Merancang Papan Pembangunan Mikrokontroler: 14 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:10

Adakah anda pembuat, hobi, atau penggodam berminat untuk melangkah dari projek perfboard, DIP IC dan PCB buatan sendiri ke PCB pelbagai lapisan yang dibuat oleh rumah papan dan pembungkusan SMD yang siap untuk pengeluaran besar-besaran? Maka arahan ini untuk anda!

Panduan ini akan memperincikan bagaimana merancang PCB pelbagai lapisan, menggunakan papan dev mikrokontroler sebagai contoh.

Saya menggunakan KiCAD 5.0, yang merupakan alat EDA sumber bebas dan terbuka, untuk membuat skema dan susun atur PCB untuk papan dev ini.

Sekiranya anda tidak biasa dengan KiCAD atau aliran kerja untuk susun atur PCB, tutorial Chris Gamell di YouTube adalah tempat yang baik untuk bermula.

EDIT: Sebilangan gambar terlalu banyak mengezum, cukup klik pada gambar untuk melihat gambar penuh:)

Langkah 1: Fikirkan Tentang Pembungkusan Komponen

Surface Mount Devices (SMD) dapat ditempatkan pada PCB dengan mesin pilih dan letakkan, mengotomatisasi proses pemasangan. Anda kemudian boleh menjalankan PCB melalui oven reflow, atau mesin pemateri gelombang, jika anda juga mempunyai komponen lubang.

Petunjuk komponen untuk SMD yang lebih kecil juga dikurangkan, menghasilkan impedans, induktansi dan EMI yang jauh lebih rendah, perkara yang sangat baik, terutamanya untuk reka bentuk RF dan frekuensi tinggi.

Melintasi laluan permukaan juga meningkatkan prestasi mekanikal dan kekasaran, yang penting untuk ujian getaran dan tekanan mekanikal.

Langkah 2: Pilih Pengawal Mikro Anda

Di tengah-tengah setiap papan pengembangan mikrokontroler, seperti Arduino dan turunannya, adalah mikrokontroler. Dalam kes Arduino Uno, ini adalah ATmega 328P. Untuk papan dev kami, kami akan menggunakan ESP8266.

Kotornya murah, berjalan pada 80MHz (dan dapat di-overclock hingga 160MHz) DAN mempunyai subsistem WiFi terbina dalam. Apabila digunakan sebagai mikrokontroler mandiri, ia dapat menjalankan operasi tertentu hingga 170x lebih cepat daripada Arduino.

Langkah 3: Pilih Penukar Serial USB anda

Pengawal mikro memerlukan beberapa cara untuk berinteraksi dengan komputer anda, jadi anda boleh memuatkan program anda ke dalamnya. Ini biasanya dicapai oleh cip luaran, yang mengurus menerjemahkan antara isyarat pembezaan yang digunakan oleh port USB di komputer anda, dan isyarat tunggal berakhir yang terdapat pada kebanyakan mikrokontroler melalui periferal komunikasi bersiri mereka, seperti UART.

Dalam kes kami, kami akan menggunakan FT230X, dari FTDI. Cip USB ke Serial dari FTDI cenderung disokong dengan baik di kebanyakan sistem operasi, jadi ini adalah pertaruhan selamat untuk papan pemikir. Alternatif yang popular (pilihan yang lebih murah) termasuk CP2102 dari SiLabs dan CH340G.

Langkah 4: Pilih Pengatur Anda

Papan perlu mendapatkan kuasa melalui suatu tempat - dan dalam kebanyakan kes, anda akan dapati kuasa ini disediakan melalui IC pengatur linear. Pengatur linier murah, sederhana, dan walaupun tidak seefisien skema mod beralih, akan menawarkan daya bersih (kurang bising) dan penyatuan yang mudah.

AMS1117 pengatur linier paling popular yang digunakan di kebanyakan papan dev, dan pilihan yang cukup baik untuk papan dev kami juga.

Langkah 5: Pilih Skim OR-ing Kuasa Anda

Sekiranya anda membiarkan pengguna menghidupkan papan pemuka melalui USB, dan juga menawarkan input voltan melalui salah satu pin di papan, anda memerlukan kaedah untuk memilih antara dua voltan yang bersaing. Ini paling mudah dicapai melalui penggunaan dioda, yang berfungsi untuk membolehkan hanya voltan input yang lebih tinggi untuk lulus dan memberi kuasa pada litar yang lain.

Dalam kes kami, kami mempunyai penghalang schottky ganda, yang merangkumi dua dioda schottky pada satu pakej untuk tujuan ini.

Langkah 6: Pilih Cip Periferal Anda (jika Ada)

Anda boleh menambah cip untuk berinteraksi dengan mikrokontroler pilihan anda untuk meningkatkan kebolehgunaan atau fungsi yang ditawarkan oleh papan dev kepada penggunanya.

Dalam kes kami, ESP8266 hanya mempunyai satu saluran input analog, dan sangat sedikit GPIO yang boleh digunakan.

Untuk mengatasi hal ini, kami akan menambahkan IC Analog ke Digital Converter luaran, dan IC GPIO Expander.

Memilih ADC biasanya merupakan pertukaran antara kadar atau kelajuan penukaran, dan resolusi. Resolusi yang lebih tinggi tidak semestinya lebih baik, kerana cip yang mempunyai resolusi yang lebih tinggi kerana mereka menggunakan teknik persampelan yang berbeza selalunya akan mempunyai kadar sampel yang sangat perlahan. ADC SAR khas mempunyai kadar sampel melebihi ratusan ribu sampel sesaat, sedangkan ADC Delta Sigma beresolusi yang lebih tinggi biasanya hanya mampu mengambil segelintir sampel sesaat-dunia yang jauh dari ADC SAR yang cepat dan ADC yang cepat disalurkan.

MCP3208 adalah ADC 12-bit, dengan 8 saluran analog. Ia boleh beroperasi di mana sahaja antara 2.7V-5.5V dan mempunyai kadar persampelan maksimum 100ksps.

Penambahan MCP23S17, pengembang GPIO yang popular menghasilkan 16 pin GPIO menjadi tersedia untuk digunakan.

Langkah 7: Reka Bentuk Litar

Litar penghantaran kuasa menggunakan dua dioda schottky untuk menyediakan fungsi OR-ing yang sederhana untuk input kuasa. Ini menimbulkan pertempuran antara 5V yang berasal dari port USB, dan apa sahaja yang anda ingin berikan kepada pin VIN - pemenang pertempuran elektron keluar dari atas dan memberikan kuasa kepada pengatur AMS1117. LED SMD yang rendah berfungsi sebagai petunjuk bahawa sebenarnya kuasa dihantar ke seluruh papan.

Litar antara muka USB mempunyai manik ferit untuk mengelakkan EMI sesat dan isyarat jam yang bising memancar ke arah komputer pengguna. Perintang siri pada baris data (D + dan D-) memberikan kawalan kadar tepi asas.

ESP8266 menggunakan GPIO 0, GPIO 2 dan GPIO 15 sebagai pin input khas, membaca keadaannya semasa boot untuk menentukan sama ada hendak memulakan dalam mod pengaturcaraan, yang membolehkan anda berkomunikasi melalui siri untuk memprogram mod boot-chip atau flash, yang melancarkan program anda. GPIO 2 dan GPIO 15 mesti tetap berada pada logik tinggi, dan logik rendah, masing-masing semasa proses boot. Sekiranya GPIO 0 rendah semasa boot, ESP8266 melepaskan kawalan dan membolehkan anda menyimpan program anda dalam memori kilat yang dihubungkan dalam modul. Sekiranya GPIO 0 tinggi, ESP8266 melancarkan program terakhir yang disimpan dalam denyar, dan anda sudah bersedia untuk melancarkan.

Untuk tujuan itu, papan dev kami menyediakan suis boot dan reset, membiarkan pengguna menukar keadaan GPIO 0, dan menetapkan semula peranti, untuk memasukkan cip ke mod pengaturcaraan yang diinginkan. Perintang tarik memastikan bahawa peranti dilancarkan ke mod boot biasa secara lalai, memulakan program yang paling baru disimpan.

Langkah 8: Reka Bentuk dan Susun atur PCB

Susun atur PCB menjadi lebih kritikal apabila isyarat kelajuan tinggi atau analog terlibat. IC analog khususnya sensitif terhadap masalah kebisingan tanah. Pesawat darat mempunyai kemampuan untuk memberikan rujukan yang lebih stabil untuk isyarat minat, mengurangkan kebisingan dan gangguan yang biasanya disebabkan oleh gelung tanah.

Jejak analog mesti dijauhkan dari jejak digital berkelajuan tinggi, seperti garis data pembezaan yang merupakan sebahagian daripada standard USB. Jejak isyarat data pembezaan harus dibuat sesingkat mungkin, dan panjang jejak sesuai. Elakkan putaran dan kegagalan untuk mengurangkan pantulan dan variasi impedans.

Menggunakan konfigurasi bintang untuk memberikan kuasa ke peranti (dengan anggapan anda belum menggunakan pesawat daya) juga membantu mengurangkan bunyi dengan menghilangkan jalan kembali semasa.

Langkah 9: Penumpukan PCB

Papan dev kami dibina di atas timbunan PCB 4 lapisan, dengan satah kuasa khas dan pesawat tanah.

"Susunan" anda adalah susunan lapisan pada PCB anda. Susunan lapisan mempengaruhi pematuhan EMI pada reka bentuk anda, serta integriti isyarat litar anda.

Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan dalam susunan PCB anda merangkumi:

1. Bilangan lapisan
2. Susunan lapisan
3. Jarak antara lapisan
4. Tujuan setiap lapisan (isyarat, satah dll)
5. Ketebalan lapisan
6. Kos

Setiap timbunan mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing. Papan 4 lapisan akan menghasilkan radiasi kurang lebih 15dB daripada reka bentuk 2 lapisan. Papan berbilang lapisan cenderung mempunyai bidang tanah yang lengkap, penurunan impedans tanah, dan bunyi bising.

Langkah 10: Lebih Banyak Pertimbangan untuk Lapisan PCB dan Integriti Isyarat

Lapisan isyarat idealnya berada di sebelah satah daya atau tanah, dengan jarak minimum antara lapisan isyarat dan satah berdekatan masing-masing. Ini mengoptimumkan jalan balik isyarat, yang melalui satah rujukan.

Pesawat daya dan tanah dapat digunakan untuk menyediakan pelindung antara lapisan, atau sebagai pelindung untuk lapisan dalam.

Pesawat kuasa dan darat, ketika diletakkan di sebelah satu sama lain, akan menghasilkan kapasitansi antara pesawat yang biasanya berfungsi untuk anda. Kapasitansi ini berskala dengan luas PCB anda, serta pemalar dielektriknya, dan berbanding terbalik dengan jarak antara pesawat. Kapasitansi ini berfungsi dengan baik untuk melayani IC yang mempunyai keperluan semasa bekalan yang tidak menentu.

Isyarat pantas secara ideal disimpan di lapisan dalam PCB pelbagai lapisan, untuk mengandungi EMI yang dihasilkan oleh jejak.

Semakin tinggi frekuensi yang diberikan di papan tulis, semakin ketat syarat ideal ini mesti dipatuhi. Reka bentuk berkelajuan rendah cenderung untuk menghilangkan lapisan yang lebih sedikit, atau bahkan satu lapisan, sementara reka bentuk berkelajuan tinggi dan RF memerlukan reka bentuk PCB yang lebih rumit dengan susunan PCB yang lebih strategik.

Reka bentuk berkelajuan tinggi, misalnya, lebih rentan terhadap kesan kulit - iaitu pemerhatian bahawa pada frekuensi tinggi, aliran arus tidak menembusi ke seluruh badan konduktor, yang seterusnya bermaksud bahawa terdapat utiliti marginal yang semakin berkurang untuk meningkat ketebalan tembaga pada frekuensi tertentu, kerana kelantangan konduktor tambahan tidak akan digunakan pula. Pada kira-kira 100MHz, kedalaman kulit (ketebalan arus yang sebenarnya mengalir melalui konduktor) adalah kira-kira 7um, yang bermaksud genap 1oz. lapisan isyarat tebal kurang digunakan.

Langkah 11: Nota Sampingan pada Vias

Vias membentuk hubungan antara pelbagai lapisan PCB berbilang lapisan.

Jenis vias yang digunakan akan mempengaruhi kos pengeluaran PCB. Bayangan buta / buram lebih mahal daripada pembuatan melalui lubang lubang. Lubang melalui pukulan melalui seluruh PCB, berakhir pada lapisan terendah. Vias burried tersembunyi di dalam dan hanya menghubungkan lapisan dalaman, sementara Blind vias bermula di satu sisi PCB tetapi berakhir sebelum bahagian lain. Melalui lubang lubang adalah yang paling murah dan termudah untuk dihasilkan, jadi jika mengoptimumkan penggunaan kos melalui lubang lubang.

Langkah 12: Pembuatan dan Pemasangan PCB

Sekarang papan telah dirancang, anda ingin menghasilkan reka bentuk sebagai fail Gerber dari alat pilihan EDA anda, dan menghantarnya ke rumah papan untuk fabrikasi.

Saya membuat papan saya dibuat oleh ALLPCB, tetapi anda boleh menggunakan mana-mana kedai papan untuk fabrikasi. Saya sangat mengesyorkan menggunakan PCB Shopper untuk membandingkan harga ketika memutuskan rumah dewan mana yang akan dipilih untuk fabrikasi - sehingga anda dapat membandingkan dari segi harga dan kemampuan.

Beberapa dewan papan juga menawarkan Pemasangan PCB, yang mungkin anda perlukan jika anda ingin melaksanakan reka bentuk ini, kerana ia kebanyakan menggunakan bahagian SMD dan bahkan QFN.

Langkah 13: Itu Semua Orang

Papan pengembangan ini disebut "Clouduino Stratus", papan dev berasaskan ESP8266 yang saya reka untuk mempercepat proses prototaip untuk permulaan perkakasan / IOT.

Ini masih merupakan iterasi awal reka bentuk, dengan semakan baru tidak lama lagi.

Saya harap anda banyak belajar daripada panduan ini!: D

Langkah 14: Bonus: Komponen, Gerbers, Fail Reka Bentuk dan Penghargaan

[Pengawal mikro]

1x ESP12F

[Periferal]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Penyambung dan Antaramuka]

1 x FT231XQ USB ke Siri (QFN)

1 x Penyambung Mini USB-B

2 x Header Wanita / Lelaki 16-pin

[Kuasa] 1 x AMS1117 - 3.3 Pengatur (SOT-223-3)

[Lain-lain]

1 x ECQ10A04-F Dual Schottky Barrier (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 Perintang

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 Perintang

Resistor 3 x 270 ohm 1% SMD 0603

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 Perintang

Kapasitor 3 x 0.1uF 50V SMD 0603

Kapasitor 2 x 10uF 50V SMD 0603

Kapasitor 1 x 1uF 50V SMD 0603

Kapasitor 2 x 47pF 50V SMD 0603

1 x LED SMD 0603 Hijau

1 x LED SMD 0603 Kuning

1 x LED SMD 0603 Biru

2 x OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 x Ferrite Bead 600 / 100mhz SMD 0603

[Ucapan terima kasih] Grafik ADC berdasarkan TI App Notes

Penanda Aras MCU:

Ilustrasi PCB: Garisan Akhir