О поддонах и щипцах

Независимо от того, какой именно тип травителя используется, всегда нужно наливать его исключительно в пластиковый поддон. Нельзя использовать металлические поддоны, поскольку травитель как раз реагирует с металлами. Убедитесь, что пробка на бутыли с раствором также неметаллическая, и что внутри нет металлических частей.

Некоторые типы травителей необходимо смешивать с теплой водой. При размешивании раствора химические реагенты активно взаимодействуют и выделяют большое количество тепла, поэтому следует убедиться, что посуда, в которой готовится раствор, может выдержать очень высокую температуру. В принципе, поддоны для проявки фотографий идеально подходят для решения всех поставленных задач. Ну, а для пущей безопасности можно проверить посуду на полное соответствие: наполните поддон очень горячей водой (65-80 C) и убедитесь, что пластмасса не плавится. Для получения наилучших результатов можно подыскать поддон с ребристым или волнистым дном, чтобы раствор мог свободно циркулировать под печатной платой, в то время как она погружена в раствор травителя. Ну, и наконец, найдите какие-нибудь пластиковые или деревянные щипцы, которыми можно держать плату в поддоне. Ни в коем случае не пытайтесь вытащить ее руками! Такие щипцы можно купить в любом фотографическом магазине.

Как хлорид железа, так и персульфат аммония можно найти в одной из трех следующих форм.

> Неконцентрированная жидкость.

> Концентрированная жидкость.

> Порошок (или, иногда, вязкая паста).

Неконцентрированную жидкость можно приобрести во многих магазинах радиотоваров. Она продается уже готовой к употреблению, обычно в пластиковых бутылях. Достаточно просто открутить пробку и осторожно налить травящий раствор в пластиковую посуду (помните — не металлическую!), и все готово.

Неконцентрированный травитель допускается использовать для обработки более чем одной платы — сколько именно, зависит от размера печатных плат. Действие травителя ослабевает с увеличением площади травления.

Так, к примеру, если плата имеет размеры 10x15 см, и она односторонняя, то площадь меди составляет 150 см². Как правило, на бутыли или упаковке с травящим веществом указывают эффективную площадь травления. Так, на этикетке может быть указано, что данная тара содержит химикалии, способные вытравить до 300 см² меди. При этом, естественно, подразумевается, что будет использована вся бутыль целиком. Если же травителя в ней осталось меньше, то и площадь меди, которую можно стравить, уменьшится.

То, насколько долго хватит травителя, определяют размер и количество печатных плат. Более слабые травители могут удалять медь лишь с небольших плат, например площадью 10 х 10 см и менее; если же вещество более сильное, то тем же его количеством можно стравить медь с платы большего размера. При использовании слишком слабых реагентов можно прождать полгода, пока медь стравится, не говоря уже о том, что после его воздействия могут остаться невытравленные или, наоборот, вытравленные не там, где надо, участки топологии.

Приведем несколько рекомендаций по приготовлению и использованию травителей для самостоятельного изготовления печатных плат.

> Концентрированные жидкости перед употреблением необходимо разбавить. Для получения оптимальных результатов разбавляйте травитель горячей водой — это ускоряет реакцию. Типичные соотношения реагентов с водой составляют 2:1, 3:1 и 4:1. Чем больше это отношение, тем на дольше хватит концентрата травителя. Но не следует слишком экономить его — лучше научитесь умело балансировать между экономностью и эффективностью (в данном случае — длительностью) процесса. Ведь чем слабее травитель, тем дольше время, за которое будет удалена лишняя медь.

> Травитель в виде порошка (или пасты) сначала необходимо растворить. Обычно для получения неконцентрированного раствора берут один пакет порошка из расчета на литр-два воды. В принципе, можно разбавить и меньшим количеством и получить концентрированный раствор, а затем непосредственно перед употреблением довести до требуемой консистенции.

Нам бы только что-то потравить...

Итак, освоив теоретические основы процесса травления, приступим, наконец, к делу с практической стороны и создадим первую печатную плату.

Для травления платы нужно придерживаться следующего алгоритма.

1. Налейте в пластмассовый поддон травитель, по возможности избегая его разбрызгивания.

Для нормального травления нужно налить на дно не менее 3-4 мм раствора, а лучше даже вдвое больше.

2. Погрузите заготовку печатной платы в травитель и слегка поболтайте ее из стороны в сторону.

3. Засеките 10-30 минут (в зависимости от типа и силы приготовленного травящего вещества) или попытайтесь определить на глаз, когда стравится медь с ненужных участков. Желательно перемешивать жидкость все это время — но только плавно!

4. Время от времени аккуратно вытаскивайте плату из поддона при помощи пластиковых или деревянных щипцов, чтобы контролировать ход процесса.

Прочь, травитель!

Разбавленный раствор травителя, приготовленного в домашних условиях, обычно не вызывает никаких проблем с утилизацией — можно просто смыть его в канализацию. Однако, строго говоря, он токсичен и загрязняет окружающую среду, поэтому, если есть возможность, лучше утилизировать его в специально предназначенных для этого местах (например, на заводе или в лаборатории). Так, на многих заводах по производству электроники существуют специальные сливы. В США местные компании могут даже не взять за утилизацию денег, поскольку в использованном растворе содержится чистая медь!

Травитель удаляет с поверхности печатной платы медь, начиная с краев и небольших участков внутри рисунка из резиста. Большие незаполненные рисунком площади меди могут сопротивляться и вдвое-втрое дольше. Над такими участками травитель можно взбалтывать, если вещества реагируют слишком медленно. Однако не нужно слишком усердствовать, чтобы случайно не повредить слой резиста, иначе и под ним начнется реакция. Когда химикалии проникают под резист и начинают стравливать и нужную медь, этот процесс называют подтравливанием.

Последние приготовления и сверление

Если вам на пути к этой странице счастливо удалось пройти все сложные этапы производства, то, считайте, что вы почти создали свою первую плату. Однако перед тем, как вы поставите ее на видное место в вашей квартире, нужно придать плате окончательный вид и просверлить в ней отверстия под элементы.

Фаза травления завершилась в тот момент, когда на незащищенных резистом участках совсем не осталось меди — будем считать, что у вас так и получилось. В то же время, на скрытых участках медь должна остаться нетронутой. Пока что на поверхности платы она скрыта темным резистом, поэтому сначала необходимо тщательно снять его. После травления плату нужно промыть холодной водой в течение 15-20 с. Также проконтролируйте, чтобы был смыт весь травитель и с обратной стороны платы.

Очистив заготовку, остается только проверить качество работы и просверлить необходимые отверстия.

1. Удалите с поверхности печатной платы весь резист при помощи смывки для лака или просто механического воздействия неметаллической сеточкой для мытья посуды с чистящим средством.

Для этой процедуры можно использовать самое обычное бытовое чистящее средство. После полного удаления резиста медные дорожки и площадки должны ярко блестеть, и на них не должны быть видны признаки подтравливания.

2. Если при осмотре обнаружилось, что плату передержали в травителе, и на ней отсутствуют некоторые элементы топологии, то можно попытаться исправить это, допаяв недостающие участки проводников обычным проводом или наклеив тонкую медную ленту.

Такие ленты из проводящего материала иногда используются для ремонта печатных плат. Ассортимент продукции для производства или ремонта плат можно найти в Интернете на сайтах, указанных в приложении. В частности, медная лента представляет собой тонкую полоску металла с нанесенным клеящим покрытием, которое и фиксирует ее на поверхности платы.

3. Просверлите печатную плату, используя сверла диаметром 1-1,5 мм. Для отверстий под микросхемы и небольшие резисторы и конденсаторы лучше подойдут сверла меньшего диаметра.

Конечно, мы бы порекомендовали использовать при сверлении плат небольшой станок (рис. 12.7) или хотя бы фиксирующую подставку. Лучше всунуть сверло как можно глубже в зажимный патрон, чтобы снаружи оставалось только несколько миллиметров или сантиметр сверла. Тем самым снижается риск повредить или сломать его. Однако, если вы никогда не сталкивались с подобной техникой, то лучше сначала внимательно ознакомьтесь с инструкцией по эксплуатации!

4. Зафиксируйте плату таким образом, чтобы сверло находилось в точности над центром контактной площадки.

Многие компоненты не требуют большой точности при сверлении отверстий для монтажа, но многие (прежде всего это касается, конечно, интегральных схем) не допускают отклонений позиции более, чем на полмиллиметра. Если сверло съезжает с намеченной позиции или скользит по медной фольге11, то можно сделать углубление чем-то острым, например, гвоздем. Это углубление поможет зафиксировать сверло на горизонтальной плоскости и быстро и точно просверлить отверстие.

5. Осмотрите поверхность платы после сверления на предмет заусенцев и, если они есть по краям или в отверстиях, удалите их при помощи напильника или металлической сетки.

6. Осмотрите заднюю сторону платы— на ней не должно быть сколов или трещин. Любые заусенцы или грубые неровности также следует удалить напильником.

Сверлить плату следует с лицевой стороны (покрытой слоем меди) и по направлению к изолирующей основе. Возможные сколы и трещины можно предотвратить, подложив под заготовку деревянную пластинку (но не ДСП — иначе сверло быстро затупится).

И еще о чистоте на рабочем месте: после окончания работ тщательно смойте все остатки лишней меди, эпоксидной смолы, деревянной стружки и другие загрязнения с платы. Для более эффективной чистки можно использовать неметаллическую мочалку и какое-нибудь чистящее средство.

Итак, наконец-то все готово для монтажа элементов на собственноручно изготовленную вами печатную плату (подробнее о технике пайки вы могли прочитать в главе 8).

А пока запомните — если не планируется использовать плату тотчас после изготовления, ее следует положить в пластиковый пакет и спрятать где-нибудь в сухом месте.

Печатные платы от профессионалов – делаем заказы

Что делать, если по каким-то причинам вам не хочется пачкать руки, изготавливая печатные платы самостоятельно по одному из описанных выше методов? Но при этом вы все еще хотите продолжать практические занятия по электронике? Отлично — тогда вас порадует известие, что многие фирмы с удовольствием сделают пару-тройку (или даже сотню-другую) плат по вашему заказу.

Теперь вы конструктор печатных плат

Для того чтобы заказать печатную плату у производителя, для начала нужно иметь дизайн топологии. Такой дизайн можно сделать самому, имея под рукой одну из программ CAD, или САПР (Computer Aided Design — системы автоматизированного проектрования). Типы этих программ и конкретные примеры мы обсудим чуть позже, в разделе "Использование САПР для конструкторских работ". Пока что можем ограничиться заявлением, что при помощи такого ПО можно спроектировать файлы с данными (так называемый формат Gerberl2), которые и передаются в отдел по работе с клиентами завода-производителя. На заводе рассчитывают смету, и, если вы согласны с расценками, они изготовят для вас отличные печатные платы в нужном количестве.

Проектирование печатных плат — сложный процесс, регламентируемый множеством правил, впрочем, как и много других вещей в жизни. Перед тем, как сесть за компьютер разрабатывать свою первую топологию, внимательно изучите требования к трассировке плат. Проектные нормы предусматривают все спорные моменты, т.е. исключают появление такой ситуации, когда сделанная радиолюбителем топология не может быть изготовлена на оборудовании производителя или не соответствует технологическому процессу. На фирме-производителе плат файл с топологией внимательно изучат — действительно ли он соответствует всем правилам проектирования (эта процедура называется проверкой на соответствие проектным нормам — design rule check, или DRC). В большинстве случаев, если найдены какие-то ошибки трассировки платы, производитель вряд ли возьмется за ее изготовление.

Как минимум, нормы проекта предусматривают соблюдение требований по следующим параметрам.

> Ширина проводящих дорожек.

> Расстояние между проводящими дорожками.

> Расстояние между проводящими дорожками и краем печатной платы.

> Размеры контактных площадок.

Этот краткий список, конечно, не перечисляет все требования к проекту печатной платы. Если вам нужно ознакомиться с полным перечнем проектных норм, это можно сделать в Интернете или непосредственно на заводе, где производят платы. (По отечественным нормам проектирование печатных плат подчиняется ОСТ 4.010.022-85: "Платы печатные. Методы конструирования и расчета". — Примеч. ред.)

И еще: некоторые фирмы, изготавливающие печатные платы на заказ, предлагают изготовление без этапов трафаретной печати и лакирования. Трафаретная печать служит для нанесения на поверхность платы цифровых и буквенных обозначений, чтобы облегчить монтаж элементов и вообще улучшить ориентирование по схеме (так, отверстие, в которое устанавливается резистор, скажем, R3, будет соответствующим образом помечено). Что касается лака, то он представляет собой прозрачную зеленоватую пленку, которая защищает поверхность печатной платы от повреждений и не дает замкнуть близлежащие дорожки случайной капле олова, упавшей с жала паяльника. Наш совет: не отказывайтесь от этих опций. Они не только помогут лучше ориентироваться на плате и защитить ее, но и сполна стоят средств, которые за них требуют.

Использование САПР для конструкторских работ

Для проектирования топологии печатных плат удобнее всего пользоваться специализированными программами САПР (систем автоматизированного проектирования). Такие программы содержат библиотеки условных обозначений наиболее распространенных электронных компонентов, а также средства для создания схем и чертежей. Многочисленные функции позволят воплотить практически любую выполнимую идею в глянец готовой лакированной платы.

Конечно, никто не запрещает потратить сотню или тысячу-другую долларов на какую-нибудь профессиональную САПР-программу (хотя надо быть разработчиком электронных систем космической или военной связи, чтобы задействовать все их возможности), но гораздо проще скачать из Интернета недорогие или вообще бесплатные приложения. Так, многие из них предельно просты в работе и достаточно удобны. Можно даже ввести ключевые слова типа "САПР для трассировки печатных плат" в поисковой строке Google, и вам откроются десятки подобных программ.

Что касается нашей книги, то мы бы порекомендовали использовать пакет Eagle Light от CadSoft; скачать эту программу можно на сайте www.cadsoft.de.

Что может Eagle Light

Известно, что бесплатным бывает только сыр в мышеловке. Так и здесь: бесплатно распространяемая версия Eagle Light имеет сразу несколько ограничений. Так, с ее помощью нельзя проектировать печатные платы, превышающие 100 х 80 мм или содержащие более двух слоев. Если же вас не устраивают эти ограничения или вы разрабатываете платы в коммерческих целях, вам придется выложить кровные деньги за полную версию этого ПО (к моменту написания книги цена составляла 200 долл. за стандартную версию и 400 за профессиональную).

Программу Eagle Light можно использовать как для рисования топологии печатных плат, так и для получения файлов с данными. В этих файлах содержатся вся необходимая для производителя информация о топологии изделия. Можно также распечатать топологию, чтобы сделать плату самостоятельно по одному из методов, описанных в начале этой главы.

Приступаем к работе по проектированию печатной платы

Для начала будет очень полезным, если вы прочтете учебник по Eagle Light, который можно найти на сайте фирмы CadSoft (www.cadsoft.de), и распечатаете ту страницу, где указаны все кнопки на панелях инструментов и описаны их функции. Это учебное пособие включает примеры принципиальных схем и проектов топологий, и в них содержится достаточно информации, чтобы после прочтения приступить к работе над собственным проектом печатной платы.

Кроме шуток: первые несколько раз, вероятно, придется попотеть над программой, продвигаясь вперед методом проб и ошибок, однако немного приглядитесь, и вскоре вы станете мастером своего дела.

Чтобы дать намек относительно функциональности данной программы САПР, упомянем следующую процедуру, которую теперь можно делать автоматически.

1. Нарисуйте свою принципиальную схему, используя программу САПР.

Для того чтобы ввести схему в программу, нужно выполнить несколько этапов: расположить электронные компоненты на экране, а затем нарисовать проводники между соответствующими выводами радиоэлементов. Наконец, нужно правильно подключить к схеме источник питания +U и символ заземления.

2. Запустите тест на соответствие электрическим нормам (electrical rule check — ERC), щелкнув на соответствующей кнопке.

Эта проверка автоматически тестирует схему на предмет ошибок при соединении компонентов, например, отсутствие заземления на соответствующем выводе какой-то ИС.

3. Исправьте все ошибки и запустите тест на соответствие электрическим нормам опять.

Принципиальная схема, нарисованная в программе Eagle Light от CadSoft, показана на рис. 12.8 (Примечание: все схемы и проектные чертежи в этой главе относятся к проекту электронного барометра, разработанного Ф. Глэдстоуном.)

Итак, хотя на рисунке показан целый проект, пока что для нас это чересчур большая схема. Давайте сперва немного уменьшим масштаб и рассмотрим внимательнее участок схемы, изображенный на рис. 12.9.

После проверки схемы на ошибки проектирования можно начинать процесс трассировки платы, т.е. разработки ее топологии; именно топология является тем самым исходным шаблоном, по которому позднее изготавливается печатная плата.

> Щелкните на кнопке Switch То Board (Перейти к топологии).

В основном окне Eagle Light откроется новый лист, на котором будут отображены символы всех радиодеталей, которые были нарисованы в принципиальной схеме.

> Щелкните на выбранном символе и, не отпуская клавишу мыши, перетащите его на нужную позицию на плате.

> Щелкните на кнопке Autorouter (Автоматическая трассировка)— программа автоматически проведет все дорожки, соединяющие между собой радиоэлементы, в полном соответствии с исходной принципиальной схемой.

В том случае, если автоматический трассировщик не сможет самостоятельно провести все связи на плате, нужно подвинуть мешающие компоненты и запустить его опять. Так, к примеру, автотрассировщик не может провести связь между двумя радиоэлементами, расположенными слишком близко друг к другу. Если и эта, вторая, попытка также не увенчалась успехом, возможно, придется некоторые связи провести вручную.

На рис. 12.10 показана топология печатной платы со всеми дорожками, контактными площадками и переходными отверстиями (соединяющими между собой различные слои или стороны платы), а также печатью наименований и нумерации всех радиоэлементов. Перед нами только лицевая сторона (верхний слой) печатной платы, основанной на принципиальной схеме, которая показана на рис. 12.10.

На рис. 12.11, в свою очередь, видно все дорожки, контактные площадки и переходные отверстия нижнего слоя. Обратите внимание на то, что надписи отображены на нем зеркально, поскольку этот слой нижний, т.е. он как бы отражен по отношению к лицевой стороне платы.

После окончания трассировки платы запустите автоматическую проверку на соответствие платы проектным нормам (DRC), чтобы убедиться, что плата разведена правильно и не имеет ошибок топологии. На этом этапе Eagle Light просит уточнить все требования к топологии конкретного производителя.

Те проектные нормы, которые заложены в программу Eagle Light по умолчанию, чаще всего годятся для производства, но всегда лучше уточнить на заводе, какие конкретно требования выдвигают к нормам топологии там — и при необходимости подправить свой проект. К примеру, минимальное расстояние между проводящими дорожками на печатной плате, заданное в Eagle Light по умолчанию, составляет 8 милов, (Мил — 1/1000 дюйма, или 0,025 мм, т.е. 8 милов = 0,2 мм. — Примеч. ред.) а на заводе — производителе печатных плат оно может регламентироваться как 10 милов; в таком случае, безусловно, следует изменить данный параметр на 10 милов (0,25 мм).

Ну что же, теперь все готово для формирования конечного файла (файла Гербера) по исходной топологии; этот файл и будет отослан на завод. Для того чтобы получить этот файл, достаточно иметь то же самое ПО, которым мы пользовались для построения схемы и проектирования платы. Единственное — следует предварительно обсудить с производителем, в каком виде они хотят получить эти файлы: одни давно автоматизировали процесс и будут рады вашему электронному письму, другие же по старинке предпочитают обычную почту.

На рис. 12.12 показана верхняя сторона завершенной печатной платы, изготовленной по принципиальной схеме с рис. 12.8.

Нижняя сторона той же платы показана на рис. 12.13; она полностью соответствует топологии с рис. 12.11, за исключением зеркальной ориентации.

Ну, и напоследок — полностью собранная печатная плата со всеми радиоэлементами показана на рис. 12.14.

Очень часто в схеме присутствуют цепи, которые приходится трассировать вручную, потому что автомат не может знать об их функциональном назначении. Так, например, чувствительные цепи следует отделять от помехонаводящих элементов и дорожек увеличенными расстояниями или участками с потенциалом земли, и т.д. Подробные рекомендации по искусству топологии можно найти в Интернете или специализированной литературе. — Примеч. ред.

Использование функции автоматической трассировки Autorouter вместо ручной проверки позволяет избежать ошибок топологии по невнимательности.

Глава 13

Волнующий мир микроконтроллеров

В этой главе...

> Изучение принципов работы микроконтроллеров

> Основы функционирования микроконтроллеров

> Микроконтроллеры для студентов и радиолюбителей

> Микроконтроллеры под увеличительным стеклом

> Охота за спецификациями

Вы не знаете, что такое микроконтроллеры? Это же восьмое чудо света! Но что делает их такими особенными? Попросту говоря, микроконтроллеры представляют собой программируемые микросхемы. Их можно запрограммировать на выполнение любой программы так же, как и полноценный домашний компьютер.

Хотя внешне микроконтроллеры ничем не отличаются от обычных интегральных микросхем, их внутренний мир намного богаче. Им есть что предложить — микроконтроллеры действительно стали олицетворять собой наиболее технологичную и прогрессивную отрасль электроники. Вот только один пример: если ваш автомобиль был выпущен 10 лет назад или позже, то можно биться об заклад, что в нем есть хотя бы один микроконтроллер; а скорее — даже штук пять, не меньше. Каждый из них занимается своей особой задачей по обеспечению возможностей современного автомобиля — от АБС до системы электронного зажигания и аварийных надувных подушек.

В этой книге мы сосредоточим основное внимание на микроконтроллерах для радиолюбительских целей. Прежде всего, предстоит выяснить, что же собой представляют эти ИМС на самом деле, и для чего они нужны. Наконец, в разделе "Знакомимся с Basic Stamp 2" в конце этой главы представлены два элементарных и практичных примера использования микроконтроллеров на деле.

Как работают микроконтроллеры?

Микроконтроллер представляет собой интегральную схему, обычно собранную в виде микроплаты, которая содержит некоторые компоненты интерфейса микроконтроллера с компьютером или какими-либо другими элементами системы. При программировании микроконтроллера его помещают на плату, которая имеет уже все необходимые элементы для связи с персональным компьютером. Запрограммированное устройство монтируется в разъем на печатной плате завершенной схемы.

В отличие от обычных схем, микроконтроллеры не требуют изменения конфигурации схемы с помощью проводов, резисторов и конденсаторов при изменении функции устройства. Вместо этого достаточно лишь изменить пару строк программного кода, и на выходе устройства сразу же появится новый сигнал. Микроконтроллер можно запрограммировать тысячей способов, и каждый раз это будет функционально новая, полноценная схема!

Большинство микроконтроллеров предназначено для применения в коммерческих продуктах, и при их программировании можно столкнуться с определенными трудностями. К счастью, существуют версии микроконтроллеров, специально разработанные для радиолюбителей, и в этом случае можно создать схему на одной маленькой печатной плате. Такие устройства легко запрограммировать самому, и, к тому же, они не сильно облегчат кошелек.

Что находится внутри микроконтроллера?

Изначально микроконтроллеры были придуманы с целью обеспечения связи между персональными компьютерами и электронными устройствами. В настоящее же время они далеко не ограничиваются этой функцией.

Перечислим основные составные части любого микроконтроллера.

> Вычислительный блок (арифметико-логическое устройство): этот компьютер в миниатюре является сердцем каждого микроконтроллера. Конечно, встроенный в небольшой кристалл вычислительно-логический модуль далеко не столь мощный, как его настольный собрат, но ему и не нужны вес эти лошадиные силы. В то время как настольный компьютер должен одновременно выполнять сразу несколько задач — искать информацию в Интернете, рассчитывать электронные таблицы и вылавливать вирусы, типичный микроконтроллер обычно предназначен дтя решения какой-то одной задачи.

> Энергонезависимая память: в микроконтроллере всегда есть энергонезависимая память, в которой хранятся программы. Эта память продолжает хранить данные даже после выключения питания. В момент включения батареи или другого источника данные, хранящиеся в микроконтроллере, снова становятся доступными.

> Порты ввода-вывода: позволяют микроконтроллеру связываться с окружающим миром. С их помощью микроконтроллер управляет индикацией, двигателями, реле, переключателями, ЖКИ и даже другими микроконтроллерами. Эти входы и выходы обеспечивают весь обмен информацией для управления схемой при помощи микроконтроллера. Программа, внесенная в память устройства, может зажигать светоизлучающие диоды или управлять двигателем, реагировать на нажатие кнопки или на движение внутри охраняемой зоны.

Типичный пример деятельности микроконтроллера показан в схеме управления роботом из набора LEGO Mindstorms. Желтый кирпичик, изображенный на рис. 13.1, содержит миниатюрный кристалл микроконтроллера, который может выводить информацию на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), реагировать на переключение кнопок, другие воздействия и одновременно управлять сразу тремя независимыми моторчиками.

Как и все остальные микроконтроллеры, встроенное в LEGO Mindstorms устройство также необходимо запрограммировать. Это делается с помощью специальных команд. Сначала их нужно написать на персональном компьютере, а затем передать на LEGO Mindstorms по инфракрасному порту (в отличие от общепринятого способа передачи по последовательному или USB-порту). После пересылки команд в микроконтроллер они остаются в энергонезависимой памяти устройства до тех пор, пока не будут заменены следующей программой. Миникомпьютер LEGO Mindstorms представляет собой яркий пример способности микроконтроллера выполнять самые различные функции путем замены одного лишь программного обеспечения. Достаточно изменить в программе всего только несколько строк, и робот LEGO Mindstorms сможет выполнять следующие функции.

> Искать наиболее освещенное место в комнате, например, луч фонарика, и двигаться в его направлении.

> Искать наиболее освещенное место в комнате, но двигаться в противоположном направлении.

> Реагировать на показания сенсоров столкновения, закрепленных на его поверхности, и в том случае, если робот встретил препятствие, изменять направление движения.

> Детектировать черную линию на белом фоне и следовать вдоль нее.

Роботы LEGO Mindstorms, как, например, один из вариантов, изображенный на рис. 13.2, могут также выполнять различные комбинации приведенных выше команд. Что касается показанного на рисунке небольшого робота, он может следовать за источником яркого света и уклоняться при встрече с препятствиями.

Список возможностей даже такого простого микроконтроллера можно расширить практически до бесконечности. Для этого достаточно лишь написать новую программу и загрузить ее в память устройства — согласитесь, это куда быстрее, чем переделывать всю схему. Именно поэтому как радиолюбители, так и профессионалы по достоинству ценят микроконтроллеры.

Микроконтроллеры для радиолюбителей

На выбор радиолюбителя представлены сотни разных микроконтроллеров, но лишь горстка из них годится для освоения начинающими электрониками. Довольно часто производители не продают те или иные семейства специализированных микроконтроллеров широкой публике, зато другие модели можно купить как через Интернет, так и в магазинах радиотоваров.

В целом, можно разделить микроконтроллеры для радиолюбителей на две основные категории: со встроенным интерпретатором языка программирования и без его.

Встроенный интерпретатор языка программирования представляет собой программу внутри микроконтроллера, которая позволяет писать программы не на машинном коде, а с помощью легкого в освоении языка команд. Написанная таким образом программа загружается в микроконтроллер, а уже встроенный интерпретатор преобразовывает ее в язык машинных инструкций (они называются кодами на языке ассемблера), которые понятны микроконтроллеру.

Микроконтроллеры со встроенным языковым интерпретатором легче для понимания и использования. Новичку можно смело порекомендовать начинать именно с этой категории программируемых микросхем. Типичными примерами таких микроконтроллеров служат семейства BASIC Stamp и OOPic, которые мы подробно рассмотрим в разделе "Микроконтроллеры, которые стоят особняком".

Наиболее широко распространенным до недавних пор языком программирования для начинающих являлся Бейсик (Basic). А теперь хорошие новости для уже имеющих некоторый опыт в компьютерной технике: если вы когда-либо писали на компьютере программы на Бейсике, то вы практически свободно разберетесь с программированием микроконтроллеров. Ну, а если же вы до сих пор никогда не встречались с программированием, вам придется подучить один из языков. Но не нужно бояться — Бейсик не относится к сложнейшим языкам искусственного интеллекта, освоить его не представляет трудностей даже для начинающих радиолюбителей.

Если вам действительно интересно разобраться с микроконтроллерами, возможно, следует прочитать третье издание книги Основы программирования для "чайников" Уоллеса Вонга, вьшущенную издательством "Диалектика" в 2005 году. — Примеч. ред.

Некоторые микроконтроллеры, такие как, например, BASIC Stamp (которые мы рассмотрим подробно в соответствующем разделе этой главы), имеют довольно тщательно разработанную документацию. Часто в документации, которой сопровождается микроконтроллер, можно найти все интересующие разработчика сведения, необходимые для реализации того или иного проекта.

Программа для микроконтроллера создается при помощи редактора программ. Кроме того, для связи компьютера с микроконтроллером нужно иметь специальное аппаратное обеспечение.

Микроконтроллеры, которые не имеют встроенного языкового интерпретатора, программируются либо при помощи языка ассемблера, либо при помощи одного из высокоуровневых языков программирования.

> Язык ассемблера: пожалуй, наиболее тяжелый для понимания и использования язык программирования. Для начинающего радиолюбителя его никак нельзя посоветовать: программы, написанные на ассемблере, не только трудно читать, но и тяжело исправлять, если они не работают. (По существу, ассемблер — это низкоуровневый язык внутренних кодов микроконтроллера, который работает напрямую с "железом". Программировать на нем означает понимать все изменения данных и их структуру внутри контроллера. — Примеч. ред.)

> Высокоуровневые языки программирования: с их помощью сегодня создается, наверное, не меньше 98 процентов всех программ. Эти языки предоставляют богатейшие возможности программирования и являются частью сложной и разработанной платформы, которая позволяет легко и удобно отлаживать программы (по-английски "to debug" — находить и исправлять ошибки. — Примеч. ред.). Тремя языками, на которых основывается абсолютное большинство всех программ, являются Бейсик (Basic), язык Си (С) и Java. Чаще всего начинающие программисты стартуют с Бейсика, поскольку его проще всего освоить.

Сколько стоит вон тот микроконтроллер?

Если взглянуть на цены на микроконтроллеры, то можно отметить, что они варьируются от 50 центов до 100 долларов за штуку. Откуда такая большая разница? Этому есть несколько объяснений.

> Микроконтроллеры со встроенным языковым интерпретатором стоят дороже. Стоимость микроконтроллера может включать в себя стоимость встроенного интерпретатора, т.е. это своего рода плата за облегченную связь с персональным компьютером. Для большинства микроконтроллеров без интерпретатора приходится покупать отдельный модуль для программирования, который и обеспечивает электрическую связь между ПК и микроконтроллером.

> На стоимость микроконтроллера влияют его свойства: количество встроенной памяти, портов ввода-вывода и т.д. Наименее дорогостоящие устройства имеют всего три или четыре вывода для обмена с окружающим миром, тогда как в более продвинутых микроконтроллерах имеется от 30 до 40 выводов. Чем больше портов ввода-вывода встроено в микроконтроллер, тем большим количеством внешних устройств он может управлять, а следовательно, стоит больших денег.

> Возможность многократного перепрограммирования также увеличивает стоимость устройства. Наиболее дешевые варианты микроконтроллеров можно запрограммировать лишь единожды. Их так и называют — однократно программируемыми или, по-английски, OTP — one-time programmable. Доплатив еще несколько долларов, можно позволить себе купить микроконтроллер со стираемой памятью. Даже после программирования программу можно стереть и запрограммировать повторно. В большинстве современных микроконтроллеров используется флэш-память (flash), которая сейчас столь популярна в mpЗ-плейерах и цифровых видеокамерах. Этот тип памяти допускает стирание и перезапись до десятков тысяч циклов.

Микроконтроллер - персональному компьютеру: "Пожалуйста, помоги!"

При покупке микроконтроллера без встроенного языкового интерпретатора нужно сразу позаботиться о покупке (или самостоятельном изготовлении) специального модуля для программирования. Это устройство (оно называется программатором) обеспечивает физическую связь между персональным компьютером и микроконтроллером.

Наиболее широко распространенные модули для программирования обычно можно использовать сразу с несколькими близкими моделями одного производителя, нужно только проверить эту опцию. Пожалуй, мало смысла покупать устройство, с помощью которого можно программировать только одну модель микроконтроллера.

Цена на программаторы также может составлять от нескольких до сотен долларов. Однако можно собрать несложный программатор и самому, хотя большинство начинающих специалистов предпочитают использовать готовые устройства, чтобы сэкономить время и силы. Лучше испытать силы на конструировании программатора уже после приобретения пусть даже небольшого опыта по работе с программируемыми микроконтроллерами.

На рис. 13.3 показан типичный коммерческий модуль для программирования. Этот конкретный программатор имеет на плате несколько кнопок и светодиодов (на фотографии — справа), которые облегчают контроль над разработкой программного продукта. (Судя по всему, на фотографин изображен не просто программатор, а отладочный модуль (типа STK). С его помощью можно не только стереть или запрограммировать микроконтроллер, но и визуально оценить состояния портов ввода-вывода, легко подключить к процессору периферийные устройства, используя многочисленные разъемы и перемычки. Кроме того, на плате модуля уже собраны элементы питающей цепи со всеми необходимыми фильтрами и защитными цепями. — Примеч. ред.)

В принципе, для программирования микроконтроллера дополнительные функции, которые обеспечивает данный модуль, совсем не обязательны, но их всегда приятно иметь под рукой, да и они не так сильно влияют на цену, как может показаться. Нужно вставить микросхему в разъем на модуле и подключить плату к компьютеру и источнику питания. Многие, хотя и не все, программаторы и отладочные наборы включают в комплект как минимум один редактор, в котором удобно писать программы. Если же редактор отсутствует, придется поискать его самостоятельно.

Пояснения и советы по выбору модуля для программирования микроконтроллеров и редактора программ для каждого конкретного случая выходят за рамки данной книги. Слишком уж много факторов, по которым можно ориентироваться, да и ситуация на рынке меняется каждый год. Самым надежным способом будет выбрать какой-то конкретный микроконтроллер и связаться непосредственно с производителем, чтобы проконсультироваться из первых рук.

Микроконтроллеры, которые стоят особняком

Из доброй сотни наименований микроконтроллеров есть парочка, которая создана словно специально для начинающих радиолюбителей. В следующих подразделах эти два устройства будут детально описаны. Но вы и только вы сможете окончательно решить, какой же из двух подходит вам больше.

Знакомство с микроконтроллером BASIC Stamp

BASIC Stamp — один из наиболее известных и широко применяемых студентами и радиолюбителями микроконтроллеров. Его феноменальная популярность основана не на сверхскоростях обработки данных или функциях, которые сыплются как из рога изобилия. Просто это был один из самых первых микроконтроллеров, в которых появился встроенный интерпретатор.

Название BASIC Stamp берет начало от языка BASIC, интерпретатор которого и встроен в микросхему, и Stamp (по-английски "марка"), что ясно говорит о размере самого устройства (правда, как для марки он довольно велик). Больше о самом микроконтроллере и истории его развития можно прочитать на сайте www. parallax. com.

Микроконтроллер BASIC Stamp имеет великолепную документацию — пожалуй, лучшую из тех, которые можно найти для подобных устройств вообще. Даже зеленый новичок не сможет ошибиться, такая добротная документация была разработана инженерами компании Parallax; она включает в себя учебные пособия, подробные инструкции, справочную информацию и даже примеры готовых проектов.

Такие разные ароматы

Наверное, у многих читателей сложилось мнение, что микроконтроллер с таким названием — BASIC Stamp — слишком... хм-м, слишком уже простой. Однако это устройство имеет несколько разных версий: 1, 2, SX и парочку других. Все эти варианты одного и того же микроконтроллера отличаются своими функциями и в некоторых случаях даже интерпретаторами языка программирования. К примеру, сейчас компания Parallax продвигает версию BASIC Stamp — Javelin — со встроенным интерпретатором языка Java, а не Бейсика

Существует также вариант под названием BASIC Stamp 2, или BS2, — один из наиболее популярных микроконтроллеров, который мы и рекомендуем для знакомства с захватывающим миром процессоров. BS2 выпускается в корпусе с 24 выводами (рис. 13.4). (Имеется в виду большой разъем на фотографии, на котором размещается миниатюрная плата с напаянными электронными компонентами, включая и отдельный процессор PIC16C57 компании Microchip (www. microchip. com). — Примеч. ред.) Фактически этот корпус представляет собой обычный разъем, который несет на себе плату с большим количеством самых разнообразных интегральных схем и других радиоэлементов, как, например, дополнительная микросхема памяти и стабилизатор напряжения.

Плюс отладочная плата

Хотя микроконтроллер BASIC Stamp 2 можно использовать и сам по себе, многие начинающие радиолюбители предпочитают сразу же усилить свой комплект отладочной платой. Та же Parallax распространяет сразу несколько видов отладочных макетов, из которых можно выбрать наиболее подходящий. К примеру, плата, которая очень удачно называется обучающей платой (board of education — ВОЕ), (Здесь игра слов: по-английски Board of Education — название министерства образования в Великобритании до 1945 г. — Примеч. ред.) имеет встроенный стабилизатор напряжения и множество разнообразных разъемов, к которым можно подключать другие элементы и платы. Эта плата, изображенная, кстати, на рис. 13.5, даже имеет небольшое поле для беспаечного монтажа навесных элементов, так что на ее основе можно собирать готовые небольшие схемы. Весьма удобно, надо сказать!

Купить такую обучающую плату можно как вместе с самим микроконтроллером, так и отдельно от него. Существуют также два варианта подключения платы к персональному компьютеру: через последовательный (serial) и универсальный (USB) порт. Если ваш компьютер был выпущен совсем недавно, или если это новый ноутбук, то лучше купить версию с USB-разъемом, иначе последовательного порта у вас может попросту не оказаться. (Вариант с USB не только более универсален, но и удобен в плане совместимости кабелей, к примеру, и более быстр. Однако для него нужно обязательно иметь соответствующий драйвер, да и анализировать сигналы, если вдруг пропадет связь с компьютером, в варианте с последовательным портом куда легче. — Примеч. ред.)

Не забудьте о программном обеспечении

Кроме всего прочего, для работы с любым микроконтроллером (и, естественно, всеми версиями BASIC Stamp) вам понадобится соответствующее ПО. К счастью, его можно получить бесплатно. Оно или включается в обучающий комплект BASIC Stamp, или доступно на Web-сайте компании Parallax. Там можно найти различные версии этого программного продукта под разные операционные системы, включая MS DOS, Windows 98 и более поздние, Macintosh и даже Linux.

Полезно знать, что версию программного редактора под MS DOS можно запускать и под Windows 95 и Windows 98, что позволяет использовать даже безнадежно устаревшие компьютеры для программирования микроконтроллеров BASIC Stamp.

Поиск по сайту: