آموزش طراحی برد مدار چاپی PCB قابل اعتماد که با هدف آموزش روش طراحی بردهای مدار چاپی  قابل اعتماد برای کاربردهای میکروکنترلری و پیاده سازی بستر سخت افزاری امن برای این کاربردها در بخش آموزش برد مدار چاپی از آموزش های یوبرد قرار گرفته است، ترکیبی از فیلم آموزشی طراحی PCB و کلاس آنلاین رفع اشکال است. در این آموزش هر آنچه برای طراحی یک برد مدار چاپی میکروکنترلری قابل اعتماد نیاز است، بیان می شود و همچنین دو برد مدار چاپی پر کاربرد به طور کامل طراحی و بررسی می شوند. دلیل این که در این آموزش دو برد خاص برای طراحی در نظر گرفته شده است، این است که آموزش پروژه محور باشد و آموزش طراحی PCB از صفر تا صد (از طراحی شماتیک تا اتمام طراحی PCB) مورد بحث و بررسی قرار گیرد.

مراحل طراحی برد مدار چاپی با نرم افزار Altium Designer

معرفی دنیای میکروکنترلرها

با توجه به تنوع و کثرت قطعات الکترونیکی، نمی توان در هیچ دورۀ آموزشی تمام آنها را بررسی کرد. در این آموزش هر مبحث به نحوی بیان می شود که بتوان آن را برای بسیاری از کاربردهای دیگر نیز استفاده کرد. یعنی مسیر طراحی PCB قابل اعتماد نشان داده می شود و هدف صرفاً کار با قطعات خاص نیست. پیش نیاز آموزش طراحی PCB قابل اعتماد، آشنایی با نرم افزار Altium Designer است. به منظور آموزش طراحی PCB با Altium Designer می توانید آموزش طراحی برد مدار چاپی PCB در نرم افزار آلتیوم دیزاینر Altium Designer مقدماتی و متوسط را تهیه نمایید.

نحوه ایجاد پروژه PCB در نرم افزار Altium Designer

بردهای مدار چاپی که در صنایع حساس و مهم مورد استفاده قرار می گیرند، باید بردهایی با قابلیت اعتماد بالا باشند. به ویژه صنایع مهمی مانند حمل و نقل مسافر و صنایع غذایی و ... که محصولات آنها با سلامت انسان ها در ارتباط هستند. صنایع حساس و مهم دیگری نیز وجود دارند که لازم است تجهیزات آنها دارای طراحی قابل اعتماد و اصولی باشند، در غیر این صورت احتمال وجود ضررهای جبران ناپذیر در آنها هست. برای مثال می توان صنایعی مانند خودروسازی، هوانوردی، نفت، هوافضا، صنایع غذایی، صنایع دفاعی و ... را نام برد. هر وسیلۀ الکترونیکی که در صنایع مذکور استفاده می شود، باید دارای PCB یا PCBهای بسیار قابل اعتماد باشد. به طوری که در شرایط مختلف عملکرد مطلوبی داشته باشد و بتوان به عملکرد آن اعتماد کرد. این شرایط شامل شرایط آب و هوایی، شرایط محیط های پر نویز صنعتی، شرایط گذر زمان، شرایط فشار و ضربه و ... است. این آموزش گامی مهم در ورود به طراحی سخت افزارها و تجهیزات الکترونیکی حساس و قابل اعتماد است. در این نوشته به بررسی ویژگی ها و مشخصات آموزش طراحی PCB قابل اعتماد و مباحث جلسات آن می پردازیم.

سخت افزار بردهای میکروکنترلری، باتری ها و رگولاتورهای مناسب

موضوع جلسۀ نخست آموزش طراحی PCB قابل اعتماد، بستر برد سخت افزار کاربردهای میکروکنترلری و بررسی باطری ها و رگولاتورهای مناسب است. این جلسه از دو بخش زیر تشکیل شده است:

بخش اول: بستر سخت افزار برد مدار چاپی برای میکروکنترلرها

بستر سخت افزاری مناسب به منظور استفاده از میکروکنترلر در پروژه ها (فارغ از نوع میکروکنترلر) و بررسی نکات آن از جمله بستر سخت افزاری کلاک، ریست، درگاه پروگرامر، بوت، تغذیه، خازن های بای پس، وقفه های خارجی، نکات سخت افزاری ADC از جمله جدا کردن بخش های آنالوگ از دیجیتال در میکروکنترلرها و همچنین اتصال صحیح رله، سون سگمنت، موتور، مبدل های USB به سریال به میکروکنترلرها مباحث این بخش از جلسۀ نخست آموزش هستند.

خازن بای پس Bypass یا Decoupling در برد مدار چاپی PCB

نحوۀ اتصال رله به میکروکنترلر

بخش دوم: باتری و رگولاتور مناسب برای میکروکنترلرها

در این بخش مباحث زیر مورد بررسی قرار می گیرند:

    1- انواع باتری های قابل شارژ و غیر قابل شارژ از جمله باتری های روی-کربن (ZnC)، آلکالاین (Alkaline)، لیتیوم (Li-FeS2)، نیکل کادمیوم (NiCd)، نیکل روی (NiZn)، باتری های آلکالاین شارژی (RAM)، نیکل-هیدرید فلز (NiMH)، لیتیوم-یون (Li-ion)، لیتیوم-پلیمر (Li-Po)؛
    2- نکات شارژ و استفاده از باطری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر؛
    3- رگولاتور برای کاربردهای میکروکنترلری.

ورودی/خروجی مطمئن و نویز در PCB

ورودی /خروجی (I/O)های مطمئن و نویز در برد مدار چاپی PCB موضوع جلسۀ دوم آموزش طراحی برد مدار چاپی PCB قابل اعتماد است. این جلسه دو بخش زیر را شامل می شود:

بخش اول: ورودی/خروجی (I/O)های مطمئن

پیاده سازی ورودی ها و خروجی های مطمئن برای میکروکنترلرها، روش های ساخت خروجی ایزوله با هدف اتصال صحیح به المان هایی مثل رله و ...، استفاده از خروجی های Open Drain در میکروکنترلرهایی که این قابلیت را دارند و ساخت ورودی ایزوله برای میکروکنترلر در این بخش انجام می شود.

بخش دوم: کاهش نویز در PCB

در این قسمت مطالبی مهمی در مورد نویز در بردهای مدار چاپی بیان می شود که عبارت از انواع نویز، راه های انتقال نویز، مشخصه های اصلی نویز، روش های محاسبه میزان نویز، تکنیک های کاهش نویز و راه های بهبود نسبت سیگنال به نویز هستند.

نویز Crosstalk و روش های حذف آن در برد مدار چاپی PCB

شماتیک تجهیزات کاربردی و سخت افزار ماژول های SIM800

در جلسۀ سوم آموزش طراحی بردهای مدار چاپی PCB قابل اعتماد، موضوع شماتیک سخت افزار تجهیزات کاربردی و سخت افزار ماژول های SIM800، مورد بحث و بررسی قرار می گیرند.

بخش اول: شماتیک سخت افزار تجهیزات کاربردی

اتصال صحیح سون سگمنت، موتورهای DC، موتورهای Stepper و موتورهای Servo، مبدل های USB to Serial، مدارات مبدل و واسط Ethernet، سخت افزار های Touch ، سخت افزارهای High Voltage و سخت افزارهای LED Driver برای نمایشگرهای TFT LCD رایج در کشور، بررسی حافظه های NAND Flash و حافظه های RAM، اتصال صحیح USB در این بخش بررسی می شوند.

بخش دوم: سخت افزار ماژول های SIM800

در این قسمت شماتیک استفاده از تمامی امکانات ماژول های SIM800 و اتصال آن به میکروکنترلرها با رعایت تمام نکات استفاده در کاربردهای صنعتی بیان خواهد شد. همان طور که در مقدمۀ نوشتۀ «معرفی ویژگی های ماژول های SIM800 شرکت SIMCOM» اشاره شده، منظور ما از ماژول های SIM800 ماژول های 2G شرکت SIMCOM هستند. از آموزش های یوبرد مرتبط با جلسۀ سوم می توان آموزش ماژول SIM808 را که در بخش آموزش ماژول ها قرار گرفته است، نام برد. (بررسی بیشتر آموزش ماژول SIM808)

نماد قطعات الکترونیکی سازندگان نقشه شماتیک

جایگذاری قطعات در دو برد ATmega128 و LPC1788

در جلسۀ چهارم آموزش طراحی برد مدار چاپی PCB قابل اعتماد، جایگذاری قطعات در دو برد مدار چاپی AVR ATmega128 و ARM LPC1788 مورد بررسی قرار می گیرند.

بخش اول: جایگذاری قطعات در PCB شمارۀ 1

در این بخش اختصاص صحیح بخش های برد به المان ها و بلوک های مختلف و چیدمان صحیح قطعات در تمامی مناطق PCB برای یک برد با میکروکنترلر ATmega128 و ماژول SIM808 به همراه تغذیه، بخش های آنالوگ، آنتن ها، ورودی/خروجی ها بر روی برد، نمایشگر و ... انجام خواهد شد.

بخش دوم: جایگذاری قطعات در PCB شمارۀ 2

اختصاص صحیح مناطق برد به واحد های مختلف و چیدمان صحیح قطعات در تمامی مناطق برد مدار چاپی PCB برای یک برد با میکروکنترلر LPC1788، نمایشگر TFT LCD و اترنت در این بخش از جلسۀ چهارم انجام خواهد شد.

مسیریابی (Routing) صحیح و اصولی

جلسۀ پنجم این آموزش به موضوع مسیریابی در دو برد مدار چاپی AVR ATmega128 و ARM LPC1788 اختصاص می یابد.

بخش اول: مسیریابی برد مدار چاپی AVR ATmega128

مسیریابی کل برد مدار چاپی مبتنی بر میکروکنترلر AVR ATmega128 شامل ترک کشی صحیح برای انواع سیگنال های تغذیه و دیتا، بایدها و نبایدها در ترسیم انواع ترک ها، محاسبه طول و پهنا و ضخامت مناسب برای انواع مسیرها در مدار به صورت علمی و عملی در این بخش بررسی و انجام می شود.

بخش دوم: مسیریابی برد مدار چاپی ARM LPC1788

مسیریابی کل برد مدار چاپی مبتنی بر میکروکنترلر ARM LPC1788 شامل ترک کشی صحیح برای انواع سیگنال های تغذیه و دیتا، بایدها و نبایدها در ترسیم انواع ترک ها، محاسبه طول و پهنا و ضخامت مناسب برای انواع مسیرها در مدار به صورت علمی و عملی در این قسمت انجام می شود.