Systemy Wbudowane
Systemy Wbudowane
dla kierunku
dla kierunku
MECHATRONIKA
MECHATRONIKA
Część 14
Część 14
Projektowanie i wytwarzanie
Projektowanie i wytwarzanie
dr inż. Marek Galewski
Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Katedra Mechaniki i Mechatroniki
1
Od projektu do systemu
Od projektu do systemu
" Specyfikacja systemu
 Wymagania stawiane systemowi
" Co system ma robić, jakie mieć funkcje, jak wyglądać?
" Projekt systemu
 Rozdział wymagań na sprzęt i oprogramowanie
 Wybór technologii produkcji
 Dobór elementów
" Np. wybór mikrokontrolera i podukładów z nim
współpracujących
 Projekt  logiki układów elektronicznych
" Połączenia pomiędzy układami
 Projekt układów drukowanych
" Rozmieszczenie elementów
" Przeprowadzenie połączeń
 Projekt oprogramowania
2
Od projektu do systemu
Od projektu do systemu
" Budowa systemu
 Trawienie płytek drukowanych
(PCB  Printed Circuit Board)
" Nadruki i wiercenie płytek
 Montaż i lutowanie elementów elektronicznych
 Pisanie oprogramowania (równolegle z poprzednimi)
" Testowanie
 Testowanie jakości układów
" Np. ciągłości połączeń, jakości lutów, poprawności
rozmieszczenia elementów
 Wgranie oprogramowania
 Testowanie całego systemu
3
Od projektu do systemu
Od projektu do systemu
y
ródło: Nexlogic.com
4
Podział wymagań
Podział wymagań
" Rozdział wymagań na sprzęt i oprogramowanie
 Które funkcje realizować sprzętowo, a które
programowo?
 Jeśli sprzętowo
" Które z podukładów MCU wykorzystać do realizacji zadania
" Czy potrzebne są dodatkowe układy
" Jakich pomocniczych elementów programowych będzie
potrzebowało rozwiązanie
 Np. konfiguracja podukładów, transmisja danych z układu
zewnętrznego
 Jeśli programowo
" Jaki algorytm?
5
Podział wymagań
Podział wymagań
" Rozdział wymagań na sprzęt i oprogramowanie
 Przykład  układ zliczający osoby wchodzące do metra
" Jak określać, że ktoś przeszedł
 Bramka przy wejściu generująca impulsy
" Jak zliczać impulsy
 Rozwiązanie sprzętowe
Licznik wyzwalany zewnętrznie
Odczyt stanu licznika, dopiero gdy potrzebna jest aktualna
liczba osób
 Rozwiązanie sprzętowo-programowe
Impuls generuje przerwanie
W procedurze obsługi przerwania zwiększamy stan zmiennej
liczba_osob
 Rozwiązanie programowe
Cyklicznie sprawdzamy stan wejścia do którego podłączona
jest bramka
Jeśli ktoś przechodzi - stan zmiennej liczba_osob
6
Podział wymagań
Podział wymagań
 Rozwiązanie sprzętowe - najlepsze
Zaleta  liczba osób zliczana  w tle , procesor nie obciążony
liczeniem, może wykonywać inne zadania
Ewentualne komplikacje  ograniczona długość licznika
- Można połączyć kilka liczników kaskadowo
- Przy przepełnieniu  generować przerwanie i zliczać
programowo liczbę przepełnień
 Rozwiązanie sprzętowo-programowe
Wada - nieco większe obciążenie procesora niż w sprzętowym
Zaleta  jeśli nikt nie przechodzi, brak obciążenia
 Rozwiązanie programowe  najgorsze
Wady
- By nie pominąć impulsu, program musi często sprawdzać
stan portu
- Duże obciążenie procesora, niezależnie od tego, czy ktoś
przechodzi czy nie
7
Technologie wytwarzania
Technologie wytwarzania
" Wybór technologii produkcji
 Montaż przewlekany - THT  Thru-Hole Technology
" Elementy mają końcówki w postaci drutów lub nóżek
" Przekłada się je przez otwory w płytce
" Lutuje się po drugiej stronie
" Obecnie rzadko stosowany w produkcji masowej
y
ródło: wikipedia.org
8
Technologie wytwarzania
Technologie wytwarzania
" Wybór technologii produkcji
 Montaż powierzchniowy - SMT  Surface Mount
Technology
" Końcówki elementów SMD (Sufrace Mount Device) w formie
kołnierzy lub pól lutowniczych
" Na płytkę nakładana jest pasta lutownicza
" Elementy są przyklejane do płytki
" Płytka trafia do pieca, pasta roztapia się tworząc luty
element
SMD kołnierz
lut
ścieżka
płytka klej
" Obecnie powszechnie stosowany w produkcji masowej
9
y

ródło: wikipedia.org
Technologie wytwarzania
Technologie wytwarzania
" Wybór technologii produkcji
 Montaż powierzchniowy  SMT
" Zalety
 Przystosowanie do automatyzacji produkcji
 Małe rozmiary elementów - miniaturyzacja urządzeń
 Duża gęstość rozmieszczenia elementów
 Możliwość rozmieszczenia komponentów po obu stronach płytki
drukowanej
 Mała impedancja połączeń (lepsze właściwości przy wysokich
częstotliwościach sygnałów)
 Dobre właściwości mechaniczne w warunkach wstrząsów
i wibracji (mała masa elementów)
 Stosunkowo niskie koszty produkcji
" Wady
 Wysoki koszt maszyn produkcyjnych
 Bardziej skomplikowana kontrola poprawności połączeń
(w porównaniu do THT)
 Ręczne wykonanie / naprawa układów trudna
10
Technologie wytwarzania
Technologie wytwarzania
" Wybór technologii produkcji
 W praktyce
" A
ączenie obu technologii w jednym układzie
 Układy scalone, rezystory, kondensatory, diody, itp.  SMT
 Elementy mechaniczne (np.: złącza, przyciski), potencjometry,
kondensatory elektrolityczne, duże (wymiarowo) tranzystory  THT
11
Dobór elementów
Dobór elementów
" Dobór elementów  co należy uwzględnić?
 Charakterystyki i własności elementów
 Funkcje układów programowalnych
 Technologię montażu
 Rozmiary elementów
 Rozmieszczenie wyjść / wejść elementów
 Kwestie prawne
 Uwaga  należy uwzględniać wszystko jednocześnie!
" Np.
 Jeśli zdecydujemy się na MCU STM32  nie ma wersji do montażu
przewlekanego
 Jeśli urządzenie ma być miniaturowe  technologia SMT
 Jeśli urządzenie medyczne  certyfikaty medyczne
12
Dobór elementów
Dobór elementów
" Wybór procesora:
 Przy wyborze należy uwzględnić:
" Typ procesora
 Jego możliwości (moc obliczeniowa, pamięć, peryferia, interfejsy)
" Rozmiar obudowy
 Miejsce na układy elektroniczne może być ograniczone zwłaszcza
w przypadku urządzeń mobilnych
 Mniejsza obudowa = mniej wyprowadzonych linii procesora 
może to wprowadzać ograniczenia, np. na dostępne porty, tryby
pracy itp.
" Rodzaj obudowy
 Dostępna technologia wytwarzania PCB i montażu elementów
" Cenę
13
Dobór elementów
Dobór elementów
" Najpopularniejsze typy obudów
 BGA (Ball Grid Array)
 DIP, DIL (Dual In-line Package)
 PGA (Pin Grid Array)
 QFN (Quad Flat No leads)
 QFP (Quad Flat Package)
 SOIC (Small-Outline Integrated Circuit)
 TO-xx
" Rodzina różnych obudów cylindrycznych
14
Dobór elementów
Dobór elementów
" Najpopularniejsze typy obudów
 Poszczególne typy mają wiele odmian
 Np. BGA  ball grid array
" CBGA, PBGA, FBGA, LBGA, LFBGA, SBGA, TBGA, UFBGA,
UBGA, MBGA, &
" Różnią się np. rozstawem pól, wysokością obudowy,
materiałem obudowy
obudowy procesorów STM32F10x
Nie wszystkie wersje MCU dostępne w dowolnej obudowie
15
Kwestie prawne
Kwestie prawne
" Kwestie prawne przy wyborze elementów
 Producenci nie biorą odpowiedzialności za
zastosowanie swoich produktów
" W szczególności w zastosowaniach
 Lotniczych i kosmicznych
 Wojskowych
 Samochodowych
 Kolejowych
 Medycznych
 Związanych z bezpieczeństwem (np. systemy ratownicze)
" Do takich zastosowań oferują często specjalne wersje układów
" Wymagają pisemnej zgody na użycie elementów
 Istotne, gdy budujemy układ, który ma być produkowany masowo
lub ma uzyskać jakieś certyfikaty (np. medyczne)
16
Produkcja masowa
Produkcja masowa
" Produkcja masowa
 Zautomatyzowane wytwarzanie układów drukowanych
" Trawienie ścieżek  1 i 2 stronne
" A
ączenie płyt wielowarstwowych
" Nanoszenie oznaczeń
" Wiercenie otworów i przycinanie
 Automatyczny montaż elementów
" Elementy podawane w taśmach do modułów rozmieszczających
elementy
Taśma rezystorów THT Taśma kondensatorów SMD
17
Produkcja masowa
Produkcja masowa
 Automaty rozmieszczające elementy na PCB
(Pick&Place)
" Wydajność nawet kilkanaście tysięcy elementów na godzinę
" Przykłady:
y
ródło: www.tmtechnologie.pl y
ródło: www.essemtec.com
18
Produkcja masowa
Produkcja masowa
 Automatyczne lutowanie
" Elementy THT
 Lutowanie na fali
" Elementy SMD
 Nakładanie pasty lutowniczej
 Podgrzanie
Podczerwone
Gorącym powietrzem
Podczerwony piecyk lutowniczy
Konwekcyjny (gorące powietrze) piec lutowniczy
30x30cm
19
Projektowanie hardware i software
Projektowanie hardware i software
" Równoległość prac nad sprzętem
i oprogramowaniem
 Układów drukowanych i oprogramowania dla MCU nie da
się projektować niezależnie
" Układ PCB wymusza sposób działania programu, np.:
 Do danego pinu GPIO nie da się poprowadzić ścieżki
 Obudowa ma określone wyjścia
" Program wymusza połączenia na PCB, np.:
 Użycie USART1 wymaga podłączenia układów obsługi RS232 do
portu GPIOA
" Konieczność całościowego spojrzenia na projekt!
20
Projektowanie hardware i software
Projektowanie hardware i software
" Uwagi dotyczące projektowania
 Wybierać MCU nieco mocniejszy (większa wydajność,
więcej pamięci) niż pozornie potrzeba
" Póz
niejsze dodanie np. nowej funkcji nie będzie wymagało
zmiany procesora
 Na PCB pozostawić miejsce na ścieżki drukowane do
nieużywanych pinów
" Ułatwi przeprojektowanie PCB jeśli trzeba będzie dodać nowy
element na płytce
 Nie używane piny podłączyć do  0 (masy) lub  1
" Nie zostawiać  pływających wejść  podatne na zakłócenia
 Wyłączyć nieużywane podukłady peryferyjne
21
Testowanie
Testowanie
" Testowanie
 Testowanie rozmieszczenia opisów i elementów
" Kamera + rozpoznawanie obrazu
 Automatyczne testowanie połączeń
" Sprawdzanie ciągłości poszczególnych ścieżek
" Sprawdzanie zwarć
 JTAG
" Testowanie obwodów drukowanych oraz programowanie
procesorów bezpośrednio w układzie docelowym
" Wymaga odpowiedniego zaprojektowania układu
22