Проектиране на съвет за разработка на микроконтролер: 14 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Вие сте производител, любител или хакер, който се интересува от преминаване от проекти за перфорирани плоскости, DIP интегрални схеми и домашно изработени печатни платки до многослойни печатни платки, произведени от къщи на борда и SMD опаковки, готови за масово производство? Тогава тази инструкция е за вас!

Това ръководство ще опише подробно как да се проектира многопластова печатна платка, като се използва разработваща платка за микроконтролер като пример.

Използвах KiCAD 5.0, който е безплатен инструмент с EDA с отворен код, за създаване на схеми и оформление на печатни платки за тази платка за разработчици.

Ако не сте запознати с KiCAD или работния процес за оформление на печатни платки, уроците на Chris Gamell в YouTube са доста добро начало.

РЕДАКТИРАНЕ: Някои от снимките увеличават твърде много, просто кликнете върху изображението, за да видите пълната снимка:)

Стъпка 1: Помислете за опаковката на компонентите

Устройствата за повърхностно монтиране (SMD) могат да бъдат позиционирани на печатна платка чрез машина за избор и поставяне, автоматизирайки процеса на сглобяване. След това можете да пуснете печатната платка през пещ за презареждане или машина за запояване на вълни, ако имате и компоненти през отвори.

Компонентните кабели за по -малки SMD също се намаляват, което води до значително по -нисък импеданс, индуктивност и EMI, което е много добро нещо, особено за RF и високочестотни дизайни.

Изминаването на трасето за повърхностно монтиране също подобрява механичните характеристики и здравината, което е важно за изпитването на вибрации и механични натоварвания.

Стъпка 2: Изберете вашия микроконтролер

В основата на всяка дъска за разработка на микроконтролер, подобно на Arduino и неговите производни, е микроконтролер. В случая с Arduino Uno, това е ATmega 328P. За нашия борд за разработчици ще използваме ESP8266.

Той е евтин, работи на 80MHz (и може да се овърклокира до 160MHz) И има вградена WiFi подсистема. Когато се използва като самостоятелен микроконтролер, той може да изпълнява определени операции до 170 пъти по -бързо от Arduino.

Стъпка 3: Изберете вашия USB към сериен конвертор

Микроконтролерът ще се нуждае от някакъв начин за взаимодействие с вашия компютър, така че можете да зареждате програмите си върху него. Това обикновено се постига чрез външен чип, който се грижи за превеждането между диференциалните сигнали, използвани от USB порта на вашия компютър, и еднократната сигнализация, достъпна на повечето микроконтролери чрез техните серийни комуникационни периферни устройства, като UART.

В нашия случай ще използваме FT230X от FTDI. USB към серийни чипове от FTDI обикновено се поддържат добре в повечето операционни системи, така че това е безопасен залог за разработчик. Популярните алтернативи (по -евтини опции) включват CP2102 от SiLabs и CH340G.

Стъпка 4: Изберете вашия регулатор

Платката ще трябва да получи захранване от някъде - и в повечето случаи ще намерите тази мощност, осигурена чрез линеен регулатор IC. Линейните регулатори са евтини, прости и макар и не толкова ефективни, колкото схемата с превключен режим, ще предлагат чиста мощност (по -малко шум) и лесна интеграция.

AMS1117 е най -популярният линеен регулатор, използван в повечето платки за разработчици, и доста приличен избор и за нашия борд за разработчици.

Стъпка 5: Изберете вашата схема за захранване ИЛИ-ин

Ако искате да позволите на потребителя да захранва платката за разработчици чрез USB и също така да предложи въвеждане на напрежение през един от щифтовете на платката, ще ви е необходим начин да избирате между двете конкуриращи се напрежения. Това най -просто се постига чрез използването на диоди, които работят, за да позволят само на по -високото входно напрежение да премине и да захранва останалата част от веригата.

В нашия случай имаме двойна бариера на Шотки, която включва два Шотки диода на един пакет за тази цел.

Стъпка 6: Изберете вашите периферни чипове (ако има такива)

Можете да добавяте чипове към интерфейса с избрания от вас микроконтролер, за да подобрите използваемостта или функционалността, която вашата платка за разработчици предлага на своите потребители.

В нашия случай ESP8266 има само един аналогов входен канал и много малко използваеми GPIO.

За да разрешим това, ще добавим външен IC към аналогов към цифров преобразувател и IC GPA разширител.

Изборът на ADC обикновено е компромис между процент на конверсия или скорост и резолюция. По -високите разделителни способности не са непременно по -добри, защото чиповете, които имат по -високи разделителни способности, тъй като използват различни техники за вземане на проби, често ще имат много бавни честоти на дискретизация. Типичните SAR ADC имат честота на извадката над стотици хиляди проби в секунда, докато ADC-тата с по-висока разделителна способност Delta Sigma обикновено са способни само на няколко проби в секунда-на свят, далеч от бързите SAR ADC и мълниеносно конвейерните ADC.

MCP3208 е 12-битов ADC, с 8 аналогови канала. Той може да работи навсякъде между 2.7V-5.5V и има максимална честота на дискретизация от 100 kps.

Добавянето на MCP23S17, популярен GPIO разширител, води до това, че 16 GPIO пина стават достъпни за използване.

Стъпка 7: Дизайн на верига

Електрическата верига за подаване на енергия използва два диода Шоттки, за да осигури проста ИЛИ функция за въвеждане на мощност. Това поставя началото на битка между 5V, идваща от USB порта, и всичко, което искате да предоставите на VIN щифта - победителят в електронната битка излиза на върха и осигурява захранване на регулатора AMS1117. Скромният SMD LED служи като индикатор, че мощността всъщност се доставя до останалата част от платката.

Схемата на USB интерфейса разполага с феритно зърно, което предотвратява излъчването на разсеяни EMI и шумните сигнали на часовника към компютъра на потребителя. Серийните резистори на линиите за данни (D+ и D-) осигуряват основен контрол на скоростта на ръба.

ESP8266 използва GPIO 0, GPIO 2 и GPIO 15 като специални входни щифтове, като отчита състоянието им при стартиране, за да определи дали да стартира в режим на програмиране, което ви позволява да комуникирате по сериен път, за да програмирате режима за зареждане с чип или флаш, който стартира вашата програма. GPIO 2 и GPIO 15 трябва да останат съответно на високо логическо ниво и ниско логическо ниво по време на процеса на зареждане. Ако GPIO 0 е нисък при зареждане, ESP8266 се отказва от контрола и ви позволява да съхранявате програмата си във флаш паметта, свързана в модула. Ако GPIO 0 е висок, ESP8266 стартира последната програма, съхранена във флаш, и сте готови за пускане.

За тази цел нашата платка за разработчици предлага ключове за зареждане и нулиране, позволявайки на потребителите да превключват състоянието на GPIO 0 и да нулират устройството, за да поставят чипа в желания режим на програмиране. Издърпващ се резистор гарантира, че устройството се стартира в нормален режим на зареждане по подразбиране, като стартира последно съхранената програма.

Стъпка 8: Дизайн и оформление на печатни платки

Разположението на печатни платки става по -критично, след като бъдат включени високоскоростни или аналогови сигнали. По -специално аналоговите интегрални схеми са чувствителни към проблеми със земния шум. Наземните равнини имат способността да осигуряват по -стабилна референция за сигналите, които представляват интерес, намалявайки шума и смущенията, обикновено причинени от земните контури.

Аналоговите следи трябва да се държат далеч от високоскоростни цифрови следи, като например линиите за диференциални данни, които са част от USB стандарта. Проследяванията на сигнала от диференциалните данни трябва да бъдат възможно най -кратки и да съответстват на дължината на следите. Избягвайте завои и преходи, за да намалите отраженията и вариациите на импеданса.

Използването на звездна конфигурация за осигуряване на захранване на устройствата (при условие, че все още не използвате захранващ самолет) също помага за намаляване на шума, като елиминира текущите пътища за връщане.

Стъпка 9: PCB Stack-Up

Нашата платка за разработчици е изградена върху 4 -слойна печатна платка, със специална плоскост за захранване и равнина на земята.

Вашият "стек-up" е редът на слоевете на вашата печатна платка. Разположението на слоевете влияе върху съответствието на EMI на вашия дизайн, както и на целостта на сигнала на вашата верига.

Факторите, които трябва да имате предвид при натрупването на печатни платки, включват:

1. Броят на слоевете
2. Редът на слоевете
3. Разстояние между слоевете
4. Целта на всеки слой (сигнал, равнина и т.н.)
5. Дебелина на слоя
6. Разходи

Всеки стек-ап има свой собствен набор от предимства и недостатъци. Четирислойната дъска ще произвежда приблизително 15 dB по -малко излъчване от двуслойната конструкция. Многослойните плоскости са по -склонни да имат пълна равнина на земята, намалявайки импеданса на земята и референтен шум.

Стъпка 10: Повече съображения за слоевете на печатни платки и целостта на сигнала

Сигналните слоеве в идеалния случай трябва да са в непосредствена близост до силова или заземяваща равнина, с минимално разстояние между сигналния слой и съответната им близка равнина. Това оптимизира пътя на връщане на сигнала, който минава през референтната равнина.

Захранващите и заземяващите равнини могат да се използват за осигуряване на екраниране между слоевете или като щитове за вътрешни слоеве.

Захранващата и заземяващата равнина, поставени една до друга, ще доведат до междуплоскостен капацитет, който обикновено работи във ваша полза. Този капацитет се мащабира с площта на вашата печатна платка, както и с неговата диелектрична константа и е обратно пропорционална на разстоянието между равнините. Този капацитет работи добре за обслужване на интегрални схеми, които имат изисквания за променлив ток на захранване.

Бързите сигнали са идеално скрити във вътрешните слоеве на многослойни печатни платки, за да съдържат EMI, генерирани от следите.

Колкото по -високи честоти се обработват на борда, толкова по -строги трябва да се спазват тези идеални изисквания. Нискоскоростните дизайни вероятно ще се измъкнат с по-малко слоеве или дори с един слой, докато високоскоростните и RF проекти изискват по-сложен дизайн на печатни платки с по-стратегическо подреждане на печатни платки.

Високоскоростните дизайни, например, са по-податливи на ефекта на кожата-което е наблюдението, че при високи честоти токът не прониква през цялото тяло на проводник, което от своя страна означава, че има намаляваща пределна полезност за увеличаване дебелината на мед при определена честота, тъй като допълнителният обем на проводника така или иначе няма да се използва. При около 100 MHz дълбочината на кожата (дебелината на тока, действително протичащ през проводника) е около 7um, което означава дори стандартни 1oz. дебелите сигнални слоеве се използват недостатъчно.

Стъпка 11: Странична бележка за Vias

Виасите образуват връзки между различните слоеве на многослойна печатна платка.

Видовете използвани вии ще повлияят на цената на производството на печатни платки. Сляпите/заровени виа струват по -скъпо за производство, отколкото през отворите. Проходен отвор чрез пробиви през цялата печатна платка, завършващ в най -долния слой. Вкопаните отвори са скрити вътре и само свързват вътрешните слоеве, докато слепите отвори започват от едната страна на печатната платка, но завършват преди другата страна. Отворите за отвори са най-евтините и лесни за производство, така че ако се оптимизират за използване на разходите през отвори за отвори.

Стъпка 12: Изработка и монтаж на печатни платки

Сега, когато дъската е проектирана, ще искате да изведете дизайна като Gerber файлове от избрания от вас EDA инструмент и да ги изпратите до дъска за производство.

Бях изработил дъските си от ALLPCB, но можете да използвате всеки магазин за производство на плоскости. Силно бих препоръчал да използвате PCB Shopper, за да сравните цените, когато решавате коя къща да изберем за производство - за да можете да сравнявате по отношение на цените и възможностите.

Някои от къщите на борда също предлагат монтаж на печатни платки, които вероятно ще ви трябват, ако искате да приложите този дизайн, тъй като той използва предимно SMD и дори QFN части.

Стъпка 13: Това са всички хора

Тази платка за разработка се нарича "Clouduino Stratus", базирана на ESP8266 дъска за разработчици, проектирана за ускоряване на процеса на прототипиране при стартиране на хардуер/IOT.

Това все още е много ранна итерация на дизайна, като скоро ще дойдат нови ревизии.

Надявам се, че сте научили много от това ръководство!:Д

Стъпка 14: Бонус: Компоненти, Gerbers, Файлове за проектиране и признания

[Микроконтролер]

1x ESP12F

[Периферни устройства]

1 x MCP23S17 GPIO разширител (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Съединители и взаимодействие]

1 x FT231XQ USB към сериен (QFN)

1 x USB-B мини конектор

2 x 16-пинови женски/мъжки заглавки

[Мощност] 1 x AMS1117-3.3 регулатор (SOT-223-3)

[Други]

1 x ECQ10A04-F двойна бариера Шотки (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 резистори

2 x 27 ома 1% SMD 0603 резистори

3 x 270 ома 1% SMD 0603 резистори

2 x 470 ома 1% SMD 0603 резистори

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 кондензатор

2 x 10uF 50V SMD 0603 кондензатор

1 x 1uF 50V SMD 0603 кондензатор

2 x 47pF 50V SMD 0603 кондензатор

1 x SMD LED 0603 Зелен

1 x SMD LED 0603 Жълт

1 x SMD LED 0603 Синьо

2 x Тактови превключватели OMRON BF-3 1000 THT

1 x Феритно зърно 600/100mhz SMD 0603

[Благодарности] Графиките на ADC са предоставени от TI App Notes

MCU бенчмарк:

Илюстрации на печатни платки: Fineline