После предыдущей статьи был кинут кличь не только сделать разбор платы для вас, но и обменяться платами для разбора. Удалось договориться о обмене плат и вот первая статья с разбором.
Для разбора были предоставлены следующие фотографии моделей печатных плат:
В результате получено следующее замечание:
Плата очевидно представляет собой контроллер радиомодуля на чипе Nordic nRF24L01 в SMD-исполнении.
1. Цепи питания.
В качестве ст1абилизатора питания применен недорогой и широко известный LDO серии 1117. Напряжение стабилизации вероятнее всего 3.3В, т.к. широко доступные модули на nRF24L01 предназначены для питания именно этим напряжением. Вероятно применен стабилизатор AMS1117-3.3 или LM1117-3.3.
Разводка плюса питания выполнена единым полигоном – это большой плюс для снижения помех, однако, выходной фильтрующий конденсатор C2 размещен достаточно далеко от этого полигона и в стороне от всех потребителей. Более логичным было бы его размещение с другой стороны стабилизатора, либо в середине полигона питания.
Присутствуют отдельные фильтрующие конденсаторы в цепи питания радиомодуля (C5, C10), вероятно 1мкФ и 100нФ.
Земля выполнена единым полигоном со стороны источника питания, дублирована двумя полигонами на стороне процессора. Не вполне понятно использование двух достаточно обширных раздельных полигонов земли на стороне процессора. Возможно, это подиктовано желанием уменьшить количество петель в цепи земли, хотя целесообразность такого решения вызывает сомнения – достаточно было бы полигона земли с одной стороны платы и переходных отверстий в местах, где требуется земля.
Вблизи всех ножек питания микроконтроллера размещены буферные конденсаторы, в целом питание платы организовано эффективно и надежно.
2. Микроконтроллер
Микроконтроллер по всей видимости применен из серии STM32F1 или STM32F0.
В пользу процессора серии STM32 говорит также расположение ножек питания, сброса, тактирования и отладочного разъема.
Кварцевый резонатор размещен вблизи ножек тактового генератора, однако не вполне ясно назначение конденсаторов С3 и C4 – более логичным было бы применение кварцевого резонатора с встроенными емкостями, особенно при том, что и так использован кварц в 4-ногом исполнении. Однако, такое решение является более универсальным, так как совместимо с любыми кварцевыми резонаторами в таком же корпусе, не зависимо от наличия или отсутствия у них встроенных конденсаторов.
Выбор кварца на 20МГц говорит в пользу процессора серии STM32F0, поскольку для процессоров STM32F1 предельное значение частоты кварцевого резонатора составляет 16МГц.
Не вполне понятно назначение резистора R2. Ножка BOOT0 не может быть использована в качестве пользовательского интерфейса, соответственно риск нанести ущерб чипу при подключении ножки непосредственно к «земле» отсутствует. Наличие резистора лишь удорожает монтаж.
Кнопка SW1 управляет цепью сброса микроконтроллера и содержит также RC-цепочку сброса при подаче питания. Целесообразность применения RC-цепи питания вызывает сомнение, т.к. процессоры STM32 содержат контроллер питания, удерживающий МК в состоянии сброса, пока напряжение питания МК не достигнет допустимых значений. Тем не менее, применение конденсатора в качестве противодребезгового элемента является оправданным.
Не ясно назначение резистора R3. Возможно, его наличие или отсутствие определяет режим работы прошивки МК.
Использовано очень малое количество ножек микроконтроллера, выбор МК в корпусе TQFP-48 с шагом 0,5мм в данном случае не оправдан. Возможно, был использован МК из числа имеющихся в наличии, либо с целью унификации используемых контроллеров с другими устройствами.
3. Интерфейсы
Подключение радиомодуля к шине SPI выполнено короткими дорожками, хотя сомнение вызывает необходимость двух переходных отверстий в каждой из дорожек. Более логичным выглядело бы использование минимального количества переходных отверстий на высокоскоростных цепях.
Наличие переходных отверстий на самих контактных площадках разъема P2 – хорошее решение, повышающее механическую надежность монтажа радиомодуля.
Отсутствие на отладочном разъеме сигнала сброса контроллера также спорно. В случае, если прошивка по какой-то причине заблокирует цепи отладки, подключиться к контроллеру можно будет только с удерживанием кнопки сброса, что затруднит отладку.
На интерфейсном разъеме P3 присутствуют линии, подключенные к UART1 МК, это создает определенную гибкость в использовании радиомодуля, но еще большей гибкости можно было бы добиться подключить линии IN/OUT к ножкам PB6/PB7, где помимо GPIO, UART и таймера доступна так же шина I2C.
Что понравилось:
1. Дизайн цепи «плюса» питания – выполнена единым полигоном большой площади, буферные конденсаторы присутствуют вблизи всех потребителей
2. Контактные площадки для монтажа радиомодуля
3. Возможность применения различных резонаторов с/без встроенных конденсаторов
Что не понравилось:
1. Выбор МК в корпусе TQFP-48 – задействовано менее половины ножек МК. Корпус TQFP-32 представляется более эффективным решением (и более удобным в случае мелкосерийного ручного монтажа)
2. Отсутствие цепи сброса на отладочном разъеме
3. Размещение SMD-компонентов на обеих сторонах платы удорожает и усложняет монтаж
4. Избыток переходных отверстий в сигнальных цепях
Ответ на ряд вопросов от автора печатной платы:
1. Да, плата действительно содержит радиомодуль NRFL024, но не принадлежит к устройствам относящимся к умному дому. По факту это преобразователь интерфейсов: Радиоканал с нордиком на 2,4ГГц – UART/шим.
2. В данном решении используется микроконтроллер STM32F100С8T6. Автора замечания несколько ввело в заблуждение обозначение на фотографии, говорящее о том, что используется кварц на 20Мгц. Я использую кварцевые резонаторы в 5032 только на 8МГц. Они без встроенных конденсаторов, так как дешевле и удовлетворяют требованиям компактности. Выбор самого контроллера основывался на унификации компонентной базы с другими решениями, которых собиралось много и отработанной схемотехники подключения данного контроллера.
3. Ножка BOOT0 и BOOT1 подтянуты через 10к резисторы на землю. Это рекомендация от STMicroelectronics подробно изложенная в AN2606(? Есть в документации ST). На всякий случай привожу рекомендуемую подтяжку на рисунке 3 взятую с широко известной платы. Формально можно не использовать R3, но в практике встречались случаи, когда без данной подтяжки чип не запускался в некоторых температурных условиях, по этому я стараюсь ставить обе подтяжки. Тем более 2 резистора монтаж не усложнят и на цене не скажутся(у меня всё ещё есть лента с 5000 такими резисторами для подтяжек).
4. Из текущих знаний по RC-цепи следует отметить, что это рекомендация ST по запуску. В ней можно не ставить резистор, так как встроенные 40к есть в самом чипе. В новых решениях я его не ставлю, но на момент разработки данной платы находился в сомнениях по данному поводу. Именно на этой плате я пришёл к осознанию, что оно отлично работает и без него.
5. Система питания. Фильтрующий конденсатор С2 располагается вблизи стабилизатора напряжения 1117-ой серии. Он нужен для обеспечения его работы. Для работы микроконтроллера и NRFL024 есть свои конденсаторы, которых хватает с запасом. С последним правда замечающий ошибся в номиналах, но это не страшно. По питанию Нордика стоит 2 по 2,2мкф конденсатора. У SMD версии есть встроенные блокирующие конденсаторы низкой ёмкости, но замечено, что с хорошей керамикой по входу питания они работают лучше, причём чем больше керамика, тем лучше. Проверялось опытным путём и переборкой конденсаторов.
6. Два отдельных полигона выбраны исходя из того, что на месте отделённого полигона находится антенна на 2,4ГГц. У меня были подтверждённые опытом сомнения по поводу того, что решению Китайских инженеров спроектировавших SMD версию трансивера не хватает ёмкости у антенны для установки оптимальной картины КСВ. Подправил полигоном земли под модулем. Работает просто отлично.
7. Интерфейс SPI так разведён намеренно. Дело в том, что были зажаты габариты печатной платы, а расположение SPI на STM32 было ровно обратным расположению выводов на NRF-ке. По этому, с целью выравнивания сопротивления дорожек было принято решение, что дорожки +- выравниваются и в линии становится 2 переходных отверстия. Там есть несколько огрехов, с точки зрения технологии производства ПП, но они существенных проблем не дали.
8. Интерфейс UART1 выбран на тот случай, что нужно будет залить прошивку в отсутствии SWD программатора, вывода самого UART и обеспечения шим входа/выхода у разрабатываемого устройства. Большой поток данных никто через данную плату гнать не собирался. Тем не менее вывод I2C за пределы ПП является не очень здравым решением. Дело в том, что он не очень помехозащищённых интерфейс и на длинной линии он мало того что собирает всё что есть вокруг, так ещё и здорово фонит в окружающее пространство. Куда лучше UART с физическим переходом на 232/485/422 интерфейсы.
9. Возможность использования LQFP (да, именно такой корпус у микросхем ST по даташиту) 32. Я достаточно долго смотрю на данные чипы, но смысла в них особого не вижу. Они незначительно меньше LQFP48. При том, что стоят они дороже, чем самые распространённые STM32F100, их использование является спорным, если с пайкой всё хорошо. В моём случае есть возможность и умения делать ребойлинг BGA чипов, после чего задача с установкой LQFP32/LQFP48 являются одинаково никакими по сложности. В случае автоматического монтажа тем более по барабану.
10. Избытка переходных отверстий в цепях питания не бывает. Может показаться, что добавлением нового переходного отверстия мы увеличиваем последовательную индуктивность межслойного соединения печатных плат, но углубившись в чёрную магию или трассировку высокоскоростных печатных плат и проведя большое количество опытов, можно понять обратное. Но это тема одной большой статьи, которая нас ждёт в дальнейшем.
На последок я предоставляю фотографию изготовленной и собранной печатной платы.
