Данным требованиям соответствуют следующие микросхемы: ? микросхема приемопередатчика RS-485 MAX13085E производства Maxim integrated ? микросхема приемопередатчика


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ©НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ©МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ


Факультет интеллектуальных
технических систем


Кафедра микроэлектроники


КУРСОВОЙ ПРОЕКТ


ПО ДИСЦИПЛИНЕ: ©ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ


НА ТЕМУ: ©РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЛАТЫ ПРОЦЕССОРНОЙ БЛОКА
УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ



Выполнил:

ст. гр. ИТС
-
43

Г. А. Еленев


Проверил:

доцент кафедры МЭ

А. А. Нальский







Москва 2016

2


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

4

ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ

ЗАДАНИЕ И ЕГО АНАЛИЗ
. СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИ
ОНАЛЬНОЙ
СХЕМЫ. ВЫБОР КОМПОНЕ
НТНОЙ БАЗЫ. СОСТАВЛЕ
НИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕС
КОЙ
ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ.

5

1.1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСК
ОГО ЗАДАНИЯ

5

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА
КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ

ПЛАТЫ

12

2.1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ Т
ОПОЛОГИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛ
АТЫ

12

2.2 ОФОРМЛЕНИЕ КОНСТ
РУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТА
ЦИИ

16

2.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
2

19

ГЛАВА
3. РАСЧЕТЫ, ПОДТВЕРЖ
ДАЮЩИЕ ВЕРНОСТЬ РАЗР
АБОТКИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТ
Ы.

20

3.1 ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ
РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПЛ
АТЫ ПРОЦЕССОРНОЙ БУД

20

3.2 РАСЧЕТ СОБСТВЕНН
ОЙ ЧАСТОТЫ ПЛАТЫ ПРО
ЦЕССОРНОЙ БУД

23

3.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
3

27

ЗАКЛЮЧ
ЕНИЕ

28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

29

НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТ
Ы

30





3



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП
-

аналого
-
цифровой преобразователь;

БУД
-

блок управления движением;

ОЗУ
-

оперативное запоминающее устройство;

ПЗУ
-

постоянное запоминающее устройство;

САПР
-

система автоматизированного проектирования;

УГО
-

условное графическое обозначение;

ЦАП
-

цифро
-
аналоговый преобразователь;

ЭРИ

-

электрорадиоизделие
;

ARM
-

advanced RISC machine;

CAN

-

controller

area

.





4


ВВЕДЕНИЕ

Основным требованием, предъявляемым к автотранспортным средствам, является
обеспечение безопасности дорожного движения и безопасности пассажиров. С помощью
современных электронных средств можно обеспечить управление основными узлами
автотранспорта или их
функционирование по заложенной ранее программе.

В данной работе будут рассмотрены следующие задачи:



разработка конструкции платы процессорной БУД;



разработка конструкторской документации;



расчеты, подтверждающие правильность разработки: ориентировочный ра
счет

надежности, расчет собственной частоты печатной платы, расчет ударной прочности.

Основной функцией платы процессорной БУД является обработка сигналов от
различных блоков автотранспортного средства:



автомат переключения передач;



рулевое управление;



топливная система;



тормозная система;



основные датчики автотранспорта.


Для обмена данными с агрегатами автотранспорта используется интерфейс CAN
-

стандарт промышленной сети, созданный для объединения в общую сеть различных
исполнительных узлов и датчико
в. В мировой автопромышленности данный интерфейс
является стандартом. Для создания системы управления основными узлами будет
использоваться микроконтроллер.

На современном рынке в данный момент представлено множество различных
микроконтроллеров
-

многофунк
циональных устройств, сочетающих в себе функции
процессора, ПЗУ, ОЗУ, периферийных устройств.


Согласно описанным выше целям и ограничениям было разработано техническое
задание на плату процессорную БУД.





5


ГЛАВА 1. Техническое задание и его анализ. Сост
авление функциональной схемы.
Выбор компонентной базы. Составление схемы электрической принципиальной.

1.1
Анализ технического

задани
я

Проанализировав техническое задание, можно выделить основные требования к
функционированию устройства, основные
системотехнические, технические и
эксплуатационные требования и ограничения.

Функции:

прием, обработка, передача данных с платы периферийной и разъѐмов
блока управления движением. Обмен данными с платой периферийной осуществлять с
помощью интерфейса CAN, R
S
-
485.

Специфика:

установка платы в корпус БУД, возможность внесения изменений в
программное обеспечение, обеспечение не менее 10000 циклов программирования, время
хранения информации


не менее 5 лет, предпочтительно применение отечественной
компонентной
базы.

Системотехнические требования:



ARM ядро с частотой не менее 70 МГц;



наличие АЦП и ЦАП;



возможность работы с интерфейсами CAN, RS
-
485, UART;



програ
ммирование через интерфейс JTAG;



напряжение питание платы


27В.

Технические требования:



Материал платы


стеклотекстолит фольгированный СТФ
-
2
-
18
-
0,25 мм


ТУ16
-
503.161
-
83, толщина платы формируется за счет прокладок. Материал прокладок
-

Стеклоткань СТП4
-
0,1 ТУ16
-
503.215
-
81



толщина печатной платы


1,5 мм является достаточной из
-
за малого размера

печатной пл
аты и достаточного количества
крепежных элементов конструкции;



количество слоев


4;



плату ориентировать верхней стороной к крышке блока БУД;



Программирование осуществляется через один соединитель:

XP1
-
Вилка СНП346
-
20ВП22
-
2
-
В РЮМК.4304420.011ТУ;

соединение платы с платой периферийной осуществляется через три соединителя:

XP2
-
Вилка СНП346
-
20ВП22
-
2
-
В РЮМК.4304420.011ТУ,

XP3
-
Вилка СНП346
-
60ВП22
-
2
-
В РЮМК.4304420.011ТУ,

6


XS1
-
Розетка СНП346
-
60РП22
-
2
-
В РЮМК.4304420.011ТУ.



высота компонентов, размещаемых на верхней стороне платы ограничен расстоянием
до крышки блока, не должна превышать 11мм; высота компонентов, размещаемых с
противоположной стороны, не должна превышать 9мм. Соединитель для
программирования должен располага
ться на верхней стороне платы. Соединители для
коммутации с платой периферийной должны распол
агаться на нижней стороне платы;



размеры платы, крепежные отверстия, требуемое расположение соединителей на

плате указаны на рисунке
1.1

(согласуются с разра
ботчик
ом платы периферийной БУД);



мон
таж компонентов


двухсторонний;



все компоненты обвязки,в том числе, развязывающие конденсаторы по питанию,

расположенные на схеме электрической принципиальной около выводов микросхем, на
печатной плате должны располагаться

в непосредственной близости от со
ответствующих
выводов микросхем;



диаметр пер
еходных отверстий на слой GND 0
,
9 мм
;



кл
асс точности печатной платы


4;



предусмотреть наличие на плате паяльной (защитной) маски по технологии

предприятия изготовителя с двух с
торон.


Рисунок 1.1


Вид на нижнюю сторону платы.

7



Эксплуатационные требования:



Изделие должно быть прочным к воздействию синусоидальной вибрации в

диапазоне частот от 20 до 30 Гц с амплитудой виброускорения 20 м/с
2
(2g);



Изделие должно быть устойчивым к воздействию механических ударов одиночного

действия с пиковым ударным ускорением 750 м/с
2

(75g) при длительности действия
ударного ускорения от 1 до 5 мс;



Изделие должно быть стойким к воздействию повышенной относительной

в
лажности 98 % при температуре 25 °С;



Средняя наработка изделия между отказами должна быть 10000 ч, не менее;



Средний срок службы 5 лет, не менее.

1.2 Разработка функциональной схемы устр
ойства, выбор компонентной базы

Согласно техническому заданию разработ
ана функциональная схема устройства,
представленная на рисунке
1.
2:


Рисунок 1.2
-

Функциональная схема платы процессорной БУД.

8



Исходя из технического задания и функциональной схемы устройства необходимо
выбрать

микроконтроллер, выполняющий основные функции устройства.
Микроконтроллер должен удовлетворять следующим характеристикам:



ARM ядро с частотой не менее 70 МГц;



встроенная FLASH
-
память размером не менее 128Кб;



ОЗУ объемом не менее 20Кб;



наличие интерфейсов
USB, UART, CAN.



наличие АЦП, ЦАП.

Данным характеристикам соответствуют следующие микроконтроллеры:



микроконтроллеры серии STM32F103 производства STMicoeectoics;



микроконтроллеры серии 1986ВЕ9Х производства АО “ПКК Миландр”.

Следует использовать микрок
онтроллер 1986ВЕ91Т отечественного производства
АО “ПКК Миландр”. В качестве фильтров для данного микроконтроллера необходимо
использование танталовых конденсаторов


Исходя из выбора основного микроконтроллера устройства, необходимо подобрать
остальные ком
поненты устройства:



микросхемы приемопередатчиков интерфейса CAN;



микросхемы приемопередатчиков интерфейса RS
-
485;



преобразователи напряжения;



пассивная компонентная база.

Микросхема приемопередатчика CAN должна соответствовать следующим
требованиям:



применения в автомобильной и промышленной электронике (12/24В) с защитой от

короткого замыкания и перенапряжения;



максимальная скорость передачи данных до 1 Мбит/сек;



напряжение питания 5В.

Данным требованиям соответствуют следующие микросхемы:



Микросхема
высокоскоростного приемопередатчика интерфейса CAN ATA6600

производства Atme;



Микросхема приемопередатчика интерфейса CAN 5559ИН14АУ производства

АО “ПКК Миландр”.

9


Так как предпочтительно использование отечественной компонентной базы, следует
использовать

микросхему приемопередатчика интерфейса CAN производства

АО “ПКК Миландр”. Данная микросхема рекомендуется к использованию заводом
-
изготовителем выбранного нами микроконтроллера, а также используется в макетных
платах, производимых АО “ПКК Миландр”, что
доказывает надежное взаимодействие
данных микросхем друг с другом.


Микросхема приемопередатчика RS
-
485 должна соответствовать следующим
требованиям:



отказоустойчивость к короткому замыканию;



максимальная скорость передачи данных до 500 Кбит/сек;



напряжение питания 5В.

Данным требованиям соответствуют следующие микросхемы:



микросхема приемопередатчика RS
-
485 MAX13085E производства Maxim itegated;



микросхема приемопередатчика RS
-
485 5559ИН10АУ производства

АО “ПКК Миландр”.

Так как предпочтительно использование отечественной компонентной базы, следует
использовать микросхему приемопередатчика интерфейса RS485 производства

АО “ПКК Миландр”.Совместимость компонентов производства АО “ПКК Миландр”
между собой гарантирует надежну
ю работу устройства.

Для питания микросхем приемопередатчиков интерфейсов согласно
функциональной схеме необходимо использовать напряжение питания 5В, для этого
необходимо использовать преобразователь напряжения 27В в 5В со следующими
характеристиками:



вх
одное напряжение 27В;



выходное напряжение 5В;



наличие защиты от короткого замыкания;



высота конструкции не более 10,5 мм.

Данным требованиям соответствуют следующие модули преобразования напряжения:



модуль МДМ6
-
1В05МВ производства ООО "Александер электрик
"Дон";



модуль TDN 1
-
2411WI производства Taco Poe.

10


Так как предпочтительно использование отечественной компонентной базы, следует
использовать модуль преобразования напряжения производства ООО "Александер
электрик "Дон".


Для питания микроконтроллера
согласно функциональной схеме необходимо
использовать напряжение питания 3,3В, для этого необходимо использовать микросхему
управления питанием, преобразующую напряжения 5В в 3,3В со следующими
характеристиками:



входное напряжение 5В;



выходное напряжение
3,3В;



наличие защиты от переполюсовки;



наличие защиты от короткого замыкания.

Данным требованиям соответствуют следующие микросхемы управления питанием:



микросхема преобразователя напряжения MAX1644EAE производства

Maxim integrated;



микросхема преобразова
теля напряжения 1310ПН1У производства

АО “ПКК Миландр”.

Так как предпочтительно использование отечественной компонентной базы, следует
использовать микросхему преобразователя напряжения 1310ПН1У производства

АО “ПКК Миландр”. Данная микросхема рекомендуе
тся к использованию заводом
-
изготовителем выбранного нами микроконтроллера, а также используется в макетных
платах, производимых АО “ПКК Миландр”, что доказывает надежное взаимодействие
данных микросхем друг с другом.

Для функционирования преобразователя н
еобходимо использовать индуктивность,
например, микроиндуктивность серии МИ для поверхностного монтажа.


В качестве фильтрующих компонентов рационально использовать RC
-
цепь из чип
-
резисторов и чип
-
конденсаторов отечественного производства, расположив их
м
аксимально близко к соответствующим выводам микроконтроллера, например:



прецизионные резисторы Р1
-
8МП производства ОАО “НПО Эркон”;



толстопленочные резисторы Р1
-
12 производства ОАО “НПО Эркон”;



керамические конденсаторы К10
-
79 производства АО “НИИ Гириконд
”.

11


Использование чипов одного размера позволяет использовать данную цепь для различных
задач и получать конфигурации не только с фильтрующей цепью, но и с делителем
напряжения.

1.3 Выводы по главе

В ходе анализа технического задания была разработана
функциональная схема
устройства, позволяющее оценить характер его работы и произвести выбор компонентной
базы. Согласно требованиям технического задания и функциональной схемы был
произведен выбор компонентной базы, что позволяет приступить к составлению с
хемы
электрической принципиальной и разработке конструктива устройства.



12


ГЛАВА 2. Разраб
отка конструкции печатной платы

2.1 Проектирование топологии
печатной платы

Для проектирования топологии устройства была использована САПР Atium
Desige. Разработана

послойная топология печатной платы

Опираясь на данные ограничения, схему электрическую принципиальную и
перечень элементов (см . приложение А) была разработана послойная т
опология платы,
представленная
, создана модель сборки, выведе
ны gee
-
файлы для пер
едачи на
производство.

Перед созданием схемы электрической принципиальной в среде Atium Desige
необходимо создать файл библиотеки УГ
О компонентов схемы согласно
ГОСТ 2.743
-
91
.
Пример УГО одного из компонентов представлен на рисунке 2.1:


Рисунок 2.1
-

УГО компонента (микросхемы 5559ИН10АУ).


После того, как готова библиотека УГО компонентов, следует создать библиотеку.

В библиотеке содержатся посадочные места для компонентов, разметки для компонентов в
слое шелкографии и саму модель компонента, в виде
примитива. Пример посадочного
места для микросхемы 5559ИН10АУ представлен на рисунке 2.2:

13



Рисунок 2.2
-

Посадочное место для микросхемы 5559ИН10АУ.


Примитив компонента созданный в среде Atium Desige не дает полной
информации о компоненте,

о способе
формовки выводов и методе его установки,

поэтому
возможно добавление модели, выполненной в другом инженерном САПР. Система
SolidWorks

является мощным и точным инструментом для создания трехмерных деталей и
сборок различной сложности, поэтому рационально использовать еѐ для создания моделей.
Опираясь на габаритные размеры, были созданы трехмерные модели для всех
компонентов. Трехмерная м
одель в среде SoidWoks представлена на рисунке 2.3:


Рисунок 2.3
-

Трехмерная модель микросхемы 5559ИН10АУ.


После сохранения модели в необходимом формате, ее можно привязать к
посадочному месту компонента в среде Atium Desige. Аналогичные действия б
ыли
проделаны для всех компонентов, представленных в данном проекте.

14



Следующий этап разработки
-

составление схемы электрической принципиальной в
среде Atium Desige. На данной схеме присутствуют УГО компонентов, разработанные
ранее, электрические связи

между ними и формат самого листа. После создания файла
схемы необходимо его заполнить, указав основные сведения о разработке. Затем следует
размещение УГО компонентов на листе и соединение их проводниками. Часть схемы с
микросхемой 5559ИН10АУ и резистором

Р1
-
12 представлена на рисунке 2.4:


Рисунок 2.4
-

УГО микросхемы 5559ИН10АУ,

резистор Р1
-
12, проводников.


На рисунке 2.4 видны основные элементы схемы электрической принципиальной:
УГО компонентов, их электрические связи, название некоторых цепей.


Следующий шаг в разработке конструкции печатной платы это создание заготовки
платы, настройки ограничений для трассировки и размещение компонентов на плате.
После создания нового файла платы в среде Atium Desige необходимо задать для него
метрическую си
стему измерения и основные ограничения в окне Desig
\
Rules.

В среде Atium Desige возможна гибкая настройка ограничений для трассировки,
заданием ширины проводников различных цепей, диаметра переходных отверстий;
возможно создание полигонов меди, для со
здания цепей питания и земли.

Сигнальные линии получили следующие ограничения:



ширина проводника 0,3 мм;



диаметр переходного отверстия 0,5 мм.

Для цепей питания и земли
-

следующие ограничения:



коммутацию создавать полигонами;



диаметр переходного отверсти
я 0,9 мм.


15


На рисунке 2.5 представлен условный разрез печатной платы с обозначением слоев:


Рисунок 2.5
-

Условный разрез печатной платы.


В соответствии с техническим заданием были заданы габариты платы и создана ее
форма. Затем, производится расстановка

компонентов на печатной плате. Главная задача
расстановки обеспечить оптимальное размещение компонентов с учетом длины и
расположения линий связи. На рисунке 9 представлен процесс расстановки, желтые линии
-

линии связи.


Рисунок 2.6
-

Расстановка компон
ентов на печатной плате.

После того, как все компоненты расставлены оптимально начинается

этап
трассировки
-

замены линий связей на проводники заданной конфигурации. На рисунке 2.7
представлен общий вид на разработанную топологию платы процессорной БУД (полигоны
земли и питания скрыты):

16



Рисунок 2.7
-

Общий вид на топологию печатной платы.

По
сле трассировки следует оформление конструкторской документации, а данные
проектирования передаются на предприятие
-
изготовитель в виде gee файлов
-

формате
файлов для изготовления фотошаблонов на различном оборудовании.

2.2 Оформлен
ие конструкторской
документации

Для оформления конструкторской документации использовался САПР SoidWoks,
куда в виде модели была перенесена плата из среды САПРа Atium Desige. На рисунке
2.8 показано фотореалистичное изображение сборки печатной платы с помощью
расширения

PhotoWoks для SoidWoks:

17



Рисунок 2.8
-

Вид на верхнюю сторону печатной платы в среде SoidWoks.

Для проверки разработанной конструкции была создана сборка всего БУД, с
помощью этого были проверены габаритные размеры платы процессорной, расположение
со
единителей и крепежных отверстий. Фотореалистичное изображение сборки
представлено на рисунке 2.9:


Рисунок 2.9
-

Вид на установку платы процессорной в БУД, верхняя крышка блока скрыта.

18


После проверки конструкции был начат процесс создания сборочных черте
жей
платы.

Система Soidoks позволяет упростить и автоматизировать работы по созданию
чертежей различн
ых деталей и сборок согласно ГОСТ 2.109
-
73
. На рисунке 2.10 показан
второй лист сборочного чертежа платы процессорной БУД в среде SoidWoks.


Рисунок
2.10
-

Разработка сборочного чертежа в среде SoidWoks.

Для этого был создан документ чертежа сборки, в который была внесена сборка
платы процессорной БУД. После заполнения основной надписи были сделаны разрезы для
создания указаний по установке компонент
ов. Законченные чертежи представлены в
приложении
А

данной работы.


С целью формирования текстовых конструкторских документов использовалась
отечественная программа TDD
-

позволяет сформировать текстовую документацию
согласно
ГОСТ 2.106
-
96
, поддерживает об
мен с базой данных компонентов из различных
19


САПР, обладает удобным табличным редактором. На рисунке 2.11 представлено окно
программы с перечнем элементов платы процессорной БУД:



Рисунок 2.11
-

Окно программы TDD.


Текстовая конструкторская документация,

разработанная в среде программы TDD,
представлена в приложении
А
.

2.3

Выводы по главе 2


Была разработана топология печатной платы, с учетом ограничений технического
задания, была создана текстовая и графическая документация. Следующим этапом
разработки
является проведения расчетов и теоретических обоснований конструкции
платы процессорной БУД.

20


ГЛАВА 3. Расчеты, подтверждающие верность разработки печатной платы.

3.1 Ориентировочный расчет надежности платы процессорной БУД

Ориентировочный расчет надѐжности

осуществляется на стадии эскизного
проектирования, когда принципиальных схем узлов и бло
ков системы еще нет,
отсутствуют полные данные о режимах работы и условиях эксплуатации системы, а состав
элементов системы уже из
вестен. Ориентировочную оценку наде
жности проводят с целью
проверки выполнимости требований по надѐжности, установленных тех
ническим
заданием, а также для сравнения показателей надѐжности различных вариантов
разрабатываемых ЭВС. Эта оценка учитывает влияние на надѐжность количества и типов

применяемых компонентов.

Расчет основывается на следующих допущениях:



отказы компонентов являются случайными и независимыми событиями;



все компоненты одного типа имеют равную надѐжность и работают в
номинальном режиме;



учитываются только компоненты, вхо
дящие в основную функциональную схему
изделия;



вероятность их безотказной работы изменяется по экспоненциальному закону;



отказ любого компонента приводит к отка
зу всего изделия, т.е. все компоненты
работают одновременно.

Исходными данными для расчѐта явл
яются:



число узлов (блоков, компонентов) ЭВС


N
;



число компонентов в узлах


n
i
;



интенсив
ность отказов компонентов


λ
j
.

Условиями эксплуатации: автомобильные, при температуре 20
-
25 ˚С, относительная
влажность воздуха 90
-
98%, на высоте 0
-
1 км. Остальные
данные приведены в таблице 3.1.





21


Таблица 3.1 Исходные и расчетные данные для ориентировочного расчета надежности

Название,

тип элементов.

Число
элементов,

Интенсивность
отказов,

Интенсивность
отказов,


1

2

3

4

5

Диоды

4

0,032

0,0934

0,3738

Индуктивность

1

0,002

0,0058

0,0058

Конденсаторы
керамические

150

0,067

0,1956

25,2376

Конденсаторы
танталовые

11

0,319

0,9315

10,2463

Микросхемы

6

0,023

0,0672

0,403

Модуль
преобразования
напряжения

1

0,253

0,7388

0,7388

Резисторы

239

0,063

0,1839

43,9664

Резонатор
кварцевый

1

0,035

0,1022

0,1022

Соединители

4

0,004

0,0117

0,0467

Пайка
автоматическая

1000

0,00007

0,0002

0,2015

Плата
многослойная

4

0,00004

0,0001

0,0005


При ориентировочных оценках надежности условия эксплуатации учитываются с
помощью поправочных коэффициентов

следующим образом:


(1.1)

где

-

интенсивность отказов компонентов в лабораторных условиях работы системы
(Т  20
о
С,
Кн
= 1).

22


Поправочный коэффициент всегда больше единицы.


(1.2)

Физически он характеризует тот факт, что при эксплуатации ЭВС в реальных
условиях отказов в них может быть в десятки и сотни раз больше, чем при работе в
лабораторных условиях. Коэффициент

учитыва
ет воздействие на аппаратуру
механических факторов (вибраций, ударных нагрузок, ускорений),

-

климатических
(температуры, влажности и др.),

-

условия работы при пониженном атмосферном
давлении.

Значения

этих коэффициентов для данных условий эксплуатации:



механические факторы: применение автомобильное, наличие вибрационных и

ударных нагрузок
-

= 1,46 ;



Климатические факторы: температура 0…25
0
С,

относительная влажность 90…98
-

= 2 ;



Высотный фактор: высота применения изделия 0…1 км
= 1,00 .

Отсюда получаем
= 2,92.

Параметр потока отказов



определяется потоком отказов или интенсивностью
отказов вс
ех типов применяемых элементов и записывается в виде:


(1.3)


Одним из показателей безотказности изделий является показатель надежности как
среднее время наработки на отказ, которое определяется следующим выражением:


(1.4)


Средняя вероятность безотказной работы устройства

определяется следующим
выражением:


(1.5)


Оценка изделия на долговечность (срок службы) проведена анализом ЭРИ,
примененных в изделии.

Сравнительный анализ показал:



срок службы ЭРИ, примененных в изделии, составляет не менее 15 лет;

23




ресурс работы, примененных в изделии, составляет не менее 10000ч.

С помощью формул (1.1


1.5) получены расчетные значения показателей

надежности для блока управления движением:



величина потока отказов
;



средняя наработка между отказами 12297 ч;



средняя вероятность безотказной работы составила 0,97.

Полученные данные полностью удовлетворяют требованиям
технического задания.

3.2 Расчет собственной частоты платы процессорной БУД

Резонансные частоты являются одним из основных конструктивных параметров,
характеризующих печатную плату. Под ними подразумевают собственные частоты
изгибных колебаний. Если часто
та колебаний возмущающей силы совпадает с
резонансной частотой платы, на ней возникают резонансные перегрузки, превосходящие
во много раз внешнюю силу. Это приводит к отказам ЭРИ установленных на плате, т.к.
вибрационные перегрузки при резонансе могут прев
ышать уровни, допустимые по
техническому условию на радиоэлементы. Печатная плата, как система с распределенными
параметрами, имеет бесконечное число резонансных частот. Наиболее опасен первый
резонанс, но стоит отметить, что при конструировании электронно
-
вычислительных
средств необходимо бывает оценивать и высшие гармоники, если внешнее вибрационное
воздействие представляет собой случайную вибрацию с широким спектром частот.

Численные значения собственных резонансных частот печатных плат зависят от
особен
ностей конструкции: формы, размеров, материалов, условий закрепления и т.д.

При расчете, печатная плата рассматривается как жесткая пластинка с
определенными граничными условиями. Граничные условия для плат выбираются в
зависимости от реального закрепления

печатной платы в блоке ЭВС.

Исходные данные для расчета представлены в таблице 3.2 и таблице 3.3.

Уравнение колебаний печатной платы рассматриваются при условиях:



нагрузка на плате распределена равномерно;



элементы, расположенные на плате, и печатные пров
одники не изменяют ее
жесткости.



24



Таблица 3.2
-

Исходные данные для расчета







Таблица 3.3


Основные параметры
материала платы

Материал платы

Модуль упругости
,
Н/м
2

Коэффициент

Пуассона, ν

Плотность,
кг/м
3

Стеклотекстолит
СТФ
-
2
-
18



0,279

2470


Общая запись уравнения колебаний жесткой пластины представлена

определяется
следующим выражением:


(2.1)

где

D



цилиндрическая жесткость пластины,
, определяемая следующим выражением:


(2.2)

где

E


модуль упругости, Н/м
2
;

h


толщина платы, м;

ν


коэффициент Пуассона;

ρ


плотность материала платы, кг/м
3
;

W


уравнение прогиба пластины;

q


интенсивность поперечной нагрузки, кгс/м
2
.

Для оценки собственной частоты платы, закрепленной в четырех точках, решение
уравнения (
2.1) представлено следующим выражением:

Материал платы


Размеры МПП, мм



Масса

элементов, г



Способ

закрепления


Стеклотекстолит СТФ
-
2
-
18

100
x
105
x
1,5

65

В 4 углах

25



(2.3),

где

 и m


число полуволн, укладывающихся на каждой из сторон платы;

М


масса элементов;

k
=
b
/
a



отношение длин меньшей стороны платы к большей.

Для оценки низшей собственной частоты полагаем
n
0 и
m
1, тогда формула может быть
представлена в виде:


(2.4)

Подставляя исходные данные таблиц 4.2 и 4.3 в уравнения (2.2) и (2.4) получим
следующие значения:


,


Полученное значение собственной частоты печатной платы не попадает в диапазон частот,
при которых эксплуатируется устройство, значит устройство спроектировано верно.

3.3 Расчет ударной прочности платы процессорной БУД

Степень защиты микроэлектронной аппаратуры от механических воздействий
зависит, в основном, от прочности интегральных схем (ИС) и способов их крепления.
Наиболее опасным видом механических воздействий для ИС являются вибрации.
Установлено, что ИС, обладающ
ие достаточным запасом вибропрочности, заведомо
устойчивы к воздействиям ударов и линейных ускорений.

Желательно, чтобы собственная частота устройства была выше того диапазона частот, при
котором работает изделие. Однако соблюдение этого условия необязател
ьно. Если при
резонансе амплитуда колебаний не превышает допустимой, то можно работать и в
резонансном режиме.

Определим ту минимальную собственную частоту устройства, при которой

амплитуда колебаний при резонансе не превысит допустимую. Обозначим ее
.

26


Допустимой в изделиях электронной техники считается амплитуда
А
, не превышающая
значения 0,3 мм и виброскорость
V
0


не превышающая значения 800 мм/с. Амплитуда
колебаний зависит от частоты и виброперегрузки.

Конструкция устройства
обладает способностью демпфировать внешние колебания.
Поэтому при работе в обычном режиме амплитуды колебаний ИС весьма малы. Они
возрастают до опасной величины только при резонансе, когда собственная частота
устройства совпадает с частотой внешних колебан
ий.

При резонансе амплитуда колебаний ИС возрастает в
β

раз по сравнению с
амплитудой внешних колебаний. Коэффициент
β

определяется демпфирующими
свойствами устройства.

Амплитуда ускорения равна:


(3.1)

откуда:


(6.2)

где
А
0
0,3 мм, значения g приведены в мм/с
2
, или


(6.3)

Амплитуда скорости равна:

(6.4)

Получим минимально допустимую собственную частоту устройства из условия
максимально допустимой
вибростойкости при резонансе. Обозначим ее
:

(6.5)

или

(6.6)

Исходные данные для расчета:
β
5; виброперегрузка 75
g
.


Подставим исходные данные в формулы (6.2) и (6.3):

27


(6.7)

(6.8)


В качестве допустимой

расчетной принимают наибольшую из двух частот (6.7) и
(6.8).В качестве минимально допустимой собственной частоты устройства принимаем
большую частоту, т.е. 731 Гц. Рассчитаем толщину платы
h
, требуемую для обеспечения
вибропрочности, исходя из уравнения с
обственной частоты печатной платы:

(6.9),


(6.10)

Из уравнений (6.9), (6.10) получим выражение для определения толщины печатной
платы
h
:


(6.11)

Подставив исходные данные в
выражение (6.11) получим минимальное значение толщины
печатной платы:

(6.12)

Толщина платы процессорной соответствует требованиям технического задания.

3
.4
Выводы по главе 3


В данной главе были произведены теоретические расчеты

п
одтверждающие
соответствие конструкции требованиям технического задания
: ориентировочный расчет
надежности, расчет собственной частоты, расчет ударной прочности.



28


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В ходе данной работы был
о проанализировано техническое задание на плату
процессорную БУД, была выбрана компонентная база для устройства,

разработан пакет
конструкт
орских документов
представленный в приложении
А
. Конструкция платы
полностью удовлетворяет требованиям технического задания
,

правильность разработки
подтверждается р
асчетами.



29


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.

Лопаткин А. Проектирование печатных плат в Atium Desige.
-

М.: ДМК Пресс,
2016.
-

400с.: ил.

2.

Нальский А. А. Методические указания по курсу “Основы конструирования
электронных средств”. М.: ИПК МИЭТ, 2016.

3.

Надежность электро
радиоизделий. Единый справочник. 22 ЦНИИИ МО, РНИИ
Электронстандарт, ОАО ©Стандартэлектро, 2006.

4.

Прохоренко В. П. Soidoks. Практическое руководство.
-

М.: ООО “Бином
-
Пресс”,
2004 г.
-

448с.:ил.







30


НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

1.

ГОСТ 2.743
-
91 Единая система
конструкторской документации (ЕСКД).

Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

2.

ГОСТ 2.109
-
73 Единая система конструкторской документации (ЕСКД).

Основные требования к чертежам.

3.

ГОСТ 2.106
-
96 Единая система конструкторской док
ументации (ЕСКД).

Текстовые документы.



Приложенные файлы

  • pdf 8835831
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий