PCB-Design für die kostengünstige Regelungsplattform mittels der offenen Software KiCad

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Hallo Zusammen!  Ich bin Ruo Yi. Bei der Entwicklung der kostengünstigen modellbasierten Regelungsplattform (Links) habe ich die offene Software KiCad verwendet, um das prototypische Entwicklungsboard auf eine Leiterplatte (PCB) zu integrieren. In diesem Beitrag werde ich euch diesen Vorgang und ein paar Tipps bei der Verwendung dieser Software vorstellen.

Zuerst folgt eine kurze Vorstellung der offenen Software KiCad.

KiCad ist ein freies ECAD-Programmpaket zur Erstellung von elektronischen Leiterplatten. Es wird von einer Gruppe von freiwilligen Entwicklern und zwei Wissenschaftlern des CERN entwickelt und steht unter GP-Lizenz.  (Quelle:https://de.wikipedia.org/wiki/KiCad)

KicadImage

Man kann KiCad unter dem Links herunterladen. Die Anleitung zur Verwendung der Software ist detailliert in der beigefügten Dokumentation in dem heruntergeladenen Paket beschrieben.  Im YouTube gibt es auch zahlreiche Tutorial-Videos dieser Software.

Erstellung des Schaltplans

Für die Erstellung des Schaltplans und Leiterplans wird die Funkiton „Esschema“ von KiCad verwendet. Dabei kann man mit Bauteil-Symbolen einen Schaltplan schnell aufbauen. In der Bauteil-Bibliothek stehen zahlreiche Bauteile zur Verfügung. Außerdem kann man über die Funktion „Bauteileditor“ eigene Bauteile erzeugen.

Der Gesamtschaltplan des neuen Regelsystems besteht aus acht Teilschaltungen:

• Stiftleiste P8_P9: Anschluss-Pins des BeagleBone Black (BBB);

Stiftleiste
• I/O-Anschlüsse: Anschlüsse für Aktor, Sensor und Schalter;

IO-Anschlüsse
• Anti-Aliasingfilter;

AntiAlias• Rekonstruktionsfilter;

Rekonstrruktion
• Pegelanpassung des Sensorsignals (Eingang) ;

PegelAnpassnungsensor
• Pegelanpassung des Aktorsignals (Ausgang);

PegelAnpassnungAktor
• DCDC-Wandler (Anmerkung: Bei der Gestaltung der Leiterplatte wird der DCDC-Converter IA0505S statt IA0503S verwendet);

DCDC-Kicad
• Powerflag und Vias: Marke für Spannungsquelle, Erdung und Durchkontaktierung.

Powerflag

Das gesamte Schaltplan ist im folgenden Bild dargestellt:

Gesamtschaltplan

Gestaltung der Leiterplatte

Für die Erstellung des PCB-Layouts wird die Funktion „PcbNew“ von KiCad verwendet. Der über „Esschema“ gestaltete Schaltplan kann von „PcbNew“ eingelesen werden und steht bereit zur Verkabelung. Um die Größe des PCB auf BBB anzupassen, wird eine Vorlage vom Umriss des BBB von Quelle heruntergeladen und verwendet. Bei der Erstellung des PCB-Layouts ist die Verkabelung eine wichtige Teilaufgabe. Für eine richtige und realisierbare Verkabelung muss man sowohl den Strombedarf und Komponentenleistung der Gesamtschaltung berücksichtigen, als auch die technische Anforderung von dem PCB-Hersteller. Im folgenden Bild ist die Einstellung der Verkabelung für die Leiterplatte dargestellt.

TabelleVerkabelung

Da manche Footprints von Bauteilen wie „IA0505S“, „ADA4096“ und Potentiometer nicht in der Bibliothek von KiCad zur Verfügung stehen, muss man sie über die Funktion „Footprinteditor“ erstellen. Hierbei muss man die Größe der Komponenten und die Reihenfolge der Pins beachten. Normalerweise kann diese Information aus den Datenblätten erhalten werden. Im folgenden Bild ist der Footprint des Operationsverstärkers ADA4096 dargestellt.

FootprintADA4096

Um die Rauschunterdrückung des Boards zu verbessern, werden die folgenden Punkte bei der Gestaltung der Leiterplatte auch berücksichtigt:

  • Leiterbahn möglichst kurz und ohne 90° Kurven;
  • Glättungskondensatoren möglichst nah an Versorgungsspannungen bzw. an die Spannungseingangspins der Bauteile legen;
  • Vorder- und Rückseite des Boards mit „Erd-Fläche“ füllen;
  • die Größe der Bauteile bezüglich des Leistungsverbrauchs möglichst klein auswählen.

Durch ständige Modifikation und Optimierung ist die fertig designte Leiterplatte der Regelungsplattform und die 3D-Ansicht im folgenden Bild zu sehen.

PCBplan

Für die Anschlüsse mit BBB werden 2,54mm Stiftleisten und für I/O-Schnittstelle die Buchsenleiste 2,54mm verwendet. Um die Einstellung der Potentiometer zu erleichtern, werden ein Test-Pin mit jedem Potentiometer parallel geschaltet. Damit kann man die Widerstandswerte über diese Pins messen. Darüber hinaus wird ein Loch für die Boot-Taste reserviert, damit man durch die Loch die Taste mit einen kleinen Stange drücken kann, ohne dass man die Platine von BBB abziehen muss.

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