PCB visiitkaart NFC -ga: 18 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:48

Õpingute lõppu jõudes pidin hiljuti otsima pooleaastast praktikat elektroonikatehnika alal. Et avaldada muljet ja maksimeerida oma võimalusi oma unistuste seltskonda tööle saada, tekkis mul mõte teha oma visiitkaart. Tahtsin teha midagi ainulaadset, kasulikku ja võimelist demonstreerima oma elektroonilise vooluahela projekteerimise oskusi, kellele ma selle kätte annan.

Kolm aastat tagasi leidsin Instructabeleid sirvides väga huvitava Joep1986 tehtud projekti pealkirjaga "Digital Business Card With NFC". See projekt hõlmas NFC -sildi sisestamist paberist visiitkaardile, et jagada kontaktteavet NFC -tehnoloogiaga varustatud telefoniga. Mulle tundus see projekt väga inspireeriv ja arvasin, et asendan üldise NFC -sildi minu leiutise kohandatud vooluringiga.

Nii tekkiski mul idee luua trükkplaadile oma visiitkaart, mis on võimeline saatma hetkega minu LinkedIni profiili värbaja nutitelefonis, kasutades NFC -tehnoloogiat.

See juhend sisaldab kõiki samme, mida ma järgisin, et kujutada ette, kujundada ja luua oma PCB visiitkaart NFC -ga, alates antenni parameetrite arvutamisest kuni NFC -kiibi programmeerimiseni läbi tekstureeritud PCB -disaini.

1. samm: vaja on BOM -i, tööriistu ja oskusi

Sa vajad:

Vajalikud tööriistad:

• jootekolb
• kuuma õhu ümbertöötlemise tööriist
• jootepasta
• jootmisvoog
• jootetraat
• pikad ninapintsetid
• ristlukuga pintsetid
• isopropüülalkohol
• Q-näpunäide
• hambaork
• telefon NFC -ga

Valikulised (kuid käepärased) tööriistad:

• Suitsueemaldaja
• Suurepärane klaas

Oskused:

SMD jootmisoskus

Materjalide nimekiri:

Komponent	Pakett	Viide	Kogus	Tarnija
NFC kiip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Kollane LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
47 Ω takisti	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kondensaator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

2. samm: NFC -tehnoloogia

Mis on NFC?

NFC on lähiväljaside lühend. See on lähitoimega raadiotehnoloogia, mis võimaldab sidepidamist vahetus läheduses (<10 cm) asuvate seadmete vahel. NFC -süsteemid põhinevad traditsioonilisel kõrgsageduslikul (HF) RFID -l, mis töötavad sagedusel 13, 56 MHz.

Praegu toetab NFC standard erinevaid andmeedastuskiirusi kuni 424 kbit/s. Kahe seadme vahelise NFC -side põhimõtteline mehhanism on sama, mis traditsioonilisel 13, 56 MHz RFID -l, kus on olemas nii master kui ka slave. Peremeest nimetatakse kiirgajaks või lugejaks/kirjanikuks ja orjaks on silt või kaart.

Kuidas see töötab ?

NFC hõlmab alati initsiaatorit ja sihtmärki: initsiaator (Emitter) genereerib aktiivselt raadiosagedusvälja, mis suudab toita passiivset sihtmärki (Tag), kasutades kahe silmuseantenni vahelist elektromagnetilist induktsiooni:

Emitteri ja sildi antennid on ühendatud elektromagnetvälja kaudu ning seda süsteemi saab kõige paremini vaadelda kui õhusüdamikuga trafot, kus lugeja toimib esmamähisena ja silt sekundaarmähisena: vahelduvvool, mis läbib primaarset mähis (kiirgaja) indutseerib õhus välja, indutseerides sekundaarmähises voolu (silt). Silt võib kasutada voolu väljalt, et end ise toita: sel juhul pole selle juurde pääsemiseks vaja aku, ei lugemis- ega kirjutamisrežiimis. NFC -märgendi kiip ammutab lugemiseks loodud magnetväljast läbi silmuseantenni kogu toimimiseks vajaliku energia.

Kus kasutatakse NFC -d?

NFC on kasvav tehnoloogia, mis nõuab elektrooniliste seadmete juhtmevaba ühendamist. NFC on nutitelefonidesse laialdaselt integreeritud, et suhelda NFC -ga ühilduvate füüsiliste seadmetega ja pakkuda uusi teenuseid, näiteks kontaktivaba makse.

Kuna NFC -sildid ei pea toiteallikat integreerima, kuna neid saab toita lugeja poolt eraldatavast energiast, võivad need võtta väga lihtsaid vormitegureid, näiteks toitevabad sildid, kleebised, kaardid või isegi sõrmused.

Mulle meeldis väga asjaolu, et NFC -sildid ei sisalda töötamiseks saastavaid nupuelemente, vaid kasutavad selle asemel ainult saatja energiat.

3. samm: NFC kiip

NFC IC

Visiitkaardi süda on NFC kiip.

Minu nõue oli:

• väike SMD pakett
• minu LinkedIni profiili lingi jaoks piisavalt mälu
• sisseehitatud energia kogumise moodul

Pärast mitme NFC -mooduli võrdlemist valisin NXP -lt NTAG NT3H1101 IC. Selle andmelehe järgi:

"NTAG I2C on NXP NTAG perekonna esimene toode, mis pakub nii kontaktivaba kui ka kontaktliidest (vt joonis 1). Lisaks passiivsele NFC Foorumile vastavale kontaktivabale liidesele on IC -l ka I2C kontaktliides, mis suudab suhelda mikrokontrolleriga, kui NTAG I2C saab toidet välisest toiteallikast. Mällu kaardistatud täiendav välise toitega SRAM võimaldab kiiret andmeedastust RF- ja I2C -liideste vahel ja vastupidi, ilma EEPROM -mälu kirjutamistsükli piiranguteta. NTAG I2C toote omadused konfigureeritav väljade tuvastamise tihvt, mis annab välisele seadmele päästiku sõltuvalt RF -liideses toimuvatest toimingutest. NTAG I2C toode võib varustada toite väliseid (väikese võimsusega) seadmeid (nt mikrokontrollerit) ka sisseehitatud energiakogumisskeemi kaudu."

4. samm: antenni induktiivsuse arvutamine

Suhtlemiseks ja toite saamiseks peab NFC -sildil olema antenn. Antenni kavandamise protseduur algab NFC -kiibi ja selle silmusantenni samaväärse mudeliga:

kus:

• Voc on silmusantenni magnetvälja poolt indutseeritud avatud ahela pinge
• Ra on silmusantenni ekvivalentne takistus
• La on silmusantenni ekvivalentne induktiivsus
• Rs on NFC kiibi jadaekvivalenttakistus
• Cs on NFC kiibi jadaekvivalentne häälestusmahtuvus

Antenni saab kirjeldada induktiivpooliga La väga väikese kadutakistiga Ra. Kui emitter tekitab silmuseantennis magnetvälja, indutseeritakse selles vool ja selle klemmidesse ilmub avatud vooluahela pinge Voc. NFC kiipi saab kirjeldada sisendtakisti Rs ja sisseehitatud häälestuskondensaatoriga Cs.

Seeria takistid Ra ja Rs summeeritakse ahela viimase samaväärse mudeli jaoks, mis koosneb NFC integraallülitusest ja selle silmusantennist:

NFC IC takisti R koos antenni takistiga Ra ja sisseehitatud kondensaatoriga Cs moodustavad resonantsahela RLC antenni induktiivpooliga La. Rohkem teavet RLC resonantsahelate kohta on selgitatud elektroonilistes elektroonilistes õpetustes.

Seeria RLC vooluahela resonantssagedus on esitatud järgmise valemi abil:

kus:

• f on resonantssagedus (Hz)
• L on ahela ekvivalentne induktiivsus (H)
• C on ahela ekvivalentne mahtuvus (F)

Võrrandi ainus tundmatu parameeter on induktiivsuse väärtus L. See on arvutamiseks nii eraldatud:

Teades, et NFC töösagedus on 13, 56 MHz ja et NT3H1101 häälestuskondensaator on 50 pF, arvutatakse induktiivsus L:

NFC sagedusel resoneerimiseks peab trükkplaadi visiitkaardi antenni induktiivsus olema kokku 2,75 μH.

5. samm: antenni kuju määramine: geomeetrilised arvutused (1. meetod)

Konkreetse induktiivsusega trükkplaadile on võimalik konstrueerida silmusantenni ja see peab järgima geomeetrilisi piiranguid. Antenn võib olla erineva kujuga: ristkülikukujuline, ruudukujuline, ümmargune, kuusnurkne või isegi kaheksanurkne. Igale kujule vastab konkreetne valem, mis annab samaväärse induktiivsuse sõltuvalt suurusest, pöörete arvust, rööbastee laiusest, vase paksusest ja paljudest muudest parameetritest …

Oma visiitkaardi kujundamisel valisin ristkülikukujulise antenni, mille geomeetria on järgmine:

kus:

• a0 ja b0 on antenni üldmõõtmed (m)
• aavg & bavg on antenni keskmised mõõtmed (m)
• t on rööbastee paksus (m)
• w on rööbastee laius (m)
• g on rööbastee vahe (m)
• Nant on pöörete arv
• d on rööbastee ekvivalentne läbimõõt (m)

Selle konkreetse geomeetria jaoks on ekvivalentne induktiivsus Lant antud valemiga:

kus:

Arvutuste hõlbustamiseks lõin Excel-põhise arvutusvahendi, mis arvutab antenni ekvivalentse induktiivsuse automaatselt vastavalt erinevatele geomeetrilistele parameetritele. See fail säästis mulle palju aega ja jõupingutusi õige antenni geomeetria leidmiseks.

Mul oli samaväärne induktiivsus Lant = 2, 76 μH (piisavalt lähedal) järgmiste parameetritega:

• a0 = 50 mm
• b0 = 37 mm
• t = 34, 79 µm (1 unts)
• w = 0, 3 mm
• g = 0, 3 mm
• Nant = 5

Kui olete matemaatika ja arvutuste suhtes allergiline, on olemas muid meetodeid ja neid kirjeldatakse üksikasjalikult järgmistes etappides. Antennide disaini põhitõdede kohta lisateabe saamiseks on endiselt oluline arvutused läbi teha;)

6. samm: antenni kuju määramine: veebikalkulaatorid (teine meetod)

Alternatiiv pikkadele arvutustele, mida eelmises etapis taluti, on antenni geomeetriakalkulaatorite olemasolu. Neid kalkulaatoreid valmistavad üksikisikud või spetsialistid ning need on mõeldud antennide disaini lihtsustamiseks. Kuna nende veebikalkulaatorite arvutusi on raske kontrollida, on tungivalt soovitatav kasutada kalkulaatoreid, mis näitavad kasutatud viiteid või valemeid või spetsialiseeritud ettevõtete väljatöötatud valemeid.

STMicroelectronics pakub oma veebipõhises rakenduses eDesignSuite sellist kalkulaatorit, mis aitab klientidel ST -tooteid oma vooluringi integreerida. Kalkulaator kehtib kõigi NFC -tehnoloogiaga rakenduste jaoks ja seetõttu saab seda kasutada NXP -st pärit NFC -kiibi jaoks.

Varem arvutatud geomeetriliste väärtustega on eDesignSuite rakenduse arvutatud induktiivsus oodatava väärtuse 2, 76 μH asemel 2, 88 μH. See erinevus on üllatav ja seab kahtluse alla varem saadud tulemuse. Rakenduse kasutatav valem on tundmatu ja seda on võimatu võrrelda varem tehtud arvutustega.

Niisiis, milline kahest meetodist annab õige tulemuse?

Mitte ühtegi! Veebikalkulaatorid ja -valemid on teoreetilised vahendid tulemuse lähendamiseks, kuid eeldatava tulemuse saamiseks peavad need olema täiendatud spetsiaalsete tarkvarade simulatsioonidega ja reaalsete testidega.

Õnneks on elektroonika disaineritele kättesaadavaks tehtud juba simuleeritud ja testitud NFC -lahendused ning need on järgmise sammu teema …

7. samm: antenni kuju määramine: avatud lähtekoodiga antennid (3. meetod)

NFC IC -de rakendamise hõlbustamiseks pakuvad mõned tootjad elektroonika disaineritele terviklahendusi, näiteks disainijuhendeid, rakenduste märkmeid ja isegi EDA faile.

See kehtib näiteks NXP kohta, mis pakub oma NTA-integraallülituste NTAG jaoks täielikku juhendit, mis sisaldab viiteid NFC-antenni disainile, Exceli-põhist arvutusvahendit ristkülikukujuliste ja ümmarguste antennide jaoks, Gerberi ja Eagle'i faile erinevate antenniklasside jaoks.

Klass määratleb antenni kuju ja suurustegurid. Mida suurem klass, seda väiksem on antenn. NFC puhul soovitab NXP kasutada antenne „Class 3”, „Class 4”, „Class 5” või „Class 6”.

Otsustasin keskenduda neljanda klassi ristkülikukujulistele antennidele, mille suurus tundus olevat kohandatud minu visiitkaardile ja mis asub tsoonis, mis on määratletud kas:

• Väline ristkülik: 50 x 27 mm
• Sisemine ristkülik: 35 x 13 mm, keskele paigutatud välimine ristkülik, nurga raadius 3 mm

Selle klassi jaoks pakub NXP nende inseneride valmistatud antenni Eagle -faile, mis on juba integreeritud mõnda nende toodetesse. Selle disaini peamine eelis on see, et seda on juba simuleeritud, parandatud ja täielikult optimeeritud. Katsemeetodid, parandused ja optimeerimised on esitatud ka saadaval olevas dokumendis.

Otsustasin kasutada seda avatud lähtekoodiga disaini mudelina ja luua oma versioon selle rakendamiseks projektile pühendatud raamatukogus.

8. samm: Kotka raamatukogu loomine

Visiitkaardi elektroonilise vooluahela joonistamiseks Eagle'ile on vaja kasutada kasutatud komponentide sümboleid ja sõrmejälgi. Ainult antenn ja NFC -silt puudusid, nii et pidin need looma ja projekti jaoks raamatukogusse lisama.

Alustasin antenni projekteerimisega, kopeerides NXP-lt saadud nelinurkse avatud lähtekoodiga klassi 4 antenni. Muutsin ainult pistikute asukohta ja asetasin need antenni pikkusele. Seejärel seostasin paketi mähise sümboliga ja lisasin nime ja väärtuse sildid:

Järgmisena kujundasin NFC kiibi, kasutades selle andmelehel esitatud andmeid. Nimetasin, mõõtsin ja panin kokku komponentide 8 tihvti, et moodustada XQFN8 paketi 1, 6 * 1, 6 mm jalajälg. Lõpuks seostasin paketi NTAG -i sümboliga ja lisasin nime ja väärtuse sildid:

Eagle raamatukogude ja komponentide loomise kohta lisateabe saamiseks pakub Autodesk oma veebisaidil õpetusi.

9. samm: skemaatiline

Elektroonilise skeemi loomine toimub EAGLE PCB -l.

Pärast varem loodud raamatukogu "PCB_BusinessCard.lbr" importimist lisatakse skeemile erinevad elektroonilised komponendid.

NFC NT3H1101 integraallülitus, ahela ainus aktiivne komponent, on ühendatud passiivsete komponentidega, kasutades selle andmelehel toodud tihvtide kirjeldusi:

• Silmaantenn 2, 75 μH on ühendatud LA ja LB tihvtidega.
• Energia kogumise väljundit VOUT kasutatakse NFC kiibi toiteks ja seetõttu on see ühendatud selle VCC tihvtiga.
• 220 nF kondensaator on ühendatud VOUT ja VSS vahel, et tagada töö RF -side ajal.
• Lõpuks toidab LED ja selle seeria takisti VOUT.

LED -takistuse väärtus arvutatakse oomi seadusega vastavalt LED -i parameetritele ja toitepingele:

kus:

• R on takistus (Ω)
• Vcc on toitepinge (V)
• Vled on LED -i edasipinge (V)
• Iled on LED ettevool (A)

10. samm: trükkplaadi kujundus: alumine nägu

Oma visiitkaardi kujundamisel tahtsin saavutada midagi kainet, kuid see võib näidata, kui leidlik ma olen elus ja alati uut ideed silmas pidades. Valisin hõõglambi kujunduse, uue idee sümboli, mille valgus võib valgustada probleemi halle alasid. Mulle meeldis ka asjaolu, et värbaja võib hõlpsasti seostada minu telefonis kuvatava LinkedIni profiili oma ettevõtte uue hea ideega.

Alustasin sellest, et kujundasin vektorjoonistustarkvarale Inkscape kiirgava lambipirni. Joonis eksporditakse kahe BitMap -failina, millest esimene sisaldab ainult pirni ja teine ainult valguskiiri.

Tagasi Eagle'i juurde kasutasin import-bmp ULP-d, et importida Inkscape'i loodud BitMap-kujutised Eagle'i joonistusse. See ULP genereerib SCRIPT -faili, mis joonistab identsete värvidega järjestikuste pikslite väikesed ristkülikud, mis koos loovad pildi.

• Lambipirni disain on imporditud 22. kihile "bPlace" ja see kuvatakse PCB siiditrükil valge joodamaski kohal.
• Valguskiirte joonis imporditakse 16. kihile "Alumine" ja seda käsitletakse vasest rajaks, mis on kaetud musta jootmismaskiga.

Vase kihi kasutamine pildi jaoks võimaldab mängida PCB paksusega ja luua nii tekstuuri- ja värviefekte, mis PCB -l on tavaliselt võimatud. Kunstilisi tahvleid saab selliste trikkidega teha ja mõned PCB-kunsti projektid on mind väga inspireerinud.

Lõpuks joonistasin ringraja kontuurid ja lisasin oma moto "Alati uus idee". 22. kihil "bPlace".

11. samm: trükkplaadi kujundus: pealmine nägu

Kuna tahvli ülemisel küljel pole komponente, võisin vabalt leida elegantse viisi oma klassikaliste kontaktandmete märkimiseks: perekonnanimi, eesnimi, tiitel, e -posti aadress ja telefoninumber.

Taaskord mängisin PCB erinevate kihtidega: alustasin osalise maapinna määramisega. Seejärel impordisin teksti, mis sisaldas minu kontaktandmeid 29. kihile "tStop", mis juhib ülemise näo jootmismaski. Põhitasandi ja teksti "tStop" kihi superpositsioon põhjustab tähtede ilmumist aluspinnale ilma jootmismaski peal, andes tekstile kena läikiva metallilise aspekti.

Aga miks mitte panna põhitase kogu visiitkaardile?

Induktiivantenni paigutus trükkplaadile nõuab erilist tähelepanu, kuna raadiolained ei pääse läbi metallide ja antenni kohal või all ei tohi olla vasktasandeid.

Järgmine näide näitab head teostust, kus energia ülekanne ning lugeja ja NFC -sildi vaheline side on sobilikud, kuna ükski vasktasand ei kattu antenniga.

Järgmine näide näitab halba teostust, kus elektromagnetiline voog ei saa antennist läbi voolata. PCB ühel küljel asuv aluspind blokeerib energia ülekande lugeja ja NFC -märgise antenni vahel:

12. samm: trükkplaatide marsruutimine

Alustasin sellest, et asetasin kõik erinevad komponendid trükkplaadi alumisele küljele.

Valgusdiood asetatakse lambipirni hõõgniidile ja ülejäänud komponendid on paigutatud lambipirni alusele võimalikult diskreetselt.

Juhtmed, mis ühendavad erinevaid passiivseid komponente üksteise või NFC -sildiga, paigutatakse esteetilistel põhjustel eelistatavalt pirni joonistavate joonte alla.

Lõpuks asetatakse antenn vooluahela põhja, moto ümber ja ühendatakse kahe õhukese juhtmega NFC integraallülitusega.

PCB disain on nüüd valmis!

13. samm: Gerberi failide loomine

Gerberi failid on standardfail, mida trükkplaaditööstuse tarkvara kasutab PCB -piltide kirjeldamiseks: vasekihid, jootmismask, legend jne …

Ükskõik, kas otsustate oma PCB -d kodus valmistada või usaldate selle tootmise professionaalile, on oluline genereerida Gerber -failid eelnevalt Eagle'is tehtud PCB -st.

Gerberi failide eksportimine Eagle'ist on sisseehitatud CAM-protsessori abil väga lihtne: kasutasin CAM-faili Seeed Fusion 2-kihiliste trükkplaatide jaoks, mis sisaldavad kõiki selle tootja ja paljude teiste seadistusi. Selle faili Gerberi põlvkonna kohta leiate lisateavet Seeedi veebisaidilt.

CAM -protsessor genereerib.zip -faili "NFC_BusinessCard.zip", mis sisaldab 10 faili, mis vastavad järgmistele NFC visiitkaardi PCB kihtidele:

Pikendus	Kiht
NFC_BusinessCard. GBL	Alumine vask
NFC_BusinessCard. GBO	Alumine siiditrükk
NFC_BusinessCard. GBP	Alumine jootepasta
NFC_BusinessCard. GBS	Alumine Soldermask
NFC_BusinessCard. GML	Veski kiht
NFC_BusinessCard. GTL	Ülemine vask
NFC_BusinessCard. GTO	Top Siiditrükk
NFC_BusinessCard. GTP	Top jootmispasta
NFC_BusinessCard. GTS	Ülemine müügimask
NFC_BusinessCard. TXT	Puurifail

Et olla kindel, et trükkplaat näeb välja täpselt selline, nagu ma tahtsin, laadisin Gerberi failid üles EasyEDA veebipõhises Gerberi vaatajas. Muutsin teema mustaks ja pinnaviimistluse hõbedaseks, et visualiseerida lõplik kujundus pärast valmistamist.

Olin tulemusega väga rahul ja otsustasin tootmisetapiga edasi minna …

14. samm: trükkplaatide tellimine

Kuna soovisin oma visiitkaartidele kvaliteetset viimistlust, usaldasin tootmisprotsessi professionaalile.

Paljud trükkplaatide tootjad pakuvad nüüd väga konkurentsivõimelisi hindu: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay ja paljud teised … Näpunäide. Erinevate PCB -tootjate hindade ja teenuste võrdlemiseks soovitan kasutada PCB Shopperi veebisaiti, mis on minu arvates väga mugav.

Oma visiitkaartide valmistamisel võtsin arvesse olulist detaili: paljud trükkplaatide tootjad lubavad endale PCB siiditrükil tellimuse numbri märkida. Kuigi see number on väike, on see tüütu, eriti kui trükkplaat peab olema esteetiline. Näiteks oli see halb üllatus minu $ 1 PCB jõulupuude jaoks, mis telliti saidilt SeeedStudio.

Kogemusest teadsin, et Elecrow'l pole seda halba harjumust ja seetõttu otsustasin oma kaartide valmistamise selle tootja kätte usaldada ning tellisin 4 visiitkaardi eest 10 visiitkaarti järgmiste seadistustega:

• Kihid: 2 kihti
• Mõõtmed: 54*86 mm
• Erinev PCB disain: 1
• PCB paksus: 0, 6 mm (kõige õhem saadaval)
• PCB värv: must
• Pinnaviimistlus: HASL
• Kastellitud auk: Ei
• Vase kaal: 1 oz (vastavalt antenni induktiivsuse valemile)

Kaks nädalat hiljem sain oma PCBd ideaalselt valmistatud ja ilma siiditrükile märgitud tüütu tellimisnumbrita. Siiani on hea, on aeg need lauad jootma hakata!

Samm: NFC kiibi jootmine

Kohtunike auhind PCB konkursil