Návod na použitie mikrokontroléra Raspberry Pi SC1631 Raspberry

Kapitola 1: Úvod
Séria RP2350 ponúka v porovnaní so sériou RP2040 rôzne možnosti balenia. RP2350A a RP2354A sa dodávajú v balení QFN-60 bez a s interným flash úložiskom, zatiaľ čo RP2354B a RP2350B sa dodávajú v balení QFN-80 s flash úložiskom a bez neho.

Kapitola 2: Napájanie
Séria RP2350 obsahuje nové prepínanie na čipe objtage regulátor s piatimi kolíkmi. Tento regulátor vyžaduje na prevádzku externé komponenty, ale ponúka vyššiu energetickú účinnosť pri vyšších zaťažovacích prúdoch v porovnaní s lineárnym regulátorom série RP2040. Venujte pozornosť citlivosti na šum na kolíku VREG_AVDD, ktorý napája analógové obvody.

Často kladené otázky (FAQ)

Otázka: Aký je hlavný rozdiel medzi RP2350A a RP2350B?
Odpoveď: Hlavný rozdiel spočíva v prítomnosti internej flash pamäte. RP2350A nemá interné flash úložisko, zatiaľ čo RP2350B má.
Q: Koľko kolíkov má objtage regulátor v rade RP2350 má?
A: VoltagRegulátor série RP2350 má päť kolíkov.

Hardvérový dizajn s RP2350 Použitie mikrokontrolérov RP2350 na zostavenie dosiek a produktov

Kolofón

Táto dokumentácia je licencovaná podľa Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-ND). dátum zostavenia: 2024-08-08 verzia zostavy: c0acc5b-clean
Právne upozornenie

TECHNICKÉ ÚDAJE A SPOĽAHLIVOSŤ PRODUKTOV RASPBERRY PI (VRÁTANE ÚDAJOVÝCH hárkov), AKO Z ČASU UPRAVUJÚ („ZDROJE“), POSKYTUJE SPOLOČNOSŤ RASPBERRY PI LTD („RPL“) „TAK, AKO SÚ“, A AKÉKOĽVEK VÝSLOVNÉ ALEBO IMPLICITNÉ, BEZ OBMEDZENÍ BEZ ZÁRUK PREDPOKLADANÉ ZÁRUKY PREDAJNOSTI A VHODNOSTI NA KONKRÉTNY ÚČEL SA ODMIETNUJÚ. V MAXIMÁLNOM ROZSAHU POVOLENOM PRÍSLUŠNÝM ZÁKONOM V ŽIADNOM PRÍPADE NEBUDE RPL ZODPOVEDNÁ ZA AKÉKOĽVEK PRIAMY, NEPRIAME, NÁHODNÉ, ŠPECIÁLNE, EXEMPLÁRNE ALEBO NÁSLEDNÉ ŠKODY (VRÁTANE, ALE NEOBMEDZENÉHO POUŽITIA, ZAOBCHÁDZANIE GOODS; ALEBO ZISKY ALEBO PRERUŠENIE PODNIKANIA) AKO JE TO SPÔSOBENÉ A NA AKEJKOĽVEK TEÓRII ZODPOVEDNOSTI, ČI UŽ V ZMLUVE, PRÍMEJ ZODPOVEDNOSTI ALEBO PREČINKU (VRÁTANE NEDBALOSTI ALEBO INAK), VZNIKNUTÝM AKÝMKOĽVEK SPÔSOBOM NA UVEDENÉ VZNIKNUTIE ZODPOVEDNOSTI; TAKÝCHTO POŠKODENÍ.
Spoločnosť RPL si vyhradzuje právo kedykoľvek a bez ďalšieho upozornenia vykonať akékoľvek vylepšenia, vylepšenia, opravy alebo akékoľvek iné úpravy ZDROJOV alebo akýchkoľvek produktov v nich popísaných.
ZDROJE sú určené pre skúsených používateľov s vhodnou úrovňou znalostí o dizajne. Používatelia sú výhradne zodpovední za svoj výber a používanie ZDROJOV a akúkoľvek aplikáciu produktov v nich popísaných. Používateľ súhlasí s tým, že odškodní a ochráni RPL za všetky záväzky, náklady, škody alebo iné straty vyplývajúce z jeho používania ZDROJOV.

RPL udeľuje používateľom povolenie používať ZDROJE výhradne v spojení s produktmi Raspberry Pi. Akékoľvek iné použitie ZDROJOV je zakázané. Žiadna licencia sa neudeľuje žiadnemu inému RPL ani inému právu duševného vlastníctva tretej strany.
VYSOKÉ RIZIKOVÉ AKTIVITY. Produkty Raspberry Pi nie sú navrhnuté, vyrobené ani určené na použitie v nebezpečných prostrediach vyžadujúcich bezpečný výkon, ako je prevádzka jadrových zariadení, letecké navigačné alebo komunikačné systémy, riadenie letovej prevádzky, zbraňové systémy alebo aplikácie kritické z hľadiska bezpečnosti (vrátane podpory života systémov a iných zdravotníckych pomôcok), pri ktorých by zlyhanie produktov mohlo viesť priamo k smrti, zraneniu osôb alebo vážnemu fyzickému poškodeniu alebo poškodeniu životného prostredia (ďalej len „vysoko rizikové činnosti“). RPL výslovne odmieta akúkoľvek výslovnú alebo implicitnú záruku vhodnosti pre vysokorizikové činnosti a neprijíma žiadnu zodpovednosť za používanie alebo zahrnutie produktov Raspberry Pi do vysokorizikových činností.

Produkty Raspberry Pi sú poskytované v súlade so štandardnými podmienkami RPL. Poskytnutie ZDROJOV spoločnosťou RPL nerozširuje ani inak neupravuje Štandardné podmienky spoločnosti RPL vrátane, ale nie výlučne, vylúčení zodpovednosti a záruk v nich vyjadrených.

Kapitola 1. Úvod

Obrázok 1. KiCad 3D rendering RP2350A Minimal design example

Keď sme prvýkrát predstavili Raspberry Pi RP2040, vydali sme aj dizajn „Minimal“ example a sprievodná príručka Návrh hardvéru s RP2040, ktorý snáď vysvetľoval, ako by sa dal RP2040 použiť v jednoduchej doske plošných spojov a prečo boli vykonané rôzne voľby komponentov. S príchodom série RP235x je čas prehodnotiť pôvodný dizajn RP2040 Minimal a aktualizovať ho, aby zohľadnil nové funkcie a tiež každý z variantov balíka; RP2350A s balíkom QFN-60 a RP2350B, čo je QFN-80. Tieto návrhy sú opäť vo formáte Kicad (7.0) a sú k dispozícii na stiahnutie (https://datasheets.raspberrypi.com/rp2350/Minimal-KiCAD.zip).

Minimálna rada
Pôvodná minimálna doska bola pokusom poskytnúť jednoduchý referenčný dizajn s použitím úplného minima externých komponentov potrebných na spustenie RP2040 a stále mať všetky vstupy a výstupy vystavené a prístupné. Toto v podstate pozostávalo zo zdroja energie (5V až 3.3V lineárneho regulátora), kryštálového oscilátora, flash pamäte a IO pripojení (micro USB zásuvka a GPIO headery). Nové dosky Minimal série RP235x sú z veľkej časti rovnaké, ale s určitými zmenami, ktoré sú potrebné kvôli novému hardvéru. Okrem toho, a napriek tomu, že idem trochu proti minimalizácii dizajnu, som pridal niekoľko tlačidiel pre bootsel a spustenie spolu so samostatnou hlavičkou SWD, čo by tentokrát malo znamenať úplne menej frustrujúce ladenie. Dizajny tieto tlačidlá striktne nepotrebujú, signály sú stále dostupné na hlavičkách a možno ich vynechať, ak ste obzvlášť citliví na náklady alebo priestor, alebo máte masochistické sklony.

Séria RP2040 vs RP235x
Najviditeľnejšia zmena je v balíkoch. Zatiaľ čo RP2040 je 7x7 mm QFN-56, séria RP235x má v súčasnosti štyri rôzne členy. Existujú dve zariadenia, ktoré zdieľajú rovnaký balík QFN-60; RP2350A, ktorý neobsahuje interné flash úložisko, a RP2354A, ktorý ho obsahuje. Podobne aj QFN-80 prichádza v dvoch príchutiach; RP2354B s bleskom a RP2350B bez. Zariadenia QFN-60 a pôvodný RP2040 majú spoločného hrdinutage.

Každý z nich má 30 GPIO, z ktorých štyri sú tiež pripojené k ADC, a majú veľkosť 7 x 7 mm. Napriek tomu RP2350A nie je náhradou za RP2040, pretože počet pinov na každom je iný. Naproti tomu čipy QFN-80 majú teraz 48 GPIO a osem z nich je teraz schopných ADC. Z tohto dôvodu máme teraz dve dosky Minimal; jeden pre 60-kolíkové zariadenia a jeden pre 80-kolíkové. Tieto dosky Minimal sú primárne navrhnuté pre časti bez interného blesku (RP2350), avšak dizajny možno ľahko použiť s internými bleskovými zariadeniami (RP2354) jednoduchým vynechaním zabudovaného blesku pamäť, alebo ho dokonca použiť ako sekundárne flash zariadenie (viac o tom neskôr). Medzi týmito dvoma doskami je malý rozdiel, okrem skutočnosti, že verzia QFN-80 má dlhšie rady hlavičiek na umiestnenie extra GPIO, a preto je doska väčšia.

Okrem balenia sú najväčším rozdielom na úrovni dosky medzi sériou RP235x a RP2040 napájacie zdroje. Séria RP235x má niekoľko nových napájacích kolíkov a iný vnútorný regulátor. 100 mA lineárny regulátor RP2040 bol nahradený 200 mA spínacím regulátorom a ako taký si vyžaduje určité veľmi špecifické obvody a nedbanlivú starostlivosť o usporiadanie. Dôrazne odporúčame, aby ste pozorne sledovali naše rozloženie a výber komponentov; už sme si prešli bolesťou, keď sme museli urobiť niekoľko iterácií dizajnu, takže dúfajme, že nebudete musieť.

Obrázok 2. KiCad 3D rendering RP2350B Minimal design example

Dizajn
Zámerom Minimal dizajnu naprampLes je vytvoriť dvojicu jednoduchých dosiek s použitím série RP235x, ktoré by mali byť lacno a jednoducho vyrobiteľné, bez použitia zbytočne exotických technológií PCB. Dosky Minimal sú teda 2-vrstvové prevedenia s použitím komponentov, ktoré by mali byť bežne dostupné a všetky namontované na vrchnej strane dosky. Aj keď by bolo pekné použiť veľké, ľahko ručne spájkovateľné komponenty, malý rozstup QFN čipov (0.4 mm) znamená, že použitie niektorých 0402 (1005 metrických) pasívnych komponentov je nevyhnutné, ak sa majú použiť všetky GPIO. Zatiaľ čo ručné spájkovanie komponentov 0402 nie je príliš náročné so slušnou spájkovačkou, je takmer nemožné spájkovať QFN bez špeciálneho vybavenia.

V nasledujúcich niekoľkých častiach sa pokúsim vysvetliť, na čo slúžia dodatočné obvody a dúfajme, že ako sme dospeli k rozhodnutiam, ktoré sme urobili. Keďže v skutočnosti budem hovoriť o dvoch samostatných dizajnoch, jeden pre každú veľkosť balenia, snažil som sa veci zjednodušiť, ako som len mohol. Pokiaľ je to možné, všetky odkazy na komponenty pre dve dosky sú identické, takže ak odkazujem na U1, R1 atď., Potom je to rovnako relevantné pre obe dosky. Jasnou výnimkou je, keď je komponent iba na jednej z dosiek (vo všetkých prípadoch to bude na väčšom 80 pinovom variante), potom bude príslušný komponent iba na prevedení QFN-80; naprample, R13 sa objavuje len na tejto doske.

Kapitola 2. Napájanie

Napájacie zdroje série RP235x a RP2040 sa tentokrát trochu líšia, hoci vo svojej najjednoduchšej konfigurácii stále vyžadujú dva zdroje, 3.3 V a 1.1 V. Séria RP235x je súčasne energeticky náročnejšia, pretože má vyšší výkon a je tiež úspornejšia (v stave nízkej spotreby) ako jej predchodca, a preto bol lineárny regulátor na RP2040 vylepšený o spínací regulátor. To nám umožňuje vyššiu energetickú účinnosť pri vyšších prúdoch (až 200 mA v porovnaní s predchádzajúcimi 100 mA).

Nový na čipe objtagregulátor

Obrázok 3. Schematický rez znázorňujúci vnútorný obvod regulátora

Lineárny regulátor RP2040 mal dva kolíky, vstup 3.3 V a výstup 1.1 V na napájanie DVDD na čipe. Tentoraz má regulátor série RP235x päť kolíkov a vyžaduje si nejaké externé komponenty, aby fungoval. Aj keď sa to zdá byť z hľadiska použiteľnosti trochu krok späť, spínací regulátor má výhodutage sú energeticky účinnejšie pri vyšších prúdoch zaťaženia.

Ako už názov napovedá, regulátor rýchlo zapína a vypína interný tranzistor pripájajúci 3.3V vstup vol.tage (VREG_VIN) na kolík VREG_LX a pomocou tlmivky (L1) a výstupného kondenzátora (C7) môže produkovať jednosmerný výstup obj.tage, ktorý bol odstúpený od vstupu. Pin VREG_FB monitoruje výstupný objemtage, a upravuje pomer zapnutia/vypnutia spínacieho cyklu, aby sa zabezpečilo, že požadovaný objemtage sa zachováva. Keďže veľké prúdy sú prepínané z VREG_VIN na VREG_LX, je potrebný veľký kondenzátor (C6) blízko vstupu, aby sme príliš nenarušili napájanie 3.3V. Keď už hovoríme o týchto veľkých spínacích prúdoch, regulátor sa dodáva aj s vlastným uzemňovacím spätným pripojením VREG_PGND. Podobne ako v prípade VREG_VIN a VREG_LX je rozloženie tohto pripojenia kritické a zatiaľ čo VREG_PGND sa musí pripojiť k hlavnej GND, musí sa to urobiť tak, aby sa všetky veľké spínacie prúdy vracali priamo na kolík PGND, bez narušenia zvyšku GND príliš veľa.

Posledným kolíkom je VREG_AVDD, ktorý napája analógový obvod regulátora a je veľmi citlivý na šum.

Obrázok 4. Schematický rez znázorňujúci rozloženie PCB regulátora

Usporiadanie regulátora na minimálnych doskách presne odzrkadľuje rozloženie Raspberry Pi Pico 2. Do návrhu tohto obvodu sa vynaložilo veľké množstvo práce s mnohými iteráciami PCB, aby bolo čo najlepšie. môže. Aj keď môžete tieto komponenty umiestniť rôznymi spôsobmi a stále prinútiť regulátor „fungovať“ (tj produkovať výstupný obj.tage na zhruba správnej úrovni, dostatočne dobrej na to, aby sa spustil kód), zistili sme, že s naším regulátorom treba zaobchádzať presne tým správnym spôsobom, aby bol spokojný, a pod pojmom šťastný mám na mysli produkciu správneho výstupného obj.tage v rozsahu podmienok záťažového prúdu.
Počas našich experimentov sme boli trochu sklamaní, keď sme si pripomenuli, že nepohodlný svet fyziky nemožno vždy ignorovať. My, ako inžinieri, sa vo veľkej miere snažíme robiť presne toto; zjednodušovanie komponentov, ignorovanie (často) nepodstatných fyzikálnych vlastností a namiesto toho sa zameriavame na vlastnosť, ktorá nás zaujíma. Napr.ample, jednoduchý rezistor nemá len odpor, ale aj indukčnosť atď. V našom prípade sme (znovu) objavili, že induktory majú spojené magnetické pole, a čo je dôležité, vyžarujú v smere podľa toho, ktorým smerom cievka je navinutý a smer toku prúdu. Tiež nám bolo pripomenuté, že „úplne“ tienený induktor neznamená to, čo si myslíte, že by mohol. Magnetické pole je do značnej miery zoslabené, ale niektoré stále unikajú. Zistili sme, že výkon regulátora by sa mohol výrazne zlepšiť, ak je induktor „správnym spôsobom“.
Ukazuje sa, že magnetické pole vyžarované z tlmivky „nesprávnej cesty“ interferuje s výstupným kondenzátorom regulátora (C7), čo zase narúša riadiace obvody v RP2350. S induktorom v správnej orientácii a presným rozložením a výberom komponentov, ktoré sa tu používajú, tento problém zmizne. Nepochybne budú existovať ďalšie rozloženia, komponenty atď., Ktoré by mohli pracovať s induktorom v akejkoľvek orientácii, ale s najväčšou pravdepodobnosťou budú na to potrebovať oveľa viac miesta na PCB. Toto odporúčané rozloženie sme poskytli, aby sme ľuďom ušetrili veľa inžinierskych hodín, ktoré sme strávili vývojom a zdokonaľovaním tohto kompaktného a dobre fungujúceho riešenia.
Viac k veci, ideme tak ďaleko, že hovoríme, že ak sa rozhodnete nepoužívať nášho example, robíte tak na vlastné riziko. Podobne ako to už robíme s RP2040 a kryštálovým obvodom, kde trváme na (dobre, dôrazne odporúčame), aby ste použili konkrétnu časť (urobíme to znova v časti o kryštáloch tohto dokumentu).
Smerovosť týchto malých induktorov je do značnej miery všeobecne ignorovaná, pričom orientáciu vinutia cievky nie je možné odvodiť a je tiež náhodne rozložená pozdĺž cievky komponentov. Väčšie veľkosti puzdra induktorov možno často nájsť tak, že na nich sú označenia polarity, ale nenašli sme žiadne vhodné vo veľkosti puzdra 0806 (2016), ktorú sme si vybrali. Za týmto účelom sme spolupracovali s Abraconom na výrobe 3.3μH časti s bodkou na označenie polarity, a čo je dôležité, prichádzame na cievku, kde sú všetky zarovnané rovnakým spôsobom. TBD sú (alebo budú veľmi skoro) sprístupnené širokej verejnosti od distribútorov. Ako už bolo spomenuté, napájanie VREG_AVDD je veľmi citlivé na šum, a preto je potrebné ho filtrovať. Zistili sme, že keďže VREG_AVDD čerpá len okolo 200μA, postačuje RC filter 33Ω a 4.7μF.
Aby sme to zhrnuli, použité komponenty budú...
- C6, C7 a C9 – 4.7 μF (metrických 0402, 1005)
- L1 – Abracon TBD (0806, 2016 metrický)
- R3 – 33Ω (0402, 1005 metrický)
Technický list RP2350 obsahuje podrobnejšiu diskusiu o odporúčaniach usporiadania regulátora, pozrite si časť Externé komponenty a požiadavky na usporiadanie PCB.

Vstupné napájanie

Vstupné napájanie pre tento dizajn je cez 5V VBUS kolík Micro-USB konektora (označený J1 na obrázku 5). Toto je bežný spôsob napájania elektronických zariadení a má to zmysel, pretože RP2350 má funkciu USB, ktorú pripojíme k dátovým kolíkom tohto konektora. Keďže pre tento dizajn potrebujeme iba 3.3 V (napájanie 1.1 V pochádza z interného), musíme znížiť prichádzajúce 5 V USB napájanie, v tomto prípade pomocou iného externého vol.tage regulátor, v tomto prípade lineárny regulátor (aka Low Drop Out regulátor alebo LDO). Keďže som predtým vychvaľoval prednosti použitia efektívneho spínacieho regulátora, mohlo by byť múdrou voľbou použiť ho aj tu, ale rozhodol som sa pre jednoduchosť. Po prvé, používanie LDO je takmer vždy jednoduchšie. Nie sú potrebné žiadne výpočty, aby ste zistili, akú veľkosť induktora by ste mali použiť, alebo aké veľké sú výstupné kondenzátory a usporiadanie je zvyčajne oveľa jednoduchšie. Po druhé, cieľom tu nie je zachrániť každú kvapku energie; ak by to tak bolo, vážne by som zvážil použitie spínacieho regulátora a môžete nájsť exampA po tretie, môžem si jednoducho „požičať“ obvod, ktorý som predtým používal na verzii RP2 dosky Minimal. Tu vybraný NCP2040 (U1117) má pevný výstup 2 V, je široko dostupný a môže poskytnúť prúd až 3.3A, čo bude stačiť pre väčšinu návrhov. Pohľad na katalógový list pre NCP1 nám hovorí, že toto zariadenie vyžaduje 1117μF kondenzátor na vstupe a ďalší na výstupe (C10 a C1).

Oddeľovacie kondenzátory

Obrázok 6. Schematický rez znázorňujúci vstupy napájacieho zdroja RP2350, objtage regulátor a oddeľovacie kondenzátory

Ďalším aspektom návrhu napájacieho zdroja sú oddeľovacie kondenzátory potrebné pre RP2350. Tieto poskytujú dve základné funkcie. Po prvé, filtrujú šum napájacieho zdroja a po druhé, poskytujú lokálny zdroj náboja, ktorý môžu obvody vo vnútri RP2350 použiť v krátkom čase. Tým sa zabráni zvtagaby hladina v bezprostrednej blízkosti príliš neklesla, keď sa súčasný dopyt náhle zvýši. Z tohto dôvodu je dôležité umiestniť oddelenie blízko k napájacím kolíkom. Zvyčajne odporúčame použiť 100nF kondenzátor na napájací kolík, avšak v niekoľkých prípadoch sa od tohto pravidla odchýlime.

Obrázok 7. Časť rozloženia zobrazujúca smerovanie a oddelenie RP2350

Po prvé, aby sme mali dostatok miesta pre všetky kolíky čipu, aby sa dali vyviesť von zo zariadenia, musíme urobiť kompromis s množstvom oddeľovacích kondenzátorov, ktoré môžeme použiť. V tomto dizajne kolíky 53 a 54 RP2350A (kolíky 68 a 69 RP2350B) zdieľajú jeden kondenzátor (C12 na obrázku 7 a obrázku 6), pretože na tejto strane zariadenia nie je veľa miesta a komponenty a usporiadanie regulátora majú prednosť.
Tento nedostatok miesta by sa dal trochu prekonať, keby sme použili zložitejšiu/drahšiu technológiu, ako sú menšie komponenty alebo štvorvrstvová doska plošných spojov s komponentmi na hornej aj spodnej strane. Ide o dizajnový kompromis; znížili sme zložitosť a náklady na úkor menšej oddeľovacej kapacity a kondenzátorov, ktoré sú o niečo ďalej od čipu, ako je optimálne (tým sa zvyšuje indukčnosť). To by mohlo mať za následok obmedzenie maximálnej rýchlosti, pri ktorej by mohla konštrukcia pracovať, keďže objtagPrívod by mohol byť príliš hlučný a klesnúť pod minimálny povolený objemtage; ale pre väčšinu aplikácií by mal byť tento kompromis prijateľný.

Ďalšia odchýlka od pravidla 100nF je, aby sme mohli ďalej vylepšiť objtagvýkon regulátora; odporúčame použiť 4.7μF pre C10, ktorý je umiestnený na druhej strane čipu od regulátora.

Kapitola 3. Pamäť Flash

Primárny blesk

Obrázok 8. Schéma zobrazujúca primárnu pamäť flash a obvody USB_BOOT

Aby sme mohli uložiť programový kód, z ktorého môže RP2350 zaviesť a spustiť, musíme použiť flash pamäť, konkrétne quad SPI flash pamäť. Tu zvolené zariadenie je zariadenie W25Q128JVS (U3 na obrázku 8), čo je 128Mbitový čip (16MB). Toto je najväčšia veľkosť pamäte, ktorú môže RP2350 podporovať. Ak vaša konkrétna aplikácia nepotrebuje toľko úložného priestoru, môžete namiesto toho použiť menšiu a lacnejšiu pamäť.
Keďže táto dátová zbernica môže mať pomerne vysokú frekvenciu a pravidelne sa používa, kolíky QSPI RP2350 by mali byť zapojené priamo do blesku pomocou krátkych spojení na udržanie integrity signálu a tiež na zníženie presluchov v okolitých obvodoch. Crosstalk je miesto, kde signály na sieti jedného okruhu môžu vyvolať nežiaduce objtages na susednom okruhu, čo môže spôsobiť výskyt chýb.

Signál QSPI_SS je špeciálny prípad. Pripája sa priamo k blesku, no má k nemu pripojené aj dva odpory (no dobre, štyri, ale k tomu sa dostanem neskôr). Prvý (R1) je ťahací na napájanie 3.3V. Flash pamäť vyžaduje, aby vstup pre výber čipu mal rovnaký objemtage ako vlastný 3.3V napájací kolík pri zapnutí zariadenia, inak nefunguje správne. Keď je RP2350 zapnutý, jeho kolík QSPI_SS sa automaticky predvolene vysunie, ale počas zapínania nastane krátky časový úsek, kedy nemožno zaručiť stav kolíka QSPI_SS. Pridanie pull-up rezistora zaisťuje, že táto požiadavka bude vždy splnená. R1 je na schéme označený ako DNF (Do Not Fit), keďže sme zistili, že pri tomto konkrétnom bleskovom zariadení je externé vyťahovanie zbytočné. Ak sa však použije iný blesk, môže byť dôležité, aby tu bolo možné vložiť odpor 10 kΩ, takže bol pre každý prípad zahrnutý.
Druhý rezistor (R6) je 1kΩ rezistor pripojený k tlačidlu (SW1) s označením 'USB_BOOT'. Je to preto, že kolík QSPI_SS sa používa ako „pásik na topánky“; RP2350 kontroluje hodnotu tohto I/O počas zavádzacej sekvencie a ak sa zistí, že ide o logickú 0, potom sa RP2350 vráti do režimu BOOTSEL, kde sa RP2350 prezentuje ako veľkokapacitné pamäťové zariadenie USB a kód je možné priamo skopírovať. k tomu. Ak jednoducho stlačíme tlačidlo, vytiahneme pin QSPI_SS k zemi a ak sa následne zariadenie resetuje (napr. prepnutím kolíka RUN), RP2350 sa namiesto pokusu o spustenie obsahu flashu reštartuje v režime BOOTSEL. Tieto odpory, R2 a R6 (tiež R9 a R10), by mali byť umiestnené v blízkosti flash čipu, aby sme sa vyhli dodatočným dĺžkam medených stôp, ktoré by mohli ovplyvniť signál.
Všetko vyššie uvedené platí konkrétne pre RP2350, ktorý nemá vnútorný blesk. Zariadenia RP2354 majú, samozrejme, interné 2 MB flash pamäte, takže externá pamäť U3 nie je potrebná, takže U3 možno bezpečne odstrániť zo schémy alebo jednoducho ponechať nevyplnené. V každom z týchto prípadov by sme stále chceli ponechať prepínač USB_BOOT pripojený k QSPI_SS, aby sme stále mohli vstúpiť do režimu zavádzania USB.

Sekundárny blesk alebo PSRAM

Séria RP235x teraz podporuje druhé pamäťové zariadenie využívajúce rovnaké kolíky QSPI, pričom GPIO poskytuje dodatočný výber čipu. Ak teda používame RP2354 (ktorý má interný blesk), potom by sme mohli použiť U3 ako sekundárny blesk alebo ho dokonca nahradiť zariadením PSRAM. Aby sme to mohli urobiť, musíme odpojiť QSPI_SS od U3 a namiesto toho ho pripojiť k vhodnému GPIO. Najbližšie GPIO, ktoré môže byť výberom čipu (XIP_CS1n), je GPIO0, takže odstránením 0Ω z R10 a jeho nasadením na R9 máme teraz prístup k U3 okrem blesku na čipe. Aby ste naplno využili výhodytage tejto funkcie, kde máme dve externé pamäťové zariadenia, takže súčiastky RP2350 bez blesku môžu využívať výhody, väčšia z dvoch dosiek Minimal pre RP2350B obsahuje voliteľnú stopu (U4) pre ďalší pamäťový čip.

Obrázok 9. Schéma znázorňujúca voliteľné sekundárne pamäťové zariadenie

Aby bolo možné toto zariadenie používať, bude samozrejme musieť byť osadené , rovnako ako R11 (0Ω) a R13 (10KΩ). Pridanie R11 spája GPIO0 (signál XIP_CS1n) s výberom čipu druhej pamäte. Vytiahnutie kolíka na výber čipu je tentoraz určite potrebné, pretože predvolený stav GPIO0 má byť pri zapnutí stiahnutý nízko, čo by spôsobilo zlyhanie nášho flash zariadenia. C22 by bol tiež potrebný na zabezpečenie lokálneho oddelenia napájania pre U4.

Podporované flash čipy
Počiatočná sekvencia zábleskovej sondy, ktorú dno používa na extrahovanie druhej stage z flash, používa príkaz sériového čítania 03h s 24-bitovým adresovaním a sériovými hodinami približne 1 MHz. Opakovane cykluje cez štyri kombinácie polarity hodín a fázy hodín a hľadá platnú sekundu stage Kontrolný súčet CRC32.
Ako druhý stagPotom môžete voľne konfigurovať spustenie na mieste pomocou rovnakého príkazu sériového čítania 03h, RP2350 môže vykonať spustenie flash na mieste uloženej vo vyrovnávacej pamäti s akýmkoľvek čipom, ktorý podporuje 03h sériové čítanie s 24-bitovým adresovaním, čo zahŕňa väčšinu 25-sériových flash zariadení . SDK poskytuje example druhý stage pre CPOL=0 CPHA=0, at https://github.com/raspberrypi/pico-sdk/blob/master/src/rp2350/boot_stage2/boot2_generic_03h.S. Na podporu programovania flash pomocou rutín v spodnej časti musí zariadenie reagovať aj na nasledujúce príkazy:

02h 256-bajtový program stránky
05h stavový register prečítaný
06h nastaviť západku povolenia zápisu

20h vymazanie 4kB sektora

RP2350 tiež podporuje širokú škálu prístupových režimov dual-SPI a QSPI. Napríkladample, https://github.com/raspberrypi/pico-sdk/blob/master/src/rp2350/boot_stage2/boot2_w25q080.S konfiguruje zariadenie Winbond série W25Q pre režim nepretržitého čítania quad-IO, kde RP2350 posiela adresy quad-IO (bez predpony príkazu) a flash odpovedá údajmi quad-IO.

Určitá opatrnosť je potrebná pri režimoch XIP s bleskom, kde zariadenie s bleskom prestane reagovať na štandardné sériové príkazy, ako je napríklad režim nepretržitého čítania Winbond uvedený vyššie. To môže spôsobiť problémy, keď sa RP2350 resetuje, ale zariadenie Flash sa nezapne a nezapne, pretože blesk potom nebude reagovať na sekvenciu flash sondy bootromu. Pred vydaním sériového čítania 03h bootrom vždy vydá nasledujúcu pevnú sekvenciu, čo je sekvencia s najlepším úsilím na ukončenie XIP na rade flashových zariadení:

CSn=1, IO[3:0]=4'b0000 (prostredníctvom stiahnutia, aby sa predišlo sporu), vydanie ×32 hodín
CSn=0, IO[3:0]=4'b1111 (prostredníctvom ťahov, aby sa predišlo sporom), vydanie ×32 hodín
CSn=1

CSn=0, MOSI=1'b1 (riadené s nízkou Z, všetky ostatné I/O Hi-Z), vydanie ×16 hodín

Ak vami zvolené zariadenie nereaguje na túto sekvenciu v režime nepretržitého čítania, musíte ho udržiavať v stave, v ktorom je každému prenosu predpona sériový príkaz, inak sa RP2350 nebude môcť po internom resete obnoviť.
Ďalšie podrobnosti o QSPI nájdete v časti QSPI Memory Interface (QMI) v údajovom liste RP2350.

Kapitola 4. Kryštálový oscilátor

Obrázok 10. Schematický rez zobrazujúci kryštálový oscilátor a zaťažovacie kondenzátory

Presne povedané, RP2350 v skutočnosti nevyžaduje externý zdroj hodín, pretože má vlastný vnútorný oscilátor. Keďže však frekvencia tohto interného oscilátora nie je dobre definovaná alebo riadená, líši sa od čipu k čipu, ako aj s rôznym napájacím objemomtages a teplotách sa odporúča použiť stabilný externý frekvenčný zdroj. Aplikácie, ktoré sa spoliehajú na presné frekvencie, nie sú možné bez externého zdroja frekvencie, pretože USB je prvotriednym príkladomample.
Poskytnutie externého zdroja frekvencie je možné vykonať jedným z dvoch spôsobov: buď poskytnutím zdroja hodín s výstupom CMOS (štvorcová vlna IOVDD obj.tage) na kolík XIN alebo pomocou 12 MHz kryštálu pripojeného medzi nimi
XIN a XOUT. Použitie kryštálu je tu preferovanou možnosťou, pretože sú relatívne lacné a veľmi presné.

Zvolený kryštál pre tento dizajn je ABM8-272-T3 (Y1 na obrázku 10). Ide o rovnaký 12MHz kryštál, aký sa používa na Raspberry Pi Pico a Raspberry Pi Pico 2. Dôrazne odporúčame používať tento kryštál spolu s priloženými obvodmi, aby sa zabezpečilo rýchle spustenie hodín za všetkých podmienok bez poškodenia samotného kryštálu. Kryštál má frekvenčnú toleranciu 30 ppm, čo by malo byť dostatočné pre väčšinu aplikácií. Spolu s frekvenčnou toleranciou +/-30 ppm má maximálne ESR 50 Ω a zaťažovaciu kapacitu 10 pF, pričom obe tieto faktory mali vplyv na výber sprievodných komponentov.
Aby kryštál osciloval na požadovanej frekvencii, výrobca udáva zaťažovaciu kapacitu, ktorú na to potrebuje, a v tomto prípade je to 10pF. Táto zaťažovacia kapacita sa dosiahne umiestnením dvoch kondenzátorov rovnakej hodnoty, jedného na každú stranu kryštálu k zemi (C3 a C4). Z hľadiska kryštálu view, tieto kondenzátory sú zapojené do série medzi jeho dva vývody. Základná teória obvodov nám hovorí, že kombinujú kapacitu (C3*C4)/(C3+C4) a ako C3=C4 je to jednoducho C3/2. V tomto example, použili sme 15pF kondenzátory, takže sériová kombinácia je 7.5pF. Okrem tejto zámernej zaťažovacej kapacity musíme pridať aj hodnotu pre neúmyselnú dodatočnú kapacitu alebo parazitnú kapacitu, ktorú získame zo stôp PCB a kolíkov XIN a XOUT RP2350. Budeme predpokladať hodnotu 3 pF, a keďže táto kapacita je paralelná s C3 a C4, jednoducho to pridáme, aby sme dostali celkovú zaťažovaciu kapacitu 10.5 pF, čo je dostatočne blízko k cieľovej hodnote 10 pF. Ako môžete vidieť, parazitná kapacita stôp PCB je faktorom, a preto ich musíme udržiavať malé, aby sme nenarušili kryštál a nezastavili ho oscilovať podľa plánu. Pokúste sa udržať rozloženie čo najkratšie.
Druhou úvahou je maximálny ESR (ekvivalentný sériový odpor) kryštálu. Rozhodli sme sa pre zariadenie s maximálnym odporom 50 Ω, pretože sme zistili, že spolu s 1 kΩ sériovým rezistorom (R2) je to dobrá hodnota na zabránenie nadmernému namáhaniu kryštálu a jeho poškodeniu pri použití IOVDD. úroveň 3.3V. Ak je však IOVDD menej ako 3.3 V, potom sa riadiaci prúd kolíkov XIN/XOUT zníži a zistíte, že ampšírka kryštálu je nižšia alebo dokonca nemusí vôbec oscilovať. V tomto prípade bude potrebné použiť menšiu hodnotu sériového odporu. Akákoľvek odchýlka od tu uvedeného obvodu kryštálu alebo s úrovňou IOVDD inou ako 3.3 V si bude vyžadovať rozsiahle testovanie, aby sa zabezpečilo, že kryštál osciluje za všetkých podmienok a že sa spustí dostatočne rýchlo, aby nespôsobil problémy s vašou aplikáciou.

Odporúčaný kryštál

Pre originálne návrhy s použitím RP2350 odporúčame použiť Abracon ABM8-272-T3. Napríkladample, okrem minimalneho dizajnu naprample, pozrite si schému dosky Pico 2 v prílohe B údajového listu Raspberry Pi Pico 2 a dizajn Pico 2 files.
Pre najlepší výkon a stabilitu v typických rozsahoch prevádzkových teplôt použite Abracon ABM8-272-T3. ABM8-272-T3 môžete získať priamo od spoločnosti Abracon alebo od autorizovaného predajcu. Pico 2 bol špeciálne vyladený pre ABM8-272-T3, ktorý má nasledujúce špecifikácie:

Aj keď použijete kryštál s podobnými špecifikáciami, budete musieť obvod otestovať v rozsahu teplôt, aby ste zaistili stabilitu.
Kryštálový oscilátor je napájaný z IOVDD objtage. Výsledkom je, že kryštál Abracon a tento konkrétny dampodpory sú naladené na prevádzku 3.3V. Ak použijete inú IO objtage, budete musieť znova naladiť.
Akékoľvek zmeny parametrov kryštálov ohrozujú nestabilitu všetkých komponentov pripojených k obvodu kryštálov.

Ak nemôžete získať odporúčaný kryštál priamo od spoločnosti Abracon alebo predajcu, kontaktujte nás application@raspberrypi.com.

Kapitola 5. IO

USB
Obrázok 11. Schematická časť zobrazujúca kolíky USB RP2350 a sériové ukončenie

RP2350 poskytuje dva kolíky, ktoré sa dajú použiť pre plnorýchlostné (FS) alebo nízkorýchlostné (LS) USB, buď ako hostiteľ alebo zariadenie, v závislosti od použitého softvéru. Ako sme už diskutovali, RP2350 sa môže zaviesť aj ako veľkokapacitné pamäťové zariadenie USB, takže zapojenie týchto kolíkov do konektora USB (J1 na obrázku 5) má zmysel. Piny USB_DP a USB_DM na RP2350 nevyžadujú žiadne ďalšie ťahanie alebo spúšťanie (vyžaduje sa na označenie rýchlosti, FS alebo LS, alebo či ide o hostiteľa alebo zariadenie), pretože sú zabudované do I/O. Tieto I/O však vyžadujú sériové ukončovacie odpory 27Ω (R7 a R8 na obrázku 11), umiestnené blízko čipu, aby splnili špecifikáciu impedancie USB.
Aj keď je RP2350 obmedzený na plnú rýchlosť prenosu dát (12 Mbps), mali by sme sa pokúsiť zabezpečiť, aby charakteristická impedancia prenosových vedení (medené dráhy spájajúce čip s konektorom) boli blízko
USB špecifikácia 90Ω (merané diferenciálne). Na doske s hrúbkou 1 mm, ako je táto, ak použijeme 0.8 mm široké stopy na USB_DP a USB_DM, s medzerou 0.15 mm medzi nimi, mali by sme získať diferenciálnu charakteristickú impedanciu približne 90 Ω. To má zabezpečiť, aby sa signály mohli pohybovať po týchto prenosových vedeniach čo najčistejšie, čím sa minimalizuje objtage odrazy, ktoré môžu znížiť integritu signálu. Aby tieto prenosové vedenia správne fungovali, musíme sa uistiť, že priamo pod týmito vedeniami je uzemnenie. Pevná, neprerušovaná plocha brúsenej medi, tiahnuca sa po celej dĺžke trate. Na tomto dizajne je takmer celá spodná medená vrstva venovaná zemi a mimoriadna pozornosť bola venovaná tomu, aby USB stopy neprešli ničím iným ako zemou. Ak je pre vašu zostavu zvolená doska plošných spojov hrubšia ako 1 mm, máme dve možnosti. Mohli by sme prebudovať prenosové linky USB, aby sme kompenzovali väčšiu vzdialenosť medzi traťou a zemou pod ňou (čo by mohlo byť fyzicky nemožné), alebo by sme to mohli ignorovať a dúfať v to najlepšie. USB FS môže byť celkom zhovievavé, ale váš počet najazdených kilometrov sa môže líšiť. Je pravdepodobné, že bude fungovať v mnohých aplikáciách, ale pravdepodobne nebude v súlade so štandardom USB.

I/O hlavičky

Obrázok 12. Schematický rez zobrazujúci 2.54 mm I/O hlavičky verzie QFN60

Okrem už spomínaného USB konektora je tu dvojica dvojradových 2.54 mm headerov (J2 a J3 na obrázku 12), jeden na každej strane dosky, ku ktorým je pripojený zvyšok I/O. Na RP30A je 2350 GPIO, zatiaľ čo na RP48B je 2350 GPIO, takže hlavičky na tejto verzii dosky Minimal sú väčšie, aby umožnili dodatočné kolíky (pozri obrázok 13).
Keďže ide o dizajn na všeobecné použitie, bez ohľadu na konkrétnu aplikáciu, I/O boli sprístupnené na pripojenie podľa želania používateľa. Vnútorný rad kolíkov na každej hlavičke sú I/O a všetky vonkajšie rady sú spojené so zemou. Je dobrou praxou zahrnúť veľa uzemnení na I/O konektory. To pomáha udržiavať nízku impedanciu uzemnenia a tiež poskytuje množstvo potenciálnych spätných ciest pre prúdy smerujúce do az
I/O pripojenia. Toto je dôležité pre minimalizáciu elektromagnetického rušenia, ktoré môže byť spôsobené spätnými prúdmi rýchlo spínaných signálov, ktoré na dokončenie obvodu vyžadujú dlhé slučkové cesty.

Obidve hlavičky sú na rovnakej mriežke 2.54 mm, čo uľahčuje pripojenie tejto dosky k iným veciam, ako sú dosky na chlieb. Možno budete chcieť zvážiť montáž iba jednoriadkovej záhlavia namiesto dvojriadkovej záhlavia, bez vonkajšieho radu uzemňovacích spojení, aby bolo pohodlnejšie namontovať na doštičku.

Obrázok 13. Schematický rez zobrazujúci 2.54 mm I/O hlavičky verzie QFN80

Ladiaci konektor

Obrázok 14. Schéma znázorňujúca voliteľný konektor JST pre ladenie SWD

Pre ladenie na čipe sa možno budete chcieť pripojiť k rozhraniu SWD RP2350. Dva kolíky, SWD a SWCLK, sú k dispozícii na 2.54 mm hlavičke, J3, aby umožnili jednoduché pripojenie ladiacej sondy podľa vášho výberu. Okrem toho som zahrnul voliteľnú hlavičku JST, ktorá umožňuje jednoduché pripojenie k Raspberry Pi Debug Probe. Nemusíte to používať, 2.54 mm hlavičky postačia, ak máte v úmysle ladiť softvér, ale považujem to za pohodlnejšie. Zvolil som horizontálny konektor, hlavne preto, že sa mi páči vzhľad, aj keď nie je na okraji dosky, ale sú k dispozícii vertikálne, aj keď s trochu iným pôdorysom.

Tlačidlá
Dizajn Minimal teraz obsahuje nie jedno, ale hneď dve tlačidlá, kde verzia RP240 žiadne nemala. Jedno je na výber zavádzania USB, ako sme už predtým diskutovali, ale druhé je tlačidlo „reset“, ktoré je pripojené k kolíku RUN. Ani jedno z toho nie je nevyhnutne potrebné (hoci tlačidlo BOOTSEL by sa muselo nahradiť hlavičkou alebo podobným, ak by sa vyžadoval režim zavádzania z USB) a možno ho odstrániť, ak je problém s priestorom alebo nákladmi, ale používanie RP2350 je určite veľmi náročné. príjemnejší zážitok.