Схема на микроконтроллере: Устройства на микроконтроллерах – Схемы устройств на микроконтроллерах

Поделись с друзьями в социальных сетях

Реклама

ЦИФРОВОЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ НА AVR МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ – 21 Декабря 2014 – Блог

источник: indikatop.ru

Начну с пред истории. ..
Вскапывая огород, один знакомый человек нашел старинную монету 1600-сотого года. И говорит, мол “был бы металлоискатель…и т.д.”  Я недолго думая и не капаясь в интернете в поисках истины начал делать свой проект, так сказать буквально на коленках. За основу взята задумка из набора Мастер КИТ, название: “Металлоискатель по принципу частотомера”.
В этой статье хочу представить Вашему вниманию мой проект “Металлоискатель на микроконтроллере AVR”. Данный проект несложен для самостоятельного изготовления и содержит минимум деталей для нормального функционирования устройства.

Схема простого маталлоискателя на микроконтроллере AVR показана на рисунке ниже:

Устройство имеет как звуковую индикацию обнаруживаемых предметов, так и цифровую. Принцип работы устройства заключается в подсчете периода нескольких десятков импульсов, фильтрация данного значения, проход через условности автоматической коррекции и сброса а затем вывод на дисплей. Устройство работает в динамическом и статическом режиме с возможностью переключения режимов и огрубления чувствительности в каждом из них. Метало детектор обеспечивает обнаружение по воздуху, на расстоянии от центра поисковой катушки:

* монета 1 копейка ————5см;
* монета 5 копеек ————  10см;
* крышка от консервации — 25см;
* ведро металлическое —-   ~45см;

Внешний вид цифрового металлоискателя на микроконтроллере AVR

Конструкция:
Печатная плата металлоискателя выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита методом ЛУТ (Лазерно-Утюжной технологии:). Разъем для внутрисхемного программирования я сделал прямо на плате, чтобы не изворачиваться с вытаскиванием микроконтроллера, во избежание погнутых и поломанных выводов. Транзистор КТ3102 с любым буквенным индексом, он работает в режиме ключа и коэффициент усиления неважен, так же возможна замена транзистора на другой аналогичный N-P-N. Микроконтроллер ATmega8-16Mhz можно тактировать от внутреннего RC-генератора на максимальной частоте, при этом быстродействие в динамическом режиме может заметно ухудшиться, поэтому рекомендую все-таки поставить кварцевый резонатор.

Светодиод VD1 – красный , служит для питания дисплея от 3-х вольт, хотя его можно не ставить, а подключить напрямую. Дисплей работает и от 5В, но при этом длительная работа не гарантируется. Если применить 4 пальчиковые аккумулятора с суммарным напряжением 4,8В , то стабилизатор 78L05 можно не ставить, конденсатор C1 естественно тоже. Конденсатор для поисковой катушки нужно использовать с малым ТКЕ, желательно поставить тантал. При не подходящем конденсаторе значения на дисплее будут сильно “скакать”. Я использовал конденсатор типа “зеленый приплюснутый бочонок” залитый чем-то похожим на зеленый эпоксидный клей. 

Выдрал его из китайского радиоприемника (по моему). Емкость данного конденсатора не критична, рекомендуемая 0.01-0.05 мкФ , от этого зависит поисковая частота датчика. Катушку я мотал на 3-х литровой банке 80-120 витков, проводом 0,2-0,5 (тоже не критично). После намотки катушки на банку, снял и туго замотал ее скотчем для жесткости. Затем обязательно сверху намотать экран из медной или алюминиевой фольги. Намотка должна быть без просветов, с плотно прилегающими к друг-другу витками. От экрана делается отвод из медной проволоки, который припаивается затем к минусу источника питания. Конструкция поисковой катушки должна быть максимально жесткой, поэтому я свою засунул в распиленную пластиковую водопроводную трубу, и дополнительно обмотал скотчем.

Прошивка:
Фьюз-биты микроконтроллера программируются на тактирование от внешнего кварцевого резонатора.

Скачать прошивку микроконтроллера AVR для этого металло-детектора 

Базовый микроконтроллерный блок для РIС16F84А | Микроконтроллеры

Разработка электронных устройств состоит из комплекса работ по созданию принципиальной схемы, печатной платы, программного обеспечения. Упростить этот процесс может применение готовых блоков, из которых, как из конструктора, собирается практически готовое устройство.

В процессе создания конструкций на базе микроконтроллеров некоторые узлы используются почти в каждом проекте. К ним можно отнести сам микроконтроллер с системой питания и кварцевым резонатором, порты ввода-вывода, а также необходимые элементы реализации стандартных шин передачи данных. Разместив эти узлы на одной плате, можно получить базовый блок, используемый для разработки и отладки устройств на микроконтроллерах. Работа с таким блоком сводится к подключению необходимой периферии и разработке управляющей программы микроконтроллера Примеры подобных устройств описаны в [1, 2].

Вариант такого блока для популярного микроконтроллера PIC16F84A приведен на рис. 1.

Весь блок собран на печатной плате из стеклотекстолита, фольгированного с одной стороны, что упрощает его повторение. Размеры платы — 65×55 мм. На рис. 2 показана печатная плата блока, на рис. 3 — расположение элементов.

Микроконтроллер с кварцевым резонатором и стабилизатор включены по типовым схемам. Диапазон питающего напряжения – +6. ..12 В.

Разъем ввода-вывода Х4 имеет 10 контактов, восемь из которых напрямую подключены к порту В микроконтроллера. Два оставшихся контакта предназначены для питания внешних модулей, используемых совместно с базовым блоком. При необходимости питание можно взять с разъема Х7. Использование винтовых контактов дает большие возможности, чем подключение с помощью пайки или штыревых разъемов.

Драйвер RS-232 предназначен для подключения блока к персональному компьютеру. В качестве драйвера применена микросхема МАХ232. Для реализации интерфейса используются три линии порта А:

• PORTA 0 — RxD — передача данных;
• PORTA 1 — TxD — прием данных;
• PORTA 2 — CTS — служебная линия порта.

Линия CTS может использоваться для передачи сигнала готовности микроконтроллера к приему данных. Ее необходимость обусловлена отсутствием в PIC16F84 модуля UART. Реализация этого модуля полностью программная. В простейшем случае для организации приема-передачи достаточно использовать 45 ячеек памяти микроконтроллера и шесть регистров общего назначения [2].

Оставшиеся две линии порта А используются в качестве шины I²С. Ее наличие позволяет использовать совместно с микроконтроллером большой перечень устройств, оснащенных этим интерфейсом. Непосредственно на плате блока предусмотрено место для дополнительной микросхемы, имеющей восемь выводов, например ПЗУ 24LC16, часов PCF8583P, термометра DS1621. Так как эти микросхемы отличаются расположением выводов, на плате предусмотрено специальное поле. Используя это поле, путем монтажа перемычек можно подготовить к работе любую микросхему. На принципиальной схеме и схеме расположения элементов на печатной плате перемычки показаны в варианте для микросхемы 24LC64 при нулевом slave-адресе. В случае необходимости включения нескольких устройств, работающих по шине I²С, можно использовать отдельный разъем Х2. Реализация алгоритма шины I²С также программная [2].

Для удобства отладки устройств с использованием блока на плате предусмотрен разъем внутреннего программирования Х5 (IDC10M). Все проводники, используемые для программирования, за исключением общего провода, имеют разрыв. При прошивке контроллера разъем программатора подключается к контактам 1—5 разъема Х5. Для работы устройства в нормальном режиме в разъем вставляется заглушка, изготовленная из ответной части IDC10F с помощью замыкания проводников, подключаемых к контактам 2-9, 3-8, 4-7, 5-6 разъема Х5. Если программирование не требуется, на плату можно установить перемычки.

При проведении отладки с использованием готового устройства значительно повышает удобство работы узел доработки программатора, схема которого приведена на рис. 4.

Программатор подключается к микроконтроллеру через двухпозиционный переключатель S1. В одном положении переключателя программатор соединен с микроконтроллером, что дает возможность производить его программирование. Во втором положении переключателя соответствующие контакты разъема внутреннего программирования попарно замкнуты, и контроллер включен по основному варианту. Применение подобного узла делает ненужным переключение разъемов, либо перенос микроконтроллера из программатора в устройство. Данное устройство было опробовано совместно с JDM-совместимым программатором, а также с программатором ChipProg2.

Базовый блок позволяет решать широкий круг задач. С его помощью можно создавать небольшие устройства автоматики, простые периферийные модули для ПК, использовать его как учебный макет или разрабатывать устройства, работающие с шиной I²C.

ЛИТЕРАТУРА
1. Ю. Мартышевский, А. Киселев. Макетная плата для освоения PIC-микроконтроллеров фирмы Microchip. — Схемотехника, 2003, № 12, с. 35—38.
2. К. Тавернье. РIС-микроконтроллеры. Практика применения. Пер. с фр. — М.: ДМКПресс, 2002.
Илья Сошин, г. Лысьва Пермской обл.

Что такое микроконтроллер? Как это работает ?

Микроконтроллер – это интегральная схема (ИС), которая представляет собой небольшой, недорогой и автономный компьютер, предназначенный для решения конкретной задачи во встроенных системах. Проще говоря, микроконтроллер (MCU или Microcontroller Unit) – это небольшой компьютер, интегрированный в один чип. Мы также можем объяснить это как программируемый кремниевый чип, который управляется тактовой частотой, основан на регистрах, принимает ввод и обеспечивает вывод после его обработки в соответствии с инструкциями, хранящимися в памяти.

Компьютер – это устройство общего назначения, которое мы можем использовать для обработки текста, просмотра фильмов, редактирования видео, просмотра веб-страниц, разработки программного обеспечения и т. Д. В то время как микроконтроллер предназначен для выполнения некоторых конкретных задач, таких как управление стиральной машиной, управление кондиционером и т. Д.

Микроконтроллер обрабатывает данные, поступающие на его входные контакты, используя свой ЦП, и выдает выходной сигнал через выходные контакты. Он выполняется синхронной последовательной логической схемой или управляется ею.

Согласно теории цифровых схем, последовательная схема – это логическая схема, выход которой зависит не только от текущих входов, но и от прошлой истории входов.А в синхронных последовательных схемах состояние устройства изменяется только с дискретной синхронизацией, определяемой тактовым сигналом. Основное преимущество синхронной системы – это простота по сравнению с асинхронной системой.

Надеюсь, вы знаете о задержке распространения. Микроконтроллер использует огромное количество логических вентилей для обработки данных. Этим воротам требуется некоторое время, чтобы изменить свое выходное состояние в зависимости от их входов, что называется задержкой распространения. Таким образом, интервал между каждым тактовым сигналом должен быть больше, чем эта задержка распространения, чтобы логическая схема была стабильной и надежной. Таким образом, это определяет максимальную рабочую скорость микроконтроллера, которая будет варьироваться в зависимости от микроконтроллера.

Как мы объясняли выше, в микроконтроллер встроены различные элементы, такие как ЦП, ОЗУ, ПЗУ и т. Д.

CPU

аналогичен процессору в компьютере, который в основном состоит из арифметико-логического блока (ALU), блока управления и массива регистров. Как видно из названия, ALU выполняет все арифметические и логические операции с данными, полученными от устройств ввода или памяти.Массив регистров состоит из ряда регистров, таких как аккумулятор (A), B, C, D и т. Д., Которые действуют как временные ячейки памяти быстрого доступа для обработки данных. Как видно из названия, блок управления управляет потоком инструкций и данных в системе.

RAM

RAM означает оперативную память. Подобно компьютеру, ОЗУ используется для динамического хранения данных, пока микроконтроллер выполняет инструкции. Это энергозависимая память, это означает, что при отключении питания все данные пропадают.

ПЗУ или программная память

ROM означает постоянную память. В старых микроконтроллерах флеш-память была одноразовой программируемой, поэтому ее называли ПЗУ. Но в последних микроконтроллерах он перепрограммируется, т.е. EEPROM (электрически стираемая программируемая постоянная память). ПЗУ используется для хранения программы или инструкций, которые необходимо выполнить.

Порты ввода-вывода (I / Os)

имеют несколько выводов ввода / вывода общего назначения (GPIO), которые можно настроить как вывод ввода или вывода путем записи в определенные регистры конфигурации.Эти выводы могут считывать или записывать ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ состояние с / на свои выводы, что позволяет взаимодействовать с внешним миром.

Часы

Микроконтроллеру требуются часы, поскольку он выполняется и управляется последовательной логикой, как объяснено выше. Источник синхронизации может быть внешним, например кварцевым генератором, или внутренним, например, RC-генератором. У разных микроконтроллеров будут разные варианты тактирования. Некоторые продвинутые микроконтроллеры даже имеют внутреннюю схему ФАПЧ (ФАПЧ) или ФАПЧ (ФАПЧ) для увеличения тактовой частоты до более высоких частот.

Периферийные устройства

также будут иметь другие периферийные устройства, как показано ниже.

• UART, SPI, I2C для последовательной связи.
• Таймеры / счетчики
• Модули захвата / сравнения / ШИМ
• Аналого-цифровой преобразователь

Микроконтроллер можно запрограммировать для выполнения определенной задачи на основе набора команд и возможностей. Иногда решения очень сложные, схемы также становятся очень сложными, если мы пытаемся решить их только с помощью оборудования.

Представьте, что вы хотите построить большое здание, использование КИРПИЧА сделает процесс строительства простым и экономичным. И это также даст вам свободу делать здание по форме и размеру, которые вам нравятся. Набор инструкций в микроконтроллере – это кирпичики, которые вы можете использовать для решения вашей проблемы. Используя эти инструкции, вы можете легко решить сложную программу.

Просто приостановите чтение и осмотритесь в своем доме. Вы можете видеть телевизор, пульт от телевизора, телеприставку, микроволновую печь на кухне, стиральную машину, кондиционер, машину, припаркованную на крыльце и т. Д., все использует микроконтроллер.

На рынке доступны разные микроконтроллеры, произведенные разными компаниями.

8051 Микроконтроллеры

8051 – одна из самых популярных микроконтроллеров общего назначения. Впервые он изготовлен Intel. В настоящее время мы можем видеть множество клонов микроконтроллеров 8051 с разницей в ОЗУ, ПЗУ, периферийных устройствах и т. Д., Изготовленных разными компаниями, такими как Atmel, Texas Instruments, Philips, Infineon и т. Д.Микроконтроллеры серии 8051 популярны среди любителей и в образовательных целях.

PIC Микроконтроллеры

PIC расшифровывается как Peripheral Interface Controller. Это серия микроконтроллеров, производимых Microchip Inc., она популярна среди профессионалов, студентов и любителей электроники. Он недорогой и широко доступен на рынке, а также имеет 8-битную, 16-битную и 32-битную архитектуры.

ARM Микроконтроллеры

ARM расшифровывается как Advanced RISC Machine, это микроконтроллер компьютера с сокращенным набором команд (RISC).Микроконтроллеры ARM пользуются наибольшей популярностью у профессионалов. Микроконтроллеры ARM производятся разными компаниями, такими как NXP Semiconductors, STMicroelectronics, Microchip Inc., Atmel и др.

Микроконтроллеры AVR

широко распространены среди любителей и студентов. Микроконтроллеры AVR разработаны Atmel, позже приобретены Microchip. В популярных платах Arduino используется микроконтроллер AVR.

Малый размер

В отличие от компьютерного микропроцессора, микроконтроллер предназначен для решения некоторых специфических задач.Таким образом, аппаратные требования, такие как ОЗУ, ПЗУ и другие периферийные устройства, очень низкие. Таким образом, все встроено в один чип, что значительно снижает общий размер.

Низкая стоимость

очень дешевы по сравнению с микропроцессорами, поскольку микроконтроллер имеет меньше ОЗУ, ПЗУ и периферийных устройств, встроенных в один чип.

Меньше энергопотребление

Потребляемая мощность намного меньше, поскольку микроконтроллер использует меньший набор оборудования, такого как RAM, ROM, другие периферийные устройства, встроенные в один чип.

Как использовать простой микроконтроллер (PIC10F200) – Часть…

Эти руководства по микроконтроллеру исходят из идеи создания некоторых интересных вещей с использованием самого простого и примитивного микроконтроллера. Итак, если вы хотите узнать о микроконтроллерах, основах микроконтроллеров и особенно о микроконтроллерах PIC, давайте начнем!

Не только я хочу создавать вещи с помощью небольшого микроконтроллера; Вы можете найти здесь несколько интересных проектов, например: The 1kB Challenge.

Некоторые из них действительно впечатляют, и первое, что приходит в голову, – «Как?!? Как люди могут уместить это всего в 1 КБ кода? »

Итак, я принял вызов и решил попробовать сделать что-то подобное сам, и то, что я нашел, было потрясающим. Управляете светодиодами и зуммером? – Нет ничего проще! Сделать термометр? – Ага! Радиоуправляемый робот? Робот избегает препятствий? Робот следует за линией? – Почему нет?

Если вы уже заинтригованы, то эта серия для вас.Я сделал это для тех, кто хочет глубже узнать, как все устроено. Для тех, кто хочет понять, что скрывается под функциями Arduino digitalRead и digitalWrite, кому интересно, как устройства взаимодействуют друг с другом, – тем, кто хочет знать, как реализован код на низком уровне .

Он также предназначен для тех, кто только делает первые шаги с микроконтроллерами и имеет минимальный опыт и знания. Некоторые базовые знания в области электроники, систем счисления и булевой алгебры являются обязательными, но я сделаю все, что в моих силах, чтобы удовлетворить тех, кто не знаком с этими темами, и вы сможете усвоить их по ходу дела.

Обзор микроконтроллера PIC10F200

Для простого микроконтроллера я остановился на микроконтроллере PIC10F200. Это самый примитивный микроконтроллер, который все еще находится в производстве и его легко купить. Это 8-битный микроконтроллер и один из самых дешевых микроконтроллеров. Этот микроконтроллер поставляется в нескольких корпусах – чрезвычайно крошечный бесштыревой DFN8 (2×3 мм), достаточно крошечный корпус SOT23 (3×2,5 мм) с подключенными контактами и удобный для прототипирования DIP8 (см.рис.1). Таким образом, это может быть либо 8-контактный микроконтроллер, либо 6-контактный микроконтроллер, хотя у 8-контактных вариантов есть два контакта, которые не используются.

Таким образом, вы можете использовать любой из этих пакетов в зависимости от ваших навыков пайки и любых размеров устройства, которые требуются вашему проекту. Если у вас нет какой-либо конкретной идеи проекта и вы просто хотите следовать этой серии, мы рекомендуем пакет DIP, так как с ним проще всего работать.

Цена на микроконтроллер PIC10F200 варьируется от 0 долларов.25 (в пакете SOT23) примерно до 0,6 доллара (в пакете DIP). Вы можете купить его напрямую на сайте Microchip, или у какого-либо официального дистрибьютора, такого как OnlineComponents, Digikey, Mouser и т. Д., Или в интернет-магазинах, таких как eBay, Aliexpress и т. Д. Вы рискуете обратиться к неавторизованному дистрибьютору, например Aliexpress, но если вы просто делаете это для хобби или для того, чтобы учиться, это не будет концом света, если это не сработает – просто разочарование. Однако, если вы планируете продавать свой продукт или просто хотите большего спокойствия, пожалуйста, , пожалуйста, , используйте авторизованный источник.Это сделает жизнь каждого лучше.

Микроконтроллер PIC10F200 имеет только 256 слов флэш-памяти, что позволяет записывать в него всего 256 команд. Для сравнения: ATMega328P, установленный в микроконтроллере Arduino Uno, имеет 32 Кбайт флеш-памяти, что позволяет записывать в него до 32768 команд. Это в 128 раз больше памяти! Но что, если я скажу, что вы можете контролировать по крайней мере половину щитов Arduino с помощью этого крошечного PIC10F200? Невероятный? Но это правда, и я вам покажу!

Ассемблерный язык программирования

С самого начала хочу вас предупредить, что для написания компактного кода мы будем использовать ассемблер.Не позволяйте этому вас напугать, обещаю, это не будет так сложно. Микроконтроллер PIC10F200, который мы будем использовать, имеет всего 33 инструкции по сборке, и вам обычно понадобится менее 20 из них. Легкий! Итак, иметь опыт программирования было бы неплохо, но в дальнейшем нет необходимости.

Итак, зачем сборка? Какая польза от его использования? Язык ассемблера – это язык низкого уровня, поэтому вы пишете код как можно ближе к собственному коду микроконтроллеров, машинному коду. Это дает преимущества как в размере кода, так и в скорости выполнения.Например, простая программа мигания светодиодом для Arduino расходует 930 байт памяти кода (вы можете проверить это самостоятельно, загрузив и скомпилировав пример Blink). Для сравнения: та же программа для PIC10F200, написанная на языке ассемблера, использует всего 15 слов кодовой памяти, что в 62 раза компактнее! Если вы не поняли, Arduino обычно производит очень неоптимизированный и чрезмерный код. Это цена за простоту использования. Другая цена – замедление выполнения кода, потому что микроконтроллеру нужно выполнять множество ненужных команд и тратить на них время.Другие микроконтроллеры и языки программирования могут быть значительно более эффективными, чем Arduino, но ассемблер почти всегда является наиболее эффективным кодом для запуска.

Не думайте, что это означает, что вам следует избавиться от ваших Arduinos и начать писать весь код только на ассемблере! Я люблю Arduinos; они очень удобны, когда нужно быстро сделать какой-нибудь прототип. Просто соберите схему на макетной плате, загрузите готовую библиотеку в свой Arduino и запустите ее. Не нужно вообще думать – просто подключи и работай.

Смысл этой серии не только в том, чтобы показать, как все работает на более низком уровне, но и в том, что Arduino в некоторых случаях является чрезмерно избыточным и может быть заменен микроконтроллером за 0,25 доллара США. И я хочу показать вам, как это сделать.

Завершив введение, в следующих руководствах по микроконтроллерам я дам вам всю информацию, необходимую для работы с микроконтроллером PIC10F200, включая все необходимое оборудование и его использование – все, кроме самого микроконтроллера.После этого я дам вам примеры кода с подробным объяснением того, как они работают. Я надеюсь, что эти статьи заложат фундамент знаний, необходимых вам для разработки собственных устройств с использованием PIC10F200, а также вдохновят вас и побудят к этому. Если вы что-то делаете, напишите нам сообщение с фотографией того, что вы сделали, чтобы мы могли поделиться этим в наших социальных сетях! А пока перейдем к следующему руководству по микроконтроллеру.

Как создать свою собственную плату микроконтроллера STM32

В этом пошаговом руководстве вы узнаете, как создать свою собственную плату микроконтроллера на основе популярного микроконтроллера STM32 от ST Microelectronics.

Опубликовано 15 мая 2020 г. Джон Тил

Я разделю весь процесс проектирования на три основных этапа:

ШАГ 1 – Проектирование системы
ШАГ 2 – Проектирование схемотехники
ШАГ 3 – Проектирование компоновки печатной платы

Шаг 1 – Система / Эскизный проект

При разработке новой схемы первым шагом является проектирование системы высокого уровня (которое я также называю предварительным проектом). Прежде чем вдаваться в подробности проектирования полной принципиальной схемы, всегда лучше сначала сосредоточиться на общей картине всей системы.

Проектирование системы состоит в основном из двух этапов: создание блок-схемы и выбор всех критических компонентов (микрочипов, датчиков, дисплеев и т. Д.). Системный дизайн рассматривает каждую функцию как черный ящик

В инженерии черный ящик – это объект, который можно рассматривать с точки зрения его входов и выходов, но без каких-либо сведений о его внутренней работе. При проектировании системного уровня основное внимание уделяется взаимодействию и функциональности более высокого уровня.

Для более глубокого обучения ознакомьтесь с моим курсом проектирования печатных плат, который включает более 3 часов видео, в котором я проектирую более сложную плату STM32.

Блок-схема

Ниже приведена блок-схема, с которой мы будем работать в этой серии руководств. Как я уже упоминал, в этом первом руководстве мы сосредоточимся только на самом микроконтроллере. В будущих уроках мы расширим дизайн, чтобы включить все функции, показанные на этой блок-схеме.

Блок-схема должна включать блок для каждой основной функции, взаимосвязи между различными блоками, указанные протоколы связи и любые известные уровни напряжения (входное напряжение питания, напряжение батареи и т. Д.).

Позже, когда все компоненты были выбраны и требуемые напряжения питания известны, я хотел бы добавить напряжения питания к блок-схеме. Включая напряжение питания для каждого функционального блока, он позволяет легко определить все напряжения питания, которые вам понадобятся, а также любые переключатели уровня.

В большинстве случаев, когда два электронных компонента обмениваются данными, им необходимо использовать одно и то же напряжение питания. Если они питаются от разных напряжений, вам обычно потребуется добавить переключатель уровня.

Блок-схема системного уровня. Блоки желтого цвета включены в это начальное руководство.

Теперь, когда у нас есть блок-схема, мы можем лучше понять необходимые требования к микроконтроллеру. Пока вы не наметили все, что будет подключаться к микроконтроллеру, невозможно выбрать подходящий микроконтроллер.

Выбрать микроконтроллер

При выборе микроконтроллера (или любого другого электронного компонента) мне нравится использовать веб-сайт дистрибьютора электроники, такой как Newark.com. Это позволяет легко сравнивать различные варианты на основе различных спецификаций, цен и наличия. Это также простой способ быстрого доступа к таблице данных компонента.

Если вы регулярно читаете этот блог, то знаете, что я большой поклонник микроконтроллеров ARM Cortex-M. Микроконтроллеры Arm Cortex-M – несомненно, самая популярная линейка микроконтроллеров, используемых в коммерческих электронных продуктах. Они используются в десятках миллиардов устройств.

от Microchip (включая Atmel) могут доминировать на рынке производителей, но Arm доминирует на рынке коммерческих продуктов.

Arm не производит чипы напрямую. Вместо этого они разрабатывают архитектуры процессоров, которые затем лицензируются и производятся другими производителями микросхем, включая ST, NXP, Microchip, Texas Instruments, Silicon Labs, Cypress и Nordic.

ARM Cortex-M – это 32-битная архитектура, которая является фантастическим выбором для более ресурсоемких задач по сравнению с тем, что доступно на более старых 8-битных микроконтроллерах, таких как ядра 8051, PIC и AVR.

Arm бывают разных уровней производительности, включая Cortex-M0, M0 +, M1, M3, M4 и M7.Некоторые версии доступны с блоком с плавающей запятой (FPU) и обозначены буквой F в номере модели, например Cortex-M4F.

Одним из самых больших преимуществ процессоров Arm Cortex-M является их низкая цена при требуемом уровне производительности. Фактически, даже если для вашего приложения достаточно 8-битного микроконтроллера, вы все равно должны рассмотреть 32-битный микроконтроллер Cortex-M.

Существуют микроконтроллеры Cortex-M, доступные по ценам, очень сопоставимым с некоторыми из старых 8-битных чипов.Основание вашего дизайна на 32-битном микроконтроллере дает вам больше возможностей для роста, если вы захотите добавить дополнительные функции в будущем.

STM32 от ST Microelectronics – моя любимая линейка микроконтроллеров ARM Cortex-M.

Хотя многие производители микросхем предлагают микроконтроллеры Cortex-M, мне больше всего нравится серия STM32 от ST Microelectronics. Линия микроконтроллеров STM32 довольно обширна и предлагает практически любые функции и уровень производительности, которые вам когда-либо понадобятся.Строку STM32 можно разбить на несколько подсерий, как показано в Таблице 1 ниже.

Таблица 1: Сравнение различных вариантов микроконтроллера STM32

Подсерия STM32F – это их стандартная линейка микроконтроллеров (в отличие от подсерии STM32L, которая специально ориентирована на более низкое энергопотребление).STM32F0 имеет самую низкую цену, но также и самую низкую производительность. На ступень выше в производительности – подсерии F1, за которыми следуют F3, F2, F4, F7 и, наконец, H7.

Для этого урока я выбрал STM32F042K6T7, который поставляется в 32-выводном корпусе с выводами LQFP. Я выбрал свинцовый пакет в первую очередь потому, что он упрощает процесс отладки, потому что у вас есть легкий доступ к контактам микроконтроллера. В то время как в безвыводном корпусе, таком как QFN, контакты спрятаны под корпусом, что делает доступ невозможным без контрольных точек.

Пакет с выводами также позволяет вам более легко заменить микроконтроллер, если он будет поврежден. Наконец, безвыводные корпуса стоят дороже, чтобы припаять их к печатной плате, поэтому они увеличивают затраты как на создание прототипа, так и на производство.

Я выбрал STM32F042, потому что он предлагает умеренную производительность, хорошее количество контактов GPIO и различные последовательные протоколы, включая UART, I2C, SPI и USB. Это микроконтроллер STM32 довольно начального уровня, всего с 32 контактами, но с большим набором функций.Более продвинутые версии поставляются с 216 контактами, что было бы довольно сложно для вводного руководства.

В этом первом видео мы не будем использовать большинство из этих функций, но мы воспользуемся ими в следующих видеороликах этой серии.

Шаг 2 – Схема проектирования

Принципиальная электрическая схема для этого первого руководства, показывающая микроконтроллер STM32, линейный регулятор, разъем USB и разъем для программирования.

Теперь, когда мы выбрали микроконтроллер, пришло время разработать принципиальную электрическую схему.Для этих руководств я буду использовать инструмент проектирования печатных плат под названием DipTrace.

Доступны десятки инструментов для печатных плат, но когда дело доходит до простоты использования, цены и производительности, я считаю, что DipTrace трудно превзойти, особенно для стартапов и производителей.

Если у вас нет пакета проектирования печатной платы, вы можете рассмотреть возможность загрузки бесплатной версии DipTrace, чтобы вы могли внимательно следить за этим руководством. Они также предлагают бесплатную пробную версию своей полной версии. Лучший способ чему-то научиться – это всегда делать это на самом деле.

Для этого начального руководства достаточно бесплатной версии DipTrace, но для большинства проектов вам потребуется перейти на платную версию.

Тем не менее, это руководство будет сосредоточено на процессе разработки специальной платы микроконтроллера, а не на том, как использовать какой-либо конкретный инструмент для проектирования печатных плат. Таким образом, независимо от того, какое программное обеспечение для печатной платы вы в конечном итоге используете, вы все равно найдете эти руководства столь же полезными.

Первым шагом в разработке схемы является размещение всех ключевых компонентов.Для этой первоначальной конструкции это включает микросхему микроконтроллера, регулятор напряжения, разъем microUSB и разъем для программирования.

Для более сложных проектов обычно имеет смысл сначала полностью спроектировать каждую подсхему, а затем объединить их все вместе. В зависимости от сложности конструкции (и личных предпочтений) вы также можете разместить каждую подсхему на отдельном листе. Это предотвращает превращение схемы в огромного, подавляющего монстра на одном листе.

Конденсаторы

Затем мы разместим все различные конденсаторы.По большей части вы можете думать о конденсаторах как о крошечных перезаряжаемых батареях, которые удерживают электрический заряд и помогают стабилизировать напряжение в линии питания.

Начнем с размещения конденсатора 4,7 мкФ на входном контакте линейного регулятора. Это входное напряжение 5 В постоянного тока, поступающее от внешнего зарядного устройства USB. Это напряжение подается на линейный регулятор TLV70233, который понижает напряжение до 3,3 В, поскольку на микроконтроллер может подаваться только максимум 3,6 В.

Другой 4.Конденсатор емкостью 7 мкФ ставится на выходе стабилизатора как можно ближе к выводу. Этот конденсатор служит для накопления заряда для питания переходных нагрузок и стабилизации внутреннего контура обратной связи регулятора. Без выходного конденсатора большинство регуляторов начнут колебаться.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Разделительные конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к выводам питания микроконтроллера (VDD).Всегда лучше обращаться к таблице данных микроконтроллера, чтобы получить рекомендации по разделению конденсаторов.

В таблице данных для STM32F042 рекомендуется разместить конденсатор емкостью 4,7 мкФ и 100 нФ рядом с каждым из двух выводов VDD (выводы входного питания). Также рекомендуется разместить развязывающие конденсаторы емкостью 1 мкФ и 10 нФ рядом с выводом VDDA.

Вывод VDDA предназначен для питания внутреннего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и должен быть особенно чистым и стабильным. Мы не используем АЦП в этом первом руководстве, но мы будем использовать его в будущем.

Обратите внимание, что вы обычно видите два размера конденсатора, указанные вместе для целей развязки. Например, конденсаторы 4,7 мкФ и 100 нФ.

Более крупный 4,7 мкФ может хранить больше заряда, что помогает стабилизировать напряжение, когда требуются большие скачки тока нагрузки. Конденсатор меньшего размера служит в основном для фильтрации любых высокочастотных шумов.

Распиновка микроконтроллера

Хотя STM32F042 предлагает широкий спектр функций, таких как интерфейсы связи UART, I2C, SPI и USB, вы не найдете ни одной из этих функций, обозначенных на распиновке микроконтроллера.Это связано с тем, что большинство микроконтроллеров назначают различные функции каждому выводу, чтобы уменьшить количество требуемых выводов.

Распиновка микроконтроллера STM32F042 в 32-выводном выводном корпусе LQFP.

Например, на STM32F042 вывод 9 помечен как PA3, что означает, что это вывод GPIO. При запуске эта функция автоматически назначается этому контакту. Но есть и альтернативные функции, которые можно указать в программе прошивки.

Контакт 9 можно запрограммировать для выполнения следующих функций: входной контакт приема для последовательной связи UART, вход в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход таймера или контакт ввода-вывода для контроллера емкостного сенсорного датчика. .

См. Таблицу определения выводов в таблице данных микроконтроллера (стр. 33 для STM32F042), в которой показаны все различные функции, доступные для каждого вывода. Всегда проверяйте, чтобы две функции, необходимые для вашего продукта, не перекрывались на одних и тех же контактах.

Часы

Всем микроконтроллерам для синхронизации требуются часы. Эти часы – просто точный генератор. Микроконтроллеры выполняют запрограммированные команды последовательно с каждым тактом часов.

Самым простым вариантом, если он доступен на выбранном микроконтроллере, является использование внутренних часов.Эти внутренние часы известны как часы RC-генератора, потому что они используют временные характеристики резистора и конденсатора.

Основным недостатком RC-генератора является точность. Резисторы и конденсаторы (особенно встроенные в микрочип) значительно различаются от блока к блоку, что приводит к изменению частоты генератора. Температура также существенно влияет на точность.

RC-генератор подходит для простых приложений, но если ваше приложение требует точной синхронизации, этого будет недостаточно.В этом начальном уроке мы собираемся использовать внутренние часы RC, чтобы упростить задачу. В будущих уроках мы улучшим конструкцию, добавив гораздо более точный внешний кварцевый генератор.

Разъем для программирования

Программирование STM32 выполняется с помощью одного из двух протоколов: JTAG или Serial Wire Debug (SWD). Более продвинутые версии STM32 (STM32F1 и выше) предлагают программные интерфейсы как JTAG, так и SWD. Подсерия STM32F0 предлагает только более простой интерфейс программирования SWD, поэтому мы сосредоточимся на этом в этом руководстве.

Интерфейс SWD требует всего 5 контактов. Это SWDIO (ввод / вывод данных), SWCLK (тактовый сигнал), NRST (сигнал сброса), VDD (напряжение питания) и заземление.

К сожалению, программатор ST-LINK, который вы будете использовать для программирования STM32, использует 20-контактный разъем JTAG (с функцией SWD). Этот разъем довольно большой и не подходит для небольших плат.

Вместо этого вы можете использовать плату адаптера с 20-контактного на 10-контактный разъем, такую ​​как эта от Adafruit, чтобы вы могли использовать на своей плате 10-контактный разъем меньшего размера.

В этом руководстве мы будем использовать 10-контактный разъем. Если это все еще слишком велико для вашего проекта, вы всегда можете использовать 5-контактный разъем и перемычки от 20-контактного выхода программатора для подключения только 5 линий, необходимых для программирования SWD.

Мощность

Последняя часть схемы, которую мы рассмотрим, – это силовая часть. Микроконтроллер STM32 может питаться напряжением питания от 2,0 до 3,6 В. Если у вас нет источника переменного тока, вам понадобится встроенный регулятор, обеспечивающий соответствующее напряжение питания.

Для этой конструкции мы будем питать плату от внешнего зарядного устройства USB, которое выдает 5 В постоянного тока. Затем это напряжение подается на линейный регулятор напряжения (TLV70233 от Texas Instruments), который понижает его до стабильного 3,3 В.

Для STM32 требуется максимум 24 мА при условии, что ни один из выводов GPIO не потребляет ток (каждый вывод GPIO может подавать до 25 мА). Абсолютный максимальный ток, который когда-либо понадобится STM32, составляет 120 мА, если предположить, что различные выводы GPIO являются источниками тока.

TLV70233 рассчитан на ток до 300 мА, что должно быть более чем достаточно для этой первоначальной конструкции. В будущих руководствах, по мере добавления дополнительных функций, нам может потребоваться пересмотреть это, чтобы убедиться, что регулятор может обрабатывать требуемый ток системы.

Проверка правил электрооборудования

Последним этапом разработки принципиальной принципиальной схемы является выполнение этапа проверки, называемого «Проверка электрических правил» (ERC). На этом этапе проверки проверяются такие ошибки, как короткое замыкание между цепями, цепи только с одним выводом, наложенные выводы и несоединенные выводы.

Вы также можете установить различные ошибки типа вывода. Например, если выходной контакт подключен к другому выходу, вы получите сообщение об ошибке. Или, если выходной контакт подключен к линии питания, вы получите ошибку. DipTrace использует цветную матрицу сетки, которая позволяет вам определить, какие типы контактов будут выдавать вам ошибки или предупреждения.

Шаг 3 – Дизайн макета печатной платы (PCB)

После того, как схематический дизайн закончен, пора спроектировать печатную плату.Начните со вставки всех компонентов в компоновку печатной платы. В DipTrace вы можете использовать функцию «Преобразовать в печатную плату» в схеме, чтобы автоматически создать печатную плату со всеми вставленными компонентами.

Размещение компонентов

Хотя все компоненты были вставлены, ваша задача – точно определить, где каждый компонент размещается на печатной плате.

Большинство пакетов программного обеспечения для проектирования печатных плат включают функцию автоматического размещения компонентов с целью минимизации длины трассировки.Но я никогда им не пользуюсь, и почти необходимо вручную размещать компоненты в наилучшем расположении.

Для нашей начальной обучающей схемы размещение компонентов довольно просто. Разместите разъем microUSB рядом с линейным регулятором так, чтобы его выход был как можно ближе к контактам входного питания (VDD) на микроконтроллере. Наконец, разместите разъем для программирования в любом удобном месте.

Размещение критических компонентов в этой первоначальной конструкции: микроконтроллер (U1), регулятор (U2), разъем micro USB (J1) и разъем для программирования (JTAG-1).

После того, как все компоненты сердечника правильно размещены, следующим шагом будет размещение всех пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности). В этой первоначальной конструкции единственными пассивными компонентами являются конденсаторы.

Один из ключевых аспектов проектирования электроники, который вам необходимо изучить, – это концепция паразитов. Паразиты – это пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности), которые вы намеренно не добавляете в свою схему. Но, тем не менее, они есть и влияют на производительность.

Например, хотя дорожка сигнала предназначена для идеального короткого замыкания, на самом деле она имеет некоторое конечное сопротивление, емкость и индуктивность, которые становятся все более значимыми по мере увеличения длины дорожки и количества изгибов и переходных отверстий.

Размещение всех критических компонентов (U1, U2, J1 и JTAG-1) и пассивных компонентов (конденсаторов).

Таким образом, это означает, что если источник напряжения расположен далеко от нагрузки, которой в данном случае является микроконтроллер STM32, по сути, между нагрузкой и источником находится резистор (без учета емкости и индуктивности).

Если микроконтроллеру внезапно требуется быстрый всплеск тока, это вызовет падение напряжения на этом резисторе трассировки.

Таким образом, даже если выходное напряжение регулятора напряжения может быть идеальным 3,30 В, напряжение на выводе микроконтроллера будет ниже во время этого скачка тока. Для решения этой проблемы используются развязывающие конденсаторы.

Помните, конденсаторы похожи на маленькие батарейки, в которых накапливается электрический заряд. Размещение их прямо у контактов питания микроконтроллера позволяет им обеспечивать любые быстрые переходные токи, необходимые микроконтроллеру.

После исчезновения переходной нагрузки конденсаторы перезаряжаются источником питания, поэтому они готовы к следующему переходному увеличению тока нагрузки.

Стек слоев печатной платы

Печатная плата состоит из слоев, уложенных друг на друга. Проводящие слои разделены изоляционными слоями. Минимальное количество проводящих слоев – два. Это означает, что верхний и нижний уровни могут использоваться для маршрутизации сигналов, и эти два слоя разделены внутренним изолирующим слоем.

Для простоты этого урока мы начнем с двухслойной доски. Но по мере увеличения сложности схемы вам придется добавлять дополнительные слои.

Количество проводящих слоев всегда четное, поэтому вы можете получить плату с 2,4,6,8,10,12 проводящими слоями. Для большинства дизайнов потребуется 4-6 слоев, а для более сложных дизайнов может потребоваться 8 или более слоев.

Маршрут

После того, как все компоненты были правильно размещены, самое время выполнить необходимую трассировку.Есть два варианта маршрутизации: ручной и автоматический.

Для автоматической маршрутизации в DipTrace вы просто выбираете Route -> Run Autorouter , и программное обеспечение автоматически выполнит всю маршрутизацию.

К сожалению, автоматические маршрутизаторы в целом выполняют ужасную работу, и почти во всех случаях вам придется вручную выполнять всю маршрутизацию. В этом уроке мы будем выполнять всю маршрутизацию вручную.

Разводка печатной платы (черные дорожки на верхнем слое, серые дорожки на нижнем слое)

При трассировке на печатной плате вы хотите минимизировать длину каждой трассы, насколько это возможно.Вы также хотите минимизировать количество переходных отверстий и избегать любых изгибов на 90 градусов на дорожках. Эти рекомендации особенно важны для трасс с высокой мощностью и высокоскоростных сигналов.

От до – это отверстие между слоями с проводящим материалом, которое позволяет соединить вместе две дорожки на разных слоях. Большинство переходных отверстий известны как переходные отверстия от до , что означает переходные туннели через все слои платы.

Сквозные переходные отверстия – самый простой тип в изготовлении, поскольку их можно просверлить после сборки всего набора слоев печатной платы.

Via # 1 – это классический сквозной переход, via # 2 – слепой переход, а via # 3 – скрытый переход.

Переходные отверстия, которые проходят только через подмножество слоев, называются скрытыми и глухими переходными отверстиями. Слепые переходные отверстия соединяют внешний слой с внутренним слоем (так что один конец скрыт внутри стека печатной платы). Скрытые переходные отверстия соединяют два внутренних слоя и полностью скрыты на собранной печатной плате.

Глухие и скрытые переходные отверстия позволяют упаковать конструкцию более плотно. Это потому, что они не занимают места на слоях, которые их не используют.С другой стороны, сквозные переходные отверстия занимают место на всех слоях.

Однако имейте в виду, что глухие и скрытые переходные отверстия резко увеличивают стоимость прототипа для вашей платы. В большинстве случаев вам следует ограничиться использованием только сквозных переходных отверстий. Только исключительно сложные конструкции, которые должны умещаться в исключительно маленьком пространстве, вероятно, когда-либо потребуют этих более сложных типов переходных отверстий.

При прокладке любых сильноточных линий электропередач необходимо убедиться, что ширина дорожки способна пропускать необходимый ток.Если вы пропустите слишком большой ток через дорожку печатной платы, она перегреется и расплавится, что приведет к неисправности платы.

Для определения необходимой ширины дорожки мне нравится использовать калькулятор ширины дорожки печатной платы. Чтобы определить требуемую ширину дорожки, вам нужно сначала узнать толщину дорожки для вашего конкретного процесса печатной платы.