Расчёт диаметра монтажных отверстий

Московский Государственный Университет

Приборостроения и Информатики

             Курсовой проект

тема: «Интерфейсный модуль RS2-4.5x»

                                 Выполнил: Никифоров А.И.

                                                           Группа:       ПР6-08-01д

     Отделение:  очное

                                      Руководитель: Орлов В.П.

Содержание:

Введение

1. ТЗ на курсовой проект.

2. Принцип работы интерфейсного модуля RS2-4.5x

3. Разработка конструкции интерфейсного модуля RS2-4.5x.

3.1 Выбор и описание элементной базы

3.1.1 Описание элементной базы

3.1.2 Конструкторский анализ элементной базы

3.2 Выбор ПП

3.2.1 Выбор материала печатной платы

3.2.2 Компановочный расчет печатной платы

3.2.3 Расчет элементов проводящего рисунка ПП

3.3 Поверочный конструкторский расчет ПП устройства

3.3.1 Расчет на действие вибрации

3.3.2 Расчет на удар

3.3.3 Тепловой расчет

3.3.4 Расчет надежности

3.3.5 Расчет электромагнитной совместимости

Заключение

Введение

В настоящее время проблема управления и обмены информацией стоит особо остро. Зачастую оборудование, управление котором должен осуществлять оператор находится на значительном расстоянии от места работы специалиста. Связь между рабочим местом и оборудованием осуществляется при помощи интерфейсных модулей различного типа.

Разрабатываемый в данном курсовом проекте модуль предназначен для решения задач управления/ обмена информацией с удаленными объектами и обеспечивает доступ к локальному узлу(узлам) управления по последовательному каналу с использованием основных принципов протокола MODBUS.

1. ТЗ на курсовой проект.

Модуль RS2-4.5x предназначен для решения задач управления/обмена информацией с удаленными объектами.

Должен быть обеспечен доступ к локальному узлу(узлам) управления по последовательному каналу с использованием основных принципов протокола MODBUS. Модуль должен иметь 14 линий ввода / вывода.

Для обеспечения связи с более сложными узлами модуль кроме функций поддержки протокола и обеспечения доступа к внутренним ресурсам должен обеспечивать удобный доступ к локальным интерфейсам, используемым для взаимодействия между частями узла автоматизации.

Модуль должен обладать следующими техническими характеристиками:

- Микроконтроллер PIC18F252

- Быстродействие 10 Млн.команд/с (10 МГц * 4 PLL)

- Скорость работы RSxxx интерфейса 9600…460800 бод

- Локальные интерфейсы I2C , SPI , MicroLan

- Скорость работы локального интерфейса I2C 400 кГц

- Скорость работы локального интерфейса SPI до 700 кГц

- Количество линий MicroLan до 14

- Гальваническая развязка между RSxxx интерфейсом и всем остальным не хуже 2.5 кВ

- Количество линий ввода/вывода 14

Из них АЦП 10 бит 4

Из них ШИМ 10 бит 2

- FLASH память программ для пользователя 24 кБайта

- EEPROM память данных для пользователя 248 Байт

- RAM память данных для пользователя 1232 Байт

- Буфер приема / передачи RSxxx интерфейса 256 Байт

- Число команд RSxxx интерфейса 13

- Простая загрузка программ пользователя во FLASH через MODBUS и I2C

- Добавление пользователем своих команд при обработке команд MODBUS

- Светодиодная индикация Питание, Прием, Передача, Разрешение передачи

- Питание 5В+-10%

- Типичный ток потребления в отсутствие обмена по MODBUS 60 мА

- Температурный рабочий диапазон индустриального исполнения -40…+85 град.

- Габариты модуля 76.2*25.4*14 мм

Разрабатываемое устройство, является портативным электронным устройством, работающим в помещении.

Учитывая это, определяем значения воздействующих факторов:

Климатические факторы:

    - нормальная температура: 18…24 °С

-относительная влажность: 20…90 % (при относительной влажности 80 % и температуре 20 °С время выдержки составляет 36 ч)

- пониженное давление: 6,1·104 Па (время выдержки 2…6 ч)

- уровень акустического шума 70…85 дБ

Механические факторы:

    - вибрация: до 200 Гц с ускорением 2 g (время выдержки 0,5 ч)

- удары: до 10 g при длительности 5…10 мс

2. Принцип работы интерфейсного модуля RS2-4.5x

При работе с RSxxx реализован протокол MODBUS, с ниже описанными командами, на скоростях

9600…460800 бод в качестве мастера(начиная с версии 1.21) и в качестве slave-узла.

При работе качестве slave-узла MODBUS, контроллер поддерживает обработку 13 команд, обеспечивающих полный доступ ко всем внутренним ресурсам, включая запись/верификацию программной FLASH памяти, доступ в качестве MASTER-а к SLAVE-устройствам на шинах I2C и SPI.

При обработке команд MODBUS с выходом на шину I2C в качестве MASTER -а микроконтроллер соблюдает правила работы с мультимастерной шиной, не вмешиваясь в «чужие» обмены.

Команды, приходящие по протоколу MODBUS, для работы с внутренними ресурсами, используют прямую адресацию ресурсов микроконтроллера.

В микроконтроллере для работы с RSxxx отведен буфер 256 байт, что позволяет работать с пакетами данных до 249 байт. При приеме и отправке пакетов автоматически производится подсчет и проверка двух байтов CRC16.

По шине I2C микроконтроллер доступен и в качестве SLAVE-устройства. При этом, как и принято, первый байт пакета расценивается как адрес I2C-устройства и признак чтения/записи. Второй байт при записи интерпретируется как адрес ячейки внутри микроконтроллера.

Для полного доступа ко всем ресурсам контроллера по шине I2C принята страничная адресация.

Так, при обращении к ячейкам модуля с адресами 0...7Fh, обеспечивается доступ к RAM с адресами 0...7Fh.

При обращении к ячейкам 80...0FFh обеспечивается доступ к одной из страниц общего пространства RAM размером 128 байт.

Номер подставляемой страницы лежит в ячейке RAM 51h. Если номер станицы = 0 (по умолчанию), то будет подставлена страница с SFR-регистрами микроконтроллера. Это регистры специальных функций, они полностью определяют режимы работы микроконтроллера. При обращении к соответствующим регистрам SFR пользователь может записать/прочитать ячейку EEPROM, прочитать/стереть/записать программную FLASH память.

Вышеописанные функции обеспечивает резидентная программа записанная в микроконтроллер.

Резидентная программа использует:

48+256 Байт RAM -> 50h...7Fh(служебные ячейки) +500h...5FFh(буфер MODBUS)

+(300h...3EFh(при работе с MicroLan))

8 Байт EEPROM -> 0F8h...0FFh(хранение адресов MODBUS и I2C, начальные установки)

8 кБайт FLASH -> 0...1FFFh(сама программа),

TMR3(системное время),

UART(MODBUS),

MSSP(I2C).

Пользователю предоставлены:

1232(-240 при работе с MicroLan) Байт RAM -> 0...4Fh + 80h...4FFh,

248 Байт EEPROM -> 0...0F8h,

24 кБайт FLASH -> 2000h...7FFFh.

SFR(RAM 0F80h...0FFFh) - т.е. все оставшиеся ресурсы.

Пользователь может использовать все свободные ресурсы для размещения своих программ. Передача управления в программы пользователя осуществляется установкой соответствующего бита в регистре

пользователя RAM 50h.

При подаче питания в регистр пользователя заносится значение из ячейки EEPROM 0FCh, что позволяет

пользователю, при желании, сразу передать управление своим программам.

3. Разработка конструкции интерфейсного модуля RS2-4.5x.

3.1Выбор и описание элементной базы

3.1.1 Описание элементной базы

Микросхема PIC18F2520

рис.1

3.1.2Конструкторский анализ элементной базы

Таблица 1

На основе анализа элементной базы и типовых схем включения разрабатываем схему электрическую принципиальную (см. приложение)

3.2 Выбор ПП

3.2.1 Выбор материала печатной платы

Печатная плата (ПП) является несущей конструкцией модуля 1-го уровня. Таким образом необходимо выбрать её типоразмер, что связано со значительным снижением затрат на производство разрабатываемого изделия.

При выборе типоразмера необходимо обратить внимание на число устанавливаемых на ПП электрорадиоиззделий (ЭРИ), на их варианты установки и т.п. Компоновочный расчет печатной платы модуля сводится к определению габаритных размеров ПП с учетом сложности электрической схемы. Необходимо определить установочную площадь ЭРИ как площадь прямоугольника, размеры которого зависят от внешних предельных очертаний установочной проекции ЭРИ на поверхность ПП, включая отформованные выводы.

3.2.2 Компановочный расчет

Суммарная площадь всех элементов

Ориентировочно площадь ПП на ранних стадиях проектирования и при разработке моноконструкции ячейки можно определить по следующей формуле:

S_S = ,

где S_iуст – установочная площадь i-го элемента;

k_SS - коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации аппаратуры , примем k_SS =3;

n – количество элементов.

Данные установочных площадей ЭРИ указаны в таблице 2.2.1:

S_S=3(169+110,96+34,98+34,98+138+47,9+22+2,4+12*1,28+5*26,1+5*10+112,5+57,51)=2863,47 мм²

Определение площади печатной платы

Так как плата двусторонняя, то

S_пп = ; S_пп =  = 1431,74 мм².

Согласно проведенному расчету площади печатной платы выбираем по ГОСТ 10317-79 длину и ширину печатной платы, которые в нашем случае равны 76,2 мм и 25,4 мм.

3.2.3 Расчет элементов токопроводящего рисунка

Для проектируемого модуля выберем двухстороннюю печатную плату.

Класс точности ПП – второй по ГОСТ 23751-86. ПП с такой точностью наиболее проста в исполнении, надёжна в эксплуатации и имеет минимальную стоимость, что выгодно при любом объёме производства от мелкосерийного до крупносерийного. Параметры:

Таблица 3.3.1

Примечание:

t – наименьшая номинальная ширина проводника,

S – наименьшее номинальное расстояние между проводниками,

b – минимально допустимая ширина контактной площадки,

d – номинальное значение диаметра наименьшего металлизированного отверстия,

Н – толщина печатной платы,

∆t – предельное отклонение ширины печатного проводника

Т₁ – позиционный допуск расположения печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего рисунка.

Материалом для ПП выберем стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35 (отличающийся хорошими механическими и электрическими характеристиками, повышенной теплостойкостью, меньшим влагопоглощением) с толщиной диэлектрического основания 1,5 мм.

Расчёт диаметра монтажных отверстий

Минимальный размер металлизированного монтажного отверстия определяют по формуле:

d₀ ³ H_П ∙ g

где Н_П – толщина ПП;

g=0,4 - отношение диаметра металлизированного отверстия к ширине ПП;

Поскольку Н_п=1,5 мм, то по формуле для рассчитывания минимального диаметра металлизированного монтажного отверстия:

d₀ ³ 1,5∙0,4 = 0,6 мм, т.е. d₀ ³ 0,6 мм.

Номинальный размер монтажных отверстий определим по формуле:

d - |Dd|_н.о ³ d_э + r

Здесь d_н.о = 0,15 мм — нижнее предельное отклонение диаметра отверстий

d_э — максимальное значение диаметра вывода ЭРЭ, установленной на ПП;

r — разница между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода, устанавливаемого ЭРЭ; её выберем в пределах 0,1...0,4 мм.

d_э= 0,69 мм

Примем r=0,25 мм, тогда номинальный диаметр монтажных отверстий:

d³0,69+0,25+0,15=1,09 мм.

Округляем расчётное значение в сторону увеличения и сводим к предпочтительному ряду отверстий, тогда

d=1,1 мм.