Микроконтроллерді дамыту тақтасын құру: 14 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Сіз өндіруші, әуесқой немесе хакер боласыз ба? Жобаларынан, DIP IC -ден және үйден жасалған ПХД -ден тақтайлы үйлер мен SMD қаптамасынан дайындалған көп қабатты ПХД -ге дейін көтерілуге мүдделі ме? Сонда бұл нұсқаулық сізге арналған!

Бұл нұсқаулықта микроконтроллердің тақтасын мысалға ала отырып, көп қабатты ПХД жобалауды қалай жүргізу керектігі туралы егжей -тегжейлі айтылады.

Мен осы dev тақтасының схемасы мен ПХД макетін жасау үшін EDA ақысыз және ашық көзі болып табылатын KiCAD 5.0 қолдандым.

Егер сіз KiCAD -пен немесе ПХД орналасуының жұмыс үрдісімен таныс болмасаңыз, Крис Гэмеллдің YouTube -тегі оқулықтары - бастау үшін өте жақсы орын.

Өңдеу: Кейбір фотосуреттер тым үлкен масштабта, суретті толық көру үшін суретті нұқыңыз:)

1 -қадам: Компоненттерді қаптау туралы ойланыңыз

Жер үсті қондырғылары (SMDs) жинау процесін автоматтандыратын ПХД -да жинау және орналастыру машинасымен орналастырылуы мүмкін. Егер сізде тесік компоненттері болса, сіз ПХД -ны қайта ағызатын пеш немесе толқынды дәнекерлеу машинасы арқылы іске қоса аласыз.

Кіші SMD үшін компоненттік сымдар да азаяды, бұл импеданс, индуктивтілік және EMI айтарлықтай төмендейді, бұл өте жақсы нәрсе, әсіресе РЖ мен жоғары жиілікті конструкциялар үшін.

Жер бетіне бекіту маршрутымен жүру механикалық өнімділік пен беріктікті жақсартады, бұл діріл мен механикалық кернеуді тексеру үшін маңызды.

2 -қадам: Микроконтроллерді таңдаңыз

Ардуино мен оның туындылары сияқты әрбір микроконтроллердің даму тақтасының негізінде микроконтроллер жатыр. Arduino Uno жағдайында бұл ATmega 328P. Біздің даму тақтасы үшін біз ESP8266 қолданамыз.

Бұл өте арзан, 80 МГц жиілігінде жұмыс істейді (және 160 МГц-ке дейін үдеткіште) және кіріктірілген WiFi қосалқы жүйесі бар. Дербес микроконтроллер ретінде қолданылғанда, ол белгілі бір операцияларды Arduino -ға қарағанда 170 есе жылдам орындай алады.

3 -қадам: USB -ді сериялық түрлендіргішті таңдаңыз

Микроконтроллерге сіздің компьютермен интерфейстің қандай да бір әдісі қажет болады, сондықтан сіз оған бағдарламаларды жүктей аласыз. Бұл әдетте компьютердегі USB порты қолданатын дифференциалды сигналдар мен UART сияқты сериялық байланыс перифериялық құрылғылары арқылы көптеген микроконтроллерлерде қол жетімді бірыңғай сигнал арасындағы аударуды қарастыратын сыртқы чиппен жүзеге асады.

Біздің жағдайда біз FTDI -ден FT230X қолданамыз. FTDI -ден USB -ге арналған сериялық чиптер көптеген операциялық жүйелерде жақсы қолдау көрсетеді, сондықтан бұл плата үшін қауіпсіз ставка. Танымал баламаларға (арзан нұсқалар) SiLabs және CH340G CP2102 кіреді.

4 -қадам: реттегішті таңдаңыз

Тақтаға бір жерден қуат алу қажет болады - және көп жағдайда сіз бұл қуатты IC желілік реттегіші арқылы аласыз. Сызықтық реттегіштер арзан, қарапайым және ауыспалы режим схемасы сияқты тиімді болмаса да, таза қуатты (шуды аз) және жеңіл интеграцияны ұсынады.

AMS1117 көптеген тақталарда қолданылатын ең танымал сызықтық реттегіш және біздің тақталар үшін өте жақсы таңдау.

5-қадам: қуат немесе жұмыс схемасын таңдаңыз

Егер сіз пайдаланушыға құрылғы тақтасын USB арқылы қосуға рұқсат берсеңіз, сонымен қатар тақтадағы түйреуіштердің бірі арқылы кернеуді енгізуді ұсынатын болсаңыз, сізге бәсекелес екі кернеудің арасында таңдау әдісі қажет болады. Бұл диодтарды қолдану арқылы жүзеге асады, олар тек жоғары кіріс кернеуін өткізіп, қалған тізбекті қуаттандырады.

Біздің жағдайда бізде қос шоттикалық тосқауыл бар, ол осы мақсат үшін бір пакетте екі шотки диодын қамтиды.

6 -қадам: перифериялық чиптерді таңдаңыз (бар болса)

Сіз таңдаған микроконтроллермен интерфейске чиптерді қосуға болады, бұл сіздің басқарушы тақтаңыз өз пайдаланушыларына ұсынатын ыңғайлылықты немесе функционалдылықты жақсарту үшін.

Біздің жағдайда, ESP8266 -де тек бір ғана аналогты кіріс арнасы бар және өте аз қолданылатын GPIO.

Мұны шешу үшін біз Digital Converter IC -ге сыртқы аналогты және GPIO Expander IC қосамыз.

ADC таңдау әдетте айырбастау жылдамдығы немесе жылдамдық пен ажыратымдылық арасындағы айырма болып табылады. Жоғары ажыратымдылықтар міндетті түрде жақсы емес, өйткені әр түрлі іріктеу әдістерін қолданатындықтан жоғары ажыратымдылықтағы чиптерде әдетте іріктеу жылдамдығы өте баяу болады. Әдеттегі SAR ADC-терінің іріктеу жылдамдығы секундына жүздеген мың үлгілерден асады, ал жоғары ажыратымдылықтағы Delta Sigma ADC әдетте SAR ADC-нің жылдамдығынан және найзағайдан тез өтетін ADC-ден алыс жерде секундына бірнеше үлгілерді алуға қабілетті.

MCP3208-12 биттік ADC, 8 аналогты арна бар. Ол 2.7V-5.5V арасындағы кез келген жерде жұмыс істей алады және іріктеудің максималды жылдамдығы 100ps / с.

Танымал GPIO кеңейткіші MCP23S17 -тің қосылуы нәтижесінде 16 GPIO түйреуіштері пайдалануға болады.

7 -қадам: схеманы жобалау

Қуат беру тізбегі екі кіру диодын қолданады, ол қуат енгізу үшін OR-ing қарапайым функциясын қамтамасыз етеді. Бұл USB портынан келетін 5В арасындағы шайқасты орнатады және VIN -пинге не бергіңіз келсе, электронды шайқастың жеңімпазы жоғары шығады және AMS1117 реттегішіне қуат береді. Қарапайым SMD жарық диоды тақтаның қалған бөлігіне қуат жеткізілетінін көрсетеді.

USB интерфейсінің тізбегінде EMI мен шулы сағат сигналдарының пайдаланушы компьютеріне таралуын болдыртпайтын феррит түйіршіктері бар. Деректер жолдарындағы сериялы резисторлар (D+ және D-) жиілік жиілігінің негізгі бақылауын қамтамасыз етеді.

ESP8266 GPIO 0, GPIO 2 және GPIO 15-ті арнайы кіріс түйреуіштері ретінде қолданады, олардың жүктелу күйін оқу режимінде бастау керектігін анықтау үшін оқиды, бұл сіздің бағдарламаңызды іске қосатын чип немесе флэш жүктеу режимін бағдарламалау үшін сериялық байланыс орнатуға мүмкіндік береді.. Жүктеу процесінде GPIO 2 және GPIO 15 сәйкесінше логикалық жоғары және логикалық төмен болуы керек. Егер жүктеу кезінде GPIO 0 төмен болса, ESP8266 басқарудан бас тартады және бағдарламаны модуль интерфейсі бар флэш -жадта сақтауға мүмкіндік береді. Егер GPIO 0 жоғары болса, ESP8266 флэште сақталған соңғы бағдарламаны іске қосады және сіз айналдыруға дайынсыз.

Бұл үшін біздің тақта жүктеу мен қалпына келтіру қосқыштарын ұсынады, бұл пайдаланушыларға чипті қажетті бағдарламалау режиміне қою үшін GPIO 0 күйін ауыстыруға және құрылғыны қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Тартылатын резистор құрылғы әдепкі бойынша қалыпты жүктеу режиміне қосылып, соңғы сақталған бағдарламаны іске қосуды қамтамасыз етеді.

8 -қадам: ПХД дизайны мен орналасуы

ПХД орналасуы жоғары жылдамдық немесе аналогтық сигналдар қосылған кезде маңызды бола бастайды. Аналогтық АЖ әсіресе жердегі шу мәселелеріне сезімтал. Жердегі ұшақтар қызығушылық сигналдарына неғұрлым тұрақты сілтеме бере алады, әдетте жердегі ілмектер тудыратын шу мен кедергілерді азайтады.

Аналогтық іздер жоғары жылдамдықты цифрлық іздерден, мысалы, USB стандартының бөлігі болып табылатын дифференциалды деректер желілерінен алыс болуы керек. Дифференциалды деректер сигналының іздері мүмкіндігінше қысқа болуы керек және із ұзындығына сәйкес келуі керек. Шағылыстар мен импеданс вариацияларын азайту үшін бұрылыстар мен виастардан аулақ болыңыз.

Құрылғыларға қуат беру үшін жұлдызды конфигурацияны қолдану (егер сіз электрлік ұшақты пайдаланбайсыз деп ойласаңыз) ағымдағы қайтару жолдарын жою арқылы шуды азайтуға көмектеседі.

9-қадам: ПХД жиналуы

Біздің даму тақтасы 4 қабатты ПХД стекінде құрылған, арнайы қуат жазықтығы мен жер жазықтығы бар.

Сіздің «жинақтау»-бұл ПХД қабаттарының реті. Қабаттардың орналасуы сіздің дизайнның EMI сәйкестігіне, сондай -ақ сіздің схемаңыздың сигнал тұтастығына әсер етеді.

ПХД жинақтау кезінде ескерілетін факторларға мыналар жатады:

1. Қабаттар саны
2. Қабаттардың орналасу тәртібі
3. Қабаттар арасындағы аралық
4. Әр қабаттың мақсаты (сигнал, жазықтық және т.
5. Қабат қалыңдығы
6. Құны

Әр жинақтың өзіндік артықшылықтары мен кемшіліктері бар. 4 қабатты тақта 2 қабатты дизайнға қарағанда шамамен 15 дБ радиация шығарады. Көп қабатты тақталарда толық жердің жазықтығы, жердің кедергісі мен эталондық шу азаяды.

10 -қадам: ПХД қабаттары мен сигналдың тұтастығы туралы қосымша ойлар

Сигнал қабаттары сигнал қабаты мен олардың жақын маңындағы жазықтық арасындағы ең аз қашықтықта болуы керек. Бұл сигналды қайтару жолын оңтайландырады, ол тірек жазықтықтан өтеді.

Қуат және жер үсті ұшақтары қабаттар арасындағы қорғанысты қамтамасыз ету үшін немесе ішкі қабаттар үшін қалқан ретінде пайдаланылуы мүмкін.

Қуат пен жердегі жазықтық бір -бірінің жанына орналастырылған кезде, әдетте, сіздің пайдаңызға жұмыс істейтін планеталық сыйымдылыққа әкеледі. Бұл сыйымдылық ПХД аумағымен, сонымен қатар оның диэлектрлік тұрақтысымен өлшенеді және жазықтықтар арасындағы қашықтыққа кері пропорционал. Бұл сыйымдылық тұрақсыз ток ағымдағы талаптары бар IC -ге қызмет ету үшін жақсы жұмыс істейді.

Жылдам сигналдар көп қабатты ПХД -дің ішкі қабаттарында сақталады, бұл іздер арқылы пайда болатын EMI -ді қамтиды.

Тақтада қарастырылатын жиіліктер неғұрлым жоғары болса, осы идеалды талаптарды қатаң сақтау қажет. Төмен жылдамдықтағы конструкциялар аз қабатты немесе тіпті бір қабатты алып тастауы мүмкін, ал жоғары жылдамдықтағы және РЖ конструкциялары ПХД-нің неғұрлым стратегиялық жинақтауымен күрделі ПХД дизайнын қажет етеді.

Мысалы, жоғары жылдамдықтағы конструкциялар терінің әсеріне көбірек сезімтал-бұл жоғары жиіліктегі ток ағымы өткізгіштің бүкіл денесіне енбейтінін байқау, бұл өз кезегінде жоғарылаудың шекті пайдалылығының төмендеуін білдіреді. мыс қалыңдығы белгілі бір жиілікте, өйткені өткізгіштің қосымша көлемі бәрібір пайдаланылмайды. Шамамен 100 МГц терінің тереңдігі (өткізгіштен өтетін токтың қалыңдығы) шамамен 7um құрайды, бұл тіпті стандартты 1oz дегенді білдіреді. қалың сигнал қабаттары толық пайдаланылмайды.

11 -қадам: Виас туралы қосымша ескерту

Виас көп қабатты ПХД әр түрлі қабаттары арасында байланыс жасайды.

Қолданылатын виас түрлері ПХД өндірісінің құнына әсер етеді. Соқыр/көмілген виастың өндірісі саңылауға қарағанда қымбатқа түседі. Бүкіл ПХД арқылы соққылар арқылы өтетін тесік, ең төменгі қабатта аяқталады. Көмілген виас іште жасырылған және тек ішкі қабаттарды өзара байланыстырады, ал соқыр виабалар ПХД -ның бір жағынан басталады, бірақ екінші жағынан тоқтайды. Шұңқырлы виас арқылы өндіру ең арзан және қарапайым болып табылады, сондықтан егер саңылаулар арқылы шығынды пайдалану үшін оңтайландырылса.

12 -қадам: ПХД дайындау және құрастыру

Енді тақта жасақталғаннан кейін сіз өзіңіздің EDA таңдау құралыңыздан дизайнды Gerber файлдары ретінде шығарғыңыз келеді және оларды тақтайшаға дайындауға жібересіз.

Менің тақтайшаларымды ALLPCB дайындады, бірақ сіз кез келген тақтайшаны жасай аласыз. Мен өндіру үшін қай тақтайшаны таңдау керектігін шешкен кезде бағаны салыстыру үшін PCB Shopper қолдануды ұсынамын - сондықтан баға мен мүмкіндіктер тұрғысынан салыстыруға болады.

Кейбір тақтай үйлері ПХД құрастыруын ұсынады, егер сізге бұл дизайнды жүзеге асырғыңыз келсе, сізге қажет болуы мүмкін, себебі ол негізінен SMD және тіпті QFN бөлшектерін қолданады.

13 -қадам: Бұл барлық адамдар

Бұл әзірлеу тақтасы «Clouduino Stratus» деп аталады, мен ESP8266 негізіндегі әзірлеуші тақтасы деп аталады, мен аппараттық/IOT іске қосудың прототиптік процесін тездетуге арналған.

Бұл дизайнның ертерек қайталануы, жақында жаңа түзетулер болады.

Бұл нұсқаулықтан балалар көп нәрсені үйренді деп сенемін!: D

14 -қадам: Бонус: компоненттер, герберлер, дизайн файлдары және алғыс

[Микроконтроллер]

1x ESP12F

[Қосымша құрылғылар]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Қосқыштар мен интерфейс]

1 x FT231XQ USB сериялық (QFN)

1 x USB-B шағын қосқышы

2 x 16 істікшелі әйел/ер тақырыптары

[Қуат] 1 x AMS1117-3.3 реттегіш (SOT-223-3)

[Басқалар]

1 x ECQ10A04-F қос Schottky кедергісі (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 резисторлары

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 резисторлары

3 x 270 ом 1% SMD 0603 резисторлары

2 x 470 ом 1% SMD 0603 резисторлары

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 конденсаторы

2 x 10uF 50V SMD 0603 конденсаторы

1 x 1uF 50V SMD 0603 конденсаторы

2 x 47pF 50V SMD 0603 конденсаторы

1 x SMD LED 0603 жасыл

1 x SMD жарықдиодты 0603 сары

1 x SMD жарықдиодты 0603 көк

2 x OMRON BF-3 1000 THT тактілік қосқышы

1 x Ferrite Bead 600/100mhz SMD 0603

[Алғыс] ADC TI App Notes рұқсатымен графиктерді ұсынады

MCU эталоны:

ПХД иллюстрациясы: Fineline