声明：绘制原理图和PCB的软件为嘉立创EDA。根据B站尚硅谷嵌入式之原理图& CB计划教程学习所作个人用条记。
目录
一、原理图详解
1、TypeC接口
（1）TypeC接口先容
（2）TypeC原理图
2、5V转3.3V
3、单片机电源开关
4、单片机
5、排针
6、晶振电路
7、复位按键
8、MCU供电指示灯
9、步伐下载模块
10、 通讯指示灯
11、P0上拉电阻
（1）推挽输出
（2）开漏输出
12、主动冷启动
二、PCB布局
1、板框尺寸
2、排针布局
3、 模块布局规划
4、位号丝印调整
5、步伐下载模块布局
6、单片机与晶振布局
三、PCB布线
1、TypeC接口和5V转3.3V模块布线
2、差分信号的布线
3、VIN_5V到VCC的布线
4、P1口的布线
5、制作铜箔LOGO
6、铺铜
7、检测DRC
8、遇到的问题
一、原理图详解
51焦点板原理图
1、TypeC接口
（1）TypeC接口先容
TypeC接口引脚分布
TypeC接口上下两排引脚功能都是关于中央点对称的，因此TypeC接口正插照旧反插，都不影响引脚的接触顺序，所以大大简化了使用过程。
A1,A12,B1,B12：接地；
A2,A3,A10,A11,B2,B3,B10,B11：分别是两个差分信号对，它们是为了高速数据传输所准备的，这个项目不须要高速数据传输，了解即可；
A4,A9,B4,B9：VBUS相当于电源正极；
A5,B5：两个CC引脚，是在TypeC协议中用来协商充电协议的，还可以协商设备身份（判断主从设备，靠CC引脚上的电阻来判断）；
A6,A7,B6,B7：USB2.0数据传输；
A8,B8：用来传输视频大概音频信号，有些扩展屏幕就是TypeC一线通，一根线就可以完成充电、控制和视频传输，否则有些扩展屏幕就得单独接视频线，单独接电源线。
实物照片
由于有些引脚在实际项目中不须要用到，而且两排引脚不方便焊接，因此实际项目中我们采用16Pin引脚的TypeC接口。
这里把GND和VBUS都焊在一起了，因此从外貌数只有12个引脚，但是照旧按实际内部16引脚来称呼。具体实物也只有一排引脚，更方便实物焊接了。
（2）TypeC原理图
具体元器件的参数和型号，可以通过查看数据手册，和之前先容的引脚相对应，即可拿来使用。
引脚1,12：直接接地；
引脚2,11：毗连到电源总线上VIN_5V上，中央的F1是一个自恢复保险丝，电容C2和C5一端接地，另一端接电源VIN_5V，如许是为了让电源电压更加安稳，它们有过滤杂波（滤波）的作用。
引脚3,9：SBU1-2用来传输视频大概音频信号，这里用不到，加上非毗连标识。
引脚4,10：CC1和CC2毗连5.1kΩ的厚膜贴片电阻后，接地。
引脚5,6,7,8：接到网络标签USB_D+和USB_D-上，如许其他模块就可以通过同名网络标签直接毗连到这里。
外壳引脚13,14：也接地，为了防止手上的静影戏响USB的数据传输，损坏背面的元件；
自恢复保险丝的工作原理
传统保险丝经过熔断后，就须要更换保险丝，但是自恢复保险丝是由聚合物和导电颗粒组成，当产生高温时，聚合物会膨胀，导致导电颗粒间的距离增长，从而断开了导电路径；当温度降低时，聚合物会收缩，又使得导电颗粒重新靠近，重建导电路径。
充电协议：
当一个充电设备（上游设备，如快充头）毗连到一个受电设备（下游设备，如手机）时，充电头起首通过CC引脚检测毗连的设备范例和方向。
假如检测到下游设备符合规范（比方CC引脚上有5.1k欧姆的电阻值到接地），充电头才会把这个设备识别成须要充电的设备，会默认提供5V的初始电压进行供电。这是所有USB充电协议的底子举动，以确保设备可以安全启动和进行初步通讯。
当5V的供电开始一段时间后，假如CC引脚毗连的是快充协议的一些其他芯片，这时候才会跟充电头进行快充的协商。
2、5V转3.3V
之所以须要5V转3.3V，是由于在以后的嵌入式开发中，有很多传感器大概芯片的工作电压是3.3V。
这里采用的芯片是低压差线性稳压器（LDO），假如我们选择了一个固定输出为3.3V的LDO，无论输入电压是5V、6V照旧8V，它都能稳定输出3.3V。它只能降压，无法升压。
3、单片机电源开关
这个开关是一个自锁开关，用来控制单片机的供电，右边的VCC是给单片机供电的电源网络。
前面的电源模块能提供5V和3.3V的供电，自锁开关又控制着一个新的电源网络VCC，背面会把MCU（单片机芯片）挂在VCC下面，如许就可以通过自锁开关，控制VIN_5V和VCC两个电源之间的导通，来控制单片机的电源。
4、单片机
芯片选型
芯片选用STC公司生产的89C52RC，这个芯片拥有丰富的网络学习资源，得当新手学习单片机。封装范例选择QFP封装，得当在PCB上安装。
批量导出芯片引脚为网络标签步骤
将pinName内容，复制到netname中，然后再用查找替换功能，去掉小数点，再把其他多余的名字去掉，末了将文件生存，再导入到立创EDA即可。
5、排针
排针重要是用来引出单片机引脚，方便接入一些外部设备。
6、晶振电路
中央矩形就是晶振元件，它在特定的电路接法下，可以产生机器振动，然后在它的输出引脚产生一定波动的电压波，如下所示。
当代CPU的运作须要依靠时序波动的电压信号来捕捉上升沿，并在这些上升沿到达时推动芯片内部指令的实行，即每次来临一次上升沿，代码就会继续往下实行一步。
1MHz意味着每秒钟，晶振震动次数为一百万次。
晶振一般分为无源晶振和有源晶振。
无源晶振：必须依赖外部电路的支持才能进行稳定的震动，无源晶振和外部组成的让它可以震动的电路我们称为时钟电路。这里电路计划使用的是无源晶振，因此须要在原理图上再接两个电容。
有源晶振：元件内部自成一个时钟电路，我们只需给它的VCC引脚，GND引脚做相应的毗连，就可以从第3个引脚上捕获震荡信号。
7、复位按键
复位按键的作用就是通过单片机的RST引脚，来做一个状态重置（复位）的操纵。
单片机的复位引脚（RST）须要一个连续一定时间长度的高电平信号才能识别并实行复位操纵。
在上电的刹时，电容处于充电状态，此时电容相当于一根导线，RST引脚得到高电平。
在上电一段时间后，电容充满，此时电容相当于短路，这个时候RST将得到低电平。
按下开关后，RST引脚相当于直接接到VCC，此时RST引脚将是高电平，这个状态维持几十us，MCU就会清空当前状态，重新回到第一行代码开始实行。
电容的作用：电容在默认情况下是充电状态，当按下开关后，RST会短暂的和VCC直连，但是开关会很快弹起来，这时候的RST就会和VCC断开，为了保证有富足的高电平的维持时间来激活复位状态，就须要开关断开后，仍有一个电容能给RST继续供电。
电阻的作用：防止按下开关后，VCC和GND直连，导致电源短路。
8、MCU供电指示灯
这个指示灯也是VCC供电，和MCU芯片同等，只有当MCU芯片有电时，这个指示灯才会亮。
9、步伐下载模块
其中RXD就是接收数据的引脚，TXD是发送数据的引脚。
当给芯片5V供电时，须要给V3引脚接一个电容，然后接地。VCC为3.3V时V3需短接到VCC。
RTS引脚和背面的主动冷启动电路相干。
TypeC接口有两个网络USB_D+和USB_D-，这两个接口重要是电脑通过USB接口用来传输数据的。
USB重要是通过一种差分信号的方式来进行传输数据，但是STC89C52RC这个芯片不支持差分协议，所以须要通过CH340N这个芯片将差分信号转化成STC89C52RC芯片可以支持的TTL信号。如许电脑才可以和芯片传输数据。
同理，芯片也可以通过TTL信号传送数据到CH340N，再转成差分信号的形式将数据发送给电脑。
TTL信号（单端信号）：所谓单端信号，指的是只用一根导线来发送信号。这种发送信号的方式非常简便。假如A芯片要给B芯片发送数据，那么它只须要将导线上的电平一会儿置高，一会儿置低就可以了。
单端信号传输方式重要适用于短距离的板上通讯，而不宜用于线缆通讯。这重要是由于单端信号的抗干扰能力较弱。
比方，假如我们使用一根导线将电脑和单片机毗连起来传输数据，而在此过程中假如不警惕触碰了这根导线，大概会导致身上的静电释放到导线上。这种静电干扰大概会改变导线上的电平，从而导致接收端接收到错误的数据。
差分信号：为了克服单端信号易受干扰的问题，我们可以采用差分信号传输技能。这种技能涉及将发送端的原始信号转变为两个信号：D+ 和 D-。这两个信号通过两根导线传输，其中D+ 的波形与原始信号几乎雷同，而 D- 是 D+ 的反相。这种方式可以明显增强信号的抗干扰能力。
在接收端，信号的还原过程非常直接。体系通过比力 D+ 和 D- 两条线上的电压差来确定原始信号的状态。假如 D+ 的电压高于 D-，则认定为数字信号 "1"；相反，假如 D+ 的电压低于 D-，则认定为数字信号 "0"。
我们再将D+和D-两根导线绞在一起，如许它们就组成了双绞线。
在这种情况下，假如外部环境产生静电干扰，两根导线D+和D-会受到几乎雷同的影响。这种干扰对两条线的影响是对称的，因此不会改变D+与D-之间的相对电压差。结果是，只管存在干扰，接收端仍然能够准确地还原出发送端的原始信号。这展示了差分信号传输在保持数据完整性方面的强盛能力，即使在高干扰的环境中也能维持信号的准确传输。
通过CH340N芯片的数据手册，能够查找到CH340N芯片毗连到单片机的参考电路。通过参考电路，可以大致知道芯片的接法。
由于MCU的引脚RXD和TXD已经备注了P30和P31的网络标签，因此这里须要给这个引脚再弄一个网络标签，使得两个不同名字的网络标签可以毗连到同一根引脚上。
在放置中，找到短接标识，然后将这个标识放置到两个引脚上。
然后再短接标识的另一端再延伸导线，插入两个新的网络标签，如许就可以实现上面要求。
10、 通讯指示灯
二极管右端接电源，左端接数据传输引脚，由于数据传输是一系列的高低电平，所以当RXD大概TXD为低电平时，两个二极管就会发光，当RXD大概TXD为高电平时，两个二极管就会熄灭。
因此可以通过二极管是否快速的闪烁来判断是否正在进行数据传输。
11、P0上拉电阻
在MCU芯片中，以P开头的引脚，都是有输出功能的，也就是芯片内部能够控制引脚是高电平照旧低电平，一般分为两种控制方式：推挽输出和开漏输出。
（1）推挽输出
通过控制上下两个MOS管的导通和断开，来使得输出引脚是高电平或低电平，照旧高阻态。
推挽输出又叫推拉输出，当引脚为高电平时，电流像是被从芯片中推出来一样；当引脚为低电平时，电流像是被从拉进电流中，因此得名。
（2）开漏输出
开漏输出只控制一个接地的MOS管，当MOS管断开，引脚为高阻态；当MOS管闭合，引脚为低电平。
这个开关在没有芯片干预情况下，默认是开路状态，且电流一定从MOS管的漏极流入的，因此这种控制输出方式就称呼为开漏输出。
之前的电路是无法通过引脚输出高电平的，因此这里增长一个上拉电阻毗连到VCC来输出高电平。
当MOS管闭适时，跟之前电路一样，引脚是低电平状态；
当MOS管断开时，外设就会直接通过电阻拉到了VCC，因此外设收到的电平就是高电平。
开漏输出的优点：当芯片是5V供电时，像推挽输出，就只能通过引脚输出5V的高电平，但是开漏输出可以通过上拉电阻毗连到一个3.3V的电源，因此开漏输出可以不局限于芯片供电电压。
在数据手册中表现P0引脚都是开漏输出模式的引脚，因此须要上拉电阻毗连到高电平，来使得引脚能够输出高电平。
12、主动冷启动
单片机烧录软件过程中，必须要先把单片机断电后，再重新给电源，在开机启动中，单片机的P3.0\RXD引脚会检测是否有别的芯片传输过来的下载命令，只有检测到下载命令才会开始下载步伐，假如下载成功，就会直接实行新的代码，假如在开机后没有检测到新的代码，它就会实行上次烧录进单片机的步伐。
这种强行断电，再上电的开机方式，就被称为冷启动。假如按照上面的方法，每次都要按下两次开关，一次给单片机断电，一次给单片机上电，就会非常贫困。
因此通过计划主动冷启动电路去检测CH340N芯片，假如检测到了下载步伐的信号，它就会主动完成单片机掉电再上电的过程，如许每次下载步伐就不须要按动开关了。
RTS（Request To Send，发送哀求）引脚的作用是向其他设备发出“我有数据要发送，请准备接收”的信号，这种操纵称为硬件控制流，它的作用是为了让下游接收数据的对象，能够把正在工作的内容停下来，做好接收数据的准备。
当芯片准备好发送数据时，RTS引脚会进入激活状态。假如在RTS旁边有一个#（即RTS#），大概名字上方有一个横杠，这通常表现它是以低电平激活的。
默认情况下RTS是高电平，当有数据要发送时，RTS会变成低电平，当数据发送完成后，RTS又会变回高电平。
当电脑点击下载步伐按钮时， 开始跟CH340N芯片进行通讯时，这个RTS引脚就会被拉到低电平，MCU只有在上电时，才会响应CH340N。假如说MCU一直不断电，不重新上电，则RTS引脚会一直是低电平。
主动冷启动电路原理分析：
P沟道MOS管导通条件：源极接VIN_5V，栅极接RTS，剩下的就是漏极。
当RTS为5V时，MOS管的源极和漏极不会导通；
当RTS为0V时，源极和漏极电流就会导通。
（1）当RTS为高电平时，左边MOS管不会导通，右边MOS管会导通，此时灯胆（MCU）处于上电状态，电流如上图所示。
（2）当RTS为0V时，左边MOS管会导通，刚开始电容会处于充电状态，相当于一根导线，这时可以以为右边MOS管的栅极也是5V，因此右边MOS管在此时是截止状态，右边灯胆（MCU）就会被断电。
（3）当RTS为0V，电容充满电后，此时的电容相当于一个断路，背面的10欧姆可忽略，两个10kΩ并联相当于5k欧姆，与47kΩ串联，通过计算可得到右边MOS管的栅极电压为0.4V左右，因此这个MOS管会被导通，此时的灯胆又重新处于上电状态。
（4）当RTS恢复到5V时，右边MOS管仍处于导通状态，灯胆不会受到影响，左边的MOS管会刹时截止，电容会对并联47kΩ的电阻一直放电，直到放空为止。
这个电路的缺陷在于不能短时间的连续下载步伐，不然的话电容电还没有放完，又重新充电的话，右边的MOS管也就不会截止，主动冷启动电路就会失效，因此这个时候就须要电源开关，来手动给MCU断电和上电。
MOS管栅极毗连10Ω电阻的作用：
MOS管的栅极具有一定的寄生电容，毗连线和MOS管自身也会有一定的寄生电感。假如栅极的毗连上没有任何的阻尼，这些寄生的电气效应大概会组成一个LC震荡电路，从而引起振铃征象。
在MOS管的栅极去串联一个电阻，以此来减弱振铃效应。
寄生电容：是电路中非计划意图的电容效应，由导体间电场耦合形成，常见于高频电路，大概导致信号干扰或性能下降。
寄生电感：是指在电路计划中未刻意引入，但由于导体布局或物理特性而天然产生的电感。
也是由于MOS管上的寄生电容，MOS管的栅极在电平拉高或拉低时，会遇到一个平台期，这个征象与米勒效应有关，因此也被称为米勒平台。它导致MOS管从开启转到闭适时的时间间隔延伸。
也不能串联太大的电阻，这是由于随着我们串联电阻的阻值的升高，米勒平台会相应地延伸。
通常，在栅极上串联10到100Ω的电阻是一种常见做法，这不仅可以有效抑制振铃效应，还能防止过长的米勒平台导致的开关耽误。在实践中，通常可以首选10Ω的电阻。
二、PCB布局
PCB的完整计划之前已经有详细先容过了完整流程，因此本篇文章只写之前没有出现的一些问题。
1、板框尺寸
3个角小圆弧尺寸
大圆弧尺寸
板框团体尺寸
2、排针布局
排针方位须要跟上图保持同等，同时放置底层。
选中两排针，垂直指定中央间距分布为29mm，同时须要按上面排针中央左右居中。
同时对两个排针进行锁定功能，如许背面拖动其他元器件时，就不会影响这两个排针。
3、 模块布局规划
4、位号丝印调整
选中位号，然后按Ctrl+F，就会出现查找栏，点击查找全部，就能够实现对所有位号的选中。
将字体线宽和高度修改到上图所示，单位为mil，如许就能够让位号变得更小，更方便布局。
5、步伐下载模块布局
这是布局完成后的芯片CH340N内部的VIN_5V线，它的背面会有一些蓝色信号线经过它，信号线的电压是会在0V和5V直接来回变化的，就有大概产生一些电磁感应在5V导线上，会让VIN_5V有一个上下波动，所以这个模块的供电只管之前就用了电容滤波处置惩罚，但是这里照旧继续得用电容滤波处置惩罚。
滤波电容离芯片越近越好，防止线太长，中央被其他信号线得电磁感应影响。
电源线一定要先经过电容，再到达芯片的电源引脚，如许可以让电容滤波结果达到最优。
6、单片机与晶振布局
原则上是两个毗连的引脚越近越好，但是这里上面芯片须要流出位置来引出线，因此C12位置须要靠下一些。
所有的GND引脚都是通过一个铜皮来进行毗连的，但是晶振下方是最好不要做铺铜处置惩罚的，目标是为了防止晶振和GND网络互相干扰。所以须要对晶振区域做一个禁止铺铜的设置。
用多边形工具将晶振区域围住，然后将该区域选择为禁止区域，然后将铺铜勾选上，既可以将晶振区域设置为禁止铺铜区域。
同时，选中图层，然后将属性中的图层改成多层，如许底层也能称为禁止铺铜区域。
三、PCB布线
1、TypeC接口和5V转3.3V模块布线
起首可以将GND的飞线隐藏，防止干扰到其他飞线的布线。
电流最早是从TypeC接口流入的，因此先从TypeC模块开始布线（快捷键Alt+W）。
从原理图可知，所有的电流都将从Type模块流向F1自恢复保险丝和它所在的这段导线，因此须要充实考虑这段导线的线宽和最大能承载的电流。
F1自恢复保险丝跳闸电流为1A，通过PCB走线载流计算器可以计算得到线宽最好要大于11.83mil，又由于要流出冗余，因此这段导线的线宽设置为20mil。
电源线一般都是先经过大电容滤波，再经过小电容滤波，先过滤低频噪音，再过滤高频噪音。
Type接口为了实现能正反插，有两个电源入口，因此须要将另外一个电源入口的导线毗连到第一个电源入口处，但是这里明显须要绕弯，因此通过过孔（Alt+V）方式来毗连。
同样的，过孔也须要考虑最大承载电流，通过PCB过孔载流计算器，可计算得到12mil孔径、18um厚度的孔壁铜厚，在10摄氏度下能承载的最大电流为1.462A，但是为了给实际施工有更大的冗余，通过经验判断，这里的孔径（过孔内径）可设置为20mil。
但是内孔径和外孔径的差值须要大于5mil，因此这里设置外孔径为30mil。
2、差分信号的布线
差分信号的布线与平时的导线布线有所不同。
两条差分导线的是非偏差须要在合理的范围内。
假如布线完成后，上图提示没有表现符合规则的绿色，须要通过等长调治去调治它们之间的长度偏差。
3、VIN_5V到VCC的布线
电源模块通过Type接口引入VIN_5V供电，通过主动冷启动电路变成VCC_SW，然后再通过电源开关变成VCC，末了的VCC才是给MCU供电的电源。
4、P1口的布线
P1口的飞线这里已经完全拧在了一起，所以须要先把线拧返来，再把导线接过去。
如上图所示，可以通过过孔和绕线的方式，将它们的排序给拧返来。
其他飞线难处置惩罚的，可以通过两个过孔穿过其他线来布线，这里就不多加说明了。布线完如下所示。
5、制作铜箔LOGO
插入文本，然后放置顶层。
然后复制一个放到边上。将边上这个文字切换到顶层阻焊层。
然后将当前工作图层，也切换到顶层阻焊层，然后将两部门文字重合。
将这部门文字区域设置为禁止铺铜区域，且该区域的圆角半径设置为1mm。
末了将该区域复制一份，将复制后的区域翻面。
将工作区设置为底层，然后将复制后的区域和复制前的区域重合，末了在铺铜以后就能得到文字的铜箔LOGO了。
6、铺铜
当对正反面铺铜完之后，另有GND飞线残留就可以在飞线的源头铺铜上，放置过孔的GND。
当放置了GND的过孔后，飞线就会天然消散。
晶振区域，禁止铺铜的部门，也可以通过在旁边的铜板上加一个GND的过孔，然后将晶振中须要毗连GND的部门，毗连到过孔上，如许飞线就可以完成了。
7、放置缝合孔
当以为有些铜皮上的狭窄处难以通过大电流时，就可以在对应的铜皮上添加GND过孔，来增长它的载流能力。
设置完成后，框选整个板子。
板子上就会增长很多GND过孔，来增长铜皮的载流能力，尤其是上下两层铜皮，它们之间的载流能力。
7、检测DRC
完成所有的步骤后，末了记得再检测以下DRC，以防出现问题。
8、遇到的问题
CH340N灌电问题
当闭合自锁开关后，MCU供电指示灯亮，但是断开开关后，供电指示灯照旧亮着的，因此通过排查故障，发现问题产生缘故原由是CH340N充上电空闲时，RXD和TXD引脚都维持着5V电压，然后毗连到MCU就会给芯片供电，让芯片的VCC引脚产生了3.3V电压。
通过查阅数据手册，可以找到办理问题的电路，将CH340N原理图转化成下图所示。
然后是PCB增长三个元件进去后，须要重新调整。
起首，将之前的顶层和底层的铺铜区隐藏，然后再开始布线。
CH340N的RXD和TXD引脚这里毗连都须要删除，重新布线。
布线完成后，记得重新铺铜和DRC检查。
第二版本完成后，将焦点板插上开发板后又遇到了第二个问题。
在自锁开关断开后，将焦点板子插上开发板上，结果电源灯照旧亮了，并且给开发板供电上了。
5V排针是一直有电源的，当MCU某个引脚为低电平时，就大概和5V排针形成下面的电路，导致5V能直接通过这个电路给MCU供电。
办理办法也很简单，只须要将5V排针接到自锁开关控制的VCC，而不是由TypeC接口供电的VIN_5V。同时，3.3V的排针也须要毗连到由VCC控制的电源。
原理图的办理办法：只须要将5V转3.3V模块和排针模块的5V电压来源，由VIN_5V改成自锁开关控制的VCC。
PCB重新布线即可，然后须要重新来一遍泪滴，铺铜操纵。
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！更多信息从访问主页：qidao123.com:ToB企服之家，中国第一个企服评测及商务社交产业平台。 |
