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Mikrocontroller-PCB-Design: Ein umfassender Leitfaden

Das PCB-Design des Mikrocontrollers unterscheidet sich geringfügig von herkömmlichen Platinen. Es sind zahlreiche Parameter zu beachten und verschiedene Gestaltungsregeln einzuhalten. Verwenden Sie dies, um den Prozess der Erstellung zu erlernen. Beginnen wir mit der Bedeutung dieses PCB-Typs.

Was ist ein Mikrocontroller-Board?

Eine Mikrocontroller-Platine (MCU) ist eine programmierbare Leiterplatte mit einem oder mehreren Mikrocontrollern. Die MCU ist ein Ein-Chip-Computer. Es fungiert als Gehirn des Boards und enthält die folgenden Hauptteile: a Zentraleinheit, Speicher und E/A-Peripheriegeräte.

Diese Leiterplatten sind einfach herzustellen. Sie kosten auch weniger als MikroprozessorenAußerdem können Sie sie in praktisch jedem Projekt verwenden, von solchen mit einfachen Steuerelementen bis hin zu solchen, die Berechnungen erfordern.

MCU-Leiterplatten funktionieren mit eingebettete Elektronik Systeme und Geräte. Sie helfen bei der Ausführung softwaregesteuerter Funktionen. Sie können sie beispielsweise mit Sensoren verbinden, um auf Bedingungen zu reagieren, oder sie in ein Gerät einbauen, um dessen Betrieb zu steuern.

Der PCB-Mikrocontroller kann eine einfache Platine mit nur wenigen Komponenten oder ein komplizierter Typ mit vielen elektrischen Verbindungen und Schichten sein; Dies hängt vom jeweiligen Projekt und der erforderlichen Steuerungsebene ab.

Verwendung von PCB-Mikrocontroller-Designsoftware
Verwendung von PCB-Mikrocontroller-Designsoftware
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=aSsnLyKtIAU

Mikrocontroller-PCB-Design

Eine Mikrocontroller-Leiterplatte beginnt mit der Designvorbereitung. Zur Erstellung legen Sie den benötigten Controller-Typ und die verschiedenen Komponenten fest. Ihre Projektanforderungen bestimmen die Art der herzustellenden Leiterplatte.

Wenn es sich bei der Anwendung beispielsweise um eine zeitgesteuerte Funktion handelt, kann beispielsweise eine einfache MCU mit nur wenigen KB Speicher und einem einzigen I/O-Eingang ausreichen. Dies ist jedoch möglicherweise nicht der Fall, wenn das Projekt eine komplexe Logik erfordert.

Um eine MCU-Leiterplatte zu entwerfen, müssen Sie verstehen digitale und analoge Elektronik. Außerdem ist es erforderlich, dass Sie wissen, wie man mit PCB-Design-Software arbeitet und die Platinenanforderungen verstehen.

Aber was ist, wenn Sie diese Fähigkeiten nicht haben? Sie können eines für sich erstellen lassen. Viele Hersteller bieten Dienstleistungen im Bereich Leiterplattendesign und -fertigung an.

Alternativ können Sie dies auch tun und es zur Produktion an den Hersteller senden. Erfahren Sie im nächsten Abschnitt, wie Sie PCB-Mikrocontroller-Boards entwerfen.

Blockdiagramm der Mikrocontroller-Leiterplatte
Blockdiagramm der Mikrocontroller-Leiterplatte
Ressource: https://www.researchgate.net

So entwerfen Sie eine Mikrocontroller-Leiterplatte

Sie sind jetzt mit diesem Leiterplattentyp vertraut, also beginnen wir mit dem Designprozess. Dazu gehört die Erstellung der Schaltpläne und des Layouts, bevor die Produktionsdatei an Ihren Hersteller gesendet wird. Folge diesen Schritten.

Schritt 1: Blockdiagramm

Der Entwurfsprozess einer Mikrocontrollerplatine beginnt mit einem Blockdiagramm oder einer Darstellung der Architektur und Funktionalität der Platine. Geben Sie die Platinenteile im Diagramm, ihren Zweck und ihre Verbindungen an. Kurz gesagt: Stellen Sie sicher, dass Sie Folgendes festlegen:

  • Die erforderliche Rechenleistung; Dadurch wird später der zu verwendende Controllertyp bestimmt
  • Leistungsanforderungen, einschließlich maximaler und minimaler Spannungspegel
  • Anforderungen an das Wärmemanagement
  • EMI-Abschwächung Bedürfnisse
  • Die Arten von Ein- und Ausgängen oder Kommunikationsprotokollen

Verwenden Sie die oben genannten Anforderungen, um die verschiedenen Teile auszuwählen, z. B. Strom- und Wärmemanagementkreise und -komponenten, Kommunikationsschnittstellen, Sensoren usw.

Schritt 2: Auswahl des Mikrocontrollers

Je nach benötigter Funktion gibt es Mikrocontroller in vielen verschiedenen Ausführungen. Wählen Sie Ihren MCU-Typ streng nach den Projektanforderungen aus. Zu Ihren Optionen gehören hauptsächlich diese Typen.

  • AVR-MCU
  • PIC MCU
  • ARM-MCU
  • 8051 MCU
  • MSP-MCU

Weitere Besonderheiten sind die Bit-Rate (16, 32, 64), Architekturtyp (RISC, CISC), Speichertyp (On-Chip, Off-Chip) und Chiptyp (SIP, DIP, QFP, SIP, PGA, BGA, TQFP). Am beliebtesten sind ARM-basierte MCUs. Sie eignen sich für viele Anwendungen.

Schritt 3: Mikrocontroller-PCB-Designschemata

Nachdem Sie den Controller-Typ identifiziert haben, ist es an der Zeit, die Schaltpläne zu erstellen. Die schematische Zeichnung ist eine digitale Darstellung der gesamten Schaltung. Für diesen Schritt ist ein Programm wie KiCad, Altium usw. erforderlich. Schließen Sie Folgendes ein:

  • Die verschiedenen Teile und ihre Namen (Controller-IC, USB- und Programmieranschlüsse, Spannungsregler, Kondensatoren)
  • Komponentenwerte und Bewertungen
  • Komponenten- oder Teilenummern

Beginnen Sie mit der Platzierung aktiver Komponenten. Einige Schaltkreise sind zu groß und komplex, um in ein Blatt zu passen. Erwägen Sie zunächst die Erstellung von Unterschaltkreisen. Diesen können Sie dann später beitreten. Es erleichtert die Aufgabe. Verwenden Sie das Diagramm zur Vorbereitung Stückliste oder Stückliste.

Schritt 4: Layout des Mikrocontroller-PCB-Designs

Nachdem die schematische Zeichnung fertiggestellt ist, können Sie nun das Layout erstellen. Dieser Teil des Mikrocontroller-PCB-Designprozesses erfordert die Anordnung der Komponenten und das Verlegen der Leiterbahnen. Achten Sie beim Platzieren von Bauteilen auf Folgendes.

Optimieren Sie den Routing-Prozess, um Signalverluste durch EMI oder Übersprechen zu minimieren. Sie haben nun das PCB-Layout oder eine 3D-Darstellung der Komponenten. Der nächste Schritt besteht darin, es auf Funktionalität zu testen und sicherzustellen, dass es während des Designprozesses keine Auslassungen gibt.

Schritt 5: Designüberprüfung

Überprüfen Sie als Nächstes Ihr Design, indem Sie einen automatischen Prozess ausführen. Ihre Mikrocontroller-PCB-Layout-Software verfügt normalerweise über diese Funktion. Es gleicht die Schaltpläne mit dem Layout ab und prüft, ob das Design den erforderlichen Regeln entspricht.

Überarbeiten Sie das Design, wenn ein Problem auftritt. Sie möchten nicht mit einer defekten Schaltung fortfahren. Möglicherweise funktioniert Ihr Board nicht wie vorgesehen.

Schritt 6: Generierung der Produktionsdateien

Nachdem alles bestätigt ist, ist es an der Zeit, Ihr Mikrocontroller-PCB-Design an den Hersteller zu senden. Die Datei liegt jedoch immer noch im proprietären Format vor und Sie müssen sie in das sogenannte Industriestandardformat konvertieren Gerber-Datei.

Die Gerber-Datei enthält die verschiedenen Platinenschichten. Dazu gehören Lotpasten-, Siebdruck- und Montageschichtdateien.

Weitere notwendige Dateien vor der Produktion sind Montage- oder Pick-and-Place-Dateien für die Komponentenmontage und die Bohrdatei für die Maschine, die Löcher erzeugt.

Platinenlayout des Mikrocontrollers
Platinenlayout des Mikrocontrollers
Ressource: https://www.researchgate.net

Designrichtlinien für Mikrocontroller-PCBs

Der Mikrocontroller auf einer Leiterplatte bedeutet, dass die Platine analoge und digitale Signale, einschließlich Hochfrequenzsignale, überträgt. Daher müssen Sie das Design optimieren, um unter anderem Signalintegrität, ordnungsgemäße Stromverteilung und Wärmemanagement sicherzustellen. Diese Tipps sollen Ihnen dabei helfen, dies zu erreichen.

1. Wählen Sie das Richtige aus Reglertyp basierend auf Ihrem spezifischen Projekt. Wählen Sie einen komplexen Typ, wenn Ihre Anwendung eine höhere Verarbeitung erfordert und umgekehrt.

2. Trennen Sie analoge und digitale oder Hochgeschwindigkeitsleitungen beim Verlegen von Leiterbahnen und Leiterbahnen. Dadurch wird eine Signalverschlechterung vermieden.

3. Kürzen Sie die Leiterbahnen. Halten Sie sie gerade, insbesondere wenn Sie die Schaltung für ein Hochleistungs- oder Hochfrequenz-PCB-Mikrocontroller-Gerät erstellen.

4. Platzieren Sie wärmeerzeugende Teile in der Nähe von Kühlkörpern und anderen Wärmeableitern, um thermische Probleme zu vermeiden. Sie können sie stattdessen auch in belüfteten Bereichen aufstellen.

5. Trennen Sie Signalschichten durch Masseebenen, insbesondere beim Entwurf einer HF-Schaltung, und reduzieren Sie die Anzahl der Durchkontaktierungen, um Interferenzen zu minimieren.

Zusammenfassung

In diesem Leitfaden haben Sie die Schritte zum Entwerfen von Mikrocontroller-PCBs kennengelernt. Für MCU-Boards gelten besondere Überlegungen, die mehr Input erfordern als herkömmliche Boards. Die Schritte und Richtlinien in diesem Artikel erläutern die Vor- und Nachteile bei der Herstellung dieses Boardtyps. Nutzen Sie sie, um den Erfolg Ihrer Erstellung und den Erfolg Ihres Projekts sicherzustellen.

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