Mikrokontrollerni rivojlantirish kengashini loyihalash: 14 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:26

Siz ishlab chiqaruvchi, sevimli mashg'ulotchi yoki xaker bo'lasizmi, taxtali uylar va SMD qadoqlari tomonidan ishlab chiqarilgan ko'p qatlamli PCBlarga, DIP IC va uy qurilishi PCB loyihalaridan, ommaviy ishlab chiqarishga tayyor bo'lishni xohlaysizmi? Keyin bu ko'rsatma siz uchun!

Ushbu qo'llanmada misol sifatida mikrokontrolder dev platasidan foydalangan holda ko'p qatlamli tenglikni loyihalashtirish haqida batafsil ma'lumot berilgan.

Men ushbu dev -plataning sxemalari va tenglikni sxemasini yaratish uchun bepul va ochiq manbali EDA vositasi bo'lgan KiCAD 5.0 dan foydalandim.

Agar siz KiCAD yoki PCB sxemasi uchun ish jarayonini yaxshi bilmasangiz, Kris Gamellning YouTube -dagi darsliklari boshlash uchun juda yaxshi joy.

EDIT: Ba'zi fotosuratlar juda kattalashadi, to'liq rasmni ko'rish uchun rasmni bosing:)

1 -qadam: Komponentli qadoqlash haqida o'ylang

Yuzaki o'rnatish moslamalari (SMD) yig'ish jarayonini avtomatlashtiradigan yig'ish -yig'ish mashinasi yordamida PCBga joylashtirilishi mumkin. Agar sizda teshikli komponentlar bo'lsa, siz tenglikni qayta ishlaydigan pech yoki to'lqinli lehim mashinasi orqali ishlatishingiz mumkin.

Kichikroq SMD uchun komponentli simlar ham kamayadi, buning natijasida empedans, indüktans va EMI ancha past bo'ladi, bu juda yaxshi, ayniqsa RF va yuqori chastotali dizaynlar uchun.

Yuzaki o'rnatish yo'lidan o'tish, shuningdek, tebranish va mexanik stressni sinash uchun muhim bo'lgan mexanik ishlash va mustahkamlikni yaxshilaydi.

2 -qadam: Mikrokontrollerni tanlang

Arduino va uning hosilalari kabi har bir mikrokontrollerni ishlab chiqish kengashining markazida mikrokontroller yotadi. Arduino Uno -ga kelsak, bu ATmega 328P. Dastur taxtasi uchun biz ESP8266 -dan foydalanamiz.

Bu juda arzon, 80 MGts chastotada ishlaydi (va 160 MGts gacha overclock qilish mumkin) va o'rnatilgan WiFi quyi tizimiga ega. Mustaqil mikrokontroller sifatida ishlatilganda, u ba'zi operatsiyalarni Arduino -ga qaraganda 170x tez bajarishi mumkin.

3 -qadam: USB -ni ketma -ket konvertorni tanlang

Mikrokontroller sizning kompyuteringiz bilan qandaydir interfeysga ega bo'lishi kerak, shuning uchun siz unga dasturlarni yuklashingiz mumkin. Bu odatda tashqi chip yordamida amalga oshiriladi, u kompyuterning USB portida ishlatiladigan differentsial signallar va UART kabi ketma -ket aloqa qurilmalari orqali ko'pchilik mikrokontrolderlarda mavjud bo'lgan bitta tugatilgan signal o'rtasida o'tkaziladi.

Bizning holatda, biz FTDI dan FT230X dan foydalanamiz. FTDI -ning USB -dan ketma -ket chiplari ko'pchilik operatsion tizimlarda yaxshi qo'llab -quvvatlanadi, shuning uchun bu kengash uchun xavfsiz bahodir. Ommabop variantlar (arzonroq variantlar) orasida SiLabsdan CP2102 va CH340G kiradi.

4 -qadam: Regulyatorni tanlang

Kengash biror joydan quvvat olishi kerak bo'ladi - va ko'p hollarda siz bu quvvatni chiziqli IC regulyatori orqali topasiz. Chiziqli regulyatorlar arzon, sodda va almashtirilgan rejim sxemasi kabi unchalik samarali bo'lmasa -da, toza quvvat (kamroq shovqin) va oson integratsiyani ta'minlaydi.

AMS1117 eng ko'p ishlab chiqaruvchi taxtalarda ishlatiladigan eng mashhur chiziqli regulyator va bizning ishlab chiqarish kartamiz uchun ham munosib tanlovdir.

5-qadam: O'zingizning kuch-quvvat sxemangizni tanlang

Agar siz foydalanuvchiga asboblar panelini USB orqali quvvatlantirishga ruxsat bersangiz, shuningdek, bortdagi pimlardan biri orqali kuchlanish kiritishni taklif qilsangiz, sizga ikkita raqobatchi kuchlanishdan birini tanlash kerak bo'ladi. Bu faqat yuqori kirish voltajining o'tishi va kontaktlarning qolgan qismini quvvatlantirish uchun ishlaydigan diodlar yordamida amalga oshiriladi.

Bizning holatda, bizda ikkita schottki to'siq bor, u shu maqsadda bitta paketga ikkita schottky diodini o'z ichiga oladi.

6 -qadam: Periferik chiplarni tanlang (agar mavjud bo'lsa)

Siz tanlagan mikrokontrolder bilan interfeysga chip qo'shishingiz mumkin, bu sizning boshqaruv kengashingiz o'z foydalanuvchilariga taqdim etadigan qulaylik yoki funksionallikni oshiradi.

Bizning holatda, ESP8266 faqat bitta analog kirish kanaliga ega va juda kam ishlatiladigan GPIO.

Buni hal qilish uchun biz raqamli konvertor IC ga tashqi analog va GPIO Expander IC ni qo'shamiz.

ADCni tanlash odatda konvertatsiya tezligi yoki tezligi va piksellar sonini almashtirishdir. Yuqori piksellar sonini har doim ham yaxshiroq deb bo'lmaydi, chunki turli xil tanlash usullaridan foydalanganligi uchun yuqori aniqlikdagi chiplar odatda juda sekin namuna olish tezligiga ega bo'ladi. Odatiy SAR ADC-lari namuna olish tezligi sekundiga yuz minglab namunalardan oshadi, shu bilan birga yuqori aniqlikdagi Delta Sigma ADC-lari, odatda, SAR ADC-lari va chaqmoqli tez o'tkazgichli ADC-lardan uzoqda, bir soniyada bir nechta namunalarni olish imkoniyatiga ega.

MCP3208-12 bitli ADC, 8 ta analog kanalli. U har qanday joyda 2,7V-5,5V oralig'ida ishlashi mumkin va maksimal namuna olish tezligi 100 kbit / s.

Ommabop GPIO kengaytirgichi MCP23S17 qo'shilishi natijasida 16 ta GPIO pinlari foydalanish uchun tayyor bo'ladi.

7 -qadam: O'chirish dizayni

Quvvatni uzatish sxemasi ikkita schottky diodidan foydalanadi, bu quvvatni kiritish uchun oddiy OR-ing funktsiyasini ta'minlaydi. Bu USB portidan keladigan 5V va VIN piniga nima bermoqchi bo'lsangiz, elektron jang g'olibi yuqoriga chiqadi va AMS1117 regulyatorini quvvat bilan ta'minlaydi. Kamtarona SMD svetodiod, aslida, kartaning qolgan qismiga quvvat etkazib berishining ko'rsatkichi bo'lib xizmat qiladi.

USB interfeysi sxemasida EMI yo'qolishi va shovqinli soat signallari foydalanuvchining kompyuteriga o'tishini oldini olish uchun ferritli boncuk mavjud. Ma'lumot uzatish liniyalaridagi ketma-ket rezistorlar (D+ va D-) asosiy tezlikni boshqarishni ta'minlaydi.

ESP8266 GPIO 0, GPIO 2 va GPIO 15-ni maxsus kirish pinlari sifatida ishlatadi, dasturlash rejimida ishga tushish-bo'lmasligini aniqlash uchun yuklash holatini o'qiydi, bu sizga dasturni ishga tushiradigan chip yoki flesh yuklash rejimini dasturlash uchun ketma-ket muloqot qilish imkonini beradi.. GPIO 2 va GPIO 15 yuklash jarayonida mos ravishda yuqori mantiqda va past mantiqda qolishi kerak. Agar yuklash paytida GPIO 0 past bo'lsa, ESP8266 boshqaruvdan voz kechadi va dasturni modul ichidagi flesh xotirada saqlashga imkon beradi. Agar GPIO 0 baland bo'lsa, ESP8266 fleshda saqlangan oxirgi dasturni ishga tushiradi va siz aylanishga tayyorsiz.

Shu maqsadda, bizning boshqaruv kengashi yuklash va qayta tiklash kalitlarini taqdim etadi, bu foydalanuvchilarga GPIO 0 holatini o'zgartirishga va qurilmani qayta o'rnatishga, chipni kerakli dasturlash rejimiga o'tkazishga imkon beradi. Olib tashlash qarshiligi qurilmaning odatdagi yuklash rejimiga o'tishini ta'minlaydi va oxirgi saqlangan dasturni ishga tushiradi.

8 -qadam: PCB dizayni va tartibi

PCB sxemasi yuqori tezlik yoki analog signallar ishtirok etgandan keyin muhimroq bo'ladi. Ayniqsa, analog IClar er osti shovqinlari muammosiga sezgir. Er usti samolyotlari qiziqish signallari uchun barqarorroq ma'lumot berish imkoniyatiga ega bo'lib, shovqin va shovqinni kamaytiradi.

Analog izlar yuqori tezlikdagi raqamli izlardan, masalan, USB standartiga kiruvchi differentsial ma'lumotlar liniyalaridan saqlanishi kerak. Differentsial ma'lumot uzatish izlari iloji boricha qisqa bo'lishi va iz uzunligi mos bo'lishi kerak. Ko'zgularni va impedans o'zgarishini kamaytirish uchun burilish va burilishlardan saqlaning.

Qurilmalarni quvvat bilan ta'minlash uchun yulduz konfiguratsiyasidan foydalanish (agar siz hali ham elektr samolyotidan foydalanmayotgan bo'lsangiz), hozirgi qaytish yo'llarini yo'q qilish orqali shovqinni kamaytirishga yordam beradi.

9-qadam: tenglikni yig'ish

Bizning ishlab chiqarish kartamiz 4 qatlamli PCB stakasida qurilgan, maxsus quvvat tekisligi va er tekisligi bilan.

Sizning "yig'ilish"-bu sizning tenglikni qatlamlarining tartibi. Qatlamlarning joylashuvi sizning dizayningizning EMI muvofiqligiga, shuningdek, kontaktlarning zanglashiga ta'sir qiladi.

Sizning tenglikni yig'ishda hisobga olinadigan omillar quyidagilarni o'z ichiga oladi.

1. Qatlamlar soni
2. Qatlamlar tartibi
3. Qatlamlar orasidagi bo'shliq
4. Har bir qatlamning maqsadi (signal, tekislik va boshqalar)
5. Qatlam qalinligi
6. Narx

Har bir to'plamning o'ziga xos afzalliklari va kamchiliklari bor. 4 qatlamli taxta 2 qatlamli dizaynga qaraganda taxminan 15 dB kamroq radiatsiya chiqaradi. Ko'p qavatli taxtalarda, er empedansi va mos yozuvlar shovqini kamayib, to'liq er tekisligi bo'lishi ehtimoli ko'proq.

10 -qadam: PCB qatlamlari va signallarning yaxlitligi haqida ko'proq fikr

Signal qatlamlari, ideal holda, quvvat qatlami yoki er tekisligining yonida bo'lishi kerak, signal qatlami va ularga yaqin bo'lgan tekislik o'rtasida minimal masofa bo'lishi kerak. Bu mos yozuvlar tekisligidan o'tadigan signal qaytish yo'lini optimallashtiradi.

Quvvat va er tekisliklari qatlamlar orasidagi ekranlashni ta'minlash uchun yoki ichki qatlamlar uchun qalqon sifatida ishlatilishi mumkin.

Quvvat va er tekisligi, bir -birining yoniga qo'yilganda, odatda sizning foydangizga ishlaydigan samolyotlar orasidagi sig'imga olib keladi. Bu sig'im sizning tenglikni maydoni, shuningdek uning dielektrik doimiyligi bilan o'lchanadi va tekisliklar orasidagi masofaga teskari proportsionaldir. Bu sig'im o'zgaruvchan ta'minot talablariga ega bo'lgan IClarga xizmat ko'rsatish uchun yaxshi ishlaydi.

Izlar hosil qilgan EMIni o'z ichiga oluvchi tez signallar ko'p qatlamli PCBlarning ichki qatlamlarida saqlanadi.

Taxtada ko'rib chiqiladigan chastotalar qanchalik baland bo'lsa, ushbu ideal talablarga qat'iy rioya qilish kerak. Past tezlikli konstruktsiyalar kamroq qatlamli yoki hatto bitta qatlamli bo'lib ketadi, yuqori tezlik va chastotali chastotali dizayn esa tenglikni yanada strategik yig'ish bilan yanada murakkab dizaynni talab qiladi.

Masalan, yuqori tezlikdagi dizaynlar terining ta'siriga ko'proq moyil bo'ladi-bu yuqori chastotalarda tok o'tkazgichning butun tanasi orqali o'tmasligini kuzatish, bu esa o'z navbatida ortib borayotgan chegaraviy foyda kamayishini bildiradi. Misning qalinligi ma'lum chastotada, chunki o'tkazgichning qo'shimcha hajmi ishlatilmaydi. Taxminan 100 MGts da terining chuqurligi (o'tkazgich orqali o'tadigan oqimning qalinligi) taxminan 7umni tashkil etadi, bu hatto standart 1oz. qalin signal qatlamlari kam ishlatiladi.

11 -qadam: Vias haqida yon eslatma

Vias ko'p qatlamli tenglikni turli qatlamlari o'rtasida aloqa o'rnatadi.

Amaldagi viyas turlari PCB ishlab chiqarish narxiga ta'sir qiladi. Ko'zi ojiz/ko'milgan viyalarni ishlab chiqarish uchun tuynuklar orqali ishlab chiqarish qimmatroq. Butun tenglikni teshib o'tuvchi teshik, eng past qatlamda tugaydi. Ko'milgan viyolar ichkarida yashiringan va faqat ichki qatlamlarni bir -biriga bog'lab turadi, ko'r -ko'rona viyolalar esa tenglikni bir tomonidan boshlanadi, lekin boshqa tomondan tugaydi. Teshikli viyalarni ishlab chiqarish eng arzon va osondir, shuning uchun agar tuynuklar orqali xarajatlarni tejash optimallashtirilsa.

12 -qadam: PCB ishlab chiqarish va yig'ish

Kengash ishlab chiqilganidan so'ng, siz dizaynni o'zingiz tanlagan EDA vositasidan Gerber fayllari sifatida chiqarishni xohlaysiz va ularni taxta uyiga ishlab chiqarish uchun yuborasiz.

Mening taxtalarimni ALLPCB ishlab chiqargan edi, lekin siz har qanday taxta do'konidan ishlab chiqarish uchun foydalanishingiz mumkin. Men ishlab chiqarish uchun qaysi taxta uyini tanlashni tanlashda narxlarni solishtirish uchun PCB Shopper -dan foydalanishni tavsiya qilaman - shuning uchun siz narx va imkoniyatlar jihatidan solishtirishingiz mumkin.

Ba'zi taxta uylar PCB yig'ilishini taklif qiladi, agar siz ushbu dizaynni amalga oshirmoqchi bo'lsangiz, sizga kerak bo'ladi, chunki u asosan SMD va hatto QFN qismlarini ishlatadi.

13 -qadam: Hamma odamlar

Ushbu ishlab chiqarish kartasi "Clouduino Stratus" deb nomlanadi, bu ESP8266 asosidagi ishlab chiqaruvchi paneli, men apparat/IOTni ishga tushirish prototipini tezlashtirish uchun mo'ljallangan.

Bu hali dizaynning erta iteratsiyasi, yaqinda yangi tuzatishlar keladi.

Umid qilamanki, siz ushbu qo'llanmadan ko'p narsalarni o'rgandingiz!: D

14 -qadam: Bonus: Komponentlar, Gerbers, Dizayn fayllari va E'tibor

[Mikrokontroller]

1x ESP12F

[Qo'shimcha qurilmalar]

1 x MCP23S17 GPIO kengaytirgichi (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Ulagichlar va interfeyslar]

1 x FT231XQ USB ketma -ket (QFN)

1 x USB-B mini ulagichi

2 x 16-pinli ayol/erkak sarlavhalari

[Quvvat] 1 x AMS1117-3.3 regulyatori (SOT-223-3)

[Boshqalar]

1 x ECQ10A04-F Dual Schottky to'sig'i (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 rezistorlar

2 x 27 ohmli 1% SMD 0603 rezistorlar

3 x 270 ohmli 1% SMD 0603 rezistorlar

2 x 470 ohmli 1% SMD 0603 rezistorlar

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 kondansatörü

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondansatörü

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondansatörü

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondansatkichi

1 x SMD LED 0603 yashil

1 x SMD LED 0603 sariq

1 x SMD LED 0603 ko'k

2 x OMRON BF-3 1000 THT taktli kalit

1 x Ferrit Bead 600/100 MGts SMD 0603

[Tashakkur] ADC grafiklari TI App Notes tomonidan berilgan

MCU ko'rsatkichlari:

PCB rasmlari: Fineline