1.2. Анализ принципиальной схемы
Принципиальная схема устройства отображения информации флэш-накопителя приведена на рис.11.
Рисунок 11. Принципиальная схема
Схема содержит два контроллера DD2 и DD3 , мультиплексор DD1, стабилизатор питания DA1, контроллер заряда аккумулятора DA2 и ЖК-дисплей DD4.
Микросхема DD1 является быстродействующим мультиплексором, которая переключает сигнал подаваемый на вход D1, D2 на выходы C1а, C2а или на C1б, C2б. Переключение происходит в зависимости от того, какой логический сигнал пришёл на вход ИН1, ИН2. Когда на него подаётся логический «о», то сигнал пойдёт на C1b, C2b, таким образ в данном режиме устройство работает напрямую с ПК. Если на вход IN1, IN2 подать логическую «1», то сигнал пойдёт на выходы C1a, C2a, которые подключены к контроллеру DD2, в этом случае устройство работает в режиме отображения информации на ЖК-дисплее. Питание +3.3В подаётся на вход VDD, параллельно шине питания установлен фильтрующий конденсатор номиналом 0.1мкФ.
Микросхема DD2 является USB- контроллером. Сигнал подаётся по USB шине на вход DD1, обрабатывается и передаётся контроллеру DD3 по SPI-интерфейсу. Тактовую частоту работы контроллера задаёт кварцевый резонатор ZQ1. На всех шинах заземления установлены фильтрующие конденсаторы в соответствии с требованиями производителя. Сигнал с DD1 поступает через резисторы R3 и R4 номиналом по 33 Ом. На контакт Vcc подаётся +3.3В, шина питания спроектирована в соответствии с технической документацией на данный компонент.
Микроконтроллер DD3 является центральным процессором всего устройства, обрабатывает сигнал полученный с DD2 по SPI-интерфейсу. Тактовую частоту работы задаёт кварцевый резонатор ZQ2. Так же данная микросхема выводит информацию на ЖК-дисплей DD4. Питание подаётся на AVCC и Vcc входы, шина питания спроектирована в соответствии с требованиями производителя.
ЖК-дисплей DD4, принимает сигнал от DD3, отображает информацию в соответствии таблицей кодов символом. Питание +3.3В подаётся на вход Vdd, контрастность регулируется при помощи подачи +3.3В на вход Vo, через подстрочный резистор. На перспективу программно заложена возможность использования подсветки через входы А/Vee и К ЖК-дисплея.
Так как микросхема DD2 требует питания 3.3В, что удовлетворяет требованиям по питанию других компонентов, стабилизируем питание микросхемой DA1, на выходе которой имеем +3.3В. Конденсаторы С1,С3,С7 установлены в соответствии с указаниями производителя.
Аккумулятор заряжается с помощью микросхемы DA2. Когда на разъём USB подаётся +5В, микросхема заряжает аккумулятор, кроме того имеется возможность зарядки от внешнего DC- источника питания. Через выход CHG компонент передаёт контроллеру DD3 информацию о состоянии заряда.
1.3. Анализ принципов работы устройства
Принцип работы устройства будем рассматривать на основе принципиальной схемы(см. рис. 11)
К разъёму х1, подключается флэш-накопитель. Далее, если устройство подключено к компьютеру, то USB ключ, выполненный на интегральной микросхеме ADG772 (DD1) направляет потоки информации в компьютер минуя микроконтроллер ATmega328(DD2).
При отключении от компьютера, USB ключ передаёт информацию о своём состоянии микроконтроллеру DD2 посредством SPI-интерфейса. SPI - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Шина SPI организованна по принципу "ведущий-ведомый". В данном случае в качестве ведущего является микроконтроллер, а ведомого- USB ключ, который передаёт информацию о своём состоянии, микроконтроллер её обрабатывает и даёт указание ключу направлять сигнал на компьютер подключенный через разъём Х3 или на микросхему MAX3421(DD2).
MAX3421- является USB-контроллером с SPI интерфейсом. USB- интерфейс передачи данных, так же как и SPI является полярным интерфейсом для последовательной передачи данных. Расшифровывается USB как Universal Serial Bus(универсальная последовательная шина). Это обозначает, что USB устройство "сообщает" своему ведущему устройтству код класса, для загрузки драйверов. Таким образом, по USB протоколу могут работать множество различных устройств от звуковой карты до флэш-накопителя. Но если подключить накопитель напрямую к микроконтроллеру, то в последний придётся загружать специальные библиотеки, что является очень энергоёмкой задачей и не логично, так как существует микроконтроллер MAX3421, который преобразовывает сигнал USB в SPI интерфейс, и передаёт данные со скоростью до 480МБит/с, что в полном объёме удовлетворяет спецификации на USB2.0. Таким образом, с помощью этой микросхемы и с минимальными потерями мы связываем микроконтроллер с USB устройством. Контроллер DD2 подключен к ключу DD1 через резисторы номиналом 33Ом, так как этого требует производитель. Когда устройство подключено к компьютеру, микросхема MAX1555(DA2) начинает заряжать аккумулятор и передаёт сигнал микроконтроллеру DD3. Если устройство не подключено к компьютеру, то микроконтроллер DD3 даёт сигнал USB ключу DD1 о направлении сигнала на контроллер DD2, который преобразовывает USB сигнал в сигнал "понятный" микроконтроллеру DD3.
ATmega328 является высокопроизводительным 8 битный AVR микроконтроллером с 32 КБ внутрисистемной программируемой Flash памятью. Микроконтроллер программируется с помощью параллельного или последовательного программатора. В обвязке микроконтроллера DD2 и DD3 стоит кварцевый резонатор для задания тактовой частоты 12МГц. Контроллер будет запрограммирован работать по определенному алгоритму, таким образом, чтобы обрабатывать сигнал идущий с DD2 и получать информацию о количестве свободной памяти на флэш-накопителе. Для того, чтобы посчитать остаточный ресурс устройства, микроконтроллер ведёт подсчёт и записывает в память количество включений накопителя, потом вычитает данное число из указанного производителем гарантированного ресурса.
Таким образом, мы получаем информацию о свободном месте и остаточном ресурсе флэш-накопителя. В автономном режиме работы схема питается от аккумулятора 3,6В, через линейный регулятор напряжения LP2989AIM-3.3, который стабилизирует напряжение 3,3В. Данный компонент относится к классу линейных регуляторов напряжения, так называемый very Low DropOut(vLDO), что переводится как "с очень малым падением напряжения". Производитель указывает установить на входе и выходе устройства конденсаторы номиналом 2.2 мкФ и 4.7 мкФ соответственно.
За отображение данных отвечает дисплей WH1602, подобные дисплеи используются с 90-х годов и являются самыми распространенными и по сей день. Индикатор работает на основе контроллера HD44780, который стал стандартом контроллеров монохромных жидкокристаллических знакосинтезирующих дисплеев с параллельным 4- или 8-битным интерфейсом. Сигнал на дисплей идёт с микроконтроллера ATmega328, управление контрастом идёт через подстрочный резистор R8.
Структурная схема устройства приведена на рис. 12.
Рисунок 12. Структурная схема
1.4. Выбор элементной базы
LP2989AIM-3.3-Линейный регулятор напряжения.
Данный компонент является регулятором с очень малым падением напряжения или very Low DropOut(vLDO),в нашем конкретном случае стабилизирует напряжение с аккумулятора, функциональная схема представлена на рис. 13.
Рисунок 13. Функциональная схема LP2989AIM-3.3
Основные характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики.
Напряжение выходное
|
3.3В
|
Напряжение входное
|
до 16В
|
Число регуляторов
|
1
|
Ток выходной
|
500mA
|
Рабочая температура
|
-40°C ~ 125°C
|
Тип монтажа
|
Поверхностный
|
Корпус (размер)
|
8-SOIC (0.154", 3.90mm Width)
|
Выбор обоснован популярностью данного компонента. Высокой надежностью и доступностью.
MAX1555EZK- контроллер заряда для Li+ аккумуляторов
Данный компонент является интегральной схемой контроля заряда аккумулятора с линейным типом регулятора. Обладает рядом отличительных особенностей:
-Возможность питания от USB шины( 5В, до 500мА) или АС- адаптера
-Автоматическое подключение к АС- адаптеру
Функциональная схема приведена на рис. 14.
Рисунок 14. Функциональная схема MAX1551
Назначение выводов:
DC- подключение внешнего источника питания
USB- подключение питания от USB
BAT- подключение Li+ аккумулятора
CHG- подключение к микроконтроллеру для подачи сигнала о состоянии зарядки
Выбор данного компонента обусловлен необходимостью контроля заряда аккумулятора. Компонент зарекомендовал себя с положительной стороны. Является популярным и доступным.
Основные характеристики приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные характеристики
Поддерживаемые типы аккумуляторов
|
Li-Ion, Li-Polymer
|
Количество батарей
|
1
|
Максимальный ток заряда, А
|
0,28
|
Корпус/ Число выводов
|
TSOT/5
|
ATMEGA328P- является высокопроизводительный 8 битный AVR микроконтроллер с 32 КБ
Микроконтроллер ATmega328p, является центральным процессором всего проекта, содержит 32кб встроенной flash памяти и 2кб встроенной оперативной памяти, а производительность находятся на уровне до 20 миллионов операций в секунду.
В целях достижения максимальной производительности у AVR-микроконтроллеров используется Гарвардская архитектура с раздельной памятью и шинами программ данных. Команды в памяти программ выполняются с одноуровневой конвейеризацией.
В процессе выполнения одной инструкции последующая предварительно считывается из памяти программ. Данная концепция позволяет выполнять одну инструкцию за один машинный цикл.
Память программ представляет собой внутрисистемно программируемую флэш-память. Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32 8-разрядных рабочих регистров общего назначения с однотактовым циклом доступа. Благодаря этому достигнута однотактность работы арифметико-логического устройства (АЛУ). При обычной работе АЛУ из регистрового файла загружается два операнда, затем выполняется операция, а после результат отправляется обратно в регистровый файл и все это происходит за один машинный цикл.
6 регистров из 32 могут использоваться как три 16-разрядных регистра косвенного адреса для эффективной адресации в пределах памяти данных. Один из этих указателей адреса может также использоваться как указатель адреса для доступа к таблице преобразования во флэш-памяти программ. Данные 16-разрядные регистры называются X-регистр, Y-регистр и Z-регистр.
АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между регистрами, а также между константой и регистром. Кроме того, АЛУ поддерживает действия с одним регистром. После выполнения арифметической операции регистр статуса обновляется для отображения результата выполнения операции.
Для ветвления программы поддерживаются инструкции условных и безусловных переходов и вызовов процедур, позволяющих непосредственно адресоваться в пределах адресного пространства. Большинство инструкций представляют собой одно 16-разр. слово. Каждый адрес памяти программ содержит 16- или 32-разр. инструкцию. Флэш-память программ разделена на две секции: секция программы начальной загрузки и секция прикладной программы. Обе секции имеют раздельные биты защиты от записи и чтения/записи. Инструкция SPM (запись в секцию прикладной программы) должна использоваться только внутри секции программы начальной загрузки.
При генерации прерывания и вызове подпрограмм адрес возврата из программного счетчика записывается в стек. Стек эффективно распределен в статическом ОЗУ памяти данных и, следовательно, размер стека ограничен общим размером статического ОЗУ и используемым его объемом. В любой программе сразу после сброса должна быть выполнена инициализация указателя стека (SP) (т.е. перед выполнением процедур обработки прерываний или вызовом подпрограмм). Указатель стека SP доступен на чтение и запись в пространстве ввода-вывода.
Доступ к статическому ОЗУ данных может быть легко осуществлен через 5 различных режимов адресации архитектуры AVR.
Гибкий модуль прерываний содержит свои управляющие регистры в пространстве ввода вывода и имеет дополнительный бит общего разрешения работы системы прерываний в регистре статуса. У всех прерываний имеется свой вектор прерывания в соответствии с таблицей векторов прерываний. Прерывания имеют приоритет в соответствии с позицией их вектора. Прерывания с меньшим адресом прерывания имеют более высокий приоритет.
Пространство памяти ввода-вывода содержит 64 адреса с непосредственной адресацией или может адресоваться как память данных, следующая за регистрами по адресам $20 - $5F. Кроме того, ATmega328p имеет пространство расширенного ввода-вывода по адресам $60 - $FF в статическом ОЗУ, для доступа к которому могут использоваться только процедуры ST/STS/STD и LD/LDS/LDD.[10]
Основные характеристики представлены в таблице 3.
Таблица 3. Основные характеристики
CPU
|
|
Количество линий ввода/вывода
|
23
|
Память программ
|
32кб
|
Оперативная память
|
2кб
|
EEPROM Memory Size
|
1кб
|
Тактовая частота
|
0-20МГц
|
Тип генератора
|
внешний
|
Количество таймеров
|
3
|
Таймеры 8-бит
|
2
|
Таймеры 16-бит
|
1
|
Периферия
|
ADC, Comparator, RTC
|
Интерфейс
|
I2C, SPI, USART
|
Количество каналов ШИМ
|
6
|
Диапазон питающего напряжения
|
1,8В-5,5В
|
Количество выводов
|
28
|
Корпус
|
PDIP-28
|
Рабочий диапазон температур
|
-40 +85°С
|
Микроконтроллер программируется с помощью специальных средств, например, параллельного программатора. Данный микроконтроллер идеально справится с поставленными задачами. Конечно, на рынке представлено довольно большое количество аналогов, но поскольку другие производители используют иной алгоритм программирования, предпочтительнее использовать "знакомый" контроллер.
ADG772Reel7 - USB мультиплексор.
Данная микросхема является ключом. Позволяет передавать информацию со сверхвысокой скоростью и переключать на разные выводы. Поддерживает стандарт USB 2.0.Функциональная схема приведена на рис. 15.Основные характеристики приведены в таблице 4.
Таблица 4. Основные характеристики
Lead Free Status / RoHS Status
|
Lead free / RoHS Compliant
|
Функция
|
Multiplexer/Demultiplexer
|
Каналы
|
2 x SPDT - NC/NO
|
Сопротивление (On-State)
|
6.7 Ohm
|
Напряжение питания источника
|
Single Supply
|
Напряжение-выходное, Single/Dual (±)
|
2.7 V ~ 3.6 V
|
Ток выходной
|
6nA
|
Рабочая температура
|
-40°C ~ 85°C
|
Тип монтажа
|
Поверхностный
|
Корпус
|
10-UFQFN
|
Рисунок 15. Функциональная схема ADG772
Контакты IN1 и IN2 управляют переключением режима работы. Логика переключения представлена на рис 16.
Рисунок 16.Логика переключения контактов
Главная особенность данной микросхемы, возможность передавать информацию с максимально возможной скорость 480МБит/с. Что соответствует спецификации на USB 2.0.
Данному компоненту нет аналогов на рынке. По техническим характеристикам является лидирующим, но поскольку компонент новый, пока доступен только под заказ.
Max3421EETJ- USB- контроллер
МАХ3421- главный контроллер USB, включающий в себя аналоговые цепи и цифровую логику. В режиме периферийного контроллера поддерживает полноскоростной режим в соответствии со спецификацией к USB 2.0. Имеет алгоритм программного включения и отключения от USB. Микросхема задействует библиотеку регистров, к которой обращается SPI-интерфейс. Таким образом любой контроллер SPI в режиме "ведущего", может использовать функционал USB шины.
Интегрированные преобразователи логических уровней позволяют интерфейсу SPI работать в системах с напряжением от 1.4В до 3.6В.
USB операции выполняются внутри MAX3421E и завершаются по выполнении прерываниями, поэтому ведущее устройство SPI не нуждается в использовании таймеров для обеспечения временных требований протокола интерфейса USB.
Отличительные особенности:
-Независимое от типа микропроцессора USB решение;
-Программное обеспечение, совместимое с MAX3420E;
-Соответствует требованиям спецификации USB 2.0 (полная скорость обмена (12Mbps) и пониженная (1.5Mbps) в режиме главного контроллера, полная скорость в режиме периферийного устройства (1.5Mbps));
-Интегрированный приемопередатчик USB;
-Аппаратно-программное управление встроенными подтягивающими резисторами;
-Программируемый 3- или 4-проводной SPI интерфейс 26МГц;
-Трансляторы уровней и дополнительный вход VL (преобразователь уровня) позволяют использовать устройство в системах с различными логическими уровнями напряжения;
-Внутренний компаратор позволяет обнаруживать (VBUS) отсутствие питания и осуществлять переход на работу от встроенного дополнительного источника напряжения;
-Защита от воздействия статического электричества выводов D+, D-, VBCOMP;
-Выход прерывания позволяет работать с интерфейсом SPI в режиме опроса и прерываний;
-Сигнал прерывания для универсальных входов с возможностью программирования полярности;
-Программируемый USB SIE(Serial Interface Engine);
-Автоматическая обработка потока данных и двойная буферизация;
-Обработка сигналов нижнего уровня интерфейса USB;
-Наличие таймеров для критичных по времени операций USB позволяет ведущему устройству SPI не отслеживать события в USB.
Структурная схема элемента представлена на рис. 17.
Рисунок 17. Структурная схема MAX3421E
Данный компонент был выбран, так как не имеет аналогов на рынке.
WH1602B- ЖК индикатор
WH1602 является ЖК индикатором с латинскими и кириллистическим шрифтом. Построен на основе контроллера HD44780 фирмы Hitachi.
Основные характеристики приведены в таблице 5.
Таблица 5. Основные характеристики
Тип дисплея:
|
Символьный
|
Тип встроенного контроллера/драйвера:
|
HD44780
|
Разрешение:
|
16x2
|
Рабочая температура:
|
-20...70 °C
|
Размер корпуса:
|
80.0x36.0 мм
|
Назначение выводов приведены в таблице 6.
Таблица 6. Назначение выводов
Таблица кодов символов контроллеров приведена на рис. 18.
Рисунок 18. Таблица кодов символов контроллера.
Данный дисплей был выбран как самый распространенный, имеющий в основе контроллер HD44780. Тем не менее, дисплей удовлетворяет всем нашим потребностям. Его легко купить и в сети Интернет находится много информации по согласованию c микроконтроллером ATmega328p.
Выбор резисторов
Для выбора типов резисторов необходимо учитывать режимы работы, мощность, рассеиваемую на резисторе, температурный режим и массогабаритные характеристики. При выборе резистора, необходимо учитывать, что мощность, рассеиваемая в резисторе, влияет на его надёжность. Выбирать номинальную мощность нужно в 1,5-2 раза больше фактической.
Рассчитать мощность можно по формуле :
Рассчитаем номинальную мощность для резисторов R1,R9 так как в данной схеме они являются самыми мощными:
Таким образом, номинал 0,125 Вт будет оптимален данной схемы.
При выборе конденсаторов нужно учитывать напряжение в цепи и,что немаловажно, показатели окружающей среды. Проанализировав условия эксплуатации, наиболее подходящими являются керамические конденсаторы, так как они обладают хорошей термостабильностью и малым разбросом номинальной емкости.
Поскольку также стоит учитывать массогабаритные показатели, выберем в SMD (ЧИП) исполнении.
Транзисторы, применяемые в схеме с рассеиваемой мощностью не более 0,1Вт.
Все выбранные компоненты отображены в таблице 1 и таблице 2
Таблица 7. Выбранные компоненты
Зона
|
Поз.
обозначе-
ние
|
Наименование
|
Кол.
|
|
|
Резисторы
|
|
|
R1,R9
|
R0805 10 кОм 5%
|
2
|
|
R2
|
R0805 100 кОм 5%
|
1
|
|
R3,R4
|
R0805 33 Ом 5%
|
2
|
|
R5,R7,R11
|
R0805 5,1 кОм 5%
|
3
|
|
R6
|
R0805 16 кОм 5%
|
1
|
|
R8
|
SH_085 10 кОм 5%
|
1
|
|
R10
|
R0805 330 Ом 5%
|
1
|
|
|
Конденсаторы
|
|
|
C1
|
C0805 X7R 2,2 мкФ 50В 20%
|
1
|
|
C2,C12
|
CT3216 10 мкФ х 10В 20%
|
2
|
|
C3
|
C0805 X7R 10нФ 50В 20%
|
1
|
|
C4,C8,C11,
|
C0805 X7R 1,0 мкФ 50В 20%
|
4
|
|
C19
|
|
|
|
C5,C6,C15...
|
C0805 X7R 0,1 мкФ 50В 20%
|
8
|
|
C18,C20,C21
|
|
|
|
C7
|
C0805 Y5V 4,7 мкФ 16В 20%
|
1
|
|
C9,C10,C13,
|
C0805 NPO 22 пФ 50В 10%
|
4
|
|
C14
|
|
|
|
|
Кварцевые резонаторы
|
|
|
ZQ1,ZQ2
|
HC-49US 12МГц
|
2
|
|
|
Транзисторы
|
|
|
VT1, VT2
|
BSS138
|
2
|
|
|
Микросхемы
|
|
|
DA1
|
LP2989AIM-3.3
|
1
|
|
DA2
|
MAX1555EZK
|
1
|
|
DD1
|
ADG772BCPZ-REEL7
|
1
|
|
DD2
|
MAX3421EETJ+
|
1
|
|
DD3
|
ATMEGA328P
|
1
|
|
DD4
|
WH1602B
|
1
|
2. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Анализ требований к конструкции устройства
Исходя из того, что устройство является составной частью флэш накопителя, можно сформулировать ряд требований:
- Тип производства – опытное;
- Флэш накопитель должен быть реализован на печатной плате;
- Флэш-накопитель является портативным, среднетемпературным прибором, работающем в режиме естественной конвекции;
- По типу защиты от поражения электрическим током должен соответствовать прибором 3-го класса обычного исполнения. Рабочее напряжение 5В;
- Печатный узел должен удовлетворять массе и габаритным размерам указанным в разделе «разработка требований к конструкции устройства»;
- Устройство должен удовлетворять электрическим, тепловым и надежностным характеристикам, указанным в разделе «разработка требований к конструкции устройства».
2.2. Обеспечение конструкторских мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости
Поскольку флэш накопитель является устройством работающим в окружение других РЭС, тем более в непосредственной близости от Wi-Fi сетей, компьютеров и других источников электромагнитного излучения, для него особенно актуальна проблема электромагнитной совместимости(ЭМС). Понятие «восприимчивость к помехам» определяет способность ТС, обрабатывающего информацию, при воздействии электромагнитных помех искажать содержание или безвозвратно утрачивать информацию, останавливать или нарушать процесс управления ее обработкой, изменять состав и последовательность функций средства и т.п., а также физического разрушения микроэлементов. Это обязывает при работе устройств решать задачи обеспечения ЭМС.
В данном конкретном случае решение проблемы ЭМС, является разработка конструкторских требований, чтобы флэш-накопитель был не восприимчив к окружающему ЭМИ и сам не являлся источником ЭМИ.
На первый взгляд, самым очевидным решением проблемы ЭМС, было бы разнести устройства, работающие на одной частоте. Но в современном мире это практически не осуществимо и приходится искать другие выходы из сложившейся ситуации.
Тем не менее, в целях обеспечения ЭМС Правительство Российской Федерации установило строгий регламент выделения частотных полос работы радиоэлектронных средств.
Решение проблемы электромагнитной совместимости техническими мерами в данном случае возможны два варианта:
1) Экранирование - окружения устройства кожухом из сплава металла.
В нашем случае такой метод не может быть применён, так как это ощутимо поднимет стоимость устройства и сделает его не конкурентно способным.
2) Фильтрация- создание на пути распространения паразитных токов, фильтров, устраняющих появление помех.
В данном устройстве на каждой шине заземления установлен конденсатор, который выполняет функцию сетевого фильтра.
Также при разработке устройства, насколько это возможно, были выполнены следующие требования:
1) для снижения активного и индуктивного сопротивления соединительных проводников должно быть минимальным. Для этого их длина должна быть минимальной;
2) Электрическое соединение во всех точках контакта должно обеспечивать минимальное сопротивление.
В масштабе флэш-накопителя была проведена максимальная работа в решении задач ЭМС, а именно:
- на всех шинах заземления установлены фильтрующие конденсаторы;
- конструктивно заложена минимально возможная длина проводников;
2.3. Обоснование конструкции печатного узла.
Разработка требований к конструкции устройства
Печатный узел флэш накопителя должен отвечать следующим требованиям:
Масса: 0,07 кг
Габаритные размеры:
Длина (не более): 100 мм
Ширина (не более): 45 мм
Высота (не более): 22 мм
Диапазон рабочей температуры воздуха при эксплуатации: 0…+40 0С.
Механические воздействия:
Гармоническая вибрация: диапазон частот 1…1000 Гц с амплитудой 1 G
Линейное ускорение в диапазоне 1…5 с с амплитудой 10 G
Многократный удар длительностью 1…10 мс с амплитудой 10 G
Одиночный удар длительностью 1…9 мс с амплитудой 9 G
Разработка конструкции флэш-накопителя с информационным дисплеем производится на основании требований технического задания и проведенного анализа схемы электрической принципиальной. При разработке конструкции устройства, выбирается и обосновывается способ компоновки, вид монтажа, способ защиты от воздействия статического электричества, электромагнитная совместимость устройства, выбор унифицированных и стандартизированных узлов и деталей, выбор флюсов и припоев для монтажа.
В основу выбора способа компоновки положены требования ТЗ об опытном типе производства, следовательно, прибор должен быть рассчитан на производство с применением современного оборудования и высокой технологии. Современные предприятия производства РЭА, как правило, имеют технологические линии для производства печатного монтажа, а также оборудование и технологические линии для производства узлов и деталей, а также оборудование и технологию нанесения защитных покрытий, контроля качества, испытания узлов РЭА и устройства в целом.
Выбор способа исполнения электропроводящей цепи
На основании изложенного при конструировании выбираем способ компоновки с применением печатной платы и печатного монтажа.
Печатная плата, служащая основой для установки на ней радиоэлементов, представляет собой электроизоляционную плату с контактными площадками предусматривающие установку на них выводов радиоэлементов и систему проводников между ними, соответствующую схеме электрической принципиальной.
С целью оптимизации и минимизации флэш-накопителя используется двухслойная ПП.
Выбор материала ПП
Параметры и свойства материалов для изготовления печатных плат приведены в таблице 8.
Таблица 8. Сравнение материалов печатных плат
Вид
|
Состав
|
Tg
|
Dk
|
Стоимость
|
FR4
|
Слоистый эпоксидный материал из стекловолокна
|
> 130°C
|
4.7
|
1 (базовая)
|
FR4 High Tg, FR5
|
Материал со сшитой сеткой, повышенная термостойкость (RoHS-совместимый)
|
> 160°C
|
4,6
|
1,2…1,4
|
RCC
|
Эпоксидный материал без стеклянной тканой основы
|
> 130°C
|
4,0
|
1,3…1,5
|
PD
|
Полиимидная смола с арамидной основой
|
260°C
|
3,5–4,6
|
5…6,5
|
PTFE
|
Политетрафлуор-этилен со стеклом или керамикой (СВЧ)
|
240–280°C
|
2,2–10,2
|
32…70
|
Исходя из таблицы 8 выберем материал FR-4, его часто используют для изготовления промышленных ПП и он отлично подойдёт для рассматриваемого устройства, так как обладает прекрасными механическими и электрическими свойствами[6]
Выбор класса точности
ГОСТ 23-751-86 устанавливает 5 классов точности печатных плат, каждый из которых характеризуется минимальными допустимыми значениями номинальной ширины проводника, расстояния между проводниками, расстояния от края отверстия до контактной площадки. В соответствии с предъявляемыми техническим заданием требованиями и исходя из соображений эффективности, целесообразно выбрать класс точности 4. В таблице 9 приведены параметры данного класса точности.
Таблица 9. Параметры класса точности
Условные обозначения элементов печатного монтажа
|
Значения
|
Наименьшая ширина проводника t,мм
|
0.15
|
Наименьшее расстояние между проводниками S,мм
|
0.15
|
Минимально допустимая ширина контактной площадки b,мм
|
0.05
|
Предельное отклонение ∆t,мм
|
±0.05
|
Позиционный допуск расположения проводника относительно соседнего T1,мм
|
0.05
|
Выбор метода изготовления
Основные методы производства двухсторонних, двухслойных и многослойных печатных плат:
- двусторонние печатные платы (ДПП) комбинированным позитивным методом;
- ДПП полуаддитивным методом;
- многослойные печатные платы (МПП) методом попарного прессования;
- МПП методом металлизации сквозных отверстий;
- МПП методом послойного наращивания;
- МПП комбинацией методов металлизации сквозных отверстий и
послойного наращивания.
Поскольку устройство выполнено на двухслойной печатной плате, наиболее подходящий метод изготовления - комбинированный позитивный метод(полуаддитивный метод). Полуаддитивные методы созданы для того, чтобы уйти от длительных процессов толстослойной химической металлизации, заменив их на надежные высокопроизводительные методы электрохимические (гальванические) методы металлизации. Для электрохимических методов необходим токопроводящий подслой. Его создают любым способом, удовлетворяющим по проводимости и прочности сцепления с подложкой: химическим осаждением тонкого слоя металла (до 1 мкм) в течение 15 минут; вакуумным напылением металла и т. д.
Выбор метода нанесения рисунка
Существуют 3 метода нанесения рисунка. Офсетная печать, сеткографический метод и фотопечать. Выберем метод фотопечати, так как данный метод соответствует 4-5 классу точности. В основе метода лежит нанесение рисунка проводников на медь, для последующего травления - фотолитография УФ облучением на предварительно нанесенный слоей фоторезиста.
2.4. Выполнение конструкторских расчётов
Расчет параметров печатных проводников
Umax = 5 В;
Размер платы 95х40 мм;
Класс точности 4;
Плата двухслойная;
Метод изготовления – комбинированный позитивный метод;
Метод нанесения рисунка – фотопечать;
Норма изготовления – Класс А (ГОСТ 23751-86).
Расчет ширины проводников
Ширина проводника зависит от электрических, конструктивных и технологических требований.
Минимальная ширина проводников определяемая: допустимой плотностью тока γ, допустимым падением напряжения ∆U:
где:  – минимальная допустимая ширина проводника;  – максимальная плотность тока для печатных проводников.
Принимаем  = 100 А/мм .
 – толщина печатного проводника.
 – 0.32А
Для выбранного материала платы FR-4 = 0.035мм.
Таким образом, минимальная ширина проводников по расчетам много меньше допустимой по классу точности, примем толщину проводника 0.25 мм (минимальная ширина по ГОСТ 23751-86).
Расчет расстояния между проводниками
Наименьшее расстояние между проводниками рассчитывается по формуле:
где:  минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка (при U ≤ 25 В SmidD = 0.1);  позиционный допуск расположения печатных проводников (0.05); ∆tв.о.  верхнее предельное отклонения ширины проводника (для 4 класса точности 0.05); S ≈ 0.175 мм.
|
