КП (Курсовой технология ЭВС)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра 404

Р А С Ч Е Т Н О - П О Я С Н И Т Е Л Ь Н А Я З А П И С К А

к курсовой работе по дисциплине

“ Конструирование ЭВС”

Выполнил

студент группы 04-401

Проверил Ушкар М.Н. 

Москва

2009 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Задание 3

Введение 4

Анализ ТЗК 5

1. Расчет вычислительных параметров компьютера 6

1. Определение разрядностей. 6

2. Выбор элементной базы МП 8

3. Выбор ПЗУ для хранения микропрограммы. 8

4. Выбор АЦП 9

5. Расчет размеров ячейки МП 9

6. Расчет подсистемы ОЗУ 10

1. Расчет помехоустойчивости ФЯ МП. 11

2. Расчет вибропрочности ФЯ МП. 13

Заключение 14

Список используемой литературы 15

Задание

Разработать устройство первичной обработки сигналов радиолокационного приемника, включающее специализированный вычислитель и АЦП, со следующими параметрами:

Т_д, мкс: 20

d, дБ: 30

σ_ш, мВ: 0,9

N: 128

П, дБ: 2,1

P_д, Вт/см² 0,09

ОЗУ, Мбайт: 5

ПЗУ, Кбайт: 10

Место установки: Самолет

Vд ,мм/с: 900

Ад,мм : 0,5

УЭ определяются объектом установки и составляют:

Окружающая температура – 233…333º К

Относительная влажность – 98% при Т = 313 К

Удары:

Длительность τ_и – 5…10 мс

Ускорение а_и – 736 м/c²

Вибрации:

Диапазон частот f_н…f_в – 5…2000 Гц

Виброускорение а – 0,98…196 м/с²

Допустимая перегрузка – 20g

Введение

Современные радиолокационные устройства используют для обработки сигнала микропроцессорные вычислители. Один из способов анализа сигнала с помощью вычислителей – алгоритм быстрого преобразование Фурье (БПФ). Принцип работы сводится к преобразованию сигнала в цифровую форму через АЦП , записи в ОЗУ и преобразованию алгоритмом, реализуемым в микропроцессоре. Результат вычислений передается для дальнейшей обработки. Вышеописанное устройство называется устройством первичной обработки сигнала. Целью курсовой работы является разработка части конструкторской документации с применением принципов и навыков конструирования, дающихся по дисциплине «Технология и проектирование ЭВС». Следует рассчитать основные определяющие параметры для АЦП, МП блока и ОЗУ.

Анализ ТЗК

РЭА устанавливается в самолете. Для самолета характерен большой диапазон температур, широкий диапазон вибраций и ускорений, удары. Это обуславливает применение микросхем с керамическими корпусами, которые обладают большим допустимым температурным диапазоном (-60 +125). Для самолета условия эксплуатации будут следующими:

Предварительно ТЗК можно оценить как реализуемое, так как отечественная промышленность уже освоила выпуск бортовых вычислителей этого типа.

Требуемые условия эксплуатации можно обеспечить применением микросхем с керамическим типом корпусов, позволяющие обеспечить эксплуатацию микросхем в расширенном диапазоне температур и относительных влажностей..

Для реализации принципа модульности блок АЦП (аналого цифрового преобразователя), МП (микропроцессорный) и блок ОЗУ, АЦП реализуются на отдельных ФЯ одного типоразмера.

1. Расчет вычислительных параметров компьютера.

1.1 Определение разрядностей.

Входная разрядность данных:

l ]d/6[=]30/6[=6.

Количество разрядов, определяющих разную точность представления данных на входе и выходе МП.

Значение погрешности представления входных данных рассчитывается из выражения:

дельта АЦП это единица младшего разряда АЦП.

Единица младшего разряда АЦП принимается равной

Потеря точности из-за выполнения базовой операции в МП определяется из выражения:

Откуда

Таким образом,

Определение количества разрядов для компенсации трансформируемой погрешности.

_{количество умножений при БПФ}

Определение разрядности на выходе МП.

Определение расчетной разрядности МП.

- старшие разряды кода входных данных, добавляемые для предотвращения переполнения на всех этапах вычисления.

Вывод: следует принять результирующую разрядность МП 13 разрядов.

1.2 Выбор элементной базы МП

В источнике [1] дается перечень микропроцессоров для выбора. Нужно отсеять заведомо неэффективные\неподходящие\ избыточные решения. 32Битные микропроцессоры Мультикор 1892вм2 и ADSP-213** обладают избыточной вычислительной мощностью (по времени расчета 1024 отсчетов посравнению с 128) и отклоняются как экономически нецелесообразные. Из отечественной элементной базы остается три варианта: микропроцессорные комплекты к588, к1804 и к1802.

Микропроцессорный комплект 1802 характеризуется гибкостью и большой скоростью вычисления благодаря многопортовой структуре БИС, но потребует увеличения числа микросхем на плате и поэтому будет считаться нецелесообразным. К1804 более компактен, но так же как и К1802 выполнен по ТТЛШ технологии, что подразумевает более напряженный тепловой режим. Комплект К1800 сделан по ЭСЛ технологии для задач повышенного быстродействия и отличается повышенным тепловыделением. Серия К1815 так же отличается повышенным быстродействием и поэтому считается избыточной.

Комплект К588 выполнен по технологии КМОП и является предпочтительным.

Если перебирать варианты выполнения МП вычислителя в порядке возрастания сложности и мощности, то получаются следующие варианты:

1.Микропроцессор К588ВС2 .Имеет время выполнения базовой операции

T_бо=6*2+4*28=124мкс. Превышение по скорости.

2.Микропроцессор К588ВС2 с аппаратным умножителем К588ВР2. Имеет время выполнения базовой операции

Тбо=max(6*2;4*2+2*2)=16мкс. Удовлетворительно.

Параметры К588ВС2 429.42-3 Металлокерамический корпус 25,6x33.7x3,13 мм, 4,0 грамма, 42 вывода, площадь 862,27мм², мощность 0,05вт.

Параметры К588ВР2 4118.24-2 размеры 15,6х24,1х3,2 вес 1,9 грамм, металлокерамический корпус, 24 вывода, площадь 375,96 мм² мощность 0,05вт.

Для подключения к внешней шине для контроллера выбирается ПЛИС Altera EPM7256S емкостью 5000 вентилей. Корпус 208- RQFP, размер принимается 30*28 мм, вес 4 грамма, исполнение I (industrial) — -40 +85 градусов. Тепловыделение 1 ватт.

Вывод: выбирается микропроцессорный комплект на микросхемах К588ВС2 и К588ВР2 и микросхеме ПЛИС Altera EPM7256.

1.3 Выбор ПЗУ для хранения микропрограммы.

Разрядность микрокоманды К588ВС2-12 разрядов

Разрядность микрокоманды К588ВР2-3 разряда.

При совместной работе разрядность определяется разрядностью К588ВС2 и равняется 12 разрядам.

Время доступа определяется скоростью чтения команд. При времени выполнения программы

20мкс и 12 микрокомандах скорость извлечения данных 1,6 мкс на команду.

Исходя из приведенных [1] данных выбирается микросхемы К573РФ4А. 28 выводов, тепловыделение 0,4 вт, металлокерамический корпус,масса 2,6 грамм. Время выборки 300нс, распараллеливать не нужно, Кр=1.

Так как разрядность 1 микросхемы ПЗУ 8 бит, то коэффициент распараллеливания

Кпзу=]12*1/8[ * ]8K*8/(10К*8)[=1*2=2.

Вывод: потребуется 2 микросхемы К573РФ4А.

1.4 Выбор АЦП.

Входная разрядность данных:

]d/6[=]30/6[=6.

Частота дискретизации

F=2/T=2/(20*10^-6)=100кГц

Потери квантования определяются через отношение дельта АЦП к сигме шума по таблице и равняются

Пкв=0,34дб

Энергетические потери квантования находятся так:

П_Θ=2,1-0,34=1,76дБ

Определение πf_cΘ

Находится через П_{θ и равняется ,}πfcΘ=1,13дб.

Время выборки

Θ=1,13/(πf_c)=1,13*20*10^-6/3,14=7,19мкс

По результатам расчетов подходит любая микросхема АЦП, но выбирается самая простая:

К1107ПВ1.

1.5 Расчет размера ячейки МП

n_э=(42*2+24*1+18*1+208*1+28*2)/7=55,7 эквивалентных вывода.

В качестве эквивалентного корпуса выбирается тип Н18.64-3В с равными сторонами 26,3 мм, имеющий 64 вывода с шагом 1 мм.(Посмотреть корпус можно здесь http://www.integral.by/index.php?section_id=48 )

Размеры поля определяются следующим образом:

Поля платы принимаются 5мм, со стороны установки разъема 17,5мм

Кис=m*n>=7

принимаем: n=2 ряда m=4 столбца.

Суммарная мощность микросхем определяется суммой:

P=0,05*4+0,4*2+1*1=2 ватта.

Pуд=2/(13*8)=0,02Вт/см²

Что в 4,5 раза лучше величины указанной в задании. На конкретной ФЯ Результат будет еще лучше ввиду большего размера ФЯ, чем у расчетного размера.

Выбирается ближайший рекомендуемый типоразмер ФЯ Я.34.22.01.01, имеющая размер 170*110мм.

1.6 Расчет подсистемы ОЗУ.

Входная разрядность уже определена и равна 6. Необходимо учесть что микропрограмма оперирует комплексными числами и следует удвоить разрядность.

Выбор микросхем заключается в том чтобы минимизировать число ФЯ, на которых размещается ОЗУ. Наиболее емкими схемами являются К565РУ9Д и 62256 Holtek (Каждая на мегабит).По параметрам более предпочтительным является вторая микросхема, но она может быть избыточна по возможностям поэтому расчет будет выполняться для К565РУ9Д, и в случае невозможности её применения для 62256 Holtek.

Габариты К565РУ9Д — 10*6,5мм.

Коэффициент распараллеливания, обеспечивающий согласование частоты дискретизации и времени выборки микросхемы

Кр=]t₀/Tдоп[= ]0,18/20[=1.

Коэффициент распараллеливания, обеспечивающий согласование выполнения микропроцессором программы и обращений в ОЗУ. N₀ равно 10.

Кр=]N₀*t₀/T_д[

Кр=]10*0,18/20[=1.

Общее количество микросхем памяти оценивается так:

Определение количества микросхем на одной ФЯ.

То есть на 1 ФЯ поместятся 99 таких микросхем.

Удельная мощность рассеивания:

Что удовлетворяет требованиям ТЗК

2.Расчет помехоустойчивости ФЯ МП.

Минимальная ширина проводника определяется по формуле:

Wmin<3(L*B)/(2(L+B)Nсв)

Wmin<3*170*110/(2*(170+110)*390)=0,257.мм

Выбирается 3 класс точности.

Для КМОП микросхем:

τ_ф⁺, нс=40;

τ_ф^-, нс=40;

R_вх, Ом=300;

R_вых, Ом=1000;

ΔU, В=4;

ΔI, мА=2;

U_ПД, В=0,9;

Напряжение помехи не должно превышать 0,9 вольт.

Коэффициент формы:

Кф=0,42 для при W=b.

Погонная индуктивность и емкость:

погонная задержка сигнала.

Определение погонной взаимоиндукции и взаимоемкости.

Линии связи на плате являются копланарными, поэтому M₀ = L₀, C_ВЗ0 = C₀.

Расчет критической длины линий связи.

Определение средней длины линий связи.

(93,3мм < 698,75мм), линии связи являются электрически короткими, поэтому распределенные реактивные параметры можно считать сосредоточенными:

1. Расчет емкостной и индуктивной помех.

1. Определение суммарной (разностной) помехи.

<

3. Расчет вибропрочности.

Условие вибропрочности:

1.Амплитуда виброперемещения не должна превышать допустимое значение.

2.Виброскоростоть не превышать допустимое значение.

3.Вибропрегрузка в условиях резонанса не должна превышать допустимое значение (если f₀ лежит в полосе частот действия внешних вибраций).

Для этого n = min{n_a,n_v} ≥ n_тз

Способ закрепления ФЯ – З О З О.

Для первого расчета возьмем толщину печатной платы h = 1 мм, потому что это одновременно и прочный и легкий вариант платы

Частотный коэффициент.

Коэффициент ЭРЭ.

Определение жесткости платы: