定制微控制器設(shè)計(jì)：組裝、測(cè)量、編程

首先在您的辦公桌上準(zhǔn)備組裝和焊接所需的一切。請(qǐng)記住，您不想將所有部件組裝并焊接到您的個(gè)原型 PCB 上，然后再進(jìn)行所有測(cè)試。只焊接電路的一個(gè)功能部分（例如電源），然后確認(rèn)該部分完成了它應(yīng)該做的事情。然后焊接下一個(gè)功能小節(jié)并進(jìn)行測(cè)試，依此類(lèi)推。

逐件組裝、焊接和測(cè)試
首先在您的辦公桌上準(zhǔn)備組裝和焊接所需的一切。請(qǐng)記住，您不想將所有部件組裝并焊接到您的個(gè)原型 PCB 上，然后再進(jìn)行所有測(cè)試。只焊接電路的一個(gè)功能部分（例如電源），然后確認(rèn)該部分完成了它應(yīng)該做的事情。然后焊接下一個(gè)功能小節(jié)并進(jìn)行測(cè)試，依此類(lèi)推。
這種循序漸進(jìn)的焊接和測(cè)試方法將幫助您確定出現(xiàn)的任何問(wèn)題的根源。此外，您可能能夠在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致另一個(gè)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(cè)試
通常，您應(yīng)該焊接的個(gè)部分是電源電路。焊接電源電路后，用適當(dāng)?shù)腜CB清潔劑（如異丙醇）清潔并檢查是否短路和斷路。（此時(shí)我們假設(shè) PCB 沒(méi)有制造缺陷，因此在這種情況下，短路和開(kāi)路都是焊接缺陷。）
使用實(shí)驗(yàn)室電源，設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娏飨拗?，并為部分組裝的 PCB 供電?，F(xiàn)在用萬(wàn)用表測(cè)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(rèn)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(guān)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(guò)濾電源電壓的無(wú)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(wàn)用表檢查短路和開(kāi)路，但如果您想測(cè)試微控制器的功能，您需要焊接時(shí)鐘源（除非微控制器有內(nèi)部振蕩器）、復(fù)位電路和閃光燈所需的任何組件/調(diào)試硬件。
當(dāng)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(jìn)行目視檢查（顯微鏡或放大鏡在這里很有幫助，尤其是對(duì)于細(xì)間距組件），并使用萬(wàn)用表檢查您擔(dān)心的任何連接。如下圖所示，您可以使用萬(wàn)用表的電阻測(cè)量功能來(lái)評(píng)估您的焊接連接。

對(duì)所有電源連接要特別小心（不要忘記調(diào)試頭可能有電源引腳）。這里的開(kāi)路可能會(huì)使您的微控制器完全無(wú)法工作，而短路可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。
此時(shí)您的 PCB 具有少的有源電路并且微控制器沒(méi)有固件，因此當(dāng)您為電路板通電時(shí)不應(yīng)有大電流消耗。如果您還沒(méi)有這樣做，請(qǐng)調(diào)整您的工作臺(tái)電源的輸出電壓和電流限制，然后打開(kāi)電源，看看會(huì)發(fā)生什么。如果與預(yù)期相反，工作臺(tái)電源的顯示屏顯示高電流，請(qǐng)?jiān)俅螌⑵潢P(guān)閉。不要驚慌（說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難）；拿出你的萬(wàn)用表和放大鏡，試著找出問(wèn)題所在。
檢查復(fù)位引腳上的電壓
為確?？煽窟\(yùn)行，復(fù)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(fù)位引腳為低電平有效，則需要一個(gè)邏輯高電壓來(lái)啟用微控制器；如果它是高電平有效，則需要一個(gè)邏輯低電壓。
如果微控制器在復(fù)位引腳上有一個(gè)內(nèi)部上拉（或下拉）電阻，并且您不需要硬件復(fù)位功能，則可能沒(méi)有額外的電路連接到復(fù)位引腳。在這種情況下，無(wú)需檢查復(fù)位引腳上的電壓。但是，如果您的設(shè)計(jì)包括復(fù)位電路，請(qǐng)測(cè)量復(fù)位引腳上的電壓以確保它可以接受。
探測(cè)時(shí)鐘
如果您使用的是內(nèi)部生成的時(shí)鐘信號(hào)，則無(wú)需執(zhí)行此步驟（盡管在某些時(shí)候您可能需要測(cè)量?jī)?nèi)部時(shí)鐘以確定其確切頻率）。對(duì)于外部時(shí)鐘，使用示波器查看信號(hào)。
首先，獲得時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確表示并不總是那么容易。當(dāng)振蕩器是直接連接到微控制器的晶體時(shí)尤其如此——探頭引入阻抗會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生偏移，在極端情況下，電路會(huì)在應(yīng)用探頭時(shí)停止振蕩。在使用晶體時(shí)測(cè)量頻率的更好方法是啟用微控制器的時(shí)鐘輸出功能，然后探測(cè)數(shù)字信號(hào)（當(dāng)然，在您能夠?qū)⒊绦蚣虞d到閃存中之前，您不能啟用時(shí)鐘輸出）。
如果振蕩器信號(hào)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(cè)振蕩器設(shè)備的輸出。
不過(guò)，即使使用晶體，您也應(yīng)該能夠毫不費(fèi)力地獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。確保您使用的是 10:1 探頭；與 1:1 探頭相關(guān)的附加電容可能會(huì)干擾電路。
當(dāng)您探測(cè)其中一個(gè)晶體引腳時(shí)，您應(yīng)該看到一個(gè)正弦信號(hào)，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(cè)時(shí)鐘——測(cè)量來(lái)自石英晶體的 8 MHz 信號(hào)

將閃存/調(diào)試適配器連接到您的定制設(shè)計(jì)
現(xiàn)在我們可以繼續(xù)連接閃存/調(diào)試硬件。請(qǐng)確保在繼續(xù)之前斷開(kāi)電源。
閃存/調(diào)試適配器將通過(guò)某種方式在適配器和 PCB 上的連接器之間建立連接。通常會(huì)有一根電纜，但也許您只有一根單獨(dú)的電線。此外，適配器上可能有多個(gè)連接器。確認(rèn)您使用的連接器符合您的編程接口標(biāo)準(zhǔn)，并仔細(xì)檢查 PCB 上的連接是否與閃存/調(diào)試連接器上的引出線相匹配。不過(guò)，終必須結(jié)束雙重檢查；此時(shí)，您只需插入調(diào)試電纜，給 PCB 加電，希望不會(huì)燒毀任何東西。

具有兩個(gè)連接器選項(xiàng)的閃存/調(diào)試適配器示例。圖片由Atmel提供。

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

JTAG ICE（在線仿真器）設(shè)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(shè)計(jì)之間建立連接
打開(kāi)編程工具或 IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）并配置您的閃存/調(diào)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(huì)告訴您它是否有效。
如果它不起作用，請(qǐng)?jiān)俅螜z查您的連接。如果連接看起來(lái)正確并且您找不到任何其他明顯的問(wèn)題，請(qǐng)不要失望。四處尋找有關(guān)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(gè)與定制 PCB 上的評(píng)估板相同或非常相似的微控制器評(píng)估板，這將很有幫助。如果您無(wú)法連接到評(píng)估板，則問(wèn)題可能出在調(diào)試適配器或 PC 軟件上，而不是您的 PCB。
但讓我們假設(shè)一切順利，您可以毫無(wú)問(wèn)題地連接到您的微控制器?，F(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(guò)要小心，并確保您熟悉微控制器的低級(jí)功能（如數(shù)據(jù)表中所述）。如果您擺弄錯(cuò)誤的配置位或嚴(yán)重功能失調(diào)的代碼，事情很快就會(huì)出錯(cuò)。在壞的情況下，您可以將自己鎖定在微控制器之外。
配置時(shí)鐘
重要的配置選項(xiàng)之一是時(shí)鐘。微控制器的默認(rèn)時(shí)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(rèn)配置為使用 1 MHz 內(nèi)部 RC（電阻-電容）振蕩器。如果你想要不同的頻率或不同的時(shí)鐘源，你需要修改硬件配置設(shè)置。這可以通過(guò)將必要的寄存器修改合并到您的固件中來(lái)完成，現(xiàn)在 IDE 可能會(huì)包含一個(gè)工具，它可以大大簡(jiǎn)化生成硬件配置代碼的過(guò)程。
如前一節(jié)所述，進(jìn)行更改時(shí)要小心！例如，如果您（不小心）告訴它使用不存在的外部時(shí)鐘信號(hào)，您的微控制器將不會(huì)高興。
你的個(gè)程序
我們已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路，現(xiàn)在是時(shí)候?qū)⒊绦蚣虞d到微控制器的閃存中了。從簡(jiǎn)單的東西開(kāi)始，如果可能的話，加入一些基本的視覺(jué)反饋（例如，閃爍的 LED）。如果你沒(méi)有 LED，只需切換輸出引腳并用示波器檢查它。此時(shí)您要做的就是確認(rèn)代碼已成功和執(zhí)行。
在測(cè)試程序之前，查找與“擦除”、“編程”和“驗(yàn)證”相對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)。選擇這些選項(xiàng)意味著當(dāng)您單擊按鈕時(shí)會(huì)發(fā)生三件事：
微控制器的程序存儲(chǔ)器將被擦除。
與您的代碼對(duì)應(yīng)的目標(biāo)文件將被傳輸?shù)轿⒖刂破鞑⒋鎯?chǔ)在非易失性程序存儲(chǔ)器中。
PC 軟件將讀回程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證在傳輸過(guò)程中或?qū)⒛繕?biāo)文件寫(xiě)入閃存的過(guò)程中沒(méi)有引入錯(cuò)誤。
如果過(guò)程成功，則執(zhí)行該程序。這可以通過(guò) IDE 的調(diào)試功能或通過(guò)重置微控制器來(lái)完成。（執(zhí)行重置可靠的方法是關(guān)閉 PC 和微控制器之間的連接，移除閃存/調(diào)試電纜，然后重新啟動(dòng)電路板。）如果您的測(cè)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(shè)計(jì)的其余部分
此時(shí)，關(guān)閉閃存/調(diào)試連接，拔下電纜，然后關(guān)閉 PCB。現(xiàn)在您可以焊接其余部分，測(cè)試您的其他電路，并逐步實(shí)現(xiàn)所有必要的固件功能。
結(jié)論
設(shè)計(jì)您的個(gè)基于微控制器的定制 PCB 可能具有挑戰(zhàn)性。不過(guò)，這是值得的。
記住一步一步來(lái)做每件事，當(dāng)事情初沒(méi)有按預(yù)期進(jìn)行時(shí)，不要?dú)怵H。對(duì)于組裝和測(cè)試階段出現(xiàn)的許多問(wèn)題，您可以修復(fù)或想出解決方法。如果您真的搞砸了某些事情，請(qǐng)將電路板的個(gè)版本用作杯墊或鎮(zhèn)紙，然后返回到您的 CAD 軟件。這是一個(gè)你不會(huì)犯兩次的錯(cuò)誤，也許你已經(jīng)注意到可以合并到第二個(gè)版本中的一些其他改進(jìn)。
但是，如果您仔細(xì)處理原理圖和布局工作，并仔細(xì)檢查設(shè)計(jì)的每個(gè)關(guān)鍵方面，那么您很可能會(huì)得到一個(gè)很棒的定制 PCB，它可以滿足您的需要。