Разработка конструкции блока электронной вычислительной аппаратуры
Кафедра
Вычислительной техники
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
к
курсовому проекту
по
дисциплине «Конструирование, производство и эксплуатация вычислительной
техники»
на
тему: «Разработка конструкции блока электронной вычислительной аппаратуры»
Рязань,
2008
Содержание
Введение
Анализ функционально-логической
схемы и технического задания
Разработка технических требований к
конструкции
Выбор элементной базы
Разработка конструкции блока
Решение задачи компоновки и покрытия
Выбор конструкции и размеров ТЭЗ
Решение задачи размещения
Определение механической прочности
ПП
Расчет теплового режима
Расчет помехоустойчивости
Расчет собственной частоты колебания
ПП
Заключение
Список литературы
Приложения
Введение
Конструирование, являясь составной частью
процесса разработки ЭВМ, предоставляет собой сложный комплекс взаимосвязанных
работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к
конструкции устройства, знание современной технологии, схемотехники, импульсной
техники и других теоретических и прикладных дисциплин. Важным также является
исполнение практического опыта разработчиков электронной вычислительной
аппаратуры.
Конструкция современной ЭВМ - это комплекс
различных по природе деталей, определенным образом объединенных электрически и
механически друг с другом и призванных выполнять заданные функции в заданных
условиях и режимах эксплуатации. От правильного выбора этих деталей,
материалов, из которых они изготовлены, правильного их размещения, закрепления
и объединения зависят важнейшие характеристики устройства: быстродействие,
объем, масса, потребляемая мощность, допустимые условия эксплуатации,
надежность, стоимость и т.д.
Исходными данными для конструктора является
электрическая схема электронного устройства и техническое задание на его
разработку. Конструктор должен определить форму, материалы, размеры
конструктивного узла, способы соединений входящих в него элементов, обеспечение
помехоустойчивости, теплового режима, защиты от внешних воздействий. Для оценки
соответствия конструкции требованиям технического задания выполняются все
необходимые расчеты. От успешного решения задач конструирования зависят такие
характеристики ЭВМ, как быстродействие, надежность, вес, технологичность,
удобство эксплуатации и др. Качество разработанной конструкции определяются
степенью соответствия ее техническим требованиям. Неудачные конструкторские
решения могут привести, например, к невозможности обеспечения работоспособности
ЭВМ из-за несоблюдения теплового режима или к значительному снижению быстродействия.
В рамках данного курсового проекта, согласно
техническому заданию (ТЗ), производится конструирование типового элемента
замены (ТЭЗ). Следует отметить, что такие этапы как размещение логических
элементов по корпусам интегральных микросхем (ИМС) и размещение ИМС на печатной
плате производились вручную, а трассировка печатных проводников производилась
автоматизированным способом, в частотности с использованием САПР P-CAD
2001.
Анализ
функционально-логической схемы и технического задания
На основании изучения функционально-логической
схемы (ФЛС) устройства, анализа ее структуры и состава элементов можно сделать
следующие выводы:
1. ФЛС содержит в своем составе 34
логических элемента, которые можно подразделить на три группы:
24 логических элемента И-НЕ (с
двумя входами)
10 логических элементов И-НЕ (с тремя входами)
2. У схемы имеется 19 информационных
входов и выходов. Помимо них необходимо еще учитывать входы «питание» и
«земля».
Разработка технических
требований к конструкции
Разработка конструкции ТЭЗ должна удовлетворять
нескольким группам технических требований, которые можно представить:
1. Эксплуатационные требования:
В соответствии с требованиями ТЗ,
разрабатываемый ТЭЗ должен работать при следующих условиях эксплуатации:
Таблица 1
|
Диапазон
рабочих температур
|
+40 ÷-30 о С
|
|
Критические
температуры
|
+58÷-20 о С
|
|
Давление
|
39*104
Па
|
|
Диапазон
вибраций
|
от
3 до 10 кГц
|
|
Ускорение
|
6
ġ
|
|
Удар
|
15
ġ
|
Конструкция ТЭЗ должна характеризоваться
удобством и простотой эксплуатации, обеспечивая удобный доступ к элементам,
расположенным на печатной плате, а также обеспечить возможность быстрой замены
ТЭЗ в случае его неисправности. Необходимо обеспечить по возможности
минимальные габариты и вес конструкции.
2. Технологические требования:
Электрические соединения между элементами ТЭЗ
должны быть выполнены с помощью технологии печатного монтажа.
Коммутация ТЭЗ с внешними устройствами должна
производится посредством стандартного штепсельного разъема.
Для разработанного ТЭЗ необходимо обеспечить
приемлемый уровень технологичности в серийном производстве.
Конструкция ТЭЗ должна состоять по возможности
из минимального числа элементов.
3. Экономические требования:
Элементы ТЭЗ должны быть реализованы на
стандартной элементной базе, имеющейся в производстве, достаточно
распространенной и экономически обоснованной.
Выбор элементной базы
При изучении существующих серий интегральных
микросхем, которые в серийном производстве, их технических характеристик, а
также учитывая перечисленные выше требования по условиям эксплуатации для
разрабатываемого ТЭЗ, делается вывод о применении в данной конструкции
интегральных микросхем серии КМ155. Этот выбор можно обосновать исходя из
следующих причин:
1. Условия эксплуатации для микросхем
серии КМ155 удовлетворяют требованиям изложенных в ТЗ на разрабатываемую
конструкцию. Их можно представить таблицей:
Таблица 2. Условия эксплуатации для ИМС серии
КМ155
|
Климатические
и механические факторы
|
Диапазон
значений
|
|
Интервал
рабочих температур
|
+85÷-45
|
|
Относительная
влажность воздуха при температуре 250С(250С для КМ155)
|
98%
|
|
Диапазон
вибраций
|
от
1 до 2000 Гц
|
50
ġ
|
|
Одиночные
удары
|
150ġ
|
|
Многократные
удары
|
75ġ
|
2. Среди интегральных микросхем данной
серии имеются элементы, на которых возможно реализовать заданную ФЛС
3. Интегральные микросхемы серии КМ155
имеются в серийном производстве, достаточно распространены и доступны.
КМ155 серия имеет в своем составе все
необходимые элементы для реализации ФЛС. Данная серия обладает большим числом
интегральных микросхем, параметры которых удовлетворяют поставленным в ТЗ
требованиям. Элементы данной серии ИМ относятся к транзисторно-транзисторной
логике ТТЛ.
Таким образом, занесем необходимые для
реализации ФЛС микросхемы в таблицу 2.
Таблица 3. Интегральные микросхемы, используемые
в печатной плате
|
Логический
элемент
|
Количество
ИМС
|
Микросхемы
|
|
2И-НЕ
|
6
|
КМ155ЛА3
|
|
3И-НЕ
|
4
|
КМ155ЛА4
|
Распределение входов выходов логических
элементов с ножками ИМС:
КМ155ЛА3 и КМ155ЛА4
КМ155ЛА3
,2,4,5,9,10,12,13 - входы X1-X8;
- выход Y1;
- выход Y2;
- общий;
- выход Y3;
- выход Y4;
- напряжение питания;
КМ155ЛА4
,2,13,3,4,5,9,10,11 - входы X1-X9;
- выход Y3;
- общий;
- выход Y2;
- выход Y1;
- напряжение питания;
Разработка конструкции
блока
Блок - конструктивно законченная сборочная
единица. В комплексную задачу разработки конструкции блока входят несколько
основных этапов:
1. Решение задачи компоновки и покрытия
2. Выбор конструкции и размеров ТЭЗ
. Решение задачи размещения элементов на
ПП
. Расчет прочности
. Тепловой расчет
. Трассировка печатных соединений
. Расчет помехоустойчивости
Решение задачи
компоновки и покрытия
Выделяют два варианта компоновки:
1. Разрезание схемы - это компоновка схемы
в типовые элементы, не имеющие схемной унификации.
2. Покрытие схемы - это компоновка схемы в
модули заданного системно-унифицированного набора.
При решении задач компоновки используют критерии
оптимизации:
1. Минимальное число межблочных соединений
2. Минимальное количество блоков
. Минимальное количество типов блоков
. Возможно более полное использование
блока
Ограничения:
1. Максимальное количество элементов в
блоке
2. Максимальное количество внешних выводов
. На совместную и раздельную компоновку
различных элементов
Задача компоновки решается точным и приближенным
методами. При этом точные методы в силу своей громоздкости не получили широкого
распространения. Из приближенных методов получили распространение
последовательный, итерационный и смешанный.
В данном курсовом проекте задача покрытия
реализована методом параллельного свертывания. Этот эвристический механизм
относится к классу последовательно-параллельных алгоритмов. Сущность состоит в
том, что производится параллельное наращивание по выходам и выбранным
параметрам групп элементов и в последующем их укрупнении. В качестве критерия
применяется критерий максимальной связности объединенных в одном корпусе
элементов.
Алгоритм задачи покрытия данным методом имеет
вид:
Матрица построена для 34 логических элементов и
разъема.
Таким образом, задача покрытия - то есть
распределение логических элементов по корпусам ИМС, была решена ручным
способом. В основу решения задачи были положены критерии максимальной связности
элементов внутри корпусов ИМС, а также критерии совместимости логических
элементов, размещенных в одном корпусе ИМС.
И-НЕ
Таблица 4. Решение задачи покрытия
Обозначение
элементов на ПП
|
Используемая
микросхема
|
|
Х2,Х10,Х13,X15;
|
1
|
КМ155ЛА3
|
|
Х4,Х6,Х8,X9;
|
2
|
КМ155ЛА3
|
|
Х16,Х19,Х4,Х28;
|
3
|
КМ155ЛА3
|
|
Х22,Х32,Х33,X34;
|
4
|
КМ155ЛА3
|
|
X23,X24,X25,X26;
|
5
|
КМ155ЛА3
|
|
Х27,X29,X30,X31;
|
6
|
КМ155ЛА3
|
|
X1, X3, X5;
|
7
|
КМ155ЛА4
|
|
X7;
|
8
|
КМ155ЛА4
|
|
X11, X12, X14;
|
9
|
КМ155ЛА4
|
|
Х17,X18, X20;
|
10
|
КМ155ЛА4
|
В результате решения задачи покрытия были
получены следующие результаты: всего необходимо 10 микросхем, некоторые
использованы не полностью, лишних элементов нет.
Выбор конструкции и
размеров ТЭЗ
микросхема модуль тепловой
конструкция
При изучении ФЛС разрабатываемого устройства
было сделано заключение, что схема содержит 19 информационных контактов и еще
два обязательных входа «питание» и «земля». С учетом этого, а также
руководствуясь основными требованиями, изложенными в ТЗ, в качестве
соединительного разъема был выбран 26-ти контактный малогабаритный разъем для
печатного монтажа CONN26M.
Разъем имеет размеры 34x12,6.
Для расчета минимальных размеров ПП были учтены
конструктивные параметры, которые выбирались в соответствии с рекомендациями,
приведенными в литературе:
х1=х2=10(мм) -поля под направляющие;
y1=10 (мм) -поле под
разъем;
у2=10 (мм) -поле под ручку и элементы контроля;
tx=15 (мм) -
шаг установки ИМС по оси х;
ty=25 (мм) -
шаг установки ИМС по оси у;
lx= 7.5 (мм), ly=
15 (мм) - размеры микросхем по соответствующим осям;
Минимальные габариты ПП рассчитываются по
следующим формулам:
Lx>=tx * (nx-1)+x1+x2+lx>=ty *
(ny-1)+y1+y2+ly
=15 * (4-1)+10+10+7.5=72.5
Ly= 25 *
(3-1)+20+10+15=85
Согласно ГОСТ 10317-79, на основании значений минимальных
размеров ПП, принимаем следующие габариты ПП: длинна Lx=135
(мм), ширина Ly=110 (мм).
Решение задачи
размещения
После того, как решена задача покрытия,
необходимо решить задачу размещения корпусов микросхем на печатной плате. Для
решения данной задачи было решено воспользоваться «последовательным алгоритмом
размещения». Его можно представить в виде блок схемы:
В качестве критериев оптимального размещения
модулей, которые использует «последовательный алгоритм» выступают максимальная
степень связности между модулями, стоящими в соседних позициях (Y),
а также минимальная суммарная длинна соединений (L).
Математически это описывается следующим образом:
Здесь Yi - степень
связности i-го не
размещенного модуля кА всем размещенным; Li - суммарная
длинна соединений между размещенными модулями и i-м модулем
размещаемым на позицию pi поверхности; Eкн -
множество не размещенных модулей на к-ом шаге алгоритма; Ерк - множество
размещенным модулей на к-ом шаге алгоритма; рi,pj - номера
позиций на плате в которых размещены i-ый и j-ый модули
соответственно; гz - массив соседних позиций на z-ом шаге
алгоритма; S - берется
из матрицы расстояний; P - берется из матрицы связности.
Исходными данными для данной задачи
является эскиз печатной платы с нанесенными на нее схематическими изображениями
узлов.
Эскиз печатной платы имеет вид:
В качестве модулей, размещаемых по
монтажному пространству ПП выступают в данном случае 10 корпусов интегральных
микросхем и одна вилка соединительного разъема. Считается, что каждый из
размещенных модулей соответствует числу всевозможных позиций.
Исходя из данной схемы позиций и
учитывая то, что минимальное расстояние между двумя позициями на ПП (шаг
размещения принимается равным 1, можно представить матрицу S которая
задает расстояние между узлами ПП и имеет вид:
|
А
|
Б
|
В
|
Г
|
Д
|
Е
|
З
|
И
|
К
|
М
|
Н
|
И
|
|
А
|
-
|
2
|
1
|
1
|
2
|
3
|
2
|
2
|
3
|
4
|
3
|
3
|
4
|
|
Б
|
2
|
-
|
1
|
2
|
3
|
1
|
2
|
3
|
4
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
В
|
1
|
1
|
-
|
1
|
2
|
2
|
1
|
2
|
3
|
3
|
2
|
3
|
4
|
|
Г
|
1
|
2
|
1
|
-
|
1
|
3
|
2
|
1
|
2
|
4
|
3
|
2
|
3
|
|
Д
|
2
|
3
|
2
|
1
|
-
|
4
|
3
|
2
|
1
|
5
|
3
|
2
|
|
Е
|
3
|
1
|
2
|
3
|
4
|
-
|
1
|
2
|
3
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
З
|
2
|
2
|
1
|
2
|
3
|
1
|
-
|
1
|
2
|
2
|
1
|
2
|
3
|
|
И
|
2
|
3
|
2
|
1
|
2
|
2
|
1
|
-
|
1
|
3
|
2
|
1
|
2
|
|
К
|
3
|
4
|
3
|
2
|
1
|
3
|
2
|
1
|
-
|
4
|
3
|
2
|
1
|
|
Л
|
4
|
2
|
3
|
4
|
5
|
1
|
2
|
3
|
4
|
-
|
1
|
3
|
|
М
|
3
|
3
|
2
|
3
|
4
|
2
|
1
|
2
|
3
|
1
|
-
|
1
|
2
|
|
Н
|
3
|
4
|
3
|
2
|
3
|
3
|
2
|
1
|
2
|
2
|
1
|
-
|
1
|
|
Я
|
4
|
5
|
4
|
3
|
2
|
4
|
3
|
2
|
1
|
3
|
2
|
1
|
-
|
Здесь элемент Sij
- расстояние между i-ым и j-ым
позициями, кратное шагу размещения. Матрица связности модулей ρ
имеет такую же размерность, что и матрица S,
но составляется исходя из принципиальной схемы устройства и учитывает взаимную
электрическую связь размещаемых модулей между собой. Таким образом, матрица
ρ
имеет вид:
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
|
1
|
-
|
|
|
|
|
|
2
|
|
6
|
|
|
|
2
|
1
|
-
|
1
|
|
|
|
3
|
1
|
|
1
|
6
|
|
3
|
|
1
|
-
|
|
|
|
|
2
|
7
|
|
|
4
|
|
|
1
|
-
|
|
1
|
|
|
1
|
1
|
5
|
|
5
|
|
|
|
|
-
|
1
|
|
|
|
|
6
|
|
6
|
|
|
|
1
|
1
|
-
|
|
|
2
|
2
|
2
|
|
7
|
2
|
3
|
|
|
|
|
-
|
|
|
|
9
|
|
8
|
|
1
|
|
|
|
|
|
-
|
|
|
1
|
|
9
|
6
|
|
2
|
1
|
|
2
|
|
|
-
|
1
|
|
|
10
|
|
1
|
7
|
1
|
|
2
|
|
|
1
|
-
|
|
|
11
|
|
6
|
|
5
|
6
|
2
|
9
|
1
|
|
|
-
|
Элемент матрицы pij
- это количество соединений, имеющихся между i-ым
и j-ым модулями
соответственно.
В данном случае модули 1-10, обозначают
соответствующие им корпуса ИМС, а под 11-ым модулем понимается соединительный
разъем. Изначально размещаем 11 элемент в позицию А. Результаты решения задачи
размещения приведены ниже:
-ый шаг:
Ер={11}
Ен={1 2 3 4 5 6 7 8 9 10}
Г={В Г}