硬件原理说明书模板.docx
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硬件原理说明书模板.docx
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硬件原理说明书模板
文件名称:
硬件原理说明书(模板)
文件编号:
A09-Q4-
版本号/修改码:
A
文件密级:
秘密
文件状态:
CFC
受控标识:
受控
拟制/日期:
赵万坤2009年6月9日
审核/日期:
张玉波2009年6月9日
会签:
张玉波虞日跃徐毓军丛俊杰王弢贺保国
董春禄刘旭青李剑任龄钟启明
批准/日期:
史洪源2009年6月16日
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编
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章节
名称
修订内容简述
修订
日期
订前
版本
订后
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拟制
审核
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全部
创建
2009-6-9
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赵万坤
张玉波
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本版本与旧文件(版本)的关系
无
文件名称:
XXX模块硬件原理说明书
文件编号:
XXX-C11-XXXXXX
项目名称:
XXXXX
项目编号:
XXXXXX
物料编码:
XXXXXXXXXX
版本号:
X/XX
文件密级:
秘密
文件状态:
CFC
受控标识:
受控
拟制:
XXXXX年月日
审核:
XXXXX年月日
会签:
批准:
XXXXXXX年月日
文件发放范围:
生产制造部
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注意:
模版中的高亮斜体文字仅作为创建文档的提示信息。
提交文档前,请删除这些文字和说明。
1设计依据
要求指明本设计的设计输入文件的名称和文件编号。
设计输入文件一般是对应的“产品内控标准”、“技术接口书”和“产品规格书”。
举例如:
文件名称:
《XXXXXXX产品规格书》
文件编号:
XXX-XXX-XXXXXX
文件名称:
《XXXXXXX产品总体设计说明书》
文件编号:
XXX-XXX-XXXXXX
2规范性引用文件
将本文档中中引用到的所有引用文件一一列出。
例如:
文件名称:
《元器件的选用与表述指南》
文件编号:
Z07-Q3-
文件名称:
《印制电路板设计规范》
文件编号:
Z07-F2-
文件名称:
《电路逻辑图制图指南》
文件编号:
Z07-Q3-
3产品功能
描述产品的功能
4技术指标
直接将产品规格书中的技术指标拷贝过来。
5接口说明
电气接口规格:
描述该板卡或模块与母板的连接器定义、端子定义、指示灯定义、应遵守的工艺规范等。
可直接将产品规格书中设计规范章节的相关部分拷贝过来。
6硬件原理说明
6.1硬件原理框图
硬件原理框图:
按数据流程绘制原理框图
图例
图1模块原理框图
6.2电路原理分析
包括元器件的选型分析和选用的说明和电路分析
以下为示例
6.2.1单通道原理
1.AI部分
图2模块AI部分单通道原理框图
AD采用ADS1242,AD与系统间用高速的光耦进行SPI通讯。
2.AO部分
图3模块AO部分单通道原理框图
AO部分使用底板上的24V电源,通过光耦实现与系统的SPI通讯。
3.DI部分
图4模块DI部分单通道原理框图
对本模块是触点输入型,共负端,所以7通道的负端电平相同,与24V-也相同。
光耦放置在端子板上,光耦采用MOCD213,取R2=510Ω,R1=4.7KΩ,经实际测量光耦二极管两端电压在光耦导通时,有VF=1.1V,所以有
i2=VF/R2=1.1/510≈2.16mA,i1=(24-1.1)/4.7≈4.87mA
规格要求查询电流为5mA,基本符合,这时光耦发光二极管侧的导通电流是i1-i2,约为2.71mA,根据光耦电流传输比,实际调整R3为10KΩ.
综上,R1≈4.7KΩ,R2≈510Ω,R3=10KΩ。
4.DO部分
图5DO部分单通道原理框图
模块采用5V控制的固态继电器AQY275和AQW614,继电器放在端子板上。
74ACT245是用来做驱动的。
回读是靠电压比较器LM293来完成的,继电器AQY275的输入端的二极管的最大管压降是1.5V,AQW614输入端的二极管的最大管压降是2.5V,如果DO的输出为1,并且AQY275的功能正常,则LM293的正端输入电压小于3V,则LM293输出值为低电平,如果AQY275的输入端二极管故障,故障状态为开路,LM293的正端的输入电压4.4V(74ACT245的VOH最小为(开路时)4.4V),则LM293的输出值为高电平。
对于AQW614同样的分析原理。
如果DO的输出为0,或这AQY275的输入端二极管故障状态为短路的情况,则检测不到故障。
6.2.2过压保护
AI部分:
AI输入有过流保护电路,可以承受30V的过压。
AO部分:
AO有一个防反的二极管,可以承受+30V的过压。
DI部分:
当外加60V电压时,i3=i1-i2=(60-1.1)/4.7–2.16≈10.4mA,该光耦的IF(MAX)是60mA,所以正向60VDC电压是可以满足要求的。
当外加-60VDC电压时,流经D1的电流约12.8mA,而二极管BYM10-100-E3的最大电流可达1.0A,所以反向电压是可以满足的。
DO部分:
DO1选用的是AQY275固态继电器,输出是无极性的,正常的负载电压为100V,是可以承受72V的过压的。
DO2选用AQW614固态继电器,输出为无极性,正常的负载电压为400V,满足通道过压设计要求。
6.2.3AD转换
ADC转换芯片采用的是ADS1242,ADS1242为一个24位的Σ-ΔAD芯片,最少有效位为19位(PGA=128),满足AD分辨率不低于16位的要求,AD的转换速率可设定为
,则每个通道的数据更新时间为1/15=66.7ms,满足全通道扫描10次/秒的要求。
在AD的转换速率为
的情况下,ADS1242针对50Hz干扰信号的典型共模抑制比为
,差模抑制比为
,因此是可以满足共模抑制比优于
,差模抑制比优于
的要求的。
ADS1242的共模、差模参数如下:
图3ADS1242参数
电流采样电阻选用的是精密电阻,精度为0.02%,温漂5ppm/K,初始的精度误差是可以通过系统校准来减小的,所以选用精度0.02%的电阻是可以满足设计精度0.02%的要求的。
6.2.4光耦速度分析
HCPL-0661的速度分析:
HCPL-0661的通断时间如下图所示:
图4HCPL-0661开关时间
从图中可以看出,HCPL-0661的速度至少能达到30Mbit/S,按这个速率进行估算,实际模拟的SPI的速度可以为100Kbit/S,
则2个通道AI的SPI口的数据量为2*8*5=80bit,数据通信时间为80/100K=0.8ms,小于100ms,满足全通道扫描10次/秒的要求。
3个通道AO的数据量为3*24=72bit,数据通信时间为72/100K=0.72ms,满足建立时间小于20mS的要求。
3个通道的AO的回读3*20=60bit,数据通信时间为60/100K=0.6ms
用在SPI上的时间,是比较短的。
6.2.5温漂估算
温漂与器件选择有关,我们选的都是低温漂器件,
AI部分:
最主要的有4种器件:
温漂与器件选择有关,我们选的都是低温漂器件,最主要的有3种器件:
1.电压参考源
REF3225基准源封装小(SOT23-6封装);0℃~125℃之间温漂最大为7ppm/℃,-40℃~125℃之间温漂最大为20ppm/℃;精确度最大为0.2%;低静态电流,约为100μA;高输出电流,达±10mA,与其它同类器件相比有较好的性价比。
2.采样电阻
采样电阻R1选用的是718厂的精密电阻,精度是0.02%,温漂为5ppm/K。
3.AD转换器
ADS1242的输入偏置电压的温漂为0.02ppmofFS/℃,增益的温漂为0.5ppm/℃,按照输入电压0~11mA进行估算,由ADS1242引进的温漂为0.02*2.5+0.5*2*2.5=2.55µV/℃(2ppm/℃)
总的温漂为2+7+5=14ppm/℃,满足设计要求的50ppm/℃的要求
AO部分:
主要的器件有
1.电压参考源
REF3240基准源封装小(SOT23-6封装);0℃~125℃之间温漂最大为7ppm/℃,-40℃~125℃之间温漂最大为20ppm/℃;精确度最大为0.2%;低静态电流,约为100μA;高输出电流,达±10mA,与其它同类器件相比有较好的性价比
2.DA转换器
DAC8554的输出偏置电压的温漂为5µV/℃(1.25ppm/℃,输出量程为0~4V),增益的温漂为1ppm/℃,DA的温漂为2.25ppm/℃
3.运算放大器INA132
INA132的偏置电压的温漂为5µV/℃(1.25ppm/℃,输出量程为0~4V),增益的温漂为10ppm/℃INA132的温漂为11.25ppm/℃
4.精密电阻
V/I的电阻选用的是718厂的精密电阻,精度是0.1%,温漂为10ppm/K
总的温漂为7+2.25+11.25+10=30ppm/℃,满足设计要求的50ppm/℃的要求。
6.2.6电源分析
模板中可编程器件(Cyclone系列的EP1C3T144I7N)工作电源为+3.3V,核电压为1.5V。
因此需要使用LDO将+5V电源转换为+3.3V和1.5V电压输出。
采用TI公司的LDO电源芯片TPS77733产生+3.3V电压和TPS77715产生+1.5V电压,其特性如下:
TPS77733/TPS77715:
◆上电输出200ms低电平复位信号
◆超低的85μA静态电流
◆750mA电流输出能力
◆输出电压+3.3V±2%/+1.5V±2%
◆具有热保护功能
6.3可编程逻辑设计说明
分别说明管脚定义(以表格的形式定义,对于总线类型的可写在一行中)、资源分配、逻辑分析等相关内容。
以下为示例
模块双网切换与主控模块一样采用逻辑切换,通过硬件判断网线上的数据流来切换,整个切换过程不需要CPU干预,全部由硬件逻辑完成。
硬件可编程器件选用Altera公司性价比相对较好的FPGACyclone系列的EP1C3T144I7N器件,它具有2910个逻辑单元(LE),最大用户I/O管脚数100个,144-pinTQFP封装。
6.3.1管脚定义
模块上的EP1C3T144I7N器件管脚分配如表4所示:
表4FPGA器件管脚分配表
I/O管脚
功能
I/O管脚
功能
27、28、31~36
低8位地址/数据总线复用
71
第一路AISPI数据输出信号线
16
全局时钟输入
72
第一路AISPI时钟信号线
37
DO复位保持信号
73
AO回读SPI数据输出信号线
74
AO回读SPI时钟信号线
42、47~53
高8位地址线
75
第一路ADS1242数据采集完成信号线
54
读控制信号
76
AOSPI时钟信号线
55
写控制信号
77
AOSPI数据输出信号线
38
单片机外部中断1
78
第一路ADS1242片选信号线
39
单片机外部中断0
79
第二路AISPI数据输出信号线
88~90、95
FPGA在线调试接口
82
第二路AISPI时钟信号线
56
单片机串口发送端
83
第二路ADS1242数据采集完成信号
57
单片机编程串口接收端
84
AISPI数据输入信号线
6.3.2资源分配
说明可编程逻辑器件的资源分配情况。
例如:
表5可编程逻辑器件资源占用
资源名称
简称
资源总量
实际占用
IO引脚
IO
逻辑单元
LE
锁相环
PLL
内存
RAMBits
内存块
RAMBlock
乘法器
MUL
6.3.3逻辑分析
分析逻辑功能的实现过程、关键技术点和算法,如果使用编程语言开发,按照模块化的设计方法,将程序模块列出并进行分析。
如果逻辑复杂的话,应画出功能图、真值表、状态图、时序图等。
以下为示例
1)DP通讯的硬件切换功能
DP通讯硬件切换功能由EP1C3T144I7N逻辑完成,主要包括1KHz时钟发生器(由24MHz系统时钟分频得到)、dp_control控制功能块等逻辑,详见附录PFGA逻辑图。
利用计数器产生1KHz时钟发生器,计数个数为
使用一个16的计数器就能实现,1K_CLK14信号线即为1KHz信号。
2)DP通讯站地址读取逻辑
6.4板级程序资源说明
分别说明单片机管脚定义、资源分配等相关内容(包括中断分配、口线控制、地址分配等资源的描述)
以下为示例
6.4.1单片机的管脚定义
以表格的形式定义,对于总线类型的可写在一行中。
表6单片机管脚定义
I/O管脚
功能
I/O管脚
功能
36~43
低8位地址/数据总线复用
9
X5045SPI串行时钟线
24~31
高8位地址线
10
外部看门狗复位信号
2
DP收发控制
11
串口数据输入线
3
运行灯控制
13
串口数据输出线
4
通讯灯控制
14
外部中断0
6
X5045片选信号
15
外部中断1(MV信号调解50ms中断信号)
7
X5045SPI串行数据输入线
18
总线线控制信号
8
X5045SPI串行数据输出线
19
总线读控制信号
6.4.2资源分配
编写板级程序所需的所有资源,以表格的形式定义。
表7单片机资源分配
种类
资源
说明
中断和定时器分配
串行口中断
RI串口进行数据收发,中断优先级最高,优先级=4。
定时器T1中断
10ms定时器,优先级=0,用于处理双网切换、监测DP通讯等
定时器T0
用于从站接收数据时间间隔的监测
外部中断1
用于手操器MV信号调解50ms定时中断
口线控制
P1.0
DP收发控制;类型:
输出,0:
发送数据,1:
接受数据
P1.1
运行灯控制;类型:
输出,0:
点灯,1:
灭灯
P1.2
通讯灯控制;类型:
输出,0:
点灯,1:
灭灯
P1.4
X5045片选信号;类型:
输出,0:
选通X5045,1:
不选通X5045
P1.5
X5045SPI串行数据输入线;类型:
输入
P1.6
X5045SPI串行时钟线;类型:
输出
P1.7
X5045SPI串行数据输出线;类型:
输出
P3.3
使能外部中断1
外设地址分配
0xA000
DP站地址片选地址
0xA100
DP站偏移地址片选地址(A0),用于识别14槽机笼(A0为1)和10槽机笼(A0为0)从站地址计算方法如下:
A0=1时低4位为槽号,用于14槽机笼,高4位位笼号,站地址逻辑处理为笼号×12+槽号;
A0=0时低3位为槽号,用于12槽机笼,高4位位笼号,站地址逻辑处理为笼号×10+槽号;
0xAF00
DAC通道地址片选地址(由SPI功能块完成)
0xA200
DP网络故障读取地址
0xD000
ADS1242片选地址
0xD100
AO回读芯片AD7844片选地址
0xD500
0xD600
DO回读信号读取地址
0xD700
DO通道信号输出地址
0xD800
DI通道滤波参数写入地址
0xD900
DI信号读取地址
0xDA00
DI通道故障读取地址
EEPROM存储器地址分配
X5045,512*8Bit
地址范围(0x0~0x1ff)
2通道AI相关数据存储:
ADS1242校零寄存器存储,每片AD需要3个校零寄存器存储空间。
存储地址为0x00~0x0C。
AD1242校零寄存器CRC校验数据存储地址:
0x60~0x67。
ADS1242校满寄存器存储,每片AD需要3个校满寄存器存储空间。
存储地址为0x10~0x1C。
AD1242校满寄存器CRC校验数据存储地址:
0x68~0x6F。
AI通道修正系数存储:
每个修正系数占4个存储地址
0x90~0x9F。
存储0~22mA量程通道斜率修正因子
0xA0~0xAF。
存储0~22mA量程通道偏移修正因子
0x80~0x8F。
存储修正因子计算所需满量程修正数据(共2通道)
0xB0~0xB3。
修正斜率因子和偏移因子CRC校验数据存储。
0xC0~0xC7。
存储0~11mA量程通道斜率修正因子
0xD1~0xD7。
存储0~11mA量程通道偏移修正因子
3通道AO相关数据存储:
0x100~0x10C。
存储AO4~20mA量程斜率修正因子。
0x110~0x11C。
存储AO4~20mA量程偏移修正因子。
0x120~0x125。
存储AO每通道斜率因子和便宜因子CRC校验数据,
0x128~0x12D。
存储AO每通道实际输出满值和零值差数据。
0x130~0x133。
BUP操作模式下,MV调节速率存储。
在BUP模式时NM810已经失去和主控的通讯,需存储该参数。
6.5降额设计
可以用文字描述或直接用表格描述
6.6MTBF计算(可选)
可以用文字描述或直接用表格描述
6.7FMEA分析
可以用文字描述或直接用表格描述
6.8时序分析
可以用文字描述或直接用表格描述(有此部分时必须)。
6.9绝缘耐压分析
分析如何达到绝缘耐压指标(有此部分时必须)。
7关键信号列表
用表的方式列出所有对电路起决定作用的关键信号(如时钟信号、高速信号、串行总线信号、复位信号、高输入阻抗信号、小信号、外部中断信号、片选信号、数据/地址总线信号和超过1A的大电流电源线或其他线路等)。
以下为示例
表8关键信号列表
信号描述
网络
逻辑类型
信号流向
电平
频率(HZ)
上升时间
下降时间
备注
时钟信号
CLK24M
TTL
U12.1→U18.4
5V
24M
5ns
4ns
时钟
高速数据总线
DD0~DD15
CMOS
U13.1~16双向U19.4~19
3.3V
12M
2ns
2ns
高速
高速地址总线
AD0~AD15
CMOS
U13.20~35双向U19.30~45
3.3V
12M
2ns
2ns
高速
485通信线
DPA,DPB
485
U35.2,U35.3双向J3.2~3
3.3V
200K
15ns
15ns
差分
CPU复位线
51-RST
TTL
U4.2→U12.3
5V
-
-
-
敏感信号
热电阻信号
AI02
模拟量
J3.10~17→U6.0~7
-5mV~+5mV
-
-
-
敏感信号
5V电源
5V+
直流电源
J3.18~L2.2
5V@2A
-
-
-
电源线
8测试点
描述测试点的选择和合理性,对于ICT测试的模块需要每一个网络上加一个测试点。
9配套明细表
本节直接写出该产品对应的《BOM文件》的名称和文件编号即可,不用在该文件的纸质文档中再加入配套明细表的纸质文件。
10电路原理图
应将采用EDA软件绘制的硬件逻辑图和可编程器件逻辑图全部给出,逻辑图必须符合公司的“逻辑图制图规范”的要求。
逻辑图的格式必须符合“电路逻辑图制图规范”的要求。
在产品设计过程中,签署栏仅需设计者和审核者签署;在产品发布前修订本文件时,签署栏需要由设计者、审核者、批准人在相应栏内签名,并注明日期,方可归档。
电路原理图见附录。
11可编程器件逻辑图
可编程器件逻辑图见附录。
12制版文件光绘图
本节直接写出该产品对应的《印制板外协加工技术要求文件》的名称和文件编号即可,不用在该文件的纸质文档中再加入印制板的纸质文件。
13设计参考资料
必须将设计中用到的参考资料一一列出,参考资料的列表方法必须符合以下标准:
(1)按“作者——书名——出版单位——出版年”的顺序列每本参考资料。
(2)参考资料的编号必须和正文中引用的编号一致。
14附录
列出设计中用到的图表、数据和公式推导过程等不便在正文中描述的内容。
——以下无正文
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 硬件 原理 说明书 模板
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