მიკროკონტროლერების განვითარების დაფის დიზაინი: 14 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:19

ხართ თუ არა დამამზადებელი, ჰობისტი ან ჰაკერი, რომელიც დაინტერესებულია პერფორდის პროექტებიდან, DIP IC– ებიდან და სახლში დამზადებული PCB– ებიდან მრავალ ფენის PCB– ებამდე, დამზადებული გამგეობის სახლებით და SMD შეფუთვით, რომელიც მზად არის მასობრივი წარმოებისთვის? მაშინ ეს ინსტრუქცია თქვენთვისაა!

ეს სახელმძღვანელო დეტალურად აღწერს, თუ როგორ უნდა იმოქმედოთ მრავალშრიანი PCB- ის შემუშავებაზე, მაგალითად, მიკროკონტროლერის გამგეობის გამოყენებით.

მე გამოვიყენე KiCAD 5.0, რომელიც არის თავისუფალი და ღია EDA ინსტრუმენტი, ამ devboard– ის სქემატური და PCB განლაგების შესაქმნელად.

თუ თქვენ არ იცნობთ KiCAD– ს ან PCB– ის განლაგებას, კრის გამელის გაკვეთილები YouTube– ზე საკმაოდ კარგი ადგილია დასაწყებად.

რედაქტირება: ზოგიერთი ფოტო ძალიან დიდი ზომისაა, უბრალოდ დააწკაპუნეთ სურათზე რომ ნახოთ სრული სურათი:)

ნაბიჯი 1: იფიქრეთ კომპონენტის შეფუთვაზე

ზედაპირის დამონტაჟების მოწყობილობები (SMD) შეიძლება განთავსდეს PCB– ზე ამორჩეული და მოთავსებული მანქანით, რაც ავტომატიზირებს შეკრების პროცესს. ამის შემდეგ თქვენ შეგიძლიათ გაუშვათ PCB გამობრუნების ღუმელში ან ტალღის შესადუღებელი აპარატის საშუალებით, თუ თქვენ ასევე გაქვთ ხვრელის კომპონენტები.

მცირდება მცირე SMD– ების კომპონენტების რაოდენობა, რაც იწვევს მნიშვნელოვნად დაბალ წინაღობას, ინდუქციურობას და EMI, რაც ძალიან კარგია, განსაკუთრებით RF და მაღალი სიხშირის დიზაინებისთვის.

ზედაპირზე დამონტაჟების მარშრუტი ასევე აუმჯობესებს მექანიკურ მუშაობას და სიმტკიცეს, რაც მნიშვნელოვანია ვიბრაციისა და მექანიკური სტრესის შესამოწმებლად.

ნაბიჯი 2: შეარჩიეთ თქვენი მიკროკონტროლერი

ყველა მიკროკონტროლის განვითარების დაფის გულში, არდუინოს და მისი წარმოებულების მსგავსად, არის მიკროკონტროლი. Arduino Uno– ს შემთხვევაში, ეს არის ATmega 328P. ჩვენი dev board- ისთვის ჩვენ ვიყენებთ ESP8266- ს.

ეს არის ჭუჭყიანი იაფი, მუშაობს 80 MHz (და გადატვირთვადია 160 MHz) და აქვს ჩაშენებული WiFi ქვესისტემა. როდესაც გამოიყენება როგორც დამოუკიდებელი მიკროკონტროლერი, მას შეუძლია შეასრულოს გარკვეული ოპერაციები 170 ჯერ უფრო სწრაფად ვიდრე Arduino.

ნაბიჯი 3: შეარჩიეთ თქვენი USB სერიული გადამყვანი

მიკროკონტროლერს დასჭირდება რაიმე გზა თქვენს კომპიუტერთან, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ ჩატვირთოთ თქვენი პროგრამები მასზე. ეს ჩვეულებრივ ხდება გარე ჩიპით, რომელიც ზრუნავს თქვენს კომპიუტერში USB პორტის მიერ გამოყენებულ დიფერენციალურ სიგნალებს შორის და ერთჯერადი დასრულებული სიგნალიზაციას, რომელიც ხელმისაწვდომია უმეტეს მიკროკონტროლერებზე მათი სერიული საკომუნიკაციო პერიფერიებით, როგორიცაა UART.

ჩვენს შემთხვევაში, ჩვენ გამოვიყენებთ FT230X– ს, FTDI– დან. USB დან სერიული ჩიპები FTDI– დან, როგორც წესი, კარგად არის მხარდაჭერილი უმეტეს ოპერაციულ სისტემაში, ამიტომ ის უსაფრთხო ფსონია შემუშავებული დაფისთვის. პოპულარული ალტერნატივები (იაფი ვარიანტები) მოიცავს CP2102 SiLabs– დან და CH340G– დან.

ნაბიჯი 4: აირჩიეთ თქვენი მარეგულირებელი

დაფას დასჭირდება ენერგიის მოპოვება სადმე - და უმეტეს შემთხვევაში თქვენ ნახავთ ამ ენერგიას, რომელიც უზრუნველყოფილია ხაზოვანი მარეგულირებელი IC- ის საშუალებით. ხაზოვანი რეგულატორები არის იაფი, მარტივი და მიუხედავად იმისა, რომ არ არის ისეთი ეფექტური, როგორც გადართული რეჟიმი, ის შესთავაზებს სუფთა ენერგიას (ნაკლები ხმაური) და მარტივ ინტეგრაციას.

AMS1117 ყველაზე პოპულარული ხაზოვანი მარეგულირებელი, რომელიც გამოიყენება უმეტეს dev დაფებში და საკმაოდ ღირსეული არჩევანია ჩვენი dev დაფისთვისაც.

ნაბიჯი 5: აირჩიეთ თქვენი სიმძლავრის ან ჩართვის სქემა

თუ თქვენ აპირებთ მომხმარებელს მიეწოდოს devboard დაფა USB- ის საშუალებით და ასევე შესთავაზოს ძაბვის შეყვანა დაფის ერთ -ერთი ქინძისთავით, თქვენ დაგჭირდებათ გზა აირჩიოთ ორ კონკურენტ ძაბვას შორის. ეს ყველაზე მარტივად მიიღწევა დიოდების გამოყენებით, რომლებიც მუშაობენ იმის საშუალებას, რომ მხოლოდ უფრო მაღალი ძაბვა გაიაროს და ჩართოს დანარჩენი წრე.

ჩვენს შემთხვევაში, ჩვენ გვაქვს ორმაგი შოტკის ბარიერი, რომელიც მოიცავს ორ შოთკის დიოდს ერთ პაკეტზე სწორედ ამ მიზნით.

ნაბიჯი 6: შეარჩიეთ თქვენი პერიფერიული ჩიპები (ასეთის არსებობის შემთხვევაში)

თქვენ შეგიძლიათ დაამატოთ ჩიპები თქვენს მიერ არჩეულ მიკროკონტროლერთან, რათა გაზარდოთ გამოყენებადობა ან ფუნქციონირება, რომელსაც თქვენი გამგეობა სთავაზობს მომხმარებლებს.

ჩვენს შემთხვევაში, ESP8266– ს აქვს მხოლოდ ერთი ანალოგური შესასვლელი არხი და ძალიან ცოტა გამოსაყენებელი GPIO.

ამის გადასაჭრელად, ჩვენ დავამატებთ გარე ანალოგს ციფრული გადამყვანის IC- ში და GPIO Expander IC- ს.

ADC– ის არჩევა, როგორც წესი, კომპრომისია კონვერტაციის კურსსა და სიჩქარესა და გარჩევადობას შორის. უმაღლესი რეზოლუციები სულაც არ არის უკეთესი, რადგან ჩიპებს, რომლებიც უფრო მაღალი გარჩევადობით გამოირჩევიან, რადგან ისინი იყენებენ შერჩევის სხვადასხვა ტექნიკას, ხშირად ექნებათ ნიმუშის ძალიან ნელი მაჩვენებელი. ტიპიური SAR ADC– ს აქვს ასობით ათასი ნიმუშის აღემატება წამში, მაშინ როდესაც უფრო მაღალი გარჩევადობის დელტა სიგმა ADC– ებს, როგორც წესი, მხოლოდ ერთი წამში აქვთ საკმარისი რაოდენობის ნიმუშები, მსოფლიოს დაშორებით სწრაფი SAR ADC– დან და ელვისებურად სწრაფი მილსადენებით ADC– ებისგან.

MCP3208 არის 12 ბიტიანი ADC, 8 ანალოგური არხით. მას შეუძლია იმუშაოს სადმე 2.7V-5.5V შორის და აქვს მაქსიმალური შერჩევის მაჩვენებელი 100 კმ / წმ.

MCP23S17- ის, პოპულარული GPIO გაფართოების დამატებით, 16 GPIO ქინძისთავი ხელმისაწვდომი გახდება გამოსაყენებლად.

ნაბიჯი 7: სქემის დიზაინი

ელექტროენერგიის მიწოდების სქემა იყენებს ორ შოთკის დიოდს, რათა უზრუნველყოს ენერგიის შეყვანის მარტივი OR-ing ფუნქცია. ეს ადგენს ბრძოლას 5V- ს შორის, რომელიც მოდის USB პორტიდან და რაც გსურთ, რომ მიაწოდოთ VIN pin- ს - ელექტრონული ბრძოლის გამარჯვებული გამოდის თავზე და აძლევს ძალას AMS1117 მარეგულირებელს. თავმდაბალი SMD LED ემსახურება როგორც მაჩვენებელს იმისა, რომ ძალა ფაქტობრივად გადაეცემა დანარჩენ დაფაზე.

USB ინტერფეისის წრე აღჭურვილია ფერიტის მძივით, რათა თავიდან აიცილოს მაწანწალა EMI და ხმაურიანი სიგნალები მომხმარებლის კომპიუტერისკენ. სერიის რეზისტორები მონაცემთა ხაზებზე (D+ და D-) უზრუნველყოფენ ზღვარის სიხშირის ძირითად კონტროლს.

ESP8266 იყენებს GPIO 0, GPIO 2 და GPIO 15 როგორც სპეციალური შეყვანის ქინძისთავები, კითხულობს მათ მდგომარეობას ჩატვირთვისას, რათა დადგინდეს დაიწყება თუ არა პროგრამირების რეჟიმში, რაც საშუალებას გაძლევთ სერიულად დაუკავშირდეთ ჩიპის ან ფლეშ ჩატვირთვის რეჟიმს, რომელიც იწყებს თქვენს პროგრამას რა ჩატვირთვის პროცესში GPIO 2 და GPIO 15 უნდა დარჩეს ლოგიკურად მაღალ და დაბალ ლოგიკაში, შესაბამისად. თუ GPIO 0 დაბალია ჩატვირთვისას, ESP8266 უარს ამბობს კონტროლზე და გაძლევთ საშუალებას შეინახოთ თქვენი პროგრამა ფლეშ მეხსიერებაში, რომელიც დაკავშირებულია მოდულის შიგნით. თუ GPIO 0 მაღალია, ESP8266 იწყებს ფლეშში შენახულ ბოლო პროგრამას და თქვენ მზად ხართ გააფართოვოთ.

ამ მიზნით ჩვენი devboard უზრუნველყოფს ჩატვირთვისა და გადატვირთვის გადამრთველებს, რაც მომხმარებლებს აძლევს საშუალებას შეცვალონ GPIO 0 მდგომარეობა და გადატვირთონ მოწყობილობა, ჩიპი სასურველ პროგრამირების რეჟიმში რომ ჩააყენონ. გამწევ რეზისტორი უზრუნველყოფს, რომ მოწყობილობა ნორმალურად ჩაირთვება ჩატვირთვის რეჟიმში, იწყებს უახლესი შენახული პროგრამის დაწყებას.

ნაბიჯი 8: PCB დიზაინი და განლაგება

PCB განლაგება უფრო კრიტიკული ხდება მაღალი სიჩქარის ან ანალოგური სიგნალების ჩართვის შემდეგ. ანალოგური ICs განსაკუთრებით მგრძნობიარეა მიწის ხმაურის საკითხებზე. სახმელეთო თვითმფრინავებს აქვთ შესაძლებლობა უზრუნველყონ უფრო სტაბილური მითითება ინტერესის სიგნალებზე, შეამცირონ ხმაური და ჩარევა, რაც ჩვეულებრივ გამოწვეულია მიწის მარყუჟებით.

ანალოგური კვალი უნდა იყოს დაცული მაღალი სიჩქარის ციფრული კვალისგან, როგორიცაა დიფერენციალური მონაცემთა ხაზები, რომლებიც USB სტანდარტის ნაწილია. დიფერენციალური მონაცემების სიგნალის კვალი უნდა გაკეთდეს რაც შეიძლება მოკლედ და უნდა შეესაბამებოდეს კვალის სიგრძეს. მოერიდეთ შემობრუნებებს და ვიზებს, რათა შემცირდეს ასახვა და წინაღობის ვარიაციები.

ვარსკვლავის კონფიგურაციის გამოყენება მოწყობილობებისთვის ენერგიის მიწოდებისთვის (თუ ვარაუდობთ, რომ თქვენ უკვე არ იყენებთ დენის თვითმფრინავს) ასევე ხელს უწყობს ხმაურის შემცირებას მიმდინარე დაბრუნების ბილიკების აღმოფხვრის გზით.

ნაბიჯი 9: PCB Stack-Up

ჩვენი devboard აგებულია 4 ფენის PCB დასტაზე, გამოყოფილი სიმძლავრის თვითმფრინავით და სახმელეთო თვითმფრინავით.

თქვენი "დალაგება" არის თქვენი PCB ფენების რიგი. ფენების მოწყობა გავლენას ახდენს თქვენი დიზაინის EMI შესაბამისობაზე, ასევე თქვენი წრის სიგნალის მთლიანობაზე.

ფაქტორები, რომლებიც გასათვალისწინებელია თქვენს PCB– ის შედგენაში, მოიცავს:

1. ფენების რაოდენობა
2. ფენების რიგი
3. მანძილი ფენებს შორის
4. თითოეული ფენის დანიშნულება (სიგნალი, თვითმფრინავი და ა.
5. ფენის სისქე
6. ღირებულება

თითოეულ შეკრებას აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. 4 ფენის დაფა გამოიმუშავებს დაახლოებით 15 დბ ნაკლებ რადიაციას, ვიდრე 2 ფენის დიზაინი. მრავალსაფეხურიანი დაფები უფრო სავარაუდოა, რომ გააჩნდეს მთლიანი მიწის სიბრტყე, მცირდება გრუნტის წინაღობა და საცნობარო ხმაური.

ნაბიჯი 10: მეტი მოსაზრება PCB ფენებისა და სიგნალის მთლიანობის შესახებ

სიგნალის ფენები იდეალურად უნდა იყოს დენის ან მიწის სიბრტყის გვერდით, მინიმალური მანძილი სიგნალის ფენასა და მათ შესაბამის ახლო სიბრტყეს შორის. ეს ოპტიმიზირებს სიგნალის დაბრუნების გზას, რომელიც გადის საცნობარო სიბრტყეზე.

დენის და სახმელეთო თვითმფრინავები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფენებს შორის დაცვის მიზნით, ან შიდა ფენების ფარის სახით.

სიმძლავრის და სახმელეთო სიბრტყე, ერთმანეთის გვერდით მოთავსებისას, გამოიწვევს თვითმფრინავების ტევადობას, რომელიც, როგორც წესი, თქვენს სასარგებლოდ მუშაობს. ეს ტევადობა განისაზღვრება თქვენი PCB- ის ფართობით, ისევე როგორც მისი დიელექტრიკული მუდმივი და უკუპროპორციულია თვითმფრინავებს შორის მანძილის. ეს ტევადობა კარგად ემსახურება IC- ებს, რომლებიც აღჭურვილია არასტაბილური მიწოდების მიმდინარე მოთხოვნებით.

სწრაფი სიგნალები იდეალურად ინახება მრავალ ფენის PCB- ის შიდა ფენებში, რათა შეიცავდეს კვალი წარმოქმნილ EMI- ს.

რაც უფრო მაღალია სიხშირეები დაფაზე, მით უფრო მკაცრად უნდა იქნას დაცული ეს იდეალური მოთხოვნები. დაბალი სიჩქარის დიზაინები, სავარაუდოდ, გაქრება ნაკლები ფენებით, ან თუნდაც ერთი ფენით, ხოლო მაღალი სიჩქარით და RF დიზაინით მოითხოვს PCB- ის უფრო რთულ დიზაინს უფრო სტრატეგიული PCB- ის დაგროვებით.

მაღალსიჩქარიანი დიზაინი, მაგალითად, უფრო მგრძნობიარეა კანის ეფექტზე-ეს არის დაკვირვება, რომ მაღალი სიხშირის დროს, დინების გამტარი არ აღწევს გამტარის მთელ სხეულში, რაც თავის მხრივ ნიშნავს იმას, რომ მცირდება ზღვრული სარგებლიანობა. სპილენძის სისქე გარკვეული სიხშირით, ვინაიდან გამტარის დამატებითი მოცულობა მაინც არ იქნება გამოყენებული. დაახლოებით 100 MHz, კანის სიღრმე (დენის სისქე, რომელიც რეალურად გადის გამტარში) არის დაახლოებით 7um, რაც ნიშნავს სტანდარტულ 1oz- ს. სიგნალის სქელი ფენები სათანადოდ არ გამოიყენება.

ნაბიჯი 11: გვერდითი შენიშვნა ვიასის შესახებ

ვიასები ქმნიან კავშირებს მრავალფენიანი PCB- ის სხვადასხვა ფენებს შორის.

გამოყენებული ვიზების ტიპები გავლენას მოახდენს PCB წარმოების ღირებულებაზე. ბრმა/დამსხვრეული ვიზების დამზადება უფრო ძვირი ჯდება, ვიდრე ხვრელების მეშვეობით. გამჭოლი ხვრელი მთლიანი PCB- ის მეშვეობით, რომელიც მთავრდება ყველაზე დაბალ ფენაში. დაფარული ვიზები იმალება შიგნით და მხოლოდ შიდა ფენებს უკავშირდება, ხოლო ბრმა ვიზები იწყება PCB– ის ერთ მხარეს, მაგრამ მთავრდება მეორე მხარეს ადრე. მეშვეობით ხვრელი vias არის ყველაზე იაფი და მარტივი წარმოება, ასე რომ, თუ ოპტიმიზირებულია ხარჯების გამოყენების მეშვეობით ხვრელი vias.

ნაბიჯი 12: PCB დამზადება და შეკრება

ახლა, როდესაც დაფა შემუშავებულია, თქვენ გინდათ გამოუშვათ დიზაინი გერბერის სახით თქვენი არჩეული EDA ინსტრუმენტიდან და გაგზავნოთ გამგეობის სახლში გამოსაყენებლად.

მე მქონდა ჩემი დაფები დამზადებული ALLPCB– ს მიერ, მაგრამ თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ნებისმიერი სამაგიდო მაღაზია ფაბრიკაციისთვის. მე მკაცრად გირჩევთ PCB Shopper– ის გამოყენებას ფასების შესადარებლად, როდესაც გადაწყვეტთ რომელი დაფის სახლი შეარჩიოთ წარმოებისთვის - ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ შეადაროთ ფასები და შესაძლებლობები.

ზოგიერთი გამგეობის სახლი ასევე გთავაზობთ PCB ასამბლეას, რომელიც თქვენ ალბათ დაგჭირდებათ, თუ გსურთ ამ დიზაინის განხორციელება, რადგან ის ძირითადად იყენებს SMD და QFN ნაწილებსაც კი.

ნაბიჯი 13: ეს ყველაფერია

ამ განვითარების დაფას ეწოდება "Clouduino Stratus", ESP8266 დაფუძნებული dev დაფა, რომელიც მე შემუშავდა აპარატურის/IOT გაშვების პროტოტიპირების პროცესის დასაჩქარებლად.

ეს ჯერ კიდევ დიზაინის ადრეული გამეორებაა, მალე ახალი გადასინჯვები მოვა.

ვიმედოვნებ, რომ თქვენ ბევრი რამ ისწავლეთ ამ სახელმძღვანელოდან!: D

ნაბიჯი 14: ბონუსი: კომპონენტები, გერბერები, დიზაინის ფაილები და მადლობები

[მიკროკონტროლი]

1x ESP12F

[პერიფერიული მოწყობილობები]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[კონექტორები და ინტერფეისი]

1 x FT231XQ USB სერიული (QFN)

1 x USB-B მინი კონექტორი

2 x 16 პინიანი ქალი/მამაკაცი სათაურები

[სიმძლავრე] 1 x AMS1117-3.3 მარეგულირებელი (SOT-223-3)

[სხვა]

1 x ECQ10A04-F ორმაგი შოთკის ბარიერი (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 რეზისტორები

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 რეზისტორები

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 რეზისტორები

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 რეზისტორები

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 კონდენსატორი

2 x 10uF 50V SMD 0603 კონდენსატორი

1 x 1uF 50V SMD 0603 კონდენსატორი

2 x 47pF 50V SMD 0603 კონდენსატორი

1 x SMD LED 0603 მწვანე

1 x SMD LED 0603 ყვითელი

1 x SMD LED 0603 ლურჯი

2 x OMRON BF-3 1000 THT ტაქტიკური გადამრთველი

1 x ფერიტის მძივი 600/100mhz SMD 0603

[მადლიერება] ADC გრაფიკები TI აპლიკაციის ჩანაწერების წყალობით

MCU ნიშნული:

PCB ილუსტრაციები: საბოლოო ხაზი