Come progettare e sbrogliare le schede elettroniche

In questo blog, consigli per i progettisti di schede elettroniche. Informazioni utili per gli appassionati del fai da te in elettronica,

Se il vostro scopo è progettare schede elettroniche professionali, troverete utili le seguenti raccomandazioni. Alcune sembrano banali ma sono il segreto per progettare delle schede elettroniche che mantengono inalterato il funzionamento per decenni. Certo, nel nostro percorso di progettazione schede elettroniche, abbiamo fatto errori. Ma li abbiamo sempre considerati provocazioni per fare meglio. Ovviamente seguite anche le regole specificate nelle normative per eseguire i circuiti stampati e le regole standard internazionali per la progettazione.

I dieci comndamenti per la progettazione delle schede elettroniche

COMANDAMENTO NR.1

“SEMPLIFICA” è sicuramente il più importante. Vale per il software, vale per l’hardware. Evitare complessità inutili, ridondanze di componenti. Cercare di limitare le periferiche connesse microcontroller. Per interfacciare una cella di carico, per esempio, non ha senso usare un integrato dedicato a 24bit. Utilizzando 2 ingressi AD in modo differenziale a 10 bit, con la tecnica di oversampling, possiamo avere certo minore risoluzione ma ottima precisione. Si elimina un integrato! Il concetto è simile alla potatura di un albero da frutto: ne aumenta la potenza. Allo stesso modo, la razionale semplificazione fornisce un aspetto chiaro al progetto. Dare molto più spazio agli elementi di protezione, quali resistori in serie. Non esagerare con decine e decine di condensatori fi filtro. Si ottiene, in certi caso l'effetto contrario. La insensibilità ai disturbi si ottiene con il percorso adeguato delle piste ed un buon nodo comune di massa. Prima di passare al CAD la via migliore è carta, matita e gomma: sistema infallibile per stimolare il cervello. I risultati sono garantiti. Il software, inoltre, è un tools che ha una straordinaria capacità di alleggerire il numero di componenti. L'uso ad esempio di un buon multiplexer (ben gestito) può fare risparmiare decine e decine di componenti analogici.

COMANDAMENTO NR.2

“COSA SUCCEDE SE” è un altro punto fondamentale spesso trascurato. In sostanza il progettista difficilmente vede i punti deboli del proprio progetto. Quando il prototipo è dal cliente, quasi per magia, appare immediatamente un problema. In altre parole occorre fare una tabella che contenga tutte le possibili cause, anche bizzarre, di guasto o procedura di utilizzo e connessione. Occorre fare una seria autocritica al proprio lavoro. Non occorre avere paura di fare prove o peggio ancora pensare che "sicuramente funziona". In nessun caso la scheda deve reagire in modo da creare gravi problemi. Immaginiamo ad esempio la interruzione di un collegamento. Basterebbe mettere un pullup od un pulldown; il microcontroller capisce che si tratta di un guasto. Immaginiamo ad esempio che di dissaldi un terminale del microcontroller. Occorre evitare che il driver, essendo floating, generi uscite indesiderate. Altro caso frequente, tipico dei sistemi alimentati a batteria, è la caduta della alimentazione in modo graduale molto lento. Si possono innescare fenomeni che introducono incertezze di funzionamento. Il sistema deve funzionare o non funzionare. Non ci devono essere vie di mezzo. Il cliente spesse volte evidenzia problematiche in quanto ha una metodologia 'casuale' nel collegare la scheda e come alimentarla. Il progettista, quando collauda segue una regola mentale che automaticamente maschera quello che " succederebbe se". Il WATH_DOG infine è importantissimo per prevenire anomali comportamenti della scheda. Ottimi i watct dogs interni ai microcontrollori. Ma la protezione assoluta si ottiene solo con watch- dog esterni. Il design è banale, non complica la scheda elettronica. I benefici sono immensi.

COMANDAMENTO NR.3

"ATTENZIONE AGLI OPTOISOLATORI". Le prestazioni degli opto isolatori non tengono conto della loro installazione sul circuito stampato. Potete impostare ovviamente lo sbroglio del PCB secondo le normative di isolamento. Tuttavia considerare che la presenza di umidità e contaminanti possono degradare gli isolamenti. Altro parametro da valutare è la vita del trasmettitore. Evitare di lavorare al limite della corrente e di mantenere permanentemente acceso il trasmettitore. Questa filosofia permette di prolungare la vita di oltre 25 anni.

Non sottovalutare la variazione del CTR con la temperatura. Il CTR inoltre ha enormi variazioni anche nello stesso lotto produttivo. Certi foto accoppiatori a bassa corrente degradano molto le caratteristiche sia all'aumentare che al diminuire della temperatura. Certi optoisolatori migliorano il CTR all'aumentare della temperatura. Altri ancora la migliorano alle basse temperature ma peggiorano le caratteristiche dinamiche. Un test reale in camera climatica, o similare, praticato su alcuni campioni è sempre raccomandabile. Considerare infine gli effetti globali sulla scheda dovuti ad un eventuale malfunzionamento del foto accoppiatore. Altro punto dolente, tipico degli optoisolatori ad alto CTR é la sensibilità ai disturbi. Usare circuiti "Schmitt-trigger" addizioinali oppure utilizzare un port del micro predisposto di filtro digitale. Simulare disturbi random /vedi paragrafo seguente) per verificare tutti gli aspetti AC.

COMANDAMENTO NR.4

"NON SOLO COMPATIBILITA' ELETTROMAGNETICA". Certamente è indispensabile progettare la scheda elettronica rispettando le normative EMI; ma non basta.

Particolarmente critica è la progettazione di schede elettroniche che devono comandare carichi induttivi. La problematica fondamentale è la generazione di particolari pattern di disturbo elettromagnetico che provocano un reset indesiderato del processore. Non si tratta quindi della incapacità di comandare il carico induttivo, ma bensì di alterare il comportamento globale della scheda elettronica. Si raccomanda ovviamente l'inserimento dei diodi in antiparallelo. Ma la procedura ideale è collaudare la scheda senza in diodi. Questo permette di ottimizzare la "robustezza" del progetto. La ottimizzazione si ottiene generalmente con il buon layout. Chiaramente poi la aggiunta dei diodi FLYWELL garantisce una sicurezza completa. Per un collaudo esaustivo consigliamo di usare un piccolo rele con due lunghi fili saldati alla bobina di eccitazione. Creare alcune spire ed adagiarle sulle parti critiche della scheda. Creando manualmente uno scintillio si creano dei treni di disturbi che permettono di evidenziare problemi di reset o disturbi indotti su altre uscite.

COMANDAMENTO NR.5

"EVITARE LO STAMPATO MONOFACCIA". Se lo scopo è una scheda professionale destinata a funzionare nel lungo termine, evitare assolutamente i circuiti monofaccia. Si dovrebbero usare unicamente per prodotti consumer, a basso costo, con vita prodotto limitata. Per limitata, senza offesa, non intendiamo progettata per guastarsi. Si tratta di prodotti che hanno vita breve per definizione in quanto presto sorpassati da dispositivi nuovi coinvolti nella evoluzione tecnologica.

Il circuito doppia faccia, per mezzo dei fori metallizzati e grazie ad opportuno design delle piste, dissipa meglio il calore generato dai componenti.

Il circuito stampato doppia faccia aumenta esponenzialmente la affidabilità specie nei punti di connessione di parti elettromeccaniche quali connettori, cavi, relè, pulsanti ed accessori vari. Le microvibrazioni a loro associate provocano spesso problemi di continuità elettrica.

COMANDAMENTO NR.6

"IL PRIMO SOFTWARE DA FARE". Non immergetevi immediatamente nel software finale. Considerate il progetto come una pianta da frutto. Prima deve essere ben coltivata e potata regolarmente. Certo non perdete mai di vista lo scopo finale. Prendete dimestichezza con l'hardware sviluppando un software di test. Questo permette di verificare se la piattaforma hardware è compatibile con le esigenze del software. Prima di tutto mantenete almeno un UART disponibile per il TROBLESHOOTING. Direttamente dalla seriale potete catturare le informazioni essenziali: stabilità delle letture analogiche e funzionamento adeguato degli input-output, adeguatezza della interfaccia display e pulsanti della tastiera. Mettete bene a punto di driver fondamentali unitamente ai propri watch-dog ove necessario.

COMANDAMENTO NR.7

"EEPROM E MEMORIE FLASH". Sono una parte estremamente critica specialmente se immagazzinano parametri e flags di sistema. La tecnologia di per sè è estremamente affidabile. Il collo di bottiglia è la gestione della scrittura in momenti in cui la scheda è sottoposta ad intensi disturbi elettromagnetici od instabilità della tensione di alimentazione. Per ovviare, prima di iniziare una scrittura, il processore deve essere conscio della propria tensione di alimentazione.

Una volta iniziata la scrittura, il circuito deve avere sufficiente energia per completare la scrittura (calcolo dei condensatori di supporto alla alimentazione). Certamente un piccolo supercap è di aiuto. Altra strategia è salvare in almeno 3 zone di memoria ed eseguire i controlli di congruenza. Evitare di scrivere dati parziali costituiti da lunghi pacchetti. Alla rilettura, tutto appare incongruente. Scrivere solo se si ha il tempo necessario per tutta la stringa. Il software deve presentare all'utente opzioni di sicurezza in caso di corruzione della memoria. Analizzare accuratamente il comportamento durante le cadute di tensione, specie se se si dispone di watch dog esterno.

COMANDAMENTO NR.8

"SISTEMI MISTI 3,3V E 5V E CIRCUITI DI ALIMENTAZIONE". La sorgente numero uno di guai è sicuramente la gestione delle alimentazioni della scheda elettronica. Particolarmente complessa è la situazione in cui ci sono componenti misti a 3,3V e 5V. In primo luogo occorre verificare che in qualsiasi situazione non ci siano ingressi a 3,3V a contatto con sorgenti a 5V. Garantire sempre una resistenza serie per evitare di distruggere il diodo parassita interno.

Solitamente il processore è alimentato a 3,3V. La cosa migliore è verificare che il 3,3V sia la alimentazione che arriva per prima e sia l'ultima a cadere. In questo modo il processore ha la possibilità di gestire tutte le risorse a tensione diversa. Usare sempre diodi zener, appositamente dimensionati, in antiparallelo alle alimentazioni. In caso di sovratensioni entreranno in corto circuito per proteggere tutti i componenti. Fare diverse prove di alimentazione con lentissimi fronti di salita e lentissimi fronti di discesa. Verificare il comportamento globale.

COMANDAMENTO NR.9

"RISOLUZIONE E PRECISIONE". Non confondere mai risoluzione e precisione. Non entriamo nel merito della monotonicità (argomento complesso). Prima di tutto occorre rispettare le specifiche che deve avere il progetto. Tuttavia è facile farsi ingannare, ad esempio, dalla esagerata risoluzione dei convertitori (esempio 22 bit) quando la scheda non può supportare la presenza di un adeguato riferimento di tensione. Caso peggiore inoltre, quando il riferimento dell'AD è la alimentazione stessa della scheda. Un convertitore ad alta risoluzione costa pochi euro, ma il costo di un riferimento di precisione costa centinaia di euro. Quali sono le soluzioni? Prima di tutto considerare la precisione delle letture. Se si richiede uno 0,5% è sufficiente un AD da 10 bit. I riferimenti interni agli AD devono essere usati con larga cautela: variano molto da CHIP a CHIP. Sono largamente usati per altri scopi, non la precisione. La precisione può essere aumentata implementando una calibrazione software. Le costanti possono essere memorizzate in flash. La procedura di calibrazione si attiva nella fase di collaudo della scheda. Un riferimento esterno da 200 Euro permette la calibrazione di un numero infinito di schede!. Il tempo richiesto per una buona calibrazione è solo pochi secondi. In altre parole 20 centesimi di euro a scheda.

COMANDAMENTO NR.10

"QUELLO CHE NON SI COLLAUDA SI DEVE RITENERE NON FUNZIONANTE". Questa dovrebbe essere una regola permanente in ogni progetto. Mantenere un quaderno in cui annotare tutti i dettagli da collaudare. Seguire una chiara CHECK LIST come seguono i piloti degli aerei prima di iniziare il volo. Mai fidarsi della propria memoria. Scrivere ed arricchire la CHECK LIST progressivamente con l'aumentare dei progetti.

IL COLLAUDO DINAMICO ON/OFF/ON/OFF E' UN METODO EFFICACE PER VERIFICARE LA RESISTENZA DEL PRODOTTO AI TRANSITORI DI ALIMENTAZIONE

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