Разработка устройства диагностики вычислительной техники

В настоящее время микроконтроллеры (МК) применяются на производственных предприятиях, в устройствах управления, в вычислительной и бытовой технике.

Микроконтроллеры предназначены для управления различными электронными устройствами, а также для осуществления взаимодействия между ними, в соответствии с записанной в микроконтроллер программой.

Достоинства МК:

— малые габариты;

— высокая производительность;

— возможность программирования по заданной программе.

В состав большинства микроконтроллеров входят следующие блоки:

— центральный процессор (ЦП);

— устройства памяти;

— устройства ввода / вывода;

— аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

— последовательные и параллельные интерфейсы передачи информации;

— таймеры реального времени;

— широтно-импульсные модуляторы (ШИМ);

— генераторы программируемых импульсов и т. п.

Основное назначение МК — использование в системах управления различными устройствами автоматики, технологическими процессами и сложной бытовой техникой.

Широкое распространение МК получили в вычислительной технике в качестве специализированных процессоров каналов ввода — вывода информации в ЭВМ.

При работе цифровой техники, в частности, в вычислительной технике, возникают различные аварийные ситуации, которые приводят к выходу из строя этой техники. Исполняющие устройства формируют POST — коды которые локализуют местонахождение этих неисправностей. Для анализа этих кодов используются различные устройства диагностики.

Промышленностью выпускаются такие устройства, однако они рассчитаны на предприятия, имеющие большой парк средств вычислительной техники и поэтому они сравнительно сложны в эксплуатации, для чего необходим высококвалифицированный обслуживающий персонал, соответственно, имеют сравнительно высокую стоимость.

1. Техническая часть

1.1 Анализ технического задания

Проектируемое POST Card PCI предназначено для диагностики неисправностей при ремонте и модернизации компьютеров типа IBM PC.

Разработанное устройство выводит на сдвоенный семи сегментный индикатор результат процедуры BIOS (basicinput/outputsystem — «базовая система ввода-вывода») под названием «Самотест по включению питания» — POST (PowerOnSelfTest), которую выполняет центральный процессор при каждом включении питания компьютера, совместимого с IBM PC, перед загрузкой операционной системы.

POST Card предназначено для применения специалистами по эксплуатации и ремонту системных плат персональных компьютеров (ПК). Кроме того POST Сard могут использовать программисты. Так как на индикаторе POST Card отображается состояние порта POST кодов, то при отладке дополнительных модулей BIOS или программ промышленного автономного управляющего компьютера без монитора они получают возможность отслеживать прохождение контрольных точек своей программы по индикатору POST Card, просто занося условные коды в регистр POST кодов.

Основными отличиями такой POST Card от большинства других приборов аналогичного типа являются:

— индикация напряжений питания +12 В; -12 В; +3,3 В; +5 В;

— наличие тактового генератора, обеспечивающего независимую работу узла индикации;

— наличие стабилизатора напряжения, +3,3;

— небольшие габариты;

— невысокая стоимость.

Разработанное POST Card имеет следующие технические характеристики:

— напряжение питания: В +5;

— ток потребления, не более, мА 200;

— частота шины PCI, МГц. 33;

— адрес диагностического порта: 0080h;

— индикация POST кодов: в шестнадцатеричном виде, один байт;

— индикация сигналов PCI шины: RST (левая точка индикатора), CLK (правая точка индикатора);

— индикаторы наличия напряжений питания PCI шины:

+5 В; +12 В; -12 В; +3,3 В;

— совместимость с материнскими платами чипсетах: Intel, VIA, SIS;

— размер габаритные размеры, мм х мм х мм: 115×90×13.

Условия эксплуатации:

— температура окружающего воздуха, ?С т 0 до +50;

— относительная влажность, % до 95;

— атмосферное давление от 84 до 106,7.

1.2 Патентный поиск

Патент — охранный документ, удостоверяющий исключительное право, авторство и приоритет изобретения, полезной модели либо промышленного образца. Патент выдается государственным органом исполнительной власти по интеллектуальной собственности, в Российской Федерации таким органом является Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Роспатент.

Патентный поиск — это процесс отбора соответствующих запросу документов или сведений по одному или нескольким признакам из массива патентных документов или данных. При этом осуществляется процесс поиска из множества документов и текстов только тех, которые соответствуют теме или предмету запроса.

Для быстрой и качественной разработки любого устройства необходим анализ особенностей, достоинств и недостатков уже существующих разработок. В связи с этим был произведен патентный поиск, результатом которого стал перечень патентов наиболее схожих с данным устройством.

Предлагаемое техническое решение объединено единым изобретательским замыслом и относится к области радиотехники, а именно к области диагностики технического состояния аппаратуры цифровых систем передачи, и, в частности, может использоваться при определении вида технического состояния аппаратуры цифровых систем передачи с обнаружением и локализацией различных детекторов. Целью изобретения заявленных технических решений является разработка способа и устройства диагностики состояния аппаратуры цифровых систем передачи, позволяющего обнаруживать сбои, одиночные и кратные отказы аппаратуры цифровых систем передачи. Поставленная цель достигается тем, что способ диагностики аппаратуры цифровых систем передачи предусматривает дополнительное выделение переданной псевдослучайной последовательности на выходах контролируемых блоков диагностируемой аппаратуры цифровых систем передачи, вычислении ее статистических характеристик и на основе этих характеристик определение параметров усечения, которые позволяют с требуемой точностью и достоверностью идентифицировать техническое состояние аппаратуры цифровых систем передачи.

(54) Название: Устройство диагностики состояния систем связи

(21) Заявка: 2 005 113 824/09, 09.07.2005

(24) Дата начала отсчёта срока действия патента: 15.11.2005

(45) Опубликовано: 27.01.2006

(73) Патентообладатель (и): Военная академия связи.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области контроля технического состояния систем связи. Целью изобретения является построение устройства диагностирования, позволяющего оценивать техническое состояние систем связи работающих в частотно-адаптивных режимах, за счет имитации помех на входе системы.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство диагностирования на основе измерения коэффициента ошибок, содержащее тактовый генератор, детектор ошибок, счетчик, ключ, систему связи, представленную трактом передачи, трактом приема, аппаратурой автоматизированного ведения связи (АВС), управляемым аттенюатором. При этом первый выход генератора ПСП соединен с низкочастотным (НЧ) входом тракта передачи, высокочастотный (ВЧ) выход которого соединен с входом управляемого аттенюатора. Входы управления перестройкой трактов передачи и приема подключены соответственно к первому и второму управляющим выходам аппаратуры АВС, информационный вход которой подключен к выходу промежуточной частоты (ПЧ) тракта приема. Второй вход детектора ошибок подключен к НЧ выходу тракта приема. Второй выход генератора ПСП подключен к первому входу детектора ошибок, выход которого подключен к второму входу счетчика, первый вход которого и вход генератора ПСП в параллель подключены к выходу тактового генератора, вход которого подключен к выходу ключа, входы которого подключены к выходам счетчика. Дополнительно введены следующие элементы: широкополосный генератор шума, перестраиваемый заградительный фильтр, устройство управления перестраиваемым заградительным фильтром (УПЗФ), первый и второй сумматоры. ВЧ вход тракта приема подключен к выходу второго сумматора. Первый вход которого подключен к выходу управляемого аттенюатора. Первый и второй выходы широкополосного генератора шума подключены соответственно к второму входу первого сумматора и третьему входу перестраиваемого заградительного фильтра. Первый и второй вход которого подключены соответственно к первому и второму выходу устройства УПЗФ. Выход перестраиваемого заградительного фильтра подключен к первому входу первого сумматора. Выход которого подключен к второму входу второго сумматора.

Предлагаемое устройство позволяет проверять алгоритм перестройки автоматизированных систем связи с ЧАР, при этом повысив достоверность и сократив время диагностирования, за счет регулировки соотношения сигнал-шум на входе системы связи, имитируя помехи.

В результате проведения патентного поиска было установлено, что разрабатываемое диагностическое устройство имеет аналоги, но они имеют ограниченную область применения, сложную архитектуру, устаревшую элементную базу, тем самым являются менее надёжными.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что разработки в области диагностики цифровых устройств ведутся интенсивно. В качестве базового устройства принята разработка № 2 009 100 647/09 «Устройство диагностики состояния аппаратуры цифровых систем передачи».

1.3 Описание блок-схемы устройства

Блок-схема разрабатываемого устройства приведена в приложении И и состоит из следующих блоков:

— блока программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС);

— блока стабилизатора;

— блока сдвиговых регистров;

— блок прямоугольных импульсов;

— блока индикации 1;

— блока индикации 2;

Информация от ПК поступает на блок ПЛИС, где преобразуется в шестнадцатеричный последовательный код. Этот код поступает на блок сдвиговых регистров где преобразуется в параллельный код семи сегментных индикаторов и поступает на блок индикации 1.

С интерфейса ПК напряжение 5 В. поступает на блок стабилизатора напряжения, который формирует напряжение равное 3.3 В. Это напряжение служит для питания блока прямоугольных импульсов и блока ПЛИС.

Блок формирования прямоугольных импульсов стабилизирует работу блока сдвиговых регистров и блока ПЛИС.

Блок индикации, подключен к шине PCI и предназначен для индикации наличия напряжений питания +12 В; -12 В; +3,3 В; +5 В в слоте расширения PCI, в который подключена POST карта.

1.4 Технико-экономическое обоснование выбора элементной базы

Выбор элементной базы является важным этапом проектирования. От правильного выбора элементной базы будет зависеть работоспособность всего изделия в целом. На выбор элементной базы всегда влияет назначение цепи, а также ее параметры и сопутствующие факторы, которые учитываются параметрами электро-радиоэлементами (ЭРЭ). При обосновании выбора элемента необходимо руководствоваться следующими критериями:

— электрические параметры элемента должны соответствовать режиму цепи и номиналу, указанному на схеме;

— технические условия (ТУ) на выбранный элемент должно соответствовать условиям эксплуатации проектируемого изделия;

— конструкция элемента должна обеспечивать удобство его установки;

— надежность должна быть максимальной;

— стоимость элемента — минимально.

Два последних критерия являются противоречивыми, так как надежные элементы самые дорогие.

1.4.1 Конденсаторы

Конденсатор-устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом.

Исходными данными для выбора конденсаторов являются:

— номинальная величина емкости, указанная на схеме и допуск на величину емкости;

— назначение цепи, в которой стоит конденсатор;

— режим цепи (постоянный ток, перемены ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов);

— условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора (температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки);

— конструктивное оформление конденсатора.

При больших номиналах емкости используют слюдяные и электролитические конденсаторы К10−17, КД2, К10−7 В, ESX, КМ-6. Выбираем ESX и КМ6, потому что они имеют небольшие габариты и меньший разброс параметров. Габаритные размеры ESX и КМ6 представлены на рисунках 1 и 2, соответственно.

Технические характеристики электролитических конденсаторов ESX:

— номинальная емкость, мкФ 470;

— напряжение, В 25;

— импеданс, max 20 C, 100 кГц, Ом 1,3;

— ток пульсации, мА 230;

— габаритные размеры, мм х мм 5×11.

Технические характеристики керамических конденсаторов KM6:

— номинальная емкость, мкФ 0,47;

— напряжение, В 400;

— импеданс, max 20 C, 100 кГц, Ом 1,7;

— ток пульсации, мА 270;

— габаритные размеры, мм х мм 7,5×7,5.

1.4.2 Резисторы

Резистор — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи.

Исходными данными для выбора резисторов являются:

— номинальная величина сопротивления, указанная на схеме и допуск на величину сопротивления;

— мощность рассеивания;

— назначение цепи, в которой установлен резистор;

— режим цепи (постоянный ток, перемены ток или импульсный режим и, соответственно, сила тока, частота, параметры импульсов);

— максимально допустимая рабочая частота;

— условия эксплуатации прибора, указанные в техническом задании на разработку прибора (температура, влажность, давление воздуха, механические нагрузки);

— желательное конструктивное оформление резисторов.

Резисторы подразделяются на проволочные и непроволочные. В разрабатываемом устройстве используем непроволочные резисторы, так как они имеют меньший вес, стоимость, габариты и паразитные параметры. Непроволочные резисторы подразделяются на углеродистые тонкослойные, металлодиэлектрические тонкослойные и композиционные объемные.

В POST Card используются постоянные тонкоплёночные резисторы, т.к. они имеют большую стабильность при циклическом воздействии температуры, механических нагрузках, меньшую зависимость значения сопротивления от приложенного напряжения, меньшее ЭДС шумов по сравнению с композиционными. В данной схеме возможно использование резисторов: С2−10, С2 — 23 В и МЛТ. Выбираем С2 — 10 т.к. они имеют более высокую точность, которая требуется в данном устройстве, и нужное конструктивное оформление.

Технические характеристики:

— номинальное сопротивление, кОм 220;

— точность, % 5;

— номинальная мощность, Вт 2;

— максимальное рабочее напряжение, В 750;

— рабочая температура,⁰С155;

1.4.3 Светодиоды

Светодиод или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока.

В процессе выбора были выделены следующие типы светодиодов: 3Л365А, АЛ102АМ, 3Л102Г. Исходя из технического задания, выбираем 3Л365А, так как его рабочее напряжение не превышает 2 В. Технические характеристики светодиодов приведены в таблице 1.

Таблица 1

1.4.4 Микросхема НЕ

В процессе выбора были выделены следующие типы микросхем: К511ЛА1, 74HC14, К511ЛА2, технические характеристики приведены в таблице 2. Исходя, из технического задания выбираем, так как она изготовлена по ТТЛ технологии. Микросхема 74HC14 представляет собой 6 логических элементов НЕ. Тип корпуса DIP 16.

Таблица 2

1.4.5 Выбор микроконтроллера (МК)

Так как рабочая частота шины PCI относительно высока (33 МГц), то реализация подобного устройства на дискретных микросхемах стандартной логики проблематична, поэтому в качестве основы устройства возможно использование ПЛИС фирмы Altera: EPM3064ALC44−10, EPM3064ALC44, EPM3064bs85. ВыбранаEPM3064ALC44−10 имеющая достаточное быстродействие, низкую цену и в то же время выпускающаяся в корпусе PLCC44.

Главными причинами применения МК серии EPM3064ALC44−10 стали: его большая функциональная насыщенность, достаточно высокое быстродействие и средняя потребляемая мощность.

Основные параметры микросхемы EPM3064ALC44−10:

— разрядность обрабатываемых данных 16;

— число выполняемых команд 78;

— максимальный объем адресуемой памяти, Кбайт 64;

— число адресуемых устройств ввода / вывода 256/256;

— число уровней прерывания 8;

— быстродействие, тыс. оп./с 625;

— тактовая частота, МГц 2,5;

— потребляемая мощность, мВт 1250.

Назначение выводов EPM3064ALC44−10:

— VCC — напряжение питания;

— GND — земля;

— Port, А (РА7.РА0) — 8-разрядный двунаправленный порт I/O. Выходные буферы обеспечивают втекающий ток 20 мА и способны напрямую управлять LED индикатором. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешним сигналом в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт А, при наличии внешней SRAM, используется в качестве мультиплексируемой шины адреса / данных;

— Port В (РВ7.РВО) — 8-разрядный двунаправленный порт I/O со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают втекающий ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешним сигналом в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах. Порт В используется также при реализации различных специальных функций;

— Port С (РС7.РСО) — 8-разряпный порт выхода. Выходные буферы обеспечивают втекающий ток 20 мА. Порт С используется также как выходы адреса при использовании внешней SRAM;

— Port D (PD7.PD0) — 8-разряаный двунаправленный порт I/O со встроенными нагрузочными резисторами. Выходные буферы обеспечивают втекающий ток 20 мА. При использовании выводов порта в качестве входов и установке внешним сигналом в низкое состояние, ток будет вытекать только при подключенных встроенных нагрузочных резисторах;

— RESET — вход сброса. Для выполнения сброса необходимо удерживать низкий уровень на входе в течение двух машинных циклов;

— XTAL1 — вход инвертирующего усилителя генератора и вход схемы встроенного генератора тактовой частоты;

— XTAL2 — выход инвертирующего усилителя генератора;

— AVCC — напряжение питания аналого-цифрового преобразователя. Вывод подсоединяется к внешнемуVCC через низкочастотный фильтр;

— AREF — вход аналогового напряжения сравнения для аналого-цифрового преобразователя. На этот вывод, для обеспечения работы аналого-цифрового преобразователя, подается напряжение в диапазоне между AGND и AVC;.

— AGND — этот вывод должен быть подсоединен к отдельной аналоговой земле, если плата оснащена ею. В ином случае вывод подсоединяется к общей земле;

— PEN — вывод разрешения программирования в низковольтном последовательном режиме программирования. При удержании этого вывода на низком уровне во время сброса по включении питания, прибор перейдет в режим программирования по последовательному каналу;

1.4.6 Стабилизатор напряжения

В качестве стабилизатора напряжения можно использовать микросхемы AD5PI111AR, NM1012, L78L05CD, КР142ЕН5А, LM317T, КР142ЕН12А.

В данной схеме используется микросхема LM317T из-за высокой надежности, механической прочности и малой стоимости. Стабилизатор предназначен для работы в понижающих, повышающих стабилизированных преобразователях напряжения.

Стабилизатор имеет следующие параметры:

— максимальное входное напряжение, В 5,12;

— ток нагрузки, А 2;

— нестабильность по напряжению, % 0,05;

— нестабильность по току, % 1,33;

— температурный диапазон, С от минус 10 до +70;

1.4.7 Блок индикации

Для регистрации полученных результатов операций микроконтроллера необходим блок индикации, в который входят индикатор и два сдвиговых регистра. Индикаторы, выполненный на светодиодах, соответственно выводят полученный результат, а регистры необходимы для преобразования двоично-десятичного кода в семисегментный, поступающего на индикатор с микроконтроллера.

В качестве индикатора использован АЛС335Б (обратного свечения). Полупроводниковые индикаторы имеют высокую яркость, низкое рабочее напряжение, большой срок службы, устойчивость к механическим воздействиям.

Данный блок индикации обладает следующими параметрами, следующими параметрами:

— максимальный допустимый ток, мА 25;

— максимальный импульсный ток, мА 200;

— высота знаков, мм 12;

— цвет красный;

— максимум спектра, мкм от 0,56 до 0,57.

Для реализации вывода результата на индикатор, имеющий обратное свечение, необходимо использовать устройство, преобразующее двоичный код в семисегментный. В качестве регистров могут использоваться следующие типы микросхем К155ИД9, КР1533ИД7, 74HC595. Из них выбирается микросхема 74HC595, так как для него не требуются дополнительных устройств для согласования.

Назначение выводов микросхемы 74HC595:

— Q0. Q7 — управляемые выводы. Могут находится в трёх состояниях: логическая единица, логический ноль и высокоомное Hi-Z состояние;

— GND — земля;

— Q7? — выход предназначенный для последовательного соединения регистров;

— MR — сброс регистра;

— SH_CP — вход для тактовых импульсов;

— ST_CP — вход «защёлкивающий» данные;

— OE — вход переводящий выходы из HI-Z в рабочее состояние;

— DS — вход данных;

— VCC — питание 5 В.

1.5 Описание схемы электрической принципиальной

При подключении устройства к PCI интерфейсу на плату диагностики подаётся питание 5 В., под воздействием которого происходит обнуление всех регистров контроллера и устройство переходит в режим ожидания, запускается генератор тактовых импульсов (ГТИ).

Сигналы с PCI шины компьютера AD0-AD15, C/BE0-C/BE3, CLK, RST, FRAME, IRDY, TRDY, IDSEL, DEVSEL, назначение которых приведено в приложении В, подаются на ПЛИС DD1, которая запрограммирована в соответствии см. приложение Г, на которой реализовано простейшее Target PCI устройство вывода по фиксированному адресу 080H. EPM3064ALC44−10 запрограммирована при помощи ПО фирмы Altera прямо в изготовленном устройстве через специальный разъем JTAG. Для программирования используется специальный кабель ByteBlaster MV, подключаемый к LPT порту компьютера. При каждом поступлении POST кода с шины PCI этот POST код защелкивается во внутреннем 8-разрядном регистре ПЛИС, преобразуется в шестнадцатеричный семи сегментный код и в последовательном виде через буферный элемент DD1:1 поступает на сдвиговые регистры DD2, DD3.

По сигналу загрузки DATA_STORE, проходящему изПЛИС через буферный элемент DD1:4, POST код переписывается из внутренних последовательных регистров DD2, DD3 в их внутренние параллельные регистры и, через ток ограничительные резисторы R9. R25, подается на сдвоенный семи сегментный индикатор HL3 для индикации. Кроме того, две точки на индикаторе HL3 служат для отображения состояния сигналов RST и CLK PCI шины компьютера. Свечение точки соответствует наличию активного сигнала синхронизации CLK шины PCI, зажигание левой точки — наличию активного сигнала RST шины PCI.

На элементах DD1:2, DD1:6, DD1:5, DD1:3 собран тактовый генератор, который обеспечивает независимость работы узла индикации в случае срыва генерации CLK PCI шины в неисправном компьютере. Так как на некоторых моделях материнских плат на PCI слотах отсутствует напряжение +3,3 В, то для питания ПЛИС на ИС DD2 собран стабилизатор напряжения +3,3 В. Светодиоды VD1-VD2, VD3 служат для индикации наличия напряжений питания +12 В; -12 В; +3,3 В; +5 В, в слоте PCI, в который подключена.

2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Расчет надежности

Надежность — это свойство изделия сохранять работоспособность в течение заданного интервала времени при заданных условиях эксплуатации.

Надежность рассчитывается для того, чтобы определить, сколько времени изделие будет сохранять свою работоспособность при заданных условиях эксплуатации, то есть определение гарантийного срока службы изделия.

Различают три вида расчета:

— прикидочный;

— ориентировочный;

— окончательный.

Окончательный расчет проводится на этапе технического проектирования, когда отработана схема, выбрана элементная база, определены все режимы работы элементов и известны условия эксплуатации. Обязательно оценивается гарантийный срок.

Для упрощения расчета надежности принимаются два допущения:

— в устройстве имеется основное соединение элементов;

— отказы носят случайный и независимый характер.

Расчет надежности осуществляется по формуле:

_у = kЧa_iЧ_oi Чn_i^, (1)

где, л_у- интенсивность отказов;

К_л-поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации;

a_i-поправочный коэффициент, учитывающий режим работы элементов и температура внутри блока;

л_oi-интенсивность отказа элементов, работающих в номинальном режиме при нормальных условиях эксплуатации;

n_i-количество однотипных элементов, работающих в одинаковом режиме при одинаковой температуре внутри блока.

Исходные данные для расчета интенсивности отказов занесены в таблицу 3.

Таблица 3

Так как устройство разработано, в основном, для ЭВМ, то поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации будет равен К_л= 1.

Исходя из формулы (1) отказов будет равна:

л_y=1.0Ч12.4Ч10^-6=12,4Ч10^-6 (1/ч).

Среднее время наработки до первого отказа определяется по формуле:

(2)

Таким образом, исходя из формулы (2) среднее время наработки до первого отказа равно:

Тср =10⁶ / 12,5 =80 645 (ч).

Для построения графика зависимости вероятности безотказной работы от времени рассчитывается значение вероятности безотказной работы по формуле:

Р (t) = e^-t, (3)

При л_y меньше 0.1 вероятность безотказной работы с достаточной степенью точности может быть рассчитана по формуле:

Р (t) = 1-, t (4)

Результаты расчетов занесены в таблицу 4.

Таблица 4

Зависимость вероятности безотказной работы представлена на рисунке 11, где по оси ординат берется линейный масштаб, а по оси абсцисс — логарифмический.

Гарантийный срок службы изделия определяется на уровне 0,7. При этом Р (t) устройства будет равен 0,355. Отсюда гарантийный срок службы будет равен:

tг = 0,355/= 0,355/12,4 Ч 10⁶ = 28 629 (ч).

Исходя из того, что в году 365 дней, и устройство будет использоваться 12 часов в сутки, гарантийный срок службы будут равен:

tг = 3,3 г.

2.2 Расчет печатной платы

Для Post Card изготавливается двусторонняя печатная плата из фольгированного стеклотекстолита марки СФ-2−50−1,5, так как он имеет высокую механическую прочность, влагостойкость, термостойкость и при сверлении отверстий шероховатость поверхности значительно меньше, чем у гетинакса, выдерживает неоднократную перепайку. Плата изготавливается комбинированным позитивным методом с сухим фоторезистом.

Параметры печатной платы можно разделить на электрические и конструктивные.

Электрические параметры — параметры, связанные с электрическими величинами:

— ширина печатного проводника;

— электрическое сопротивление;

— паразитная индуктивность;

— паразитная емкость.

Конструктивные параметры:

— размеры печатной платы;

— диаметр отверстий и их количество;

— диаметры контактных площадок;

— минимальное расстояние между центрами двух отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Ширина печатного проводника определяется по формуле:

(5)

где, j — плотность тока, А/мм²;

h — толщина фольги, мм;

t — ширина печатного проводника, мм;

I — максимальный ток протекающий по проводнику, А.

Максимальный ток, протекающий по проводнику I = 0,0002 А. Толщина фольги h = 0,05 мм. Для ЭВМ берется плотность тока, равная 0,35 А/мм.

Таким образом, исходя из формулы (5), минимальная ширина печатного проводника будет равна:

Выбор расстояния между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрической прочности. Поскольку материал для изготовления печатной платы фольгированный стеклотекстолит, то при рабочем напряжении до + 25 В минимальное расстояние между печатными проводниками может составлять (от 0,1 до 0,2) мм.

Учитывая малые расстояния между выводами микросхем и высокую плотность монтажа, выбирается третий класс точности изготовления печатной платы.

Основные параметры третьего класса точности:

— ширина печатного проводника t = 0,25 мм;

— расстояние между двумя печатными проводниками, S = 0,25 мм;

— радиальная ширина контактной площадки, b = 0,1 мм.

Плата изготовлена комбинированным позитивным методом с сухим фоторезистом, следовательно, удельное сопротивление меди равно R = 0,02 Ом-мм²/м.

Сопротивление печатного проводника определяется формуле:

(6)

где, 1 — длина самого протяженного проводника, 1=0,028 м.

Исходя из формулы, (6) рассчитано сопротивление печатного проводника:

Для выбора размера печатной платы нужно найти площадь печатной платы, которая определяется по формуле:

(7)

где, F_эрэ-площадь, занимаемая ЭРЭ определяется по установочным размерам или площади, занимаемой элементом на плате, мм²;

F_то-площадь, занимаемая технологическими или крепежными отверстиями, мм²;

F_CB-площадь, которая не должна заниматься электрорадиоэлементами по конструктивным соображениям;

К₃-коэффициент заполнения печатной платы.

Исходные данные для определения площади, занимаемой ЭРЭ, занесены в таблицу 5.

Площадь, занимаемая технологическими и / или крепежными отверстиями, определяется по формуле:

(8)

Таблица 5

Так как плата будет крепиться винтами М2,5, то диаметр технологического отверстия будет равен 2,7 мм.

Для проектируемой печатной платы POST Card F_CBравна 14,5.

Для проектируемой печатной платы POST Card F_CBравна 0.

Коэффициент заполнения печатной платы выбирается из следующих соображений:

— если Кз менее значения 0,3, то, следовательно, компоновка плохая;

— если значение Кз более 0,8, то усложняется обеспечение теплового режима и электромагнитной совместимости.

Исходя из выше сказанного, принимаем значение Кз равное 0,7.

Следовательно, площадь печатной платы:

Далее необходимо выбрать габаритные размеры печатной платы, при этом учитываются, что размеры сторон должны быть кратны 2.5. Принимаем длину платы 60 мм, а ширину 45 мм.

Реальный коэффициент заполнения печатной платы определяется по формуле:

(9)

где, А — длина печатной платы;

В-ширина печатной платы.

Исходя из формулы (9), реальный коэффициент заполнения равен:

.

Определение диаметров монтажных отверстий производится, учитывая следующие требования:

— диаметр монтажного отверстия должен быть такой, чтобы в него свободно входил вывод радиоэлемента;

— его величина не должна быть слишком большой, иначе будет большой коэффициент непропайки.

Определяется этот диаметр по формуле:

d₀=d_B+ (10)

Диаметр для 0,8 равен:

d₀=0,8+0,3=1,1.

Диаметр для 0,6 равен:

d₀=0,6+0,2=0,8.

гдеd_B — диаметр вывода ЭРЭ, мм.

Если d_B<0,8 мм, то = 0,2 мм. Если d_B>0,8 мм, то = 0,3 мм.

При d_B =0,6 мм, = 0,2 мм=>d₀= 0,8. При d_в = 1,2 мм,= 0,3 мм=>d₀= 1,5.

Результаты расчета диаметров монтажных отверстий сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Диаметры контактных площадок определяются по формуле:

(10)

где, b — радиальная ширина контактной площадки, мм;

d — предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм;

T_d — значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм;

T_D-значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм.

Согласно ГОСТ 23 751–86 для печатных плат третьего класса точности: b = 0,1; для отверстий с диаметром до 1 мм с металлизацией предел отклонения диаметра d = 0,1 мм и, так как размер печатной платы по большей стороне меньше 180 мм, то T_d = 0,08 мм; Т₀ = 0,15 мм — для двусторонней платы.

Диаметр контактных площадок при диаметре отверстий 0,8 мм равен:

.

Диаметр контактных площадок при диаметре отверстий 1,1 мм равен:

Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для размещения нужного количества проводников определяется по формуле:

(11)

где, — диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладываются проводники, мм;

n — количество, прокладываемых проводников;

— предельное отклонение ширины печатного проводника, мм;

Т_е — значение позиционного допуска расположения печатного проводника, мм.

Исходя из формулы (11), минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий, с диаметром 0.8 мм., для прокладки одного проводника равно:

Для двух проводников — 2,73; для трех — 3,28; для четырех — 3,83.

Исходя из формулы (11), минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий, с диаметром 1.1 мм., для прокладки одного проводника равно:

Для двух проводников — 2,93; для трех — 3,48; для четырех — 4,03.

2.3 Трассировка печатной платы с помощью ЭВМ

Трассировка печатной платы выполнена с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР), P-CAD 2001. Верхний слой представлен на рисунке.

2.4 Описание конструкции

Корпус разработанной Post Card изготовлен из ударопрочного полистирола марки УМП-0612−06, ОСТ6.054.048 методом литья под давлением. Толщина стенок корпуса — 2 мм, габаритные размеры: 115Ч90Ч20 (мм). Он состоит из основания и крышки. В основании имеются 4 прилива, высотой 5 мм, для крепления платы и крышки.

Плата изготавливается из двустороннего фольгированного стеклотекстолита марки СФ2−50−35 комбинированным позитивным методом с нанесением сухого фоторезиста и соответствует третьему классу точности. Толщина платы 1,5 мм. Плата крепится к приливам винтами М2.5 Крышка корпуса крепится 2 винтами М12.5×10 с потайной с головкой в потай. На передней панели корпуса имеются четыре отверстия для светодиодов и одно отверстие для симисегментного двухразрядного индикатора.

При использовании прибора в качестве тестера печатная плата должна монтироваться в корпус таким образом, чтобы панель для микросхемы оставалась доступной. Это следует производить при отключенном напряжении питания, уделяя особое внимание правильной установке в панель тестируемого ПК (первый вывод IC1 должен строго соответствовать первому выводу панели). Микросхема при работе устройства может незначительно нагреваться до +30…+40°С.

Разработанное устройство является малогабаритным, надежным, ремонтопригодным и простым в эксплуатации.

3. Технологическая часть

3.1 Анализ технологичности конструкции

Технологичность — это свойство изделия, которое заключается в минимальных затратах материальных средств и времени на его проектирование, техническую подготовку, производство и изготовление, эксплуатацию и ремонт.

В процессе проектирования POST Card приняты следующие условия технологичности:

— использовались унифицированные и стандартизованные электрорадиоэлементы;

— заложенные возможности автоматизации и механизации процессов производства;

— использованы прогрессивные методы формообразования изделий;

— введено ограничение и сокращение номенклатуры материалов, используемых в составных частях изделия.

Для подтверждения этого проводится количественная оценка технологичности согласно ОСТ 4Г0.091.219. Этим стандартом рекомендуется из всего многообразия выбирать семь базовых показателей технологичности изделия, которые наиболее значительны.

Основным показателем, используемым для оценки технологичности конструкции, является комплексный показатель технологичности, который определяется с помощью базовых показателей по формуле:

(12)

где, Ki — значение частных показателей технологичности;

i — порядковый номер показателя в ранжированной последовательности;

— n — общее количество частных показателей;

—  - функция, нормирующая весовую значимость коэффициента.

Комплексный показатель технологичности сравнивается с нормативным для данной группы изделий. Изделие считается технологичным, если выполняется следующее условие:

Базовые показатели технологичности:

— коэффициент использования микросхем;

— коэффициент автоматизации и механизации монтажа;

— коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу;

— коэффициент автоматизации и механизации контроля и настройки;

— коэффициент повторяемости ЭРЭ;

— коэффициент применяемости ЭРЭ;

— коэффициент прогрессивного формообразования,

Для расчета коэффициента технологичности изделия необходимо составить таблицу в которой будет находиться исходная информация.

Вначале необходимо найти значения всех вышеперечисленных частных показателей технологичности.

Таблица 7

Коэффициент использования микросхем определяется по формуле:

(13)

где, Н_мс — число ИМС и транзисторов в изделии;

Н_эрэ — число электро-радиоэлементов в изделии.

Исходя из формулы (13), коэффициент использования микросхем равен:

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия определяется по формуле:

(14)

где, Н_АМ — количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным или автоматизированным способом;

Н_М — общее количество монтажных соединений.

Исходя из формулы (14), коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия равен:

Коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу определяется по формуле:

(15)

где, Н_МПЭРЭ-кол-во ЭРЭ, шт., подготовка которых к монтажу осуществляется автоматизированным способом;

Н_МПЭРЭ-кол-во ЭРЭ, шт., подготовка которых к монтажу осуществляется автоматизированным способом.

Исходя из формулы (15), коэффициент автоматизации и механизации подготовки электро — радиоэлементов к монтажу равен:

Коэффициент автоматизации и механизации контроля и настройки электрических параметров определяется по формуле:

(16)

где, Н_мкн — число операций контроля и настройки, которые выполняются автоматизированным способом;

Н_кн" - общее число операций контроля и настройки.

Исходя из формулы (16), коэффициент автоматизации и механизации контроля и настройки электрических параметров равен:

Коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов определяется по формуле:

(17)

где, Н_ТЭРЭ — общее кол-во типоразмеров ЭРЭ в изделии.

Исходя из формулы (17), коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов равен:

Коэффициент применяемости электрорадиоэлементов определяется по формуле:

(18)

где, Н_ТОРЭРЭ — кол-во типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии.

Исходя из формулы (18), коэффициент применяемости электрорадиоэлементов равен:

.

Коэффициент прогрессивности формообразования определяется по формуле:

(19)

где Д_ПР — кол-во деталей, шт., которые получены прогрессивными методами формообразования (штамповкой, прессованием, литьем из профилированного материала и др.);

Д — общее кол-во деталей без нормализованного крепежа.

При расчете комплексного показателя технологичности учитываются весовые значимости частных коэффициентов технологичности:

Весовые коэффициенты, используемые в расчете, приведены в таблице 8.

Таблица 8 — Значения весовых коэффициентов

Исходя из полученного результата, можно сделать вывод о том, что изделие является технологичным.

3.2 Технология изготовления печатной платы

диагностика печатный плата вычислительный

Толщина печатной платы составляет 1,5 мм. Для ее изготовления выбран фольгированный стеклотекстолит марки СФ2−50−1,5.

Для изготовления двусторонней печатной платы третьего класса точности выбираем комбинированный позитивный метод с нанесением сухого фоторезиста.

Этот метод включает в себя следующие операции:

— получение заготовки с припуском 10 мм по периметру;

— подготовка поверхности (механическая зачистка, промывка, обезжиривание);

— сверление монтажных отверстий на станке с числовым программным управлением (ЧПУ);

— металлизация отверстий, включающая в себя химическое и гальваническое меднение;

— нанесение сухого фоторезиста с помощью ламинаторов;

— фотолитография (используется позитивный фотошаблон с высокой точностью изготовления);

— засвечивание рисунка (задублевание фоторезиста в пробельных местах под действием ультрафиолетового света);

— удаление незадубленного фоторезиста с пробельных мест;

— стравливание меди с пробельных мест (опускание платы в хлорное железо);

— оплавление оловом для улучшения пайки;

— нанесение маски (покрытие готовой платы лаком через трафарет);

— упаковка платы в полиэтиленовый пакет.

Достоинства такого метода изготовления платы:

— высокая плотность монтажа;

— 100% металлизация отверстий;

— автоматизация процесса.

Также имеется один недостаток: требуется новое оборудование для получения высокой точности в фотолитографии.

3.2.1 Получение заготовок

Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами (1000…1200) мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Для резки фольгированных диэлектриков используют роликовые одноножевые, многоножевые и гильотинные прецизионные ножницы. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50×50 до 500×900 мм при толщине материала (0,025…3) мм. Скорость нарезания плавно регулируется в пределах (2…3,5) м/мин. Точность нарезания — 1 мм. Для удаления пыли, образующейся при нарезании заготовки, ножницы оборудованы пылесосом. Из листов фольгированного диэлектрика одноножевыми роликовыми ножницами нарезаются заготовки с припуском на технологическое поле по 10 мм с каждой стороны. Далее с торцов заготовки напильником снимаются заусенцы во избежание повреждения рук во время технологического процесса. Качество снятия заусенцев определяется визуально.

Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.

3.2.2 Пробивка базовых отверстий

Базовые отверстия необходимы для фиксации плат во время технологического процесса. Сверление отверстий является разновидностью механической обработки. Это одна из самых трудоемких и важных операций. При сверлении важнейшими характеристиками являются: конструкция сверлильного станка, геометрия сверла, скорость нарезания и скорость осевой подачи. Для правильной фиксации сверла используются специальные высокоточные кондукторы и мощные пылесосы для моментального удаления стружки из зоны сверления. Так как стеклотекстолит является высоко абразивным материалом, применяются твердосплавные сверла. Применение сверл из твердого сплава позволяет повысить производительность труда при сверлении и улучшить чистоту обработки отверстий. В большинстве случаев заготовки сверлят в пакете (высота пакета до 6 мм). Заготовки собираются в кондукторе, закрепляются на сверлильном станке и просверливаются базовые отверстия.

3.2.3 Подготовка поверхности заготовок

Качество подготовки поверхности имеет большое значение как при нанесении фоторезиста, так и при осаждении металла.

Широко используют химические и механические способы подготовки поверхности или их сочетания. Консервирующие покрытия легко снимаются органическим растворителем, с последующей промывкой в воде и сушкой. Окисные пленки, пылевые и органические загрязнения удаляются последовательной промывкой в органических растворителях (ксилоле, бензоле, хладоне) и водных растворах фосфатов и соды. Удаление оксидного слоя толщиной не менее 0,5 мкм производят механической очисткой щетками или абразивными валиками. Недостаток этого способа — быстрое зажиривание очищающих валиков, а затем, и очищающей поверхности. Часто для удаления оксидной пленки применяют гидроабразивную обработку Высокое качество зачистки получают при обработке распыленной абразивной пульпой. Гидроабразивная обработка удаляет с фольги заусенцы, образующиеся после сверления, и очищает внутренние медные торцы контактных площадок в отверстиях многосторонних печатных плат от эпоксидной смолы.

Высокое качество очистки получают при гидроабразивной обработке с использованием водной суспензии. На этом принципе работают установки для зачистки боковых поверхностей заготовок и отверстий печатных плат нейлоновыми щетками и пемзовой суспензией. Обработка поверхности производится вращающимися латунными щетками в струе технологического раствора. Установка может обрабатывать заготовки максимальным размером 500×500 мм при их толщине (0,1…3) мм, частота вращения щеток 1200 об/мин, усилие нажатия плат к щеткам 147 Н. Химическое удаление оксидной пленки (декапирование) наиболее эффективно осуществляется в 10%-ном растворе соляной кислоты. К качеству очистки фольгированной поверхности предъявляют высокие требования, так как от этого, зависят адгезия фоторезиста и качество рисунка схемы.

3.2.4 Сверление отверстий

Наиболее трудоемкий и сложный процесс в механической обработке печатных плат — получение отверстий под металлизацию. Их выполняют, главным образом, сверлением, так как сделать отверстия штамповкой в приемлемых для производства платах стеклопластика трудно. Для сверления стеклопластиков используют твердосплавный инструмент специальной конструкции. Применение инструмента из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и зенковании и улучшить чистоту обработки отверстий. Чаще всего сверла изготавливают из тверд оуглеродистых сталей марок У-7, У-10 и У-18. В основном используют две формы сверла: сложно профильные и цилиндрические. Так как стеклотекстолит является высоко абразивным материалом, то стойкость сверл невелика. Так, например, стойкость тонких сверл — около 10 ООО сверлений.

При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать такие особенности, как точность расположения отверстий, необходимость обеспечения абсолютно гладких и перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев и так далее. Точность и качество сверления зависят от конструкции станка и сверла. В настоящее время используют несколько типов станков для сверления печатных плат.

Перед сверлением отверстий необходимо подготовить заготовки и оборудование к работе. После сверления необходимо удалить стружку и пыль с платы и продуть отверстия сжатым воздухом. После этого следует проверить количество отверстий и их диаметры, проверить качество сверления. При сверлении не должно образовываться сколов, трещин. Стружку и пыль следует удалять сжатым воздухом.

3.2.5 Металлизация отверстий

Она включает химическое и гальваническое меднение. Химическое меднение является первым этапом металлизации отверстий. При этом возможно получение плавного перехода от диэлектрического основания к металлическому покрытию, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Процесс химического меднения основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей. Толщина слоя химически осажденной меди (0,2…0,3) мкм. Химическо емеднение можно проводить только после специальной подготовки — каталитической активации, которая может проводиться одноступенчатым и двухступенчатым способами. При двухступенчатой активации печатную плату сначала обезжиривают, затем декапируют торцы контактных площадок. Далее следует первый шаг активации — сенсибилизация, для чего платы опускают на (2…3) мин в соляно-кислый раствор дихлорида олова. Второй шаг активации — палладирование, для чего платы помещают на (2…3) мин в соляно-кислый раствор дихлорида палладия. Адсорбированные атомы палладия являются высокоактивным катализатором для любой химической реакции. При одноступенчатой активации предварительная обработка (обезжиривание и декапирование) остается той же, а активация происходит в коллоидном растворе, который содержит концентрированную серную кислоту и катионы палладия при комнатной температуре. Слой химически осажденной меди обычно имеет небольшую толщину (0,2…0,3) мкм, рыхлую структуру, легко окисляется на воздухе, непригоден для токопрохождения, поэтому его защищают гальваническим наращиванием (затяжкой) (1…2) мкм гальванической меди. После гальванической затяжки слой осажденной меди имеет толщину (1…2) мкм. Электролитическое меднение доводит толщину в отверстия до 25 мкм, на проводниках — до (40…50) мкм. Чтобы при травлении проводники и контактные площадки не стравливались их необходимо покрыть защитным металлическим покрытием. Существуют различные металлические покрытия (в основном сплавы), применяемые для защитного покрытия. В данном технологическом процессе применяется сплав олово-свинец. Сплав олово-свинец стоек к воздействию травильных растворов на основе персульфата аммония, хромового ангидрида и других, но разрушается в растворе хлорного железа, поэтому в качестве травителя раствор хлорного железа применять нельзя.