Проект учебного стенда для программирования микроконтроллеров

Введение

Учебный процесс многогранен. Помимо теоретических знаний важно чтобы обучение было подкреплено практической частью. Практика может проводиться различными способами, но наиболее удобными являются лабораторные стенды.

Лабораторные стенды позволяют студентам в интерактивном режиме изучать различные радиоэлектронные средства, а также процессы, протекающие в них. Например, для наглядного изучения каких либо характеристик электрорадиоэлемента не требуется проводить предварительную работу по его монтажу на какую-либо плату и подключение к нему различных измерительных устройств. Можно воспользоваться более простым и быстрым методом - лабораторным стендом с набором виртуальных инструментов.

Существует большое количество видов лабораторных стендов, но их все можно разделить на две большие группы: лабораторные стенды с неизменяемым набором изучаемых элементов/узлов и те, которые позволяют подключать различные устройства и компоненты.

Стенды, в которых нельзя вносить изменения, представляют собой комплект неких устройств и какое-то программное обеспечение. Они позволяют проводить изучения этих устройств. Их минусом является ограниченное количество лабораторных работ и невозможность исследования других устройств (не входящих в комплект стенда), а также невозможность их дополнения или изменения их ПО.

Если же стенд имеет возможность подключения дополнительных элементов и изменение/доработку программного обеспечения, то это существенно улучшает работу с ним. Наличие такого стенда позволяет уменьшить затраты на закупку оборудования. Так как в большинстве из них имеются специальные беспаечные макетные платы, которые позволяют подключать дополнительные электронные компоненты (резисторы, транзисторы, диоды и т.д.). Таким образом, для изучения другой темы, студентам не требуются новые стенды, достаточно добавить или заменить набор компонентов.

В качестве примера такого типа стенда можно привести комплекс фирмы National Instruments NI Elvis. Он представляет из себя комплект виртуальных измерительных приборов и устройство со сменной монтажной панелью. Эта рабочая станция может взаимодействовать с различными дополнительными платами. Одна из них - лабораторный практикум для изучения микроконтроллеров ATmega 168 KIT, легла в основу данной ВКР. В следующей главе будут более подробно описаны различные существующие платы и сама рабочая станция NI ELVIS, но сначала рассмотрим, что в себя включает Лаборатория «ATmega 168 KIT.

Рис. 1. Рабочая станция в сборе с платой для изучения микроконтроллеров

Лаборатория «ATmega 168 KIT» предназначена для изучения основ микропроцессорной техники и включает следующие лабораторные работы: «Изучение режимов отладки через JTAG», «Таймеры микроконтроллера», «Генератор импульсов», «Последовательные интерфейсы: SPI», «Последовательные интерфейсы: UART. Связь с компьютером», «Последовательные интерфейсы: I2C. Сетевой интерфейс», «Внутреннее ЭСППЗУ микроконтроллера», «Встроенный компаратор. Измерение частоты», «Знакосинтезирующий ЖК-индикатор», «Внешняя EEPROM 25LC640A-I/SN, 64 K, с интерфейсом SPI», «Управление двумя семисегментными инди- каторами через I2C при помощи ИМС PCF8574AT2», «Подключение внешней EEPROM 24LC256-I/SM, 256 К, через I2C», «Внешний цифровой потенциометр AD5245BRJ10-R2 построение ЦАП через I2C», «Управление мощной нагрузкой с помощью ШИМ», «Работа со встроенным АЦП».

Данный стенд (как и все рассмотренные ниже устройства) имеет довольно большую стоимость. Поэтому вопрос создания более бюджетной макетной платы является довольно актуальным.

1. NI ELVIS

NI ELVIS - это набор лабораторных приборов, реализованный посредством рабочей станции и устройства сбора и обработки данных (DAQ). Программное обеспечение разработано в LabVIEW.

На рисунках 2 и 3 можно увидеть изображение рабочей станции NI ELVIS.

Рис. 2. NI ELVIS вид сверху

- Макетная плата NI ELVIS

- Плавкий предохранитель

- Клеммы для подключения к мультиметру

- Разъемы для подключения к осциллографу

- Разъем выхода функционального генератора или входа цифрового запуска

- Монтажное отверстие под винт на макетной плате

- Разъем для подключения макетной платы

- Выключатель питания макетной платы

- Световые индикаторы статуса

- Элементы управления регулируемыми блоками питания

- Элементы управления функциональным генератором

Рис. 3. NI ELVIS вид сзади

- Выключатель питания макетной платы

- Выключатель питания рабочей станции

- Разъем для подключения источника питания постоянного/переменного тока

- Разъем USB

- Гнездо для подключения кабеля безопасности

- Гнездо для подключения замка Kensington

Во время работы с NI ELVIS можно использовать следующие приборы:

Генератор сигналов произвольной формы

Анализатор амплитудно- и фазочастотных характеристик (АЧХ/ФЧХ)

Устройство чтения цифровых данных

Устройство записи цифровых данных

Цифровой мультиметр

Анализатор спектра

Функциональный генератор

Анализатор импеданса

Осциллограф

Анализатор вольтамперных характеристик двух- и четырехполюсников

Регулируемые источники питания

1.1 Существующие макетные платы для NI ELVIS

Рабочая станция NI ELVIS позволяет проводить большое число лабораторных работ путем подключения к ней различных модулей.

Ниже приведены существующие платы для рабочей станции NI ELVIS, которые позволяют изучать различные направления электроники.

Emona SIGEx Add-on Board For Teaching Signals and Systems with NI ELVIS

Лаборатория предназначена для изучения основ цифровой обработки сигналов и включает следующие лабораторные работы:

«Линейные и нелинейные системы», «Свертка сигналов», «Интегрирование, свертка, корреляция сигналов и согласующие фильтры», «Знакомство с комплексными числами и экспоненциальными функциями», «Построение спектрального анализатора сигналов на основе БПФ преобразования», «Спектральный анализ различных типов сигналов», «Анализ во временной области RC-цепей», «Полюса и нули операторных характеристик цепей», «Дискретизация и сглаживание», «Введение в аналого-цифровое преобразование», «Цифровые фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ)», «Полюсно-нулевая диаграмма на z-плоскости для цифровых фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ)», «Цифровые фильтры - вопросы практического применения».

Emona HELEx Add-on Board For Teaching Green Engineering with NI ELVIS

Лаборатория по альтернативной энергетике предназначена для изучения основ работы солнечных элементов, водородных топливных ячеек и процесса электролиза.

Рис. 4. Emona SIGEx

Выполняя практические лабораторные работы, студенты смогут понять процессы генерации энергии из солнечного света, запасания этой энергии в виде водорода и последующей регенерации энергии из электрохимической реакции водорода с кислородом. Кроме того, лабораторный стенд позволяет изучить такие базовые законы, как закон Авогадро, первый закон Фарадея для электролиза и действие катализаторов в химических реакциях.

Рис. 5. Emona HELEx

Emona DATEx Add-on Board For Teaching Digital/Analog Communications with NI ELVIS

Плата разработана для изучения цифровых и аналоговых сигналов путем создания и анализа различных схем. Комплект учебного оборудования позволяет изучать основы современной радиотехники и систем телекоммуникаций, знакомиться на практике с физическими процессами передачи данных по радиоканалам, проводить обработку сигналов, включая преобразование частот, различные виды модуляции и демодуляции, кодирование и декодирование и т.д. В рамках лабораторных работ студенты могут создавать прототипы своих собственных систем связи, просто последовательно соединяя функциональные блоки.

Рис. 6. Emona DATEx

Emona FOTEx Add-on Board For Teaching Fiber-Optic Communications with NI ELVIS

Рис. 7. Emona FOTEx

Лабораторный комплекс предназначен для обучения студентов принципам передачи информации по оптоволоконным линиям связи. В рамках лабораторных работ студенты осваивают методы кодирования и декодирования сигналов с импульсно-кодовой модуляцией, а также основы оптической фильтрации, разделения и объединения сигналов, двунаправленной оптоволоконной связи, оптических потерь и др.

NI ELVIS for Digital Electronics Includes NI Digital Electronics FPGA Board

NI Digital Electronics FPGA Board - это устройство для обучения основам цифровой электроники, булевой логики и т.д. При помощи данной платы студенты могут создавать аналоговые и цифровые схемы и проводить их анализ.

Рис. 8. FPGA Board

Макетная плата для практикумов по аналоговой электронике

Рис. 9. Плата для практикумов по аналоговой электронике

С её помощью можно изучать полупроводниковые приборы. Она позволяет проводить лабораторные занятия по таким темам как: свойства диода и стабилитрона, однополупериодный и двухполупериодный диодный выпрямитель, транзисторные усилители на биполярном транзисторе с ОЭ, ОК, ОБ, транзисторные усилители на полевом транзисторе с ОИ, ОС, многокаскадный транзисторный усилитель, составной транзистор, стабилизатор напряжения на стабилитроне, дифференциальный усилитель на транзисторах, транзисторный усилитель мощности, дифференциальный усилитель, каскадные усилители на ОУ, импульсные устройства на ОУ, активные фильтры на ОУ, гиратор, пиковый детектор на ОУ, амплитудный детектор на ОУ.

Лаборатория теоретических основ электротехники (компоненты)

Лабораторная установка предназначена для проведения практических занятий по теоретическим основам электротехники.

Рис. 10. Плата с компонентами для изучения основ электротехники

Лаборатория электроники

Рис. 11. Плата для практикумов по электронике

Лаборатория предназначена для преподавания дисциплин: аналоговая электроника, электроника в приборостроении, электроника и микроэлектроника, электроника и радиотехника, электротехника и основы электроники. Макет обеспечивает возможность организации до 100 различных схем экспериментов различных уровней сложности.

Лабораторный практикум охватывает 10 образовательных модулей: ознакомление с работой в программно-аппаратной среды NI ELVIS II, исследование диодных схем, исследование режимов биполярного транзистора, исследование усилительного каскада по схеме с общим эмиттером, передача импульсных сигналов в резистивном усилительном каскаде, типовые схемы включения операционных усилителей, функциональное применение операционных усилителей (линейные и нелинейные преобразования сигналов), автогенераторы колебаний на операционных усилителях, автогенераторы колебаний на операционных усилителях.

Лаборатория программирования микроконтроллеров

Рис. 12. Рабочая станция в сборе с платой для программирования микроконтроллеров

Учебный стенд для программирования микроконтроллеров позволяет студентам изучить основные подсистемы современных микроконтроллеров (интерфейсы, процессор, ОЗУ, подсистема прерываний, АЦП/ЦАП), принципы их взаимодействия и функционирования, научиться программировать микроконтроллеры, а также создавать на их базе системы управления. Данный стенд использует микроконтроллер freescale.

 

2. Разработка блок-схемы

Для создания сменного модуля необходимо сначала определить его состав. Он должен включать в себя набор различных устройств и компонентов, чтобы позволить существенно расширить номенклатуру выполняемых лабораторных работ и изучать различные функциональные модули. В модуль включены следующие блоки: блок отображения информации, блок ввода информации, блок обработки информации и т.д.

Для отображения информации в стенде используются дисплей и светодиоды. С помощью обычных светодиодов можно выводить информация в виде булевой алгебры. Так же используется RGB светодиод, позволяющий отображать цветовые оттенки в случае использования ШИМ управления. Макетная плата оснащена USB разъемом для подключения совместимых устройств. Имеется набор переключателей, пьезодинамик, микрофон.

Так как плата должна взаимодействовать с рабочей станцией NI ELVIS, она должна иметь конкретные габаритные размеры и технологические отверстия. Этот момент учитывается при проектировании ПП и может иметь влияние на выбор элементной базы.

Когда основные блоки определены (на рисунке 13 изображена блок-схема), следует перейти к выбору компонентов, которые будут включены в эти блоки. При выборе элементной базы большое значение имеет стоимость компонента, сложность его установки на плату, габаритные размеры и др. На рисунке 13 изображена блок-схема.

2.1 Дисплей

Дисплей используется для отображения информации, поступающей с микроконтроллера. Работа ЖК дисплея основывается на явлении поляризации светового потока. Кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом, поляроид осуществляет как бы «просеивание» свет. Этот эффект называется поляризацией света.

Рис. 13. Блок-схема

Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, получили название жидких кристаллов. Применяемый в стенде дисплей - пассивного типа с тыловой светодиодной подсветкой.

WH1602B монохромный двухстрочный жидкокристаллический дисплей на 16 символов. Для отображения данных используются русские и английские алфавиты.

Рис. 14. Дисплей

Рис. 15. Таблица символов

Пример подключения дисплея к микроконтроллеру изображен на рисунке 15.

Рис. 15. Подключение дисплея к микроконтроллеру

При подключении дисплея необходима внешняя цепь задания рабочего контраста изображения (на рисунке задается резистором R2 включенного по схеме потенциометра между напряжением питания +5В и общим проводом). Для активации подсветки имеются выводы 15, 16, подключенные соответственно к шине питания (+5В) и общему проводу.

 

.2 Микроконтроллер

Важной частью большого количества РЭС является микроконтроллер. Микроконтроллер - это микросхема, которая предназначена для управления электронными средствами. В основе микроконтроллера лежит центральный процессорный элемент, ОЗУ, флеш-память для хранения данных и программ, порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи. Специальный вычислительный модуль обеспечивает пошаговое выполнение записанной в памяти программы. Для написания этих программ обычно используются низкоуровневые языки (например, ассемблер).

По своей архитектуре микроконтроллеры можно разделить на: Гарвардскую и Принстонская (или фон Неймановская).

Рассмотрим их ключевые различия.

В Гарвардской архитектуре инструкции и данные хранятся в отдельных блоках, а также передаются по отдельным каналам.

При архитектуре фон Неймана данные и инструкции хранятся совместно. Минусом такой архитектуры считается ограничение пропускной способности между процессором и памятью из-за общего использования шины для памяти и для данных.

Плюсом же Гарвардской архитектура является меньшее число тактов для выполнения команды процессором потому, что информация хранится в отдельных блоках.

В стенде используется микроконтроллер atmega328 (рис.16). Его характеристики приведены в таблице 1.

Этот контроллер относится к семейству AVR, организованных по Гарвардской архитектуре. AVR - это восьмибитные микроконтроллеры с сокращенной системой команд, производимые фирмой Atmel.

Рис. 16. ATMega328

Рис. 17. Габаритные размеры микроконтроллера

Таблица 1

Размер программной памяти	32 кб
Размер ОЗУ данных	2 кб
Встроенный в чип АЦП	Да
Рабочее напряжение питания	1,8-5,5 В
Максимальная рабочая температура	+85 С
Минимальная рабочая температура	-40 С
Количество таймеров	3

Для программирования микроконтроллеров используют специальные программаторы. На рисунке изображен пример схемы такого устройства. Программатор - это специальное аппаратно-программное средство. Оно записывает данные в ПЗУ микроконтроллера.

Рис. 18. Программатор с подключением в USB разъем компьютера

Обычно для программирования микроконтроллеров avr используется 6 выводов: RESET - Вход МКVCC - Плюс питания, 3-5В, зависит от МКGND - Общий провод, минус питания.MOSI - Вход МК (информационный сигнал в МК)MISO - Выход МК (информационный сигнал из МК)SCK - Вход МК (тактовый сигнал в МК)

Они составляют шину SPI - последовательный интерфейс подключения периферийных устройств. Эта шина используется при внутрисхемном программировании микроконтроллеров, а также при подключении к ним различных внешних устройств (датчиков, дисплеев и т.п.).

Рис. 19. Цоколевка разъема внутрисхемного программирования (2 варианта - 6 и 10 контактов)

2.3 Микрофон

Микрофон - SPM0408HE5H аналоговый микрофон со встроенным усилителем выполненный в микроэлектромеханической (МЭМС / MicroElectroMechanical Systems) технологии.

МЭМС - это технология, которая объединяет микроэлектронные и микромеханические компоненты. Основной материал, из которого изготавливаются МЭМС компоненты - это кремний. Преимуществом этой технологии является её чрезвычайно малый размер. Благодаря своим размерам устройства, изготовленные по МЭМС технологии, можно использовать в различных миниатюрных устройствах. Такой малый размер значительно экономит место при размещении компонента на ПП. Использование в стенде такого устройства позволит познакомить студентов с данным типом средств.

Рис. 20. Микрофон

Рис. 21. Размеры

Характеристики

Диаграмма направленности.....................круговая, всенаправленная

Выходное сопротивление, не более........300 Ом

Потребляемый ток....................................350 мкА

Отношение сигнал/шум............................59 дБ

Напряжение питания.................................1,5-3,6В

Диапазон рабочих температур..................-40...+100°C

Формула для расчета коэффициента усиления:

 (1)

 (2)

Фильтр высоких частот

 (3)

Схема включения приведена на рисунке 22

Рис. 22. Схема включения микрофона

2.4 Фотоприемник

Фотоприемник предназначен для регистрации светового излучения. В схему фотоприемника входит фотодиод и интегральная микросхема. Она выполняет функция усиления с заданным коэффициентом. Схема фотоприемника приведена на рисунке 23.

Рис. 23. Фотоприемник

Принцип работы фотоприемника основывается на фотоэффекте. На фотодиод попадает свет, который преобразуется в электрический заряд.

Фотоэлементы широко используются в различной аппаратуре. Их часто применяют для измерения яркости, освещенности, силы света. Реакция фотодиодов на свет используется в различных автоматических устройствах.

Наличие в стенде фотоприемника позволит расширить объем изучаемых эффектов.

Рис. 24. Макет усилителя фотоприемника, собранный в МИЭМ

2.4.1 Фотодиод

Выбран фотодиод ФД-256. Его характеристики представлены в таблице 2.

Рис. 25. Фотодиод

Таблица 2

Темновой ток, мкА	0,005
Интегральная токовая чувствительность, мкА/лк	0,6
Номинальное рабочее напряжение, В	10

Рис. 26. Размеры фотодиода

2.5 Усилитель

Двухканальный операционный усилитель LM358D широкого применения для работы в бытовом диапазоне температур (0..+70°С).

Аналоги: КР1040УД1 / КФ1040УД1

Технические параметры приведены в таблице 3.

Таблица 3

Количество каналов	2
Напряжение питания, В	3…32
Частота, МГц	1
Напряжение смещения, мВ	2
Температурный диапазон, C	0…70
Тип корпуса	so8

Рисунок усилителя приведен на рис. 2.18.

Рис. 30. Усилитель

Рис. 31. Контакты

2.6 Динамик

 

Рис. 32. Пьезодинамик HPA17A

• конструкция открытого типа, не водостойкая;

• штыревые или пружинные выводы, провода или разъем

Таблица 4

Номинальная мощность (мВт)	5
Рабочее напряжение (В)	1…30
Номинальный ток (мА)	<3
Емкость 120Hz (нФ)	12+30%
Номинальная частота (Hz)	4096+500
Рабочая температура (ᵒС)	-20…+60

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет громкость звука в зависимости от частоты управляющего сигнала.

Рисунок 33. АЧХ

2.7 Резистор подстроечный

Резистор подстроечный 3266W-1-103LF, 10 кОм (рис.34.)

Рис. 34. Резистор подстроечный

Подстроечный резитор - это переменный резистор, который используется для настройки радиоэлектронного устройства. Как правило, имеет винт настройки, выполненный под шлицевую отвертку.

Рис. 35. Размеры

Таблица 6

Тип	Подстроечный
Модель	3266
Тип проводника	Металлокерамика
Номин.сопротивление	10
Единица измерения	Ком
Точность,%	10
Номин.мощность,Вт	0.25
Макс.рабочее напряжение,В	600
Рабочая температура,С	-65…150
Количество оборотов	12
Способ монтажа	Печатный
Длина движка	1
Угол поворота движка	4320 (11 оборотов)

2.8 Кнопка тактовая

Кнопка тактовая 1825910-6 (FSM4JH), h=5 мм SPST

Рис. 35. Кнопка тактовая

Таблица 7

Тип	Прямая
Способ монтажа	В отверстия на плату
Рабочее напряжение, В	24
Рабочий ток, А	0,05

2.9 Разъемы

USB (Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств. Существует несколько версий USB. Наиболее широко используемыми сейчас являются USB 2.0, 3.0 и 3.1. Наличие такого разъема в лабораторном стенде позволит легко коммутировать его с обыкновенными ПК, а также подключать USB-накопители и другие совместимые USB-устройства. На рисунке 36 изображены различные виды USB-разъемов.

Рис. 36. USB-разъемы

Их существует довольно большое количество. В данной работе используется стандартный разъем типа А.

Рис. 37. Значение контактов

Для взаимодействия USB с микроконтроллером была использована микросхема FT232. Это преобразователь UART-USB (рис. 38).

Рис. 38. FT232

Подключение USB к FT232 отображено на рисунке 39.

Рис. 39. Схема включения микросхемы FT232RL

2.10 Макетные платы

Беспаечные макетные платы (breadboard) позволяют осуществлять подключения различных устройств не прибегая к дополнительным инструментам. Беспаечная макетная плата состоит из пластикового корпуса и контактов-отверстий, которые находятся на расстоянии 2,5 (для российских плат) или 2,54 (для импортных). На рисунках 40 и 41 изображены приемы макетных плат.

Рис. 40. Пример макетной платы

Рис. 41. Пример макетной платы

2.11 Светодиоды

Светодиод относится к полупроводниковым приборам. Когда через p-n-переход в прямом направлении проходит электрический ток, носители заряда - дырки и электроны - рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Использование светодиодной индикации довольно удобно. По включению светодиода можно определить наличие питания на устройстве. С помощью светодиодов можно выводить информацию в двоичном виде (горит - 1, не горит - 0).

PLCC6 (5050 RGB LED)

RGB-светодиод представляет собой три близко расположенные светодиода, находящихся под одной линзой. RGB-светодиод отличается от обычного своей способностью в результате оптического смешения дать любой цвет свечения.

Рис. 42. RGB светодиод в корпусе 5050

В таблице 8 приведены технические характеристики светодиода:

Таблица 8

Характеристики
Световой поток	15-18 Лм
Номинальная мощность	0,21 Вт
Температура	До +85 С
Рекомендуемый ток эксплуатации	60 мА
Напряжение при 700 мА	3,3 В
Размеры (ДхШ)	5х5 мм
Угол свечения	125 градусов

KP-2012SYCK

В таблице 9 приведены значения:

Таблица 9

Размер корпуса	2.0х1.25х1.1 мм
Прямой ток	20 мА
Сила света	150 мкд
Форма линзы	Прямоугольная
Угол обзора	120 градусов
Прямое напряжение	2 В

 

блок данный печатный плата

3. Проектирование печатных плат

В настоящее время сложно представить себе область электроники, в которой можно обойтись без печатных плат. Быстрые темпы развития и повсеместная микроминиатюризация заставляет разработчиков выполнять определенные требования при проектировании. Должно быть решено множество задач: задачи конструирования, технологии, экономические задачи, экологические и прочее.

ПП платы выполняют сразу несколько функций, такие как коммуникационная (по поверхности ПП проходят печатные проводники) и несущая (основание, на котором расположены элементы). В настоящее время существует ряд проблем, которые возникают при проектировании ПП. Первая это усложнение функциональной части. Эта проблема включает в себя несколько других. Например, повышение плотности монтажа. От устройства требуется выполнять больше функций, при этом не увеличивая размера устройства. Это вынуждает размещать большее количество компонентов на небольшой площади. Отсюда вытекает следующая проблема - уменьшение ширины проводников. Помимо уменьшения ширины, уменьшается и расстояние между этими проводниками и становиться важным учитывать различные паразитные параметры которые могут возникнуть в устройстве.

При проектировании ПП необходимо определить назначение устройства и область его применения, а также условия эксплуатация. Исходя из выбранных условий, определяется конструкция ПП, выбирается элементная база.

Для создания ПП использовалось ПО Sprint-Layout. Данная программа позволяет создавать многослойные печатные платы. Sprint Layout позволяет экспортировать результаты работы в иные форматы (Excellon и Gerber). Рабочая область программы представляет собой сетку. Шаг координатной сетки можно выбрать произвольный. Имеется встроенная библиотека элементов с возможностью её редактирования и дополнения.

В программе имеется встроенный трассировщик, использующий линии связи элементов схемы, введенные пользователем.

Для начала выбираются размеры ПП (их, впоследствии, можно изменить). В данной работы размеры печатной платы должны быть согласованы с посадочными размерами рабочей станции NI ELVIS.

NI ELVIS взаимодействует с макетными платами через стандартный PCI-разъем (Значения контактов приведены в таблице 10).

Таблица 10

Pin Number	Side A	Side B
1	+15 В	-15 В
2	+15 В	-15 В
3	+5 В	ground
4	+5 В	ground
5	+5 В	ground
6	ground	Ground
7	DIO 7
8	DIO 4	DIO 5
9	DIO 2	DIO 3
10	DIO 0	DIO 1
11	ground	ground
12	NC	NC
13	NC	NC
14	DIO 14	DIO 15
15	DIO 12	DIO 13
16	DIO 10	DIO 11
17	DIO 8	DIO 9
18	ground	ground
19	BoardID6	BoardID7
20	BoardID4	BoardID5
21	BoardID2	BoardID3
22	BoardID0	BoardID1
23	ground	ground
24	NC	DIO 23
25	DIO 22	DIO 21
26	DIO 20	DIO 19
27	DIO 18	DIO 17
28	DIO 16	SB_PRES
29	NC	PFI6
30	PFI 5	PFI 7
31	PFI 2	PFI 10
32	PFI 11	PFI 1
33	PFI 0	PFI 3
34	PFI 4	PFI 13
35	PFI 8	PFI 9
36	PFI 12	PFI 14
37	ground	ground
38	reserved	Reserved
39	AIGND	AIGND
40	AI 7+	AI 7-
41	AI 6+	AI 6-
42	AI 5+	AI 5-
43	AI 4+	AI 4-
44	AIGND	AIGND
45	AI 3+	AI 3-
46	AI 2+	AI 2-
47	AI 1+	AI 1-
48	AI 0+	AI 0-
49	AISENSE	NC
50	KEYWAY	KEYWAY
51	KEYWAY	KEYWAY
52	NC	NC
53	SYNC	FM
54	FGEN	AM
55	ground	VCC
56	NC	ground
57	DUT -	NC
58	Base	DUT+
59	ground	Ground
60	AO0	AO1
61	ground	ground
62	Supply-	Supply+

На рисунке 43 представлен промежуточный этап работы над платой в Sprint Layout.

При проектировании ПП важно учитывать размеры элементов проводящего рисунка, такие как ширина проводников, размеры контактных площадок, и т.д. Другим немаловажным значением является взаимное расположение элементов (к примеру, расстояние между печатными проводниками).

Рис. 43. Промежуточный этап работы над ПП в программе SprintLayout

При неправильном размещении проводников на ПП могут возникать различные отрицательные эффекты, например паразитные токи и др. Так же существует ряд различных ограничений на размеры и расположение элементов которые зависят от технологических особенностей изготовления ПП. Различные системы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют выполнять многие из необходимых расчетов автоматически и с довольно большой точностью. Однако они не способны полностью произвести все необходимые операции за проектировщика. Поэтому при разработке ПП необходимо провести ряд проверочных расчетов.

3.1 Расчет ширины печатных проводников

Ширина печатного проводника зависит от разных типов требований, таких как: электрические, конструктивные, технологические.

Для расчета наименьшего номинального значения ширины печатного проводника используют следующую формулу:

 (4)

t_minD - минимально допустимая ширина проводника, рассчитываемая в зависимости от допустимой токовой нагрузки

∆t_н.о - нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника.

Минимально допустимая ширина проводника рассчитывается по формуле:

 (5)

где I_max - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках (определяется из анализа электрической принципиальной схемы);

j_доп - допустимая плотность тока (выбирается из табличных значений, здесь - 100 А/мм²);

h - толщина печатного проводника.

Подставим значения в формулу:

 (6)

 (7)

∆t_н.о при выбранном классе точности будет равна ± 0,05

Таким образом, получим: t = 0,1 ± 0,05

Ширина дорожек на печатной плате выбрана больше минимального значения.

3.2 Расчет расстояния между элементами проводящего рисунка

Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка (между двумя проводниками):

 (8)

T_I - позиционный допуск расположения печатных проводников, который учитывается при n>0, где n - количество проводников в узком месте;

t_в.о. - верхнее предельное отклонение ширины проводника (выбирается из табличных значений);

S_minD - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка (выбирается из табличных значений в соответствии с ГОСТ 10317-79).

Подставим значения:

 (9)

В самом узком месте печатной платы расстояние между проводниками составляется 0,41 мм, что соответствует рассчитанным требованиям.

 

4. Технология изготовления печатной платы

При выборе ширины проводников, размера проводящих элементов, контактных площадок и т.д. важно учитывать метод, с помощью которого будет изготавливаться ПП. Существует большое количество методом изготовления ПП. Рассмотрим для начала химические. Химические методы можно разделить на негативные и позитивные. В таблице 11 приведены основные этапы химического негативного метода, а в таблице 12 позитивного.

Таблица 11

№ п/п	Основной этап ТП	Возможные способ получения	Эскиз этапа
1	Входной контроль и термостабилизация диэлектрика
2	Раскройка материала		Групповая заготовка Единичная заготовка
3	Получение заготовок и фиксирующих (базовых) отверстий	Штамповка
4	Подготовка поверхности заготовки	Механический способ
5	Получение защитного рельефа	Сеткография Офсетная печать	Защитный рельеф
6	Сушка	Ультрафиолетовая сушка. Термическая сушка
7	Травление меди с пробельных мест
8	Удаление защитного рельефа
9	Получение монтажных отверстий	Штамповка Сверление
10	Нанесение паяльной маски	Сеткография	Паяльная маска
11	Сушка	УФ сушка Термическая сушка
12	Лужение	Специализированые сплавы
13	Отмывка от флюса
14	Маркировка	Сеткография Струйный метод
15	Котроль электрических параметров

Теперь рассмотрим этапы позитивного метода

Таблица 12

№ п/п	Основной этап ТП	Эскиз этапа
1	Входной контроль диэлектрика
2	Раскрой материала
3	Получение заготовок и фиксирующих отверстий	(см. табл. 1)
4	Обработка поверхности	Механический способ
5	Создание / нанесение защитного рельефа на пробельных участка
6	Нанесение металлорезиста на проводник
7	Удаление защитного рельефа
8	Травление меди с пробельных мест
9	Сверление или пробивка отверстий
10	Вырубка по контуру и получение крепежных отверстий
11	Контроль параметров

Пункты таблиц с 5 по 7 можно проводить различными способами. Наиболее удобным является фоторезистивный. В его основе лежит фоторезист - специальный светочувствительный материал. Фоторезисты делятся на негативные (под действием света образую слой защитной маски - фотополимеризация) и позитивный (фотодеструкция). При использовании негативных фоторезистов в процессе травления с платы удаляются необлученные участки. С позитивными - наоборот.

Фоторезисты бывают жидкими и сухими (пленочным). Жидкие фоторезисты довольно сложны в использовании. Пленочные фоторезисты являются более удобными и упрощают ТП («исчезают» фазы сушки, дубления, ретуширования). Пленочный фоторезист представляет собой структуру, которая состоит из светочувствительного слоя, помещенного между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками. При изготовлении данной ПП используется фоторезист ПФ-ВЩ 50. Толщина светочувствительного слоя у этого фоторезиста равна 50 мкм.

Для облучения фоторезистра светом используется специальная установка. Установка состоит из панели управления, корпуса, блока питания и 80 ультрафиолетовых светодиодов. С помощью этой установки экспонирование фоторезиста составляет 2,5 минуты (что является дольно быстрым по сравнению с некоторыми другими устройствами). Плата с фоторезистом помещается в установку на необходимое время. При использовании качественного фоторезиста нахождение его в установке дольше положенного времен не является критичным.

Рис. 44. УФ установка

Ниже более подробно описан процесс изготовления ПП:

Изготовление фотошаблона (трассировка проводников в специализированном ПО)

Печать фотошаблона (при помощи струйного или лазерного принтера на специальной пленке)

Нанесение фоторезиста на фольгированный текстолит

Наложение фотошаблона (фотошаблон должен быть закреплен)

Экспонирование фотошаблона на фоторезист (при помощи ультрафиолетовой лампы)

Проявление фоторезиста

Травление

Отмывка

Удаление ненужного фоторезиста

Для нанесения фоторезиста удобно использовать такое приспособление как ламинатор (рис. 45). Ламинатор - это устройство, которое позволяет наносить слой пленки на необходимую поверхность. Использование ламинатора значительно ускоряет и упрощает процесс нанесения фоторезиста на стеклотекстолит.

Рис. 45. Ламинатор

Важным этапом производства ПП является травление. Это процесс, при котором происходит химическое разрушение меди на участках, незащищенных маской. Существует несколько способов химического травления. Их можно разделить на:

погружение в травильный раствор;

наплескивание травильного раствора;

струйное травление;

травление на установках с вертикальным положением заготовки.

Во время проведения этого этапа, могут появиться различные дефекты например, боковое подтравливание проводников и контактных площадок (рис. 46).

Рис. 46. Сечение проводника после травления: 1 - ширина проводника по рабочему ФШ; 2 - ширина проводника; 3 - осаждение металлорезиста; 4 - материал основания; 5 - подтравливание; 6 - разрастание; 7 - нависание; 8 - проводник

Величина подтравливания может составлять от 40-70% от толщины медного слоя. Дефект подтравливания приводит к зауживанию проводника. Важно учитывать это при производстве тонких проводников.

Процесс травления происходит в специальном растворе. К этим растворам предъявляют следующие требования:

скорость травления должна быть довольно высокой;

как можно меньшее боковое подтравливание;

совместимость с травильными резистами;

стоимость химикатов;

возможность утилизации меди после травления;

простота процесса отмывки;

хорошая реакция с вытравляемым материалом;

минимальное воздействие на диэлектрическое основание платы;

минимальное воздействие на окружающую среду;

замкнутый цикл регенерации отработанных отходов.

В качестве травильных химикатов используют различные вещества. Это может быть перекись водорода с концентрированной серной кислотой. В таком растворе травление происходит примерно около часа. Еще одним вариантом травления является растворение ангидрида в горячей воде (60-70°С). После его растворения в раствор добавляют поваренную соль. Когда раствор остынет, приступают к травлению. Время травления составляет 20-60 мин. При добавлении в раствор концентрированной серной кислоты скорость травления увеличивается.

Процесс травления осуществляют в специальных емкостях (пластмассовых или фарфоровых). Для уменьшения времени травления плату в растворе необходимо переворачивать. Наиболее удобным будет установить емкость с раствором на вибростенд, для осуществления постоянного перемешивания. Так же скорость травления увеличится, если повысить температуру раствора до 50-70 градусов.

При работе с растворами для травления необходимо соблюдать технику безопасности, избегать попадания растворов на открытые участки кожи.

4.1 Нанесение пояснительных надписей на плату

Для упрощения проведения лабораторно-практических работ необходимо нанести на плату пояснительные надпись (такие как «расшифровка» контактов). Для нанесения надписей на плату используют различные методы:

- трафаретная печать

- фоторезистивный метод и т.д.

Одной из разновидностей трафаретной печати является шелкография. При этом способе изображения наносится при помощи специальной трафаретной формы, через которую наносится краска. Метод шелкографии широко используется не только в радиоэлектронике, но и в различных сферах изобразительного искусства и т.д.

Фоторезистивный метод для нанесения надписей не отличается от нанесения печатных проводников и был рассмотрен в пункте 4. технологии изготовления ПП.

 

 

5. Технология монтажа

После изготовления ПП, следующим этапом является монтаж элементов. Различают выводной и поверхностный монтаж. Технология поверхностного монтажа (SMD - surface mounted device - прибор, монтируемый на поверхность) выполняется с использованием паяльных паст или клеев.

При создании стенда планируется использовать ручной монтаж. Для ручного монтажа используют специальные инструменты. На рисунке 47 изображен термопинцет. Он очень удобен при работе с SMD-компонентами. Также для установки компонентов на плату используются раличные паяльные станции. Их можно разделить на: инфракрасные, термовоздушные, вакуумные и т.п. Нагревательные элементы паяльных станций делятся по материалу нагревателя (например, керамический), по способу нагрева (испульсные, газовые).

Рис. 47. Монтаж элементов с помощью термопинцета

При выполнении монтажа, для получения качественного паянного соединения необходимо выполнить следующие подготовительные этапы:

подготовить поверхности деталей;

- активировать соединяемые металлы и припой;

- обеспечить взаимодействие на границе «основной металл - жидкий припой»;

- создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.

Перед осуществлением пайки, необходимо подготовить поверхность. С поверхности должны быть удалены все загрязнения, оксидные пленки. Для этого используют механический и/или химический способы. В механической очистке используют шлифовальные инструменты и др. для удаления верхнего слоя. Химический способ проводиться путем окунания или нанесения различных жирорастворяющих веществ.

В зависимости от способа монтажа могут быть нанесены специальные покрытия для улучшения пайки, а также для придания коррозионной стойкости соединениям.

Очищенные детали должны как можно скорее быть переданы для монтажа компонентов, так как сроки сохранения паяемости ограничиваются несколькими сутками.

Для увеличения срока паяемости, а также улучшения соединения деталей с поверхность при монтаже используют специальные покрытия. В качестве металла для таких покрытий используют различные припои (ПОС61, сплав Розе и др.), серебро, золото, палладий и их сплавы, которые наносят гальваническим или термовакуумным осаждением, а также горячей металлизацией. Припой - это металл или же сплав, который применяется для соединения элементов с платой. Требование к припою таково, что он должен иметь температуру плавления ниже, чем у паяемых металлов. Припои можно разделить на две группы: мягкие припои и твердые. Мягкие припои имеют температуру плавления до 300ᵒС. Твердые - свыше 300. При выборе припоя руководствуются физическими и химическими свойствами соединяемых материалов.

Процесс пайки происходит с использованием флюсов. Они защищают металлы от окисления, растворяют и удаляют образующиеся оксиды, улучшают смачиваемость. Флюсы делатся на активные (кислотные), бескислотные, активированные флюсы на основе канифоли (с добавками), антикоррозионные.

Следующими операциями, после пайки, являются удаление остатков флюсов, зачистка соединения от наплывов припоя, обработка резанием изделия и его термообработка.

6. Контроль

Еще одним важным пунктом при изготовлении ПП является контроль. Контроль выполняется на нескольких этапах и служит для выявления дефектов в печатных платах. Методы контроля можно разделить на:

- электрический;

- оптический;

- рентгеновский;

- рефлектометрический.

При проведении электрического контроля проверяется:

- целостность проводников;

- качество изоляции.

Для такого контроля используют специальные устройства, в которых контактирование осуществляется следующим образом:

- через односторонний или двусторонний тестовый адаптер;

- при помощи гибкой системы с подвижными пробниками;

- с использованием большого количества разъемов.

Рентгеновский контроль осуществляют с использованием систем с закрытыми и открытыми рентгеновскими трубками. Контроль с закрытыми трубками является наиболее безопасным.

Большое значение имеет и визуальный контроль. Визуальный контроль зачастую проводиться с использование специальных оптических приборов увеличения (микроскоп и т.д.). Визуальный осмотр способен выявить такие дефекты как: механические повреждения, дефекты изготовления (например, смещение рисунка, перетравка проводников, нарушение покрытия, замыкание проводов, деформации), дефекты монтажа и т.д. На рисунках 47-49 представлены примеры дефектов.

Дефект изготовления печатной платы - деформация. Существует высокая вероятность повреждения оборудования для сборки печатных плат. Максимальная деформация по диагонали не должна превышать 0,75%.

Рис. 47. Разрыв проводников под паяльной маской

Рис. 48. Отслоение металлизации от контактной площадки

Рис. 49. Деформация

7. Среда программирования LabVIEW

NI ELVIS - это набор лабораторных приборов, реализованный посредством рабочей станции и устройства сбора и обработки данных (DAQ). Программное обеспечение разработано в LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench).

Впервые LabVIEW была представлена в 1986 году. Это разработка фирмы National Instruments, занимающейся виртуальными приборами и программным обеспечением для автоматизированного тестирования. LabVIEW - это среда разработки и платформа. В основе ее лежит концепция графического программирования. В LabVIEW используется графический язык «G».

Программы, созданные в этой системе, называются виртуальными приборами (ВП). Созданные в ней виртуальные приборы могут быть использованы в качестве составных частей для других виртуальных приборов.

Преимущества LabVIEW

Среда LabVIEW сделана максимально интуитивно понятной, что упрощает скорость усвоения.использует графический язык программирования, а это экономит время, которое тратиться в текстовых языках программирования на проверку синтаксиса и т.д.имеет большой набор библиотек и драйверов для работы с различными устройствами.

Платформа имеет большой набор библиотек для обработки и анализа сигнала, различные преобразования, фильтры и т.д.- это модульная система, что позволяет расширять ее возможности путем установки дополнительного ПО. К примеру, в системе имеется модуль для машинного зрения, модуль работы со звуком, шаговыми двигателями, модуль для генерации отчетов в MSoffice, Internet модуль для передачи и публикации данных в сети.позволяет создавать законченные приложения и компилировать полноценное exe приложение.кроссплатформенная среда

К достоинствам также относится скорость создания законченных приложений.

Разнообразие создаваемых приложений

Теперь рассмотрим недостатки:

Неудобство созданий некоторых типов приложении

Меньшая производительность по отношению к другим языкам программирования. LabVIEW несколько уступает по производительности другим языкам программирования.

Для запуска созданных в LabVIEW приложений требуется дополнительное ПО (т.е. если на ПК не установлен сам LabVIEW или LabVIEW Run-Time, то программа не запустится).

Некоторая узконаправленность в назначениях приложений по сравнению с другими языками (большая часть программ для LabVIEW направлена на решение задач, которые связаны с автоматизацией, сбором и обработкой данных с датчиков и т.д.)

Ниже рассмотрены типы данных, существующих в LabVIEW. Их можно условно разделить на следующие группы:

Логический - тип Bool, принимает два значения - Истина (True) или Ложно (False), Отображаются на блоке диаграмм зеленым цветом.

Целочисленные - делятся на тип со знаком и тип без знака. Выделяются синим цветом.

Числовые данные с плавающей точкой - изображаются оранжевым или серым.

Комплексные числа - это числа с мнимой единицей. Разделяются по точности представления. Цвет отображения - оранжевый.

Строковые - для LabVIEW понятия символ и строка являются тождественными. В программе строковые данные отображаются розовым цветом.

Массивы - цвет отображения совпадает с цветом элементов, из которых этот массив образован.

Кластеры - этот тип представляет объединение разных типов.

Variant - в LabVIEW существует специальный тип данных. Его используют для работы с компонентами ActiveX, .NET и другими.

Другие типы - помимо основных,в LabVIEW существуют типы данных, которые отсутствуют в классических языках. Например, refnum - подобие указателя.

Рис. 50. Типы данных в LabVIEW

К наиболее используемым относятся строковый, целочисленный и логический типы данных. Прием и передача данных от периферийных устройств (такими как СОМ, USB, Ethernet) происходит с применением строкового типа. Индикаторы и кнопки описывают логическим типом (Boolean).

Рис. 51. Массив элементов

На рисунке можно увидеть внутренний вид LabVIEW. Создание программы происходит в двух окнах. Первое - на котором рисуется инструкция «block diagram» (белая панель). Второе - на котором рисуются органы управления программой «front panel» (серая панель).

Рис. 52. Пример внутренней среды

Окно «Front Panel» имеет панель инструментов при помощи которой выбираются/добавляются различные кнопки, табло, шкалы, светодиоды, переключатели и т.д. При помощи этих элементов происходит управление ВП.

Окно «Block Diagram» отображает функциональные узлы. Помимо графических элементов, есть возможность вставки текстового кода программы путем использования специальных полей. Все функциональные узлы объединяют на листе «Block Diagram» в общую схему линиями связи.

На рисунке можно увидеть пример ВП созданного в LabVIEW с использованием других ВП.

Рис. 53. Генератор

На рисунке 53 представлено «развернурое» изображение устройства, описанного в LabVIEW с помощью графического интерфейса.

Для большего понимания преимущества данного типа программирования при работе с NI ELVIS рассмотрим один из примеров работы с виртуальными приборами. На базе LabVIEW разработано специальное ПО. Когда рабочая станция NI ELVIS подключена к ПК, запускается приложение NI MAX. В этом приложении имеется так называемая TestPanel (рис. 54).

Рис. 54. TestPanel

Она позволяет проводить различные измерения на входах рабочей станции, а также способна выводить данные как на саму плату (например, включением светодиодов, рис. 55), так и на виртуальную панель, которая дублирует выходы с NI ELVIS.

Рис. 55. Работа со светодиодами

Заключение

В результате выполнения работы: была изучена рабочая станция NI ELVIS; разобран принцип работы с LabVIEW и освоены основы программирования с использованием графического языка G; на основе существующих дополнений для NI ELVIS спроектирована, детально подходящая к изучаемым дисциплинам, плата для проведения лабораторно-практических работ по изучению микроконтроллерных устройств.

Учитывая высокую стоимость плат для работы с NI ELVIS и различных виртуальных лабораторий, разработка данного стенда является экономически выгодной.

Список используемой литературы:

1. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005.-560 с.

. Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем: пособие для радиотехнич. Спец. Вузов / Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М. и др.; под редакцией Ю.М. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1985. 319 с.

. Медведев А.М. Печатные платы: Конструкции и материалы. Москва: Техносфера, 2005. - 304 с.

. О.П. Новожилов. Основы цифровой техники: Учебное пособие,-M/ Радиософт, 2004-528 с.

. Блюм П. LabVIEW: Стиль программирования. Пер. с англ. под ред. Михеева П. - М.: ДМК Пресс, 2008 - 400 с.: ил.

. Белиовская Л.Г. Узнайте, как программировать на LabVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2014. - 140 с.

Приложение 1

Перечень элементов лабораторного модуля

Поз. обозначение	Обозначение	Кол.	Примечание
	Диоды и фотодиоды
D1	ФД-256	1
D2-D12	kp-2012syck	10
D13	PLCC6	1	5050 RGB LED
	Дисплей
WH1	WH1602B	1	Монохромный, двустрочный
	Конденсаторы
C1-C2	К73-11А 1МКФ, 160В, 5-10%	2
C3-C8	0805	5
	Коннекторы
USB1	USBA-1JS (DS1095-10)	1
	Микроконтроллер
MK1	atmega328	1	TQFP
M1	Микрофон
	SPM0408HE5H	1
	Резисторы
R1-R3	3266W-1-103LF, 10 кОм	3
R4-R9	0.125Вт 0805 22 Ом, 1%	5
	Схемы интегральные
FT232RL	FT232RL	1	Преобразователь USB-UART
LM358D	LM358D	1
NJM4580D	NJM4580D	1
	Транзисторы
VT1-VT2	FDN340P	2
	Прочие изделия
	Беспаечные макетные платы
BB1-BB8	RKP-BB-25-RD	8
BB9-BB15	BB-801-1	6
	Динамик
HPA17A	HPA17A	1	Пьезодинамик
	Кнопка тактовая
K1-K8	1825910-6 (FSM4JH)	8	h=5 мм SPST