ATAKAN CESİM tarafından hazırlanmıştır. Bu uygulama notunun amacı, temel seviyede gömülü sistem bilgisi olan arkadaşlara mikrodenetleyici tabanlı bir devrenin tasarım aşamalarını anlatmak (devre tasarımı, pcb için protatip oluşturulması v.b ), tasarım sırasında gerekli minimum donanım gereksinimlerinden bahsetmek, okul projelerinde kafalara takılan sorulara cevaplar vermek ve sıfırdan başlayacak arkadaşlara yardımcı olmaktır.
MİKRODENETLEYİCİ TABANLI DEVRE TASARIM UYGULAMASI Elektronik ile ilgili bölümlerde okuyan arkadaşlar ya da elektroniğe ilgisi olan arkadaşlar elbette mikrodenetleyiciler ile ilgili uygulamalar geliştirmiş ve bilgiler edinmiştir. Ülkemizde de bu işe gönül vermiş kimi arkadaşlarımız meslek olarak kimi arkadaşlarımız da hobi olarak mikrodenetleyiceler ile uğraşmıştır. Günümüz itibariyle üreticiler tarafından farklı farklı özellikte, haberleşme protokollerini destekleyen, kapasite, hız ve mimaride mikrodenetleyiciler piyasaya sunulmuştur. Bu dökümanda anlatılan uygulama, STMicroelectronics firmasının üretmiş olduğu STM8 ailesine ait olan 8 bit STM8S105C6T6 mikrodenetliyicisi tabanlıdır. Sistemin çalışması için temel seviyede gerekli olan donanım tasarımı yapılmıştır. Bu uygulama notunun amacı, temel seviyede gömülü sistem bilgisi olan arkadaşlara mikrodenetleyici tabanlı bir devrenin tasarım aşamalarını anlatmak (devre tasarımı, pcb için protatip oluşturulması v.b ), tasarım sırasında gerekli minimum donanım gereksinimlerinden bahsetmek, okul projelerinde kafalara takılan sorulara cevaplar vermek ve sıfırdan başlayacak arkadaşlara yardımcı olmaktır.
İÇİNDEKİLER DONANIM TASARIMI 3 EAGLE ile PCB DİZAYNI 5 POWER SUPPLY KISMI 6 KUPLAJ KONDANSATÖRLERİ 7 CLOCK SOURCE 8 RESET SOURCE ve SWIM PROGRAMMING VE DEBUGGIN TOOL 9 DİJİTAL GİRİŞ ve ÇIKIŞLAR 10 MİKRODENETLEYİCİ KISMI 11 HABERLEŞME PORTLARI 11 EAGLE ŞEMATİK DİZAYN DOSYASI 12 EAGLE BOARD DİZAYN DOSYASI 13
DONANIM TASARIMI STM8S ailesine ait bir mikrodenetleyici kullanarak uygulama geliştirmek istiyorsak, uygulama için tasarlanan protatip üzerinde en azından aşağıdaki 4 kısma yer vermeliyiz. Power supply Clock source Reset source Debuggin tool support, single wire interface module (SWIM) Uygulamada seçilen STM8S105C6T6 fiyat, hız ve kapasite olarak temel ihtiyaçları karşılayacak seviyededir. İnternette yapılan araştırmalarda genel olarak Texas Instrument MSP430 ailesi ve Microchip PIC16Fxx ailesine ait Türkçe kaynaklara ulaşılmaktadır. Bahsedilen mikrdenetleyicilere bir alternatif olması açısından STM8S ailesi tercih edilmiştir. Seçilen mikrodenetleyiciye ait özellikler üreticinin web sayfasından alınarak aşağıda verilmiştir. Daha ayrıntılı bilgi için (registerlar v.b) ürün datasheet i ayrıntılı bir şekilde incelenmelidir. STM8S105C6T6 mikrodenetleyicisine ait özellikler
The STM8S105xx access line 8-bit microcontrollers offer from 16 to 32 Kbytes Flash program memory, plus integrated true data EEPROM. They are referred to as mediumdensity devices in the STM8S microcontroller family reference manual (RM0016). All devices of the STM8S105xx access line provide the following benefits: reduced system cost, performance and robustness, short development cylces, and product longevity. The system cost is reduced thanks to an integrated true data EEPROM for up to 300 kwrite/erase cycles and a high system integration level with internal clock oscillators, watchdog and brown-out reset. Device performance is ensured by a 16 MHz CPU clock frequency and enhanced characteristics which include robust I/O, independent watchdogs (with a separate clock source), and a clock security system. Short development cycles are guaranteed due to application scalability across a common family product architecture with compatible pinout, memory map and and modular peripherals. Full documentation is offered with a wide choice of development tools Product longevity is ensured in the STM8S family thanks to their advanced core which is made in a state-of-the art technology for applications with 2.95 V to 5.5 V operating supply. Core 16 MHz advanced STM8 core with Harvard architecture and 3-stage pipeline Extended instruction set Memories Medium-density Flash/EEPROM: Program memory up to 32 Kbytes Flash; data retention 20 years at 55 C after 10 kcycles Data memory up to 1Kbytes true data EEPROM; endurance 300 kcycles RAM: Up to 2 Kbytes Clock, reset and supply management 2.95 to 5.5 V operating voltage Flexible clock control, 4 master clock sources: Low power crystal resonator oscillator External clock input Internal,user-trimmable 16 MHz RC Internal low power 128 khz RC Clock security system with clock monitor Power management: Low power modes (wait, active-halt, halt) Switch-off peripheral clocks individually Permanently active,low consumption power-on and power-down reset Interrupt management Nested interrupt controller with 32 interrupts Up to 37 external interrupts on 6 vectors Timers 2x16-bit general purpose timer, with 2+3 CAPCOM channels (IC, OC or PWM) Advanced control timer: 16-bit, 4 CAPCOM channels, 3 complementary outputs, dead-time insertion and flexible synchronization 8-bit basic timer with 8-bit prescaler Auto wakeup timer Window watchdog, independent watchdog timers Communications interfaces UART with clock output for synchronous operation, Smartcard, IrDA, LIN master mode SPI interface up to 8 Mbit/s I 2 C interface up to 400 Kbit/s Analog to digital converter (ADC) 10-bit, ±1 LSB ADC with up to 10 multiplexed channels, scan mode and analog watchdog I/OsUp to 38 I/Os on a 48-pin package including 16 high sink outputs Highly robust I/O design, immune against current injection Development support Embedded single wire interface module (SWIM) for fast on-chip programming and non intrusive debugging
Mikrodenetleyici seçimi yapıldıktan sonra, vendor tarafından sağlanan referans kaynaklar, protatip tasarımlar, datasheet ve forumlar içerisinde iyi bir şekilde araştırma yapılmalı ve bilgi toplanmalıdır. Gözden kaçan bir bağlantı ya da komponent için tasarımda revizyon yapmak yeniden gerber oluşturmak, protatip için pcb ürettirmek v.b işlemler bizi geciktirecektir. Bu yüzden tasarımdan önce bir ön çalışma ile tüm kaynaklar iyice araştırılmalı, çıktılar ve gerekli notlar alınmalıdır. Gerekli ön çalışma ve kullanacağımız elektronik komponentlerin listesi yapıldıktan sonra tasarım aşamasında ihtiyacımızı karşılayabilecek bir PCB Dizayn Tool u seçilmelidir. Bu uygulamamız temel seviyede ve Cadsoft EAGLE Light Edition sürümü ücretsiz olarak kullanılabilir ve bizim için yeterlidir. Ücretsiz sürümde genel olarak aşağıda listelenen sınırlandırmalar vardır. Kullanılabilir board alanı 100x80 mm ile sınırlı. 2 sinyal layer i ile sınırlandırılmış (Top, Bottom). Schematic editörde sadece bir tane çalışma sayfası ( sheet ) açılabilir. Eagle bilgisayarımıza kurulduktan sonra ilk açılışta ücretsiz sürümü kullanmank için Run as freeware butonu seçilmelidir. EAGLE ile PCB DİZAYNI Dizayn yapılırken, kullanacağımız komponentlerin kütüphanelerine ihtiyacımız olacaktır. Kütüphanesi olmayan komponentler için data sheetleri kullanarak footprintlerini çizip kendi kütüphanemize ekleyebiliriz. Genel itibari ile çoğu pasif komponent (direnç,kondansatör) ve elektronik projelerinde çoklukla kullanılan, örneğin 1n4001 diyot için her kılıf kütüphanelerde mevcuttur. Daha önce EAGLE kullanılmamış ise google da EAGLE tips and tricks v.b keywordleri aratarak EAGLE kullanımını anlatan dökümanlardan faydalanalım. Örneğin aşağıda belirtilen linklerde güzel bilgiler mevcut. https://www.sparkfun.com/tutorials/108 https://www.sparkfun.com/tutorials/109 https://www.sparkfun.com/tutorials/110
Dizayn aşaması sırası ile ; Gerekli komponentlerin schematic tasarıma eklenmesi Komponentler için değer ve isimlerin verilmesi Pin isimlerinin verilmesi Eklenen komponentler arası bağlantıların yapılması İşlemlerinden oluşur. Dizaynın sade olması için EAGLE in route aracını kullanmaktan kaçınıp, mümkün olduğunca label aracını kullanarak bağlantıları yapalım. Bu şekilde dizaynı modüler hale getirmiş oluruz. Devrenin Power kısmı, denetleyici kısmı, haberleşme portları, analog girişler çıkışlar, dijital girişler çıkışlar hepsini modüler yapmaya dikkat edelim. POWER SUPPLY KISMI Mikrodenetleyiciler TTL 3.3-5 Volt lojik seviyelerinde çalışmaktadır. STM8S ailesi için 2.95 V to 5.5 V operating supply. Power supply dizaynı söz konusu olduğunda en önemli etken devrenin regüle edilmiş bir kaynak ile beslenmesidir. Ayrıca ters polarizasyon durumlarında devremizin zarar görmesini engellemek için diyot kullanılması faydalıdır. Şekilden de görüldüğü gibi devremiz LM317 ile regüle edilmiş ve 1N4001 diyot ile ters polarizasyona karşı önlem alınmıştır. Devrenin sağlıklı bir şekilde beslendiğini gözlemlemek için bir adet Power Led i besleme kısmına eklenmiştir. LM317 için direnç değerleri hesaplanmış, besleme sırasında filtreleme için kapasiteler kullanılmıştır. Yine dikkat edilir ise VDD label aracı ile belirtilmiş. Power supply kısmı
KUPLAJ KONDANSATÖRLERİ Dizayn sırasında mikro denetleyiciye olabildiğince yakın şekilde konumlandırılması gereken kuplaj kondansatörleri aşağıda gösterilmiştir. C1 ve C5 - VDD C2 - VDDA C3 - VDDIO_1 C4 - VDDIO_2 Yukarda verilen sıra ile kuplaj kondansatörleri besleme kaynaklarına olabildiğince yakın olacak şekilde yerleştirilmelidir, bu sayade sağlık bir filtreleme yapılabilir. Denetleyicinin tüm power supply pinleri (VDD, VDDA,VDDIO_1, VDDIO_2 ) 100nF kuplaj kondansatörleri ile filtrelenmelidir. Kuplaj kondansatörleri mikrodenetleyicinin besleme kaynaklarına olabildiğince yakın şekilde yerleştirilmelidir Daha iyi bir filtreleme için ek olarak 1uF lık bir kondansatör 100nF ile paralel olarak VDD pinine bağlanmalıdır. Yukarda belirtilidği gibi toplamda 4 adet 100nF ve 1 adet 1uF kuplaj kondansatörü yalıtım için kullanılmalıdır. Kuplaj kondansatörleri STM8S105C6T6 denetleyicisinin kendi 1.8 Volt iç regülatörünün stabilizasyonu için denetleyicinin 6.cı pinine ( Vcap pini ) en fazla 1uF olacak şekilde bir adet kuplaj kondansatörü bağlanmalıdır. 480nF tercih edilebilir. KESİNLİKLE YAPILMASI GEREKMEKTEDİR.
CLOCK SOURCE STM8S ailesine ait denetleyiceler, core ve peripheral clock kaynağı için dahili ve harici clock kullanma ve ayrıca bir tane output clock imkanı sağlamaktadır. Sistem clock dağıtımı Dahili RC osilatörü, dahili kapasitör ve dahili dirence sahiptir. STM8S ailesine ait denetleyiceler için iki çeşit dahili clock a sahiptir. High speed internal clock ( HSI ) - 16 mhz Low speed internal clock ( LSI ) - 128 khz Reset işleminden sonra, CPU dahili HSI ın 8 de biri hız ile başlatılır. Yani clock konfigurasyonu yapmaz isek 2 mhz ile çalıştırılır. STM8S ailesi için harici osilatör veya harici kristal kullanılabilir. Harici osilatör kullanmayacak isek denetleyicinin OSCIN ve OSCOUT pinleri genel amaçlı I/O olarak kullanılabilir. Harici clock kaynağı
Clock kaynağı olarak denetleyicinin kendi dahili osilatörünü kullanacağımız için dizaynımıza clock kaynağı eklemek zorunda değiliz. Fakat harici osilatör kullanmak isteyen arkadaşlar aşağıdaki şekildeki gibi 20pF kondansatörler ve 24 mhz kristal kullanarak harici osilatör kullanabilirler. 20pF kondansatörler ve 24 Mhz kristal kullanarak harici osilatör RESET SOURCE ve SWIM PROGRAMMING VE DEBUGGIN TOOL Mikrodenetleyicinin NRST pini sisteme harici reset oluşturmak için kullanılır ve program counter ın reset vektörüne gitmesi sağlanır. Dizaynda bulunması gereken örnek reset yapısı aşağıda gösterilmiştir. Programlama ve debug sırasında SWIM protocolü NRST pini üzerinden harici bir reset oluşturarak sistemi resetler bu yüzden harici reset butonumuz ile SWIM debuggin tool muzun reset kaynağı NRST pin girişine bağlanmalıdır. In-circuit programlama ve in-circuit debug modu single wire hardware tarafından gerçekleştirilir ve bu donanım ultra hızla memory programlar. Swim bağlantı pinler 4 pinden oluşur ve aşağıda belirtilmiştir. Swim bağlantı pinleri
Örnek reset şeması ve Swim Programming Debugging Tool DİJİTAL GİRİŞ ve ÇIKIŞLAR Genel amaçlı I/O lar dijital giriş ve çıkış olarak kullanılır. Bu uygulamada minimum gereksinimleri yerine getirmek amaçlanmıştır. Uygulamamızda aşağıda gösterildiği gibi dijital giriş olarak 2 adet push button ve çıkış olarak 2 adet led olmak üzere 4 adet I/O kullanılmıştır. PA3,PA4,PA5 ve PA6 I/O ları kullanılmıştır. Şematikten dikkat edilirse bu I/O lar tek tek isimlendirilmiştir. ( LED1,LED2,BTN1,BTN2). Dijital giriş ve çıkışlar
MİKRODENETLEYİCİ KISMI Yukarda tek tek açıklanan dizaynlar label aracı kullanılarak şematik üzerinde mikrodenetleyicimize bağlanmıştır. Örnek olarak Reset Source ve Swim programming ve debuggin arayüzü başlığındaki dizaynda bulunan SWIM ile belirtilen bağlantı, denetleyici üzerinde SWIM ile belirtilen pine sanal olarak bağlandığı bildirilmiştir. Board dosyasında pcb tasarlanırken route aracı kullanılarak bu bağlantılar birleştirilecektir. HABERLEŞME PORTLARI Denetleyici kısmı MAX232 level shifter ve RS232 header ı kullanılarak UART arayüzü ve dallas electronics firmasına ait olan DS1621 sensörü için gerekli I2C arayüzü tasarlanmıştır. UART ve I2C protokolleri
EAGLE ŞEMATİK DİZAYN DOSYASI Şematik dizayn dosyamız Bitmiş şematik dosyamız yukarıda gösterilmiştir. Boş kalan I/O lar pin headerlar sayesinde kullanılacaktır. Şematik ve board dosyalarımız tek tek açılmayacaktır, projeye sağ tıklayıp open project ile açıldığında ikisi birden açılmalıdır. Kapatırken close project ile kapatılıp kaydedilecektir Eagle Proje açma/kapama
EAGLE BOARD DİZAYN DOSYASI Şematik tasarımımız tamamlandıktan sonra pcb dizayn kısmına geçiyoruz. EAGLE Schematic dosyası üzerinde menülerin altında bulunan Board butonu yardımı ile dosyamızı oluşturuyoruz. Kayıt sırasında şematik ve board dosyalarının isimlerinin aynı olmasına dikkat edilmelidir. Bir komponent şematik dosyasına eklendiğinde aynı komponentin footprinti otomatik olarak board dosyasına eklenmelidir. Aşağıda şematik dosyada gösterilen örnekte, bağlantılar ve komponentler aynı anda sağ taraftaki board dosyasına eklenir. Tasarım sırasında her iki dosya açık olmalıdır Board butonu Yukarda gösterildiği gibi şematik ile çalışırken board dosyasına geçmek için kırmızı daire ile gösterilmiş board butonuna tıklanır. Aynı şekilde board dizayn dosyasında iken aynı buton tıklanarak şematik dosyaya geçilebilir. Dikkat edersek şematik dosyasına eklediğimiz her komponent için footprintler otomatik olarak board dosyasına eklenmiştir ve şematik dosyasında route ve label araçları ile yapıtığımız her bağlantı board dosyasında gösterilmiştir. Bu aşamada board dosyamızda EMC uygunluğunu göz önüne alarak komponentlerin yerleşimini, gerekli bağlantıları board dosyası üzerinde yaparız. Pcb tasarımı kişiden kişiye farklılık gösterirken, EMC uygunluğu için bazı kurallara uymamız gerekir. Google üzerinde EMC Design Considerations v.b keywordleri kullanarak arama yapıp genel bilgileri incelemekte fayda var. Son aşamada EAGLE Cam Processor aracını kullanarak gerekli gerber dosyalarını oluşturup, pcb üreticisine göndermemiz gerekiyor.
Gerber oluşturmak için aşağıdaki adımları izleyebiliriz: 1. Eagle board dosyamız üzerinde CAM Processor aracını açalım. 2. File -> Open for Job 3. Açılan pencerede 2 katlı pcb (top-bottom) için gerb274x.cam seçelim. 4. Açılan pencerede gerekli öğeler seçili gelmiştir.burada değişiklik yapmaya gerek yoktur. 5. Her layer da Dimension a tıklayarak aktif edelim. (board outline nı belirten parametre) 6. Son olarak Process Job butonuna tıklayarak işlemi tamamlayalım. 7. CAM Processor gerber dosyalarını projemizin olduğu klasörün içerisine oluşturur. 8. Oluşturulan gerber dosyalarını bir rar dosyası içinde üreticiye göndeririz. Uzantı GTO GTS GTL GBL GBS GBO TXT Gerber Dosyaları Katman Top Silkscreen (text) Top Soldermask (the 'green' stuff) Top Copper (conducting layer) Bottom Copper Bottom Soldermask Bottom Silkscreen Routing and Drill (the holes and slots) Gerber dosyaları uzantı ve tanımları Gerber dosyalarını üretmek için aşağıdaki linkten yardım alınabilir. http://dangerousprototypes.com/docs/get_your_pcbs_made Pcb leri yaptırmak için boyut, kalite ve süreye göre üreticilerden fiyat teklifi alıp uygun olana yaptırılır. Bu uygulama seedstudio firmasına yaptırıldı ve toplamda 18 gün sonunda elimize geçti, aşağıda gösterilmiştir. Seedstudio için gerekli link aşağıda verilmiştir. http://www.seeedstudio.com/service/index.php?r=site/pcbservice
Top Layer Bottom Layer