請(qǐng)分享一下你是如何學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)PCB？詹姆斯

Judy Warner：詹姆斯，請(qǐng)分享一下你的學(xué)術(shù)背景以及你如何學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)PCBs。

James MacKinnon ：在佛羅里達(dá)大學(xué)的大三和大四學(xué)期，我有一些課程要求我們做一些相當(dāng)簡(jiǎn)單的PCB設(shè)計(jì)。基本上，如果你沒(méi)有通過(guò)這些課程，那么你就不會(huì)畢業(yè)。由于它是EE類(lèi)，他們希望您創(chuàng)建PCB。它們是初級(jí)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單電路。但是，對(duì)于高級(jí)設(shè)計(jì)，他們希望您創(chuàng)建一些非常復(fù)雜的東西。這就是我第一次熟悉PCB設(shè)計(jì)和AltiumDesigner?的方式。

Judy Warner：聽(tīng)起來(lái)他們實(shí)際上在你的大學(xué)里教過(guò)一些董事會(huì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。那是非常罕見(jiàn)的。

James MacKinnon：是的。我認(rèn)為“基本面”是一種很好的方式。在那個(gè)初級(jí)班級(jí)，我們必須布置一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電路。它有一個(gè)簡(jiǎn)單的微處理器，也許是一些I/O線(xiàn)。在我的例子中，它是一個(gè)電機(jī)控制器，所以它只是一些PWM線(xiàn)。他們教我們?nèi)绾问褂迷摮绦?，以及如何設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單的雙層板并進(jìn)行基本路由。對(duì)于高級(jí)設(shè)計(jì)，我們遇到了一些更復(fù)雜的問(wèn)題，如高速路由，復(fù)雜的模擬設(shè)計(jì)，阻抗匹配等等。他們?cè)陔娐钒逶O(shè)計(jì)的不同方面花了好幾個(gè)講課時(shí)間，我在那里學(xué)到了很多東西，但直到我獲得碩士學(xué)位才真正學(xué)到了很多關(guān)于嚴(yán)肅的電路板設(shè)計(jì)和Altium內(nèi)部更廣泛的工具范圍的知識(shí)。

由于Altium正在向?qū)W士學(xué)位的人們傳授，我認(rèn)為這也是為什么它也被用在我的碩士學(xué)位上，因?yàn)槲以诜鹆_里達(dá)大學(xué)做過(guò)我的學(xué)士和碩士學(xué)位，所以很多材料和學(xué)習(xí)都延續(xù)下來(lái)。電氣工程系有許可證，所以每個(gè)人都使用。對(duì)于我的碩士課程，我在一個(gè)名為CHREC的實(shí)驗(yàn)室工作，這是高性能可重構(gòu)計(jì)算中心，該實(shí)驗(yàn)室的一部分基本上負(fù)責(zé)創(chuàng)建用于進(jìn)行基于空間的有效負(fù)載處理的單板計(jì)算機(jī) - 所以您可以在CubeSat或小衛(wèi)星上看到。

Judy Warner：哦，這是一個(gè)令人興奮的應(yīng)用程序。

詹姆斯麥金農(nóng)：是的。我所在的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一塊帶有Xilinx芯片的電路板。這是一個(gè)非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，具有高速路由，DDR存儲(chǔ)器，差分對(duì)，阻抗匹配，所有有趣的東西。所以我能夠在一個(gè)完成該委員會(huì)初稿的人之下工作，他教會(huì)了我很多軟件的細(xì)節(jié)。因?yàn)锳ltium有很多高級(jí)功能，所以有時(shí)候有人會(huì)告訴你如何做不同的事情，而不是艱難地學(xué)習(xí)。

Judy Warner：是的，絕對(duì)。

James MacKinnon：他是博士。學(xué)生，他教我使用Altium中的所有東西，然后我能夠應(yīng)用這些技能，因?yàn)槲以诖T士課程中取得了進(jìn)步。我從修改其他人的設(shè)計(jì)到創(chuàng)建我自己的設(shè)計(jì)。我們希望使我們開(kāi)發(fā)的單板計(jì)算機(jī)更加可靠，因此我重新設(shè)計(jì)了整個(gè)電源子系統(tǒng)，以使其更加耐輻射。當(dāng)您嘗試為空間設(shè)計(jì)電子設(shè)備時(shí)，您可能會(huì)遇到很多問(wèn)題。特別是，你有輻射效應(yīng)，它會(huì)以不同的方式影響你。您可以購(gòu)買(mǎi)經(jīng)過(guò)輻射強(qiáng)化的產(chǎn)品，它們可以幫助抵御這些影響，但我們?cè)噲D完成的工作是設(shè)計(jì)和制造一個(gè)原本非常昂貴的電路板，并將其保持在大學(xué)預(yù)算范圍內(nèi)建立自己的小衛(wèi)星。

朱迪華納：抗輻射非常昂貴...

詹姆斯麥金農(nóng)：確切地說(shuō)，他們的價(jià)格非常昂貴。它們不僅價(jià)格昂貴，而且如果你得到一個(gè)經(jīng)過(guò)輻射強(qiáng)化的處理器，那么它的性能非常低。你不能真正進(jìn)行大量的處理，因此你往往會(huì)擁有很多處理器，并且它們遍布大型宇宙飛船并且它們消耗了大量的能量。當(dāng)你試圖設(shè)計(jì)一個(gè)適合你手中的CubeSat時(shí)，所有這一切都是一場(chǎng)噩夢(mèng)。

所以我們想要設(shè)計(jì)一個(gè)人們可以在CubeSat中使用的具有可靠性的板子你可以從洛克希德 - 馬丁那里購(gòu)買(mǎi)一些東西，但是它有更多的性能，所以你可以在太空中做很酷的事情。在我們的例子中，我們遇到的情況是我們從圖像傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)并在板上進(jìn)行處理，而且由于我們?cè)诖线M(jìn)行處理，我們能夠?qū)⒏嘤腥さ臄?shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)送到地面。因?yàn)槭褂肅ubeSats，你的收音機(jī)很大，你只能將大量數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，所以如果你可以在船上進(jìn)行處理，你可以減少需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，無(wú)論你是否'實(shí)際上是在軌道上生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品，或者你正在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮等等。

這就是為什么我們認(rèn)為這個(gè)板塊會(huì)是一個(gè)很好的補(bǔ)充，特別是在大學(xué)層面。因此，在該板的第一次切割時(shí)，我們使用高性能Xilinx芯片作為主要處理器，不進(jìn)行輻射硬化并用輻射硬化包圍它。我們稱(chēng)之為混合設(shè)計(jì)。通過(guò)這種方式，您可以將資金投入到您絕對(duì)需要的輻射強(qiáng)化上，同時(shí)保持消費(fèi)者（COTS）到位以獲得性能。通過(guò)智能地將它們組合到一塊電路板中，您可以獲得真正高性能的處理板，同時(shí)還可以獲得抗輻射板的可靠性。

因此，當(dāng)我在那里時(shí)，這基本上是我的主要任務(wù)。在電路板的第一次切割過(guò)程中，一些電源系統(tǒng)沒(méi)有盡可能的輻射強(qiáng)化，所以我基本上可以重新設(shè)計(jì)電路板以使用更好的電源。我們最終將董事會(huì)帶到布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，在那里他們擁有相對(duì)論的重離子對(duì)撞機(jī)，我們實(shí)際上可以利用NASA實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間用放射線(xiàn)對(duì)我們的電路板進(jìn)行爆破并進(jìn)行測(cè)試。

Judy Warner：哦，那很酷！

James MacKinnon：真的很酷。所以我們采用了這塊板，我們對(duì)它進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果非常好。在我們?cè)O(shè)計(jì)了這塊電路板之后，我們想要設(shè)計(jì)一個(gè)更小的電路板，所以我設(shè)計(jì)了一個(gè)信用卡大小的處理板，它與更大的電路板具有非常相似的功能，但是更小，更低功耗，我開(kāi)始了。在這一點(diǎn)上Altium成了一個(gè)很大的幫助 - 我們使用的是微孔，我們有更多的層，一切都更接近，部分裝配是一個(gè)巨大的交易，所以能夠像我一樣看看板的3D模型設(shè)計(jì)它非常有幫助。我們使用的是高速千兆位收發(fā)器，因此能夠使用內(nèi)置阻抗計(jì)算器和差分對(duì)路由器至關(guān)重要。

我設(shè)計(jì)的其他一些電路板只是一個(gè)小小的突破 - 板子，調(diào)試板，那種東西。但是那兩臺(tái)單板電腦是我在大學(xué)里工作的大事。

朱迪：聽(tīng)起來(lái)非常豐富。該董事會(huì)成了什么？

James MacKinnon：該董事會(huì)現(xiàn)在通過(guò)一家名為Space Micro的公司獲得許可，該公司實(shí)際上是在圣地亞哥之外。所以他們賣(mài)掉了我們?cè)O(shè)計(jì)的板子。他們擁有第一代電路板。我相信Space Micro現(xiàn)在正在批準(zhǔn)小型版本，這是我在一年半前制造的。那仍然是通過(guò)輻射測(cè)試和類(lèi)似的事情。

所以我想我可以稍微解釋一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)室。它的工作方式是由NSF資助的研究中心，行業(yè)合作伙伴將在該實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)會(huì)員資格。這些會(huì)員資格將為研究生提供資金，您獲得的會(huì)員資金是實(shí)驗(yàn)室所做的任何研究;它成為你可以在公司使用的東西。例如，Space Micro是其成員。他們資助特定項(xiàng)目。所以每年都有一個(gè)會(huì)議，我們會(huì)展示我們?nèi)ツ甑墓ぷ?。然后我們提出?xiàng)目，然后所有行業(yè)成員聚在一起，他們與教師交談，他們想出他們想要做什么樣的項(xiàng)目，這將有助于公司或機(jī)構(gòu)。因此，我在學(xué)生方面花了這么多時(shí)間，這很有趣，現(xiàn)在我處于行業(yè)成員方面。

朱迪華納：你是如何與美國(guó)宇航局聯(lián)系的？

詹姆斯麥金農(nóng)：是的，這就是我所得到的。為了讓這些東西真正有資格進(jìn)入太空，我們必須與NASA密切合作。我現(xiàn)在工作的分支稱(chēng)為科學(xué)數(shù)據(jù)處理分支，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為Space Cube的東西?，F(xiàn)在，Space Cube可能比你在CubeSat中想要的尺寸大一個(gè)尺寸。它很小，功耗很低，但它不適合CubeSat。因此，作為實(shí)驗(yàn)室成員的美國(guó)宇航局說(shuō)，“嗯，市場(chǎng)上有一個(gè)漏洞，那就是高性能，高可靠性，但比美國(guó)宇航局提供的分支要小?！币虼怂麄兡軌蛞龑?dǎo)實(shí)驗(yàn)室董事會(huì)正在開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程中，我們能夠從NASA工程師那里獲得真正高質(zhì)量的設(shè)計(jì)評(píng)審，并且在此過(guò)程中我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和NASA之間建立了非常好的關(guān)系，最終導(dǎo)致我在那里工作。

朱迪華納：噢，那很好。我喜歡聽(tīng)到這個(gè)。很多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師都擔(dān)心一旦他們退休就不會(huì)有替補(bǔ)來(lái)填補(bǔ)他們的位置。你的故事是一個(gè)麥金農(nóng)：是的，我認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題在航空航天業(yè)中更加突出，因?yàn)樗鄬?duì)較小。在你參加一些會(huì)議之后，你很快就會(huì)遇到業(yè)內(nèi)的每個(gè)人我認(rèn)為，特別是NASA意識(shí)到了這一點(diǎn)，這就是他們的原因我試圖讓學(xué)生能夠做到這一點(diǎn)。

朱迪華納：所以你似乎有一個(gè)非常罕見(jiàn)但很棒的經(jīng)歷，特別是在你的碩士課程中，你需要做的事情動(dòng)手，復(fù)雜的設(shè)計(jì)。但并不是每個(gè)人都有這樣的機(jī)會(huì)，所以我想我所問(wèn)的是你認(rèn)為下一代設(shè)計(jì)師將來(lái)自哪里？例如，NASA似乎正在看問(wèn)題，然后與CHREC等組織合作。

James MacKinnon：我認(rèn)為這絕對(duì)是一種方式 - 我注意到在實(shí)驗(yàn)室的情況下有那些從實(shí)驗(yàn)室中獲得一些好研究的公司 - 但基本上每個(gè)人都會(huì)在這些行業(yè)合作伙伴中找到一份工作。我工作過(guò)的其中一個(gè)人在Space Micro工作。所以他們用它來(lái)招募人才。然而，相當(dāng)小比例的人將有機(jī)會(huì)去這樣的實(shí)驗(yàn)室。我注意到并且一直試圖參與巴爾的摩的一件事是業(yè)余電子產(chǎn)品的興起。離我家二三十分鐘，有三個(gè)黑客空間。我去過(guò)幾次，他們總是為我們的Arduino屏蔽或Raspberry Pi適配器板布置很少的調(diào)試PCB。我認(rèn)識(shí)一個(gè)人建造了無(wú)人機(jī)的板子。所以我認(rèn)為有一個(gè)非?？岬募彝メ勗爝\(yùn)動(dòng)與電子設(shè)計(jì)師建立起來(lái)。讓人們?cè)缛諈⑴c有助于。

可能有所幫助的一件事是在高中階段更多地參與其中。我從未在高中階段從事電子學(xué)工作。如果有一些方法可以讓人們進(jìn)入黑客空間，甚至是以高中為基礎(chǔ)的黑客空間，或者人們可以玩的硬件可以激發(fā)他們的興趣，這將是有益的。最終他們會(huì)到達(dá)他們需要他們沒(méi)有的東西的地步，然后他們開(kāi)始走下去，“讓我試著自己解決這個(gè)問(wèn)題并拿出酸性蝕刻化學(xué)品，看看我能做些什么，“然后最終繼續(xù)設(shè)計(jì)他們制作的很酷的小板。特別是現(xiàn)在制作板子的成本太低了。這真的很好地推動(dòng)了這些業(yè)余愛(ài)好者。

朱迪華納：詹姆斯，我們也看到了這一點(diǎn)。事實(shí)上，我在這里的一個(gè)角色是幫助贊助團(tuán)隊(duì)，大學(xué)甚至制作人和黑客空間 - 他們?cè)谶@些地方做了驚人的工作。

James MacKinnon：我認(rèn)為這是做到這一點(diǎn)的方法。我的意思是，我使用Altium Designer的主要原因是因?yàn)樗霈F(xiàn)在我的大學(xué)里。自從我首先在Altium Designer上學(xué)習(xí)以來(lái)，我繼續(xù)變得更加精通。在設(shè)計(jì)那么硬的PCB之前，您需要使用更復(fù)雜的Altium Designer功能。我很高興我學(xué)習(xí)了Altium Designer，因?yàn)楝F(xiàn)在我不能再使用大學(xué)的免費(fèi)許可了，我已經(jīng)幾次使用Kicad進(jìn)行家庭項(xiàng)目，但這并不是那么好。 [笑]

Judy Warner：在家中擁有Altium Designer許可是一種奢侈！當(dāng)你還是個(gè)孩子的時(shí)候，當(dāng)你回頭看時(shí)，你是否看到你有技術(shù)傾向？

James MacKinnon：是的，幸運(yùn)的是我有一個(gè)非常善于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的父親。他告訴我如何在很小的時(shí)候焊接，他總是給我東西拆開(kāi)，我正在搞亂電路。即使只是讓LED在年輕時(shí)點(diǎn)亮也很酷。所以我認(rèn)為這有助于我決定去哪里。我一直對(duì)電子產(chǎn)品感興趣，但無(wú)論如何我都有一條奇怪的大學(xué)之路。高中畢業(yè)后，我沒(méi)有上大學(xué)五年。我不知道自己想要做什么。我有點(diǎn)知道自己是技術(shù)類(lèi)型的東西，但我實(shí)際上在西爾斯工作了五年。

朱迪華納：這太好笑了，我知道有人做了同樣的事，在西爾斯工作過(guò)結(jié)束了這個(gè)行業(yè)。

James MacKinnon：我在那里工作了一段時(shí)間，最后我看到了墻上的文字，我想，“伙計(jì)，我需要做點(diǎn)生活！”我d總是進(jìn)入電子產(chǎn)品，并且玩過(guò)Arduino等等。沒(méi)有什么比這更嚴(yán)重了，但足以讓我的腳濕透。所以當(dāng)我最終決定回到學(xué)校時(shí)，我在想，“你知道嗎，我一直很喜歡電子產(chǎn)品，讓我嘗試電氣工程?！拔覂A向于機(jī)器人學(xué)，所以我最初回到社區(qū)學(xué)院，我一直想去佛羅里達(dá)大學(xué)。我來(lái)自杰克遜維爾，所以佛羅里達(dá)大學(xué)是總是在我想去的地方。

我獲得了副學(xué)士學(xué)位并且能夠轉(zhuǎn)學(xué)到UF，那就是機(jī)會(huì)和很多運(yùn)氣走到了一起。我恰好被提交給了CHREC實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理的正確教授。我很高興我有機(jī)會(huì)完成所有這些，現(xiàn)在我在美國(guó)宇航局。

朱迪華納：這是一個(gè)非常好的故事。自從你在佛羅里達(dá)長(zhǎng)大以后，當(dāng)你還是個(gè)孩子時(shí)，你是否受到太空的啟發(fā)？

James MacKinnon：絕對(duì)。從杰克遜維爾，你可以看到航天飛機(jī)發(fā)射。

朱迪華納：哇，我很嫉妒！

詹姆斯麥金農(nóng)：我記得被拉到后院并且像是，“哦，看那個(gè)。“你可以看到它，因?yàn)楹教祜w機(jī)上的SRB在它們后面留下了巨大的痕跡。所以即使你很遠(yuǎn)，你也可以清楚地看到它們。他們?cè)诳夏岬习l(fā)射的地方距離大約三個(gè)小時(shí)的路程，但是你可以看到它們，因?yàn)檫@些火箭背后有大量的垃圾。

朱迪華納：這是多么棒的經(jīng)歷作為一個(gè)技術(shù)傾向的小男孩。

James MacKinnon：是的，這就是我長(zhǎng)大后想要在NASA工作的原因。我從來(lái)都不知道通往美國(guó)航空航天局的道路，它有點(diǎn)落在我的腿上，所以我非常感謝。

朱迪華納：我相信一旦你接觸到這個(gè)機(jī)會(huì)，你努力工作并充分利用這些機(jī)會(huì)。

詹姆斯麥金農(nóng)：你是對(duì)的。我想這兩者都有點(diǎn)，對(duì)吧？努力工作和運(yùn)氣。

Judy Warner：詹姆斯，你提到你目前正在研究一款中型CubeSat，這就是你為它設(shè)計(jì)的板子。這是你現(xiàn)在正在處理的單一應(yīng)用程序嗎？

James MacKinnon：不，我做了很多事情。作為美國(guó)宇航局公務(wù)員的生活，你在許多不同的項(xiàng)目中分配時(shí)間。我工作的分支專(zhuān)門(mén)從事數(shù)據(jù)處理。這可能包括許多事情，例如創(chuàng)建處理板以便首先進(jìn)行處理 - 無(wú)論您是在FPGA中構(gòu)建數(shù)據(jù)處理管道還是在任何性質(zhì)上構(gòu)建數(shù)據(jù)處理管道。通常，我所做的電路板工作要么是坐在其他電路板的檢查面板上，要么是我正在構(gòu)建調(diào)試板 - 甚至是掛起實(shí)際飛行硬件的電路板，以便于調(diào)試。假設(shè)您想要通過(guò)SSH連接到您的計(jì)算機(jī)，您需要為此構(gòu)建一些突破，其中包括創(chuàng)建一個(gè)小型調(diào)試PCB板，其上有一個(gè)以太網(wǎng)連接器，可以連接到飛行級(jí)連接器我們可以訪(fǎng)問(wèn)并可以連接到路由器并與之交談。

就設(shè)計(jì)飛行硬件而言，我還沒(méi)有這樣做。我不認(rèn)為我在食物鏈上已經(jīng)足夠高了，但他們還沒(méi)讓我這樣做。目前，我設(shè)計(jì)的主板主要是輔助板。它們可能包括一些高速...因?yàn)槁酚苫ヂ?lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)-Fi可能很棘手，尤其是千兆位。所以我能夠利用我在那里的高速數(shù)字體驗(yàn)來(lái)完成這項(xiàng)工作。

Judy Warner：你在NASA工作多久了？

James MacKinnon：大約一年現(xiàn)在已經(jīng)有一半了。

Judy Warner：這根本不長(zhǎng)，這就是為什么你開(kāi)始使用不那么嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)，我認(rèn)為。

詹姆斯麥金農(nóng)：不，不久，我剛畢業(yè)。這就是為什么單板計(jì)算機(jī)（我修改過(guò)的計(jì)算機(jī)和我設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)）在我腦海中非常新鮮。我設(shè)計(jì)的兩塊電路板現(xiàn)在正在空間站上飛行。然后明年另一個(gè)航班計(jì)劃。你傾向于設(shè)計(jì)這些東西，然后等待一段時(shí)間讓它真正啟動(dòng)。

朱迪華納：嗯，你聽(tīng)起來(lái)像是在追尋一個(gè)令人興奮的事業(yè)！你有技術(shù)英雄嗎？

James MacKinnon：我想我必須和爸爸一起去。因?yàn)樗彩且幻こ處?，而且我一直在努力讓自己變得比他更好?[笑]所以這讓我盡可能努力。我的意思是，他是一名設(shè)計(jì)工程師，我從他身上獲得了很多技能，如果不是他，我今天不會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)，而且我可能仍然會(huì)在西爾斯出售草坪拖拉機(jī)。 [笑]

Judy Warner：他是一名什么樣的工程師？

James MacKinnon：他是一名電氣工程師。

Judy Warner：什么樣的他做了什么工作？

James MacKinnon：嗯，他曾在幾個(gè)不同的地方工作，但現(xiàn)在他在一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化的地方工作。所以他設(shè)計(jì)機(jī)器來(lái)自動(dòng)化管道配件和閥門(mén)以及海軍那樣的東西，所以有很多大型機(jī)械可以處理它，并盡可能地自動(dòng)化它。

朱迪華納：他聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)非常好的導(dǎo)師和爸爸。

詹姆斯麥金農(nóng)：是的，當(dāng)然。

朱迪：詹姆斯，非常感謝你是時(shí)候分享你的NASA之路了。聽(tīng)到你的故事真是令人高興。

詹姆斯：非常歡迎你，謝謝你。