Erstellen einer Mikrocontroller-Platine [geschlossen]

Ich weiß nicht, ob dies das richtige Forum ist, um diese Frage zu stellen. Und da ich Stackexchange kenne, weiß ich, dass diese Frage möglicherweise abgelehnt und geschlossen wird, weil sie zu weit gefasst ist. Ich möchte nur sicherstellen, dass ich alles versucht habe und manchmal hat jemand in dieser Gruppe etwas Ähnliches getan und kann möglicherweise helfen.

Mein Hintergrund : Ich bin Entwickler und habe mich in meiner Freizeit mit Elektronik beschäftigt. Ich habe viele Schaltkreise mit Arduino und Raspberry erstellt. Kürzlich habe ich ein IoT-Setup mit 9 Sensoren erstellt, die alle Daten an einen Server senden, auf dem viele Visualisierungen und Analysen der Daten durchgeführt werden.

Nach dem IoT-Projekt bat mich mein Arbeitgeber, das von mir verwendete Arduino durch ein speziell angefertigtes Board zu ersetzen. Die Karte sollte einen Mikrocontroller, eine Batterie, ein WLAN-Modul und einige Sensoren enthalten.

Da der Mikrocontroller die Hauptkomponente in einer Schaltung ist, dachte ich, ich werde mit der Fertigstellung des Mikrocontrollers beginnen. Im Folgenden sind die Schritte aufgeführt, die ich befolgt habe:

1. Wiki-Seite von Arduinos ATMega328P lesen Ich habe kein einziges Wort der Spezifikationen auf der Wiki-Seite verstanden
2. Ich habe versucht, das Datenblatt von ATMega328P zu lesen. Ich habe auch kein einziges Wort dieses Dokuments verstanden.
3. Überprüfen Sie das schematische Diagramm von Arduino Uno. Ich konnte einige der Zusammenhänge verstehen und es mit dem Datenblatt in Beziehung setzen. Aber ich konnte immer noch nicht verstehen, warum es einen 1K-Widerstand anstelle eines 2K-Widerstands geben würde. Ich denke, dass Wissen für das Entwerfen eines Boards erforderlich ist.
4. Google, wie man einen Mikrocontroller auswählt. Dies gab mir einige Ideen. Aber ich konnte nicht einmal den ersten Schritt dieses Links abschließen . Ich konnte nicht abschließen, weil ich nicht weiß, was I2C oder SPI usw. sind.

5. Ich habe meine Kollegen gefragt . Sie wissen es nicht.

6. Schließlich beschloss ich, Elektronik von Grund auf zu lernen und stieß auf einen Vorschlag, das Buch "Die Kunst der Elektronik" in diesem Forum zu lesen

Gefragt von @Transistor in den Kommentaren

Können Sie Ihren Beitrag bearbeiten, um zu erklären, was der Vorteil für den Arbeitgeber ist? Ist es zum Beispiel so, dass der Prototyp etwas chaotisch und amateurhaft aussieht und eine Leiterplatte ihn aufräumen würde? Werden Sie viele Geräte usw. verkaufen? Sind die Kosten ein Problem? Braucht es einen Fall? Haushalts- / Gewerbe- / Industrieanwendung?

Die Vorteile für den Arbeitgeber

• Das aktuelle Design ist unordentlich (wegen des Steckbretts) und die Stiftverbindung kann sich lösen

• Keine eingebaute Batterie für Arduino. Daher mussten für jedes Arduino Stromkabel bereitgestellt werden. Das neue Design sollte also eine eingebaute Batterie haben.

• Das Brett, das Steckbrett zusammen nehmen etwas Platz ein. Sie wollen einen kompakten Gegenstand.

• Keine professionelle Unterstützung für Arduino-Boards.

Die Kosten sind kein Problem. Das Design wird meistens nicht verkauft, sondern innerhalb der Organisation verwendet. Das Design sollte einen Fall haben. Und es wird für industrielle Zwecke verwendet.

tl; dr -> Gibt es eine Möglichkeit, wie ein Dummy in der Elektronik eine Mikrocontroller-Platine erstellen kann? Anregungen sind willkommen.

Nehmen wir also an, Ihr Projekt besteht aus Arduino, einem Netzteil, wenigen Sensoren und dem Code, den Sie verbrannt haben. Im Moment sind diese mit Überbrückungskabeln verkabelt und Sie möchten sie auf eine Leiterplatte legen.

Beginnen Sie mit dem Verständnis der Schaltung von Arduino UNO und dann der Leiterplattenschaltung, die Ihnen die gleiche Funktionalität wie die Arduino UNO-Karte bietet. Diese Seite hilft Ihnen dabei: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ArduinoToBreadboard

Machen Sie sich jetzt keine Gedanken über den Wechsel zu einem neuen Mikrocontroller. Es sind genug Gegenstände auf Ihrem Teller. Folgen Sie diesem Artikel. Sie sollten mit den ersten beiden Unterthemen fertig sein: (1) Brennen des Bootloaders und (2) Hochladen mit einer Arduino-Karte. Sie können noch weiter gehen, wenn Sie verstehen, was Sie lesen / tun, andernfalls hören Sie dort auf.

Sobald Sie den Bootloader gebrannt haben und den Code hochladen können, ist es Zeit, die Pin-Zuordnungen zwischen Arduino und atmega328p herauszufinden.

Jetzt können Sie eine blinkende Skizze ausprobieren. Sie müssen D13, dh Pin 19 von atmega328, eine LED mit einem Strombegrenzungswiderstand hinzufügen (470 Ohm reichen aus). Wenn Ihre Skizze hochgeladen wird und funktioniert, können Sie Sensoren und WLAN-Modul anschließen und entsprechend programmieren. Sobald alles auf dem Steckbrett funktioniert, können Sie es jetzt in eine Leiterplatte konvertieren. Sie müssen nur Drähte in Spuren umwandeln. An diesem Punkt werden Sie feststellen, dass Ihre Schaltung viel kleiner ist als bei der Arduino UNO-Karte. Der Grund dafür ist, dass Arduino UNO viele zusätzliche Schaltkreise hat, die Sie nicht für alle Projekte benötigen.

Sobald Ihre Schaltung funktioniert, müssen Sie einen Weg finden, um sie einzuschalten. Möglicherweise möchten Sie sich mit Spannungsreglerschaltungen befassen, da Sie keine 5-V-Batterie finden, die Sie direkt an Ihr Projekt anschließen können.

Um dies in eine Leiterplatte umzuwandeln, müssen Sie eine beliebige PCB-Design-Software auswählen. Ich habe mit Eagle gearbeitet und ich denke, dass es für Anfänger einfach ist. Es gibt viele Online-Tutorials, auf die Sie verweisen können. Hier sind zwei schöne von sparkfun:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-eagle-schematic

https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-eagle-board-layout

"Gibt es eine Möglichkeit, wie ein Dummy in der Elektronik eine Mikrocontroller-Platine erstellen kann?"

• Nicht schnell.

Ich liebe dein Interesse und deinen Wunsch, dies anzunehmen. Ich begrüße ernsthaft Ihr Interesse und Ihren Wunsch sowie Ihre Bereitschaft, es darzulegen und nur zu fragen.

Ich werde Ihnen sagen, dass mein Exemplar der 2. Ausgabe von "The Art of Electronics" beinahe in Stücke gefallen ist (und es ist auch ein gut gebundenes Hardcopy ... oder war es), dass es so gut ist wie das Buch (und es ist gut), es ist momentan NICHT für dich auf deinem Niveau. Sie würden einfach Ihren Kopf damit in den Boden schlagen. Trotzdem würde ich empfehlen, trotzdem eine Kopie zu bekommen. Du wirst es eines Tages wollen. (Und die Autoren werden nicht leben, um eine 4. Ausgabe zu produzieren, so dass der Kauf der 3. Ausgabe sicher ist.) Wenn Sie sie kaufen, suchen Sie im Studentenhandbuch für die 2. Ausgabe (und wenn es eine für die 3. Ausgabe gibt - Sie kann hoffen), hol es dir. Das Studentenhandbuch ist eine GROSSE HILFE und ich kann es nur empfehlen, wenn Sie mit dem hervorragenden AofE-Buch zu kämpfen haben.

Don Lancaster hat früher einige hervorragende Tutorials über Mikrocontroller und Speicher geschrieben, aber das Buchpaar (Set mit zwei Bänden) ist jetzt etwas veraltet. Aber man könnte sicher auch heute noch daraus lernen.

Aber schauen wir uns an, was vor Ihnen liegt:

1. Netzteil Design. Sie können dies billig machen, indem Sie nur Netzteile, Wandwarzen und dergleichen kaufen. Nichts schützt Sie jedoch davor, die Bedeutung der Spannungs- und Stromkonformität und die Möglichkeit des Kurzschlusses zu verstehen, wenn Sie nicht verstehen, was verschiedene Begriffe bedeuten und wie sie verwendet werden. Und Sie werden auch nicht in der Lage sein, einige wirklich billige Buck- oder Boost-Module von ebay zu nutzen, wenn Sie nicht herausfinden können, was die technischen Daten bedeuten. Sie müssen nur die Ideen eines gemeinsamen Problems, Spannung, Strom, Leistung, Welligkeit, Probleme im Zusammenhang mit dem Verbinden eines Systems mit einem Netzteil mit einem anderen System mit einem anderen Netzteil verstehen und wissen, wie lange es dauert, bis ein Netzteil funktioniert Vollbetrieb und ein paar andere Dinge, die ich zu faul bin, um sie jetzt hinzuzufügen. Und es kann sehr detailliert sein, Wenn Sie tatsächlich versuchen, eine einfache, einfache selbst zu entwerfen. Es ist überraschend, wie viel eine sehr einfache Idee beinhalten kann, wenn man es ernst meint.
2. Power-On-Reset. Eine Sache, die ich oben erwähnt habe, ist, dass es eine Weile dauern kann, bis ein Netzteil voll funktionsfähig ist. Einige Mikrocontroller können einige wirklich verrückte Dinge tun, wenn die Stromversorgung zu langsam hochfährt. Es gibt Ideen, mit denen Sie das Problem lösen können, indem Sie den Mikrocontroller in einen ausgefallenen "Reset-Modus" versetzen, bis die Stromversorgung ordnungsgemäß funktioniert. Möglicherweise müssen Sie jedoch eine davon entwerfen. Sie sind nicht kompliziert und es gibt spezielle ICs, die Sie auch kaufen können. Aber es ist nur ein weiteres Thema, über das man Bescheid wissen muss. Sie können nicht einfach immer davon ausgehen, dass alles in Ordnung ist, weil Sie einen Stromkreis angelegt haben.
3. Uhr. Sie haben Strom und Sie haben das Mikro in Schach gehalten, bis der Strom bereit ist. Was sonst? Nun, es braucht eine Uhr. Einige Mikros haben interne Uhren. Einige Mikros unterstützen nur externe. Einige externe können zu diesem Zweck mit einem Modul behandelt werden. Andere müssen sorgfältig hergestellt werden, entweder für parallel geschnittene oder seriell geschnittene Kristalle. Weißt du nicht was das sind? Möglicherweise müssen Sie. Und wenn es eine interne Uhr hat, kann es mehrere haben. Einige von ihnen verfügen über einen MSL430, einen VLO, einen RC und einen internen DCO-Takt. Plus die Fähigkeit, eine oder zwei externe Quarzuhrquellen zu unterstützen. Haben Sie eine Ahnung, wie Sie mit all dem umgehen sollen?
4. Programm. Okay. Wenn Sie Strom, einen ordnungsgemäßen Reset und eine Uhr haben, nähern Sie sich. Wenn nur ein Programm im Mikro vorhanden wäre, könnte es ausgeführt werden. Aber ... wie bekommt man das Programm da rein? Für ein Board-Design ist möglicherweise eine Methode erforderlich, mit der Sie Programme herunterladen können. Und eine vielleicht noch andere Methode, mit der Sie auch diese Programme debuggen können. JTAG? Habe davon gehört? Möglicherweise müssen Sie. Oder verschiedene Methoden, um intern (oder extern) genügend Spannungen zu entwickeln, um eine zu programmieren? Es gibt Dutzende von Möglichkeiten, wie dies geschieht. Einige von ihnen erfordern einen angemessenen Komfort mit der Elektronik. Einige tun es nicht.

Sie haben erwähnt, dass Sie nicht einmal anfangen können, ein Datenblatt zu lesen. Das bedeutet, dass Sie Hilfe von jemandem benötigen, der Sie durch diese Dinge führen kann. Oder Sie müssen sich etwas Zeit nehmen, um zu studieren, nachzudenken und Ideen einzubringen. Am besten finden Sie eine lokale Gruppe von Menschen, die daran interessiert sind, Ihnen den Einstieg in Ihre Reise zu erleichtern. Also würde ich wahrscheinlich zuerst so etwas empfehlen. Eine Robotergesellschaft könnte zum Beispiel eine Möglichkeit sein. In vielen Regionen gibt es Meetup-Gruppen, die talentierte Leute in Ihre Nähe bringen können. Ich denke, das ist heutzutage der beste Start. Vielleicht konzentrierte sich eine Gruppe auf die Herstellung von 3D-Druckern (mit Mikros) oder ... na ja, so etwas.

Tu es. Ja wirklich. Sie können dieses Zeug aufheben und wirklich gut darin werden. Aber gönnen Sie sich etwas Zeit und versuchen Sie, wenn möglich, ein paar Kontakte vor Ort zu knüpfen. Sie benötigen Zugang zu den Köpfen von Menschen, die mit Ihnen interagieren und hören können, was Ihnen fehlt, und darauf mit Beschreibungen antworten, die Ihre Missverständnisse im Laufe der Zeit ansprechen.

Unabhängig davon oder von alledem sollten Sie sich auf jeden Fall ein anständiges Buch über Gleichstromelektronik zulegen - ich würde empfehlen, nach einem Lehrbuch zu suchen, da es Gleichstrom-, Wechselstrom-, Netz- und Knotenanalysen sowie einige andere Grundlagen behandelt, die Sie wirklich benötigen. Und erhalten Sie eine gute auf Bipolartransistoren. (Mosfets sind fast zu einfach, so dass Sie das von den Leuten abholen können, die Sie treffen.) Und ja, holen Sie sich die 3. Ausgabe von AofE. Aber erwarte einfach nicht, dass es ein Kuchen ist. Es ist eher eine wunderbare Collage interessanter Ideen, die Sie in verschiedene Richtungen inspirieren, Sie faszinierenden Methoden aussetzen und ansonsten einfach viel Sinn machen. Aber nur, wenn Sie die Grundlagen haben.

Ein Punkt, der bisher nicht erwähnt wurde, ist, dass Sie neben den grundlegenden Elektronikkenntnissen auch wissen müssen, wie man PCB-CAD-Programme verwendet, und sich mit dem Entwurfsablauf für Hardware vertraut machen. Viele Anfänger beginnen mit Eagle und Sie werden viele Tutorials dafür finden. Ich persönlich habe mit KiCAD angefangen , das im Gegensatz zu Eagle freie Software ist. Beide sind für die wichtigsten Betriebssysteme verfügbar. Es gibt eine schöne, nicht überwältigende Tutorial-Serie für Eagle on Sparkfun.

Im Allgemeinen sind die Leiterplattenprogramme in mindestens zwei "Abschnitte" unterteilt: den Schaltplan, in dem Sie die Komponenten platzieren und auf Papier verbinden, und das Layout, in dem Sie die Abmessungen Ihrer realen Leiterplatte angeben und dann die Komponenten darauf platzieren die reale Leiterplatte, Routenspuren, so dass Komponenten verbunden sind und so weiter. Beide Seiten haben ihre eigenen Probleme. Beispielsweise müssen Sie häufig Teile erstellen, die sich nicht in der Softwarebibliothek befinden. Sie müssen also die schematische Darstellung zeichnen und dann einen Footprint für den Layout-Teil der Software usw. erstellen. Sie müssen sich über die Bohrergrößen für verschiedene Stifttypen, über die Pad-Typen und informieren Größen für verschiedene Arten von SMD-Komponenten und so weiter.

Sie müssen sowohl lernen, wie Sie einen klaren und einfach zu lesenden Schaltplan erstellen als auch diesen Schaltplan von Papier (oder auch Computerbildschirm) auf ein echtes PCB-Layout übersetzen, das ebenfalls funktioniert.

Wenn Sie nur mit relativ langsamen AVR-Mikrocontrollern arbeiten, werden Sie wahrscheinlich nicht viele Hochfrequenzprobleme haben, die in komplizierteren Schaltkreisen auftreten können.

Dann ist da noch die mechanische Seite. Sie müssen sehen, welche Leiterplattengrößen Sie problemlos herstellen können, wie viel Leiterplattenplatz Sie benötigen und wie viele Leiterplattenschichten Sie benötigen. Dann müssen Sie Leiterplattengehäuse finden, die für die Leiterplattengrößen geeignet sind, die Sie finden können, und dann sicherstellen, dass alle tatsächlich richtig zusammenpassen. Sie müssen auch jemanden finden, der bereit ist, die Boards für Sie herzustellen (oder Ihre eigenen zu machen, wenn Sie genug Zeit haben). Wenn Sie die Boards haben, müssen Sie sie mit Komponenten füllen oder jemanden finden, der werde das für dich tun. Sie müssen die Boards testen, um sicherzugehen, dass sie funktionieren, und dafür müssen Sie einen Testplan erstellen.

Auf der anderen Seite der Geschichte steht dann die Support-Ausrüstung, die Sie benötigen, um all dies zum Laufen zu bringen. Auf den AVR-Mikrocontrollern, die Sie von einem normalen Teilehändler erhalten, ist kein Arduino-Bootloader installiert. Sie benötigen daher einen Programmierer, um den Bootloader zu brennen. Sollten Sie Probleme haben, benötigen Sie ein Oszilloskop oder einen Logikanalysator, um die Probleme zu beheben.

Alles in allem unterschätzen Sie das Problem nicht. Es kann leicht viele Monate dauern, bis Sie tatsächlich ein gutes einfaches Gerät herstellen. Erwarten Sie auch nicht, dass beim ersten Versuch alles funktioniert. Sie müssen höchstwahrscheinlich mehrere Leiterplatten herstellen, bis Sie alle Probleme behoben haben. Stellen Sie sicher, dass Sie das planen und erwarten.

Entwerfen Sie ein benutzerdefiniertes Mainboard anstelle eines von Grund auf auf Mikrocontrollern basierenden Designs.

Ein Kompromiss, der hoffentlich einen Mittelweg zwischen dem, was die Kräfte wollen und dem, was Sie realistisch erreichen können, finden und gleichzeitig die meisten, wenn nicht alle Ihrer Ziele erfüllen sollte.

Es gibt Vorteile darin, dass so etwas wie ein Arduino eine bekannte Größe ist. Es gibt starke Community-Unterstützung und Informationen mit einem bekannten und weit verbreiteten Design mit vielen kompatiblen Standardprodukten.

Mit einer Hauptplatine übertragen Sie im Wesentlichen das, was Sie mit dem Steckbrett tun, auf eine Leiterplatte.

Hier ist ein Beispiel:

Das können mehrere Leiterplatten und die dazugehörige Verkabelung auf einem Steckbrett sein.

Es hat ein Arduino Micro mit Sockel für das uC.

Die Stromversorgung erfolgt in der unteren Ecke mit DC-Zylinder und Klemmenblock mit verschiedenen Komponenten. Auf der linken Seite befinden sich 2 Relais und zugehörige Klemmen sowie einige weitere ICs und andere Komponenten mit dem Klemmenblock auf der rechten Seite.

Sie können das Motherboard so gestalten, dass es mit integrierten Funktionen so individuell wie Sie möchten, oder es modular gestalten und für die meisten, wenn nicht alle Funktionen von der Stange montierte Boards verwenden.

Wenn Sie modulare Teile austauschen, ist das Ersetzen oder Aufrüsten viel einfacher, ebenso wie die Fehlerbehebung.

Auf dem Bild sehen Sie auch, dass sie auf beiden Seiten des uC Überschriften haben, die sowohl die Fehlerbehebung als auch die Erweiterung oder Änderung der Schaltung ermöglichen.

Für etwas wie das Netzteil, bei dem ein solches Design möglicherweise über Ihre derzeitigen Fähigkeiten hinausgeht, können Sie verschiedene DC-DC-Wandler auf einer kleinen Platine oder in einem Paket ohne oder mit minimalen externen Komponenten erhalten. Auch dieser Abschnitt könnte modular aufgebaut sein und verwenden Sie handelsübliche Baugruppen, die mit Batteriemanagement erhältlich sind.

In Bezug auf das Gehäuse gibt es verschiedene Optionen. Typischerweise können extrudierte Metallgehäuse Schlitze aufweisen oder andere Gehäusetypen haben Abstandshalter oder Schraubenlöcher in der Basis. Sie können Ihr Board so gestalten, dass es perfekt zum Gehäuse passt, und es passend bearbeiten lassen, wenn Sie mit Board-Mount-Steckverbindern arbeiten. Wie so:

Der schwierigste Teil ist das Leiterplattenlayout und stellt sicher, dass alles physisch richtig passt, die Teilelayouts korrekt sind und zu Ihrem Fall passen.

Ihr Layout sollte als Best Practices erstellt werden, aber zum größten Teil sollte es für einen Anfänger auf einer Leiterplatte nicht unmöglich sein, eine zuvor luftverdrahtete Steckbrettschaltung zu übertragen, wie Sie sie jetzt haben.

Ein letztes Plus ist, dass die Platine selbst ziemlich billig sein sollte. Es gibt eine Vielzahl von Fabriken mit geringem Volumen, die für die Leiterplattenherstellung verwendet werden können. Wenn es durch ein Durchgangsloch und bestimmte Verpackungen und größere SMD-Größen gehalten wird, sollte es auch für Sie selbst oder andere leicht genug sein, es bei Bedarf zu füllen.

Hoffe das hilft.

Bearbeiten: Ich habe versucht, meine Antwort neu zu strukturieren, daher wurden einige Informationen und Ideen aus Gründen der Klarheit entfernt. Auch Slebetman kam in den Kommentaren auf die gleiche Idee.