Разработка автоматизированного рабочего места оператора обработки информации радиотехнических систем

Аннотация Представленный дипломный проект посвящен разработке автоматизированного рабочего места оператора обработки информации радиотехнических систем.

В пояснительной записке приводится описание автоматизированного рабочего места оператора обработки информации, назначение и принцип работы устройства, расчеты надежности, а также оценка производительности каналов внешнего информационного обмена. Разработана структурная, электрическая принципиальная схема, сборочный чертеж платы и сборочный чертеж прибора.

В организационно-экономической части проекта произведено технико-экономическое обоснование разработки, приведен ленточный график длительности работ, по которому определено время изготовления изделия. Рассчитана цена разработки такого АРМ.

В разделе «Безопасность и Экологичность проекта» была произведена оценка нагрузки на зрение оператора с использованием тестов по оценки работоспособности и точности различения текста. В графической части дипломного проекта приложены выполненные чертежи и плакаты.

• Введение
• Глава I АНАЛИЗ
• Глава II СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРИБОРА
• 2.1 Описание принципа действия устройства
• Глава III ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА
• 3.1 Микроконтроллер
• 3.2 Жидкокристаллический индикатор
• 3.3 Плата Питания
• 3.4 Панель управления
• Глава IV РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
• 4.1 Виды печатных плат
• 4.2 Основные правила конструирования печатных плат
• 4.3 Основные этапы проектирования печатной платы
• 4.4 Этап 1 — Подготовка схемы электрической принципиальной
• 4.5 Разработка электрической принципиальной схемы интерфейсов
• 4.6 Сетевой интерфейс Ethernet
• 4.6.1 Разновидности Ethernet
• 4.7 Последовательный интерфейс USB
• 4.8 Видеоинтерфейс LVDS
• 4.8.1 Принцип действия LVDS.
• 4.8.2 Применение LVDS
• 4.9 Интерфейс памяти DDR2 SDRAM
• 4.10 Интерфейс памяти NAND FLASH
• 4.11 Этап 2 Трассировка печатной платы
• 4.12 Этап Подготовка конструкторской документации
• Глава V РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА
• 5.1 Метод конструирования прибора
• 5.2 Конструкция автоматизированного рабочего места
• Глава VI МАКЕТИРОВАНИЕ
• 6.1 Оценка производительности Ethernet
• 6.2 Оценочная производительности видеоподсистемы
• Глава VII Расчет надежности
• 7.1 Основные показатели надежности
• 7.2 Исходные данные
• 7.3 Методика расчета
• 7.4 Пример расчета надежности
• 7.5 Вывод
• Глава VIII Организационно-экономическая часть
• 8.1 Введение
• 8.2 Организация и планирование работ
• 8.3 Смета затрат на разработку. Договорная цена работы
• 8.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности выполнения проекта
• 8.5 Использование программно-аппаратных средств.
• Глава IX ЭКОЛОГИЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОЕКТА
• 9.1 Введение
• 9.2 Требования к персональным электронно-вычислительным машинам (ПЭВМ)
• 9.3 Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ
• 9.4 Технические требование к видеодисплейным терминалам
• 9.5 Исследование
• 9.6 Выводы
• Заключение

• Приложение В. Листинг программы

Автоматизированное рабочее место — индивидуальный комплекс технических и программных средств, предназначенный для обработки и отображения информации. Автоматизированное рабочее место обеспечивает оператора всеми средствами, необходимыми для выполнения функций человек-машина. Принципы создания любых АРМ должны быть следующими: гибкость, устойчивость, а также эксплуатационный принцип и эффективность.

Принцип гибкости означает приспособленность системы к возможным перестройкам, благодаря модульности построения всех подсистем и стандартизации их элементов.

Принцип устойчивости заключается в том, что система АРМ должна выполнять основные функции независимо от воздействия на нее внутренних и внешних возможных факторов.

Эксплуатационный принцип значит, что неполадки в отдельных ее частях должны быть легко устранимы, а работоспособность системы — быстро восстановима.

Эффективность АРМ следует рассматривать как суммарный показатель уровня реализации приведенных выше принципов, отнесенного к затратам на создание и эксплуатацию системы.

В данном дипломном проекте разрабатывается автоматизированное рабочее место оператора обработки информации радиотехнических систем. Прибор предназначен для использования в качестве рабочих мест операторов обработки и отображения информации в зенитно-ракетных, навигационных и информационных комплексах надводных кораблей, наземных радиоэлектронных системах, подвижных сухопутных средствах, а также в качестве самостоятельного вычислительного комплекса приема и обработки информации. Особенностью дипломного проекта является разработка автоматизированного рабочего места на основе современной элементной базы, а также минимизация массогабаритных показателей.

Глава I АНАЛИЗ

Проанализируем основные технические характеристики и принципы построения, современных автоматизированных рабочих мест, применяемых в настоящий момент в ЗРК и других радиотехнических системах.

Рисунок 1.1. Современное автоматизированное рабочее место Большинство из современных АРМов построено на базе системной шины CompactPCI в конструктиве Евромеханика 3U или 6U. Стандарт CompactPCI разработан для применения в промышленной автоматизации, телекоммуникационных системах и системах специального (военного) назначения. Достоинства данной архитектуры заключаются в:

1. Высокой стойкости к внешним воздействующим факторам;

2. Ремонтопригодность;

3. Горячая замена модулей.

Одной из главных частей любой персональной электронной вычислительной машины является процессор. В настоящее время в качестве процессорных модулей используется одноплатные компьютеры на базе системной шины CompactPCI. В настоящее время на рынке предоставлен широкий выбор данной продукции таких фирм как Kontron (модули СР307, СР308), MEN Mikro (модулm F19), Advantech, Evoc, ADLINK, Fastwel и ряд других.

Данные процессорные модули оснащены мощными многоядерными процессорами, большим объемом оперативной памяти стандарта DDR2. Также включают в себя подсистему ввода-вывода с сетевым интерфейсом Ethernet и последовательными интерфейсами USB 2.0. На данных модулях присутствует видеоконтроллер, обеспечивающий поддержку мониторов с помощью VGA и DVI интерфейсов. Современные промышленные процессорные модули поддерживают большой температурный диапазон (-40°C…+85°C), демонстрируют хорошую устойчивость к внешним воздействиям.

В качестве видеомонитора используются промышленные матрицы размерами 19″…22″ с применением дополнительных специальных средств защиты от внешних воздействующих факторов. Преимущества данных ЖКИ заключается в высоком качестве изображения при разных углах обзора, большой диапазон рабочих температур, высокая ремонтопригодность.

Однако у АРМов построенных на данной архитектуре имеется ряд недостатков:

— Так как в основном функции применения АРМов в ЗРК и радиотехнических системах сводятся к терминальным, данные приборы обладают большой функциональной избыточностью процессорных модулей.

— Высокие массогабаритные показатели.

— Высокая цена.

— Частая смена элементной базы приводит к изменению основных модулей и как следствие невозможность обеспечения ремонта и обслуживания комплексов на объектах (модуль становятся не взаимозаменяемые). В случае смены элементной базы, применение нового модуля приводит к значительным изменениям на аппаратном уровне всего прибора и невозможности поддержания работоспособности изделий.

В данном дипломном проекте разрабатывается иной подход к реализации АРМов: отказ от применения универсальных модулей и применение специализированных вычислителей.

Достоинства разрабатываемого АРМа:

—Более низкая цена.

—Высокая надежность. В связи с отказом от применения не используемых интерфейсов и перехода от универсальных интерфейсов в ряде функциональных задач.

—Обеспечения сопровождения и поддержки изделий на объектах в течении длительного времени: в случае неизбежной смены элементной базы существует возможность путем внесения изменения внутри модулей собственной разработки обеспечивать полную совместимость на уровне модулей.

—Низкие массогабаритные показатели.

В качестве электронно-вычислительного модуля в разрабатываемом АРМе будет использоваться микроконтроллер. В настоящее время производительность микроконтроллеров позволяет разрабатывать на их основе ЭВМ, а простота их реализации открывает новые возможности для активного использования в современной технике.

Глава II СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРИБОРА

Структурная схема содержит самые общие сведения об изделии, где показаны его функциональные части, их назначение и взаимосвязь. Структурная схема применяется при проектировании изделия, а также может применяться для уяснения принципа действия устройства Структурная схема прибора приведена на рисунке 2. Прибор состоит из микропроцессорной платы, видеомонитора, платы питания, пульта управления и шарового регулятора управления.

2.1 Описание принципа действия устройства

Разрабатываемый прибор работает от сети с переменным напряжением равным 220 В. Данное напряжение попадает на плату питания. Которая состоит из одного преобразователя переменного напряжения в постоянное с двумя выходными напряжения по 12 В и из двух преобразователей постоянного напряжения в постоянное, которые на выходе дают напряжение равное 3.3 В и 5 В.

Напряжение в 12 В поступает на инвертор, который преобразует данное напряжение в высокое переменное для питания флуоресцентных ламп, находящиеся на панели Видеомонитора. Напряжение в 5 В питает ЖК панель.

Напряжение в 3.3 В поступает на микропроцессорный модуль.

С помощью сетевого интерфейса Ethernet происходит обмен информации между «сервером», внешними источниками информации и разрабатываемым автоматизированным рабочим местом. Переданная информация поступает на Микропроцессорную плату, в которой происходят процессы обработки.

Далее обработанная информация благодаря видеоинтерфейсу Lvds поступает на ЖК панель.

С помощью клавиатуры и шарового регулятора управления оператор совершает управляющее воздействия на принятую информацию. Клавиатура и шаровой регулятор управления соединены передает информацию в микропроцессрную плату, благодаря последовательному интерфейсу USB.

Рисунок 2.1. Структурная схема прибора

Глава III ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

3.1 Микроконтроллер.

Микроконтроллер — микропроцессорная система, содержащая на одном кристалле процессорное ядро, долговременную и оперативную память, устройства ввода/вывода. Огромная популярность микроконтроллеров связана, прежде всего, с законченностью этого устройства и простотой разработки готовых конструкций, а так же низкой стоимостью продукции. В настоящее время микроконтроллеры нашли широкое применение в современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, портативных компьютерах.

В данный момент на рынке микроконтроллеров ведется активная конкуренция. Данная борьба разворачивается между тремя основными поставщиками микроконтроллеров: Renesas Electronics Corporation, Atmel Corporation, Freescale Semiconductor.

В качестве микроконтроллера в данном дипломном проекте был выбран: AT91SAM9M10 фирмы: Atmel с ядром ARM926 и встроенным мультиформатным декодером видео. Данный микроконтроллер уже успешно применяется в различных промышленных и бытовых системах автоматизации, платежных терминалах, игровых приставках, аудио/видео устройствах, медицинских приборах.

Микроконтроллер AT91SAM9M10 работает на тактовых частотах до 400 МГц и дополнен обширными ресурсами для организации пользовательских интерфейсов, воспроизведения видеоинформации и передачи данных. AT91SAM9M10 оснащен интерфейсами памяти DDR2 и NAND Flash последнего поколения. Данная память может использоваться, как для хранения кода программы, так и для хранения данных.

Энергопотребление AT91SAM9M10 на максимальной частоте (400 МГц) не превышает 300 мкВт/МГц. Поддерживает температурный диапазон -40°C …+85°C.

Микросхемы выпускаются в корпусах BGA с шагом 0,8 мм.

Отличительные особенности:

• 400-мегагерцовый процессор ARM926EJ-S

• 32 кбайт кэш-памяти данных, 32 кбайт кэш-памяти инструкций, блок управления памятью (MMU)

Память:

• Контроллер DDR2 4-банковой памяти DDR2, SDRAM

• Интерфейс внешней шины, поддерживающий 4-банковую память DDR2, SDRAM, статическую память NAND Flash-память с поддержкой

• Внутреннее статическое ОЗУ (SRAM) объемом 64 кбайт с Одно внутренне ПЗУ объемом 64 кбайт со встроенной программой загрузчика

Устройства ввода-вывода:

• Мультиформатный видеодекодер.

• Контроллер ЖК-дисплея с разрешением до 1280*860

• Порт USB.

• MAC-контроллер Ethernet 10/100 Мбит/сек

3.2 Жидкокристаллический индикатор

ЖКИплоский дисплей на основе жидких кристаллов, предназначенный для отображения графической или текстовой информации.

В данной дипломной работе обычный бытовой LCD дисплей не подходит, т.к. разрабатываемый АРМ имеет применение в военной технике (в качестве рабочих мест в зенитно-ракетных, навигационных и информационных комплексах надводных кораблей, подвижных сухопутных средствах и т. д.). Выбор попадает на промышленные видеодисплеи, которые должны отвечать следующим требованиям:

• Возможность работы при низких температурах

• Высокая ремонтопригодность, конструктивная и электрическая совместимость разных поколений TFT-панелей, продолжительный срок вывода из производства.

• Высокое качество изображения (навигационное, диагностическое оборудование).

Рассмотрим подробнее эти требования и подберем ЖКИ, которые сможет им соответствовать.

Работа при низких температурах

Некоторым видам промышленного оборудования, таким как электроника на транспорте, переносного измерительного и диагностического оборудования, приходится работать в сложных климатических условиях. Соответственно, требования к оборудованию, имеющему TFT-панели, более строги на территории Российской Федерации по сравнению с большинством европейских стран. В настоящее время наиболее «морозоустойчивые» TFT-панели обеспечивают и рабочую температуру, и температуру хранения от -30 до +80 °С. Однако если планируется эксплуатация устройства при более низких температурах, возможны конструктивные изменения, при которых TFT-панели смогут работать в еще более жестких условиях. Кроме этого, для промышленных применений очень важен более долгий, по сравнению с бытовой техникой, жизненный цикл, в течение которого может быть осуществлен гарантийный и послегарантийный ремонт. Панели для бытовых применений при выходе из строя, например, элементов подсветки не предусматривают их замены, поэтому их использование в промышленных применениях может быть очень затратным.

Ремонтопригодность и совместимость

Скорость, с которой производители электронных компонентов заменяют старые компоненты на новые, все время увеличивается. Однако производитель промышленной аппаратуры должен быть уверен, что, создав оборудование, ему не придется его переделывать через 5−10 лет. По крайней мере, компания-производитель должна быть уверена в том, что в течение этого времени необходимые комплектующие будут доступны — для обеспечения гарантийного и послегарантийного технического обслуживания изделий. Ответом на эти требования является адаптивная технология дизайна ADT, которая включает в себя следующие положения:

1. Прогнозируемые сроки окончания производства TFT-панели.

2. Конструктивная совместимость моделей старых и новых поколений TFT.

3. Совместимость по интерфейсным сигналам старых и новых поколений TFT.

4. Ремонтопригодность и доступность составных элементов.

Конструктивная и аппаратная совместимость моделей старых и новых поколений TFT

Несмотря на то, что старая модель снимается с производства, такие фирмы производителей как Nec, как правило, предлагает панель нового поколения в том же типоразмере, с аналогичными элементами крепления и аппаратно совместимую со старой панелью. Поэтому в большинстве случаев какая-либо переделка при переходе на новую модель вообще не требуется.

Ремонтопригодность и доступность составных элементов

Лампы и светодиодные элементы подсветки для большинства промышленных TFT-панелей являются сменными элементами и могут быть заменены несколько раз за время эксплуатации TFT-панели. Способность работы в жестких условиях эксплуатации и ремонтопригодность, без сомнения, являются важными свойствами TFT-панелей для промышленных применений, но во многих случаях в промышленности предъявляются особые требования к качеству изображения.

Высокое качество изображения

К следующему классу задач относятся такие, где требуется очень высокое качество, достоверность и динамичность изображения. Типичными областями применения этих панелей являются:

• различные виды локационных систем;

• навигационное оборудование;

• медицинское диагностическое оборудование;

• полиграфия.

Высокое качество изображения получается при использовании технологии SFT (SuperFine TFT). Аббревиатура SFT означает «супер-хороший TFT». Основные достоинства этой технологии по сравнению со стандартной технологией TN (Рисунок 3.1):

Рисунок 3.1. Сравнение технологий TN и SFT

• расширенный угол обзора, уменьшенный

• сдвиг цветовой гаммы;

• малое время отклика;

• высокая яркость, широкая цветовая гамма;

• высокое разрешение изображения.

Стоимость TFT-панели, построенной на технологии STF, значительно выше, чему TFT-панелей, построенных на основе технологии NLT или TN.

В настоящее время имеется 4 модификации технологии SFT:

• SFT: Super Fine TFT;

• A-SFT: Advanced — SFT; (уменьшен цветовой сдвиг)

• SA-SFT: Super Advanced — SFT; (улучшена прозрачность)

• UA-SFT: Ultra Advanced — SFT. (улучшена прозрачность)

Наиболее широко эта технология представлена в TFT-панелях с диагональю от 19 до 22,5 дюйма и разрешением от 1280×1024 до 2560×2048.

Под все выше описанные требование подходит ЖК матрица NL128102BC29−10 фирмы Nec.

Основные технические характеристики приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

3.3 Плата Питания

В связи с тем, что выбранный микроконтроллер работает под постоянным напряжением равным 3.3 В, матрица NEC под 5 В, а инвертор предназначенный для питание ламп подсветки матрицы, питается под 12 В. Возникает необходимость в блоке питании.

Блок питания, который используется в современных АРМов для данной разработки не подходит, т.к. он имеет конструктив Евромеханика 3U, от которого пришлось отказаться.

Один из выходов в сложившей ситуации служит приобретение платы питания, состоящей из трех модулей источников питания. Одного преобразователя переменного напряжения в постоянное и двух преобразователей постоянного напряжения в постоянное.

Преобразователя переменного напряжения в постоянное.

В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное был выбран модуль питания фирмы TDK Lambda KWS10−12 имеющий следующие технические характеристики приведены в таблице 3.2:

Таблица 3.2.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное.

Преобразователями постоянного напряжения в постоянное были выбраны также модули источников питания фирмы TDK Lambda. Основные технические характеристики модулей питания приведены в таблице 3.3 и 3.4 соответственно.

1. Модуль источника питания CC10−1203SF-E.

Таблица 3.3

2. Модуль источника питания CC10−1205SF-E

Таблица 3.4

3.4 Панель управления

Панель управления предназначена для приема управляющих воздействий оператора прибора с помощью клавиатуры и шарового регулятора управления. Передача информации осуществляется по последовательному интерфейсу Usb.

В состав панели управления входят:

• Стандартная промышленная клавиатура SL -81-OEM-USB. Данная клавиатура имеет 81 клавиши. Usb интерфейс. Рабочий диапазон температур 0…+70 °C

• Шаровой регулятор управления. Трекбол x50, имеющий Usb интерфейс. рабочий диапазон температур 0…+55°C.

Данная элементная база удовлетворяет техническому заданию выданная для дипломного проектирования 11.03.12 г.

Глава IV РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Печатные платы — это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи.

4.1 Виды печатных плат

В зависимости от числа нанесенных печатных проводящих слоев печатные платы разделяются на однодвухи многослойные. Первые два типа называют также однои двусторонними.

Односторонние печатные платы (ОПП) выполняются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. При невозможности стопроцентной разводки печатных проводников применяются навесные перемычки. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания, устройств техники связи, в простой РЭА и вспомогательной аппаратуре. Низкие затраты, высокую технологичность и нагревостойкость имеют рельефные литые ПП, на одной стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой — объемные элементы (корпуса соединителей, периферийная арматура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и др.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП интенсивно развивается.

Двусторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического основания и обеспечивают высокую плотность установки компонентов и трассировки. Переходы проводников из слоя в слой осуществляются через металлизированные переходные отверстия. Платы допускают как монтаж компонентов на поверхности, в том числе с двух сторон, так и монтаж компонентов с осевыми и штыревыми выводами в металлизированные отверстия. ДПП являются самой распространенной разновидностью ПП в производстве модулей РЭА, используются в измерительной технике, системах управления и автоматического регулирования. Расположение элементов печатного монтажа на металлическом основании позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной аппаратуре.

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией.

По сравнению с ОПП и ДПП они имеют ряд преимуществ:

• более высокая удельная плотность печатных проводников и контактных площадок (20 и более слоев);

• уменьшение длины проводников, что обеспечивает значительное повышение быстродействия (например, скорость обработки данных в ЭВМ);

• возможность экранирования цепей переменного тока;

• более высокая стабильность параметров печатных проводников под воздействием внешних условий.

Недостатки МПП:

• более жесткие допуски на размеры по сравнению с ОПП и ДПП;

• большая трудоемкость проектирования и изготовления;

• применение специального технологического оборудования;

• тщательный контроль всех операций;

• высокая стоимость и низкая ремонтопригодность.

4.2 Основные правила конструирования печатных плат

• Максимальный размер стороны ПП не должен превышать 500 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.

• Соотношения размеров сторон ПП для упрощения компоновки блоков и унификации размеров ПП рекомендуются следующие: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т. д.

• При разбиении схемы на слои следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется экономическими соображениями.

• Печатные проводники следует выполнять минимально короткими.

4.3 Основные этапы проектирования печатной платы

Система автоматизированного проектирования Altium Designer 10 представляет собой комплекс программ обеспечивающих «сквозное проектирование». Сквозной цикл проектирования, это последовательность этапов, которая начинается с разработки библиотек элементов, создания электрических схем, а заканчивается конструированием топологии печатных плат и выпуском конструкторской документации.

4.4 Этап 1 — Подготовка схемы электрической принципиальной

Данный этап включает в себя ряд основных моментов:

• Создание библиотеки компонентов для проекта.

• Ввод схемы электрической принципиальной в редактор схем.

Процесс проектирования печатной платы начинается с создания библиотеки компонентов для данного проекта. На это этапе ведется поиск и изучение документации (Datasheet) на используемые компоненты.

Каждый компонент библиотеки содержит условно-графическое обозначение (УГО) компонента для редактора схем, и посадочное место (footprint) для редактора топологии. Пример условно-графического обозначения «Ethernet» разъемы представлен на рисунке 4.1. Пример посадочного места показан на рисунке 4.2

Рисунок 4.1. УГО Ethernet

Рисунок 4.2. Посадочное место Ethernet

4.5 Разработка электрической принципиальной схемы интерфейсов

Для разрабатываемой печатной платы нам необходимо разработать электрические принципиальные схемы для ряда интерфейсов:

• Сетевой интерфейс Ethernet;

• Последовательный интерфейс USB;

• Видеоинтерфейс LVDS;

• Интерфейс памяти DDR2;

• Интерфейс памяти NANDFLASH.

4.6 Сетевой интерфейс Ethernet

Ethernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей. Для данного автоматизированного рабочего место Ethernet необходимо для обмена информацией с сервером и другими автоматизированными местами объединенную в единую локальную сеть.

4.6.1Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.

• 100Base-TX — две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute — Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным.

• 100Base-FX — две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5 В. В качестве среды передачи 100Base-TX применяются две витые пары, причем одна пара используется для передачи данных, а вторая — для их приема.

Сетевой интерфейс разрабатываемого автоматизированного рабочего места будет построен на основе чипа фирмы: Davicom DM9161AEP.

Данный чип поддерживает технологию 100BaseTX передачи данных, физический уровень кодирования, подуровень физического присоединения, осуществляющего связь между подуровнем физического кодирования и разъемом сетевого интерфейса, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования.

В связи с использованием технологии 100Base-TX, в качестве кабеля применяются две пары проводов. Для минимизации перекрестных наводок и возможного искажения сигнала оставшиеся четыре провода не должны использоваться с целью передачи каких-либо сигналов. Сигналы передачи и приема для каждой пары являются поляризованными, причем один провод передает положительный, а второй — отрицательный сигнал.

Изучив документацию на данный чип, создав библиотеку компонентов, можно приступать к разработке электрической принципиальной схеме Ethernet, с помощью программы Altium Designer и встроенного приложение Schematic.

Электрическая принципиальная схема Ethernet приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Электрическая принципиальная схема Сетевого интерфейса Ethernet.

4.7 Последовательный интерфейс USB

USB — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками — создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Это означает, что должно быть предусмотрено подключение устройства к работающему компьютеру, автоматическое распознавание его немедленно после подключения и последующей установки соответствующих драйверов. Кроме этого, желательно питание маломощных устройств подавать с самой шины. Скорость шины должна быть достаточной для подавляющего большинства периферийных устройств. Попутно решается историческая проблема нехватки ресурсов на внутренних шинах IBM PC совместимого компьютера — контроллер USB занимает только одно прерывание независимо от количества подключенных к шине устройств.

Технические характеристики:

• Высокая скорость обмена — 12 Мб/c

• Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 5 м

• Низкая скорость обмена — 1.5 Мб/c

• Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 3 м

• Максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) — 127

• Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

• Напряжение питания для периферийных устройств — 3.3 В

• Максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мA

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и высокоскоростных жестких дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых/отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение.

Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию.

Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и т. п.

С помощью кабелей формируется интерфейс между USB-устройствами и USB-хостом. В качестве хоста выступает программно-управляемый USB-контроллер, который обеспечивает функциональность всего интерфейса. Контроллер, как правило, интегрирован в микросхему южного моста, хотя может быть исполнен и в отдельном корпусе.

В проектируемом автоматизированном рабочем месте используется контроллер фирмы: Analog Intergrations Corporation AIC1526.

AIC1526 представляет собой двухсторонний контроллер питания (автономное питание и питание линии шины USB). Особенности данного контроллера питания USB: Защита от короткого замыкания (ограничение по току, Тепловая защита, Ток нагрузки на канал равен 500 мА.

В связи с тем, что данный АРМ будет использоваться в военных целях, а большинство разъемов USB не имеют достаточно надежного крепления к печатной плате, из-за чего, при достаточно высоких механических нагрузках, могут отрываться вместе с печатными дорожками и площадками, в большинстве случаев приводя к необходимости полной замены платы в связи с невозможностью надежного восстановления оторванных печатных дорожек. Возникает необходимость в поиске другого вида разъема. Более практичным вариантом становится использование разъема DB-9. Условно-графическое Db-9 продемонстрировано на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4. Условно-графическое обозначение разъема Db-9

В данном разъеме используется асинхронная передача данных рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Передача данных в последовательном интерфейсе USB

Изучив документацию всю требующую документацию для разработки электрической принципиальной схемы последовательного интерфейса USB и, создав библиотеку компонентов, также переходим к работе в Altium Designer 10.

Электрическая принципиальная схема USB приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6. Электрическая принципиальная схема USB.

4.8 Видеоинтерфейс LVDS

LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений (Low Voltage Differential Signaling). Это направление передачи данных использует очень малые перепады дифференциального напряжения (до 350 мВ) на двух линиях печатной платы или сбалансированного кабеля.

Тенденции в LVDS

Потребители требуют всё более достоверной передачи видеоинформации в пределах офиса или домашней обстановки. Эта потребность вызвана необходимостью передачи видео, 3-D графики, фотоизображений от видеокамер к персональному компьютеру, данных на принтер через сетевые устройства типа LAN, телефонии, и сигналов спутниковых систем на домашний телеприёмник, сигналов цифровых камкордеров. Задача состоит сегодня в высокоскоростной передаче цифровых данных как на очень малые так и на очень большие расстояния, или в пределах одной печатной платы или по волоконным и спутниковым сетям. Передача таких данных от платы к плате или от прибора к прибору, как бы не требовала экстремально высокой производительности, тем не менее должна требовать минимальной мощности потребления, обеспечивать минимум внутренних шумов, быть относительно не чувствительной к внешним шумам и быть естественно дешёвой. Во всяком случае, существующие на сегодняшний день предложения являются компромиссными сочетаниями этих четырёх составляющих: производительности, мощности потребления, шума и цены.

Обеспечение скорости при малых шумах и потребляемой мощности

LVDS — метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровня со скоростью до сотен и даже нескольких тысячь мегабит в секунду (Мбит/c).

Малые перепады уровня и токовый режим выхода передатчика обеспечивают малый уровень шума и очень малую потребляемую мощность во всём диапазоне скоростей передачи.

4.8.1 Принцип действия LVDS.

Рисунок 4.7.Упрощенная схема соединения LVDS передатчика с приёмником.

LVDS выход, содержит источник тока (номиналом 3.5 мА) нагруженный на дифференциальную пару линии передачи.

Основной приёмник имеет высокий входной импеданс, поэтому основная часть выходного тока передатчика протекает через 100 Ом резистор терминатора линии, создавая на нём падение напряжения до 350 мВ, приложенное к входу приёмника. При переключении выхода передатчика направление протекания тока через терминатор меняется на противоположное, обеспечивая достоверные логические состояния «0» или «1».

Дифференциальный метод передачи используется в LVDS поскольку обладает меньшей чувствительностью к общим помехам чем простая однопроводная схема. Дифференциальный метод передачи использует двухпроводную схему соединения с формированием перепадов инверсией тока или напряжения в отличие от однопроводной простой схемы передачи информации. Достоинством дифференциального метода является то, что шумы наводящиеся на двухпроводной линии симметричны и не нарушают дифференциального сигнала к которому чувствителен приёмник. Дифференциальный метод так же обладает меньшей чувствительностью к искажениям сигнала от внешних магнитных полей. Токовый выход передатчика LVDS не склонен к «звону» и выбросам фронтов, что в целом снижает уровень шума в линии передачи.

Поскольку дифференциальные технологии, в том числе и LVDS, менее чувствительны к шумам, то в них возможно использование меньших перепадов напряжения. Это достоинство является решающим, т.к. невозможно достичь высокой производительности и минимума потребляемой мощности одновременно без снижения перепадов напряжения на входе. Формирование малых перепадов напряжения на выходе передатчика достижимо при более высоких скоростях. Токовый режим передатчика обеспечивает очень низкий, всегда постоянный уровень потребления во всём диапазоне частот. Выбросы фронтов передатчика очень незначительны, поэтому ток потребления не увеличивается экспоненциально при увеличении скорости передачи. В целом мощность потребления передатчика (3.5 мА350 мВ 1.2 мВт) весьма низка.

Простота согласования

Поскольку среда распространения LVDS сигналов состоит из кабеля или двухпроводной линии на печатной плате с легко контролируемым дифференциальным импедансом, то такая линия должна заканчиваться терминатором с импедансом данной линии для завершения токовой петли и подавления искажений коротких импульсов. При отсутствии согласования, сигналы отражаются от несогласованного конца линии и могут интерферироваться другими сигналами. Правильное согласование так же подавляет нежелательные электромагнитные наводки, обеспечивая оптимальное качество сигналов.

Для предотвращения отражений, LVDS требует применения терминатора в виде простого резистора с расчётным значением сопротивления равным дифференциальному сопротивлению линии распространения. Наиболее часто используется 100 Ом среда и терминатор. Этот резистор заканчивает токовую петлю и предотвращает отражения сигналов, он располагается на конце линии передачи, по возможности на минимальном расстоянии от входа приёмника.

Максимальная скорость переключения

Вопрос максимальной скорости переключения LVDS интерфейса достаточно сложен и ответ на него зависит от нескольких факторов. Этими факторами являются производительность передатчика и приёмника, полоса пропускания среды распространения и требуемое качество сигнала в применении.

При очень быстром выходе передатчика ограничения на производительность объясняются:

• Скоростью ТТЛ данных поставляемых LVDS передатчику — точнее производительностью устройств доставляющих ТТЛ/КМОП сигналы LVDS передатчику.

• Полосой пропускания выбранной среды распространения (кабеля), типа и длины.

Устройства формирования канальных сигналов ограничивают скорость передачи в процессе формирования группового канального сигнала из множества ТТЛ сигналов путём их последовательной передачи в едином LVDS канале.

Энергосбережение

LVDS технология обеспечивает сбережение энергии по нескольким направлениям. Мощность рассеиваемая нагрузкой (100 Ом) составляет менее 1.2 мВт. Для сравнения, RS-422 передатчик обеспечивает 3 В на нагрузке 100 Ом, что составляет 90 мВт потребления — это в 75 раз больше чем LVDS. Микросхемы LVDS изготавливаются по КМОП технологии, благодаря чему имеют малое статическое потребление.

Помимо малой рассеиваемой мощности на нагрузке и статического потребляемого тока, LVDS имеет меньшее потребление и благодаря токовому режиму работы схемы передатчика. Эта схема сильно подавляет составляющие тока потребления зависящие от частоты переключения передатчика.

Рисунок 4.8.Конфигурация точка-точка приемника и передатчика

Наиболее часто LVDS передатчик и приёмник используются в конфигурации точкаточка, как показано на рисунке 4.8. Однако возможны и другие топологииконфигурации.

Рисунок 4.9. На рисунке приведена топология двунаправленной передачи сигнала через витую пару.

Одновременно данные могут передаваться только в одном направлении. Необходимость в двух терминаторах ослабляет сигналы (и запас по дифференциальным шумам), поэтому данная конфигурация может применяться в случае малых шумов и дальность передачи не превышает 10 метров.

Рисунок 4.10. Многоточечная конфигурация

Многоточечная конфигурация объединяет множество приёмников с одним передатчиком. Данная конфигурация встречается в системах распределения информации, а так же в системах с множеством близко расположенных приёмников.

Надо отметить что LVDS технология обеспечивает наивысшее качество сигналов в конфигурации точка-точка, ради которой и создавалась. Но в целом LVDS имеет множество достоинств и может стать очередным важным стандартом передачи данных со скоростями от постоянного тока до сотен мегабит в секунду, на небольшие расстояния до десятков метров.

В этой роли LVDS значительно превышает возможности 20 Кбитс — 30 Мбитс наиболее распространённых интерфейсов RS-422, RS-232 и RS-485.

Экономичность интерфейса

LVDS может обеспечить экономию финансов по нескольким направлениям:

• LVDS решения изготавливаются по недорогой КМОП технологии.

• Высокая производительность достижима при использовании дешёвых кабелей, соединителей.

• LVDS требует очень малой мощности питания, что снижает количество источников питания и охлаждающих устройств.

• LVDS является источником весьма малых шумов и слабо подвержена искажающему воздействию внешних шумов, в том числе и электромагнитного характера.

• LVDS приёмники относительно дёшевы и могут быть легко встроены в цифровые микросхемы обеспечивая высочайший уровень интеграции.

• Поскольку LVDS способна передавать информацию значительно быстрее ТТЛ/КМОП, то множество ТТЛ/КМОП сигналов может быть объединено или мультиплексировано в один LVDS канал, что исключает необходимость затрат на дополнительные платы, кабели и соединители.

Достоверно известно, что во многих применениях стоимость дополнительных микросхем LVDS значительно ниже стоимости заменяемых ими плат, кабелей и соединителей. Кроме того, отсутствие дополнительных механических деталей упрощает и удешевляет изделие в целом.

4.8.2 Применение LVDS

Высокая производительность и малые мощность / шум / стоимость LVDS расширяют границы её применения взамен традиционных технологий.

Ниже приведены такие примеры:

• Персональные компьютеры: Flat панели, шины мониторов, соединения SCI процессоров, шины принтеров, цифровые копиры, системные кластеры, шины мультимедиа периферии.

• Передача данных: трансляция, адресная мультиплексия, хабы.

• Потребительские системы: видео шины, телевизоры, игровые дисплеи и т. д.

Одним из самых важных применением LVDS является семейство микросхем, которые преобразуют 21, 28 или 48 бит ТТЛ данных в 3, 4 или 8 LVDS каналов данных плюс тактовый сигнал. Эти устройства обеспечивают формирование высокоскоростного потока данных (до 5.4 Гбитс) и используются в супер быстродействующих сетевых серверах или маршрутизаторах, или везде где требуются дешёвые, скоростные шины данных. Эти формирователи потоков LVDS везде позволяют экономить затраты на систему за счёт экономии кабелей, соединителей, физических размеров.

Шины LVDS являются развитием семейства дискретных линейных LVDS приёмников/передатчиков. Они специально разработаны для многоточечных применений, и согласованы с обоих концов линий передачи. Такие формирователи могут использоваться в мощных связных панелях где эффективный импеданс линий может отличаться от 100 Ом в сторону меньших сопротивлений. По этой причине передатчики могут нагружаться на нагрузки до 30…50 Ом. Выходной ток передатчика составляет величину 10 мА для обеспечения необходимого перепада напряжения на такой нагрузке. В данном семействе микросхем доступны так же приёмопередатчики и повторители. Изготавливается так же семейство10- битных формирователей цифровых LVDS потоков, которые поддерживают функцию добавления и извлечения тактового сигнала из цифрового потока. Некоторые демультиплексеры цифрового потока впервые в промышленности реализуют функцию случайного ключа данных.

Демультиплексеры функционируют непосредственно от потока и не требуют фазовой автоподстройки частоты. Множество специальных изделий проектируются с использованием технологии LVDS.

Такие микросхемы обеспечивают дополнительную функциональность по сравнению с обычными изделиями. Например, изготавливается специальный тактируемый трансивер с 6 КМОП выходами, анонсирован линейный многоточечный переключатель.

Изделия LVDS технологии изменяют представления о скоростях, мощности, шума, и цен в области высокопроизводительной передачи цифровой информации. Поэтому, LVDS не только улучшает существующие достижения, но и открывают новые перспективы в развитии цифровой техники.

В качестве LVDS модуля был передатчик фирмы: Chrontel Ch7018. Особенности данного передатчика:

• Поддерживает два режима работы Одноканальный и двухканальный (каждый канал по 12 бит)

• В двухканальном режиме поддерживает скорость вплоть до 330 Мпикселей/сек., когда два порта ввода работают вместе.

• Максимально выдаваемое напряжение 1600×1200 пикселей.

• Имеет 18 и 24 битные выходы.

• программирование управление питанием.

Изучив документацию на данный LVDS передатчик, создав библиотеку компонентов, можно приступать к разработке электрической принципиальной схеме LVDS, с помощью программы Altium Designer и встроенного приложение Schematic.

Электрическая принципиальная схема LVDS приведена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11. Электрическая принципиальная схема видеоинтерфейса LVDS

4.9 Интерфейс памяти DDR2 SDRAM

DDR2 SDRAM — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных.

Память DDR2 SDRAM представляет собой более быстродействующую версию стандартной памяти DDR SDRAM — большая пропускная способность достигается за счет использования дифференциальных пар сигнальных контактов, обеспечивающих улучшенную передачу сигналов и устранение проблем с сигнальными шумами/интерференцией. Предполагалось, что DDR2 обеспечит учетверенную скорость передачи данных, однако финальные образцы предоставляют лишь удвоенную скорость передачи, а модифицированный метод передачи сигналов позволяет достичь более высокой производительности. Максимальная частота памяти DDR достигает 533 МГц, в то время как рабочая частота модулей памяти DDR2 начинается с 400 МГц и достигает 800 МГц и выше.

Разрабатываемый АРМ будет иметь 4 модуля памяти DDR2 SDRAM фирмы: Micron MT47H64M8CF-3 -F объем каждого модуля составляет 512 мбайт.

Изучив всю требующую документацию для разработки электрической принципиальной схемы интерфейса модуля памяти и, создав библиотеку компонентов, также переходим к работе в Altium Designer 10.

Электрическая принципиальная схема оперативной памяти DDR2 SDRAM приведена на рисунке 4.12

Рисунок 4.12. Электрическая принципиальная схема Интерфейса памяти DDR2.

Интерфейс памяти NAND FLASH

Nand Flashвид энергонезависимой памяти предназначенный для хранения данных. Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объему, скорости работы и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации.

В разрабатываемом АРМе будет использоваться энергонезависимая память Nand Flash MT29F2G08ABD фирмы: Micron. Объем данной модели составляет 2 Гбит, что позволяет записать на данный модуль функциональное ПО и операционные системы: Windows CE, Linux, Android.

Изучив всю требующую документацию для разработки электрической принципиальной схемы энергонезависимой памяти Nand Flash и, создав библиотеку компонентов, также переходим к работе в Altium Designer 10.

Электрическая принципиальная схема Nand Flash приведена на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13. Электрическая принципиальная схема Энергонезависимой памяти Nand Flash

Разработав электрические принципиальные схемы всех интерфейсов, предварительно изучив документацию на микроконтроллер at91sam9m10, составляем электрическую принципиальную схему печатной платы при помощи программы Altium Designer 10. Электрическая принципиальная схема представлена на чертеже 2.

4.10 Этап 2 Трассировка печатной платы

Трассировка печатной платы — разработка топологии электрических соединений между посадочными местами электронных компонентов, устанавливаемых на печатную плату. Виды трассировки:

1. Ручная. Человек самостоятельно с помощью определенных САПР наносит рисунок проводников на чертеж платы.

2. Автоматическая. Программа самостоятельно прокладывает проводники используя ограничения, наложенные разработчиком. Разработчик контролирует результат На данный момент все современные системы проектирования имеют сложные и эффективные системы автоматической трассировки.

3. Интерактивная. Человек указывает роботу последовательность действий в сложных участках трассировки, контролируя пошагово результат, а программа делает черновую работу по отрисовке цепи и контролю правил трассировки. Интерактивная трассировка печатных плат может использоваться как для полностью ручной трассировки, так и для доработок печатной платы после автоматической трассировки.

Трассировка будет проводиться в ручную, как и создание электрической в системе автоматизированного проектирование Altium Designer 10, в приложении PCB.

В связи с тем, что в данной печатной плате используется видеоинтерфейс LVDS возникает ряд особенностей при трассировке.

Особенности трассировки дифференциальной пары:

1. Проводники пары должны быть подобраны по длине с точностью 0,635 мм. Более точное значение не играет особой роли, но может быть уменьшено при передаче сигналов с большой скоростью.

2. Расстояние между разными сигналами должно быть не менее 0,508 мм. Это расстояние между одним из проводников дифференциальной пары и проводником, по которому передается другой сигнал. Необходимо увеличивать расстояние между двумя дифференциальными парамами настолько, насколько возможно.

3. Проводники тактового сигнала и групповго сигнала данных должны быть подобраны по длине с точностью 6,35 мм. Более точное значение также не играет особой роли и зависит от скорости передачи.