طراحی یک هیئت توسعه میکروکنترلر: 14 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

آیا شما سازنده ، سرگرم کننده یا هکری هستید که علاقه مند به پیشرفت در پروژه های ورق ورق ، IC های DIP و PCB های خانگی به PCB های چند لایه ساخته شده توسط خانه های تخته ای و بسته بندی SMD آماده تولید انبوه هستید؟ سپس این دستورالعمل برای شما مناسب است!

این راهنما نحوه طراحی یک PCB چند لایه را با استفاده از یک برد توسعه دهنده میکروکنترلر به عنوان مثال توضیح می دهد.

من از KiCAD 5.0 ، که یک ابزار EDA رایگان و منبع باز است ، برای ایجاد شماتیک و طرح PCB برای این برد توسعه استفاده کردم.

اگر با KiCAD یا نحوه کار برای طرح PCB آشنا نیستید ، آموزشهای کریس گامل در YouTube مکان خوبی برای شروع است.

ویرایش: برخی از عکس ها بیش از حد بزرگنمایی می کنند ، فقط برای مشاهده تصویر کامل روی تصویر کلیک کنید:)

مرحله 1: درباره بسته بندی قطعات فکر کنید

دستگاههای Surface Mount (SMD) را می توان بر روی PCB توسط دستگاه انتخاب و مکان قرار داد و فرآیند مونتاژ را خودکار کرد. سپس می توانید PCB را از طریق اجاق گاز یا دستگاه لحیم کاری موج اجرا کنید ، در صورتی که اجزای سوراخ را نیز دارید.

خطوط اجزای SMD های کوچکتر نیز کاهش می یابد ، در نتیجه امپدانس ، سلف و EMI بسیار کمتری ایجاد می شود ، که بسیار خوب است ، به ویژه برای طرح های RF و فرکانس بالا.

رفتن به مسیر نصب روی سطح ، عملکرد مکانیکی و ناهمواری را نیز بهبود می بخشد ، که برای آزمایش ارتعاش و استرس مکانیکی مهم است.

مرحله 2: میکروکنترلر خود را انتخاب کنید

در قلب هر برد توسعه میکروکنترلر ، مانند آردوینو و مشتقات آن ، یک میکروکنترلر قرار دارد. در مورد Arduino Uno ، این ATmega 328P است. برای تابلوی توسعه ، از ESP8266 استفاده خواهیم کرد.

ارزان است ، 80 مگاهرتز کار می کند (و قابل overclockable تا 160 مگاهرتز است) و دارای زیر سیستم WiFi است. هنگامی که به عنوان میکروکنترلر مستقل استفاده می شود ، می تواند عملیات خاصی را تا 170 برابر سریعتر از آردوینو اجرا کند.

مرحله 3: تبدیل USB به سریال خود را انتخاب کنید

یک میکروکنترلر به روشی نیاز دارد تا با رایانه شما ارتباط برقرار کند ، بنابراین می توانید برنامه های خود را بر روی آن بارگذاری کنید. این امر معمولاً توسط یک تراشه خارجی انجام می شود ، که مراقبت از ترجمه بین سیگنال های دیفرانسیل مورد استفاده درگاه USB در رایانه شما و سیگنال های تک انتهایی است که در اکثر میکروکنترلرها از طریق وسایل جانبی ارتباطی سری آنها ، مانند UART ، در دسترس است.

در مورد ما ، ما از FT230X ، از FTDI استفاده می کنیم. تراشه های USB به Serial از FTDI در اکثر سیستم عامل ها به خوبی پشتیبانی می شوند ، بنابراین این یک گزینه مطمئن برای یک تخته توسعه دهنده است. جایگزین های محبوب (گزینه های ارزان تر) شامل CP2102 از SiLabs و CH340G است.

مرحله 4: تنظیم کننده خود را انتخاب کنید

هیئت مدیره باید از جایی به برق برسد - و در بیشتر موارد این قدرت را از طریق IC تنظیم کننده خطی پیدا می کنید. رگولاتورهای خطی ارزان ، ساده هستند و اگرچه به اندازه طرح حالت سوئیچ کارآمد نیستند ، اما قدرت پاکیزه (نویز کمتر) و یکپارچگی آسان را ارائه می دهند.

AMS1117 محبوب ترین تنظیم کننده خطی است که در بیشتر تخته های dev استفاده می شود و همچنین انتخاب مناسبی برای برد dev ما است.

مرحله 5: طرح قدرت یا ورود خود را انتخاب کنید

اگر می خواهید به کاربر اجازه دهید dev board را از طریق USB تغذیه کند و همچنین ورودی ولتاژ را از طریق یکی از پین های روی برد ارائه دهید ، به راهی برای انتخاب بین دو ولتاژ رقیب نیاز خواهید داشت. این امر به سادگی با استفاده از دیودها انجام می شود ، که باعث می شود تنها ولتاژ ورودی بالاتر عبور کرده و بقیه مدار را تغذیه کند.

در مورد ما ، ما یک مانع دوگانه schottky داریم که شامل دو دیود schottky در یک بسته واحد برای همین منظور است.

مرحله 6: تراشه های جانبی خود را انتخاب کنید (در صورت وجود)

می توانید تراشه هایی را به رابط کاربری با میکروکنترلر انتخابی خود اضافه کنید تا قابلیت استفاده یا عملکردی که برد برنامه شما به کاربران خود ارائه می دهد افزایش یابد.

در مورد ما ، ESP8266 فقط یک کانال ورودی آنالوگ واحد دارد و تعداد کمی GPIO قابل استفاده دارد.

برای حل این مشکل ، ما یک Analog خارجی به IC Converter IC و یک IC GPIO Expander اضافه می کنیم.

انتخاب ADC معمولاً یک معامله بین نرخ تبدیل یا سرعت و وضوح است. وضوح بالاتر لزوماً بهتر نیست ، زیرا تراشه هایی که وضوح بالاتری دارند ، زیرا از تکنیک های نمونه گیری متفاوت استفاده می کنند ، اغلب دارای سرعت نمونه بسیار کند هستند. نمونه های SAR معمولی دارای نرخ نمونه بیش از صدها هزار نمونه در ثانیه هستند ، در حالی که ADC های Delta Sigma با وضوح بالاتر معمولاً تنها قادرند تعداد انگشت شماری از نمونه ها را در یک ثانیه در جهان دور از ADC های سریع SAR و ADC های سریع رعد و برق داشته باشند.

MCP3208 یک ADC 12 بیتی با 8 کانال آنالوگ است. این دستگاه می تواند در هر نقطه بین 2.7V-5.5V کار کند و حداکثر سرعت نمونه برداری آن 100kps است.

افزودن MCP23S17 ، یک گسترش دهنده GPIO محبوب ، 16 پین GPIO را برای استفاده در دسترس قرار می دهد.

مرحله 7: طراحی مدار

مدار انتقال نیرو از دو دیود schottky برای ارائه عملکرد OR-ing ساده برای ورودی برق استفاده می کند. این یک نبرد بین 5 ولت از پورت USB و هر چیزی که می خواهید به پین VIN ارائه دهید ، ایجاد می کند - برنده نبرد الکترون ها برنده می شود و قدرت تنظیم کننده AMS1117 را تامین می کند. یک LED SMD متواضع به عنوان یک نشانگر این است که قدرت در واقع به بقیه برد منتقل می شود.

مدار رابط USB دارای یک مهره فریت است تا مانع از تابش EMI سرگردان و سیگنال های ساعت پر سر و صدا به سمت کامپیوتر کاربر شود. مقاومتهای سری در خطوط داده (D+ و D-) کنترل نرخ لبه اولیه را ارائه می دهند.

ESP8266 از GPIO 0 ، GPIO 2 و GPIO 15 به عنوان پین های ورودی ویژه استفاده می کند و هنگام راه اندازی وضعیت آنها را می خواند تا مشخص شود که در حالت برنامه نویسی شروع به کار کند یا خیر ، که به شما امکان می دهد از طریق سریال برای برنامه ریزی حالت بوت تراشه یا فلش ، که برنامه شما را راه اندازی می کند ، ارتباط برقرار کنید. به GPIO 2 و GPIO 15 باید در مرحله بوت به ترتیب در منطق بالا و منطق پایین باقی بمانند. اگر GPIO 0 در هنگام راه اندازی کم باشد ، ESP8266 کنترل را واگذار کرده و به شما امکان می دهد برنامه خود را در حافظه فلش که در داخل ماژول قرار دارد ذخیره کنید. اگر GPIO 0 زیاد است ، ESP8266 آخرین برنامه ذخیره شده در فلش را راه اندازی می کند و شما آماده اجرا هستید.

برای این منظور ، صفحه dev ما سوئیچ های راه اندازی و تنظیم مجدد را فراهم می کند و به کاربران اجازه می دهد تا وضعیت GPIO 0 را تغییر داده و دستگاه را ریست کنند تا تراشه را در حالت برنامه نویسی مورد نظر قرار دهد. یک مقاومت کششی تضمین می کند که دستگاه به طور پیش فرض به حالت بوت معمولی راه می یابد و برنامه ای را که اخیراً ذخیره شده است را شروع می کند.

مرحله 8: طراحی و چیدمان PCB

هنگامی که سیگنالهای سرعت بالا یا آنالوگ درگیر می شوند ، طرح PCB اهمیت بیشتری پیدا می کند. IC های آنالوگ به ویژه به مسائل مربوط به نویز زمین حساس هستند. هواپیماهای زمینی می توانند مرجع پایدارتری برای سیگنالهای مورد نظر ارائه دهند و سر و صدا و تداخل را که معمولاً توسط حلقه های زمین ایجاد می شود ، کاهش دهند.

آثار آنالوگ باید از آثار دیجیتالی با سرعت بالا ، مانند خطوط داده های دیفرانسیل که بخشی از استاندارد USB هستند ، دور نگه داشته شوند. ردپای سیگنال داده های تفاضلی باید تا حد امکان کوتاه ساخته شود و باید با طول ردیف مطابقت داشته باشد. برای کاهش بازتاب ها و تغییرات امپدانس از پیچ و خم و پرهیز کنید.

استفاده از پیکربندی ستاره ای برای تأمین برق دستگاه ها (با فرض اینکه در حال حاضر از هواپیمای قدرت استفاده نمی کنید) همچنین با حذف مسیرهای برگشت فعلی ، به کاهش نویز کمک می کند.

مرحله 9: جمع آوری PCB

هیئت مدیره dev ما بر روی یک پشته 4 لایه PCB ، با یک هواپیمای قدرت اختصاصی و صفحه زمین ساخته شده است.

"جمع کردن" شما ترتیب لایه ها در PCB شما است. چیدمان لایه ها بر سازگاری EMI طراحی شما و همچنین یکپارچگی سیگنال مدار شما تأثیر می گذارد.

عواملی که در تجمیع PCB باید در نظر بگیرید شامل موارد زیر است:

1. تعداد لایه ها
2. ترتیب لایه ها
3. فاصله بین لایه ها
4. هدف از هر لایه (سیگنال ، صفحه و غیره)
5. ضخامت لایه
6. هزینه

هر مجموعه ای مزایا و معایب خاص خود را دارد. یک تخته 4 لایه نسبت به یک طرح 2 لایه تقریباً 15 دسی بل تشعشع کمتری تولید می کند. تخته های چند لایه بیشتر دارای سطح کامل زمین ، کاهش امپدانس زمین و سر و صدای مرجع هستند.

مرحله 10: ملاحظات بیشتر برای لایه های PCB و یکپارچگی سیگنال

لایه های سیگنال در حالت ایده آل باید در کنار یک صفحه قدرت یا زمین قرار داشته باشند و حداقل فاصله بین لایه سیگنال و صفحه نزدیک آنها وجود داشته باشد. این امر مسیر بازگشت سیگنال را که از سطح مرجع عبور می کند بهینه می کند.

از صفحات قدرت و زمین می توان برای محافظت بین لایه ها یا به عنوان سپر برای لایه های داخلی استفاده کرد.

یک صفحه قدرت و زمین ، وقتی در کنار یکدیگر قرار گیرند ، خازنی بین هواپیما را ایجاد می کند که معمولاً به نفع شما عمل می کند. این خازن با مساحت PCB شما و همچنین ثابت دی الکتریک آن مقیاس دارد و با فاصله بین صفحات متناسب است. این خازن برای سرویس دهی به IC هایی که دارای نیازهای جریان فرار هستند ، خوب کار می کند.

سیگنال های سریع به طور ایده آل در لایه های داخلی PCB های چند لایه ذخیره می شوند تا EMI تولید شده توسط آثار را در خود جای دهند.

هرچه فرکانس های مورد استفاده در برد بیشتر باشد ، این الزامات ایده آل باید شدیدتر دنبال شود. طرح های با سرعت پایین به احتمال زیاد با لایه های کمتر یا حتی یک لایه از بین می روند ، در حالی که سرعت بالا و طرح های RF نیاز به طراحی پیچیده تر PCB با تجمع PCB استراتژیک تر دارد.

به عنوان مثال ، طراحی های با سرعت بالا بیشتر مستعد اثر پوستی هستند-این مشاهده این است که در فرکانس های بالا ، جریان جریان در تمام بدن یک هادی نفوذ نمی کند ، که به نوبه خود به این معنی است که از مزایای حاشیه ای کاسته می شود. ضخامت مس در فرکانس خاصی ، زیرا به هر حال از حجم اضافی هادی استفاده نمی شود. در حدود 100 مگاهرتز ، عمق پوست (ضخامت جریانی که در واقع از طریق رسانا عبور می کند) حدود 7um است ، که به معنی حتی 1oz استاندارد است. لایه های ضخیم سیگنال کم استفاده می شوند.

مرحله 11: یک یادداشت جانبی در مورد Vias

Vias ارتباطاتی بین لایه های مختلف یک PCB چند لایه ایجاد می کند.

انواع ویزای مورد استفاده بر هزینه تولید PCB تأثیر می گذارد. هزینه ساخت ویزای کور/شکسته بیشتر از ویزای حفره ای است. یک سوراخ از طریق مشت در سراسر PCB ، در پایین ترین لایه خاتمه می یابد. ویاهای شکسته در داخل پنهان شده و فقط لایه های داخلی را به هم متصل می کنند ، در حالی که ویاهای کور از یک طرف PCB شروع می شوند اما قبل از طرف دیگر خاتمه می یابند. ویاس های حفره ای ارزان ترین و آسان ترین روش های تولید هستند ، بنابراین اگر از نظر هزینه از طریق ویازهای حفره ای بهینه سازی شده اند.

مرحله 12: ساخت و مونتاژ PCB

اکنون که صفحه طراحی شده است ، می خواهید طرح را به صورت فایل Gerber از ابزار EDA انتخابی خود خارج کنید و آنها را برای ساخت به یک خانه هیئت مدیره ارسال کنید.

من تخته هایم را ALLPCB ساختم ، اما شما می توانید از هر تخته فروشی برای ساخت استفاده کنید. من به شدت توصیه می کنم از PCB Shopper برای مقایسه قیمت هنگام تصمیم گیری در مورد انتخاب کدام خانه هیئت مدیره برای ساخت استفاده کنید - بنابراین می توانید از نظر قیمت و قابلیت مقایسه کنید.

برخی از خانه های هیئت مدیره همچنین مونتاژ PCB را ارائه می دهند ، که اگر بخواهید این طرح را پیاده سازی کنید ، احتمالاً به آن احتیاج خواهید داشت ، زیرا بیشتر از قطعات SMD و حتی QFN استفاده می کند.

مرحله 13: این همه افراد است

این تخته توسعه "Clouduino Stratus" نامیده می شود ، یک تابلوی توسعه دهنده مبتنی بر ESP8266 که برای سرعت بخشیدن به روند نمونه سازی اولیه برای راه اندازی سخت افزار/IOT طراحی شده است.

این هنوز یک طرح اولیه است و به زودی تجدید نظرهای جدیدی در راه است.

امیدوارم بچه ها چیزهای زیادی از این راهنما یاد گرفته باشید!: D

مرحله 14: پاداش: اجزا ، Gerbers ، فایل های طراحی و قدردانی

[میکروکنترلر]

1x ESP12F

[لوازم جانبی]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 عدد MCP3208 ADC (SOIC)

[اتصالات و رابط]

1 x FT231XQ USB به سریال (QFN)

1 عدد اتصال USB-B Mini

هدرهای زنانه/مردانه 2 x 16 پین

[قدرت] 1 x AMS1117-3.3 تنظیم کننده (SOT-223-3)

[دیگران]

1 x ECQ10A04-F مانع دوگانه Schottky (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 10 10K 1 SM مقاومت SMD 0603

2 27 27 اهم 1 SM مقاومت SMD 0603

3 27 270 اهم 1 SM مقاومت SMD 0603

2 4 470 اهم 1 SM مقاومت SMD 0603

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 خازن

2 x 10uF 50V SMD 0603 خازن

1 x 1uF 50V SMD 0603 خازن

2 x 47pF 50V SMD 0603 خازن

1 عدد LED SMD 0603 سبز

1 x SMD LED 0603 زرد

1 x SMD LED 0603 آبی

2 عدد OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 عدد مهره فریت 600/100 مگاهرتز SMD 0603

[تقدیرنامه] نمودارهای ADC با احترام از TI App Notes

معیار MCU:

تصاویر PCB: آخرین خط