Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития ЭВС характеризуется все усиливающейся тенденцией к микроминиатюризации, широким применением в устройствах ЭВС микросхем сверхвысокой степени интеграции, микросборок, миниатюрных электрических соединителей [1]. Одной из основных проблем при комплексом решении задачи микроминиатюризации является обеспечение нормального теплового режима разрабатываемого устройства. Тепловые воздействия могут приводить к снижению надежности функционирования ЭВМ, повышая интенсивность отказов их элементов (деталей, узлов, материалов). Считается, что при повышении температуры среды, окружающей элементы в блоках ЭВМ на 10 градусов, интенсивность отказов последних в среднем увеличивается на 25 – 50%.

Существующие инженерные методики представляют собой достаточно сложный математический аппарат и, зачастую, не дают инженеру-разработчику данных с требуемой точностью. Кроме того, наличие множества факторов, влияющих на формирование реального теплового режима в устройствах ЭВМ не позволяет учесть все нюансы в аналитическом подходе к решению данной задачи. Таким образом, здесь весьма важным является проведение экспериментальных исследований. Однако, как известно, в стандартной комплектации типовой ПЭВМ нет технических средств для решения данной задачи. Поэтому весьма актуальными становятся работы по созданию автоматизированных систем изучения тепловых режимов конструкций ЭВС. Такие системы должны сочетать в себе такие эксплуатационные критерии, как точность получаемых данных, наглядность и возможность их дальнейшего использования. Кроме того, применение подобных систем должно быть экономически выгодным.

Анализируя рынок специализированных модулей для исследования тепловых режимов конструкций ЭВС, необходимо заметить, что данное направление в настоящее время не получило должного развития. Всевозможные электронные универсальные устройства для измерения температуры конструкций, зачастую, не отвечают в полной мере требованиям, которые предъявляются исследователем (п.2). Поэтому тема данного дипломного проекта представляется весьма актуальной.

В рамках данного проекта согласно утвержденному техническому заданию требуется разработать автоматизированную систему для изучения тепловых режимов устройств ЭВМ, представляющую собой комплекс технических и программных средств. Необходимо разработать аппаратное обеспечение системы (встраиваемую в ПЭВМ плату) и компоненты программных средств. На ряду с этим, ставится задача провести экспериментальные (модельные) и теоретические исследования теплового режима системного блока ПЭВМ, на основании анализа результатов которых оценить параметры разработанной системы. Необходимо также разработать технологическую схему сборки модуля и рассчитать параметры производственной технологичности. В рамках проекта проработке подлежат и вопросы, касающиеся производственной и экологической безопасности, а также технико-экономического обоснования.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Разрабатываемая система предназначается для проведения автоматизированных исследований тепловых режимов конструкций ЭВС. Система должна осуществлять преобразование аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму с последующей передачей и обработкой их в ПЭВМ.

Автоматизированная система исследования конструкций ЭВС должна представлять собой комплекс технических и программных средств. Технические средства системы должны быть представлены тремя компонентами. 1. Датчики для измерения температуры исследуемых конструкций ЭВС и соединительные кабели. 2. Встраиваемый в ПЭВМ модуль аналого-цифрового преобразования. 3. ПЭВМ, в которую встраивается модуль АЦП и на которой выполняется программное обеспечение системы. Программные средства системы должны быть представлены набором системных и прикладных программ, обеспечивающих работоспособность разрабатываемой конструкции.

Рассмотрим технические требования, предъявляемые к отдельным компонентам системы.

По представленному техническому заданию диапазон измеряемых датчиками температур должен находиться в пределах от –30⁰ С до +100⁰ С. Таким образом, абсолютный температурный диапазон составляет 130⁰ С. Погрешность измерения должна находиться в пределах ±2%. Представленные величины, а также диапазон выходных напряжений датчиков будут являться определяющими при выборе аналого-цифрового преобразователя (и, прежде всего, его разрядности). Следует отметить, что по техническому заданию не предъявлено никаких требований к инерционности применяемых датчиков.

Разрабатываемый модуль аналого-цифрового преобразования по предъявленным к нему техническим требованиям должен осуществлять сбор данных по 12 входным каналам. Очевидно, что в связи с относительно небольшим выходным напряжением от датчиков и требуемой точностью измерений необходимо осуществить глубокую изоляцию каналов. В связи с «инерционностью» проводимых измерений многоканальность системы целесообразно обеспечить за счет аналогового мультиплексирования входных каналов с использованием одного АЦП для выполнения преобразований. К достоинствам такого способа следует отмести малые аппаратные затраты (в сравнении со случаем использования отдельных АЦП для каждого канала) и следовательно, более простые применяемые компоновочные решения.

Заданное время преобразования сигнала определяет, прежде всего, целесообразность выбора типа преобразователя, нежели функциональные особенности системы (исследуемый процесс не является в классическом понимании быстропротекающим и заданное время преобразования с многократным запасом обеспечивает «временную работоспособность» системы).

В разрабатываемой системе не предусматривается использование для модуля АЦП изолированного источника питания. Питание модуля необходимо осуществлять от ПЭВМ. Таким образом, реализация данного условия вызывает дополнительные требования к помехоустойчивости разрабатываемой системы, которые могут быть обеспечены применением схем, развязывающих цепь питания аналоговой части модуля АЦП и от питающих напряжений ПЭВМ.

По представленному техническому заданию модуль АЦП и ПЭВМ, в которую он встраивается должны сопрягаться по стандарту ISA. Данное требование определяет специфику как аппаратных и программных средств, так и необходимых конструктивных решений.

Используемая ПЭВМ принадлежит к классу IBM PC, форм – фактор AT. Как известно, форм-фактор определяет возможные размеры корпуса системного блока ПЭВМ, варианты расположения в его объёме – а, следовательно, и допустимые габариты –составных частей компьютера.

Размеры корпуса в пределах форм-фактора определяет тип. Корпус типа Desktop был наиболее распространён до середины 90-х годов [3], а это значит, что на данный момент имеется значительный парк компьютеров с такими корпусами. Использование корпусов типа Desktop задает ограничение на размеры плат (встраиваемых модулей): длина — не более 40 см, ширина — не более 16 см.

Корпуса типа Tower являются в настоящее время также весьма распространенными. Корпус Mini-Tower корпусу типа Desktop, установленному набок. Габариты корпуса Mini-Tower идентичны габаритам Desktop.. Поэтому ограничения, накладываемые форм-фактором, остаются прежними.

Требования к минимальной конфигурации используемой ПЭВМ, изложенные в техническом задании, не являются критичными с точки зрения использования современного персонального компьютера «среднего» класса.

По совокупности значений климатических, механических и радиоционных факторов разрабатываемая система относится к группе 1. К данной группе относятся стационарные ЭВМ и системы, работающие в отапливаемых наземных и подземных сооружениях [2]. Таким образом, внешняя среда для разрабатываемой системы не является агрессивной.

Анализируя требуемые показатели надежности, необходимо отметить, что значение предъявленной характеристики (наработки на отказ модуля АЦП) достаточно высоко. Можно предположить, что данный параметр будет накладывать отпечаток как на схемотехнические, так и на конструктивно-технологические решения, используемые в разработке.

По представленному техническому заданию коэффициент технологичности модуля АЦП должен быть не ниже 0,64. Учитывая единичный характер производства системы, данное требование необходимо принимать во внимание на всех стадиях проектирования.

Требования к уровню радиопомех к разрабатываемой системе определены в соответствии с ГОСТ 21552-84. Следует отметить, что в разрабатываемом устройстве (модуле АЦП) не предполагается наличия активных источников радиопомех и элементов, чрезвычайно чувствительных к таким помехам.

Требования к уровню шума при работе устройства критичны, в первую очередь, к ПЭВМ на которой функционирует разрабатываемая система.

По техническому заданию, производство разрабатываемого устройства должно иметь единичный характер. Данное требование необходимо учитывать при определении технологии производства системы (применение ручных техопераций, в частности, сборки и монтажа).

Таким образом, проведенный анализ технического задания на проектирование позволяет сделать вывод о том, что разрабатываемая система должна удовлетворять ряду специфических эксплуатационных (требования к датчикам, к программному обеспечению ) и схемотехнических (количество входных каналов, интерфейс с ПЭВМ) требований. На ряду с этим, к разрабатываемой системе предъявляются также требования по производственной технологичности.

2 ОБЗОР ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ В КОНСТРУКЦИЯХ ЭВС. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ

Компоненты электронно-вычислительных систем функционируют строго в ограниченном температурном диапазоне. Уход температуры за указанные пределы может привести к необратимым структурным изменениям компонентов. Температурный фактор также влияет и на параметры электрических сигналов [3]. Увеличение плотности упаковки компонентов и скорости переключения элементной базы приводит к росту удельной мощности рассеяния, в связи с чем задача обеспечения нормального теплового режима при повышенной температуре является наиболее актуальной.