ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА РЭС

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СМОЛЕНСКАЯ АКАДЕМИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ»

факультет информационных технологий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫМ КУРСАМ

МДК 01.02 «ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ»

МДК 01.03 «НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

НА ТЕМУ «ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА РЭС»

Студента группы 313-К

Мостачева Дмитрия Михайловича

Специальность 230113 «Компьютерные системы и комплексы»

Подпись: __________________

Руководители курсового проекта:

Рековец А.В._______________

Каражбей М.В._____________

Смоленск 2016

Содержание

Введение  3

Аналитическая часть. 6

1    Функции памяти микропроцессорных систем. 6

Теоретическая часть. 9

2    Сравнительная характеристика программ для проектирования печатных плат  9

2.1 Описание выбранной  среды для  разработки схемы.. 11

2.2 Функции компонентов KiCAD.. 11

2.3 Библиотеки электронных компонентов. 12

Практическая часть. 13

3    Разработка схемы блока памяти. 13

3.1 Постоянное запоминающее устройство. 13

3.2 Разработка электрических блоков схем ОЗУ.. 14

3.3 Компоненты, использованные при построении схемы.. 16

Заключение. 17

Список использованных источников. 18

Приложение А.. 20

Приложение Б...............................................................................
..........................21

Введение

Понятие «память» связывается с ЭВМ и определяется как ее функциональная часть, предназначенная для записи, хранения и выдачи данных. Комплекс технических средств, реализующий функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). Полупроводниковая микросхема памяти в общем случае представляет собой и функционально, и конструктивно часть ЗУ, поскольку, для построения ЗУ требуется набор микросхем памяти.

Для обеспечения работы процессора (микропроцессора) необ­ходимы программа, т. е. последовательность команд, и данные, над которыми процессор производит предписываемые командами операции. Команды и данные поступают в основную память ЭВМ через устройство ввода, на выходе которого они получают циф­ровую форму представления, т. е. форму кодовых комбинаций 0 и 1. Основная память, как правило, состоит из ЗУ двух видов — оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).

Микросхемы памяти изготавливают по полупроводниковой технологии на основе кремния с высокой степенью интеграции компонентов на кристалле, что определяет их принадлежность к большим интегральным схемам (БИС). Конструктивно БИС памяти представляет собой полупроводниковый кристалл с площадью в несколько десятков квадратных миллиметров, заклю­ченный в корпус.

Основные функциональные характеристики микросхем памяти — информационная емкость, разрядность, быстродействие, потребляемая мощность.

Цель курсового проектирования - разработка блока внутренней памяти микропроцессорной системы. Исходя из цели курсового проектирования, были поставлены следующие задачи изучения теоретического материала по темам: микроэлектронная память и проектирование функционирующего блока памяти.

Дан определенный объем памяти, ПЗУ в 1Кб, а также название микросхемы КР556РТ12, изображённой на рисунке 1, на которых строится блок памяти. Из этого набора нужно собрать блок памяти, удовлетворяющий требованиям:

·        разместить радиокомпоненты на монтажно-коммутационном поле;

·        выполнить трассировку проводников;

·        оптимизировать электрические связи между компонентами.

Рисунок 1 – Микросхема КР556РТ12

Для микросхем памяти, выпускаемых отечественной промыш­ленностью, характерны широкая номенклатура типов, значитель­ное разнообразие вариантов конструктивно-технологического исполнения, большой диапазон функциональных характеристик и значений электрических параметров, существенные различия в режимах работы и в областях применения.

Микросхемы памяти изготавливают по полупроводниковой технологии на основе кремния с высокой степенью интеграции компонентов на кристалле, что определяет их принадлежность к большим интегральным схемам (БИС). Конструктивно БИС "памяти представляет собой полупроводниковый кристалл с площадью в несколько десятков квадратных миллиметров, заклю­ченный в корпус.

Микросхемы памяти для построения блока памяти микропроцессорной системы выбирают, исходя из следую­щих данных: требуемая информационная емкость и организация памяти, быстродействие (время цикла обращения для записи или считывания), тип магистрали (интерфейса), характеристики ли­ний магистрали (нагрузочная способность по току и емкости, требования к устройствам ввода-вывода подключаемых узлов и др.), требования к энергопотреблению, необходимость обеспече­ния энергонезависимости, условия эксплуатации, конструктивные требования.

Память микропроцессорной системы выполняет функцию временно­го или постоянного хранения данных и команд. Объем памяти определяет допустимую сложность выполняемых системой алгоритмов, а также в не­которой степени и скорость работы системы в целом. Модули памяти вы­полняются на микросхемах памяти (оперативной или постоянной). Все чаще в составе микропроцессорных систем используется флэш-память (англ. — flashmеmоrу), которая представляет собой энергонезависимую память с возможностью многократной перезаписи содержимого.

Информация в памяти хранится в ячейках, количество разрядов кото­рых равно количеству разрядов шины данных процессора. Обычно оно кратно восьми (например, 8, 16, 32, 64). Допустимое количество ячеек па­мяти определяется количеством разрядов шины адреса как , где N — количество разрядов шины адреса. Чаще всего объем памяти измеряется в байтах независимо от разрядности ячейки памяти. Используются также следующие более крупные единицы объема памяти: килобайт —  или 1024 байта (обозначается Кбайт), мегабайт —  или 1 048 576 байт (обо­значается Мбайт), гигабайт —  байт (обозначается Гбайт), терабайт —  (обозначается Тбайт) Например, если память имеет 65 536 ячеек, каждая из которых 16-разрядная, то говорят, что память имеет объем 128 Кбайт. Совокупность ячеек памяти называется обычно пространством памяти системы.

Полупроводниковые постоянные запоминающие устройства ПЗУ позволяют в процессе работы системы осуществлять только чтение заранее записанных данных. Имеют высокую скорость работы и энергонезависимы, т.е. сохраняют информацию при выключении питания.

Полупроводниковые оперативные запоминающие устройства ОЗУ работают в режимах оперативной (совпадающей с темпом работы микропроцессора) записи и чтения данных. Недостаток ОЗУ – их энергозависимость, т.е. потеря записанной информации при выключении питания.

Память системы адресуема, т.е. каждое слово записывается в ячейке памяти со своим уникальным адресом. Слово – совокупность двоичных единиц (бит) – двоичных разрядов, интерпретируемых как отдельное число или несколько смысловых групп двоичных разрядов. Для получения числа из памяти или записи числа в память необходимо точно задать его адрес в памяти и осуществить операцию считывания данных из памяти.

Устройства ввода данных – любые средства, предназначенные для передачи данных извне в регистры микропроцессора или в память (клавиатура пульта управления, ввод с перфолент и перфокарт, внешние запоминающие устройства на магнитных лентах, кассетах, дисках, дисплеи и т.д.).

Устройства вывода данных – любые средства, способные воспринимать данные, передаваемые из регистров микропроцессора или ячеек памяти (дисплеи, печатающие устройства, внешние запоминающие устройства, пульт управления и т.д.).

Для подключения разнообразных устройств ввода или вывода данных (а также комбинированных устройств ввода-вывода) необходимо привести их все связи и сигналы к стандартному виду, т.е. провести согласование интерфейсов. Для этого используется специальный аппаратурный блок – информационный контроллер ИК, имеющий стандартный интерфейс со стороны подключения к информационной магистрали и нестандартный интерфейс со стороны устройств ввода-вывода, т.е. являющийся преобразователем интерфейсных сопряжений.

Микропроцессор МП, ОЗУ и ПЗУ вместе с УВвыв, предназначенными для операций с человеком или другой электронной системой, называется микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ – это ЭВМ, центральная часть которой в составе процессора, ОЗУ, ПЗУ, информационного контроллера построена на основе БИС. Применение БИС в качестве основных элементных компонентов обеспечивают микро-ЭВМ такие преимущества перед другими типами ЭВМ, как компактность, надежность, малая материалоемкость, низкие мощность потребления и стоимость. Но магистральная структура микро-ЭВМ и скоростные ограничения микропроцессора определяют умеренные характеристики производительности микро-ЭВМ. Это относится к микро-ЭВМ на основе микропроцессоров на одном или нескольких кристаллах. В микро-ЭВМ на основе биполярных микропроцессорных секций можно получить высокое быстродействие за счет реализации конвейерной обработки данных и скоростного высокоэффективного управления вычислительным процессом даже при магистральной структуре.

Микро-ЭВМ становится центральной частью электронной системы контроля, управления и вычислений, когда она вводится в контур управления некоторого объекта (процесса). Для сопряжения с микро-ЭВМ объект (процесс) должен быть оснащен датчиками состояния и исполнительными механизмами. Датчики выступают как источники вводимой для микро-ЭВМ информации, а исполнительные механизмы – как приемники выводимой информации. Для согласования интерфейсов подключение датчиков и исполнительных механизмов в системе осуществляется через блоки сопряжения датчиков и исполнительных механизмов.

В зависимости от особенностей объекта (процесса) и возможностей микропроцессора сложность каждого устройства или блока устанавливается на этапе проектирования. Части системы могут развиваться или вырождаться, но должен быть обеспечен общий принцип построения и работы всех электронных систем управления. Вследствие прямой зависимости между функциями программных и аппаратурных средств можно при построении электронной системы развивать либо аппаратуру, либо усложнять программное обеспечение. Именно эти обстоятельства и определяют массовые возможности применения микропроцессорных систем управления практически во всех сферах.

P-CAD - Система проектирования печатных плат, радиоэлектронных и вычислительных устройств.

Программа способна выполнить:

-              Весь цикл разработки печатных плат;

-              Интерактивное размещение элементов и авто трассировку проводников;

-              Поиск ошибок на любой стадии проекта;

-              Подготовку документации;

-              Проверку целостности всех сигналов анализ перекрёстных;

Проекты схем могут содержать до 999 листов, проекты плат – до 999 слоев размером 60х60 дюймов.

Существуют возможности интерактивной разводки дифференциальных пар для минерализации электромагнитных помех, мульти маршрутная трассировка по заданным параметрам, ортогональное перетаскивание проводников.

Программа имеет вспомогательные:

-              LibraryExecutive – менеджер библиотек;

-              SymbolEditor – редактор символов элементов;

-              PatternEditor – редактор посадочных мест, корпусов элементов;

Библиотеки P-CAD хранят более 27 тысяч элементов, сертифицированных по ISO 900.

GERBER – файловый формат, предоставляющий собой способ описания проекта печатной платы для изготовления фотошаблонов.

ALTIUM - система автоматизированного проектирования от разработчиков легендарного P-CAD, предоставляющая широчайшие возможности по созданию электронных устройств.

Редактор схем позволяет работать с проектами любого размера и сложности, преобразовывая их в простейшие подблоки.

Благодаря поддержке DirectX произошло перераспределение нагрузки между процессором и видеокартой, что значительно ускорило работа с полигонами и многослойными платами.

AltiumDesigner поддерживает практически все существующие форматы выходных файлов DXFGerberNCDrillODB++.

SprintLayout– Простой, но в тоже время очень эффективный программный пакет для проектировки и ручной разводки печатных плат малой и средней сложности.

SMD – компоненты для поверхностного монтажа – так расшифровывается эта английская аббревиатура, они обеспечивают более высокую по сравнению с традиционными деталями плотность монтажа.

Eagle - Программный комплекс для черчения электрических схем и трассировки печатных плат электронных приборов.

-              Shematicmodule предназначен для рисования электронных схем;

-              LayoutEditor позволяет разработку чертежей;

-              Autorouter предназначен для трассировки печатной платы;

Free PCB - программный пакет с открытым исходным к3одом, специализирующийся на профессиональном разработке и редактировании печатных плат. Программа достаточно хорошо известна в России, но основную популярность она завоевала в США и в Индии.

KiCAD - cистема автоматизированного сквозного проектирования, позволяющая создавать профессиональные электрические схемы, разрабатывать для них печатные платы и подготавливать выходные данные для производства.

KiCAD, именно в этой системе автоматизированного сквозного проектирования было решение работать. Позволяющая создавать профессиональные электрически схемы, разрабатывать для них печатные платы и подготавливать выходные данные для производства.

Программы, входящие в KiCAD

-              kicad — менеджер проектов;

-              eeschema — редактор электрических схем;

-              встроенный редактор символов схем (библиотечных компонентов);

-              pcbnew — редактор печатных плат;

-              встроенный редактор образов посадочных мест (библиотечных компонентов);

-              3D Viewer — 3D-просмотрщик печатных плат на  базе OpenGL (часть pcbnew);

-              gerbview — просмотрщик файлов Gerber (фотошаблонов);

-              cvpcb — программа для выбора посадочных мест, соответствующих компонентам на схеме;

-              wyoeditor — текстовый редактор для просмотра отчётов.

eeschema обеспечивает:

-              создание однолистовых и иерархических схем;

-              проверку их корректности ERC (контроль электрических правил);

-              создание списка электрических цепей netlist для редактора топологии платы pcbnew или для Spice-моделирования схемы;

-              доступ к документации на используемые в схеме электронные компоненты (datasheet);

pcbnew обеспечивает:

-              разработку плат, содержащих до 16 слоёв меди и до 12 технических слоёв (шелкография, паяльная маска и т. п.);

-              выход на внешние трассировщики соединений посредством генерации описания платы на SpecctraDesignLanguage (on-lineFreeRoute и др.),

-              генерацию технологических файлов для изготовления печатных плат (Gerber-файлы для фотоплоттеров, файлы сверловок и файлы размещения компонентов);

-              послойная печать схем и чертежей печатных плат на принтере или плоттере (в форматах PostScript, HPGL, SVG и DXF), с рамкой формата или без неё.

gerbview позволяет просматривать Gerber-файлы.

В составе KiCad поставляются библиотеки электронных компонентов (обычных и поверхностно монтируемых SMD). Для многих библиотечных компонентов есть 3D-модели, созданные в Wings3D.

Компоненты и посадочные места корпусов можно ассоциировать с документацией, ключевыми словами и осуществлять быстрый поиск компонента по функциональному назначению.

Работа в KiCad выполняется через графический интерфейс. Вы перетаскиваете в рабочую область необходимые элементы, добавляете связи между ними, делаете подписи к ним. На сайте программы можно скачать документацию, но к сожалению, она на английском языке.

Программа KiCad переведена на русский язык. Программа кроссплатформенная и доступна для Linux, MacOS X и Windows.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), которое еще называют встроенной программой, представляет собой интегральную микросхему, при изготовлении запрограммированную определенными данными. ПЗУ используются не только в компьютерах, но и в большинстве других электронных устройств. 

Так же, как и в ОЗУ, в чипах ПЗУ имеется сетка, составленная столбцами и строками. Однако в местах пересечений столбцов и строк чипы ПЗУ принципиально отличаются от ОЗУ. В ОЗУ для включения и выключения доступа к конденсатору на каждом пересечении используются транзисторы, а в ПЗУ для соединения линий при логической единице используется диод. Если в определенной ячейке ОЗУ записан 0, линии вообще не соединяются.

Диод в обычных условиях пропускает ток только в одном направлении и характеризуется наличием определенного порога, который называют порогом смещения при прямом включении. Этим порогом определяется значение электрического тока, требующегося для того, чтобы открылся диод. В кремниевых устройствах, таких как процессоры и чипы памяти, напряжение прямого смещения приблизительно равно 0,6 вольта. Используя уникальные свойства диода, чип ПЗУ может направлять заряд, превышающий порог смещения при прямом включении, на выбранный столбец, тогда как строка, соответствующая опрашиваемой ячейке, заземляется. Если в опрашиваемой ячейке имеется диод, он пропустит заряд на землю и согласно двоичной системе эта ячейка будет распознана как "включенная" (значение 1). Положительным свойством ПЗУ является также то, что если значение ячейки равно 0, на соответствующем пересечении нет диода, соединяющего строку и столбец. Поэтому заряд с выбранного столбца не может попасть на соответствующую строку.

Очевидно, что принцип работы ПЗУ предусматривает правильное и полное введение данных на этапе создания этого устройства. Стандартный чип ПЗУ нельзя перепрограммировать или перезаписать. Если записанные данные неправильные или нужно их обновить, приходится выбрасывать устаревший чип ПЗУ и заменять его новым, с соответствующими данными. Создание шаблона оригинала для чипа ПЗУ часто является трудоемким процессом, изобилующим пробами и ошибками. Однако преимущества ПЗУ превосходят их недостатки. После того, как изготовлен шаблон, производство самих чипов может стоить очень дешево, несколько центов за штуку. Такие чипы потребляют мало энергии, очень надежны и в случае применения в большинстве небольших электронных устройств содержат все программы, необходимые для управления таким устройством. Хороший пример использования ПЗУ – небольшой чип памяти в игрушке "поющая рыба". В таком чипе ПЗУ содержится 30-секундная запись песни и коды для синхронизации электродвигателей с ритмом музыки.

Заданные микросхемы ПЗУ К556РТ12 имеют объём 1К*4 соответственно.

Разрядности шины адреса определяется по формуле (1.1). Расчёт данного показателя представлен в пункте (1.2).

(K+K2)*1024                                                                      (1.1)

где K -  объём памяти микросхемы.

(10+10)*512=1024 байт                                                     (1.2)

Далее следует определить наименьший общий делитель для ПЗУ соответственно, который должен быть кратен 2. Полученный результат соответствует количеству блоков памяти на схеме. Расчёты данных показателей представлены в пунктах (2.1)

ПЗУ: 4/2=2                                                                         (2.1)

Суммировав результаты, имеем 2 блоков запоминающих устройств на схеме.

Схема разработанного блока памяти представлена в ПРИЛОЖЕНИИ.

Чтобы объединить микросхемы ОЗУ и ПЗУ для корректной работы в блоке памяти используются:

Шина данных - часть системной шины, предназначенная для передачи данных между компонентами компьютера.

Шина адреса - компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи.

Шина управления - компьютерная шина, по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами.

Ячейка памяти - минимальный адресуемый элемент запоминающего устройства ЭВМ.

При построении схемы были использованы элементы, представленные в таблице 1.

Таблица 1-Компоненты схемы

С помощью элементов, представленных в таблице 1, была разработана электрическая схема электронного блока РЭС, представленная в приложении (Б) и печатная плата электронного блока РЭС в приложении (А).

В ходе курсовой работы была разработана схема блока памяти микропроцессорной системы, которая может использоваться в практических целях, и произведены расчёты электрических параметров блока памяти и достигнуты следующие цели:

- спроектирована печатная плата микропроцессорной системы и описана технология ее производства;

- разработан корпус блока микропроцессорной системы и составлен соответствующий чертёж;

- рассчитана электрическая схема блоков ПЗУ;

- разработан блок отвечающий требованиям проектам технического задания.

Микропроцессорная система проста в использовании и относительно недорога по себестоимости, не требует дополнительных затрат. Разработанное устройство имеет минимальное количество элементов и относительно большую информативность с возможностью перепрограммирования.

Так же в процессе выполнения Курсового Проекта были получены практические навыки по составлению схемы электрической принципиальной схемы с помощью пакета программ P-CAD. Я проектировал корпусные элементы в пакете Solid Works, и также получил навыки работы с различными графическими редакторами при создании структурной схемы.

1.     Ермаков А. Е., Ермакова О.П.  Задание на курсовую работу с методическими указаниями по дисциплине «Схемотехника» /РГОТУПС. -М.: 1999. -10 с.

2.     Ермаков А. Е., Схемотехника ЭВМ.  Учебное пособие. -М.: РГОТУПС, 1997. -352 с.

3.     Применение микросхем памяти в электронных устройствах: Справочник/ О. Н. Лебедев- М.:  Радио и связь, 1994. -216 с.

4.     Шило В. Л.  Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Ч.: Металлургия 1989. -  352 с.

5.     Петровский И. И., Прибыльский А. В., Логические ИС КР1533, КР1554: / Справочник. - М.: БИНОМ, 1993.

6.     ГОСТ 7.32-2001, 7.1-2003 «Стандарты построения блоков микроэлектронной памяти». – М.: Изд-во стандартов, 2008. – 166 с.

7.     ГОСТ 2.105-95 «Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам». – М.: Стандартинформ, 2007. – 31с.

8.     ГОСТ 7.32-2001 «Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления». – М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. – 21с.

9.      ГОСТ 7.12 «СИБИД. Библиографическая запись. Сокращение слов на русском языке. Общие требования и правила». – М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. – 18с.

10.            ГОСТ 2.316 «Единая система конструкторской документации. Правила нанесения надписей, технических требований и таблиц на графических документах. Общие положения». – М.: Стандартинформ, 2009. – 10с.

11.            ГОСТ 2.104-2006 «Единая система конструкторской документации. Основные надписи». – М.: Стандартинформ, 2009. – 20с.

12.            ГОСТ 21.101-97 «Система проектной документации для строительства. Основные требования к проектной и рабочей документации». –М.: Стандартинформ, 2009. – 49с.

13.            ГОСТ 2.301-68 «Единая система конструкторской документации. Форматы» – М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. – 3с.

14.            ГОСТ 2.304-81 «Единая система конструкторской документации. Шрифты чертежные». – М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. – 23с.

15.            ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин». – М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. – 32с.

16.            ГОСТ 2.106-96 «Единая система конструкторской документации. Текстовые документы». – М.: Стандартинформ, 2007. – 32с.