PCB 製造の世界は広範囲に及び、異なる機能を果たすために細心の注意を払って作られた幅広い種類の PCB が含まれます。 PCB は世界中の数多くの電子機器のバックボーンであるため、その重要性はいくら強調してもしすぎることはありません。

カスタム Arduino PCB – それは何ですか?

Arduino プリント基板の目的は、マイクロコントローラーと IDE を組み込むことで電子プロジェクトの作成を容易にすることです。 オープン ソフトウェア プラットフォームとして、Arduino はエレクトロニクス分野の初心者愛好家の間でますます好まれる選択肢になりつつあります。 Arduino の利点は、単純な USB ケーブルで実現できるため、追加のハードウェアを必要とせずにコードをボードにロードできることです。

さらに、Arduino で採用されている IDE は C++ のバリアントを利用しているため、プログラミング概念の学習が大幅に簡素化されます。 Arduino プラットフォームが提供する共通のフォームファクターにより、マイクロコントローラーはユーザーフレンドリーなパッケージで容易に入手可能になります。

Arduino ソフトウェアとハードウェアは、インタラクティブなオブジェクトを作成する傾向がある個人向けです。 このプラットフォームはアーティスト、デザイナー、初心者に非常に適しており、インターネット、LED、GPS ユニットなどのさまざまなデバイスとの通信をサポートします。 Arduino のソフトウェアとハードウェアはそのユーザーフレンドリーな性質により、比較的理解しやすいものです。 その結果、多くのユーザーが Arduino 上のさまざまなプロジェクトの手順を考案しました。

Arduino は、ロボット工学を含むさまざまな分野で応用されています。 Arduino 回路基板はさまざまなエレクトロニクス プロジェクトの中核を形成しており、この分野では不可欠なコンポーネントとなっています。 Arduino はコンパクトな回路基板なので、簡単な電子プロジェクトには最適です。 複数のArduinoボードを組み合わせることで、より多くのプロジェクトを実現することもできます。

ブレッドボードを使用して回路を組み立てることにうんざりしており、パーソナライズされた回路を Arduino に接続したい場合は、パーソナライズされた Arduino シールドの作成を検討してください。 これらのボードは、お好みの Arduino ベース回路ボードのボード間接続とフォームファクターを共有しながら、シールド ボードのレイアウトのいくつかの基本的な側面を制御できます。 さらに、必要に応じて、前に示したシールド回路基板に似た、適応可能なこれらの回路基板を作成することもできます。

Arduino シールド回路基板の設計が初めての場合は、以下に示す段階的な手順を使用できます。 あるいは、パーソナライズされたシールドの作成に興味があり、プリント回路設計ソフトウェアに慣れておきたい場合は、無料で使いやすいプラットフォームである CircuitMaker のダウンロードを検討してください。 この記事と今後の記事では、Arduino とシールド ボードの活用に関するさまざまなチュートリアルを紹介します。 これらのチュートリアルでは、アプリケーション開発を含むさまざまなトピックを取り上げます。

カスタム Arduino PCB の開始

明白に思えるかもしれませんが、Arduino シールド回路基板の設計を開始するときの最初のステップ、つまりシールドとコネクタのピン配列の構造寸法の取得は無視されがちです。 すぐにレイアウト プロセスに着手して回路図の作成を開始したくなるかもしれませんが、レイアウト内の正しいピンに接続を適切に配置するには、早い段階でリンク ピン配置を取得することが重要です。 回路図のキャプチャを完了し、空のプリント基板レイアウトにレイアウトを取り込む準備ができたら、回路基板の寸法が Arduino ベース回路基板の厚さと一致するように設定されていることを確認する必要があります。

Arduino シールドは、ベース回路と比較して寸法が異なることがよくあります。 それでも、重要な要素は、幅がプライマリ Arduino ボード上の必要なピンと一致するように設定されていることを確認することです。 回路基板全体をカバーして、ベースボードに取り付けたときにシールドの安定性を確保するのに最適です。

回路基板の回路と図を作成する準備ができたら、回路設計者を起動してコンポーネントの組み込みを開始します。 必要となる最も重要なコンポーネントはピン ストリップです。これにより、カスタマイズされた Arduino シールドと Arduino ボードの接続が容易になります。

ピンヘッダー

通常、Arduino ベースボードには 2.54 ミリメートル ピッチのピン ストリップが役立ちます。

ピンヘッダーは、Arduino ベースボードとカスタマイズされたシールドボード間のインターフェイスとして機能します。 シールド回路基板のピン ストリップを選択するには、各面にいくつかのピンがあるオス ピン ヘッダーを選択すると、ピンをジャンパーに簡単にリンクできます。 もう 1 つのオプションは、前に示した下向きのピン ヘッダーを使用することです。これは、上向きの穴が軸方向要素のリード線を受け入れるときに基板に接続します。 このバージョンでは、必要に応じて別のシールド回路基板を上に積み重ねることができます。

ピン コネクタを選択した後、回路設計者でピン ヘッダーに使用できる回路図シンボルを作成または検索する必要があります。 選択したシンボルは Arduino ボードのピン配列に対応している必要があり、各ピン コネクタが配置される回路基板の側面を監視することが重要です。

シールドボードを装着 – カスタム Arduino PCB

 

ベースボードを特定し、レイアウト計画を作成した後、シールド回路基板に組み込む回路とコンポーネントを選択できます。 理論的には、指定されたスペース内にコンポーネントを収容できるため、シールド回路基板に任意のコンポーネントを追加できます。 私の会社では、リレーを利用し 120 ～ 240 の交流電力をサポートする Arduino 用の産業用シールド回路と、複数のセンサー用のインターフェイスを備えたシンプルなデジタル回路基板を設計しました。 カスタマイズの可能性は無限大です。 シールド回路基板には、次のようなさまざまな回路やコンポーネントが組み込まれている場合があります。

電源: ボードには外部電源 (AC、12 V DC、24 V DC) が必要ですか、それともデバイスは 5 電圧ピンによる電力を必要とするでしょうか? スイッチングコンバータやLDOなどのレギュレータを組み込む必要がある場合があります。
コネクタ: ネジ コネクタは、外部の有線デバイスとの安全な機械的接続を確立するための実用的なソリューションです。 別のオプションは、シールド回路基板上のピン ストリップを使用して接続を確立することです。
LED、ボタン、スイッチ: LED は、論理状態を表示したり、トグル スイッチの状態を示したりするためのインジケーター ライトとして機能する非常に機能的なものです。 このような回路は、汎用入力/出力またはシールド回路基板の回路の論理状態をアクティブにすることができます。
特殊な ASIC: さまざまな電気操作に多数の ASIC が利用可能です。 通常、SPI/I2C を介して接続を確立するため、これらをパーソナライズされた Arduino シールドに統合するのは簡単な作業であり、アプリケーションに合わせて構成するのは手間がかかりません。
再構成可能な回路基板を実現するには、ホールアレイを備えたパーフボードを Arduino 設計に組み込むことができます。 ブレッドボードの機能をエミュレートし、レイアウトにある程度の柔軟性を与えます。

他のタイプのカスタム Arduino PCB シールド

シールド ボードは次のようなアプリケーションで頻繁に使用されます。

イーサネット: 初心者の設計者にとっては難しいかもしれませんが、統合された PHY およびマグ ジャック RJ-45 アダプターを備えたコントローラー IC を利用することでイーサネット シールドを作成することができます。 マグジャックは、アダプター本体内の磁気回路と終端回路を結合するため、必須のコンポーネントです。
センサー インターフェイス: Arduino 互換ボードには、特殊なセンサーとの通信を可能にするアンプ ボードまたは ASIC が装備されています。 DIP パッケージのオペアンプに加えて、これらのインターフェイスは通常、ASIC などの表面実装デバイス (SMD) コンポーネントで構成されます。 通常、SPI、GPIO、I2C/ADC インターフェイスなどのプロトコルを利用します。
ワイヤレス シールド: これらのボードは、Zigbee、LoRa、BLE トランシーバーなどの低周波プロトコルを利用するワイヤレス トランシーバーを組み込むように設計されています。 信号は通常、バス モジュールを通じてトランシーバー コントローラーに送られます。 信号の整合性を確保するには、グランド プレーンの配置またはアンテナの接続に関するベスト プラクティスに従うことをお勧めします。
ディスプレイ: OLED ディスプレイはシールド回路基板上で使用する必要があります。 これらのディスプレイは、シュラウド付きアダプターを使用して SPI 経由で接続できます。 ディスプレイを備えたコンパクトな機器を作成するには、ディスプレイをシールド ボードに取り付けて安定性を確保し、接続をピン ストリップに直接接続することをお勧めします。

カスタム Arduino PCB は何で構成されていますか?

Arduino プラットフォームはいくつかのボード バリエーションで構成されており、それぞれが特定のアプリケーション向けに設計されています。 これらのボードは用途が異なりますが、共通のコンポーネントを共有しています。 したがって、Arduino 用のカスタム PCB ボードにはどのようなコンポーネントが存在するのでしょうか?

・電源LEDインジケーター

回路基板には、Arduino にエネルギー源が接続されると点灯する小さな LED があります。 問題がある場合、ライトは点灯しません。 したがって、LED が点灯していない場合は、ボードを再確認してください。

・ 電圧レギュレータ

これは、電圧入力を調整するために Arduino 回路基板に必要な要素です。 これは、損傷を引き起こす可能性のある過剰な電位をボードからそらすことにより、ゲートキーパーとして機能します。 さらに、このコンポーネントには特定の制限があることに注意することが重要であるため、Arduino を 20 ボルトを超える他のデバイスにリンクしないことをお勧めします。

・USB/バレルジャック

Arduino PCB が機能するには電源/エネルギー源が必要です。 ATmega328P ボードは、USB 経由で、または電源をバレル ジャックに接続することによって電力を供給できます。 さらに、USB リンクにより、Arduino プリント基板上のコードが埋め込まれます。

・メインIC

この IC は Arduino プリント基板の中央処理装置 (CPU) として機能し、そのタイプは特定の Arduino ボードによって異なります。 Arduino プリント基板の重要なコンポーネントとして、基板に適合する集積回路の種類を特定することが重要です。 この情報は通常、集積回路の上側にあります。 さらに、データシートには、さまざまな IC タイプの違いに関する詳細なデータが記載されています。

・ピン

Arduino ボードは、配線接続を容易にする複数のピンで構成されています。 これらのピンには黒いプラスチックのヘッダーが付いており、ワイヤを回路に差し込むことができます。 Arduino プリント基板には、ラベルが付けられ、異なる機能を実行するさまざまなタイプのピンが含まれています。 たとえば、Arduino プリント基板上のいくつかのグラウンド ピンは、ボードのグラウンドに役立ちます。

· TX RX LED

RX と TX はそれぞれ受信と送信を指し、通信用のピンを示すために電子デバイスで一般的に使用できるマークです。 Arduino UNO の場合、RX と TX のマークは 2 つの異なる場所に表示されます。 さらに、RX と TX の LED は、Arduino がデータを受信または送信していることを示します。

・水晶発振器

水晶発振器により、Arduino ボードが時間を監視し、通信信号とパルス厚さ変調を生成できるようになります。 さらに、Arduino 回路は、水晶振動子の周波数に対応する 16 MHz の速度で命令を実行できます。

Arduino にはさまざまなボードが含まれており、それぞれが独自の機能を果たすように設計されています。 最適なパフォーマンスを確保するには、どのボードがタスク/作業に適しているかを判断することが重要です。

· LilyPad Arduino

LilyPad Arduino プリント基板の作成は Leah Buechley の功績です。 この革新的なテクノロジーはエレクトロニクスとテキスタイルを組み合わせたもので、大きな接続パッドとフラットな背面が特徴です。 この平らな裏面により、導電性糸を使用して生地に簡単に組み込むことができます。 さらに、LilyPad ファミリは、入力、出力、電源オプションだけでなく、幅広いセンサー回路基板を誇っています。

· Arduino レナード

USB を統合した MCU を搭載した初期の Arduino 開発ボードは、USB 通信を直接処理できます。 このボードには、キーボード、マウスなどを含むさまざまなコンピュータ周辺機器のエミュレーションを容易にするソフトウェア ライブラリが含まれています。

・レッドボード

高い信頼性と使いやすい設計で定評があります。 Arduino統合開発環境とMini-B USBケーブルを使用して簡単にプログラムできます。 さらに、このボードは Windows 8 と完全な互換性があり、セキュリティ設定を変更する必要はありません。 USB または FTDI チップを組み込むことで安定性が向上し、フラットバック設計によりさまざまなプロジェクトへの組み込みが容易になります。

・Arduino Uno(R3)

ユーザーフレンドリーなデザインのため、初心者に最適なオプションです。 Uno の PCB は簡単で、プロジェクトを開始するために必要なコンポーネントがすべて含まれています。 14 個の入力または出力ピンを備えた Uno ボードは、豊富な接続オプションを提供します。 さらに、Uno はマイクロコントローラーの包括的なサポートを備えているため、プロジェクトの理想的な出発点となります。

・Arduinoメガ(R3)

Uno バージョンと同じで、デジタル入出力ピンが大幅に増加しています。 Mega を使用すると、USB コードを使用するのと同じくらい簡単にコンピュータに接続できます。 バッテリー経由でボードに電力を供給することもできるため、プロジェクト開発に非常に汎用性が高くなります。 Mega は、複数のデジタル出力/入力を必要とするプロジェクトに特に有利です。

結論

Arduino は多数のコンポーネントで構成され、さまざまなエレクトロニクス プロジェクトの設計と構築をサポートするソフトウェアおよびハードウェア プラットフォームを表します。 他のマイクロコントローラーと比較して、Arduino はコスト効率の高いソリューションを提供します。 この記事では、Arduino ボードに関する基本的な事実に焦点を当てます。