STM32F042K6T6 のブレークアウトボードを Type-C 化してみた

作成した Type-C, 18ピン, 17.8 x 24.4 mm, STM32F042K6T6 ブレークアウトボード

最近は百均でも USB micro-B ケーブルが減ってきて、Type-C USB2.0のものに置き換わってきている。そこで、そろそろブレークアウトボードも Type-C 化してみたいと思って調べ始めたら、CC1, CC2 という端子に5.1kΩのプルダウン抵抗を１個ずつ付けておけばよいようだ。これなら簡単に出来そうだぞ！？

キーボード用ブレイクアウトボード

左右分割キーボードを作るのに、毎回マイコンを２個ずつ消費するのももったいないし、ハンダ付けがそれなりに大変だ。ハンダ付け自体は好きだけどね。なので、次からは左右にI/Oエキスパンダをひとつずつ配置し、それらをI2Cで接続して、マイコン自体は片方に１つだけ、という構成にしようと考えた。

必須ピン

I2C の他には、APA102 などの２線式 addressable LED（クロック線とデータ線）を駆動出来るように、SPI が欲しい。 キーボードは光らないとね！？

LC8822 2020 full-color addressable LED

左右のキーボードをつなぐケーブルは、このLED 用に 5V, GND が最低限必要なので、信号線となる I2C, SPI も同じ 5V の単一電源で動かしたい。そのため、信号ピンは 5V 耐圧の FTf ピンから選ぶことにする。

でもこれだけなら、ブレークアウト基板からは I/O ピンはそんなに出てなくてもいいよね、ということで、

• 3.3V, 5V, GND
• I2C（プルアップ抵抗付き）
• SPI
• UART
• SWD
• アナログピン数本

と、これぐらいの最小構成を作ってみたい。SWD と UART はデバッグ用。

周辺部品

周辺部品としては、

• 電源（VBUS）LED
• Lチカ用 LED
• BOOT0 兼用スイッチ
• WS2812 2020
  

とする。それほど使用頻度のないリセットスイッチは、ケーブルの抜き差しで代用する事にして、スイッチ入力としても使える BOOT0 のみ基板に実装することにした。

おまけで、WS2812 2020 はコントローラ内蔵のフルカラー LED で、サイズが 2.0x2.2 mm。これならちょうど、1.6mm 厚の PCB の側面にハンダ付け出来ると最近気付いて調子にのって付けてみている（笑）

WS2812 2020

PCB の周囲ギリギリにパッドを作ってもらえるかの確認用としても取り込んでみた。タイマーによる PWM 出力が出来るピンにつないでおく。

小さく？

今回は小さく作ることを目的のひとつにしているので、上述のように、ピン数・部品点数だけでなく、各パーツも見直した。

まず、レギュレータの出力電流を 250mA に下げて SOT-23 パッケージのものにした。

低ドロップアウト電圧レギュレータ　３．３Ｖ３００ｍＡ　ＳＯＴ－２３　ＡＰ７３３３（１０個入）

キーごとに LED を付けるとかなりの消費電力になるけど、前回の後で気付いたのは、LED は 5V 電源なので、3.3V が必要なのは実はマイコンだけだから、レギュレータが 500mA も流せる必要はない。

タクトスイッチも表面実装のものに変更した。ただ、固定のポッチ用に穴を開けないといけないので、裏面に別のフットプリントを置きにくくなってちょっと不便だけど、大きさで選んでみた。

表面実装用タクトスイッチ　ＴＶＡＦ０６－Ａ０２０Ｂ－Ｒ

あと、ErgoDash の組み立てで知った、パッドにビア打ちを許容することにした。非推奨かもしれないけど、これで場所の節約になるし、大きめのビアを使い易くなる。今回は後学のためにも敢えて試してみた。

小さく。でも、マイコンと Type-C コネクタだけで、結構場所取るなぁ。

タクトスイッチの 3D モデルは使い回し（汗）

ピン表

PCB 上の配置も考えながら、STM32F042K6T6 の 32 ピンのうち、以下で○を付けたピンをヘッダーに出すことにした。

ピン番号	端子名	種類	機能	ヘッダー
1	VDD
2	PF0	FTf	I2C1_SDA	○
3	PF1	FTf	I2C1_SCL	○
4	NRST			○
5	VDDA
6	PA0	TTa
7	PA1	TTa
8	PA2	TTa	USART2_TX	○
9	PA3	TTa	USART2_RX	○
10	PA4	TTa
11	PA5	TTa	SPI1_SCK	○
12	PA6	TTa	SPI1_MISO	○
13	PA7	TTa	SPI1_MOSI	○
14	PB0	TTa
15	PB1	TTa
16	VSS
17	VDD
18	PA8	FT
19	PA9	FTf	USART1_TX, I2C1_SCL	○ I2C pull-up
20	PA10	FTf	USART1_RX, I2C1_SDA	○ I2C pull-up
21	PA11	FTf	USB_DM	○
22	PA12	FTf	USB_DP	○
23	PA13	FTf	SWDIO	○
24	PA14	FT	SWCLK, USART2_TX	○
25	PA15	FT	USART2_RX
26	PB3	FT	SPI1_SCK	○
27	PB4	FT	SPI1_MISO	○
28	PB5	FT	SPI1_MOSI	○
29	PB6	FTf	I2C1_SCL
30	PB7	FTf	I2C1_SDA
31	PB8	FTf	BOOT0	○
32	VSS

PCB レイアウト

回路図

これらを踏まえた回路図。

STM32F042K6T6 ブレークアウトボードの回路図

前回からの主な変更点としては、

• USB コネクタを Type-C に変更
• CC1, CC2 に 5.1kΩのプルダウン抵抗を配置
• I2C 用のプルアップ抵抗を 5V でプルアップ（前回は 3.3V）
• 5V ラインも、ポリスイッチとチップインダクタを通す

など。

PCB

今回も PCB gogo に発注。製造開始から 24 時間以内に発送手続きまで完了していた！

届いた PCB。下端の WS2812 用パッドもギリギリまで出来ている

7x7 ピンに収まれば、ちょうど 1U キーの大きさになってカッコええのになぁ、と思いながらも、手ハンダし易い 2012 サイズで、スイッチや LED、I2C プルアップ抵抗も載せる、というのでは、このあたりが自分には精一杯だった。 これのために２週間ほど寝不足になったよ（笑）

Type-C コネクタの初ハンダ付けはかなり手こずった・・・。フットプリントをデータシート通りに作ったのだけど、そうしたらパッドが端子ギリギリしかなくて難易度高（汗）次回はパッドを手ハンダ用に少し大きくしよう。

動作確認

レギュレータ周りからハンダ付けしていって、テスターで電圧を確認しながら組み立て。

奥の白 LED は電源。手前は WS2812 の side-glow

Side-glow LED も無事光った！ 拡大すると、こんな感じの空中ハンダ。何か LED を仮固定する手段がないと、ハンダ付けがかなりふわふわ。

Side-glow のハンダ付け

最後に、5V I2C に OLED と MCP23017 経由の 2x2 のスイッチマトリックスをつないでみたところ。

J-Link (SWD), OLED (I2C), MCP23017 (I2C) 経由の 2x2 スイッチマトリックス

また、UART についても、J-Link 経由でシリアルに printf() できるところまでを動作確認している。

感想

とりあえず動いて満足！

でも、ここへきて Choc V2 というスイッチが届き、この低いスイッチでキーボードを作ってみたくなる・・・。でもそうすると、Type-C コネクタの 3.2mm という背の高さがあだになり、このブレークアウト基板では分厚過ぎることが発覚・・・。ミッドマウントのコネクタにしないとだけど、そうすると、コネクタの裏に何も置けなくなるんだよな・・・。ブツブツ。

ということで、このブレークアウト基板は、これはこれでもう少しフットプリント・配置・配線・外形を調整した改善版を作成中～。