Mikrodenetleyicinin İnkişaf etdirmə lövhəsinin hazırlanması: 14 addım (şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:46

Perfboard layihələrindən, DIP IC -lərindən və ev istehsalı PCB -lərdən, taxta evlər tərəfindən hazırlanan və kütləvi istehsala hazır olan SMD qablaşdırmalarından çox qatlı PCB -lərə qədər yüksəlməkdə maraqlı olan bir istehsalçı, hobbi və ya hakersinizmi? Sonra bu təlimat sizin üçündür!

Bu təlimat, nümunə olaraq bir mikrokontrolör inkişaf etdirici lövhəsini istifadə edərək, çox qatlı bir PCB dizaynının necə aparılacağını ətraflı izah edəcəkdir.

Bu dev board üçün sxemlər və PCB düzeni yaratmaq üçün pulsuz və açıq mənbə EDA vasitəsi olan KiCAD 5.0 istifadə etdim.

KiCAD və ya PCB düzeni üçün iş axını ilə tanış deyilsinizsə, Chris Gamellin YouTube -dakı dərsləri başlamaq üçün olduqca yaxşı bir yerdir.

EDIT: Bəzi fotoşəkillər çox yaxınlaşır, tam şəkli görmək üçün görüntüyə vurun:)

Addım 1: Komponent Qablaşdırması haqqında düşünün

Səthə Montaj Cihazları (SMD -lər), yığma prosesini avtomatlaşdıraraq, bir yığma və yerləşdirmə maşını ilə PCB -də yerləşdirilə bilər. Daha sonra, deşik komponentləri varsa, PCB -ni yenidən doldurma sobası və ya dalğa lehimləmə maşını ilə işlədə bilərsiniz.

Kiçik SMD -lərin komponent qurğuları da azalır, bu da əhəmiyyətli dərəcədə aşağı empedans, endüktans və EMI ilə nəticələnir, xüsusən də RF və yüksək tezlikli dizaynlar üçün çox yaxşı bir haldır.

Səthə montaj marşrutu ilə getmək, vibrasiya və mexaniki stress testləri üçün vacib olan mexaniki performansı və möhkəmliyi də yaxşılaşdırır.

Addım 2: Mikro nəzarətçinizi seçin

Arduino və onun törəmələri kimi hər bir mikrokontrolör inkişaf etdirmə lövhəsinin mərkəzində bir mikro nəzarətçi dayanır. Arduino Uno vəziyyətində bu ATmega 328P -dir. Geliştirici lövhəmiz üçün ESP8266 istifadə edəcəyik.

Ucuz kirdir, 80MHz-də işləyir (və 160MHz-də overclock edilə bilər) VƏ quraşdırılmış WiFi alt sisteminə malikdir. Bağımsız bir mikro nəzarətçi olaraq istifadə edildikdə, müəyyən əməliyyatları Arduinodan 170 qat daha sürətli yerinə yetirə bilər.

Addım 3: USB -dən Serial Dönüştürücünüzü seçin

Proqramlarınızı kompüterinizə yükləyə biləcəyiniz üçün bir mikrokontrolörün kompüterinizlə əlaqə qurmaq üçün bir yol lazımdır. Bu, adətən, kompüterinizdəki USB portu tərəfindən istifadə olunan diferensial siqnallar ilə UART kimi serial ünsiyyət qurğuları vasitəsi ilə əksər mikrokontrolörlərdə mövcud olan tək uçlu siqnallar arasında tərcümə ilə məşğul olan xarici bir çip tərəfindən həyata keçirilir.

Bizim vəziyyətimizdə FTDI -dən bir FT230X istifadə edəcəyik. FTDI -dən USB -dən Serial çipləri əksər əməliyyat sistemlərində yaxşı dəstəklənir, buna görə də inkişaf etdirici kartı üçün etibarlı bir bahisdir. Populyar alternativlər (daha ucuz variantlar) SiLabsdan CP2102 və CH340G -dən ibarətdir.

Addım 4: Tənzimləyicinizi seçin

Lövhənin bir yerdən güc almasına ehtiyac olacaq - və əksər hallarda bu gücü xətti bir tənzimləyici IC vasitəsilə təmin etdiyini tapa bilərsiniz. Xətti tənzimləyicilər ucuz, sadədir və keçid rejimi sxemi qədər səmərəli olmasa da, təmiz güc (daha az səs -küy) və asan inteqrasiya təklif edəcək.

AMS1117, əksər inkişaf lövhələrində istifadə olunan ən məşhur xətti tənzimləyici və inkişaf etdirici lövhəmiz üçün də olduqca layiqli bir seçimdir.

Addım 5: Güc və ya Giriş Şemasını seçin

İstifadəçiyə dev kartını USB vasitəsi ilə gücləndirməyə və eyni zamanda lövhədəki sancaqlar vasitəsilə gərginlik girişi təklif etməyə hazırlaşırsınızsa, iki rəqabətli gərginlik arasında seçim etmək lazımdır. Bu, yalnız daha yüksək giriş gərginliyinin keçməsinə və dövrənin qalan hissəsinə güc verməsinə çalışan diodların istifadəsi ilə həyata keçirilir.

Bizim vəziyyətimizdə, bu məqsəd üçün bir paketdə iki schottky diodunu ehtiva edən ikili bir schottky baryeri var.

Addım 6: Periferik çiplərinizi seçin (varsa)

Dev lövhənizin istifadəçilərinə təqdim etdiyi istifadəçiliyi və ya funksiyanı artırmaq üçün seçdiyiniz mikrokontrolörlə interfeysə çiplər əlavə edə bilərsiniz.

Bizim vəziyyətimizdə, ESP8266 yalnız bir analoq giriş kanalına və çox az istifadə edilə bilən GPIO -ya malikdir.

Bunu həll etmək üçün Digital Converter IC -ə xarici bir Analog və GPIO Expander IC əlavə edəcəyik.

Bir ADC seçmək, adətən dönüşüm dərəcəsi və ya sürət və qətnamə arasındakı bir ticarətdir. Daha yüksək qətnamələr daha yaxşı deyil, çünki fərqli nümunə götürmə üsullarından istifadə etdikləri üçün daha yüksək qətnamələri olan çiplər çox vaxt çox yavaş nümunə nisbətlərinə sahib olacaqlar. Tipik SAR ADC-lərinin saniyədə yüz minlərlə nümunəni üstələyən nümunə nisbətləri var, halbuki daha yüksək qətnamə Delta Sigma ADC-ləri, adətən saniyədə yalnız bir ovuc nümunəni-sürətli SAR ADC-lərindən və şimşək sürətli boru kəmərli ADC-lərdən uzaqdır.

MCP3208, 8 analoq kanalı olan 12 bitlik bir ADC-dir. 2.7V-5.5V arasında hər yerdə işləyə bilər və maksimum 100psps nümunə götürmə sürətinə malikdir.

Məşhur bir GPIO genişləndiricisi olan MCP23S17 -nin əlavə edilməsi, 16 GPIO sancağının istifadəyə verilməsi ilə nəticələnir.

Addım 7: Dövrə Dizaynı

Enerji təchizatı dövrəsi, güc girişi üçün sadə bir OR-ing funksiyasını təmin etmək üçün iki schottky diodundan istifadə edir. Bu, USB portundan gələn 5V və VIN pininə vermək istədiyiniz hər şey arasında bir döyüş qurur - elektron döyüşün qalibi üstünə çıxır və AMS1117 tənzimləyicisini enerji ilə təmin edir. Təvazökar bir SMD LED, gücün həqiqətən lövhənin qalan hissəsinə çatdırıldığının bir göstəricisi olaraq xidmət edir.

USB interfeys sxemində EMI -nin və səs -küylü saat siqnallarının istifadəçinin kompüterinə doğru yayılmasının qarşısını almaq üçün bir ferrit boncuk var. Məlumat xətlərindəki seriyalı rezistorlar (D+ və D-) əsas kənar sürət nəzarətini təmin edir.

ESP8266, GPIO 0, GPIO 2 və GPIO 15-ni xüsusi giriş pinləri kimi istifadə edir, proqramlaşdırma rejimində başlamağınızı təyin etmək üçün açılışdakı vəziyyətini oxuyur, bu da proqramınızı işə salan çip və ya flash önyükleme rejimini proqramlaşdırmaq üçün serial üzərindən ünsiyyət qurmağa imkan verir.. GPIO 2 və GPIO 15, açılış zamanı sırasıyla məntiq yüksək və məntiq aşağı səviyyədə qalmalıdır. GPIO 0 açılışda aşağı olarsa, ESP8266 idarəetmədən imtina edir və proqramınızı modul daxilində yerləşən flash yaddaşda saxlamağa imkan verir. GPIO 0 yüksəkdirsə, ESP8266 flaşda saxlanılan son proqramı işə salır və gəzməyə hazırsınız.

Bunun üçün inkişaf etdirici lövhəmiz açılış və sıfırlama açarları təmin edir, istifadəçilərə çipi istədiyiniz proqramlaşdırma rejiminə salmaq üçün GPIO 0 vəziyyətini dəyişməyə və cihazı sıfırlamağa imkan verir. Bir çəkmə müqaviməti, cihazın ən son saxlanılan proqramı işə salaraq standart açılış rejiminə başlamasını təmin edir.

Addım 8: PCB Dizaynı və Layoutu

Yüksək sürətli və ya analoq siqnallar işə salındıqda PCB düzeni daha kritik hala gəlir. Xüsusilə analog IC -lər yerdəki səs -küy problemlərinə həssasdır. Yerdəki təyyarələr, maraq siqnalları üçün daha sabit bir istinad təmin etmək qabiliyyətinə malikdir, ümumiyyətlə torpaq döngələrindən yaranan səs -küy və müdaxiləni azaldır.

Analog izlər, USB standartının bir hissəsi olan fərqli məlumat xətləri kimi yüksək sürətli rəqəmsal izlərdən uzaq tutulmalıdır. Diferensial məlumat siqnal izləri mümkün qədər qısa edilməli və iz uzunluğu uyğun olmalıdır. Yansımaları və empedans varyasyonlarını azaltmaq üçün dönüşlərdən və əyilmələrdən çəkinin.

Cihazlara enerji təmin etmək üçün ulduz konfiqurasiyasından istifadə etmək (artıq bir təyyarə istifadə etmədiyinizi güman etməklə), cari dönüş yollarını aradan qaldıraraq səs -küyü azaltmağa kömək edir.

Addım 9: PCB Stack-Up

Dev boardumuz, xüsusi bir güc təyyarəsi və yer təyyarəsi olan 4 qatlı bir PCB yığını üzərində qurulmuşdur.

Sizin "yığma" PCB-də qatların sırasıdır. Qatların düzülüşü dizaynınızın EMI uyğunluğuna, eləcə də dövrənizin siqnal bütövlüyünə təsir göstərir.

PCB yığımınızda nəzərə alınacaq amillər bunlardır:

1. Qatların sayı
2. Qatların sırası
3. Qatlar arasında boşluq
4. Hər bir təbəqənin məqsədi (siqnal, təyyarə və s.)
5. Qat qalınlığı
6. Qiymət

Hər bir yığımın öz üstünlükləri və mənfi cəhətləri var. 4 qatlı bir lövhə, 2 qatlı bir dizayndan təxminən 15dB daha az radiasiya çıxaracaq. Çox qatlı lövhələrin, yerin empedansını və istinad səs -küyünü azaldan, tam bir yer müstəvisinə malik olma ehtimalı daha yüksəkdir.

Addım 10: PCB qatları və siqnal bütövlüyü üçün daha çox fikir

Siqnal təbəqələri ideal olaraq ya güc və ya yer müstəvisinin yanında olmalı, siqnal təbəqəsi ilə yaxınlıqdakı müvafiq təyyarə arasında minimum məsafə olmalıdır. Bu, istinad təyyarəsindən keçən siqnal geri dönüş yolunu optimallaşdırır.

Güc və yer təyyarələri təbəqələr arasında və ya daxili təbəqələr üçün qalxan kimi istifadə edilə bilər.

Bir güc və yer təyyarəsi, bir -birinin yanında yerləşdirildikdə, adətən sizin xeyrinizə işləyən bir təyyarələrarası kapasitansla nəticələnəcəkdir. Bu tutum, PCB -nin sahəsi və dielektrik sabitliyi ilə ölçülür və təyyarələr arasındakı məsafə ilə tərs mütənasibdir. Bu tutum, uçucu təchizat cari tələblərinə malik IC -lərə xidmət etmək üçün yaxşı işləyir.

İzlərin yaratdığı EMI -ni ehtiva etmək üçün sürətli siqnallar çox qatlı PCB -lərin daxili təbəqələrində ideal şəkildə gizlənir.

Göyərtədə görülən tezliklər nə qədər yüksəkdirsə, bu ideal tələblərə daha ciddi riayət edilməlidir. Aşağı sürət dizaynlarının daha az təbəqə və ya hətta bir təbəqə ilə aradan qalxma ehtimalı var, yüksək sürətli və RF dizaynları daha strateji bir PCB yığımı ilə daha mürəkkəb PCB dizaynı tələb edir.

Yüksək sürətli dizaynlar, məsələn, dəri təsirinə daha çox həssasdır-bu, yüksək tezliklərdə cərəyan axınının bir konduktorun bütün bədəninə nüfuz etməməsinin müşahidə edilməsidir ki, bu da artan marjinal faydanın azalması deməkdir. misin qalınlığı müəyyən bir tezlikdədir, çünki əlavə kondüktör həcmi onsuz da istifadə edilməyəcəkdir. Təxminən 100 MHz -də dəri dərinliyi (əslində konduktordan axan cərəyanın qalınlığı) təxminən 7um -dur, bu da standart 1oz deməkdir. qalın siqnal təbəqələri az istifadə olunur.

Addım 11: Vias haqqında Yan Qeyd

Vias, çox qatlı bir PCB -nin fərqli təbəqələri arasında əlaqə yaradır.

İstifadə olunan vias növləri PCB istehsalının dəyərinə təsir edəcək. Kör/gömülmüş viyasların istehsal dəyəri çuxurdan daha çoxdur. Ən aşağı təbəqədə sona çatan bütün PCB üzərindəki zımbalar vasitəsilə bir deşik. Körüklü viyasalar içəridə gizlənir və yalnız daxili təbəqələri bir -birinə bağlayır, Kor viyadalar isə PCB -nin bir tərəfində başlayır, digər tərəfində isə sona çatır. Çuxurlu viyasalar ən ucuz və istehsal üçün ən asandır, buna görə deşik viyaları vasitəsilə xərclərin istifadəsi üçün optimallaşdırılır.

Addım 12: PCB istehsalı və montajı

Lövhə hazırlandıqdan sonra, dizaynı seçdiyiniz EDA alətindən Gerber faylları olaraq çıxarmaq və istehsal üçün bir taxta evə göndərmək istəyəcəksiniz.

Lövhələrimi ALLPCB tərəfindən hazırladım, ancaq istehsal üçün hər hansı bir taxta mağazasından istifadə edə bilərsiniz. İstehsal üçün hansı taxta evi seçəcəyinizə qərar verərkən qiymətləri müqayisə etmək üçün PCB Shopper -dən istifadə etməyi çox tövsiyə edərdim - buna görə qiymət və qabiliyyət baxımından müqayisə edə bilərsiniz.

Bəzi taxta evlər, əsasən SMD və hətta QFN hissələrindən istifadə etdiyi üçün bu dizaynı həyata keçirmək istəsəniz ehtiyacınız olan PCB Montajını da təklif edir.

Addım 13: Hamısı budur

Bu inkişaf lövhəsi, bir hardware/IOT başlanğıcı üçün prototipləmə prosesini sürətləndirmək üçün hazırladığım ESP8266 əsaslı inkişaf etdirici lövhə "Clouduino Stratus" adlanır.

Dizaynın hələ çox erkən bir iterasiyasıdır, tezliklə yeni düzəlişlər gələcək.

Ümid edirəm bu təlimatdan çox şey öyrəndiniz!: D

Addım 14: Bonus: Komponentlər, Gerbers, Dizayn Dosyaları və Təşəkkürlər

[Mikro nəzarətçi]

1 x ESP12F

[Ətraf qurğular]

1 x MCP23S17 GPIO Genişləndirici (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Bağlayıcılar və İnterfeys]

1 x FT231XQ USB -dən Seriyaya (QFN)

1 x USB-B Mini Konnektoru

2 x 16 pinli Qadın/Kişi başlıqları

[Güc] 1 x AMS1117-3.3 Tənzimləyici (SOT-223-3)

[Digərləri]

1 x ECQ10A04-F İkili Schottky Bariyeri (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 Rezistorlar

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 Rezistorlar

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 Rezistorlar

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 Rezistorlar

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 Kondansatör

2 x 10 uF 50V SMD 0603 Kondansatör

1 x 1 uF 50V SMD 0603 Kondansatör

2 x 47pF 50V SMD 0603 Kondansatör

1 x SMD LED 0603 Yaşıl

1 x SMD LED 0603 Sarı

1 x SMD LED 0603 Mavi

2 x OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 x Ferrit Bead 600/100mhz SMD 0603

[Təşəkkürlər] ADC TI App Notes izni ilə qrafiklər hazırlayır

MCU Benchmark:

PCB illüstrasiyaları: Fineline