Dizajniranje razvojne ploče za mikrokontroler: 14 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

Jeste li proizvođač, hobist ili haker zainteresirani za prelazak s projekata perfarda, DIP IC -ova i domaćih PCB -a na višeslojne PCB -ove proizvedene u pločama i SMD ambalažu spremnu za masovnu proizvodnju? Onda je ovo uputstvo za vas!

Ovaj vodič će detaljno opisati način projektiranja višeslojnog PCB -a, koristeći za primjer razvojnu ploču mikrokontrolera.

Koristio sam KiCAD 5.0, besplatni i otvoreni EDA alat, za izradu shema i izgleda PCB -a za ovu razvojnu ploču.

Ako niste upoznati s KiCAD -om ili tijekom rada za izgled PCB -a, vodiči Chrisa Gamella na YouTubeu prilično su dobro mjesto za početak.

EDIT: Neke se fotografije previše povećavaju, samo kliknite na sliku da vidite cijelu sliku:)

Korak 1: Razmislite o pakiranju komponenti

Uređaji za površinsko montiranje (SMD) mogu se postaviti na PCB pomoću stroja za odabir i postavljanje, automatizirajući proces montaže. Zatim možete provesti tiskanu ploču kroz pećnicu za ponovno punjenje ili stroj za lemljenje valova, ako imate i komponente kroz rupe.

Komponentni vodiči za manje SMD -e također su smanjeni, što rezultira znatno nižom impedancijom, induktivnošću i EMI -om, što je vrlo dobra stvar, osobito za RF i visokofrekventne dizajne.

Prelazak na površinsku montažu također poboljšava mehaničke performanse i robusnost, što je važno za ispitivanje vibracija i mehaničkih naprezanja.

Korak 2: Odaberite svoj mikrokontroler

U središtu svake razvojne ploče za mikrokontrolere, poput Arduina i njegovih derivata, nalazi se mikrokontroler. U slučaju Arduino Uno, ovo je ATmega 328P. Za našu razvojnu ploču koristit ćemo ESP8266.

Jeftino je, radi na 80MHz (i može se overclockati na 160MHz) I ima ugrađen WiFi podsustav. Kada se koristi kao samostalni mikrokontroler, može izvesti određene operacije do 170 puta brže od Arduina.

Korak 3: Odaberite svoj USB u serijski pretvarač

Mikrokontroler će trebati neki način povezivanja s vašim računalom, tako da na njega možete učitati svoje programe. To se obično postiže vanjskim čipom, koji se brine za prevođenje između diferencijalnih signala koje koristi USB priključak na vašem računalu, i jednostruke signalizacije dostupne na većini mikrokontrolera putem njihove serijske komunikacijske periferije, poput UART -a.

U našem slučaju koristit ćemo FT230X iz FTDI -ja. USB -serijski čipovi iz FTDI -a obično su dobro podržani u većini operativnih sustava, pa je to siguran ulog za razvojnu ploču. Popularne alternative (jeftinije opcije) uključuju CP2102 iz SiLaba i CH340G.

Korak 4: Odaberite svog regulatora

Ploča će negdje morati nabaviti napajanje - a u većini ćete slučajeva tu snagu pronaći putem IC linearnog regulatora. Linearni regulatori su jeftini, jednostavni i iako nisu tako učinkoviti kao shema s preklopnim načinom rada, nudit će čistu snagu (manje buke) i laku integraciju.

AMS1117 najpopularniji linearni regulator koji se koristi u većini razvojnih ploča, a prilično pristojan izbor i za našu razvojnu ploču.

Korak 5: Odaberite shemu napajanja ILI in-ing

Ako želite dopustiti korisniku da napaja razvojnu ploču putem USB -a, a nudite i ulaz napona kroz jedan od pinova na ploči, trebat će vam način da odaberete između dva konkurentna napona. To se najjednostavnije postiže korištenjem dioda koje rade tako da dopuštaju prolaz samo višem ulaznom naponu i napajaju ostatak kruga.

U našem slučaju, imamo dvostruku schottky barijeru, koja uključuje dvije schottky diode na jednom pakiranju upravo za tu svrhu.

Korak 6: Odaberite svoje periferne čipove (ako ih ima)

Možete dodati čipove na sučelje s odabranim mikrokontrolerom kako biste poboljšali upotrebljivost ili funkcionalnost koju vaša razvojna ploča nudi svojim korisnicima.

U našem slučaju, ESP8266 ima samo jedan analogni ulazni kanal i vrlo malo upotrebljivih GPIO -a.

Da bismo to riješili, dodat ćemo vanjski IC analogno -digitalni pretvarač i IC GPA Expander IC.

Odabir ADC -a obično je kompromis između stope konverzije ili brzine i razlučivosti. Više rezolucije nisu nužno i bolje, jer će čipovi koji imaju veće rezolucije jer koriste različite tehnike uzorkovanja često imati vrlo niske stope uzorkovanja. Tipični SAR ADC-ovi imaju uzorke veće od stotina tisuća uzoraka u sekundi, dok Delta Sigma ADC-ovi veće razlučivosti obično su sposobni samo za šačicu uzoraka u sekundi, u svijetu udaljenom od brzih ADC-ova SAR-a i munjevito spojenih ADC-ova.

MCP3208 je 12-bitni ADC, s 8 analognih kanala. Može raditi bilo gdje između 2,7 V-5,5 V i ima maksimalnu brzinu uzorkovanja od 100 k / s.

Dodavanjem MCP23S17, popularnog GPIO ekspandera, 16 GPIO pinova postaje dostupno za upotrebu.

Korak 7: Dizajn kruga

Krug za napajanje koristi dvije schottky diode kako bi osigurao jednostavnu ILI funkciju za unos energije. Ovo postavlja bitku između 5 V koja dolazi s USB priključka, i sve što želite dati VIN pin -u - pobjednik elektronske bitke izlazi na vrh i daje napajanje regulatoru AMS1117. Skromna SMD LED dioda služi kao pokazatelj da se snaga zapravo isporučuje na ostatak ploče.

Krug USB sučelja sadrži feritnu kuglicu koja sprječava zalutali EMI i bučne signale takta da zrače prema korisnikovom računalu. Serijski otpornici na podatkovnim vodovima (D+ i D-) omogućuju osnovnu kontrolu brzine brzine.

ESP8266 koristi GPIO 0, GPIO 2 i GPIO 15 kao posebne ulazne pinove, čitajući njihovo stanje pri pokretanju kako bi odredio hoće li se pokrenuti u načinu programiranja, što vam omogućuje komunikaciju preko serijskog programa za programiranje čip-ili flash načina pokretanja, čime se pokreće vaš program. GPIO 2 i GPIO 15 moraju ostati na visokoj logici, odnosno na niskoj logičkoj vrijednosti tijekom procesa pokretanja. Ako je GPIO 0 pri pokretanju nisko, ESP8266 odustaje od kontrole i omogućuje vam spremanje programa u flash memoriju povezanu unutar modula. Ako je GPIO 0 visok, ESP8266 pokreće zadnji program pohranjen u flash -u i spremni ste za pokretanje.

U tu svrhu naša razvojna ploča nudi prekidače za pokretanje i resetiranje, dopuštajući korisnicima da prebacuju stanje GPIO 0 i resetiraju uređaj, kako bi čip postavili u željeni način programiranja. Povučni otpornik osigurava da se uređaj prema zadanim postavkama pokreće u normalni način pokretanja, pokrećući zadnji pohranjeni program.

Korak 8: Dizajn i izgled PCB -a

Raspored PCB -a postaje kritičniji nakon uključivanja velike brzine ili analognih signala. Posebno su analogni IC osjetljivi na probleme s bukom na tlu. Zemljane ravnine mogu pružiti stabilniju referencu za signale od interesa, smanjujući buku i smetnje tipično uzrokovane petljama uzemljenja.

Analogne tragove morate držati podalje od digitalnih tragova velike brzine, kao što su diferencijalne podatkovne linije koje su dio USB standarda. Tragove diferencijalnog signala podataka treba učiniti što kraćim i uskladiti duljinu traga. Izbjegavajte zavoje i vijase kako biste smanjili refleksije i varijacije impedanse.

Korištenje zvjezdaste konfiguracije za napajanje uređaja (pod pretpostavkom da već ne koristite energetski avion) također pomaže u smanjenju buke uklanjanjem trenutnih povratnih staza.

Korak 9: Slaganje PCB-a

Naša razvojna ploča izgrađena je na 4 sloju PCB -a, s namjenskom ravninom napajanja i ravninom tla.

Vaše "slaganje" redoslijed je slojeva na vašoj PCB-u. Raspored slojeva utječe na EMI usklađenost vašeg dizajna, kao i na integritet signala vašeg kruga.

Čimbenici koje treba uzeti u obzir pri sastavljanju PCB-a uključuju:

1. Broj slojeva
2. Redoslijed slojeva
3. Razmak između slojeva
4. Svrha svakog sloja (signal, ravnina itd.)
5. Debljina sloja
6. Trošak

Svaki skup ima svoje prednosti i nedostatke. Četveroslojna ploča proizvest će otprilike 15 dB manje zračenja od dvoslojne. Vjerojatnije je da će višeslojne ploče imati potpunu ravninu tla, smanjujući impedanciju tla i referentnu buku.

Korak 10: Dodatna razmatranja o slojevima PCB -a i integritetu signala

Signalni slojevi idealno bi trebali biti pored energetske ili uzemljene ravnine, s minimalnom udaljenošću između signalnog sloja i njihove odgovarajuće obližnje ravnine. Time se optimizira povratni put signala koji prolazi kroz referentnu ravninu.

Energetske i uzemljene ravnine mogu se koristiti za osiguravanje zaštite između slojeva ili kao štitovi za unutarnje slojeve.

Napajanje i uzemljenje, ako se postave jedan do drugoga, rezultirat će međuplaninskim kapacitetom koji obično radi u vašu korist. Ovaj kapacitet se mjeri s površinom vašeg PCB -a, kao i s njegovom dielektričnom konstantom, i obrnuto je proporcionalan udaljenosti između ravnina. Ovaj kapacitet dobro služi za rad s IC -ovima koji imaju zahtjeve za promjenjivom opskrbom.

Brzi signali idealno su smješteni u unutarnje slojeve višeslojnih PCB -a kako bi sadržali EMI generiranu tragovima.

Što se veće frekvencije obrađuju na ploči, to se idealni zahtjevi moraju strože poštivati. Dizajn niske brzine vjerojatno će se izvući s manje slojeva ili čak jednim slojem, dok velike brzine i RF projekti zahtijevaju složeniji dizajn PCB-a sa strateškijim slaganjem PCB-a.

Dizajni velike brzine, na primjer, su osjetljiviji na učinak kože-što je opažanje da pri visokim frekvencijama struja ne prodire kroz cijelo tijelo vodiča, što zauzvrat znači da se smanjuje granična korisnost povećanja debljine bakra na određenoj frekvenciji, budući da se dodatni volumen vodiča ionako neće iskoristiti. Na oko 100 MHz dubina kože (debljina struje koja zapravo teče kroz vodič) iznosi oko 7um, što znači čak i standardnih 1 oz. debeli signalni slojevi se nedovoljno koriste.

Korak 11: Sporedna napomena o viasima

Vias tvore veze između različitih slojeva višeslojne PCB -a.

Vrste korištenih vija utjecat će na cijenu proizvodnje PCB -a. Slijepe/zakopane vias koštaju više u proizvodnji nego kroz rupe. Prolazna rupa kroz proboje kroz cijelu PCB, završava na najnižem sloju. Ukopane vija skrivene su unutar i samo međusobno povezuju unutarnje slojeve, dok slijepe vijase počinju s jedne strane PCB -a, ali završavaju prije druge strane. Ventili kroz rupe su najjeftiniji i najjednostavniji za proizvodnju, pa ako optimizirate za troškovnu uporabu, kroz otvore za rupe.

Korak 12: Izrada i montaža PCB -a

Sada kada je ploča dizajnirana, htjet ćete ispisati dizajn kao Gerberove datoteke iz vašeg Alata za odabir EDA -e i poslati ih u kuću za izradu ploča.

Ploče sam dao izraditi ALLPCB, ali za izradu možete koristiti bilo koju trgovinu pločama. Toplo bih preporučio korištenje PCB Shopper -a za usporedbu cijena pri odlučivanju koju kuću od ploča odabrati za izradu - kako biste mogli usporediti u smislu cijene i mogućnosti.

Neke od kuća s pločama također nude montažu PCB -a, što će vam vjerojatno trebati ako želite implementirati ovaj dizajn, jer koristi uglavnom SMD, pa čak i QFN dijelove.

Korak 13: To je sve narode

Ova razvojna ploča naziva se "Clouduino Stratus", razvojna ploča zasnovana na ESP8266 koju sam dizajnirao za ubrzanje procesa izrade prototipa za pokretanje hardvera/IOT -a.

To je još uvijek vrlo rana iteracija dizajna, s novim revizijama koje dolaze uskoro.

Nadam se da ste puno naučili iz ovog vodiča!: D

Korak 14: Bonus: komponente, gerberi, datoteke dizajna i priznanja

[Mikrokontroler]

1x ESP12F

[Periferni uređaji]

1 x MCP23S17 GPIO ekspander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Konektori i sučelja]

1 x FT231XQ USB na serijski (QFN)

1 x USB-B mini priključak

2 x 16-pinski ženski/muški zaglavlja

[Napajanje] 1 x AMS1117-3.3 Regulator (SOT-223-3)

[Drugi]

1 x ECQ10A04-F dvostruka Schottky barijera (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 otpornici

2 x 27 ohma 1% SMD 0603 otpornici

3 x 270 ohma 1% SMD 0603 otpornici

2 x 470 ohma 1% SMD 0603 otpornici

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 Kondenzator

2 x 10uF 50V SMD 0603 Kondenzator

1 x 1uF 50V SMD 0603 Kondenzator

2 x 47pF 50V SMD 0603 Kondenzator

1 x SMD LED 0603 Zelena

1 x SMD LED 0603 Žuta

1 x SMD LED 0603 Plava

2 x Taktni prekidač OMRON BF-3 1000 THT

1 x Feritna perla 600/100mhz SMD 0603

[Zahvalnice] ADC grafikoni zahvaljujući TI App Notesu

Benchmark MCU:

Ilustracije PCB -a: Fineline