемника изображения

o внешний интерфейс ITU-R BT.601/656, программируемая кадровая частота захвата изображения

o 12-разрядный интерфейс данных для поддержки высокочувствительных датчиков

o Синхронизация SAV и EAV, предварительный просмотр с масштабированием, формат YCbCr

· Шинная матрица

o шестислойная 32-разрядная матрица

o опция выбора загрузочного режима, команда перераспределения карты памяти (Remap)

· Полнофункциональный системный контроллер, в т. ч.

o контроллер сброса, контроллер выключения

o четыре 32-разрядных регистра с резервным батарейным питанием (16 байт)

o тактовый генератор и контроллер управления питанием

o расширенный контроллер прерываний и блок отладки

o таймер периодических интервалов, сторожевой таймер и таймер реального времени

· Контроллер сброса (RSTC)

o схема сброса при подаче питания, идентификация источника сброса и выход сброса

· Тактовый генератор (CKGR)

o выборочный маломощный генератор 32 768 Гц или внутренний маломощный RC-генератор, подключенный к резервному батарейному питанию

o встроенный генератор 3.20 МГц, одна схема ФАПЧ с частотой до 240 МГц и одна схема ФАПЧ с частотой до 130 МГц

· Контроллер управления питанием (PMC)

o режим работы с очень низкой частотой синхронизации, возможности программной оптимизации потребляемой мощности

o два программируемых сигнала внешней синхронизации

· Расширенный контроллер прерываний (AIC)

o индивидуально-маскированные, векторизованные источники прерываний с 8 уровнями приоритетов

o три источника внешних прерываний и один быстродействующий источник прерывания, защита от ложных прерываний

· Блок отладки (DBGU)

o 2-проводной УАПП и поддержка отладочного коммуникационного канала, программируемое предотвращение доступа ВСЭ

· Таймер периодических интервалов (PIT)

o 20-разрядный интервальный таймер с 12-разрядным интервальным счетчиком

· Сторожевой таймер (WDT)

o Защищенный ключом, однократно программируемый, оконный 16-разрядный счетчик, работающий от низкочастотный синхронизации

· Реально-временной таймер (RTT)

o 32-разрядный счетчик с 16-разрядным предварительным делителем и резервным питанием, работающий от низкочастотной синхронизации

· Один 4-канальный 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь

· Три 32-разрядных контроллера параллельного ввода-вывода (ПВВ A, ПВВ B, ПВВ C)

o 96 программируемых линий ввода-вывода

o прерывание при изменении состояния на каждой линии ввода-вывода

o индивидуально программируемые параметры выхода: открытый сток, подтягивающий резистор и синхронизированный выход

o сильноточные линии ввода-вывода с нагрузочной способностью каждой до 16 мА

· Контроллер прямого доступа к памяти периферийных устройств (PDC)

· Один интерфейс двухслотной карты MMC

o совместимость с SDCard/SDIO и MultiMediaCard

o автоматическое управление протоколом и быстродействующая автоматическая передача данных через PDC

· Один синхронный последовательный контроллер (SSC)

o раздельные сигналы тактирования связи и синхронизации кадра в приемнике и передатчике

o поддержка аналогового интерфейса I2S, поддержка мультиплексирования с разделением по времени

o высокоскоростная непрерывная передача 32-разрядных данных

· Четыре универсальных синхронных/асинхронных приемо-передатчика (УСАПП)

o отдельный генератор скорости связи, инфракрасная IrDA-модуляция/демодуляция, Манчестер-кодирование/декодирование

o поддержка смарт-карт ISO7816 T0/T1, аппаратное подтверждение связи, поддержка RS485

o полный модемный интерфейс у УСАПП0

· Два 2-проводных УАПП

· Два последовательных периферийных интерфейса (SPI) с поддержкой режимов ведущий/подчиненный

o 8−16-разрядная программируемая длина данных, четыре выхода выбора микросхем внешних периферийных устройств

o Синхронная связь

· Два трехканальных 16-разрядных таймер-счетчика (ТС)

o Три входа внешней синхронизации, две линии ввода-вывода общего назначения в каждом канале

o Два ШИМ-канала, режим захвата/форма сигнала, возможность прямого и обратного счета

o Высокая нагрузочная способность на выходах TIOA0, TIOA1, TIOA2

· Один двухпроводной интерфейс (TWI)

o Режимы работы: мастер, мультимастер и подчиненный

o Поддержка общего вызова в подчиненном режиме

o Подключение к каналу PDC для оптимизации передачи данных (только в режиме мастера)

· Граничное сканирование по стандарту IEEE 1149.1 JTAG на всех цифровых выводах

· Требуемые источники питания:

o 1.65 В.1.95 В для VDDBU, VDDCORE, VDDOSC и VDDPLL

o 3.0 В.3.6 В для VDDIOP0, VDDIOP1 (ввод-вывод периферийных устройств) и VDDANA (аналогово-цифровой преобразователь)

o Программирование напряжения от 1.65 В до 1.95 В или от 3.0 В до 3.6 В для VDDIOM (ввод-вывод памяти)

· Доступность в 208-выводном корпусе PQFP и 217-выводном корпусе LFBGA [24]

Рис 2.1 структурная схема AT91SAM9260

3. Описание функциональной схемы ПАК

Рассмотрим общую функциональную схему ПАК, в которой показаны все основные блоки и протоколы передачи информации между ними. Эта схема представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 Функциональная схема ПАК

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 AT91SAM9260 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. Выбор элементной базы ПАК

Выбор элементной базы является важной частью разработки любого электронного устройства, так как от правильного выбора зависит как стоимость устройства, так и гарантированное выполнение своих функций в условиях, предусмотренных в техническом задании. При выборе элементной базы для разрабатываемой установки необходимо учитывать следующие требования:

обеспечение минимальной потребляемой мощности электрорадиоэлементов (ЭРЭ);

обеспечение быстродействия ЭРЭ;

обеспечение заданных габаритов платы;

обеспечение работы платы в условиях, указанных в техническом задании;

обеспечение наименьшей стоимости платы;

обеспечение простоты ремонта.

Таким образом, задача выбора типа элементной базы состоит из трех основных этапов:

выбор серий используемых интегральных схем;

выбор типов корпусов используемых интегральных схем;

выбор остальных ЭРЭ.

В качестве центрального процессора используется AT91RM9260 — завершенная однокристальная система, построенная на основе процессора ARM926EJ-S. Она включает в себя богатый набор системных и прикладных внешних устройств и стандартных интерфейсов, тем самым предлагая решить широкий диапазон задач на основе одной микросхемы, где требуется добиться большого числа функций при малом энергопотреблении и при самой низкой стоимости. [14]

Выбор этого процессора также обусловлен тем, что производственные мощности не сконцентрированы в одной стране, а распределены по мировым промышленным комплексам в нескольких странах. Зачастую это немаловажный фактор для государственных структур. Заинтересованных в применение техники собранных на основе импортных компонентов. [20]

Данный микропроцессор поставляется в 2х типах корпусов:

· LFBGA 256

· PQFP 208

Первый тип представляет собой массив шариков на прямоугольном корпусе. Второй — все выводы расположены по периметру корпуса микросхемы.

Рис. 4.1 Виды корпусов BGA и PQFP.

Не смотря на более высокую плотность и меньшие размеры у LFBGA типа корпуса, был выбран PQFP тип, так как позволяет проконтролировать качество пайки микросхемы, и имеют лучшие показатели надежности. При тепловом расширении или вибрации гибкие контакты этого корпуса скомпенсируют нагрузки, в отличие от шарообразных контактов у LFBGA.

Номенклатура зарубежных микросхем:

1. Стандартный префикс

2. Тип исполнения

54 — военное исполнение

74 — промышленное

3. Обозначение семейства микросхем

(HС — высоко скоростная CMOS логика)

4. Выполняемые функции

244 — буфер 5. Количество бит

5. Тип корпуса

Произведем выбор типов корпусов используемых ИС серии SN74. Корпуса интегральных микросхем выполняют ряд функции, основные из которых: защита от климатических и механических воздействий, экранирование от помех, упрощенный процесс сборки микросхем, унификация конструктивного элемента по габаритным и установочным размерам.

Микросхемы серии SN 74 могут выпускаться в корпусах следующих типов:

ДИП корпус со штыревыми выводами;

СМД корпус с планарными выводами.

По используемым материалам корпуса можно разделить на:

металлостеклянные (стеклянные);

металлокерамические (керамические);

полимерные (металлополимерные) корпуса:

a. монолитные (пластмассовые);

b. сборные (шовноклеевые). [11]

Так как, в соответствии с ТЗ, комплекс работает в диапазоне температур воздуха от +10 до +55⁰С, без серьезных механических перегрузок, при нормальном атмосферном давлении, применение микросхем в металлостеклянных и металлокерамических корпусах нецелесообразно. К применению выбран корпус поверхностного монтажа типа SOIC, обеспечивающий малый вес и высокую технологичность при низкой стоимости.

В схеме используются металлопленочные теплостойкие резисторы R0603 (0.06 * 0.03 дюйма). Данные резисторы выпускаются с отклонениями по номиналу:

· не более 10%;

· не более 5%;

· не более 1%;

· не более 0,5%.

Для применения в данном устройстве выбраны резисторы с отклонением по номиналу не более 1%. Выбор обосновывается тем, что данные резисторы нашли широкое распространение в электронных вычислительных машинах, выпускаются в широком диапазоне сопротивлений; обладают достаточной точностью, удобством изготовления, электрической и механической прочностью и дешевизной.

Также в схеме используются резисторные сборки CAY16-F4. Они позволяют уменьшить количество элементов и площадь, занимаемую ими на плате.

Рис. 4.2 Корпус резистивной сборки.

CA Y16 - 103 J 4 LF

1 2 3 4 5 6

1. Общее название серии

2. Тип корпуса

3. Значение сопротивления

4. Значение сопротивления

5. Допуск на значение сопротивления

F = ± 1%

G = ± 2%

J = ± 5%

6. Тип корпуса [13]

В схеме используются керамические конденсаторы SMT 0603. Данные конденсаторы предназначены в основном для работы в цепях высокой частоты, их достоинства — хорошие частотные свойства, высокая стабильность параметров, простота конструкции, дешевизна, низкая собственная индуктивность. [18]

В качестве ПЗУ используется микросхема AT45DB081B-RI, программирование которой осуществляется электрическим путем, то есть позволяет многократное программирование. В схеме также используются микросхемы статического ОЗУ K4S561632C-TC75. Для стабилизации напряжения в схеме синхронизации импульсов предусмотрен стабилизатор MIC4576−50 и линейные IRU-1010−18, IRU-1010−33. [12]

5. Разработка топологии печатной платы

5.1 Выбор материала печатной платы

Материал для печатной платы выбирается по ГОСТ 10 316–78. 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 5.1. Механические характеристики некоторых изоляционных материалов для изготовления печатных плат

Таблица 5.2. Электрические характеристики некоторых изоляционных материалов для изготовления печатных плат.

Требования к технологической заготовке основания печатной платы.

Основные требования к заготовке печатной платы:

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

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

3. Зоны на заготовке, запрещённые для размещения компонентов должны соответствовать (рис. 5.1):

Рис. 5.1 Зоны, запрещённые для размещения компонентов

А - сторона платы для установки SMD компонентов:

запрещённая зона шириной 3 мм от верхнего края заготовки (Рис. 5.1);

запрещённая зона шириной 5 мм от нижнего края заготовки (Рис. 5.1).

В — противоположная SMD компонентам сторона платы

запрещённые зоны шириной 5 мм от верхнего и от нижнего краёв платы (Рис. 5.1).

4. Деформация заготовки платы не должна превышать величин, указанных на Рис. 5.2.

Рис. 5.2 Деформация платы для пайки SMD компонентов

5. 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″) (Рис5.3);

на противоположной SMD компонентам стороне платы — 10 мм (0.4″) (Рис. 5.3.).

Рис. 5.3 Высота навесных элементов

5.2 Размещение печатных проводников и компонентов

При размещении печатных проводников и компонентов необходимо учитывать следующие требования.

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

зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на Рис. 5.4

компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм (0,05″) от края заготовки и не ближе запрещённых зон, указанных в п. 5.1;

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;

Рис. 5.4 Минимальные зазоры между проводниками.

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 (Рис. 5.5.);

все SOIC компоненты рекомендуется размещать перпендикулярно длинной оси пассивных компонентов (Рис. 5.5.);

Рис. 5.5 Размещение компонентов на печатной плате.

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 Риc.5.6 (а, б).

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

Рис. 5.6 Примеры подвода широких проводников к контактным площадкам.

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

Рис 5.7 Перемычки между ножками микросхемы

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

Рис. 5.8 Примеры расположения площадок SMD на больших полигонах.

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

5.3 Выполнение переходных отверстий

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 (Рис. 5.9.) демонстрирует рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок.

Рис. 5.9 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]

5.4 Выбор системы автоматизированного проектирования

При выборе системы автоматизированного проектирования следует учитывать следующие особенности:

· Удобство проектирования

· Простота интерфейса

· Функциональность САПР

· Наличие готовых библиотек компонентов

· Поддержка большого числа стандартов, в том числе российских

· Совместимость с программами для проектирования, имеющимися на предприятии (например, AutoCAD, Solid Works, Компас)

· Поддержка программными автоматами для производства печатных плат данного САПР, то есть прямое программирование станка из САПР.

Большинству данных требования удовлетворяют следующие программные продукты:

1. Accel P-CAD 2001 и выше

2. OrCAD

3. …

В результате анализа данных САПР решено выбрать в качестве средства проектирования печатной платы систему P-CAD, так как она подходит по всем параметрам, а главное поддерживается станками для производства печатных плат, что существенно упростит дальнейшее производство устройства. Кроме того, в системе P-CAD имеется встроенное средство для экспорта файлов топологии печатной платы в другие системы автоматизированного проектирования, например AutoCAD. Это позволяет упростить подготовку конструкторской документации. в систему P-CAD включены несколько десятков интегрированных библиотек компонентов, компоненты которых можно отредактировать до параметров, нужных для текущего проекта. Кроме того, данная система позволяет создание своих пользовательских библиотек. [8]

Общие характеристики системы автоматизированного проектирования P-CAD:

· 32-разрядная база данных;

· разрешающая способность P-CAD РСВ и других программ равна 0,001 мм;

· до 100 открытых одновременно библиотек;

· число компонентов в одной библиотеке — неограничено;

· до 64 000 электрических цепей в одном проекте;

· до 10 000 выводов в одном компоненте;

· до 5000 секций (вентилей) в одном компоненте;

· до 2000 символов в атрибуте компонента;

· до 2000 символов в текстовой строке;

· до 20 символов в имени вывода, имени цепи, позиционном обозначении вывода (пробелы, знаки табуляции, точки и скобки не допускаются);

· до 16 символов в имени типа компонента (пробелы и знаки табуляции не допускаются);

· до 30 символов в позиционном обозначении компонента (двоеточие, пробелы, знаки табуляции, точка и точка с запятой не допускаются);

· до 8 символов в имени файла (в том числе и при работе в среде Windows);

· многошаговый «откат» вперед и назад. По умолчанию количество запоминаемых шагов установлено равным 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации *. ini.

· минимальный шаг сетки 0,1 mil в английской системе и 0,001 мм в метрической системе (1 mil = 0,001 дюйма = 0,0254 мм, 1 мм = 40 mil). Систему единиц можно изменять в любой фазе проекта. [4]

Графический редактор принципиальных схем P-CAD Schematic:

· до 99 листов схем в одном проекте, максимальный размер листа 60×60 дюймов;

· поддержка стандартных форматов листов от А до Е, АО-А4 и др. форматов;

· дискретность угла поворота компонента 90°;

· работает утилита ERC для просмотра и сортировки ошибок в принципиальных схемах;

· перекрестные связи между P-CAD Schematic и P-CAD РСВ позволяют для выбранной на схеме цепи высветить на ПП соответствующий ей проводник и наоборот;

· возможна передача данных в программу моделирования Dr. Spice A/D.

Графический редактор печатных плат, P-CAD РСВ:

· до 99 слоев в ПП, из них 11 слоев предварительно определены;

· максимальный размер ПП 60×60 дюймов;

· автоматическая коррекция принципиальных схем по изменениям в печатной плате и наоборот (коррекция «назад» и «вперед»);

· до 64 000 типов контактных площадок в проекте;

· ширина проводника на ПП до 10 мм;

· до 64 000 стилей стеков контактных площадок в проекте;

· контактные площадки различных форм: эллипс, овал, прямоугольник, скругленный прямоугольник, сквозное переходное отверстие, перекрестье для сверления (target), непосредственное соединение, тепловой барьер с 2 или 4 перемычками;

· контроль соблюдения зазоров и полноты разводки ПП;

· минимальный дискрет угла поворота текста и графических объектов — 0,1 град;

· поддержка управляющих файлов фотоплоттеров Gerber и сверлильных станков с ЧПУ типа Excellon. [4]

6. Разработка программного обеспечения

6.1 Выбор среды программирования

На сегодняшний день все программные средства разработки можно разделить на платные и бесплатные продукты с открытым кодом (см. таблицу 6.1). Функциональные возможности у всех полноценных продуктов примерно одинаковые.

Таблица 6.1

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.

6.2 Особенности программирования однокристального микроконтроллера серии AT91

Микроконтроллеры (или однокристальные микроЭВМ) представляют отдельный класс микропроцессорных систем (МПС), составные части которых (центральный процессор, память, подсистемы ввода-вывода, средства поддержки режима реального времени) размещены на одном кристалле. Они ориентированы на применение в качестве встраиваемых в изделие недорогих управляющих МПС реального времени, рабочая программа которых расположена во внутреннем ПЗУ.

Современные микроконтроллеры обладают такими вычислительными ресурсами и возможностями управления в режиме реального времени, для получения которых раньше необходимы были более дорогие многокристальные компоновки.

6.3 Краткое описание семейства sam9

Ядро ARM9TDMI является развитием ARM7ТDMI и совместимо с ним на уровне исходных кодов. Поддерживается два набора команд, 32-битный набор ARM и 16-битный набор THUMB, являющийся подмножеством набора ARM. В ряде приложений использование набора команд THUMB приводит к уменьшению размера кода и более быстрому его выполнению. В отличие от микросхем ARM7, контроллеры на ядре ARM9, как правило, имеют на кристалле кэш-память команд и данных, что повышает общую производительность процессора.

Микросхемы имеют раздельное питание ядра (1,3 или 1,8 В) и периферийных модулей — 3,3 В. Причем, напряжение питания ядра можно варьировать в диапазоне 1,65.1,95 В (1,08.1,32 В), управляя потребляемой мощностью и максимальной тактовой частотой ядра контроллера. Такое сочетание параметров позволяет применять МК ARM9 в самых разных приложениях, в том числе для построения низкопотребляющих систем, работающих в реальном времени. Для отладки программ используется внутрисхемный эмулятор AT91SAM-ICE, тот же, что и для микроконтроллеров AT91SAM7, либо Wiggler-совместимый гальванически развязанный эмулятор AS-JTAG.

Все микроконтроллеры ATMEL семейства ARM9 содержат модуль управления памятью (MMU, Memory Management Unit). Этот модуль необходим для полноценной работы операционных систем класса Linux или Windows.

Отличительная особенность микроконтроллеров корпорации ATMEL (это касается практически любого семейства) — наличие на кристалле обширной периферии. Фирменная черта МК фирмы ATMEL — хорошо продуманная технология обмена данными между ядром и портами ввода/вывода. Обмен происходит под управлением многоканального периферийного контроллера прямого доступа к памяти (PDC — Peripheral DMA Controller), который напрямую осуществляет обмен данными между периферийными устройствами, внутренними регистрами и внешней памятью.

Как правило, периферийный модуль МК AT91 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. [21]

6.4 Структура базового микроконтроллера семейства AT91

Родоначальником семейства ARM9 у ATMEL является AT91RM9200, созданный на ядре ARM920ТDMI. Этот МК выпускается уже несколько лет, и изделия на его основе производят многие российские компании. Отметим, значительное число в МК встроенных последовательных интерфейсов — USB Host Full Speed, USB device Full Speed, 100 Mbit Ethernet, а также «стандартные» интерфейсы — UART/USART/SPI/MCI/SSC/TWI (I²C). Микросхема имеет на кристалле масочное ПЗУ (ROM) объемом 128 Кбайт, в котором хранятся утилиты, обеспечивающие работу в терминальном режиме, а также поддерживающие обмен по интерфейсу Ethernet.

Последующие микросхемы семейства ARM9 построены на более совершенном ядре ARM926EJ-S с поддержкой DSP-команд и оснащенном JAVA-акселератором. Они имеют название Smart ARM9 или SAM9. Такое название подразумевает, что новые микросхемы наделены дополнительными функциями, расширяющими возможности и, одновременно, упрощающими работу с контроллерами. В частности, эти микросхемы имеют возможность загрузки внешней флэш-памяти прямо через микроконтроллер, используя его в качестве программатора. Для загрузки используется программа SAM-BA (Smart ARM Boot Assistance). Программа также позволяет просматривать содержимое оперативной памяти. Внешний вид главного окна программы представлен на рисунке 6.1.

Риc. 6.1 Внешний вид программы SAM-BA

Следующая микросхема — AT91SAM9260. У нее число внутренних шин увеличено до шести, при этом пиковая скорость обмена данными составляет 19,2 Гбит/с. На кристалле размещен модуль видеоинтерфейса ISI (Image Sensor Interface), работающий с цветной CMOS-матрицей. Основные технические параметры AT91SAM9260 приведены ниже.

· ядро — ARM926EJ-S™ ARM® Thumb®: DSP Instruction Extensions:

· 6-слойная шинная матрица (32-разряда Ч 6);

· производительность 230 MIPS на частоте 210 МГц;

· 8 Кбайт кэш данных, 8 Кбайт кэш-команд, буфер записи;

· интерфейс к внутрисхемному эмулятору (JTAG);

· коммуникационный отладочным каналом (Debug UART);

· быстродействующая память;

· 8 Кбайт ОЗУ и 32 Кбайт масочное ПЗУ;

· внешняя интерфейсная шина (EBI);

· поддержка памяти SDRAM, Burst flash, Compactflash®, SmartMedia™ и NAND;

· системная периферия;

· расширенный тактовый генератор и контроллер управления энергопотреблением;

· два встроенных осциллятора с ФАПЧ;

· четыре программируемых источника тактирования.

Таймеры:

· таймер часов реального времени с отдельным прерыванием;

· интервальный таймер (20 + 12 раз — рядов);

· два трехканальных 16-битных таймера/счетчика;

· сторожевой таймер.

Контроллер прерываний:

· 8 уровней маскируемых прерываний с приоритетом;

· 7 внешних источников прерывания и 1 «скоростной» источник прерывания;

· четыре 32-разрядных контроллера ввода/вывода с 122 программируемыми линиями ввода/вывода;

· 22-канальный периферийный контроллер данных (DMA).

Модуль Ethernet MAC 10/100 Base-T:

· режим MII или RMII;

· буфер FIFO на 28 байт и выделенные каналы DMA на прием и передачу HOST-порт USB 2.0 (12 Мбит/с);

· буфер FIFO и выделенные каналы DMA.

Device-порт USB 2.0 (12 Мбит/с):

· буфер FIFO 2 Кбайт.

Интерфейс мультимедиа карт (MCI):

· автоматическое управление протоколом;

· совместимость с MMC, SD/SDIO-картами памяти, поддержка двух карт SD-Memory;

· 10-разрядный 4-канальный АЦП.

Отметим также:

· 3 синхронных последовательных контроллера (SSC), поддержка интерфейса I2S;

· 6 универсальных синхронно-асинхронных интерфейса USART;

· асинхронный интерфейс UART, который также можно использовать для отладки;

· двухпроводный интерфейс TWI, (совместимый с I2C), поддержка режима Master Mode;

· 2 последовательных интерфейса SPI (Master/Slave режим);

· интерфейс ISI (Image Sensor Interface) ITU-R 601/656 для подключения источника видеосигнала; [22]

6.5 Алгоритм загрузки контроллера AT91RM9260

Алгоритм загрузки контроллера AT91RM9260 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 Linux/программы пользователя. Основное назначение U-boot на плате AS-9260 — запуск Linux или «прошивки» и обновление содержимого флэш-памяти.

В данном дипломном проекте предстоит создать загрузчик, который указан в п. 2, в его задачу входит инициализация PLL, SDRAM, UART и других компонентов, о чем будет рассказано в следующей части. [24]

6.6 Описание программы

Программное обеспечение для правильной работы микропроцессорной системы довольно объемно и требует высоких трудозатрат целого коллектива. В данном дипломном проекте была разработана часть микропрограммы, отвечающая за начальную инициализацию микропроцессора и функционирование начального загрузчика. Полный текст программы представлен в приложении 4.

Алгоритм работы начального загрузчика следующий:

Первый шаг: Инициализация оборудования

1. Установка запрета прерываний процессора.

2. Конфигурация PLLA

3. Конфигурация PLLB

4. Переключение MCK на PLLB/2

5. Активация отладочных сообщений в порту DBGU

6. Конфигурация таблицы памяти

7. Инициализация DataFlash

8. Инициализация NandFlash

9. Конфигурация портов ввода и вывода

10. Выход

Второй шаг: Загрузка содержимого из Nand flash в ОЗУ

Третий шаг: Распаковка содержимого ОЗУ

Четвертый шаг: Запуск приложения [23]

7. Расчет надежности

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.

(7.1)

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

(7.2)

В таблице 10−1 приведены данные для расчета надежности устройства.

Таблица 7.1

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

Т_блока = 1/_блокал=1/23,24*10^-6=43 017 ч.

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 =40 176ч.

Вероятность безотказной работы считается по формуле:

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

Рисунок 7.1

Исходя из расчетов и вышеуказанного графика (рис. 7.1) видно, что проектируемый блок будет безотказно работать 38 000ч. что удовлетворяет требованиям надежности.

8. Тепловой расчет

Практика тепловых расчетов показывает, что достаточно точное совпадение расчетных и экспериментальных данных зависит не от используемой методики, а от того опыта, который накоплен конструктором.

Геометрические параметры и режим работы блока: Среднее расстояние между отверстиями для подвода и отвода воздуха h=0.116м;

Суммарные площади отверстий в корпусе:

Fвх=Fвых= (11,5*90*10+8*90*2) /1000=11,79 м; Fш=1,5*10*150/1000=2,25 м

Площади поверхностей корпуса, нагретой зоны и излучающей ее поверхности:

где l1 и l2 — размеры шасси; S-площадь основания одеталей; S-площадь теплоотдающих поверхностей радиодеталей;

где ш — толщина, hд — высота деталей.

Площадь поперечного сечения порожнего корпуса блока:

Коэффициент заполнения блока:

Мощность источников тепла, действующих в аппарате: Р=16,25Вт.

Блок находится в неограниченной воздушной среде.

Температура среды tс=20С, давление нормальное, теплообмен внешней поверхности корпуса со средой происходит в условиях естественной конвекции.

Определим величину W. Для этого вычислим необходимые параметры.

Найдем тепловые коэффициенты:

Вычислим средние поверхностные перегревы нагретой зоны и корпуса блока [3]: