Устройство для программирования PIC-контроллера

Тема: Устройство для программирования PIC-контроллера

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

РЕФЕРАТ

Объектом  разработки является устройство:

«Устройство для программирования PIC-контроллера»

Цель проекта:

«Разработка печатного модуля устройства для программирования PIC-контроллера »

В процессе проектирования выполнены  следующие исследования (разработки):

«Разработка печатной платы с оформлением  необходимой документации по конструированию и монтажу элементов на плате к схеме устройство для программирования PIC-контроллера»

Элементами практической значимости полученных результатов являются:

«Дальнейшее производство и применение полученного устройства».

Областью возможного практического  применения являются:

«Всевозможное электрическое оборудование, в котором может использоваться разработанный компонент».

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Согласно техническому заданию  требуется разработать программатор PIC-контроллера EXTRAPIC. При разработке устройства необходимо исходить из следующих предпосылок:

• компактность;
• общедоступность;
• способность быть актуальной в течение длительного периода времени;
• простота использования;
• отсутствие сбоев при работе;
• невысокая себестоимость.

Программатор – это программно аппаратное устройство, разработанное для занесения необходимой информации в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Помимо записи, программатор может обеспечивать возможность считывания информации из ПЗУ микросхемы. Наряду с основными режимами программирования и чтения, многие микросхемы имеют множество дополнительных режимов: стирание, закрытие от чтения, защита от программирования и т.п.

Разрабатываемый мною программатор позволяет  записывать информацию на микроконтроллеры фирмы Microchip. Область применения данных микроконтроллеров осуществляется в микропроцессорной технике, такой, как: милливольтметры, ультразвуковых измерителях дальности, декодерах клавиатурной матрицы и др.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ  ИЗДЕЛИЯ

Программатор должен быть современным не только в техническом отношении, но и экономически  выгоден. На основе экономической оценки новой техники принимается решение об инвестициях на данный проект. Для начала производства проектируемого прибора огромное значение имеет ожидаемая прибыль или экономический эффект. Его значение определяется на этапе разработки в качестве приблизительного.

Разрабатываемый программатор прост в изготовлении. Все детали взаимозаменяемы, т. е. кроме отечественных деталей могут применяться зарубежные аналоги. Все транзисторы работают в ключевом режиме, поэтому к ним особые требования не предъявляется, можно использовать и зарубежные аналоги, например вместо КТ502 можно поставить 2SA1013. Резисторы любого типоразмера, номинал может отличаться от указанного на схеме в пределах 20%. Микросхему фирмы Maxim можно заменить без ущерба для работоспособности на любую другую, у которой в названии есть код 232, например RS232 , т.к. у них одно назначение.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

Согласно заданию разработаем структурную схему программатора.

Для начала определим  основные структурно завершенные блоки, из которых будет состоять разрабатываемое устройство. Такими блоками являются: блок питания, блок согласования, блок ввода-вывода, блок управления питания (рисунок 1).

Рис1. Структурная схема  аппаратного модуля для универсального тестирования, где 1.Блок питания. 2. Блок согласования.3.Блок ввода-вывода.          4. Блок управления питанием

Согласно разработанной  структурной схеме разработаем  схему электрическую принципиальную аппаратного программатора.

Разработанная схема  программатора PIC-контроллера представлена на рисунке 2 (см. ниже).

     Рисунок  2 – Принципиальная схема программатора PIC-контроллера.

Список деталей, входящих в программатор:

Особенности программатора EXTRAPIC:

• Функционально совместим с П.О (Программным Обеспечением) программаторов JDM, но в отличие от них, благодаря более качественному схемотехническому решению, а также использованию внешнего источника напряжения питания:
• Работоспособен с любыми COM-портами, как стандартными (+/-12v; +/-10v) так и с нестандартными COM-портами некоторых моделей современных ноутбуков, имеющих пониженные напряжения сигнальных линий, вплоть до +/-5v. Не перегружает по току COM-порт компьютера, так как использует стандартный формирователь интерфейса RS232 (MAX232 или аналогичный), и при правильной эксплуатации не представляет опасности для COM-порта.
• Имеет разъём внутрисхемного программирования (ICSP - In Circuit Serial Programming).
• Поддерживается распространёнными программами IC-PROG, Pony Prog и другими, как программатор JDM.
• Программатор подключается к COM-порту компьютера, через стандартный кабель-удлинитель COM-порта (DB9M - DB9F). Кабель приобретается отдельно.
• Для питания программатора должен использоваться стабилизированный источник питания напряжением от +15,5v до +24,0v или от +13,0v до +14,0v. Источник питания должен быть оборудован стандартным разъёмом "Jack", центральный "+", толщина центрального вывода 2,1мм.
• На плате программатора имеются:
• Светодиоды, указывающие режим работы программатора (POWER, VPP).
• Встроенные интегральные стабилизаторы напряжений +5v(VDD) и +13,5v(VPP).
• Разъём внутрисхемного программирования (ICSP).
• Панельки для установки микросхем в распространённых корпусах DIP8, DIP18, DIP28, DIP40 (микросхемы в других корпусах подключаются через разъём ICSP).

Поведем анализ похожих  программаторов. Наиболее похожим по конструкции является программатор PICLIGHT-2. Он имеет следующие отличительные особенности:

1. Программатор работает и питается от последовательного порта компьютера (COM1, COM2, COM3, COM4).
2. Программа поддержки для PC на сопроводительной дискете.
3. Программатор позволяет программировать PIC-контроллеры внутрисхемно, через разъем "ICSP" (In Circuit Serial Programming).
4. Гибкость П/О: новые элементы могут быть введены пользователем .
5. Оперативное изменение всех параметров программирования.
6. Встроенный редактор.
7. Возможность сериализации.

Но для данного программатора  невозможно реализовать взаимозаменяемость деталей, что представляет определенную сложность в изготовлении данного программатора в “домашних” условиях в виду нехватки некоторых деталей, но в промышленных условиях это является достоинством данного программатора.

Следующие программаторы  изготавливаются только в промышленных условиях и имеют широкие рамки  программирования PIC-контроллеров: ChipStar-Lynx, ChipStar-Lynx+, ChipStar-Oberon, ChipStar-Sagitta. К достоинствам данных программаторов можно отнести программирование ПЗУ серий 27xxx, 28xxx, 29xxx, 39xxx, 28xxx, 24xxx, 93xxx, РФxx и многие другие; микроконтроллеров фирм Microchip, Atmel, Intel, Philips, Dallas, Winbond, SST и другие; цифровых сигнальных процессоров dsPIC; а также многие другие микросхемы; позволяют тестировать цифровые микросхемы серий 155, 531, 555, 561, 1533, 1534 и многих других. К недостаткам относится высокая стоимость данных программаторов.

Проанализировав и сравнив  аналогичные программаторы я  пришел к выводу, что оптимальным будет разработанный программатор EXTRAPIC.

КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

Разработка курсового проекта начинается с разработки электрической принципиальной схемы согласно техническому заданию. Схема электрическая принципиальная определяет полный состав элементов изделия и дает детальное представление о принципе работы изделия.

Принципиальная схема служит основой для разработки других конструкторских документов - схемы соединений и расположения, чертежей конструкции изделия - и является наиболее полным документом для изучения принципа работы изделия. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи (разъемы, зажимы и т.п.). Элементы изображают в виде условных графических обозначений, установленных ГОСТ и ЕСКД. Каждый элемент или устройство, изображенные на схеме, должны иметь позиционное буквенно-цифровое обозначение в соответствии с требованиями гост 2.710-81. Позиционные обозначения элементам следует присваивать в пределах изделия.  Порядковые номера элементам и устройствам присваивают, начиная с единицы в пределах группы элементов, имеющих одинаковые буквенные позиционные обозначения, например Rl, R2 и т. д., Сl, С2 и т. д. Порядковые номера присваивают в соответствии с последовательностью расположения элементов или устройств на схеме сверху вниз в направлении слева направо. Позиционные обозначения проставляют рядом с графическим обозначением с правой стороны или над ним. Проводники на схеме изображаются тонкими линиями.

При выполнении принципиальной схемы  на поле схемы допускается помещать различные текстовые данные: указания о марках, сечениях и расцветках проводов и кабелей, которыми должны быть выполнены  соединения элементов; указания о требованиях к электрическому монтажу данного изделия; указания о назначении отдельных цепей для схем, выполненных  строчным способом.

Данные об элементах  должны быть записаны в перечень элементов. Перечень элементов оформляют в виде таблицы и выполняют в виде самостоятельного документа на формате А4. Основную надпись и дополнительные графы к ней выполняют по ГОСТ 2.104 – 68  (форма 2 для первого листа, форма 2а для последующих листов). Перечню элементов, выполненному в виде самостоятельного документа, присваивают код «П» и в основной надписи указывают наименования изделия и конструкторского документа  «Перечень элементов».

В графах перечня помещают следующие данные:

• в графе «Поз. обозначение» – позиционное буквенно-цифровое обозначение элемента, устройства или функциональной группы;
• в графе «Наименование» – наименование элемента или устройства, тип и обозначение документа, на основании которого этот элемент или устройство применены;
• в графе «Примечание» –  технические данные, не содержащиеся в обозначении типа элемента, значения параметров, подбираемые регулировкой, и др.

Связь перечня с графическими обозначениями осуществляется через позиционные обозначения. Элементы в перечень записывают группами в алфавитном порядке буквенных позиционных обозначений. В пределах каждой группы, имеющей одинаковые буквенные позиционные обозначения, элементы располагают по возрастанию порядковых номеров. Допускается оставлять несколько незаполненных строк между группами элементов. Элементы одного типа с одинаковыми электрическими параметрами записывают в перечень в одну строку, при этом в графе «Кол.» указывают общее количество одинаковых элементов.

При записи одинаковых по наименованию элементов рекомендуется объединять их в группы, выполнять общий заголовок и записывать в графе «Наименование» только тип и документ, на основании которого этот элемент применен. Допускается обозначения документов, на основании которых применены элементы, записывать в общем наименовании (заголовке). Если продолжение перечня перенесено на следующий лист или свободное поле схемы, заголовок группы элементов повторяют.

Если в изделие входят несколько одинаковых  функциональных групп или устройств, то элементы, входящие в такие группы и устройства, записываются в перечень элементов отдельно в пределах каждого устройства или функциональной группы. Запись элементов, входящих в каждое устройство (функциональную группу), начинают с наименования устройства или функциональной группы, которое записывают в графе «Наименование». Ниже наименования устройства должна быть оставлена одна свободная строка, выше не менее одной свободной строки. При этом если на схеме изделия имеются элементы, не входящие в устройства (функциональные группы), то вначале записывают эти элементы без заголовка, а затем – устройства, не имеющие самостоятельных принципиальных схем, и функциональные группы с элементами, входящими в них. Если в изделии имеется несколько устройств или функциональных групп, то в перечне указывают количество элементов, входящих в одно устройство. Общее количество одинаковых устройств указывают в графе «Кол.» на одной строке с заголовком.

На основе этих принципов  была разработана схема электрическая  принципиальная программатора PIC-контроллера EXTRAPIC и представлена на чертеже (лист 1).

После разработки схемы  электрической принципиальной согласно техническому заданию необходимо разработать печатную плату. Сущность печатного монтажа заключается в нанесении на изоляционное основание тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных проводов и элементов схемы - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, контактных деталей и др.

 Печатный проводник – участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционное основание, выполняющий функции обычного монтажного провода.

Печатный монтаж – система печатных проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов схемы.

Печатная плата – изоляционное основание с нанесенным на нем печатным монтажом.

Навесные элементы – объемные  электро -  и радиоэлементы,  установленные  и закрепленные на печатной плате способом пайки и имеющие электрический  контакт  с печатными проводниками.

Контактная площадка – металлизированный участок вокруг монтажного отверстия, имеющий электрический контакт с печатным проводником и обеспечивающий электрическое соединение навесных элементов схемы с печатным монтажом.

Монтажное отверстие – отверстие в печатной плате, предназначенное для закрепления выводов навесных элементов и электрического соединения их с печатными проводниками.

Координатная сетка – сетка, наносимая на изображение платы и служащая для определения положения монтажных отверстий, печатных проводников и других элементов платы.

Шаг координатной сетки – расстояние между соседними линиями координатной сетки. Шаг координатной сетки должен быть кратным 0,625 мм  (0,625; 1,25; 1,875; 2,5 и т. д.)

Узел координатной сетки – точка пересечения линий координатной сетки.

Свободные места – участки печатной платы, где при размещении проводников могут быть выдержаны рекомендуемые значения ширины проводников и расстояния между проводниками и контактными площадками.

Узкие места – участки печатной платы, где при размещении проводников, ширина проводников, расстояния между ними и контактными площадками выполняются меньше рекомендуемых (вплоть до минимально допустимых).

Печатный блок – печатная плата с печатной схемой, навесными элементами и другими деталями, прошедшая все стадии изготовления.

Конструкторская документация на печатные платы и блоки оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.109–73,  ГОСТ 2.417–68 и действующими нормативно-техническими документами. Чертеж печатной платы должен содержать все сведения, необходимые для ее изготовления и контроля: изображение печатной платы со стороны печатного монтажа; размеры, предельные отклонения и шероховатость поверхностей печатной платы и всех ее элементов (отверстий, проводников), а также размеры расстояний между ними; необходимые технические требования; сведения о материале.

Размеры каждой стороны  печатной платы должны быть кратными 2,5 при длине до 100 мм, 5 при длине до 350 мм, 20 при длине более 350 мм.  Максимальный размер любой из сторон печатной платы не должен превышать 470 мм. Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1 и выбирается из ряда 1:1;  1:2;  2:3;  2:5. Толщину плат определяют исходя из механических требований, предъявляемых к конструкции печатного блока, с учетом метода изготовления. Рекомендуются платы толщиной 0,8; 1,0;  1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм. Чертежи печатных плат выполняют в натуральную величину или с увеличением  2:1, 4:1, 5:1, 10:1.

Разработку чертежа  печатной платы начинают с нанесения  координатной сетки. За основной шаг прямоугольной координатной сетки по ГОСТ 10317–79 принимается 2,5 мм. Для малогабаритной аппаратуры и в технически обоснованных случаях допускается применять дополнительные шаги 1,25 и  0,5 мм.

Центры всех отверстий  на печатной плате должны располагаться в узлах координатной сетки. Если из-за конструктивных особенностей навесного элемента этого сделать нельзя, то центры отверстий располагают согласно указаниям чертежа на этот элемент. Такое расположение центров отверстий используют для ламповых панелей, малогабаритных реле, разъемов и других элементов. При этом должны соблюдаться следующие требования: центр одного из отверстий, принятого за основное, должен быть расположен в узле координатной сетки; центры остальных отверстий нужно по возможности располагать на вертикальных или горизонтальных линиях координатной сетки. Диаметры монтажных и переходных металлизированных и не металлизированных отверстий выбирают из ряда (0,2); 0,4; (0,5); 0,6; (0,7); 0,8; (0,9); 1,0; (1,2); 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,2; (2,4); (2,6); (2,8); (3,0). Диаметры, не взятые в скобки, являются предпочтительными. Не рекомендуется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий. Диаметры металлизированных отверстий выбирают в зависимости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных отверстий – в зависимости от диаметров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия. При применении других диаметров металлизированных отверстий по ГОСТ 10317–79 разница между диаметром металлизированного отверстия и диаметром вывода должна быть не более 0,4 мм  для выводов диаметром от 0,4 до 0,8 мм и 0,6 мм для выводов диаметром свыше 0,8 мм.

Шepoxoватость поверхности  монтажных не металлизированных отверстий и торцов печатных плат должна быть ≤ Rz80 по ГОСТ 2789 –73. Шероховатость поверхности монтажных и переходных металлизированных отверстий ≤ Rz 40.

Все монтажные отверстия  должны иметь контактные площадки. Форма контактной площадки может быть произвольной, круглой, прямоугольной или близкой к ним. Центр контактной площадки симметричной формы должен совпадать с центром монтажного отверстия, для контактных площадок прямоугольной и овальной форм центр монтажного отверстия может быть смещен.

Рекомендуется делать плавный  переход контактной площадки в проводник. При этом ось симметрии печатного проводника должна быть перпендикулярна касательной к контуру контактной площадки или самому контуру контактной площадки. Печатные проводники следует изображать в виде отрезков линий, совпадающих с линиями координатной сетки, или под углом, кратным 15°. Допускается выполнение проводников произвольной конфигурации и скругление перегибов проводников.

    Печатные проводники  следует выполнять одинаковой ширины на всем протяжении. В узких местах сужают проводники до минимально допустимых значений на возможно меньшей длине. Взаимное расположение проводников не регламентируется.

При необходимости прокладки  проводников шириной 0,3 – 0,4 мм на всем протяжении рекомендуется через 25 – 30 мм предусматривать расширение проводника типа контактной площадки. Проводники шириной менее 2,5 мм изображают одной линией, являющейся осью симметрии проводника, более 2,5 мм – двумя линиями и штрихуют под углом 45° или зачерняют.

На чертеже печатной платы указывают габаритные размеры платы, ширину проводников, имеющих строго определенную или переменную ширину (при этом расчетную ширину следует указывать на каждом участке между двумя соседними контактными площадками, переходными или монтажными отверстиями); диаметры и координаты крепежных, технологических и других отверстий, не связанных с печатным монтажом.

На поле чертежа указывают метод изготовления платы, технические условия (если не все данные содержатся на чертеже), шаг координатной сетки, ширину проводников и расстояния между ними, расстояния между контактными площадками, между контактной площадкой и проводником, допуски на выполнение проводников, контактных площадок, отверстий и расстояний между ними, особенности конструкции, технологии и другие параметры печатных плат.

Технические требования располагают над основной надписью, формулируют и излагают в следующей последовательности:

1. Плату изготовить ……………  методом.
2. Плата должна соответствовать  (ГОСТ, ОСТ).
3. Шаг координатной сетки ... мм.
4. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке с отклонением от  чертежа ... мм.
5. Допускается скругление углов контактных площадок и проводников.
6. Места, обведенные штрихпунктирной линией  проводниками не занимать.
7. Требования к параметрам элементов платы – в соответствии с конструктивными данными.
8. Ширина проводников в свободных местах ... мм, в узких ... мм.
9. Расстояние между двумя проводниками, между двумя контактными площадками   или проводником и контактной площадкой в свободных  местах  ... мм, в узких – ... мм.
10. Форма контактных площадок произвольная,  bтiп =... мм.
11. Допускается занижение контактных площадок металлизированных отверстий на наружных слоях до зенковки, на внутренних слоях ...
12. Предельные отклонения расстояний между центрами отверстий, кроме оговоренных особо, в узких местах  ± ... мм,  в свободных местах  ± ... мм.
13. Предельные отклонения расстояний между центрами контактных площадок в группе + ... мм.
14. Маркировать эмалью ...  ГОСТ  ... ,  шрифт  ...  по ГОСТ ...

На основе этих принципов была разработана печатная плата программатора PIC-контроллера EXTRAPIC и представлена на чертеже (лист 2).

После разработки печатной платы согласно техническому заданию  необходимо разработать сборочный чертеж печатной платы.

Сборочный чертеж печатной платы при минимальном количестве изображений должен давать полное представление о расположении и выполнении всех печатных и навесных элементов и деталей. Сборочный чертеж выполняют в соответствии с требованиями ГОСТ 2.109–73 с учетом требований ГОСТ 2.413–72.  Конструкции навесных элементов вычерчиваются в виде упрощенных изображений, им присваивается буквенно-цифровое позиционное обозначение в соответствии с электрической принципиальной схемой, по которой выполняют электрический монтаж платы. На сборочном чертеже печатной платы должны быть указаны номера позиций всех составных частей, габаритные и присоединительные размеры, должны содержаться сведения о способах присоединения навесных элементов к печатной плате.

В технических требованиях  сборочного чертежа должны  быть ссылки на документы (ГОСТ, ОСТ), устанавливающие правила подготовки и закрепления навесных элементов, сведения о припое и др.

Основным конструкторским  документом  сборочного чертежа печатной платы является спецификация, оформляемая в виде таблицы по правилам ГОСТ 2.108–68. При записи в спецификацию составных частей, являющихся элементами электрической принципиальной схемы, в графе «Примечание» указывают буквенно-цифровые позиционные обозначения этих элементов.

Разработка конструкторской документации печатных плат может осуществляться ручным, полуавтоматическим или автоматизированным методами.

Ручной метод предусматривает  разбивку навесных элементов на функциональные группы, размещение групп элементов на площади платы, трассировку печатных проводников и обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка.

При ручном методе конструирования разрабатывается чертеж платы, содержащий изображение платы с проводящим рисунком и отверстиями, а также, при необходимости, дополнительное отдельное изображение части платы, требующей графического пояснения или нанесения размеров, координатную сетку, выполненную в соответствии с требованиями ГОСТ 2.417–78, размеры всех элементов проводящего рисунка и их предельные отклонения, технические требования. Чертеж платы должен выполняться в масштабе не менее 2:1, максимальный формат AI.

Полуавтоматизированный  метод предусматривает размещение навесных элементов при помощи ЭВМ, при ручной трассировке печатных проводников или ручное распределение навесных элементов при автоматизированной трассировке проводников, обеспечивает ускорение процесса конструирования при оптимальном размещении проводящего рисунка. Чертеж платы должен содержать все сведения, необходимые для ее изготовления и контроля. Изображение слоев платы получают с расчерчивающего устройства в виде чертежа схемы, фотосхемы, фотоотпечатка в масштабе 1:1 или 2:1. На чертеже схеме и фотосхеме контактные площадки могут быть изображены условно одной окружностью. Чертеж схему, фотосхему или фотоотпечаток наклеивают на оригинал чертежа платы.

Постоянные данные чертежа, например, технические требования, таблицу отверстий, следует впечатывать с оригинала чертежа постоянной части. Формат конструкторского документа должен быть не более А2.

Автоматизированный метод  предполагает кодирование исходных данных, размещение навесных элементов и трассировку печатных проводников производить при помощи ЭВМ.

Такой метод обеспечивает высокую производительность труда  при изготовлении чертежей. При автоматизированном методе конструктор разрабатывает чертеж-схему кодирования, содержащий номинальные значения размеров элементов конструкции платы.

Чертежи с применением  электромонтажа относятся к сборочным, поэтому содержат как минимум два документа - спецификацию и сборочный чертеж. В электротехнике значительная группа изделий изготавливается с применением электромонтажа, например электро- и радиоприборы, электроустановки и т. д.

Согласно этим принципам  разработан сборочный чертеж печатной платы программатора PIC-контроллера и спецификация (лист 3).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.А. Бакаев, В.И. Гриценко, Д.Н. Козлов “Методы организации и обработки баз знаний” Наукова думка, Киев 1993
2. Бойко В.В., Савинков В.М. “Проектирование информационной базы   автоматизированной системы на основе СУБД.” М.: Финансы и статистика, 1982
3. Борзов Ю.В. “Методы тестирования и отладки программ ЭВМ.” Рига, ЛГУ им. П. Стучки, 1980
4. Бронин Е.И. “Принципы построения и архитектура САПР”
5. Ю.Х. Вермишев “Основы автоматизации проектирования”
6. Гудман С. “Введение в разработку и анализ алгоритмов.” М.: Мир, 1981
7. К.Г. Гусев М.Ф. Бабаков “Основы теории надежности учебное пособие” ХАИ 1975

8. Н.И. Заец “Радиолюбительские конструкции на PIC-микроконтроллерах. Книга 3.2006”