PCB posjetnica s NFC -om: 18 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

Dolaskom na kraj studija, nedavno sam morao potražiti šestomjesečni staž u području elektroničkog inženjerstva. Kako bih ostavio dojam i povećao svoje šanse da budem zaposlen u društvu svojih snova, došao sam na ideju da napravim vlastitu posjetnicu. Htio sam napraviti nešto jedinstveno, korisno i sposobno pokazati svoje vještine projektiranja elektroničkih sklopova kome ću to predati.

Prije tri godine, pregledavajući Instructables, pronašao sam vrlo zanimljiv projekt Joep1986 pod nazivom "Digitalna posjetnica s NFC -om". Ovaj projekt uključivao je ugradnju NFC oznake u papirnatu posjetnicu za razmjenu kontaktnih podataka s telefonom opremljenim NFC tehnologijom. Smatrao sam da je ovaj projekt vrlo inspirativan i mislio sam zamijeniti generičku NFC oznaku prilagođenim sklopom svog izuma.

Ovako sam došao na ideju o stvaranju vlastite posjetnice na tiskanoj ploči, sposobne u trenu poslati moj LinkedIn profil na pametnom telefonu novaka koristeći NFC tehnologiju.

Ovaj Instructable pokriva svaki korak koji sam slijedio kako bih zamislio, dizajnirao i stvorio svoju PCB posjetnicu s NFC -om, od izračunavanja parametara antene do programiranja NFC čipova kroz teksturirani dizajn PCB -a.

Korak 1: BOM, potrebni alati i vještine

Trebat će vam:

Potrebni alati:

• lemilica
• alat za preradu vrućeg zraka
• lemna pasta
• lemni tok
• žica za lemljenje
• pinceta za dugi nos
• pinceta s unakrsnom bravom
• izopropil alkohol
• Q-savjet
• čačkalicom
• telefon s NFC -om

Izborni (ali zgodni) alati:

• Usisavač dima
• Veličanstveno staklo

Vještine:

Vještine SMD lemljenja

Opis materijala:

Komponenta	Paket	Referenca	Količina	Dobavljač
NFC čip 1kb	XQFN-8	NT3H1101W0FHKH	1	Mouser
Žuta LED	0805	APT2012SYCK/J3-PRV	1	Mouser
Otpor 47 Ω	0603	CRCW060347R0FKEAC	1	Mouser
220 nF kondenzator	0603	GRM188R70J224KA88D	1	Mouser
PCB	-	-	1	Elecrow

Korak 2: NFC tehnologija

Što je NFC?

NFC je kratica za Near Field Communication. Radijska tehnologija kratkog dometa koja omogućuje komunikaciju između uređaja koji se drže u neposrednoj blizini (<10 cm). NFC sustavi temelje se na tradicionalnom visokofrekventnom (HF) RFID -u, koji radi na 13, 56 MHz.

Trenutno NFC standard podržava različite brzine prijenosa podataka do 424 kbit/s. Osnovni mehanizam NFC komunikacije između dva uređaja isti je kao i tradicionalni RFID od 13, 56 MHz, gdje postoji i master i slave. Gospodar se naziva odašiljač, ili čitač/pisac, a rob je oznaka ili kartica.

Kako radi ?

NFC uvijek uključuje inicijatora i metu: inicijator (odašiljač) aktivno generira RF polje koje može napajati pasivni cilj (oznaku) pomoću elektromagnetske indukcije između dvije antene petlje:

Antene odašiljača i oznake povezane su elektromagnetskim poljem, a ovaj se sustav najbolje može promatrati kao transformator sa zračnom jezgrom gdje čitač djeluje kao primarni namot, a oznaka kao sekundarni namot: izmjenična struja koja prolazi kroz primarni zavojnica (Emiter) inducira polje u zraku, inducirajući struju u sekundarnoj zavojnici (Tag). Oznaka može koristiti struju iz polja za napajanje: u ovom slučaju nije potrebna baterija za pristup, niti u načinu čitanja niti u načinu pisanja. Čip NFC oznake crpi svu potrebnu snagu za rad iz magnetskog polja koje generira čitač kroz svoju petlju antenu.

Gdje se koristi NFC?

NFC je rastuća tehnologija s potrebom bežičnog povezivanja elektroničkih uređaja. NFC je široko integriran u pametne telefone radi interakcije s fizičkim uređajima kompatibilnim s NFC -om i pružanja novih usluga poput beskontaktnog plaćanja.

Budući da NFC oznake ne moraju integrirati izvor napajanja jer se mogu napajati energijom koju emitira čitač, one mogu poprimiti vrlo jednostavne faktore kao što su oznake bez napajanja, naljepnice, kartice ili čak prstenovi.

Jako mi se svidjela činjenica da NFC oznake ne ugrađuju ćelije zagađujućih gumba za rad, već umjesto toga koriste samo energiju odašiljača.

Korak 3: NFC čip

NFC IC

NFC čip srce je posjetnice.

Moj zahtjev je bio:

• mali SMD paket
• dovoljno memorije za poveznicu na moj LinkedIn profil
• ugrađeni modul za prikupljanje energije

Nakon usporedbe nekoliko NFC modula, odlučio sam se za NTAG NT3H1101 IC iz NXP -a. Prema njegovom podatkovnom listu:

"NTAG I2C prvi je proizvod NXP -ove NTAG obitelji koji nudi i beskontaktno i kontaktno sučelje (vidi sliku 1). Osim pasivnog beskontaktnog sučelja usklađenog s NFC Forumom, IC ima i I2C kontaktno sučelje koje može komunicirati s mikrokontrolerom ako NTAG I2C se napaja iz vanjskog izvora napajanja. Dodatni vanjski napajani SRAM preslikan u memoriju omogućuje brz prijenos podataka između RF i I2C sučelja i obrnuto, bez ograničenja ciklusa upisivanja EEPROM memorije. Značajke proizvoda NTAG I2C pin za detekciju polja koji se može konfigurirati, koji omogućuje okidanje vanjskog uređaja ovisno o aktivnostima na RF sučelju. NTAG I2C proizvod također može napajati vanjske uređaje (male snage) (npr. mikrokontroler) putem ugrađenog kruga za prikupljanje energije."

Korak 4: Izračunavanje induktivnosti antene

Za komunikaciju i napajanje NFC oznaka mora imati antenu. Postupak projektiranja antene započinje ekvivalentnim modelom NFC čipa i njegove petlje antene:

gdje:

• Voc je napon otvorenog kruga induciran magnetskim poljem u anteni petlje
• Ra je ekvivalentni otpor petlje antene
• La je ekvivalentna induktivnost petlje antene
• Rs je serijski ekvivalentni otpor NFC čipa
• Cs je serijski ekvivalentni kapacitet ugađanja NFC čipa

Antenu je moguće opisati induktorom La s vrlo malim otpornikom gubitaka Ra. Kada emiter u petlji antene inducira magnetsko polje, u njemu se inducira struja i na njegovim stezaljkama pojavljuje se napon otvorenog kruga Voc. NFC čip može se opisati ulaznim otpornikom Rs i ugrađenim kondenzatorom za podešavanje Cs.

Serijski otpornici Ra i R zbrajaju se za posljednji ekvivalentni model sklopa koji se sastoji od NFC integriranog kruga i njegove petlje antene:

NFC IC otpornik Rs zajedno s antenskim otpornikom Ra i ugrađenim kondenzatorom Cs tvori rezonantni krug RLC s induktorom La antene. Više informacija o RLC rezonantnim krugovima objašnjeno je u mrežnim vodičima za elektroniku.

Rezonantna frekvencija serijskog RLC kruga data je formulom:

gdje:

• f je rezonantna frekvencija (Hz)
• L je ekvivalentna induktivnost kruga (H)
• C je ekvivalentni kapacitet kruga (F)

Jedini nepoznati parametar jednadžbe je vrijednost induktiviteta L. Ovaj je toliko izoliran da se može izračunati:

Znajući da je radna frekvencija NFC -a 13, 56 MHz i da je kondenzator za ugađanje NT3H1101 50 pF, izračunava se induktivitet L:

Kako bi rezonirala na NFC frekvenciji, antena za posjetnice na PCB -u mora imati ukupni induktivitet od 2, 75 μH.

Korak 5: Definiranje oblika antene: geometrijski proračuni (1. metoda)

Projektiranje petlje antene na PCB -u sa specifičnom induktivnošću je moguće i mora poštivati geometrijska ograničenja. Antena može imati različite oblike: pravokutne, kvadratne, okrugle, šesterokutne ili čak osmerokutne. Za svaki oblik odgovara određena formula koja daje ekvivalentni induktivitet ovisno o veličini, broju zavoja, širini gusjenica, debljini bakra i mnogim drugim parametrima …

Za dizajn svoje posjetnice odlučio sam koristiti pravokutnu antenu čija je geometrija sljedeća:

gdje:

• a0 & b0 su ukupne dimenzije antene (m)
• aavg & bavg su prosječne dimenzije antene (m)
• t je debljina kolosijeka (m)
• w je širina kolosijeka (m)
• g je razmak između kolosijeka (m)
• Nant je broj zavoja
• d ekvivalentni promjer kolosijeka (m)

Za ovu specifičnu geometriju ekvivalentna induktivnost Lant je dana formulom:

gdje:

Kako bih olakšao izračune, stvorio sam proračunski alat temeljen na excelu koji automatski izračunava ekvivalentnu induktivnost antene prema različitim geometrijskim parametrima. Ova mi je datoteka uštedjela mnogo vremena i truda u pronalaženju prave geometrije antene.

Imao sam ekvivalentnu induktivnost Lant = 2, 76 μH (dovoljno blizu) sa sljedećim parametrima:

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

Ako ste alergični na matematiku i izračune, postoje druge metode koje su detaljno opisane u sljedećim koracima. Još je važno proći kroz izračune da biste saznali više o osnovama dizajna antene;)

Korak 6: Definiranje oblika antene: mrežni kalkulatori (druga metoda)

Alternativa dugim izračunima u prethodnom koraku je postojanje mrežnih kalkulatora geometrije antena. Ove kalkulatore izrađuju pojedinci ili profesionalci, a namjera im je pojednostaviti dizajn antena. Budući da je teško provjeriti koje izračune rade ovi online kalkulatori, toplo se preporučuje upotreba kalkulatora koji prikazuju reference i formule koje se koriste, ili one koje su razvile specijalizirane tvrtke.

STMicroelectronics nudi takav kalkulator u svojoj internetskoj aplikaciji eDesignSuite kako bi pomogao korisnicima da integriraju ST proizvode u svoj krug. Kalkulator vrijedi za sve aplikacije s NFC tehnologijom, pa se stoga može koristiti za NFC čip iz NXP -a.

S prethodno izračunatim geometrijskim vrijednostima, rezultirajući induktivitet izračunat aplikacijom eDesignSuite iznosi 2, 88 μH umjesto očekivane vrijednosti od 2, 76 μH. Ova je razlika iznenađujuća i dovodi u pitanje prethodno dobiveni rezultat. Formula koju koristi aplikacija nepoznata je i nemoguće ju je usporediti s prethodnim izračunima.

Dakle, koja od dvije metode daje točan rezultat?

Nema! Mrežni kalkulatori i formule teorijski su alati za približavanje rezultata, ali moraju biti dopunjeni simulacijama sa specijaliziranim softverom i stvarnim testovima kako bi se dobio očekivani rezultat.

Srećom, već simulirana i testirana NFC rješenja stavljena su na raspolaganje dizajnerima elektronike i predmet su sljedećeg koraka …

Korak 7: Definiranje oblika antene: otvorene antene (3. metoda)

Kako bi olakšali implementaciju svojih NFC IC -ova, neki proizvođači pružaju cjelovita rješenja za dizajnere elektronike, poput vodiča za dizajn, bilješki o aplikacijama, pa čak i EDA datoteka.

Ovo je slučaj s NXP-om, koji za svoj raspon NFC integriranih krugova NTAG nudi potpuni vodič koji uključuje reference za dizajn NFC antena, proračunski alat za Excel za pravokutne i okrugle antene, datoteke gerber i Eagle za različite klase antena.

Klasa definira faktore oblika i veličine antene. Što je veća klasa, manja je antena. Za NFC, NXP preporučuje upotrebu antena "Klasa 3", "Klasa 4", "Klasa 5" ili "Klasa 6".

Odlučio sam se usredotočiti na pravokutne antene klase 4, čija se veličina činila prilagođenom mojoj posjetnici, koja će se nalaziti unutar zone definirane bilo:

• Vanjski pravokutnik: 50 x 27 mm
• Unutarnji pravokutnik: 35 x 13 mm, centriran u vanjski pravokutnik, s radijusom kuta od 3 mm

Za ovu klasu, NXP nudi Eagle datoteke antene koje su izradili njihovi inženjeri i već integrirane u neke od njihovih proizvoda. Glavna prednost ovog dizajna je što je već simuliran, ispravljen i potpuno optimiziran. Metode ispitivanja, ispravci i optimizacije predstavljeni su u dokumentu koji je također dostupan.

Odlučio sam koristiti ovaj dizajn otvorenog koda kao model i stvoriti vlastitu verziju kako bih ga implementirao u knjižnicu posvećenu projektu.

Korak 8: Stvaranje biblioteke Eagle

Za crtanje elektroničkog kruga posjetnice na Eagle -u potrebno je imati simbole i otiske prstiju korištenih komponenti. Nedostajali su samo antena i NFC oznaka pa sam ih morao izraditi i uključiti u knjižnicu za projekt.

Počeo sam s projektiranjem antene kopiranjem pravokutne otvorene antene klase 4 koju pruža NXP. Promijenio sam samo položaj konektora i postavio ih na duljinu antene. Zatim sam paket povezao sa simbolom zavojnice i dodao oznake s imenom i vrijednošću:

Zatim sam dizajnirao NFC čip koristeći podatke navedene u podatkovnom listu. Nazvao sam, promijenio veličinu i spojio 8 pinova komponenata u tlocrt pakiranja XQFN8 dimenzija 1, 6 * 1, 6 mm. Na kraju sam paket povezao sa simbolom NTAG -a i dodao oznake s imenom i vrijednošću:

Za više informacija o bibliotekama Eagle i stvaranju komponenti, Autodesk na svojim web stranicama nudi vodiče.

Korak 9: Shematski prikaz

Izrada elektroničke sheme vrši se na EAGLE PCB -u.

Nakon uvoza prethodno stvorene knjižnice "PCB_BusinessCard.lbr", različite se elektroničke komponente dodaju u shemu.

Integrirano kolo NFC NT3H1101, jedina aktivna komponenta kruga, spojeno je na pasivne komponente pomoću opisa njegovih pinova navedenih u tablici s podacima:

• Antena petlje od 2, 75 μH spojena je na LA i LB pinove.
• Izlazni signal VOUT za prikupljanje energije koristi se za napajanje NFC čipa i stoga je spojen na njegov VCC pin.
• Kondenzator od 220 nF spojen je između VOUT -a i VSS -a kako bi se zajamčio rad tijekom RF komunikacije.
• Konačno, LED i njegov serijski otpornik napaja VOUT.

Vrijednost otpora LED -a izračunava se s ohmovim zakonom prema parametrima LED -a i naponu napajanja:

gdje:

• R je otpor (Ω)
• Vcc je napon napajanja (V)
• Vled je napredni LED napon (V)
• Iled je LED prednja struja (A)

Korak 10: Dizajn PCB -a: Donja strana

Za dizajn svoje posjetnice htio sam postići nešto trijezno, ali to može pokazati koliko sam inventivan u životu i uvijek s novom idejom na umu. Odabrao sam dizajn žarulje sa žarnom niti, simbol nove ideje čije svjetlo može osvijetliti siva područja problema. Također mi se svidjela činjenica da je novačitelj mogao povezati moj profil na LinkedInu koji se pojavio na njegovu telefonu s novom dobrom idejom za njegovu tvrtku.

Počeo sam s projektiranjem žarulje koja zrači na softveru za vektorsko crtanje Inkscape. Crtež se izvozi u dvije datoteke BitMap, prva sadrži samo žarulju, a druga samo zrake svjetlosti.

Natrag na Eagle, upotrijebio sam ULP import-bmp za uvoz BitMap slika koje je generirao Inkscape u Eagleov crtež. Ovaj ULP generira SCRIPT datoteku koja iscrtava male pravokutnike uzastopnih piksela identične boje koji u kombinaciji ponovno stvaraju sliku.

• Dizajn žarulje uvezen je na 22. sloj "bPlace" i pojavit će se na sitotisku PCB -a u bijeloj boji, iznad crne maske za lemljenje.
• Crtež svjetlosnih zraka uvezen je na 16. sloj "Bottom" i smatrat će se bakrenom trakom prekrivenom maskom za crno lemljenje.

Korištenje bakrenog sloja za sliku omogućuje igranje s debljinom PCB -a i na taj način stvara efekte teksture i boje koji su obično nemogući na PCB -u. Umjetničke ploče mogu se izraditi takvim trikovima, a ja sam bio jako inspiriran nekim projektima za izradu pcb-a.

Na kraju sam nacrtao konture kruga i dodao svoj moto "Uvijek nova ideja". na 22. sloju "bPlace".

Korak 11: Dizajn PCB -a: Gornja strana

Kako je gornja strana ploče lišena komponenti, bio sam slobodan pronaći elegantan način označavanja mojih klasičnih podataka za kontakt: prezime, ime, naslov, e -mail i telefonski broj.

Još jednom sam se igrao s različitim slojevima PCB -a: počeo sam definiranjem djelomične ravnine tla. Zatim sam uvezao tekst koji sadrži moje kontakt podatke na 29. sloju "tStop", koji kontrolira masku lemljenja za gornju stranu. Superpozicija ravnine tla i teksta na sloju "tStop" uzrokuje pojavljivanje slova na tlu bez maske za lemljenje, dajući tekstu lijep sjajni metalni aspekt.

Ali zašto ne biste prizemlje stavili na cijelu posjetnicu?

Raspored induktivne antene na PCB -u zahtijeva posebnu pozornost jer radio valovi ne mogu prolaziti kroz metale, a iznad ili ispod antene ne smije biti bakrenih ravnina.

Sljedeći primjer pokazuje dobru implementaciju, gdje su prijenos energije i komunikacija između čitača i NFC oznake prikladni jer nema bakrenih ravnina koje preklapaju antenu.

Sljedeći primjer pokazuje lošu provedbu, gdje elektromagnetski tok ne može protjecati kroz antenu. Uzemljivačka ploča s jedne strane PCB -a blokira prijenos energije između čitača i antene NFC oznake:

Korak 12: Usmjeravanje PCB -a

Počeo sam postavljanjem svih različitih komponenti na donju stranu PCB -a.

LED dioda je postavljena na žarulju sa žarnom niti, a ostale komponente raspoređene su na što diskretniji mogući način u podnožju žarulje.

Žice koje povezuju različite pasivne komponente jedna s drugom ili s NFC oznakom po mogućnosti se postavljaju ispod linija koje iscrtavaju žarulju iz estetskih razloga.

Konačno, antena je postavljena na dno kruga, oko gesla, i spojena na NFC integrirano kolo pomoću dvije tanke žice.

Dizajn PCB -a je sada gotov!

Korak 13: Generiranje Gerberovih datoteka

Gerber datoteke standardna su datoteka koju koristi softver industrije tiskanih pločica za opisivanje slika PCB -a: bakreni slojevi, maska za lemljenje, legenda itd …

Bilo da se odlučite za izradu svoje PCB -a kod kuće ili povjerite proizvodni proces profesionalcu, bitno je generirati Gerberove datoteke s PCB -a prethodno izrađenog na Eagleu.

Izvoz Gerber datoteka iz Eagle-a vrlo je jednostavan pomoću ugrađenog CAM procesora: koristio sam CAM datoteku za dvoslojnu tiskanu ploču Seeed Fusion koja sadrži sve postavke koje koristi ovaj proizvođač i mnoge druge. Više informacija o Gerber generaciji s ovom datotekom možete pronaći na Seeedovoj web stranici.

CAM procesor generira.zip datoteku "NFC_BusinessCard.zip" koja sadrži 10 datoteka koje odgovaraju sljedećim slojevima PCB -a NFC poslovne kartice:

Produžetak	Sloj
NFC_BusinessCard. GBL	Donji bakar
NFC_BusinessCard. GBO	Donji sitotisak
NFC_BusinessCard. GBP	Donja lemna pasta
NFC_BusinessCard. GBS	Donja maska za lemljenje
NFC_BusinessCard. GML	Sloj mlina
NFC_BusinessCard. GTL	Vrhunski bakar
NFC_BusinessCard. GTO	Gornja sitotisak
NFC_BusinessCard. GTP	Top lemljiva pasta
NFC_BusinessCard. GTS	Vrhunska maska za lemljenje
NFC_BusinessCard. TXT	Bušilica za bušenje

Kako bih bio siguran da će PCB izgledati baš onako kako sam želio, postavio sam Gerber datoteke u EasyEDA -in online preglednik Gerber. Promijenio sam temu u crnu, a završnu obradu u srebrnu kako bih vizualizirao konačni dizajn nakon izrade.

Bio sam jako zadovoljan rezultatom i odlučio sam nastaviti s proizvodnim korakom …

Korak 14: Naručivanje PCB -a

Kako sam želio kvalitetan završetak svojih posjetnica, proces proizvodnje povjerio sam profesionalcu.

Mnogi proizvođači PCB -a sada nude vrlo konkurentne cijene: SeeedStudio, Elecrow, PCBWay i mnogi drugi … Savjet: Za usporedbu cijena i usluga koje nude različiti proizvođači PCB -a, savjetujem da upotrijebite web stranicu PCB Shopper koja mi je vrlo zgodna.

Za izradu mojih posjetnica uzeo sam u obzir jedan važan detalj: mnogi proizvođači PCB -a dopuštaju si označiti broj narudžbe na sitotisku od PCB -a. Ovaj je broj, iako mali, neugodan, osobito ako PCB mora biti estetski. Na primjer, imao sam ovo loše iznenađenje za božićna drvca od PCB -a od 1 USD, naručeno na SeeedStudio.

Iz iskustva sam znao da Elecrow nema tu lošu naviku pa sam odlučio povjeriti izradu svojih kartica ovom proizvođaču i naručio sam 10 posjetnica za 4,9 USD sa sljedećim postavkama:

• Slojevi: 2 sloja
• Dimenzije: 54*86 mm
• Različiti dizajn PCB -a: 1
• Debljina PCB -a: 0, 6 mm (najtanji dostupan)
• Boja PCB -a: Crna
• Površinska obrada: HASL
• Kaštelana rupa: Ne
• Težina bakra: 1 oz (prema izboru formule induktivnosti antene)

Dva tjedna kasnije primio sam svoje PCB -e savršeno izrađene i bez ikakvog dosadnog broja narudžbe označenog na sitotisku. Zasad je dobro, vrijeme je za lemljenje ovih ploča!

Korak 15: Lemljenje NFC čipa

Nagrada sudaca na natječaju za PCB