МК + USB: ТЗ и выбор компонентов

Второй проект заметно сложнее первого. В нём есть микроконтроллер, кварц, USB с дифференциальной парой, иерархическая схема и компоненты, которых нет в стандартных библиотеках. Зато на выходе получится настоящая отладочная плата: подключил к компьютеру, загрузил прошивку из Arduino IDE — и она работает.

Проект займёт пять уроков: ТЗ и компоненты (этот), схема (11.2.2), библиотека (11.2.3), топология (11.2.4), выпуск и запуск (11.2.5).

Шаг 1. ТЗ

Параметр	Требование
Назначение	отладочная плата для своих проектов, совместимая с Arduino IDE (как плата «Arduino Uno»)
Микроконтроллер	ATmega328P, 16 МГц, прошивка по USB через загрузчик
Питание	5 В от USB-C; потребление платы без нагрузки — десятки мА
Защита	ограничение тока по VBUS, защита линий USB от электростатики (ESD)
Связь с ПК	USB 2.0 → виртуальный COM-порт (UART)
Программирование «с нуля»	разъём ISP 2×3 для записи загрузчика
Органы управления	кнопка сброса, светодиод питания, светодиод на выводе D13 (PB5)
Выводы	все порты на гребёнки с шагом 2,54 мм, ширина платы под макетку
Плата	2 слоя, около 55×25 мм

💡Совет

«Совместимость с Arduino» здесь — вполне инженерное требование: оно задаёт частоту кварца (16 МГц), тип загрузчика, выводы UART и схему автосброса. Мы повторяем схемотехнику открытых плат Arduino, но рисуем её сами и понимаем каждый элемент.

Шаг 2. Структура

Рис. 11.5. Структура платы: USB-C даёт питание 5 В и линии данных D+/D−. Через защиту от ESD данные идут в преобразователь USB–UART CH340C, а он общается с ATmega328P по UART. Линия DTR через конденсатор сбрасывает микроконтроллер перед загрузкой прошивки. Разъём ISP — для первой прошивки загрузчика.

Плату удобно делить на два узла — потом они станут двумя листами иерархической схемы (урок 9.8):

1. USB и питание: разъём USB-C, предохранитель, защита ESD, преобразователь USB–UART.
2. Микроконтроллер: ATmega328P с кварцем, сбросом, развязкой, ISP, светодиодом и гребёнками.

Между узлами всего три сигнала: TXD, RXD и DTR (для автосброса) плюс питание.

Шаг 3. Микроконтроллер: ATmega328P-AU

Это тот же кристалл, что стоит в Arduino Uno и Nano. Суффикс -AU — корпус TQFP-32 (шаг выводов 0,8 мм; паяется руками, если не торопиться).

Выписываем из даташита Microchip:

Параметр	Значение	Что из этого следует
Напряжение питания	1,8–5,5 В	работает и от 3,3 В, и от 5 В
Допустимая частота	0–4 МГц при 1,8–5,5 В; 0–10 МГц при 2,7–5,5 В; 0–20 МГц при 4,5–5,5 В	16 МГц требуют питания около 5 В → питаем от 5 В USB
Выводы питания (TQFP-32)	VCC — 4 и 6; GND — 3, 5 и 21; AVCC — 18; AREF — 20	каждой паре VCC/GND свой конденсатор
Кварц	XTAL1 — 7 (PB6), XTAL2 — 8 (PB7)
Сброс	RESET — 29 (PC6)
UART	RXD — 30 (PD0), TXD — 31 (PD1)	к CH340C
ISP (SPI)	MOSI — 15 (PB3), MISO — 16 (PB4), SCK — 17 (PB5)	к разъёму ISP; на PB5 ещё и светодиод D13
AVCC	подключать к VCC обязательно, даже если АЦП не используется; при работе АЦП — через фильтр нижних частот

⚠️Внимание

Частота и напряжение связаны. Между 10 МГц при 2,7 В и 20 МГц при 4,5 В даташит задаёт линейную границу безопасной работы. 16 МГц при 3,3 В в неё не попадают. Плата на 3,3 В с кварцем 16 МГц может даже запуститься, но работать будет нестабильно. Поэтому Arduino-платы на 3,3 В используют 8 МГц.

Шаг 4. USB–UART: CH340C

У ATmega328P нет встроенного USB, поэтому нужен преобразователь USB → UART. Популярные варианты: FT232R (FTDI), CP2102 (Silicon Labs), CH340 (WCH). Берём CH340C в корпусе SOP-16:

Параметр (даташит WCH, CH340DS1 версии 3B)	Значение
Генератор	встроенный — кварц не нужен (в отличие от CH340G)
Питание	4,0–5,3 В (режим 5 В) или 3,1–3,6 В (режим 3,3 В)
Вывод V3	при 5 В — на конденсатор 0,1 мкФ к земле; при 3,3 В — соединить с VCC
VCC	развязка 0,1 мкФ рядом с выводом
Линии USB	UD+ (5), UD− (6) — прямо на шину, без последовательных резисторов
Модемные сигналы	DTR# (13), RTS# (14) — пригодятся для автосброса
Скорость	USB 2.0 Full Speed (12 Мбит/с)

Почему не CH340G? Ему нужен внешний кварц 12 МГц с конденсаторами — три лишние детали и лишняя трассировка. Почему не FT232R? Дороже, а для учебной платы разницы нет.

💡Совет

Сверяй суффиксы. CH340G, CH340C, CH340E, CH340K — разные корпуса и разная распиновка, у некоторых нужен кварц. Ошибка в одной букве = плата, которая не определяется компьютером.

Шаг 5. Разъём, защита, предохранитель

• USB-C, 16-контактный (только USB 2.0). Полноценный 24-контактный не нужен: высокоскоростных линий USB 3.x у нас нет. Контакты D+ и D− продублированы для двух положений кабеля (A6/B6 и A7/B7), их соединяют попарно. CC1 и CC2 — каждый своим резистором 5,1 кОм на землю, как в уроке 11.1.1, иначе источник USB-C не подаст 5 В.
• USBLC6-2SC6 (ST, SOT23-6) — защита линий D+/D− и VBUS от электростатики по IEC 61000-4-2 (уровень 4: 8 кВ контакт, 15 кВ воздух). Ёмкость линии до 3,5 пФ — для USB 2.0 незаметно. Ставится вплотную к разъёму.
• Самовосстанавливающийся предохранитель (PTC) на VBUS с током удержания около 0,5 А. Защищает USB-порт компьютера, если на плате или на подключённой к ней нагрузке случится замыкание.

Шаг 6. Кварц

Для 16 МГц берём кварцевый резонатор, а не керамический: точность у кварца порядка десятков ppm, а у керамического резонатора — около 0,5 %. Для UART и таймеров кварц надёжнее. Корпус — SMD 3225 или HC-49/SMD. В даташите кварца ищем нагрузочную ёмкость CL — по ней в уроке 11.2.2 посчитаем конденсаторы.

📖Из учебникагл. 5, §5.19, с. 317

Хоровиц объясняет, почему кварц стабилен: пластина кварца — механический резонатор с огромной добротностью, электрически она ведёт себя как очень узкий последовательный и параллельный резонансный контур. Внешние конденсаторы «подстраивают» частоту в небольших пределах — поэтому их номинал важен.

Итоговая таблица компонентов (черновик BOM)

Обозн.	Компонент	Корпус
XS1	USB-C, 16 конт., USB 2.0, на плату	SMD + выводы крепления
F1	PTC, удержание ≈ 0,5 А	1206 или 1812
R1, R2	5,1 кОм 1 %	0805
DA1	USBLC6-2SC6	SOT23-6
DD1	CH340C	SOP-16
DD2	ATmega328P-AU	TQFP-32
ZQ1	кварц 16 МГц	3225 или HC-49/SMD
C9, C10	нагрузочные, номинал по расчёту	0603/0805 C0G
R3, VD1, C4, SB1	цепь сброса и автосброса	0805, SOD-123, тактовая кнопка
C1, C2, C5–C8, C11	развязка	0805
HL1, HL2 + резисторы	индикация	0805
XP1, XP2	гребёнки 1×15, шаг 2,54	THT
XP3	ISP 2×3, шаг 2,54	THT

🧯 Типичные ошибки

Плата на 3,3 В с кварцем 16 МГц работает через раз

Почему Для 16 МГц ATmega328P нужно питание около 5 В — это граница безопасной работы из даташита.

Как исправить Либо 5 В и 16 МГц, либо 3,3 В и 8 МГц.

Заказали CH340G вместо CH340C и забыли про кварц

Почему CH340G требует внешний кварц 12 МГц, CH340C — нет.

Как исправить Сверяй суффикс микросхемы с даташитом и со схемой. Если всё-таки G — добавь кварц 12 МГц и конденсаторы.

Зарядник USB-C не даёт питания

Почему На CC1/CC2 нет резисторов 5,1 кОм или стоит один общий.

Как исправить Каждый CC — свой резистор 5,1 кОм на землю.

Проверь себя

1. 1. Почему плата питается от 5 В, а не от 3,3 В?

   CH340C не работает от 3,3 ВATmega328P на 16 МГц требует питания около 5 В по границе безопасной работыUSB даёт только 5 В
2. 2. Чем CH340C удобнее CH340G?

   БыстрееВстроенный генератор — не нужен внешний кварцНе нужен драйвер
3. 3. Где ставят USBLC6-2SC6?

   Рядом с ATmega328PВплотную к разъёму USBНе важно
4. 4. К какому выводу ATmega328P-AU подключают RXD преобразователя (то, что принимает CH340C)?

   К PD0/RXD (30)К PD1/TXD (31)К RESET (29)

🎯Практическое задание~40 мин

1. Скачай даташиты ATmega328P, CH340C (обрати внимание на версию документа), USBLC6-2 и выбранного кварца. Для каждой микросхемы выпиши в таблицу выводы, которые используешь, со ссылкой на страницу даташита.
2. Выбери конкретные модели разъёма USB-C, предохранителя PTC и кварца у доступного тебе поставщика, запиши MPN и ключевые параметры: ток удержания PTC, CL кварца.
3. Сохрани ТЗ рядом с проектом.