Mikrokontroller fejlesztő tábla tervezése: 14 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Ön készítő, hobbista vagy hacker, aki szeretne továbblépni a perfboard projektekből, a DIP IC -kből és a házi készítésű PCB -kből a többrétegű PCB -khez, amelyeket táblaházak és SMD csomagolások készítenek tömegtermelésre? Akkor ez a tanulság az Ön számára!

Ez az útmutató részletesen bemutatja, hogyan kell tervezni egy többrétegű NYÁK -t, például egy mikrokontroller fejlesztői táblát használva.

A KiCAD 5.0 -t, amely egy ingyenes és nyílt forráskódú EDA -eszköz, használtam ennek a fejlesztői táblának a vázlatának és NYÁK -elrendezésének létrehozásához.

Ha nem ismered a KiCAD -et vagy a NYÁK -elrendezés munkafolyamatát, Chris Gamell YouTube -on található oktatóanyagai jó kiindulópontot jelentenek.

SZERKESZTÉS: Egyes fotók túl nagyítanak, csak kattints a képre a teljes kép megtekintéséhez:)

1. lépés: Gondoljon az alkatrészcsomagolásra

A felületszerelési eszközök (SMD -k) elhelyezhetők egy NYÁK -on egy pick and place géppel, automatizálva az összeszerelési folyamatot. Ezután futtathatja a NYÁK -t egy visszafolyó kemencén, vagy egy hullámforrasztógépen, ha átmenő lyukú alkatrészekkel is rendelkezik.

A kisebb SMD -k komponensvezetékei is csökkennek, ami lényegesen alacsonyabb impedanciát, induktivitást és EMI -t eredményez, ami nagyon jó dolog, különösen RF és nagyfrekvenciás kiviteleknél.

A felszíni szerelés útvonalán való haladás javítja a mechanikai teljesítményt és a strapabíróságot is, ami fontos a rezgések és a mechanikai igénybevételi vizsgálatok szempontjából.

Lépés: Válassza ki a mikrovezérlőt

Minden mikrokontroller fejlesztőlapjának középpontjában, mint az Arduino és származékai, egy mikrokontroller áll. Az Arduino Uno esetében ez az ATmega 328P. Fejlesztőtáblánkhoz az ESP8266 -ot fogjuk használni.

Piszkos olcsó, 80MHz-en működik (és 160MHz-re túlhajtható) ÉS beépített WiFi alrendszerrel rendelkezik. Önálló mikrokontrollerként használva bizonyos műveleteket akár 170x gyorsabban is végrehajthat, mint egy Arduino.

3. lépés: Válassza ki az USB -soros átalakítót

A mikrokontrollernek valamilyen módon csatlakoznia kell a számítógépéhez, így betöltheti a programokat. Ezt általában egy külső chip hajtja végre, amely gondoskodik a számítógép USB -portja által használt differenciális jelek és a legtöbb mikrokontroller soros kommunikációs perifériáján, például az UART -on keresztül elérhető egyvégű jelzés közötti fordításról.

Esetünkben FT230X -et fogunk használni, az FTDI -től. Az FTDI -ből származó USB -soros chipek a legtöbb operációs rendszerben jól támogatottak, így ez biztonságos megoldás a fejlesztői fórum számára. A népszerű alternatívák (olcsóbb opciók) közé tartozik a SiLabs CP2102 és a CH340G.

4. lépés: Válassza ki a szabályozót

A táblának valahol áramot kell biztosítania - és a legtöbb esetben ezt az energiát egy lineáris szabályozó IC -n keresztül biztosítja. A lineáris szabályozók olcsók, egyszerűek, és bár nem olyan hatékonyak, mint a kapcsolt módú sémák, tiszta energiát (kevesebb zajt) és egyszerű integrációt kínálnak.

Az AMS1117 a legnépszerűbb lineáris szabályozó, amelyet a legtöbb fejlesztőtáblában használnak, és meglehetősen tisztességes választás a fejlesztői táblánk számára is.

5. lépés: Válassza ki az energiagazdálkodási sémát

Ha hagyja, hogy a felhasználó USB -n keresztül táplálja a fejlesztői táblát, és felajánlja a feszültség bemenetét is a táblán lévő egyik érintkezőn keresztül, akkor választania kell a két versengő feszültség között. Ez legegyszerűbben a diódák használatával érhető el, amelyek lehetővé teszik, hogy csak a magasabb bemeneti feszültség haladjon át, és táplálja az áramkör többi részét.

Esetünkben kettős schottky gát van, amely két schottky diódát tartalmaz egy csomagban, éppen ezért.

6. lépés: Válassza ki a perifériás chipeket (ha vannak)

Hozzáadhat chipeket az interfészhez a kiválasztott mikrovezérlővel, hogy javítsa a fejlesztői kártya felhasználóinak használhatóságát vagy funkcionalitását.

Esetünkben az ESP8266 csak egyetlen analóg bemeneti csatornával rendelkezik, és nagyon kevés használható GPIO -val rendelkezik.

Ennek megoldásához egy külső analógot adunk hozzá a Digital Converter IC -hez és egy GPIO Expander IC -t.

Az ADC kiválasztása általában kompromisszum a konverziós arány vagy a sebesség, valamint a felbontás között. A magasabb felbontások nem feltétlenül jobbak, mert a különböző felvételi technikákat alkalmazó, nagyobb felbontású chipek gyakran nagyon lassú mintavételi sebességgel rendelkeznek. A tipikus SAR ADC-k mintavételezési sebessége meghaladja a több százezer mintát másodpercenként, míg a nagyobb felbontású Delta Sigma ADC-k általában csak maroknyi mintára képesek másodpercenként-a világ távol a gyors SAR ADC-ktől és a villámgyors vezetékes ADC-ketől.

Az MCP3208 egy 12 bites ADC, 8 analóg csatornával. Bárhol működhet 2,7V-5,5V között, és maximális mintavételi sebessége 100ksps.

Az MCP23S17, egy népszerű GPIO -bővítő hozzáadásával 16 GPIO -tű válik elérhetővé.

7. lépés: Áramkör tervezése

Az áramellátó áramkör két schottky diódát használ, hogy egyszerű OR-ing funkciót biztosítson a tápellátáshoz. Ez harcot indít az USB -portról érkező 5V és a VIN -érintkezők között, bármit is szeretne nyújtani - az elektroncsata győztese felülről érkezik, és áramot biztosít az AMS1117 szabályozónak. A szerény SMD LED jelzi, hogy az áramellátás valójában a tábla többi részére történik.

Az USB interfész ferrit gyöngyökkel rendelkezik, hogy megakadályozza a kóbor EMI és a zajos órajelek sugárzását a felhasználó számítógépe felé. Az adatvonalak soros ellenállása (D+ és D-) alapvető élsebesség-szabályozást biztosít.

Az ESP8266 a GPIO 0, GPIO 2 és GPIO 15 programokat használja speciális bemeneti csapként, és a rendszerindításkor olvassa el az állapotot, hogy eldöntse, el kell-e kezdeni a programozási módot, amely lehetővé teszi a soros kommunikációt a chip vagy flash indítási mód programozásához, amely elindítja a programot. A GPIO 2 -nek és a GPIO 15 -nek logikailag magasnak és alacsonynak kell maradnia a rendszerindítási folyamat során. Ha a GPIO 0 alacsony a rendszerindításkor, az ESP8266 lemond az irányításról, és lehetővé teszi a program tárolását a modulon belüli flash memóriában. Ha a GPIO 0 magas, az ESP8266 elindítja az utolsó, vakuban tárolt programot, és készen áll a tekerésre.

Ebből a célból a fejlesztőtábla indítási és visszaállítási kapcsolókat biztosít, lehetővé téve a felhasználóknak, hogy átkapcsolják a GPIO 0 állapotát, és visszaállítsák az eszközt, hogy a chipet a kívánt programozási módba állítsák. A felhúzó ellenállás biztosítja, hogy az eszköz alapértelmezés szerint normál rendszerindítási módba induljon, elindítva a legutóbb tárolt programot.

8. lépés: NYÁK tervezés és elrendezés

A NYÁK elrendezése kritikusabbá válik, ha nagy sebességű vagy analóg jeleket vesznek fel. Különösen az analóg IC -k érzékenyek a talajzajra. A földi síkok stabilabb referenciát tudnak biztosítani az érdeklődő jelek számára, csökkentve a zajt és a tipikusan földi hurkok által okozott interferenciát.

Az analóg nyomvonalakat távol kell tartani a nagy sebességű digitális nyomvonalaktól, például az USB szabvány részét képező differenciál adatvonalaktól. A differenciális adatjelek nyomát a lehető legrövidebbre kell állítani, és a nyomvonal hosszát meg kell egyezni. Kerülje el a fordulatokat és viasokat, hogy csökkentse a tükröződést és az impedancia eltéréseket.

A csillagkonfiguráció használata az eszközök áramellátásához (feltéve, hogy még nem használ teljesítménysíkot) szintén csökkenti a zajt azáltal, hogy megszünteti az áram visszatérési útvonalait.

9. lépés: NYÁK-összerakás

Fejlesztőtáblánk 4 rétegű NYÁK -veremre épül, dedikált teljesítménysíkkal és földsíkkal.

A „verem” a rétegek sorrendje a PCB-n. A rétegek elrendezése befolyásolja a tervezett EMI megfelelőséget, valamint az áramkör jel integritását.

A PCB-összeállítás során figyelembe kell venni a következő tényezőket:

1. A rétegek száma
2. A rétegek sorrendje
3. Távolság a rétegek között
4. Az egyes rétegek célja (jel, sík stb.)
5. Rétegvastagság
6. Költség

Minden veremnek megvan a maga előnye és hátránya. A négyrétegű lemez nagyjából 15 dB -rel kevesebb sugárzást eredményez, mint a kétrétegű. A többrétegű táblák nagyobb valószínűséggel tartalmaznak teljes alaplapot, csökken a talajimpedancia és a referenciazaj.

10. lépés: További megfontolások a NYÁK -rétegekhez és a jel integritásához

A jelrétegeknek ideális esetben vagy teljesítmény- vagy földsík mellett kell lenniük, minimális távolságra a jelréteg és a hozzájuk tartozó sík között. Ez optimalizálja a jel visszatérési útvonalát, amely átmegy a referenciasíkon.

A táp- és földsíkok védelmet nyújthatnak a rétegek között, vagy a belső rétegek pajzsaiként.

A teljesítmény és a föld síkja egymás mellé helyezve síkközi kapacitást eredményez, amely általában az Ön javára működik. Ez a kapacitás a NYÁK területével és a dielektromos állandójával skálázódik, és fordítottan arányos a síkok közötti távolsággal. Ez a kapacitás jól működik olyan IC -k kiszolgálására, amelyek illékony tápfeszültség -igényekkel rendelkeznek.

A gyors jelek ideális esetben a többrétegű PCB -k belső rétegeiben vannak elhelyezve, hogy tartalmazzák a nyomok által generált EMI -t.

Minél magasabb frekvenciákat kezelnek a táblán, annál szigorúbban kell követni ezeket az ideális követelményeket. Az alacsony sebességű tervek valószínűleg kevesebb réteggel, vagy akár egyetlen réteggel is megússzák, míg a nagy sebességű és RF tervezésekhez bonyolultabb NYÁK-tervezésre van szükség, stratégiailag fontosabb NYÁK-felrakással.

A nagysebességű kivitelek például érzékenyebbek a bőrhatásra-ez az a megfigyelés, amely szerint a magas frekvenciákon az áramlás nem hatol át a vezető teljes testén, ami viszont azt jelenti, hogy csökken a hatékonyság. a réz vastagsága egy bizonyos frekvencián, mivel a vezető extra térfogata úgysem kerül felhasználásra. Körülbelül 100 MHz -en a bőr mélysége (a vezetőn ténylegesen átáramló áram vastagsága) körülbelül 7 um, ami még szabványos 1 oz -ot is jelent. vastag jelrétegek kihasználatlanok.

11. lépés: Oldalsó megjegyzés a Vias -ról

A Vias kapcsolatokat képez a többrétegű NYÁK különböző rétegei között.

Az alkalmazott vias típusok befolyásolják a NYÁK -gyártás költségeit. A vak/beásott üvegek gyártása többe kerül, mint a lyukasztó. Átmenő lyuk a teljes NYÁK -on keresztül, a legalsó rétegen végződik. Az eltemetett nyílások belül vannak elrejtve, és csak a belső rétegeket kötik össze, míg a vakok a NYÁK egyik oldalán kezdődnek, de a másik oldal előtt végződnek. Az átmenő lyukak a legolcsóbbak és legegyszerűbben előállíthatók, tehát ha a költséghatékony felhasználásra optimalizálják, akkor a lyukas fúrók.

12. lépés: NYÁK -gyártás és összeszerelés

Most, hogy a táblát megtervezték, a tervezést Gerber -fájlként kell kiadnia az Ön által választott EDA -eszközből, és el kell küldenie egy táblaházba gyártásra.

A tábláimat az ALLPCB gyártotta, de bármilyen táblaüzletet használhat a gyártáshoz. Nagyon ajánlom a PCB Shopper használatát az árak összehasonlításához, amikor eldönti, melyik táblaházat választja a gyártáshoz - így összehasonlíthatja az árakat és a képességeket.

Néhány táblás ház PCB szerelést is kínál, amelyre valószínűleg szüksége lesz, ha ezt a kialakítást kívánja megvalósítani, mivel többnyire SMD és akár QFN alkatrészeket is használ.

13. lépés: Ez minden, emberek

Ezt a fejlesztőlapot "Clouduino Stratus" -nak hívják, egy ESP8266 alapú fejlesztői táblát, amelyet azért terveztem, hogy felgyorsítsa a hardver/IOT indítás prototípus -készítési folyamatát.

Ez még mindig a tervezés korai megismétlése, hamarosan új módosítások érkeznek.

Remélem, sokat tanult ebből az útmutatóból!: D

14. lépés: Bónusz: összetevők, Gerberek, tervezési fájlok és köszönetnyilvánítások

[Mikrokontroller]

1x ESP12F

[Perifériák]

1 x MCP23S17 GPIO bővítő (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Csatlakozók és interfészek]

1 db FT231XQ USB soros (QFN)

1 x USB-B mini csatlakozó

2 x 16 tűs női/férfi fejléc

[Teljesítmény] 1 x AMS1117-3.3 szabályozó (SOT-223-3)

[Egyéb]

1 x ECQ10A04-F kettős Schottky gát (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 ellenállás

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 ellenállás

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 ellenállás

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 ellenállás

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 kondenzátor

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondenzátor

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondenzátor

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondenzátor

1 x SMD LED 0603 zöld

1 x SMD LED 0603 sárga

1 x SMD LED 0603 kék

2 db OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 x ferritgyöngy 600/100 MHz SMD 0603

[Köszönetnyilvánítás] Az ADC grafikonjai a TI App Notes jóvoltából

MCU benchmark:

NYÁK illusztrációk: Fineline