Σχεδιασμός ενός πίνακα ανάπτυξης μικροελεγκτών: 14 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Είστε κατασκευαστής, χόμπι ή χάκερ που ενδιαφέρεστε να προχωρήσετε από έργα από σανίδες, DIP IC και σπιτικά PCB σε πολυεπίπεδα PCB που κατασκευάζονται από σπιτάκια και συσκευασίες SMD έτοιμες για μαζική παραγωγή; Τότε αυτό το διδακτικό είναι για σένα!

Αυτός ο οδηγός θα αναφέρει λεπτομερώς πώς να σχεδιάσετε ένα PCB πολλαπλών στρωμάτων, χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα έναν πίνακα ανάπτυξης μικροελεγκτών.

Χρησιμοποίησα το KiCAD 5.0, το οποίο είναι ένα δωρεάν και ανοικτού κώδικα εργαλείο EDA, για τη δημιουργία των διαγραμμάτων και της διάταξης PCB για αυτόν τον πίνακα dev.

Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με το KiCAD ή τη ροή εργασίας για διάταξη PCB, τα σεμινάρια του Chris Gamell στο YouTube είναι ένα πολύ καλό μέρος για να ξεκινήσετε.

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ: Κάποιες από τις φωτογραφίες μεγεθύνουν πάρα πολύ, απλώς κάντε κλικ στην εικόνα για να δείτε την πλήρη εικόνα:)

Βήμα 1: Σκεφτείτε τη συσκευασία εξαρτημάτων

Οι συσκευές επιφάνειας τοποθέτησης (SMD) μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα PCB από μια μηχανή επιλογής και τοποθέτησης, αυτοματοποιώντας τη διαδικασία συναρμολόγησης. Στη συνέχεια, μπορείτε να εκτελέσετε το PCB μέσω φούρνου επαναφόρτισης ή μηχανή συγκόλλησης κύματος, εάν έχετε επίσης εξαρτήματα οπών.

Τα καλώδια εξαρτημάτων για μικρότερα SMD μειώνονται επίσης, με αποτέλεσμα σημαντικά χαμηλότερη σύνθετη αντίσταση, επαγωγή και EMI, κάτι πολύ καλό, ιδιαίτερα για σχέδια RF και υψηλής συχνότητας.

Η διαδρομή επιφανειακής τοποθέτησης βελτιώνει επίσης τη μηχανική απόδοση και την ανθεκτικότητα, κάτι που είναι σημαντικό για τους κραδασμούς και τις μηχανικές δοκιμές καταπόνησης.

Βήμα 2: Επιλέξτε τον μικροελεγκτή σας

Στην καρδιά κάθε πλακέτας ανάπτυξης μικροελεγκτών, όπως το Arduino και τα παράγωγά του, βρίσκεται ένας μικροελεγκτής. Στην περίπτωση του Arduino Uno, αυτό είναι το ATmega 328P. Για τον πίνακα dev μας, θα χρησιμοποιήσουμε το ESP8266.

Είναι βρώμικα φθηνό, λειτουργεί στα 80MHz (και είναι overclockable στα 160MHz) ΚΑΙ διαθέτει ενσωματωμένο υποσύστημα WiFi. Όταν χρησιμοποιείται ως αυτόνομος μικροελεγκτής, μπορεί να εκτελέσει ορισμένες λειτουργίες έως και 170 φορές γρηγορότερα από ένα Arduino.

Βήμα 3: Επιλέξτε τον μετατροπέα USB σε σειριακό σας

Ένας μικροελεγκτής θα χρειαστεί κάποιο τρόπο διασύνδεσης με τον υπολογιστή σας, ώστε να μπορείτε να φορτώσετε τα προγράμματά σας σε αυτόν. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με ένα εξωτερικό τσιπ, το οποίο φροντίζει για τη μετάφραση μεταξύ των διαφορικών σημάτων που χρησιμοποιούνται από τη θύρα USB στον υπολογιστή σας και της ενιαίας σηματοδότησης που διατίθεται στους περισσότερους μικροελεγκτές μέσω των σειριακών περιφερειακών τους επικοινωνιών, όπως το UART.

Στην περίπτωσή μας, θα χρησιμοποιήσουμε ένα FT230X, από την FTDI. Τα τσιπ USB σε Serial από το FTDI τείνουν να υποστηρίζονται καλά στα περισσότερα λειτουργικά συστήματα, επομένως είναι ένα ασφαλές στοίχημα για έναν πίνακα dev. Οι δημοφιλείς εναλλακτικές λύσεις (φθηνότερες επιλογές) περιλαμβάνουν το CP2102 από το SiLabs και το CH340G.

Βήμα 4: Επιλέξτε τον ρυθμιστή σας

Ο πίνακας θα χρειαστεί να πάρει ρεύμα κάπου - και στις περισσότερες περιπτώσεις θα βρείτε αυτήν την ισχύ που παρέχεται μέσω ενός γραμμικού IC ρυθμιστή. Οι γραμμικοί ρυθμιστές είναι φθηνοί, απλοί και ενώ δεν είναι τόσο αποτελεσματικοί όσο το σύστημα αλλαγής λειτουργίας, θα προσφέρουν καθαρή ισχύ (λιγότερο θόρυβο) και εύκολη ενσωμάτωση.

Το AMS1117 ο πιο δημοφιλής γραμμικός ρυθμιστής που χρησιμοποιείται στους περισσότερους πίνακες dev και μια αρκετά αξιοπρεπή επιλογή και για τον πίνακα dev μας.

Βήμα 5: Επιλέξτε το Σχέδιο ισχύος ή εναλλαγής σας

Εάν πρόκειται να αφήσετε τον χρήστη να τροφοδοτήσει την πλακέτα dev μέσω USB και επίσης να προσφέρει εισροή τάσης μέσω μιας από τις ακίδες του πίνακα, θα χρειαστείτε έναν τρόπο για να επιλέξετε μεταξύ των δύο ανταγωνιστικών τάσεων. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση διόδων, οι οποίες επιτρέπουν να περάσει μόνο η υψηλότερη τάση εισόδου και να τροφοδοτήσει το υπόλοιπο κύκλωμα.

Στην περίπτωσή μας, έχουμε ένα διπλό φράγμα schottky, το οποίο περιλαμβάνει δύο διόδους schottky σε ένα μόνο πακέτο για αυτόν ακριβώς τον σκοπό.

Βήμα 6: Επιλέξτε τα περιφερειακά σας τσιπ (εάν υπάρχουν)

Μπορείτε να προσθέσετε μάρκες στη διεπαφή με τον επιλεγμένο μικροελεγκτή σας για να βελτιώσετε τη χρηστικότητα ή τη λειτουργικότητα που προσφέρει ο προγραμματιστής σας στους χρήστες του.

Στην περίπτωσή μας, το ESP8266 έχει μόνο ένα αναλογικό κανάλι εισόδου και πολύ λίγα χρησιμοποιήσιμα GPIO.

Για να αντιμετωπιστεί αυτό, θα προσθέσουμε ένα εξωτερικό Analog to Digital Converter IC και ένα GPIO Expander IC.

Η επιλογή ενός ADC είναι συνήθως μια αντιστάθμιση μεταξύ του ποσοστού μετατροπής ή της ταχύτητας και της ανάλυσης. Οι υψηλότερες αναλύσεις δεν είναι απαραίτητα καλύτερες, επειδή τα τσιπ που διαθέτουν υψηλότερες αναλύσεις επειδή χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές δειγματοληψίας θα έχουν συχνά πολύ αργούς ρυθμούς δειγματοληψίας. Τα τυπικά SAR ADC έχουν ρυθμούς δειγματοληψίας άνω των εκατοντάδων χιλιάδων δειγμάτων ανά δευτερόλεπτο, ενώ οι ADCs Delta Sigma υψηλότερης ανάλυσης είναι συνήθως ικανοί μόνο για μια χούφτα δειγμάτων ανά δευτερόλεπτο έναν κόσμο μακριά από τους γρήγορους ADC SAR και τους αστραπιαία ADC.

Το MCP3208 είναι ένα ADC 12-bit, με 8 αναλογικά κανάλια. Μπορεί να λειτουργήσει οπουδήποτε μεταξύ 2,7V-5,5V και έχει μέγιστο ρυθμό δειγματοληψίας 100psps.

Η προσθήκη ενός MCP23S17, ενός δημοφιλούς διαστολέα GPIO έχει ως αποτέλεσμα 16 ακίδες GPIO να είναι διαθέσιμες για χρήση.

Βήμα 7: Σχεδιασμός κυκλωμάτων

Το κύκλωμα παροχής ισχύος χρησιμοποιεί δύο διόδους schottky για να παρέχει μια απλή συνάρτηση OR-ing για είσοδο ισχύος. Αυτό δημιουργεί μια μάχη μεταξύ 5V που προέρχεται από τη θύρα USB και ό, τι θέλετε να παρέχετε στην καρφίτσα VIN - ο νικητής της μάχης ηλεκτρονίων βγαίνει στην κορυφή και παρέχει ισχύ στον ρυθμιστή AMS1117. Ένα ταπεινό LED SMD χρησιμεύει ως ένδειξη ότι η ισχύς στην πραγματικότητα αποδίδεται στον υπόλοιπο πίνακα.

Το κύκλωμα διεπαφής USB διαθέτει σφαιρίδιο φερρίτη για να αποτρέψει την αδέσποτη ένδειξη EMI και τα θορυβώδη σήματα ρολογιού να εκπέμπουν προς τα κάτω στον υπολογιστή ενός χρήστη. Οι σειριακές αντιστάσεις στις γραμμές δεδομένων (D+ και D-) παρέχουν βασικό έλεγχο ρυθμού ακμής.

Το ESP8266 χρησιμοποιεί GPIO 0, GPIO 2 και GPIO 15 ως ειδικούς ακροδέκτες εισόδου, διαβάζοντας την κατάστασή τους κατά την εκκίνηση για να καθορίσει εάν θα ξεκινήσει σε λειτουργία προγραμματισμού, κάτι που σας επιτρέπει να επικοινωνείτε μέσω σειριακού προγράμματος για να προγραμματίσετε τη λειτουργία εκκίνησης τσιπ ή flash, η οποία ξεκινά το πρόγραμμά σας Το Τα GPIO 2 και GPIO 15 πρέπει να παραμένουν σε υψηλή λογική και χαμηλή λογική, αντίστοιχα κατά τη διαδικασία εκκίνησης. Εάν το GPIO 0 είναι χαμηλό κατά την εκκίνηση, το ESP8266 εγκαταλείπει τον έλεγχο και σας επιτρέπει να αποθηκεύσετε το πρόγραμμά σας στη μνήμη flash που διασυνδέεται μέσα στη μονάδα. Εάν το GPIO 0 είναι υψηλό, το ESP8266 εκκινεί το τελευταίο πρόγραμμα που είναι αποθηκευμένο στο φλας και είστε έτοιμοι να ξεκινήσετε.

Για το σκοπό αυτό, ο πίνακας dev μας παρέχει διακόπτες εκκίνησης και επαναφοράς, επιτρέποντας στους χρήστες να αλλάξουν την κατάσταση του GPIO 0 και να επαναφέρουν τη συσκευή, για να θέσουν το τσιπ στην επιθυμητή λειτουργία προγραμματισμού. Μια αντίσταση έλξης διασφαλίζει ότι η συσκευή ξεκινά σε κανονική λειτουργία εκκίνησης από προεπιλογή, ξεκινώντας με έναρξη το πιο πρόσφατα αποθηκευμένο πρόγραμμα.

Βήμα 8: Σχεδιασμός και διάταξη PCB

Η διάταξη PCB γίνεται πιο κρίσιμη όταν εμπλέκονται σήματα υψηλής ταχύτητας ή αναλογικά. Τα αναλογικά IC είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε θέματα θορύβου εδάφους. Τα εδάφη έχουν τη δυνατότητα να παρέχουν μια πιο σταθερή αναφορά για τα σήματα που μας ενδιαφέρουν, μειώνοντας τον θόρυβο και τις παρεμβολές που συνήθως προκαλούνται από τους βρόχους γείωσης.

Τα αναλογικά ίχνη πρέπει να διατηρούνται μακριά από ψηφιακά ίχνη υψηλής ταχύτητας, όπως οι διαφορικές γραμμές δεδομένων που αποτελούν μέρος του προτύπου USB. Τα ίχνη διαφορικού σήματος δεδομένων πρέπει να γίνονται όσο το δυνατόν συντομότερα και να ταιριάζουν με το μήκος ίχνους. Αποφύγετε τις στροφές και τις στροφές για να μειώσετε τις αντανακλάσεις και τις παραλλαγές σύνθετης αντίστασης.

Η χρήση μιας διαμόρφωσης αστεριού για παροχή ενέργειας σε συσκευές (αν υποθέσουμε ότι δεν χρησιμοποιείτε ήδη ένα επίπεδο ισχύος) συμβάλλει επίσης στη μείωση του θορύβου εξαλείφοντας τις τρέχουσες διαδρομές επιστροφής.

Βήμα 9: PCB Stack-Up

Ο πίνακας dev μας είναι χτισμένος σε μια στοίβα PCB 4 στρωμάτων, με ένα ειδικό επίπεδο ισχύος και επίπεδο γείωσης.

Η "συσσώρευση" σας είναι η σειρά των επιπέδων στο PCB σας. Η διάταξη των στρωμάτων επηρεάζει τη συμμόρφωση του σχεδιασμού σας με την EMI, καθώς και την ακεραιότητα του σήματος του κυκλώματός σας.

Οι παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά τη συσσώρευση PCB θα περιλαμβάνουν:

1. Ο αριθμός των στρωμάτων
2. Η σειρά των στρωμάτων
3. Διάστημα μεταξύ των στρωμάτων
4. Ο σκοπός κάθε στρώματος (σήμα, επίπεδο κ.λπ.)
5. Πάχος στρώματος
6. Κόστος

Κάθε συσσώρευση έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ένας πίνακας 4 στρωμάτων θα παράγει περίπου 15dB λιγότερη ακτινοβολία από έναν σχεδιασμό 2 στρωμάτων. Οι πίνακες πολλαπλών στρωμάτων είναι πιο πιθανό να διαθέτουν ένα πλήρες επίπεδο γείωσης, μειωμένη σύνθετη αντίσταση εδάφους και θόρυβο αναφοράς.

Βήμα 10: Περισσότερες σκέψεις για τα επίπεδα PCB και την ακεραιότητα σήματος

Τα στρώματα σήματος θα πρέπει ιδανικά να βρίσκονται δίπλα σε επίπεδο ισχύος ή γείωσης, με ελάχιστη απόσταση μεταξύ του επιπέδου σήματος και του αντίστοιχου κοντινού επιπέδου τους. Αυτό βελτιστοποιεί τη διαδρομή επιστροφής σήματος, η οποία περνάει από το επίπεδο αναφοράς.

Τα επίπεδα ισχύος και γείωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία μεταξύ των στρωμάτων ή ως ασπίδες για τα εσωτερικά στρώματα.

Ένα επίπεδο ισχύος και γείωσης, όταν τοποθετηθεί το ένα δίπλα στο άλλο, θα οδηγήσει σε μια χωρητικότητα μεταξύ αεροπλάνων που συνήθως λειτουργεί υπέρ σας. Αυτή η χωρητικότητα κλιμακώνεται με την περιοχή του PCB σας, καθώς και τη διηλεκτρική σταθερά του και είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ των επιπέδων. Αυτή η χωρητικότητα λειτουργεί καλά για την εξυπηρέτηση IC που διαθέτουν πτητικές τρέχουσες απαιτήσεις τροφοδοσίας.

Τα γρήγορα σήματα αποθηκεύονται ιδανικά στα εσωτερικά στρώματα PCB πολλαπλών στρωμάτων, για να περιέχουν το EMI που δημιουργείται από τα ίχνη.

Όσο υψηλότερες είναι οι συχνότητες που αντιμετωπίζονται στον πίνακα, τόσο πιο αυστηρές πρέπει να τηρούνται αυτές οι ιδανικές απαιτήσεις. Τα σχέδια χαμηλής ταχύτητας είναι πιθανό να ξεφύγουν με λιγότερα στρώματα, ή ακόμα και με ένα μόνο επίπεδο, ενώ τα σχέδια υψηλής ταχύτητας και RF απαιτούν πιο περίπλοκο σχεδιασμό PCB με μια πιο στρατηγική συσσώρευση PCB.

Τα σχέδια υψηλής ταχύτητας, για παράδειγμα, είναι πιο επιρρεπή στο φαινόμενο του δέρματος-που είναι η παρατήρηση ότι σε υψηλές συχνότητες, η ροή ρεύματος δεν διεισδύει σε ολόκληρο το σώμα ενός αγωγού, πράγμα που με τη σειρά του σημαίνει ότι υπάρχει μια μειωμένη οριακή χρησιμότητα στην αύξηση το πάχος του χαλκού σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, καθώς ο επιπλέον όγκος του αγωγού δεν θα χρησιμοποιηθεί ούτως ή άλλως. Σε περίπου 100MHz, το βάθος του δέρματος (το πάχος του ρεύματος που ρέει πραγματικά μέσα από τον αγωγό) είναι περίπου 7um, που σημαίνει ακόμη και το τυπικό 1oz. παχιά στρώματα σήματος δεν αξιοποιούνται.

Βήμα 11: Μια δευτερεύουσα σημείωση για τη Vias

Οι Vias σχηματίζουν συνδέσεις μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων ενός πολυστρωματικού PCB.

Οι τύποι των vias που χρησιμοποιούνται θα επηρεάσουν το κόστος παραγωγής PCB. Η κατασκευή τυφλών/θαμμένων κοστίσεων κοστίζει περισσότερο για την κατασκευή παρά μέσω των οπών. Μια διαμπερή οπή μέσω διατρήσεων σε ολόκληρο το PCB, καταλήγοντας στο χαμηλότερο στρώμα. Οι σκασμένες οδοί είναι κρυμμένες στο εσωτερικό και διασυνδέουν μόνο τα εσωτερικά στρώματα, ενώ οι τυφλές μορφές ξεκινούν από τη μία πλευρά του PCB, αλλά τελειώνουν πριν από την άλλη πλευρά. Οι μέσω vias είναι οι φθηνότερες και ευκολότερες στην κατασκευή, οπότε αν βελτιστοποιούνται για οικονομική χρήση μέσω vias.

Βήμα 12: Κατασκευή και συναρμολόγηση PCB

Τώρα που ο πίνακας έχει σχεδιαστεί, θα θέλετε να εξάγετε το σχέδιο ως αρχεία Gerber από το εργαλείο EDA της επιλογής σας και να τα στείλετε σε ένα σπίτι σανίδων για κατασκευή.

Είχα κατασκευάσει τις σανίδες μου από την ALLPCB, αλλά μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε κατάστημα χαρτονιών για κατασκευή. Θα συνιστούσα ανεπιφύλακτα να χρησιμοποιήσετε το PCB Shopper για να συγκρίνετε τις τιμές όταν αποφασίζετε ποια κατοικία θα επιλέξετε για κατασκευή - ώστε να μπορείτε να συγκρίνετε ως προς τις τιμές και τις δυνατότητες.

Ορισμένα από τα σπίτια του σκάφους προσφέρουν επίσης συναρμολόγηση PCB, τα οποία πιθανότατα θα χρειαστείτε εάν θέλετε να εφαρμόσετε αυτόν τον σχεδιασμό, καθώς χρησιμοποιεί ως επί το πλείστον εξαρτήματα SMD και ακόμη και QFN.

Βήμα 13: Αυτό είναι όλο το λαό

Αυτός ο πίνακας ανάπτυξης ονομάζεται "Clouduino Stratus", ένας πίνακας dev βασισμένος σε ESP8266 που σχεδίασα για την επιτάχυνση της διαδικασίας πρωτοτύπωσης για εκκίνηση υλικού/IOT.

Είναι ακόμη μια πολύ πρώιμη επανάληψη του σχεδιασμού, με νέες αναθεωρήσεις να έρχονται σύντομα.

Ελπίζω να μάθατε πολλά από αυτόν τον οδηγό!:ΡΕ

Βήμα 14: Μπόνους: Στοιχεία, Gerbers, Αρχεία Σχεδιασμού και Ευχαριστίες

[Μικροελεγκτής]

1x ESP12F

[Περιφερειακά]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Συνδέσεις και διασύνδεση]

1 x FT231XQ USB σε σειριακό (QFN)

1 x Mini Connector USB-B

2 x 16-pin Γυναικείες/Αρσενικές κεφαλίδες

[Ισχύς] 1 x AMS1117-3.3 Ρυθμιστής (SOT-223-3)

[Οι υπολοιποι]

1 x ECQ10A04-F Dual Schottky Barrier (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

Αντιστάσεις 7 x 10K 1% SMD 0603

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 Αντιστάσεις

Αντίσταση 3 x 270 ohm 1% SMD 0603

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 Αντιστάσεις

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 Πυκνωτής

2 x 10uF 50V SMD 0603 Πυκνωτής

Πυκνωτής 1 x 1uF 50V SMD 0603

2 x 47pF 50V SMD 0603 Πυκνωτής

1 x SMD LED 0603 Πράσινο

1 x SMD LED 0603 Κίτρινο

1 x SMD LED 0603 Μπλε

2 x OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 x Ferrite Bead 600/100mhz SMD 0603

[Ευχαριστίες] Τα γραφήματα ADC είναι ευγενική προσφορά των TI App Notes

Σημείο αναφοράς MCU:

Εικονογραφήσεις PCB: Fineline