【技术专辑】定制微控制器设计:装配,测量,编程

这是将定制微控制器设计变为现实的分步指南的第2部分。我们将介绍装配,初始测量和编程。

 

相关信息:

 

•自定义微控制器设计:硬件,工具和工具链

 

•为您的微控制器选择合适的振荡器

 

逐件:组装,焊接和测试

 

首先准备好在桌面上组装和焊接所需的一切。请记住,您不希望将所有零件组装并焊接到第一个原型PCB上,然后进行所有测试。最好只焊接电路的功能部分 - 例如电源 - 然后确认该子部分能够完成它应该做的事情。然后焊接下一个功能部分并测试它,依此类推。

 

这种逐步的焊接和测试方法将帮助您确定出现的任何问题的根源。此外,您可能会在设计错误导致其他组件损坏之前找到设计错误(例如,在将电压施加到微控制器之前,最好发现电源产生5 V而不是3.3 V )。

 

焊接电源电路并进行测试

 

通常,您应该焊接的第一个部分是电源电路。焊接电源电路后,使用适当的PCB清洁剂(例如异丙醇)清洁它并检查其是否短路和开路。(此时我们假设PCB没有制造缺陷,因此在这种情况下,短路和开路是焊接缺陷。)

 

拿走实验室电源,设置合适的电流限制,并为部分组装的PCB供电。现在用万用表测量电路产生的所有输出电压,并且要格外小心,确认所有微控制器电源引脚上都有正确的电压。然后在继续操作之前不要忘记关闭电源。

 

焊接微控制器电路

 

现在电源电路工作,我们可以组装微控制器电路。

 

首先,焊接微控制器和用于过滤电源电压的无源元件(总是需要去耦电容,在某些情况下铁氧体磁珠是有益的)。

 

确保微控制器的放置方向正确。您现在可以使用万用表检查短路和开路,但如果您想测试微控制器的功能,则需要焊接时钟源(除非微控制器有内部振荡器),复位电路以及闪存所需的任何组件/调试硬件。

 

当您焊接完所有东西后,用您喜欢的清洁剂清洁它。进行目视检查(显微镜或放大镜在这里是有用的,特别是对于细间距组件),并使用万用表检查您关注的任何连接。如下图所示,您可以使用万用表的电阻测量功能来评估焊接连接。

 

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所有电源连接都要特别小心(不要忘记调试头可能有电源引脚)。这里的开路可能会使您的微控制器完全失效,短路可能会导致损坏。

 

此时,您的PCB具有最小的有源电路,并且微控制器没有固件,因此在为电路板加电时不应有大的电流消耗。如果您还没有,请调整工作台电源的输出电压和电流限制,然后打开电源,看看会发生什么。如果与预期相反,工作台电源的显示屏显示高电流,请再次将其关闭。不要惊慌(说起来容易做起来难); 只需取出万用表和放大镜,然后尝试追踪问题。

 

检查复位引脚的电压

 

为确保可靠工作,复位引脚必须具有稳定,干净的电压,该电压完全符合微控制器数据手册中的逻辑高或逻辑低规范。如果复位引脚为低电平有效,则需要逻辑高电压才能使能微控制器; 如果它是高电平有效,则需要逻辑低电压。

 

如果微控制器在复位引脚上有一个内部上拉(或下拉)电阻,并且您不需要硬件复位功能,则可能没有额外的电路连接到复位引脚。在这种情况下,无需检查复位引脚的电压。但如果您的设计包含复位电路,请测量复位引脚上的电压以确保其可接受。

 

探索时钟

 

如果使用内部生成的时钟信号,则无需执行此步骤(尽管在某些时候您可能需要测量内部时钟以确定其确切频率)。对于外部时钟,使用示波器查看信号是个好主意。

 

首先,获得时钟信号的精确表示并不总是容易的。当振荡器是直接连接到微控制器的晶体时,尤其如此 - 探头引入可能导致振荡频率偏移的阻抗,并且在极端情况下,当应用探头时,电路可以停止振荡。使用晶振时精确测量频率的更好方法是启用微控制器的时钟输出功能,然后探测数字信号(当然,除非能够将程序加载到闪存中,否则无法启用时钟输出)。

 

如果振荡器信号是缓冲的,如晶体振荡器模块或硅振荡器,则可以在不影响频率的情况下探测振荡器器件的输出。

 

但是,即使使用水晶,您也应该能够毫不费力地获得相当准确的测量结果。确保使用10:1探头; 与1:1探头相关的附加电容可能会干扰电路。

 

当探测其中一个晶体引脚时,您应该看到一个频率大约等于晶体指定频率的正弦信号,如下面的示波器捕获所示。

 

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探测时钟测量来自石英晶体的8 MHz信号

 

将闪存/调试适配器连接到您的自定义设计

 

现在我们可以继续连接闪存/调试硬件。请确保在继续之前断开电源。

 

闪存/调试适配器可以通过某种方式在适配器和PCB上的连接器之间建立连接。通常会有一根电缆,但也许你所拥有的只是单根电线。此外,适配器上可能有多个连接器。确认您使用的连接器符合编程接口标准,并仔细检查PCB上的连接是否与闪存/调试连接器上的引脚排列匹配。但最终,复核必须结束; 此时你只需插入调试电缆,给PCB上电,并希望不会烧坏任何东西。

 

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具有两个连接器选项的闪存/调试适配器示例。图片由Atmel提供。

 

闪存/调试适配器通常具有状态LED,可以为您提供有关内部情况的某种信息 - 例如,设备已通电但处于空闲状态,编程正在进行中,微控制器正在以调试模式执行代码。下图提供了闪存/调试状态LED的示例。

 

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JTAG ICE(在线仿真器)器件上的状态LED。图片由Atmel提供。

 

在PC和定制微控制器设计之间建立连接

 

打开编程工具或IDE(集成开发环境)并配置闪存/调试适配器。然后,尝试建立与微控制器的连接。编程工具或IDE将告诉您它是否有效。

 

如果它不起作用,请再次检查您的连接。如果连接看起来正确并且您找不到任何其他明显的问题,请不要绝望。查看有关如何根据特定连接情况正确配置软件的信息。此外,如果您的微控制器评估板与定制PCB上的评估板相同或非常相似,则会很有帮助。如果无法连接到评估板,则问题可能出在调试适配器或PC软件而不是PCB上。

 

但是我们假设一切进展顺利,您可以毫无问题地连接到您的微控制器。现在,您可以将自己的固件加载到微控制器中并修改硬件配置。但要小心,并确保熟悉微控制器的低级功能(如数据表中所述)。如果您摆弄错误的配置位或下载严重功能失常的代码,事情很快就会出错。在最坏的情况下,您可以将自己锁定在微控制器之外。

 

配置时钟

 

时钟是最重要的配置选项之一。微控制器的默认时钟配置可能不是您想要的。例如,如果您使用的是8位ATmega  (PDF),它将被配置为默认使用1 MHz内部RC(电阻 - 电容)振荡器。如果需要不同的频率或不同的时钟源,则需要修改硬件配置设置。这可以通过将必要的寄存器修改合并到您的固件中来完成,现在IDE可能包含一个工具,可以大大简化生成硬件配置代码的过程。

 

如上一节所述,进行更改时要小心!例如,如果您(意外地)告诉它使用不存在的外部时钟信号,您的微控制器就不会高兴。

 

下载您的第一个程序

 

我们已经走了很长的路,现在是时候将程序加载到微控制器的闪存中了。从简单的事情开始,如果可能的话,加入一些基本的视觉反馈(例如,闪烁的LED)。如果您没有LED,只需切换输出引脚并使用示波器进行检查。此时您要做的就是确认代码已成功下载并执行。

 

在下载测试程序之前,请查找与“擦除”,“程序”和“验证”相对应的选项。选择这些选项意味着单击下载按钮时会发生以下三种情况:

 

1.微控制器的程序存储器将被擦除。

 

2.与您的代码对应的目标文件将被传输到微控制器并存储在非易失性程序存储器中。

 

3.PC软件将回读程序存储器中的数据,以验证在传输过程中或在将目标文件写入闪存的过程中没有引入错误。

 

如果下载过程成功,请执行该程序。这可以通过IDE的调试功能或重置微控制器来完成。(执行复位的最可靠方法是关闭PC和微控制器之间的连接,移除闪存/调试电缆,然后重新启动电路板。)如果您的测试程序有效,恭喜!您的定制PCB - 或至少PCB的微控制器部分 - 正常工作。

 

组装您的其余设计

 

此时,关闭闪存/调试连接,拔下电缆,然后关闭PCB电源。现在,您可以焊接其余部件,测试其他电路,并逐步实现所有必要的固件功能。

 

结论

 

设计您的第一个基于定制微控制器的PCB可能具有挑战性。不过,这是值得的。

 

记住要一步一步地采取一切,并且当事情最初没有按预期工作时不要气馁。对于组装和测试阶段出现的许多问题,您可以修复或提出解决方法。如果你真的拙劣的东西,使用第一个版本的电路板作为过山车或镇纸,然后回到你的CAD软件。这是一个你不会做两次的错误,也许你已经注意到其他一些改进可以纳入第二个版本。

 

但是,如果您对原理图和布局工作一直保持谨慎,并仔细检查设计的每个关键方面,那么您很可能会获得一个可以满足您需求的超棒定制PCB。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计