Gouden Arduino-bord: 12 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Doel

Het doel van dit bord is om exact dezelfde functionaliteit te hebben als een Arduino Uno, maar met verbeterde ontwerpkenmerken. Het zal ontwerpkenmerken bevatten om ruis te verminderen, zoals verbeterde routering en ontkoppelingscondensatoren. We zullen de standaard pin-out footprint van het Arduino-bord behouden, zodat deze compatibel is met schilden; er zal echter een rij retourpinnen worden toegevoegd buiten deze footprint om de lay-out van het bord te verbeteren door overspraak te verminderen voor signalen die van het bord komen. Verder zal een 16 MHz kristal worden gebruikt voor de systeemklok in plaats van een resonator om de kloknauwkeurigheid en stabiliteit te vergroten

Energiebudget

Het ingangsvermogen is hetzelfde als wat nodig is voor het aandrijven van een Arduino Uno. Het aanbevolen bereik van de ingangsspanning is 7 tot 12 volt. Indien geleverd met minder dan 7 V, kan de 5 V-uitgangspen minder dan vijf volt leveren en kan het bord onstabiel worden. Bij gebruik van meer dan 12 V kan de spanningsregelaar oververhit raken en het bord beschadigen. De Atmega 328 gebruikt 5 V in plaats van 3,3 V om de hoogste kloksnelheid te hebben.

RisicobeheerPotentiële risico's:

Het ontvangen van defecte componenten is een potentieel risico dat kan worden beperkt door extra's te bestellen.

Het verkeerd oriënteren van de IC-chips zoals de Atmega 328 kan resulteren in onjuiste verbindingen met de pinnen. We zullen de juiste richting controleren voordat we het erin solderen.

De mechanische spanningen die op de uitgangspinnen worden uitgeoefend, kunnen verbindingen verbreken. We zullen doorgaande gaten gebruiken om ervoor te zorgen dat dit niet gebeurt.

Bij het solderen is er kans op koude soldeerverbindingen. We kunnen dit verminderen door elke verbinding te inspecteren nadat de verbinding is gevormd.

Het kan moeilijk worden om te bepalen waar onderdelen op het bord naartoe gaan.

Het opnemen van zeefdrukidentificaties zal dit gemakkelijker maken.

Opstartplan:

Er zullen schakelaars worden geplaatst om de subcircuits van het bord te isoleren en ons in staat te stellen stukken van het bord één voor één te assembleren en te testen en ervoor te zorgen dat elk stuk correct werkt voordat we verder gaan en de rest van het zwijn assembleren

Stap 1: Schematisch:

Het schema is gemaakt door te verwijzen naar de open source Arduino Uno-schema's en deze aan te passen om de signaalintegriteit te verbeteren.

Stap 2: PCB-layout

Stap 3: Montage

We zijn begonnen met het monteren van de print met de ontkoppelcondensatoren en de zekeringen.

Vervolgens hebben we de stroomchips en de ESD-diodechip gesoldeerd. De ESD-beschermingschip was moeilijk te solderen vanwege de kleine chipgrootte en de kleine pads, maar we hebben de montage met succes voltooid.

We kwamen een probleem tegen waarbij ons bord niet werd gereset, maar dat kwam omdat onze knop slecht contact maakte. Na met enige kracht op de knop te hebben gedrukt, keerde het terug naar een functionele toestand en werkte het zoals normaal

Stap 4: Schakelgeluid: Pin 9

Hier zijn twee afbeeldingen waar de schakelgeluiden van pinnen 9-13 worden vergeleken. De groene scope-shots vertegenwoordigen het commerciële bord, de gele scope-shots vertegenwoordigen ons interne bord en de blauwe signalen vertegenwoordigen triggersignalen om een schone, consistente scopeshot te krijgen.

Het is moeilijk om de labels op de scoopschoten te zien, maar het commerciële bord (groen) heeft een piek-tot-piek schakelgeluid van ongeveer vier volt. Ons in House bord heeft een schakelgeluid van ongeveer twee volt. Dit is een reductie van 50% in schakelruis op pin 9.

Stap 5: Schakelgeluid: Pin 10

Op pin 10 is het schakelgeluid op het commerciële bord groter dan vier volt. Het zit op ongeveer 4,2 volt van piek tot piek. Op ons in-house board is het schakelgeluid net boven de twee volt van piek tot piek. Dit is ongeveer 50% minder schakelgeluid.

Stap 6: Schakelgeluid: Pin 11

Op pin 11 op het commerciële bord is de schakelruis op de hoog-naar-laag ongeveer 800 mV en de laag-naar-hoog schakelruis ongeveer 900 mV. Op ons in-house board is het schakelgeluid van hoog naar laag ongeveer 800 mV en ons schakelgeluid van laag naar hoog is ongeveer 200mV. We hebben de schakelruis van laag naar hoog drastisch verminderd, maar hebben niet echt invloed gehad op de schakelruis van hoog naar laag.

Stap 7: Schakelgeluid: Pin 12

Op pin 12 hebben we een schakelende IO gebruikt om de scope-opnamen in zowel het commerciële bord als het interne bord te activeren. In het commerciële bord is het schakelgeluid ongeveer 700mV piek tot piek en het in-house bord heeft een piek tot piek van 150mV. Dit is een afname van ongeveer 20% van het schakelgeluid.

Stap 8: Schakelgeluid: Pin 13

Op pin 13 vertoont het commerciële bord een schakelgeluid van vier volt piek tot piek en ons in-house bord vertoont weinig tot geen schakelgeluid. Dit is een enorm verschil en is reden voor een feestje

Stap 9: Een nieuw speciaal functiebord maken met behulp van ons verbeterde ontwerp

Het doel van dit bord is om ons Golden Arduino-bord uit te breiden, met verbeterde ontwerpkenmerken en toegevoegde componenten zoals kleur veranderende LED's en een hartslagsensor. Het zal ontwerpkenmerken bevatten om ruis te verminderen, zoals verbeterde routering, het gebruik van 2 extra PCB-lagen om er een 4-laags bord van te maken, en ontkoppelcondensatoren rond de stroomrails en schakelende I/O's. Om de hartslagsensor te maken, gebruiken we een fotodiode die tussen twee LED's is geplaatst, die het licht meet dat wordt gereflecteerd door het bloed in de vinger die over de hartslagsensor is geplaatst. Daarnaast zullen we individueel adresseerbare LED's opnemen die worden aangestuurd via I2C.

Het ingangsvermogen is hetzelfde als wat nodig is voor het aandrijven van een Arduino Uno. Het aanbevolen bereik van de ingangsspanning is 7 tot 12 volt. Indien geleverd met minder dan 7 V, kan de 5 V-uitgangspen minder dan vijf volt leveren en kan het bord onstabiel worden. Bij gebruik van meer dan 12 V kan de spanningsregelaar oververhit raken en het bord beschadigen. De Atmega 328 gebruikt 5 V in plaats van 3,3 V om de hoogste kloksnelheid te hebben.

Stap 10: Schematisch

Stap 11: Bordindeling

Krachtlaag Giet en Grondlaag Giet Verborgen om sporen te zien. Toen dit bord werd ontworpen, was de USB-voetafdruk eigenlijk per ongeluk naar achteren gericht. Het moet worden omgedraaid zodat een kabel correct kan worden aangesloten.

Stap 12: Montage

Er zijn niet bij elke stap foto's gemaakt, maar de onderstaande foto toont de uiteindelijke opstelling van het bord. De header-pinnen zijn niet toegevoegd omdat de primaire functie van dit bord is om LED's en de ADC toe te voegen. De USB-poort moet in de tegenovergestelde richting wijzen, zodat een kabel niet over de hele linie hoeft te reiken.