硬件原理说明书模板.doc

和利时公司质量体系文件文件名称：硬件原理说明书（模板）文件编号：A09-Q4-000073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2009年6月发布 2009年6月实施技术质量管理部发布 A09-Q4-000073硬件原理说明书（模板）修订页编号章节名称修订内容简述修订日期订前版本订后版本拟制审核批准1全部创建2009-6-9/A赵万坤张玉波史洪源2345678910111213141516本版本与旧文件（版本）的关系无版本号/修改码：A I和利时公司技术文件文件名称：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 和利时公司版权所有第X册 共X册 本册共X页 XXX-C11-XXXXXX XXX模块硬件原理说明书 X/XX XXX修订页序号版本号修订内容简述拟制/日期审核批准1XXX XXXXXXXXXXXX2345678910111213141516和利时公司版权所有I目 录1设计依据12规范性引用文件13产品功能14技术指标15接口说明16硬件原理说明26.1硬件原理框图26.2电路原理分析26.2.1单通道原理36.2.2过压保护46.2.3AD转换56.2.4光耦速度分析56.2.5温漂估算56.2.6电源分析66.3可编程逻辑设计说明66.3.1管脚定义66.3.2资源分配76.3.3逻辑分析76.4板级程序资源说明86.4.1单片机的管脚定义86.4.2资源分配96.5降额设计106.6MTBF计算（可选）106.7FMEA分析106.8时序分析（有此部分时必须）106.9绝缘耐压分析（有此部分时必须）107关键信号列表118测试点119配套明细表1110电路原理图1111可编程器件逻辑图1112制版文件光绘图1113设计参考资料1214附录12和利时公司版权所有I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-XXXXXX2 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-Q3-000213文件名称：印制电路板设计规范文件编号：Z07-F2-000008文件名称：电路逻辑图制图指南文件编号：Z07-Q3-0002173 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1AI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。2AO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。3DI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=510W，R1= 4.7KW，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 2.16 mA , 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10KW. 综上，R1 4 .7KW，R2 510W， R3 = 10KW。4DO 部分图5 DO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 10.4 mA ,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。6.2.3 AD转换ADC转换芯片采用的是ADS1242，ADS1242为一个24位的-AD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3 ADS1242 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4 HCPL-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100 ms，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）；0125之间温漂最大为7ppm/，-40125之间温漂最大为20ppm/；精确度最大为0.2%；低静态电流，约为100A；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。 3AD转换器 ADS1242 的输入偏置电压的温漂为0.02ppm of FS/，增益的温漂为0.5ppm/，按照输入电压011mA进行估算，由ADS1242引进的温漂为0.02*2.5+0.5*2*2.5=2.55V/（2ppm/） 总的温漂为2+7+5=14 ppm/，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）；0125之间温漂最大为7ppm/，-40125之间温漂最大为20ppm/；精确度最大为0.2%；低静态电流，约为100A；高输出电流，达10mA，与其它同类器件相比有较好的性价比2DA转换器DAC8554 的输出偏置电压的温漂为5V /（1.25 ppm/，输出量程为04V），增益的温漂为1 ppm/，DA的温漂为2.25 ppm/3运算放大器INA132INA132的偏置电压的温漂为5V /（1.25 ppm/，输出量程为04V），增益的温漂为1 0ppm/ 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=30 ppm/，满足设计要求的50 ppm/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85A静态电流 750mA电流输出能力 输出电压+3.3V2/+1.5V2 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FPGA Cyclone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-pin TQFP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4 FPGA器件管脚分配表I/O管脚功能I/O管脚功能27、28、3136低8位地址/数据总线复用71第一路AI SPI数据输出信号线16全局时钟输入72第一路AI SPI时钟信号线37DO复位保持信号73AO回读 SPI数据输出信号线74AO回读 SPI时钟信号线42、4753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76AO SPI时钟信号线55写控制信号77AO SPI数据输出信号线38单片机外部中断178第一路ADS1242片选信号线39单片机外部中断079第二路AI SPI数据输出信号线8890、95FPGA在线调试接口82第二路AI SPI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84AI SPI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RAM Bits内存块RAM Block乘法器MUL6.3.3 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3643低8位地址/数据总线复用9X5045 SPI串行时钟线2431高8位地址线10外部看门狗复位信号2DP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06X5045片选信号15外部中断1（MV信号调解50ms中断信号）7X5045 SPI串行数据输入线18总线线控制信号8X5045 SPI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P1.4X5045片选信号；类型：输出，0：选通X5045，1：不选通X5045P1.5X5045 SPI串行数据输入线；类型：输入P1.6X5045 SPI串行时钟线；类型：输出P1.7 X5045 SPI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0xA000DP站地址片选地址0xA100DP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：A01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；A00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；0xAF00DAC通道地址片选地址（由SPI功能块完成）0xA200DP网络故障读取地址0xD000ADS1242片选地址0xD100AO回读芯片AD7844片选地址0xD5000xD600DO回读信号读取地址0xD700DO通道信号输出地址0xD800DI通道滤波参数写入地址0xD900DI信号读取地址0xDA00DI通道故障读取地址EEPROM存储器地址分配X5045，512*8Bit地址范围（0x00x1ff）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0x000x0C。AD1242校零寄存器CRC校验数据存储地址：0x600x67。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0x100x1C。AD1242校满寄存器CRC校验数据存储地址：0x680x6F。AI通道修正系数存储：每个修正系数占个存储地址0x900x9F。存储022mA量程通道斜率修正因子0xA00xAF。存储022mA量程通道偏移修正因子0x800x8F。存储修正因子计算所需满量程修正数据(共通道) 0xB00xB3。修正斜率因子和偏移因子CRC校验数据存储。0xC00xC7。存储011mA量程通道斜率修正因子0xD10xD7。存储011mA量程通道偏移修正因子3通道AO相关数据存储：0x1000x10C。存储AO 420mA量程斜率修正因子。0x1100x11C。存储AO 420mA量程偏移修正因子。0x1200x125。存储AO每通道斜率因子和便宜因子CRC校验数据， 0x1280x12D。存储AO每通道实际输出满值和零值差数据。0x1300x133。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6.6 MTBF计算（可选）可以用文字描述或直接用表格描述6.7 FMEA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CL