Testitava seadme kontrollpistiku simulaator

Hulgi toodetavate trükkplaatide toimivust kontrollitakse liidestrükkplaadiga või spetsiaalse testimistrükkplaadiga. Selleks tuleb esmalt veenduda liidestrükkplaadi toimivuses ja mõõtetulemuste adekvaatsuses. Eesmärgi saavutamiseks kasutavad mõned ettevõtted trükkplaati, millel pistiku ühest jalast tulev signaal saadetakse sama pistiku teise jalga ning seda tehakse kõikide pistiku signaalidega. Sellist silmustega trükkplaati kasutatakse, et matkida toodetud trükkplaadi funktsionaalsust ilma, et peaks toodetud trükkplaati ühendama liidestrükkplaadi külge. Enamasti kipuvad sellised seadmed olema ettevõtete ärisaladused. Sõltuvalt ettevõtte toodete portfoolio suurusest võivad simulaatortrükkplaadid olla sarnased või täiesti erinevad, kuid tavaliselt aja säästmiseks disainitakse need paralleelselt liidestrükkplaadi disainiprotsessiga. Projekteerimisaja säästmiseks on võimalus luua universaalne simulaatortrükkplaat. Lõputöö eesmärgiks on disainida universaalne kontrollimistrükkplaat, millega saaks verifitseerida teatud tooterühma liidestrükkplaatide funktsionaalsust ettevõttes. Eesmärgi saavutamiseks tuleb leida vastus kolmele uurimisküsimusele. Esiteks, kuidas integreerida programmeeritav ventiilmaatriks elektroonikaskeemi. Lõputöö joonistelt on näha, et programmeeritavat ventiilmaatriksit saab edukalt rakendada juhtimaks süsteemi sisend-väljund signaale. Seda tänu FPGA arhitektuurile, mis lubab kohandada peaaegu kõiki integraallüliti jalgu vastavalt vajadusele, kuigi sealjuures tuleb arvestada, et mõningaid kommunikatsiooni ja väljundite diferentsiaalsignaale pole võimalik täiesti juhuslike jalgade külge ühendada. Lisaks tuleb arvestada süsteemi jaoks väljavalitud programmeeritava ventiilmaatriksi eripärasid. FPGA arhitektuur annab võimalus kasutada juba valmistehtud intellektuaalomandi tuumasid, mis kiirendavad püsivara arendusprotsessi, kuid avab võimaluse välja töötada kohandatud intellektuaalomandi tuumasid vastavalt vajadusele. Teiseks otsitakse vastust uurimisküsimusele, kuidas leida sobivad induktiivpooli parameetrid madaldava pingemuunduri elektroonikaskeemi jaoks. Arvutustulemustest selgub, et korrektse induktiivpooli valimiseks tuleb leida järgmised parameetrid: hinnanguline induktiivpooli pulsatsioonivool, konkreetse elektroonikaskeemi maksimaalne lülitusvool, väljundi pulsatsioonipinge ja pooli induktiivsuse hinnanguline väärtus. Esimeses arvutuses määratakse lähtevoolu suurus, mida elektroonikaskeem väljastab. Saadud tulemused on hinnangulised, kuid annavad piisava ülevaate piiridest, millele peavad induktiivpooli parameetrid jääma, et luua sobiv silumisfilter elektroonikaskeemile. Kolmandaks otsitakse vastust uurimisküsimusele, kuidas leida sobivad induktiivpooli parameetrid muutuva väljundpingega kõrgendava pingemuunduri elektroonikaskeemi jaoks. Arvutustulemustest selgub, et korrektse induktiivpooli valimiseks tuleb leida järgmised parameetrid: hinnanguline induktiivpooli pulsatsioonivool, konkreetse elektroonikaskeemi maksimaalne lülituskestus, konkreetse elektroonikaskeemi maksimaalne lülitusvool, väljundi pulsatsioonipinge ja pooli induktiivsuse hinnanguline väärtus. Esimeses arvutuses määratakse lähtevoolu suurus, mida elektroonikaskeem väljastab. Saadud tulemused on hinnangulised, kuid annavad piisava ülevaate piiridest, millele peavad induktiivpooli parameetrid jääma, et luua sobiv silumisfilter elektroonikaskeemile. Testitava seadme kontrollpistiku simulaator aitaks ettevõtte elektroonika disaini inseneridel kontrollida uusi liidestrükkplaate kiiremini, sest simulaatortrükkplaadi riistvara on võimalik programmeerida vastavalt vajadusele ning trükkplaadil on lisaseadmeid, mis lihtsustavad kontrollimisprotsessi. Selle eesmärgi edukaks täitmiseks tuleb esmalt luua disaini spetsifikatsiooni dokument, mis selgitab kõiki simulaatortrükkplaadi detailide omadusi ja kirjeldab põhiparameetreid, millele trükkplaat peab vastama. Põhiparameetriteks on sisendpinge vahemik, väljundpinge vahemik, väljundi pulsatsioonpinge, maksimaalne väljundvool, töötemperatuuri vahemik ja toiteallikate kasutegur. Dokumendi koostamiseks tuleb luua ülevaade kõikidest eelnevatest liidestrükkplaadi elektroonikaskeemi osadest ning valida, missuguseid osi on võimalik taaskasutada täielikult ja missuguseid osi tuleb kohandada lõputöö projekti jaoks. Järgmises etapis tuleb uurida kasutatavaid integraallülitusi ning seejärel saab koostada elektroonikaskeemi vastavalt elektroonika komponentide andmelehtedele. Pärast seda on võimalik disainida testitava seadme kontrollpistiku simulaatortrükkplaadi asetusplaan vastavalt ettevõtte trükkplaadi disainimisjuhenditele. Disaini valmimisel vaadatakse see üle vastavate inseneride poolt, kes annavad tagasisidet, kas trükkplaati on üldsegi võimalik valmistada. Positiivse vastuse korral tellitakse trükkplaadid. Peale seda algab programmeeritavale ventiilmaatriksile püsivara kirjutamine, mille ülesandeks on ühendada kõik simulaatortrükkplaadi detailid ja signaalid. Viimases etapis tuleb kontrollida testitava seadme kontrollpistiku simulaatori disaini ning viia sisse muudatusi, kui neid on vaja. Lõputöö käsitleb kolme testitava seadme kontrollpistiku simulaator disaini teemat. Esimeses peatükis kirjeldatakse lõputöö trükkplaadi disaini ehk millistest osadest elektroonikaskeem koosneb ning kuidas trükkplaat terviklikult töötab. Teises peatükis kirjeldatakse täpselt simulaatortrükkplaadi ülesehitust ning riistvaralist disaini. Kolmandas peatükis selgitatakse programmeeritava ventiilmaatriksi arhitektuuri, simulaatortrükkplaadi püsivara loogikat ja lõputöö trükkplaadi funktsionaalsuse kontrollimisprotsessi. Teoreetilised teadmised tulevad ettevõtte eelnevatest liidestrükkplaadi disainidest, elektroonikaseadmete disaini raamatutest ning juhenditest. Lisaks kasutatakse allikatena juhendeid tuntud pooljuhte tootvatest ettevõtetest nagu Texas Instruments, Intel, ROHM Semiconductor, Xilinx ja Toradex. Üks põhilisi võtmeid elektroonikaseadmete disainis on oskus taaskasutada ja kohandada olemasolevaid elektroonikaskeeme uute projektide nõuetele, sest nende elektroonikaskeemide funktsionaalsused on kontrollitud ja tõestatud. Kindlasti tuleks arvestada uute tehnoloogiate kasutamist, kuna uuemad integraallülitused võtavad vähem ruumi trükkplaadil, sisaldavad endas uusi funktsioone, kasutavad vähem võimsust ning need on vaid mõned põhjused, miks ei tohiks taaskasutada kõiki integraallülitusi eelnevatest projektidest. Lõputöö autori panus riistvara disaini on analoog-digitaal konverteri, FTDI, mälude, programmeeritava ventiilmaatriksi ja toitepingete disainide kohandamine vastavalt testitava seadme kontrollpistiku simulaatori nõuetele. Lõputöö autor koostas nullist toiteallika lülituse, kõrgendava pingemuunduri ja muudetava koormuse elektroonikaskeemid. Autori panus programmeeritava ventiilmaatriksi püsivara väljatöötamises on loogika kirjutamine moodulis, milles testitava seadme kontrollpistiku simulaator käitub käskude vastuvõtjana I2C kommunikatsiooni protokollis, ning loogika kirjutamine moodulis, kus mitmete lõplike olekumasinatega viiakse läbi kontrollimisprotseduur. Lisaks kohandas autor mitmeid tugevaid intellektuaalomandi tuumasid vastavalt testitava seadme kontrollpistiku simulaatori nõuetele. Erinevates disaini etappides suudeti leida lahendusi probleemidele ning avastada uusi viise, kuidas parendada simulaatortrükkplaadi disaini tulevastes versioonides. Näiteks riistvara projekteerimise etapis leiti viis, kuidas lihtsasti kontrollida kontrollpistiku signaale, kui signaalid muutuvad erinevate toodete vahel. Paraku selgus püsivara arendusetapis, et testitava seadme kontrollpistiku signaalid võiksid olla veelgi muudetavamad. Selle probleemi lahendamiseks võinuks lisada rohkem analooglüliteid, mida oleks saanud kontrollida läbi programmeeritava ventiilmaatriksi püsivara. Lisaks sellele selgus püsivara arendus etapis, et 25 MHz taktsignaali generaatori oleks võinud ühendada otse 3,3 V toite külge, et ei peaks generaatorit eraldi sisse lülitama ning võibolla tuleks hoopis kasutada 100 MHz taktsignaali generaatorit, sest see annaks stabiilsema faasiluku intellektuaalomandi tuuma töö. Kokkuvõtlikult saavutati lõputöö eesmärk ning leiti viis disainida elektroonika trükkplaat, mille riistvara on muudetav. Seejuures avastati disaini protsessi käigus viise, kuidas simulaatortrükkplaati parendada. Jääb vaid loota, et muudatused rakendatakse järgmises testitava seadme kontrollpistiku simulaatori versioonis. Lõputöös käsitletud ideid saavad elektroonikaseadmeid tootvad ettevõtted kasutada, kui on vaja simuleerida toodet liidestrükkplaadi verifitseerimiseks. Sellisel juhul peab iga ettevõtte arvestama oma spetsiifiliste nõuetega funktsionaalsuse kontrollimiseks.

The device under test product test connector simulator is a practical printed circuit board which can be used to simulate volume produced PCBs to verify certain interface boards. This thesis merely gives an example of one design concept of such simulator device. There are many different interface boards which each have their own characteristics and verification requirements for functionalities. The purpose of the thesis was to design a universal testing PCB to verify certain group of interface boards in a company and find solutions to three research tasks. The first research question was how to integrate a field-programmable gate array to a circuit. As seen from the thesis figures an FPGA can be successfully used to control input and output signals of the system. This is thanks to FPGAs architecture which allows to customize almost all pins with the exception of few communication and differential output pins but this depends on which model of the FPGA has been chosen for the system. Additionally, the FPGA architecture gives an opportunity to use wide range ready-made intellectual property cores which can speed up the firmware development process, but it also gives a possibility to develop custom IP cores for all kinds of applications. The second research question was how to find the correct inductor value for step-down converter circuit. As seen from the calculations in order to choose the correct inductor value four different calculations need to be made. Firstly, the estimated inductor ripple current must be found because this value fills in the missing information for the next three equations. After this the application specific maximum switch current, output ripple voltage and inductor value were calculated. These four equations give a decent estimation of what kind of parameters the inductor needs to meet. The third research question was how to find the correct inductor value for variable output voltage boost converter circuit. As seen from the calculations in order to choose the correct inductor value five different equations need to be used. In the first place an estimation of inductor ripple current and maximum duty cycle needs to be found. This unlocks the possibility to calculate the maximum switch current, output ripple voltage and inductor value. These five equations give a decent estimation of what kind of parameters the inductor needs to meet. All of these calculation for variable output voltage boost converter circuit needs to be done as many times as there are different output voltages. For device under test product test connector simulator all these calculations were done twice. Before choosing power supply integrated circuits for a design the parameters which they need to meet should be set. The primary parameters are input volage range, output voltage range, output ripple voltage, maximum output current, operating temperature range, and efficiency of the power supply. These are just the basic parameters but there are additional ones for more specific requirements. The DUT PTC simulator has three different power supplies a low-dropout linear regulator, step-down converter, and boost converter. Such types of power supplies were chosen because their characteristics met the design parameters. Different design phases managed solve several issues and bring up ways to improve the design in the future. For example, the hardware design phase managed to solve an issue of how to test the product test connector signals easily if the signals change between products. Unfortunately, during the firmware development phase an issue was found that the product test connector pins should be even more configurable. This problem could be solved by adding more analog switches and controlling them by the field-programmable gate array firmware. Another minor improvement which was found during firmware development phase was that the 25 MHz crystal oscillator should be enabled by the presence of 3,3 V in the system and perhaps 100 MHz crystal oscillator should be used in order to have better phase lock loop IP core performance. In conclusion the author reached the goal of the thesis and managed to find a way to design a printed circuit board which hardware is customizable. Naturally during the design process improvements were found but perhaps these will be implemented in the next revision of the device under test product test connector simulator. Thesis also acts as a concept which can be applied to all kinds of volume produced products which require to be simulated for interface boards. However, in this case each company must consider their specific requirements for verifying the functionalities.