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作者：Mohamed Ismail，Maxim Integrated技術(shù)服務(wù)部高級技術(shù)人員 我第一次從零開(kāi)始設計和搭建自己的PCB可謂我電子生涯的一座里程碑，但事實(shí)上，也是一場(chǎng)巨大的災難。 受我鐘愛(ài)的《吉他英雄》游戲(用吉他形狀的控制器演奏搖滾樂(lè )的游戲)的啟發(fā)，我想設計一款自己的無(wú)弦吉他。在一次暑期實(shí)習中，我接觸到了許多觸摸傳感器技術(shù)，它們究竟有多難？我采用了一個(gè)嵌入式C編程類(lèi)，并且大概了解了Arduino平臺。雖然我還不清楚I2C是什么，也不知道我最終選擇的傳感器應該用哪種接口，但我找到了一個(gè)電容式觸摸傳感器平臺(一種特殊功能的電路板，用于插入到Arduino電路板)，以及一個(gè)用來(lái)掌握該傳感器平臺的在線(xiàn)代碼庫。 操作這一平臺是件非常輕松的事——把電路板插入計算機，然后將電容式觸摸平臺連接到電路板，再利用未經(jīng)修改的示例代碼對微控制器進(jìn)行編程。我甚至都不知道還有一份數據手冊要讀，就點(diǎn)擊了注冊按鈕！原來(lái)工程設計就像我桌上那本書(shū)的名字——傻瓜入門(mén)。 設計我的第一個(gè)原型——傻人有傻福 在用幾分鐘看過(guò)我的概念驗證之后，是時(shí)候來(lái)設計我自己的電路板了。我拿起吉他，測量了每個(gè)音品(吉他上分隔每個(gè)音符的空間)的長(cháng)度和寬度，并估算與該音符相應的琴弦下方的面積。然后我下載了Eagle CAD工具，并利用免費的教學(xué)版本開(kāi)始原理圖和PCB的設計，為每根琴弦對應的演奏尺寸繪制金屬焊盤(pán)。在沒(méi)有任何信號完整性和串擾知識的情況下，我用細長(cháng)、排布密集的走線(xiàn)將48個(gè)金屬焊盤(pán)全部連接到了PCB遠端的電容式傳感器芯片群。所有的電源、接地和通信走線(xiàn)都是一樣的細長(cháng)且排列密集，我設法使這些線(xiàn)與我用作參考平臺上的引腳相匹配。我曾經(jīng)在某個(gè)在線(xiàn)論壇上看到說(shuō)I2C設備可共享通信線(xiàn)路，于是我將四片傳感器連接在了一起。有如神助般，我竟然想出了地址線(xiàn)與每個(gè)傳感器分別通信的連接方法。到此為止，我的原理圖與電容式傳感器平臺非常匹配，布線(xiàn)沒(méi)有給出任何錯誤...我想我一定可以一次性完美搞定。 
對《吉他英雄》游戲的熱愛(ài)開(kāi)啟了無(wú)弦吉他的設計之旅。 在網(wǎng)上找到了一家提供PCB裸板的店家，且正在打折，于是我就下單定制了吉他傳感電路板。雖然電路板沒(méi)有阻焊層和絲印層，但誰(shuí)又知道這些是什么玩意兒呢？然后，我又輕松地在SparkFun和Digi-Key訂購了我所需的元件。 全部東西到齊后，我發(fā)現將所有元器件裝配到電路板上確實(shí)相當地具有挑戰性。我此前從未使用過(guò)表貼元件，從Digi-Key上訂購的元件讓我第一次嘗到了苦頭。好家伙，我真是不喜歡焊接那些0402規格的電容！直到后來(lái)我才發(fā)現電容實(shí)際上是有不同規格的！電容式傳感器IC采用20引腳QFN封裝，我覺(jué)得使用焊錫膏和熱風(fēng)槍還挺有意思的。在完全沒(méi)有考慮溫度限值和基本特性的情況下，我用熱風(fēng)肆虐了這些芯片，直到焊料熔化并看起來(lái)排列整齊。一位朋友曾說(shuō)，走線(xiàn)上焊料的表面張力會(huì )使其自動(dòng)調整，看著(zhù)芯片不知不覺(jué)地滑動(dòng)到位真是酷斃了。當所有元件冷卻之后，我開(kāi)始檢查我的工作。我的天吶，到處都是焊料！我用吸錫線(xiàn)清除了我能看到的所有多余焊料，最終又看到了引腳之間的間隔。把所有元器件裝配到電路板后，我就準備進(jìn)行測試了。接下來(lái)就是“見(jiàn)證奇跡”的時(shí)刻了！ 我的設計為什么不工作？ 我的定制電路板完美地匹配Arduino平臺，于是我全部上電了。而我得到的結果相當震驚：毫無(wú)動(dòng)靜！這就奇怪了，我完全復制的原理圖，將全部元器件都安裝在電路板上，并且使用的也是已知能夠運行的代碼(我沒(méi)有寫(xiě)代碼)。我把設計拿給機器人俱樂(lè )部的朋友看，他說(shuō)我沒(méi)有安裝任何旁路電容。旁路電容是個(gè)什么鬼？真是純屬運氣好，我恰巧在IC附近布置了一些多余的接地端。由于我使用的是沒(méi)有阻焊層的PCB裸板，GND焊盤(pán)是暴露在外，所以可以在傳感器IC附近安裝一些電容。經(jīng)過(guò)焊接之后，我又嘗試了運行電路板，結果讓我更為吃驚：工作了！我開(kāi)始按下所有不同的觸摸按鍵，并且可以計入按鈕的按動(dòng)。 我的定制電路板完美地匹配Arduino平臺，于是我全部上電了。而我得到的結果相當震驚：毫無(wú)動(dòng)靜！這就奇怪了，我完全復制的原理圖，將全部元器件都安裝在電路板上，并且使用的也是已知能夠運行的代碼(我沒(méi)有寫(xiě)代碼)。我把設計拿給機器人俱樂(lè )部的朋友看，他說(shuō)我沒(méi)有安裝任何旁路電容。旁路電容是個(gè)什么鬼？也是算我運氣好，我恰巧在IC附近布置了一些多余的接地端。由于我使用的是沒(méi)有阻焊層的PCB裸板，GND焊盤(pán)是暴露在外，所以可以在傳感器IC附近安裝一些電容。經(jīng)過(guò)焊接之后，我又嘗試了運行電路板，結果讓我更為吃驚：工作了！我開(kāi)始按下所有不同的觸摸按鍵，并且可以計入按鈕的按動(dòng)。 經(jīng)過(guò)六年并取得兩個(gè)學(xué)位之后，掌握了我目前所知道的電子和模擬設計經(jīng)驗，回過(guò)頭來(lái)看，幾乎不敢相信當時(shí)所做的一切。我相信，如果現在能找到那塊電路板再看看，其中的一些布局絕對讓我后背發(fā)涼。也正是在我第一次經(jīng)歷電路板完全不能工作之后，我才真正學(xué)會(huì )打開(kāi)數據手冊、閱讀了解寄存器映射、研究I2C通信、發(fā)現旁路電容的魔力，并找出使傳感器芯片與我的應用相匹配的最優(yōu)配置方法。 讓工程師在設計中拔得頭籌 我的第一次嵌入式設計經(jīng)歷充分的說(shuō)明了工具生態(tài)系統對于工程師是多么寶貴。由于已經(jīng)獲得了我所需的全部支持信息，所以我自始至終沒(méi)有聯(lián)系任何廠(chǎng)商尋求支持。所有工具已經(jīng)擺在那里，任何人都可以馬上開(kāi)始設計，包括： • 內置編程器的微控制器開(kāi)發(fā)板 • 開(kāi)源開(kāi)發(fā)環(huán)境 • 抽象編程語(yǔ)言 • 來(lái)自社區的源代碼庫 • 特定功能的參考板 • YouTube視頻和Google搜索 • 免費的PCB軟件 • 低廉的制版費用 只需50美元，任何對電子感興趣的人都可獲得所有這些設計工具、訂購器件以及電路板的定制。有了這些工具組合，不需要成為該領(lǐng)域的專(zhuān)家，很多人都就能夠實(shí)現嵌入式電子產(chǎn)品的原型設計和搭建產(chǎn)品。例如，Maxim提供技術(shù)文檔、視頻、參考設計、設計工具和模型，以及許多其他資源幫助用戶(hù)入門(mén)，請參見(jiàn)設計資源概覽頁(yè)面。如果沒(méi)有Maxim EE-Sim設計與仿真工具的所有功能支持，很難想象設計一款開(kāi)關(guān)電源會(huì )是什么情形。當然，我是在深入研究之后才使我的定制應用能夠正常運行，而有了新型工具生態(tài)系統之后，許多設計者和創(chuàng )客設計IC的方式也發(fā)生了巨大改變。 |
