Мобильный терминал для поиска неисправностей в компьютерных сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ технического задания

мобильный сетевой анализатор обмен

Выбор элементной базы

Выбор элементной базы является важной частью разработки любого электронного устройства, так как от правильного выбора зависит как стоимость устройства, так и гарантированное выполнение своих функций в условиях предусмотренных в техническом задании. При выборе элементной базы для разрабатываемой установки необходимо учитывать следующие требования:

обеспечение минимальной потребляемой мощности электрорадиоэлементов (ЭРЭ);

обеспечение быстродействия ЭРЭ;

обеспечение заданных габаритов платы;

обеспечение работы платы в условиях, указанных в техническом задании;

обеспечение наименьшей стоимости платы;

обеспечение простоты ремонта.

Таким образом, задача выбора типа элементной базы состоит из трех основных этапов:

выбор серий используемых интегральных схем;

выбор типов корпусов используемых интегральных схем;

выбор остальных ЭРЭ.

В качестве центрального процессора используется AT91RM9200 - завершенная однокристальная система, построенная на основе процессора ARM920T ARM Thumb [16]. Она включает в себя богатый набор системных и прикладных внешних устройств и стандартных интерфейсов, тем самым предлагая решить широкий диапазон задач на основе одной микросхемы, где требуется добиться большого числа функций при малом энергопотреблении и при самой низкой стоимости .

Выбор этого процессора также обусловлен тем, что производственные мощности не сконцентрированы в одной стране, а распределены по мировым промышленным комплексам в нескольких странах. Зачастую это немаловажный фактор для государственных структур. Заинтересованных в применении техники собранных на основе импортных компонентов.

Данный микропроцессор поставляется в 2х типах корпусов:

LFBGA 256

PQFP 208

Первый тип представляет собой массив шариков на прямоугольном корпусе. Второй - все выводы расположены по периметру корпуса микросхемы.

LFBGA PQFP

Рис. 4.1 Виды корпусов BGA и PQFP.

Не смотря на более высокую плотность и меньшие размеры у LFBGA типа корпуса, был выбран PQFP тип, так как позволяет проконтролировать качество пайки микросхемы и имеют лучшие показатели надежности. При тепловом расширении или вибрации гибкие контакты этого корпуса скомпенсируют нагрузки, в отличие от шарообразных контактов у LFBGA [23].

Номенклатура зарубежных микросхем :

SN 74 HC 244 DW

1 2 3 4 5

1.Стандартный префикс

2.Тип исполнения

54 - военное исполнение

74 - промышленное

3. Обозначение семейства микросхем

(HС- высоко скоростная CMOS логика)

4. Выполняемые функции

244 - буфер 5. Количество бит

5.Тип корпуса

Произведем выбор типов корпусов используемых ИС серии SN74. Корпуса интегральных микросхем выполняют ряд функции, основные из которых: защита от климатических и механических воздействий, экранирование от помех, упрощенный процесс сборки микросхем, унификация конструктивного элемента по габаритным и установочным размерам .

Микросхемы серии SN 74 могут выпускаться в корпусах следующих типов:

- ДИП корпус со штыревыми выводами;

- СМД корпус с планарными выводами.

По используемым материалам корпуса можно разделить на:

- металлостеклянные (стеклянные);

- металлокерамические (керамические);

- полимерные (металлополимерные) корпуса:

a. монолитные (пластмассовые);

b. сборные (шовноклеевые).

Так как, в соответствии с ТЗ, блок работает в диапазоне температур воздуха от +5 до +55⁰С, без серьезных механических перегрузок, при нормальном атмосферном давлении, применение микросхем в металлостеклянных и металлокерамических корпусах нецелесообразно. К применению выбран корпус поверхностного монтажа типа SOIC, обеспечивающий малый вес и высокую технологичность при низкой стоимости [14].

В схеме используются металлопленочные теплостойкие резисторы R0805 (0.08 * 0.05 дюйма). Данные резисторы выпускаются с отклонениями по номиналу:

не более 10%;

не более 5%;

не более 1%;

не более 0,5%.

Для применения в данном устройстве выбраны резисторы с отклонением по номиналу не более 1%. Выбор обосновывается тем, что данные резисторы нашли широкое распространение в электронных вычислительных машинах, выпускаются в широком диапазоне сопротивлений; обладают достаточной точностью, удобством изготовления, электрической и механической прочностью и дешевизной.

Также в схеме используются резисторные сборки CAY16-F4.Они позволяют уменьшить количество элементов и площадь, занимаемую ими на плате [15].

Рис. 4.2 Корпус резистивной сборки.

CA Y 16 - 103 J 4 LF

1 2 34 5 6

1. Общее название серии

2. Тип корпуса

3. Значение сопротивления

4. Значение сопротивления

5. Допуск на значение сопротивления

F = ± 1%

G = ± 2%

J = ± 5%

6. Тип корпуса

В схеме используются керамические конденсаторы SMT 0805. Данные конденсаторы предназначены в основном для работы в цепях высокой частоты, их достоинства - хорошие частотные свойства, высокая стабильность параметров, простота конструкции, дешевизна, низкая собственная индуктивность [14].

В качестве ПЗУ используется микросхема AT45DB081B-RI, программирование которой осуществляется электрическим путем, то есть позволяет многократное программирование [16].

В схеме также используются микросхемы статического ОЗУ IS42S16400B-BYPIN в корпусе TSOP-54 [18]..

Для реализации часов реального времени была использована микросхема DS1307 в SOIC исполнение. А для дополнительного температурного контроля самого прибора интегральный цифровой термометр DS18S20 [19], данная микросхема на нашем рынке присутствует только в корпусе TO-92 [22].

Для стабилизации напряжения в схеме синхронизации импульсов предусмотрен стабилизатор MIC4576-50 и линейные IRU-1010-18, IRU-1010-33 [17]..

2. Разработка топологии печатной платы

2.1 Выбор материала печатной платы

Материал для печатной платы выбирается по ГОСТ 10316-78. Исходя из характеристик используемых для изготовления печатных плат фольгированных материалов следует, что стеклотекстолиты превосходят гетинакс по параметрам механических и электрических характеристик , и воздействию влажности, уступая только в диэлектрической проницаемости. Это существенный плюс для использования в аппаратуре, где очень важна надежность материалов. В качестве материала для печатной платы выбран стеклотекстолит марки СФ -2 -35-1.5, толщина фольги 35мкм, платы-1.5мм.

Таблица 1. Механические характеристики некоторых изоляционных материалов для изготовления печатных плат

Показатели	ГФ-1	ГФ-1-П, ГФ-2-П	ГФ-1-Н, ГФ-2-Н	СФ-1, СФ-2	Гетинакс марок
					А	Б	В
Плотность, г/см3	с фольгой	1,8-2,0	1,5-1,85	1,5-1,85	1,9-2,9	-	-	-
	без фольги	1,3-1,4	1,3-1,4	1,3-1,4	1,6-1,8	1,3-1,4	1,25-1,4	1,3-1,4
Предел прочности при растяжении в кгс/см2 (не менее)	800	800	800	2000	800	700	1000
Водопоглощение в % (не более)	5	4	4	3	0,5	0,5	0,6

Таблица 5.2 Электрические характеристики некоторых изоляционных материалов для изготовления печатных плат.

Показатели	ГФ-1	ГФ-1-П, ГФ-2-П	ГФ-1-Н, ГФ-2-Н	СФ-1, СФ-2	Гетинакс марок
					А	Б	В
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом (не менее)	1011	1011	1011	1012	1011	-	1010
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*см (не менее)	1012	1012	1011	1013	1011	-	1010
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 10б Гц(не более)	0,038	0,038	0,038	0,045	-	-	-
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц (не более)	7	7	7	6	8	8	-

2.2 Требования к технологической заготовке основания печатной платы

Основные требования к заготовке печатной платы:

Размер заготовки должен быть не более (L W) (308 208) мм (12.12” x 8.18”).

Толщина листа заготовки платы должна быть от 0.6 мм до 3.мм (0.024”… 0.2”).

Зоны на заготовке, запрещённые для размещения компонентов должны соответствовать (рис. 2.1):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1 Зоны, запрещённые для размещения компонентов

А - сторона платы для установки SMD компонентов:

-запрещённая зона шириной 3 мм от верхнего края заготовки (Рис.1);

-запрещённая зона шириной 5 мм от нижнего края заготовки (Рис.1).

В - противоположная SMD компонентам сторона платы

-запрещённые зоны шириной 5 мм от верхнего и от нижнего краёв платы (Рисунок 5.1).

Деформация заготовки платы не должна превышать величин, указанных на рисунке 5.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2 Деформация платы для пайки SMD компонентов

При необходимости установки на плату навесных компонентов до установки компонентов SMD их высота не должна превышать:

- на стороне платы для установки SMD компонентов - 6.5 мм (0.26”) (Рис. 2.3);

- на противоположной SMD компонентам стороне платы -10 мм (0.4”) (Рис. 23.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.3 Высота навесных элементов

2.3 Размещение печатных проводников и компонентов

При размещении печатных проводников и компонентов необходимо учитывать следующие требования.

- все безкорпусные и компоненты с планарными выводами (SMD) следует размещать на одной стороне платы.

- зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на рисунке 2.4.

Рис. 2.4 Минимальные зазоры между проводниками

- компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм (0,05”) от края заготовки и не ближе запрещённых зон, указанных в п.5.1;

- в слое металлизации при трассировке проводников нужно избегать острых углов;

- шина заземления должна быть везде, где это возможно;

- обратить внимание на необходимость запрещённой зоны вокруг крепёжных отверстий;

- диаметры отверстий для компонентов с выводами должны превышать диаметры выводов не более чем на 0.25мм (0.01”);

- диаметры отверстий на чертеже указываются с учётом толщины металлизации;

- расстояние от края не металлизированного отверстия до контактной площадки или проводника должно быть не менее 0.5 мм (0.02”);

- полярные компоненты желательно ориентировать одинаково;

все пассивные компоненты одного типа по возможности группировать. В группах компоненты располагать параллельно (Рис.2.5.);

- все SOIC компоненты рекомендуется размещать перпендикулярно длинной оси пассивных компонентов (Рис.2.5.);

Размещено на http://www.allbest.ru/

-

Рис. 2.5 Размещение компонентов на печатной плате

проводники, расположенные под компонентами SMD, должны быть закрыты защитной маской;

- для уменьшения оттока тепла при пайке от контактных площадок (для исключения появления “холодных” паек) необходимо:

а) Использовать узкие проводники, соединяющие непосредственно контактную площадку и широкий проводник, как показано на Риc.2.6. (а, б).

б) Все перемычки между ножками SMD микросхем должны находиться вне места пайки:

Ширина подводящего “узкого” проводника выбирается в зависимости от класса точности платы и от проходящего по нему тока.

а) б)

Рис. 2.6 Примеры подвода широких проводников к контактным

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.7. Перемычки между ножками микросхемы

г) Площадки SMD компонентов, находящиеся на больших полигонах, должны быть отделены от полигона перемычками.

Рис. 2.8. Примеры расположения площадок SMD на больших полигонах.

д) Вокруг контактной площадки нанести маску, которая препятствует перемещению расплавленного припоя вдоль проводника.

2.4 Выполнение переходных отверстий

При проектировании переходных отверстий необходимо соблюдать следующие требования:

- не допускается располагать переходные отверстия под компонентами SMD и на контактных площадках;

- диаметр переходных отверстий должен выбираться, основываясь на толщине платы и рекомендованном производителем отношении толщины платы и минимальном диаметре металлизированного отверстия.

Приведённый рисунок 2.9 демонстрирует рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.9. Примеры расположения переходных отверстий.

2.5 Маркировка платы

На плате наносится маркировка:

- графических и позиционных обозначений компонентов (графические обозначения компонентов должны отражать полярность и ориентацию компонентов на плате);

- обозначения платы, версии, обозначения предприятия-изготовителя и его адрес;

- предусматривается место для нанесения номера и даты изготовления платы;

- маркировка на плате выполняется трафаретной печатью либо в слое проводников;

- трафаретную печать желательно располагать только по областям платы, покрытых защитной маской;

2.6 Выбор системы автоматизированного проектирования.

При выборе системы автоматизированного проектирования следует учитывать следующие особенности:

Удобство проектирования

Простота интерфейса

Функциональность САПР

Наличие готовых библиотек компонентов

Поддержка большого числа стандартов, в том числе российских

Совместимость с программами для проектирования, имеющимися на предприятии (например, AutoCAD, Solid Works, Компас )

Поддержка программными автоматами для производства печатных плат данного САПР, то есть прямое программирование станка из САПР.

Большинству данных требования удовлетворяют следующие программные продукты:

Accel P-CAD 2002 и выше

OrCAD

Protel

В результате анализа данных САПР решено выбрать в качестве средства проектирования печатной платы систему P-CAD, так как она подходит по всем параметрам, а главное поддерживается станками для производства печатных плат, что существенно упростит дальнейшее производство устройства. Кроме того, в системе P-CAD имеется встроенное средство для экспорта файлов топологии печатной платы в другие системы автоматизированного проектирования, например AutoCAD. Это позволяет упростить подготовку конструкторской документации. в систему P-CAD включены несколько десятков интегрированных библиотек компонентов, компоненты которых можно отредактировать до параметров, нужных для текущего проекта. Кроме того, данная система позволяет создание своих пользовательских библиотек [4,8,9].

Общие характеристики системы автоматизированного проектирования P-CAD:

32-разрядная база данных;

разрешающая способность P-CAD РСВ и других программ равна 0,001мм;

до 100 открытых одновременно библиотек;

число компонентов в одной библиотеке - неограничено;

до 64 000 электрических цепей в одном проекте;

до 10 000 выводов в одном компоненте;

до 5000 секций (вентилей) в одном компоненте;

до 2000 символов в атрибуте компонента;

до 2000 символов в текстовой строке;

до 20 символов в имени вывода, имени цепи, позиционном обозначении вывода (пробелы, знаки табуляции, точки и скобки не допускаются);

до 16 символов в имени типа компонента (пробелы и знаки табуляции не допускаются);

до 30 символов в позиционном обозначении компонента (двоеточие, пробелы, знаки табуляции, точка и точка с запятой не допускаются);

до 8 символов в имени файла (в том числе и при работе в среде Windows);

многошаговый «откат» вперед и назад. По умолчанию количество запоминаемых шагов установлено равным 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации *.ini.

минимальный шаг сетки 0,1 mil в английской системе и 0,001 мм в метрической системе (1 mil = 0,001 дюйма = 0,0254 мм, 1 мм = 40 mil). Систему единиц можно изменять в любой фазе проекта.

Графический редактор принципиальных схем P-CAD Schematic:

до 99 листов схем в одном проекте, максимальный размер листа 60 х 60 дюймов;

поддержка стандартных форматов листов от А до Е, АО-А4 и др. форматов;

дискретность угла поворота компонента 90°;

работает утилита ERC для просмотра и сортировки ошибок в принципиальных схемах;

перекрестные связи между P-CAD Schematic и P-CAD РСВ позволяют для выбранной на схеме цепи высветить на ПП соответствующий ей проводник и наоборот;

возможна передача данных в программу моделирования Dr. Spice A/D.

Графический редактор печатных плат, P-CAD РСВ:

до 99 слоев в ПП, из них 11 слоев предварительно определены;

максимальный размер ПП 60 х 60 дюймов;

автоматическая коррекция принципиальных схем по изменениям в печатной плате и наоборот (коррекция «назад» и «вперед»);

до 64 000 типов контактных площадок в проекте;

ширина проводника на ПП до 10 мм;

до 64 000 стилей стеков контактных площадок в проекте;

контактные площадки различных форм: эллипс, овал, прямоугольник, скругленный прямоугольник, сквозное переходное отверстие, перекрестье для сверления (target), непосредственное соединение, тепловой барьер с 2 или 4 перемычками;

контроль соблюдения зазоров и полноты разводки ПП;

минимальный дискрет угла поворота текста и графических объектов -- 0,1 град;

поддержка управляющих файлов фотоплоттеров Gerber и сверлильных станков с ЧПУ типа Excellon.

2.7 Описание топологии печатной платы процессорного модуля

При проектировании печатной платы процессорного модуля мобильного анализатора сетевого обмена, учитывая перечисленные выше требования, а также требования технического задания, решено выполнить плату в двухстороннем исполнении. Это позволит разместить все требуемые компоненты на плате, в то же время не значительно повышая ее стоимость.

Незаполненные полезными проводниками участки печатной платы необходимо покрыть медью и подключить к заземляющим выводам, что, учитывая комбинированный метод производства, облегчит процесс выпуска данной печатной платы в дальнейшем.

Для снижения воздействия высокочастотных помех все неиспользуемое пространство заполняется сплошным полигоном, подключенным к земле. Для области размещения внешних разъемов создается обособленная полигональная область шунтированная на землю через дроссель. Такое технологическое решение позволяет свести к минимуму влияние статического разряда подключаемого оборудования.

3. Разработка конструкции мобильно анализатора сетевого обмена

3.1 Разработка конструкции мобильного анализатора сетевого обмена

Конструкция анализатора должна удовлетворять заявленным в техническом задание требованиям. Габариты не должны превышать 300х300х300мм, масса не более 10 кг, и иметь автономное и переносное исполнение. Также конструкция должна обеспечить механическую защиту и защиту от вредных воздействий внешней среды, пр этом обеспечивать охлаждение внутренних модулей. Заявленный срок службы устройства должен быть не менее 10000 часов. Что накладывает ограничение на применение движущихся деталей, таких как устройства принудительного охлаждения, из этого следует что корпус должен обеспечивать теплообмен с внешней средой путем конвекции, то есть иметь вентиляционные щели.

На внешнюю панель должны быть вынесены все интерфейсные разъемы. Это должно обеспечиваться как конструкцией корпуса, так и размещением разъемов на печатных платах анализаторной и процессорной платах.

Так же на внешнюю панель должен быть вынесен индикатор рабочего состояния и кнопка включения/выключения прибора.

На задней панели рекомендуется разместить разъем сетевого питания с выключателем и предохранителем.

Для обеспечения удобства при переносе анализатора корпус должен иметь ручку.

Следует предусмотреть способ крепления внутренних элементов прибора так чтобы обеспечить удобство наладки и ремонтопригодность, и возможность производить монтаж и демонтаж с применением минимума инструментов.

Печатная плата процессорного модуля разрабатывается на основе электрической принципиальной схемы ДП.210202.6156.001Э3. Исходя из сложности схемы, технических и ценовых соображений, должна изготовляться в двухслойном исполнение при этом топология печатной платы должна учитывать расположение внешних портов согласно предусмотренным местам на внешней панели.

При разработке крепления аккумуляторной батареи следует учитывать ее вес, тк при переносе устройства все внутренние компоненты подвергаются перегрузкам до 2х g.

3.2 Описание конструкции мобильного анализатора

Процессорный модуль выполнен в виде отдельной платы (ДП.210202.6156.002, ДП.210202.6156.003СБ) на основе принципиальной схемы ДП.210202.6156.001Э3. При изготовлении печатной платы используется комбинированный метод. Этот метод позволяет обеспечить необходимую точность при получении рисунка печатной платы. Обеспечивает хорошую надежность, так как проводники и металлизация отверстий получается в едином гальваническом процессе. Обеспечивает однородность соединений между проводниками и металлизацией отверстий. Отсутствие подтравливания.

Размеры и места под крепления выбирались исходя из конструкции всего корпуса. Плата была разведена мною в программе P-Cad 2002 преимущественно в ручном режиме. То есть наиболее критичные места, такие как ОЗУ, цепи питания и шины данных разводились исключительно в ручную. Компоненты размещались исходя из их функциональных назначений и требуемых физических параметрах шин передачи данных. Ширина сигнальных проводников составляет 0.3 мм, а линий питания от 0,5 до 0,7 зависимости от нагрузки на цепь.

Незаполненные полезными проводниками участки печатной платы необходимо покрыть медью и подключены к общей земле, что, учитывая комбинированный метод производства, облегчит процесс выпуска данной печатной платы в дальнейшем, а также будет служить экраном от электромагнитных помех. Элементы обеспечивающие питание внутренним частям схемы отнесены на свободные участки платы и предусматривают пайку цоколем на предусмотренные площадки. Эти места снабжены большим количество переходных отверстий для распределения рассеиваемого тепла, а удаленность от основных узлов схемы сводит тепловое воздействие к минимуму. Места установки линейных стабилизаторов на 1.8 и 3.3 вольта также имеют теплоотводящие переходные отверстия, но из-за особенностей элементов IRU-1010-33 и IRU-1010-18 их цоколи выполняют роль вывода стабилизированного напряжения, были созданы обособленные теплораспределяющие области электрически соединенные с цепями 3,3 и 1,8 вольт. Так же обособленная металлизация произведена в местах крепления внешних разъемов, и шунтирована на землю через фильтрующий дроссель. Это было сделано для предотвращения наводок на плату от подключенных внешних кабелей.

Так как плата имеет ограниченные размеры и многие микросхемы, такие как центральный процессор, ОЗУ и ПЗУ выпускаются только в SMD или BGA корпусах. То мною было принято решение, использовать SMD исполнение для всех элементов, за исключением тех, которые либо отсутствуют в данном форм-факторе (какие как полярные конденсаторы высокой емкости), либо требуют жесткого крепления (разъемы). Все компоненты выбирались из доступных на существующем рынке электронных компонентов и уже применялись мною.

Исходя из того, что производство мелкосерийное, был выбран корпус марки EURO от производителя OKW [13]. Данный корпус состоит из нескольких литых пластиковых элементов: верхняя и нижняя половина корпуса, правая и левая боковая часть. Фронтальные и задние панели изготавливаются из алюминия. Особенностью данного корпуса является его модульность и наличие таких аксессуаров как ручка с фиксатором, сменные панели «без» или «с» прорезями для обеспечения воздухообмена, сменные нижние панели с ножками. Все модификации корпуса соответствуют международным стандартам и рекомендованы для применения в медицинском и измерительном оборудование.

В данном корпусе обеспеченны места для крепления внутренних элементов и модулей с помощью шурупов.

На чертеже ДП.210202.6156.004СБ (лист 1) показан общий вид анализатора, все детали корпуса за исключением ручки (поз.5) задней и передних панелей крепятся без применения винтов, на защелках. Ручка (поз.5) крепиться к левой и правой боковым панелям с помощью шурупа для пластика. При этом фиксируется только неподвижная деталь со стопорным механизмом, а сама ручка может принимать как фиксированные положения кратные 15^о так и полностью прижиматься к корпусу. Фиксация происходит с помощью отжимной кнопки с обеих сторон ручки. Панели с вентиляционными отверстиями (поз. 6 и 7) могут быть заменены на аналогичные но без отверстий, при условие что температура окружающей среды будет не более 25 ^оС. На панели (поз.7) предусмотрены ножки.

На переднюю панель (поз.8) вынесены все интерфейсные разъемы процессорного модуля и разъемы для подключения исследуемого сегмента сети. Требуемые отверстия выштамповываются в алюминиевой панели. Соответственно процессорная и анализаторная платы крепятся на верхних и нижних половинах корпуса

На чертеже ДП.210202.6156.004СБ (лист 2) показано компоновка внутренних блоков. Крепление герметичной аккумуляторной батареи (поз. 14 вид Б-Б и I) выполнено в виде прижимной скобы (поз. 14), где каждый лепесток крепиться к корпусу на 2 шурупа с шайбой (поз. 17 и 18). Такой способ обеспечивает жесткое закрепление, что критично при транспортировке прибора, с учетом того что эта аккумуляторная батарея допускает работу в любом положение [20].

Плата блока питания (поз. 13) находиться в непосредственной близи от аккумулятора и крепиться на соответствующее место к нижней сборной панели. Расположение вентиляционных решеток (поз. 6) над платой позволяет обойтись без принудительного охлаждения, а близость к разъему сетевого питания (поз. 16) позволяет свести к минимуму наводки от электрической сети. Сам разъем сетевого питания (поз. 16) включает в себя стандартную розетку с земляным контактом, камеру с плавким предохранителем и кнопкой выключателя. Крепиться в предусмотренном окне задней панели (поз.9) с помощью прижимных защелок [21].

Крепление платы анализатора (поз. 11) осуществляется с помощью 5ти шурупов к нижней части корпуса (поз. 4), при этом 4 разъема для подключения анализируемой сети выходят на переднюю панель (поз. 8). В непосредственной близости крепиться процессорная плат (поз.8) к верхней половине корпуса (поз. 3) вид А-А и Г-Г-Г-Г. Все интерфейсные порты и разъемы при этом оказываются на передней панели. Коммутация между платами осуществляется с помощью гибких шлейфов (на чертеже не показаны) длинной 25-40 см.. Такое соединение позволяет производить монтаж плат независимо, при этом обеспечивает полный доступ как при монтаже и наладке, так и при необходимом ремонте.

4. Расчет надежности

Под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки. Надежность - комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.

Основными критериями надежности являются:

вероятность безотказной работы ;

частота отказа ;

интенсивность отказов ;

среднее время безотказной работы Тср.

Виды надежности:

аппаратурная - определяется техническим состоянием элементов, узлов, аппарата,

функциональная - способность аппарата выполнять свои функции,

математического обеспечения - определяется надежностью или качеством программ, алгоритмов и т.д.

В данном дипломном проекте расчет на надежность выполнен аналитическим методом [4].

Одним из основных показателей надежности является интенсивность отказов л - вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента при условии, что отказ (случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия) до этого не возник.

 (8.1)

Где n - номенклатура элементов;

л_i - интенсивность отказов элементов i-го типа, [ч^-1];

С_i - количество элементов i-го типа.

Среднее время между смежными отказами (наработка на отказ) равно

(8.2)

Таблица 7-1

Элемент	Интенсивность отказов, [ ч -I * I0-б]	Кол-во в блоке	Суммарная интенсивность отказов в блоке [ ч-I*I0-6]
Разъем электрический	0,016	12	0,032
Логический элемент	0,22	15	17,16
Металлизированное отверстие	0,005	764	2,34
Пайка	0,01	1514	6,4
Конденсатор	0,03	132	3,96
Печатные проводники	0,00004	3978	0,1012
Индуктивность	0,02	1	0,08
Резистор	0,02	303	6,06
Резисторная сборка	0,2	27	0,6
			блока=38,05*10-6

Наработка на отказ (среднее время между двумя соседними отказами):

Т_блока = 1/_блокал=1/38,05*10^-6 =26281ч.

При расчете блока в условиях, отличных от лабораторных для уточненного расчета, необходимо ввести поправочные коэффициенты:

К₁, К₂ - поправочные коэффициенты зависимости от воздействий механических факторов на не амортизированную аппаратуру. К₁ - вибрация; К₂ - ударные нагрузки.

К₃ - поправочные коэффициенты зависимости от воздействий влажности и температуры.

К₁=1,04;

К₂=1,03;

К₃=1;

л_блока._{уточненное} =л_блок*K₁*K₂*K₃=38,53*10^-6*1,04*1,03*1=40,76*10^-6 1/час

Наработка на отказ :

Т_{блока уточненное} = 1/л_{блока уточн}=1/40,76*10^-6 =24533ч.

Вероятность безотказной работы считается по формуле:

, где t-время, за которое дается наработка на отказ Т.

Исходя из расчетов и вышеуказанного графика видно, что проектируемый блок будет безотказно работать 18250ч. что удовлетворяет требованиям надежности.

5. Расчет вибропрочности устройства

Расчет выполнен по методическому указанию

Частота собственных колебаний прямоугольной, равномерно нагруженной платы для всех случаев закрепления ее краев приближенно рассчитывается по формуле:

(8.1)

где a -длина платы, [см];

h - толщина платы, [см];

с - коэффициент, зависящий от способа закрепления платы.

где Е - модуль упругости материала пластины;

Р - плотность материала пластины;

(8.2)

E_C - модуль упругости стали;

Р_С - плотность стали.

(8.3)

где Q_Э - масса элементов, равномерно размещенных на пластине;

Q_Р - масса пластины.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний платы удовлетворяло условию:

 (8.4)

где J_max - вибрационные перегрузки в единицах g;

Y_f0 - безразмерная постоянная, числовое значение которой зависит от значения частоты собственных колебаний воздействующих ускорений..

При ускорениях 2 - 10 g значения Y_f0 сведены в таблицу 9.1.

Таблица 8.1 Значения Y_f0.

f0, [Гц]	50 - 100	100 - 400	400 - 700
Yf0	0,7	1,0	1,4

Подставляя исходные данные в формулы (9.1) - (9.4) получим:

Поправочный коэффициент K_М (материал платы - стеклотекстолит): 0,56

Вес элементов на плате Q_Э: 240 г

Вес платы Q_р: 160 г

Стороны платы: a = 120 мм, b=240 мм

Полученный К_МАСС = 0,71

Вариант закрепления печатной платы: одна защемленная сторона и три свободно опертые

Частотная постоянная с: 81,8

Собственная частота f_р: 84,7 Гц

Собственные колебания воздействующих ускорений f₀: 81,01 Гц

Вывод: поскольку собственная частота платы не превышает допустимую (f_p>f₀), плата считается вибропрочной.

6. Тепловой расчет

Практика тепловых расчетов показывает, что достаточно точное совпадение расчетных и экспериментальных данных зависит не от используемой методики, а от того опыта, который накоплен конструктором.

Расчет был выполнен по приближенной методике для свободного конвекционного теплообмена [3]. Внутренние блоки были представлены в упрощенном виде.

Геометрические параметры и режим работы блока:

Среднее расстояние между отверстиями для подвода и отвода воздуха h=0.1м;

Суммарные площади отверстий в корпусе: Fвх=Fвых= =0,00174 м²;

Fш=0,002м²

Площади поверхностей корпуса, нагретой зоны и излучающей ее поверхности:

S_з.в= S_з.л =0.367 м²

Площадь поперечного сечения порожнего корпуса блока:

Коэффициент заполнения блока:

Мощность источников тепла, действующих в аппарате: Р=30Вт.

Блок находится в неограниченной воздушной среде.

Температура среды t_с=20С, давление нормальное, теплообмен внешней поверхности корпуса со средой происходит в условиях естественной конвекции.

Определим величину W. Для этого вычислим необходимые параметры.



Найдем тепловые коэффициенты:

Вычислим средние поверхностные перегревы нагретой зоны и корпуса блока:

Средние поверхностные температуры нагретой зоны и корпуса равны:

Вышеприведенный расчет был проверен с помощью трёхмерного моделирования в САПР SolidWorks. Был использован встроенный в SolidWorks программный инструмент инженерного анализа COSMOSWorks. Данный программный продукт основан на реализации метода конечных элементов. Суть этого метода в производстве предварительной дискретизации объёма, занимаемого телом, на элементарные области, называемые конечными элементами. Далее на основании координат элемента, заданных параметров материалов и функций нагрузок и ограничений производится формирование матриц. Для упрощения расчета и ручного ввода данных вводимая модель упрощена до блоков. После проведения определённых вычислений выдаётся решение для каждого конечного элемента и всего тела. Итоговый результат предоставлен на рис. 9.1 и по средним показателям совпадает с расчетами, сделанными мною.

Рис. 6.1 Итоговый результат теплового расчета САПР SolidWorks.

Таким образом, диапазоны рабочих температур всех видов использованных элементов (+85 для микросхем) превышают значение температуры нагретой зоны, что позволяет сделать вывод об обеспечении теплового режима работы разрабатываемого устройства.

Заключение

В данном проекте был разработан мобильный анализатор сетевого обмена, позволяющий проводить комплекс исследования сетевого обмена в существующих и налаживаемых компьютерных сетях с целью поиска неисправностей и причин ухудшения качества связи. Устройство выполнено в мобильном исполнение с возможностью автономной работы не менее 4х часов. По мимо 4х сетевых портов стандарта Ethernet 10BASE-T/10010BASE-TX типа RJ45 обладает широким набором возможностей для подключения к автоматизированному рабочему месту оператора.

Температура окружающей среды, при которой может работать устройство от +5⁰С до +55⁰С. Исполнение корпуса автономное, с возможностью переноса.

Список литературы

1. Васюхин О.В. Экономическая часть дипломных разработок: методические указания для студентов технических специальностей всех форм обучения. - С-Пб.: ГИТМО (ТУ), СПб, 1998.

2. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы (утв. постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 14 июля 1996 г. N 14) Санитарные нормы СН 2.2.2.542-96

3. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984.

4. Иванова Н.Ю., Романова Е.Б., Проектирование печатных плат в САПР P-CAD 2002. Учебное пособие. . СПб ИТМО, 2004.

5. Надежность. Методика аналитической оценки безотказности изделий. / под ред. Фролковой Е.Г. - СПб ИТМО (каф.ПКС), 1997.

6. Новиков Ю.В. и др. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: Эком, 1997.

7. Олифер В.Г. и Олифер Н.А. Компьютерные сети, 3-е издание. - СПб.: ПИТЕР, 2006,

8. Разевиг В.Д. Проектирование печатных лат в P-CAD 2001.М.: СОЛОН-Пресс, 2003.Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. Справочник. М.: Радио и связь, 1989.

9. Сучков Д.И., Проектирование печатных плат в САПР. М.,1997.

10. Тихонов Ю.Л. Разрботка пояснительной записки в курсовом и дипломном проектировании: Учеб.Пособие. - Л.:ЛИТМО, 1988.

11. Шевченко Е.П. Справочник для чтения машиностроительных чертежей. - СПб.: Наука и техника, 2005.

12. Экономическая часть дипломных разработок. Методические указания. Санкт-Петербург: СПбГИТМО(ТУ), 1998.

13. Сайт производителя корпусов www.okw.com

14. Сайт производителя микросхем www.texasinstruments.com

15. Сайт производителя микросхем www.rs-components.com

16. Сайт производителя микросхем www.atmel.com

17. Сайт производителя микросхем www.irf.com

18. Сайт производителя микросхем www.issi.com

19. Сайт производителя микросхем www.maxim-ic.com

20. Сайт производителя АКБ www.bb-battery.com

21. Сайт производителя коммутационных изделий www.velleman.be

22. Сайт универсального поиска компонентов www.efind.ru

23. Сайт крупнейшего сообщества разработчиков России electronix.ru

24. Hideaki Takagi and Leonard Kleinrock, Throughput Analysis for Persistent CSMA Systems: IEEE Transactions On Communications COM-33(7):627-638, July, 1985.

Размещено на Allbest.ru

...