אנחנו חוזרים, סוף כל סוף, אל פרויקט משדרי התת-אדום המינימליסטיים – והפעם נדבר על השרטוט הסכמטי, ובעיקר על תהליכים ואילוצים בתהליך שרטוט ה-PCB.

בפוסט הקודם בסדרה דיברתי (בקצרה מאוד) על הרעיון לפרויקט, ואז על בחירת ורכישת הרכיבים. בתיאוריה, לפיתוח פרויקטים יש סדר הגיוני – למשל, אי אפשר לבחור רכיבים לפני שמגדירים את הפונקציונליות הרצויה, ואי אפשר לשרטט מעגלים לפני שבוחרים רכיבים – אבל במציאות, התהליך הוא לא לגמרי לינארי. לדוגמה, אני עשוי לדעת מראש שה-PCB הסופי אמור להיות בצורה ובגודל מסוימים, מה שיגביל את בחירת הרכיבים, או שיש רכיבים ספציפיים שאני מעוניין או נדרש להשתמש בהם, והם מגבילים את הפונקציונליות של הפרויקט.

בעיקרון יכולתי לבחור רכיבים על הנייר, לשרטט PCB לפיהם ורק אז להזמין הכול ביחד. זו הדרך הבטוחה ביותר מבחינה כלכלית, אם אגלה פתאום שינויים הכרחיים בתוכנית המקורית או שסתם יהיה לי רעיון נוסף. במקרה הספציפי הזה מיהרתי כדי שיהיה לי מה לכתוב בפוסט, ויצא שהרכיבים אצלי כבר מזמן אבל השרטוטים עוד לא גמורים. עכשיו הגיע הזמן להשלים אותם.

כזכור, אני עובד עם התוכנה KiCAD. כמו בכל תוכנת עיצוב מעגלים ראויה לשמה, רצף העבודה ב-KiCAD מתחיל בשרטוט הסכמטי. בשרטוט זה מציבים ייצוגים מופשטים של הרכיבים (לעתים צריך ליצור את הייצוג לבד, אם הוא לא קיים בספריה מוכנה כלשהי) ומחברים את כל הפינים הרלוונטיים של כולם. השרטוט הסכמטי משרת כמה תפקידים, ואחד מהם הוא בסיס ליצירת ולבדיקת התכנון של ה-PCB. לכן, אסור לזלזל בשלב הזה. הנה השרטוט שהכנתי בסופו של דבר לפיקאדום:

אולי לא השרטוט הכי מסודר בעולם, אבל בשביל פרויקט כזה קטן הוא יספיק. כעת מגדירים לכל רכיב Footprint, כלומר את צורת החיבור הפיזית המדויקת שלו ל-PCB (חורים לרכיבי Through-hole, פדים בגודל ובסידור הנכון לרכיבי SMD וכדומה). גם כאן, אם אין Footprint מוכן, אפשר לשרטט כזה לבד. אחרי שבודקים שהכול תקין (בעין ובעזרת הכלי האוטומטי Perform Electrical Rule Check) מייצאים את תוכנית החיבורים הפנימית, מה שנקרא "Netlist", ומייבאים אותה  לתוך מודול התוכנה שמשמש לשרטוט ה-PCB.

השלב הזה הוא קריטי, כי לשרטט PCB "לפי העין" זו משימה קשה בטירוף ועם סיכוי עצום לתקלות וטעויות. ה-Netlist קובעת את גבולות הגזרה שבהם אנחנו יכולים לשים כל רכיב ולחבר בין רכיבים, מסמנת עבורנו מה אמור להתחבר לאן ומסייעת גם בבדיקה הסופית של הלוח.

אפילו עם העזרה של ה-Netlist, שרטוט ה-PCB הוא החלק המורכב ביותר בתהליך, כיוון שבו באים לידי ביטוי כל האילוצים הפיזיים על הרכיבים ועל החיבורים ביניהם (traces). לדוגמה, איפה להציב את הרכיבים כך שלא יהיו מפוזרים יותר מדי, ועדיין אפשר יהיה להלחים אותם ידנית בנוחות? איך לחבר ביניהם בדרך אלגנטית בלי שה-traces יפריעו האחד לשני? ועוד.

חלק גדול מהמורכבות קשור לזה שכל החלטה שנקבל במקום מסוים במעגל עשויה להשפיע על האופציות שלנו בחלקים אחרים שלו. יש כל מיני שיטות להפוך את העבודה הזו למודולרית קצת יותר, אבל אין פתרון קסם – בסופו של דבר כל מעגל הוא ייחודי ודורש הסתכלות על השלם ולא רק על חלקיו.

הנה דוגמה: במקרה שלי בחרתי להציב רכיב גדול במיוחד – מחזיק הסוללה – בצד ה"תחתון" והפנוי-יחסית של הלוח, אבל גם שם אי אפשר לעשות כל מה שרוצים. במחזיקי סוללות מהסוג הזה, הסוללה יכולה להיכנס ולצאת רק בתנועה אופקית, ורק מצד אחד של המחזיק. לכן, לא כדאי להציב את הפתח מול חורים של Headers, כי אם אלחים לשם פינים הם יבלטו קצת למטה ולא יתנו לסוללה לעבור. כמו כן, ב-Footprint של המחזיק הזה הגדרתי מגע עגול גדול מאוד (מסומן כ-GND בתמונה למעלה), שאי אפשר להעביר דרכו traces – מה שמגביל אותי מבחינת אפשרויות חיבור בין רכיבים. כל שינוי באחד מהאלמנטים האלה יחייב אותי להזיז או לשנות גם את האחרים.

התהליך הזה נעשה קל יותר עם הניסיון, ועדיין, כשאני ניגש למעגל חדש – אפילו אם הוא פשוט כמו פיקאדום – אני משחק לא מעט עם מיקומי הרכיבים ועם צורות חיבור שונות, עד שאני מקבל "תחושה" של המעגל ומתחיל להבין מה מעשי ונוח ומה לא.

כשה-PCB מוכן ועובר את הבדיקה שלי ושל התוכנה, אפשר לייצא אותו כקובצי Gerber לייצור. באתר 4project יש הסבר קצר על הקבצים האלה – דלגו לסעיף "באיזה פורמט צריכים להיות הקבצים?" והמשיכו משם. קיימים הרבה אתרים להזמנת PCB בכמויות קטנות, ואפילו אתרים שמשווים מחירים לפי הפרמטרים שאנחנו בוחרים (למשל האתר זה). במקרה שלי, מכיוון שרציתי לוח בצבע אדום ואין לי שום אילוצים של זמן המתנה, בחרתי בהצעה הזולה ביותר שמצאתי ל-25 לוחות – ב-dirtypcbs.com, כ-90 ש"ח כולל משלוח, או 3.6 ש"ח ללוח. עכשיו נחכה לדואר…

ובינתיים, למי שרוצה לדעת מה בעצם יש בלוח הזה: למיקרו-בקר PIC12F1840 יש שמונה פינים, והלוח נותן גישה ישירה לכולם. כמו כן יש מקום ל-header בסידור שמותאם ספציפית לצריבה נוחה באמצעות הצורב הסטנדרטי PICKIT3.

מבחינת אספקת חשמל, יש כאמור מחזיק לסוללה, ושני פינים לכניסת מתח חלופית (ללא הגנה או ייצוב). אפשר לחבר מפסק חיצוני, או להלחים "גשר" קטן שייתן לחשמל לעבור בלי הפרעה.

על הלוח יהיה מפסק מובנה, וניתן יהיה לחבר במקביל מפסק חיצוני: המפסקים האלה מחוברים שניהם או לפין ה-RESET של המיקרו-בקר או לפין הפסיקה החיצונית (INT) שלו, לפי בחירת המשתמש (שוב, באמצעות "גשרים"). יש שני מקומות ללדים SMD – אחד בכל צד עם נגד משלו – ושניהם מחוברים לאותו פין פלט של המיקרו-בקר. במקום אחד מהם או במקביל לו אפשר לשים לד Through-hole רגיל. לסיום, יש שני headers שנותנים גישה לאדמה ולמתח ההפעלה של הלוח, לצורך התממשקות נוחה (יחסית) עם חיישנים, פוטנציומטרים ורכיבים חיצוניים אחרים. הלוח לא מותאם לעבודה על מטריצה.