Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехники

Специальность 210302 («Радиотехника»)

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема дипломного проекта, дипломной работы: Устройство функционального контроля БИС восьмиразрядных микроконтроллеров

Пояснительная записка

Разработал А.А. Лихачев

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Зав.кафедрой Г.В. Макаров

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Руководитель Е.Д. Алперин

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Консультанты:

Подпись, дата Инициалы, фамилия

В.И. Попов

Подпись, дата Инициалы, фамилия

А.М. Гольцев

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Подпись, дата Инициалы, фамилия

_____________________________________________________________________________

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Нормоконтроль провел Е.Д. Алперин

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Воронеж 2005

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехники

Специальность “Радиотехника”

Студент группы РТ – 001 a

(индекс группы)

Лихачев Александр Анатольевич

(фамилия, имя, отчество)

З А Д А Н И Е

на выпускную квалификационную работу

1.Тема дипломного проекта: Устройство функционального контроля восьмиразрядных микроконтроллеров

утверждена распоряжением по факультету № 25 от 17 января 2005г.

2. Технические условия: Уровень бессбойной работы, время потери работоспособности должны проверяться по двадцати элементам памяти

3. Содержание (разделы, графические работы, расчеты и проч.) Введение; литературный обзор; разработка структурной схемы; разработка электрической схемы; выбор и обоснование алгоритмов ФТ ОЗУ, ПЗУ и набора команд; разработка печатной платы для схемы функционального контроля ИС в сравнении с эталоном; организационно- экономическая часть; безопасность жиздеятельности и экологичность; заключение; плакат структурной схемы; плакат электрической схемы приема и педачи данных; плакат АФТ «попарная запись-считывание с полным перебором»; плакат сектограммы.

4. План выполнения дипломного проекта, дипломной работы

с « 15 » марта 2005 г. по « 24 » мая 2005 г.

Название элементов проектной работы	%	Сроки	% выполн.	Подпись рук., консульт.
1 Обзор научно-технической литературы и патентный поиск	10	20.03	10
2 Разработка структурной, и принципиальной схем	30	10.04	40
3 Разработка программ функционального контроля ОЗУ, ПЗУ и набора команд	10	20.04	50
4 Разработка печатной платы устройства сравнения	15	30.05	65
5 Организация и планирование ОКР. Экономический анализ конкурентоспособности	15	7.05	80
6 Экологичность и безопасность при разработке РЭА	10	14.05	90
7 Графические работы	10	24.05	100

Руководитель дипломного проекта

l Алперин Евгений Даниловичl

(подпись) (Фамилия, имя, отчество)

5. Дипломный проект, дипломная работа закончен(а)

« 25 » мая 2005 г. l

(подпись дипломника)

6. Пояснительная записка и все материалы просмотрены

Оценка руководителя

Консультанты: Попов Владимир Ивановичl

(подпись) (Фамилия, имя, отчество)

______________________________________ Гольцев Александр Михайлович

(подпись) (Фамилия, имя, отчество)

l

(подпись) (Фамилия, имя, отчество)

(подпись) (Фамилия, имя, отчество)

(подпись) (Фамилия, имя, отчество)

7. Допустить дипломника Лихачева А.А. l

(фамилия, инициалы)

к защите дипломного проекта, дипломной работы в Государственной аттестационной комиссии (протокол заседания кафедры № 13

от « 23 » мая 2005 г.)

8. Назначить защиту на « 8 » июня 2005 г.

Заведующий кафедрой Г.В. Макаров

(подпись) (Инициалы, фамилия)

Декан факультета А.В. Муратовl

(подпись) (Инициалы, фамилия)

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 100 с., 46 рисунков, 24 таблица, 7 источников, 5 листов графической части.

Ключевые слова: блок, функциональный контроль, время потери работоспособности, уровень бессбойной работы, эмулятор ПЗУ, прием данных, накопитель результатов, передача данных, блок ОЗУ, блок счетчиков, блок мультиплексоров, блок буферов, логика управления, алгоритмы.

Объект исследования или разработки – устройство функционального контроля БИС восьмиразрядных микроконтроллеров.

Цель работы – разработать устройство функционального контроля обеспечивающего проверку непосредственно после воздействия специальных факторов ОЗУ, ПЗУ и правильность выполнения команд, а так же после всех воздействий дешифраторы адресов и матрицы элементов памяти ОЗУ и ПЗУ с правильностью выполнения команд.

Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики – загрузка программ в ВПП через интерфейс параллельного LPTпорта, проверка ОЗУ, проверка ПЗУ, проверка правильности выполнения команд, загрузка данных в компьютер из накопителя результатов через интерфейс параллельногоLPTпорта, тактовая частота 2 МГц,напряжение питания - 5 В; занимаемая площадь не более 0,125 м².

Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов – возможно применение как для обыкновенной проверки микроконтроллеров, так и для проверки с воздействиями специальных факторов.

Область применения – цифровая техника.

Содержание

Введение 9

1 Литературный обзор 12

2 Разработка структурной схемы устройства функциональ-

ного контроля восьмиразрядных микроконтроллеров 15

3 Разработка электрической схемы устройства функцио-

нального контроля микроконтроллеров 19

3.1 Разработка электрической схемы функционального

контроля ИС в сравнении с эталоном 19

3.2 Разработка электрической схемы, обеспечивающей

прием данных из компьютера 22

3.2.1. Разработка электрической схемы для блока «RAM1» 22

3.2.2 Разработка электрической схемы для блока «СТ 1» 23

3.2.3 Разработка электрической схемы для блока «MS1» 24

3.2.4 Разработка электрической схемы для блоков «Буфер

данных 1» и «Буфер данных 2» 25

3.2.5 Разработка электрической схемы для блока «Логика

управления 1» 25

3.3 Разработка электрической схемы, обеспечивающей

передачу данных в компьютер 33

3.3.1 Разработка электрических схем для блоков «RAM2»,

«CT2», «MS2», «Буфер данных 3» и «Буфер данных 4» 33

3.3.2 Разработка электрической схемы для блока «Логика

управления 2» 33

4 Выбор и обоснование алгоритмов ФТ ОЗУ 35

4.1 Общие сведенья 35

4.1.1 Способы построения алгоритмических функциональных

тестов ОЗУ 35

4.1.2 Описание неисправностей в двоичном ДШ адреса 36

4.1.3 Описание неисправностей и методы их устранения в

матрице ОЗУ 37

4.2 Алгоритм ФТ, проверяющего ОЗУ непосредственно

после воздействия специальных факторов 38

4.3 Алгоритм ФТ, проводящее полную проверку ОЗУ

после всех воздействий специальных факторов 41

5 Выбор и обоснование алгоритмов ФТ ППЗУ 45

5.1 Особенности функционального контроля ЗУ с преиму-

щественным считыванием информации 45

5.2 Алгоритм ФТ, проверяющего ППЗУ непосредственно

после воздействия специальных факторов 46

5.3 Алгоритм ФТ, проводящее полную проверку ППЗУ

после всех воздействий специальных факторов 48

6 Выбор и обоснование алгоритмов ФТ набора команд 50

6.1 Общие сведенья 50

6.1.1 Общая характеристика 50

6.1.2 Типы команд 50

6.1.3 Типы операндов 51

6.1.4 Группы команд 52

6.1.5 Обозначения, используемые при описании команд 53

6.2 Алгоритм ФТ, проверяющего набор команд непосредст-

венно после воздействия специальных факторов 54

6.3 Алгоритм ФТ, проводящий полную проверку команд

после воздействия специальных факторов 55

7 Разработка печатной платы для схемы функциональ-

ного контроля ИС в сравнении с эталоном 56

7.1 Создание компонентов и ведение библиотек 56

7.2 Создание компонента КР1533ТЛ2 с помощью программы

работы с библиотеками P-CAD Library Executive 56

7.3 Создание схемы электрической принципиальной с

помощью программы P-CADSchematic60

7.4 Разработка топологии печатных плат 61

7.5 Топология печатной платы 64

8 Организационно- экономическая часть 66

8.1 Предварительная оценка планируемой к выполнению

проектно-конструкторской работы 66

8.2 Организация и планирование ОКР 66

8.2.1 Расчет трудоемкости ОКР 67

8.2.2 Распределение трудоемкости ОКР по исполнителям 68

8.2.3 Расчет договорной цены научно- технической продукции 69

8.3 Технико-экономический анализ конкурентоспособности

новой конструкции РЭА 70

8.3.1 Выбор и обоснование товара- конкурента 70

8.3.2 Анализ технической прогрессивности нового устройства

контроля 71

8.3.3 Анализ изменений функциональных возможностей нового

устройства контроля 72

8.3.4 Анализ соответствия новой конструкции РЭА нормативам 73

8.3.5 Образование цен нового товара и товара- конкурента 73

8.3.6 Расчет годовых издержек потребителя в условиях

эксплуатации 75

8.3.7 Расчет полезного эффекта 76

8.3.8 Расчет нижнего и верхнего пределов нового товара 77

8.3.9 Образование цены потребления и установление коммер-

ческой конкурентоспособности 78

8.3.10 Обоснование конкурентоспособности новой конструкции

РЭА. Условия выхода на рынок 79

9 Безопасность жизнедеятельности и экологичность 82

9.1 Безопасность жизнедеятельности 82

9.1.1 Анализ вредных и опасных факторов труда в лаборатории

НИИ 82

9.1.2 Обеспечение санитарно-гигиенических требований к по-

мещениям НИИ и рабочим местам сотрудников 82

9.1.3 Характеристика шума и мероприятия по его снижению 84

9.1.4 Требования к освещению помещений и рабочих мест 86

9.1.5 Вредные факторы при работе с монитором 87

9.1.6 Противопожарная защита 88

9.1.7 Электробезопасность 90

9.1.8 Электромагнитные поля и их нормирование 92

9.1.9 Расчет вентиляции 93

9.2 Экологичность 94

9.3 Оценка устойчивости микроконтроллера к воздействию

проникающей радиации 94

9.3.1 Влияние ионизирующего излучения на кристалл микро-

контроллера 94

9.3.2 Расчет защитного экрана от нейтронного излучения 97

Заключение 99

Список используемой литературы 100

перечень условных обозначений

АФТ - алгоритмический функциональный тест;

БИС - большая интегральная схема;

ВПР - время потери работоспособности;

ГТИ - генератор тактовых импульсов;

ДШ - дешифратор;

ЗУ - запоминающее устройство;

ИИ - ионизирующее излучение;

ИИС - испытатели интегральных схем;

ИС - интегральная схема;

МК - микроконтроллер;

МП - микропроцессор;

НТД - научно- техническая документация;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ПДП - программный доступ к памяти;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ПП - печатная плата;

ППЗУ - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство;

РПЗУ - репрограммируемое постоянное запоминающее устройство;

СК - системный контроллер;

ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика;

УБР - уровень бессбойной работы;

УФПЗУ - ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием;

ЦУ - цифровое устройство;

ФК - функциональный контроль;

ФТ - функциональный тест;

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

ЭП - элемент памяти;

ЭПЗУ - эмулятор постоянного запоминающего устройства.

Введение

Темой данного дипломного проекта является разработка устройства функционального контроля БИС восьмиразрядного микроконтроллера семейства MCS51 на воздействия специальных факторов. Это связано с тем, что, несмотря на непрерывное развитие и появление все новых и новых шестнадцати- и тридцатидвухразрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за восьмиразрядными устройствами.

По мере увеличения степени интеграции ИС в составе каждой схемы увеличивается число простых логических элементов и внутренних связей. Проверить работоспособность большинства этих элементов, а также связи между ними с помощью последовательного контроля входных и выходных параметров БИС становится практически невозможно. Возникла необходимость в оценке функционирования БИС (внутренних элементов и взаимосвязей между ними), что в свою очередь привело к созданию нового типа контрольно- измерительного оборудования – установок функционального контроля БИС.

Многие зарубежные фирмы выпускают такие установки контроля. Объем их продаж непрерывно возрастает. Работа этих установок основана на различных принципах функционального контроля БИС.

Для примера рассмотрим установку контроля МХ17 (фирма производитель- AdarAssociates, страна- США). Она относится к классу сравнительно недорогих установок, ориентированных на использование сменных модулей (эталонных систем) для контроля конкретных БИС. Модель МХ17 предназначена для контроля БИС микропроцессоров и наборов микропроцессоров методом условного естественного окружения, позволяющим проводить электрический контроль в наихудших условиях. Для формирования контрольных последовательностей используется эталонная система, в состав которой входят эталонный МП, аналогичный проверяемому, и периферийные схемы. Контролируемая БИС функционирует в нормальном окружении, но логические сигналы поступают через усилители- формирователи (драйверы). При другой эталонной системе установка может контролировать БИС ЗУ. Благодаря применению выносного блока электроники выводов совмещение двух методов контроля: по эталону и в составе системы- позволяет контролировать БИС в наихудших условиях.

В качестве другой установки рассмотрим MD100 (фирма-Macrodata, страна- США), которая использует метод алгоритмического функционального контроля. Установка функционального контроля представляет собой специализированный процессор с оперативной памятью, система команд которого ориентирована на эффективную реализацию алгоритмов контроля. Основная особенность подобных установок состоит в том, что они используют отдельные сменные платы для создания временной диаграммы работы конкретного типа БИС ЗУ и согласования входных и выходных сигналов по уровням.

В нашем случае проверка микроконтроллеров имеет некоторую отличительную особенность. Функциональный контроль состоит из двух частей. То есть в первой части производят проверку непосредственно после воздействия специальных факторов, во второй части после всех воздействий. Непосредственно после воздействий проверяется время потери работоспособности, показатели стойкости микросхемы к воздействию спецфакторов, уровень бессбойной работы.

После всех воздействий проверяется исправность дешифраторов адресов, матриц ОЗУ и ПЗУ, а также набор команд.

То есть получается, что все выше приведенные устройства обеспечивают проверку только по второй части необходимого функционального контроля.

Воздействиям специальных факторов подвергаются восьмиразрядные высокопроизводительные микроконтроллеры, имеющие следующие параметры:

- тактовая частота 24 МГц;

- внутреннее ОЗУ объемом 128 байт;

- внутреннее УФ ПЗУ объемом 4 Кбайт;

- четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода;

- два 16-разрядных таймера-счетчика;

- встроенный тактовый генератор;

- адресация 64 КБайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных;

- две линии запросов на прерывание от внешних устройств;

- интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.

Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии. Через четыре программируемых параллельных порта ввода/вывода и один последовательный порт микроконтроллер взаимодействует с внешними устройствами. Основу структурной схемы образует внутренняя двунаправленная восьмибитная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: резидентную память программ (RPM), резидентную память данных (RDM), арифметико-логическое устройство (ALU), блок регистров специальных функций, устройство управления (CU) и порты ввода/вывода (Р0-Р3).

Испытания проводятся на соответствие требованиям технического задания в части воздействия специальных факторов. В общем виде, это будет происходить следующим образом. Через LPTпорт загружается программа, по которой осуществляет контроль какой- либо части микроконтроллера. Полученные результаты поступают в компьютер к оператору.

Микросхемы должны быть стойкими к воздействию специальных факторов 7И со значениями характеристик 7И₁, 7И₆, 7И₇, 7С₁ соответствующими группе 1У_с, 7С₄ -0,01*1Ус по ГОСТ РВ 20.39.414.2. Значения характеристик могут уточняться по результатам испытаний.

В процессе ОКР определяют значения характеристик 7И₁, 7И₆, при которых отсутствует потеря работоспособности микросхем (УБР) и время потери работоспособности (ВПР).

Уровень бессбойной работы (характеристика 7И₈) устанавливается в процессе выполнения ОКР.

Допускается в процессе и непосредственно после воздействия специальных факторов с характеристиками 7И₆, 7И₁ временная потеря работоспособности (ВПР) на время не более 2 мс.

В ходе ОКР проводят исследования по определению режимов, условий и параметров – критериев стойкости микросхем к воздействию специальных факторов путем проведения имитационных испытаний.