Блок управления для автоматизированной системы проверки межблочного монтажа

АННОТАЦИЯ.

В данном дипломном проекте разработан блок управления для автоматизированной системы проверки межблочного монтажа (АКМ). Этот прибор предназначен для того чтобы более точно, быстро и экономически эффективно организовать процесс проверки качества межблочного монтажа радиоэлектронных изделий и кабелей.

В пояснительной записке описаны технико-экономическое обоснование разработки, особенности проектирования, разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы прибора, составлен алгоритм работы системы и написано программное обеспечение. В необходимом объеме проведены конструкторские работы.

Проект содержит экономическую оценку разработанного устройства, оценку его экологичности и безопасности.

Автор выражает благодарность сотрудникам регионального центра зондовой микроскопии коллективного пользования (РЦЗМкп) РГРТУ за помощь при выполнении дипломного проекта.

THE SUMMARY.

This diploma is developed control unit for the automized system of inspection of interblock mounting. This device is intended for more directly, rapidly and cost-beneficial organize process of quality check of interblock mounting and insulation resistance measurement.

In the explanatory note it is described the technical — economical basis of the elaboration, peculiarities of the projection, the inside architecture of the devices, included into the elaboration, structural, functional and principal circuits of the device are elaborated, making algorithm of system work and write a program. The design calculation are given in necessary volume.

The project contains the economical appreciation of the elaborated devices.

The author expresses his gratitude to the staff of the regional center of probe microscopy communities RSREU for assistance in completing the diploma project.

При автоматизации производственных и технологических процессов в промышленности, научных исследованиях и создании новой техники требуется за ограниченное время одновременно измерять, регистрировать значительное количество параметров и перерабатывать большие потоки информации. Поэтому автоматизация методов и средств измерений, переход от единичных приборов к измерительным информационным системам (ИИС), измерительно-вычислительным комплексам с мини-ЭВМ, решающим задачи измерения, контроля, управления, обработки, хранения, отображения и передачи на расстояния измерительной информации, в настоящее время получили широкое распространение.

Одно из последних достижений измерительной техники — использование в приборах встроенных микропроцессоров для решения задач управления, вычислений и сопряжений. Увеличивается количество прямо показывающих и многофункциональных приборов, аналоговые приборы вытесняются цифровыми приборами, выполненными на интегральных схемах. Последние уменьшают габариты цифровых приборов, мощность потребления, упрощают технологию изготовления и автоматизируют их производство.

Цифровые приборы кроме визуальной индикации измерительной информации в десятичной системе имеют выходные сигналы в стандартных протоколах связи с ЭВМ и ЦПУ, тем самым обеспечивается непрерывный контроль параметров систем с регистрацией контролируемых значений и сигнализацией при выходе их за пределы нормы.

Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной техники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измерительных систем: от простейших, где ЭВМ является внешним звеном, предназначенным лишь для обработки результатов измерений, до сложных структур, где минии микро-ЭВМ используются не только для обработки информации, но и для управления. Развитие этих систем вызвано необходимостью в новых средствах массового получения измерительной, контрольной и диагностической информации за ограниченное время и при минимальном участии человека. Развитие нового поколения измерительных информационных систем связано с использованием микропроцессорных средств.

В ИИС функции отдельных измерительных приборов выполняются единым централизованным автоматическим устройством, связанным с первичными измерительными преобразователями, воспринимающими измерительную информацию о множестве физических величин и осуществляющими измерение этих величин, обработку результатов измерения по определенной программе с последующей выдачей человеку или управляющей машине выходной информации.

В ИИС информация получается непосредственно от изучаемого объекта измерением или контролем, обработкой этой информации и выдачей ее в виде совокупности именованных чисел, графиков, общих выводов и команд, отражающих состояние конкретного объекта, человеку или управляющей машине.

По назначению различают:

— измерительные ИИС, выполняющие прямые, косвенные совокупные измерения с соответствующей математической обработкой (телеизмерительные ИИС, если исследуемый объект находятся на очень большом расстоянии);

— ИИС автоматического контроля, предназначенные для получения информации об отклонениях контролируемых величин от установленных нормальных значений;

— ИИС технической диагностики, дающие информацию о неисправностях и повреждениях какой-либо системы, на основании которой решается задача отыскания места повреждений и установления причин этих повреждений и неисправностей.

В различных отраслях промышленности и в связи, при постановке научных экспериментов широко используются разнообразные технические устройства и системы. Их практическое применение немыслимо без осуществления контроля технического состояния.

Контроль — это получение и обработка информации, устанавливающей соответствие состояния объекта предъявленным требованиям. Совокупность контрольно-измерительных и логических операций, которые при этом выполняются, определяют основное содержание процесса контроля работоспособности объекта.

Чтобы определить состояние объекта контроля (ОК), необходимо выбрать некоторые конкретные характеристики — его параметры, которые в дальнейшем следует контролировать. В требованиях на объект указываются нижние и верхние предельные значения данных параметров. Часто нижние и верхние предельные значения называются нижним и верхним допусками. С ними сравнивается значение контролируемого параметра и затем формируется результат контроля. Система сбора и обработки информации о состоянии ОК называется системой контроля (СК). [1].

Основными техническими характеристиками СК являются:

число и вид контролируемых характеристик;

точность;

способ оценки промежуточных результатов контроля;

быстродействие.

Такие характеристики СК, как вес, объём, габариты, степень автоматизации, простота отыскания и устранения неисправностей, степень унификации, приспособленность к освоению обслуживающим персоналом, число и квалификация обслуживающего персонала, безопасность, транспортабельность, с точки зрения контроля являются дополнительными.

В современных условиях промышленного производства часто требуется автоматизированный контроль различных систем, то есть осуществляемый с частичным участием человека. По сравнению с ручным контролем это позволяет значительно снизить энергозатраты и повысить эффективность производства. Полностью автоматическая СК является чрезвычайно сложной и дорогой.

В зависимости от вида контроля можно выделить следующие автоматизированные системы контроля, осуществляющие:

контроль работоспособности;

диагностический контроль;

прогнозирующий контроль.

Контроль работоспособности — контроль параметров, определяющих техническое состояние объекта контроля в целом.

Диагностический контроль — контроль, осуществляемый с целью определения места неисправности.

Прогнозирующий контроль — контроль, осуществляемый с целью предсказания состояния объекта или отдельных его узлов в будущем. [2].

В данном дипломном проекте необходимо разработать автоматизированную систему проверки монтажа изделий. Разработка системы позволит более точно, быстро и экономически эффективно организовать процесс определения правильности монтажа и выявление брака.

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ.

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) широко применяется почти во всех отраслях промышленности. Для успешного выполнения предписанных ей функций РЭА должна обладать точностью, долговечностью, надежностью и экономичностью. Эти параметры в первую очередь обеспечиваются достигнутыми уровнями технологии, организации и культуры производства, соответствующей элементной базой, а также развитием ряда фундаментальных и прикладных наук.

Особое значение имеют вопросы автоматизации процессов поиска возможных производственных дефектов при серийном и массовом изготовлении РЭА, так как ручной метод поиска неисправностей являться очень трудоёмким процессом и, а в большинстве случаев невозможным.

Проверка правильности межблочного монтажа РЭА в ручном режиме основывается на использовании омметра и двух щупов. В ходе такой операции производится последовательная проверка («прозвонка») каждой цепи контролируемого корпуса в соответствии с его электрической схемой. Для данного метода необходимы большие временные и трудовые затраты, а если обнаруживается брак в монтаже разъемов, то рабочему требуется больше времени на регистрацию и документацию результатов проверки. При работе оператор должен быть предельно внимательным, чтобы не допустить ошибки.

Эти операции может выполнять автоматизированная система, которая в большей мере удовлетворяет возрастающим требованиям к точности контроля объекта.

Современный высокий уровень развития вычислительной техники, техники связи, а также методов автоматического измерения и обработки информации обеспечили возможность создания высокоточных и быстродейственных автоматизированных систем контроля. Значительно повысить производительность и объективность процессов контроля монтажа позволило создание автоматизированной системы под управлением ПЭВМ. Существенными преимуществами АКМ по сравнению с неавтоматизированными средствами контроля являются:

сокращение времени контроля;

сокращение обслуживающего персонала и отсутствие необходимости его частого переобучения;

отсутствие влияния субъективных факторов оператора на результаты контроля;

снижение объема новых разработок при создании модификации за счет возможности глубокой унификации (стандартизации) их основных узлов и блоков;

возможность автоматического документирования результатов проверки параметров контролируемого объекта. [2].

Одним из перспективных направлений является построение АКМ на основе микропроцессоров.

Уникально малые размеры и высокая надёжность микропроцессоров и выполненных на их основе микро-ЭВМ при больших вычислительных и логических возможностях представляют собой огромный качественный скачок в развитии микроэлектроники и вычислительной техники. Это почти беспредельно расширяет сферу использования цифровых вычислительных устройств, делает возможным создание на основе микропроцессоров и микро-ЭВМ контролирующих, управляющих и обрабатывающих цифровых устройств и систем, непосредственно встраиваемых в приборы, машины, технологические установки и процессы, позволяющих достигнуть значительного повышения уровня автоматизации технологических процессов, экономии энергии, сырья и материалов, повышения производительности и качества труда. Поэтому с полным основанием развитие и применение микропроцессоров и микроконтроллеров оценивается как одно из важнейших направлений научно-технического прогресса.

Массовый выпуск микропроцессорных интегральных схем с широкими функциональными возможностями, их низкая стоимость, гибкость и точность цифровых методов обработки информации превратили микропроцессоры (МП) в системные элементы, на основе которых создаются системы промышленной автоматики, связи, измерительной техники и тому подобные. С появлением МП стало возможным создание высокоэффективных специализированных микроконтроллеров и систем, ориентированных на выполнение определённых задач.

Программируемость микропроцессора — одно из его важнейших свойств. Оно обеспечивает гибкость перестройки как алгоритма системы управления, так и ее структуры с целью приспособления к меняющимся условиям работы или меняющимся задачам. При этом вносимые в систему изменения часто сводятся к замене одной микросхемы на другую. Свойство программируемости обеспечивает возможность внесения изменений в структуру и в программу работы системы на всех этапах её проектирования — от предварительного проектирования до эксплуатации серийных образцов. [3].

Автоматизированная система, построенная на основе микроконтроллера, обеспечит быструю, точную, надёжную проверку межблочного монтажа. А также максимально уменьшит субъективное влияние оператора на результат.

2. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ.

При производстве устройств необходимо контролировать правильность монтажа его разъемов. Это можно осуществить, проверяя наличие короткого замыкания и измеряя электрическое сопротивление между контактами, а затем, сравнивая полученный результат на соответствие электрической схеме изделия, делать вывод о годности объекта контроля.

В практике для измерения сопротивлений применяют различные методы в зависимости от требований к точности и быстроте измерения, от величины измеряемых сопротивлений.

Далее рассмотрим методы измерения сопротивления.

2.1 Измерительные механизмы омметров.

Для прямого измерения сопротивлений применяют магнитоэлектрические измерительные механизмы: однои двухрамочные.

Однорамочный механизм можно использовать для измерения сопротивлений. С этой целью в прибор вводят добавочный резистор с постоянным сопротивлением RД и снабжают его источником питания (например, батареей сухих элементов). Измеряемое сопротивление RХ включается с измерителем последовательно (рисунок. 2.1) или параллельно.

При последовательном соединении ток в измерителе представлен следующим образом:

где RИ — сопротивление измерителя;

Uнапряжение источника питания;

RХ — измеряемое сопротивление;

RД — сопротивление добавочного резистора.

Учитывая, что Где.

— чувствительность прибора по току (постоянная величина), находим, что угол отклонения стрелки прибора при U=const зависит только от величины измеряемого сопротивления RХ:

Если шкалу отградуировать по этому выражению в единицах сопротивления, то прибор будет омметром. Напряжение сухих элементов со временем уменьшается, поэтому в измерения вносится ошибка, тем большая, чем больше действительное напряжение отличается от того напряжения, при котором была градуирована шкала.

Рисунок 2.1 — Однорамочный механизм измерения сопротивления Ошибка от непостоянства напряжения питающего источника не возникает, если измерительный механизм имеет две обмотки, расположенные на общей оси под некоторым углом друг к другу (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Двухрамочным механизм измерения сопротивления В двухрамочном измерительном механизме, который называют логометром, нет противодействующих пружин, вращающий и противодействующий моменты создаются электромагнитными силами, поэтому при отсутствии тока в обмотках хорошо уравновешенная подвижная часть прибора находится в безразличном равновесии (стрелка останавливается у любого деления шкалы). Когда в катушках есть ток, на подвижную часть действуют два электромагнитных момента, направленные в противоположные стороны.

Магнитная цепь измерительного механизма устроена так, что магнитная индукция вдоль воздушного зазора распределена неравномерно, но с таким расчетом, что при повороте подвижной части в любую сторону вращающий момент уменьшается, а противодействующий момент увеличивается (в зависимости от направления поворота роль моментов меняется).

Подвижная часть останавливается при или. Отсюда следует, что положение стрелки на шкале зависит от отношения токов в обмотках, т. е., но не зависит от напряжения питающего источника. На схеме рисунка. 2.2 видно, что измеряемое сопротивление RХ входит в цепь одной из катушек логометра, поэтому ток в ней, а также отклонение стрелки прибора однозначно зависит от значения RХ. Используя эту зависимость, шкалу градуируют в единицах сопротивления, и тогда прибор является омметром. Омметры для измерения сопротивления изоляции снабжают источником питания с напряжением до 1000 В, чтобы измерение проводить при напряжении, примерно равном рабочему напряжению установки. Таким источником может быть встроенный магнитоэлектрический генератор с ручным приводом или трансформатор с выпрямителем, включаемый в сеть переменного тока.

Омметры, рассчитанные на измерения больших сопротивлений (больше 1 МОм), называют мегомметрами. [4].

2.2 Методы и приборы сравнения.

Для измерения малых и средних сопротивлений применяют метод сравнения измеряемого сопротивления RХ с образцовым R0. Эти два сопротивления на схеме рисунка 2.3 соединены последовательно, поэтому ток в них один и тот же. Величину его регулируют с помощью резистора Rp, так, чтобы она не превышала допустимого тока для сопротивлений RХ и R0.

Отсюда:

Неизвестные падения напряжения Ux и U0 измеряют вольтметром или потенциометром. Результаты измерения получаются более точными, если сопротивления RХ и R0 одного порядка, а сопротивление вольтметра достаточно велико, так что присоединение его не влияет на режим основной цепи.

При измерении малых сопротивлений этим методом вольтметр подключают с помощью потенциальных зажимов, которые позволяют исключить сопротивления контактов основной цепи из результатов измерения.

Средние и большие сопротивления можно измерить методом замещения (рисунок 2.4). Амперметром, А измеряют ток, устанавливая переключатель П в положение 1, а затем 2. Напряжение на входных зажимах схемы одинаково, поэтому Отсюда При измерении больших сопротивлений амперметр заменяют гальванометром с шунтом, чем значительно повышают точность измерения.

Рисунок 2.3 — Схема измерения малых и средних сопротивлений Рисунок 2.4 — Схема измерения средних и больших сопротивлений Рисунок 2.5 — Схема измерения сопротивления «одинарный мост» .

Наиболее точные результаты при измерении сопротивлении дают мостовые схемы, которые в практике применяют в различных вариантах в зависимости от величин измеряемых сопротивлений и требуемой точности измерения.

Чаще других можно встретить прибор, построенный по схеме рисунка 2.5, который в практике называют «одинарным мостом». В данном случае в мостовую схему входят сопротивления R, R1, R2, Rx, которые образуют замкнутый контур А, Б, В, Г из четырех ветвей (их называют «плечами моста»). В одну диагональ схемы включен источник постоянного тока, в другую — гальванометр с двусторонней шкалой (нуль в середине шкалы). Предположим, что при некотором сопротивлении RХ другие сопротивления подобраны так, что ток в измерительной диагонали Ir=0, т. е. потенциалы VБ и VГ одинаковы при замкнутых выключателях К1 и К2. В этом случае.

Используя эти равенства, нетрудно получить выражение для измеряемого сопротивления Если сопротивления R1 и R2 одинаковые по величине, то RX=R. В приборе промышленного изготовления R — это набор резисторов (магазин сопротивлений), составленный по декадному принципу. На верхней крышке расположены переключатели, с помощью которых можно набрать в известных пределах любую величину сопротивления с точностью, которая определяется самой малой ступенью изменения сопротивления.

Для расширения пределов измерения величины R1 и R2 подбирают так, чтобы их отношение можно было изменить тоже по десятичной системе (например, R/R2=100; 10; 1; 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001).

Одинарные мосты применяют в основном для измерения средних сопротивлений. При измерении малых сопротивлений измеряемый элемент включают по особой схеме или применяют специальные мосты, предназначенные для этой цели. [5].

2.3 Измерение сопротивления по постоянному току.

Основными методами измерения сопротивления по постоянному току являются: косвенный метод; метод непосредственной оценки и мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности.

Наиболее универсальным из косвенных методов является метод амперметра-вольтметра.

Метод амперметра-вольтметра основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (рисунок 2.6а) и измерение малых сопротивлений (рисунок 2.6б). По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.

Для схемы рисунка 2.6а искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются по формуле:

где RX — измеряемое сопротивление;

Rа — сопротивление амперметра.

Для схемы рисунка 2.6б искомое сопротивление и относительная методическая погрешность измерения определяются по формуле:

где Rв — сопротивление вольтметра.

Из определения относительных методических погрешностей следует, что измерение по схеме рисунка 2.6а обеспечивает меньшую погрешность при измерении больших сопротивлений, а измерение по схеме рисунка 2.6 б — при измерении малых сопротивлений.

Погрешность измерения по данному методу рассчитывается по выражению где гВ, гА, — классы точности вольтметра и амперметра; UП, IП пределы измерения вольтметра и амперметра.

Используемые при измерении приборы должны иметь класс точности не более 0.2. Вольтметр подключают непосредственно к измеряемому сопротивлению. Ток при измерении должен быть таким, чтобы показания отсчитывались по второй половине шкалы. В соответствии с этим выбирается и шунт, применяемый для возможности измерения тока прибором класса 0.2. Во избежание нагрева сопротивления и, соответственно, снижения точности измерений, ток в схеме измерения не должен превышать 20% номинального.

Рисунок 2.6 — Схема измерения больших (а) и малых (б) сопротивлений методом амперметра-вольтметра Рекомендуется проводить 3 — 5 измерений при различных значениях тока. За результат, в данном случае, принимается среднее значение измеренных сопротивлений.

При измерениях сопротивления в цепях, обладающих большой индуктивностью, вольтметр следует подключать после того как ток в цепи установится, а отключать до разрыва цепи тока. Это необходимо делать для того, чтобы исключить возможность повреждения вольтметра от ЭДС самоиндукции цепи измерения.

Метод непосредственной оценки предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации. На практике применяют омметры типа М57Д, М4125, Ф410 и др. Диапазон измеряемых сопротивлений данных приборов лежит в пределах от 0,1 Ом до 106 Ом.

Для измерения малых сопротивлений, например сопротивление паек якорных обмоток машин постоянного тока, применяют микроомметры типа М246. Это приборы логометрического типа с оптическим указателем, снабженные специальными самозачищающими щупами.

Также для измерения малых сопротивлений, например переходных сопротивлений контактов выключателей, нашли применение контактомеры. Контактомеры Мосэнерго имеют пределы измерения 0 — 50 000 мкОм с погрешностью менее 1.5%. Контактомеры КМС-68, КМС-63 позволяют производить измерения в пределах 500−2500 мкОм с погрешностью менее 5%.

Для измерения сопротивления обмоток силовых трансформаторов, генераторов с достаточно большой точностью применяют потенциометры постоянного тока типа ПП-63, КП-59. Данные приборы используют принцип компенсационного измерения, т. е. падение напряжения на измеряемом сопротивлении уравновешивается известным падением напряжения.

Мостовой метод. Применяют две схемы измерения — схема одинарного моста и схема двойного моста. Соответствующие схемы измерения представлены на рисунке 2.7.

Для измерения сопротивлений в диапазоне от 1 Ом до 106 Ом применяют одинарные мосты постоянного тока типа ММВ, Р333, МО-62 и др.

Погрешность измерений данными мостами достигает 15% (мост ММВ). В одинарных мостах результат измерения учитывает сопротивление соединительных проводов между мостом и измеряемым сопротивлением. Поэтому сопротивления меньше 1 Ом такими мостами измерить нельзя из-за существенной погрешности. Исключение составляет мост P333, с помощью которого можно производить измерение больших сопротивлений по двухзажимной схеме и малых сопротивлений (до 5 — 10 Ом) по четырехзажимной схеме. В последней почти исключается влияние сопротивления соединительных проводов, т. к. два из них входят в цепь гальванометра, а два других — в цепь сопротивления плеч моста, имеющих сравнительно большие сопротивления.

Рисунок 2.7 — Схемы измерительных мостов: а — одинарного моста; б — двойного моста Плечи одинарных мостов выполняют из магазинов сопротивлений, а в ряде случаев (например, мост ММВ) плечи R2, R3 могут быть выполнены из калиброванной проволоки (реохорда), по которой перемещается движок, соединенный с гальванометром. Условие равновесия моста определяется выражением Rх = R3Ч (R1/R2). С помощью R1 устанавливают отношение R1/R2, обычно кратное 10, а с помощью R3 уравновешивают мост. В мостах с реохордом уравновешивания достигается плавным изменением отношения R3/R2 при фиксированных значениях R1.

В двойных мостах сопротивления соединительных проводов при измерениях неучитываются, что представляет возможность измерять сопротивления до 10−6 Ом. На практике применяют одинарно-двойные мосты типа P329, P3009, МОД-61 и др. с диапазоном измерений от 10−8 Ом до 104 МОм с погрешностью измерения 0.01 — 2%.

В этих мостах равновесие достигается изменением сопротивлений R1, R2, R3 и R4. При этом достигается равенства R1 = R3 и R2 = R4. Условие равновесия моста определяется выражением Rх=RN••(R1/R2). Здесь сопротивление RN — образцовое сопротивление, составная часть моста. К измеряемому сопротивлению Rх подсоединяют четыре провода: провод 2 — продолжение цепи питания моста, его сопротивление не отражается на точности измерений; провода 3 и 4 включены последовательно с сопротивлениями R1 и R2 величиной больше 10 Ом, так что их влияние ограничено; провод 1 является составной частью моста и его следует выбирать как можно короче и толще.

При измерениях сопротивления в цепях, обладающих большой индуктивностью, во избежание ошибок и для предотвращения повреждений гальванометра необходимо производить измерения при установившемся токе, а отключение — до разрыва цепи тока.

Измерение сопротивления постоянному току независимо от метода измерения производят при установившемся тепловом режиме, при котором температура окружающей среды отличается от температуры измеряемого объекта не более чем на ±3°С. Для перевода измеренного сопротивления к другой температуре (например, с целью сравнения, к 15°С) применяют формулы пересчета.

На методе амперметра-вольтметра основаны измерения приборами СОНЭЛ. Измерение больших сопротивлений — это измерители сопротивления электроизоляции серии MIC, малых сопротивлений — это микроомметры MMR-600, MMR-610 и др. Измерители MMR оснащены источниками стабилизированого тока, аналогово-цифровыми преобразователями, токовыми и потенциальными разъемами подключения, переключателем направления тока для исключения погрешностей измерения в случаях с термо-ЭДС, управление от микроконтроллера, цифровая индикация результатов, связь с компьютером. Погрешность измерения — 0.25% с разрешением от 0,1 мкОм (MMR-610). [6].

3. РАЗРАБОТКА CТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.

АКМ, разрабатываемая в данном дипломном проекте, должна обеспечивать проверку межблочного монтажа изделия с количеством контактов не менее 400.

На рисунке 3.1 представлена структурная схема автоматизированного рабочего места (АРМ) проверки монтажа на базе АКМ. Оно включает в себя АКМ, переходные кабели, устройство подключения проверяемого изделия к АКМ, ПЭВМ и проверяемое изделие. В качестве проверяемого изделия могут быть: кабель простой и сложный (из нескольких разъемов), блок РЭА с разъемами и другие изделия с проводными соединениями.

Рисунок 3.1 — Структурная схема АРМ на базе АКМ АКМ осуществляет проверку целостности монтажа (измерение малых величин сопротивления) и проверку сопротивления изоляции, то есть проверку на отсутствие ложных связей (измерение больших сопротивлений).

Устройство подключения проверяемого изделия обеспечивает необходимую коммутацию измерительных цепей АКМ к разъемам проверяемого изделия.

АКМ работает под управление ПЭВМ. Связь, осуществляющая по интерфейсу RS232 либо интерфейсу USB 2.0, посредством своего программного обеспечения. ПВЭМ обеспечивает как управление последовательностью измерения контролируемы цепей, так и получение с АКМ данных измерений, позволяет наглядно и понятно провести анализ результатов проверки посредством графиков и таблиц, распечатать протокол в необходимой форме.

Разрабатываемая АКМ заменяет ручной труд, автоматизированным. Вследствие чего повысится качество изделий, сведется к минимуму субъективная погрешность от человеческого фактора, сократится время операции проверки и поиска неисправности. Система будет полезна предприятиям с серийным типом производства изделий.

4. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ.

Рассмотрев различные методы измерения сопротивления и метрологические характеристики системы, указанные в техническом задании, были выделены этапы проверки изделия.

Проверка целостности монтажа (измерение малых величин сопротивления);

Проверка сопротивления изоляции, то есть проверка на отсутствие ложных связей (измерение больших сопротивлений).

На рисунке 4.1 представлена схема, при помощи которой можно реализовать эти режимы.

Рисунок 4.1 — Схема проверки целостности монтажа и сопротивления изоляции В режиме проверки целостности монтажа замыкается реле К1. Оно подключает источник тока к проверяемой цепи. Так же замыкаются реле К3 и К4. Последовательно подключается каждая из возможных цепей: К001-К201,К001-К202,…, К001-К400, К002-К201, К002-К202,…, К002-К400 и так далее. Напряжение поступает на измерительный блок (усилитель и АЦП). Цепь кабеля является не оборванной, если, в противном случае система зафиксирует обрыв.

В Проверка сопротивления изоляции, к контролируемой цепи подключается источник напряжением +100 В. Замыкаются реле К5 и К6. Как и в режиме проверки целостности монтажа, последовательно подключается каждая из возможных цепей. Если сопротивление между двумя, не соединяющимися по электрической схеме, цепями велико, то падение напряжения на будет стремиться к нулю, в пределах заданного допуска. Если нет, то система зафиксирует короткое замыкание.

На основе изложенного метода сформирована функциональная схема (рисунок 4.2).

Как было доказано ранее перспективным направлением является построение автоматизированных систем на основе микропроцессоров. Поэтому ядром разрабатываемого устройства будет являться микроконтроллер. Центральное место в функциональной схеме занимает блок управления, на его основе. Он производит управление всеми узлами, входящими в автоматизированную систему, осуществляет связь с ЭВМ.

Рассмотрим подробнее работу системы. С ЭВМ на блок управления, поступают управляющие команды, а обратно результаты измерений. БУ управляет двумя блоками дешифраторов (БД). В каждом из БД по два дешифратора. Каждый из дешифраторов передает по шине данных управляющие сигналы для блоков реле (БР). БР осуществляет коммутацию между контактами проверяемого изделия подключенного к разъемам выходной панели АКМ. От каждого БР выходит линия к плате измерения (ПИ). БР может подключать ряд точек к линии. В зависимости от количества использованных линий, различаются 2 режима проверки: двухи четырехпроводный режим. В ПИ происходит усиление, масштаби-рование сигнала, а также конфигурирование измерительной схемы (выбираются диапазоны, режим измерения), за счет поступающих с БУ цифровых управляющих сигналов. После всех преобразований сформированный сигнал поступает на БУ.

Рисунок 4.2 — Функциональная схема системы Функциональная схема БУ представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 — Функциональная схема БУ.

Так как связь с ПЭВМ осуществляется либо по интерфейсу RS 232, либо по USB 2.0, то в схеме присутствует два интерфейсных преобразователя: преобразователь USB-UAR и RS232-UART. После преобразователя данные поступают на мультиплексор (М), за счет которого осуществляется выбор используемого интерфейса обмена данными между ПЭВМ и микроконтроллером (МК). Между М и МК подключается цифровой изолятор (ЦИ), для развязки внешней и внутренней линий передачи данных. Аналоговый сигнал Uизм с ПИ преобразуется в аналого-цифровом преобразователе (ЦАП) и поступает на МК, а из него, пройдя соответствующие блоки, на ЭВМ. С МК также выходит шина цифровых управляющих сигналов платой дешифраторов, платой измерения.

5. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ, ВЫБОР ПРИМЕНЯЕМОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ.

Для того, чтобы разработать принципиальную схему устройства, прежде всего нужно выбрать, на основе каких элементов она будет реализована, то есть выбрать элементную базу.

Основу элементной базы блока управления составляют интегральные микросхемы, а также программируемый микроконтроллер.

Микроконтроллер — это микропроцессор, который для разрабатываемого модуля выполняет следующий набор функций:

прием данных;

обработка данных;

передача результатов.

Микроконтроллер должен обеспечить выполнение всех перечисленных функций.

5.1 Микроконтроллер фирмы ATMEL семейства megaAVR.

Выбор микроконтроллера часто бывает затруднителен. Нередко похожие по характеристикам микроконтроллеры можно встретить в каталогах разных фирм. При этом фирмы обеспечивают эффективную поддержку разработчиков, включающую предоставление технических материалов и бесплатного программного обеспечения для разработки программ.

Как правило, микроконтроллеры имеют RISC-архитектуру с разделенными шинами адреса и программ, предусматривают экономичный режим работы и содержат таймеры-счетчики и сторожевые таймеры, повышающие надежность работы. Однако ряд выпускаемых каждой из фирм микроконтроллеров имеет свои характерные особенности.

Корпорация Atmel — глобальный лидер в разработке и производстве продвинутых полупроводников, в т. ч. микроконтроллеры, программируемая логика, энергонезависимая память. Характерной отличительной особенностью микроконтроллеров фирмы Atmel является базирующаяся на Flash-памяти память программ. Это обеспечивает быстроту программирования и уменьшение цикла разработки.

Для целей данного дипломного проекта подходит микроконтроллер Atmega64−16AU (рисунок 5.1).

Это маломощный 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega64 достигает производительности 1 000 000 МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Основные характеристики:

Вид монтажа: SMD/SMT.

Встроенный в чип АЦП: да Интерфейс: 2-Wire, JTAG, SPI, USART.

Количество линий ввода/вывода: 53.

Количество таймеров: 4.

Рабочее напряжение питания: 4.5 В… 5.5 В Рабочий диапазон температур: — 40 C… + 85 C.

Размер ОЗУ: 4 Кб Размер ПЗУ данных: 2 Кб Размер памяти программ: 64 Кб Серия процессора: ATMEGA64x.

Тактовая частота максимальная: 16 МГц Тип памяти программ: Flash.

Шина данных: 8 бит Ядро: AVR.

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флеш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разядного RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega64 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления. ATmega64 поддерживается полным набором программных и аппаратных средств для проектирования, в том числе: Си-компиляторы, макроассемблеры. [8].

Рисунок 5.1 — Расположение выводов у ATmega64.

Назначение выводов:

VCC — Напряжение питания цифровых элементов.

GND — «земля».

Порт A (PA7.PA0) — 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт, А также выполняет некоторые специальные функции ATmega64.

Порт В (PВ7.PВ0) — 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт В также выполняет некоторые специальные функции ATmega64.

Порт C (PC7.PC0) — 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega64.

Порт D (PD7.PD0) — 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega64.

Порт E (PE7.PE0) — 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega64.

Порт F (PF7.PF0) — 8-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт F также выполняет функции интерфейса JTAG.

Порт G (PG4.PG0) — 5-разрядный порт двунаправленного ввода-вывода. Порт G также выполняет некоторые специальные функции ATmega64.

RESET — вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью более минимально необходимой будет генерирован сброс независимо от работы синхронизации.

XTAL1 — вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешней синхронизации.

XTAL2 — выход инвертирующего усилителя генератора.

AVCC — вход питания порта F и аналогово-цифрового преобразо-вателя. Он должен быть внешне связан с VCC, даже если АЦП не используется. При использовании АЦП этот вывод связан с VCC через фильтр низких частот.

AREF — вход подключения источника опорного напряжения АЦП.

PEN — вход разрешения программирования для режима последовательного программирования через интерфейс SPI. Если во время действия сброса при подаче питания на этот вход подать низкий уровень, то микроконтроллер переходит в режим последовательного программирования через SPI. В рабочем режиме PEN не выполняет никаких функций. [9].

Функциональная схема представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 — Функциональная схема.

ATmega64 содержит следующие элементы: 64 кбайт внутрисистемно программируемой флеш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 2 кбайт ЭСППЗУ, 4 кбайт статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования. 7].

Ядро центрального процессорного устройства AVR.

Рисунок 5.3 — Функциональная схема архитектуры AVR.

В целях достижения максимальной производительности и параллелелизма у AVR-микроконтроллеров используется Гарвардская архитектура с раздельными памятью и шинами программ и данных. Команды в памяти программ выполняются с одноуровневой конвейеризацией. В процессе выполнения одной инструкции следующая предварительно считывается из памяти программ. Данная концепция позволяет выполнять одну инструкцию за один машинный цикл. Память программ представляет собой внутрисистемно программируемую флэш-память.

Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32 8-разрядных рабочих регистров общего назначения с однотактовым циклом доступа. Благодаря этому достигнута однотактность работы арифметико-логического устройства (АЛУ). При обычной работе АЛУ сначала из регистрового файла загружается два операнда, затем выполняется операция, а после результат отправляется обратно в регистровый файл и все это происходит за один машинный цикл.

6 регистров из 32 могут использоваться как три 16-разрядные регистра косвенного адреса для эффективной адресации в пределах памяти данных. Один из этих указателей адреса может также использоваться как указатель адреса для доступа к таблице преобразования во флэш-памяти программ. Данные 16-разр. регистры называются X-регистр, Y-регистр и Z-регистр.

АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между регистрами, а также между константой и регистром. Кроме того, АЛУ поддерживает действия с одним регистром. После выполнения арифметической операции регистр статуса обновляется для отображения результата выполнения операции.

При генерации прерывания и вызове подпрограмм адрес возврата из программного счетчика записывается в стек. Стек эффективно распределен в статическом ОЗУ памяти данных и, следовательно, размер стека ограничен общим размером статического ОЗУ и используемым его объемом. В любой программе сразу после сброса должна быть выполнена инициализация указателя стека (SP) (то есть перед выполнением процедур обработки прерываний или вызовом подпрограмм). Указатель стека SP доступен на чтение и запись в пространстве ввода-вывода. Доступ к статическому ОЗУ данных может быть легко осуществлен через 5 различных режимов адресации архитектуры AVR.

Гибкий модуль прерываний содержит свои управляющие регистры в пространстве ввода-вывода и имеет дополнительный бит общего разрешения работы системы прерываний в регистре статуса. У всех прерываний имеется свой вектор прерывания в соответствии с таблицей векторов прерываний. Прерывания имеют приоритет в соответствии с позицией их вектора. Прерывания с меньшим адресом прерывания имеют более высокий приоритет.

Пространство памяти ввода-вывода содержит 64 адреса с непосредственной адресацией или может адресоваться как память данных, следующая за регистрами по адресам $ 20 — $5 °F. [9].

Порты ввода-вывода.

Все порты ввода-вывода (ПВВ) AVR-микроконтроллеров работают по принципу чтение-модификация-запись при использовании их в качестве портов универсального ввода-вывода. Это означает, что изменение направления ввода-вывода одной линии порта командами SBI и CBI будет происходит без ложных изменений направления ввода-вывода других линий порта. Данное распространяется также и на изменение логического уровня (если линия порта настроена на вывод) или на включение/отключение подтягивающих резисторов (если линия настроена на ввод). Каждый выходной буфер имеет симметричную характеристику управления с высоким втекающим и вытекающим выходными токами. Выходной драйвер обладает нагрузочной способностью, которая позволяет непосредственно управлять светодиодными индикаторами. Ко всем линиям портов может быть подключен индивидуальный выборочный подтягивающий к плюсу питания резистор, сопротивление которого не зависит от напряжения питания. На всех линиях ПВВ установлены защитные диоды, которые подключены к VCC и Общему (GND), как показано на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 — Эквивалентная схема линии ПВВ Для каждого порта ввода-вывода в памяти ввода-вывода зарезервировано три ячейки: одна под регистр данных PORTx, другая под регистр направления данных DDRx и третья под состояние входов порта PINx. Ячейка, хранящая состояние на входах портов, доступна только для чтения, а регистры данных и направления данных имеют двунаправленный доступ. Кроме того, установка бита выключения подтягивающих резисторов PUD регистра SFIOR отключает функцию подтягивания на всех выводах всех портов.

Последовательный порт.

Через универсальный асинхронный приёмопередатчик UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) происходит передача информации, представленной последовательным кодом (младшими битами вперед), в полном дуплексном режиме обмена. В состав UART, называемого часто последовательным портом, входят принимающий и передающий сдвигающие регистры, а также специальный буферный регистр (SBUF) приёмопередатчика.

Регистр SBUF.

Представляет собой два независимых регистра: буфер приёмника и буфер передатчика. Загрузка байта в SBUF немедленно вызывает начало процесса передачи через последовательный порт. Когда байт считывается из SBUF, это значит, что его источником является приёмник последовательного порта. Запись байта в буфер приводит к автоматической переписи байта в сдвигающий регистр передатчика и инициирует начало передачи байта. Наличие буферного регистра приёмника позволяет совмещать операцию чтения ранее принятого байта с приёмом очередного байта. Если к моменту окончания приёма байта предыдущий байт не был считан, то он будет потерян. Последовательный порт может работать в четырех различных режимах.

Режим 0. Информация передаётся и принимается через вход приёмника RXD. Принимаются и передаются 8 бит данных. Через внешний выход передатчика TXD выдаются импульсы сдвига, которые сопровождают каждый бит. Частота передачи равна 1/12 частоты резонатора.

Режим 1. Через TXD передаются или из RXD принимаются 10 бит: старт-бит (0), 8 бит данных и стоп-бит (1). Скорость приёма/передачи — величина переменная и задаётся таймером.

Режим 2. Через TXD передаются или из RXD принимаются 11 бит: старт-бит, 8 бит данных, программируемый девятый бит и стоп-бит. При передаче девятый бит может использоваться для повышения достоверности передачи путём контроля по чётности и в него можно поместить значение признака паритета из PSW. Частота приёма/передачи выбирается программно и может быть равна 1/32 или 1/64 частоты резонатора в зависимости от SMOD.

Режим 3. Совпадает с режимом 2, но частота приёма/передачи является величиной переменной и задаётся таймером.

Регистр SCON.

Регистр предназначен для управления режимом работы UART. Регистр содержит управляющие биты и девятый бит принимаемых или передаваемых данных RB8 и TB8, а также биты прерывания приёмопередатчика RI и TI.

Прикладная программа путём загрузки в два старших разряда SCON определяет режим работы UART. Во всех режимах передача инициируется любой командой, где SBUF указан как получатель байта. Приём в UART в режиме 0 происходит при условии RI=0 и REN=1. В режимах 1−3 приём начинается с приходом старт-бита, если REN=1.

В TB8 программно устанавливается значение девятого бита данных, который будет передан в режиме 2 или 3. В RB8 фиксируется в режимах 2 и 3 девятый принимаемый бит данных. В режиме 1, если SM2=0, в бит RB8 заносится стоп-бит. В режиме 0 RB8 не используется.

Флаг прерывания передатчика TI устанавливается аппаратно в конце периода передачи восьмого бита данных в режиме 0 и в начале периода передачи стоп-бита в режимах 1−3. Подпрограмма обслуживания этого прерывания должна сбрасывать бит TI.

Флаг прерывания приёмника RI устанавливается аппаратно в конце периода приёма восьмого бита данных в режиме 0 и в середине периода приёма стоп-бита в режимах 1−3. Подпрограмма обслуживания прерывания должна сбрасывать бит RI. [8].

Микроконтроллер содержит встроенный генератор синхросигналов. Для его работы требуется подключить кварцевый резонатор к выводам XTAL1 и XTAL2. На рисунке 5.5 представлена схема его подсоединения.

Рисунок 5.5 — Подсоединение тактового генератора.

C выбранным нами микроконтроллером можно использовать кварцевый резонатор с частотой от 0.4 МГц до 16 МГЦ, а конденсаторы С1 и С2 от 12 пФ до 22 пФ.

Выберем частоту тактового генератора равной 11 МГЦ. Значения конденсаторов выберем в соответствии с рекомендациями производителя микросхемы для обеспечения оптимальных параметров работы С1=С2=22 пФ.

5.2 Аналого-цифровой преобразователь.

Измеренное напряжение Uизм для дальнейшего использования необходимо преобразовать в цифровой сигнал. Для этой цели подходит аналого-цифрового преобразователя фирмы ANALOG DEVICES AD77940 (рисунок 5.6). На рисунке 5.7 представлена цоколёвка выводов АЦП.

Рисунок 5.6 — Функциональная схема AD7940.

Рисунок 5.7 — Цоколёвка выводов АЦП Назначение выводов:

VDD — вывод напряжения питания;

GND — аналоговая земля;

VIN — аналоговый вход;

SCLK — вход тактовых импульсов;

SDATA — последовательный выход данных;

CSвход разрешения работы.

Основные технические характеристики AD7940:

Бит 14;

Частота амплитудно-импульсной модуляции 100k;

Число преобразователей1;

Мощность рассеивания (макс.)26.4mW;

Рабочая температура -40°C ~ 85 °C;

Тип монтажа — поверхностный.

AD79401 является 14-разрядным, низко энергопотребляемым, высокоскоростным, с последовательным приближением АЦП. Диапазон входного напряжения 2.5B — 5.5B, а пропускная способность до 100 кГц.

AD79401 содержит низкий уровень шума, широкую полосу пропускания и устройство выборки и хранения, которое может обрабатывать входные частоты свыше 7 МГц. Для работы АЦП требуется подключение к схеме источника опорного напряжения. На рисунке 5.8 представлены схема и общий вид источника опорного напряжения REF195GS фирмы ANALOG DEVICES. С выхода источника опорного напряжения получаем напряжение 5 В для подачи его на АЦП.

Рисунок 5.8 — Общий вид и схема включения микросхемы REF195GS.

Назначение выводов:

Vs — входное напряжение;

OUT — выходное напряжение;

SLEEP — вход включения «спящего» режима.

GND — земля. [9].

5.3 Устройство сопряжения.

Для обеспечения связи с ЭВМ и устройством используется гальванически развязанный интерфейс RS232 либо USB 2.0.

Несмотря на очевидные скоростные преимущества параллельных методов, их применение оказывается затруднительным, особенно когда требуется организовать обмен с удаленным внешним устройством. В этой ситуации, если интенсивность обмена не слишком высока, применение интерфейса RS232С вполне оправданно. RS232 — это один из наиболее популярных последовательных интерфейсов, впервые описаный в 1962 году и предназначавшийся для обмена данными между компьютером и модемом. Этот стандарт и сейчас широко применяется для межсистемной коммуникации; простота, гибкость и длинная история успешного применения данного интерфейса являются залогом его популярности.

Осуществить обмен данными возможно, применив специально разработанные для этой цели интерфейсные микросхемы. Широкая гамма таких кристаллов выпускается фирмой MAXIM. Выберем микросхему интерфейсного преобразователя уровня MAX232CSE. Функциональность и цоколевка микросхемы стала стандартом де-факто и ее аналоги (с другой маркировкой) выпускаются множеством производителей полупроводников.

MAX232CSE обеспечивает уровень выходного напряжения, используемый в RS232 (приблизительно ± 7.5 В), преобразуя входное напряжение + 5 В при помощи внутреннего зарядового насоса на внешних конденсаторах. Это упрощает реализацию RS232 в устройствах, работающих на напряжениях от 0 до + 5 В, так как не требуется усложнять источник питания только для того, чтобы использовать RS232. На рисунке 5.9 представлена цоколёвка выводов микросхемы и схема включения. [11].