Модульный принцип конструирования электронно-вычислительной аппаратуры

Министерство  образования и науки Челябинской области

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования (ССУЗ)

«Коркинский горно-строительный техникум»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине:

«Конструирование, производство и эксплуатация средств вычислительной техники»

Тема: «Модульный принцип конструирования электронно-вычислительной аппаратуры»

 

 

 

 

                                                                                                                      

 

 

 

 

        Выполнил студент

Группы 1ВКС-10

С.Н. Сухоносов

Проверил преподаватель:

М.В. Цыпляев

 

 

 

 

 

 

Коркино

   2012

Введение

Модульный принцип конструирования – особенность построения технических систем, заключающаяся в подчинении их размеров проектному модулю и (или) в обеспечении возможности комплектования разнообразных сложных технических систем с большим различием характеристик из небольшого, экономически обоснованного, количества типов и типоразмеров одинаковых первичных (типовых или стандартных) общих модуль-элементов.

 

Модуль - составная часть аппаратуры, выполняющая в конструкции подчиненные функции, имеющая законченное функциональное и конструктивное оформление и снабженная элементами коммутации и механического соединения с подобными модулями и с модулями низшего уровня в изделии.

Модульный принцип  конструирования предполагает разукрупнение (разбивку, расчленение) электронной схемы электронной аппаратуры на функционально законченные подсхемы (части), выполняющие определенные функции.

Эти подсхемы чаще всего разбиваются на более простые и так до тех пор, пока электронная схема изделия не будет представлена в виде набора модулей разной сложности, а низшим модулем не окажется корпус микросхемы. Модули одного уровня объединяются между собой в электронной аппаратуры на какой-либо конструктивной основе (несущей конструкции).

Возможен и  другой подход к проектированию, когда  частям детально разработанной функциональной схемы изделия ставятся в соответствие схемы выбранной серии микросхем, а электрическая схема изделия как бы "покрывается" электрическими схемами микросхем.

При этом отдельные  части схемы изделия могут  оказаться непокрытыми микросхемами существующих серий, тогда такие подсхемы реализуются дискретными электрорадиоэлементами.

В результате будет  получен набор корпусов микросхем и электрорадиоэлементами, реализующий схему изделия. Эти корпуса и электрорадиоэлементы устанавливаются и коммутируются между собой в модулях следующего уровня иерархии, которые устанавливаются и коммутируются в модуле более высокого уровня, и т. д.

В зависимости  от сложности проектируемого изделия  будет задействовано разное число  уровней модульности (уровней конструктивной иерархии).

Конструкция современной электронной аппаратуры представляет собой некоторую иерархию модулей (порядок в расположении модулей от низшего к высшему), каждая ступень которой называется уровнем модульности.

При выборе числа  уровней модульности проводится типизация модулей, т. е. сокращение их разнообразия и установление таких  конструкций, которые выполняли бы самые широкие функции в изделиях определенного функционального назначения.

Функциональное  многообразие изделий достигается  использованием различного числа уровней модульности с возможностью конструктивного оформления высшего и, следовательно, самого сложного модуля в виде законченного изделия.

Выделяют четыре основных и два дополнительных уровня модульности. Под основными понимаются уровни модульности, широко применяемые в разнообразной аппаратуре, под дополнительными -- используемые в специальной аппаратуре, но не всегда.

Модулем нулевого уровня является электронный компонент. В зависимости от исполнения аппаратуры модулем нулевого уровня служат электрорадиоэлементы и микросхемы.

Модулем уровня 0,5 является микросборка, состоящая  из подложки с размещенными на ней безкорпусными микросхемами. Межмодульная коммутация обеспечивается введением по периферии подложки контактных площадок. Модуль вводится для увеличения плотности компоновки аппаратуры.

Модуль первого  уровня - типовой элемент замены - представляет собой печатную плату с установленными на ней модулями нулевого уровня и электрическим соединителем.

Модуль второго  уровня - блок, основными конструктивными элементами которого является панель с ответными соединителями модулей первого уровня. Межблочная коммутация выполняется соединителями, расположенными по периферии панели блока. Модули первого уровня размещаются в один или несколько рядов.

Модуль третьего уровня - стойка, в которой устанавливаются блоки или 2-3 рамы.

Рама применяется  в стоечной аппаратуре, использующей небольшие по размерам модули первого уровня.

Модульный принцип  конструирования предусматривает  несколько уровней коммутации:

уровень 0,5 - электрическое соединение выводов бескорпусных микросхем пленочными проводниками;

уровень 2,5 - коммутация блоков в раме проводами, жгутами или кабелями.

1-й уровень  - коммутация печатным и (или) проводным монтажом электронных компонентов на плате;

2-й уровень  - коммутация печатным или объемным монтажом ответных соединителей модулей первого уровня в блоке;

3-й уровень  - электрическое объединение блоков или рам в стойке и стоек между собой жгутами и кабелями;

При разработке несложной аппаратуры высшие уровни модульности отсутствуют. Полная модульность, приведенная на рис. 1, используется только в сложной аппаратуре, например в супер - электронно-вычислительной машине.

Выражение функционально-узловой  метод проектирования широко распространено в отечественной литературе. Этот метод дает подход к разбивке функциональной схемы изделия на узлы (подсхемы), конструктивно выполненные на печатной плате модулями первого уровня.

В действительности задача проектирования ставится шире, так как сложная аппаратура воплощает  не одну схему, а, как правило, несколько  структурных или функциональных схем. Поэтому целесообразно говорить о модульном принципе проектирования, подразумевая под этим принципы выделения (разукрупнения, разбивки) схем на функциональные группы разных уровней сложности (узлы, устройства, комплексы, системы) для реализации их конструктивными модулями. Конструктивным модулям можно поставить в соответствие схемные модули, которые так же имеют многоуровневую иерархию и представляют собой функциональные узлы, устройства, комплексы, системы (табл. 1).

 

Конструктивная  модульность	Схемная модульность
Корпус микросхемы	Логический, запоминающий элемент
ТЭЗ	Функциональный  узел
Блок	Устройство
Рама	Комплекс
Стойка	Система

Таблица 1. Связь  между конструктивной и схемной  модульностью

 

Необходимо отметить, что  приведенная в табл. 1 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 микросхем.

Дело в том, что в больших интегральных схемах реализуются целиком устройства (например, преобразователи, запоминающие устройства) или их крупные фрагменты. Весьма возможно, что несложная система будет конструктивно выполнена на одной печатной плате.

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

функциональной законченности, когда выделяемая подсхема должна обладать необходимой полнотой и выполнять  частные функции по приему, обработке, хранению и передаче информации;

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

максимального заполнения отводимого конструктивного пространства (поверхности) модулями (компонентами) (по этой же причине компоненты не должны существенно отличаться между собой по габаритным размерам и массе);

модули (компоненты) подсхем  должны рассеивать приблизительно одинаковые мощности во избежание местных перегревов;

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

Соблюдение  требований функциональной законченности  покажем на примере разработки конструкции  супергетеродинного приемника, состоящего из следующих подсхем: входной цепи, усилителя радиочастоты, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, детектора, усилителя звуковой частоты.

При реализации конструкции радиоприемника каждый функциональный узел можно выполнить на отдельной плате и в то же время всю схему радиоприемника -- на одной плате. В том и другом случае функциональная законченность будет иметь место, но во втором случае общее число внешних связей меньше, и надежность, если все прочие элементы схемы и конструкции одинаковы, окажется выше.

Функциональная  законченность будет отсутствовать, если на одной плате выполнена  схема входной цепи и часть усилителя радиочастоты, а на другой плате - оставшаяся часть усилителя радиочастоты и преобразователь частоты.

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

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

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.

В основе стандартизации модулей и их несущих конструкций  лежат типовые функции, свойственные многим электронным системам. Для использования при проектировании модульного принципа конструирования разработаны ведомственные нормали и государственные стандарты, устанавливающие термины, определения, системы типовых конструкций модульных систем.

Конструкционная система, прежде всего, должна представлять многоуровневое семейство модулей с оптимальным составом набора, обеспечивающим функциональную полноту при построении аппаратуры определенного назначения.

Все модули системы  должны быть совместимы между собой  по конструктивным, электрическим и  эксплуатационным параметрам.

Базовым называется принцип конструирования, при котором частные конструктивные решения реализуются на основе стандартных конструкций модулей или конструкционных систем модулей (базовых конструкций), разрешенных к применению в аппаратуре определенного класса, назначения и объектов установки.

При разработке базовых конструкций должны учитываться  особенности современных и, что более важно, будущих разработок. При этом частные конструктивные решения обобщаются, а основные свойства и параметры закладываются в конструкции, которые стандартизуются, поставляются и рекомендуются для широкого применения.

Базовые конструкции  не должны быть полностью конструктивно  завершенными, необходимо предусматривать  возможность их изменения (в основном косметического характера) для создания модификаций аппаратурных решений. Иерархическое построение базовых конструкций с гибкой структурой и числом уровней не более четырех является вполне достаточным для разработки электронной аппаратуры любой сложности.

При стандартизации параметры конструкций объединяются в параметрические ряды, характеризующиеся совокупностью числовых значений на основе принятых градаций и диапазонов.

Если в качестве параметров ряда используют геометрические размеры конструкции, то говорят  не о параметрических, а о размерных рядах. Оба вида рядов получили широкое распространение.

Оптимальными  с позиций стандартизации следует  считать ряды, обеспечивающие наибольший экономический эффект от их использования и опережающую стандартизацию, т. е. сокращение объема работ, связанных с пересмотром стандартов и их модернизацией (опережающая стандартизация позволяет увеличить сроки действия стандартов).