Hartimi i një bordi të zhvillimit të mikrokontrolluesve: 14 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:20

Jeni krijues, hobiist ose haker i interesuar të dilni nga projektet e bordit, IC -të DIP dhe PCB -të e bëra në shtëpi në PCB -të me shumë shtresa të fabrikuara nga shtëpitë e bordeve dhe paketimet SMD të gatshme për prodhim masiv? Atëherë ky udhëzues është për ju!

Ky udhëzues do të detajojë se si të punoni për hartimin e një PCB me shumë shtresa, duke përdorur një bord të mikrokontrolluesit dev si shembull.

Kam përdorur KiCAD 5.0, i cili është një mjet EDA falas dhe me burim të hapur, për krijimin e skemave dhe paraqitjen e PCB për këtë bord zhvillues.

Nëse nuk jeni të njohur me KiCAD ose rrjedhën e punës për paraqitjen e PCB, mësimet e Chris Gamell në YouTube janë një vend mjaft i mirë për të filluar.

EDIT: Disa nga fotot zmadhohen shumë, thjesht klikoni mbi imazhin për të parë foton e plotë:)

Hapi 1: Mendoni për Paketimin e Komponentit

Pajisjet Surface Mount (SMD) mund të pozicionohen në një PCB nga një makinë marrëse dhe vendosëse, duke automatizuar procesin e montimit. Pastaj mund ta drejtoni PCB -në përmes një furre të rimbushjes, ose një makine saldimi me valë, nëse keni edhe përbërës të vrimës.

Rrjedhat e komponentëve për SMD -të më të vogla gjithashtu zvogëlohen, duke rezultuar në rezistencë dukshëm më të ulët, induktancë dhe EMI, një gjë shumë e mirë, veçanërisht për modelet RF dhe frekuencat e larta.

Kalimi në rrugën e montimit sipërfaqësor gjithashtu përmirëson performancën mekanike dhe qëndrueshmërinë, e cila është e rëndësishme për testimin e dridhjeve dhe stresit mekanik.

Hapi 2: Zgjidhni Mikrokontrolluesin tuaj

Në zemër të çdo bordi të zhvillimit të mikrokontrolluesve, si Arduino dhe derivatet e tij, është një mikrokontrollues. Në rastin e Arduino Uno, ky është ATmega 328P. Për bordin tonë të dev, ne do të përdorim ESP8266.

Dirtshtë i papastër i lirë, funksionon në 80MHz (dhe mund të mbingarkohet në 160MHz) DHE ka një nënsistem WiFi të integruar. Kur përdoret si një mikrokontrollues i pavarur, ai mund të ekzekutojë operacione të caktuara deri në 170x më shpejt se një Arduino.

Hapi 3: Zgjidhni Konvertuesin tuaj USB në Serial

Një mikrokontrolluesi do të ketë nevojë për një mënyrë për t'u ndërlidhur me kompjuterin tuaj, kështu që ju mund t'i ngarkoni programet tuaja në të. Kjo zakonisht arrihet nga një çip i jashtëm, i cili kujdeset për përkthimin midis sinjaleve diferenciale të përdorura nga porta USB në kompjuterin tuaj, dhe sinjalizimit të vetëm të përfunduar të disponueshëm në shumicën e mikrokontrolluesve përmes periferikëve të tyre të komunikimit serik, si UART.

Në rastin tonë, ne do të përdorim një FT230X, nga FTDI. Çipat USB në Serial nga FTDI kanë tendencë të mbështeten mirë në shumicën e sistemeve operative, kështu që është një bast i sigurt për një bord dev. Alternativat e njohura (opsionet më të lira) përfshijnë CP2102 nga SiLabs dhe CH340G.

Hapi 4: Zgjidhni Rregullatorin tuaj

Bordi do të duhet të marrë energji diku - dhe në shumicën e rasteve do ta gjeni këtë energji të siguruar përmes një IC rregullatori linear. Rregullatorët linearë janë të lirë, të thjeshtë dhe megjithëse jo aq efikas sa skema e modalitetit të ndërruar, do të ofrojnë energji të pastër (më pak zhurmë) dhe integrim të lehtë.

AMS1117 rregullatori linear më i popullarizuar i përdorur në shumicën e bordeve dev, dhe një zgjedhje mjaft e mirë edhe për bordin tonë të dev.

Hapi 5: Zgjidhni Skemën tuaj të Fuqisë OSE-të

Nëse do të lejoni që përdoruesi të fuqizojë bordin dev përmes USB, dhe gjithashtu të ofrojë hyrje të tensionit përmes njërës prej kunjave në tabelë, do t'ju duhet një mënyrë për të zgjedhur midis dy tensioneve konkurruese. Kjo arrihet më thjesht përmes përdorimit të diodave, të cilat punojnë për të lejuar që vetëm tensioni më i lartë i hyrjes të kalojë dhe të fuqizojë pjesën tjetër të qarkut.

Në rastin tonë, ne kemi një barrierë të dyfishtë schottky, e cila përfshin dy dioda schottky në një paketë të vetme për këtë qëllim.

Hapi 6: Zgjidhni patatinat tuaja periferike (nëse ka)

Ju mund të shtoni patate të skuqura në ndërfaqen me mikrokontrolluesin tuaj të zgjedhur për të rritur përdorshmërinë ose funksionalitetin që bordi juaj dev u ofron përdoruesve të tij.

Në rastin tonë, ESP8266 ka vetëm një kanal të vetëm analog hyrës, dhe shumë pak GPIO të përdorshëm.

Për ta trajtuar këtë, ne do të shtojmë një analog të jashtëm në IC Digital Converter dhe një IC GPIO Expander.

Zgjedhja e një ADC është zakonisht një kompromis midis normës ose shpejtësisë së konvertimit dhe zgjidhjes. Rezolucionet më të larta nuk janë domosdoshmërisht më të mira, sepse patate të skuqura që kanë rezolucione më të larta sepse përdorin teknika të ndryshme të mostrimit shpesh do të kenë norma shumë të ngadalta të mostrës. ADC-të tipike SAR kanë norma mostre më të mëdha se qindra mijëra mostra në sekondë, ndërsa ADC-të Delta Sigma me rezolucion më të lartë janë zakonisht të aftë vetëm për një pjesë të vogël të mostrave për sekondë-një botë larg ADC-ve të shpejta SAR dhe ADC-ve të shpejta të rrufesë.

MCP3208 është një ADC 12-bit, me 8 kanale analoge. Mund të funksionojë kudo midis 2.7V-5.5V dhe ka një normë maksimale të marrjes së mostrave prej 100 kps / s.

Shtimi i një MCP23S17, një zgjerues i popullarizuar GPIO rezulton që 16 kunja GPIO të bëhen të disponueshme për përdorim.

Hapi 7: Dizajni i qarkut

Qarku i furnizimit me energji përdor dy dioda schottky për të siguruar një funksion të thjeshtë OR-ing për hyrjen e energjisë. Kjo krijon një betejë midis 5V që vjen nga porta USB dhe gjithçka që dëshironi të siguroni në pin VIN - fituesi i betejës së elektroneve del në krye dhe i jep fuqi rregullatorit AMS1117. Një LED modest SMD shërben si një tregues se fuqia në fakt po i jepet pjesës tjetër të bordit.

Qarku i ndërfaqes USB përmban një rruazë ferrite për të parandaluar që EMI e humbur dhe sinjalet e zhurmshme të orës të rrezatojnë poshtë drejt kompjuterit të një përdoruesi. Rezistencat serike në linjat e të dhënave (D+ dhe D-) sigurojnë kontroll bazë të shkallës së skajit.

ESP8266 përdor GPIO 0, GPIO 2 dhe GPIO 15 si kunja speciale hyrëse, duke lexuar gjendjen e tyre në nisje për të përcaktuar nëse do të filloni në modalitetin e programimit, i cili ju lejon të komunikoni në seri për të programuar modalitetin e nisjes me çip ose flash, i cili nis programin tuaj Me GPIO 2 dhe GPIO 15 duhet të qëndrojnë në logjikë të lartë, dhe logjikë të ulët, respektivisht gjatë procesit të nisjes. Nëse GPIO 0 është i ulët në nisje, ESP8266 heq dorë nga kontrolli dhe ju lejon të ruani programin tuaj në memorien flash të ndërfaqësuar brenda modulit. Nëse GPIO 0 është i lartë, ESP8266 lëshon programin e fundit të ruajtur në flash dhe ju jeni gati për të rrokullisur.

Për këtë qëllim bordi ynë dev ofron çelsin e nisjes dhe rivendosjes, duke i lejuar përdoruesit të ndryshojnë gjendjen e GPIO 0 dhe të rivendosin pajisjen, për ta vënë çipin në modalitetin e programimit të dëshiruar. Një rezistencë tërheqëse siguron që pajisja të futet në modalitetin normal të nisjes si parazgjedhje, duke filluar programin e ruajtur më së fundi.

Hapi 8: Dizajni dhe paraqitja e PCB

Paraqitja e PCB bëhet më kritike pasi përfshihen sinjale me shpejtësi të lartë ose analoge. IC -të analoge në veçanti janë të ndjeshme ndaj çështjeve të zhurmës në tokë. Aeroplanët tokësorë kanë aftësinë për të siguruar një referencë më të qëndrueshme për sinjalet e interesit, duke zvogëluar zhurmën dhe ndërhyrjen e shkaktuar zakonisht nga sythet e tokës.

Gjurmët analoge duhet të mbahen larg gjurmëve dixhitale me shpejtësi të lartë, siç janë linjat e të dhënave diferenciale që janë pjesë e standardit USB. Gjurmët e sinjalit të të dhënave diferenciale duhet të bëhen sa më të shkurtra dhe duhet të përputhen me gjatësinë e gjurmës. Shmangni kthesat dhe viat për të zvogëluar reflektimet dhe ndryshimet e rezistencës.

Përdorimi i një konfigurimi yll për sigurimin e energjisë për pajisjet (duke supozuar se nuk jeni duke përdorur tashmë një aeroplan fuqie) gjithashtu ndihmon në zvogëlimin e zhurmës duke eleminuar shtigjet aktuale të kthimit.

Hapi 9: PCB Stack-Up

Bordi ynë dev është ndërtuar në një pirg PCB me 4 shtresa, me një aeroplan energjie të dedikuar dhe aeroplan tokësor.

"Grumbullimi" juaj është rendi i shtresave në PCB tuaj. Rregullimi i shtresave ndikon në përputhshmërinë EMI të modelit tuaj, si dhe integritetin e sinjalit të qarkut tuaj.

Faktorët që duhen marrë parasysh në grumbullimin e PCB-së tuaj do të përfshijnë:

1. Numri i shtresave
2. Rendi i shtresave
3. Hapësira midis shtresave
4. Qëllimi i secilës shtresë (sinjal, aeroplan etj)
5. Trashësia e shtresës
6. Kosto

Çdo grumbullim ka të mirat dhe të këqijat e veta. Një tabelë me 4 shtresa do të prodhojë afërsisht 15dB më pak rrezatim sesa një dizajn me 2 shtresa. Pllakat me shumë shtresa kanë më shumë gjasa të kenë një plan të plotë tokësor, duke zvogëluar rezistencën e tokës dhe zhurmën referuese.

Hapi 10: Më shumë konsiderata për shtresat e PCB dhe integritetin e sinjalit

Shtresat e sinjalit në mënyrë ideale duhet të jenë pranë një rryme të fuqisë ose tokës, me distancë minimale midis shtresës së sinjalit dhe rrafshit të tyre përkatës aty pranë. Kjo optimizon rrugën e kthimit të sinjalit, e cila kalon përmes planit të referencës.

Aeroplanët e fuqisë dhe tokës mund të përdoren për të siguruar mbrojtje midis shtresave, ose si mburoja për shtresat e brendshme.

Një aeroplan i fuqisë dhe tokës, kur vendoset pranë njëri -tjetrit, do të rezultojë në një kapacitet interplane që zakonisht punon në favorin tuaj. Ky kapacitet shkallëzohet me sipërfaqen e PCB -së tuaj, si dhe konstantën e tij dielektrike, dhe është anasjelltas proporcional me distancën midis rrafsheve. Ky kapacitet funksionon mirë për t'i shërbyer IC -ve të cilat përmbajnë kërkesa aktuale të paqëndrueshme të furnizimit.

Sinjalet e shpejta vendosen në mënyrë ideale në shtresat e brendshme të PCB -ve me shumë shtresa, për të përmbajtur EMI të gjeneruar nga gjurmët.

Sa më të larta frekuencat të trajtohen në tabelë, aq më të rrepta duhet të ndiqen këto kërkesa ideale. Modelet me shpejtësi të ulët ka të ngjarë të largohen me më pak shtresa, apo edhe një shtresë të vetme, ndërsa modelet me shpejtësi të lartë dhe RF kërkojnë dizajn më të ndërlikuar të PCB me një grumbullim më strategjik të PCB.

Modelet me shpejtësi të lartë, për shembull, janë më të ndjeshëm ndaj efektit të lëkurës-që është vëzhgimi se në frekuenca të larta, rrjedha e rrymës nuk depërton në të gjithë trupin e një përcjellësi, që nga ana tjetër do të thotë se ka një dobësi margjinale në rënie për të rritur trashësia e bakrit në një frekuencë të caktuar, pasi vëllimi shtesë i përcjellësit nuk do të përdoret gjithsesi. Në rreth 100MHz, thellësia e lëkurës (trashësia e rrymës që rrjedh në të vërtetë përmes përcjellësit) është rreth 7um, që do të thotë edhe 1oz standarde. shtresat e trasha të sinjalit janë të papërdorura.

Hapi 11: Një shënim anësor për Vias

Viasat krijojnë lidhje midis shtresave të ndryshme të një PCB me shumë shtresa.

Llojet e viasave të përdorura do të ndikojnë në koston e prodhimit të PCB. Vizat e verbër/të varrosura kushtojnë më shumë për tu prodhuar sesa përmes viasave të vrimave. Një vrimë përmes grushtave nëpër të gjithë PCB, duke përfunduar në shtresën më të ulët. Vilat e varrosura fshihen brenda dhe ndërlidhin vetëm shtresat e brendshme, ndërsa vilat e verbër fillojnë në njërën anë të PCB por përfundojnë para anës tjetër. Viat përmes vrimave janë më të lira dhe më të lehta për t'u prodhuar, kështu që nëse optimizohen për përdorim me kosto përmes viasave të vrimave.

Hapi 12: Prodhimi dhe montimi i PCB -ve

Tani që bordi është projektuar, do të dëshironi të nxirrni modelin si skedarë Gerber nga mjeti juaj i zgjedhur EDA dhe t'i dërgoni në një shtëpi bordi për fabrikim.

Unë kisha bordet e mia të fabrikuara nga ALLPCB, por ju mund të përdorni çdo dyqan bordesh për fabrikim. Unë do të rekomandoja shumë përdorimin e PCB Shopper për të krahasuar çmimet kur vendosni se cilën shtëpi bordi do të zgjidhni për fabrikim - kështu që ju mund të krahasoni në aspektin e çmimeve dhe aftësive.

Disa nga shtëpitë e bordeve ofrojnë gjithashtu Asamble PCB, të cilat ka të ngjarë të keni nevojë nëse doni të zbatoni këtë dizajn, pasi ai përdor kryesisht pjesë SMD dhe madje edhe QFN.

Hapi 13: Kjo është e tëra njerëz

Ky bord zhvillimi quhet "Clouduino Stratus", një bord i zhvilluar me bazë ESP8266, i projektuar për të përshpejtuar procesin e prototipimit për fillimin e pajisjeve/IOT.

Stillshtë ende një përsëritje e hershme e dizajnit, me rishikime të reja që vijnë së shpejti.

Shpresoj se ju mësuat shumë nga ky udhëzues!: D

Hapi 14: Bonusi: Komponentët, Gerberët, Dosjet e Dizajnit dhe Mirënjohjet

[Mikrokontrollues]

1x ESP12F

[Periferikësh]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Lidhësit dhe ndërfaqja]

1 x FT231XQ USB në Serial (QFN)

1 x Lidhës USB-B Mini

2 tituj Femra/Mashkull 16 x-pin

[Fuqia] 1 x AMS1117-3.3 Rregullatori (SOT-223-3)

[Të tjerët]

1 x ECQ10A04-F Pengesë e dyfishtë Schottky (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 Rezistenca

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 Rezistenca

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 Rezistenca

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 Rezistenca

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 Kondensator

2 x 10uF 50V SMD 0603 Kondensator

1 x 1uF 50V SMD 0603 Kondensator

2 x 47pF 50V SMD 0603 Kondensator

1 x SMD LED 0603 E gjelbër

1 x SMD LED 0603 E verdhë

1 x SMD LED 0603 Blu

2 x Ndërprerës Takti OMRON BF-3 1000 THT

1 x Rruaza Ferrite 600/100mhz SMD 0603

[Mirënjohje] Grafikët ADC janë mirësjellje të TI App Notes

Referenca e MCU:

Ilustrimet e PCB: Fundi