Piirilevy

Ideana on siis tehdä piirilevy (PCB eli Printed Circuit Board), joka sopii suoraan kortilla olevaan DIL-28 (leveään) kantaan, ja levyllä on paikka läpiladottavalle DIL-28 (kapeassa) kotelossa olevalle ATmega8:lle.

Suunnitteluohjelmana käytän Autodesk Eaglen ilmaisversiota, sillä pystyy tekemään tälläisen pienen ja yksinkertaisen piirilevyn valmistajalle toimitettavat aineistot. Kytkentäkaavio on hyvin yksinkertainen eli tehdään vain vedot aiemmin esillä olleen kaavion perusteella prosessoreiden pinnien välille:

Piirikaavio ATmega8 kytkennästä ST62T15:n DIL-28-kantaan

Piirilevystä tulee myös varsin yksinkertainen, tarvitaan kuitenkin kaksipuoleinen FR4-levy. Ainoa ongelma on mekaaninen eli miten saadaan piirilevylle alkuperäisen ohjainkortin DIL-28 holkkikantaan sopivat pinnit? Tämän ongelman ajattelin ratkaista siten, että  teen PCB:lle DIL-28 mitoituksella läpivientireiät, joihin juotan holkkikannasta puretut "tapit". Piirilevyn koko on n. 20x38 mm ja se tulee näyttämään jotakuinkin tälläiseltä:

 Piirilevyn komponentti(ylä)puoli

Piirilevyn juotos(ala)puoli

Tästä voi katsella piirilevyn 3D-mallinnusta (hiiren vasen=pyöritä, oikea=siirrä, scroll=zoom). Levyn mallinnuksessa silkscreenit eli pintatekstit eivät vastaa todellisuutta, koska olen käyttänyt muita kuin oletuksia. Todelliset tekstimerkinnät näkyvät noissa yllä olevissa kuvissa. Aivan todellisuutta malli ei siis vastaa, mutta aika hyvän kuvan siitä kuitenkin saa.

Seuraavaksi levy tilaukseen. Toimittajia löytyy mm. Aliexpressistä ja tilasinkin tällä kertaa yhdeltä tarjoajalta 10 kpl erän hintaan $16,00 (sis. pk.) eli n. 1,30 euroa/kpl. Aiemmin olen käyttänyt myös PCBway:n palveluita, ei halvin paikka, mutta tilaaminen on tehty tosi helpoksi, ja hinta-arvionkin saa saman tein. Kirjautumalla omilla asiakastunnuksilla sivuille, niiltä näkee realiaikaisesti tilauksen tilan ja mm. piirilevyn etenemisen tuotannossa vaiheittain.

Valmistajat haluavat levyn eri kerrosten layout -tiedot yleensä ns. Gerber -formaatissa, joka on ASCII-muotoisen 2D-vektoridatatiedoston kuvausmuoto. Tämä on teollisuudessa piirilevyvalmistajien ja heidän käyttämiensä CAD/CAM-ohjelmistojen de facto -standardi, mutta valitettavasti tiedostoja lähetettäessä usein joutuu venyttelemään sen asian kanssa, että oman suunnitteluohjelman tuottama data on yhteensopiva valmistajan vaatimusten kanssa.

Tyypillinen yhteensopimattomuusongelma syntyy siitä, että ainakaan kinuskien ohjelmat eivät oletuksena tunnu hyväksyvän mitoiksi millimetrejä (metriset mitat 3.4 formaatissa) vaan vaativat tuumia (imperial, 2.4). Todennäköisesti syy on kuitenkin siinä, että ohjelmia ei osata käyttää, koska tyypillisesti nämä asiat on valittavissa tiedostoja luettaessa. Eli gerber -tiedostoja piirilevyn suunnitteluohjelmasta luotaessa tulee lähtökohtaisesti käyttää tuumamitoitusta ja numerot 2.4-formaatissa. Sama koskee tietenkin myös poraustietoja (Excellon -tiedostot). Tässä projektissa Eaglessa käyttämäni CAM-määrittelytiedosto löytyy tästä.

Gerber -tiedostot on aina syytä tarkistaa visuaaalisesti sopivalla ohjelmalla ennen toimittamista piirilevyvalmistajalle. Ilmaisohjelmiakin on, mutta itse olen käyttänyt muutaman kympin hintaista GerbView -sovellusta, siitä on ladattavissa myös 30 päivää toimiva kokeiluversio. On myös nettisaitteja, joihin pystyy lataamaan gerber-tiedostot ja tarkastamaan visuaalisesti, että tiedot näyttävät oikeilta. Online -toiminnoillakin näkee ainakin karkeimmat virheet kuten poraustietojen virheellisen kohdistuksen. Online Gerber Viewer on yksi tälläinen nettisaitti.

Ammattikäytössä paljon käytetty ohjelma on CAM350, siitäkin saa pyytämällä kokeiluversion, jota koeajan jälkeenkin voi käyttää gerber -tiedostojen visualisointiin. Muutoksia sillä koeajan umpeutumisen jälkeen ei enää voi tehdä, mutta gerber -tiedostojen näyttö onnistuu. CAM350 ei ole niitä helppokäyttöisimpiä ohjelmia, mutta sillä pystyy ilmeisesti tekemään paljon, kunhan ohjelman käyttöä on riittävästi opiskellut. Pelkkää katseluun ja pieniin korjauksiin tai tiedostomuotojen konvertointiin GerbView on huomattavan paljon kevyempi ja helppokäyttöisempi ohjelma.

Piirilevyn valmistusajaksi on luvattu 3-4 päivää, mutta toimitus Suomeen kestänee tyypilliset 2-3 viikkoa, koska valitsin halvimman (ja hitaimman) toimitusvaihtoehdon. Odotusaikana voi käynnistellä softan tekemistä, siiitä kirjoittelenkin sitten lähipäivinä.

Korvaava prosessori

Uuden mikrokontrollerin valinta

Masinistien keskustelupalstalla minulle on ehdotettu prossun vaihdon sijasta koko kortin uudelleen toteuttamista vaikkapa Arduinon kehitysalustalla ja siihen liitettävällä tarpeellisella lisäelektroniikalla. En itse pidä tälläistä lähestymistä kovin järkevänä. Kehitysalustat on tarkoitettu kehitykseen, ei lopputuotteen tekemiseen. En näe tarpeellisena käyttää vaikkapa Arduinon korttia ja rakentaa sen päälle lisää elektroniikkaa ainakin seuraavilla perusteilla:

• Arduinoissa käytetyt liittimet eivät ole ainakaan ajoneuvokäytössä riittävän luotettavia
• tarvittaisiin joka tapauksessa toinen kortti, jolle pitäisi toteuttaa tarvittava ohjauselektroniikka (prossu olisi järkevämpää ympätä samalle kortille!)
• Arduinossa on paljon loppukäytössä tarpeetonta tavaraa (mm. USB-liitäntä ja sen ohjauksen ja pääprossun flässäyksen hoitava toinen prosessori)
• Arduinon kortilta puuttuu mm. jännitelähde
• Mekaniikkaongelmat: miten korttiviritelmä kiinnitetään luotettavasti ja saadaan sopimaan alkuperäisen kortin paikalle? 
• Hinta: Arduino maksaa 20-30 euroa, pelkkä prosessori 2-3 euroa

Arduino Uno-kehitysalusta

 

Sen sijaan Arduinoissa käytetyt Atmelin RISC-prosessoriperheestä löytyy tähänkin projektiin sopiva mikrokontrolleri. Vaatimuksina mm. seuraavaa:

• 5V käyttöjännite
• 28-jalkainen läpiladottava kotelo (helpompi ja luotettavampi juotettavuus kotioloissa kuin pintaliitoskotelolla. Lisäksi koska ohjelma pitää flashata ja todennäköisesti myös HW-debugata, niin jalallisen kotelon käsittely on helpompaa kuin pintaliitosversion.)
• ST62T15:sta vastaava RESET-toiminto, riittävä määärä GPIO-pinnejä
• 8 Mhz kellotaajuus (voidaan hyödyntää alkuperäisen kortin kidettä)

 Vanhalla kortilla käytetty ST62T15 on nykyisiin mikrokontrollereihin verrattuna kovin vaatimaton:

• ohjelmamuistiana OTP (One Time Programable memory) 1836 tavua, RAMia 64 tavua
• 20 GPIO-pinniä
• 1 8-bittinen ajastin (timer)
• 5 keskeytysvektoria, joista 2 ulkoista valituille GPIO-pinneille, 1 NMI-keskeytyslinja (NMI ei käytössä DPS-ohjainkortilla)

Koska itselläni on kokemusta Atmelin mikrokontrollereista ja niiden ohjelmointiin tarvittavat softat ja kehitysalustat H/W-debuggereineen, niin prossun valinta on aika helppo. Atmelilta/Microchipilta löytyy siis tähänkin tarkoitukseen sopiva mikrokontrolleri, joka tuntee mallinimen ATmega8. Lisäksi näitä prossuja sattuu olemaan kourallinen sekä kiinakopioina että alkuperäisinä miljoonalaatikossa, joten valinta on silläkin perusteella helppoa. Suorituskykyä, muistia ja muita ominaisuuksia on vähintään riittävästi verrattuna ST62T15:een...

Atmel ATmega8 DIL-28-kotelossa

Seuraavaksi sitten pistetäänkin prossut rinnakkain, selvitetään mitkä nastat ovat nykyisellä kortilla käytössä ja katsotaan nastojen vastaavuudet:

 ATmega8

ST62T15

NMI, TEST ja TIMER on ST62T15:ssa yhdistetty GND:en. Kun katsotaan mihin ST62T15:n pinneihin DPS-ohjainkortin liittimen signaalit yhdistyvät, saadaan seuraava kaavio. Huom. lähtösignaalit on kuvattu vain loogisesti eli ne eivät mene suoraan prossulta liittimelle vaan välissä on elektroniikkaa, jota signaalit ohjaavat.  Tulosignaalit on galvaanisesti erotettu optoerottimilla:

Signaalit kortin liitin - ST62T15 - ATmega8

Tästä päästäänkin sitten määrittämään yhteydet ST62T15:n ja ATmega8:n välille (ne on jo merkitty yllä olevaan kuvaan). ATmega8:ssa ulkoisille keskeytyksille voidaan konfiguroida vain GPIO-pinnit PD0 ja PD1, joten pikavaihteen vaihtokytkimiltä tulevat signaalit pitää yhdistää näihin pinneihin, koska painokytkimiä on järkevä softassa käsitellä keskeytysten avulla. Muita keskeytyksiä softassa ei tulla tarvitsemaankaan vaan IO:t käsitellään tarvittaessa pollaamalla. Muiden GPIO-pinnien yhteyksillä ei ole merkitystä koska ne voidaan softassa konfata tarpeen mukaan.

Muut ATmega8:n pinnit kytketään datalehden mukaisesti (esim. AVcc pitää kytkeä käyttöjännitteeseen vaikka AD-muunnin ei olekaan käytössä) tai vastaaviin ST62T15:n pinneihin (RESET, XTAL1, XTAL2 jne.). Kuvassa keltaisina on alkuperäisen prosessorin pinninumerot merkittyinä vastaavien ATmega8:n pinnien kohdille:

ATmega8 > ST62T15

 

Tästä edetään sitten piirtämällä piirikaavio ja muodostamalla siitä piirilevy. Kun olen itse joutunut tekemään harrasteprojekteissa piirilevyjä, olen käyttänyt Autodesk Eaglen ilmaisversiota. Piirilevyt tulen tilaamaan Kiinasta, sieltä saa edullisesti laadukkaitakin levyjä. Koska tässä ei tulla tarvitsemaan monikerroslevyjä vaan tavallisia kaksipuoleisia FR4:a, niin laatu on riittävä ja sen varmistaminen helppoa.