Elektronikai készülékek tervezése A tantárgyon az előadó és a tanársegéd: Mgr. Divéki Szabolcs 1
1. Előadás az Elektronikai készülékek tervezéséből 1. Rövid tantárgyi ismertető 2
1.1 Rövid tantárgyi ismertető A tantárgy megszervezése: A tantárgy két részből áll: Altium Designer 2009 Winter FPGA áramkörök programozása Az előadásokon és a gyakorlatokon való részvétel kötelező. Az aláírás feltétele, hogy a hallgató nem hiányzott igazolatlanul több mint két órát, sem az előadásokról, sem a gyakorlatokról. 3
1.2 Altium Designer 2009 Winter A tantárgy első felében tanuljuk (az első 7 hét). Programcsomag nyomtatott áramkörök tervezésére... A vizsgáztatás projekten keresztül történik. Mindenki egyedi projektet kap. A projektmunkát vizsgabejelentés nélkül lehet átadni és megvédeni konzultációs időben történ. 4
1.3 FPGA áramkörök programozása 5 A tantárgy második felében tanuljuk. A Digitális elektronika tárgyban szerzett elméleti tudást alkalmazzuk. Az Altera cég Quartus II elnevezésű fejlesztő környezet 10.1-es verziójában fogunk dolgozni. Az áramkörök leírását Verilog HDL-ben fogjuk végezni. Ezt a részt a hallgatók a hivatalos vizsgaidőpontban vizsgázzák, kötelező a vizsga bejelentése.
1.4 Kollokviumok 6 A félév során a hallgatók két kollokviumot írnak: egyiket az Altium Designer-ból. a másikat az FPGA áramkörök Verilog HDL-ben történő programozásából. Mindkét kollokvium 20 kérdésből áll. Az átmenethez legalább 11 pontos válasz szükséges. Mindkét kollokviumot le kell tenni ahhoz, hogy a hallgató megkapja az aláírást a tantárgyból!
2. Bevezetés a nyomtatott áramkörök tervezésébe 7
2.1 Nyomtatott áramkör vagy protoboardrd Mielőtt áttérnénk az Altium Designer ismertetésére, megvizsgáljuk az érveket, amelyek a nyomtatott áramkörök tervezése és kivitelezése mellett szólnak. 8
2.2 A protoboard előnyei Hagyományos alkatrészekből gyorsan összeállítható a tervezett kapcsolás. A kapcsolás, szükség szerint, könnyen módosítható. A kapott áramkörhöz könnyen csatolható tápegység, oszcilloszkóp, jelgenerátor stb. Olcsó. 9
2.3 A protoboard hátrányai 10 Nem szakszerű kinézet. Nagy a téves kapcsolás lehetősége, mert a munkánkat nem támogatja számítógép. Jelentősek a parazita induktivitások és kapacitások. A felületszerelt (SMD) alkatrészekkel való munka nehézkes vagy lehetetlen. Nem alkalmas sorozatgyártásra. Összetett áramkörök megvalósítása nagyon nehéz.
2.3. A protoboard hátrányai: No comment 11
2.4 A nyomtatott áramkör előnyei 12 Szakszerű kinézet. Az áramkörök kompakt megvalósítását teszi lehetővé. Kisebbek a parazita induktivitások és kapacitások. Használható a teljesítményelektronikában. Lehetővé teszi magasfrekvenciás áramkörök megvalósítását. Könnyű a szerelés és jó eredményekkel ismételhető (sorozatgyártás).
2.5 A nyomtatott áramkörök hátrányai Aránytalanul hosszabb idő szükséges, hogy a kapcsolási rajztól eljussunk a kész termékig. Nagyok a fejlesztési költségek. Az áramkör a nyomtatott áramkör legyártását követően már nem módosítható. Elengedhetetlen valamilyen tervezői szoftver használatának elsajátítása. A jó tervezői szoftverek drágák. 13
2.6 Mikor nélkülözhetetlen a 14 nyomtatott áramkör Felületre szerelhető (SMD - Suface Mounted Devices) tokozásnál, amilyenek a QFP (Quad Flat Package) vagy a BGA (Ball Grid Array) tokozás, lehetetlen a protoboard alkalmazása a kis méretek és a kivezetési módok miatt. A nagyszámú kivezetéssel rendelkező alkatrészeknél nélkülözhetetlen a nyomtatott áramköri technológia alkalmazása. Sorozatgyártásnál.
15 3. Altium Designer 2009 Winter
3.1 Mire való az Altium Designer? Sokan az Altium Designer-ra úgy tekinetnek, mint egy laptervező szoftverre. Helyes-e ez a meghatározás? Mielőtt válaszolnánk erre a kérdésre, röviden áttekintjük az Altium Designer fejlődésének a történetét. 16
3.1.a Az Altium Designer fejlődésének rövid története Az 1980-as években Nicholas Martin az ausztráliai Tasmania Egyetemről felismerte az új lehetőséget, amely az áramkör tervezői szoftverek és a személyi számítógépek összekapcsolásában rejlik. 1985-ben céget alapít Protel név alatt. Ugyanabban az évben piacra dobja a Protel nevű szoftver DOS alatt futó változatát. 17
3.1.b A történeti áttekintés folyatása 1991-ben, még mielőtt a Windows az uralkodó operációs rendszerré vált volna, a Protel cég piacra dobta az első Windows alatt futó nyomtatott áramkör tervező szoftvert. 1998-ban a cég piacra dobja a világon az első tervezői szoftvert, amely integrálja a tervezési folyamat minden lépését (Protel 98). 18
3.1.c A történeti áttekintés folyatása 2004-ben a Protel szoftvercsomag nevét Altium Designer-ra változtatták Miért? A cég ezzel akarta hangsúlyozni, hogy az új termék a nyomtatott áramkörök tervezéséhez szükséges elemek mellett tartalmazza a programozható logikai áramkökkel (CPLD és FPGA) való tervezés integrált eszközeit is. 19
3.1.d A történeti áttekintés folyatása A szoftvercsomag pillanatnyilag legújabb változata az Altium Designer 2009 Winter. A cég jelenlegi hozzáállása, hogy évente két új szoftverváltozatot dob piacra,winter és Summer Edition néven. 20
3.2 Mi az Altium Designer? Unified Design Platform (összesített tervezői platform). Az összesített tervezői platform alatt azt értjük, hogy egy szoftvercsomagon belül integrálták az elektronikai termékek tervezéséhez szükséges összes eszközt és erőforrást. 21
3.2.a Mely szoftver eszközöket integrálták az Altium Designer-ban? 22 A következő szoftver eszközökről van szó: Nyomtatott áramkörök tervezése 2D 3D Egyszerű 3D objektumok megrajzolhatók magában az Altium Designer-ban. Összetettebb 3D objektumok STEP formátumban importálhatók. CPLD és FPGA áramkörök programozása. Támogatja az összes nagy gyártót (Xilinx, Altera, Lattice, Actel...). Vegyes (analóg és digitális) szimulációk. Signal Integrity analízis.
3.3 Feladat Rajzoljuk meg a kapcsolási rajzot és a nyomtatott áramkört, amely tartalmazza a MOD5213 elnevezésű modult és az egyéb külső alkatrészeket, amelyek szükségesek a gyártó által írt bemutató szoftver futtatásához. A MOD5213 modul a Netburner cég (www.netburner.com) terméke. 23
24 3.3.a A kapcsolási rajz
3.3.b A felhasználandó alkatrészek 25 A gyártói bemutató szoftver működését illusztráló videó.
26 3.3.c A modulra épített, MCF5213-as mikrovezérlő rövid leírása A modul egy 32 bites RISC mikrovezérlőt tartalmaz, típusjelzése MCF5213. A Free Scale cég ColdFire mikrovezérlő családjába tartozik 81 kivezetéses MAPBGA tokozásban gyártják. Az órajel frekvenciája 66 MHz. 256 KB flash memóriát és 32 KB RAM-ot tartalmaz. A következő modulokat tartalmazza: MAC (multiply and accumulate),dma, QSPI, I2C, UART, 12 ADC, PWM... Nagy elektromágneses zavarok esetén is megbízhatóan működik.
27 3.3.d A MOD5213 modul kapcsolási rajza
3.3.e A Netburner cég csak hardver eszközöket gyárt? Nem. A MOD5213 modulhoz valós idejű operációs rendszer is tartozik (Real-Time Operating System). Az MFC5213 mikrovezérlő programozásához nem szükséges külön programozó egység. A programozás soros porton keresztül történik. 28
3.4 Kapcsolási rajz készítése a Schematic Editor-ban 29
30 3.4.1.a A dokumentumok szervezése a Protel első változataiban A Protel 98 bevezetéséig a nyomtatott áramkör megtervezése több különálló program együttes alkalmazásával történt: AdvSch (Advanced Schematic) Editor. PCB (Printed Circuit Board) Editor. SchLib Editor. PcbLib Editor. Hiányosságok: A felhasználó kellett, hogy gondot viseljen az egyes programok által létrehozott fájlokról. A projekt hierarchikus szerkezete nem volt nyilvánvaló.
31 3.4.1.b A dokumentumok szervezése a Protel 98-ban és 99-ben A Protel 98-ban bevezették a Design DataBase (DDB) fogalmát. Egy projekthez egy DDB fájl tartozik. A projekthez tartozó minden fájl (kapcsolási rajz, nyomtatott áramköri rajz...) ebben a fájlban található. Előny: Adott projekt átvitelekor (pl. másik gépre) egyetlen fájlt kellett másolni. Hátrány: Nem engedett betekintést a projekt hierarchikus szerkezetébe.
3.4.1.c A dokumentumok szervezése az Altium Designer-ban Az Altium Designer-ban nem alkalmazzák tovább a DDB-s szervezést. Bevezették a Design WorkSpace fogalmát, amely lehetővé teszi: a betekintést a projekt hierarchikus szerkezetébe. a gyorsabb hozzáférést a projekt WorkSpace-ében elhelyezkedő dokumentumokhoz. 32
3.4.2 A Workspace fogalma A Workspace (munkafelület) egy irattár, amely a projekthez tartozó dokumentumokat tárolja hierarchikusan szervezve. 33
3.4.2.a Új WorkSpace létrehozása (a megadott feladatnak megfelelően) Létre kell hozni egy direktóriumot (mappát) a Workspace részére. A mappa ugyanazt a nevet kell, hogy viselje, mint a Workspace. Az Altium Designer-ban a File >> New >> Design Workspace opcióra kattintva hozzunk létre egy új Workspace-t. 34
3.4.2.b Új WorkSpace létrehozása (a megadott feladatnak megfelelően) A File >> Save Design Workspace As... opciót használva mentsük el a Workspace-t új név alatt az imént létrehozott mappába. A Workspace-nek adjuk a Factory Demo nevet. A Workspace mentésének eredményeként az adott mappában létrejön egy DsnWrk kiterjesztésű fájl. 35
3.4.2.c Az eddigi műveletek eredménye az Altium Designer ablakban: 36