Teknik PCB - PCB Design Lecture: Bagaimana untuk Design Microcontroller Circuits

Design sirkuit PCB yang diperlukan untuk pengendali mikro terkandung adalah projek besar. Untuk mikrokawal maju, helaian data dan dokumen teknikal sahaja boleh menjadi ratusan halaman panjang.

Sebelum mula merancang sirkuit, lebih baik melukis karta aliran operasi semua komponen utama dalam topik, termasuk semua peranti periferik yang mempunyai antaramuka dengan mikrokawal.

Pemegang mikro Cortex-M ARM

Artikel ini akan fokus pada pemikiran rancangan papan sirkuit PCB yang diperlukan untuk mengimport pengendali mikro Cortex-M ARM. Pemegang mikro Cortex-M ARM tersedia dalam versi yang berbeza dari pembuat cip yang berbeza.

Berbanding dengan pengendali mikro 8-bit biasa, ARM Cortex-M dengan arkitektur 32-bit adalah khusus sesuai untuk kerja yang intens dan secara komputasi. Jika ada aplikasi yang memerlukan kemampuan memori yang lebih besar atau boleh mudahkan migrasi platform sistem untuk keperluan pengembangan masa depan, pengendali mikro 32 bit juga mempunyai keuntungan.

Microcontroller ARM Cortex-M yang kita bincangkan adalah keluarga STM32 yang dihasilkan oleh ST Microelectronics; lebih tepat, kita akan fokus pada seri STM32F4.

Namun, keluarga STM32 sebenarnya termasuk banyak model, seperti seri STM32L kuasa ultra rendah dan seri dengan prestasi yang lebih tinggi dan lebih rendah daripada versi STM32F4. Versi yang paling efisien ialah STM32F7, yang boleh melaksanakan 1 bilion arahan per saat. Di antara model paling efisien ialah STM32L0, yang melaksanakan hanya 26 juta arahan per saat.

Ralat kuasa

Sumber kuasa sirkuit adalah salah satu aspek paling penting desain perkakasan; jangan tunggu sehingga tahap kemudian desain untuk memutuskan konfigurasi bekalan kuasa dan pendaratan.

Semasa yang digunakan oleh pengendali mikro ditentukan oleh faktor berbilang, seperti tenaga operasi, frekuensi jam, dan muatan pada pin input/output.

Seharusnya ada kondensator keramik 1uF dan 100nF (seperti C7 dan C8 dalam Figure 1) diatur sebanyak mungkin kepada setiap pin VDD kuasa pada MCU untuk menyediakan pemisahan kuasa. Selain itu, kondensator keramik 4.7uF (C1 dalam Figur 1) patut dipasang berhampiran kedudukan IC pada kawat sirkuit utama yang menyediakan VDD.

Pemegang mikro dengan penyukar analog-ke-digital (ADC) biasanya juga mempunyai kuasa independen (VDDA) dan pin tanah (VSSA) eksklusif untuk isyarat analog. Pin ini memerlukan penghindaran khas bunyi.

Jika tenaga bekalan kuasa anda lebih tinggi daripada had atas tenaga input mikrokawal, anda biasanya memerlukan regulator linear langkah-bawah. Contohnya, TPS795xx yang dihasilkan oleh Texas Instruments mempunyai ciri-ciri bunyi yang sangat rendah dan boleh menyediakan sehingga 500mA semasa.

Jika tenaga bekalan kuasa anda jauh lebih tinggi daripada tenaga yang diperlukan oleh pengendali mikro, pengendali menukar langkah-bawah akan menjadi pilihan yang lebih baik. Apabila tekanan input jauh lebih tinggi daripada tekanan output, pengatur linear akan menghabiskan terlalu banyak kuasa.

Namun, biasanya lebih baik untuk menegakkan tekanan output pengatur tukar dengan pengatur linear, kerana bunyi tekanan yang disediakan oleh pengatur linear jauh lebih rendah.

jam

STM32F4 boleh dilaksanakan dengan jam sistem dalaman atau luaran. Jam sistem yang digunakan pada permulaan adalah jam dalaman (16 MHz). Selepas sistem diawalkan, sumber jam luar boleh dipilih melalui perisian.

Pin jam pada STM32F4 boleh memandu kristal kuarz 4 hingga 26 MHz luaran (lihat X1 dalam Gambar 1) atau boleh guna sumber jam luaran sehingga 50 MHz.

Konfigurasi kristal mesti mengikut arahan pada helaian data secara ketat. Secara umum, kawat sepatutnya pendek, dan kapasitasi muatan pada kristal sepatutnya sama dengan nilai yang disarankan oleh pembuat kristal.

GPIO

Pin input dan output-tujuan umum (GPIO) pada pengendali mikro boleh diprogram dan boleh ditetapkan sebagai input atau output melalui perisian.

Contohnya, S1 dalam Gambar 1 adalah butang yang disambung ke pin GPIO yang diprogram sebagai input. STM32 menyediakan resistor tarik-up terbina, jadi butang ini tidak perlu memasang resistor tarik-up luaran. Output GPIO dalam contoh ini digunakan untuk memandu LED.

Kebanyakan pin GPIO juga mempunyai fungsi lain, dan pelbagai komponen periferal pada cip berkomunikasi dengan dunia luar melalui pin berbilang-fungsi ini.

Tidak semua fungsi dalaman boleh digunakan melalui setiap pin GPIO, dan terdapat peta pin yang ketat untuk dilihat, jadi pastikan rujuk ke jadual data bila memilih pin mana yang hendak digunakan.

Pin GPIO boleh digunakan untuk memandu berbeza muatan, dan kebanyakan pins boleh menyediakan atau menahan arus sehingga 25mA. Namun, secara umum, ia adalah rancangan yang lebih baik untuk menggunakan sirkuit pemacu luaran untuk mengurangkan muatan pemacu GPIO mikrokawal. Rujuk kepada Gambar 1 untuk contoh LED memandu MN1.

Setiap pin STM32 mempunyai had atas semasa bernilai, serta had atas semua pin GPIO semasa.

Sambungkan komponen periferi

STM32 menyediakan sambungan isyarat berantai melalui antaramuka UART, I2C, SPI dan USB.

Contohnya, dalam Gambar 1, terdapat sensor suhu (U2-LM75BDP) yang disambung dengan pengendali mikro melalui bas I2C. Dua penentang tarik-up (R2, R3) diperlukan pada bas I2C untuk disambung ke pemacu pembuangan terbuka.

Untuk kebanyakan aplikasi seperti sensor kelajuan rendah, saya lebih suka menggunakan I2C sebagai protokol siri kerana ia hanya menggunakan dua wayar untuk komunikasi. Selain itu, tidak seperti SPI, yang memerlukan cip tambahan untuk memilih port kerja untuk memproses setiap komponen periferi, I2C menggunakan alamat tunggal.

Bus SPI disambung dengan sensor gerakan MPU-9250 9 paksi yang dihasilkan oleh Invensense. MPU-9250 mengandungi akselerometer tiga paksi, gyroscope tiga paksi dan magnetometer tiga paksi.

Penyambung program

STM32F4 menyediakan dua antaramuka penyuntingan program dalam sistem (ISP): penyahpepijatan baris berantai (SWD) dan JTAG. Versi harga rendah STM32 hanya menyediakan antaramuka SWD. SWD dan JTAG adalah dua antaramuka pemrograman yang paling biasa digunakan untuk pengendali mikro.

dalam kesimpulan

Dalam artikel ini, kami bincangkan rancangan sirkuit PCB bagi pengendali mikro, dan memperkenalkan STM32F4 yang boleh baca butang input, LED pemacu, dan berkomunikasi dengan sensor suhu I2C dan sensor gerak SPI.