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ISTITu-ro DI ELABORAZIONE
DELLA INFORMAZIONE
PISA
Contratto di collaborazione Tecnico-Scientifica
Centro Leonardo Spa-IEl/CNR
Scheda
LeonardC25-02. Descrizione
realizzazione
della
G. Bertini, A. Landucci,M. Moretto, A. Moretto
Nota tecnica B4-58 novembre '92
Contratto di collaborazione Tecnico-Scientifica
Centro Leonardo Spa-IEI/CNR
Scheda
LeonardC25-02.
Descrizione
della
realizzazione
G. Bertini, A. Landucci, M. Moretto, A. Moretto
Nota tecnica B4-58 novembre '92
l
Indice
In trod uzione
l)
Descrizione scheda LeonardC25, schema del circuito e criteri per
il progetto del PCB.
2)
Realizzazione del PCB.
a) inserimento di componenti mancanti In libreria.
b) Posizionamento dei componenti
c) programma di sbroglio.
d) controllo e completamento dei layer.
e) specifiche per il fotoplottaggio e per gli stampati.
3)
Montaggio prototipi e test hardware.
4)
Bibliografia
4)
Appendici
A - Schema elettrico
B - .Pinout componenti aggiunti.
C - Layout degli stampati
D - Squadretta di sostegno
2
Introduzione
Nell'ambito di una collaborazione dell'lEI (Reparto di Elaborazione Segnali ed
Immagini e Laboratorio Elettronico) e il Centro Leonardo Spa sono stati realizzati
alcuni prototipi di schede per PC IBM compatibili, per l'elaborazione digitale di
segnali in tempo reale basati sul TMS320C25, un microprocessore di tipo DSP della
Texas Instruments, descritti nella nota tecnica (1).
Successivamente la suddetta societa, che è titolare del Progetto ARIETE (abbattimento
di rumori acustici con tecniche di controllo attivo), ha stipulato con l'lEI un contratto
di collaborazione tecnico-scientifica e di ricerca nel quale uno dei temi riguarda per
l'appunto il progetto e lo sviluppo di strumentazione utilizzabili per lo studio e la
sperimentazione d.i tecniche di controllo attivo del rumore. Nell'ambito di tale lavoro
è stato deciso di mettere a punto una versione opportunamente modificata e
migliorata della scheda a cui è stata attribuita la sigla LeonardC25-02: il progetto e le
caratteristiche funzionali di quest'ultima versione sono riportate in (2)
In questa nota vengono descritti i particolari realizzativi della versione LeonardC2502 per quello che riguarda lo schema elettrico il progetto del PCB e altri dettagli
costruttivi dei prototipi ingegnerizzati.
3
l)
Schema del circuito e specifiche di progetto del peB.
Dopo aver effettuato diverse esperienze con i due prototipi di schede descritte
in (1) é stato deciso di ingegnerizzare un modulo definitivo prendendo come base uno
di questi, la LeonardC25/D, ampliandone però le prestazioni specie per consentire il
trattamento di segnali analogici di varia provenienza sia col convertitore a bordo,
che con altri tipi di convertitori.
In particolare le modifiche introdotte sono le seguenti:
-un circuito di condizionamento in ampiezza, con guadagno programmabile via
software, sui due canali analogici di ingresso del convertitore A/D e D/A (TLC32040
sempre della Texas) montato internamente sulla scheda.
-un circuito di commutazione comandato via software che consente di connettere la
porta seriale del TMS320C25 al convertitore interno
oppure, tramite un connettore,
all'esterno della scheda.
-la possibilità di inviare delle richieste di interrupt verso il PC.
-la possibilità di utlizzare dall'esterno un certo numero di segnali di controllo in
ingresso ed in uscita del TMS320C25, selezionabili via software e con dei ponticelli.
-introduzione di microswicth sugli indirizzi di selezione della scheda da parte del PC
per poterne gestire comodamente fino ad un massimo di otto.
Alcune di queste parti aggiunte sono state realizzate prima con dei circuiti a
wire-wrap e testate opportunamente in laboratorio collaudo dell'IEI dai progettisti;
dopodiché le varianti sono state riportate nel disegno elettrico riportato in appendice.
I componenti pricipali del modulo visibili sia nello schema a blocchi di fig. 1.
La descrizione dettagliata del funzionamento delle varie parti del sistema è
riportata in (2); per comodità riportiamo qui una breve descrizione delle parti
principali del modulo:
-Microprocessore TMS320C25 (3): è un dispositivo programmabile con un set di
istruzioni adatte all'elaborazione digitale di segnali in tempo reale, con precisione di
16bit, è molto diffuso in ambito telecomunicazioni (modem, cellulari, ecc.); funziona
con un oscillatore a 40Mhz, esegue la maggior parte delle istruzioni con un tempo di
ciclo di 100ns (impulso di strobe di 50ns) e possiede una porta seriale ad alta velociui
per il colloquio con altri dispositvi, tipicamente con moduli di conversione A/D e D/A
oppure con altri moduli DSP.
- un banco di memoria di 64 Kbyte (32 kwords) allocata nello spazio programma del
micro, così suddivisa: una sezione di 4Kwords eprom contiene il firmware
(monitor,
tabelle, ecc.) ed una sezione di Ram di 28 Kwords viene utilizzata per allocare
programmi e per bufferizzare dati. Le memorie Ram sono state implementate con i
chip MC6206 della Motorola (32kbyte per ogni chip, 28 pin DIP) e le memorie eprom
57C43B della Waferscale (4kbyte per ogni chip, 24 pin DIP), entrambe disponibili con
tempi di accesso tali da non richiedere cicli di wait-states.
un'interfaccia parallela di comunicazione bidirezionale con l'elaboratore ospite.
Essendo compatibile con i modelli XT, il bus dati del PC è a 8 bit; il bus dati del TMS è
invece a 16 bit, di conseguenza le operazioni da parte del PC vengono eseguite in due
tempi.
una rete composta da latches e buffers che permette la commutazione dei
collegamenti della porta seriale del TMS320C25 sul convertitore interno TLC32040
oppure verso l'esterno della scheda. La commutazione avviene tramite una
operazione di I/O del micro ed é specificabile ovviamente con appositi comandi
software inviati dall'elaboratore ospite al momento della configurazione iniziale od in
qualsiasi altro momento.
- una porta seriale esterna: la scheda può comunicare con dispositivi esterni tramite
un collegamento bidirezionale a 5 Mbit/s, che permette l'implementazione del
protocollo seriale offerto dal microprocessore. Sui collegamenti dell'interfaccia
sono
interposti dei buffers per provvedere al disaccoppiamento elettrico del TMS con il
mondo esterno, realizzato tramite un connettore di tipo Canon a 15 poli.
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- il convertitore integrato TLC32040 già citato; su tale chip sono implementati oltre
alle parti di conversione vere e proprie anche gli opportuni circuiti di filtraggio
passa basso (vedi manuali Texas).
- una sezione di condizionamento in ampiezza sui segnali di ingresso, realizzata con
amplificatori operazionali a guadagno controllabile a scatti via software, sempre
tramite una operazione di I/O del TMS.
La scheda è provvista di due ingressi ed una uscita analogica su prese RCA, più
altri collegamenti disponibili sui poli del connettore Canon, utilizzabili in diverso
modo tramite brackers, per alcuni segnali di controllo da e verso il TMS.
Per quanto riguarda la realizzazione pratica del circuito, l'uso di ram statiche e
di eproms ad accesso veloce ha permesso di evitare circuiti di wait states snellendo
così la logica di controllo. In base alla relativa semplicita delle reti di decodifica e
assieme ad altre valutazioni, per questa versione è stato deciso di non utilizzare
dispositivi PLD. L'implementazione delle reti di logica e degli altri componenti è stata
fatta con integrati della serie TTL FAST o FACT ed LS dove è necessario raggiungere
una elevata velocita, negli altri casi sono utilizzati dispositivi della serie HC o HCT.
L'assorbimento della scheda LeonardC25, con tutti i banchi di memoria completi
è di circa 500 mA sul +5 v fornito dal Bus del PC.
In base a valutazioni delle frequenze di lavoro, della complessita' e del numero
dei componenti del sistema ed in base all'esperienza delle precedenti realizzazioni e'
stato deciso di impostare il lavoro distribuendo i collegamenti sui due strati esterni
(lato componenti e lato saldatura), cercando di non introdurre piste sugli strati
interni riservati alla massa e alla tensione; tale obiettivo consente di raggiungere un
buon compromesso fra un ottima schermatura e il costo degli stampati.
Una richiesta ulteriore fatta dai progettisti è quella di riuscire ad avere una
densità dei componenti
maggiore rispetto a quella della LeonardC25/D.
2) Realizzazione del PCB
Il progetto del circuito stampato e' stato fatto con l'ausilio del sistema P-CAD
corredato di un plotter HP DraftPro DXL Mod 7575A in dotazione al laboratorio
elettronico dell'lEI. Si elencano di seguito i passi con i quali normalmente viene
sviluppato un progetto di circuito stampato:
a) la prima operazione da fare è quella di controllare che tutti i componenti del
circuito siano presenti nella libreria del P-CADo Nel nostro caso sono mancanti il
TMS320C25, il TLC32040 le ram MC6206 versione slim, prese RCA ecc ..
Di tali componenti sono stati rilevati dai rispettivi manuali le dimensioni fisiche
e le sigle associate ai pin (abbreviazioni della funzione espletata); dopodichè questi
sono stati inseriti a far parte della libreria stessa (vedi app B).
b) Il posizionamento dei componenti può essere fatto eseguire automaticamente
al P-CAD oppure manualmente; nel nostro caso in base alle funzioni svolte da alcuni
componenti e in base ai tipi di segnali da connettere con l'esterno della scheda si è
ritenuto necessario eseguire manualmente tale operazione; il risultato finale è stato
raggiunto ovviamente dopo varie prove tese ad ottimizzare i diversi aspetti del
problema (vedi Fig. 2).
Per quanto riguarda i tratti di pista da tracciare a mano
nel nostro caso sono
molto limitati, essendo unicamente costituiti dalle tensioni +5, -5, +12, -12 provenienti
dal bus del PC e da un tratto di massa, cosiddetta analogica, intorno al TLC32040 e alle
prese RCA.
Un particolare da tener presente è quello di provare con un fac-simile delle
dimensioni previste della scheda negli alloggiamenti di Personal di diverse ditte,
5
onde evitare errori per quanto riguarda la centratura dei connettori e delle prese
RCA nelle apposite finestre disponibili nel retro del rack e per il posizionamento
della squadretta metallica necessar.ia al fissaggio della scheda stessa sul telaio del PC.
c) dopodichè viene lanciato il programma di sbroglio vero e proprio, la durata
del quale dipende ovviamente dal tipo di personal computer impiegato e dagli
algoritmi a disposizione nel sistema di CAD. Nel nostro caso con le dimensioni imposte
della scheda (25x10 cm), nonostante l'impiego dell'algoritmo di RIP-PAP il sistema
non è riuscito a completare il 100 % del lavoro, bensì sono rimaste da stendere ina
quindicina di piste. Dopo aver esaminato la situazione si è deciso di posizionare tali
piste sullo strato interno riservato inizialmente alla sola tensione +5. Dopo aver
completato la stesura delle piste si è definito lo strato della tensione come un
reticolato con maglia di 1mm x 1mm, anzichè come uno strato omogeneo: tale
accorgimento consente un risparmio nel costo del fotoplottaggio senza peraltro
diminuire l'efficacia della schermatura.
d) Riassumendo alla fine del lavoro si sono ottenuti quattro strati così utilizzati:
-uno strato esterno con le piste (lato componenti);
-un primo strato interno per la massa, senza nessuna pista;
-un secondo strato interno per la tensione di alimentazione con un limitato
numero di piste;
-uno strato esterno per le piste (lato saldatura).
Sullo strato interno di massa ci sono definite solo le corone per i contatti sui fori
passanti; l'assenza di piste su di uno strato viene opportunamente sfruttata per avere
un costo minimo di fotoplottatura dello strato sulla relativa pellicole.
Facciamo infine osservare che, rispetto al disegno elettrico del circuito in
oggetto, sono stati insenti i condensatori di filtro VICInO alle tensioni di
alimentazione dei chip e sono stati aggiunti e distribuiti, dove ritenuto necessario, dei
cosiddetti "punti di prova" che tramite la saldatura
di pin, consentono l'ancoraggio
delle sonde degli oscolloscopi ecc .. Tali punti sono etichettati con sigle
opportune,
(segnali BIO\, Reset\, CLKOU1\, ecc.).
e) l'ultima operazione da. fare per poter predisporre l'esecuzione del circuito
stampato presso ditte esterne. specializzate in questo tipo di realizzazioni, è la
preparazione dei dischetti dei file Gerber, o altro formato richiesto, contenente tutte
le informazioni per la fotoplottatura dei layout degli sbrogliati sulle pellicole. Altre
specifiche da fornire, necessarie. per la costruzione degli stampati, sono lo spessore
della scheda, il tipo di supporto, il grado di isolamento, il tipo di trattamento (sold
resist
), serigrafia, doratura eventuale dei connettori, il controllo visivo o elettrico
degli stampati,
Le dimensioni della scheda Leonard C25-02 ottenute sono di 25 x lO cm (è chiaro
che dimensioni più piccole si potrebbero ottenere facendo il PCB con più di quattro
strati, in tal caso aumenta però)i costo degli stampati ), lo spessore dello stampato è
quello standard richiesto dal bus I?C IBM cioe di 1,6 mm ed il connettore e' dorato. Per
la connessione del bus seriale del TMS320C25 verso l'esterno e' stato impiegato un
connettore a 15 contatti di tipo Cannon, di norma utilizzato da schede PC IBM.
In app. C) sono riportati i layer corrispondenti ai vari strati della scheda
Leonard C25-02.
I prototipi delle sbarrette metalliche per il fissaggio sui cabinet sono stati
preparati nell'officina dell'lEI mentre a quelle definitive ha provveduto la Leonardo
facendole costruire da una ditta esterna (vedere in app. D
particolari della
squadretta).
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7)
Montaggio prototipi e test hardware.
Una volta ottenuti gli stampati ed avere eseguito un controllo della lavorazione,
sono stati montati un paio di prototipi impiegando zoccoli per alloggiare tutti i chip
del circuito. Per la rilevazione di errori e anomalie di funzionamento ci siamo avvalsi
di un generatore di forme d'onda, un oscilloscopio analogico Tektronics 2465B
400Mhz e un Logic Analyzer HP 16500 100Mhz, 80 canali. Quest'ultimo strumento, in
mancanza di emulatore, si dimostra essenziale per la ricerca degli errori di progetto
del PCB e di quelli di montaggio dei componenti; le modalità di utilizzo sono già state
indicate nella (1).
Per eseguire le prove iniziali della scheda è stata approntata e caricata sulla
Eprom una versione del monitor con alcune particolarità studiate appositamente per
facilitare il controllo delle funzioni di base del sistema ad esempio la trasmissione e la
ricezione di dati tra PC e la scheda. Inoltre sono stati inseriti nell'archivio dell'Editor
e quindi richiamabili a piacere, alcuni programmi di ausilio per la verifica del
corretto funzionamento della scheda: ad es. invio e lettura di costanti, programmi di
generazione di particolari forme d'onda. Alcuni di questi programmi sono riportati
nella già citata nota tecnica (1); altri programmi di utilità e applicativi saranno
raccolti in una apposita nota tecnica (3).
Attraverso vari controlli sono stati rilevati alcuni errori che in un circuito
complesso come quello in oggetto è quasi impossibile evitare. Sono stati corretti di
conseguenza i layer e ordinata di nuovo l'esecuzione degli stampati.
E' stato infine verificato il corretto funzionamento di un paio di prototipi relativi agli
stampati definitivi anche su diversi tipi di personal compatibili IBM: dopodichè il
lavoro di realizzazione hardware si può considerare concluso.
7
9) Bibliografia
1) Bertini G., Landucci A., Marani M.,: Moduli di acquIsIzIOne ed elaborazione di
segnali in tempo reale LeonardC25-01: descrizione della realizzazione dei prototipi",
nota tecnica B4-43, Dic '91.
2) Bertini G.:"Progetto, funzionamento e prestazioni dei moduli LeonardC25-02"
Contratto di collaborazione tecnico-scientifica Leonardo Spa-IEI/CNR, nota interna
lEI B4-57, nov. '92.
3) TMS 320C25 U ser's Guide, Texas Instruments, 1989
4) P-CAD User's Guide
8
Appendici
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OUT-
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NU - Nonusable; no external connection should be made IO Ihese pins.
t The portion of Ihe pin name IO Ihe left of Ihe slash is used for Ihe TELEPHONE INTERFACE mode. The portion of
Ihe pin name to Ihe righI of Ihe slash is used 10r WORD-BYTE mode.
MCM6206C
PIN ASSIGNMENT
A14
VCC
W
BLOCK DIAGRAM
A13
AO
A8
VCC
A3
A9
VSS
All
A4
A6
A?
G
MEMORY MATRIX
256 ROWS x
128 x 8 COLUMNS
ROW
DECODER
A8
A9
Al1
000 .
A2
AlO
Al
E
AO
DO?
000
006
001
005
002
004
VSS
003
COLUMN 110
INPUT
DATA
CONTROL
COLUMN DECODER
Al
A2
PIN NAMES
AO-A14 .............. Address Input
DOO-DO? .... Data InpuVData Output
W .................... Write Enable
G .................... Output Enable
E ...................... Chip Enable
VCC .......... Power Supply (+ 5 V)
VSS ....................... Ground
A5 AlO A12 A13 A14
6
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