定制微控制器設計：組裝、測量、編程

首先在您的辦公桌上準備組裝和焊接所需的一切。請記住，您不想將所有部件組裝并焊接到您的個原型 PCB 上，然后再進行所有測試。只焊接電路的一個功能部分（例如電源），然后確認該部分完成了它應該做的事情。然后焊接下一個功能小節(jié)并進行測試，依此類推。

逐件組裝、焊接和測試
首先在您的辦公桌上準備組裝和焊接所需的一切。請記住，您不想將所有部件組裝并焊接到您的個原型 PCB 上，然后再進行所有測試。只焊接電路的一個功能部分（例如電源），然后確認該部分完成了它應該做的事情。然后焊接下一個功能小節(jié)并進行測試，依此類推。
這種循序漸進的焊接和測試方法將幫助您確定出現(xiàn)的任何問題的根源。此外，您可能能夠在設計錯誤導致另一個組件損壞之前發(fā)現(xiàn)它（例如，在將電壓施加到微控制器之前發(fā)現(xiàn)您的電源產(chǎn)生的是 5 V 而不是 3.3 V ）。
焊接電源電路并測試
通常，您應該焊接的個部分是電源電路。焊接電源電路后，用適當?shù)腜CB清潔劑（如異丙醇）清潔并檢查是否短路和斷路。（此時我們假設 PCB 沒有制造缺陷，因此在這種情況下，短路和開路都是焊接缺陷。）
使用實驗室電源，設置適當?shù)碾娏飨拗疲椴糠纸M裝的 PCB 供電?，F(xiàn)在用萬用表測量電路產(chǎn)生的所有輸出電壓，并且要格外小心，您可以確認微控制器的所有電源引腳上都存在正確的電壓。然后在繼續(xù)之前不要忘記關閉電源。
焊接微控制器電路
現(xiàn)在電源電路可以工作了，我們可以組裝微控制器電路了。
首先，焊接微控制器和用于過濾電源電壓的無源元件（去耦電容器總是需要的，在某些情況下鐵氧體磁珠是有益的）。確保您的微控制器以正確的方向放置。您現(xiàn)在可以使用萬用表檢查短路和開路，但如果您想測試微控制器的功能，您需要焊接時鐘源（除非微控制器有內部振蕩器）、復位電路和閃光燈所需的任何組件/調試硬件。
當你把所有東西都焊接好后，用你喜歡的清潔劑把它清理干凈。進行目視檢查（顯微鏡或放大鏡在這里很有幫助，尤其是對于細間距組件），并使用萬用表檢查您擔心的任何連接。如下圖所示，您可以使用萬用表的電阻測量功能來評估您的焊接連接。

對所有電源連接要特別小心（不要忘記調試頭可能有電源引腳）。這里的開路可能會使您的微控制器完全無法工作，而短路可能會導致?lián)p壞。
此時您的 PCB 具有少的有源電路并且微控制器沒有固件，因此當您為電路板通電時不應有大電流消耗。如果您還沒有這樣做，請調整您的工作臺電源的輸出電壓和電流限制，然后打開電源，看看會發(fā)生什么。如果與預期相反，工作臺電源的顯示屏顯示高電流，請再次將其關閉。不要驚慌（說起來容易做起來難）；拿出你的萬用表和放大鏡，試著找出問題所在。
檢查復位引腳上的電壓
為確保可靠運行，復位引腳必須具有穩(wěn)定、干凈的電壓，該電壓完全符合微控制器數(shù)據(jù)表中的邏輯高電平或邏輯低電平規(guī)格。如果復位引腳為低電平有效，則需要一個邏輯高電壓來啟用微控制器；如果它是高電平有效，則需要一個邏輯低電壓。
如果微控制器在復位引腳上有一個內部上拉（或下拉）電阻，并且您不需要硬件復位功能，則可能沒有額外的電路連接到復位引腳。在這種情況下，無需檢查復位引腳上的電壓。但是，如果您的設計包括復位電路，請測量復位引腳上的電壓以確保它可以接受。
探測時鐘
如果您使用的是內部生成的時鐘信號，則無需執(zhí)行此步驟（盡管在某些時候您可能需要測量內部時鐘以確定其確切頻率）。對于外部時鐘，使用示波器查看信號。
首先，獲得時鐘信號的準確表示并不總是那么容易。當振蕩器是直接連接到微控制器的晶體時尤其如此——探頭引入阻抗會導致振蕩頻率發(fā)生偏移，在極端情況下，電路會在應用探頭時停止振蕩。在使用晶體時測量頻率的更好方法是啟用微控制器的時鐘輸出功能，然后探測數(shù)字信號（當然，在您能夠將程序加載到閃存中之前，您不能啟用時鐘輸出）。
如果振蕩器信號被緩沖，如晶體振蕩器模塊或硅振蕩器，您可以在不影響頻率的情況下探測振蕩器設備的輸出。
不過，即使使用晶體，您也應該能夠毫不費力地獲得相當準確的測量結果。確保您使用的是 10:1 探頭；與 1:1 探頭相關的附加電容可能會干擾電路。
當您探測其中一個晶體引腳時，您應該看到一個正弦信號，其頻率大約等于晶體的指定頻率，如以下示波器捕獲所示。

探測時鐘——測量來自石英晶體的 8 MHz 信號

將閃存/調試適配器連接到您的定制設計
現(xiàn)在我們可以繼續(xù)連接閃存/調試硬件。請確保在繼續(xù)之前斷開電源。
閃存/調試適配器將通過某種方式在適配器和 PCB 上的連接器之間建立連接。通常會有一根電纜，但也許您只有一根單獨的電線。此外，適配器上可能有多個連接器。確認您使用的連接器符合您的編程接口標準，并仔細檢查 PCB 上的連接是否與閃存/調試連接器上的引出線相匹配。不過，終必須結束雙重檢查；此時，您只需插入調試電纜，給 PCB 加電，希望不會燒毀任何東西。

具有兩個連接器選項的閃存/調試適配器示例。圖片由Atmel提供。

閃存/調試適配器通常會有狀態(tài) LED，為您提供有關內部情況的某種信息——例如，設備已通電但處于空閑狀態(tài)，編程正在進行中，微控制器正在調試模式下執(zhí)行代碼。下圖為您提供了閃爍/調試狀態(tài) LED 的示例。

JTAG ICE（在線仿真器）設備上的狀態(tài) LED。圖片由Atmel提供。

在您的 PC 和您的定制微控制器設計之間建立連接
打開編程工具或 IDE（集成開發(fā)環(huán)境）并配置您的閃存/調試適配器。然后，嘗試建立與微控制器的連接。編程工具或 IDE 會告訴您它是否有效。
如果它不起作用，請再次檢查您的連接。如果連接看起來正確并且您找不到任何其他明顯的問題，請不要失望。四處尋找有關如何為您的特定連接環(huán)境正確配置軟件的信息。此外，如果您有一個與定制 PCB 上的評估板相同或非常相似的微控制器評估板，這將很有幫助。如果您無法連接到評估板，則問題可能出在調試適配器或 PC 軟件上，而不是您的 PCB。
但讓我們假設一切順利，您可以毫無問題地連接到您的微控制器。現(xiàn)在您可以將自己的固件加載到微控制器中并修改硬件配置。不過要小心，并確保您熟悉微控制器的低級功能（如數(shù)據(jù)表中所述）。如果您擺弄錯誤的配置位或嚴重功能失調的代碼，事情很快就會出錯。在壞的情況下，您可以將自己鎖定在微控制器之外。
配置時鐘
重要的配置選項之一是時鐘。微控制器的默認時鐘配置可能不是您想要的。 例如，如果您使用的是8 位 ATmega (PDF)，它將默認配置為使用 1 MHz 內部 RC（電阻-電容）振蕩器。如果你想要不同的頻率或不同的時鐘源，你需要修改硬件配置設置。這可以通過將必要的寄存器修改合并到您的固件中來完成，現(xiàn)在 IDE 可能會包含一個工具，它可以大大簡化生成硬件配置代碼的過程。
如前一節(jié)所述，進行更改時要小心！例如，如果您（不小心）告訴它使用不存在的外部時鐘信號，您的微控制器將不會高興。
你的個程序
我們已經(jīng)走了很長一段路，現(xiàn)在是時候將程序加載到微控制器的閃存中了。從簡單的東西開始，如果可能的話，加入一些基本的視覺反饋（例如，閃爍的 LED）。如果你沒有 LED，只需切換輸出引腳并用示波器檢查它。此時您要做的就是確認代碼已成功和執(zhí)行。
在測試程序之前，查找與“擦除”、“編程”和“驗證”相對應的選項。選擇這些選項意味著當您單擊按鈕時會發(fā)生三件事：
微控制器的程序存儲器將被擦除。
與您的代碼對應的目標文件將被傳輸?shù)轿⒖刂破鞑⒋鎯υ诜且资猿绦虼鎯ζ髦小?br/>PC 軟件將讀回程序存儲器中的數(shù)據(jù)，以驗證在傳輸過程中或將目標文件寫入閃存的過程中沒有引入錯誤。
如果過程成功，則執(zhí)行該程序。這可以通過 IDE 的調試功能或通過重置微控制器來完成。（執(zhí)行重置可靠的方法是關閉 PC 和微控制器之間的連接，移除閃存/調試電纜，然后重新啟動電路板。）如果您的測試程序有效，恭喜！您的定制 PCB（或至少 PCB 的微控制器部分）工作正常。
組裝您設計的其余部分
此時，關閉閃存/調試連接，拔下電纜，然后關閉 PCB?，F(xiàn)在您可以焊接其余部分，測試您的其他電路，并逐步實現(xiàn)所有必要的固件功能。
結論
設計您的個基于微控制器的定制 PCB 可能具有挑戰(zhàn)性。不過，這是值得的。
記住一步一步來做每件事，當事情初沒有按預期進行時，不要氣餒。對于組裝和測試階段出現(xiàn)的許多問題，您可以修復或想出解決方法。如果您真的搞砸了某些事情，請將電路板的個版本用作杯墊或鎮(zhèn)紙，然后返回到您的 CAD 軟件。這是一個你不會犯兩次的錯誤，也許你已經(jīng)注意到可以合并到第二個版本中的一些其他改進。
但是，如果您仔細處理原理圖和布局工作，并仔細檢查設計的每個關鍵方面，那么您很可能會得到一個很棒的定制 PCB，它可以滿足您的需要。