Разработка алгоритма работы микроконтроллера

 

Устройство осциллографа содержит микроконтроллер, который является управляющим узлом. В данном пункте рассмотрим алгоритмы работы микроконтроллера DD4.

В общем виде алгоритм работы микроконтроллера заключается в обработке данных АЦП, а также в выводе информации на внешние устройства.

Рисунок 2.16 – Блок схема основного алгоритма программы

 

Алгоритм состоит из следующих блоков:

- Инициализация микроконтроллера, при включении питания настраиваются порты ввода/вывода, USB, таймеры, USART, внешний тактовый генератор. Необходимо установить режим работы от внешнего тактового генератора, настроить таймер Т0 для организации работы USART, Т1 для организации временных интервалов управления.

Рисунок 2.17 – Блок схема алгоритма инициализации МК

 

- Обработка данных АЦП. В интервале, приблизительно равным 1мкс производится считывание информации с АЦП. Алгоритм управления микросхемой АЦП приведён на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Блок обработки данных АЦП

 

- Передача данных. Осциллограф способен организовать передачу измерительной информации на внешние устройства посредствам интерфейса USB. Передача данных организована встроенным аппаратным блоком микроконтроллера USART, поэтому отправка происходит по идентификации флага наличия данных в соответствующем буфере.

Микроконтроллер принимает данные по параллельным линиям RD0-RD7, RC4-RC5 и передаёт данные по линии USART/USB в формате:

- 1 байт: биты 0-7 данных;

- 2 байт: биты 8-9 данных + коэффициент усиления.

Кроме того, каждую секунду передаётся метка реального времени.

 

Рисунок 2.19 – Блок передачи данных

 

- Приём команды. Микроконтроллер может принять команду от персонального компьютера, как это было подробно описано в пункте 2.3. Оператор может масштабировать сигнал на увеличение либо уменьшение, а также установить время часов DD2.

- Настройка уровня. Алгоритм выполняется в автоматическом режиме, в том случае, когда компаратор DA3 выдаёт импульс превышения данных порога. Микроконтроллер будет уменьшать сопротивление цифрового резистора до тех пор, пока сигнал не будет находиться в установленных рамках.

 

РАСЧЕТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ НАДЕЖНОСТЬ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ОСЦИЛЛОГРАФА ПОРТАТИВОГО

Расчёт надёжности

 

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных преде­лах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять тре­буемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения транспортирования. Надежность является комплекс­ным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригод­ность, и сохраняемость или определённые сочетания этих видов.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени или наработки. Свойства проявляются как в пе­риод использования объекта по прямому назначению, так и в период его хра­нения и транспортирования.

Показателями безотказной работы цифрового портативного осциллографа могут служить вероятность безот­казной работы и средняя наработка по отказу. В схеме устройства можно вы­делить i – элементов, последовательный (постепенный) отказ которых выража­ется формулой

                                            (3.1)

где n – число групп элементов шт;

ni – количество элементов i – группы;

li – количество отказов i – группы;

аi – коэффициент, учитывающий эксплуатационные факторы.

Условия эксплуатации:

- температурный режим от - 10 до +40^ºС.

- влажность воздуха от 60 до 70% при t=25 ^ºC;

- высота от 0 до 1 км;

- прибор не герметизирован и не амортизирован;

- P(t) заказчика - 0,75

Вероятность безотказной работы P ( t ) прибора в течении заданного промежутка времени (t) определяется по формуле

                                              (3.2)

Для микросхем цифровых и аналоговых, полупроводниковых приборов, рези­сторов, конденсаторов, разъёмов, дросселей эксплуатационный коэффициент равен

а i = b 1∙ b 2∙ b 3∙ b 4∙ b 5,                                (3.3)

где b1, b2 - коэффициенты, учитывающие влияние механических воздейст­вий на интенсивность отказов механических элементов;

b3 - коэффициент, учитывающий влияния влажности воздуха на интенсив­ность отказов;

b4, b5 - коэффициенты, учитывающие влияние высоты и влияние темпера­туры и режима работы механически элементов на интенсивность отка­зов.

Для печатной платы эксплуатационный коэффициент равен

а i = b 1∙ b 2∙ b 3∙ b 4.                                           (3.4)

Для соединений пайкой эксплуатационный коэффициент равен

а i = b 6∙ b 7∙ b 8 ,                                             (3.5)

где b6, b7- коэффициенты, учитывающие влияние механических воз­дейст­вий на интенсивность отказов механических элементов;

b8- коэффициент, учитывающий влияния влажности воздуха на интенсивность отказов.

Согласно формул (3.3), (3.4), (3.5) определяем аi

a1 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 = 1,35;

a2 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 =1,35;

a3 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,75 =1,35;

a4 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,075 = 0,135;

a5 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,23 = 0,414;

a6 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,07 = 0,126;

a7 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,38 = 0,684;

a8 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1× 0,42 = 0,756;

a9 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1× 0,42 = 0,756;

a10 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 × 0,1 = 0,18;

a11 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 = 1,8;

a12 = 5 × 2 × 1 = 10.

a13 = 1,5 × 1,2 × 1 × 1 = 1,8.

Необходимые для расчета надежности данные сведены в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1 – Суммарная интенсивность отказов

№ груп-пы	Наименование и тип элемен­тов	Кол-во эле­ментов ni, шт	Интенсивность отказа элемента li×10-6, ч-1	Эксплуатационный коэф-фици­ент, аi	Произведе­ние ni×li ×ai
1	2	3	4	5	6
1	Полупроводниковые цифровые ИС 3-й степени интеграции	3	0,5	1,35	2,025
2	Полупроводниковые цифровые ИС 4-й степени интеграции	2	0,6	1,35	1,62
3	Полупроводниковые аналоговые ИС 2-й степени интеграции	3	0,55	1,35	2,227
4	Светодиоды	1	0,7	0,135	0,094
5	Резисторы постоянные непроволочные Pном< 0,5 Вт	9	0,05	0,414	0,1863
6	Конденсаторы керамические	6	0,05	0,126	0,0378
7	Конденсаторы электролитические танталовые	2	0,25	0,684	0,342
8	Разъемы	3	0,2	0,756	0,453
9	Кнопки	1	0,4	0,756	0,302
10	Резонаторы кварцевые	2	0,37	0,18	0,133
11	Плата печатная	1	0,2	1,8	0,36
12	Места пайки	200	0,004	10	8
13	Корпус	1	1,1	1,8	1,98
L = S ni × l i × ai					17,8 × 10-6 ч-1

По формуле (3.1) находим интенсивность отказов устройства в целом.

Вероятность безотказной работы определяем для наработок 1000, 5000, 10000, 20000 по формуле (3.2)

;

;

;

.

Рисунок 3.1 - График зависимости вероятности безотказной работы Р = f (t)

 

При вероятности безотказной работы 0,75 наработка на отказ 16000 часов.

 

Анализ надёжности

 

Проведем анализ надежности по группам элементов. Анализ надежности проводим с целью выявления самых ненадежных элементов в схеме. Разделения элементов на группы производим согласно схемы электрической структурной БНТУ.000000.100Э1.

В состав блоков входят следующие элементы:

1. Входное устройство;

2. Блок обработки, управления и индикации;

3. Блок передачи данных.

Интенсивность отказов первого блока определяется по формуле

l₁=l_DD1+l_DA1,DA3 +l_C1,C4+l_R1-R6+l_XS1+l_{МЕСТА ПАЙКИ}                 (3.6)                                                        

Интенсивность отказов второго блока определяется по формуле

l₂=l_DD2+l_DD4+l_VD1+l_R7-R9+l_C5,C6+l_ZQ1,ZQ2+l_SB1+l_{МЕСТА ПАЙКИ}                (3.7)

Интенсивность отказов третьего блока определяется по формуле

l₃=l_DA2+l_DD3+l_DD5+l_C7,C8+l_C2,C3+l_XS2,XS3+l_{МЕСТА ПАЙКИ}            (3.8)

l₁=(0,5+0,55∙2+0,05·2+0,05·6+0,2+0,004∙50) ∙10^-6= 2,4∙10^-6 ч^-1

l₂=(0,5+0,6+0,7+0,05∙3+0,05∙2+0,37·2+0,4+0,004∙100)∙10^-6= 3,59∙10^-6 ч^-1

l₃=(0,55+0,6+0,5+0,05∙2+0,25·2+0,2·2+0,004∙100)∙10^-6= 3,05∙10^-6 ч^-1

Определяем вероятность безотказной работы блоков P(t) в течении времени t по формуле

t_кр.i = ln(P)/λ_i                            (3.9)

t_кр.1 = -ln(0,75)/2,4∙10^-6 = 120000 ч;

t_кр.2 = -ln(0,75)/3,59∙10^-6 = 80100 ч;

t_кр.3 = -ln(0,75)/3,05∙10^-6 = 94300 ч.

По полученным данным строим график зависимости вероятности безотказной работы Р=f(t) который приведен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - График зависимости вероятности безотказной работы отдельно взятых блоков

Согласно графику, изображенному на рисунке 3.2 t_кр1 равно 120000 часов, t_кр2 - 80100 часов, t_кр3 - 94300 часов, в то время как наработка на отказ всего устройства в целом составляет 16000 часов.

Так как технический ресурс (габаритный) значительно меньше приведенных значений t_кр, то это дает возможность повысить Р_экспл.

 

Рисунок 3.3 - Схема соединения блоков

 

Для проверки осциллографа выбираем метод последовательной поэлементной проверки, он заключается в том, что элементы изделия при поиске неисправности проверяются по одиночке в определенной, заранее установленной последовательности. Если очередной проверяемый элемент оказался исправным, то переходят к проверке следующего. При обнаружении неисправного элемента поиск прекращается, и элемент заменяется (ремонтируется). Затем проверяют работоспособность. Если при этом система не функционирует нормально, то приступают к дальнейшей проверке. Причем проверка начинается с той позиции, на которой был обнаружен неисправный элемент.

Устанавливаем время измерения в точках схемы:

- для первого блока τ₁ = 2 мин;

- для второго блока τ₂ = 3 мин;

- для третьего блока τ₃ = 3 мин.

Определим условные вероятности отказов. Для метода последовательных поэлементных проверок условные вероятности отказов q по значению соответствуют l. Тогда q₁=2,4, q₂=3,59, q₃=3,05.

Определяем отношение

τ₁/q₁ = 2/(2,4) = 0,83;

τ₂/q₂ = 3/(3,59) = 0,84;

τ₃/q₃ = 3/(3,05) = 0,98.

Исходя из расчетов, первое измерение необходимо производить на выходе первого блока, так как у него наименьшее значение отношения. Второе - на выходе второго блока и т.д.

Для аналитического процесса поиска неисправностей, как правило, применяют его графическое изображение в виде программы поиска неисправностей. Условное обозначение элемента производят в виде прямоугольника, а измерение в виде круга (с порядковым номером). Тогда программа поиска неисправности будет представлена ветвящейся схемой, состоящей из кружков с двумя выходами, обозначающих результат измерения (есть нужный сигнал или нет – «да» или «нет» соответственно) и оканчивающейся прямоугольниками, обозначающими неисправный элемент.

Рисунок 3.4 - Программа поиска неисправности изделия

 

Среднее время поиска неисправности по программе вычисляется по формуле

                     T_ПН=q₁·τ₁+q₂·(τ₁+τ₂)+q₃·(τ₁+τ₂+τ₃)                               (3.9)

T_ПН = 2,4·2+3,59·(2+3)+3,05·(2+3+3) » 60 мин.

Для обеспечения допустимой величины вероятности безотказной работы Р(t)=0,75 определим некоторые эксплуатационные показатели.

Параметр потока отказов ω, ч^-1 определяется по формуле

ω = 1 / t_кр,                                           (3.10)

 ч^-1

Периодичность проведения регламентных работ t_РР, ч, определяется по формуле

,                                                 (3.11)

 ч.

Вычислим оптимальный период выполнения регламентных работ Т_Ропт, ч, по формуле

,                                  (3.12)

где Т_пр – среднее время выполнения одной профилактики (Т_пр=1,5 ч);

 Λ_ПО – интенсивность постепенных отказов изделия, обнаруживаемых во время выполнения техобслуживания, ч^-1.

Интенсивность постепенных отказов Λ_ПО, ч^-1 рассчитываем по формуле

;                             (3.13)

 ч^-1;

 ч.

Одним из важнейших показателей эксплуатационных свойств изделия является коэффициент технического использования К_ТИ. Он показывает какая, доля от всего времени эксплуатации изделия приходится на время его работы. К_ТИ рассчитывается по формуле

,                                     (3.14)

где t_п - время пребывания изделия в исправном состоянии, независимо от того работало оно или находилось в ожидании;

t_ТО  - общее время, затрачиваемое на техническое обслуживание (без восстановления);

t_в - общее время, затрачиваемое на восстановление (устранение неисправности).

Согласно общего расчета надежности, проведенного в пункте 3.1, принимаем время t_П равным 16000 часам, а время t_ТО согласно формулы равным 570 часов. Общее время t_В принимаем равным двум часам. Тогда:

.

В качестве основного критерия оценки эксплуатационных свойств изделия служит коэффициент простоя изделия К_п. Рассчитываем данный показатель по формуле

,           (3.15)

.

Рассчитанное значение К_П является показателем высоких эксплуатационных свойств осциллографа.

Расчёт печатной платы

 

Ширина печатных проводников определяется по максимальному току для разных цепей схемы, если допустимая плотность тока J_ДОП=60 А/мм², максимальный ток: для шин +5В І_М1=20 мА, а толщина металлизированного покрытия m_ПОК=0,4 мм, тогда ширина будет равной

                                           (3.16)

Принимаем толщины проводников: 0,25мм~10мД.

Расстояние между проводниками найдем по разнице потенциалов, с учетом электрических характеристик выбранного метода изготовления. В нашей схеме, в основном, максимально возможное напряжение не превышает 5 В, расстояние между печатными проводниками - 0,25 мм~10мД.

На плате производится поверхностный монтаж. После выбора элементной базы, рассчитываем площадь, занимаемую каждым элементом S, мм².

Исходные данные и сводим в таблицу 3.2.

Определим суммарную площадь электрорадиоэлементов S,мм², устанавливаемых на плату, таблица 3.2, по формуле (3.17)

,                           (3.17)

где Sуст – установочная площадь электрорадиоэлементов, м²·10^-6.

Таблица 3.2 - Установочная площадь элементов

Наименование и тип элемента	Кол-во N, шт.	Установочная площадь элемента, S0, м2·10-6	Установочная площадь группы элементов, Sуст, м2·10-6
LT1016	1	65,00	65,00
AD8051	1	35,00	35,00
КР1181ЕН5	1	19,00	19,00
DS1805-100	1	35,00	35,00
DS1307	1	20,00	20,00
ADC10461	1	117,00	117,00
PIC16F877	1	728,00	728,00
FT232RL	1	54,00	54,00
Конденсатор SMD 0805	6	2,6	15,6
Конденсатор  К50-77	2	25,00	50,00
Резистор 0805	9	2,60	23,4
HC-49U	2	40,00	80,00

 

Определяем площадь платы с учетом коэффициента заполнения площади платы Sпл, м², по формуле

,                                          (3.18)

где Кз – коэффициент заполнения платы.

Коэффициент заполнения площади выбирается в пределах от 0,2 до 0,5. Возьмем Кз=0,5, тогда по формуле получим

Исходя из этой площади, с учетом монтажных и крепежных отверстий, получаем печатную плату с размерами сторон равными 60х50 мм.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: