Kubuni Bodi ya Maendeleo ya Microcontroller: Hatua 14 (na Picha)

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

Je! Wewe ni mtengenezaji, hobbyist, au hacker unavutiwa kuongezeka kutoka kwa miradi ya ubao, DIP ICs na PCB zilizotengenezwa nyumbani kwa PCB za safu nyingi zilizotengenezwa na nyumba za bodi na ufungaji wa SMD tayari kwa uzalishaji wa wingi? Basi hii inaweza kufundishwa!

Mwongozo huu utafafanua jinsi ya kutengeneza PCB yenye safu nyingi, ukitumia bodi ya microcontroller dev kama mfano.

Nilitumia KiCAD 5.0, ambayo ni zana ya bure na wazi ya EDA, kwa kuunda muundo na muundo wa PCB kwa bodi hii ya dev.

Ikiwa haujui KiCAD au mtiririko wa kazi kwa mpangilio wa PCB, mafunzo ya Chris Gamell kwenye YouTube ni mahali pazuri pa kuanza.

BONYEZA: Baadhi ya picha zinavuta sana, bonyeza tu kwenye picha ili uone picha kamili:)

Hatua ya 1: Fikiria juu ya Ufungashaji wa Sehemu

Vifaa vya Mlima wa juu (SMDs) vinaweza kuwekwa kwenye PCB kwa mashine ya kuchagua na kuweka, ikiboresha mchakato wa kusanyiko. Basi unaweza kuendesha PCB kupitia oveni inayowaka tena, au mashine ya kutengenezea mawimbi, ikiwa una vifaa vya shimo.

Sehemu inayoongoza kwa SMDs ndogo pia hupunguzwa, na kusababisha impedance ya chini sana, inductance na EMI, jambo zuri sana, haswa kwa RF na muundo wa masafa ya juu.

Kwenda njia ya mlima wa uso pia inaboresha utendaji wa mitambo na upepo, ambayo ni muhimu kwa upimaji na upimaji wa mafadhaiko ya mitambo.

Hatua ya 2: Chagua Mdhibiti wako Mdogo

Katika kiini cha kila bodi ya maendeleo ya udhibiti mdogo, kama Arduino na derivatives yake, ni mdhibiti mdogo. Katika kesi ya Arduino Uno, hii ni ATmega 328P. Kwa bodi yetu ya dev, tutatumia ESP8266.

Ni uchafu nafuu, inaendesha kwa 80MHz (na inawezeshwa hadi 160MHz) NA ina mfumo wa ndani wa WiFi uliojengwa. Inapotumiwa kama mdhibiti mdogo wa moja kwa moja, inaweza kutekeleza shughuli kadhaa hadi 170x haraka kuliko Arduino.

Hatua ya 3: Chagua USB yako kwa Serial Converter

Mdhibiti mdogo atahitaji njia fulani ya kuunganishwa na kompyuta yako, ili uweze kupakia programu zako kwenye hiyo. Hii kawaida hutimizwa na chip ya nje, ambayo hutunza kutafsiri kati ya ishara tofauti zinazotumiwa na bandari ya USB kwenye kompyuta yako, na ishara moja iliyomalizika inapatikana kwa wadhibiti wengi zaidi kupitia vifaa vyao vya mawasiliano vya serial, kama UART.

Kwa upande wetu, tutatumia FT230X, kutoka FTDI. USB kwa Chips za serial kutoka FTDI huwa zinaungwa mkono vizuri katika mifumo mingi ya uendeshaji, kwa hivyo ni dau salama kwa bodi ya dev. Njia mbadala maarufu (chaguzi za bei rahisi) ni pamoja na CP2102 kutoka SiLabs na CH340G.

Hatua ya 4: Chagua Mdhibiti wako

Bodi itahitaji kupata nguvu kupitia mahali pengine - na katika hali nyingi utapata nguvu hii inayotolewa kupitia mdhibiti wa mstari wa IC. Wasimamizi wa laini ni wa bei rahisi, rahisi, na wakati sio mzuri kama mpango wa hali ya swichi, watatoa nguvu safi (kelele kidogo) na ujumuishaji rahisi.

AMS1117 mdhibiti maarufu wa laini anayetumiwa katika bodi nyingi za dev, na chaguo nzuri sana kwa bodi yetu ya dev pia.

Hatua ya 5: Chagua Mpango wako wa Nguvu AU-ing

Ikiwa utamruhusu mtumiaji kuwezesha bodi ya dev kupitia USB, na pia utoe pembejeo la voltage kupitia moja ya pini kwenye ubao, utahitaji njia ya kuchagua kati ya voltages mbili zinazoshindana. Hii inatimizwa kwa urahisi kupitia utumiaji wa diode, ambayo hufanya kazi kuruhusu tu voltage ya juu ya kuingiza kupita na kuwezesha mzunguko wote.

Kwa upande wetu, tuna kizuizi cha schottky mbili, ambacho kinajumuisha diode mbili za schottky kwenye kifurushi kimoja kwa kusudi hili.

Hatua ya 6: Chagua Chips zako za pembeni (kama ipo)

Unaweza kuongeza vidonge kwenye kiunga na mdhibiti wako mteule ili kuongeza utumiaji au utendaji bodi yako ya dev inatoa watumiaji wake.

Kwa upande wetu, ESP8266 ina kituo kimoja tu cha kuingiza analog, na ni GPIO chache zinazoweza kutumika.

Ili kushughulikia hili, tutaongeza Analog ya nje kwa Digital Converter IC, na GPIO Expander IC.

Kuchagua ADC kawaida ni biashara kati ya kiwango cha ubadilishaji au kasi, na azimio. Maazimio ya hali ya juu sio bora zaidi, kwa sababu chips ambazo zina maazimio ya juu kwa sababu hutumia mbinu tofauti za sampuli mara nyingi huwa na viwango vya sampuli polepole sana. ADCs za kawaida za SAR zina viwango vya sampuli zaidi ya mamia ya maelfu ya sampuli kwa sekunde, wakati azimio kubwa Delta Sigma ADCs kawaida huwa na uwezo wa sampuli chache kwa sekunde-ulimwengu mbali na haraka AD ADs za umeme na umeme wa haraka wa bomba za ADC.

MCP3208 ni 12-bit ADC, na njia 8 za analog. Inaweza kufanya kazi popote kati ya 2.7V-5.5V na ina kiwango cha juu cha sampuli ya 100ksps.

Kuongezewa kwa MCP23S17, upanuzi maarufu wa GPIO husababisha pini 16 za GPIO kupatikana kwa matumizi.

Hatua ya 7: Ubunifu wa Mzunguko

Mzunguko wa utoaji wa nguvu hutumia diode mbili za schottky kutoa kazi rahisi ya OR-ing ya kuingiza nguvu. Hii inaweka vita kati ya 5V inayokuja kutoka bandari ya USB, na chochote unachotaka kutoa kwa pini ya VIN - mshindi wa vita vya elektroni hutoka juu na hutoa nguvu kwa mdhibiti wa AMS1117. LED ya unyenyekevu ya SMD hutumika kama kiashiria kwamba nguvu inapewa kwa bodi yote.

Mzunguko wa kiolesura cha USB una bead ya ferrite kuzuia EMI inayopotea na ishara za saa zenye kelele kuteremka kuelekea kompyuta ya mtumiaji. Vipinga mfululizo kwenye mistari ya data (D + na D-) hutoa msingi wa kudhibiti kiwango cha makali.

ESP8266 hutumia GPIO 0, GPIO 2 na GPIO 15 kama pini maalum za kuingiza, kusoma hali yao katika buti ili kujua ikiwa uanze katika hali ya programu, ambayo hukuruhusu kuwasiliana juu ya mfululizo kupanga programu ya chip-au flash boot, ambayo inazindua programu yako. GPIO 2 na GPIO 15 lazima zibaki kwenye mantiki ya juu, na mantiki chini, mtawaliwa wakati wa mchakato wa buti. Ikiwa GPIO 0 iko chini, ESP8266 inaacha udhibiti na hukuruhusu kuhifadhi programu yako kwenye kumbukumbu ya flash iliyoingiliwa ndani ya moduli. Ikiwa GPIO 0 iko juu, ESP8266 inazindua programu ya mwisho iliyohifadhiwa kwenye flash, na uko tayari kusonga.

Ili kufikia mwisho huo bodi yetu ya dev hutoa swichi za boot na kuweka upya, ikiwaruhusu watumiaji kubadilisha hali ya GPIO 0, na kuweka upya kifaa, kuweka chip kwenye hali ya programu inayotaka. Kontena la kuvuta huhakikisha kuwa kifaa huzindua katika hali ya kawaida ya buti kwa chaguo-msingi, kuanza programu iliyohifadhiwa hivi karibuni.

Hatua ya 8: Kubuni na Mpangilio wa PCB

Mpangilio wa PCB unakuwa muhimu zaidi mara tu mwendo wa kasi au ishara za analog zinahusika. Analog ICs haswa ni nyeti kwa maswala ya kelele ya ardhini. Ndege za ardhini zinauwezo wa kutoa rejeleo thabiti zaidi kwa ishara za kupendeza, kupunguza kelele na usumbufu unaosababishwa na matanzi ya ardhini.

Athari za Analog lazima ziwekwe mbali na athari za kasi za dijiti, kama vile mistari ya data tofauti ambayo ni sehemu ya kiwango cha USB. Ufuatiliaji wa ishara ya data inapaswa kufanywa kuwa fupi iwezekanavyo, na inapaswa kuwa ya urefu uliolingana. Epuka zamu na vias kupunguza tafakari na tofauti za impedance.

Kutumia usanidi wa nyota kwa kutoa nguvu kwa vifaa (kudhani kuwa tayari hutumii ndege ya nguvu) pia husaidia kupunguza kelele kwa kuondoa njia za sasa za kurudi.

Hatua ya 9: PCB Stack-Up

Bodi yetu ya dev imejengwa juu ya safu ya 4 ya safu ya PCB, na ndege ya nguvu ya kujitolea na ndege ya ardhini.

"Kujiweka" kwako ni mpangilio wa tabaka kwenye PCB yako. Mpangilio wa matabaka huathiri uzingatiaji wa EMI wa muundo wako, na pia uaminifu wa ishara ya mzunguko wako.

Mambo ya kuzingatia katika mkusanyiko wako wa PCB ni pamoja na:

1. Idadi ya tabaka
2. Utaratibu wa tabaka
3. Nafasi kati ya tabaka
4. Kusudi la kila safu (ishara, ndege nk)
5. Unene wa safu
6. Gharama

Kila mkusanyiko una seti yake ya faida na hasara. Bodi ya safu nne itazalisha mionzi chini ya 15dB kuliko muundo wa safu 2. Bodi za safu nyingi zina uwezekano wa kuwa na ndege kamili ya ardhini, kupungua kwa impedance ya ardhini, na kelele ya kumbukumbu.

Hatua ya 10: Kuzingatia zaidi Tabaka za PCB na Uadilifu wa Ishara

Tabaka za ishara zinapaswa kuwa karibu na ndege ya nguvu au ya ardhini, na umbali mdogo kati ya safu ya ishara na ndege yao iliyo karibu. Hii inaboresha njia ya kurudi kwa ishara, ambayo hupitia ndege ya kumbukumbu.

Ndege za nguvu na ardhi zinaweza kutumiwa kutoa kinga kati ya matabaka, au kama ngao za tabaka za ndani.

Ndege ya nguvu na ardhi, ikiwekwa karibu na kila mmoja, itasababisha uwezo wa ndege ambao hufanya kazi kwa niaba yako. Mizani hii ya uwezo na eneo la PCB yako, pamoja na umeme wake wa dielectric, na inalingana sawa na umbali kati ya ndege. Uwezo huu hufanya kazi vizuri kutumikia IC ambazo zina mahitaji ya sasa ya usambazaji.

Ishara za haraka zimepigwa vizuri katika tabaka za ndani za PCB nyingi za safu, ili iwe na EMI inayotokana na athari.

Kadiri masafa yanayoshughulikiwa juu ya bodi, kali mahitaji haya bora yanapaswa kufuatwa. Ubunifu wa kasi ya chini unaweza kuondoka na tabaka kidogo, au hata safu moja, wakati miundo ya kasi na RF inalazimu muundo wa PCB ulio ngumu zaidi na mkusanyiko wa PCB mkakati zaidi.

Miundo ya kasi, kwa mfano, inahusika zaidi na athari ya ngozi - ambayo ni uchunguzi kwamba katika masafa ya juu, mtiririko wa sasa hauingii kupitia mwili mzima wa kondakta, ambayo inamaanisha kuwa kuna upungufu wa matumizi ya pembezoni kuongezeka unene wa shaba kwa masafa fulani, kwani ujazo wa ziada wa kondakta hautatumika hata hivyo. Karibu 100MHz, kina cha ngozi (unene wa sasa unaotiririka kupitia kondakta) ni karibu 7um, ambayo inamaanisha hata 1oz ya kawaida. tabaka nene za ishara hazijatumiwa sana.

Hatua ya 11: Ujumbe wa Pembeni juu ya Vias

Vias huunda unganisho kati ya tabaka tofauti za PCB yenye safu nyingi.

Aina za vias zilizotumiwa zitaathiri gharama ya uzalishaji wa PCB. Vias vipofu / kuzikwa hugharimu zaidi kutengeneza kuliko kupitia vias za shimo. Kupitia shimo kupitia kukwepa kupitia PCB nzima, kukomesha kwa safu ya chini kabisa. Vias zilizochomwa zimefichwa ndani na zinaunganisha tu tabaka za ndani, wakati via vipofu huanza upande mmoja wa PCB lakini hukomesha kabla ya upande mwingine. Kupitia vias za shimo ni rahisi na rahisi kutengeneza, kwa hivyo ikiwa ikiboresha matumizi ya gharama kupitia vias za shimo.

Hatua ya 12: Utengenezaji wa PCB na Mkutano

Sasa kwa kuwa bodi imeundwa, utataka kutoa muundo kama faili za Gerber kutoka kwa zana yako ya kuchagua ya EDA, na uzipeleke kwa nyumba ya bodi kwa utengenezaji.

Nilikuwa na bodi zangu zilizotengenezwa na ALLPCB, lakini unaweza kutumia duka yoyote ya bodi kwa uzushi. Napenda kupendekeza kutumia PCB Shopper kulinganisha bei wakati wa kuamua ni nyumba gani ya bodi itakayochaguliwa kwa uzushi - ili uweze kulinganisha kwa bei na uwezo.

Baadhi ya nyumba za bodi pia hutoa Bunge la PCB, ambalo utahitaji ikiwa unataka kutekeleza muundo huu, kwani hutumia sehemu nyingi za SMD na hata QFN.

Hatua ya 13: Hiyo ndio Watu wote

Bodi hii ya maendeleo inaitwa "Clouduino Stratus", bodi ya dev ya ESP8266 iliyoundwa iliyoundwa na kuharakisha mchakato wa prototyping kwa uanzishaji wa vifaa / IOT.

Bado ni upunguzaji wa mapema wa muundo, na marekebisho mapya yanakuja hivi karibuni.

Natumai nyinyi mmejifunza mengi kutoka kwa mwongozo huu!: D

Hatua ya 14: Bonasi: Vipengele, Wagaji, Faili za Kubuni na Shukrani

[Mdhibiti Mdogo]

1x ESP12F

[Pembeni]

1 x MCP23S17 GPIO Kupanua (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Viunganishi na Muingiliano]

1 x FT231XQ USB kwa Serial (QFN)

1 x USB-B Kontakt Mini

2 x 16-pini Vichwa vya kike / vya Kiume

[Nguvu] 1 x AMS1117 - 3.3 Mdhibiti (SOT-223-3)

[Wengine]

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

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 Resistors

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 Resistors

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 Resistors

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 Resistors

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 Kipaji

2 x 10uF 50V SMD 0603 Kipaji

1 x 1uF 50V SMD 0603 Kipaji

2 x 47pF 50V SMD 0603 Kipaji

1 x SMD LED 0603 Kijani

1 x SMD LED 0603 Njano

1 x SMD LED 0603 Bluu

2 x OMRON BF-3 1000 THT Kubadilisha Tact

1 x Ferrite Shanga 600 / 100mhz SMD 0603

[Shukrani] Grafu za ADC kwa hisani ya Vidokezo vya TI App

Benchi ya MCU:

Vielelezo vya PCB: Fineline