Capitolo 5
Realizzazione prototipo e validazione.
Per realizzare il PCB (Printed Circuit Board) è stato necessario giungere a una sua versione grafica o elettronica, che ne rappresentasse il disegno delle interconnessioni tra i componenti elettronici utilizzati. Questa prima fase ha dunque comportato l’utilizzo di un programma CAD (Computer Aided Design) (OrCad Layout Plus), attraverso il quale lo schema circuitale schematico in appendice A è stato trasposto in un disegno di dimensioni reali; in cui, ai simboli indicanti i componenti, sono state sostituite aree a essi fisicamente riservate e alle connessioni logiche collegamenti fisici: le future piste in rame del circuito stampato.
L’operazione iniziale di caricamento della netlist (file .mnl automaticamente generabile in fase di realizzazione del circuito schematico) è sufficiente a fornire al programma le informazioni per la creazione di un nuovo file: numero e tipo di componenti, connessioni tra essi. Il successivo caricamento di un file di tecnologia (.tch) e di un file di strategia (.sf) è un metodo immediato per comunicare in automatico alcuni dati, che verranno utilizzati nella fase successive di piazzamento dei componenti e disegno delle interconnessioni:
• Informazioni relative alla tecnologia costruttiva del circuito stampato, quali il numero ed il tipo di strati da utilizzare, la dimensioni delle piste e delle piazzole, gli isolamenti minimi richiesti, presenza, orientamento (orizzontale o verticale) e dimensione di jumper;
• Dettagli necessari ai tool di sbroglio automatico e semiautomatico per scegliere le strategie da seguire.
Tali impostazioni sono poi modificabili manualmente in funzione del singolo stampato in sede di sbroglio (fase di creazione delle piste a partire dal ratnest23 iniziale). L’esperienza acquisita nell’utilizzo del detto programma ha permesso di giungere a un soddisfacente compromesso tra il contenimento delle dimensioni globali del PCB e il mantenimento di un opportuno spessore delle piste (non inferiore agli 8 mils24; anche se per le connessioni delle alimentazione sono state usate piste di larghezza superiore per limitare la dissipazione di potenza), nonché di una ragionevole distanza tra esse (maggiore o eguale a 10 mils), in modo tale da garantire una buona probabilità di successo dei processi di fabbricazione e assemblaggio.
23 Insieme di connessioni logiche presentate come segmenti rettilinei dal programma. 24 1000 mils = 25.4 mm
89 Il circuito relativo al presente progetto ha richiesto lo stampaggio solo su singolo strato di tre copper clap board. Ultima fase, prima di poter realizzare il circuito, è la stampa dei vari layer, separatamente. Anche questa operazione è assistita dal programma CAD, che, nella sezione di post-processing, è in grado di produrre più di venti report standard, compresi piani di costruzione, di assemblaggio e report per pick-and-place.
In Layout Plus, infatti, tutte le definizioni di output sono memorizzate in un foglio elettronico che si può richiamare e modificare. È possibile poi indicare, layer per layer, il formato voluto inuscita: Gerber65 , DXF66 o specifico per dispositivi di stampa compatibili con Windows.
La successiva realizzazione fisica e saldatura dei componenti ha permesso di ottenere tre schede, tre delle quali sono visibili in Figura 84.
Figura 84. Versione prototipale del dosimetro.
La separazione fisica delle schede è anche una distinzione funzionale, poiché la scheda n°1 è destinata ai componenti relativi alla carica del dispositivo e alla gestione del collegamento con il Personal Computer; nella scheda n°2 sono invece alloggiati il microcontrollore e le periferiche deputate all’illuminazione della fiala e infine la scheda n°3, assente in Figura 84, costituisce l’interfaccia utente, su di essa sono infatti montati i tasti e l’allarme acustico; il display, posizionato nella parte alta del dosimetro, è connesso al microcontrollore mediante un flat-cable.
Per verificare l’effettiva funzionalità del firmware e dell’hardware ci si è avvalsi di strumenti di simulazione (AVRstudio4), della scheda di sviluppo STK500 (esclusiva per microprocessori Atmel della famiglia AVR), nonché della comune strumentazione di laboratorio (multimetro, voltmetro, oscilloscopio). Si riporta il risultato del testing delle unità funzionali, eseguito mediante un oscilloscopio digitale con frequenza di campionamento pari a 500 MHz.
• LED
In Figura 85 è possibile osservare l’effetto del pilotaggio dei led. Il segnale su Ch1 (canale 1 dell’oscilloscopio posto sul catodo di un LED) è indice dell’abbassamento della tensione sufficiente a provocarne l’accensione. Si osserva anche un periodo totale di 3.2 ms, corrispondente al periodo di esecuzione del ciclo di programma.
Figura 85. Ch1: Catodo, Ch2 anodo.
• TEMPERATURA
In Figura 87 si riporta l’andamento del segnale della linea dati del bus One-Wire, è possibile osservare le due parti: l’una dedicata al comando ROM e l’altro funzionale, entrambi preceduti dal pilotaggio della linea a livello basso da parte del Master.
91
Figura 86. Linea dati del bus One-Wire
• SPI
In Figura 88 è possibile osservare i primi 8 bit di indirizzamento del driver dei LED, conforme al protocollo I2C precedentemente descritto.
È seguita una fase di collaudo con una sorgente neutronica Am-Be, resa disponibile presso il DIMNP, durante la quale è stata verificata la coincidenza tra il numero di bolle contate dal prototipo con quello visibile a occhio al termine dell’irraggiamento. In Figura 89 si riporta l’esito di alcuni irraggiamenti; è possibile osservare come, aumentando il numero di bolle, il suo conteggio da parte del prototipo sia sottostimato. Tale effetto è dovuto principalmente all’oscuramento reciproco delle cavità di vapore.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 Numero di irraggiamenti B o lle c o n ta te Prototipo Conteggio visivo
