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电路板设计

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电路板设计电路板设计

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第一讲:电路板设计 无论你访问哪一家可编程器件制造商的网站,你都会发现,对装在电路板上的器件进行编程,这是他 们到处宣传的一个特点。我们把它称为系统内编程(ISP),人们已经使用多年了。ISP 技术能够加快代码 调试,最后完成新产品设计,为生产制造做好准备。在生产中使用 ISP 技术有实际的优点。ISP 可以减少 对器件进行编程的成本。使用 ISP 技术可以提高灵活性,即提高在生产线上进行重新编程的能力,或者在 电路板上进行多步编程,不用进行反修或者把器件拿下来。ISP 技术省去了对预先编程器件的存货进行跟 踪方面的工作。电路板一旦具备 ISP 的功能,就可以在现场完成升级或者提供服务。 工程师如何才能优化印刷电路板设计,在生产线上实现 ISP 呢?有多种设计可以简化这种转变。 1.弄清楚电路板哪些是可编程器件。电路板上的器件并不是都可以进行系统内编程的。例如,并行器件通 常就不可以这么做。对于可编程器件而言,为了保持设计的灵活性,ISP 的串行编程能力是必不可少的。 2.检查每个器件的编程技术规范,确定哪些引脚是必需的。这些信息可以从器件制造商那里得到,也可以 到网上下载。此外,现场应用工程师也可以提供器件和设计方面的支持,也是个很好的资源。 3.连接编程管脚,以便使用控制电路板上的引脚。确认在这个设计中,可编程管脚连接到电路板上连接器 或者测试点。用于生产的电路内测试器(ICT)或者 ISP 编程器都需要这些。 4.避开争用。确认 ISP 所需要的信号没有连接到其他的硬件上,这些硬件会与编程器发生冲突。看看线 路的负载。有一些处理器能够直接驱动发光二极管(LED),但是,大部分编程器还做不到这一点。如果输入 /输出是共享的,那么,这可能会是一个问题。请注意监视定时器或者复位信号产生器。如果由监视定时器 或者复位信号产生器发出一个随机信号,那么,器件可能是不正确地编程的。 5.确定在制造过程中可编程器件是如何加上电源的。目标电路板必须加上电源,以便在系统中进行编程。 我们还需要确定以下几个问题: • 需要什么样的电压?在编程模式下,组件需要的电压范围通常与正常工作模式不同。如果在编程时的电 压比较高,那么,必须保证这个更高的电压不会对其他组件造成损坏。 • 一些器件必须在高电平和低电平的情况进行检验,以保证器件的编程是正确的。如果是这样,那就必须 规定电压的范围。如果有复位产生器的话,请先检查复位产生器,因为在执行低电压检验时它可能会试图 把器件复位。 • 如果这个器件需要一个 VPP 电压,那么要在电路板上提供 VPP 电压,或者在生产时另外使用电源为它 供电。需要 VPP 电压的处理器将和数字输入/输出线共享这个电压。请确认连接到 VPP 上的其它电路可以 在更高的电压下工作。 • 是否需要监视器来看看电压是在器件的技术规范范围之内?请确认安全装置是有效的,能把这些电源保 持在安全范围内。 6.搞清楚使用什么样的设备来进行编程,以及进行设计。在测试阶段,如果电路板是放在测试固定件上进 行编程,那么可以通过针床来连接引脚。另外一个办法是,如果需要使用机架式测试仪,并且要运行专门 的测试程序,最好用连接器在电路板的边上进行连接,或者用电缆进行连接。 7.想出一些有创造性的信息跟踪措施。在生产线的后部增加针对配置的数据,这种做法变得越来越普遍。 在可编程器件有效使用时间内,可以把它做成"智能"器件。在产品上加上与产品有关的信息,例如,序号、 MAC 地址或者生产数据,这会使产品变得更加有用,更容易维护和升级,或者可以更容易地提供保修服务, 而且,还有利于制造商在产品的有效使用期内收集有用的信息。许多"智能"型产品通过增加一个简单而且 不太贵的 EEPROM,用生产线或者现场的数据,对这个 EEPROM 进行编程,就具备这种跟踪的能力。 图 1 设计良好、适合最终产品的电路也会在生产过程中给 ISP 的实现带来障碍。 图 1 是一个简单的污水泵控制器的典型设计。U1 是一个使用闪存的通用可编程微控制器。在编程时需要使 用的管脚是 PA0、PA1 和 PA2(这三个管脚分别是程序时钟、程序数据输入和程序数据输出)等。测试点 TP1-TP5 是连接到用来编程的电线上,对 ICT 来说,这些测试点可能有用。对最终产品而言,这个设计是 行得通的,但是要想实现 ISP,这个电路是不够的。存在三方面的问题: 复位线没有接到测试点上。对于更小的处理器,复位电路有一个上拉/下拉电阻器,它们把器件保持在非复 位的状态。因此,在最终设计中,如果没有把这条线连接起来,是不可以。然而,这条线对 ISP 来说可能 会很重要。许多器件的制造算法是通过这这个管脚把组件设置在编程模式,或者致少要把把所有用于编程 的输出管脚设置在已知状态。否则,在处理器上执行的代码会和连接着编程器的输入/输出线争用。 连接到 PA1(程序数据输入)的 D1 会出现争用。相对大部分编程器引脚驱动器,LED 消耗的电流相当大。 如果连接到 PA1 的编程器不能克服 LED 消耗电流的问题,那么,这个引脚上的数据就不可能送到目标器 件上。对于 PA2 上的光隔离器,也是这样。不过,这个器件的电流可以达到正确的逻辑电平。 PA0 可能存在问题。对于延伸到产品机壳外面输入线,使用电阻器电容器(RC)电路来防止静电放电(ESD), 是很常见的。把电容器 C2 直接连到 PA0 上,会引起争用,而且,在编程器试图驱动这条线时,会使时钟 的上升沿和下降沿变慢。 对同一个设计进行三次修改,使它最适合生产线上的 ISP(图 2)。 图 2 同一个电路设计经过修改,既清除了争用还对系统内编程进行了优化 用一个连接器来取代所有的测试点。如果这个连接器的大小和工程上用的工具一样,例如,模拟器或者编 程器,那是非常有用的。在生产的最后阶段,不需要把这个连接器安装到电路板上。这个连接器通常不去 动它,以便在服务和升级时使用。 复位线是连接到连接器上。把 D1 移到一个不是用来编程的输入/输出线上。如果不这样做,可以增加一个 驱动器来降低负载。 把串联电阻器加到电容器的前面。这个电容器与编程器隔开,不会影响到它的既定用途。人们希望把浮动 的开关输入移到另一个不是用来编程的输入/输出引脚上,但是,这样做,这个器件的引脚就不够用了。 结论 在这个电路中,把其中一个电路移到处理器另一个引脚上、增加一个电阻器和另一个测试点,那么它就可 以在生产时用于 ISP。一旦有事情发生,可以在电路板上增加一个仿真器把失效的污水泵找出来。 设计一个具有 ISP 功能的印刷电路板需要做好充分的准备,但是,它会稍微减少电路板修改的次数,加快 上市时间,加强设计工程师与生产测试工程师之间的联系。

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