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ESP8266

2016-11-18T07:31:12Z

Drpepper: /* Firmware flashen/updaten */

[[Datei:ESP8266.jpg|thumb|300px|ESP8266, Funkmodul]]
Das [[ESP8266]] von dem Hersteller Espressif ist ein programmierbarer WLAN-SoC mit [[UART]]- und [[SPI]]-Schnittstelle. '''WLAN'''-Funkmodule mit ESP8266 sind ab 3€ verfügbar. Die UART-Schnitttstelle ermöglicht eine einfache Integration in Mikrocontrollerprojekte.

== Spezifikation ==
Laut Hersteller <ref>[http://espressif.com/en/products/esp8266 ''Herstellerseite - unter Details''] Abgerufen am 26. August 2014.</ref>. :
* 802.11 b/g/n
* Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP
* Integrated TCP/IP protocol stack
* Integrated TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network
* Integrated PLLs, regulators, DCXO and power management units
* +19.5dBm output power in 802.11b mode
* Power down leakage current of <10uA
* Integrated low power 32-bit CPU could be used as application processor
* SDIO 1.1/2.0, SPI, UART
* STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO
* A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval
* Wake up and transmit packets in < 2ms
* Standby power consumption of < 1.0mW (DTIM3)
* VCC: 3,3V (Achtung: Eingänge sind '''NICHT 5V TOLERANT'''!)
Weiterhin:
* GPIOs, ADC

=== Datendurchsatz/Performanz ===
[https://www.mikrocontroller.net/topic/342240?page=single#3857630 Beitrag im Forum mit Tests: TCP: bis zu 7 MBit/s] 
[http://bbs.espressif.com/viewtopic.php?f=7&t=24 Beitrag Espressif-Form: UART loopback: 4.5 Mbps]
 
Bei den chinesischen Modulen mit Firmware 0.9.1 werden Ping Befehle unabhängig von der Paketgröße typischerweise in 30-150ms beantwortet. Datenpakete, die man vom PC aus an das Modul sendet werden unabhängig von der Paketgröße typischerweise nach 100-200ms quittiert.

=== Power-/Sleep-Modes ===
Der Stromverbrauch des ESP8266 ist abhängig von vielen Faktoren, er läßt sich aber durch geschickte Programmierung durchaus deutlich senken. 
So ist es nicht notwendig, dass das WIFI-Modem oder der Mikrocontroller ständig läuft um z.B. eine WLAN-Türklingel zu realisieren. Im "Deep-Sleep" würde der ESP8266 dann nur 10uA verbrauchen, bis er über einen GPI-Interrupt geweckt wird und die Meldung absetzt. 
Zu beachten ist, dass in diesem Moment die WLAN und Netzwerkanmeldung neu startet und hierfür eine gewisse Zeit benötigt wird. 

[http://bbs.espressif.com/viewtopic.php?f=6&t=133 detailierte Übersicht der verschieden Modi und deren Stromverbrauch von Espressif] 

== WLAN-Module mit ESP8266 ==
Es existieren ca. 11 Varianten von chinesischen Herstellern. Beispielsweise mit PCB- oder Keramik-Antenne oder mit u.fl.
 
Die Firmware 0.9.1 unterstützt bis zu vier gleichzeitige TCP oder UDP Verbindungen. Sie kann sich in vorhandene WLAN Netze einbuchen, aber auch selbst Access-Point mit DHCP Server sein. Der Access-Point ist zu Android kompatibel (mit 4.1.2 getestet).
 
Die Firmware enthält jedoch keinen Router. Mehrere Computer, die mit dem Modul als Access-Point verbunden sind, können keine Verbindung zueinander aufbauen.
Das Feature nennt sich AP Isolation.
 
#Produktbeschreibung: [[http://playground.boxtec.ch/doku.php/wireless/esp8266]]

=== Pinbelegung einiger ESP8266-Module ===
====ESP8266-01====
<gallery>
Datei:ESP8266-PinBelegung1.jpg|Pinbelegung - Groß mit PCB-Antenne
Datei:ESP8266-PinBelegung2.jpg|Pinbelegung - Klein mit Keramik-Antenne
</gallery>
Quelle <ref>[http://pan.baidu.com/share/link?shareid=727869034&uk=1900861665 ''Seller Information''] Abgerufen am 26. August 2014.</ref>.
====ESP8266-07====
Achtung, beim ESP8266-07 Modul sind einige mit vertauschten Beschriftungen von GPIO4 und GPIO5 unterwegs!!.

== Möglichkeiten der Nutzung und Programmierung ==
===== Benutzung einer Firmware =====
Verschiedene Projekte betreiben die Entwicklung einer Firmware. Man kann die Firmware "einfach nur" flashen und benutzen oder sich auch aktiv an der Entwicklung beteiligen. Es gibt unter anderem folgende Projekte:
* AT-Befehle: Firmware, mit welcher das Modul über UART angesprochen wird.
* Micropython: Firmware, die das Ablaufen von Python Scripts ermöglicht ([https://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/esp8266/tutorial/intro.html Tutorial])
* NodeMCU: Firmware, die das Ablaufen von Lua-Scripts ermöglicht ([https://github.com/nodemcu/nodemcu-firmware Github])
* smartJS: Firmware, die das Ausführen von JavaScript erlaubt ([https://github.com/cesanta/smart.js Github])
* Arduino core for ESP8266 WiFi chip: Programmierumgebung & Firmware, die das Ausführen von C Programmen ermöglicht, im Stil der bekannten Arduino Plattform. [https://github.com/esp8266/Arduino Github - ink. Anleitung]
* ESP8266 Basic: Firmware, die das Ausführen von Basic Programmen und das Editieren über WLAN erlaubt [http://www.esp8266basic.com/]
* Sming: Einfach zu nutzendes Framework, ähnlich wie Arduino, allerdings mit einem einfachen Makefile pro Projekt und mit Eclipseprojekten.([https://github.com/SmingHub/Sming Github])
* ESP-Lisp (BETA): A small fast lisp interpeter for a ESP8266 ([https://github.com/yesco/esp-lisp Github])
* ESP8266Forth: Forth for the ESP8266 NodeMCU Amica ([https://github.com/CraigLindley/ESP8266Forth Github])
* Forthright: Forth for ESP-8266 ([https://github.com/niclash/forthright Github])
* Punyforth: FORTH inspired programming language for the ESP8266 ([https://github.com/zeroflag/punyforth Github])

===== Erstellen (Kompilieren) einer Firmware =====
Für die Erstellung einer individuellen Firmware gibt es zwei Möglichkeiten:
* Software Development Kit (SDK): Erstellen einer Firmware mit einer GCC-Toolchain
* Arduino IDE: Erstellen einer Firmware mit einer Arduino IDE
Projekte, die eine Firmware für das ESP8266 entwickeln (siehe vorheriger Abschnitt), benutzen eine dieser beiden Möglichkeiten.

=== Firmware flashen/updaten ===
Typischerweise wird eine kompilierte Firmware per UART-Bootloader des ESP8266-SoC auf einen Flash-Chip eines ESP8266-Moduls geladen. Von dort startet der ESP8266-SoC anschließend die Firmware.

[http://bbs.espressif.com/viewtopic.php?f=5&t=433 Flash Download Tool vom Hersteller] 
[http://github.com/themadinventor/esptool Python Tool zum Flashen (von Fredrik Ahlberg)] 
[http://github.com/3s1d/esp_prog Extension zum Tool von Fredrik Ahlberg] 
[http://www.mikrocontroller.net/topic/342240?page=2#3857075 Tool zum Flashen (von Christian Klippel)] 
[http://web.archive.org/web/20150502082616/http://defcon-cc.dyndns.org/wiki/ESP8266#Update Anleitung, extern] 
[http://www.mikrocontroller.net/topic/342240?page=3#3810559 Anleitung, Forum]

Der Hersteller veröffentlicht regelmäßig [http://bbs.espressif.com/viewforum.php?f=5 Firmwareupdates] als Bestandteil des esp_iot_sdk. Die Firmware-Dateien befinden sich im Verzeichnis bin. Das Update wird beispielsweise für Firmware 0.9.5 folgendermaßen durchgeführt: 
<pre>
python esptool.py --baud 9600 --port com6 write_flash 0x00000 boot_v1.2.bin 0x01000 at/user1.512.new.bin 0x3e000 blank.bin 0x7e000 blank.bin
</pre>

Abhängig von der Flashgröße muss man die Firmware ab Version 1.0.1 selbst compilieren. Siehe Diskussion [http://www.esp8266.com/viewtopic.php?p=16515 hier] und [http://bbs.espressif.com/viewtopic.php?f=16&t=400 hier].

=== Nutzung ohne Firmware ===
Es ist wohl sogar möglich den ESP8266 als SDIO WLAN Modul an einem Raspberry Pi zu betreiben. Verwendet wird dabei der Linuxtreiber des ESP8089. Der ESP8266 bootet dann nicht die Firmware aus dem Flash sondern über SDIO.

https://hackaday.io/project/8678-rpi-wifi

== AT-Befehle für eine Firmware auf Basis des SDK-Beispiels "AT"==

Einstellen des Moduls als AP

Da wir nicht wissen, in welchem Modus sich das Modul gerade befindet, fragen wir diesen ab mit dem
Befehl AT+CWMODE? Das Modul antwortet mit

AT+CWMODE?<\r><\r><\n>+CWMODE:1<\r><\n>
<\r><\n>
OK<\r><\n>
In diesem Fall ist das Modul aktuell im Modus 1 ( Station) eingestellt. Also ändern wir den Modus auf 2 ( AP)
mit dem Befehl AT+CWMODE=2. Nach diesem Befehl ist ein Reset des Moduls erforderlich, damit die Änderung
sichtbar wird. Mit dem Befehl AT+RST führen wir diesen durch. Das Modul startet neu und die Stromaufnahme
steigt auf ca 80 mA. Das Modul ist jetzt als WLAN AP im Wireless Lan sichtbar.

Jetzt müssen wir noch einstellen, dass wir mehrere Verbindungen gleichzeitig haben wollen und den TCP Server starten und einstellen. Mit dem Befehl AT+CIPMUX=1 sagen wir dem Modul, dass wir mehrere Verbindungen haben wollen. Und mit dem Befehl AT+CIPSERVER=1,2526 starten wir den TCP Server und lassen ihn auf Port 2526 laufen. Sobald sich ein Client verbindet, sendet das Modul 'Link' + LF + CR. Beim Trennen einer Verbindung vom Client kommt 'Unlink' + LF + CR.

Ab hier können wir uns über einen TCP Socket auf Port 2526 mit dem Modul verbinden und Daten austauschen. Empfangene Daten werden folgendermaßen angezeigt. Gesendet wurde "Hallo Leute" + LF + CR.

<\r><\n>
+IPD,0,11:Hallo Leute<\r><\n>
OK<\r><\n>

+IPD kommt immer, 0 ist die erste Verbindung. Wenn 2 Geräte gleichzeitig eine Verbindung aufgebaut haben, steht dort eine 1. 11 Zeichen wurden empfangen, dann kommen die Daten.

Zum Senden von Daten vom Modul zum Client geht man folgenderweise vor. Erstmal sagen wir dem Modul, wieviele Daten wir an welche Verbindung schicken wollen. Mit dem Befehl AT+CIPSEND=0,5 z. B. sagen wir dem Modul wir möchten 5 Bytes an Verbindung 0 senden. Nach diesem Befehl werden die nächsten 5 Zeichen direkt an die Verbindung weitergereicht.
Sollte keine aktive Verbindung bestehen, sendet das Modul
AT+CIPSEND=0,5<\r><\r><\n>link is not<\r><\n>
ansonsten kommt
<\r><\n> >
und man kann Daten senden. Nach dem absenden der Daten 'Leute' + LF + CR sendet das Modul
Leute<\r><\r><\n>busy<\r><\n>
<\r><\n>
busy<\r><\n>
<\r><\n>
SEND OK<\r><\n>

Einstellen des Moduls als Station

== Software Development Kit (SDK) ==
Mit dem SDK können eigene Applikationen programmiert und die im SDK vorhandenen Beispiele "AT" und "IoT" verändert werden. Das SDK wird vom Hersteller zur Verfügung gestellt (Stand 25.10.2014). Passend zum SDK existiert eine virtuelle Maschine mit eingerichtetem gcc zum Kompilieren. Insbesondere der nun verfügbare gcc basiert auf einer Community-Entwicklung.

[http://bbs.espressif.com/viewforum.php?f=5&sid=3cf7540ab17805367e6a45d2c4682fc9 SDK0.9.2 + virtuelle Linuxmaschine mit eingerichtetem gcc]

[https://drive.google.com/folderview?id=0B5bwBE9A5dBXaExvdDExVFNrUXM&usp=sharing Alternativlink für die virtuelle Maschine + Anleitung/HOWTO für das Setup sowie für das Kompilieren]

=== Anmerkung ===
Mit dem SDK wird der Mikrocontroller progammiert, der sich direkt auf dem ESP8266-SoC-Chip befindet. Dies ist nicht zu verwechseln mit Programmieranleitungen zur UART-Ansteuerung des ESP8266-SoC (meist mit AT-Firmware) mit einem anderen Mikrocontroller.

==Checkliste bei Problemen mit dem Modul/Compiler/SDK==
Bitte berücksichtige bei der Frage nach Hilfestellung zu Deinem Problem die folgende Checkliste.

'''Bei Problemen mit der AT-Firmware/UART-Ansteuerung mit Mikrocontroller'''
# Was nutzt Du für die Stromversorgung? (Ganz knapp benennen, so dass Rückschlüsse auf Spannung und Stromstärke möglich sind)
# Welche Firmware-Version verwendest Du und von woher hast Du sie?
# Welchen Mikrocontroller verwendest Du?
# Welche Baudrate verwendest Du?
# "Sieht" das Modul den AP, "sieht" der PC das Modul?
# Funktioniert ein Connect?
# Welche AT-Befehlssequenz verwendest Du und was antwortet das Modul?

'''Bei Problemen mit dem SDK/Compiler'''
# Benutzt Du die neuste, offizielle VM? (Diese ist ausgelegt für das neueste SDK)
# Benutzt Du das neueste, offizielle SDK? Welche Version benutzt Du? (Es werden regelmäßig Bugfixes und Erweiterungen eingepflegt)
# Kannst Du die SDK-Beispiele (IoT,AT) entsprechend der offiziellen Anleitung kompilieren, flashen und läuft es?

== Links ==
[https://en.wikipedia.org/wiki/ESP8266 ESP8266-Eintrag auf en.wikipedia.org] 
[http://www.esp8266.com/ ESP8266 Community Forum] 
[http://github.com/esp8266 ESP8266 Github mit Wiki und Source-Code Samples] 
[https://hackaday.com/tag/esp8266/ Hackaday Posts zu ESP8266] 
[http://espressif.com/en/products/esp8266/ ESP8266-Seite des Herstellers] 
[http://bbs.espressif.com/ ESP8266-Forum des Herstellers] 

[http://www.mikrocontroller.net/topic/348772 Topic neu im mikrocontroller.net-Forum] 

[http://www.mikrocontroller.net/topic/342240 Topic alt im mikrocontroller.net-Forum] 
[http://www.mikrocontroller.net/topic/342878 Sammelbestellungen im mikrocontroller.net-Forum]

[http://esp8266-server.de/ Universelle I2C- Steuerung mittels WLAN TCP/IP und Webinterface mit ESP8266] 
[http://blog.thomasheldt.de/ Viele Projekte und Informationen zum ESP8266] 
[http://stefanfrings.de/wlan_io/ Projekt I/O Schnittstellen Modul mit WLAN]

=== Dokumente ===
[http://neilkolban.com/tech/esp8266/ Kolban’s book on the ESP8266] Sehr empfehlenswert! 
[https://drive.google.com/folderview?id=0B5bwBE9A5dBXaExvdDExVFNrUXM&usp=sharing Anleitung/HOWTO für das Setup der virtuellen Maschine (SDK) sowie für das Kompilieren] 
[https://nurdspace.nl/ESP8266 Übersetztes Datenblatt] 
[http://www.electrodragon.com/w/Wi07c AT Instructions Set (English)] und [http://www.electrodragon.com/w/Wi07c#First_time_use_guide Anleitung zum Betrieb an einem Arduino (inkl. Code)] 
[http://thomaspfeifer.net/esp8266_wlan_seriell_modul_at_kommandos.htm Beschreibung der AT-Kommandos mit Beispielen] 
[http://www.mikrocontroller.net/attachment/229016/Espressif_IoT_AT____v0.1.5.906.pdf Espressif AT Instruction Set(Chinese)] 
[http://www.seeedstudio.com/document/pdf/ESP8266%20Specifications(Chinese).pdf ESP8266 Specifications(Chinese)] 
[http://nodemcu.readthedocs.org/en/dev/ NodeMCU Documentation] 
[https://cknodemcu.wordpress.com/2015/11/24/building-an-iot-node-for-less-than-15/ Building an IoT Node for less than 15$] (Paper, Kindle via Amazon)

===Daten===
[http://bbs.espressif.com/viewforum.php?f=5&sid=3cf7540ab17805367e6a45d2c4682fc9 SDK0.9.2 + virtuelle Linuxmaschine mit eingerichtetem gcc] 
[https://drive.google.com/folderview?id=0B5bwBE9A5dBXaExvdDExVFNrUXM&usp=sharing Alternativlink für die virtuelle Maschine] 
[https://onedrive.live.com/#cid=C4DDF72E6EEA3826&id=C4DDF72E6EEA3826%21631 Dateien (Xplorer+SDK+PDF+etc.)] 
[http://www.mikrocontroller.net/attachment/230185/esp8266_config_v050.exe Config-Tool] 

=== Bezugsquellen ===
[http://espressif.com/en/company/contact/buy-a-sample/ Offizieller Espressif Vertriebskanal] (Sample Purchase) 
[http://www.aliexpress.com/wholesale?SearchText=ESP8266 aliexpress.com] ~ 2€ 
[http://www.banggood.com/?zf=283997 banggood.com] ~ 3.50€ 
[http://www.ebay.de/ Ebay]
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==Anderes==
*[http://www.mikrocontroller.net/articles/ESP8266-CPCB PCB für Community-Modul (Vorschlag)]
*[http://fkainka.de/esp8266-in-der-arduino-ide/ ESP8266 mit Arduino IDE programmieren]
*[http://www.arduinesp.com Arduino IDE Integration (ab 1.6.x)]
*[https://cknodemcu.wordpress.com/ NodeMCU (Lua) Anwendungen]

== Einzelnachweise ==
<references />

--von [[axhieb]]

[[Kategorie:Bauteile]]
[[Kategorie:Funk]]
[[Kategorie:Wlan]]

Richtiges Designen von Platinenlayouts

2015-11-25T15:00:03Z

Drpepper: /* Gutes Platinenlayout (Do's) */

Beim Erstellen von Platinenlayouts muss man vieles beachten. Dieser Artikel zählt auf, was man machen sollte (Dos), und was man keinesfalls machen sollte (Don'ts).
Der Grund hierfür ist, dass die "Regeln" (besser eigentlich "Bedingungen") sehr umfangreich und komplex sind. Dazu kommt, dass es eigentlich keine Regel ohne Ausnahme gibt, und zusätzlich zu den rein elektrotechnischen Anforderungen noch mechanische und chemische sowie betriebswirtschaftliche Anforderungen bestehen. Siehe dazu diesen [http://www.mikrocontroller.net/topic/305443#3280240 Diskussionsbeitrag (letzter Absatz)].

== Gutes Platinenlayout (Do's) ==

* Berechne nach dem Erstellen des Schaltplans, welche Ströme über die Leiterbahn fließen werden und bestimme anhand dessen deren minimale Breite. Faustformel: 0,35mm können ohne nennenswerte Erwärmung mit einem Ampere belastet werden. Kritische Leitungen sollten als Vorgabe für den Layouter in der Zeichnung vermerkt werden. Weiteres siehe unter [[Leiterbahnbreite]].
* Halte die Leiterbahn möglichst kurz. Jeder Leiterzug wirkt wie eine Antenne, welche Störungen aussendet und empfängt.
* Nutze die freien Flächen zwischen den Leiterzügen und verbinde sie mit einer Masse (Polygone). So kann man Strahlung von außen abschirmen und oft Abstrahlung minimieren. Vermeide aber freie Kupferflächen, die nicht an GND angeschlossen sind.
* Geize nicht mit [[Kondensator#Entkoppelkondensator | Blockkondensatoren]]. Für jeden VCC-Pin o.ä. ist mindestens ein 100nF Kondensator, bei schnelleren Sachen evtl. ein kleinerer (z. B. 10nF) einzusetzen. Ausserdem kann es meist notwendig sein, pro IC noch zusätzlich einen 10µF Kondensator und eine Ferritperle (engl. bead) zur Entkopplung von Vcc zu spendieren.
* Digitale und analoge Signale getrennt routen und nur in einem Punkt verbinden. Und zwar idealerweise am [[AD-Wandler]], falls dieser vorhanden ist, sonst in der Nähe des Spannungsreglers. Eine Massefläche für analoge und digitale Schaltungsteile sollte durchgängig sein, getrennte Masseflächen sind nur in sehr seltenen Fällen sinnvoll.
* Nutze die Anschlüsse der bedrahteten Bauelemente für Durchkontaktierungen.
* Wenn es sich nicht vermeiden lässt 230V (400V) Netzspannung auf die Platine zu führen, so trenne die Bereiche der Kleinspannung und Netzspannung deutlich voneinander und mit vieeel Platz. Dabei unterscheidet man zwischen Luft- und Kriechstrecken. Eine Kriechstrecke ist die Strecke auf der Oberfläche einer Leiterplatte oder eines Bauteils. Die Luftstrecke ist sozusagen die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Potentialen. Die Luft- und Kriechstrecken betragen zwischen 3 und 8 mm. Maximale Spannung z.b. 3kV/cm, bei lackierten Platinen 10kV/cm. Der notwendige Abstand hängt von der Gefährdung ab, siehe auch [[Leiterbahnabstände]].
* Möglichst eine großflächige Ground-Plane für Masseverbindungen.

== Schlechtes Platinenlayout (Dont's) ==

* Analoge und digitale Schaltungsteile direkt ohne Filter aus der gleichen Stromquelle versorgen.
* Nicht beachtet, dass Ströme im Kreis fließen und damit empfindliche Signale zusammen mit pulsierenden Versorgungsströmen über die gleichen Bahnen geleitet (Sternförmige Masseführung nicht beachtet)
* Digitale Signalleitungen in unmittelbarer Nachbarschaft analoger Signale
* Zu wenig Abstand zwischen Leiterplattenrand und Leiterzügen
* Spitze Winkel kleiner als ca. 45° beim Routen von Leiterbahnen. Entgegen der weit verbreiteten Annahme hat das nur sehr wenig Auswirkungen auf die HF-Eigenschaften, mehr dazu im Artikel [[Wellenwiderstand#Leitungsf.C3.BChrung_und_Layout | Wellenwiderstand]]. Es sind mehr fertigungstechnische (Ablösung von Ecken, schlechteres Ätzen) und ästhetische Gründe (Aussehen, Packungsdichte der Leitungen).
* Durchkontaktierungen auf SMD-Pads. Beim maschinellen Löten läuft das Lötzinn in die Bohrung ab (u.a. durch Kapillarwirkung) und fehlt auf dem Pad. Die Fehlerhäufigkeit steigt. Bei speziellen Footprints (große Ball Grid Arrays) oder Thermal Vias geht es aber nicht anders als Vias in Pads unterzubringen. In diesem Falle müssen die Vias verschlossen werden (engl. plugged via, tented via). Eine weitere Möglichkeit ist es, einen Überschuss an Lotpaste auf das Pad aufzubringen (dickere Siebdruckschablone) oder die Vias mit Barrieren aus Lötstopplack zu umgeben, aber nicht abzudecken
* Durchkontaktierungen von beiden Seiten mit Stopplack verschließen. Es könnten Feuchtigkeit oder gar Ätzrückstände darin zurückbleiben und beim Löten der Stopplack abplatzen oder Korrosion auftreten (ggf. Hersteller fragen)
* Bestückdruck auf Lötpads platziert
* Keine Testpunkte, keine Befestigungsbohrungen
* Zu wenig Durchkontaktierungen bei hohen Strömen
* Entkoppelkondensatoren über unnötig lange Leiterbahnen angebunden
* Keine Massefläche (engl. ground plane). Bei vielen zweilagigen Platinen mit hoher Bauteildichte kann man sich keine Massefläche leisten, spätestens ab 4 Lagen ist diese jedoch praktisch immer verfügbar.

== Vorgehen bei der Layouterstellung ==
* Umrisse der Platine festlegen, dabei Bruchkanten eventueller Nutzen beachten
* Befestigungsbohrungen festlegen, dabei ausreichend Platz für Schraubenköpfe und Werkzeuge freihalten (Sperrflächen verlegen)
* Steckverbinder platzieren. Dabei den 3D-Zusammenhang mit anderen Platinen im Bezug auf Kabeldrehung und -knickung beachten, ggf. Steckverbinder um 180 Grad drehen, um Sonderkabel zu vermeiden. Steckverbinder auch nicht völlig am Rand platzieren, um Biegeradius von Flachbandkabeln und Zwischenraum zur Gehäusewand zu schaffen. Steckverbinder, welche direkt in einer Frontplatte enden, werden natürlich direkt am Rand platziert.
* Bauteile platzieren. Dabei möglichst zusammengehörige Bauteile nebeneinander platzieren. Die Luftlinien (engl. air wires) möglichst kurz und kreuzungsarm halten. Idealerweise erst die grossen und hohen Bauteile festlegen, dabei Einbaumasse und -raum beachten, auch in Bezug auf die Wärmeentwicklung
* Stromversorgung der ICs verlegen, dabei Abstand zu Kanten und kritischen Signalen /-eingängen beachten. Ebenso [[Leiterbahnabstände | Kriechstrecken]] beachten
* Kritische Signale wie Takte, Sensoreingänge etc. möglichst ohne Lagenwechsel verlegen, ggf. guard lines verwenden
* Restliche Signale verlegen
* Masseflächen füllen
** Masseflächen können eine Schaltung deutlich verbessern, wenn sie richtig benutzt werden. Sie können aber auch genau das Gegenteil bewirken, wenn sie als automatisches Wundermittel betrachtet werden.
** Die Masseverbindung aller ICs muss zunächst direkt verlegt werden.
** Erst wenn die Masse komplett verlegt ist, kann man die Massefläche auffüllen. Damit verhindert man, dass vielleicht ein IC nur über eine sehr dünne Verbindung angeschlossen wird, welche man in der Massefläche übersieht. Ebenso verhindert man, dass eine Massverbindung von einem schnellen IC sehr lang wird und damit die Wirksamkeit der [[Kondensator#Entkoppelkondensator | Entkoppelkondensatoren]] leidet.
** Masseflächen sind nur dann wirklich wirksam, wenn sie möglichst durchgängig sind. Wenn sie durch viele Leitungen zerschnitten werden, sinkt ihre Wirksamkeit massiv und sie können sich zu einem [[EMV]]-Problem entwickeln (Abstrahlung von Energie, Streifen- und Schlitzantennen). Bei zweilagigen Platinen ist es aber kaum möglich, dass Masseflächen nicht zerstückelt werden. Auf jeden Fall darauf achten, das KEINE Zipfel oder Streifen Massefläche existieren, die nicht an mindestens beiden Enden mit anderen Masseflächen verbunden sind. Für "Systeme" aus solchen Masseflächen gilt gleiches, d.h. die Masseflächen müssen auch untereinander gut vernetzt werden. Wenn dieses nicht erreicht werden kann, so ist die Massefläche besser wegzulassen.
** Bei Platinen mit vier oder mehr Lagen wird meist eine Lage für die Masse (GND) verwendet. Hier hat man den Luxus, dass man GND nicht manuell layouten muss sondern einfach die ICs an die Massefläche anschließt. Aber Vorsicht! Bei Schaltreglern und Leistungsstufen für Motoren und Ähnlichem ist es oft besser bzw. notwendig, auf Masseflächen zu verzichten und statt dessen mit dicken Leitungen bzw. kleineren Polygonen die Ströme sternförmig zu führen.
** Des weiteren ergibt sich bei Platinen mit vier oder mehr Lagen die Möglichkeit, auch die Spannungsversorgung ("+ Leitung") als Fläche auszuführen. Grundsätzlich gelten hierbei die gleichen Empfehlungen wie für die Masseflächen. Diese beiden Stromversorgungslagen sollten in dem Sinne, dass sie einen großen, verteilten Kondensator darstellen, der extrem impedanzarm ist, möglichst dicht zusammen liegen. Bei einem Multilayeraufbau mit vier Lagen wären das z.B. die beiden inneren Lagen. Zusätzlich sollten die beiden Lagen öfters mit keramischen Kondensatoren verbunden werden, mindestens an jedem IC zur Spannungsversorgung.
* Für die Bestückung und das Bedrucken mit Lotpaste sind Passermarken (engl. Fiducials) nötig. Diese Passermarken werden normalerweise als Kreuze oder besser als runde Pads (z.B 1mm) ausgeführt und von Kupfer freigestellt (2mm, Nicht in die Masseflächen einbeziehen). Die Passermarken werden dann von Lötstop freigegstellt und in der Lotpastenschablone (engl. stencil) mit eingebracht. Auf jede zu bestückende Seite sollten zwei Passermarken diagonal auf den Boards eingebracht werden. Andere Vorschläge zielen darauf ab, die Passermarken nicht für das komplette Board, sondern immer extra für spezielle "kritische" Footprints einzusetzten. Passermarken zur Platinenfertigung setzten sich die Platinenfertiger selbstständig ausserhalb der Platinen nach ihren eigenen Bedürfnissen. Die Passermarken für die Bestücker werden voraussichtlich von den Bestückern auch noch adaptiert, so dass sie lediglich als Platzhalter zu verstehen sind, damit Raum beim routen dafür ausgespart bleibt.
*Der Bestückungsdruck wird am Ende ausgerichtet. Dazu sollte man nahezu alle Lagen ausblenden und nur die Lagen für Bestückungsdruck, Umrisse und Lötstopmaske anzeigen lassen. Dann richtet man die Beschriftungen so aus, dass sie neben den Bauteilen aber nicht auf den Flächen der Lötstopmaske liegen, denn dort gehört die Lotpaste und später der Anschluss der Bauteile hin. Bei sehr dicht bestückten Platinen muss man den Bestückungsdruck teilweise oder vollständig weglassen. Dort platziert man die Bauteilbezeichnung direkt auf dem Bauteil. Damit kann man den Bestückungsdruck wenigstens auf Papier drucken und somit indirekt nutzen. Einige Profi-CAD-Programme haben dafür auch getrennte Ebenen (engl. Layer).

== CAM Input und Produktion / Berücksichtigung von Technologiegrenzen ==

Um Platinen fertigungsgerecht zu layouten, ist es sinnvoll, in etwa zu wissen, was in der Leiterplattenfabrik gemacht wird, wie die Daten für die Produktion aufgearbeitet werden müssen, und wo dort Schwachstellen liegen, um diese nach Möglichkeit zu vermeiden, zu verringern oder zu Umgehen. Diese Grenzen der Technologie sind "weich", das heisst, ab einem Grundlevel, ab dem eine fehlerfrei Produktion machbar ist, steigt mit zunehmenden Anforderungen der Ausschuss. Den kauft man zum einen mit d.H. man muss ihn im Rahmen der Kalkulation mitbezahlen, auch wenn er schon in der Fabrik weggegeworfen wird, und er muss mit, im Zweifelsfalle aufwändigen und auch nur begrenzt zuverlässigen Verfahren, aussortiert werden.

Hier sollte man also den Grundsatz verfolgen: So grob und einfach wie möglich und so fein wie nötig.

Im folgenden sollen hier ein paar grobe Richtwerte gegeben werden, die eigentlich jede Leiterplattenfabrik kann, und die somit den konservativ definierten Stand der Technik darstellen (Stand ca. 2012). Trozdem sollte man sich im Vorfeld immer informieren. Es ist deutlich mehr möglich, aber das ist abhängig von den Fertigungsstrassen der einzelnen Fabriken und kostet natürlich auch mehr. Man Behalte im Auge, daß hier um fertigungsmechanische und ätztechnische Gründe bei Herstellung der Platine geht, nicht um elektrotechnische Gründe für die fertige Platine.

*Unterätzungsfaktor/U-Faktor

**Um die Unterätzung zu kompensieren, müssen beim CAM-Input die Kupferlagen durch Zugabe einer Breite (U-Faktor) verbreitert werden. Der U-Faktor ist abhängig von dem Materialstärke, die weggeätzt werden muss. Das ist nicht identisch mit der Kupferlage, weil es ja auch Fälle gibt, wo auf eine dünne Vorlage partiell aufgetragen wird wird, und dann alles komplett um die Vorlage abgeätzt wird. Hier ist nur ein U-Faktor für die Vorlagendicke erforderlich.

***Standard:
****U-Faktor Aussenlagen (35u): +25u (insgesamt), weil beidseitige Wirkung pro Seite 12,5u)
****U-Faktor Innenlagen (35u): +50u (insgesamt, weil beidseitige Wirkung pro Seite 25u)
****Wenn Isolationsbreite weniger als 150u, sollte dort NICHT das komplette Leiterbild bearbeitet werden, sondern nur die Pads um z.B. 15u vergrößert werden.
****Leiterbahnbreiten die kleiner als 150u sind, sollten dabei auf 165u verbreitert werden, wenn die verbleibende Isolation (aus Äztechnischer Sicht!) dieses zulässt.

**Die Software im CAM-Input stellt dafür im allgemeinen spezielle Funktionen zur Vefügung. Diese beruhen aber auch darauf, dass Flächen als Polygone ausgeführt werden, und nicht durch Leiterbahnzüge "gemalt" werden. Desweiteren sollten Pads und nur Pads im Gerber-Format als "Flashs" bzw. "Blinks" dargestellt werden, und Leiterbahnen und eben nur Leiterbahnen als "Draws", im Grenzfalle auch mit einem "Draw" der Länge 0. Auch wenn ein "Draw" der Länge 0 genauso wie ein "Flash" gleicher Apertur aussieht, gibt die unterscheidung "Draw" zu "Flash" den Aufbearbeitungsalgorithmen der CAM-Input Software wichtige Hinweise.

*Lücken füllen:
**Sehr schmale „Isostellen“ in der gleichen Kupferfläche und kleine Löcher in Kupferflächen stellen beim Ätzen ein Problem dar, weil das für die Resistschicht kleine "Inseln" oder "Halbinseln" bedeutet, die u.U. nicht halten, sich ablösen, und sich dafür noch anderswo anlagern können, und somit an der Stelle, wo sie fehlen, Unterbrechungen, und an den Stellen, wo die abgerissenen Stücke sich festsetzten, unerwünschte Verbindungen entstehen können. Darum müssen solche Stellen, bearbeitet werden. Das wird Grundsätzlich nach Leiterbildvergrößerung mit U-Faktor gemacht, weil sich einige Lücken dadurch von selber schliessen. Im allgemeinen wird zum füllen einfach ein kleines Stück Leiterbahn über diese Stelle gelegt. Kritisch sind freistehende Resistflächen von ca. 150u mal 150u Abmessungen und kleiner. Werden sie von einer oder zwei Seiten von größeren Resistflächen gehalten, können auch Streifen von ca. 100u tragbar sein, wenn sie nicht zu lang werden.

*Rekalkulieren der Bohrer:
**Bohrungen für durchkontaktierte (DK)-Bohrungen müssen größer gebohrt werden, weil sie ja zukupfern (Bohrvorlage typisch 200u). Dadurch wird der verbleibende Restring eventuell zu klein.
**Via Bohrungen (alle Bohrungen kleiner als 0,5 mm) werden nach dem vorhandenen Lötauge gewählt und eventuell vergrößert/verkleinert. Vergrößert, wenn es möglich ist, weil es fertigungstechnische Vorteile bietet, und verkleinert, wenn es sonst Probleme mit Abständen gibt. Der Kupferquerschnitt wird dadurch im allgemeinen nicht zu auffällig verkleinert, und THT-Anschlüsse dünner als 0,5mm sind unbekannt, es kann also (eigentlich) keiner etwas hindurchstecken wollen.
**Anzustreben sind Bohrer von größer 0,4mm und ein Restring von 175u Breite. Das ist unproblematisch für Lötaugen von 700u (Original), weil ja 50u Durchmesser vom U-Faktor dazukommen. Die Bohrvorlage kann zur Not auf 150u verringert werden.
**Bohrungen von größer als 0,4mm sind darum anzustreben, weil damit zwei Leiterplatten auf einmal im Stapel gebohrt werden können. Unter 0,4mm wird die seitliche Abweichung der Bohrung in der unteren Leiterplatte so groß, daß sie eventuell ein Pad von der Leiterbahn abschneiden kann. Bei einer Serienfertigung bedeuten darum Bohrungen kleiner als 0,4mm doppelten Aufwand, was sich auch im Preis niederschlägt.....oder einen Wettbewerbsvorteil für Fertiger, die es besser können.

== Siehe auch ==

* [[EMV]]
* [[Eagle im Hobbybereich]]
*[http://www.mikrocontroller.net/forum/read-6-178710.html#254235 Forumsbeitrag]: Regeln beim Platinenentwurf
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/93602#804338 Forumsbeitrag]: Vorschlag für Lötpads bei Hobbyeinsteigerplatinen
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/306233#new Forumsbeitrag]: Über spezielle Padformen (Teardrop, Snowman, Oktogon)
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/231263#new Forumsbeitrag]: Suche gutes Buch über Layout-Techniken (Literaturtipps und Links).
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/305443#3286008 Forumsbeitrag]: Tutorials zu Platinenlayout
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/310971#new Forumsbeitrag]: Tipps zum Routen und Entflechten von Platinen.
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/313990#3393319 Forumsbeitrag]: Das Routen von LVDS Signalen.

==Links==
* [http://www.ilfa.de/design-optimierung.html Optimierung von Layouts]
*[http://www.ilfa.de/designrichtlinien Weitere Dokumente zum Thema professionelle Platinenherstellung]
* [http://www.analog.com/library/analogDialogue/Anniversary/12.html Grounding (Again)], Ask The Applications Engineer - 12, Fa. Analog Devices, (englisch)

* [http://www.sparkfun.com/commerce/tutorial_info.php?tutorials_id=115 Designing a Better PCB] von Sparkfun (engl.)
* [http://www.hottconsultants.com/tips.html Tech Tips] von Henry Ott (engl.)
* [http://www.ultracad.com/articles/90deg.pdf Messung] von verschiedenen Winkeln von Leiterbahnen mit 17ps TDR, keinerlei Unterschiede!
* [http://www.ilfa.de/absorptivesstromversorgungssysteminleiterplatten.html ILFA], Dämpfung von Resonanzen der Versorgungslagen durch Carbondruck
* [http://docs.toradex.com/101123-apalis-arm-carrier-board-design-guide.pdf Link]: Tipps zum erstellen von High Speed Platinen.

[[Category:Platinen]]
[[Kategorie:Schaltplaneditoren]]

Benutzer:Drpepper

2010-03-02T15:39:26Z

Drpepper: /* \Alpha - \Omega */

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Benutzer:Drpepper

2010-03-02T12:12:08Z

Drpepper: Die Seite wurde neu angelegt: „== <math>\Alpha - \Omega</math> ==“

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