Основные принципы конструирования микропроцессорных систем управления

Основные принципы конструирования микропроцессорных систем управления

микропроцессорный алгоритм система управление

Последовательность этапов разработки микропроцессорных систем управления и стадий выпуска конструкторской документации определяется Государственными стандартами. При разработке микропроцессорных систем управления выпускают большое количество технической документации (конструкторской и технологической), состав которой также определяется Государственными стандартами.

Государственные стандарты устанавливают несколько этапов разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей промышленности (в том числе и на микропроцессорные системы управления и систему):

Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию;

Техническое предложение — совокупность конструкторских документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки изделия (на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможной реализации изделия, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, а также патентных материалов);

Эскизный проект — совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе действия изделия, а также данные, определяющие назначение и основные параметры разрабатываемого изделия;

Технический проект — совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации;

Разработка рабочей документации — совокупность конструкторских документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца (опытной партии) изделия.

Процесс разработки нового изделия состоит из двух этапов.

Этап 1 — научно-исследовательская разработка (НИР). На этом этапе производится предварительная аналитическая и расчетная проработка изделия. Результат НИР — научно-технический отчет, содержащий выводы о новых принципах построения изделия, научно обоснованный подход к реализации этих принципов, анализ проведенных исследований. НИР может дать отрицательный результат, показывающий, что на современном уровне развития науки и техники реализация поставленной задачи невозможна или преждевременна.

Этап 2 — опытно-конструкторская разработка (ОКР). Работа на этом этапе основывается на результатах НИР и является процессом инженерного воплощения теоретических результатов, полученных на этапе НИР, в схему и конструкцию изделия.

На этапе ОКР на первый план выступают экономические задачи, так как именно здесь формируются основные параметры изделия, влияющие как на его стоимость, так и на длительность и стоимость его разработки. Во время выполнения ОКР производится теоретическое, расчетное и экспериментальное исследование реализованных в изделии идей. ОКР заканчивается выпуском полного комплекта технической документации на изделие, изготовлением и испытанием его опытного образца (или опытной партии).

Научно-исследовательская разработка (НИР) включает в себя стадии разработки технического задания и технического предложения, а ОКР — эскизное и техническое проектирование, а также стадию разработки рабочей документации. В зависимости от степени проработанности НИР и степени новизны разрабатываемого изделия стадия эскизного проектирования в ОКР может быть опущена.

НИР:

— техническое задание (ТЗ)

— техническое предложение ОКР:

— эскизный проект

— технический проект

— разработка рабочей документации

В соответствии с приведенным порядком существуют определенные этапы разработки микропроцессорных систем управления.

Этап 1 — подготовительный. На этом этапе производятся изучение задач, для решения которых предназначена данная микропроцессорная система управления, и анализ существующих конструкций машин, обсуждаются достижения в смежных областях науки и техники и новые принципы. Такой анализ позволяет ориентировочно определить технические характеристики будущей машины.

Этап 2 — разработка ТЗ. Оно должно содержать основное назначение, технические и тактико-технические характеристики (быстродействие, разрядность, объем памяти и т. д.), показатели качества и технико-экономические требования, состав конструкторской документации, а также специальные, конструктивные, технологические, эксплуатационные требования и требования по надежности.

В ТЗ указываются предприятие-заказчик и предприятие-разработчик микропроцессорной системы управления. Взаимоотношения между ними регламентируются договором — юридическим документом, определяющим взаимоотношения на различных этапах разработки. В договоре определяются взаимные обязательства сторон, их ответственность в случае нарушения отдельных его пунктов, сроки выполнения работ и источники финансирования. Кроме ТЗ к договору прилагают сметную калькуляцию работ, в которой общая сумма расхода разбивается по статьям: сырье и основные материалы, покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты; зарплата работникам НИИ и рабочим опытного производства, отчисления на капитальные вложения, финансирование сторонних организаций и т. д. В договоре указываются объем и сроки выполнения каждого из этапов работ, за которые предприятие-разработчик отчитывается перед предприятием-заказчиком. Все спорные вопросы, возникающие между разработчиком и заказчиком, разрешаются Государственной арбитражной комиссией.

Составление ТЗ обычно ведется заказчиком совместно с разработчиком-исполнителем, для того чтобы требования к микропроцессорной системе управления, зафиксированные в ТЗ, являлись практически выполнимыми.

Если заказчик не знает конкретного исполнителя, то он составляет проект ТЗ и рассылает его в организации, занимающиеся разработкой вычислительной аппаратуры, и просит рассмотреть возможность реализации проекта в практической разработке.

Согласование ТЗ начинается после того, как определился конкретный исполнитель или исполнители.

Процесс согласования состоит в том, что исполнитель после получения проекта ТЗ исследует возможность его реализации как с технической точки зрения, так и в указанные заказчиком сроки. При этом исполнитель обобщает опыт предшествующих разработок, а также опыт родственных организаций, оценивает возможности своего предприятия, проводит подбор и изучение отечественной и иностранной научно-технической литературы, патентов и авторских свидетельств.

Наряду с этим исполнитель предварительно прорабатывает построения блоков и узлов микропроцессорной системы управления и делает вывод о принципиальной возможности выполнения ТЗ. В процессе предварительной проработки заказчику от разработчика может быть выдан ряд замечаний по отдельным пунктам технических требований или предложены свои формулировки этих пунктов. Если после принятия соответствующих уточнений и изменений договаривающиеся стороны приходят к единому мнению о практической выполнимости требований, указанных в ТЗ, согласование считается законченным.

Утверждение ТЗ происходит после его согласования. При утверждении ТЗ подписывают представители и руководители организаций заказчика и разработчика. После подписания ТЗ становится официальным документом, в соответствии с которым выполняется разработка микропроцессорной системы управления или системы. В случае необходимости исполнителем проводится корректировка ТЗ, иногда требующаяся по результатам выполнения эскизного и технического проектирования. При конкретном проектировании может оказаться, что некоторые требования ТЗ надо изменить.

Заказчик в процессе разработки также может вносить изменения в ТЗ, не приводящие к существенным изменениям в уже проделанной работе. Корректировка проводится по взаимному согласованию между заказчиком и исполнителем.

Этапы 3, 4 — техническое предложение. На этих этапах разрабатывается совокупность конструкторских документов, в которых отображаются различные варианты конструктивного и схемного построения разрабатываемой микропроцессорной системы управления и дается сравнительная оценка этих вариантов между собой и с аналогами.

Частично эти вопросы уже должны быть рассмотрены в процессе согласования ТЗ.

На этапе 3 разработчиком производится выбор основных комплектующих изделий, обеспечивающих выполнение требований ТЗ.

Сюда относится выбор элементной базы, носителя информации, оперативной и внешней памяти и т. д.

Большое внимание на стадии технического предложения уделяют анализу алгоритмов, определяющих логическую структуру микропроцессорной системы управления, последовательность выполнения логических и арифметических операций.

Всем конструкторским документам, выпускаемым на стадии технического предложения, присваивается литера «П».

Этапы 5−7 — эскизное проектирование. На этих этапах принимаются принципиальные конструктивные и технические решения, которые отличаются от технического предложения более детальной проработкой устройств в соответствии с ТЗ.

На стадии эскизного проектирования проводятся разработка специальных схем частного применения (например, для управления запоминающим устройством, устройством ввода-вывода и т. д.), испытание разработанных схем, расчет и проверка рабочих режимов комплектующих элементов, выполняется предварительный расчет надежности как отдельных узлов и блоков микропроцессорной системы управления, так и изделий в целом.

В процессе проработки эскизного проекта, как правило, производится макетирование отдельных наиболее сложных узлов и операционных блоков, а иногда и полностью целых устройств, таких, как процессор, устройство обмена, запоминающее устройство и др.

Всем конструкторским документам, выпускаемым на стадии эскизного проектирования, присваивается литера «Э».

По завершении эскизного проектирования разработчик защищает эскизный проект перед заказчиком или заказчиками.

Если микропроцессорная система управления имеет относительно несложную структуру или является модернизацией своей предыдущей модели, допускается опустить этап эскизного проектирования и сразу перейти к техническому проекту.

Этапы 8−9 — техническое проектирование. На этих этапах детально отрабатываются схемные и конструкторские решения, выпускаются чертежи на все элементы, узлы, блоки и устройства микропроцессорной системы управления, прорабатываются вопросы защиты от механических, климатических и радиационных воздействий, доступа при ремонте и контроле, привязки к объекту установки и т. д., уточняются вопросы технологии и стоимости, особенности предприятия-изготовителя микропроцессорной системы управления.

В процессе выполнения технического проекта необходимо макетирование как отдельных узлов и устройств разрабатываемой микропроцессорной системы управления, так и всей системы в целом.

Итог технического проекта — макет микропроцессорной системы управления, предъявляемый на испытания,

Основная конструкторская документация, которой присваивается литера «Т».

К конструкторской документации относят: сборочные чертежи всех устройств с пояснительной запиской, полный комплект электрических схем, инструкции по эксплуатации, технический отчет.

В отчете приводятся все основные механические и электрические расчеты, результаты исследований и испытаний. По результатам технического проектирования может быть проведена корректировка ТЗ по согласованию с заказчиком.

Этапы 10−12 — изготовление, настройка и эксплуатация опытного образца.

После того как заказчик вынес положительное решение по результатам технического проекта, разработчик приступает к разработке рабочей документации, производя окончательную корректировку электрических схем и чертежей, выпуская конструкторскую документацию, по которой производится выпуск опытного образца микропроцессорной системы управления.

Конструкторской документации присваивается литера «О».

В процессе изготовления микропроцессорной системы управления проводятся приемосдаточные испытания отдельных узлов и блоков, а после изготовления — приемосдаточные испытания опытного образца (одного или нескольких) по электрическим, механическим, климатическим и другим требованиям.

Испытания проводятся представителями отдела технического контроля (ОТК) и представителями заказчика в соответствии с техническими условиями, которые составляются разработчиком на узлы, блоки и изделие в целом на основе требований ТЗ. Технические условия обязательно входят в состав конструкторской документации, передаваемой на завод-изготовитель. По результатам опытной эксплуатации и государственных испытаний проводится окончательная корректировка документации.

Этапы 13−14 — выпуск установочной серии.

Откорректированная техническая документация, выпущенная под литерой «O1», передается предприятием-разработчиком предприятию-изготовителю для выпуска установочной серии микропроцессорной системы управления и запуска в серийное (массовое) производство.

Взаимоотношения между разработчиком и заводом-изготовителем регламентируются договором, который заключается на период освоения микропроцессорной системы управления в серийном производстве. Разработчик при этом обязуется передать заводу-изготовителю несколько комплектов копий конструкторской и технологической документации, обучить представителей завода процессам наладки и регулировки, новым технологическим процессам и т. д.

После выпуска и испытания установочной партии микропроцессорной системы управления (или головного образца для больших машин) разработчик передает все оригиналы технической документации заводу-изготовителю, который при необходимости перевыпускает ее, присваивая литеру «А».

По окончательно отработанной документации производится массовый (серийный) выпуск микропроцессорной системы управления.

Этапы 15 и 16. В процессе эксплуатации и ремонта микропроцессорной системы управления, изготовленных в серийном (массовом) производстве, часто возникает необходимость в корректировке функциональных, принципиальных, монтажных и других схем, конструкторской и технологической документации или же ТЗ.

Эти изменения вносятся в установленном порядке, и по откорректированной документации производится изготовление опытного образца, его испытание в полном объеме; в случае положительных результатов корректируется документация на заводе-изготовителе.

Указанные этапы необходимы для такого сложного изделия, как микропроцессорная система управления, так как нельзя допустить ее запуск в серийное производство по первичной рабочей документации, которая всегда содержит какие-то ошибки. Последние могут носить принципиальный характер из-за того, что разработчик, например, неверно составил временную диаграмму выполнения какой-либо операции, не учел какого-то фактора в алгоритме той или иной команды или допустил ошибку в принципиальной электрической схеме или элементах конструкции.

Хотя такого рода ошибки при правильной организации разработки и достаточно высокой квалификации разработчиков случаются достаточно редко, они существенно влияют на затраты и время изготовления опытных образцов микропроцессорной системы управления.

Основное количество ошибок (около 80−90%) возникает от недостаточной внимательности и усталости разработчика и копировщика. Вследствие этого обнаруживаются, например, неверно указанные связи между контактами, приведение не того типа микросхемы, ошибки при копировании документации вследствие нечеткого написания букв и обозначений в оригинале документа и т. п. Существенное уменьшение такого рода ошибок достигается использованием автоматизированных с помощью микропроцессорной системы управления методов разработки и обработки технической документации, и применением САПР (PCAD, AutoCad, OrCad, Mentor Graphics, Cadence, Compass и др.)

Повышение помехоустойчивости микропроцессорных систем, особенности конструирования печатных плат для микроконтроллеров.

Источников помех, способных вызвать сбой или отказ устройства, существует бесчисленное множество.

Однако наиболее часто встречаются следующие помехи:

· наносекундные помехи, которые, как правило, бывают вызваны срабатыванием механических контактов выключателей и реле. В зарубежной литературе этот вид помех называется EFT — Electric Fast Transients;

· микросекундные помехи, связанные с работой реактивных элементов в цепях мощных нагрузок (зарядка конденсаторов, а также отдача энергии, накопленной в обмотках моторов, соленоидов и пр.). В зарубежной литературе этот вид помех называется surge;

· помехи от электростатических разрядов; в основном это помехи, возникающие при касании «наэлектризованным» человеком различных электрических цепей. В зарубежной литературе этот вид помех называется ESD — Electrostatic Discharge;

· помехи, вызванные работой близко расположенных радиопередатчиков;

· помехи от мощных природных или искусственных источников энергии, прежде всего от грозовых разрядов.

Существуют российские и международные стандарты, оговаривающие требования к электромагнитной совместимости (ЭМС). Стандарты аккумулируют многолетний инженерный опыт. Однако сами по себе стандарты являются тяжело усваиваемым материалом, малопригодным для непосредственного руководства при проектировании или анализе поведения устройств. Стандарты разработаны таким образом, чтобы при испытании устройств достаточно аккуратно имитировать реальные помехи.

Целесообразно все помехи разделить на три абстрактных типа:

· наносекундные помехи (НП);

· мощные помехи (МП);

· радиочастотные помехи (РП).

Практически все реальные помехи могут быть представлены как комбинации этих трех абстрактных. Например, EFT помехи — это пачки наносекундных помех НП, а ESD — это комбинация одиночной НП и одиночной МП. Поэтому если устройство устойчиво ко всем трем абстрактным типам помех, то с высокой степенью вероятности оно будет устойчиво и к реальным помехам, независимо от их происхождения.

Вопрос устойчивости к МП в большой степени является вопросом обеспечения надежности, пожарои электробезопасности. Устойчивость к МП и РП в данной статье не рассматривается.

Наносекундные помехи Этот тип помех является причиной большинства сбоев. При всем своем разнообразии наносекундные помехи обладают некоторыми общими свойствами:

· одиночная НП — это почти дельта-функция, у нее чрезвычайно широкий спектр (до единиц гигагерц);

· НП имеет ничтожную энергию, в отличие от МП она, как правило, не «выжигает» радиоэлектронные устройства, а вызывает обратимый сбой;

· сбиваться могут только устройства, обладающие памятью, такие как микропроцессоры, счетчики и пр. Для чисто комбинационных цифровых узлов понятие «сбой» теряет смысл, так как они автоматически возвращаются в нужное состояние по окончании НП. Заметим, что аналоговые цепи тоже могут обладать «памятью» в виде емкостей или индуктивностей.

Чтобы лучше представить себе этот тип помех, полезно обратиться к стандарту МЭК 61 000−4-4 (ГОСТ Р 51 317.4.4−99). В нем сказано, что EFT помехи должны имитироваться пачками треугольных импульсов. Длительность переднего фронта у каждого импульса — 5 нс, длительность импульса — 50 нс на уровне 50%. Внутреннее сопротивление генератора импульсов составляет 50 Ом, генератор должен быть заземлен.

Амплитуда НП-импульсов зависит от того, к какому классу по помехоустойчивости должно относиться испытуемое устройство, а также от того, куда подаются импульсы при испытании (табл. 1). Возможны испытания и более жесткие, чем указаны в таблице, если это требуется по условиям эксплуатации прибора. Однако в подавляющем большинстве случаев перечисленных в таблице степеней жесткости достаточно. Самые легкие испытания применяются к бытовой технике, самые жесткие — к промышленным и бортовым устройствам.

Таблица 1

В линии питания и заземления тестовые НП импульсы инжектируются непосредственно, без развязки. С учетом достаточно низкого сопротивления генератора сигналов, величины импульсных токов, протекающих в цепи общего провода, могут достигать огромных величин. Импульсные токи НП, протекающие по общему проводу устройства, создают заметное падение напряжения между различными точками этого провода, что может вызвать сбой.

В сигнальные цепи тестовые НП импульсы инжектируются через «емкостные клещи», куда по очереди закладываются все провода, приходящие к устройству. Емкость связи невелика — единицы пикофарад, но для НП импульсов даже сравнительно малые емкости не являются серьезным препятствием, настолько широк их спектр. НП, приходящая в устройство по сигнальным цепям, рано или поздно попадает на общий провод («землю») устройства и далее проходит теми же путями, что и НП, инжектированная в цепь общего провода. Поскольку согласно стандарту, амплитуда сигнальной НП вдвое меньше, чем земляной, попавшая в общий провод сигнальная НП в дальнейшем уже не может вызвать эффекта худшего, чем земляная НП. Однако до того, как сигнальная НП попадет на общий провод, она может вызвать сбой непосредственно в цепях, связанных с данным сигналом.

Стандарт оговаривает, что испытуемое устройство должно находиться на изолирующей подставке на расстоянии 100 мм от сплошной заземленной поверхности. Это немаловажное требование, так как между устройством и этой поверхностью образуется емкостная связь, иногда одного этого достаточно для сбоя.

На рис. 1 условно показано некое устройство, состоящее из узлов 1−4. Узлы 1 и 2 не подключены к внешним цепям, но они могут сбиваться из-за падения напряжения на внутреннем общем проводе, вызванном прохождением тока помехи IGND (на рис. 1 показана помеха, инжектируемая в линию заземления). Узлы 3 и 4 подключены к внешним устройствам, поэтому помимо упомянутых сбоев они дополнительно подвержены сбоям из-за токов помех I1 и I2, проходящих через их терминалы.

Рис. 1. Помеха, инжектируемая в линию заземления

Два типа проверок, оговоренных стандартом (со стороны заземления и со стороны сигналов), взаимодополняют друг друга.

На рис. 1 можно выделить три составляющих помехоустойчивости устройства к НП, рассматриваемые далее более подробно:

· внутренний общий провод («земля») устройства;

· барьеры;

· емкостные связи.

Внутренний общий провод устройства. В момент прохождения НП по внутреннему общему проводу создается заметная разность напряжений между различными его точками («перекосы»). Например, если узлы 1 и 2 (рис. 1) являются цифровыми, собранными на микросхемах ТТЛШ, то разность напряжений примерно в 1 В между точками «а» и «б» способна вызвать сбой.

Основную роль в создании падения напряжения играет не резистивная, а индуктивная составляющая цепи общего провода. За счет огромной крутизны фронтов НП даже мизерных индуктивностей общего провода или даже слоев в печатных платах бывает достаточно для сбоя.

Рассмотрим эквивалентную схему на рис. 2.

Рис. 2

Источник помехи — генератор треугольных импульсов UGEN. Фронт нарастания помехи — 5 нс, длительность по уровню 50% равна 50 нс (рис. 3), сопротивление источника помехи RGEN равно 50 Ом, как оговорено стандартом. Амплитуда импульса помехи — 1 кВ, что соответствует сравнительно «мягким» испытаниям согласно табл. 1.

Рис. 3

Конденсатор CCPL представляет собой емкость связи, LW — индуктивность проводов, подключенных к устройству. Для схемы на рис. 1 емкость связи CCPL состоит из параллельно включенных CX1, CX2.

Индуктивность LW представляет суммарную индуктивность всех проводников на пути помехи, за исключением индуктивности общего провода на рассматриваемом участке, которая обозначена как LGND. Предположим, что индуктивность общего провода LGND равна 10 нГн, а индуктивность остальных цепей — 100 нГн. Для ориентировки отметим, что печатный проводник шириной 5 мм и длиной 10 мм имеет индуктивность более 10 нГн, проводник шириной 0,35 мм и длиной 10 мм — примерно 17 нГн. Квадратная площадка размерами 25×25 мм имеет индуктивность более 20 нГн.

На рис. 4 показана форма падения напряжения на LGND для следующих случаев:

1. СCPL = 10 пФ, LW = 100 нГн.

2. СCPL = 100 пФ, LW = 100 нГн.

3. СCPL = 0,1 мкФ, LW = 100 нГн.

4. СCPL = 0,1 мкФ, LW = 0.

Рис. 4

При прохождении помехи на индуктивности внутреннего общего провода устройства создается падение напряжения, достаточное для сбоя. Увидеть такую помеху при помощи запоминающего осциллографа весьма затруднительно по ряду причин, в том числе по причине ограниченной скорости большинства современных запоминающих осциллографов.

Из этого следует, что даже сплошной слой общего провода не спасет устройство на рис. 1 от сбоев, и в нем «перекосы» при прохождении НП могут достигать десятков вольт.

Устойчивость устройства к воздействию НП не может быть достигнута только за счет утолщения проводников общего провода, заливки свободных мест печатной платы проводником общего провода или использования многослойных плат. За счет одних только «толстых» общих проводников можно получить выигрыш в помехоустойчивости примерно в 1,5:3 раза, что на фоне сигналов помех, показанных на рис. 4, совершенно недостаточно.

Развязка внешних сигналов при помощи оптронов тоже считается хорошим средством повышения помехоустойчивости, но на самом деле не является надежной защитой от НП. Типичная емкость оптрона — 0,5 пФ, при подстановке этого значения в качестве CCPL падение напряжения на индуктивности LGND в схеме на рис. 2 уменьшается до 4 В, что все равно достаточно для сбоя. Если устройство имеет несколько линий ввода / вывода, развязанных оптронами, то емкость CCPL будет соответственно больше.

Радикального уменьшения напряжения помех на внутреннем общем проводе устройства можно достичь, если правильно скомпоновать устройство и выбрать оптимальную точку заземления. Например, вполне очевидно, что по внутреннему общему проводу устройства на рис. 5 токи помех на участке «а» — «в» вообще не текут, соответственно, не возникает причин для сбоя узлов 1 и 2.

В устройстве на рис. 5 внутренний общий провод устройства разделен на две части: «чистую» («а» — «в») и «грязную» («в» — «г»). По «чистой» части токи помех не протекают, к ней можно присоединять все узлы, потенциально чувствительные к помехам (узлы 1 и 2). Токи помех текут только по «грязной» части, с которой можно связывать только узлы, нечувствительные к помехам (узлы 3 и 4).

Рис. 5

Реальная картина вряд ли будет такой простой, как на рис. 5. Паразитную емкость Сх очень редко удается сосредоточить только в «грязной» части, частично она существует и в «чистой» левой. За счет этой емкости полностью избавиться от токов помех в «чистой» части общего провода не удается.