lec08 Модульный принцип конструирования (Лекции проф Давыдова УГГИ)

12

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Module principle of the development

Тема 8: МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП КОНСТРУИРОВАНИЯ

РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Новое всегда появляется из подполья настоящего.

В.В. Налимов. Советский ученый. ХХ в.

Модульный принцип может быть и хорош, но ничего нового я здесь не вижу. Первый модуль – кирпич, появился задолго до новой эры. А дальше либо кирпич – Нотр Дам, либо кирпич – Зимний дворец, либо кирпич – комната – коридор – общежитие. И главный здесь – не принцип, а Заказчик.

С.С. Сысков. Уральский геофизик. ХХ в.

Содержание:

1. Конструктивная иерархия аппаратуры. Модульный принцип конструирования. Уровни конструктивной иерархии. Принципы иерархического конструирования.

2. Стандартизация при модульном конструировании. Базовый принцип. Модули нулевого уровня. Корпуса микросхем. Микросборки. Модули первого уровня. Модули второго уровня. Блоки стеллажного типа. Блоки книжной конструкции. Этажерочная компоновка блока. Модули третьего уровня.

8.1. конструктивная иерархия аппаратуры [1, 2]

Снизить затраты на разработку, подготовку производства и освоение РЭА, обеспечить совместимость и преемственность аппаратурных решений с одновременным улучшением качества, увеличением надежности и срока службы аппаратуры в эксплуатации позволяет модульный принцип конструирования изделий.

Модульный принцип конструирования предполагает проектиро­вание изделий РЭА на основе максимальной конструктивной и функциональной взаимоза­меняемости составных частей конструкции - модулей. Модуль - составная часть аппаратуры, выполняющий в конструкции подчиненные функции, имеющий законченное функциональное и конст­руктивное оформление и снабженный элементами коммутации и механиче­ского соединения с подобными модулями и с модулями низшего уровня в изделии.

В основе модульного принципа лежит разукрупнение (разбивка, расчленение) электронной схемы РЭА на функционально закон­ченные подсхемы (части), выполняющие определенные функции. Эти под­схемы разбиваются на более простые модули, и так далее, пока электронная схема изделия не будет представлена в виде набора модулей разной сложности, а низшим модулем не окажется корпус микросхемы (МС) с обслуживающими ее радиоэлементами.

Модули низшего уровня устанавливаются и взаимодействуют между собой в модулях следующего уровня иерархии на какой-либо конструктив­ной основе (несущей конструкции) и реализуются в виде типовых конструктивных единиц, которые устанавливаются и взаимодействуют в модуле более высокого уровня, и т. д. В зависимости от сложности проектируемого изделия может быть задействовано разное число уровней модульности (уровней конструктив­ной иерархии).

Конструкция современной РЭА представляет собой иерар­хию модулей, каждая ступень которой называется уровнем модульности. При выборе чис­ла уровней модульности проводится типизация модулей, сокращение их разнообразия и установление таких конструкций, которые выполняли бы достаточно широкие функции в изделиях определенного функционального на­значения. При­менение микросхем с различными корпусами в пределах одного устройства нецелесообразно, так как здесь требуется обеспечить их совместимость по электрическим, эксплуатацион­ным и конструктивным параметрам.

При использовании ин­тегральных микросхем операции сборки конструкции начинают на уровне схем, выполняющих определенные функции. Интегральная микросхема при этом является исходным унифицированным конструктивным элементом, унификация которого требует унификации и других конструк­тивных единиц, для того чтобы она была технологичной в производстве, надежной в работе, удобной в наладке, ремонте и эксплуатации.

Уровни конструктивной иерархии. В конструкции радиоэлектронной аппаратуры можно выделить четыре основных уровня (рис. 8.1.1).

Рис. 8.1.1.

Уровень 0. Конструктивно неделимый элемент - интегральная микросхема с радиоэлементами ее обслуживания.

Уровень I. На уровне I неделимые элементы объеди­няются в схемные сочетания, имеющие более сложный функ­циональный признак, образуя ячейки, модули, типовые эле­менты замены (ТЭЗ). Эти конструктивные единицы не имеют ли­цевой панели и содержат единицы и десятки микросхем. К первому структурному уровню относят печатные платы и большие гибридные интегральные схемы (БГИС), полученные путем электрического и механического объединения бескорпусных микросхем и кристаллов полупроводниковых приборов на общей плате.

Уровень II. Этот уровень включает в себя конструктив­ные единицы - блоки, предназначенные для механического и электри­ческого объединения элементов уровня I. Основными конструктивными эле­ментами блока является панель с ответными соединителями модулей первого уровня. Межмодульная коммутация выполняется соединителями, расположенными по периферии панели блока. Модули первого уровня размещаются в один или несколько рядов. Кроме соединительной конструктивные единицы уровня II могут содержать лицевую панель, образуя простой функциональный прибор.

Уровень Ш. Уровень Ш может быть реализован в виде стойки или крупного прибора, внутренний объем которых заполняется конструктивными единицами уровня II - блоками.

Число уровней конструктивной иерархии может быть из­менено как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения в зависимости от класса аппаратуры и уровня технологии ее изготовления. При разработке несложной аппаратуры высшие уровни модульности отсутствуют. Большая многопро­цессорная аппаратура со сложной структурой требует использования четырех, а иногда и пяти уровней конструктивной иерархии. Так, крупные системы могут рассматриваться как уровень IV, включающий в свой состав несколько стоек, соединенных кабелями.

Конструктивный модуль	Схемный модуль
Корпус микросхемы ТЭЗ Блок Рама Стойка	Логический элемент Функциональный узел Устройство Комплекс Система

Конструктивным модулям можно поставить в соответствие схемные модули, которые так же имеют многоуровневую иерархию и представляют собой функциональные узлы, устройства, комплексы, системы.

Приведенная связь конструктив­ной и схемной модульности условна. Она имеет отношение к аппаратуре, реализуемой на микросхемах малой степени интеграции, и в общем случае зависит от функциональной сложности проектируемого изделия и степени интеграции применяемых МС. В больших интегральных схе­мах (БИС) реализуются целиком устройства (например, преобразователи, за­поминающие устройства) или их крупные фрагменты, при этом несложная система может быть конструктивно выполнена на одной печатной плате.

Рис. 8.1.2.

Для небольших изделий нет необходи­мости использования конструктивных единиц уровня II и приборы монтируют не­посредственно из ячеек. При этом размеры ячеек и число монтируемых на них микросхем, как правило, больше, чем в больших системах. Это связано с тем, что разбиение функциональной схемы сравнительно небольших приборов на повторяющиеся мелкие узлы приводит к появлению большого числа проводных и разъемных соединений. На рис. 8.1.2 представлены структур­ные уровни конструктивной иерархии небольшого прибора. Ячейки вместе со смонтированными на них микросхемами устанавливаются непосредственно на базовую плату, образуя блок, который затем помещают в кожух с пультом управления (настольный ва­риант) или с разъемом (бортовой вариант).

Модули высших уровней поставляются разработчикам РЭА в виде ба­зовых несущих конструкций (БНК), которые представляют собой деталь или совокупность деталей, предназначенных для размещения, монтажа состав­ных частей аппаратуры и обеспечения устойчивости РЭА в условиях внеш­них воздействий. Под БНК понимается стандартная несущая конструкция, служащая для разработки разнообразной РЭА определенного назначения.

При разбивке структурных и функциональных схем необходимо удов­летворить многим порой противоречивым требованиям:

- функциональной законченности, когда выделяемая подсхема должна обладать необходимой полнотой и выполнять определенные частные функции;

- минимизации внешних связей подсхем, либо, если электрические соединители модулей заданы, чтобы число внешних связей не превысило число контактов соединителя;

- максимального заполнения отводимого конструктивного простран­ства модулями, компоненты не должны существенно отличаться между собой по габаритным раз­мерам и массе;

- модули подсхем должны рассеивать приблизительно одинаковые мощности во избежание местных перегревов;

- модули подсхем не должны быть чрезмерно чувстви­тельными к электрическим, магнитным и электромагнитным помехам и не должны создавать чрезмерных помех.

Функциональная законченность подсхем сокращает число межмодульных электрических соединений, позволяет вносить конструктивные изменения на более поздних стадиях проектирования, упрощает и удешевляет контроль модулей.

Разделение конструкции РЭА и ГИВС на уровни позволяет:

1) организовать производство по независимым циклам для каждого структурного уровня;

2) автоматизировать процессы сборки и монтажа;

3) сократить период настройки, так как может быть произведена предварительная настройка отдельных конструктивных единиц порознь;

4) автоматизировать решение задач размещения элементов и трассировки соединений;

5) унифицировать стендовую аппаратуру для испытания кон­структивных единиц;

6) повысить надежность конструктивных единиц.

Принципы иерархического конструирования. В настоящее время получили широкое распро­странение такие принципы конструирования, как моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой, функционально-узловой и модульный.

Моносхемный принцип конструирования заключается в том, что полная принципиальная схема радиоэлектронного аппарата располагается на одной печатной плате и, поэтому, выход из строя одного элемента приводит к сбою всей системы.

Оперативная замена вышед­шего из строя элемента затруднена из-за сложности его об­наружения. РЭА, построенная по моносхемному принципу, должна быть смонтирована из нескольких БИС, в которых предусмотрены меры увеличения надежности путем введения аппаратурной и информационной избыточности. Нахождение неисправностей при этом должно производиться программными методами.

Схемно-узловой принцип конструирования. При этом принципе конструирования на каждой из печатных плат располагают часть полной принципиальной схемы радиоаппарата, имеющую четко выраженные входные и выходные характеристики. По такому принципу сконструированы настольные и бортовые приборы, где различные устройства приборов выполняют на одной или нескольких платах, а объединение их между собой производят с помощью коммутационной платы и про­водных жгутов.

Каскадно-узловой принцип конструирования заключается в том, что принципиальную схему радиоаппарата делят на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельных функций. Системы с относительно сложной и большой структурой строится по каскадно-узловому принципу, а системы с более простой структурой - по схемно-узловому принципу.

Функционально-узловой принцип конструирования нашел широкое распространение при разработке больших систем. Базовым эле­ментом конструкции здесь является ТЭЗ. Имея необходимый набор ТЭЗ, можно построить целый ряд систем с различными техническими характеристиками.

Модульный принцип конструирования предполагает, что основные функциональные узлы аппаратуры взаимосвязаны с помощью одного канала. Чтобы установить связь с модулем-приемником, модуль-передатчик посылает нужный сигнал вместе с адресом по одной (или более) шине. Сигналы поступают на входы всех подключенных к каналу модулей, но отвечает только запра­шиваемый.

Применяя этот принцип, можно построить систему с практически неограниченной производи­тельностью и сложностью, сохраняя при этом гибкость в ее организации, так как разработчик использует ровно столько модулей, сколько ему требуется. Разработчик системы может также легко модернизировать конструкцию, меняя или добавляя от­дельные модули и получая при этом необходимые параметры.

8.2. стандартизация при модульном конструировании [1, 2]

Ускорение разработки и производства аппаратуры, увеличение ее се­рийности, снижение стоимости можно достигнуть унификацией, нормали­зацией и стандартизацией основных параметров и типоразмеров печатных плат, блоков, приборных корпусов, стоек, широким применением модульно­го принципа конструирования.