تصميم مجلس تطوير وحدة التحكم الدقيقة: 14 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

هل أنت صانع أو هاوٍ أو متسلل مهتم بالتقدم من مشاريع perfboard و DIP ICs وثنائي الفينيل متعدد الكلور محلي الصنع إلى مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعددة الطبقات تصنعها بيوت الألواح وعبوات SMD الجاهزة للإنتاج الضخم؟ ثم هذه التعليمات لك!

سيوضح هذا الدليل بالتفصيل كيفية الشروع في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات ، باستخدام لوحة تطوير متحكم كمثال.

لقد استخدمت KiCAD 5.0 ، وهي أداة EDA مجانية ومفتوحة المصدر ، لإنشاء المخططات وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للوحة التطوير هذه.

إذا لم تكن معتادًا على KiCAD أو سير العمل لتخطيط PCB ، فإن دروس Chris Gamell التعليمية على YouTube هي مكان جيد للبدء.

تحرير: يتم تكبير بعض الصور أكثر من اللازم ، ما عليك سوى النقر على الصورة لرؤية الصورة كاملة:)

الخطوة 1: فكر في تغليف المكونات

يمكن وضع أجهزة تثبيت السطح (SMDs) على PCB بواسطة آلة الالتقاط والمكان ، مما يؤدي إلى أتمتة عملية التجميع. يمكنك بعد ذلك تشغيل PCB من خلال فرن إعادة التدفق ، أو آلة لحام الموجة ، إذا كان لديك أيضًا من خلال مكونات الثقب.

يتم أيضًا تقليل خيوط المكونات الخاصة بـ SMDs الأصغر ، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة والتحريض والتداخل الكهرومغناطيسي ، وهو أمر جيد جدًا ، لا سيما بالنسبة لتصميمات الترددات اللاسلكية والترددات العالية.

يؤدي السير في مسار التثبيت السطحي أيضًا إلى تحسين الأداء الميكانيكي والصلابة ، وهو أمر مهم لاختبار الاهتزاز والضغط الميكانيكي.

الخطوة 2: اختر وحدة التحكم الدقيقة الخاصة بك

في قلب كل لوحة تطوير متحكم ، مثل Arduino ومشتقاته ، يوجد متحكم دقيق. في حالة Arduino Uno ، هذا هو ATmega 328P. بالنسبة إلى لوحة التطوير الخاصة بنا ، سنستخدم ESP8266.

إنه رخيص الأوساخ ، ويعمل بسرعة 80 ميجاهرتز (ويمكن زيادة تردد التشغيل إلى 160 ميجاهرتز) ويحتوي على نظام فرعي لشبكة WiFi مدمج. عند استخدامه كمتحكم دقيق مستقل ، يمكنه تنفيذ عمليات معينة بسرعة تصل إلى 170 مرة أسرع من Arduino.

الخطوة 3: اختر محول USB إلى المسلسل

سيحتاج المتحكم الدقيق إلى طريقة ما للتفاعل مع جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، حتى تتمكن من تحميل برامجك عليه. يتم تحقيق ذلك عادةً بواسطة شريحة خارجية ، والتي تهتم بالترجمة بين الإشارات التفاضلية التي يستخدمها منفذ USB على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، والإشارة أحادية الطرف المتوفرة في معظم وحدات التحكم الدقيقة من خلال الأجهزة الطرفية للاتصالات التسلسلية ، مثل UART.

في حالتنا ، سنستخدم FT230X ، من FTDI. تميل شرائح USB إلى Serial من FTDI إلى أن تكون مدعومة جيدًا عبر معظم أنظمة التشغيل ، لذا فهي رهان آمن للوحة التطوير. تشمل البدائل الشائعة (خيارات أرخص) CP2102 من SiLabs و CH340G.

الخطوة 4: اختر المنظم الخاص بك

ستحتاج اللوحة إلى الحصول على الطاقة من مكان ما - وفي معظم الحالات ستجد هذه الطاقة مقدمة من خلال منظم خطي IC. المُنظِّمات الخطية رخيصة الثمن وبسيطة ، وعلى الرغم من أنها ليست فعالة مثل نظام الوضع المحول ، فإنها ستوفر طاقة نظيفة (ضوضاء أقل) وتكاملًا سهلًا.

AMS1117 هو المنظم الخطي الأكثر شيوعًا والمستخدم في معظم لوحات التطوير ، وهو خيار مناسب جدًا للوحة التطوير الخاصة بنا أيضًا.

الخطوة 5: اختر Power OR-ing Scheme

إذا كنت ستسمح للمستخدم بتشغيل لوحة التطوير من خلال USB ، وكذلك تقديم إدخال الجهد من خلال أحد المسامير الموجودة على اللوحة ، فستحتاج إلى طريقة للاختيار بين الفولتية المتنافسة. يتم تحقيق ذلك ببساطة من خلال استخدام الثنائيات ، والتي تعمل على السماح فقط لجهد الدخل العالي بالمرور وتشغيل بقية الدائرة.

في حالتنا ، لدينا حاجز شوتكي مزدوج ، والذي يتضمن ثنائيات شوتكي على عبوة واحدة لهذا الغرض بالذات.

الخطوة 6: اختر رقائقك الطرفية (إن وجدت)

يمكنك إضافة شرائح للواجهة مع وحدة التحكم الدقيقة التي اخترتها لتحسين إمكانية الاستخدام أو الوظيفة التي يوفرها مجلس التطوير لمستخدميه.

في حالتنا ، يحتوي ESP8266 على قناة إدخال تناظرية واحدة فقط ، وعدد قليل جدًا من كائنات GPI القابلة للاستخدام.

لمعالجة هذا الأمر ، سنضيف IC خارجيًا تناظريًا إلى محول رقمي IC ، و GPIO Expander IC.

عادةً ما يكون اختيار ADC بمثابة مقايضة بين معدل التحويل أو السرعة والقرار. الدقة الأعلى ليست بالضرورة أفضل ، لأن الرقائق التي تتميز بدقة أعلى لأنها تستخدم تقنيات مختلفة لأخذ العينات غالبًا ما يكون لها معدلات عينات بطيئة جدًا. تحتوي ADCs النموذجية على معدلات عينة تزيد عن مئات الآلاف من العينات في الثانية ، في حين أن ADCs Delta Sigma ذات الدقة العالية عادة ما تكون قادرة فقط على حفنة من العينات في الثانية - بعيدًا عن ADCs السريع SAR و ADCs بسرعة البرق.

MCP3208 هو 12 بت ADC ، مع 8 قنوات تناظرية. يمكن أن يعمل في أي مكان بين 2.7V-5.5V ويبلغ أقصى معدل لأخذ العينات 100ksps.

تؤدي إضافة MCP23S17 ، موسع GPIO الشهير إلى إتاحة 16 دبوسًا للاستخدام.

الخطوة 7: تصميم الدوائر

تستخدم دائرة توصيل الطاقة ثنائيات شوتكي لتوفير وظيفة OR-ing بسيطة لإدخال الطاقة. يؤدي هذا إلى بدء معركة بين 5 فولت قادم من منفذ USB ، وأي شيء ترغب في تقديمه إلى دبوس VIN - يأتي الفائز في معركة الإلكترون في المقدمة ويوفر الطاقة لمنظم AMS1117. يعمل مصباح SMD LED المتواضع كمؤشر على أن الطاقة يتم تسليمها في الواقع إلى بقية اللوحة.

تتميز دائرة واجهة USB بحافة من الفريت لمنع EMI الشارد وإشارات الساعة الصاخبة من الانطلاق نحو كمبيوتر المستخدم. توفر المقاومات المتسلسلة على خطوط البيانات (D + و D-) تحكمًا أساسيًا في معدل الحافة.

يستخدم ESP8266 GPIO 0 و GPIO 2 و GPIO 15 كدبابيس إدخال خاصة ، لقراءة حالتها عند التمهيد لتحديد ما إذا كنت ستبدأ في وضع البرمجة ، مما يتيح لك التواصل عبر المسلسل لبرمجة وضع التمهيد ذي الشريحة أو الفلاش ، والذي يقوم بتشغيل البرنامج الخاص بك. يجب أن يظل GPIO 2 و GPIO 15 عند منطق مرتفع ومنطق منخفض على التوالي أثناء عملية التمهيد. إذا كان GPIO 0 منخفضًا عند التمهيد ، فإن ESP8266 يتخلى عن التحكم ويسمح لك بتخزين برنامجك في ذاكرة الفلاش المتداخلة داخل الوحدة. إذا كان GPIO 0 مرتفعًا ، فإن ESP8266 يقوم بتشغيل آخر برنامج تم تخزينه في فلاش ، وأنت على استعداد لبدء التشغيل.

لتحقيق هذه الغاية ، توفر لوحة التطوير الخاصة بنا مفاتيح التمهيد وإعادة الضبط ، مما يسمح للمستخدمين بتبديل حالة GPIO 0 ، وإعادة ضبط الجهاز ، لوضع الشريحة في وضع البرمجة المطلوب. يضمن المقاوم للسحب تشغيل الجهاز في وضع التمهيد العادي افتراضيًا ، مع بدء تشغيل أحدث برنامج تم تخزينه.

الخطوة 8: تصميم وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يصبح تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر أهمية بمجرد تضمين إشارات عالية السرعة أو تناظرية. الدوائر المتكاملة التناظرية على وجه الخصوص حساسة لقضايا الضوضاء الأرضية. تتمتع الطائرات الأرضية بالقدرة على توفير مرجع أكثر ثباتًا لإشارات الاهتمام ، مما يقلل الضوضاء والتداخل الناجم عادةً عن الحلقات الأرضية.

يجب الاحتفاظ بالتتبعات التناظرية بعيدًا عن التتبع الرقمي عالي السرعة ، مثل خطوط البيانات التفاضلية التي تعد جزءًا من معيار USB. يجب أن تكون آثار إشارة البيانات التفاضلية قصيرة قدر الإمكان ، ويجب أن تكون مطابقة لطول التتبع. تجنب الانعطافات والتقلبات لتقليل الانعكاسات واختلافات المعاوقة.

يساعد استخدام التكوين النجمي لتوفير الطاقة للأجهزة (بافتراض أنك لا تستخدم بالفعل مستوى طاقة) في تقليل الضوضاء عن طريق التخلص من مسارات العودة الحالية.

الخطوة 9: PCB Stack-Up

لوحة التطوير الخاصة بنا مبنية على مكدس ثنائي الفينيل متعدد الكلور مكون من 4 طبقات ، مع مستوى طاقة مخصص ومستوى أرضي.

"التكديس" الخاص بك هو ترتيب الطبقات على ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاص بك. يؤثر ترتيب الطبقات على توافق EMI لتصميمك ، بالإضافة إلى سلامة إشارة دائرتك.

تشمل العوامل التي يجب مراعاتها في تكديس ثنائي الفينيل متعدد الكلور ما يلي:

1. عدد الطبقات
2. ترتيب الطبقات
3. التباعد بين الطبقات
4. الغرض من كل طبقة (إشارة ، مستوي ، إلخ)
5. سماكة الطبقة
6. كلفة

كل مكدس له مجموعته الخاصة من المزايا والعيوب. سوف ينتج اللوح المكون من 4 طبقات إشعاعًا أقل بمقدار 15 ديسيبل تقريبًا من التصميم المكون من طبقتين. من المرجح أن تتميز اللوحات متعددة الطبقات بمستوى أرضي كامل ، وتقليل مقاومة الأرض ، والضوضاء المرجعية.

الخطوة 10: مزيد من الاعتبارات لطبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور وسلامة الإشارة

يجب أن تكون طبقات الإشارة بشكل مثالي بجوار مستوى طاقة أو مستوى أرضي ، مع أدنى مسافة بين طبقة الإشارة والمستوى القريب الخاص بها. يؤدي ذلك إلى تحسين مسار عودة الإشارة ، الذي يمر عبر المستوى المرجعي.

يمكن استخدام طائرات الطاقة والأرض لتوفير الحماية بين الطبقات ، أو كدروع للطبقات الداخلية.

عند وضع مستوى القوة والأرض بجانب بعضهما البعض ، سينتج عنهما سعة بينية تعمل عادةً لصالحك. تتناسب هذه السعة مع مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، بالإضافة إلى ثابت العزل الكهربائي الخاص بها ، وتتناسب عكسياً مع المسافة بين المستويين. تعمل هذه السعة بشكل جيد لخدمة الدوائر المتكاملة التي تتميز بمتطلبات تيار العرض المتقلبة.

يتم إخفاء الإشارات السريعة بشكل مثالي في الطبقات الداخلية لثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات ، لاحتواء EMI الناتجة عن الآثار.

كلما زادت الترددات التي يتم التعامل معها على السبورة ، يجب اتباع هذه المتطلبات المثالية بشكل أكثر صرامة. من المحتمل أن تفلت التصميمات منخفضة السرعة من طبقات أقل ، أو حتى طبقة واحدة ، بينما تتطلب تصاميم السرعة العالية والترددات اللاسلكية تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر تعقيدًا مع تكديس ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر استراتيجية.

التصاميم عالية السرعة ، على سبيل المثال ، أكثر عرضة لتأثير الجلد - وهي الملاحظة التي تشير إلى أن تدفق التيار عند الترددات العالية لا يخترق كامل جسم الموصل ، وهذا بدوره يعني أن هناك فائدة هامشية متناقصة لزيادة سمك النحاس بتردد معين ، حيث لن يتم استخدام الحجم الإضافي للموصل على أي حال. عند حوالي 100 ميجاهرتز ، يبلغ عمق الجلد (سماكة التيار المتدفق فعليًا عبر الموصل) حوالي 7 ميكرومتر ، وهو ما يعني حتى 1 أوقية قياسية. طبقات الإشارة السميكة غير مستغلة.

الخطوة 11: ملاحظة جانبية على Vias

تشكل Vias اتصالات بين الطبقات المختلفة لثنائي الفينيل متعدد الكلور متعدد الطبقات.

ستؤثر أنواع vias المستخدمة على تكلفة إنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور. تكلفة تصنيع الأنابيب العمياء / المدفونة أكثر من تكلفة تصنيعها من خلال فتحات الفتحات. ثقب من خلال اللكمات من خلال ثنائي الفينيل متعدد الكلور بأكمله ، وينتهي عند أدنى طبقة. يتم إخفاء القواطع المدفونة بالداخل وتربط الطبقات الداخلية فقط ، بينما تبدأ الفتحات العمياء على جانب واحد من ثنائي الفينيل متعدد الكلور ولكنها تنتهي قبل الجانب الآخر. من خلال فتحات الفتحات هي الأرخص والأسهل في التصنيع ، لذلك إذا تم تحسينها من أجل التكلفة من خلال فتحات الفتحات.

الخطوة 12: تصنيع وتجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور

الآن بعد أن تم تصميم اللوحة ، سترغب في إخراج التصميم كملفات Gerber من أداة EDA التي تختارها ، وإرسالها إلى لوحة منزل للتصنيع.

لقد تم تصنيع الألواح الخاصة بي بواسطة ALLPCB ، ولكن يمكنك استخدام أي متجر للألواح الخشبية للتصنيع. أوصي بشدة باستخدام PCB Shopper لمقارنة الأسعار عند تحديد مجلس الإدارة الذي تختاره للتصنيع - حتى تتمكن من المقارنة من حيث الأسعار والقدرات.

تقدم بعض بيوت اللوحة أيضًا تجميع PCB ، والذي ستحتاج إليه على الأرجح إذا كنت ترغب في تنفيذ هذا التصميم ، حيث يستخدم في الغالب أجزاء SMD وحتى QFN.

الخطوة 13: هذا كل شيء

يُطلق على لوحة التطوير هذه اسم "Clouduino Stratus" ، وهي لوحة مطورة تستند إلى ESP8266 صممت لتسريع عملية إنشاء النماذج الأولية لبدء تشغيل الأجهزة / إنترنت الأشياء.

لا يزال هذا تكرارًا مبكرًا للتصميم ، مع تنقيحات جديدة قريبًا.

أتمنى أن تتعلموا الكثير من هذا الدليل!:د

الخطوة 14: المكافأة: المكونات ، الجربرز ، ملفات التصميم والشكر والتقدير

[متحكم]

1x ESP12F

[ملحقات]

1 × MCP23S17 GPIO Expander (QFN)

1 × MCP3208 ADC (SOIC)

[وصلات ووصلات]

1 × FT231XQ USB إلى المسلسل (QFN)

1 × موصل USB-B صغير

رؤوس 2 × 16 دبوس أنثى / ذكر

[الطاقة] 1 × AMS1117 - 3.3 منظم (SOT-223-3)

[آحرون]

1 × ECQ10A04-F حاجز شوتكي مزدوج (TO-252)

2 × BC847W (SOT323)

مقاومات 7 × 10 كيلو 1٪ SMD 0603

2 × 27 أوم 1٪ SMD 0603 مقاومات

3 × 270 أوم 1٪ SMD 0603 مقاومات

2 × 470 أوم 1٪ SMD 0603 مقاومات

3 × 0.1 فائق التوهج 50 فولت SMD 0603 مكثف

2 × 10 فائق التوهج 50 فولت SMD 0603 مكثف

1 × 1 فائق التوهج 50 فولت SMD 0603 مكثف

2 × 47pF 50V SMD 0603 مكثف

1 × SMD LED 0603 أخضر

1 × SMD LED 0603 أصفر

1 × SMD LED 0603 أزرق

2 x OMRON BF-3 1000 THT Tact Switch

1 × حبة الفريت 600/100 ميجا هرتز SMD 0603

[شكر وتقدير] الرسوم البيانية ADC بإذن من TI App Notes

معيار MCU:

الرسوم التوضيحية PCB: الخط النهائي