Микроконтроллерди өнүктүрүү кеңешин долбоорлоо: 14 кадам (сүрөттөр менен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:41

Сиз даярдоочу, хоббичи же хакерсизби, плиталардын долбоорлорунан, DIP ICлеринен жана үйдө жасалган ПХБдан тактай үйлөрү жана SMD таңгактары тарабынан даярдалган көп каттуу ПХБга чейин көтөрүлүүгө кызыкдарсызбы? Анда бул көрсөтмө сиз үчүн!

Бул колдонмо мисал катары микроконтроллердин иштөө тактасын колдонуп, көп кабаттуу ПХБны кантип жасоо керектиги жөнүндө кеңири маалымат берет.

Мен бул dev тактасынын схемаларын жана ПХБ макетин түзүү үчүн эркин жана ачык булак EDA куралы болгон KiCAD 5.0 колдондум.

Эгерде сиз PCB макети үчүн KiCAD же жумуш процесси менен тааныш эмес болсоңуз, Крис Гэмеллдин YouTubeдагы окуу куралдары баштоо үчүн абдан жакшы жер.

EDIT: Кээ бир сүрөттөр өтө чоңойот, сүрөттү толук көрүү үчүн жөн эле сүрөттү басыңыз:)

1 -кадам: Компоненттердин таңгагы жөнүндө ойлонуп көрүңүз

Surface Mount Devices (SMDs) чогултуу процессин автоматташтырып, тандоо жана жайгаштыруу машинасы менен ПХБга жайгаштырылышы мүмкүн. Сиз андан кийин ПКБны рефлоу меши же толкун менен ширетүүчү машина аркылуу иштете аласыз, эгер сизде тешик компоненттери болсо.

Кичинекей SMDлердин компоненттери дагы кыскарат, натыйжада импеданс, индуктивдүүлүк жана EMI кыйла төмөндөйт, бул абдан жакшы нерсе, айрыкча RF жана жогорку жыштыктагы дизайн үчүн.

Жер үстүндөгү трассага баруу, ошондой эле, вибрация жана механикалык стрессти текшерүү үчүн маанилүү болгон механикалык иштөөнү жана бышыктыкты жакшыртат.

2 -кадам: Микроконтроллерди тандаңыз

Ар бир микроконтроллерди өнүктүрүү тактасынын борборунда, Arduino жана анын туундулары сыяктуу, микроконтроллер жатат. Arduino Uno учурда, бул ATmega 328P. Биздин өнүгүү тактабыз үчүн биз ESP8266 колдонобуз.

Бул кир арзан, 80 МГцте иштейт (жана 160 МГцке чейин overclockable) ЖАНА орнотулган WiFi подсистемасы бар. Өз алдынча микроконтроллер катары колдонулганда, ал кээ бир операцияларды Arduinoго караганда 170 эсе ылдамыраак аткара алат.

3 -кадам: Сериялык конвертериңизге USB тандаңыз

Микроконтроллерге компьютериңиз менен интерфейстин кандайдыр бир жолу керек болот, андыктан сиз ага программаларыңызды жүктөй аласыз. Бул адатта тышкы чип аркылуу ишке ашат, ал компьютериңиздеги USB порту колдонгон дифференциалдуу сигналдарды жана UART сыяктуу сериялык байланыш перифериялык түзүлүштөрү аркылуу көпчүлүк микроконтроллерлерде жеткиликтүү болгон бирдиктүү сигналды которууга кам көрөт.

Биздин учурда, биз FTDIден FT230X колдонобуз. FTDIден USB -ге сериялык чиптер көпчүлүк операциялык тутумдарда жакшы колдоого алынат, андыктан бул платформа үчүн коопсуз коюм. Популярдуу альтернативаларга (арзаныраак варианттарга) SiLabsтен CP2102 жана CH340G кирет.

4 -кадам: Регуляторуңузду тандаңыз

Такта бир жерден күч алышы керек болот - жана көпчүлүк учурда бул күчтү сызыктуу регулятор IC аркылуу табасыз. Сызыктуу жөнгө салуучулар арзан, жөнөкөй жана которулган режим схемасы сыяктуу эффективдүү болбосо да, таза кубаттуулукту (аз ызы -чууну) жана оңой интеграциялоону сунуштайт.

AMS1117 көпчүлүк dev такталарында колдонулган эң популярдуу сызыктуу жөнгө салуучу жана биздин dev board үчүн абдан татыктуу тандоо.

5-кадам: Power or-ing схемасын тандаңыз

Эгерде сиз колдонуучуга USB двигателин башкарууга уруксат берсеңиз, жана ошондой эле борттогу төөнөгүчтөрдүн бири аркылуу чыңалуу киргизүүнү сунуштасаңыз, анда сизге эки атаандаш чыңалуунун арасынан тандоо жолу керек болот. Бул эң жогорку диоддордун жардамы менен гана ишке ашат, алар иштөөчү диапазондун калган чыңалуусуна гана өтүүгө жана иштөөгө мүмкүнчүлүк берет.

Биздин учурда, бизде дал ушул максат үчүн бир пакетте эки schottky диодун камтыган кош schottky тоскоолдук бар.

6 -кадам: Перифериялык чиптериңизди тандаңыз (эгер болсо)

Сиз тандаган микроконтроллер менен интерфейске чиптерди кошо аласыз, бул сиздин dev board өз колдонуучуларына сунуштаган ыңгайлуулукту же функционалды жакшыртуу үчүн.

Биздин учурда, ESP8266 бир гана аналогдук кирүү каналына ээ жана абдан аз GPIO колдонууга болот.

Муну чечүү үчүн, биз Digital Converter ICге тышкы аналогду жана GPIO Expander ICди кошобуз.

ADC тандоо, адатта, конверсиянын ылдамдыгы же ылдамдыгы менен чечиминин ортосундагы соода. Жогорку чечимдер сөзсүз түрдө жакшы эмес, анткени ар кандай тандоо ыкмаларын колдонгону үчүн жогорку чечимди камтыган микросхемалар көбүнчө өтө жай үлгүлөргө ээ болот. Типтүү SAR ADCлеринин ылдамдыгы секундасына жүз миңдеген үлгүлөрдөн ашат, ал эми жогорку чечим Delta Sigma ADCлери адатта ылдам SAR ADCлеринен жана чагылган тез түтүктүү ADCден алыс секундада бир нече үлгүлөрдү жөндөмдүү.

MCP3208-12 аналогдуу ADC, 8 аналогдук каналдар менен. Бул 2.7V-5.5V ортосунда каалаган жерде иштей алат жана 100psps максималдуу тандоо ылдамдыгына ээ.

MCP23S17, популярдуу GPIO экспансеринин кошулушу 16 GPIO казыгынын колдонууга жеткиликтүү болушуна алып келет.

7 -кадам: Райондук дизайн

Электр энергиясын жеткирүү схемасы эки schottky диодун колдонуп, кубаттуулукту киргизүү үчүн жөнөкөй OR-ing функциясын камсыз кылат. Бул USB портунан келген 5V ортосунда согушту орнотот жана VIN пинге эмне кааласаңыз - электрон согушунун жеңүүчүсү чыгып, AMS1117 регуляторуна күч берет. Жупуну SMD LED чындыгында тактанын калган бөлүгүнө күч жеткирилип жатканынын көрсөткүчү катары кызмат кылат.

USB интерфейсинин схемасында EMI жана ызы -чуу саат сигналдарынын колдонуучунун компьютерине түшүп кетишине жол бербөө үчүн феррит мончогу бар. Берилиштер линиясындагы сериялык резисторлор (D+ жана D-) негизги ылдамдыкты башкарууну камсыз кылат.

ESP8266 GPIO 0, GPIO 2 жана GPIO 15ти атайын кирүү казыктары катары колдонот, жүктөө учурунда алардын абалын окуп, программалоо режиминде баштоо керекпи же жокпу аныктоо үчүн, бул сиздин программаңызды ишке киргизүүчү чип же флэш жүктөө режимин программалоо үчүн сериялык байланышууга мүмкүнчүлүк берет.. Жүктөө процессинде GPIO 2 жана GPIO 15 логикалык жогорку жана логикалык төмөн бойдон калууга тийиш. Эгерде GPIO 0 жүктөөдө төмөн болсо, ESP8266 көзөмөлдөн баш тартып, программаңызды модулдун ичиндеги флеш -эске сактоого мүмкүндүк берет. Эгерде GPIO 0 жогору болсо, ESP8266 флеште сакталган акыркы программаны ишке киргизет жана сиз жылдырууга даярсыз.

Ушул максатта, биздин такта жүктөөчү жана баштапкы абалга келтирүүчү которгучтарды камсыз кылат, колдонуучуларга GPIO 0 абалын которууга жана түзмөктү баштапкы абалга келтирүүгө, чипти каалаган программалоо режимине коюуга мүмкүнчүлүк берет. Тартуу каршылыгы түзмөктүн демейки боюнча кадимки жүктөө режимине киришин камсыздайт, эң акыркы сакталган программаны баштайт.

8 -кадам: PCB Дизайн жана Макет

PCB макети жогорку ылдамдыкта же аналогдук сигналдар тартылганда өтө маанилүү болуп калат. Өзгөчө аналогдук ICлер жердин ызы -чуу маселелерине сезимтал. Жердин учактары кызыктыруучу сигналдар үчүн кыйла туруктуу шилтеме берүү мүмкүнчүлүгүнө ээ, адатта жер илмектеринен келип чыккан ызы -чууну жана тоскоолдуктарды азайтуу.

Аналогдук издерди USB стандартынын бир бөлүгү болгон дифференциалдык маалымат линиялары сыяктуу жогорку ылдамдыктагы санарип издерден алыс кармоо керек. Дифференциалдык маалымат сигналынын издери мүмкүн болушунча кыска болушу керек жана издин узундугу дал келиши керек. Чагылууларды жана импеданс вариацияларын азайтуу үчүн бурулуштардан жана виастардан алыс болуңуз.

Жылдыз конфигурациясын түзмөктөрдү камсыздоо үчүн колдонуу (эгер сиз электрдик учакты колдоно элек болсоңуз), учурдагы кайтуу жолдорун жок кылуу менен ызы -чууну басаңдатууга жардам берет.

9-кадам: PCB Stack-Up

Биздин dev тактасы 4 катмар PCB стекинде курулган, атайын электр учагы жана жер учагы бар.

Сиздин "стек-ап"-бул ПКБдагы катмарлардын тартиби. Катмарлардын жайгашуусу дизайныңыздын EMI шайкештигине, ошондой эле сиздин схемаңыздын сигнал бүтүндүгүнө таасир этет.

Сиздин PCB стек-ап эске алуу керек болгон факторлор төмөнкүлөрдү камтыйт:

1. Катмарлардын саны
2. Катмарлардын тартиби
3. Катмарлардын ортосундагы аралык
4. Ар бир катмардын максаты (сигнал, учак ж.
5. Катмар калыңдыгы
6. Баасы

Ар бир стек-аптын өзүнүн артыкчылыктары жана кемчиликтери бар. 4 катмарлуу такта 2 катмарлуу дизайнга караганда болжол менен 15дБ радиацияны аз өндүрөт. Көп катмарлуу такталар толук жерге тегиздикке ээ болушу мүмкүн, жердин импедансын азайтып, ызы -чуу.

10 -кадам: PCB катмарлары жана сигналдын бүтүндүгү үчүн көбүрөөк ойлор

Сигнал катмары идеалдуу түрдө бийликтин же жердин тегиздигинин жанында болушу керек, сигнал катмары менен аларга жакын тегиздиктин ортосундагы минималдуу аралык. Бул шилтеме тегиздигинен өткөн сигналдын кайтуу жолун оптималдаштырат.

Күч жана жер учактары катмарлардын ортосундагы коргоону камсыз кылуу үчүн же ички катмарлар үчүн калкан катары колдонулушу мүмкүн.

Күч жана жер учагы, бири -бирине жанаша жайгаштырылганда, адатта сиздин пайдаңызга иштеген пландар аралык сыйымдуулукка алып келет. Бул сыйымдуулук сиздин ПХБнын аянты менен, ошондой эле анын диэлектрдик константасы менен таразаланат жана учактардын ортосундагы аралыкка тескери пропорционалдуу. Бул сыйымдуулук учурдагы талаптарды камтыган ICлерди тейлөө үчүн жакшы иштейт.

Ыкчам сигналдар көп катмарлуу ПХБлардын ички катмарларында сакталат, алар издерден түзүлгөн EMIди камтыйт.

Тактада каралып жаткан жыштыктар канчалык жогору болсо, бул идеалдуу талаптарды ошончолук катуу сактоо керек. Төмөн ылдамдыктагы конструкциялар азыраак катмарлардан, ал тургай бир катмардан кутулуп кетиши мүмкүн, ал эми жогорку ылдамдыкта жана RF конструкцияларында PCBтин стабилдүү стратегиялык түзүлүшү талап кылынат.

Мисалы, жогорку ылдамдыктагы конструкциялар теринин эффектине көбүрөөк дуушар болушат-бул байкоо, жогорку жыштыктарда токтун агымы өткөргүчтүн бүт денесине өтпөйт, бул өз кезегинде азайтуучу маргиналдык пайдалуулуктун жогорулашын билдирет жездин калыңдыгы белгилүү бир жыштыкта, анткени өткөргүчтүн кошумча көлөмү баары бир колдонулбайт. Болжол менен 100МГц теринин тереңдиги (чынында өткөргүч аркылуу агып жаткан токтун калыңдыгы) болжол менен 7um, бул стандарт 1oz дегенди билдирет. коюу сигнал катмарлары начар пайдаланылат.

11 -кадам: Vias боюнча кошумча эскертүү

Vias көп каттуу ПХБнын ар кандай катмарларынын ортосунда байланыштарды түзөт.

Колдонулган виас түрлөрү ПХБ өндүрүү баасына таасирин тийгизет. Сокур/көмүлгөн виас тешик виаска караганда өндүрүшкө кымбатыраак. Бүт ПХБ аркылуу сокку аркылуу тешик, эң төмөнкү катмарда бүтөт. Көмүлгөн виас ичинде жашырылган жана ички катмарларды гана туташтырат, ал эми сокур виабалар ПХБнын бир тарабынан башталып, экинчи тарабына чейин бүтөт. Тешик виас аркылуу эң арзан жана оңой өндүрүлөт, андыктан тешик виас аркылуу чыгымдарды оптималдаштыруу.

12 -кадам: ПХБ өндүрүү жана жыйноо

Такта иштелип чыккандан кийин, сиз каалаган EDA куралыңыздан дизайнды Gerber файлдары катары чыгаргыңыз келип, аларды өндүрүш үчүн такта үйүнө жөнөтөсүз.

Менде тактайлар ALLPCB тарабынан даярдалган, бирок сиз өндүрүш үчүн каалаган дүкөндү колдоно аласыз. Мен өндүрүү үчүн кайсы пансионатты тандап алаарыбызды бааларды салыштыруу үчүн PCB Shopperди колдонууну сунуштаар элем - сиз баа жана мүмкүнчүлүктөр боюнча салыштыра аласыз.

Башкармалык үйлөрдүн кээ бирлери PCB Ассамблеясын сунушташат, эгерде сиз бул дизайнды ишке ашыргыңыз келсе, сизге керек болот, анткени ал негизинен SMD жана ал тургай QFN бөлүктөрүн колдонот.

13 -кадам: Мунун баары адамдар

Бул өнүктүрүү тактасы "Clouduino Stratus" деп аталат, мен ESP8266 негизделген иштеп чыгуучу тактасы, мен аппараттык/IOTту ишке киргизүү үчүн прототиптөө процессин тездетүү үчүн иштелип чыккан.

Бул дагы эле дизайндын алгачкы итерациясы, жакында жаңы өзгөртүүлөр келет.

Бул колдонмодон сиз көп нерсени үйрөндүңүз деп ишенем!: D

14 -кадам: Бонус: Компоненттер, Жерлер, Дизайн Файлдары жана Ыраазычылыктар

[Микроконтроллер]

1x ESP12F

[Перифериялык түзүлүштөр]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Коннекторлор жана интерфейс]

1 x FT231XQ USB сериялык (QFN)

1 x USB-B Mini туташтыргычы

2 x 16-pin Аял/Эркек аталыштары

[Power] 1 x AMS1117-3.3 Regulator (SOT-223-3)

[Башкалар]

1 x ECQ10A04-F Dual Schottky Barrier (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 каршылыгы

2 х 27 ом 1% SMD 0603 каршылыгы

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 каршылыгы

2 x 470 ом 1% SMD 0603 каршылыгы

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 Конденсатор

2 x 10uF 50V SMD 0603 Конденсатор

1 x 1uF 50V SMD 0603 Конденсатор

2 x 47pF 50V SMD 0603 Capacitor

1 х SMD LED 0603 Жашыл

1 х SMD LED 0603 Сары

1 х SMD LED 0603 Көк

2 x OMRON BF-3 1000 THT тактикалык которуу

1 х Ferrite Bead 600/100mhz SMD 0603

[Acknowledgments] ADC TI App Notes уруксаты менен графиктерди берет

MCU Benchmark:

PCB Illustrations: Fineline