Разработка устройства сопряжения для блока обмена информацией специализированного бортового комплекса

Разработка устройства сопряжения для блока обмена информацией специализированного бортового комплекса

Разрабатываемое устройство представляет собой шлюз для связи центрального процессора с периферийными устройствами (далее устройство сопряжения или УС), входит в состав блока обмена информацией (далее БО), который в свою очередь входит в состав специализированного бортового комплекса. УС служит для связи бортового специального вычислительного комплекса (далее БЦСК) со специальной телеметрической измерительной и приемной аппаратурой (далее СТИ), а так же с прочей специальной аппаратурой (далее СА) и блоками датчиков (БД). Весь этот бортовой комплекс (далее БК) входит в состав комплекса аппаратуры, предназначенного для установки на один из спутников КОСПАС-САРСАТ и служит не только для приема сигналов бедствия с аварийных радиобуев и передачи координат бедствия службам спасения, но и для других задач, связанных с навигацией и управлением, требующих вычислительных мощностей. При этом включение БК, выбор номера процессора в вычислителе спутника осуществляется с земли через блок СТИ, который выдает разовые команды на включение определенного процессорного блока в БЦСК, и при отсутствии отклика от спутника, переключает на другой из каналов БЦСК. При этом конструкцией БК обеспечивается 3−4 кратное резервирование, что обусловлено применением в комплексе более старых разработок, имеющих различное резервирование. Оно необходимо для неремонтируемой аппаратуры космического применения.

Разработанное устройство сопряжения (далее УС) предназначено для сопряжения параллельной шины БЦСК, имеющей скорость передачи 1 Мбайт/сек, с последовательными мультиплексными каналами ГОСТ Р 52 070 — 2003 (стандарт США MIL 1553L B Манчестер 2) (далее МКО) и последовательной шиной SBUS, имеющей скорость обмена информацией около 2Мбит/сек, предназначенной для связи с малоудаленными абонентами, и являющейся внутренним стандартом ФГУП «ЦНИРТИ».

Основанием для разработки являлась потребность в объединении в одном устройстве нескольких протоколов связи и необходимостью снижения массогабаритных характеристик и энергопотребления аппаратуры космического применения. Реализация этого требования возможна только при переходе на новую элементную базу, значительно более высокой степени интеграции, в том числе ПЛИС.

Конструктивно УС должно быть выполнено на одной многослойной печатной плате (МПП), и предназначено для бортового применения в условиях космоса в гермоконтейнере, при температурном режиме от +5 до +25 градусов Цельсия.

1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И РАЗРАБОТКА ТЗ НА КОНСТРУИРОВАНИЕ

1.1 Исходные данные Разработать конструкцию шлюза для связи центрального процессора с периферийными устройствами (далее устройство сопряжения или УС).

УС предназначен для бортового применения в условиях гермоконтейнера и должен сохранять работоспособность при температуре окружающей среды от + 5 °C до +25 °С, влажности до 93% и изменении давления в пределах (0,66…106,6) кПа. Время безотказной работы устройства 5 лет.

1.2 Техническое задание

1.2.1 Основание для разработки Основанием для разработки является задание на курсовое проектирование.

1.2.2 Цель и задачи разработки Целью разработки является комплект конструкторской документации для учебного процесса.

Задачами разработки являются:

— схемотехническая отработка конструкции изделия;

— разработка конструкции изделия;

— расчет показателей качества изделия;

— оформление конструкторско-технологической документации.

1.3 Технические требования

1.3.1 Состав изделия и требования к его конструкции Конструктивно УС должно быть выполнено на одной МПП, устанавливающуюся на кросс плату через один разъем типа СНП34 — 135, и предназначено для бортового применения в условиях гермоконтейнера.

1.3.2 Показатели назначения Блок должен обеспечивать следующие значения функциональных параметров:

— номинальное напряжение питания ±5 В постоянного тока;

— потребляемая мощность блока не более 10 Вт.

1.3.3 Требования к надежности Вероятность безотказной работы за время 5 лет составляет 0,9.

1.3.4 Требования к безопасности Изделие должно быть электробезопасным в процессе производства, эксплуатации. Руководствоваться общими требованиями техники безопасности к аппаратуре ГОСТ 12.2.007−75.

1.3.5 Эстетические и эргономические требования По эстетическим и эргономическим требованиям изделие должно соответствовать требованиям, предъявляемым к современным конструкциям аппаратуры.

1.3.6 Условия эксплуатации Блок предназначен для эксплуатации при следующих факторах внешних воздействий:

— диапазон рабочих температур +5…+25^оС;

— относительная влажность (93−100)% при температуре +25 С;

— минимальное давление окружающей среды 0.66*10³ Па

1.3.7 Дополнительные требования Изделие должно быть выполнено по планарной технологии. Элементы должны быть выбраны в соответствии с условиями эксплуатации.

1.3.8 Требования к транспортировке и хранению Транспортировка изделия допускается всеми видами транспорта в специально разработанной упаковке. Устройство в транспортной таре должно выдерживать воздействие температур от — 50 до +50 °С, относительной влажности до 98%, давления до (0,19−1,08)хПа.

Хранение изделия должно производиться в капитальных отапливаемых помещениях на стеллажах в заводской упаковке.

1.4 Анализ технического задания

1.4.1 Анализ схемы Разработанное устройство сопряжения (далее УС) предназначено для сопряжения параллельной шины бортового специального вычислительного комплекса (БЦСК), имеющую скорость передачи 1Мбайт/сек, с последовательными мультиплексными каналами ГОСТ Р 52 070 — 2003 (стандарт США MIL 1553L B Манчестер 2) (далее МКО) и последовательной шиной SBUS, имеющей скорость обмена информацией около 2Мбит/сек, предназначенной для связи с малоудаленными абонентами, и являющейся внутренним стандартом ФГУП «ЦНИРТИ». Основными устройствами УС являются контроллер сопряжения, реализованный на ПЛИС семейства FLEX10K фирмы Altera, и контроллера интерфейса МКО, реализованного на 2х микросхемах BU-61 580 фирмы DDC (по одной на каждый канал).

DD1.4 является портом загрузки конфигурации ПЛИС. Загрузка конфигурации в ПЛИС возможно двумя способами: либо из последовательно конфигурационного ПЗУ, в режиме ISP (In-system programmability), т. е. произвести программирование ПЛИС непосредственно в составе системы без использования программатора (режим последовательной пассивной конфигурации (PS Mode)), на смонтированной плате, и программирование конфигурационного ПЗУ (режим программирования по порту JTAG (JTAG mode)).

Для хранения и загрузки конфигурации используются 2 включенные каскадно конфигурационные ПЗУ DD2, DD3 (микросхемы EPC2 фирмы Altera). Каскадное включение необходимо для увеличения максимального объема хранимой информации и рекомендовано изготовителем для данной микросхемы ПЛИС.

Далее перейдем к описанию вспомогательных устройств УС.

Для формирования синхросигнала контроллеров МКО служат импульсные генераторы меандра D2, D3 с фиксированной частотой 16МГц.

В качестве согласующих трансформаторов интерфейса МКО применены микротрансформаторы Т1-Т4 LPB-5014 фирмы DDC, рекомендованные производителем контроллеров МКО.

Резисторы R24 — R55 — защитные резисторы, через которые, при помощи перемычек Р1 — Р24, трансформаторы подключают к шине МКО. Их эквивалентное сопротивление должно быть 75±2% от волнового сопротивления шины, или 56±2 Ом.

1.4.2 Требования к элементам Элементы, применяемые в устройстве должны быть планарными и подобраны таким образом, чтобы было возможно обеспечить требуемые массогабаритные параметры изделия и условия указанные в п. 1.3.6.

1.4.3 Требования к массогабаритным свойствам Для комфортного использования масса разрабатываемого изделия должна быть не более 250 г, для этого суммарная масса печатной платы, радиоэлементов, корпуса, элементов крепления и паек также не должна превышать 250 г.

Расположение элементов на плате и параметры трассировки должны быть такими, чтобы габаритные размеры печатной платы не превышали 200*150*18 мм.

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ

2.1 Выбор метода конструирования Обобщенно конструирование можно представить как процесс исследования, выявления организации и отражения в конструкторской документации множества деталей, элементов, связей и параметров по заданной части множества элементов, связей параметров и воздействий.

Конструирование может быть реализовано различными методами. Существующие методы конструирования микроэлектронных РЭС и ЭВС подразделяются на 3 взаимосвязанные группы [3]:

· По видам связи

— геометрический метод;

— машиностроительный метод;

— топологический метод.

Геометрический метод характеризует связи при достаточно жестком с точки зрения жесткости взаимном расположении деталей — это главным образом кинематические связи.

Машиностроительный метод характеризуется применением механических связей, с помощью которых организуется взаимное расположение деталей.

Топологический метод — организация связей между деталями на основе топологии связей.

· По способу выявления и организации структуры связей между элементами:

— метод моноконструкций;

— функционально-модульный;

Метод моноконструкций — внутренняя структура не разделяется на составные части.

Функционально-модульный — основной технической единицей является модуль, выполняющий определенные функции.

· По степени автоматизации выявления структуры связей между элементами:

— автоматические;

— автоматизированные;

— алгоритмические.

2.2 Выбор конструкционных материалов

2.2.1 Выбор материала несущей конструкции Выбор материалов является важнейшим этапом конструирования. При выборе конструкционных материалов необходимо учитывать комплекс разнообразных взаимосвязанных физико-механических, химических, технологических и других требований.

Материалы конструкции должны отвечать следующим требованиям: высокая удельная прочность; малая плотность; электрохимическая, тепловая и технологическая совместимость; низкая стоимость.

Большое число марок материалов, близких по показателям качества, многообразие этих показателей, сложные ситуации, возникающие при анализе этих показателей, затрудняют однозначный выбор лучшего материала. Поэтому для объективной оценки качества того или иного материала по множеству характеристик рекомендуется использовать комплексный показатель качества.

В таблице 2.2.1 приведены основные характеристики материалов, предлагаемых для изготовления корпуса.

Таблица 2.2.1

Эти характеристики по-разному влияют на качество конструкции. Так при увеличении плотности увеличивается масса устройства, и качество конструкции в целом снижается. А ТКЛР корпуса должен быть согласован с ТКЛР подложки, чтобы свести к минимуму механические напряжения, возникающие при изменении температуры. Поэтому заменим плотность величиной обратной ей, а ТКЛР величиной обратной относительному отклонению ТКЛР корпуса от ТКЛР подложки (ТКЛР подложки б_подл=8· 10^_6 К^-1).

Результаты этих преобразований приведены в таблице 2.2.2.

Таблица 2.2.2

Теперь, когда лучшему случаю соответствует большее значение показателя, можно пронормировать показатели по максимуму, и на основе полученных дифференциальных показателей качества вычислить комплексный показатель качества для каждого материала по следующей формуле:

где б_i — дифференциальный показатель качества;

ц_i — весовой коэффициент (коэффициент влияния) данного показателя;

n — количество показателей.

Весовые коэффициенты назначаются исходя из того, какие характеристики материала наиболее критичны для данной конструкции. Так, для разрабатываемого устройства наиболее важны массогабаритные показатели, поэтому для плотности принимается ц=0,3. Поскольку общая рассеиваемая устройством мощность не велика, для коэффициента теплопроводности и ТКЛР ц=0,2. Для предела прочности ц=0,2 и для модуля упругости ц=0,1.

Результаты вычислений нормированных дифференциальных показателей качества и комплексного показателя качества для каждого материала представлены в таблице 2.2.3, из которой видно, что наибольший комплексный показатель качества имеет алюминиевый сплав Ал9.

Таблица 2.2.3

Таким образом в качестве материала крепежной рамки был выбран алюминиевый сплав Ал9, обладающий наибольшим комплексным показателем качества

2.2.2 Выбор материала печатной платы Большое число марок материалов близких по показателям качества и многообразие этих показателей затрудняют однозначный выбор лучшего материала. Поэтому для объективной оценки качества того или иного материала по множеству характеристик необходимо использовать комплексный показатель качества. Выбор материала диэлектрика проведем по комплексному показателю качества.

К материалу диэлектрика предъявляются следующие требования: он должен иметь малую плотность (из-за ограничений по массе); должен выдерживать высокие механические нагрузки; иметь высокий коэффициент теплопроводности для обеспечения теплообмена; низкий коэффициент температуры линейного расширения (ТКЛР) для предотвращения деформаций при повышенных температурах. Дифференциальные показатели качества материалов диэлектриков показаны в таблице 2.2.4.

Таблица 2.2.4

В данном случае два пути повышения качества материала. При уменьшении или увеличении каждого из дифференциальных показателей не имеют преимущества друг перед другом, так как нужно минимизировать или максимизировать одинаковое число параметров. Поэтому применяется второй вариант, для плотности и для ТКЛР берутся обратные величины. Нормирование показателей производится относительно максимальных значений в столбцах. Результаты нормирования, весовые коэффициенты и комплексные значения для диэлектриков приведены в таблице 2.2.5.

Таблица 2.2.5

При сравнении комплексных показателей и с учетом требований ТЗ следует, что наиболее подходящим материалом является фольгированный стеклотекстолит. Марка стеклотекстолита определяется после построения топологии печатной платы и определения количества слоев печатной платы, необходимых для реализации модуля УС.

2.3 Синтез конструкции Топологическое конструирование плат ведется с помощью программы САПР PCAD 2006.

Топологическая схема разработанной ПП представлена на чертеже МАИ.201 210.013

Сборочный чертеж модуля УС представлен на чертеже МАИ.201 210.013 СБ Таким образом, в результате высокой плотности проводящего рисунка, получено, что минимальные зазоры между проводниками составляют 0,2 мм, а минимальная ширина проводников 0,2 мм. Для определения требуемого класса точности воспользуемся таблицей 2.3.1.

Таблица 2.3.1

Таким образом, топология ПП должна разрабатываться в соответствии с третьем классом точности, что реализуемо на современном отечественном оборудовании.

Т.к. в качестве материала для ПП был выбран фольгированный стеклотекстолит, то для реализации 2х сторонней ПП подойдет стеклотекстолит СОНФ-2−18−1,5 ТУ 16−503.204−80 толщиной 1,5 мм.

2.4 Предварительный выбор системы обеспечения теплового режима Вид системы охлаждения устройства определяется поверхностной плотностью теплового потока, уносимого теплоносителем из РЭС в окружающую среду. В таблице 2.4 представлены величины поверхностной плотности теплового потока, характерные для различных систем охлаждения.

Таблица 2.4

Произведем предварительный выбор системы обеспечения теплового режима разрабатываемого устройства.

В расчетах примем КПД устройства равным нулю. Это допущение позволяет получить завышенное значение теплового потока, благодаря чему выбранная теоретически система охлаждения блока, гарантировано, с запасом, сможет обеспечить нормальный тепловой режим и на практике. Тепловой поток, рассеиваемый поверхностью теплообмена конструкции Р=10 Вт Определяем поверхностную плотность теплового потока Р_s:

P_s = P / S_к, (2.4.1)

где Р — тепловой поток, Вт.

P_s=10/0,061=163,8 Вт/м² .

Находим площадь поверхности теплообмена конструкции Sк:

S_к = 2 · (L_x · L_y + L_x · L_z + L_y · L_z), (2.4.2)

S_к = 2· (0,2·0,15+0,2·0,0015+0,15·0,0015) = 0,061 м².

В значение P_s вводится поправка на давление окружающей среды:

К_н = 1 / (H_min / H_норм)^½, (2.4.3)

где H_min — минимальное давление окружающей среды, мм.рт.ст;

H_норм. — нормальное давление окружающей среды, мм.рт.ст.

К_н = 1 / (5,016 / 760)^½=12,309

С учетом этой поправки находим, что:

P_s^* = P_s · K_н, (2.4.4)

P_s^* = 163,8 · 12,309 = 2,016*10? Вт/м² = 0,2 Вт/см²

Допустимый перегрев конструкции вычисляется по формуле:

Дt_доп = t_{эл min} — t_с max, (2.4.5)

Дt_доп = 85−25 =70 ⁰С, где t_{эл min} = 85 ⁰С — допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента ;

t_с max = 25 ⁰С — максимальная температура окружающей среды.

Значения t_доп и P_s^* таковы, что нормальный тепловой режим конструкции будет обеспечен при естественном воздушном охлаждении.

2.5 Выбор элементной базы Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом требований изложенных в техническом задании. Эксплуатационная надежность элементной базы во многом определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и их использовании в режимах, не превышающие допустимые. Следует отметить, что ниже рассматриваются допустимые режимы работы и налагаемые при этом ограничения в зависимости от воздействующих факторов лишь с точки зрения устойчивой работы самих элементов, не касаясь схемотехники и влияния параметров описываемых элементов на другие элементы.

Критерием выбора электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются:

а) эксплуатационные параметры:

— диапазон рабочих температур;

— относительная влажность воздуха;

— давление окружающей среды;

— вибрационные нагрузки;

— другие (специальные) показатели.

б) технические параметры:

— номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схеме устройства;

— допустимые отклонения величин ЭРЭ от их номинального значения;

— допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;

— допустимое рассеивание мощности ЭРЭ;

— диапазон рабочих частот ЭРЭ;

— коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются:

— унификация ЭРЭ;

— масса и габариты ЭРЭ;

— наименьшая стоимость;

— надежность.

Так как проектируемая аппаратура имеет бортовое космическое назначение, то на передний план выходят потребляемая мощность и надежность, так как мощность бортовых источников питания ограниченна, массогабаритными характеристиками, из-за высокой стоимости вывода на орбиту грузов, а так же разрабатываемая аппаратура является необслуживаемой в течение всего срока эксплуатации.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия и минимизацию ее размеров.

В разрабатываемом устройстве должны применятся ЭРЭ только с планарными выводами.

2.5.1 Выбор элементной базы контроллера сопряжения В настоящее время существуют следующие основные принципы построения цифровых устройств в зависимости от элементной базы:

1. на дискретных элементах с «жесткой логикой» — этот способ построения хорошо освоен в нашей стране, имеется большая номенклатура цифровой элементной базы в интегральном исполнении как зарубежного, так и отечественного производства, большой набор компонентов допущенных к применению в бортовой аппаратуре. Вместе с тем такая элементная база имеет и существенные недостатки: малая степень интеграции и как следствие большая потребляемая мощность и массогабаритные характеристики при выполнении сложных устройств. Так же сильно снижается гибкость при проектировании, т.к. практически исключена возможность внесения изменений и доработок в готовые устройства.

2. устройства с памятью — к ним относятся микропроцессоры и микроконтроллеры общего назначения. На данный момент используются в основном микросхемы иностранного производства, т.к. микросхемы выпускаемые отечественной промышленностью технически и морально устарели. Основными лидерами в этой области являются фирмы INTEL, ATMEL, MOTOROLA. Классическим примером таких устройств являются микросхемы серий MCS-51, MCS-96, выпускаемых фирмой INTEL, имеющие огромное число аналогов у других производителей.

Они имеют следующие достоинства:

— 16 разрядная шина данных, позволяющая повысить скорость вычислений;

— Микроконтроллеры имеют внутреннее ПЗУ объемом до 56 КБайт, внутреннее регистровое ОЗУ данных объемом до 1,5 КБайт, некоторые модели имеют дополнительно внутреннее ОЗУ команд объемом до 512 байт. Общий объем адресуемой памяти составляют 64 Кбайт или 1 Мбайт. Большинство моделей содержат внутренний 8- или 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь с числом аналоговых входов от 4 до 14. Все микроконтроллеры содержат два 16-разрядных счетчика-таймера, которые обеспечивают в реальном масштабе времени обработку поступающих входных сигналов и формирование требуемых выходных сигналов. В состав микроконтроллеров входят 3−4 порта для параллельного ввода-вывода данных и 1−2 дуплексных канала для последовательного обмена. Максимальная тактовая частота работы микроконтроллеров этого семейства от 16 до 50 МГц при потребляемой мощности не более 500 мВт на максимальной частоте и менее 50 мкВт в режиме покоя;

— Все микроконтроллеры семейств MCS-51 и MCS-96 имеют общую архитектуру, которая отличается только объемом и типом используемой памяти и реализацией отдельных периферийных устройств, что увеличивает гибкость программ написанных для различных устройств.

При этом данные устройства имеют следующие недостатки:

— более низкая гибкость при создании устройств, особенно с нестандартными интерфейсами, а так же относительно небольшое количество внешних выводов;

— реальная скорость обработки информации ниже, чем у устройств с жесткой логикой, т.к. один командный и машинный такт выполняется за несколько тактов синхронизации, что часто связанно с задержками на выборку из памяти.

3. программируемые логические схемы (ПЛИС) — как следует из названия, устройства данного типа имеют программируемую (гибкую) логику внутреннего построения. Современные микросхемы ПЛИС пригодны для решения следующих основных задач:

— систем цифровой фильтрации и цифровой обработки сигналов;

— построение систем на кристалле, так как имеют возможность создания внутренней ОЗУ и ПЗУ;

— построения интерфейсных устройств и нестандартными протоколами обмена;

Основными преимуществами ПЛИС являются:

— высокое быстродействие;

— возможность реализации сложных параллельных алгоритмов;

— наличие средств САПР, позволяющих провести полное моделирование системы; возможность программирования или изменения конфигурации непосредственно в системе;

— совместимость по уровням и возможность реализации стандартного интерфейса;

— разрешенность к применению в бортовой аппаратуре, в т. ч. военного применения;

Основным недостатком является то, что на данный момент для построения сложных устройств используются микросхемы иностранного производства, т.к. отечественная элементная база в данной области представлена устаревшими микросхемами средней степени интеграции, что обуславливает высокую стоимость микросхем и необходимость создания резервных запасов.

Основные производители Altera, Xilinx, Actel.

Для упрощения выбора требуемого варианта реализации приводится обобщающая сравнительная таблица 2.5.1

Таблица 2.5.1

Из таблицы 2.5.1 следует, что для создания контроллера сопряжения в УС наиболее оптимальным является применение ПЛИС, что связанно с применением нестандартных высокоскоростных интерфейсов и жестких требований к массогабаритным характеристикам.

Микросхемы ПЛИС EPF10K50 фирмы Altera выпускаются в следующих типах корпусов: 240-RQF (189 выводов пользователя), 356-BGA (274 вывода пользователя) и 403-PGA (403 выводов пользователя). Реально, для реализации проекта, требуется не более 141 вывода пользователя (выводов используемым пользователем для реализации проекта, т. е. без выводов питания и конфигурации).

Корпуса типа 240-RQF представляет собой корпус с плоскими планарными выводами, шириной вывода 0,25 мм и шагом 0,5 мм, что требует изготовления под этот тип корпуса печатной платы 3−4 класса точности, что является возможным для отечественной промышленности. Так же достоинством является возможность демонтажа микросхемы без ее повреждения.

Корпус типа 356-BGA является корпусом с шариковыми выводами диаметром 0,75 мм и с шагом 1,3 мм что соответствует 3 классу точности печатной платы. Как недостаток — невозможность демонтажа микросхемы, без ее повреждения.

Корпус типа 403-PGA является корпусом со штыревыми выводами, с диаметром 1,27 мм и шагом 1,27 мм, что соответствует 3 классу точности печатной платы. Недостатком являются самые большие габаритные размеры из всех представленных корпусов.

Таким образом, можно сделать вывод, что для реализации проекта, наиболее оптимальным является использование микросхемы ПЛИС EPF10K50 в корпусе 240-RQF.

2.5.2 Выбор элементной базы контроллера МКО Как отмечалось выше, при выборе структуры УС, для реализации контролера МКО удобно использовать отдельные готовые МС реализующие интерфейс по ГОСТ Р 52 070 — 2003 (стандарт США MIL 1553L B Манчестер 2).

К сожалению в настоящее время единственной микросхемой интерфейса по ГОСТ Р 52 070 — 2003, рекомендованной для аэрокосмического применения, является микросхема BU-61 580, выпускаемая американской фирмой DDC. Она обладает следующими основными достоинствами:

— является гибким интегрированным интерфейсом управляющего вычислителя с МКО;

— может работать в режимах КШ, ОУ, МТ, совмещенного ОУ/МТ;

— внутреннее ОЗУ 4Kx16;

— гибкий интерфейс с ЦП и памятью: 8- или 16-разрядный буферизованный режим, 16-разрядный «прозрачный» режим, 16-разрядный режим с прямым доступом к памяти;

— программируемый выбор тактовой частоты 10/12/16/20 МГц;

— расширенные функции КШ: автоматическое возобновление попытки передачи сообщений, программируемые интервалы между сообщениями, автоповтор кадров, программируемый интервал ожидания ответного слова;

— расширенные функции ОУ: программируемое задание недопустимости команд, работа в режимах одиночного сообщения, двойной буферизации, круговой буферизации, настраиваемые прерывания, гибкие возможности буферизации данных;

— расширенные функции МТ: режим словного монитора, режим монитора избранных сообщений, совмещенный режим ОУ и монитора сообщений, запуск монитора по выбранному сообщению;

— микросхема выполнена в металлокерамическом DIP 70 корпусе, рассчитанном на военное применение.

Основным недостатком этой микросхемы является ее высокая цена.

Приведем анализ элементной базы, а именно определим массогабаритные характеристики элементов, их работоспособность в условиях заданных в ТЗ, а также конструкторско-технологическую совместимость выбранной элементной базы.

2.5.3 Выбор типа конденсаторов Конденсаторы в модуле УС используются для фильтрации питания (+5 В) и для реализации компараторов. Для этих задач хорошо подходят керамические низковольтные конденсаторы имеющие малое ТКЕ и высокую добротность. Так же имеет смысл использовать конденсаторы для поверхностного монтажа, так как они обладают меньшими габаритами, что позволяет увеличить плотность монтажа, а также обладают меньшей массой, т.к. идут в безкорпусном исполнении. Рассмотрим выбор конденсаторов произведенных отечественной промышленностью. Из конденсаторов для поверхностного монтажа выпускаются конденсаторы типа К10−17 В, К10−42, К15−15. Все они имеют условия эксплуатации шире, чем указано в ТЗ на шлюз. Основные характеристики этих конденсаторов представлены в таблице 2.5.2

Таблица 2.5.2

Назначим весовые коэффициенты: так как блок имеет ограничения по размеру, то

₃=0,4;

остальные весовые коэффициенты равны между собой ₁=₂=0,3.

Увеличение значений дифференциальных показателей соответствует ухудшению свойств конденсатора. Поэтому лучшим вариантом будет тип конденсатора с наименьшим комплексным показателем качества. Пронормируем дифференциальные показатели: нормированные значения приведены в таблице 2.5.3

Таблица 2.5.3

К10−17В: Q=0,30,33+0,30,5+0,30,66+0,40,66=0,711

К15−15: Q=0,31+0,30,5+0,30,8+0,40,86=1,034

К10−47: Q=0,30,33+0,31+0,31+0,41=1,099

Из полученных результатов целесообразно выбрать конденсатор К10−17 В, имеющим номинальное напряжение 40 В, интервал рабочих температур от -60 до 85 °C, сопротивление изоляции: не менее 10 МОм. Импортными аналогами данного конденсатора являются конденсаторы керамический типа С0603 KAT2A и С0805 KAT2A. Они обладают более высокой надежность, широким диапазоном рабочих температур от -55 до 125 °C и малыми габаритами. Данные характеристики наиболее важны в космической аппаратуре. Следовательно, целесообразнее применять импортные конденсаторы.

2.5.4Выбор типа резисторов Резисторы для модуля УС желательно так же использовать в исполнении для поверхностного монтажа, что позволяет снизить массогабаритные характеристики, и быть приспособленными для работы в высокочастотной аппаратуре, т.к. они используются для организации шины МКО, работающей с частотой 1 МГц. Единственным типом резисторов для поверхностного монтажа, выпускаемым отечественно промышленностью, является резисторы типа Р1−12, имеющие мощность рассеивания 0,125 Вт, очень широкий ряд номиналов Е24 и допуска ±5, ±10, ±20%, а импортные аналоги обладают более широким рядом номенклатур, а так же, как и конденсаторы, высокой степенью надежности и малыми габаритами. Следовательно, необходимо применять импортные резисторы типа CR0603-JW, CR0805-JW и CR1206-JW, в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Таким образом, показано, что выбранные радиоэлементы обеспечивают требования к массогабаритным характеристикам изделия и работоспособны в условиях внешних воздействий, оговоренных в ТЗ. Конструктивно и технологически совместимы, поскольку все выбранные элементы являются планарными.

3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАССОГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1 Предварительный расчет массогабаритных характеристик В данном разделе рассчитываются массогабаритные характеристики платы устройства.

Покажем на примере микросхемы ПЛИС EPF10K50

S_уст.эл = K_s · S_эл, — установочная площадь элемента (3.1.1)

V_уст.эл = K_v · V_эл, — установочный объем элемента (3.1.2)

m_эл = K_m· m_эл, — установочная масса элемента (3.1.3)

где K_s = 1,5, K_v=1,8 _, K_m=0,9 — коэффициенты дезинтеграции по площади, по объему и по массе соответственно.

S_уст.эл = 1,5*1197,15=1795,7 мм²= 17,96 см²=0,1 796 м²

V_уст.эл = 1,8*3591,4=6464,52 мм³ = 64,65 см²=0,6 465 м³,

m_эл = 0,9*13= 11,7 г=0,0117 кг На основании элементной базы и коэффициентов запаса произведем предварительный расчет площади, объема и массы конструкции.

S_k = q_s · S_уст.эл, (3.1.4)

S_k = 2 · 17,96 = 35,92 см²,

V_k = q_v · V_уст.эл, (3.1.5)

V_k = 2,5· 64,65 = 161,63 см³,

m_к = q_m · m_эл, (3.1.6)

m_к = 3,3· 11,7 = 38,61 г.

где q_v, q_s, q_m — коэффициенты запаса объема, площади и массы;

q_v = 2,5, q_s = 2, q_m = 3,3.

Остальные элементы рассчитываются аналогично.

После выполнения всех расчетов получаем:

S_k= 299,24 см²

V_k= 413 см³

m_к = 238 г По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:

1) Рассчитанная площадь конструкции, необходимая для размещения элементов в корпусе и трассировки соединений соответствует заданной в ТЗ и равной 300 см².

2) Полученная масса конструкции меньше массы записанной в ТЗ, равной 250 г.

Из вышеприведенных расчетов видно, что для выбранной элементной базы требования к массогабаритным характеристикам конструкции, предъявляемые в ТЗ на изделие, выполняются.

3.2 Описание конструкции блока Шлюз для связи центрального процессора с периферийными устройствами, входит в состав блока обмена информацией, т. е. шлюз находится в корпусе БО. Корпус устройства выполняется из алюминия, поскольку этот материал удовлетворяет прочностным требованиям и позволяет обеспечить заданную массу конструкции. Конструкция корпуса обеспечивает защиту радиоэлементов устройства и печатной платы от механических повреждений, а также исключает попадание внутрь посторонних предметов. Корпус представляет собой конструкцию разъемного типа. Линейные размеры корпуса: L_x = 496 мм; L_y = 257 мм; L_z = 194 мм.

В качестве коммутационного основания устройства применяется печатная плата, выполненная из двухстороннего стеклотекстолита, который, как было показано выше, обладает наибольшим комплексным показателем качества и, следовательно, лучше других материалов подходит для разрабатываемого устройства. Печатная плата УС будет устанавливаться вертикально в кросс-плату при помощи разъема типа СНП34 — 135, расположенного в нижней части платы. Её крепление в корпусе осуществляется при помощи алюминиевой рамки, для чего по боковым и верхней сторонам платы предусмотрены 10 отверстий для закрепления рамки. Алюминиевая рамка служит для увеличения жесткости модуля и представляет собой три алюминиевых угольника, которые в свою очередь прикрепляется к боковым и верхней крышкам корпуса БО с помощью винтов.

Элементы коммутации размещаются на печатной плате. Соединение выводов радиоэлементов и контактных площадок печатной платы осуществляется при помощи пайки. Проводники покрываются лаком-флюсом. Выбор типа конструкции и компоновочного решения блока обуславливается объектом установки РЭС, видом и интенсивностью воздействия внешних дестабилизирующих факторов.

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ РЭМ Конструктивно РЭМ собирается на печатной плате. Элементы располагаются с двух сторон платы. В качестве заготовки коммутационного основания применяется двусторонний фольгированный стеклотекстолит.

4.1 Расчет элементов печатной платы Целью расчета является определение геометрических размеров основных элементов печатной платы, перенесение которых с фотошаблона на поверхность стеклотекстолита позволит получить размеры элементов, соответствующие выбранному классу точности платы.

Исходя из габаритных требований, предъявляемых к печатной плате, номенклатуры применяемых элементов, стоимости изготовления платы, простоты исполнения и надежности при эксплуатации, выбираем, как наиболее оптимальный, третий класс точности платы, для которого характерны следующие размеры элементов:

— минимальная ширина проводника b_мин = 0,25 мм;

— минимальное расстояние между проводниками S_мин = 0,25 мм;

— ширина пояска контактной площадки в наружном слое bн = 0,1 мм;

— отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы г= 0,33.

Расчету подлежат диаметры контактных площадок, минимальный диаметр переходного отверстия, минимальные ширина проводника и расстояние между проводниками.

Найдем минимальный диаметр переходного отверстия:

d_ПО? г h_ПЛ, (4.1.1)

где г — отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы;

h_ПЛ — толщина печатной платы.

d_ПО.мин = 0,33· 1,5 = 0,495 мм.

Определяем диаметр монтажных отверстий:

d_мо? d_в + 2 h_г + л + ?_д, (4.1.2)

где d_в — диаметр вывода радиоэлемента_;

2 h_{г в} — толщина гальванической осаждённой меди в монтажном отверстии;

л — зазор между выводом радиоэлемента и стенкой отверстия;

?_д — погрешность выполнения диаметра переходных отверстий;

d_мо? 0,8+2· 0,05+0,5+0,12 = 1,5 мм.

Определяем диаметр контактной площадки:

d_кп? 2· (b_н+ d_мо/2+?₀+?_кп)+??_ф+h_ф, (4.1.3)

?₀ — погрешность расположения отверстия;

?_кп— погрешность расположения контактной площадки;

?_ф — погрешность фотошаблона;

h_ф— толщина фольги.

d_кп? 2· (0,1+1,5/2+0,1+0,2)+0,1+0,05=2,45 мм.

Найдем минимальную ширину проводника с учетом погрешностей выполнения фотокопии, фотошаблона и подтравления:

b_пр = b_п+?_ф.+1,5· h_ф, (4.1.4)

где b_п — номинальная ширина проводника для выбранного класса точности платы, мм.

b_пр = 0,25+0,06+1,5· 0,05=0,385 мм.

Проверим допустимость найденной ширины проводника. Должно выполняться следующее неравенство:

b_пр? I/(h_ф· J_s), (4.1.5)

где I — максимально возможное значение тока в печатных проводниках (350 мА);

J_s— максимально допустимая плотность тока (250 А/мм²).

0,385? 350/(0,05· 250·10⁴)? 0,385?0,0028.

Поскольку неравенство выполняется, то данная ширина проводника допустима.

Найдем минимальное расстояние между двумя проводниками:

t = t_о.л.-(b_пр+2· ?_с.п.), (4.1.6)

где t_о.л. — расстояние между центрами отверстий и осевыми линиями проводников, мм;

?_с.п. — погрешность смещения проводника, мм.

t = 0,8 — (0,385 + 2 · 0,05) = 0,8 — 0,485 = 0,315 мм.

4.2 Определение геометрических размеров печатной платы Для определения размеров печатной платы воспользуемся данными, которые были получены раньше. Чтобы определить размеры печатной платы необходимо знать суммарную установочную площадь радиоэлементов и коэффициент дезинтеграции площади (q_s).

Площадь печатной платы, необходимая для размещения радиоэлементов, может быть найдена по формуле:

S_пп = q_s · S_эл, (4.2.1)

S_пп = 2 · 14 962=29924 = 299,24 см²,

где S_пп — площадь печатной платы;

q_s — коэффициент дезинтеграции площади;

S_эл — суммарная установочная площадь элементов, размещенных на печатной плате.

По полученным значениям площади печатной платы и ширины краевых полей выбираем из ГОСТ 32 751–79 линейные размеры платы L_x, L_y,, руководствуясь условием: L_x· L_y? S_ПЛ. L_x = 200 мм, L_y = 150 мм.

5. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

5.1 Расчет теплового режима Целью расчета является определение среднеповерхностных температур корпуса, нагретой зоны и температуры в центре нагретой зоны. Воспользуемся методом изотермических поверхностей. Считаем поверхности корпуса и нагретой зоны изотермическими со средне поверхностными температурами tк и tз соответственно. Тепло от поверхности нагретой зоны за счет излучения передается на корпус. Передача тепла с корпуса окружающей среде с температурой tс осуществляется так же за счет излучения.

Схематическое изображение конструкции и тепловая схема процесса теплообмена приведена на рис. 5.1.

5.1.1 Расчет среднеповерхностной температуры корпуса Для определения среднеповерхностной температуры корпуса исходными данными являются: длина корпуса L_x=0,496 м, ширина корпуса L_y= 0,257 м, высота корпуса блока L_z=0,194 м; степень черноты поверхности корпуса _ч=0,4 (для алюминия полированного); максимальное значение температуры окружающей среды t_с max = 25 ⁰С; мощность рассеивания в блоке Р=10 Вт.

Находим температуру корпуса в первом приближении:

1. В первом приближении задаем перегрев корпуса относительно окружающей среды Дt_к1= (10…15 ⁰С) = 10 ⁰С

2. Определяем температуру корпуса в первом приближении:

t_к1 = t_с max + Дt_к1, (5.1.1)

t_к1 = 25 + 10 = 35 ⁰С.

3. Находим среднюю температуру между корпусом и средой в первом приближении:

t_m1= 0,5· (t_к1 + t_с max), (5.1.2)

t_m1 = 0,5· (35+25)= 30 ⁰С.

4. Определяем площадь поверхности корпуса:

S_к = 2· (L_xL_y + L_xL_z + L_yL_z), (5.1.3)

S_к = 2· (0,496·0,257+0,496·0,194+0,257·0,194)= 0,547 м².

5. Находим определяющий размер эквивалентного куба:

(5.1.4)

6. Определяем вид теплового потока от корпуса в среду по условию:

Дt_к1? (840 / L)³, (5.1.5)

10? 21,526.

Поскольку условие выполняется, то существует закон степени ¼.

7. Определяем коэффициент лучеиспускания:

?_л1 = _ч · ц₁₂ · f (t_k1, t_cmax), (5.1.6)

где ц₁₂ — коэффициент взаимной облученности тел (ц₁₂ = 1);

f (t_k1, t_cmax) — функция температур t₁ и t₂.

?_л1 = 0,4 · 1 · 6,31 = 2,524 Вт /(м² · ⁰С).

8. Находим суммарную тепловую проводимость от корпуса в среду:

?_э1 = ?_л1 · S_к, (5.1.7)

?_э1 = 2,524 · 0,547 = 1,379 Вт/ ⁰С.

9. Найдем расчетное значение перегрева корпуса в первом приближении:

Дt_кр1= Р/?_э1, (5.1.8)

Дt_кр1 = 10/1,379 = 7,253 ⁰С — перепад от корпуса к среде.

10. Находим разность температурных перегревов в первом приближении:

|Дt_к1 — Дt_кр1| = 10−7,253 = 2,747 ⁰С.

Проверяем выполнение неравенства:

Дt_к1 — Дt_кр1 ?, (5.1.9)

где? = 2…3 ⁰C.

2,747 2…3 -верно, следовательно можно принять, что перегрев корпуса блока Дt_к=7,253 ⁰С, среднеповерхностная температура корпуса t_к = t_с max + Дt_к = 25+7,253 = 32,253 ⁰С.

5.1.2 Расчет среднеповерхностной температуры нагретой зоны Для определения среднеповерхностной температуры нагретой зоны исходными данными являются: длина корпуса L_x=0,496 м, ширина корпуса L_y= 0,257 м, высота корпуса блока L_z=0,194 м; толщина стенок корпуса Д=0,003 м; степень черноты внутренней поверхности корпуса _ч=0,4 (для алюминия полированного); длина нагретой зоны l_x=0,2; ширина нагретой зоны l_y=0,15; высота нагретой зоны l_z=0,0109; степень черноты поверхности нагретой зоны _нз=0,93; температура корпуса t_к= 32,253⁰С; перегрев корпуса Дt_кр= 7,253 ⁰С; мощность рассеивания в блоке Р=10 Вт.

1) Находим температуру нагретой зоны в первом приближении:

t_нз1= t_к + 2· Дt_к, (5.1.10)

t_нз1 = 32,253 +2· 7,253 = 46,759 ⁰С.

2) Находим площадь внутренней поверхности стенок корпуса:

S_к = 2· ((L_x -Д) · (L_y— Д) + (L_x -Д) · (L_z— Д) + (L_y -Д) · (L_z— Д)), (5.1.11)

S_к = 2 · ((0,496 — 0,003) · (0,257 — 0,003) + (0,496 — 0,003) · (0,194 — 0,003) + (0,257 — 0,003) · (0,194 — 0,003)) = 0,536 м².

Находим площадь поверхности нагретой зоны:

S_з = 2· (l_xl_y + l_xl_z + l_yl_z), (5.1.12)

S_з = 2· (0,2·0,15+0,2·0,0109+0,15·0,0109) = 0,068 м².

3) Определяем средний зазор между корпусом и нагретой зоной:

д= ((L_x+ L_y+ L_z) — (l_x+l_y+l_z))/6, (5.1.13)

д = ((0,496+0,257+0,194)-(0,2+0,15+0,0109))/6 = 0,098 м.

4) Рассчитываем коэффициент теплопередачи в воздушном зазоре:

k_воз = 0,453· ((t_нз — t_к)/ д)^0,25, (5.1.14)

k_воз = 0,453· ((46,759 — 32,253)/0,098)^0,25 = 1,581.

5) Определяем приведенную степень черноты между корпусом и нагретой зоной:

(5.1.15)

где S_з — площадь поверхности нагретой зоны;

S_к -площадь корпуса.

6) По вышеприведенным расчетам ?_лн1=2,524 Вт/(м²*⁰С), тогда мы можем определить коэффициент лучеиспускания:

?_л1 = ?_лн1· _пр / 0,8, (5.1.16)

?_л1 = 2,524 · 0,806 / 0,8 = 2,495 Вт /(м² · ⁰С).

7) Рассчитываем тепловую проводимость от нагретой зоны к корпусу блока, принимая, что передача тепла от нагретой зоны к корпусу за счет теплопроводности практически отсутствует:

?_з = ?_з.к.+ ?_з.л.= k_воз· (S_к+S_з)/2 +?_л1· S_з, (5.1.17)

?_з =1,99· (0,068+0,536)/2+2,54·0,536 = 0,646 Вт / ⁰С.

8) Находим расчетное значение среднеповерхностной температуры нагретой зоны в первом приближении:

t_зр1 = t_к + Р/?_з, (5.1.18)

t_зр1 = 32,253 + 10/0,646 = 47,737 ⁰С.

9) Находим разность температурных перегревов в первом приближении:

t_нз1 — t_зр1 =46,759−47,737= 0,978 ⁰С Проверим условие сходимости

t_з1 — t_зр1 ?, (5.1.19)

где? = 2…3 ⁰C.

0,978 2 — верно, следовательно можно принять, что температура нагретой зоны t_нз= t_з2=47,737⁰С.

5.1.3 Расчет среденповерхностной температуры в центре нагретой зоны.

Для того что бы рассчитать среденповерхностную температуру в центре нагретой зоны исходными данными являются: длина a = 0,2 м, ширина b = 0,15 м и высота h = 0,0109 м нагретой зоны; среденповерхностная температура нагретой зоны t_з= 47,737 ⁰С; мощность рассеивания P=10 Вт; количество микросхем n по оси x и m по оси у m=n=5, размеры корпусов ИС l_x и l_y, их высота h_k и толщина стенок Дк, толщина печатной платы Дпл = 0.0015 м и фольги Дф = 18*10^-6 м, длина l_выв, ширина b_выв и толщина h_выв выводов ИС.

Температура в центре нагретой зоны находится по формуле :

t₀= t_з+C*h₀ *P/4л_0*a_0*b₀

где за л₀ принимается значение эквивалентного коэффициента теплопроводности нагретой зоны по оси Z

л_z = у_зz*a/b*h,

где у_зz =0,646 Вт / ⁰С — тепловую проводимость от нагретой зоны к корпусу

л_z= 79,09

a₀=a

b₀=b

где л_x и л_y -значения эквивалентного коэффициента теплопроводности нагретой зоны по оси X и Y.

л_x = у_зx*h/a*b

л_y = у_зy*b/a*h

Принимаем значение у_зx= у_зy= у_зz =0,646 (Вт / ⁰С), так как они зависят от числа ИС, числа выводов и толщины платы и толщины медного слоя на плате.

л_x=0,23

л_y=48,5

Отсюда a₀=3,7 и b₀=0,19.