برد اصلی کنترلر دیزل؛ مهندسی معکوس و طراحی دوباره‌ی PCB

معرفی

این پروژه برد اصلی (مادربرد) یک کنترلر دیزل است که در سال ۲۰۲۱ ساختم. برد اصلی در بازار موجود بود، ولی نه شماتیکی از آن در دست بود و نه نقشه‌ی PCB. پس برد را مهندسی معکوس کردم: از روی عکس‌ها و اسکن‌های برد و تراشه‌هایش و دیتاشیت قطعه‌ها، ساختار مدار را درآوردم و بعد شماتیک و PCB را از اول خودم طراحی کردم. نتیجه یک برد تازه است که کار همان برد را می‌کند، ولی طراحی‌اش مال خودم است و نه کپی نقشه‌ی دیگری. فریمور برد را هم خودم نوشتم.

برد چه کاری می‌کند

برد وسط یک سیستم کنترل دیزل می‌نشیند. سیگنال‌های ماشین و تابلو را می‌گیرد، تصمیم می‌گیرد و بارها را فرمان می‌دهد:

• ۲۴ ورودی دیجیتال با ایزولاسیون نوری. هر ورودی یک LED نشانگر دارد که وضعیتش را روی خود برد نشان می‌دهد.

• ۲۴ خروجی برای رله‌ها و بارها، از طریق لچ‌ها و درایورهای ترانزیستوری.

• ورودی‌های آنالوگ برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان دو باتری و دو شارژر، و یک حسگر دمای روی برد.

• ساعت زمان‌واقعی تا رویدادها زمان‌دار ثبت شوند، و حافظه‌ی فلش برای نگهداری داده.

• ارتباط سریال RS-485 برای اتصال به بقیه‌ی سیستم.

نمودار زیر مسیر سیگنال‌ها را نشان می‌دهد.

بخش‌های اصلی مدار

• پردازنده: میکروکنترلر PIC18LF6720 با پکیج ۶۴ پایه.

• ورودی‌ها: هر چهار ورودی با یک آی‌سی اپتوکوپلر PS2802 از مدار بیرونی جدا می‌شوند و بعد از بافر ۷۴HC244 به پردازنده می‌رسند. کنار هر ورودی یک دیود زنر برای محافظت هست.

• خروجی‌ها: پردازنده خروجی‌ها را با لچ‌های ۷۴HC374 نگه می‌دارد و درایورهای ULN2803 جریان را می‌دهند.

• آنالوگ: تقویت‌کننده‌های LM6132 سیگنال‌ها را برای پردازنده آماده می‌کنند. دما را حسگر LM61 می‌خواند.

• تغذیه: مبدل‌های کاهنده‌ی LM2676 ولتاژ ورودی را به ولتاژهای لازم می‌رسانند. مسیرهای جریان بالا، مثل ورودی باتری و شارژر، با سطح مس بزرگ ساخته شده‌اند.

• ارتباط: فرستنده‌گیرنده‌ی RS-485 مدل LTC2851.

• ثبت و زمان: ساعت DS1305 و دو حافظه‌ی فلش M25P20.

طراحی PCB

برد دو لایه است و با وجود تعداد زیاد قطعه‌ی SMD و مسیرهای فشرده، همه‌چیز روی همان دو لایه جا شده است. سه ردیف ترمینال پیچی در پایین برای ورودی و خروجی‌ها، تا سیم‌کشی تابلو راحت باشد. جای ترمینال‌ها، سوراخ‌های نصب و تست‌پوینت‌ها طوری چیده شده‌اند که برد روی تابلو بنشیند و عیب‌یابی آسان باشد. در تصویر چیدمان (قرمز لایه‌ی بالا، آبی لایه‌ی پایین) مسیرهای فشرده‌ی ورودی‌ها و خروجی‌ها دیده می‌شود. طراحی مطابق RoHS است. نام شرکت‌ها و لوگوها را روی تصاویر محو کرده‌ام.

فریمور

برنامه‌ی میکروکنترلر را از صفر خودم نوشتم. فریمور ورودی‌ها و خروجی‌ها، اندازه‌گیری آنالوگ، ساعت، حافظه‌ی فلش و ارتباط RS-485 را مدیریت می‌کند و برد را به یک کنترلر کامل تبدیل می‌کند.

ابزار و روش کار

• مهندسی معکوس از روی عکس و اسکن برد و دیتاشیت تک‌تک قطعه‌ها

• طراحی شماتیک و PCB دو لایه در Altium Designer

• نوشتن فریمور میکروکنترلر

• انتخاب قطعه‌ها بر اساس دیتاشیت

نتیجه

یک کنترلر کامل با ۲۴ ورودی و ۲۴ خروجی و ارتباط و ثبت داده، که شماتیک و PCB دو لایه و فریمور آن را خودم ساختم، بدون هیچ نقشه‌ی اولیه‌ای. در سایت فقط تصاویر و توضیح کلی آمده است.