Միկրոհսկիչների զարգացման խորհրդի նախագծում. 14 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:49

Դուք պատրաստող, հոբբի՞ կամ հաքեր եք, ովքեր հետաքրքրված են բարձրացնել տախտակամածի նախագծերը, DIP IC- ները և տնային պատրաստված PCB- ները մինչև բազմաշերտ PCB- ներ, որոնք պատրաստված են տախտակներից և SMD փաթեթավորումներից, որոնք պատրաստ են զանգվածային արտադրության: Ապա այս խրատը ձեզ համար է:

Այս ուղեցույցը մանրամասնորեն կներկայացնի, թե ինչպես կարելի է նախագծել բազմաշերտ PCB ՝ օրինակ օգտագործելով միկրոկառավարիչի մշակման տախտակ:

Այս devboard- ի սխեմաներն ու PCB դասավորությունը ստեղծելու համար ես օգտագործեցի KiCAD 5.0 -ը, որն անվճար և բաց կոդով EDA գործիք է:

Եթե ծանոթ չեք KiCAD- ին կամ PCB- ի դասավորության աշխատանքային գործընթացին, YouTube- ում Chris Gamell- ի ձեռնարկները բավականին լավ տեղ են սկսելու համար:

Խմբագրել. Որոշ լուսանկարներ չափից ավելի են մեծացնում, պարզապես կտտացրեք նկարի վրա ՝ ամբողջական պատկերը տեսնելու համար:)

Քայլ 1. Մտածեք բաղադրիչի փաթեթավորման մասին

Մակերևութային սարքերը (SMDs) կարող են տեղադրվել PCB- ի վրա `ընտրելով և տեղադրելով մեքենայով` ավտոմատացնելով հավաքման գործընթացը: Այնուհետև կարող եք PCB- ն գործարկել վերալիցքավորվող վառարանի կամ ալիքների եռակցման մեքենայի միջոցով, եթե ունեք նաև անցքի բաղադրիչներ:

Կրճատվում են նաև փոքր SMD- ների բաղադրիչների հաղորդումները, ինչը հանգեցնում է զգալիորեն ավելի ցածր դիմադրության, ինդուկտիվության և EMI- ի, ինչը շատ լավ բան է, հատկապես ՌԴ և բարձր հաճախականությունների նախագծերի համար:

Մակերևութային լեռան վրա անցնելը նաև բարելավում է մեխանիկական աշխատանքը և ամրությունը, ինչը կարևոր է թրթռման և մեխանիկական սթրես -թեստավորման համար:

Քայլ 2: Ընտրեք ձեր միկրոկոնտրոլերը

Միկրոկառավարիչների զարգացման յուրաքանչյուր խորհրդի հիմքում, ինչպես Arduino- ն և դրա ածանցյալները, միկրոկոնտրոլերն է: Arduino Uno- ի դեպքում սա ATmega 328P- ն է: Մեր dev board- ի համար մենք կօգտագործենք ESP8266- ը:

Այն կեղտոտ էժան է, աշխատում է 80 ՄՀց հաճախականությամբ (և գերլարվում է մինչև 160 ՄՀց) և ունի ներկառուցված WiFi ենթահամակարգ: Երբ օգտագործվում է որպես անկախ միկրոկոնտրոլեր, այն կարող է որոշակի գործողություններ կատարել մինչև 170 անգամ ավելի արագ, քան Arduino- ն:

Քայլ 3: Ընտրեք ձեր USB սերիական փոխարկիչը

Միկրոկոնտրոլերին անհրաժեշտ կլինի ձեր համակարգչի հետ ինտերֆեյսի ինչ -որ միջոց, այնպես որ կարող եք բեռնել ձեր ծրագրերը դրա վրա: Դա սովորաբար կատարվում է արտաքին չիպի միջոցով, որը հոգ է տանում ձեր համակարգչում USB պորտի կողմից օգտագործվող դիֆերենցիալ ազդանշանների և միկրոկոնտրոլերների մեծամասնության վրա հասանելի միակողմանի ազդանշանների միջև ՝ իրենց սերիական հաղորդակցության ծայրամասային սարքերի միջոցով, ինչպես UART- ը:

Մեր դեպքում մենք կօգտագործենք FTDI- ի FT230X- ը: FTDI- ի USB- ից Serial չիպերը հակված են լավ աջակցել օպերացիոն համակարգերի մեծ մասում, ուստի դա անվտանգ խաղադրույք է dev տախտակի համար: Հանրաճանաչ այլընտրանքները (ավելի էժան տարբերակներ) ներառում են SiLabs- ի CP2102- ը և CH340G- ը:

Քայլ 4: Ընտրեք ձեր կարգավորիչը

Խորհուրդը պետք է ինչ -որ տեղ էլեկտրաէներգիա ստանա, և շատ դեպքերում դուք կգտնեք այս հզորությունը, որը տրամադրվում է գծային կարգավորիչ IC- ի միջոցով: Գծային կարգավորիչները էժան են, պարզ և չնայած արդյունավետ չեն, քանի որ անջատված ռեժիմը, կառաջարկեն մաքուր էներգիա (ավելի քիչ աղմուկ) և հեշտ ինտեգրում:

AMS1117- ը ամենահայտնի գծային կարգավորիչն է, որն օգտագործվում է շատ dev տախտակներում, և բավականին արժանապատիվ ընտրություն նաև մեր dev board- ի համար:

Քայլ 5. Ընտրեք ձեր հզորության կամ միացման սխեման

Եթե դուք թույլ եք տալիս օգտվողին միացնել dev տախտակը USB- ի միջոցով, ինչպես նաև առաջարկել լարման մուտքագրում տախտակի վրայի կապանքներից մեկի միջոցով, ձեզ հարկավոր կլինի երկու մրցակից լարման միջև ընտրություն կատարելու միջոց: Դա ամենից պարզ իրագործվում է դիոդների օգտագործման միջոցով, որոնք աշխատում են թույլ տալու միայն ավելի բարձր մուտքային լարման անցնել և սնուցել մնացած միացում:

Մեր դեպքում մենք ունենք երկակի schottky պատնեշ, որը ներառում է երկու schottky դիոդներ մեկ փաթեթի վրա `հենց այդ նպատակով:

Քայլ 6: Ընտրեք ձեր ծայրամասային չիպերը (եթե այդպիսիք կան)

Դուք կարող եք չիպսեր ավելացնել ձեր ընտրած միկրոկառավարիչի հետ ինտերֆեյսի մեջ `ձեր dev board- ն իր օգտագործողներին օգտագործելիության կամ ֆունկցիոնալության բարձրացման համար:

Մեր դեպքում ESP8266- ն ունի միայն մեկ անալոգային մուտքային ալիք և շատ քիչ օգտագործվող GPIO- ներ:

Սրա լուծման համար մենք արտաքին անալոգ կավելացնենք թվային փոխարկիչի IC- ին և GPIO Expander IC- ին:

ADC- ի ընտրությունը սովորաբար փոխզիջում է փոխակերպման փոխարժեքի կամ արագության և լուծման միջև: Ավելի բարձր բանաձևերը պարտադիր չէ, որ ավելի լավը լինեն, քանի որ ավելի բարձր թույլատրելիությամբ չիպսերը, որոնք օգտագործում են ընտրանքի տարբեր տեխնիկա, հաճախ կունենան ընտրանքի շատ դանդաղ տեմպեր: Սովորական SAR ADC- ների ընտրանքային դրույքաչափերը գերազանցում են հարյուր հազարավոր նմուշներ մեկ վայրկյանում, մինչդեռ ավելի բարձր լուծաչափով Delta Sigma ADC- ները սովորաբար ունակ են միայն մեկ վայրկյանում մի բուռ նմուշ աշխարհի արագ հեռավորությամբ SAR ADC- երից և կայծակնային արագությամբ ADC- ներից:

MCP3208- ը 12-բիթանոց ADC է ՝ 8 անալոգային ալիքով: Այն կարող է աշխատել ցանկացած վայրում 2.7V-5.5V միջակայքում և ունի առավելագույն նմուշառման արագություն 100 kps / վրկ:

MCP23S17- ի ՝ GPIO- ի հանրաճանաչ ընդլայնման արդյունքում 16 GPIO կապում հասանելի են դառնում օգտագործման համար:

Քայլ 7: Շղթայի ձևավորում

Էլեկտրաէներգիայի մատակարարման սխեման օգտագործում է երկու schottky դիոդ `էներգիայի մուտքի համար պարզ OR-ing գործառույթ ապահովելու համար: Սա պայքարում է 5V- ի միջև, որը գալիս է USB պորտից, և այն, ինչ ցանկանում եք տրամադրել VIN կապին, էլեկտրոնային պայքարում հաղթողը դուրս է գալիս և սնուցում է AMS1117 կարգավորիչին: Խոնարհ SMD LED- ն ծառայում է որպես ցուցիչ, որ ուժը փաստացի մատակարարվում է մնացած տախտակին:

USB ինտերֆեյսի միացումն ունի ֆերիտե հատիկ, որը կանխում է թափառող EMI- ի և ժամացույցի աղմկոտ ազդանշանների ճառագայթումը դեպի օգտվողի համակարգիչ: Տվյալների գծերի (D+ և D-) շարքի դիմադրողները ապահովում են եզրերի արագության հիմնական վերահսկում:

ESP8266- ն օգտագործում է GPIO 0, GPIO 2 և GPIO 15 որպես հատուկ մուտքագրման պիններ, որոնք կարդում են բեռնման ժամանակ նրանց վիճակը `որոշելու, թե արդյոք ծրագրավորման ռեժիմում սկսել, ինչը թույլ է տալիս սերիայի միջոցով հաղորդակցվել չիպի կամ ֆլեշ բեռնման ռեժիմի հետ, որը գործարկում է ձեր ծրագիրը:. Բեռնման ընթացքում GPIO 2 -ը և GPIO 15 -ը պետք է համապատասխանաբար մնան տրամաբանական բարձր մակարդակում, իսկ տրամաբանությունը `ցածր: Եթե GPIO 0 -ը ցածր է բեռնման ժամանակ, ESP8266- ը հրաժարվում է վերահսկողությունից և թույլ է տալիս ձեր ծրագիրը պահել մոդուլում միացված ֆլեշ հիշողության մեջ: Եթե GPIO 0 -ը բարձր է, ESP8266- ը գործարկում է ֆլեշում պահված վերջին ծրագիրը, և դուք պատրաստ եք գլորվել:

Այդ նպատակով մեր dev board- ն ապահովում է բեռնման և վերակայման անջատիչներ ՝ թույլ տալով օգտվողներին միացնել GPIO 0 վիճակը և վերականգնել սարքը ՝ չիպը ծրագրավորման ցանկալի ռեժիմի մեջ դնելու համար: Ձգվող դիմադրությունը երաշխավորում է, որ սարքը լռելյայն գործարկվում է նորմալ բեռնման ռեժիմի ՝ մեկնարկելով ամենավերջին պահված ծրագիրը:

Քայլ 8: PCB- ի ձևավորում և դասավորություն

PCB- ի դասավորությունը դառնում է ավելի կրիտիկական, երբ միանում են բարձր արագության կամ անալոգային ազդանշաններին: Հատկապես անալոգային IC- ն զգայուն են գետնի աղմուկի խնդիրների նկատմամբ: Roundամաքային ինքնաթիռները հնարավորություն ունեն ավելի կայուն տեղեկանք տալ հետաքրքրության ազդանշանների համար `նվազեցնելով աղմուկը և միջամտությունը, որոնք սովորաբար առաջանում են գրունտային հանգույցներից:

Անալոգային հետքերը պետք է հեռու պահվեն բարձր արագությամբ թվային հետքերից, ինչպիսիք են USB ստանդարտի մաս կազմող տվյալների դիֆերենցիալ գծերը: Տվյալների դիֆերենցիալ ազդանշանների հետքերը պետք է հնարավորինս կարճ լինեն և պետք է համապատասխանեն հետքի երկարությանը: Խուսափեք շրջադարձերից և վիասներից `արտացոլանքներն ու դիմադրության տատանումները նվազեցնելու համար:

Սարքերին էներգիա ապահովելու համար աստղի կոնֆիգուրացիայի օգտագործումը (ենթադրելով, որ դուք արդեն չեք օգտագործում էներգիայի հարթությունը) նույնպես օգնում է նվազեցնել աղմուկը `վերացնելով ընթացիկ վերադարձի ուղիները:

Քայլ 9: PCB Stack-Up

Մեր devboard- ը կառուցված է 4 շերտանի PCB- ի վրա, հատուկ հզորության և գետնի հարթությամբ:

Ձեր «կուտակումը» ձեր PCB- ի շերտերի կարգն է: Շերտերի դասավորությունը ազդում է ձեր նախագծման EMI- ի համապատասխանության վրա, ինչպես նաև ձեր սխեմայի ազդանշանի ամբողջականության վրա:

Ձեր PCB- ի հավաքման ընթացքում հաշվի առնելու գործոնները ներառում են.

1. Շերտերի քանակը
2. Շերտերի կարգը
3. Շերտերի միջև ընկած հատվածը
4. Յուրաքանչյուր շերտի նպատակը (ազդանշան, հարթություն և այլն)
5. Շերտի հաստությունը
6. Արժեք

Յուրաքանչյուր հավաքածու ունի իր առավելություններն ու թերությունները: 4 շերտանի տախտակը մոտ 15 դԲ ավելի քիչ ճառագայթում կարտադրի, քան երկշերտ դիզայնը: Բազմաշերտ տախտակներն ավելի հավանական է, որ ունենան ստորգետնյա ամբողջական հարթություն, նվազեցնեն գրունտի դիմադրողականությունը և հղման աղմուկը:

Քայլ 10. PCB շերտերի և ազդանշանների ամբողջականության վերաբերյալ ավելի շատ նկատառումներ

Ազդանշանային շերտերը իդեալականորեն պետք է լինեն կամ հզորության, կամ ստորերկրյա հարթության կողքին ՝ ազդանշանի շերտի և դրանց համապատասխան մոտակայքի միջև նվազագույն հեռավորությամբ: Սա օպտիմալացնում է ազդանշանի վերադարձի ուղին, որն անցնում է տեղեկատու հարթությամբ:

Էլեկտրական և գրունտային հարթությունները կարող են օգտագործվել շերտերի միջև պաշտպանություն ապահովելու համար, կամ որպես ներքին շերտերի վահան:

Հզորության և ստորգետնյա հարթությունը, երբ տեղադրվում են միմյանց կողքին, կհանգեցնի միջմոլորակային հզորության, որը սովորաբար աշխատում է ձեր օգտին: Այս հզորությունը կշռում է ձեր PCB- ի տարածքի, ինչպես նաև դրա դիէլեկտրական կայունության հետ և հակադարձ համեմատական է ինքնաթիռների միջև եղած հեռավորությանը: Այս հզորությունը լավ է ծառայում այն IC- ներին, որոնք ունեն մատակարարման անկայուն ընթացիկ պահանջներ:

Արագ ազդանշանները իդեալականորեն տեղադրվում են բազմաշերտ PCB- ների ներքին շերտերում `պարունակելու հետքերով առաջացած EMI- ն:

Որքան բարձր են տախտակի վրա հաճախականությունները, այնքան ավելի խիստ պետք է պահպանվեն այդ իդեալական պահանջները: Speedածր արագության նմուշները, ամենայն հավանականությամբ, կհեռանան ավելի քիչ շերտերով կամ նույնիսկ մեկ շերտով, մինչդեռ բարձր արագությամբ և ՌԴ դիզայնով անհրաժեշտ է ավելի բարդ PCB ձևավորում ՝ ավելի ռազմավարական PCB- ի կուտակումով:

Բարձր արագության նմուշները, օրինակ, ավելի զգայուն են մաշկի ազդեցության նկատմամբ, ինչը դիտարկումն է, որ բարձր հաճախականությունների դեպքում հոսանքի հոսքը չի ներթափանցում դիրիժորի ամբողջ մարմնով, ինչը, իր հերթին, նշանակում է, որ աճող նվազող օգտակարությունը նվազում է: պղնձի հաստությունը որոշակի հաճախականությամբ, քանի որ հաղորդիչի լրացուցիչ ծավալն ամեն դեպքում չի օգտագործվի: Մոտ 100 ՄՀց հաճախականությամբ մաշկի խորությունը (հոսանքի հաստությունը, որն իրականում հոսում է հաղորդիչի միջով) կազմում է մոտ 7um, ինչը նշանակում է նույնիսկ ստանդարտ 1oz: ազդանշանային հաստ շերտերը քիչ են օգտագործվում:

Քայլ 11: Կողքի նշում Vias- ի վերաբերյալ

Vias- ն կապեր է ստեղծում բազմաշերտ PCB- ի տարբեր շերտերի միջև:

Օգտագործված vias- ի տեսակները կազդեն PCB- ի արտադրության արժեքի վրա: Կույր/այրված վիզաների արտադրությունն ավելի թանկ արժե, քան անցքերի միջոցով: Ամբողջ PCB- ի միջոցով բռունցքների միջոցով անցք, որն ավարտվում է ամենացածր շերտով: Կեղտոտ վիասները թաքնված են ներսում և փոխկապակցում են միայն ներքին շերտերը, մինչդեռ կույր վիրուսները սկսվում են PCB- ի մի կողմից, բայց ավարտվում են մյուս կողմից առաջ: Միջոցով անցքերն ամենաէժանն ու ամենահեշտն են արտադրվում, ուստի եթե օպտիմիզացված են ծախսերի օգտագործման համար անցքերի միջոցով:

Քայլ 12: PCB- ի պատրաստում և հավաքում

Այժմ, երբ տախտակը նախագծվել է, դուք կցանկանաք դիզայնը թողնել որպես Gerber ֆայլեր ձեր նախընտրած EDA գործիքից և դրանք ուղարկել տախտակամած `պատրաստման համար:

Ես ունեի ALLPCB- ի կողմից պատրաստված իմ տախտակները, բայց դուք կարող եք օգտագործել ցանկացած տախտակի խանութ ՝ պատրաստման համար: Ես բարձր խորհուրդ կտայի օգտագործել PCB Shopper- ը ՝ գները համեմատելու համար, երբ որոշում եք, թե որ տախտակն է ընտրել արտադրության համար, այնպես որ կարող եք համեմատել գների և հնարավորությունների առումով:

Խորհրդի որոշ տներ առաջարկում են նաև PCB հավաքում, որը, ամենայն հավանականությամբ, ձեզ անհրաժեշտ կլինի, եթե ցանկանում եք իրականացնել այս դիզայնը, քանի որ այն օգտագործում է հիմնականում SMD և նույնիսկ QFN մասեր:

Քայլ 13: Դա բոլորն են:

Developmentարգացման այս տախտակը կոչվում է «Clouduino Stratus», ESP8266- ի վրա հիմնված dev board, որը ես նախագծել եմ ապարատային/IOT գործարկման համար նախատիպավորման գործընթացը արագացնելու համար:

Դա դեռևս դիզայնի վաղաժամ կրկնում է ՝ շուտով նոր վերանայումներով:

Հուսով եմ, որ դուք շատ բան սովորեցիք այս ուղեցույցից:: D

Քայլ 14. Բոնուս. Բաղադրիչներ, Gerbers, դիզայնի ֆայլեր և շնորհակալագրեր

[Միկրոկոնտրոլեր]

1x ESP12F

[Ծայրամասային սարքեր]

1 x MCP23S17 GPIO ընդլայնիչ (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Միակցիչներ և միջերես]

1 x FT231XQ USB սերիալ (QFN)

1 x USB-B մինի միակցիչ

2 x 16-փին Իգական/արական վերնագրեր

[Հզորություն] 1 x AMS1117-3.3 կարգավորիչ (SOT-223-3)

[Մյուսները]

1 x ECQ10A04-F երկակի Schottky պատնեշ (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 դիմադրիչներ

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 դիմադրիչներ

3 x 270 օմ 1% SMD 0603 դիմադրիչներ

2 x 470 օմ 1% SMD 0603 դիմադրիչներ

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 կոնդենսատոր

2 x 10uF 50V SMD 0603 կոնդենսատոր

1 x 1uF 50V SMD 0603 կոնդենսատոր

2 x 47pF 50V SMD 0603 կոնդենսատոր

1 x SMD LED 0603 Կանաչ

1 x SMD LED 0603 Դեղին

1 x SMD LED 0603 Կապույտ

2 x OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 x Ferrite Bead 600/100mhz SMD 0603

[Շնորհակալություններ] ADC- ի գծապատկերները ՝ TI App Notes- ի շնորհիվ

MCU հենանիշ ՝

PCB պատկերազարդումներ