Projektowanie urządzeń mikroprocesorowych cz. 1 Wykład 3

Projektowanie urządzeń mikroprocesorowych cz. 1 Wykład 3

Etapy projektowania Etapy projektowania urządzeń mikroprocesorowych 2

Najważniejsze etapy budowy urządzenia Specyfikacja Schemat blokowy Dobór podzespołów Schemat ideowy Dobór obudowy Projekt PCB Wykonanie PCB Montaż PCB Uruchomienie Programowanie Testowanie 3

Specyfikacja Etap opracowywania specyfikacji budowa jest najważniejszym etapem projektowanie urządzenia Na tym etapie definiowany jest zestaw funkcji urządzenia, jego kluczowych parametrów i stawianych mu wymagań Błędy popełnione na tym etapie często uniemożliwiają realizację projektu spełniającego pierwotne wymagania 4

Schemat blokowy Podział układu na bloki pełniące dające się wydzielić i nazwać funkcje Pozwala oszacować złożoność układu i zaplanować jego podział na mniejsze części (moduły) Graficznie składa się z opisanych bloków połączonych ze sobą liniami (strzałkami) oznaczającymi połączenia elektryczne, magistrale komunikacyjne itp. 5

Dobór podzespołów Dobór podzespołów jest kolejnym kluczowym etapem projektowania Podczas doboru podzespołów należy wziąć pod uwagę Stopień integracji podzespołów decyduje o technicznej złożoności układu Parametry elektryczne Zasilanie i pobór prądu Częstotliwości robocze, poziomy sygnałów Ilość wydzielanego ciepła Jakość generowanych sygnałów, wprowadzane zakłócenia itp. 6

Dobór podzespołów c.d. Obudowę Wielkość Montaż Wymagania dla płytki PCB Cenę Dostępność! Podczas doboru podzespołów należy kierować się zasadą, że ich stopień złożoności nie powinien być zbyt duży w stosunku do funkcji, którą mają pełnić w naszym projekcie 7

Dobór podzespołów c.d. Budując urządzenie w warunkach amatorskich należy zwracać uwagę czy obudowy podzespołów umożliwiają wykonanie płytki i montaż w oparciu o posiadane przez konstruktora możliwości oraz na dostępność podzespołu na rynku detalicznym 8

Schemat ideowy Schemat ideowy jest wizualną prezentacją połączeń między elementami Podczas jego tworzenia dobiera się również ostateczne (choć nie zawsze) wartości elementów Błąd na tym etapie zwykle uniemożliwia uruchomienie urządzenia lub powoduje nieprawidłową jego pracę 9

Schemat ideowy Schemat PCB może być narysowany ręcznie, lecz obecnie w większości wypadków używa się specjalizowanych programów CAD 10

Schemat ideowy 11

Dobór obudowy Obudowa je elementem zapewniającym ochronę układu przed uszkodzeniem mechanicznym, wpływem środowiska itp. Scala bloki układu w jedno urządzenie, stanowi punkt mocowania dla elementów takich jak przyciski, wyświetlacze, złącza 12

Dobór obudowy zasady Podczas doboru (projektowania) obudowy należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: Rozmiar i kształt umożliwiający zmieszczenie wszystkich elementów układu Usuwanie nadmiaru ciepła Materiał, z którego jest wykonana Ochrona przez porażeniem Właściwości ekranujące Trwałość i odporność na wpływy środowiska Estetykę i wygodę użytkowania urządzenia 13

Płytka PCB Płytka PCB jest elementem łączącym elektrycznie i mechanicznie podzespoły układu Z punktu widzenia połączeń elektrycznych jest wierną kopią schematu ideowego Elementy umieszczone na płytce PCB powinny mieć obudowy identyczne jak wybrane wcześniej podzespoły Ze względu na bardzo duże ryzyko popełnienia błędu przy projektowaniu ręcznym do projektowania wykorzystuje się programy CAD 14

Płytka PCB - zasady Podczas projektowania PCB należy przestrzegać poniższych zasad Połączenia pomiędzy podzespołami powinny być możliwie krótkie Szerokość ścieżek powinna być zależna od natężenia prądu, który ma nimi płynąć, projekt powinien uwzględniać spadki napięć Powinna być zapewniona odpowiednia separacja między obwodami o dużej różnicy poziomu sygnału, w przypadku obecności w układzie wysokich częstotliwości należy korzystać z warstw masy 15

Płytka PCB zasady c.d. Należy unikać pętli w obwodach, chyba że jest to zamierzone W przypadku dużej komplikacji układu wykorzystywać płytki wielowarstwowe Grubość ścieżek i odstępy między nimi muszą umożliwiać wykonanie płytki w warunkach amatorskich W przypadku płytek urządzenia prototypowego należy przewidzieć możliwość podłączenia dodatkowych modułów i przyrządów ułatwiających proces uruchamiania i testowania 16

Płytka PCB zasady c.d. Płytka PCB musi być dopasowana do obudowy, elementy o dużych rozmiarach, nagrzewające się, wskaźnikowe, mechaniczne itp. powinny być umieszczony w sposób umożliwiający poprawny montaż i działanie 17

Płytka PCB 18

Wykonanie PCB - metody Rysowanie - polega na rysowaniu ścieżek wodoodpornym pisakiem Zalety Najprostsza i najtańsza Wady Wymaga bardzo dużo czasu Bardzo łatwo popełnić błąd Daje najgorsze rezultaty 19

Wykonanie PCB - metody Termotransfer polega na przeniesieniu obrazu ścieżek z drukarki laserowej do płytkę PCB za pomocą wysokiej temperatury Zalety Tania przy posiadaniu niezbędnych urządzeń (drukarka laserowa i laminator) Daje bardzo dobre rezultaty przy odpowiednio szerokich ścieżkach i rastrze Stosunkowo szybka Czas wykonania w zasadzie niezależny od rozmiaru PCB Wady Wymaga starannego doboru materiałów i narzędzi (odpowiedni papier, toner, laminator) 20

Wykonanie PCB - metody Fotochemiczna zbliżona do techniki wykonywania odbitek fotograficznych, wykorzystywana powszechnie w przemyśle elektronicznym Zalety Doskonałe rezultaty Czas wykonania niezależny od rozmiaru PCB Wady Droga w warunkach amatorskich Wymaga bardzo dużej staranności i czystości Wymaga naświetlarki UV 21

Wykonanie PCB Po wytrawieniu płytki PCB należy Wyciąć ją zgodnie z projektem Wykonać otwory montażowe dla elementów przewlekanych i w punktach mocowania mechanicznego płytki. Otwory powinny mieć możliwie zbliżoną średnicę do przewidzianej w projekcie 22

Montaż PCB Montaż płytki PCB wykonuje się korzystając ze stopu lutowniczego Ołowiowego (SnPb) Bezołowiowego W warunkach amatorskich zalecane jest wykorzystywanie lutu ołowiowego Do montażu elementów przewlekanych (THT) wykorzystuje się stacje lutownicze z kolbami oporowymi lub lutownice transformatorowe 23

Montaż PCB Do montażu elementów montowanych powierzchniowo (SMD) wykorzystuje się stacje lutownicze z kolbami oporowymi lub nadmuch gorącego powietrza (hotair) 24

Montaż PCB - zasady Do lutowania należy wykorzystywać stop lutowniczy SnPb zawierający topnik Lut powinien być nakładany takiej ilości, żeby spoina pokrywała cały punkt lutowniczy błyszczącą warstwą o lekko wklęsłej powierzchni Temperatura końcówki lutowniczej powinna wynosić ok. 320 C Jeśli powierzchnia lutu wykonana stopem SnPB jest matowa lub nierówna, to powinien on zostać usunięty i wykonany na nowo 25

Uruchomienie Uruchomienie należy rozpocząć od przetestowania działania układu zasilającego Jeśli układ zasilający działa poprawnie należy po kolei uruchamiać kolejne moduły układu zwracając szczególną uwagę na kontrolę napięć/prądów i temperaturę elementów 26

Programowanie W przypadku urządzeń mikroprocesorowych do pełnego uruchomienia urządzenia niezbędne jest napisanie oprogramowania dla mikrokontrolera (firmware). Etap ten można podzielić następująco Stworzenie programu umożliwiającego przetestowanie działania wszystkich układów, sterowanych przez mikrokontroler Dodanie logiki realizującej wymagane funkcje Debugowanie 27

Testowanie Testowanie powinno obejmować Funkcjonowanie układu w warunkach brzegowych przewidzianych w projekcie Funkcjonowanie układu w warunkach potencjalnego przeciążenia Funkcjonowanie układu według przewidzianych scenariuszy użycia urządzenia Funkcjonowanie układu w przypadku działań użytkownika nieprzewidzianych żadnym scenariuszem, ale nie będących próbą celowego uszkodzenia 28

ECAD/EDA Programy ECAD/EDA 29

Programy ECAD/EDA Programy ECAD (Electronic and Electrical Computer-aided design)/eda (Electronic Design Automation) to programy ułatwiające projektowanie urządzeń elektronicznych. Większość z nich skupia się przede wszystkim na etapie tworzenia schematu ideowego i płytki PCB 30

Programy ECAD/EDA - elementy Programy ECAD/EDA składają się z wielu modułów, wśród których najczęściej spotykane to: Edytor schematów Edytor PCB z modułem autoroutera Symulator Edytor obudów Menedżer bibliotek 31

Programy ECAD/EDA Oprócz zakresu oferowanych funkcji równie istotna jest dostępność bibliotek elementów. Mimo iż każdy program oferuje możliwość tworzenia własnych elementów bibliotecznych, to jest to zadanie bardzo czasochłonne i niekiedy złożone, zwłaszcza gdy oprócz symbolu i obudowy należy dodać też model 3D elementu oraz dane dla symulatora. 32

Popularne programy ECAD/EDA Altium Designer Cadsoft Eagle DesignSpark PCB KiCad 33

CadSoft Eagle Program CadSoft Eagle jest komercyjnym programem ECAD/EDA, dostępnym również w darmowej wersji edukacyjnej, umożliwiającym projektowanie schematów i płytek PCB. Wyposażony jest również w prosty autorouter Wśród zalet można wymienić bardzo bogatą bibliotekę elementów oraz liczbę darmowych bibliotek dostępnych do pobrania 34

Eagle menedżer projektów 35

Eagle edytor schematów 36

Eagle edytor PCB 37

Układy zasilania urządzeń cyfrowych Układy zasilania urządzeń cyfrowych 38

Rodzaje układów zasilania Podział zasilaczy AC i DC Transformatorowe, beztransformatorowe, przetwornice impulsowe Stabilizowane i niestabilizowane Bateryjne i sieciowe Do zasilania układów elektronicznych wykorzystuje się w zasadzie tylko zasilacze prądu stałego (DC) 39

Układy zasilania urządzeń cyfrowych Układy cyfrowe w przeważającej większości zasilane są napięciem stałym 3.6V lub 5V Napięcie to powinno być stabilizowane, czyli nie powinno ulegać zmianom pod wpływem zmian obciążenia Dalsza część poświęcona będzie układom zasilania 5V optymalnym dla urządzeń opartych o mikrokontrolery AVR oraz układy TTL i CMOS 40

Główne problemy z układami zasilania Nieprawidłowo zaprojektowany układ zasilania może być źródłem zakłóceń, a nawet doprowadzić do uszkodzenia zasilanego urządzenia Najczęstsze problemy z układami zasilania Wahania napięcia zasilania pod wpływem obciążanie spowodowane zbyt małą wydajnością lub nieprawidłowym działaniem stabilizatora Tętnienia Przegrzewanie 41

Cechy układów zasilania Układ zasilania urządzeń cyfrowych powinien Stabilizować napięcie Być zabezpieczony przed skutkami zwarcia i przegrzania Nie dopuścić do pojawienia się zbyt wysokiego napięcia wyjściowego w przypadku awarii 42

Budowa zasilacza transformatorowego stabilizowanego Zabezpieczenie od strony sieci Transformator Zabezpieczenie wyjścia (opcja) Prostownik (mostek prostowniczy) Stabilizator Filtr wyjściowy Zabezpieczenie wyjścia 43

Rodzaje stabilizatorów napięcia Liniowe i impulsowe Liniowe: prostota, niska cena, nie wprowadzają zakłóceń, duże straty mocy i niska sprawność Impulsowe: bardziej skomplikowane i droższe, źle zaprojektowane lub wykonane mogą wprowadzać zakłócenie, wysoka sprawność Zwykłe i LDO (Low-dropout Regulator) LDO droższe, wykorzystywane tam gdzie różnica napięcia wejściowego i wyjściowego jest mała 44

Prosty zasilacz DC 5V/1A 45

Prosty zasilacz DC 5V/1.5A 46

Zakłócenia Zakłócenia w układach elektronicznych 47

Zakłócenia Czynniki o charakterze przypadkowym, niezamierzonym, niekontrolowanym, utrudniające lub uniemożliwiające działanie urządzeń elektronicznych 48

Zakłócenia Podział ze względu na charakter Szumowe Występują w sposób ciągły, zmienia się tylko ich poziom, zwykle w niewielkim stopniu Impulsowe Pojawiają się okresowo, pojedynczy impuls jest bardzo krótki, ale zwykle mają dużą amplitudę 49

Źródła zakłóceń Przyczyny naturalne (burze, rozbłyski słoneczne) Nieprawidłowe działanie pobliskich urządzeń Bliskość urządzeń radiowych, wysokonapięciowych itp. Źródła wewnętrzne w samym urządzeniu 50

Objawy zakłóceń Wzbudzanie układu Brak jakiegokolwiek działania lub niestabilna praca mimo poprawnego schematu i montażu Błędy pomiarowe w przypadku przetworników Szum (brzęczenie) w przypadku układów wyposażonych w tor akustyczny 51

Zakłócenia Przyczyny powstawania zakłóceń w pracy urządzenia elektronicznego Błędy w projekcie elektronicznym Zbyt mała wydajność źródła zasilania Nieprawidłowo zaprojektowane obwody filtrujące Zbyt duże wzmocnienia elementów lub zbyt silne działające pętle sprzężenia zwrotnego 52

Zakłócenia Przyczyny powstawania zakłóceń w pracy urządzenia elektronicznego Błędy w projekcie mechanicznym lub wykonaniu Pętle masy, sąsiedztwo połączeń niskosygnałowych i wysokosygnałowych (np. zasilanie) Zbyt długie połączenia lub zbyt mały ich przekrój Brak ekranowania Niestaranny montaż, zanieczyszczenie Nieprawidłowy dobór materiałów 53

Zakłócenia Sposoby walki z zakłóceniami Obwody filtrujące Stosowanie reguł projektowania połączeń i obwodów PCB Ekranowanie Czystość zasilania Dobór punktów pracy elementów 54