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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

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 objasniti kako pristupiti dizajniranju višeslojne PCB -a, koristeći za primjer razvojnu ploču mikrokontrolera.

Koristio sam KiCAD 5.0, besplatni i otvoreni EDA alat, za kreiranje 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 fotografije se 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 mašine za odabir i postavljanje, automatizujući proces montaže. Zatim možete provesti tiskanu ploču kroz pećnicu za ponovno punjenje ili mašinu za lemljenje valova, ako imate i komponente kroz rupe.

Komponentni vodiči za manje SMD -ove su također smanjeni, što rezultira znatno nižom impedansom, induktivnošću i EMI, što je vrlo dobra stvar, posebno za RF i visokofrekventne dizajne.

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

Korak 2: Odaberite svoj mikrokontroler

U srcu 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 podsistem. Kada se koristi kao samostalni mikrokontroler, može izvršavati određene operacije do 170 puta brže od Arduina.

Korak 3: Odaberite svoj USB u serijski pretvarač

Mikrokontroler će trebati neki način za povezivanje s vašim računarom, 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 računaru, 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 sistema, pa je to sigurna opklada za razvojnu ploču. Popularne alternative (jeftinije opcije) uključuju CP2102 iz SiLabsa i CH340G.

Korak 4: Odaberite svog regulatora

Ploča će morati negdje nabaviti napajanje - i u većini slučajeva ćete pronaći ovu snagu putem linearnog IC regulatora. Linearni regulatori su jeftini, jednostavni i iako nisu tako efikasni kao shema sa preklopnim načinom rada, ponudit 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 kola.

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 u interfejs sa 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 GPIO IC ekspander.

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

MCP3208 je 12-bitni ADC, sa 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 kola

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 onoga 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 da zalutala EMI i bučni signali takta dopiru prema korisnikovom računaru. Serijski otpornici na linijama podataka (D+ i D-) pružaju 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 da li će se pokrenuti u načinu programiranja, što vam omogućava da komunicirate serijski za programiranje čip-ili fleš pokretanja, čime se pokreće vaš program. GPIO 2 i GPIO 15 moraju ostati na visokoj logici, a logika na niskoj, tokom procesa pokretanja. Ako je GPIO 0 pri pokretanju nizak, ESP8266 se odriče kontrole i omogućava vam da pohranite svoj program 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, pokretajući najnoviji pohranjeni program.

Korak 8: Dizajn i izgled PCB -a

Raspored PCB -a postaje kritičniji kada se uključe velike brzine ili analogni signali. Posebno su analogni IC osjetljivi na probleme s bukom na tlu. Zemljane ravnine imaju mogućnost pružanja stabilnije reference za signale od interesa, smanjujući buku i smetnje koje obično uzrokuju petlje uzemljenja.

Analogni tragovi moraju se držati dalje od digitalnih tragova velike brzine, poput linija za diferencijalne podatke koji su dio USB standarda. Tragove diferencijalnog signala podataka treba učiniti što kraćim i uskladiti dužinu traga. Izbjegavajte zavoje i vijase kako biste smanjili refleksije i varijacije impedanse.

Korištenje konfiguracije zvjezdice za napajanje uređaja (pod pretpostavkom da već ne koristite ravninu napajanja) također pomaže u smanjenju buke uklanjanjem trenutnih povratnih puteva.

Korak 9: Slaganje PCB-a

Naša razvojna ploča izgrađena je na četveroslojnom PCB -u, s namjenskom ravninom napajanja i ravninom uzemljenja.

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

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, avion itd.)
5. Debljina sloja
6. Cost

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

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

Signalni slojevi bi idealno trebali biti pored energetske ili uzemljene ravnine, s minimalnom udaljenošću između signalnog sloja i njihove odgovarajuće ravni u blizini. Ovo optimizira povratnu putanju signala, koja prolazi kroz referentnu ravninu.

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

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

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 će se vjerojatno izvući s manje slojeva ili čak jednim slojem, dok velike brzine i RF projekti zahtijevaju složeniji dizajn PCB-a sa strateškim povezivanjem PCB-a.

Dizajni velike brzine, na primjer, su podložniji efektu kože-što je zapažanje da pri visokim frekvencijama protok struje ne prodire kroz cijelo tijelo vodiča, što zauzvrat znači da postoji sve manja granična korist za povećanje debljine bakra na određenoj frekvenciji, jer se dodatni volumen vodiča ionako neće iskoristiti. Na oko 100 MHz dubina kože (debljina struje koja zapravo teče kroz vodič) je oko 7um, što znači čak i standardnih 1 oz. debeli signalni slojevi se nedovoljno koriste.

Korak 11: Sporedna napomena o viasima

Vijase stvaraju veze između različitih slojeva višeslojne PCB -a.

Vrste korištenih vija utjecat će na cijenu proizvodnje PCB -a. Slijepe/zakopane vija koštaju više u proizvodnji nego kroz rupe. Prolazna rupa kroz proboje kroz cijelu PCB, završava na najnižem sloju. Udubljene vija su skrivene unutar i samo međusobno povezuju unutrašnje slojeve, dok slijepe vijase počinju s jedne strane PCB -a, ali završavaju prije druge strane. Ventilacijski otvori su najjeftiniji i najjednostavniji za proizvodnju, pa ako optimizirate za troškovnu upotrebu, 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 EDA alata po izboru i poslati ih u upravnu kuću na izradu.

Ja sam svoje ploče proizveo ALLPCB, ali za izradu možete koristiti bilo koju prodavnicu ploča. Toplo bih preporučio korištenje PCB Shopper -a za usporedbu cijena pri odlučivanju koju kuću od ploča odabrati za izradu - kako biste mogli uporediti u pogledu cijena i mogućnosti.

Neke od kuća sa pločama također nude montažu PCB -a, koja 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 ubrzavanje procesa izrade prototipa za pokretanje hardvera/IOT -a.

To je još uvijek 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

[Periferije]

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 konektor

2 x 16-pinski ženski/muški zaglavlja

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

[Ostalo]

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 OMRON BF-3 1000 THT taktni prekidač

1 x Feritna perla 600/100mhz SMD 0603

[Zahvalnice] ADC grafikoni zahvaljujući TI App Notes

MCU Benchmark:

Ilustracije na PCB -u: Fineline