CC BY
13УДК 519.876.5
А.В. Рубцов, студент ФГБОУВО «ВГУВТ»
Т.В. Гордяскина, доцент, к. ф-м. н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
СКВОЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ В CIRCUIT DESIGN SUITE 12.0
Ключевые слова: Радиотехническое устройство, проектирование, программное обеспечение, печатный узел.
В работе рассматривается методика сквозного проектирования радиоэлектронных
систем в программной среде Circuit Design Suite 12.0
В условиях современной возрастающей конкуренции на рынке труда работодателями предъявляются жесткие требования к компетентности специалистов. Отвечать самым высоким запросам современного производства должна и высшая школа, готовящая выпускников в соответствии с новыми Государственными стандартами образования (ГОС). В соответствии со стандартом выпускник - специалист в области технической эксплуатации транспортного радиооборудования должен обладать, в частности, следующими профессиональными компетенциями:
- способностью использовать основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, работать с компьютером как средством управления информацией;
- готовностью к проектированию и разработке сервисного, вспомогательного оборудования, схемных решений автоматизации процессов эксплуатации;
- готовностью к участию в выполнении научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских разработок транспортного радиооборудования.
Современный специалист по технической эксплуатации транспортного радиооборудования должен владеть методами проектирования обслуживаемых радиоэлектронных систем, что позволит наиболее эффективно диагностировать их технические параметры, определять и в минимальные сроки устранять возможные неисправности.
Студентам специальности 25.05.03-65 - «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» необходимо иметь навыки в создании электронных устройств на базе микропроцессорной техники, основываясь на сквозном (структурном) проектировании радиоэлектронных средств (РЭС). [1] В процессе проектирования программируемых РЭС можно выделить несколько этапов:
1) Разработка технического задания, включающего функциональные возможности, структуру и основные технические параметры РЭС.
2) Выбор элементной базы РЭС.
3) Разработка схемы электрической принципиальной РЭС.
4) Разработка управляющей программы на языке Ассемблер выбранного микроконтроллера.
5) Моделирование процесса функционирования схемы с использованием встроенного эмулятора.
6) Конструкторская разработка печатного узла РЭС.
- Разработка конструкции печатной платы (ММ).
- Упаковка схемы электрической принципиальной на плату.
- Размещение компонентов на печатной плате в соответствии с требованиями по электромагнитной совместимости (ЭМС) и надежности узла.
- Трассировка платы в соответствии с классом точности ММ.
- Разработка конструкторской документации на проектируемое РЭС.
Данная методика сквозного проектирования применяется в курсе «Технология проектирования радиоэлектронных средств».
В качестве программной среды для сквозного проектирования используется Circuit Design Suite 12 с доработанным MCU модулем, включающий в себя средства моделирования и диагностики радиоэлектронных узлов и устройств Multisim, а также средства разработки печатных плат Ultiboard. [2]
Рассмотрим методику проектирования программируемого РЭС на примере простейшей системы сигнализации, выполненной на MCS -51.
1) Разработка технического задания, включающего функциональные возможности, структуру и основные технические параметры системы.
Рассматриваемое программируемое устройство должно отслеживать состояние наблюдаемого участка цепи и при замыкании / размыкании ключей К1, К7 и выдавать визуальный сигнал на световой индикатор состояния цепи в соответствии с алгоритмом, представленном на рис. 1.
Рис. 1. Пример алгоритма функционирования системы сигнализации
2) Выбор элементной базы разрабатываемого РЭС.
В качестве программируемого устройства используется восьмиразрядный микроконтроллер семейства MCS-51 (8051). Осуществление симуляции процесса производится с помощью восьми DIPSW1 ключей. Визуальная индикация должна осуществляться с помощью 8 светодиодов LED. Во избежание повреждения светодиода, следует предусмотреть средства защиты от тока, превышающего номинальное значение. Для этого в цепь последовательно с диодом, размещают резисторы, рассеивающие излишнюю мощность.
3) Разработка схемы электрической принципиальной РЭС.
В соответствии с алгоритмом функционирования системы и выбранной элементной базой разрабатывается схема электрическая принципиальная (Рис. 2). В процессе разработки создается проект, включающий в себя: 1) файл эмуляции функционирования схемы электрической принципиальной и 2) исполняемый файл, содержащий управляющую программу на языке Ассемблер, используемого MCS-51.
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема проектируемого РЭС в Multisim
4) Разработка управляющей программы на языке Ассемблер выбранного микроконтроллера
По окончании разработки схемы электрической принципиальной структура проекта расширится, что отобразится в обозревателе разработки рис. 3.
Рис. 3. Структура проекта
Текст исполняемого кода хранится и редактируется в файле таш^т (для Ассеб-лера). Код программы, соответствующий заданному алгоритму работы устройства, представлен на рис. 4.
Ii г\ 3; 4| 5;
s!
7! В; 9 10 11 12
13
14 15;
is!
17!
18:
SMOD51
This includes EQ51 definitions for the Metalink assembler
opros:
jnt pl.0,metl jnfc pi. 6,met2 iriQY p0f JOFFh lljmp opros met2 :
mov p0r #0F3h ljrnp opros metl:
jnJc pi. 6,ir.et3 mov pO, #0F6h ljmp opros met3:
mov pOf 4DF0h ljmp opros END
Рис. 4. Исполняемый код
5) Моделирование процесса функционирования схемы с использованием встроенного эмулятора.
Запускается компиляция программы и проводится эмуляция функционирования схемы. При разработке сложных устройств, процесс эмуляции можно контролировать виртуальными приборами (мультиметром, осциллографом, анализатором спектра, плоттером Боде). Результаты работы устройства при замыкании ключей приведены на рис. 5а.
6) Конструкторская разработка печатного узла программируемого РЭС.
- Разработка конструкции печатной платы (ПП).
В процессе разработки электронных устройств в Circuit Design Suite Multisim применяется следующая классификация компонентов: а) компоненты с присвоенным корпусом, б) компоненты с присваиваемым корпусом, в) компоненты - модели (питающие элементы, индикаторы и т. д.).
Данная возможность позволяет провести полностью контролируемое сквозное проектирование устройства. Элементы с присвоенным корпусом обозначаются на компьютерной модели в Multisim цветовой индикацией отличной от черной.
Рис. 5а. Результаты эмуляции собранной РЭС
Рис. 5б. Модель РЭС, готовая к размещению на плате
Перед разработкой печатной платы следует заменить питающие элементы (VCC и GND с рис. 5а) на коннектор (HDR1X2) и присвоить корпуса линейным элементам (резисторам) схемы (рис. 5б).
- Упаковка схемы электрической принципиальной на плату.
Для работы над структурой платы и размещением на ней разработанной схемы создается аннотационный файл, содержащий информацию об элементах и их соединениях. Процесс создания файла импорта из Multisim в Ultiboard проводится с помощью команды меню Transfer (рис. 6).
Transfer to Uitlbcard
^nirwnit) a^nctoiteir (Jtbbwrd
Fui .■ ■ i anrtotale lu Llltiboaid 12 0
Рис. 6. Окно выбора режима экспорта файла
Экспортируемый файл открывается в программе разработки печатных плат ШйЬоаМ. Параметры печатного узла выбираются в соответствии с классом точности согласно ГОСТ 23751-86 [3]. Выбирается метрическая система единиц (тт). Настраивается стратегия трассировки в соответствии с классом точности разрабатываемого РЭС. Устанавливаются форма и размеры платы в соответствии с ГОСТ 10317-79 [4].
- Размещение компонентов на печатной плате проводится в соответствии с требованиями по электромагнитной совместимости (ЭМС) и надежности печатного узла.
Далее проводится размещение компонентов на печатной плате. Компоненты выделяются полностью вместе с контактными площадками. Требования к конкретной конструкции определяется согласно ГОСТ 23751-86.
- Трассировка платы в соответствии с классом точности ПП.
Средствами иШЬоаМ предоставлены возможности как ручной, так и автоматической трассировки проводников, обладающей возможностью редактирования параметров трассировки, выбора возможной оптимизации, а также возможности трассировки шин. На рис. 7 изображен печатный узел с размещенными компонентами, соединенными проводниками в верхнем и нижнем слоях платы, а также трехмерное изображение печатного узла рис. 8.
Рис. 7. Разработанный печатный узел системы сигнализации
Рис. 8. Трехмерный вид печатного узла
- Разработка конструкторской документации на программируемое РЭС.
Конечным этапом создания печатных плат является разработка конструкторской документации. На печать выводятся все слои печатной платы с указанием переходных и монтажных отверстий. Пример вывода на печать верхнего слоя двухслойной печатной платы приведен на рис. 9.
Рис. 9. Верхний слой двухслойной печатной платы РЭС
Приведенная выше методика сквозного проектирования позволяет студентам систематизировать знания по схемотехнике радиоэлектронных устройств, принципам функционирования и программирования микропроцессорной техники, проектирова-
нию печатных узлов РЭС, разработке конструкторской документации на разрабатываемое радиоэлектронное средство. Выполняя сквозную разработку РЭС от постановки задачи (получения варианта задания на разработку РЭС) до получения трехмерной модели печатного узла и разработки конструкторской документации студент приобретает профессиональные компетенции, которые будут востребованы в его профессиональной деятельности.
Список литературы:
[1] Гордяскина Т.В., Лебедева С.В., Рубцов А.В. Применение проблемно-ориентированного программного пакета Multisim в технической диагностике частотно-избирательных радиотехнических цепей // Вестник ВГАВТ. Выпуск 43. - 2015. - С. 43-48.
[2] MSM9-E-1790 Rev. 1 (C) 2005 Electronics Workbench Corporation. All rights reserved. Published November 2005. Printed in Canada.
[3] http:\\www.gost.ru. ГОСТ 23751-86 «Основные параметры конструкции».
[4] httpAYwww.gost.ru. ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры».
THE METHODOLOGY OF END-TO-END DESIGNING OF RADIO DEVICES IN THE CIRCUIT DESIGN SUITE 12.0
T. V. Gordyaskina, A. V. Rubtsov
Keywords: radio device, designing, the software MCU, printed circuit assembly.
The work is dedicated to the end-to-end design methodology for radio devices in the Circuit Design Suite 12.0.
