Тема 6. Прототипування. Макетні плати. Плати розробника

Прототипування

Прототипування — це процес створення і тестування експериментальних зразків електронних пристроїв перед серійним виробництвом.

Основні етапи прототипування:

1. Формування вимог:
   • визначення функцій, що має виконувати пристрій (збір даних, керування, зв’язок);
   • визначення датчиків/виконавчих механізмів, що потрібні для реалізації проекту;
2. Прототипування на макетній платі. Перш ніж перейти до створення прототипу на друкованій платі, варто перевірити виконання основних функцій пристрою, побудувавши його на базі плати розробника та використовуючи готові модулі або плати розширення до них. Це дозволить максимально швидко підключити всі компоненти, а якщо виникне така необхідність - замінити їх в процесі відналагодження. Даний етап включає:
   • вибір мікроконтролерної платформи (плати розробника);
   • підбір необхідних модулів/плат розширення, індикаторів, актуаторів;
   • підключення модулів та інших компонентів до плати розробника;
   • програмування та відналагодження: перевірка основних алгоритмів роботи, отримання даних від датчиків, робота з індикаторами та актуаторами;

   

3. Прототипування на монтажній або друкованій платі. Наступним етапом прототипування є виготовлення робочого прототипу на монтажній або друкованій платі, грунтуючись на вибраних раніше модулях та компонентах:
   • підбір компонентної бази: мікроконтролер, інші електронні компоненти;
   • використання готової монтажної плати або проектування та виготовлення друкованої;
   • монтаж компонентів прототипу;
   • відналагодження та доопрацювання прошивки;
   • тестування у реальних умовах;

   

4. Доопрацювання прототипу та виправлення помилок;
5. Підбір джерела живлення;
6. Підбір/виготовлення корпусних деталей (за потреби).

Макетні та монтажні плати

Макетні плати (breadboard) — це універсальні плати для швидкого складання електронних схем без пайки. Вони широко використовуються під час прототипування мікроконтролерних пристроїв та експериментів з електронікою.

Такі плати, зазвичай, мають сотні контактів, з’єднаних між собою за допомогою металічних смужок за певною схемою:

Отвори (контактні гнізда) розташовані рядами, куди вставляються зʼєднувальні провідники та виводи компонентів. Отвори обʼєднані в контактні шини: вертикальні ряди — для встановлення елементів (резистори, транзистори, мікросхеми, мікроконтролери у DIP-корпусах); горизонтальні лінії з боків — для живлення (VCC та GND). Кількість отворів на макетних платах становить від 170 отворів (міні) до понад 3000 (великі панелі). Завдяки цим отворам елементи можна легко виймати й міняти. Кілька макетних плат можна об’єднувати в одну велику.

Для зʼєднання компонентів між собою використовуються спеціальні провідники типу Dupont, що дозволяє побудувати проектований пристрій без паяння:

Монтажні плати — це плати для пайки електронних компонентів після етапу прототипування на макетній платі. Вони слугують перехідним варіантом перед створенням друкованої плати.

Основні типи монтажних плат:

1. Перфоровані (perfboard) – cклотекстоліт або фенопласт з отворами у вигляді сітки (2,54 мм). Мідне покриття може бути відсутнє зовсім, або тільки у вигляді кільця навколо отворів (але не завжди). З’єднання доводиться робити вручну провідниками (зверху або знизу) або перемичками

   

2. Стрипборди (stripboard) – склотекстоліт з отворами у вигляді сітки (2,54 мм), але з’єднані поздовжніми мідними доріжками, які можна розрізати за потреби

   

3. З мідними площадками (pad-per-hole) – склотекстоліт з отворами у вигляді сітки (2,54 мм), але кожен отвір має окрему мідну площадку для пайки. Зручно для монтажу SMD і DIP-компонентів з індивідуальними з’єднаннями

   

Монтажні плати мають більш надійний контакт, ніж макетні, дешевші та швидші у прототипуванні, ніж виготовлення друкованої плати, підходять для невеликих серій або одноразових пристроїв.

Плати розробника

Плата розробника (development board) — це готовий модуль з мікроконтролером (або мікропроцесором), який використовується для швидкого прототипування та навчання без потреби розробляти власну друковану плату з нуля.

Такі плати можуть мати різні інтерфейси підключення (USB, GPIO-піни, UART, I²C, SPI, CAN, PWM тощо), часто живляться від USB, підтримують завантаження прошивок напряму з компʼютера (часто через вбудований завантажувач), можуть мати додаткові компоненти (світлодіоди, кнопки, іноді дисплеї, датчики).

На ринку представлено велика кількість плат розробника, призначених для різних типів задач:

1. Сімейство Arduino:
   • Arduino Uno – одна з найпопулярніших плат розробника у світі для навчання та прототипування. Має не надто потужні можливості, однак є доволі доступною в ціні (особливо китайські клони). Характеристики: 8-бітний мікроконтролер ATmega328P 16 МГц, 2 Кб ОЗП, 32 Кб Flash-пам’яті, 1 Кб EEPROM, робоча напруга 5 В, 14 цифрових входів/виходів (6 PWM), 6 аналогових входів (10-бітний АЦП), підтримка інтерфейсів UART, SPI, I²C, має вбудований USB-UART перетворювач (ATmega16U2 у оригіналі, CH340/FT232 у клонів)

     

   • Arduino Nano – компактна версія Arduino Uno на базі того ж мікроконтролера ATmega328P, значно менша за розмірами та наявністю контактів, що дозволяють розміщувати її на макетній платі. На відміну від Uno плата має два додаткових аналогових входи

     

   • Arduino Pro Mini – ще одна компактна версія Arduino Uno на базі того ж мікроконтролера ATmega328P, розроблена для компактних і енергоефективних проєктів. На відміну від Uno плата не має вбудованого USB-інтерфейсу, тому для прошивки використовується зовнішній USB-UART перетворювач. Також дана плата може працювати на частоті 8 МГц з робочою напругою 3.3 В

     

   • Arduino Mega 2560 – більш потужна версія Arduino, призначена для великих проєктів із великою кількістю сенсорів, дисплеїв чи двигунів. Завдяки великій кількості виводів і пам’яті часто використовується у 3D-принтерах, CNC, роботах та складних автоматизованих системах. Характеристики: 8-бітний мікроконтролер ATmega2560 16 МГц, 8 Кб ОЗП, 256 Кб Flash-пам’яті, 4 Кб EEPROM, робоча напруга 5 В, 54 цифрових входів/виходів (15 PWM), 16 аналогових входів (10-бітний АЦП), підтримка інтерфейсів UART (4 апаратних), SPI, I²C, має вбудований USB-UART перетворювач

     

   • Arduino Due – потужна версія Arduino, побудована на 32-бітному ARM-мікроконтролері, швидша, має більше пам’яті. Характеристики: 32-бітний мікроконтролер Atmel SAM3X8E (ARM Cortex-M3) 84 МГц, 96 Кб ОЗП, 512 Кб Flash-пам’яті, EEPROM-памʼять відсутня (можна зберігати дані у Flash), робоча напруга 3.3 В, 54 цифрових входів/виходів (12 PWM), 12 аналогових входів (12-бітний АЦП), 2 аналогових вихода (повноцінний 12-бітний ЦАП), підтримка інтерфейсів UART (4 апаратних), SPI, I²C (2 апаратних), CAN, має вбудований USB-UART перетворювач (підтримка USB OTG)

     

2. Сімейство ESP:
   • NodeMCU – плата розробника на основі мікроконтролера ESP8266 з підтримкою Wi-Fi, що часто використовують для швидкого прототипування IoT-пристроїв. Характеристики: 32-бітний мікроконтролер ESP8266 на базі процесора Tensilica L106 80/160 МГц, 80 Кб ОЗП, 4 Мб Flash-пам’яті, EEPROM-памʼять відсутня (можна зберігати дані у Flash), робоча напруга 3.3 В, 17 цифрових входів/виходів (підтримка PWM), 1 аналоговий вхід (10-бітний АЦП), підтримка інтерфейсів UART, SPI, I²C, має вбудований USB-UART перетворювач, вбудований Wi-Fi (802.11 b/g/n)

     

   • WeMos D1 mini – компактна плата розробника на основі мікроконтролера ESP8266, створена як альтерантива NodeMCU. Відрізняється від плати NodeMCU меншою кількістю портів: 11 цифрових входів/виходів (підтримка PWM), 1 аналоговий вхід (10-бітний АЦП)

     

   • Adafruit HUZZAH ESP8266 – плата розробника на базі ESP8266, створена компанією Adafruit, орієнтована на IoT-проєкти та прототипування. За характеристиками являється аналогом WeMos D1 mini

     

   • ESP32 DevKit – плата розробника на базі більш потужного мікроконтролера ESP32 з підтримкою Wi-Fi та Bluetooth. Характеристики: 32-бітний мікроконтролер ESP32 на базі двоядерного процесора Tensilica LX6 240 МГц, 520 Кб ОЗП, 4 Мб Flash-пам’яті, EEPROM-памʼять відсутня (можна зберігати дані у Flash), робоча напруга 3.3 В, 21 цифровий вхід/вихів (підтримка PWM), 15 аналоговий входів (12-бітний АЦП), 2 виходи ЦАП, підтримка інтерфейсів UART, SPI, I²C, має вбудований USB-UART перетворювач, вбудований Wi-Fi (802.11 b/g/n), Bluetooth (підтримка BLE)

     

   • ESP32-S3-Zero – надкомпактна плата розробника на базі мікроконтролера ESP32. Вона поєднує в собі потужність двоядерного процесора, підтримку Wi-Fi 4 та Bluetooth 5.0, а також USB Type-C для програмування та живлення. На платі доступно 24 цифрових входів/виходів (підтримка PWM), 18 аналогових входів (12-бітний АЦП), Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth 5.0 LE

     

3. Інші плати:
   • Blue Pill – популярна плата розробника на базі STM32. Вона дешева, має велику кількість пінів, що робить її привабливою для прототипування і невеликих проєктів. Характеристики: 32-бітний мікроконтролер STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3) 72 МГц, 20 Кб ОЗП, 64 Кб Flash-пам’яті, робоча напруга 3.3 В, 32 цифрових входів/виходів (підтримка PWM), 10 аналогових входів (12-бітний АЦП), підтримка інтерфейсів UART, SPI, I²C, має microUSB для живлення, програмування здійснюється через ST-Link або USB-to-serial адаптер

     

   • LGT8F328P Nano – компактна плата розробника, сумісна з Arduino Nano, але з покращеною продуктивністю завдяки мікроконтролеру LGT8F328P. Характеристики: 8-бітний мікроконтролер LGT8F328P 16–32 МГц, 2 Кб ОЗП, 32 Кб Flash-пам’яті, 1 Кб EEPROM, робоча напруга 5 В, 14 цифрових входів/виходів (8 PWM), 8 аналогових входів (10-бітний АЦП), підтримка інтерфейсів UART, SPI, I²C, має вбудований USB-UART перетворювач (CH340G або CP2102)

     

   • Digispark – це компактна плата розробника на базі ATtiny85, розроблена для простих Arduino-сумісних проектів, де потрібна мінімальна кількість пінів і маленький форм-фактор. Характеристики: 8-бітний мікроконтролер ATtiny85 16 МГц, 512 б ОЗП, 8 Кб Flash-пам’яті, 512 б EEPROM, робоча напруга 5 В, 5 цифрових входів/виходів (3 PWM), 3 аналогові входи (10-бітний АЦП), підтримка інтерфейсів USI, SPI (через програмне ПЗ), I²C, USB-підключення без додаткових компонентів