Микроконтроллерийн хөгжлийн самбар зохион бүтээх: 14 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:03

Та үйлдвэрлэгч, хоббичин эсвэл хакер уу, самбарын төслүүд, DIP ICs, гэрийн хийсэн ПХБ -уудаас самбар үйлдвэрлэх зориулалттай олон давхаргат ПХБ, масс үйлдвэрлэлд бэлэн болсон SMD сав баглаа боодолоос алхам хийх сонирхолтой байна уу? Тэгвэл энэ зааварчилгаа нь танд зориулагдсан болно!

Энэхүү гарын авлагад микроконтроллерийн хөгжүүлэгч хавтанг жишээ болгон ашиглан олон давхаргат ПХБ -ийн дизайныг хэрхэн яаж хийх талаар дэлгэрэнгүй тайлбарласан болно.

Би энэ dev самбарын схем, ПХБ -ийн схемийг гаргахад үнэгүй, нээлттэй эх сурвалжтай EDA хэрэгсэл болох KiCAD 5.0 -ийг ашигласан.

Хэрэв та KiCAD эсвэл ПХБ -ийн зохион байгуулалтын ажлын талаар сайн мэдэхгүй байгаа бол Крис Гамеллийн YouTube дээрх хичээлүүд нь эхлэхэд тохиромжтой газар юм.

EDIT: Зарим зургуудыг хэт томруулж томруулж харна уу, зургийг бүрэн үзэхийн тулд зурган дээр дарна уу:)

Алхам 1: Бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн баглаа боодлын талаар бодоорой

Гадаргуу дээр суурилуулах төхөөрөмж (SMDs) -ийг ПХБ дээр сонгох, байрлуулах машинаар байрлуулж, угсрах процессыг автоматжуулдаг. Дараа нь та ПХБ -ийг дахин асаах зуух эсвэл долгионы гагнуурын машинаар ажиллуулж болно.

Жижиг SMD -ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нийлүүлэлтийг бууруулж, улмаар эсэргүүцэл, индукц ба EMI -ийг мэдэгдэхүйц бууруулдаг бөгөөд энэ нь ялангуяа RF болон өндөр давтамжийн дизайны хувьд маш сайн зүйл юм.

Гадаргуу дээр суурилуулах замаар явах нь чичиргээ, механик стрессийг туршихад чухал ач холбогдолтой механик гүйцэтгэл, бат бөх чанарыг сайжруулдаг.

Алхам 2: Микроконтроллероо сонгоно уу

Микроконтроллерыг хөгжүүлэх самбар бүрийн гол цөм нь Arduino болон түүний үүсмэл хэрэгслүүдийн нэгэн адил микроконтроллер юм. Arduino Uno -ийн хувьд энэ бол ATmega 328P юм. Хөгжүүлэгчийн самбарын хувьд бид ESP8266 -ийг ашиглах болно.

Энэ нь маш хямд бөгөөд 80 МГц давтамжтай ажилладаг (160 МГц хүртэл overclock хийх боломжтой) бөгөөд WiFi дэд системтэй. Бие даасан микроконтроллер болгон ашиглахдаа Arduino -аас 170 дахин хурдан зарим үйлдлийг гүйцэтгэх боломжтой.

Алхам 3: USB -ээс цуваа хөрвүүлэгчээ сонгоно уу

Микроконтроллер нь таны компьютерт интерфэйс хийх ямар нэгэн арга хэрэгтэй тул та програмуудаа үүнд ачаалж болно. Энэ нь ихэвчлэн гадаад чипээр хийгддэг бөгөөд энэ нь таны компьютер дээрх USB портын ашигладаг дифференциал дохио болон ихэнх микроконтроллеруудын нэг төгсгөлийн дохиоллыг UART зэрэг цуваа холбооны төхөөрөмжөөр дамжуулан дамжуулдаг.

Манай тохиолдолд бид FTDI -ээс FT230X ашиглах болно. FTDI -ийн USB -ээс цуваа чипийг ихэнх үйлдлийн системд сайн дэмждэг тул хөгжүүлэгчдийн хувьд аюулгүй бооцоо юм. Алдартай хувилбарууд (хямд сонголтууд) нь SiLabs болон CH340G -ийн CP2102 юм.

Алхам 4: Зохицуулагчаа сонгоно уу

Удирдах зөвлөл нь хаа нэгтээ цахилгаан эрчим хүч авах шаардлагатай болдог бөгөөд ихэнх тохиолдолд та энэ хүчийг шугаман зохицуулагч IC -ээр дамжуулан олж авах болно. Шугаман зохицуулагчид нь хямд, энгийн бөгөөд шилжүүлсэн горимын схем шиг тийм ч үр дүнтэй биш боловч цэвэр хүч (дуу чимээ багатай), хялбар интеграцийг санал болгодог.

AMS1117 нь ихэнх хөгжүүлэгчдийн самбар дээр ашиглагддаг хамгийн алдартай шугаман зохицуулагч бөгөөд манай хөгжүүлэгчдийн хувьд бас тохиромжтой сонголт юм.

Алхам 5: Өөрийн хүч чадал эсвэл схемийг сонгоно уу

Хэрэв та хэрэглэгчид хөгжүүлэгч самбарыг USB -ээр тэжээхийг зөвшөөрч, мөн самбар дээрх нэг тээглүүрээр дамжуулан хүчдэлийн оролтыг санал болгох гэж байгаа бол өрсөлдөж буй хоёр хүчдэлийн аль нэгийг сонгох арга хэрэгтэй болно. Энэ нь диод ашиглах замаар хийгддэг бөгөөд энэ нь зөвхөн өндөр оролтын хүчдэлийг дамжуулж, хэлхээний бусад хэсгийг тэжээх боломжийг олгодог.

Бидний хувьд, энэ зорилгоор нэг багц дээр хоёр schottky диодыг багтаасан хос schottky хаалт байдаг.

Алхам 6: Захын чипээ сонгоно уу (хэрэв байгаа бол)

Та өөрийн хөгжүүлэгчийн самбар хэрэглэгчдэд санал болгож буй ашиглах чадвар, функцийг сайжруулахын тулд сонгосон микроконтроллертойгоо интерфэйс дээр чип нэмж болно.

Манай тохиолдолд ESP8266 нь зөвхөн ганц аналог оролтын сувагтай бөгөөд маш цөөхөн GPIO ашигладаг.

Үүнийг шийдвэрлэхийн тулд бид Digital Converter IC -д гадаад аналог, GPIO Expander IC -ийг нэмж оруулах болно.

ADC -ийг сонгох нь ихэвчлэн хөрвүүлэх хурд эсвэл хурд, нарийвчлал хоёрын хоорондох наймаа юм. Өндөр нарийвчлалтай байх нь тийм ч сайн зүйл биш, учир нь түүвэрлэлтийн өөр аргыг ашигладаг тул өндөр нарийвчлалтай чипс нь түүвэрлэх хурд маш удаан байдаг. Ердийн SAR ADC нь секундэд хэдэн зуун мянган дээжээс илүү дээж авах чадвартай байдаг бол өндөр нарийвчлалтай Delta Sigma ADC нь ихэвчлэн SAR ADC болон аянгын хурдтай ADC-ээс холгүй дэлхий дээр хэдхэн дээж авах чадвартай байдаг.

MCP3208 нь 12 битийн ADC бөгөөд 8 аналог сувагтай. Энэ нь 2.7V-5.5V хооронд ажиллах боломжтой бөгөөд хамгийн их дээж авах хурд нь 100ps / сек байна.

Алдартай GPIO өргөтгөгч MCP23S17 -ийг нэмснээр 16 GPIO зүүг ашиглах боломжтой болжээ.

Алхам 7: Хэлхээний дизайн

Цахилгаан дамжуулах хэлхээ нь хоёр schottky диодыг ашиглан цахилгаан оролтын энгийн OR функцийг гүйцэтгэдэг. Энэ нь USB портоос ирж буй 5V -ийн хоорондох тулаан, VIN зүүгээр өгөхийг хүссэн бүх зүйл болох электрон тулааны ялагч нь гарч ирж, AMS1117 зохицуулагчийг хүчээр хангадаг. Даруухан SMD LED нь уг самбарыг бусад хэсэгт нийлүүлж байгааг харуулж байна.

USB интерфэйсийн хэлхээнд феррит бөмбөлгүүдийг байдаг бөгөөд энэ нь EMI төөрөхөөс сэргийлж, дуу чимээ ихтэй дууны дохио нь хэрэглэгчийн компьютер руу цацагдахаас сэргийлдэг. Мэдээллийн шугам дээрх цуврал резисторууд (D+ ба D-) нь захын түвшний үндсэн хяналтыг өгдөг.

ESP8266 нь GPIO 0, GPIO 2 ба GPIO 15-ийг тусгай оролтын зүү болгон ашигладаг бөгөөд програмчлалын горимд эхлэх эсэхийг тодорхойлохын тулд ачаалах үеийн төлөвийг нь уншдаг бөгөөд энэ нь таны програмыг эхлүүлдэг чип эсвэл флаш ачаалах горимыг програмчлахын тулд цуваа холболт хийх боломжийг олгодог.. Ачаалах явцад GPIO 2 ба GPIO 15 нь логик өндөр, логик бага байх ёстой. Хэрэв ачаалах үед GPIO 0 бага байвал ESP8266 нь хяналтаас татгалзаж, програмаа модуль доторх флаш санах ойд хадгалах боломжийг танд олгоно. Хэрэв GPIO 0 өндөр байвал ESP8266 нь флэш дээр хадгалагдсан хамгийн сүүлийн програмыг ажиллуулж эхлэхэд та бэлэн болно.

Үүний тулд манай хөгжүүлэгчийн самбар нь ачаалах болон дахин тохируулах унтраалгаар хангаж, хэрэглэгчдэд GPIO 0 -ийн төлөвийг өөрчлөх, төхөөрөмжийг дахин тохируулах замаар чипийг хүссэн програмчлалын горимд оруулах боломжийг олгодог. Татах эсэргүүцэл нь төхөөрөмжийг анхдагч байдлаар ачаалах горимд оруулах боломжийг олгодог бөгөөд хамгийн сүүлд хадгалагдсан програмыг эхлүүлдэг.

Алхам 8: ПХБ -ийн дизайн ба зохион байгуулалт

ПХБ -ийн зохион байгуулалт нь өндөр хурдтай эсвэл аналог дохиог оруулсны дараа илүү чухал болдог. Ялангуяа аналог IC нь газрын дуу чимээний асуудалд эмзэг байдаг. Газрын онгоц нь сонирхлын дохиог илүү тогтвортой лавлагаа өгөх чадвартай бөгөөд ихэвчлэн газрын гогцооноос үүдэлтэй дуу чимээ, хөндлөнгийн оролцоог бууруулдаг.

Аналог ул мөрийг USB стандартын нэг хэсэг болох дифференциал өгөгдлийн шугам гэх мэт өндөр хурдны тоон ул мөрөөс хол байлгах ёстой. Дифференциал өгөгдлийн дохионы ул мөрийг аль болох богино хийж, ул мөрийн уртыг тааруулах ёстой. Дүгнэлт, эсэргүүцлийн өөрчлөлтийг багасгахын тулд эргэлт, виасаас зайлсхий.

Төхөөрөмжүүдийг тэжээлээр хангах од тохиргоог ашиглах нь (хэрэв та цахилгаан хавтгай ашиглаагүй байгаа гэж үзвэл) одоогийн буцах замыг арилгах замаар дуу чимээг бууруулдаг.

Алхам 9: ПХБ-ийн өргөтгөл

Манай самбар нь 4 давхар ПХБ -ийн стек дээр суурилагдсан бөгөөд зориулалтын цахилгаан болон газрын хавтгай дээр суурилагдсан болно.

Таны "стек-ап" бол таны ПХБ дээрх давхаргын дараалал юм. Давхаргын зохион байгуулалт нь таны дизайны EMI нийцтэй байдал, мөн таны хэлхээний дохионы бүрэн бүтэн байдалд нөлөөлдөг.

Таны ПХБ-ийн багцыг авч үзэх хүчин зүйлүүдэд дараахь зүйлс орно.

1. Давхаргын тоо
2. Давхаргын дараалал
3. Давхаргын хоорондох зай
4. Давхарга бүрийн зорилго (дохио, онгоц гэх мэт)
5. Давхаргын зузаан
6. Зардал

Багц бүр өөрийн гэсэн давуу болон сул талуудтай байдаг. 4 давхар хавтан нь 2 давхар дизайнтай харьцуулахад ойролцоогоор 15 дБ бага цацраг ялгаруулдаг. Олон давхаргат хавтан нь газрын бүрэн хавтгай, газрын эсэргүүцэл буурч, дуу чимээ багатай байх магадлал өндөр байдаг.

Алхам 10: ПХБ -ийн давхрага ба дохионы бүрэн бүтэн байдлыг анхаарч үзэх хэрэгтэй

Дохионы давхаргууд нь цахилгаан болон газрын хавтгайн хажууд байх ёстой бөгөөд дохионы давхарга ба тэдгээрийн ойролцоох онгоцны хоорондох зай хамгийн бага байх ёстой. Энэ нь жишиг хавтгайгаар дамжих дохио буцах замыг оновчтой болгодог.

Цахилгаан болон газрын онгоцыг давхаргын хоорондох хамгаалалт эсвэл дотоод давхаргын бамбай болгон ашиглаж болно.

Цахилгаан болон газрын хавтгайг бие биенийхээ хажууд байрлуулах нь ихэвчлэн таны ашиг тусын тулд ажилладаг онгоц хоорондын багтаамжийг бий болгоно. Энэхүү багтаамж нь таны ПХБ -ийн талбай, түүний диэлектрик тогтмолоор хэмжигдэх бөгөөд онгоц хоорондын зайтай урвуу пропорциональ байна. Энэхүү багтаамж нь тогтворгүй нийлүүлэлтийн одоогийн шаардлагыг хангасан IC -д үйлчлэхэд сайн ажилладаг.

Хурдан дохио нь ул мөрөөс үүссэн EMI -ийг агуулсан олон давхаргат ПХБ -ийн дотоод давхаргад хадгалагдахад тохиромжтой.

Самбар дээр давтамжийг даван туулах тусам эдгээр тохиромжтой шаардлагыг илүү хатуу дагаж мөрдөх ёстой. Бага хурдтай загвар нь бага давхарга эсвэл бүр нэг давхаргаар арилах магадлалтай байдаг бол өндөр хурдны болон RF-ийн загвар нь ПХБ-ийн илүү стратеги бүхий нарийн төвөгтэй ПХБ-ийн дизайныг шаарддаг.

Жишээлбэл, өндөр хурдны хийц нь арьсны нөлөөнд илүү өртөмтгий байдаг бөгөөд энэ нь өндөр давтамжтай үед гүйдэл дамжуулагчийн бүх биенд нэвтэрч чадахгүй байгааг ажиглах явдал юм. Тодорхой давтамжтай зэсийн зузаан, учир нь дамжуулагчийн нэмэлт эзэлхүүнийг ашиглахгүй болно. Ойролцоогоор 100 МГц давтамжтай арьсны гүн (дамжуулагчаар дамжих гүйдлийн зузаан) ойролцоогоор 7um байдаг бөгөөд энэ нь стандарт 1oz гэсэн үг юм. зузаан дохионы давхаргыг дутуу ашигладаг.

Алхам 11: Vias -ийн талаархи нэмэлт тэмдэглэл

Виас нь олон давхаргат ПХБ -ийн янз бүрийн давхаргын хооронд холболт үүсгэдэг.

Ашигласан виагийн төрөл нь ПХБ -ийн үйлдвэрлэлийн өртөгт нөлөөлнө. Сохор/булштай виасыг үйлдвэрлэхэд нүх сүв гаргахаас илүү өртөгтэй байдаг. ПХБ -ийг бүхэлд нь цоолж, хамгийн доод давхаргад төгсдөг. Шатсан виасыг дотор нь нуусан бөгөөд зөвхөн дотоод давхаргыг хооронд нь холбодог бол Сохор виас нь ПХБ -ийн нэг талаас эхэлдэг боловч нөгөө талаас нь дуусдаг. Нүхний нүхийг үйлдвэрлэх нь хамгийн хямд бөгөөд хялбар байдаг тул нүх сүвээр дамжуулан зардлыг оновчтой болгох боломжтой.

Алхам 12: ПХБ -ийн үйлдвэрлэл ба угсралт

Самбарыг зохион бүтээсэн тул та өөрийн хүссэн EDA хэрэгслээс дизайныг Gerber файл хэлбэрээр гаргаж, үйлдвэрлэх зориулалттай самбарын байшинд илгээхийг хүсч байна.

Би өөрийн самбарыг ALLPCB -ээр хийдэг байсан, гэхдээ та ямар ч самбарын дэлгүүрийг үйлдвэрлэх боломжтой. Би ПХБ -ийн худалдан авагчийг ашиглан аль самбарын байшинг үйлдвэрлэхээ шийдэхдээ үнийг харьцуулахыг зөвлөж байна, ингэснээр та үнэ, чадварын хувьд харьцуулж болно.

Удирдах зөвлөлийн зарим байшинд ПХБ -ийн угсралт санал болгодог бөгөөд энэ загварыг хэрэгжүүлэхийн тулд ихэвчлэн SMD, тэр ч байтугай QFN эд ангиудыг ашигладаг тул танд хэрэгтэй болно.

Алхам 13: Энэ бол бүх хүмүүс

Энэхүү хөгжлийн самбарыг "Clouduino Stratus" гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь ESP8266 дээр суурилсан хөгжүүлэлтийн самбар гэж нэрлэгддэг бөгөөд үүнийг тоног төхөөрөмж/IOT эхлүүлэх прототиплэх процессыг хурдасгахад зориулагдсан болно.

Энэ нь дизайны анхны давталт хэвээр байгаа бөгөөд удахгүй шинэ засвар хийх болно.

Залуус та энэхүү гарын авлагаас маш их зүйлийг сурсан гэж найдаж байна!: D

Алхам 14: Шагнал: Бүрэлдэхүүн хэсгүүд, Герберс, Дизайн файлууд ба Талархал

[Микроконтроллер]

1x ESP12F

[Захын төхөөрөмжүүд]

1 x MCP23S17 GPIO өргөтгөгч (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Холбогч ба интерфэйс]

1 x FT231XQ USB цуваа (QFN)

1 x USB-B мини холбогч

2 x 16 зүү Эмэгтэй/Эр толгой

[Эрчим хүч] 1 x AMS1117-3.3 Зохицуулагч (SOT-223-3)

[Бусад]

1 x ECQ10A04-F Хос Schottky саад (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 резистор

2 x 27 ом 1% SMD 0603 резистор

3 x 270 ом 1% SMD 0603 резистор

2 x 470 ом 1% SMD 0603 резистор

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 конденсатор

2 x 10uF 50V SMD 0603 конденсатор

1 x 1uF 50V SMD 0603 конденсатор

2 x 47pF 50V SMD 0603 конденсатор

1 x SMD LED 0603 Ногоон

1 x SMD LED 0603 шар

1 x SMD LED 0603 цэнхэр

2 x OMRON BF-3 1000 THT мэдрэгчтэй унтраалга

1 x Ferrite Bead 600/100mhz SMD 0603

[Acknowledgments] ADC нь TI App Notes -ийн зөвшөөрлөөр график гаргадаг

MCU бенчмарк:

ПХБ -ийн дүрслэл: Fineline