एक माइक्रोकंट्रोलर विकास बोर्ड डिजाइन करना: 14 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:21

क्या आप एक निर्माता, शौक़ीन या हैकर हैं जो परफ़बोर्ड परियोजनाओं, डीआईपी आईसी और घर में बने पीसीबी से बोर्ड हाउसों द्वारा निर्मित बहुपरत पीसीबी और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तैयार एसएमडी पैकेजिंग से आगे बढ़ने में रुचि रखते हैं? तब यह शिक्षाप्रद आपके लिए है!

यह मार्गदर्शिका एक उदाहरण के रूप में एक माइक्रोकंट्रोलर देव बोर्ड का उपयोग करते हुए, एक बहुपरत पीसीबी को डिजाइन करने के बारे में विस्तार से बताएगी।

मैंने KiCAD 5.0 का उपयोग किया, जो इस देव बोर्ड के लिए योजनाबद्ध और PCB लेआउट बनाने के लिए एक स्वतंत्र और खुला स्रोत EDA उपकरण है।

यदि आप पीसीबी लेआउट के लिए KiCAD या वर्कफ़्लो से परिचित नहीं हैं, तो YouTube पर क्रिस गेमेल के ट्यूटोरियल शुरू करने के लिए एक बहुत अच्छी जगह हैं।

संपादित करें: कुछ तस्वीरें बहुत अधिक ज़ूम करती हैं, पूरी तस्वीर देखने के लिए बस छवि पर क्लिक करें:)

चरण 1: घटक पैकेजिंग के बारे में सोचें

सरफेस माउंट डिवाइसेस (एसएमडी) को पीसीबी पर पिक एंड प्लेस मशीन द्वारा स्थापित किया जा सकता है, जो असेंबली की प्रक्रिया को स्वचालित करता है। फिर आप पीसीबी को रिफ्लो ओवन, या वेव सोल्डरिंग मशीन के माध्यम से चला सकते हैं, यदि आपके पास होल कंपोनेंट्स भी हैं।

छोटे एसएमडी के लिए घटक लीड भी कम हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप काफी कम प्रतिबाधा, अधिष्ठापन और ईएमआई, एक बहुत अच्छी बात है, विशेष रूप से आरएफ और उच्च आवृत्ति डिजाइन के लिए।

सरफेस माउंट रूट पर जाने से यांत्रिक प्रदर्शन और कठोरता में भी सुधार होता है, जो कंपन और यांत्रिक तनाव परीक्षण के लिए महत्वपूर्ण है।

चरण 2: अपना माइक्रोकंट्रोलर चुनें

प्रत्येक माइक्रोकंट्रोलर विकास बोर्ड के केंद्र में, जैसे Arduino और इसके डेरिवेटिव, एक माइक्रोकंट्रोलर है। Arduino Uno के मामले में, यह ATmega 328P है। हमारे देव बोर्ड के लिए, हम ESP8266 का उपयोग करेंगे।

यह सस्ता है, 80 मेगाहर्ट्ज पर चलता है (और 160 मेगाहर्ट्ज तक ओवरक्लॉक करने योग्य है) और इसमें एक अंतर्निहित वाईफाई सबसिस्टम है। जब एक स्टैंडअलोन माइक्रोकंट्रोलर के रूप में उपयोग किया जाता है, तो यह एक Arduino की तुलना में 170x तक के कुछ कार्यों को तेजी से निष्पादित कर सकता है।

चरण 3: सीरियल कन्वर्टर के लिए अपना यूएसबी चुनें

एक माइक्रोकंट्रोलर को आपके कंप्यूटर के साथ इंटरफेस करने के लिए किसी तरह की आवश्यकता होगी, ताकि आप उस पर अपने प्रोग्राम लोड कर सकें। यह आमतौर पर एक बाहरी चिप द्वारा पूरा किया जाता है, जो आपके कंप्यूटर पर यूएसबी पोर्ट द्वारा उपयोग किए जाने वाले अंतर संकेतों और यूएआरटी जैसे सीरियल संचार बाह्य उपकरणों के माध्यम से अधिकांश माइक्रोकंट्रोलर पर उपलब्ध सिंगल एंड सिग्नलिंग के बीच अनुवाद का ख्याल रखता है।

हमारे मामले में, हम FTDI से FT230X का उपयोग करेंगे। FTDI से USB से सीरियल चिप्स अधिकांश ऑपरेटिंग सिस्टम में अच्छी तरह से समर्थित होते हैं, इसलिए यह एक देव बोर्ड के लिए एक सुरक्षित शर्त है। लोकप्रिय विकल्प (सस्ता विकल्प) में SiLabs से CP2102 और CH340G शामिल हैं।

चरण 4: अपना नियामक चुनें

बोर्ड को कहीं से बिजली प्राप्त करने की आवश्यकता होगी - और ज्यादातर मामलों में आपको यह शक्ति एक रैखिक नियामक आईसी के माध्यम से प्रदान की जाएगी। लीनियर रेगुलेटर सस्ते, सरल और स्विच्ड मोड स्कीम की तरह कुशल नहीं हैं, लेकिन स्वच्छ शक्ति (कम शोर) और आसान एकीकरण की पेशकश करेंगे।

AMS1117 अधिकांश देव बोर्डों में उपयोग किया जाने वाला सबसे लोकप्रिय रैखिक नियामक है, और हमारे देव बोर्ड के लिए भी एक बहुत अच्छा विकल्प है।

चरण 5: अपनी शक्ति या योजना चुनें

यदि आप उपयोगकर्ता को यूएसबी के माध्यम से देव बोर्ड को शक्ति देने जा रहे हैं, और बोर्ड पर किसी एक पिन के माध्यम से वोल्टेज इनपुट भी प्रदान करते हैं, तो आपको दो प्रतिस्पर्धी वोल्टेज के बीच चयन करने का एक तरीका चाहिए। यह डायोड के उपयोग के माध्यम से सबसे सरल रूप से पूरा किया जाता है, जो केवल उच्च इनपुट वोल्टेज को पारित करने और शेष सर्किट को शक्ति देने के लिए काम करता है।

हमारे मामले में, हमारे पास एक दोहरी स्कूटी बैरियर है, जिसमें इसी उद्देश्य के लिए एक पैकेज पर दो स्कूटी डायोड शामिल हैं।

चरण 6: अपना पेरिफेरल चिप्स चुनें (यदि कोई हो)

आप अपने चुने हुए माइक्रोकंट्रोलर के साथ इंटरफेस में चिप्स जोड़ सकते हैं ताकि उपयोगिता या कार्यक्षमता को बढ़ाया जा सके जो आपका देव बोर्ड अपने उपयोगकर्ताओं को प्रदान करता है।

हमारे मामले में, ESP8266 में केवल एक एनालॉग इनपुट चैनल है, और बहुत कम प्रयोग करने योग्य GPIO हैं।

इसे संबोधित करने के लिए, हम डिजिटल कन्वर्टर IC में एक बाहरी एनालॉग और एक GPIO विस्तारक IC जोड़ेंगे।

एडीसी चुनना आम तौर पर रूपांतरण दर या गति, और संकल्प के बीच एक व्यापार बंद है। उच्च रिज़ॉल्यूशन आवश्यक रूप से बेहतर नहीं होते हैं, क्योंकि चिप्स जो उच्च रिज़ॉल्यूशन की सुविधा देते हैं क्योंकि वे विभिन्न नमूना तकनीकों का उपयोग करते हैं, उनमें अक्सर बहुत धीमी नमूना दर होती है। विशिष्ट एसएआर एडीसी की नमूना दरें प्रति सेकंड सैकड़ों हजारों नमूनों से अधिक होती हैं, जबकि उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले डेल्टा सिग्मा एडीसी आमतौर पर प्रति सेकंड केवल कुछ मुट्ठी भर नमूने ही सक्षम होते हैं-तेजी से एसएआर एडीसी और बिजली की तेज पाइपलाइन वाले एडीसी से दूर एक दुनिया।

MCP3208 एक 12-बिट ADC है, जिसमें 8 एनालॉग चैनल हैं। यह 2.7V-5.5V के बीच कहीं भी काम कर सकता है और इसकी अधिकतम नमूना दर 100kps है।

एक लोकप्रिय GPIO विस्तारक MCP23S17 को जोड़ने से 16 GPIO पिन उपयोग के लिए उपलब्ध हो जाते हैं।

चरण 7: सर्किट डिजाइन

पावर डिलीवरी सर्किट पावर इनपुट के लिए एक साधारण OR-ing फ़ंक्शन प्रदान करने के लिए दो स्कूटी डायोड का उपयोग करता है। यह USB पोर्ट से आने वाले 5V के बीच एक लड़ाई स्थापित करता है, और जो भी आप VIN पिन को प्रदान करना चाहते हैं - इलेक्ट्रॉन लड़ाई का विजेता शीर्ष पर आता है और AMS1117 नियामक को शक्ति प्रदान करता है। एक विनम्र एसएमडी एलईडी एक संकेतक के रूप में कार्य करता है कि वास्तव में बिजली बोर्ड के बाकी हिस्सों में पहुंचाई जा रही है।

यूएसबी इंटरफेस सर्किट में फेराइट बीड की सुविधा होती है, जो कि आवारा ईएमआई और शोर घड़ी के संकेतों को उपयोगकर्ता के कंप्यूटर की ओर जाने से रोकता है। डेटा लाइनों (डी + और डी-) पर श्रृंखला प्रतिरोधक मूल बढ़त दर नियंत्रण प्रदान करते हैं।

ESP8266 GPIO 0, GPIO 2 और GPIO 15 को विशेष इनपुट पिन के रूप में उपयोग करता है, यह निर्धारित करने के लिए बूट पर उनकी स्थिति को पढ़ता है कि क्या प्रोग्रामिंग मोड में शुरू करना है, जो आपको चिप-या फ्लैश बूट मोड को प्रोग्राम करने के लिए सीरियल पर संचार करने देता है, जो आपके प्रोग्राम को लॉन्च करता है।. GPIO 2 और GPIO 15 को बूट प्रक्रिया के दौरान क्रमशः लॉजिक हाई और लॉजिक लो पर रहना चाहिए। यदि GPIO 0 बूट पर कम है, तो ESP8266 नियंत्रण छोड़ देता है और आपको मॉड्यूल के भीतर इंटरफेर की गई फ्लैश मेमोरी में अपने प्रोग्राम को स्टोर करने की अनुमति देता है। यदि GPIO 0 उच्च है, तो ESP8266 फ्लैश में संग्रहीत अंतिम प्रोग्राम लॉन्च करता है, और आप रोल करने के लिए तैयार हैं।

इसके लिए हमारा देव बोर्ड बूट और रीसेट स्विच प्रदान करता है, जिससे उपयोगकर्ता GPIO 0 की स्थिति को टॉगल कर सकते हैं, और डिवाइस को रीसेट कर सकते हैं, चिप को वांछित प्रोग्रामिंग मोड में डाल सकते हैं। एक पुल-अप रोकनेवाला यह सुनिश्चित करता है कि डिवाइस डिफ़ॉल्ट रूप से सामान्य बूट मोड में लॉन्च हो, सबसे हाल ही में संग्रहीत प्रोग्राम को किक-स्टार्ट करना।

चरण 8: पीसीबी डिजाइन और लेआउट

उच्च गति या एनालॉग सिग्नल शामिल होने के बाद पीसीबी लेआउट अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है। एनालॉग आईसी विशेष रूप से जमीनी शोर के मुद्दों के प्रति संवेदनशील हैं। ग्राउंड प्लेन में रुचि के संकेतों के लिए एक अधिक स्थिर संदर्भ प्रदान करने की क्षमता होती है, जो आमतौर पर ग्राउंड लूप के कारण होने वाले शोर और हस्तक्षेप को कम करता है।

एनालॉग ट्रेस को हाई स्पीड डिजिटल ट्रेस से दूर रखा जाना चाहिए, जैसे कि अंतर डेटा लाइनें जो USB मानक का हिस्सा हैं। डिफरेंशियल डेटा सिग्नल ट्रेस को जितना संभव हो उतना छोटा बनाया जाना चाहिए, और ट्रेस की लंबाई से मेल खाना चाहिए। प्रतिबिंबों और प्रतिबाधा भिन्नताओं को कम करने के लिए मोड़ और विअस से बचें।

उपकरणों को शक्ति प्रदान करने के लिए एक स्टार कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करना (यह मानते हुए कि आप पहले से ही एक पावर प्लेन का उपयोग नहीं कर रहे हैं) भी वर्तमान वापसी पथ को समाप्त करके शोर को कम करने में मदद करता है।

चरण 9: पीसीबी स्टैक-अप

हमारा देव बोर्ड एक समर्पित पावर प्लेन और ग्राउंड प्लेन के साथ 4 लेयर पीसीबी स्टैक पर बनाया गया है।

आपका "स्टैक-अप" आपके पीसीबी पर परतों का क्रम है। परतों की व्यवस्था आपके डिजाइन के ईएमआई अनुपालन के साथ-साथ आपके सर्किट की सिग्नल अखंडता को प्रभावित करती है।

आपके पीसीबी स्टैक-अप में विचार करने वाले कारकों में शामिल होंगे:

1. परतों की संख्या
2. परतों का क्रम
3. परतों के बीच में रिक्ति
4. प्रत्येक परत का उद्देश्य (सिग्नल, प्लेन आदि)
5. परत की मोटाई
6. लागत

प्रत्येक स्टैक-अप के फायदे और नुकसान का अपना सेट होता है। एक 4 परत बोर्ड 2 परत डिजाइन की तुलना में लगभग 15dB कम विकिरण उत्पन्न करेगा। मल्टी लेयर बोर्ड में एक पूर्ण ग्राउंड प्लेन, घटते हुए ग्राउंड प्रतिबाधा और संदर्भ शोर की सुविधा होने की अधिक संभावना है।

चरण 10: पीसीबी परतों और सिग्नल अखंडता के लिए अधिक विचार

सिग्नल लेयर आदर्श रूप से या तो पावर या ग्राउंड प्लेन के बगल में होना चाहिए, सिग्नल लेयर और उनके संबंधित पास के प्लेन के बीच न्यूनतम दूरी के साथ। यह सिग्नल रिटर्न पथ को अनुकूलित करता है, जो संदर्भ विमान के माध्यम से जाता है।

पावर और ग्राउंड प्लेन का उपयोग परतों के बीच या आंतरिक परतों के लिए ढाल के रूप में परिरक्षण प्रदान करने के लिए किया जा सकता है।

एक पावर और ग्राउंड प्लेन, जब एक दूसरे के बगल में रखा जाता है, तो एक इंटरप्लेन कैपेसिटेंस का परिणाम होगा जो आमतौर पर आपके पक्ष में काम करता है। यह समाई आपके पीसीबी के क्षेत्र के साथ-साथ इसके ढांकता हुआ स्थिरांक के साथ मापती है, और विमानों के बीच की दूरी के व्युत्क्रमानुपाती होती है। यह समाई उन IC की सेवा के लिए अच्छी तरह से काम करती है जो अस्थिर आपूर्ति की वर्तमान आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

निशानों द्वारा उत्पन्न ईएमआई को समाहित करने के लिए, फास्ट सिग्नल आदर्श रूप से मल्टी लेयर पीसीबी की आंतरिक परतों में रखे जाते हैं।

बोर्ड पर जितनी अधिक आवृत्तियों का निपटारा किया जा रहा है, इन आदर्श आवश्यकताओं का सख्ती से पालन किया जाना चाहिए। कम गति वाले डिजाइन कम परतों, या यहां तक कि एक परत के साथ दूर होने की संभावना है, जबकि उच्च गति और आरएफ डिजाइनों को अधिक रणनीतिक पीसीबी स्टैक-अप के साथ अधिक जटिल पीसीबी डिजाइन की आवश्यकता होती है।

उच्च गति डिजाइन, उदाहरण के लिए, त्वचा के प्रभाव के लिए अधिक संवेदनशील होते हैं-जो यह अवलोकन है कि उच्च आवृत्तियों पर, वर्तमान प्रवाह एक कंडक्टर के पूरे शरीर में प्रवेश नहीं करता है, जिसका अर्थ है कि वृद्धि करने के लिए एक कम सीमांत उपयोगिता है एक निश्चित आवृत्ति पर तांबे की मोटाई, क्योंकि कंडक्टर की अतिरिक्त मात्रा का वैसे भी उपयोग नहीं किया जाएगा। लगभग 100 मेगाहर्ट्ज पर, त्वचा की गहराई (कंडक्टर के माध्यम से बहने वाली धारा की मोटाई) लगभग 7um है, जिसका अर्थ मानक 1oz भी है। मोटी सिग्नल परतों का कम उपयोग किया जाता है।

चरण 11: Vias. पर एक साइड नोट

Vias एक बहुपरत PCB की विभिन्न परतों के बीच संबंध बनाता है।

उपयोग किए गए विअस के प्रकार पीसीबी उत्पादन की लागत को प्रभावित करेंगे। होल वायस की तुलना में ब्लाइंड/बरीड वायस के निर्माण में अधिक लागत आती है। पूरे पीसीबी के माध्यम से छिद्रों के माध्यम से छेद के माध्यम से, सबसे निचली परत पर समाप्त होता है। दफन वायस अंदर छिपे होते हैं और केवल आंतरिक परतों को आपस में जोड़ते हैं, जबकि ब्लाइंड वायस पीसीबी के एक तरफ से शुरू होते हैं लेकिन दूसरी तरफ से पहले समाप्त हो जाते हैं। होल विअस के माध्यम से निर्माण के लिए सबसे सस्ता और आसान है, इसलिए यदि होल विअस के माध्यम से लागत-उपयोग के लिए अनुकूलन किया जाता है।

चरण 12: पीसीबी निर्माण और विधानसभा

अब जब बोर्ड डिजाइन किया गया है, तो आप अपने पसंद के ईडीए टूल से डिजाइन को Gerber फाइलों के रूप में आउटपुट करना चाहेंगे, और उन्हें निर्माण के लिए बोर्ड हाउस में भेजना चाहेंगे।

मेरे बोर्ड ALLPCB द्वारा बनाए गए थे, लेकिन आप निर्माण के लिए किसी भी बोर्ड की दुकान का उपयोग कर सकते हैं। फैब्रिकेशन के लिए कौन सा बोर्ड हाउस चुनना है, यह तय करते समय कीमतों की तुलना करने के लिए मैं पीसीबी शॉपर का उपयोग करने की अत्यधिक अनुशंसा करता हूं - ताकि आप मूल्य निर्धारण और क्षमताओं के मामले में तुलना कर सकें।

कुछ बोर्ड हाउस पीसीबी असेंबली भी प्रदान करते हैं, जिसकी आपको आवश्यकता होगी यदि आप इस डिजाइन को लागू करना चाहते हैं, क्योंकि यह ज्यादातर एसएमडी और यहां तक कि क्यूएफएन भागों का उपयोग करता है।

चरण 13: यह सब लोग हैं

इस विकास बोर्ड को "क्लाउडिनो स्ट्रैटस" कहा जाता है, एक ईएसपी8266 आधारित देव बोर्ड जिसे मैंने हार्डवेयर/आईओटी स्टार्टअप के लिए प्रोटोटाइप प्रक्रिया को तेज करने के लिए डिज़ाइन किया था।

यह अभी भी डिजाइन का एक प्रारंभिक पुनरावृत्ति है, जिसमें नए संशोधन जल्द ही आ रहे हैं।

मुझे आशा है कि आप लोगों ने इस गाइड से बहुत कुछ सीखा है!:डी

चरण 14: बोनस: घटक, गेरबर्स, डिज़ाइन फ़ाइलें और पावती

[माइक्रोकंट्रोलर]

1x ईएसपी12एफ

[पेरिफेरल्स]

1 x MCP23S17 GPIO विस्तारक (QFN)

1 एक्स एमसीपी 3208 एडीसी (एसओआईसी)

[कनेक्टर्स और इंटरफेसिंग]

1 x FT231XQ USB से सीरियल (QFN)

1 एक्स यूएसबी-बी मिनी कनेक्टर

2 x 16-पिन महिला/पुरुष हेडर

[पावर] १ एक्स एएमएस १११७ - ३.३ रेगुलेटर (एसओटी-२२३-३)

[अन्य]

1 x ECQ10A04-F डुअल शोट्की बैरियर (TO-252)

2 x BC847W (SOT323)

7 x 10K 1% एसएमडी 0603 प्रतिरोधक

2 x 27 ओम 1% एसएमडी 0603 प्रतिरोधक

3 x 270 ओम 1% एसएमडी 0603 प्रतिरोधक

2 x 470 ओम 1% एसएमडी 0603 प्रतिरोधक

3 x 0.1uF 50V SMD 0603 संधारित्र

2 x 10uF 50V SMD 0603 संधारित्र

1 x 1uF 50V एसएमडी 0603 संधारित्र

2 x 47pF 50V SMD 0603 संधारित्र

1 एक्स एसएमडी एलईडी 0603 ग्रीन

1 एक्स एसएमडी एलईडी 0603 पीला

1 एक्स एसएमडी एलईडी 0603 ब्लू

2 एक्स ओमरॉन बीएफ -3 1000 टीएचटी टैक्ट स्विच

1 एक्स फेराइट बीड 600/100 मेगाहर्ट्ज एसएमडी 0603

[पावती] एडीसी टीआई ऐप नोट्स के सौजन्य से रेखांकन करता है

एमसीयू बेंचमार्क:

पीसीबी चित्रण: फ़िनलाइन