Mikro -ohjaimen kehityskortin suunnittelu: 14 vaihetta (kuvilla)

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-23 14:44

Oletko valmistaja, harrastaja tai hakkeri, joka on kiinnostunut tehostamaan perfboard -projekteja, DIP -piirejä ja kotitekoisia PCB -levyjä monikerroksisiin piirilevyihin, jotka on valmistettu kartonkitaloista ja massatuotantoon valmiista SMD -pakkauksista? Sitten tämä opetus on sinulle!

Tässä oppaassa kuvataan yksityiskohtaisesti, miten monikerroksisen piirilevyn suunnittelussa käytetään esimerkkinä mikro -ohjaimen kehityskorttia.

Käytin KiCAD 5.0: ta, joka on ilmainen ja avoimen lähdekoodin EDA -työkalu, luomaan kaaviot ja piirilevyasettelun tälle kehityskortille.

Jos et tunne KiCADia tai piirilevyasettelun työnkulkua, Chris Gamellin opetusohjelmat YouTubessa ovat varsin hyvä paikka aloittaa.

EDIT: Jotkut kuvat lähentävät liikaa, napsauta kuvaa nähdäksesi koko kuvan:)

Vaihe 1: Ajattele komponenttipakkauksia

Pinta -asennuslaitteet (SMD) voidaan sijoittaa piirilevylle poiminta- ja sijoituskoneella, mikä automatisoi kokoonpanoprosessin. Voit sitten ajaa piirilevyn reflow -uunin tai aaltojuotoskoneen läpi, jos sinulla on myös läpivientireikiä.

Pienempien SMD -laitteiden komponenttijohdot ovat myös pienentyneet, mikä johtaa huomattavasti pienempään impedanssiin, induktanssiin ja EMI: hen, mikä on erittäin hyvä asia erityisesti RF- ja suurtaajuusmalleissa.

Pinta -asennusreitin valitseminen parantaa myös mekaanista suorituskykyä ja kestävyyttä, mikä on tärkeää tärinän ja mekaanisen rasituksen testauksessa.

Vaihe 2: Valitse mikrokontrolleri

Jokaisen mikrokontrollerin kehityskortin ytimessä, kuten Arduino ja sen johdannaiset, on mikro. Arduino Unon tapauksessa tämä on ATmega 328P. Kehityslevyllämme käytämme ESP8266.

Se on likainen, toimii 80 MHz: llä (ja ylikellotettavissa 160 MHz: iin) JA siinä on sisäänrakennettu WiFi-alijärjestelmä. Kun sitä käytetään itsenäisenä mikro -ohjaimena, se voi suorittaa tiettyjä toimintoja jopa 170 kertaa nopeammin kuin Arduino.

Vaihe 3: Valitse USB -sarjamuunnin

Mikro -ohjain tarvitsee jonkinlaisen yhteyden tietokoneeseesi, jotta voit ladata ohjelmasi siihen. Tämä suoritetaan tyypillisesti ulkoisella sirulla, joka huolehtii tietokoneen USB -portin käyttämien differentiaalisignaalien kääntämisestä ja useimpien mikro -ohjaimien yksipäinen signalointi sarjaliikennelaitteiden, kuten UART, kautta.

Tässä tapauksessa käytämme FTDI: n FT230X: tä. FTDI: n USB -sarja -siruja tuetaan yleensä useimmissa käyttöjärjestelmissä, joten se on turvallinen veto kehittäjätaululle. Suosittuja vaihtoehtoja (halvempia vaihtoehtoja) ovat SiLabsin CP2102 ja CH340G.

Vaihe 4: Valitse säädin

Taulun on saatava virtaa jonnekin - ja useimmissa tapauksissa tämä teho löytyy lineaarisen säätimen IC kautta. Lineaariset säätimet ovat halpoja, yksinkertaisia eivätkä ole yhtä tehokkaita kuin kytketty tila, mutta tarjoavat puhtaan tehon (vähemmän kohinaa) ja helpon integroinnin.

AMS1117 on suosituin lineaarinen säädin, jota käytetään useimmissa kehityskorteissa, ja melko kunnollinen valinta myös kehityskortille.

Vaihe 5: Valitse virrankäyttöjärjestelmä

Jos aiot antaa käyttäjän syöttää kehityskortin USB -liitännän kautta ja tarjota myös jännitesyöttöä yhden levyn nastojen kautta, sinun on valittava tapa kilpailevien kahden jännitteen välillä. Tämä saavutetaan yksinkertaisimmin käyttämällä diodeja, joiden avulla vain korkeampi tulojännite voi kulkea ja syöttää virtaa muulle piirille.

Meidän tapauksessamme meillä on kaksinkertainen schottky -este, joka sisältää kaksi schottky -diodia yhdessä paketissa tätä tarkoitusta varten.

Vaihe 6: Valitse oheispiirit (jos niitä on)

Voit lisätä siruja liitäntään valitsemasi mikro -ohjaimen kanssa parantaaksesi kehityskorttisi käyttäjille tarjoamaa käytettävyyttä tai toimivuutta.

Meidän tapauksessamme ESP8266: ssa on vain yksi analoginen tulokanava ja hyvin vähän käytettäviä GPIO: ita.

Tämän ratkaisemiseksi lisäämme ulkoisen analogisen Digital Converter IC: hen ja GPIO Expander IC: n.

ADC: n valinta on tyypillisesti kompromissi tulosprosentin tai nopeuden ja resoluution välillä. Suuremmat resoluutiot eivät välttämättä ole parempia, koska siruilla, joilla on suurempi resoluutio, koska ne käyttävät erilaisia näytteenottotekniikoita, on usein erittäin hidas näytteenottotaajuus. Tyypillisten SAR-ADC-laitteiden näytteenottotaajuus on yli satoja tuhansia näytteitä sekunnissa, kun taas korkeamman resoluution Delta Sigma ADC -laitteet kykenevät yleensä vastaanottamaan vain kourallisen näytteitä sekunnissa-maailmassa, joka on kaukana nopeista SAR ADC -laitteista ja salamannopeista putkilinjoista.

MCP3208 on 12-bittinen ADC, jossa on 8 analogista kanavaa. Se voi toimia missä tahansa välillä 2,7 V-5,5 V ja sen suurin näytteenottotaajuus on 100 kps.

MCP23S17: n, joka on suosittu GPIO -laajennin, lisääminen mahdollistaa 16 GPIO -nastan käytön.

Vaihe 7: Piirin suunnittelu

Virransyöttöpiiri käyttää kahta schottky-diodia tarjotakseen yksinkertaisen OR-toiminnon tehon tulolle. Tämä muodostaa taistelun USB -portista tulevan 5 V: n ja kaiken, mitä haluat antaa VIN -nastalle - elektronitaistelun voittaja tulee päälle ja antaa virtaa AMS1117 -säätimelle. Nöyrä SMD -LED toimii osoittimena siitä, että virtaa itse asiassa toimitetaan muulle levylle.

USB -liitäntäpiirissä on ferriittihelmi, joka estää hajaantuneen EMI: n ja meluisat kellosignaalit säteilemästä kohti käyttäjän tietokonetta. Tietolinjojen (D+ ja D-) sarjavastukset tarjoavat perusreunaohjauksen.

ESP8266 käyttää GPIO 0: ta, GPIO 2: ta ja GPIO 15: tä erityisinä sisääntulonappeina lukemalla niiden tilan käynnistyksen yhteydessä, jotta määritetään, aloitetaanko ohjelmointitila, jonka avulla voit kommunikoida sarjaliikenteen kautta ohjelmoidaksesi siru- tai flash-käynnistystilan, joka käynnistää ohjelman. GPIO 2: n ja GPIO 15: n on pysyttävä loogisesti korkealla ja logiikan matalalla käynnistysprosessin aikana. Jos GPIO 0 on alhainen käynnistyksen yhteydessä, ESP8266 luopuu ohjauksesta ja sallii ohjelman tallentamisen moduulin sisäiseen flash -muistiin. Jos GPIO 0 on korkea, ESP8266 käynnistää viimeisen salamaan tallennetun ohjelman ja olet valmis rullaamaan.

Tätä varten kehityskorttimme tarjoaa käynnistys- ja nollauskytkimet, joiden avulla käyttäjät voivat vaihtaa GPIO 0: n tilaa ja nollata laitteen, jotta siru saadaan haluttuun ohjelmointitilaan. Vedä vastus varmistaa, että laite käynnistyy oletusarvoisesti normaaliin käynnistystilaan ja käynnistää viimeksi tallennetun ohjelman.

Vaihe 8: Piirilevyjen suunnittelu ja asettelu

Piirilevyasettelu muuttuu kriittisemmäksi, kun kyseessä ovat nopeat tai analogiset signaalit. Erityisesti analogiset IC: t ovat herkkiä maapohjaongelmille. Maatasoilla on kyky tarjota vakaampi viittaus kiinnostaville signaaleille vähentäen kohinaa ja tyypillisesti maasilmukoiden aiheuttamia häiriöitä.

Analogiset jäljet on pidettävä kaukana nopeista digitaalisista jälkeistä, kuten USB -standardiin kuuluvista differentiaalisista datalinjoista. Eri datasignaalin jäljet on tehtävä mahdollisimman lyhyiksi ja niiden pituus on sovitettava yhteen. Vältä käännöksiä ja läpivientejä heijastusten ja impedanssivaihteluiden vähentämiseksi.

Tähtikokoonpanon käyttäminen laitteiden virran tuottamiseen (olettaen, että et vielä käytä tehotasoa) auttaa myös vähentämään melua poistamalla nykyiset paluureitit.

Vaihe 9: Piirilevyjen pinoaminen

Kehityskorttimme on rakennettu 4 -kerroksiselle PCB -pinolle, jossa on oma tehotaso ja maataso.

"Pinoaminen" on piirilevyn kerrosten järjestys. Kerrosten järjestely vaikuttaa suunnittelusi EMI -vaatimustenmukaisuuteen sekä piirisi signaalin eheyteen.

PCB-pinoamisessa huomioon otettavia tekijöitä ovat:

1. Kerrosten määrä
2. Kerrosten järjestys
3. Väli kerrosten välillä
4. Jokaisen kerroksen tarkoitus (signaali, taso jne.)
5. Kerroksen paksuus
6. Kustannus

Jokaisella pinoamisella on omat edut ja haitat. 4 -kerroksinen levy tuottaa noin 15 dB vähemmän säteilyä kuin 2 -kerroksinen malli. Monikerroksisissa levyissä on todennäköisemmin täydellinen maataso, pienempi maanimpedanssi ja vertailumelu.

Vaihe 10: Lisää huomiota PCB -kerroksiin ja signaalin eheyteen

Signaalikerrosten tulisi mieluiten olla joko teho- tai maatason vieressä, ja signaalikerroksen ja niiden lähellä olevan tason välinen etäisyys olisi mahdollisimman pieni. Tämä optimoi vertailutason läpi kulkevan signaalin paluureitin.

Voima- ja maatasoja voidaan käyttää suojaamaan kerrosten välillä tai suojaamaan sisäkerroksia.

Teho- ja maataso, kun ne asetetaan vierekkäin, johtaa tasojen väliseen kapasitanssiin, joka yleensä toimii sinun hyväksesi. Tämä kapasitanssi skaalautuu piirilevyn pinta -alan ja sen dielektrisyysvakion kanssa ja on kääntäen verrannollinen tasojen väliseen etäisyyteen. Tämä kapasitanssi toimii hyvin palvelemaan IC: itä, joissa on haihtuvat syöttövirran vaatimukset.

Nopeat signaalit on ihanteellisesti sijoitettu monikerroksisten piirilevyjen sisäkerroksiin, jotta ne sisältävät jälkien synnyttämän EMI: n.

Mitä korkeammat taajuudet taululla käsitellään, sitä tiukempia näitä ihanteellisia vaatimuksia on noudatettava. Pienen nopeuden mallit välttävät todennäköisesti vähemmän kerroksia tai jopa yhden kerroksen, kun taas suuret nopeudet ja RF-mallit edellyttävät monimutkaisempaa PCB-suunnittelua ja strategisempaa PCB-pinoamista.

Esimerkiksi suuret nopeusmallit ovat alttiimpia ihon vaikutuksille-mikä on havainto, että suurilla taajuuksilla virtaus ei tunkeudu johtimen koko kehon läpi, mikä puolestaan tarkoittaa, että lisähyötysuhde vähenee kuparin paksuus tietyllä taajuudella, koska johtimen ylimääräistä tilavuutta ei käytetä joka tapauksessa. Noin 100 MHz: llä ihon syvyys (johtimen läpi kulkevan virran paksuus) on noin 7 um, mikä tarkoittaa jopa standardia 1 oz. paksuja signaalikerroksia ei käytetä riittävästi.

Vaihe 11: Sivuhuomautus Viasista

Vias muodostaa yhteydet monikerroksisen piirilevyn eri kerrosten välille.

Käytetyt vias -tyypit vaikuttavat PCB -tuotantokustannuksiin. Sokeiden/haudattujen lasien valmistus maksaa enemmän kuin läpivienti. Läpireikä koko PCB: n lävistäjillä, joka päättyy alimpaan kerrokseen. Haudatut läpiviennit ovat piilossa sisällä ja yhdistävät vain sisäkerrokset, kun taas sokeat läpiviennit alkavat piirilevyn toiselta puolelta, mutta päättyvät ennen toista puolta. Läpivientiaukot ovat halvin ja helpoin valmistaa, joten jos optimoidaan kustannuskäyttöön reikäputkien kautta.

Vaihe 12: Piirilevyjen valmistus ja kokoaminen

Nyt kun levy on suunniteltu, sinun kannattaa lähettää malli Gerber -tiedostoina valitsemastasi EDA -työkalusta ja lähettää ne kartonkitaloon valmistusta varten.

Levyt valmistettiin ALLPCB: n toimesta, mutta voit käyttää mitä tahansa lautamyymälää valmistukseen. Suosittelen lämpimästi PCB Shopperin käyttöä hintojen vertailuun päätettäessä, mikä kartonkitalo valitaan valmistettavaksi - jotta voit vertailla hinnoittelua ja ominaisuuksia.

Joissakin kartonkitaloissa on myös PCB -kokoonpano, jota tarvitset todennäköisesti, jos haluat toteuttaa tämän suunnittelun, koska se käyttää enimmäkseen SMD- ja jopa QFN -osia.

Vaihe 13: Siinä kaikki ihmiset

Tätä kehityskorttia kutsutaan nimellä "Clouduino Stratus", ESP8266 -pohjainen kehityskortti, jonka tarkoituksena on nopeuttaa laitteiston/IOT: n käynnistyksen prototyyppiprosessia.

Suunnittelu on vielä varhaisessa vaiheessa, ja uusia versioita on tulossa pian.

Toivottavasti opitte paljon tästä oppaasta!: D

Vaihe 14: Bonus: Komponentit, Gerberit, suunnittelutiedostot ja kiitokset

[Mikrokontrolleri]

1x ESP12F

[Oheislaitteet]

1 x MCP23S17 GPIO -laajennin (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Liittimet ja liitäntä]

1 x FT231XQ USB -sarja (QFN)

1 x USB-B-miniliitin

2 x 16-nastainen naaras-/urosliitin

[Virta] 1 x AMS1117-3.3-säädin (SOT-223-3)

[Muut]

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

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 vastukset

2 x 27 ohmia 1% SMD 0603 vastukset

3 x 270 ohmia 1% SMD 0603 -vastuksia

2 x 470 ohmia 1% SMD 0603 -vastuksia

3 x 0,1uF 50V SMD 0603 kondensaattori

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondensaattori

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondensaattori

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondensaattori

1 x SMD LED 0603 Vihreä

1 x SMD LED 0603 keltainen

1 x SMD LED 0603 sininen

2 x OMRON BF-3 1000 THT -kytkin

1 x ferriittihelmi 600/100 MHz SMD 0603

[Kiitokset] ADC -kaaviot TI App Notesista

MCU-vertailuarvo:

Piirikorttikuvat: Fineline