自制 SoM（系統模塊）
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模塊化方法
在本文中，解釋了什么是 SoM（System-on-Module，系統模塊），以及它在嵌入式設計中的作用。分享一款 SoM，并說明它如何在資源和時間有限的情況下，幫助解決一個持續性工程問題。
討論主題
如何創建自己的 SoM？
為什么要自制 SoM？
在構建 SoM 時需要注意什么？
涉及技術： ESP32-C3-MINI-1-N4
提到的公司： Espressif Systems（樂鑫科技）
集成電路與 SoM 的理念
集成電路（IC）的發明極大地簡化并加快了電路設計的過程。過去工程師需要從零開始設計子系統或電路功能，而現在只需購買相應的 IC 即可。例如：
集成了 MOSFET 和驅動器的 H 橋；
完整的 LED 驅動器；
降壓穩壓器系統。
然而，隨著產品體積不斷縮小、上市周期越來越短，設計師該如何跟上？一種可能的解決方案就是 SoM（系統模塊）。它和 IC 的理念相似，但不同的是，IC 是通過半導體工藝把功能“縮小”封裝，而 SoM 則是使用 離散元件 把復雜功能集成到一個小型 PCB 上。
這樣，你只需要一次性解決復雜的電路細節，之后就可以反復復用該 SoM，而不用在每次新設計中重新布板。
Xilinx 對 SoM 的定義
“系統模塊（SoM）在單一、可量產的印刷電路板（PCB）上，提供嵌入式處理系統的核心組件，包括處理器核心、通信接口和存儲模塊。”【1】
這是一個相當穩妥的定義。但我認為 SoM 不必局限于嵌入式處理系統，它也可以是模擬濾波器系統、電源系統等等。雖然嵌入式處理是最常見的應用場景，但 SoM 的潛力遠不止于此。
為什么 SoM 比 IC 更強大？
IC 受到半導體工藝的限制，而 SoM 則可以使用市面上的任何元件（最好是小型封裝），甚至可以在一個 SoM 中組合多個復雜 IC，從而實現更強大的系統功能。
SoM 的示例
Raspberry Pi Pico 與 STM32 Nucleo
無論制造商是否有意，它們都可作為 SoM 使用（見圖 1 和圖 2）。
圖 1 Raspberry Pi Pico 開發板可以作為獨立組件使用。它包含了 MCU 所需的全部嵌入式元件，因此本質上就是一個 SoM【2】。
圖 2 STM32 Nucleo 開發板也能作為 SoM 使用。但它的可用性不如 Pico，因為它在 PCB 的正反兩面都有元件【3】。
ESP32-C3-MINI-1-N4
這是一個更加典型的量產 SoM（見圖 3 和圖 4）。
圖 3 ESP32-C3-MINI-1 模塊，隨時可用于下一個項目【4】。
圖 4 ESP32-C3-MINI-1-N4 的框圖。它和 Pico、Nucleo 一樣，具備完整的運行環境，甚至還集成了天線【5】。
它的硬件封裝統一，可移植、易于修改，且體積小，內部超過 20 個元件。樂鑫科技能大規模生產該模塊，使其單價低于 2 美元。如果工程師從零設計相同功能，將會消耗更多 PCB 面積和時間。
BMR4640002/001 DC-DC 轉換模塊（Flex Power Modules）
這是一個小型的 DC-DC 轉換器，可以輸出高達 40A 電流（見圖 5）。所有復雜的電源電路都已封裝好，設計師只需直接使用即可。
圖 5 一種基于 SoM 思想的 DC-DC 轉換模塊，電路難點一次性解決，并封裝成可即插即用的形式【6】。
此外，還有無數類似的例子，比如條碼掃描模塊、RFID 模塊等。
何時需要自制 SoM？
有時你在 DigiKey 或 Mouser 等渠道中找不到需要的子電路，可能是因為它太小眾，或者你的設計獨一無二。此時就需要自制 SoM。
創建 SoM 的步驟
參考現有 SoM 設計
我借鑒了 ESP32-S3-WROOM 模塊的設計，它采用 半鍍孔（castellated holes） 結構，使 SoM 能直接焊接到主板上（見圖 6）。
圖 6 PCB 半鍍孔示例（非 ESP32-S3-WROOM），這種結構方便模塊焊接到其他 PCB 上（來源：PCBWay.com）。
確定尺寸與封裝
我參考了 ESP32-S3-WROOM 數據手冊，提取了尺寸和封裝信息（見圖 7 和圖 8）。
圖 7 ESP32-S3-WROOM 的物理尺寸，有助于設計 SoM 的半鍍孔大小與間距。
圖 8 ESP32-S3-WROOM 的封裝及 CAD 導出的 STEP 模型。
定義管腳抽象
為保證可移植性，我與固件工程師設計了新的 GPIO 命名規則（如 Pa2 表示可模擬/數字輸入輸出引腳，Pd3 表示數字引腳）。添加必要的外設
由于 I/O 數量不足，我們在 I2C 總線上增加了 I/O 擴展器，還加入了線性穩壓器（5V 轉 3.3V）、去耦電容、LED 和晶振。最終的 SoM 見圖 9。
圖 9 公司自制的 SoM，包含近 50 個元件，部分焊盤為未來預留功能。
測試與迭代
第一版 SoM 拿到手時看起來很完美，但存在多個問題：電源軌遺漏、I2C 絲印錯誤、I/O 擴展器中斷腳連接錯誤、缺少一個 UART 通道等。經過修改后，模塊性能良好。
我們還制作了 SoM 映射表（SoM Mapping Chart），用于對照 SoM 引腳名稱、MCU 引腳、功能分配，方便調試與固件開發。
創建 SoM 的建議
SoM 可以極大地縮短上市周期，減少 PCB 重復設計，并簡化代碼移植。
但它并非萬能方案：若產品空間極小、利潤不足，SoM 可能并不合適。
設計時應盡量使用小封裝（如 0402、QFN），保證高密度布線。
建議使用 0.8mm 厚度 PCB 與 ENIG 表面處理。
制作 SoM 映射表非常關鍵，能節省大量調試時間。
結論
SoM 并不只是大公司的專利，中小企業同樣能通過自制 SoM 快速進入市場，降低供應鏈風險，避免重復設計 MCU 子電路。
圖 10 公司自制 SoM 的框圖。所有元件均選用通用器件，以便在未來項目中復用。
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