//Logo Image
作者:楊哲彰(2005-07-26);推薦:徐業良(2005-07-27),最後更新:楊哲彰(2006-01-22)

PIC_SERVER v3規劃與設計

PIC18F452/4620單晶片為核心的PIC_SERVER v2,已普遍應用於本實驗室各項計畫。因應未來更趨複雜的應用項目,特別是更多的I/O腳位需求與更多樣性的應用,PIC_SERVER v3進一步升級採用64pinPIC18F6X2X662166226722),並將整體架構重新規劃。本文即說明PIC_SERVER v3修正版本(v3.02)之整體設計與規劃,並描述其DDS之設計。

1.     設計概念

PIC_SERVER v3之設計概念與規劃如下:

(1)   PIC18F6X2X單晶片為核心

PIC18F6X2X系列包含PIC18F6621PIC18F6622PIC18F6722,為64pinTQFP(Thin Quad FlatPack)封裝形式,接腳數目較目前PIC_SERVER v2.0使用的PIC18F452PIC18F4620多,而體積卻更小,增加的I/O主要以PWM與數位I/O為主;採用4組獨立電源,可提高各個I/O點之S/N比,此外PIC18F6X2X可支援兩個RS-232通訊埠。PIC18F4620/6622三者的規格比較如表1

1. PIC18F6622/4620之主要規格比較

 

PIC18F6622

PIC18F4620

Package

64-pin TQFP

40-pin DIP, 44-pin TQFP

Size(L×W×H)

12×12×1.1(mm)

 

Program Memory

(bytes)*

Flash

64K

64K

Single-Word Instructions

3840

32768

DATA Memory (bytes)

SRAM

3936

3986

EEPROM

1024

1024

I/O pins

54

36

10 bit A/D (ch)

12

13

CCP/ECCP (PWM)

2/3

1/1

Timers 8/16-bit

2/3

1/3

註:PIC18F6722記憶體之flash 128KBsingle-word instructions 65536 bytes

(2)   整合RTL8019AS網路晶片

PIC_SERVER v2.0中,RTL8019AS網路晶片整合於外部的NIC_Module模組中,PIC_SERVER v3PIC18F6X2XRTL8019AS整合於同一片PCB上。

(3)   PCB尺寸微小化

由於PIC18F6X2XRTL8019AS皆為QFP封裝型式,其他的被動元件部分,如電阻、電容與LED等等也在合乎成本的考慮下,盡量採用SMD元件,採用SMD元件之優點,除元件本身體積較小之外,更可以大量減少傳統PTH元件在電路板上所需的貫孔數量,以提升PCB內線路的密度,也可以有效縮小PCB佈線尺寸。

(4)   模組化周邊架構

PIC_SERVER v3本身已經具備各項I/O與網路之完整功能,但為求使用上的彈性與擴充性,可採用額外搭配周邊應用板(peripheral application board)之方式擴充使用的彈性,不同需求的使用者可依據PIC_SERVER v3,自行規劃設計所需的周邊應用板,確保PIC_SERVER v3於各個應用面的相容性及使用的彈性。

2.     電路與電路板設計

2.1 電路設計

1至圖4分別為PIC18F6X2XRTL8019AS24LC512與連接埠之電路圖。大部份PIC18F6622的接腳都安排於J1J3以及JP1連接埠,J2RJ45網路接頭,可分為兩種版本(P02-102-11A9P65-P01-1AX9(XA),宣得科技),A4_LED狀態指示燈號規劃於JP1連接埠旁。表2PIC_SERVER v3零件表。

2. PIC_SERVER v3零件表

零件

序號

規格

數量

封裝/零件外型/備註

單晶片

U1

PIC18F6X2X

1

64-Lead Plastic Thin Quad Flatpack(PT) (TQFP)

網路晶片

U2

RTL8019AS

1

100-Lead QFP

電子抹除式唯讀記憶體

(EEPROM)

U3

24LC512/1025

1

8-lead plastic small outline(SM)-Medium, 208 mil (SOIC)

石英震盪器

Y1

10MHz, 20/30ppm

1

HC-49 SMD/DIP兩用

Y2

20MHz, 20/30ppm,

1

電阻

R1

100W

1

0805

R2~R8

2.2kW

5

R9

10K

1

電容

C1, C2

22pF

2

0805

C4, C5,C6

0.22mF(224)[1]

3

C7, C8,C9

0.1mF(104)

3

C3

0.01mF(103)

1

LED

D1

*

1

SYS_LED

連接埠

J1, J3

SIP20

2

CN1, CN3

JP1

IDC16

1

CN2

網路接頭

J2

RJ45(Tab down)

1

P02-102-11A9

P65-101-1AX9

1. 電路圖I(PIC18F6X2X)

2. 電路圖II(RTL8019AS)

3. 電路圖III(輸出入連接埠與EEPROM

4. 電路圖IV(兩種RJ-45網路接頭)

2.2 PCB Layout

PIC_SERVER v3電路板尺寸大小為40mm×80mm,主要零件配置如圖56所示,RJ45網路線接頭由於考慮佈線的關係,置於底層,因此採用Tab down型號;各個旁路電容則盡量緊鄰該元件,以得到良好的雜訊旁路效果。A/D通道安排於J1(CN1, RFx)JP1(CN2, RAx)兩個連接埠,相對於PIC18F6X2X之位置,可得到最短的路徑,且明顯與數位I/O通道區隔,可確保A/D通道之低雜訊要求。圖7PIC_SERVER v3之實體組裝,最終包含零件之後,其整體外型尺寸大小為40mm×85mm×15mm

5. PIC_SERVER v3 元件配置圖

6. PIC_SERVER v3 PCB Layout(頂層和底層)

7. PIC_SERVER v3實體組裝

3.     PIC_Server v3DDS周邊應用板設計

8至圖13為對應PIC_SERVER v3的分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)周邊應用板電路設計,詳細的元件列於表3。電源輸入部分,可使用6.25V26V直流電源,經由三組獨立穩壓電源,可提供5V以及3.3V穩壓DC電源,分別供應主系統相關元件(5V)LCD顯示字幕(5V)以及MMC儲存模組(3.3V)電源,除了DDS所有元件之外,CN4連接埠可提供105V53.3V,以及5個未穩壓的旁路電源輸出,供外接裝置使用。

訊號I/O部份提供19I/O接點(CN5),可支援18個數位I/O接腳,其中可提供8個類比輸入、3CCP接腳、3I2C連接埠(J9JP2)、以及一個LCD連接埠[2](或鍵盤,JP3)、以及2組獨立的RS-232介面(RJ11規格,J13J14),資料儲存以MMC記憶卡為載體。內建連接時鐘晶片(Real-Time Clock)之水銀電池的電壓偵測線路,可直接由CN5 I/O連接埠上的AN0(RA0)讀取電池電壓值,亦可由使用者將跳線(Jumper, JP4)拔除,取消此功能。除了RESETICP按鈕之外,提供兩個按鈕(S3S4),以及1個三切開關(J3),可作為系統操作設定或模式切換之用途。

8. DDS周邊應用板電路圖I(電源部分)

9. DDS周邊應用板電路圖II(開關/電池/按鍵/蜂鳴器)

10. DDS周邊應用板電路圖III(主要I/O連接埠)

11. DDS周邊應用板電路圖IV(MMC)

12. DDS周邊應用板電路圖V(RTC)

13. DDS周邊應用板電路圖VI(RS-232)

3. DDS周邊應用板電路零件表

零件

序號

規格

數量

備註

DC電源插座

J1

 

1

DC 6.25V-26V

電源開關

J2

 

1

 

三切開關

J3

 

1

 

排針

J4, J5

20 pin

2

CN1, CN3

排針母座

J6, J7, J8

20 pin

3

CN4, CN5, CN6

JP1

8×2 pin

1

CN2

J9

4 pin

1

I2C

JP2

4×2 pin

1

JP3

7×2 pin

1

LCD

JP4

2 pin

1

JUMPER

電池

J11

 

1

3V水銀電池

蜂鳴器

J12

 

1

HS-1206A

RJ-11接頭

J13, J14

RJ-11

2

RS-232A, RS-232B

電感

L1

10mH

1

 

電阻

R1, R2

2.2kW

2

0805

R12

200W

1

R3, R5, R7, R9, R10, R11

10kW

6

R4, R6, R8

20kW

3

R13, R14, R15, R16

1 kW

4

二極體

D1

1N5401/5404

1

 

電容

C1, C3, C5

0.22/0.47mF

3

 

C2, C4, C6

47mF, 50mF, 100mF

2

不低於22mF

C7

1mF

1

1206

C8, C9

22pF

2

0805

C10~C13

0.1mF

4

0805

穩壓IC

U1, U2, U3

2940, 2940, 3940

3

TO-220

記憶卡

U4

MMC

1

 

RTC

U5

DS1302

1

 

RS-232

U6

MAX232

1

 

石英震盪器

Y1

32.768kHz

1

3mm×8mm

開關/按鈕

S1, S2, S3, S4

 

4

Reset, ICP, TimeSet

DDS周邊應用板之PCB Layout設計如圖14所示,電路板尺寸為86mm×136mmPIC_SERVER v3DDS周邊應用板連接於左下方,上方則可裝設2×20 LCD顯示字幕;I/O連接埠集中規劃於左下部分,以CN5與電源及地線埠並排,以方便外接感測器之使用,MMC記憶卡插槽與RS-232介面分別規劃於右側與左上部份。圖15為周邊應用板的PCB佈線,圖16為實體組裝圖,搭配PIC_SERVER v3.02LCD顯示字幕後即為完整的DDS系統。

14. DDS周邊應用板之元件配置圖

15. DDS周邊應用板PCB佈線(頂層與底層)

16. 周邊應用板實體組裝



[1] 可用0.1mF(104)代替

[2] DDS電路設計中,不相容SDEC廠牌、型號為LMC-SSC2D16/20DLYYLCD字幕,使用此型號之LCD字幕會成網頁無法開啟或更新,若要使用此型號於本DDS,必須於電路中RD1RD2分別串接1kW10kW之等值電阻,方可使用。