Как сделать свою материнскую плату
Перейти к содержимому

Как сделать свою материнскую плату

  • автор:

Материнская плата — замена и подключение

Материнская плата – базис для всей системы. Выбирается она под процессор, все остальные компоненты универсальны и могут быть подключены к любой материнке.

Сокет и поддержка чипсетом конкретного процессора – основной критерий выбора этого элемента системы. Также важна совместимость с блоком питания и оперативкой, на следующих местах стоят охлаждение и качество/наличие дополнительных модулей, таких как звуковая карта, Wi-Fi/Bluetooth, дополнительный сетевой разъем и т.д.

Совместимость с процессором

Совпадение сокета на процессоре и материнской плате еще не означает их совместимость, материнка может спокойно не поддерживать вашу модель ЦП. Обратите внимание на чипсет – более старые модели чипсетов могут просто не уметь работать с новой моделью процессора. Чтобы убедиться в совместимости, посмотрите спецификации материнской платы.

Если вы не нашли такой информации, то сравните модель чипсета с вашим процессором. Это можно сделать на официальном сайтах:

  • Intel – поддержка процессоров по чипсету или поиск совместимых решений для процессора.
  • AMD – проверить версию чипсета AMD Ryzen.

У AMD, к сожалению, нет удобных инструментов для поиска совместимых решений. Но они и не производили такое количество разнообразных линеек, которые не имеют совместимости между собой, как Intel.

Разобраться в процессорах AMD намного проще, у них всего два актуальных разъема для десктопных материнских плат – AM4(мейнстрим) и TR4(топовые решения). А у Intel уже сейчас из актуальных можно выделить 1150, 1151, 1151 v2 и самый последний 1200, также есть альтернативные разъемы для топовых решений — 2011-3 и 2066. В то же время каждый сокет имеет примерно по 3-5 чипсетов, которые поддерживают далеко не все модели на своем разъеме. Поэтому нужно проверять совместимость по технической документации материнской платы.

Совместимость с блоком питания

Еще один параметр выбора материнки – разъем питания самой платы и процессора. Блок питания бывает с припаянными проводами или модульный (на фото).

Если провода припаяны, то поменять разъемы вы не сможете. Допустимо использование переходников, но тут есть свои особенности. Самый первый недостаток – уменьшение количества разъемов питания, так они будут заняты переходниками для питания платы.

Второй минус данного типа подключения – ненадежность, переходники могут иметь плохой контакт или просто отсоединяться в процессе работы. В лучшем случае компьютер выключится, в худшем – сгорит материнская плата. Так что если блок питания не подходит по разъемам к материнской плате, то лучше его не использовать.

Модульный БП немного дороже стандартного, но эти траты оправданы. Тут опять же есть несколько причин:

  • Эстетика. Нет лишних проводов, которые висят в корпусе, их не нужно прятать и подвязывать. Можно выбрать длину самих проводов, перепаковав разъем с другими проводками или просто купить уже готовые. Таким образом, в современных корпусах с нижним расположением БП вы практически не будете видеть проводку, ее можно полностью скрыть за материнкой или в специальных каналах, если они предусмотрены вашим корпусом.
  • Циркуляция воздуха. Висящие провода – это не только про красоту, они существенно замедляют продув корпуса. Вентиляторы сильнее трудятся, а обдув получается хуже, так как большое количество препятствий создает помехи для течения воздушного потока.
  • Меньше пыли. Провода в современной электроники делаются из меди. Если они находятся возле действующей схемы, по которой проходит ток, то создается электромагнитное поле, которое притягивает пыль. Этот эффект можно наблюдать на транзисторах и конденсаторах блока питания – несмотря на хорошую изоляцию они всегда будут облеплены пылью, которая сдувается только сильным потоком воздуха или счищается кисточкой.

Наиболее распространены материнские платы с питанием 20 Pin и 24 Pin, и большинство блоков питания имеет выход 20+4 Pin, то есть при желании их можно совместить и получить 24 Pin, а можно использовать отдельно. На фото – разъем питания на материнской плате 24 Pin и штекер питания материнки на БП 20+4 Pin.

С такими платами у вас скорее всего не возникнет никаких проблем, но есть специфические материнки с питанием 12 Pin, такой штекер не предусмотрен производителями БП. Выхода из этой ситуации два – переходник или можно купить сам штекер и перебросить провода по схеме распиновки.

Питание процессора на материнской плате

Разъемы под питание процессора бывают разные. Самый простой – 4 контакта, потом идет 6, 8, 6+4, 8+4, 8+8. Их количество определяется тем, насколько много питания нужно процессору при работе.

Что будет, если подключить вместо 8 Pin всего 4 Pin?

Ничего хорошего. Чтобы вы не увидели то, что показано на фото, нужно подключать все разъемы на свои места.

Для понимания процессов нужно разобраться в том, что такое электричество и как оно работает. Дабы не описывать курс физики за 8 класс, упростим.

Чем больше ампер (А), тем толще нужны провода. В ваттах (Вт) определяется мощность подключенного прибора. Ватты – это амперы, умноженные на вольты (В). Чтобы передать на 10 метров 1000 Ватт энергии в час с напряжением сети 220 Вольт, нужен медный провод диаметром 1,38мм. Если же мы используем сеть с напряжением 12 вольт и хотим передать столько же энергии, нам нужен медный проводник толщиной 5,64 мм.

Все дело в количестве ампер. Если при 220В нам нужно всего 4,5А, то при напряжении 12В – 83А. Обычный компьютерный процессор работает на напряжении от 1,1 до 1,7 Вольт, а потребляет 65-135 Ватт. Возьмем, например, Intel Core i7-11700K – он имеет пиковое энергопотребление 125 Ватт на штатных частотах. В разгоне он работает с такими параметрами – 1,36В при энергопотреблении примерно 310 Вт.

Путем нехитрых математических вычислений получаем цифру в 227А, не каждый сварочный аппарат способен выдать такое количество ампер на электрод. Бытовые сварки колеблются в районе от 120 до 200А. Еще один пример – 200А это верхний предел, на котором плавится электрод толщиной 5 мм. Такие электроды используются для сварки металла толщиной до 16 мм. Хотя на сварочном инверторе больше напряжение (40-80В), схема преобразования напряжения на инверторе очень похожа на ту, которая находится в материнской плате.

Чтобы материнская плата не плавилась и там не нужно было использовать провода толщиной с палец, она потребляет 12В и трансформирует их максимально близко к процессору, чтобы выдать нужный уровень напряжения.

Поэтому очень важно обеспечить хороший обдув и достаточное количество параллельных линеек питания. Это значит, что нельзя подключать разветвитель одного разъема, они подходят только для накопителей и периферии. К процессору и видеокарте должны обязательно идти отдельные провода из блока питания – на одном проводе не должно находится питание на два таких прожорливых разъема.

Совместимость оперативной памяти

Тут гораздо проще, оперативка отличается по версии – DDR3 или DDR4. Третья версия уже активно вымирает, четверка захватывает мир и уже скоро нам представят DDR5. Они не совместимы совсем, да это и не нужно. Главное – чтобы совпадала частота. То есть максимально допустимая частота памяти на материнке и процессоре должны быть равными штатным настройками планок оперативной памяти, которые вы туда ставите.

Желательно не ставить планки памяти разных производителей или с разными таймингами в одну материнку, если же другого выбора нет, то нужно разделить их на разные каналы, Распределяйте планки памяти так, чтобы они были в разных каналах, даже если они одинаковые, так вы повысите скорость записи и чтения данных.

Логика проста – большинство десктопных процессоров имеют два канала памяти, некоторые топовые модели могут работать с четырьмя каналами, то есть слотов может быть 6 или даже 8, но количество каналов ограничено. Если вы поставите две планки в один канал, то они вынуждены будут использовать ширину одного канала вдвоем.

Каналы памяти на материнке разделены по цветам, на фото – плата с шестью слотами и двумя каналами.

Процессоры с 4 каналами памяти

Из современных моделей только Intel Core i9 и i7 серии X обладают поддержкой четырех каналов памяти. Из модельного ряда AMD это Ryzen Threadripper 3000. Все они достаточно дорогие и находятся в сегменте топовых решений. В игровом компьютере без такой мощности можно с легкостью обойтись.

У таких процессоров свой сокет и материнские платы под него делаются с четырьмя каналами и 8 слотами, в редких случаях слотов может быть до 16.

Форм-фактор материнской платы

Сейчас есть около трех десятков разновидностей форм-факторов материнских плат. Вот примерный список:

  • AT (Advanced Technology) – один из первых форм-факторов материнских плат для десктопных компьютеров. Стандартный размер 305 х 305 мм.
  • ATX (Advanced Technology Extended) – самый распространенный формат, который захватил мир компьютерного строения. Чаще всего используется в десктопных ПК. Главным достоинством формата всегда была возможность размещать на плате сзади любые модули, не заставляя подгонять свои изделия производителей корпусов. Привычная нам заглушка (IO Plate), которая идет в комплекте с материнкой для установки на заднюю стенку корпуса ПК не всегда была стандартной. Принятый размер платы – 305х244 мм, но есть и другие в меньшую и большую стороны.
  • CEB (Compact Electronics Bay) – формат материнских плат для использования в серверах, в основном от компании Intel, Dell и IBM. Не используется в обычных компьютерах. Размер – 305×267 мм.
  • DTX – разъем созданный компанией AMD для сокращения расходов при производстве. Такой формат платы позволяет разделить промышленную текстолитовую заготовку на платы без обрезков. Полностью совместим с креплением под ATX. Стандартный размер – 203,20х243,84 мм.
  • EATX (Extended ATX) – увеличенный ATX, который позволяет разместить на плате больше модулей, в частности больше разъемов PCI. Стандартный размер – 304,8×330,2 мм.
  • FlexATX – один из самых компактных размеров материнских плат, является уменьшенной версией MicroATX, имеет чаще всего ограниченное количество слотов расширения. Такие материнские платы нередко имеют встроенный модуль WiFi/Bluetooth. Стандартный размер – 229 × 191мм.
  • FullATX – это не форм фактор, он попал в список только потому, что таким образом производители корпусов обозначают полную совместимость своего продукта со всеми форматами ATX.
  • Mini-ITX – небольшой формат плат, который пришел на смену ITX, а он почти не использовался, его даже не будет в этом списке. Стандартный размер mini-ITX – 170х170 мм.
  • Mini-ATX – небольшие платы размером 284х208 мм.
  • Mini-STX – очень маленькие платы для мини-ПК или моноблоков, сама плата стандартно 140х147 мм.
  • XL-ATX (Extra Large ATX) – формат увеличенных плат, который используется в топовых компьютерах для размещения большого количества модулей в одной системе. У разных производителей габариты отличаются на 2-3 мм в каждую сторону. Самый большой формат у MSI, эти ребята режут текстолит по 345х264 мм.
  • MicroATX – широкие платы с небольшой длинной, но шире FlexATX и MiniATX. Стандартный размер – 244х244 мм.
  • WTX – огромные платы размером 356х425 мм. Применяются в качестве материнских плат для серверов на платформе Intel Xeon.

Сравнение форм-факторов материнских плат

Чтобы вам было проще понять, смотрите картинку. Расшифровка:

  • Красный – FlexATX (229х191 мм)
  • Оранжевый – microATX (244х244 мм)
  • Желтый – Mini ATX (284х208 мм)
  • Зеленый – стандартная ATX (305х244 мм)
  • Синий – Extended ATX (EATX) (305х330 мм)
  • Фиолетовый – WTX (356х425 мм)

Как заменить материнскую плату

Вам потребуется такой набор инструментов:

  • Отвертка маленькая и большая с крестовым наконечником.
  • Чистая тряпочка и спирт для чистки компонентов.
  • Новая термопаста для установки модулей.
  • Желательно иметь пинцет, не у всех материнских плат все элементы в зоне доступности.
  • Емкость для болтиков, чтобы их не потерять.
  • Флешка, диск или любой другой накопитель с драйверами на новую материнскую плату. Если вы не скачаете заранее сетевой драйвер, то есть вероятность, что система просто не сможет подключиться к интернету, так как не умеет работать с новым сетевым адаптером.

Важно! Не используйте шуруповерт, из-за высокой скорости вращения и мощности легко можно повредить нежные компоненты на плате, если бита соскользнет. Допустимо использовать аккумуляторные отвертки вроде Xiaomi Mijia Electric Screwdriver или Bosch IXO IV. У них не такая большая скорость вращения и мощность заметно ниже.

Действия при замене материнской платы

Материнская плата – это основа всего компьютера и к ней подключено все. Перед тем, как ее вытаскивать, обязательно нужно отключить питание. Отсоедините все провода сзади корпуса, отключайте все, от мышки до монитора, там не должно остаться ничего.

Снять крышку

Нас интересует левая крышка, если смотреть спереди корпуса. Открутите винты (они сзади) и сдвиньте влево, она легко отсоединится от корпуса. Если у вас крышка корпуса стеклянная, то она прикручена четырьмя винтами по краям. Они могут быть как под отвертку, так и с накаткой для того, чтобы открутить их вручную.

Достать видеокарту

Она прикручена к поддерживающей стойке. Там может быть безвинтовой зажим, но она точно прикреплена к нему. Не забудьте отжать защелку на PCI-E разъеме: если этого не сделать, можно легко повредить как материнку, так и саму карту.

Более подробную инструкцию можно посмотреть здесь.

Отключить разъемы питания и вентиляторы

Помните, что разъемы питания всегда имеют защелку, которая надежно фиксирует их в гнезде, обязательно отогните ее при отключении. Хотя разъемы надежно запаяны, пластиковый корпус контактов снимается достаточно легко, придерживайте рукой крепление или примените рычаг на штекере, используя пинцет или нож.

Также выдерните все подключенные вентиляторы. Если они подключены напрямую к блоку питания по MOLEX, их также следует отключить.

Вынуть блок питания

В большинстве корпусов он не препятствует замене материнки, но, чтобы вам было удобнее орудовать отверткой, его лучше вытянуть. Открутите винты на задней крышке системного блока. На фото красными стрелочками показаны блоки питания в корпусе с верхним расположением БП (слева) и с нижним (справа). Они прикручены четырьмя винтами – откручивайте и вынимайте.

Важно! Блок питания – одно из самых запыленных мест в компьютере, так как там много магнитных полей, которые притягивают к себе пыль. Если уж вы его сняли, лучше открыть крышку и продуть его сжатым воздухом или хотя бы почистить кисточкой, после чистки он будет работать тише и станет меньше греться.

Снять радиатор с процессора

Отогните прижимной механизм, если у вас AMD, или поверните 4 пластиковых прижима, если вы используете процессор Intel. Если у вас дорогая система охлаждения с большим количеством трубок, она может быть прикреплена на усиливающую плану винтами. В таком случае нужно открутить винты, чтобы снять радиатор.

После того как сняли радиатор с процессора, нужно почистить радиатор и крышку процессора от термопасты, повторно ее использовать нельзя, а если оставить ее там, она может запачкать вам что-то.

Снять процессор

Для этого нужно отогнуть лапку и достать его из гнезда. Если у вас AMD, то он тут же выпадет, поэтому желательно проводить все эти манипуляции, положив материнскую плату на бок, чтобы процессор не упал на пол или в корпус. Если это произойдет, он может повредиться, или ножки контактов могут погнуться, а то и вообще отпасть.

Камушки Intel прижаты металлической рамочкой (на фото). После того, как отогнули лапку, нужно открыть прижимную рамочку.

Вынуть планки оперативной памяти

Достаточно нажать на пластиковые защелки по бокам самой платки, и она выскочит из гнезда. Лучше всего нажимать их одновременно, чтобы плату не перекосило, но это не критично. Если компьютер уже старый и давно не чистился, на контактах оперативной памяти могут быть темные пятнышки, их легко можно убрать при помощи спирта, а затем протереть обычным ластиком для карандаша. После чистики контакт станет лучше и надежнее.

Отсоединить NVMe накопитель

Если у вас такой есть, конечно. Открутите болтик и достаньте плату из гнезда.

Снять материнскую плату

У вас могли остаться подключенные вентиляторы или накопители, к разъемам которых вам было неудобно подлезать. Но сейчас нужно отключить абсолютно все провода.

Чтобы достать плату из корпуса, нужно открутить болтики. На разных платах могут быть разное количество болтиков, это зависит от форм фактора, откручивайте все.

Важно! Не откручивайте радиаторы чипсета. Они крепятся напрямую к материнской плате и не участвуют в креплении материнки к корпусу.

На фото – крепление радиатора чипсета и отверстия для болтиков крепления материнки к корпусу. Нам нужны только вторые, они очерчены и имеют армирование в месте контакта со шляпкой болта.

Последним штрихом будет демонтаж заглушки сзади корпуса. Она крепится на защелках, вам нужно подковырнуть их сзади корпуса и выдавить ее изнутри корпуса наружу. Не применяйте силу, слабый тонкий металл корпуса легко выгнуть, а загнуть его ровно обратно будет непросто, скорее всего останется вмятина.

Установка новой материнской платы

Вам нужно повторить все те же действия в обратном порядке. Помните, что лучше подключить все неудобные разъемы вначале, а уже потом закрывать их массивным радиатором охлаждения процессора, планками памяти и видеокартой.

Новая материнская плата не нуждается в каких-либо действиях с вашей стороны, она уже готова к установке, главное – не перепутать, какой стороной ее нужно ставить. Чтобы не допустить такой ошибки помните – процессор всегда сверху, а PCI-E слоты – снизу.

Когда и как устанавливать заднюю планку (заглушку)?

Заглушку можно установить в любой момент, она защелкивается снаружи и не требует доступа к задней крышку изнутри корпуса. Просто совместите вырезанные отверстия и выходы уже установленной материнской платы и плотно прижмите до характерного щелчка. Планочка должна стать на свое место без проблем, все они стандартные.

Что делать после замены материнской платы

Windows 10 нормально относится к замене любого оборудования и должен запускаться в любом случае. Однако есть ряд нюансов, связанных с лицензированием, которое подвязывается к MAC-адресу вашего компьютера так, что использовать его после изменения конфигурации невозможно.

Чтобы сохранить за собой пользовательскую лицензию, вам нужно создать учетную запись Microsoft и связать ее со своим компьютером. Сделать это можно, перейдя в параметры Windows – «Учетные записи».

Далее вам предложат войти или создать учетную запись Microsoft. Сделайте все, о чем вас попросит мастер регистрации. Обязательно нужно привязать почту и номер телефона, принять код и ввести его. Только так можно активировать запись и связать ее с вашим мобильным, чтобы восстановить свой ключ после изменения конфигурации системы.

Потом возвращайтесь на главную страницу настроек и кликайте на «Обновление и безопасность», а потом «Активация». Нажмите «Добавить учетную запись» и введите те данные, которые от вас потребуют.

Теперь нужно перейти в «Панель управления» – «Обновление и безопасность» – «Активация» и кликнуть на пункте «Устранение неполадок». Выбираем надпись «На этом устройстве недавно были изменены аппаратные компоненты», нажимаем «Активировать». После этих действий ваша лицензия будет сохранена и подвязана к вашему аккаунту Microsoft, вы сможете ее восстановить в любой момент.

Замена материнской платы на ноутбуке

Поменять материнку на ноуте сложнее, чем на компьютере, придется полностью разобрать свой ноут. Сложность заключается в том, что каждая модель ноутбука разбирается по-разному. Лучше всего иметь под руками другое устройство с видео о разборке вашего аппарата. Это поможет вам разобраться с тем, как разобрать ноутбук и как его собрать. Причем собрать его гораздо сложнее, чем разобрать.

Платы на ноутбуке не стандартизированы, как на десктопных ПК, так что вам нужно точно такая плата, как у вас уже есть. Исключением могут быть модели в одном корпусе с разной мощностью и слотами. В таком случае чаще всего есть возможность установить более продвинутую материнскую плату в простенький корпус. Но вам нужно точно знать, что она подойдет.

Еще один нюанс – не всегда процессор и видеокарта присоединены к материнке с помощью разъема. Иногда их припаивают (как это выглядит – на фото). Дело в том, что обычно производителям нет смысла устанавливать разъем и паять к процессору ножки для контакта, проще на заводе склепать плату на один только припой и так продавать готовое устройство. Очень небольшое число моделей ноутбуков используют съемный процессор и видеокарту.

Если вас интересует, сможете ли вы припаять самостоятельно процессор, то ответ однозначный – нет, не сможете. Чтобы снять процессор, вам потребуется инфракрасная паяльная станция. Стоимость нормального экземпляра уходит далеко за тысячу долларов, а самые простые начинаются от 500$. К такому оборудованию нужно еще и умение, оно не будет снимать камушек за вас.

Чтобы припаять обратно процессор, нужен припой в шариках соответствующего диаметра и трафарет для его нанесения.

Когда каждый шарик станет на свое место, нужно прогреть припой и расплавить его, лудя таким образом контакты. Потом нужно совместить процессор со своим местом на плате и отправить для припаивания на паяльную станцию.

Такие действия требуют профессионального подхода, очень легко при установке закоротить выходы процессора или попросту сжечь плату вместе с самим камушком.

Зачем и как мы разработали свою серверную материнскую плату

Максим Лапшин — владелец Эрливидео, его компания уже 10 лет разрабатывает серверный софт для доставки и обработки видео. Его использует телевидение, он нужен для работы с камерами. Софт работает с разными вариантами железа, доставка — цифровая.

При этом заказчики частенько спрашивали и про железо. Сначала разработчики отправляли клиентов подбирать его самостоятельно, но не все были этому рады — большинство хотят получать все в одном окне. Одновременно копилась статистика, когда клиенту обычно продают то, что надо сбыть продавцу. В итоге, если что-то не работало, виноват был Эрливидео.

Так родилась идея создать свою материнскую плату. Идея переросла в большой квест, про который Максим рассказал на HighLoad++ Весна 2021. Все детали прохождения — в сегодняшней статье.

Сначала мы решили обкатать всё на чужом, готовом железе, подходящем под наши задачи. Мы нашли производителя сервера, в который могли бы воткнуть нужные нам ускорители, и написали огромное количество софта, чтобы это заработало. Отдельной головной болью было найти упаковщика Linux для нашей железки. Потому что это абсолютно вылетающая из всех реестров профессия.

Так или иначе, мы это запустили, поставили клиентам, они попробовали и им понравилось. Так мы продали наше первое железо. Но одновременно мы захотели, во-первых, улучшить характеристики, а во-вторых, сделать дешевле. Так мы пришли к идее разработки собственной материнской платы.

Заказываем своё железо

Форм-фактор

Вариантов у нас было два. Стандартный форм-фактор или четырех юнитовый сервер, в который набиты видеокарты. Но так как последний сейчас невозможно купить из-за майнеров, мы выбрали форм-фактор ATX — он втыкается куда угодно.

Он же подошел по двум другим важным моментам — электричество и отвод тепла. Железок на 4 юнита и 2 киловатта в стойку можно поставить максимум три. Больше 6 киловатт на стойку — это предел, за которым заканчивается теплоотвод. Хотя один из наших клиентов в свой дата-центр завел городскую холодную воду, выпуская обратно немножко не такую холодную воду. Но не у всех есть возможность подогреть воду для целого города.

Плата

В разработке плат у нас опыта не было. Один коллега когда-то заказывал маленькую плату, другой возился с этим. Мы представляли в целом, что там есть текстолит, медь. и на этом наши знания заканчивались. Но зато мы понимали, что именно хотим получить — и решили найти студию разработки железа. Нам казалось, что сделать им заказ будет также просто и предсказуемо, как ремонт в квартире.

Выбор подрядчиков

Первое знакомство с железячниками было отрезвляющим, потому что у нас в стране они чаще всего работают через госзаказы, а то и гособоронзаказы, что совсем грустно — они очень специфичные.

Очень многие хотели Техническое Задание (говорить с придыханием). Конечно, мы его родить не могли. Мы пришли всего лишь за дизайном карты, за общими ориентирами, и не представляли, какие детали там должны быть. А так как исполнитель лучше нас разбирается в этом, любые договорные отношения были бы нечестными априори. Нам могли любые вещи вписать в договор, и мы бы не поняли, что это означает. И, конечно, невозможно начать с MVP, потому что нельзя сделать маленький кусочек платы, запекая ее по чуть-чуть. Её сразу надо делать, и с первого раза она должна запуститься (нет).

Но представим, что мы все-таки напишем ТЗ. Тут может быть другая проблема — чем больше мы на этапе дизайна будем вносить технических деталей в техническое задание, тем больше шансов всё похоронить. Потому что мы можем вписать по ошибке что-то, что поднимет ценник в 2 раза или сделает задачу вообще нереализуемой. Чтобы нам не сказали потом: «Это же вы написали! Вы же сами захотели посреди комнаты фонтан!», мы искали экспертизу исполнителя еще на этапе проектирования.

В других странах, вероятно, по-другому, но мы хотели начать с России. Поэтому я не буду говорить про топовые фирмы типа Antmicro, это офигенные, восхитительнейшие ребята. Они даже делают софт для отладки дизайна, то есть заранее его моделируют. За этим будущее, но пока не все в это будущее пришли. Наши середнячки хотят писать софт сами, потому что привыкли делать сразу ПАК (программно-аппаратный комплекс). Но нам не были нужны их услуги.

И, честно говоря, весь софт для проектирования железа, что я увидел на рынке дизайна железа — ужасен. Если вы пользовались Rational Rose и пытались коммитить в CVS, или работали с Zope, то знаете, что это больно, это кошмар. Также там не пользуются системой контроля версий — у них нет практики, например, построить дельту, чтобы посмотреть изменения. Поэтому вычислить, что поменялось между двумя файлами с дизайнами — целая история. Естественно, о встройке этого софта в GitLab или куда-то еще — речь даже не идет.

Кроме того, большинство железячников не очень итеративны. Для многих из них не понятно, как можно попробовать что-то, потом еще что-то — и идти маленькими шагами. Нет, они говорят: «Давайте сделаем всё сразу, и у нас сразу хорошо получится!». Когда я слышу такое от девелоперов, у меня сводит скулы. И с софтом, и с железом так обычно не получается, но они там все еще считают, что это возможно.

В итоге мы начали экспериментировать сами.

Делаем железо своими силами

Мы же разработчики — мы знаем, что надо экспериментировать. Чем раньше fail, тем быстрее получим результат. Даже если по мнению железячника PCI Express линии обязаны быть друг от друга на строго фиксированном расстоянии, мы их можем, например, подвесить в воздухе. И всё, оказывается, будет работать — просто не так быстро, как нужно. Но мы хотя бы пощупаем, как это работает.

Наши эксперименты показали, что дни прототипирования берегут месяцы производства. Собрав прототип на столе, мы выиграли не меньше 8 месяцев на том, что протестили железо. Потому что сразу выяснились некоторые проблемы, и мы смогли что-то переделать.

На столе мы проверили почти всё, что смогли: управление питанием, ethernet, другие устройства. Мы выяснили, как правильно запустить процессор, потому что из документации это было не совсем понятно. Конечно, запустить Intel’овский процессор класса Core​ i9 на столе — это безнадега. Потому что это очень сложное устройство с жутко синхронизированными таймингами старта, подачей напряжения и пр. А вот system on module — вполне можно. Плюс мы разобрались с разной периферией, например, с gpio и i2c — низкоскоростными шинами, по которым вся эта машинерия вместе связывается, — и заставили их работать.

Всё, что мы поленились проверить, поехало во вторую итерацию. Это +1 год. Например, мы не проверили сеть на перекачку пакетов. Понадеялись, что она будет держать гигабит в нужных условиях. Но потом выяснили, что не у всех ARM есть APIC, и прерывания живут на одном ядре. А значит, он схлопнется где-то на 200-300 Мб перекачки данных и не сможет выйти на максимальный перформанс.

Результаты экспериментов помогли нам в общении с железячниками. Мы сами поменяли ряд требований после того, как их проверили. На прототипирование у нас ушло 2-4 недели, что не такой уж большой срок на фоне общего времени проекта, одно растаможивание занимает 3-4 недели. Так что пока вы согласовываете договор с железячниками, можно успеть выяснить те детали, которых не хватало.

Также мы выписали гипотезы о том, что может похоронить проект. И на этом же этапе сформировали очень важный список требований, что мы будем проверять, когда получим плату.

Софт

Софт надо писать и тестировать сразу же. Если подождать готовой железки, вас ждет +1 год на вторую итерацию. А если софт будет готов к получению платы, вы сразу сможете его залить и проверить, что не работает, чтобы сформировать вторую итерацию. Она будет, можете не сомневаться.

При этом мы сразу проектировали железку под автоматизированную тестируемость, чтобы можно было подключить еще один компьютер. Написали набор тестового кода, который заливает всю firmware и полностью ее прошивает. Это можно делать в цикле CI, выжигая флешку до упора, чтобы можно было поменять и заново это все сделать. Я не знаю, как обеспечить качество без CI. У железячников с этим очень плохо. Они привыкли к концепции ручного тестирования — прокликал и нормально, отправляй, дальше разберутся.

Удаленная управляемость и разрабатываемость

IPMI и его аналоги мы тоже запланировали сразу. Управление питанием, прошивкой — это непросто и очень важно. Железячники не считают это нужным по умолчанию, и далеко не все компьютеры легко сделать удаленно управляемыми. Например, для десктопа это целая история. Даже среди серверов есть экземпляры без банального IPMI.

Наверное, для сотового телефона это и не очень нужно. Но если какую-нибудь умную колонку сделать с плохим управлением, как ее восстанавливать, когда она окирпичится? Мы же теперь можем прямо сказать клиенту: «Слушай, апгрейд прошел плохо, воткни флешку, мы вместе сейчас её пресетим», потому что возить плату из Чили и обратно — долго и дорого.

Разрабатываемость тоже нужна удаленная, вплоть до UART снаружи. Шансов на то, что вы наймете человека, способного писать прошивку на этот девайс в том же городе, где он находится — мало. Поэтому мы заранее продумали, чтобы человек мог делать это удаленно. Особенно, когда всех заперли по домам и запретили ездить на работу.

Выбор подрядчиков

Параллельно с экспериментами мы продолжали искать исполнителей для дизайна, проектирования, печати и распайки компонентов. Это можно делать в одной компании, а можно в разных.

Например, по совету мы пришли к известной китайской фирме. Те исчезли в закате. Через два месяца наш клиент пришел к нам с китайской платой по нашему дизайну и просьбой написать софт под неё. Выводы делайте сами.

В итоге нам повезло найти людей, которым хватило схемы на салфетке — человек молча вынул из кармана пример похожей штуки и сказал: «Я такое делал, тебя понял. По деньгам договоришься, а я займусь своим любимым железом». В этом хорошем взаимном процессе мы наконец родили описание всех схем, в том числе ЭПС — электрическую принципиальную схему.

Квалификации программиста здесь еще достаточно для понимания всех деталей. А их очень важно прояснить. Например, с SDK. Нам предлагали поставить роутер на чипе за 5$, но к нему — SDK за 100K$. Или нам не хотели продавать разъемы из-за того, что «у вас в стране КГБ и шпионы». И мы покупали на Эру.

Это был последний этап, где я еще мог что-то понять, дальше все стало намного сложнее. На уровне электроники начинаются резисторы и конденсаторы. Я в этом не разбираюсь, и мог лишь доверять исполнителям. Но и это были еще цветочки. После этого этапа начался кондовый опыт исполнителя.

Механика

Нам был нужен человек с опытом создания платы и получения брака и нам был терморасчет двух опорной шарнирной балки для нашей железки. Потому что материнская плата может изгибаться при нагреве и расслаиваться. Несмотря на мизерное потребление в 100 ватт нашей платой, по ней проходит хоть и низковольтовый, но огромный ток. 220-100 ватт превращаются в полвольта, т.е в 400 раз больше! В результате плата греется и начинает гулять. А если максимальный нагрев — между винтами, то в этом месте плата начнет выгибаться.

Причем это обычное дело. У нас есть аналитики, которые тренируют нейросетки на полубытовых компьютерах. Их железо уходит в максимальный нагрев на неделю-две, и потом может не выйти. Потому что материнская плата реально расслаивается — мы такое видели. Но здесь мы не могли этого допустить. Поэтому человек, который проектирует плату, должен был точно знать, где будут точки крепления, чтобы туда перенести зону максимального нагрева. Заодно сделав это так, чтобы весь корпус не сильно гулял.

Короче, я понял, почему сервера железные, а не пластмассовые — иначе материнка их порвет на части. Это будущая надежность. Для бытового компьютера это не так важно, потому что он поработал и выключился. Мы же рассчитывали на 100% нагрузку 7/24 на весь срок жизни платы.

Но и это еще не все.

Технология печати

После этого свои поправки начинают вносить технологи печати и распайки — это нельзя напечатать, то нельзя распаять. При печати есть нагрев, прогрев, остывание, есть процессы и просверловки. Нельзя, например, просверлить только 4 слоя (можно, но фантастически дорого). Поэтому сверлят насквозь, и если просверлят что-то не то, будет грустно. Поэтому проектировщик должен скомпоновать все 12 слоев и тысячи дорожек так, чтобы, просверливая в нужных местах, все оказалось в нужном месте, и при этом при остывании плату не покоробило.

Например, технологи возвращали нам платы со словами: «Это нельзя сделать», и железячники перекомпоновывали детали на плате — переносили, перетаскивали. Отсюда может пойти смена функциональности. Например, мы хотели разместить 4 SSD, но нам сказали, что придется оставить только 2. Мы старались быть готовыми к тому, чтобы очень быстро менять даже концепцию железа, потому что приходится учитывать реалии.

И пока технологи создавали плату, мы стали покупать компоненты.

Закупка компонентов

Здесь есть ряд нюансов. Если взять много, что-то останется лишним, а это дорого. К тому же, пока вы перекомпоновываете плату, что-то может стать ненужным. Взять мало — не хватит, и придется потерять 2-3 месяца на ожидание новых компонентов. Конечно, мы выбрали первый вариант, и у нас осталась россыпь ненужных резисторов.

Но основная проблема в том, что если мы хотим печатать в России, то наш перечень номеров деталей, которыми усыпана вся материнка, не совпадает с международной номенклатурой. Эра не поможет. Потому что компоненты, как правило, подбираются не как «Нам нужен резистор марки такой-то», а «Нам нужен резистор, у которого такие-то характеристики, и пускай программа сама подберет что-то под них». Это больно.

Поэтому мы выбрали печать в Тайване, а распайку — в Москве. Получилось хорошо. Наоборот вышло бы плохо: в России таких плат из 12 слоев, к сожалению, делать пока не умеют, это возможно только в Тайване или в Германии.

После того как мы все согласовали, а завод принял наши детали, прошло примерно 4 месяца. Наша плата приехала в офис.

Отладка

4 месяца — это фантастически быстро, но плата, конечно, не включилась — и мы взяли в руки вольтметр и осциллограф. Верхнего слоя лака на плате не было, и мы могли подпаивать или распаивать проводочки, обрезать линии. Хороший проектировщик, самый рискованный, выносит для этого линии наверх — потому что на третьем слое снизу, как правило, это невозможно.

Одновременно мы судорожно переделывали софт, потому что какие-то детали оказались не такими, как казались.

На этом этапе у нас была офигенная история. Сестру этой платы курьер при доставке к дизайнеру-железячнику просто выбросил по пути в мусорный бак. Плату, которая была практически в единственном экземпляре. Этот риск мы вообще никак не могли предположить — это как упавший метеорит. В целом, здесь может что угодно пойти не так — вплоть до того, что можно выяснить, что на такой конфигурации вообще ARM не заводится.

Но мы завершили отладку, и у нас на столе появился первый образец готовой платы. Она запустилась и заработала, но как мы выяснили — не на полную мощность. Поэтому мы вспомнили про тот поток идей, которые на первом этапе отсеяли со словами «Это будет дальше». Сейчас мы делаем на их основе второй девайс, потому что первый на продажу не вышел.

Во втором мы перекроили сетевое ядро, заменили форм-фактор и главный процессор. За год NVIDIA тоже выпустила другие процессоры на новом форм-факторе. Это не так страшно, мы вносим изменения. Во время отладки мы выяснили, что упустили, и как плата будет работать. Со второго раза она должна получиться идеальной и, скорее всего, уже пойдет в продажу.

Итоги

Мы понимали, что ошибемся практически везде, где только можно, поэтому просто отнеслись к этому с пониманием. При создании второго прототипа мы учли все ошибки, что совершили в первом. Более того, мы остались партнерами с вендором, на чьем железе создали свой пробный транскодер. Его сейчас тоже продаем, это прекрасный канал сбыта.

Наш первый прототип похож на него, но в 2 раза меньше съедает электричества. Кроме того, он намного дешевле, потому что Intel — это дорогая штука, а у нас ARM, который стоит просто копейки по сравнению с ним. Ну и просто круто от Intel отказаться!

Со вторым прототипом мы рассчитываем получить предсказуемую и проверенную конфигурацию. Ее будет легче обеспечить качественную поддержку из-за отсутствия многочисленных вариантов железа. Продажи теперь будут гораздо быстрее, time to market — ниже, так как не нужно будет ждать неизвестно сколько времени (то ли один день, то ли два месяца), когда приедет нужная видеокарта. И прибыль от всего этого, конечно, никто не отменял.

В этом году нас ждёт ещё два HighLoad’a: 20-21 сентября в Санкт-Петербурге и 25-26 ноября в Москве. Приём заявок на московские выступления открыт, все подробности здесь. Питерское расписание уже готово.

Билеты уже в продаже. Их стоимость растёт — чем ближе к мероприятию, тем дороже. Вы можете сегодня забронировать себе места по текущей стоимости, и затем у вас будет несколько дней на то, чтобы принять решение. Текущая стоимость до 31 июля: в Питере, в Москве.

Встречаемся на конференции!

  • highload
  • железо и технологии
  • прототипирование
  • производство электроники
  • производство печатных плат
  • высокая производительность
  • сделай сам
  • Блог компании Конференции Олега Бунина (Онтико)
  • Высокая производительность
  • Производство и разработка электроники
  • Компьютерное железо
  • DIY или Сделай сам

Как делают материнские платы: на примере Iwill

Нормальный советский человек, с юности воспитанный в идеалах громаднючего совкового производства, с большим трудом воспринимает современную реальность hi-tech производства. Если не повернуто вспять пару рек, не снесено пару гор, не стоят великие и могучие стены производственных цехов, не ездят туда-сюда мегатонные краны и не подведена железная дорога с колючей проволокой — то это не производство, а фигня несерьезная.

Помню, в бытность моей службы в красной армии довелось руководить ротой очень конкретных стройбатовских бойцов, состоящую полностью из наших южноазиатских соседей — вот как раз подобный заводик в Строгино (западный район города Москвы) мы и возводили. Назывался он «Орбита» и должен был производить всякую чушь, типа магнитол, телевизоров и приемников. Старшее поколение прекрасно должно помнить этот трейдмарк, ну, а молодежи о нем лучше не рассказывать. Не знаю, чем они сейчас занимаются, но каждый раз, выезжая из дома в Кунцево до «Шереметьева-2», как раз и проезжаю сей объект, с умилением вспоминая былую молодость и глупость 😉

Вот это были цеха так цеха. Не чета нынешним. Если подсчитать площадь цехов одной только «Орбиты», то я вам клянусь — они как раз будут равны производственным площадям всей компьютерной индустрии Тайваня (. ). Да, реальность именно такова. Каждый раз, посещая очередную местную компанию — просто поражаешься, до чего компактно и продумано до каждой мелочи их реальное производство «реальных железок».

«Производство» — это, всего-лишь, повторяю, «всего-лишь»(!) — один из этажей их билдинга в каком-нибудь технопарке рядом с Тайпеем, где остальные этажи занимают маркетинг, сейлзы, инженеры и все остальное, необходимое для нормального функционирования современной компании.

Отнюдь не каждая IT-компания позволяет вести съемку внутри своих производств. Для примера, когда мы с Андрюшей Воробьевым (iXBT-video) сидели в Торонто и наслаждались видами производства видеокарт серии X800, то снимать весь процесс было категорически запрещено. Ну, что делать, . хотя я думаю, что это действительны было бы интересно многим нашим читателям — как же все это выглядит — станки, развалы еще чистых PCB, деталюшечки, тестирование готовой платы & other interesting features :-).

Еще один пример — Gigabyte, где никакого журналиста в центральном Тайпейском офисе не пускают дальше отдела маркетинга (через четыре дня на Тайвань прилетает наш эдитор раздела MoBo — Starter и поимеет две экскурсии по Тайваню — на фабрику GBT и TSMC — если разрешат снимать, то нас ожидают увлекательные репортажи с места событий).

 Iwill

И все же нам удалось немного подсмотреть — как же они производятся, эти «материнские платы» на примере компании IWILL

Офис Iwill

Итак, по порядку.

Пятиэтажное здание в южной части Тайпея (в двадцати минутах поездки на такси от моего отеля — 200руб), где на четвертом этаже и находится производство материнских плат. Это совершенно нормальная ситуация. Тот же самый производитель оверклокерской памяти GEIL — сидит рядом в соседнем бизнес-комплексе из сотен всяческих компаний и его производственные линии находятся в том же здании (репортаж о том, как производятся модули памяти на примере компании GEIL будет готов завтра).

 Iwill

Все производство — две линии длиной метров двадцать. Просто фантастика! Просиживая штаны в Москве, не очень поймешь, как же все это «фунициклирует» и как производится. Фантазии далеки от реальности, нынешнее производство материнских плат — это несколько станков (ну, очень серьезной стоимости), после которых получаем в подарок готовую материнскую плату 🙂

Вся производственная линия IWILL (склеено два снимка)

 PSB Iwill

Лет так двадцать назад любую печатную плату можно было протравить соляной кислотой в домашних условиях, они состояли всего из двух слоев — front & back. Тот же самый журнал «Радио» в каждом выпуске публиковал десятки PCB для их последующего копирования всеми радиолюбителями CCCP (за что им громадное спасибо). Сейчас, не все так просто и тысячи радиолюбителей, наконец, перестали портить с ранних лет свою потенцию, вдыхая пары купрума. Современные платы для материнских плат, это как минимум 6 слоев дорожек:

Еще чистенькие pcb`шки — с них все начинается

PCB (печатные платы) всеми производителями конечной продукции заказываются совсем другим компаниям, мало кто их делает сам. Производители имеют целый список партнеров, и, в зависимости от сложности и многослойности разводки, выбирают очередного изготовителя печатной платы с учетом сложности производства.

Производственная линия изготовления материнских плат начинается с того, что заряжается очередной бокс с чистыми PCB и покатилось:
 Iwill Manufacture
Первый этап:
наносим по трафарету паяльную пасту

 Iwill Manufacture
Второй этап:
Четырехголовочный станок (Four heads) расставляет компоненты сразу на четыре платы

 Iwill Manufacture
Радиодетали (конденсаторы, резисторы, дроссели, транзисторы — одним словом, «компоненты», как говорят на Тайване, подаются на барабанных лентах)
 Iwill Manufacture
Вот они эти «компоненты»
 Iwill Manufacture
Станок забирает очередную деталь с ленты и ставит ее на нужное место материнской платы

Станки работают очень шустро. Скорость забора и монтажа «компонентов» на плату просто фантастическая! В реальном времени, это можно посмотреть в нашем клипе — сори, но под рукой нет софта для конвертации этого клипа в mpeg4 — придется качать 4,5Mb 30-ти секундного AVI для восприятия атмосферы реального производства — но настоятельно рекомендую посмотреть нашу DV съемку 😉

 Iwill Manufacture

Еще несколько станков с расстановкой компонентов (в один станок невозможно уместить все разнообразие необходимых номиналов резисторов, конденсаторов и микросхем) и плата подается на последний этап, где производится пропекание, т.е. припайка компонентов к плате.

Окончательная припайка всех компонентов

Тут же подать на плату 400 градусов по Цельсию для припоя компонентов к PCB — рискованное занятие. Последний станок как раз и нагревает плату в 8 последовательных этапов для окончательного припаивания всей нанесенной базы компонентов. До этого они просто «приклеены» к паяльной пасте (здесь её называют «силикон»), а после — припаяны.

 Iwill Manufacture

Перед этим последним станком стоит промежуточный робот, который делает визуальный контроль, правильно ли все расставлено:

Конечно, весь визуальный контроль расположения компонентов делает сам станок, монитор и окошко — это не более чем бижутерия 😉

 Iwill Manufacture

Весь процесс программирования станков и контроля над всем производством осуществляется одним оператором:

 Iwill Manufacture

После пропекания (припаивания) в конце линии выходит готовая материнская плата:

Mason Su (General Manager IWILL) демострирует нам готовую плату

 Iwill Manufacture

Последняя и основная операция — контроль качества:

Little Chinese girls

 Iwill Manufacture

У всех очаровательных китайских барышень на лице маски — чтоб не запотевали линзы от дыхания:

Little Chinese girls

Вот так изготавливаются материнские платы 🙂 Осталось расставить пластиковые коннекторы, гнезда и шины, упаковать, укомплектовать и разослать по заказчикам.

А под конец немного статистики и цифр. Вся эта производственная линия со всеми её станками, производства компании Siemens, стоит 1,5 млн баксов. Время жизни — 5 лет. Этот life time не означает, что линия навсегда сломается и не запустится — просто, она морально устареет и потребуется установка нового оборудования с более современными технологическими нормами, если компания не желает тихо умереть.

 Iwill Manufacture

За месяц на этой линии изготавливается 10 000 плат, причем, тонкость в том, что сегодня линию могут зарядить на производсто i865 в плате стандартного формата, а завтра придется изготовить пару тысяч «some new chipset from NVIDIA» — большая просьба к читателям не сильно распространять информацию об этом фото на западных сайтах в ближайшие два месяца, до официального лонча продукта 🙂

 Iwill Manufacture

Ну, а это совсем секретный проект Intel под названием «новый соккет LGA775»:

Intel CPU LGA775

Разрешили снять и опубликовать совершенно официально и на самом верхнем уровне — управляющий менеджер (и один из владельцев) IWILL!
 Intel CPU LGA775
Intel CPU LGA775 (front) у меня в руках
 Intel CPU LGA775
Intel CPU LGA775 (back) у меня в руках

 Intel CPU LGA775

Как видно на фото — на этот раз все наоборот. У процессора только контактные площадки, а у сокета — штырьки.

Intel LGA775 socket

Some more photos from our visiting IWILL

 Iwill Manufacture
On their heads — Dual-processor Opteron in a format Mini PC(. ) — Mason Su & JP
 Iwill Manufacture
Склад лент с деталями
 Iwill Manufacture
Сидим, обедаем с нормальными пролетариями
«Китайской Демократической Республики на острове Тайвань»
(Dining room Iwill)

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 2: Создание устройства

image

В предыдущей статье мы рассказали о том, что такое электронное устройство и как начать разработку собственного девайса. Мы рассмотрели следующие этапы:

  • проработка концепции устройства;
  • разработка функциональной схемы;
  • разработка принципиальной схемы;
  • закупка компонентов;
  • макетирование и симуляция устройства.

В этой статье вы узнаете, как и в чем можно начать разработку печатной платы и корпуса для своего устройства. Поговорим про верификацию своей работы перед отправкой на производство. Посмотрим, где можно заказать печатную плату и как изготовить корпус в домашних условиях. В конце концов мы поэтапно пройдемся по сборке и отладке реального устройства и посмотрим на финальный результат.

Разработка печатной платы

Давайте для начала вспомним, что такое печатная плата. Это пластина из диэлектрика, на поверхности или внутри которой располагаются электропроводящие цепи схемы. Металлизированные отверстия соединяют разные слои, а сама плата покрывается защитной паяльной маской. Поверх всего этого «пирога» обычно наносится маркировка.

image

Печатная плата в разрезе (изображение с сайта «Резонит»)

Существует множество различного софта для разработки печатных плат. Многие наверняка слышали про системы со сквозным проектированием. Такой же подход сейчас применяется практически в каждой более-менее серьезной среде для разработки печатных плат.

«Смысл сквозной технологии проектирования состоит в эффективной передаче данных и результатов текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы» – первая строка в гугле.

Системы со сквозным проектированием печатных плат

Основными преимуществами при работе с такими системами можно смело назвать:

  • простоту внесения и контроля изменений;
  • предотвращение самых нелепых ошибок;
  • возможность сосредоточиться только на важных аспектах разработки.

К примеру, невозможно просто так соединить два разных проводника на плате, если предварительно не соединить их на схеме. А встроенный контроль правил проектирования не позволит провести дорожку толщиной, меньше заданной. Комплексная проверка этих правил (DRC) позволит определить и другие ошибки перед экспортом файлов на производство. Конечно, предварительно правила и ограничения в проекте надо настраивать.

Когда открыл любой видеоурок о проектировании печатных плат

В этой статье мы не будем подробно рассматривать, как правильно создавать и разводить платы, – хорошие публикации уже есть на Хабре, а уроки по конкретному софту можно легко найти на YouTube. Вместо этого я проведу небольшой обзор софта и дам пару советов, с чего начать разработку печатной платы.

Одна из самых мощных и популярных систем для разработки схем и проектирования печатных плат – это Altium Designer. Огромный инструментарий внутри, большое количество готовых компонентов в Интернете, отличная система контроля ошибок и поддержка множества скриптовых языков. Но в бочке меда есть и ложка дегтя – бесплатные лицензии и лицензии со скидками доступны только для студентов и преподавателей. Для некоммерческого использования можно воспользоваться разве что Altium Circuit Maker и Altium Viewer. В любом случае вы можете скачать бесплатную пробную версию.

Проектирование плат в Altium Designer

В качестве альтернативы я бы рекомендовал обратить внимание на Autodesk Eagle. Она также обладает широким спектром возможностей, наиболее значимая из которых – интеграция с Autodesk Fusion 360. Про эту программу мы поговорим, когда будем разрабатывать корпус. Для некоммерческого использования доступна лицензия Autodesk Eagle с ограничениями. Ее хватит для разработки небольших проектов — например, можно создать принципиальную схему не более чем на двух листах и подготовить разводку однослойной или двухслойной печатной платы площадью не более 80 см 2 .

Проектирование плат в Autodesk Eagle

Закончу свой обзор на Kicad EDA – это полностью бесплатная программа для разработки электрических схем и печатных плат. Инструментарий практически такой же, как и в предыдущих программах. Есть и контроль правил проектирования, и библиотеки компонентов, и инструменты для разводки высокочастотных проводников, и поддержка импорта-экспорта различных форматов – в общем все то, что так необходимо в современной системе сквозной разработки. А еще есть версия Kicad EDA для систем на Linux. Если вы только начинаете свой путь в проектировании печатных плат, то я рекомендовал бы начать именно с Kicad EDA.

Проектирование плат в Kicad EDA

Теперь, как и обещал, дам пару советов перед разработкой печатной платы. В первую очередь, обязательно изучите основные инструменты выбранной вами системы: как рисовать схемы и как переносить их на печатную плату; как работать с библиотеками и как создавать и редактировать компоненты. После чего обязательно уделите внимание настройке правил проектирования. Их нужно настроить в соответствии с возможностями выбранного производителя печатных плат. Навряд ли вы будете сходу разрабатывать восьмислойную плату с толщиной дорожек менее 0,1 мм, но так или иначе нужно понимать, как работать с этими инструментами. Бесплатные уроки и гайды, конечно же, можно найти на YouTube.

А еще обязательно подумайте о корпусе вашего устройства, ведь от этого могут зависеть габариты платы и расположение компонентов. Но перед тем, как перейти к разработке корпуса и оснасток, я покажу печатную плату, которая получилась у меня.

Печатная плата мультиэффекта shape mimic

Разработка корпуса и оснасток

Корпус для своего устройства можно сделать из готового типового корпуса, напечатать самому или заказать отливку по готовой модели.

Давайте сначала посмотрим, какие готовые решения есть на рынке. Возможно, некоторые из вас знакомы с корпусами фирмы Gainta. Для своих гитарных эффектов я использую алюминиевые корпуса G0124 и G0473, которые затем оформляю электрохимическим травлением. Но, к сожалению, пластиковые корпуса Gainta оставляют желать лучшего, а красивое оформление в домашних условиях на них не сделаешь.

Алюминиевые корпуса фирмы Gainta

В качестве альтернативы можно рассматривать корпуса фирмы OKW, они посимпатичнее: много разных форм и размеров, можно заказать индивидуальный дизайн. Работают ли они с физическими лицами – вопрос открытый, но какие-то корпуса можно было найти в «Чип и Дип».

Пластиковые корпуса фирмы OKW

Есть еще один крутой производитель корпусов – японская фирма Takachi. На сайте у них очень большой ассортимент готовых решений. Можно заказать фрезеровку или маркировку понравившегося корпуса. Цена за одну штуку выходит не такая уж и большая, куда больше придется заплатить за доставку. Можно заказать бесплатные пробники. Возможно, что напрямую как физическое лицо приобрести их продукцию не получится, но какие-то из их корпусов раньше тоже можно было купить у посредников.

Пластиковые и алюминиевые корпуса фирмы Takachi

Конечно же, есть еще и старый добрый AliExpress. Иногда там тоже попадаются интересные корпуса. Для гитарных эффектов там есть окрашенные корпуса Hammond (аналог Gainta), но заказывать надо крупные партии, иначе это крайне невыгодно.

Алюминиевые покрашенные корпуса фирмы Hammond с AliExpress

Если готовый корпус найти не удалось, то отличной альтернативой будет печать корпуса на 3D-принтере. Стоимость хорошего принтера в наши дни уже не такая заоблачная, и можно подобрать что-нибудь с хорошим соотношением цена/качество (к примеру, Ender 3). При должной сноровке и настройке принтера можно добиться вполне хорошего качества печати. Я же применяю 3D-печать для создания габаритных моделей и оснасток, о чем расскажу чуть позже.

Напечатанный на 3D-принтере корпус

Еще один способ создания хорошего корпуса – это разработка модели под литье. Такую модель можно сначала распечатать на 3D-принтере, затем получить форму для литья, после чего произвести отливку. Но в домашних условиях это сделать сложно, поэтому рекомендую воспользоваться услугами сторонних производителей. Мы, в частности, работали с компанией Siu System (3D-Store) и делали таким способом несколько корпусов и деталей.

У этих ребят можно заказать литье в силиконовые формы и профессиональную 3D-печать

Но в чем же начинать 3D-моделировать свой корпус? Лично я с университетских времен привык использовать Autodesk Fusion 360. Также пробовал Inventor, «Компас» и немножко Solidworks, но все равно остался на Fusion 360. Во-первых, есть бесплатная лицензия, хоть и с небольшими ограничениями. Во-вторых, очень простой интерфейс, быстрый и понятный доступ ко всему инструментарию. В-третьих, это встроенный контроль версий и интеграция с облаком. В общем, Autodesk Fusion 360 – это однозначно мой фаворит среди САПР для 3D-моделирования, поэтому рекомендую вам с ним познакомиться. Вот так выглядит сборка моего мультиэффекта в этой программе.

Сборка shape mimic в Autodesk Fusion 360

И в завершение разговора про разработку корпуса, коснемся темы оснасток и габаритных моделей. В принципе, 3D-модель уже показывает проблемы стыковки разных частей, если они есть. Но иногда бывает полезно получить какой-нибудь прототип и пощупать его руками.

Иногда я печатаю габаритную модель печатной платы на 3D-принтере, после чего примеряю ее в реальном корпусе. Если первый собранный образец уже у вас на руках, но к производству корпуса вы еще не приступили, то можно напечатать габаритную модель корпуса со всеми отверстиями и примерить плату в него. Но не стоит забывать и про усадку пластика.

Плата в напечатанном корпусе

Для сборки можно печатать разные оснастки. Все ограничивается лишь вашей фантазией. Приведу простой пример. Мне было необходимо ровно запаивать потенциометры, чтобы избежать перекосов. Для этого я сделал оснастку, в которую крепятся потенциометры с платой. Бортики контролируют высоту, после чего все встает достаточно ровно, и потенциометры можно запаивать. Оснастка не идеальная, ее можно улучшить бортиками для потенциометров и каким-нибудь фиксатором платы, но пока мне ее хватает.

Оснастка для запайки потенциометров

Также можно печатать и фурнитуру для вашего устройства. В домашних условиях у меня нет возможности провести фрезеровку отверстия под USB, поэтому в этом месте просто высверливается большое отверстие, в которое вставляется уже напечатанная заглушка под контур miniUSB.

Напечатанная заглушка miniUSB

Верификация и исправление ошибок

После того как мы закончили разрабатывать печатную плату и корпус для нашего устройства, необходимо провести верификацию проделанной работы и постараться отловить большую часть допущенных ошибок.

По этой теме на Хабре уже была отличная статья, после прочтения которой мы стали более системно подходить к проверке наших разработок. Очень рекомендую вам с ней ознакомиться. Я советую применять этот подход и во время работы над своими проектами.

Во время разработки можно допустить множество ошибок из-за невнимательности, которые легко устранить, если систематизировать проверку своей работы. Здесь бы не помешала и другая пара глаз, но вполне может хватить ревью самого себя.

Выдержка из чек-листа для проверки принципиальной схемы

Я просто составляю маркдаун-список или гугл-таблицу для проверки схемы и платы. После чего последовательно прохожусь по каждому из пунктов, отмечая проблемные места, а затем их исправляю. Такая проверка позволяет со спокойной душой отправлять плату на производство, но, конечно же, не страхует от всех возможных ошибок.

Отправка платы на производство

Печатную плату можно, конечно, изготовить и в домашних условиях, но, если честно, с появлением доступного производства в Китае, смысла в этом практически нет. Давайте рассмотрим самые популярные сервисы, у которых можно заказать производство.

На мой взгляд, фаворитом по части изготовления печатных плат можно смело назвать JLCPCB. За небольшой тираж из 10–15 двусторонних плат у меня в среднем выходит не больше 15 долларов, включая доставку. У них передовые возможности для производства, а качество плат можно оценить на отлично. Многослойные платы стоят немного дороже. Из минусов – доставка, конечно, быстрая, но никто не застрахован от задержек. Еще я слышал, что эти ребята на самом деле не любят возвращать деньги, даже если сами допустили ошибку на производстве, но с такими ситуациями я никогда не сталкивался.

Есть еще один китайский сервис – PCBWay. Он похож на JLCPCB, но лично я пользовался им только один раз. Само качество на хорошем уровне, но если заказывать больше 10 плат, то условия хуже, чем у JLCPCB.

В России тоже есть производитель печатных плат – компания «Резонит». Но для личных проектов стоимость производства колоссально отличается от китайских производителей. Надеюсь, когда-нибудь ситуация изменится. Из плюсов могу отметить качество и возможность срочного производства. То есть если вам нужно получить печатную плату за несколько дней, то «Резонит» – отличный выбор.

Эх ребята, не видать вам моих денег

Чтобы оформить заказ на производство почти в любом сервисе, вам потребуется подготовить набор Gerber-файлов и файл для сверловки. Обычно на сайте производителя есть раздел с требованиями к файлам и руководством, как их экспортировать. После чего производитель проверяет ваш проект на соответствие своим возможностям и выбранным параметрам, и если все нормально, то начинает производство.

Готовые платы shape mimic ревизии Б прямиком с JLCPCB

Создание корпуса

Давайте покажу, как можно сделать корпус для своего устройства. Я начинаю с того, что экспортирую чертеж получившегося корпуса из Autodesk Fusion 360 в графический редактор Paint.net. После чего оформляю. Когда все готово, печатаю получившийся шаблон на прозрачной пленке. Корпус предварительно шкурится наждачной бумагой и обезжиривается. Затем на корпус наклеивается фоторезист – специальный фоточувствительный материал, который применяют, в том числе и при производстве печатных плат.

Подготовка заготовки корпуса и фотошаблона с рисунком

Затем фотошаблон с оснасткой фиксируются на корпусе, и вся конструкция помещается под ультрафиолетовую лампу. Незащищенные участки засвечиваются. После этого незасвеченные участки легко проявляются в растворе с щелочью (к примеру, гидроксид натрия, который есть в составе всем известного средства «Крот»).

Экспонирование рисунка и проявление фоторезиста

Теперь корпус готов к электрохимическому травлению, в процессе которого получится своеобразная гравировка. Нам понадобится какой-нибудь блок питания, я использую USB-зарядку. После чего достаточно поместить заготовку и какой-нибудь металлический предмет в раствор с обычной солью. К заготовке подключаем плюс, а к металлическому предмету – минус. Начинаем процесс травления.

Процесс электрохимического травления

Не забываем периодически проверять и поворачивать заготовку. Лично у меня процесс занимает чуть больше часа. Когда все готово, корпус можно отмыть и перейти к сверловке и фрезеровке. Мне очень нравится, если в процессе возникли небольшие артефакты: перетравленные или наоборот слегка не протравившиеся участки. Это придает устройству больше индивидуальности.

В домашних условиях я использую шуруповерт, а на работе – фрезерный станок. Думаю, что не стоит подробно останавливаться на этом – задача заключается в ровной сверловке отверстий по заранее заданным точкам. Чтобы сверлить боковые стороны, можно использовать дополнительный шаблон, который можно изготовить из чертежа с полной разверткой всех сторон.

Готовый корпус одного из shape mimic

Сборка и отладка устройства

И вот мы подобрались к финальному этапу разработки своего устройства – сборка и отладка первого опытного образца! Предположим, что мы уже закупили все компоненты и получили на руки свою печатную плату. Более того, у нас есть минимальный набор инструментов:

  • паяльник и/или паяльный фен;
  • флюс;
  • припой и/или паяльная паста;
  • пинцет;
  • кусачки и/или кримпер;
  • мультиметр;
  • осциллограф (необязательно, но иногда без него не обойтись);
  • логический анализатор (если работаете с каким-нибудь интерфейсом передачи данных).

Сборку любого устройства лучше выполнять поэтапно, начиная со схемы питания. Особенно это касается первого опытного образца. Если что-то не заработает, то куда проще отладить небольшой кусочек схемы, чем остаться наедине с полностью собранной, но неработающей платой. А если где-то все-таки закралась какая-нибудь каверзная ошибка с питанием, то это убережет компоненты от выхода из строя.

Поэтапная сборка нескольких плат

Начинаю со схемы питания. После запайки прозваниваю питание на землю и между собой. Если возникают короткие замыкания, то устраняю их. После этого проверяю напряжение во всех ключевых точках. Если показания мультиметра правильные, то можно двигаться дальше.

Сборка схемы питания

Дальше я собираю небольшой кусочек схемы – отключаемый буфер. Нужно удостовериться, что сигнал не пропадает после DPDT-переключателя, а главное, что буфер действительно работает. Контакты реле, которые соединяют вход и выход, можно замкнуть проводком.

Сборка схемы буфера на операционных усилителях

После проверки буфера я готов к тому, чтобы полностью собрать всю схему переключения и прошить управляющий контроллер. Если контроллер определяется, то это уже половина успеха. Далее зашиваю код с макета, замыкаю контактные площадки кнопки пинцетом и ожидаю, что реле щелкнет. Желательно еще убедиться в том, что после реле сигнал никуда не пропадает. Это можно проверить, подключив щуп к сигнальному гнезду и ткнув в первую контактную площадку после реле.

Сборка схемы управления

Далее можно спаять схему с программатором. Когда все готово, вставляю микросхему флеш-памяти в сокет, подключаю miniUSB и пытаюсь записать hex-файл с эффектами. Если возникнут проблемы, то программа в теории должна об этом предупредить, например на этапе Verify. Но для надежности можно вытащить память и считать образ отдельным программатором, после чего сверить считанный и исходный файлы.

Сборка схемы программатора

И вот когда все отдельные кусочки устройства работают, можно переходить к запайке основной микросхемы и всех оставшихся компонентов. Перед финальным запуском не забываю проверить плату еще раз на короткое замыкание в питании. Если что-то не заработает, то гитарные эффекты можно отлаживать последовательно, проходясь по ним щупом, подключенным к выходу.

Сборка основной схемы с FV-1

После сборки плату необходимо отмыть от флюса. Сделать это можно вручную или воспользоваться ультразвуковой ванной. После чего я еще раз проверяю схему на короткое замыкание и проверяю напряжение в ключевых точках. Если все нормально, то включаю устройство и начинаю тестировать его в работе. Проверяю потребление тока, уровень собственного шума, работу всех ручек и переключателей. Давайте посмотрим на финальный результат.

Первый shape mimic, который уже успел отправиться в Волгоград

Самые внимательные могли заметить, что это вторая ревизия. Во время разработки первой ревизии было допущено несколько ошибок в схеме, подборе компонентов и дизайне. Я решил исправить и заказать новые печатные платы, а затем доработать дизайн. После изготовления второй ревизии я нашел еще пару незначительных ошибок и несколько мест, которые можно было бы улучшить. Так что разработка электроники – это все-таки итеративный процесс, но, мне кажется, в этом и заключается самое интересное.

Я надеюсь, что вам было интересно и вы сможете почерпнуть что-то полезное для себя. Эта статья не претендует на исчерпывающее руководство по разработке, но я надеюсь, что у меня получилось наглядно показать, как можно подходить к разработке электронных девайсов.

Если вы интересуетесь гитарными эффектами, то можете подписаться на мою группу «ВКонтакте» и страницу в «Инстаграм» (zaytechnika). Оставляйте ваши комментарии и вопросы, буду рад ответить!

Полезные ссылки

  • Технология производства печатных плат в картинках
  • Altium
  • Autodesk Eagle
  • Autodesk Fusion 360
  • KiCAD EDA
  • OKW
  • Takachi
  • Siu System
  • Статья про верификацию
  • JLCPCB
  • PCBWay
  • Резонит
  • zaytechnika
  • разработка электроники
  • гитарные эффекты
  • цифровая обработка сигналов
  • звук и музыка
  • dsp
  • fv-1
  • diy или сделай сам

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *