Ontwerp van 'n ontwikkelingsraad vir mikrobeheerders: 14 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Is u 'n vervaardiger, stokperdjie of hacker wat belangstel om op te tree van perfboard -projekte, DIP IC's en tuisgemaakte PCB's tot PCB's met meer lae vervaardig deur bordhuise en SMD -verpakkings wat gereed is vir massaproduksie? Dan is hierdie instruksies vir jou!

In hierdie gids word uiteengesit hoe u te werk gaan met die ontwerp van 'n meerlaagse PCB, met behulp van 'n mikrobeheerder -ontwikkelbord as 'n voorbeeld.

Ek het KiCAD 5.0, 'n gratis en open source EDA -instrument, gebruik om die skemas en PCB -uitleg vir hierdie ontwikkelbord te skep.

As u nie vertroud is met KiCAD of die werkstroom vir die uitleg van die PCB nie, is die tutoriale van Chris Gamell op YouTube 'n goeie beginpunt.

EDIT: Sommige van die foto's vergroot te veel, klik net op die prentjie om die volledige prentjie te sien:)

Stap 1: Dink aan komponentverpakking

Surface Mount Devices (SMD's) kan op 'n PCB geplaas word deur 'n pick and place -masjien, wat die monteerproses outomatiseer. U kan die PCB dan deur 'n herlaai -oond of 'n golfsoldeermasjien loop as u ook deurkomponente het.

Komponentleidings vir kleiner SMD's word ook verminder, wat aansienlik laer impedansie, induktansie en EMI tot gevolg het, baie goed, veral vir RF- en hoëfrekwensie -ontwerpe.

Deur die roete op die berg te ry, word ook die meganiese prestasie en robuustheid verbeter, wat belangrik is vir vibrasie en meganiese spanningstoetsing.

Stap 2: Kies u mikrobeheerder

In die hart van elke ontwikkelingsraad vir mikrobeheerders, soos die Arduino en sy afgeleides, is 'n mikrobeheerder. In die geval van die Arduino Uno is dit die ATmega 328P. Vir ons ontwikkelbord gebruik ons die ESP8266.

Dit is goedkoop, loop op 80MHz (en kan oorklok tot 160MHz) EN het 'n ingeboude WiFi-substelsel. As dit as 'n selfstandige mikrobeheerder gebruik word, kan dit sekere bewerkings tot 170 keer vinniger as 'n Arduino uitvoer.

Stap 3: Kies u USB na seriële omskakelaar

'N Mikrokontroleerder benodig 'n manier om met u rekenaar te koppel, sodat u u programme daarop kan laai. Dit word tipies bewerkstellig deur 'n eksterne skyfie, wat sorg vir die vertaling tussen die differensiële seine wat die USB -poort op u rekenaar gebruik, en die enkele sein wat op die meeste mikrobeheerders beskikbaar is via hul seriële kommunikasie -randapparatuur, soos UART.

In ons geval gebruik ons 'n FT230X, van FTDI. USB na seriële skyfies van FTDI word geneig om goed ondersteun te word in die meeste bedryfstelsels, so dit is 'n veilige opsie vir 'n ontwikkelingsbord. Gewilde alternatiewe (goedkoper opsies) sluit die CP2102 van SiLabs en die CH340G in.

Stap 4: Kies u reguleerder

Die bord sal êrens krag moet kry - en in die meeste gevalle vind u hierdie krag deur 'n lineêre reguleerder IC. Lineêre reguleerders is goedkoop, eenvoudig, en hoewel dit nie so doeltreffend is as 'n skakelmodus nie, bied dit skoon krag (minder geraas) en maklike integrasie.

Die AMS1117, die gewildste lineêre reguleerder wat in die meeste ontwikkelingsborde gebruik word, en ook 'n redelike keuse vir ons ontwikkelbord.

Stap 5: Kies u krag-of-skema

As u die gebruiker deur middel van 'n USB deur die dev -bord wil laat stroom, en ook spanning -insette deur een van die penne op die bord sal bied, moet u 'n manier kies tussen die twee mededingende spannings. Dit word eenvoudig bereik deur die gebruik van diodes, wat werk om slegs die hoër insetspanning toe te laat om die res van die stroombaan deur te voer.

In ons geval het ons 'n dubbele schottky -versperring, wat twee schottky -diodes op 'n enkele pakket vir hierdie doel insluit.

Stap 6: Kies u randskyfies (indien enige)

U kan skyfies by die koppelvlak met u gekose mikrobeheerder voeg om die bruikbaarheid of funksionaliteit wat u ontwikkelbord aan sy gebruikers bied, te verbeter.

In ons geval het die ESP8266 slegs 'n enkele analoog ingangskanaal en baie min bruikbare GPIO's.

Om dit aan te spreek, voeg ons 'n eksterne analoog by na Digital Converter IC en 'n GPIO Expander IC.

Die keuse van 'n ADC is gewoonlik 'n afwyking tussen die omskakelingskoers of snelheid en resolusie. Hoër resolusies is nie noodwendig beter nie, want skyfies met hoër resolusies omdat hulle verskillende monsternemingstegnieke gebruik, het dikwels 'n baie stadige steekproef. Tipiese SAR ADC's het monstertempo's van meer as honderdduisende monsters per sekonde, terwyl Delta Sigma ADC's met 'n hoër resolusie gewoonlik slegs 'n handjievol monsters per sekonde in 'n wêreld kan bereik, weg van die vinnige SAR ADC's en die blitsvinnige ADC's.

Die MCP3208 is 'n 12-bis ADC, met 8 analoog kanale. Dit kan tussen 2.7V-5.5V werk en het 'n maksimum bemonsteringstempo van 100 ps / s.

Die toevoeging van 'n MCP23S17, 'n gewilde GPIO -uitbreider, lei tot 16 GPIO -penne wat beskikbaar is vir gebruik.

Stap 7: Kringontwerp

Die kragleweringskring gebruik twee schottky-diodes om 'n eenvoudige OF-ing-funksie vir kraginvoer te bied. Dit vorm 'n stryd tussen 5V wat van die USB -poort af kom, en alles wat u aan die VIN -pen wil verskaf - die wenner van die elektronstryd kom bo uit en verskaf krag aan die AMS1117 -reguleerder. 'N Nederige SMD LED dien as 'n aanduiding dat die krag in werklikheid aan die res van die bord gelewer word.

Die USB -koppelvlakkringloop het 'n ferrietkorrel om te voorkom dat verdwaalde EMI en die lawaaierige horlosies na 'n gebruiker se rekenaar afstraal. Die reeksweerstande op die data lyne (D+ en D-) bied basiese rantsnelheidsbeheer.

Die ESP8266 gebruik GPIO 0, GPIO 2 en GPIO 15 as spesiale invoerpenne, en lees hul toestand tydens opstart om te bepaal of u in die programmeermodus moet begin, waarmee u oor die reeks kan kommunikeer om die chip- of flits-opstartmodus te programmeer, wat u program begin. GPIO 2 en GPIO 15 moet tydens die opstartproses onderskeidelik logies hoog en logies laag bly. As GPIO 0 laag is, gee die ESP8266 afstand van die beheer en laat u u program stoor in die flash -geheue wat in die module gekoppel is. As GPIO 0 hoog is, begin die ESP8266 die laaste program wat in flits gestoor is, en u is gereed om te begin.

Vir hierdie doel bied ons dev -bord opstart- en reset -skakelaars, waardeur gebruikers die toestand van GPIO 0 kan verander en die toestel kan herstel om die chip in die gewenste programmeermodus te plaas. 'N Optrekweerstand verseker dat die toestel standaard in die normale opstartmodus begin, en begin die program wat onlangs gestoor is, aan die gang.

Stap 8: PCB -ontwerp en -uitleg

Die uitleg van die PCB word meer krities sodra hoë spoed of analoog seine betrokke is. Veral analoog IC's is sensitief vir grondgeraaskwessies. Grondvliegtuie het die vermoë om 'n meer stabiele verwysing vir die seine van belang te verskaf, wat geraas en interferensie wat gewoonlik deur grondlusse veroorsaak word, verminder.

Analoog spore moet weggehou word van hoëspoed digitale spore, soos die differensiële data lyne wat deel uitmaak van die USB standaard. Die spoor van die differensiële datasignaal moet so kort as moontlik gemaak word, en die spoorlengte moet ooreenstem. Vermy draaie en vias om weerkaatsings en impedansvariasies te verminder.

Die gebruik van 'n ster -opset om toestelle van krag te voorsien (as jy nie reeds 'n kragvliegtuig gebruik nie) help ook om geraas te verminder deur die huidige terugkeerpaaie uit te skakel.

Stap 9: PCB-stapel

Ons dev -bord is gebou op 'n 4 -laags PCB -stapel, met 'n spesiale kragvlak en grondvlak.

U 'stapel' is in die volgorde van lae op u PCB. Die rangskikking van lae beïnvloed die EMI -nakoming van u ontwerp, sowel as die seinintegriteit van u kring.

Faktore wat u in u PCB-stapel moet oorweeg, sal die volgende insluit:

1. Die aantal lae
2. Die volgorde van lae
3. Spasie tussen lae
4. Die doel van elke laag (sein, vliegtuig, ens.)
5. Laag dikte
6. Koste

Elke stapel het sy eie stel voordele en nadele. 'N 4 -laags bord lewer ongeveer 15dB minder straling as 'n ontwerp met twee lae. Meerlaagse borde het meer waarskynlik 'n volledige grondvlak, verminderde grondimpedansie en verwysingsgeraas.

Stap 10: Meer oorwegings vir PCB -lae en seinintegriteit

Seinlae moet ideaal langs 'n krag- of grondvlak wees, met 'n minimale afstand tussen die seinlaag en hul onderskeie nabygeleë vlak. Dit optimaliseer die seinretourpad wat deur die verwysingsvlak gaan.

Krag- en grondvliegtuie kan gebruik word om afskerming tussen lae te bied, of as skilde vir binneste lae.

As 'n krag- en grondvliegtuig langs mekaar geplaas word, sal dit 'n intervlak -kapasitansie tot gevolg hê wat gewoonlik in u guns werk. Hierdie kapasitansie skaal met die oppervlakte van u PCB, sowel as die diëlektriese konstante, en is omgekeerd eweredig aan die afstand tussen die vliegtuie. Hierdie kapasitansie werk goed om IC's te bedien wat aan vlugtige stroomvereistes beskik.

Vinnige seine word ideaal in die binneste lae van meerlaag -PCB's gebêre om die EMI wat deur die spore gegenereer word, te bevat.

Hoe hoër die frekwensies wat op die bord behandel word, hoe strenger moet hierdie ideale vereistes gevolg word. Lae spoedontwerpe sal waarskynlik met minder lae of selfs 'n enkele laag wegkom, terwyl hoëspoed- en RF-ontwerpe meer ingewikkelde PCB-ontwerp benodig met 'n meer strategiese PCB-stapel.

Byvoorbeeld, hoëspoedontwerpe is meer vatbaar vir die veleffek-dit is die waarneming dat stroomvloei by hoë frekwensies nie deur die hele liggaam van 'n geleier dring nie, wat weer beteken dat daar 'n afnemende marginale nut vir toenemende toename is die dikte van koper teen 'n sekere frekwensie, aangesien die ekstra geleiervolume in elk geval nie gebruik sal word nie. By ongeveer 100MHz is die diepte van die vel (die dikte van die stroom wat eintlik deur die geleier vloei) ongeveer 7um, wat selfs standaard 1oz beteken. dik seinlae word onderbenut.

Stap 11: 'n Kantaantekening oor Vias

Vias vorm verbindings tussen die verskillende lae van 'n meerlaagse PCB.

Die soorte vias wat gebruik word, sal die koste van die produksie van PCB beïnvloed. Blinde/begrawe vias kos meer om te vervaardig as deur vias. 'N Deurgat deur stote deur die hele PCB, wat eindig op die laagste laag. Begrawe vias is binne -in weggesteek en verbind slegs binne -lae, terwyl blinde vias aan die een kant van die PCB begin, maar eindig voor die ander kant. Deurgate is die goedkoopste en maklikste om te vervaardig, dus as dit optimaliseer vir koste-gebruik deur gate vias.

Stap 12: Vervaardiging en montering van PCB

Noudat die bord ontwerp is, wil u die ontwerp as Gerber -lêers uitvoer van u EDA -instrument wat u verkies, en dit na 'n bord stuur vir vervaardiging.

Ek het my borde deur ALLPCB laat vervaardig, maar u kan enige bordwinkel vir vervaardiging gebruik. Ek beveel sterk aan dat u PCB Shopper gebruik om pryse te vergelyk wanneer u besluit watter raathuis u vir vervaardiging moet kies - sodat u kan vergelyk in terme van pryse en vermoëns.

Sommige van die bordhuise bied ook PCB -montering aan, wat u waarskynlik nodig sal hê as u hierdie ontwerp wil implementeer, aangesien dit meestal SMD- en selfs QFN -onderdele gebruik.

Stap 13: Dit is alles mense

Hierdie ontwikkelingsbord word die 'Clouduino Stratus' genoem, 'n ESP8266 -ontwikkelingsbord wat ek ontwerp het om die prototiperingsproses vir 'n hardeware/IOT -opstart te bespoedig.

Dit is nog steeds 'n vroeë herhaling van die ontwerp, met nuwe hersienings binnekort.

Ek hoop dat u baie uit hierdie gids geleer het!: D

Stap 14: Bonus: komponente, Gerbers, ontwerp lêers en erkennings

[Mikrobeheerder]

1x ESP12F

[Randapparatuur]

1 x MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 x MCP3208 ADC (SOIC)

[Konnekteerders en koppelvlak]

1 x FT231XQ USB na reeks (QFN)

1 x USB-B mini-aansluiting

2 x 16-pen vroulike/manlike opskrifte

[Krag] 1 x AMS1117-3.3 Reguleerder (SOT-223-3)

[Ander]

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

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% SMD 0603 weerstande

2 x 27 ohm 1% SMD 0603 weerstande

3 x 270 ohm 1% SMD 0603 weerstande

2 x 470 ohm 1% SMD 0603 weerstande

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 kondensator

2 x 10uF 50V SMD 0603 kondensator

1 x 1uF 50V SMD 0603 kondensator

2 x 47pF 50V SMD 0603 kondensator

1 x SMD LED 0603 Groen

1 x SMD LED 0603 geel

1 x SMD LED 0603 Blou

2 x OMRON BF-3 1000 THT taktskakelaar

1 x Ferrietkraal 600/100mhz SMD 0603

[Erkennings] ADC -grafieke met vergunning van TI App Notes

MCU-maatstaf:

PCB -illustrasies: Fineline