Разработка конструкции современного многофункционального цветного индикатора на базе жидкокристаллической панели

• Содержание
• Введение
• 1. Аналитический обзор средств отображения информации
• 2. Анализ технического задания
• 3. Описание многофункционального цветного индикатора
• 3.1 Назначение и функции индикатора
• 3.2 Описание структурной схемы индикатора и принципа работы
• 4. Разработка модуля графического
• 4.1 Описание структурной схемы модуля графического
• 4.2 Выбор элементной базы модуля графического
• 4.3 Описание схемы электрической принципиальной
• 4.4 Проектирование печатной платы
• 4.4.1 Проектирование топологии печатной платы
• 4.4.2 Обзор методов изготовления печатных плат
• 4.4.3 Выбор материала для основания платы
• 4.5 Разработка конструкции модуля графического
• 4.5.1 Выбор припоя
• 4.5.2 Выбор клеящих материалов
• 4.5.3 Выбор защитных покрытий
• 4.5.4 Описание конструкции модуля графического
• 5. Разработка конструкции индикатора
• 5.1 Конструктивные требования
• 5.2 Обзор типовых конструкций ЭВС
• 5.3 Описание конструкции индикатора
• 6. Расчетная часть
• 6.1 Расчет вибропрочности печатной платы
• 6.2 Тепловой расчет
• 6.3 Расчет надежности
• 7. Экономическое обоснование проекта
• 7.1 Расчет сметы затрат на разработку
• 7.2 Расчет себестоимости изделия
• 7.3 Определение нормативной цены
• 7.4 Определение экономических результатов
• 8. Охрана труда и безопасность жизнедеятельности
• 8.1 Анализ условий труда при выполнении дипломного проекта
• 8.2 Микроклимат производственного помещения
• 8.3 Электробезопасность
• 8.4 Освещение производственного помещения
• 8.5 Расчет искусственного освещения
• 8.6 Безопасность работы на компьютере
• 8.6.1 Эргономика рабочего места, оснащенного ПЭВМ
• 8.6.2 Организация времени работы на ПЭВМ
• 8.6.3 Электромагнитные поля
• 8.6.4 Шумность рабочего места
• Заключение
• Список литературы

Развитие авиации сопровождается совершенствованием летно-тактических характеристик летательных аппаратов за счет усложнения и расширения функциональных задач бортового оборудования, а также внедрения новых устройств. Происходит увеличение объема приборного оборудования, пропорционально растет поток информации, поступающий на системы индикации.

Радиоэлектронные бортовые комплексы, согласно оценке специалистов, на настоящий момент составляют значительную часть от стоимости всего самолета. Наиболее зримым проявлением данной тенденции стала разработка концепции «стеклянной кабины экипажа», предусматривающей создание полностью интегрированной панели цветных многофункциональных индикаторов на базе широкоформатных активных жидкокристаллических матриц.

Многофункциональный индикатор решает задачи своевременного отображения информации полетных данных и параметров состояния множества бортовых систем. Такой индикатор позволяет обрабатывать и индицировать информацию: графическую (пилотажную, навигационную и д.р.), телевизионную (в том числе радиолокационную) и совмещенную (знакографическую и телевизионную). Интеграция многофункциональных индикаторов в одну панель повышает эргономичность кабины самолета.

Одновременное развитие микроэлектронных технологий приводит к появлению новых, более качественных и надежных элементов, таких как жидкокристаллические панели и электронные компоненты. Использование этих элементов в создании новых типов многофункциональных индикаторов, позволяет во многом расширить набор функций и улучшить технические характеристики, придает индикатору универсальность и удобство в эксплуатации.

Дипломный проект посвящен разработке конструкции современного многофункционального цветного индикатора (МФЦИ) на базе жидкокристаллической панели, и детальной разработке модуля графического (МГ). МФЦИ предназначен для работы в составе комплексной системы электронной индикации и управления (КСЭИУ) новейших учебно-тренировочных и учебно-боевых самолетов.

1. Аналитический обзор средств отображения информации

Количественный скачок в оснащении летательных аппаратов различными системами пришелся на шестидесятые годы в связи с появлением новых видов навигационного оборудования, радиолокационной станции и всевозможных вычислителей. Количество сопутствующих им органов управления и индикации росло пропорционально. Основными способами отображения информации были электрические, электромеханические индикаторы. Расширение диапазона функциональных задач, возлагаемых на бортовые средства отображения информации, привело к массовому переходу от электромеханического оборудования к приборам с экранной индикацией.

Исторически первыми стали применяться монохромные электронно-лучевые трубки, однако их значительные габариты и высокое, в десятки тысяч вольт, напряжение питания стали обстоятельствами, которые заставили разработчиков обратится к плоским жидкокристаллическим дисплеям. ЖК-дисплеи вследствие высокой надежности, малого веса и малого потребления электроэнергии, получили большое распространение. ЖК панели практически не оказывают негативного воздействия на глаза оператора, имеют абсолютно плоский экран, не требуют сложных систем управления частотой и чёткостью изображения. Так же, как и электронно-лучевые трубки, первые плоские экраны доставили разработчикам большое количество проблем. Основными сложностями были достижение возможности работы и хранения при низких температурах и преодоление недостаточной яркости. В настоящее время обе эти проблемы успешно решены, а перечисленные выше свойства существенно расширяют список потенциальных потребителей подобных индикаторов: это ЛА самых разных типов, от маленького самолета авиации общего назначения до коммерческого воздушного судна. Экранные бортовые системы помогают упорядочить информационный поток на борту, автоматизировать многие процессы, разгрузить экипаж.

В настоящее время существует большое разнообразие многофункциональных индикаторов (МФИ) на жидкокристаллических экранах, предназначенных для оборудования кабин летательных аппаратов. Модели индикаторов отличаются техническими параметрами и функциональными возможностями. Эти факторы учитываются при выборе модели индикатора для бортового комплекса летательного аппарата определенного назначения. Российские производители авионики предлагают ряд различных серий информационно-управляющих комплексов на базе жидкокристаллических индикаторов. ЗАО ОКБ «Русская авионика» предлагает МФИ-55 и МФИ-68, предназначаемые для отображения информации, выдаваемой бортовыми системами и датчиками, в виде цветных-знакографических изображений, а также в телевизионном черно-белом режиме. ОКБ «Электроавтоматика» предлагает потребителям большую серию полноцветных жидкокристаллических индикаторов с нормализованным рядом размеров экрана. Такие МФЦИ позволяют индицировать графическую, телевизионную и совмещенную информацию, также поддерживают режим синтезирования трехмерного изображения. Серию приборов аналогичного назначения (ИМ-7, ИМ-8, ИМ-68) разработало ОАО «Авиаприбор-Холдинг». Подобные разработки имеются в арсенале Раменского приборостроительного конструкторского бюро.

МФЦИ послужил базой для интеграции систем обработки информации в Единую Приборную Панель Интегрированных Дисплеев (FPID). Интеграция FPID с системами управления полета позволяет выполнять следующие функции: идентификация расстояния и месторасположения; указание желаемого маршрута, плана полета и возникающих отклонений; индикация курсового угла, направления ветра; задания режима карты и управляемой ошибки курса. Унифицированность панели дает возможность совмещать и объединять несколько функций в одном дисплее, уменьшая число приборов на панели и создавая удобную среду кабины экипажа. [1, 2]

Можно выделить ряд обязательных требований по фунциональному набору к современным МФЦИ:

- формирование и предварительная обработка с помощью БЦВМ любой информации: пилотажной, навигационной, радиолокационной, информации от наземных систем, информацию о состоянии и режимах работы оборудования самолета, выводимую на экран в виде шкал, счетчиков, указателей;

— автоматизированный ввод цифровой картографической информации, оперативно-тактической информации, справочных данных и другой специальной информации, а также их хранение в энергонезависимой памяти;

— совмещение навигационной информации с картой местности (картографическая навигация);

— подготовку полетного задания и проведение отдельных инженерно-штурманских расчетов до и во время полета;

— прием и обработку информации от внешних систем;

— возможность выдачи информации во внешние системы;

— вывод на экран графического изображения;

— аппаратный прием телевизионного изображения и вывод его на экран;

— вывод на экран совмещённого графического изображения и принятого телевизионного изображения.

Рассмотрим подробнее несколько моделей многофункциональных индикаторов, с лучшими техническими показателями и обеспечивающие вышеперечисленные возможности.

Многофункциональный индикатор МФИ-10−5 используются на самолетах Сухого, вертолетах Камова и Миля. МФИ-104 эксплуатируется на различных типах самолетов и вертолетов. МФЦИ-0333 входит в состав бортового комплекса новых учебно-тренировочных самолетов. Основные характеристики приведены в таблице 1.1. [http://1, 2]

Таблица 1.1

Сравнительные характеристики многофункциональных цветных индикаторов

МФЦИ-0333 имеет наилучшие технические характеристики среди аналогов, однако его основой является ЖК-панель, на смену которой уже в настоящее время пришли ЖК-панели более высокого качества, выигрывающие по надежности и цене. МФЦИ-0333 служит прототипом для разрабатываемого индикатора. Функциональный состав разрабатываемого индикатора идентичен МФЦИ-0333, однако при разработке функциональных узлов нового индикатора использованы новейшие компоненты и элементная база, а также учтены конструктивные недостатки МФЦИ-0333. [3]

2. Анализ технического задания

1. Назначение и функции индикатора.

Индикатор МФЦИ предназначен для формирования и индикации цветной пилотажно-навигационной информации и специальной информации: графического изображения сформированного при помощи функционального программного обеспечения; аппаратный прием телевизионной информации по ГОСТ 7845–92 в формате RGB и формирование на экране телевизионного изображения; вывод на экран совмещённого изображения. Индикатор эксплуатируется в составе комплекса бортового радиоэлектронного оборудования и входит в комплексную бортовую систему отображения информации, состоящую из индикаторов прямого видения, пультов управления и цифровой вычислительной машины. МФЦИ представляет собой совокупность аппаратно-программных средств, обеспечивающих выполнение требования.

2. Информационный интерфейс с бортовой системой должен осуществляться по мультиплексному каналу обмена по ГОСТ 26 765.52−87, по последовательному каналу обмена по ГОСТ 18 977–79. За организацию указанных интерфейсов отвечают модули, входящие в состав МФЦИ. Предусмотрены следующие каналы: каналы обмена последовательными кодами по ГОСТ 18 977–79, с 12 входами и 4 выходами; мультиплексный канал обмена по ГОСТ 26 765.52−87. Организация интерфейсов осуществляется через разъемы типа ОНЦ, СНЦ.

3. Требования к электропитанию. Электропитание индикатора должно осуществляться от бортовой системы электроснабжения постоянного тока с номинальным напряжением 27 В. Требование обеспечивается путем подключения питания индикатора от 2-х независимых бортов с качеством по ГОСТ 19 705–89.

4. Требования по стойкости к внешним воздействиям Индикатор должен быть устойчивым к внешним воздействующим факторам (ВВФ) в соответствии с требованиями, предъявляемыми к группе исполнения аппаратуры 3.3.3 по ГОСТ В20.39.304−76, таблица 2.1, таблица 2.2.

Таблица 2.1

Характеристики и значения внешних воздействующих факторов

Таблица 2.2

Вибрационные нагрузки

Обеспечение стабильной и надежной работы индикатора при требуемых условиях возможно за счет правильного выбора элементной базы, конструкционных и защитных материалов, а также конструкции блока.

5. Надежность: средняя наработка на отказ не менее 6000 ч.

Требуемое значение обеспечивается выбором качественных долговечных элементов, применением автоматизированных методов сборки и монтажа при изготовлении изделия, что характеризуется повышенными показателями надежности.

4. Требования к конструкции.

Конструктивные параметры индикатора: габаритные размеры не более 192×275 х (173 + 31) мм, где 173 мм — глубина от привалочной плоскости, 31 мм — глубина лицевой панели; размеры информационного поля 157×210 мм, масса не более 8 кг. Блок устанавливается на амортизированную приборную панель. Конструкция индикатора в части эргономических требований и требований к технической эстетике должна соответствовать ГОСТ 21 829–76.

Индикатор имеет врубную конструкцию, его размещение предусмотрено на приборную доску кабины самолета, поэтому требование к габаритным размерам является жестким. Требование к массе обеспечивается использованием по возможности электрорадиоэлементов средней и большой степени интеграции, миниатюрных дискретных элементов, легких конструктивных материалов.

3. Описание многофункционального цветного индикатора

3.1 Назначение и функции индикатора

Индикатор МФЦИ эксплуатируется в составе комплекса бортового радиоэлектронного оборудования и предназначен для формирования и индикации цветной пилотажно-навигационной информации и специальной информации. Индикатор входит в комплексную бортовую систему отображения информации, состоящую из индикаторов прямого видения, пультов управления и цифровой вычислительной машины.

Разрабатываемый МФЦИ должен обеспечивать:

- формирование графического изображения на экране ЖК-панели;

— аппаратный прием телевизионного изображения в формате RGB и вывод его на экран;

— вывод на экран ЖК-панели совмещённого изображения графической информации и информации от ТВ-датчиков в формате RGB;

— приём и передачу сигналов в виде последовательного двуполярного фазоманипулированного кода и разовых команд по ГОСТ 18 977–79;

— приём и передачу сигналов по ГОСТ 26 765.52−87 с реализацией функций Контроллера и Оконечного устройства;

— формирование и передачу информации о состоянии кнопочного наборного поля

— формирование и выдачу сигнала исправности МФЦИ.

МФЦИ включает в свой состав следующие устройства:

— Вычислитель — микро-ЭВМ с резидентной памятью (ОЗУ и ПЗУ), предназначенный для реализации заданных алгоритмов вычисления и управления в реальном масштабе времени;

— Графический контроллер, предназначенный для формирования графической и символьной информации по данным вычислителя,

— Узел приема и выдачи информации по мультиплексному каналу информационного обмена по ГОСТ 26 765.52−87,

— Узел приема/выдачи биполярных последовательных кодов и разовых команд по ГОСТ 18 977–79;

— Узел приема/выдачи телевизионной информации в формате RGB;

— Узел питания;

— Узел цветной активно-матричной жидкокристаллической панели;

— Кнопочное обрамление.

МФЦИ в зависимости от вида индицируемой информации могут использоваться, например, как командно-пилотажные индикаторы (КПИ), комплексные индикаторы навигационной обстановки (КИНО) и комплексные индикаторы самолетных систем (КИСС) тем самым, обеспечивая многорежимность и многофункциональность индикатора и замену многих электромеханических приборов, традиционно размещаемых на приборной доске кабины.

КПИ — обеспечивает отображение экипажу пилотажно-навигационной информации в виде изображения на экране комбинированных пилотажно-навигационных индикаторов, подобным, применяемым на борту электромеханических приборов типа ПКП и ПНП.

КИНО — обеспечивает отображение экипажу обзорно-навигационной информации (в том числе от метео-радиолакационных станций) и справочной информации.

КИСС — обеспечивает отображение экипажу основных параметров работы двигателей, постоянно необходимых при управлении самолетом, сигнальной информации об отказах и неисправностях самолетных систем и комплексов. [2]

3.2 Описание структурной схемы индикатора и принципа работы

На рисунке 3.1 приведена структурная схема индикатора МФЦИ, выполненная по принципу модульности и магистральности. В состав индикатора входят следующие функциональные узлы:

- модуль вычислителя МВ;

— модуль дискретный МД (2 шт);

— модуль обработки данных МО;

— модуль напряжений МН в составе:

— фильтр радиопомех (ФРП),

— формирователь вторичных напряжений (ФВН).

— модуль управления и индикации (МИУ) в составе:

— экран с устройством управления и устройством подсвета,

— кнопочная панель управления (ПУ),

— модуль графического контроллера (МГ);

— устройство коммутационное (УК).

Рис. 3.1 Структурная схема индикатора МФЦИ

Устройство коммутации УК осуществляет функции коммутации и организации межмодульного интерфейса, необходимого для организации информационного обмена между модулями и устройствами индикатора МФЦИ. В качестве межмодульного интерфейса в МФЦИ используется интерфейс магистральный параллельный по ГОСТ 26 765.51−86 с расширенным до 18 разрядов адресом. Распределение сигналов интерфейса по контактам соединителей одинаково для всех модулей МФЦИ за исключением МН.

Модули, входящие в МФЦИ по принципу работы с магистралью интерфейса разделяются на активные и пассивные. Активным модулем является МВ, выполняющий функции центрального процессора, который в соответствии с программой осуществляет запрос данных из магистрали и прием их, а также выдачу данных в магистраль. Модули МД, МО, МГ, МИУ являются пассивными и способны принять запрос от центрального процессора и выдать требуемые данные в магистраль, а также принять из магистрали данные, выставленные процессором.

Обмен информацией с внешними потребителями и комплексом БРЭО производится через каналы ввода-вывода модулей МД и МО.

Модули МД предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов в виде последовательного кода и разовых команд по ГОСТ 18 977–79 и РТМ1495−75 (ARINC429).

Модуль МО предназначен для организации интерфейса по мультиплексному каналу обмена ГОСТ 26 765.52−87.

В МФЦИ имеется канал обмена информации по ГОСТ 18 145–81 (RS-232C), выведенный на контрольные соединители и используется для подключения контрольно-проверочной аппаратуры, также для загрузки программного обеспечения индикатора. При обмене информацией с индикотором по каналу RS-232C соблюдаются следующие правила:

— обмен данными обеспечивается по двум цепям, каждая из которых является для одной из сторон передающей, а для другой приемной;

— в исходном состоянии по каждой из этих цепей передается стоповая посылка (логическая 1), передача стоповой посылки может выполняться сколь угодно долго;

— передаче каждого байта данных предшествует передача стартового бита (логический 0);

— после передачи стартового бита обеспечивается последовательная передача всех разрядов байта данных, начиная с младшего;

— не используется возможность передачи контрольного разряда (контроль по четности);

— после передачи последнего разряда обеспечивается передача стоповой посылки, длительность которой составляет не менее длительности передачи двух бит данных;

— передача данных ведется со скоростью 19 200 бод.

Модуль МВ — основной модуль-вычислитель индикатора, предназначен для общей синхронизации работы в соответствии с рабочей индикационной программой. Модуль МВ содержит в ПЗУ рабочую программу (ФПО) взаимодействия индикатора с комплексом БРЭО. Принятая через МД или МО информация поступает по межмодульному интерфейсу в модуль МВ, обрабатывается и поступает по межмодульному интерфейсу в графический модуль МГ. В соответствии с режимом работы модуля МГ и данными обработки, формируется выходной сигнал для экрана ЖК-панели и индикация изображения.

Модуль графический МГ предназначен для:

— приема, преобразования и выдачи на экран ЖК-панели графической информации;

— приема, преобразования и выдачи на экран ЖК-панели сигнала метео РЛС;

— приема, преобразования и выдачи на экран ЖК-панели телевизионного сигнала в формате RGB;

— формирования и выдачи на внешнюю систему видеорегистрации телевизионного сигнала в формате RGB;

— выдачи управляющих сигналов режимами работы узлов подогрева, подсвета и вентилятора по сигналам от внешних датчиков температуры;

— управления работой узлов ручной и автоматической регулировки яркости и узла регулировки контрастности изображения на экране ЖК-панели;

— приема и выдачи информации по межмодульному интерфейсу.

Модуль МН предназначен для преобразования первичного напряжения питания +27 В во вторичные напряжения питания, номенклатура которых определяется применяемыми в составе индикатора модулями. Электропитание индикатора осуществляется от двух независимых каналов самолетных систем электроснабжения постоянного тока +27 В и от аварийного источника с качеством электроэнергии по постоянному току от +18 до +31,5 В, в соответствии с ГОСТ 19 705–89. Для подавления радиопомех в сети, создаваемых модулем МН при его работе в составе изделия, предусмотрено подключение изделия к системе электроснабжения через фильтр радиопомех. Модуль напряжений МН также формирует сигнал о включении модуля и правильном формировании вторичных напряжении, сигнал об исчезновении и восстановлении напряжения бортовой сети (авария сетевого питания). Модуль МН осуществляет режим включения вентилятора или подогревателя по командам от модуля МГ.

Панель управления ПУ, представляющая собой набор из 4-х панелей кнопочного обрамления, кнопок «яркость» и «контраст», а также светосигнализатора включения питания и двух датчиков освещенности для автоматической регулировки яркости, электрически соединенная с модулем МГ, необходима для формирования и передачи по межмодульному интерфейсу в модуль МВ кода кнопочного обрамления. Код передается 16-ти разрядным двоичным позиционным инверсным кодом по межмодульному интерфейсу. Информация о состоянии наборного поля изделия выдается по каналу выдачи при каждом нажатии кнопки в соответствии с протоколом взаимодействия индикатора МФЦИ и аппаратуры комплекса БРЭО. Опрос состояния кнопок наборного поля производится изделием с периодом 1 мс.

Питание цепей ночного подсвета кнопок лицевой панели осуществляется от двух внешних регулируемых источников переменного тока 5,5 В / 400 Гц (не входящих в состав МН), мощность потребляемая по этим цепям не превышает 0,5 Вт.

Индикатор разрабатывается с использованием жидкокристаллической панели, которая представляет собой готовое изделие, покупаемую у других фирм производителей. ЖК-панель включает в свой состав: узел цветной активно-матричной жидкокристаллической панели со строковыми и столбцовыми драйверами; узел газоразрядных ламп подсвета с устройством питания и управления яркостью ламп; узел обогревателя. Характеристики ЖК-панели:

— Размеры видимой области: 157 210 мм

— Количество пикселей, не менее: 768 1024

— Размер пикселя: 0,22 мм

— Программируемая толщина линии: 1 пиксель

— Цвета экрана: 262 144 цвета

— Максимальная яркость (в белом), не менее: 500 Кдм2

— Неравномерность яркости: 30% по всей площади экрана

— Контраст (при освещенности 75 000 лк, при наблюдении по нормали к экрану): 0,5

— Угол зрения по горизонтали: 80 градус, по вертикали: 80 градус

— Количество цветов: 8-три основных цвета R, G, B (при максимальной яркости), чёрный-фоновый (три основных R, G, B при минимальной яркости), жёлтый, голубой, фиолетовый, белый (сочетание 3-х основных цветов при максимальной яркости).

— Кнопочное табло:

— функциональное 26 кнопок (без подсвета)

— управления яркостью 2 кнопки (с подсветом)

— управление контрастностью 2 кнопки (с подсветом)

— Ночной подсвет кнопочного табло напряжением 5,5 В / 400 Гц

— Потребляемая мощность не более: +30 Вт; + 100 Вт (подогрев).

4. Разработка модуля графического

4.1 Описание структурной схемы модуля графического

Структурная схема модуля графического приведена на рисунке 4.1, в его состав входят следующие основные функциональные узлы:

1. ПЛИС TVA — предназначена для:

— обработки сигналов, поступающих от датчиков температуры и освещенности, и выдачи сигналов включения вентилятора, подогревателя, включением напряжения питания ЖК-панелей и управления яркостью и контрастом;

— обработки сигналов, поступающих от кнопочного обрамления экрана, и выдачи кода нажатой кнопки;

— формирования телевизионного сигнала в RGB формате в соответствии с ГОСТ 7845–92.

2. ПЛИС GKA — предназначена для формирования управляющих сигналов ЖК-панели из:

— команд, приходящих по МПИ в соответствии с ГОСТ 26 765.51−86;

— принимаемого телевизионного сигнала в RGB формате в соответствии с ГОСТ 7845–92;

— информации, принимаемой с метеолокатора по ARINC 708.

3. Две ПЗУ загрузки (для каждой ПЛИС);

4. ПЗУ-знаков для формирования знаковой графической информации;

5. Два генератора частоты ГЧ (14,75 МГц и 65 МГц);

6. Два банка ОЗУ видео ЦАП для обслуживания ПЛИС TVA;

7. Три банка видео ОЗУ для обслуживания ПЛИС GKA;

8. Блок организации тракта приема и усиления телевизионного сигнала, состоящий из усилителей У, АЦП и селектора С;

9. Блок приема информации с метеолокатора, состоящий из приемопередатчика ПП и согласующего трансформатора Т;

10. Видео-ЦАП для формирования выходного телевизионного сигнала;

11. 4-канальное АЦП для преобразования в цифровой вид сигналов с датчиков температуры и освещенности.

Рис. 4.1 Структурная схема модуля графического

4.2 Выбор элементной базы модуля графического

При выборе элементной базы учитывается множество факторов. Элементы должны отвечать электрическим параметрам, согласно принципиальной электрической схеме, с учетом электрических требований и выполняемых функций. Электроэлементы должны обладать высокой помехоустойчивостью, низкой потребляемой мощностью и высоким быстродействием. Важным требованием к выбору элементной базы для модуля графического в составе МФЦИ, является работоспособность в сложных условиях полета — вибрации, ударов различной природы, большого диапазона изменения атмосферного давления и температуры, повышенной влажности воздуха. Также важны такие факторы как: высокие показатели надежности и долговечности, минимальные массогабаритные характеристики и цена. [4]

Микроэлектронные компоненты выбираются в соответствии с электрической принципиальной схемой, представленной на чертеже ДП.0.001 Э3.

Микросхемы в составе элементной базы модуля МГ представлены в таблице 4.1. Ниже подробно рассмотрен выбор основных функциональных микросхем модуля.

Таблица 4.1

Элементная база модуля МГ

1. ПЛИС — микросхемы программируемой логики, являются одним из наиболее мощных и гибких инструментов для построения цифровых схем. В настоящее время среди производителей ПЛИС лидирует фирма Xilinx, микросхемы которой обладают наиболее развитой архитектурой и высокой логической емкостью и производительностью. Системы на кристалле — новое направление в микроэлектронике. Этот вид электронных компонентов появился благодаря достижениям в области технологии производства полупроводников, приведших к увеличению степени интеграции. Основная идея, лежащая в основе разработки таких микросхем, поместить в один кристалл несколько типовых настраиваемых схем, которые в совокупности позволяют решать целый класс задач, наиболее часто встающих перед разработчиками в области микроэлектроники. В качестве ПЛИС выбрана микросхема XC4052XLA-0,9HQ304I фирмы Xilinx, не имеющая отечественных аналогов. [http://3]

2. ПЗУ — постоянное запоминающее устройство — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание постоянной памяти «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Микросхемы фирмы AMD имеют ряд преимуществ перед другими производителями низковольтовой Flash (применяемой в качестве ПЗУ):

— AMD имеет высокую надежность и продолжительное время хранения данных;

— AMD имеет более быстрые времена чтения/записи и более низкое энергопотребление;

— AMD имеет преимущества в скорости программирования байт за 7мс (для сравнения, Atmel программирует байт за 25мс);

— AMD гарантирует 1'000'000 циклов записи/чтения, в то время как Atmel только 10'000 циклов записи в новых, низковольтных частях.

Микросхема AM29F200 — флэш-память фирмы AMD с 5-вольтовым программированием, имеет следующие технические характеристики:

— ток питания: 20−30 мА при чтении и 30−50 мА при программировании/стирании;

— ток потребления в статическом режиме: 25−90 мкА (режим КМОП), 1 мА (режим ТТЛ);

— быстродействие: 55−150 нс;

— организация: 256×8/128×16;

— время хранения информации: 10 лет при 150 °C, 20 лет при 125 °C;

— температурные режимы работы: -40 +85 °С. [http://4]

3. ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных. AS7C34096−12TI — микросхема статической памяти (SRAM) фирмы Alliance Semiconductor, технические характеристики:

— организация 524, 288 слов x 8 бит.

— быстродействие: 12 нс;

— напряжение питания: 3,3 В;

— потребляемая мощность в активном режиме 1375 мВт/макс при 12 нс;

— потребляемая мощность в режиме ожидания — 110 мВт;

— совместимость с микросхемами ТТЛ;

— диапазон рабочих температур: -40 +85 °С. [http://5]

5. АЦП — устройство, которое принимает входные аналоговые сигналы и генерирует соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки цифровыми устройствами.

AD7811YR — АЦП (4 канала) — высокоскоростной, мало потребляющий, 10-битный аналого-цифровой преобразователь, работающими от однополярного напряжения питания 2,7 В до 5,5 В. Микросхемы содержат 2,3 мксек АЦП последовательного приближения, внутренний усилитель выборок — хранения, 2.5 В, внутренний источник опорного напряжения и высокоскоростной последовательный интерфейс совместимый с большинством цифровых сигнальных процессоров и микроконтроллеров. При снижении производительности АЦП режим автоматического Выкл. позволяет снижать потребление энергии между циклами преобразований.

AD9057BRS-40 — АЦП (1 канал) — является 8-ми разрядным, монолитным, аналого-цифровым преобразователем, оптимизированным с целью снижения себестоимости, получения низкого энергопотребления, малогабаритных размеров и простоты применения. С пропускной способностью в 40/ 60 /80 М выборок/с и полной полосой аналогового сигнала в 120 МГц, устройство идеально подходит для приложений, требующих отличных динамических характеристик. Для сокращения себестоимости системы, а также, для снижения рассеиваемой ею, мощности, AD9057 имеет встроенный 2.5 В ИОН и цепь УВХ. Пользователь должен обеспечить только напряжение питания 5 В и тактовый сигнал кодирования. Для большинства приложений подключения внешнего ИОН, или элементов драйвера не требуется. Входной сигнал AD9057 имеет TTL/ CMOS совместимость уровней, а 8-ми разрядные цифровые выходы могут работать при питании 5 В, или 3 В. Функция экономии энергопотребления может применяться для снижения полного энергопотребления до уровня < 10 мВт. В режиме пониженного энергопотребления цифровые выходы переводятся в высокоимпедансное состояние.

6. SG-8002DB — Программируемый генератор фирмы Epson, технические параметры:

— Диапазон частот: от 10 000 до 1 250 000 МГц;

— Рабочее напряжение: 5,0 и 3,3 В;

— Стабильность частоты: ±50ppm /±100ppm;

— Диапазон рабочих температур: 40° до +85°C.

4.3 Описание схемы электрической принципиальной

Электрическая принципиальная схема, представлена на чертеже ДП.0.001 Э3. Работу модуля графического целесообразно рассматривать по следующим программным режимам:

Режим отображения графической информации: Модуль МГ обеспечивает формирования графической информации по командам и данным, поступающим по шине МПИ в соответствии с ГОСТ 26 765.51−86 и принятой системой команд. Кадры изображения передают в модуль последовательно на ПЛИС TVA D1. Графическая информация поступает в видео-ОЗУ D38 и преобразуется в выдаваемый модулем ЖК-интерфейс на разъем X14.

Режим отображения телевизионного изображения: Модуль МГ имеет возможность приема аналогового телевизионного сигнала в RGB формате в соответствии с ГОСТ 7845–92 и вывода его по ЖК-интерфейсу. Интерфейс входного телевизионного сигнала в RGB формате в соответствии с ГОСТ 7845–92 осуществляется через разъем Х10. Телевизионный сигнал поступающий в модуль усиливается D27-D29, преобразуется в цифровой код через D30-D32 и записывается в видеo-ОЗУ. Формирование ЖК-интерфейса происходит при чтении информации из видео-ОЗУ.

Режим отображения информации метео РЛС: В данном режиме модуль МГ принимает 1600-разрядные слова от метео РЛС в соответствии с ARINC 708 и выделяет в них служебную и метео информацию. Служебная информация записывается в выходные регистры модуля, а метео — в видео-ОЗУ. Приоритет метео информации ниже, чем графической информации. Интерфейс приема сигнала от метеолокатора по ARINC 708 осуществляется через разъем X13.

Режим формирования и выдачи телевизионного сигнала: Модуль МГ имеет возможность формирования выходного телевизионного сигнала в RGB-формате по ГОСТ 7845–92. Эта функция позволяет выводить изображение, сформированное для ЖК-панелей, на телевизионный экран. Интерфейс выходного телевизионного сигнала в RGB формате в соответствии с ГОСТ 7845–92 осуществляется через разъем Х2.

Режим программирования ППЗУ (ПЗУ знаков): ППЗУ знаков реализовано на базе микросхемы АМ29F200 D23 организацией 128Кх16р. Программирование ППЗУ знаков происходит по МПИ.

Режим тестирования модуля МГ: Модуль МГ имеет возможность программно тестироваться. В режиме тестирования возможно программное обращение к ячейкам памяти ОЗУ видео-ЦАП, видеоОЗУ и к ППЗУ знаков со стороны процессора. Обращения к ячейкам обоих ОЗУ возможно как для записи, так и для чтения данных. Обращения к ячейкам ППЗУ возможно только для чтения данных.

Режим управления яркостью и контрастом: Модуль МГ имеет возможность управлять яркостями ламп подсвета ЖК-панелей и контрастом самих панелей. Регулировка яркости осуществляется в диапазоне от 0% до 70% от всей регулировки в ручном режиме и в диапазоне от 0% до 100% - в автоматическом. Управление в ручном режиме производиться по сигналу нажатия одной из кнопок (больше меньше) управления яркостью. Изменение яркости пропорционально времени нажатия кнопки. Управление яркостью в автоматическом режиме производиться по сигналам от датчиков освещенности (аналоговые сигналы, амплитудой от 0 до 5В). Эти сигналы в модуле переводятся в цифровой код. Изменение яркости в этом случае пропорционально изменению освещенности датчика. Оба этих режима работают одновременно. Регулировка контраста осуществляется во всем диапазоне в ручном режиме, аналогичном ручному режиму управления яркостью лампы подсвета. Непосредственное изменение контраста ЖК-панели осуществляется цифровым потенциометром номиналом 2,2 кОм.

Режим управления подогревом, вентилятором и напряжением питания ЖК-панели: Модуль МГ имеет возможность управления включением подогревателя, вентилятора и лампы подсвета ЖК-панелей. Это управление осуществляется в автоматическом режиме по сигналам, поступающим от датчиков температуры (аналоговые, амплитудой от 0 до 5В). Эти сигналы в модуле преобразуются в цифровой код, пропорциональный температуре датчика. В модуле сравнивается температура датчика с температурами включения подогревателя (tокр меньше 0єС), вентилятора (tокр больше 10Сє) и ламп подсвета ЖК-панелей (больше -40єС) и вырабатываются сигналы управления (Подогрев вкл., Вентилятор, Вкл. ЖК).

Режим контроля матрицы кнопок: Модуль МГ имеет возможность контроля нажатия кнопки матрицы. Возможен контроль матрицы из 36 кнопок (размерностью 6×6шт).

4.4 Проектирование печатной платы

Печатные платы в общем случае представляют собой пластину, содержащую необходимые отверстия и токопроводящий рисунок, который может быть выполнен на поверхности платы, так и в ее объеме, сформированный проводниками, соединяющими электрорадиорадиоэлементы в соответствии с электрической схемой. По конструктивному исполнению печатные платы подразделяются на односторонние, двусторонние и многослойные. Многослойные печатные платы (МПП) отличаются высокой трассировочной способностью и плотностью монтажа элементов. [6]

4.4.1 Проектирование топологии печатной платы

К печатным платам предъявляется ряд требований по ГОСТ 23 751–86 и ГОСТ 10 317–79:

- Максимальный размер любой из сторон ПП должен быть не более 470 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.

— Для упрощения компоновки блоков и унификации размеров ПП, а также в целях повышения механической жесткости платы, соотношения размеров сторон 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.

— По краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5−2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается.

— На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.

— Плата должна иметь маркировку с указанием индекса или чертежного номера платы, а также дату изготовления.

— Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. Основной шаг координатной сетки должен быть 2,5 мм. При использовании, шага координатной сетки меньше основного следует применять шаг, равный 1,25; 0,625; 0,5; 0,25 мм.

— Диаметры монтажных, переходных, металлизированных и неметаллизированных отверстий должны быть выбраны из ряда: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;. 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0 мм.

— При компоновке печатной платы стремятся достигнуть максимального заполнения ее поверхности навесными элементами и разместить их так, чтобы обеспечить кратчайшие связи между ними, выполняемые печатными проводниками.

— Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок. Проводники высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.

Исходными данными для проектирования печатной платы является электрическая принципиальная схема модуля МГ.

Разработка топологии печатной платы произведена при помощи САПР P-CAD 2001, при этом были решены следующие задачи:

— Создание библиотеки компонентов (ЭРЭ);

— Выбор габаритов печатной платы и размещение компонентов на печатной плате;

— Трассировка печатной платы.

Результатом разработки является МПП (10 проводящих слоев) 4 класса точности, с двусторонним расположением ЭРЭ, размер платы 170×155 мм, (чертеж ДП.0.001).

4.4.2 Обзор методов изготовления печатных плат

Существует три основных метода создания токопроводящего слоя печатных плат (ГОСТ 20 406−75): химический, электрохимический и комбинированный.

При химическом способе исходным материалом служит фольгированный диэлектрик. На поверхность медной фольги вначале наносится защитный рисунок таким образом, чтобы он защитил проводники при вытравливании меди. Защитный рисунок схемы выполняется стойкими к воздействию травильных растворов материалами. Затем следует операция травления, в результате которой полностью вытравливается медь и создается проводящий рисунок. Отверстия для установки выводов электрорадиоэлементов сверлятся или штампуются после вытравливания меди и не металлизируются. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится непосредственно к контактным площадкам печатных проводников.

Электрохимический способ: проводящий рисунок создается в результате электрохимического осаждения металла. Исходными материалами служат нефольгированные диэлектрики. Защитный слой наносят таким образом, чтобы открытыми оставались те участки поверхности, которые подлежат металлизации с целью образования проводниковых элементов схемы. Данный способ предусматривает получение металлизированных отверстий одновременно с проводниками и контактными площадками.

Комбинированный способ представляет собой сочетание первых двух способов. Исходным материалом служит фольгированный с двух сторон диэлектрик, поэтому проводящий рисунок получают вытравливанием меди, а металлизация отверстий осуществляется посредством химического меднения с последующим электрохимическим наращиванием слоя меди. Пайка выводов электрорадиоэлементов производится посредством заполнения припоем монтажных отверстий в плате.

В отечественной промышленности существует два конструктивно-технологических направления в технологии изготовления МПП:

- Изготовление МПП с применением химико-гальванических процессов для получения межслойных соединений (металлизация сквозных отверстий; попарное прессование; послойное наращивание);

— Изготовление МПП без межслойных соединений или получение их последующей пайкой (открытые контактные площадки; выступающие выводы). [6,7]

Таблица 4.1

Сравнительные характеристики конструкторско-технологических методов изготовления печатных плат

Для изготовления многослойной печатной платы модуля МГ применяется метод металлизации сквозных отверстий.

Сущность метода металлизации сквозных отверстий заключается в изготовлении внутренних слоев химическим методом, прессовании слоев в монолитную заготовку и изготовлении наружных слоев комбинированным, позитивным методом с одновременной металлизацией отверстий.

4.4.3 Выбор материала для основания платы

Заготовки для печатных плат представляют собой несколько спрессованных слоев диэлектрика, покрытых медной фольгой. Диэлектрики можно разделить на две группы: на бумажной основе и на основе стеклоткани. Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги (гетинакс) или стеклоткани (стеклотекстолит), скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляционными свойствами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемостью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой электрорадиоаппаратуры. Для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, а также для высококачественной аппаратуры используют более дорогие, обладающие лучшими техническими характеристиками стеклотекстолиты. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (-60 … +150°С), низким (0,2 … 0,8%) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению.

Большинство диэлектриков выпускается промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной (реже никелевой или алюминиевой) электролитической фольги, которая для улучшения прочности сцепления с диэктрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1 … 3 мкм). Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35 и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава (99,5%), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4 … 0,5 мкм.

Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальными склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой.

Таблица 4.1

Материалы, используемые для изготовления печатных плат

В качестве материала печатной платы выбран стеклотекстолит, толщиной 1,5 мм, фольгированный с двух сторон: СТФ-2−18−0,2 ТУ 2296−003−11 436 290−02, толщина фольги 18 мкм. В качестве прокладочного материала между слоями МПП выбрана стеклоткань СПТ-4−0,062 ТУ 2296−006−11 436 290−02.

4.5 Разработка конструкции модуля графического

4.5.1 Выбор припоя

Припой — металл или сплав, предназначенный в качестве связующего материала для соединения радиодеталей, радиокомпонентов и проводов в радиоэлектронной аппаратуре и изделий из различных металлов и сплавов. В расплавленном состоянии припой должен иметь хорошую текучесть обладать хорошей смачиваемостью, обеспечить надёжное соединение паяных поверхностей с высокой механической прочностью и низкое переходное сопротивление. Припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.

В зависимости от состава компонентов, входящих в состав припоя они разделяются на лёгкоплавкие (низкотемпературные) и тугоплавкие припои. Основными припоями для пайки всего монтажных элементов РЭА являются низкотемпературные припои, характеристики которых приведены в табл. Существует необходимость в ряде конструкций узлов проводить ступенчатую пайку, что обусловлено различной стойкостью ЭРЭ к воздействию температуры и времени пайки. Ступенчатая пайка используется в узлах с близко расположенными соединениями, которые паяются последовательно различными припоями при условии, что каждый из этих припоев отличается от предыдущего пониженной на 30−50 С температурой пайки. [5]

Марки и характеристики лёгкоплавких припоев

Наиболее технологичными являются припои, имеющие эвтектический или близкий к нему состав, для которых характерны отсутствие или малая (не более 10 К) разница между начальной и конечной температурами их плавления. К таким припоям относятся оловянно-свинцовые припои марок ПОС 61, ПОС 61 М, ПОССу-61−0,5; оловянно-свинцово-кадмиевый припой ПОСК 50−18, оловянно-свинцово-висмутовый припой ПОСВ 33 и припои, содержащие индий. Припои эвтектического состава почти мгновенно переходят из жидкого состояния в твердое, обладают повышенной растекаемостью и коррозионной стойкостью, а также имеют более низкие температуры пайки. Припои ПОС 61, ПОС 61 М и ПОС 40 в отличие от других оловянно-свинцовых припоев обладают повышенной чистотой и предназначены для пайки электромонтажа в узлах ответственного назначения. Кроме того, наличие меди в составе припоя ПОС 61 М уменьшает интенсивность растворения тонких медных проводов, монтажных элементов печатных плат и более чем в 10 раз повышает износостойкость медных рабочих стержней электропаяльников. Припой ПОС 61 М предназначен лишь для ручной пайки электропаяльниками, его нельзя использовать в тиглях и ваннах для лужения и пайки погружением или волной припоя, так как медь в его составе приводит к образованию интерметаллидов, увеличению зернистости и потере жидкотекучести. [5]