Mikrokontrolleru izstrādes padomes izstrāde: 14 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Vai esat veidotājs, hobijs vai hakeris, kurš vēlas pāriet no perfboard projektiem, DIP IC un mājās gatavotiem PCB uz daudzslāņu PCB, ko ražo dēļu mājas un SMD iepakojums, kas gatavs masveida ražošanai? Tad šī pamācība ir paredzēta jums!

Šajā rokasgrāmatā tiks detalizēti aprakstīts, kā izstrādāt daudzslāņu PCB, kā piemēru izmantojot mikrokontrolleru izstrādātāju plāksni.

Es izmantoju KiCAD 5.0, kas ir bezmaksas un atvērtā pirmkoda EDA rīks, lai izveidotu šīs izstrādes plates shēmas un PCB izkārtojumu.

Ja neesat pazīstams ar KiCAD vai PCB izkārtojuma darbplūsmu, Chris Gamell apmācības vietnē YouTube ir diezgan laba vieta, kur sākt.

EDIT: Dažas fotogrāfijas ir pārāk tuvinātas, vienkārši noklikšķiniet uz attēla, lai redzētu pilnu attēlu:)

1. darbība. Padomājiet par sastāvdaļu iepakojumu

Virsmas stiprinājuma ierīces (SMD) var novietot uz PCB ar savācējmašīnu, automatizējot montāžas procesu. Pēc tam jūs varat palaist PCB caur atkārtotas plūsmas krāsni vai viļņu lodēšanas mašīnu, ja jums ir arī caurumu sastāvdaļas.

Tiek samazināti arī komponentu vadi mazākiem SMD, kā rezultātā ir ievērojami zemāka pretestība, induktivitāte un EMI, kas ir ļoti laba lieta, īpaši RF un augstas frekvences konstrukcijām.

Virzoties uz virsmas, tiek uzlabota arī mehāniskā veiktspēja un izturība, kas ir svarīgi vibrācijas un mehāniskās slodzes testēšanai.

2. darbība: izvēlieties savu mikrokontrolleri

Katras mikrokontrollera izstrādes plates, piemēram, Arduino un tā atvasinājumu, centrā ir mikrokontrolleris. Arduino Uno gadījumā tas ir ATmega 328P. Mūsu izstrādātāju padomei mēs izmantosim ESP8266.

Tas ir neticami lēts, darbojas ar frekvenci 80 MHz (un ir pārslēdzams līdz 160 MHz), un tam ir iebūvēta WiFi apakšsistēma. Ja to izmanto kā atsevišķu mikrokontrolleri, tas var veikt noteiktas darbības līdz 170x ātrāk nekā Arduino.

3. darbība. Izvēlieties USB uz seriālo pārveidotāju

Mikrokontrolleram būs nepieciešams savienojums ar datoru, lai jūs tajā varētu ielādēt savas programmas. To parasti veic ar ārēju mikroshēmu, kas rūpējas par tulkošanu starp diferenciālajiem signāliem, ko izmanto jūsu datora USB portā, un vienpusējo signalizāciju, kas pieejama lielākajai daļai mikrokontrolleru, izmantojot to seriālo sakaru perifērijas ierīces, piemēram, UART.

Mūsu gadījumā mēs izmantosim FT230X no FTDI. USB uz sērijas mikroshēmām no FTDI parasti tiek labi atbalstītas lielākajā daļā operētājsistēmu, tāpēc tā ir droša likme izstrādātāju padomei. Populāras alternatīvas (lētākas iespējas) ir SiLabs CP2102 un CH340G.

4. solis: izvēlieties savu regulatoru

Plātnei vajadzēs kaut kur iegūt strāvu - un vairumā gadījumu jūs atradīsit šo jaudu, izmantojot lineāro regulatoru IC. Lineārie regulatori ir lēti, vienkārši un, lai arī nav tik efektīvi kā komutācijas režīma shēma, tie piedāvās tīru jaudu (mazāk trokšņa) un vieglu integrāciju.

AMS1117 ir vispopulārākais lineārais regulators, ko izmanto lielākajā daļā izstrādātāju paneļu, un diezgan pienācīga izvēle arī mūsu izstrādātāju plāksnei.

5. darbība. Izvēlieties enerģijas taupīšanas shēmu

Ja ļaujat lietotājam darbināt dev dēli, izmantojot USB, kā arī piedāvāt sprieguma ievadi, izmantojot vienu no paneļa tapām, jums būs nepieciešams veids, kā izvēlēties starp diviem konkurējošajiem spriegumiem. Tas ir visvienkāršāk paveicams, izmantojot diodes, kas ļauj tikai augstākam ieejas spriegumam iziet un barot pārējo ķēdi.

Mūsu gadījumā mums ir dubultā šotka barjera, kas šim nolūkam vienā iepakojumā ietver divas schottky diodes.

6. darbība: izvēlieties perifērijas mikroshēmas (ja tādas ir)

Jūs varat pievienot mikroshēmas saskarnei ar izvēlēto mikrokontrolleri, lai uzlabotu lietojamību vai funkcionalitāti, ko jūsu izstrādātāju dēlis piedāvā saviem lietotājiem.

Mūsu gadījumā ESP8266 ir tikai viens analogās ievades kanāls un ļoti maz izmantojamu GPIO.

Lai to novērstu, digitālajam pārveidotāja IC pievienosim ārēju analogu un GPIO paplašinātāja IC.

ADC izvēle parasti ir kompromiss starp reklāmguvumu līmeni vai ātrumu un izšķirtspēju. Augstāka izšķirtspēja ne vienmēr ir labāka, jo mikroshēmām ar augstāku izšķirtspēju, jo tajās tiek izmantotas dažādas paraugu ņemšanas metodes, bieži būs ļoti lēns izlases ātrums. Tipisku SAR ADC paraugu ņemšanas ātrums pārsniedz simtiem tūkstošu paraugu sekundē, turpretī augstākas izšķirtspējas Delta Sigma ADC parasti spēj uzņemt tikai dažus paraugus sekundē-pasaulē, kas atrodas prom no ātrajiem SAR ADC un zibens ātrajiem ADC.

MCP3208 ir 12 bitu ADC ar 8 analogiem kanāliem. Tas var darboties jebkurā vietā no 2,7 V līdz 5,5 V, un tā maksimālais paraugu ņemšanas ātrums ir 100 k / s.

Pievienojot populāru GPIO paplašinātāju MCP23S17, 16 GPIO tapas kļūst pieejamas lietošanai.

7. solis: shēmas dizains

Strāvas padeves ķēde izmanto divas Schottky diodes, lai nodrošinātu vienkāršu OR-ing funkciju strāvas padevei. Tādējādi tiek izveidota cīņa starp 5V, kas nāk no USB porta, un visu, ko vēlaties nodrošināt VIN tapai - elektronu cīņas uzvarētājs iznāk virsū un nodrošina jaudu AMS1117 regulatoram. Pazemīga SMD gaismas diode kalpo kā indikators tam, ka strāva faktiski tiek piegādāta pārējai plāksnei.

USB saskarnes ķēdei ir ferīta lodīte, lai novērstu klaiņojošu EMI un trokšņainu pulksteņa signālu izstarošanos uz lietotāja datoru. Sērijas rezistori datu līnijās (D+ un D-) nodrošina pamata malas ātruma kontroli.

ESP8266 izmanto GPIO 0, GPIO 2 un GPIO 15 kā īpašas ievades tapas, nolasot to stāvokli sāknēšanas laikā, lai noteiktu, vai sākt programmēšanas režīmu, kas ļauj sazināties sērijveidā, lai ieprogrammētu mikroshēmas vai zibspuldzes sāknēšanas režīmu, kas palaiž jūsu programmu. Sāknēšanas procesā GPIO 2 un GPIO 15 jāpaliek loģiski augstā un zemā loģikā. Ja GPIO 0 sāknēšanas laikā ir zems līmenis, ESP8266 atsakās no vadības un ļauj saglabāt programmu moduļa saskarnē esošajā zibatmiņā. Ja GPIO 0 ir augsts, ESP8266 palaiž pēdējo zibatmiņā saglabāto programmu, un jūs esat gatavs darboties.

Šim nolūkam mūsu izstrādātāju panelis nodrošina sāknēšanas un atiestatīšanas slēdžus, ļaujot lietotājiem pārslēgt GPIO 0 stāvokli un atiestatīt ierīci, lai mikroshēmu ievietotu vēlamajā programmēšanas režīmā. Pievilkšanas rezistors nodrošina, ka ierīce pēc noklusējuma tiek palaista normālā sāknēšanas režīmā, iedarbinot nesen saglabāto programmu.

8. solis: PCB dizains un izkārtojums

PCB izkārtojums kļūst kritiskāks, kad tiek iesaistīti ātrgaitas vai analogie signāli. Jo īpaši analogās IC ir jutīgas pret zemes trokšņa problēmām. Zemes lidmašīnām ir iespēja nodrošināt stabilāku atsauci uz interesējošajiem signāliem, samazinot troksni un traucējumus, ko parasti rada zemes cilpas.

Analogās pēdas jāglabā prom no ātrgaitas digitālajām trasēm, piemēram, diferenciālajām datu līnijām, kas ir daļa no USB standarta. Diferenciālo datu signālu pēdām jābūt pēc iespējas īsākām, un tām jāsaskaņo pēdas garums. Izvairieties no pagriezieniem un diafragmām, lai samazinātu atstarojumus un pretestības svārstības.

Zvaigžņu konfigurācijas izmantošana ierīču barošanai (pieņemot, ka jūs jau neizmantojat jaudas plakni) arī palīdz samazināt troksni, novēršot pašreizējos atgriešanās ceļus.

9. solis: PCB apkopošana

Mūsu izstrādātāju plāksne ir veidota uz 4 slāņu PCB kaudzes ar speciālu jaudas plakni un iezemēto plakni.

Jūsu “kaudze” ir jūsu PCB slāņu secība. Slāņu izvietojums ietekmē jūsu dizaina atbilstību EMI, kā arī jūsu ķēdes signāla integritāti.

Faktori, kas jāņem vērā, sastādot PCB, būtu šādi:

1. Slāņu skaits
2. Slāņu secība
3. Attālums starp slāņiem
4. Katra slāņa mērķis (signāls, plakne utt.)
5. Slāņa biezums
6. Izmaksas

Katram kopumam ir savas priekšrocības un trūkumi. Četru slāņu plāksne radīs aptuveni par 15 dB mazāk starojuma nekā divu slāņu konstrukcija. Daudzslāņu plāksnēm, visticamāk, ir pilnīga iezemējuma plakne, samazinās zemes pretestība un atskaites troksnis.

10. solis: vairāk apsvērumu attiecībā uz PCB slāņiem un signāla integritāti

Signāla slāņiem ideālā gadījumā jāatrodas blakus jaudas vai zemes plaknei ar minimālu attālumu starp signāla slāni un to tuvumā esošo plakni. Tas optimizē signāla atgriešanās ceļu, kas iet caur atskaites plakni.

Strāvas un zemes plaknes var izmantot, lai nodrošinātu ekranēšanu starp slāņiem vai kā vairogus iekšējiem slāņiem.

Jaudas un zemes plakne, novietojot blakus viens otram, radīs starpplakņu kapacitāti, kas parasti darbojas jūsu labā. Šī kapacitāte ir atkarīga no jūsu PCB laukuma, kā arī ar tās dielektrisko konstanti, un tā ir apgriezti proporcionāla attālumam starp plaknēm. Šī kapacitāte labi darbojas, lai apkalpotu IC, kurām ir svārstīgas barošanas strāvas prasības.

Ātrie signāli ir ideāli izvietoti daudzslāņu PCB iekšējos slāņos, lai saturētu pēdas radīto EMI.

Jo augstākas frekvences tiek aplūkotas uz tāfeles, jo stingrāk ir jāievēro šīs ideālās prasības. Zema ātruma konstrukcijas, visticamāk, izbēgs ar mazākiem slāņiem vai pat ar vienu slāni, savukārt liela ātruma un RF konstrukcijām ir nepieciešams sarežģītāks PCB dizains ar stratēģiskāku PCB sakārtojumu.

Piemēram, ātrgaitas konstrukcijas ir jutīgākas pret ādas iedarbību, kas ir novērojums, ka augstās frekvencēs strāvas plūsma neieplūst caur visu vadītāja ķermeni, kas savukārt nozīmē, ka pieaugošā lietderība samazinās. vara biezums noteiktā frekvencē, jo papildu vadītāja tilpums tik un tā netiks izmantots. Aptuveni 100 MHz frekvencē ādas dziļums (strāvas biezums, kas faktiski plūst caur vadītāju) ir aptuveni 7um, kas nozīmē pat standarta 1oz. biezi signāla slāņi ir nepietiekami izmantoti.

11. solis: sānu piezīme par Vias

Vias veido savienojumus starp dažādiem daudzslāņu PCB slāņiem.

Izmantotie flakonu veidi ietekmēs PCB ražošanas izmaksas. Aklo/apbedīto vāciņu ražošana maksā vairāk nekā caurumu caurumi. Caur caurumu caur perforatoriem pa visu PCB, kas beidzas zemākajā slānī. Apglabāti vias ir paslēpti iekšpusē un savieno tikai iekšējos slāņus, savukārt neredzīgie vias sākas vienā PCB pusē, bet beidzas pirms otras puses. Caurumu caurumi ir lētākais un visvieglāk izgatavojams, tādēļ, ja tiek optimizēts izmaksu izmantošanai caur caurumiem.

12. solis: PCB izgatavošana un montāža

Tagad, kad tāfele ir izstrādāta, jūs vēlaties izvadīt dizainu kā Gerber failus no sava EDA izvēlētā rīka un nosūtīt tos uz dēļu māju izgatavošanai.

Mani dēļus izgatavoja ALLPCB, bet izgatavošanai varat izmantot jebkuru dēļu veikalu. Es ļoti ieteiktu izmantot PCB Shopper, lai salīdzinātu cenas, izlemjot, kuru dēļu māju izvēlēties ražošanai - lai jūs varētu salīdzināt cenu un iespēju ziņā.

Dažas dēļu mājas piedāvā arī PCB montāžu, kas jums, iespējams, būs nepieciešama, ja vēlaties īstenot šo dizainu, jo tajā galvenokārt tiek izmantotas SMD un pat QFN detaļas.

13. solis: tas ir viss, ļaudis

Šo izstrādes plati sauc par "Clouduino Stratus", uz ESP8266 balstītu izstrādātāju plati, kuru es izstrādāju, lai paātrinātu aparatūras/IOT palaišanas prototipēšanas procesu.

Tā joprojām ir ļoti agrīna dizaina atkārtošana, un drīzumā būs jaunas pārskatīšanas.

Es ceru, ka jūs, puiši, daudz iemācījāties no šīs rokasgrāmatas!: D

14. solis: Bonuss: komponenti, Gerbers, dizaina faili un pateicības

[Mikrokontrolleris]

1x ESP12F

[Perifērijas ierīces]

1 x MCP23S17 GPIO paplašinātājs (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Savienotāji un saskarnes]

1 x FT231XQ USB uz seriālo (QFN)

1 x USB-B mini savienotājs

2 x 16 kontaktu sieviešu/vīriešu galvenes

[Jauda] 1 x AMS1117-3.3 regulators (SOT-223-3)

[Citi]

1 x ECQ10A04-F dubultā Schottky barjera (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 rezistori

2 x 27 omi 1% SMD 0603 rezistori

3 x 270 omi 1% SMD 0603 rezistori

2 x 470 omi 1% SMD 0603 rezistori

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 kondensators

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondensators

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondensators

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondensators

1 x SMD LED 0603 zaļa

1 x SMD LED 0603 dzeltens

1 x SMD LED 0603 zils

2 x OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 x ferīta lodīte 600/100 MHz SMD 0603

[Pateicība] ADC grafiki, pateicoties TI lietotnes piezīmēm

MCU etalons:

PCB ilustrācijas: Fineline